What Bees Want: Algorithm-Aided Design di un'arnia progettata per le api e realizzata in Additive Manufacturing

L’importanza delle api per la vita sulla Terra ed il rischio alle quali sono sottoposte per via dell’azione dell’uomo sono ormai un dato di fatto. La concezione antropocentrica della natura e l’allevamento al solo fine produttivo di questi piccoli insetti, ha da sempre danneggiato il loro habitat e interferito con i loro cicli biologici. L’apicoltura, nata come un rapporto mutualistico in cui l’uomo offriva un rifugio alle api e loro in cambio provvedevano al suo nutrimento, si è trasformato in una dannosa dipendenza ed in un assoggettamento di questi insetti ai ritmi artificiali e tutt’altro che naturali della produzione rapida e seriale volta all’ottenimento di un profitto. Un’evidente prova di questa condizione, sono i rifugi per le api, le arnie. Ci siamo mai chiesti perché le arnie hanno questa forma? È quella che preferiscono le api, o quella che rende più pratici e veloci processi di costruzione, gestione e produzione? In natura le api colonizzano cavità quali tronchi cavi di alberi, forme lontane, per non dire diametralmente opposte a quelle in cui le vediamo vivere negli allevamenti. In questa ottica, il design e le nuove tecnologie, poste al servizio della Natura, conducono ad un punto di incontro tra le esigenze umane e quelle degli altri esseri viventi, delle api in questo caso. I concetti di Additive Manufacturing e Design Computazionale, permettono processi di produzione simili a quelli evolutivi naturali e trovano per questa motivazione un’applicazione ideale per progetti che si pongono come fine quello di discostarsi da una visione troppo artificiale, per riavvicinarsi alla perfezione e all’armonia delle leggi della Natura.

ADDITIVE MANUFACTURING: tecnologia innovativa per l'ottimizzazione di macchine elettriche

Lo scopo di questa tesi è quello di mostrare le potenzialità e le possibili soluzioni dell’Additive Manufacturing per l’ottimizzazione di macchine elettriche in risposta al problema delle terre rare. Nel primo capitolo viene presentato lo stato dell’arte dell’Additive Manufacturing mostrando una rapida panoramica delle sue caratteristiche principali, le potenzialità future e i settori di utilizzo. Il secondo capitolo propone le principali tecniche di Stampa 3D per la realizzazione di oggetti evidenziando di ognuna i pregi e i difetti. All’interno del terzo capitolo, viene illustrata la struttura di una macchina elettrica mostrando le varie componenti e presentando delle possibili ottimizzazioni realizzate tramite Additive Manufacturing. Nel quarto capitolo vengono presentati esempi di macchine elettriche complete realizzate attraverso le tecniche dell’Additive Manufacturing. Nel quinto capitolo vengono confrontati un Interior Permanent Magnets motor e un Synchronous Relectance Machine.

A medical imaging-based approach for total shoulder replacement

Ogni anno in Italia, migliaia di protesi convenzionali vengono impiantate con successo in pazienti affetti da artrosi alla spalla, tuttavia è stato dimostrato che questa tipologia di protesi non funziona in quei pazienti che soffrono contemporaneamente anche di grandi lesioni alla cuffia dei rotatori, ricorrendo successivamente a un impianto di protesi di spalla inversa. La scelta sul miglior tipo di protesi da parte del chirurgo è quindi fondamentale e necessaria per evitare futuri stress e operazioni al paziente. Nel corso degli anni si è fatto affidamento a protocolli che non considerano in maniera specifica la componente tissutale ossea. In questa tesi si cerca di dimostrare che attraverso l’utilizzo delle immagini mediche è possibile ricavare dati e grafici specifici sulla componente ossea del paziente per ottimizzare poi la scelta della protesi da parte del chirurgo e la fase pre/intra operatoria.

Studio di metodi e strumenti per la valutazione dell'impatto ambientale e di sostenibilità dei processi di produzione additiva

La produzione additiva è una tecnologia innovativa completamente rivoluzionaria. La sua tecnica di costruzione layer by layer a partire da un file digitale consente la progettazione di componenti più complessi e ottimizzati, favorendo la stampa 3D su richiesta. La produzione additiva è potenzialmente in grado di offrire numerosi vantaggi sul tema della sostenibilità, rappresentati dall’utilizzo più efficiente delle risorse, dalla vita estesa dei prodotti e dalle nuove configurazioni delle catene di valore. L’ importanza di determinare gli impatti che tale processo genera lungo il suo ciclo di vita, ha portato ad una revisione della letteratura su tale argomento. In particolare, la mancanza di dati e modelli ha focalizzato l’attenzione su studi LCA di specifici processi. Grazie a tale strumento è stato possibile determinare l’influenza di diversi materiali, parametri di processo e scenari di utilizzo. Infine, viene mostrato quanto sia significativo l’impatto sociale che è in grado di generare la produzione additiva.

Sviluppo di biosensori reagentless basati sull'enzima fosfatasi alcalina

Negli ultimi anni i biosensori enzimatici sono diventati sempre più popolari nel campo delle determinazioni rapide di analiti di interesse industriale ed ambientale. L’utilizzo di tali biosensori consente di evitare, o comunque limitare, l’impiego di metodi analitici basati su tecniche più complesse e dispendiose in termini economici e temporali. Un grande obbiettivo della ricerca negli ultimi anni è quello di costruire biosensori reagentless, ossia dispositivi pronti all’uso da parte degli analisti, indipendentemente dalla loro esperienza. In questo lavoro di tesi sono stati sviluppati dei biosensori amperometrici reagentless che sfruttano l’enzima fosfatasi alcalina (ALP), come elemento di riconoscimento biologico, ed un elettrodo screen-printed (SPE) commerciale, come trasduttore. Per gli elettrodi SPE commerciali sono stati testati modificanti a base di nanomateriali carboniosi e del polimero conduttore PEDOT:ClO4. Sono inoltre stati messi a punto diversi biosensori costruiti utilizzando sia l’enzima ALP immobilizzato che lo stesso enzima in soluzione. I test sono stati eseguiti utilizzando il substrato enzimatico “ascorbil-fosfato di sodio (AAP)” ed alcuni inibitori enzimatici. I dispositivi reagentless sono stati fabbricati mediante stampa 3D e sono stati realizzati appositamente per gli elettrodi SPE commerciali utilizzati. Tali dispositivi sono stati utilizzati per effettuare la determinazione dell’AAP in campo cosmetico e la determinazione dell’enzima ALP in campo alimentare.

Revisione sistematica della letteratura sull’efficacia del resistance training nel trattamento dei pazienti affetti da fibromialgia

Background: La fibromialgia è una sindrome cronica caratterizzata da dolore muscolo-scheletrico associato ad altri sintomi quali stanchezza, depressione, ansia e disturbi del sonno. Questa patologia colpisce tra il 2% ed il 4% della popolazione mondiale, con un’incidenza maggiore nel sesso femminile. Chi ne è affetto riferisce un significativo peggioramento delle relazioni sociali e della qualità di vita. Il resistance training, di cui sono noti i molteplici benefici sulla salute fisica e mentale dell’individuo, è stato di recente proposto come strategia terapeutica in questa tipologia di pazienti. Obiettivo: Ricercare in letteratura prove dell’efficacia di un approccio terapeutico basato sul resistance training per ridurre il dolore e migliorare la qualità di vita nei pazienti affetti da fibromialgia. Materiali e metodi: Sono state indagate le banche dati PubMed, PEDro e Cochrane Library utilizzando quattro diverse stringhe di ricerca, ottenute combinando le parole chiave con gli operatori booleani. Per la selezione degli studi è stato impiegato il diagramma di flusso PRISMA. Sono stati inclusi solo gli RCT che proponevano un programma di resistance training non combinato con altre metodiche riabilitative. Risultati: Dei 327 articoli inizialmente individuati sono stati inclusi 3 studi che mettevano a confronto il resistance training con altre metodiche riabilitative. Tutti e tre gli studi hanno dimostrato una riduzione statisticamente significativa dell’intensità del dolore e un miglioramento, seppur non sempre significativo, della qualità di vita. Conclusioni: Gli studi selezionati hanno evidenziato un effetto benefico del resistance training, se effettuato con regolarità e costanza, nel ridurre l’intensità del dolore e migliorare la qualità di vita nei pazienti affetti da fibromialgia. Tuttavia, visto il numero ancora limitato di studi sull’argomento, è auspicabile lo svolgimento di ulteriori trials per poter acquisire maggiori prove di efficacia.

Benchmarking di sistemi di additive manufacturing in termini di precisione di forma con ispirazione al sistema GD&T

Questo studio si pone come obiettivo lo sviluppo e la sperimentazione di un metodo per eseguire un benchmarking di due diversi sistemi di Additive Manufacturing mediante macchina di misura a coordinate Renishaw Cyclone. In particolare sono valutate le prestazioni in termini di precisione di forma di un sistema di tipo FDM e di uno di tipo PolyJet al fine di ottenere dati indicanti le potenzialità di queste due tecnologie per parti di piccole dimensioni. Dopo un’introduzione generale sull’Additive Manufacturing, si scende nei dettagli delle due tecniche oggetto dello studio e si discute di come strutturare il piano sperimentale in funzione degli obiettivi dell’attività e dei metodi scelti per l’acquisizione e la valutazione dei dati. Si parte, infatti, con la fabbricazione di un modello di benchmark, le cui geometrie vengono poi rilevate tramite una macchina di misura a coordinate per ottenere i valori di precisione di forma, che sono presentati come tolleranze geometriche del sistema GD&T. Successivamente, si descrivono tutte le fasi dell’attività sperimentale, iniziando con l’ideazione del modello di benchmark e proseguendo con i processi di fabbricazione e misurazione, per poi arrivare alla deduzione dei valori di precisione di forma tramite un post-processing dei dati. Infine, si presentano i valori di tolleranza ottenuti e si traggono le conclusioni riguardo la riuscita dell’attività sperimentale e il confronto tra le due tecnologie di Additive Manufacturing.

Studio di fabbricabilità per strutture porose interconnesse con macchina PolyJet

Il presente caso di studio prende forma da una problematica su una metodologia di stampa 3D relativamente nuova, la tecnologia PolyJet. Nella tesi, si verificano ed osservano i limiti di fabbricazione dei modelli ottenuti da questo processo di stampa, dovuti al particolare materiale di supporto che utilizza la tecnologia medesima a differenza di altre tecnologie esistenti. Nei dettagli, si è deciso di stampare dei particolari provini costituiti da strutture porose interconnesse, ottenute tramite superfici TPMS (Triply Periodical Minimal Surfaces), caratterizzate da fori molto piccoli e profondi ed osservare la facilità o la difficoltà nel rimuovere il materiale di supporto da ognuno di essi attraverso le attrezzature disponibili in laboratorio. I risultati ottenuti dall’esperimento hanno mostrato che, riducendo sempre di più i fori delle strutture dei provini, si va a complicare l’azione di rimozione del materiale di supporto, rendendo il processo difficile da compiere come nell’ultimo provino realizzato. Si evince che, nei tre casi osservati, è possibile rimuovere tutto il materiale di supporto dalle strutture, anche nell’ultimo manufatto, con fori di dimensione di un millimetro.

Prospettive dell'ingegneria tissutale per la produzione di tessuto tendineo e legamentoso

Il presente elaborato riassume un’analisi della letteratura scientifica corrente relativa all’approccio proposto dall’ingegneria tissutale per la sostituzione/rigenerazione del tessuto tendineo e legamentoso e analizza le fasi che conducono alla realizzazione di un costrutto con a bordo cellule specifiche. I tendini e i legamenti sono tessuti fibrosi specializzati che svolgono principalmente una funzione meccanica: i primi permettono la trasmissione delle forze dal muscolo all’osso per generare il movimento, i secondi invece garantiscono la stabilità tra le giunture ossee che collegano. Gravi lesioni di tali strutture sono associate all’insorgere di incombenti problematiche a livello motorio e la caratteristica peculiare di mancata rigenerazione spontanea ha indotto alla ricerca di fonti alternative per la loro ricostruzione. L’esperienza relativa alla preparazione e all’uso di innesti allogenici e xenogenici finalizzati alla rigenerazione tissutale mostrano una difficoltà nella coltura cellulare in vitro, una prolungata risposta infiammatoria in vivo, nonché dei tempi troppo lunghi per l’impianto. L’utilizzo di scaffold, ovvero supporti 3D realizzati con materiale sintetico (p.es. acido poliglicolico) o naturale (p.es. collagene) per ospitare la crescita di cellule adeguate, sembra un approccio alternativo promettente. In particolare, in questo documento sono state riassunte due esperienze di riparazione tissutale, ispirate alla strategia sopra indicata, per il recupero del tendine d’Achille e del legamento crociato anteriore (ACL) del ginocchio, due distretti affetti da lesioni di natura principalmente traumatica e caratterizzati da specifiche proprietà che devono essere soddisfatte in vitro e in vivo.

Gruppo per la manipolazione e la stampa su flaconi farmaceutici

L’obiettivo di questa tesi di laurea è lo sviluppo dell’automazione delle tecniche per il trattamento di radiofarmaci, in particolare riguardo alle pratiche di trasferimento di dati sulla superficie del contenitore includente il radiofarmaco. Lo scopo è passare dall’applicazione manuale di etichette, ad una scrittura automatizzata dei dati direttamente sulla superficie del contenitore. Lo sviluppo del progetto sarà realizzato con l’ausilio del programma di modellazione 3D PTC Creo Elements, ritenuto il sistema CAD più idoneo per la realizzazione di progetti ex novo come quello in oggetto. La modellazione verrà effettuata per tentativi, valutando caso per caso varie opzioni, fino al raggiungimento del risultato ottimale. Dopo aver descritto i processi produttivi attuali e l’integrazione del dispositivo all’interno di essi, viene illustrato il funzionamento passo passo del dispositivo, partendo dalla fase di entrata, proseguendo con la fase di centraggio e stampa, terminando con la fase di scarico. Viene successivamente illustrato il prodotto finito e le relative problematiche riscontrate durante le fasi di prova del prototipo, in particolare, difetti nella trascrizione dei dati sulla superficie del contenitore e difetti progettuali dell’intero sistema. Vengono infine illustrate le possibili soluzioni, in particolare un nuovo sistema di fissaggio del contenitore.

Monitoring the extracellular matrix mineralization processes in biological scaffolds using bioreactors, x-ray μct technology and 3-d modeling methods (monitoraggio dei processi di mineralizzazione della matrice extracellulare in scaffolds biologici, utilizzando bioreattore, tecnologia μct a raggi x e metodi di modellizzazione 3d)

Al fine di migliorare le tecniche di coltura cellulare in vitro, sistemi a bioreattore sono sempre maggiormente utilizzati, e.g. ingegnerizzazione del tessuto osseo. Spinner Flasks, bioreattori rotanti e sistemi a perfusione di flusso sono oggi utilizzati e ogni sistema ha vantaggi e svantaggi. Questo lavoro descrive lo sviluppo di un semplice bioreattore a perfusione ed i risultati della metodologia di valutazione impiegata, basata su analisi μCT a raggi-X e tecniche di modellizzazione 3D. Un semplice bioreattore con generatore di flusso ad elica è stato progettato e costruito con l'obiettivo di migliorare la differenziazione di cellule staminali mesenchimali, provenienti da embrioni umani (HES-MP); le cellule sono state seminate su scaffold porosi di titanio che garantiscono una migliore adesione della matrice mineralizzata. Attraverso un microcontrollore e un'interfaccia grafica, il bioreattore genera tre tipi di flusso: in avanti (senso orario), indietro (senso antiorario) e una modalità a impulsi (avanti e indietro). Un semplice modello è stato realizzato per stimare la pressione generata dal flusso negli scaffolds (3•10-2 Pa). Sono stati comparati tre scaffolds in coltura statica e tre all’interno del bioreattore. Questi sono stati incubati per 21 giorni, fissati in paraformaldehyde (4% w/v) e sono stati soggetti ad acquisizione attraverso μCT a raggi-X. Le immagini ottenute sono state poi elaborate mediante un software di imaging 3D; è stato effettuato un sezionamento “virtuale” degli scaffolds, al fine di ottenere la distribuzione del gradiente dei valori di grigio di campioni estratti dalla superficie e dall’interno di essi. Tale distribuzione serve per distinguere le varie componenti presenti nelle immagini; in questo caso gli scaffolds dall’ipotetica matrice cellulare. I risultati mostrano che sia sulla superficie che internamente agli scaffolds, mantenuti nel bioreattore, è presente una maggiore densità dei gradienti dei valori di grigio ciò suggerisce un migliore deposito della matrice mineralizzata. Gli insegnamenti provenienti dalla realizzazione di questo bioreattore saranno utilizzati per progettare una nuova versione che renderà possibile l’analisi di più di 20 scaffolds contemporaneamente, permettendo un’ulteriore analisi della qualità della differenziazione usando metodologie molecolari ed istochimiche.

Ingegnerizzazione di sostituti del tessuto cartilagineo

Questa tesi compilativa prende in esame la cartilagine, partendo dalla composizione dei suoi diversi tipi rappresentati nel corpo umano e delle funzioni qui svolte, per descrivere i metodi utilizzati per riprodurla artificialmente mediante cellule staminali, fattori di crescita e scaffold dedicati coltivati in ambiente controllato. La cartilagine è un tessuto molto particolare perché, diversamente dagli altri tessuti, non possiede una rete di capillari e quindi riceve un limitati apporto di ossigeno e sostanze nutritive, che spiega la sua poverissima capacità intrinseca di riparazione. La cartilagine è però un tessuto soggetto a numerosi stress di vario tipo e quindi è soggetta a traumi che possono essere di natura sportiva o accidentale (soprattutto la cartilagine di tipo articolare) ed è anche colpita da malattie degenerative. Questo ha stimolato gli studi che intendono ingegnerizzare un tessuto artificiale in grado di aumentare la capacità di riparare la zona colpita. In quest’ottica, vengono attivamente condotti esperimenti in grado di definire protocolli che inducano cellule staminali al differenziamento in cellule di tipo cartilagineo. Tali cellule, seminate su supporti (scaffolds) 3D biocompatibili di diversa natura, naturali o sintetici, eventualmente bioattivi, possono essere coltivate in ambienti dedicati, detti bioreattori, che utilizzino stimoli fisici (p. es. vibrazionali, microgravità, ultrasonici, regolazione della tensione di ossigeno, sforzi di taglio, compressione dinamica e compressione idrostatica ciclica) che si sono dimostrati utili per indurre l’appropriato fenotipo cellulare, valutabile attraverso una batteria di approcci di misura morfologica e funzionale.

Ottimizzazione di metodi numerici e realizzazione di un setup per l'imaging di colture cellulari 3D con tomografia ad impedenza elettrica

Il presente lavoro di tesi presenta la progettazione, realizzazione e applicazione di un setup sperimentale miniaturizzato per la ricostruzione di immagine, con tecnica di Tomografia ad Impedenza Elettrica (EIT). Il lavoro descritto nel presente elaborato costituisce uno studio di fattibilità preliminare per ricostruire la posizione di piccole porzioni di tessuto (ordine di qualche millimetro) o aggregati cellulari dentro uno scaffold in colture tissutali o cellulari 3D. Il setup disegnato incorpora 8 elettrodi verticali disposti alla periferia di una camera di misura circolare del diametro di 10 mm. Il metodo di analisi EIT è stato svolto utilizzando i) elettrodi conduttivi per tutta l’altezza della camera (usati nel modello EIT bidimensionale e quasi-bidimensionale) e ii) elettrodi per deep brain stimulation (conduttivi esclusivamente su un ridotto volume in punta e posti a tre diverse altezze: alto, centro e basso) usati nel modello EIT tridimensionale. Il metodo ad elementi finiti (FEM) è stato utilizzato per la soluzione sia del problema diretto che del problema inverso, con la ricostruzione della mappa di distribuzione della conduttività entro la camera di misura. Gli esperimenti svolti hanno permesso di ricostruire la mappa di distribuzione di conduttività relativa a campioni dell’ordine del millimetro di diametro. Tali dimensioni sono compatibili con quelle dei campioni oggetto di studio in ingegneria tissutale e, anche, con quelle tipiche dei sistemi organ-on-a-chip. Il metodo EIT sviluppato, il prototipo del setup realizzato e la trattazione statistica dei dati sono attualmente in fase di implementazione in collaborazione con il gruppo del Professor David Holder, Dept. Medical Physics and Bioengineering, University College London (UCL), United Kingdom.

Uso combinato di ecografia e stereofotogrammetria per l'analisi delle variazioni architetturali del muscolo in funzione della posizione articolare

Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di indagare come differenti angoli all’articolazione di caviglia possono influenzare l’architettura del muscolo Tibiale Anteriore, architettura che sua volta può influenzare la lettura degli elettromiogrammi superficiali. Questo è stato fatto attraverso l’utilizzo combinato di sistemi ecografici e stereofotogrammetrici, che nel loro complesso permettono la ricostruzione del volume della struttura di interesse. Dalle immagini ecografiche 3D è stato possibile valutare le modifiche dell’angolo di pennazione del muscolo, che ha mostrato differenze significative tra due condizioni di osservazione, ovvero passando dalla condizione con caviglia in posizione neutra a dorsiflessa e passando dalla posizione dorsiflessa a quella plantarflessa. Dalla ricostruzione del volume è stato possibile stimare le variazioni di spessore e larghezza del muscolo. Da queste stime sono state riscontrate differenze significative passando dalla condizione con caviglia in posizione neutra a dorsiflessa e passando dalla posizione dorsiflessa a quella plantarflessa, principalmente nella porzione più mediale del muscolo.

Modellazione muscoloscheletrica subject-specific: applicazione a casi clinici e analisi delle incertezze

Lo sviluppo sistematico di modelli subject-specific computerizzati per l’analisi di trattamenti personalizzati è attualmente una realtà. Infatti di recente sono state sviluppate molte tecnologie per la creazione di modelli virtuali ad elementi finiti, che ricreano accuratamente le geometrie specifiche del soggetto e tutte le proprietà fondamentali per ricreare le capacità motorie, basandosi su analisi d’immagine quantitative. Tuttavia, per determinare le forze agenti sul sistema, necessitiamo di una intera analisi di cammino, solitamente in combinazione con uno studio di simulazione di dinamica inversa. In questo elaborato, mi propongo di illustrare i procedimenti per creare un modello subject-specific partendo da dati di imaging (da tomografie computerizzate) di un paziente reale affetto da displasia congenita dell’anca, e gli strumenti che ci permettono di effettuare le simulazioni del modello, al fine di ottenere informazioni quantitative circa le grandezze che governano la dinamica del cammino del paziente. Il corpi rigidi del modello scheletrico saranno costruiti mediante la tecnica della segmentazione 3D, e verranno utilizzati per costruire un sistema articolato dotato di attuatori muscolo-tendinei e giunti articolari a due o tre gradi di libertà. Per conseguire questo obiettivo si farà uso del software, “NMSBuilder”, per poi inserirlo in un programma di simulazione di dinamica del movimento, “OpenSim”, che ci permetterà di calcolare forze muscolari, forze di contatto e momenti articolari del modello. Questi risultati saranno di fondamentale importanza per studiare riabilitazioni ad hoc per pazienti affetti da DCA che devono essere sottoposti ad artroprotesi totale. Lo scopo di questo studio sarà anche quello di analizzare la sensibilità delle previsioni dei modelli specifici durante la deambulazione tenendo conto delle incertezze nell'identificazione delle posizioni dei body-landmarks, della massima tensione muscolare e della geometria muscolo-tendinea.