Caratterizzazione meccanica e modellazione costitutiva visco-iperelastica del tessuto bronchiale equino. Un approccio sperimentale e computazionale = Mechanical characterization and visco-hyperelastic constitutive modeling of equine bronchial tissue. An experimental and computational approach

Negli ultimi decenni lo studio dei tessuti biologici ha conosciuto un rinnovato interesse, volto a chiarire in che modo la loro complessa e gerarchica organizzazione ne determini le proprietà meccaniche, le quali possono essere significativamente eterogenee all’interno dello stesso organo. L’impiego di test sperimentali di trazione uniassiali e bi-assiali integrati da prove di stress-rilassamento, lo sviluppo di nuove leggi costitutive e la crescente potenza di calcolo ha permesso di definire e simulare in maniera più precisa il comportamento meccanico di molteplici tessuti biologici, quali cuore, arterie, muscoli, tendini e cervello. In letteratura le proprietà meccaniche dei bronchi o in generale dei tessuti molli che costituiscono l’apparato respiratorio, sia umano sia animale, sono state valutate da un numero limitato di studi. Un loro approfondimento, associato all'impiego di modelli numerici, rappresenta una via promettente per indagare patologie la cui insorgenza e sviluppo rimangono ad oggi ancora poco chiare. In questo contesto, risulta di particolare interesse l’analisi dell’albero polmonare, in quanto luogo in cui si verificano le principali disfunzioni respiratorie, quali per esempio l'asma e la bronchite. Il presente lavoro si focalizza sulla caratterizzazione meccanica dell’albero polmonare equino, considerando specificatamente tessuti quali i bronchi primari e secondari e le ramificazioni bronchiali di maggiore diametro, provenienti sia da soggetti sani sia patologici. Per determinare le proprietà meccaniche dei bronchi si sono effettuati test di stress-rilassamento e test di trazione uniassiale, impiegando sia campioni di forma rettangolare sia cilindrica, preservando in quest’ultimo caso la struttura bronchiale fisiologica. A tal fine è stato sviluppato un sistema di afferraggio ad hoc, realizzato tramite stampante 3D a filamento. Lo scopo ultimo consiste nel definire un modello costitutivo in grado di simulare la risposta meccanica fisiologica delle vie aeree dell’equino. A partire dati sperimentali sono stati identificati i parametri costitutivi della formulazione visco-iperelastica fibrorinforzata considerando due famiglie di fibre, la quale successivamente è stata implementata in un modello a elementi finiti sviluppato nella piattaforma open-source FEniCS, specializzata nella risoluzione di equazioni differenziali alle derivate parziali. Il confronto tra il comportamento meccanico osservato sperimentalmente e la risposta numerica del modello ha permesso di validare una metodologia numerica robusta in grado di simulare il comportamento meccanico dei bronchi equini.