Modellazione FE di reti erniali alla macroscala: implementazione di modelli costitutivi iperelastici e anisotropi = Macroscale FE modeling of hernial meshes: implementation of hyperelastic and anisotropic constitutive models

Dalla loro introduzione nel 1958, le reti addominali sono diventate lo standard per la riparazione dell'ernia addominale garantendo rispetto alle tecniche di riparazione senza rete, un rischio minore di ricorrenza dell'ernia, migliori risultati nel lungo periodo e minore dolore post-operativo. Per ottenere buoni risultati clinici dopo il loro impianto, le reti addominali devono presentare caratteristiche fisiche adeguate e caratteristiche meccaniche simili a quelle del tessuto addominale. Per poter investigare le proprietà della rete, sono necessari test meccanici sperimentali, ma la mancanza di regole standard nella caratterizzazione meccanica porta a una certa variabilità nei protocolli utilizzati e nei risultati ottenuti. Inoltre, per avere dati sperimentali statisticamente significativi è necessario eseguire numerose repliche dei test. Questo porta a un costo economico e temporale non irrilevante dovuto all'uso di numerosi provini e al dover ripetere le prove. Negli ultimi decenni l’impiego di simulazioni numeriche per analizzare il comportamento delle protesi tramite la creazione di modelli ad elementi finiti (FE) ha acquisito sempre maggiore rilevanza. Questo approccio offre vantaggi sia economici sia operativi, consentendo di simulare condizioni di test e scenari che sarebbero difficilmente replicabili in vivo. Tuttavia, un aspetto cruciale di questo processo è rappresentato dalla corretta validazione dei modelli sviluppati, per garantire l'accuratezza e l'affidabilità dei risultati ottenuti. In questo contesto, nel presente lavoro di tesi, sono stati sviluppati modelli FE relativi a due reti chirurgiche in polipropilene (i.e., EVB e Parietene), le cui caratteristiche meccaniche erano state precedentemente investigate tramite test in vitro. In particolare, i modelli sviluppati tramite il software Abaqus sono modelli alla macroscala in cui la rete è modellata come una superficie omogenea. Il comportamento anisotropico e non lineare delle mesh è stato quindi ottenuto attraverso l’implementazione di un modello costituivo iperelastico anisotropico di Holzapfel-Gasser-Ogden (HGO). In entrambi i modelli sono state applicate condizioni al contorno che riproducessero i test di trazione uniassiale precedentemente eseguiti. Il lavoro di tesi è stato quindi incentrato sull’identificazione di una metodologia di ottimizzazione dei parametri del modello HGO al fine di ottenere una risposta meccanica numerica analoga a quella sperimentale. Sono stati utilizzati diversi processi di ottimizzazione, ognuno caratterizzato da una diversa funzione obiettivo (e.g., minimizzazione dell’area tra le curve forza-spostamento sperimentali e numeriche, minimizzazione degli scarti quadratici, degli scarti normalizzati e degli scarti normalizzati quadratici tra forze sperimentali e numeriche) e da un algoritmo di ottimizzazione di ricerca globale e uno di ricerca locale presenti sul software Hyperstudy. La bontà dei modelli ottimizzati e il confronto tra le ottimizzazioni è stato valutato quantificando l’area presente tra le curve sperimentali e quelle numeriche: un valore di area minore rappresenta una ottimizzazione migliore. Per la rete EVB sono stati ottenuti valori dell’area minori di 1.365 N*mm, mentre per il Parietene sono stati ottenuti valori minori di 0.906 N*mm. Si osserva quindi, come il processo di ottimizzazione qui riportato abbia portato a una migliore rappresentazione dei dati sperimentali con la rete Parietene rispetto alla rete EVB.