Studio di fattibilità di una protesi di piede realizzata con fibra di carbonio a basso costo

Il mondo dei materiali compositi è in continua espansione, e sono sempre di più le aziende che richiedono componenti prodotti con questi materiali, uno dei quali è la fibra di carbonio. Tali aziende producono inevitabilmente scarti di lavorazione derivanti dal taglio di sagome dai fogli di fibra di carbonio; questi ritagli rappresentano ancora una buona materia prima, che, se ben conservata, può essere utilizzata per la fabbricazione di prodotti secondari. Così facendo sarà possibile ridurre il costo di smaltimento della fibra, e, al contempo, ottenere manufatti in fibra di carbonio a basso costo. È in questo contesto che rientra il lavoro e la ricerca di questo elaborato il cui obbiettivo è riutilizzare gli sfridi di lavorazione per realizzare protesi di piede a basso costo in fibra di carbonio. Un ulteriore attenzione è stata posta al metodo di fabbricazione della protesi, il quale deve risultare semplice da realizzare. Per questa ragione si è deciso che la pressione durante la cottura fosse da applicare per via meccanica, attraverso la presenza di uno stampo e di un controstampo, serrati tramite collegamenti bullonati. Nell’elaborato sarà descritto il lavoro svolto per l’ottenimento della forma e della disposizione degli strati di fibra di carbonio, basato su simulazione di modelli ad elementi finiti, che ha condotto alle migliori sagome e al miglior orientamento delle fibre negli strati di materiale composito. Sarà inoltre illustrato il metodo utilizzato per ottenere lo stampo, e le procedure da seguire per la realizzazione del prototipo di protesi. Saranno infine illustrati i risultati ottenuti dalle prove di caratterizzazione di due prototipi differenti, uno ottenuto con fibre intere, e uno realizzato con fibre corte.

Studio di semiconduttori mesoporosi

I semiconduttori porosi in passato erano considerati dannosi per l'industria microelettronica: solo negli ultimi decenni è stato scoperto che essi posseggono particolari proprietà che li differenziano fortemente dai rispettivi semiconduttori integri, pertanto questa categoria di materiali oggi rappresenta un nuovo settore di ricerca. In questo lavoro di tesi si discutono: la classificazione, la geometria e la morfologia delle strutture porose; la tecnica di "etching" elettrochimico impiegata per realizzare i pori nei semiconduttori; i modelli e i meccanismi di formazione dei pori; la tecnica di spettroscopia elettrochimica FFT-IS("Fast Fourier Transform Impedance Spectroscopy") utile nell'analisi in tempo reale della formazione dei pori; le possibili applicazioni di questi materiali.

Caratterizzazione di scintillatori organici per la rivelazione di neutroni termici

La rivelazione dei neutroni gioca un ruolo fondamentale sia nel campo della fisica nucleare di base che in diversi ambiti applicativi quali la produzione di energia in reattori a fissione, la sicurezza nazionale alle frontiere, la terapia e la diagnostica mediche. Negli anni passati la rivelazione di neutroni di bassa energia (nell'intervallo termico) si è basata principalmente sull'utilizzo di contatori proporzionali a $^3$He. Il grosso vantaggio di questi strumenti è la loro quasi totale inefficienza nella rivelazione di radiazione elettromagnetica, consentendo una caratterizzazione pulita dei flussi neutronici di bassa energia, anche quando, come spesso succede, sono accompagnati da un intenso fondo di raggi X e raggi gamma. La scarsa disponibilità di $^3$He ed il conseguente incremento del suo costo hanno stimolato, negli ultimi anni, numerosi programmi di sviluppo di nuovi rivelatori per neutroni termici in grado di rimpiazzare i troppo costosi contatori a $^3$He. In questo contesto si sono sviluppati da una parte il progetto ORIONE/HYDE dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), che punta allo sviluppo di scintillatori organici a matrice siliconica in grado di rivelare sia neutroni veloci che termici, dall'altra l'applicazione di tali sviluppi ad attività connesse con il Progetto SPES nell'ambito del PRIN intitolato Sviluppo di Rivelatori e tecniche d'analisi per la sperimentazione con i fasci radioattivi dei Laboratori Nazionali dell'INFN, con particolare riferimento a SPES. All'interno di una matrice scintillante organica (ricca quindi di nuclei di Idrogeno e Carbonio) opportunamente drogata per favorire il processo di scintillazione, viene disperso un ulteriore dopante ad alta sezione d'urto di cattura neutronica (tipicamente $^{10}$B o $^6$Li). Questo scintillatore risulta sensibile alla radiazione neutronica veloce che viene rivelata tramite i processi di urto elastico ed il successivo rinculo dei nuclei che causa l'emissione di luce di scintillazione. Inoltre grazie alle grandi sezioni d'urto dei processi di cattura neutronica da parte del materiale dopante e la successiva emissione di particelle cariche anche la sensibilità ai neutroni di bassa energia (lenti e termici) viene garantita. La matrice utilizzata (polifenil-dimetil silossano) ha ottime proprietà meccaniche e, a differenza di altri materiali utilizzati per la realizzazione di scintillatori per neutroni, non risulta tossica o dannosa per l'ambiente. Inoltre il costo del materiale utilizzato è notevolmente competitivo rispetto alle alternative attualmente in commercio. In questo lavoro di tesi verranno caratterizzati alcuni di questi nuovi scintillatori drogati con $^6$Li. Verrà analizzata la loro risposta in termini di resa di luce quando esposti a flussi di particelle cariche e raggi gamma e a flussi neutronici di bassa energia. I risultati verranno paragonati a quelli ottenuti con uno scintillatore commerciale standard a matrice vetrosa.

Studio sull'evoluzione temporale degli impatti di un impianto di trattamento di rifiuti organici mediante metodologia LCA

Lo scopo di questo studio è quello di valutare come sono variati gli impatti dell’impianto di compostaggio Romagna Compost a seguito dell’intervento di ampliamento e adeguamento, che ha portato ad un’evoluzione impiantistica notevole: dal processo di compostaggio tradizionale ad un sistema integrato anaerobico-aerobico. Per fare ciò si è scelto di utilizzare la metodologia di valutazione del ciclo di vita Life Cycle Assessment (LCA). Il vantaggio di questa analisi, è quello di riuscire a considerare tutti gli aspetti del ciclo di vita dei diversi sotto-processi considerati, dal compostaggio vero e proprio, all’utilizzo di reagenti, combustibili e materiali ausiliari, dal trasporto e smaltimento dei flussi di rifiuti finali al recupero energetico. A tal proposito si è rivelata utile una ricerca bibliografica per individuare studi LCA applicati al campo d’interesse.Inoltre, è stato effettuato un riesame delle tecnologie utilizzate negli impianti di recupero dei rifiuti organici e del concetto di Best Available Techniques (BAT). Mediante l’analisi di inventario, è stato studiato in maniera approfondita l’impianto e le attività svolte al suo interno. Per quanto riguarda la valutazione degli impatti, eseguita con il metodo Recipe 2014, è stato preso in esame il periodo temporale dal 2007 al 2013, esaminando tutti gli anni di funzionamento. Nello specifico, ci si è posto l’obiettivo di valutare se e quanto l’introduzione del sistema di recupero energetico abbia portato ad un reale miglioramento del processo con una diminuzione complessiva degli impatti. Nella seconda fase dello studio, sono stati estesi i confini del sistema per valutare gli impatti associati al trasporto del rifiuto dal luogo di raccolta all’impianto Romagna Compost e alla diversa gestione dei rifiuti nell’ambito nazionale. La modellazione è stata effettuata con il programma di calcolo SimaPro e il database Ecoinvent, Infine, per convalidare i dati ottenuti è stato effettuata un’analisi di incertezza mediante il metodo Monte Carlo.

Bioelettronica organica: Nuovi approcci tecnologici per la stimolazione e la rilevazione della comunicazione di cellule neuronali.

Il campo della Bioelettronica si è sviluppato a partire dal 18 secolo con l’ esperimento di Luigi Galvani che, applicando uno stimolo elettrico ai muscoli di una rana dissezionata, ne osservò il movimento. Da questo esperimento si è aperta la strada che ha portato ad oggi ad un grande sviluppo tecnologico nella realizzazione di dispositivi elettronici che permettono di offrire un miglioramento generale delle condizioni di vita. Come spesso accade con le tecnologie emergenti, i materiali sono la maggiore limitazione nello sviluppo di nuove applicazioni. Questo è certamente il caso della Bioelettronica. I materiali elettronici organici, nella forma di polimeri conduttivi, hanno mostrato di poter dotare gli strumenti elettronici di grandi vantaggi rispetto a quelli tradizionali a base di silicio, in virtù delle loro proprietà meccaniche ed elettroniche, della loro biocompatibilità e dei bassi costi di produzione. E’ da questi studi che nasce più propriamente il campo della Bioelettronica Organica, che si basa sulla applicazione di semiconduttori a base di carbonio in forma di piccole molecole coniugate e di polimeri, e del loro utilizzo nei dispositivi elettronici. Con il termine di ‘Bioelettronica organica’, quindi, si descrive l’accoppiamento tra dispositivi elettronici organici e il mondo biologico, accoppiamento che si sviluppa in due direzioni: da un lato una reazione o un processo biologico può trasferire un segnale ad un dispositivo elettronico organico, dall’altro un dispositivo elettronico organico può avviare un processo biologico.

Geometrical optimization of a short-stem hip implant for the reduction of proximal stress shielding (ottimizzazione geometrica di uno stelo corto di protesi d?anca per la riduzione della schermatura del carico prossimale)

Nowadays the number of hip joints arthroplasty operations continues to increase because the elderly population is growing. Moreover, the global life expectancy is increasing and people adopt a more active way of life. For this reasons, the demand of implant revision operations is becoming more frequent. The operation procedure includes the surgical removal of the old implant and its substitution with a new one. Every time a new implant is inserted, it generates an alteration in the internal femur strain distribution, jeopardizing the remodeling process with the possibility of bone tissue loss. This is of major concern, particularly in the proximal Gruen zones, which are considered critical for implant stability and longevity. Today, different implant designs exist in the market; however there is not a clear understanding of which are the best implant design parameters to achieve mechanical optimal conditions. The aim of the study is to investigate the stress shielding effect generated by different implant design parameters on proximal femur, evaluating which ranges of those parameters lead to the most physiological conditions.

Ottimizzazione del processo di produzione di protesi biomimetiche per cranioplastica

Le protesi biomimetiche hanno subito negli anni innumerevoli cambiamenti dovuti al miglioramento tecnologico, che ha portato allo sviluppo di nuovi materiali sempre più biomimetici. L’utilizzo di protesi in idrossiapatite personalizzate rappresenta la scelta migliore per gli interventi di cranioplastica ricostruttiva. Ad oggi la produzione di questo dispositivo richiede lunghe fasi di lavorazione. Risulta pertanto di grande interesse trovare soluzioni innovative che permettano l’ottimizzazione dei tempi garantendo al contempo l’efficacia clinica. L’obiettivo di questo elaborato è introdurre l’utilizzo delle microonde per essiccare il semilavorato nelle fasi iniziali di produzione. Bisogna comprendere quali siano i parametri in grado di influenzare le proprietà finali del dispositivo e come modularli per guidare questi attributi verso il punto di ottimo. Si è deciso di utilizzare la tecnica del Design of Experiments a fattoriale completo come metodo per ottimizzare il processo produttivo. I fattori scelti sono stati la potenza del forno a microonde, il peso della cellulosa secca, il range di peso della matrice di cellulosa e la percentuale di essiccamento del semilavorato. Al termine dello studio è stato possibile capire come e quanto questi fattori abbiano influenzato la severità dei difetti, la porosità e le proprietà meccaniche (tensione ultima di compressione e lavoro a rottura) del prodotto finito. Lo studio ha mostrato che per garantire un basso numero di difetti associato ad una porosità in linea con le specifiche di prodotto è indicato impostare la potenza del forno a microonde sul valore di 250W e di utilizzare questo processo nella fase iniziale per essiccare al 20% i semilavorati. La conferma è stata fornita da una sperimentazione eseguita su protesi allineate ad un caso clinico reale utilizzando questo nuovo processo permettendo di ottenere un ottimo risultato in termini di qualità del prodotto finito con una bassa percentuale di scarto per difetti e porosità.

Characterization of X-ray detectors based on organic semiconducting single crystals

Negli anni recenti, lo sviluppo dell’elettronica organica ha condotto all’impiego di materiali organici alla base di numerosi dispositivi elettronici, quali i diodi ad emissione di luce, i transistor ad effetto di campo, le celle solari e i rivelatori di radiazione. Riguardo quest’ultimi, gli studi riportati in letteratura si riferiscono per la maggiore a dispositivi basati su materiali organici a film sottile, che tuttavia presentano problemi relativi ad instabilità e degradazione. Come verrà illustrato, l’impiego di singoli cristalli organici come materiali alla base di questi dispositivi permette il superamento delle principali limitazioni che caratterizzano i rivelatori basati su film sottili. In questa attività sperimentale, dispositivi basati su cristalli organici semiconduttori verranno caratterizzati in base alle principali figure di merito dei rivelatori. Tra i campioni testati, alcuni dispositivi basati su singoli cristalli di 6,13-bis (triisopropylsilylethynyl)-pentacene (TIPS-Pentacene) e 5,6,11,12-tetraphenyltetracene (Rubrene) hanno mostrato interessanti proprietà e sono stati quindi maggiormente studiati.

Ottimizzazione di un'unita di controllo per protesi mioelettrica di arto superiore e confronto prestazionale tramite programmable automation controller e motion capture

Con il passare degli anni le tecnologie nel campo delle protesi mioelettriche di arto superiore stanno compiendo sempre più passi in avanti. In questo elaborato di tesi si darà un iniziale introduzione sulla protesica di arto superiore cercando di coprire tutte le possibili tipologie di protesi, prestando particolare attenzione agli arti artificiali mioelettrici. Gli scopi di questo studio sono in prima analisi una miglioria dell'unità di controllo di una protesi comandata da segnali elettromiografici di superficie, tramite l'utilizzo del nuovo IDE della Microchip (MPLAB X). In seconda analisi, invece, si attuerà un confronto prestazionale a livello di consumo in corrente di un prototipo di protesi mioelettrica nata dalla sinergia tra l'azienda "Selex ES" e il "Centro Protesi INAIL di Vigorso di Budrio". Per questo studio ci si è serviti di stereofotogrammetrica per la determinazione delle grandezze meccaniche, mentre tramite un sistema PAC si è riusciti ad ottenere specifiche grandezze elettriche. Lo studio ha portato, a livello di Firmware, l'inserimento del giusto comando di attuazione di un servofreno comandato in corrente e l'introduzione di una particolare modalità a basso consumo che consente un risparmio energetico di circa il 60% rispetto alla vecchia modalità. Discorso diverso per i risultati del confronto prestazionale che non ha portato ai risultati sperati in fase di progetto.

Integrazione di dati antropometrici e termografici per l'analisi della distribuzione di temperatura all'interfaccia moncone-protesi d'arto inferiore

Le immagini termiche all’ infrarosso sono utilizzate da molte decadi per monitorare la distribuzione di temperatura della pelle umana. Anormalità come infiammazioni ed infezioni causano un aumento locale della temperatura, visibile sulle immagini sotto forma di hot spot. In tal senso la termografia ad infrarossi può essere utilizzata nel campo ortopedico per rilevare le zone sovra-caricate dalla protesi. Per effettuare una valutazione precisa dell’interfaccia moncone-invasatura può essere utile combinare i dati termografici e i dati antropometrici (superficie tridimensionale del moncone), relativi ai singoli pazienti. Di ciò si occupa tale studio, che dopo aver fornito una panoramica sulla termografia e sulla reverse engineering, sperimenta delle tecniche semplici e low-cost per combinare i dati termici e i dati antropometrici. Buoni risultati si riescono ad ottenere utilizzando un Kinect come scanner e un software open-source per il texture mapping. I termogrammi 3D ricreati costituiscono un ottimo strumento di valutazione, per medici e tecnici ortopedici, circa il design dell’invasatura.

Fabbricazione, caratterizzazione ed applicazioni di transistor elettrochimici organici

In questa tesi è stato esposto il lavoro, svolto in laboratorio, di fabbricazione degli OECTs, seguito dalle misure raccolte durante le prove effettuate, con le relative analisi e discussioni dei risultati ottenuti. É stato dimostrato che gli OECTs basati sul PEDOT:PSS sono in grado di fornire una misura della concentrazione di sostanze ossidanti.

Sinergia di processi chimico-fisici per la riqualificazione di acque contaminate da composti organici

L’acqua è una delle risorse critiche del pianeta e l’acqua dolce accessibile all’uomo rappresenta meno dell’1% delle risorse idriche; da questi numeri si capisce quanto siano importanti la prevenzione dell’inquinamento ambientale e i processi di depurazione delle acque reflue. A partire dagli anni ’70, grazie anche al miglioramento delle tecniche analitiche, sono iniziati monitoraggi degli inquinanti nelle acque superficiali e sotterranee e sono state riscontrate concentrazioni di inquinanti, i cui effetti di tossicità cronica sull’uomo e l’ecosistema non sempre sono trascurabili. Inoltre si è rilevato che alcune molecole di sintesi sono difficilmente biodegradabili e non sono mineralizzate con i trattamenti convenzionali di depurazione; perciò l’Unione Europea ha emanato delle direttive per preservare le risorse idriche in cui è contenuto un elenco di sostanze prioritarie, per le quali sono stati fissati gli standard di qualità ambientale. Nel 2013 è stata anche istituita una watch list che contiene dieci sostanze sulle quali raccogliere dati di monitoraggio ambientale e effetti sugli ecosistemi. Di qui la ricerca costante di nuovi trattamenti di depurazione delle acque, tra i quali i processi di ossidazione avanzata attirano molto interesse perché promettono di mineralizzare i composti bio-recalcitranti senza produrre fanghi da smaltire o sottoprodotti pericolosi. Oggetto della presente tesi sperimentale, svolta presso il Consiglio Nazionale delle Ricerche, nell’Istituto per la Sintesi Organica e la Fotoreattività, è stato lo studio della de-gradazione e mineralizzazione di una miscela di cinque molecole (diclofenac, carbama-zepina, triton X-100, benzofenone-3, benzofenone-4), scelte per le diverse caratteristiche chimico-fisiche, utilizzando radiazione ultravioletta e ultrasuoni, in presenza di biossido di titanio come fotocatalizzatore o perossido d'idrogeno come additivo per produrre radicali idrossile e avviare catene di reazioni ossidative. A partire dai fenomeni fotochimici o fotocatalitici così ottenuti, eventualmente assistiti da ultrasuoni, sono stati studiati gli effetti delle variazioni dei parametri operativi sulla degradazione dei componenti della miscela e sono stati valutati i consumi energetici della strumentazione prototipale per unità di massa del contaminante degradato. La parte sperimentale è stata preceduta da un’accurata ricerca bibliografica riguardo gli effetti di tossicità degli inquinanti ritrovati nelle acque, la legislazione europea ed italiana in materia ambientale e delle acque e i processi di ossidazione avanzata.

Studio e sviluppo di una protesi cinematica per amputazioni parziali di mano mediante prototipazione rapida

Questo elaborato descrive il lavoro svolto nell'Area ricerca e formazione del Centro Protesi INAIL volto all'integrazione della tecnologia di stampa 3D con i processi produttivi dell'azienda stessa al fine di ottenere una protesi cinematica e funzionale per pazienti con amputazioni parziali di mano (a livello metacarpale e transmetacarpale) che risulti economica e in grado di restituire la funzionalità di grasping della mano.

Coatings ibridi organici-inorganici ottenuti mediante processo sol-gel e contenenti assorbitori di radiazioni uv

In questo progetto di tesi si è cercato il modo di rendere più efficace la resistenza dei materiali plastici alla fotodegradazione indotta dai raggi ultravioletti, attraverso l’utilizzo di coatings ibridi organici-inorganici preparati utilizzando il processo sol-gel. Tali rivestimenti in grado di migliorare la resistenza superficiale potrebbero essere applicati a diversi materiali ed in particolare ai policarbonati che per le loro eccellenti proprietà di trasparenza vengono molto utilizzati in illuminotecnica ed altre applicazioni per l’esterno. In particolare il lavoro ha riguardato lo studio e l’utilizzo di due assorbitori UV di tipo fenolico, il 2,2’-diidrossi-4-metossibenzofenone e il 2,2’,4,4’-tetraidrossibenzofenone. Si è provato a non collocare semplicemente tali assorbitori all’interno del coating sol-gel ma a legarli covalentemente al network tridimensionale di silani auspicando una migliore resistenza alla fotodegradazione UV-indotta. Il nostro interesse si è concentrato soprattutto sul 2,2’,4,4’-tetraidrossibenzofenone, in quanto abbiamo visto che una sua funzionalizzazione rispetto all’altro assorbitore UV risulta più semplice ed efficace.

Studio e valutazione in vitro di tecniche impedenziometriche per il monitoraggio della funzionalita di protesi valvolari cardiache.

Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo di una protesi valvolare sensorizzata per la valutazione e il monitoraggio dei parametri funzionali della valvola e di conseguenza la realizzazione un prototipo di PHV (Prosthetic Heart Valve) che integri all’interno delle protesi valvolari in commercio una tecnologia utile alla realizzazione di queste specifiche. Il segnale di impedenza intravalvolare (IVI) è ottenuto grazie ad un sistema di elettrodi utili alla generazione di un campo elettrico locale e alla successiva registrazione della differenza di potenziale. Il lavoro sperimentale è stato suddiviso in due parti: una prima parte deputata alla scelta della posizione ottimale degli elettrodi rispetto ai lembi, al piano e all’anello valvolare, al fine di determinare due prototipi, ed una seconda parte in cui sono stati testati i prototipi in una situazione più fisiologica, cioè in un tratto di aorta bovina, ed è stata simulata una dinamica valvolare alterata. Il maggior segnale di impedenza riscontrato è stato ottenuto ponendo gli elettrodi ortogonalmente al cardine dei lembi valvolari e sovrapponendo elettrodo di eccitazione e ricezione al fine di ottenere un campo elettrico costante e ricezione puntuale della variazione del campo. Infine è stato riscontrato che il segnale di impedenza intravalvolare è in grado di riflettere alterazioni simulate dei lembi.