Design methods and geometric modelling of scaffolds for bone tissue engineering

Every year, thousand of surgical treatments are performed in order to fix up or completely substitute, where possible, organs or tissues affected by degenerative diseases. Patients with these kind of illnesses stay long times waiting for a donor that could replace, in a short time, the damaged organ or the tissue. The lack of biological alternates, related to conventional surgical treatments as autografts, allografts, e xenografts, led the researchers belonging to different areas to collaborate to find out innovative solutions. This research brought to a new discipline able to merge molecular biology, biomaterial, engineering, biomechanics and, recently, design and architecture knowledges. This discipline is named Tissue Engineering (TE) and it represents a step forward towards the substitutive or regenerative medicine. One of the major challenge of the TE is to design and develop, using a biomimetic approach, an artificial 3D anatomy scaffold, suitable for cells adhesion that are able to proliferate and differentiate themselves as consequence of the biological and biophysical stimulus offered by the specific tissue to be replaced. Nowadays, powerful instruments allow to perform analysis day by day more accurateand defined on patients that need more precise diagnosis and treatments.Starting from patient specific information provided by TC (Computed Tomography) microCT and MRI(Magnetic Resonance Imaging), an image-based approach can be performed in order to reconstruct the site to be replaced. With the aid of the recent Additive Manufacturing techniques that allow to print tridimensional objects with sub millimetric precision, it is now possible to practice an almost complete control of the parametrical characteristics of the scaffold: this is the way to achieve a correct cellular regeneration. In this work, we focalize the attention on a branch of TE known as Bone TE, whose the bone is main subject. Bone TE combines osteoconductive and morphological aspects of the scaffold, whose main properties are pore diameter, structure porosity and interconnectivity. The realization of the ideal values of these parameters represents the main goal of this work: here we'll a create simple and interactive biomimetic design process based on 3D CAD modeling and generative algorithmsthat provide a way to control the main properties and to create a structure morphologically similar to the cancellous bone. Two different typologies of scaffold will be compared: the first is based on Triply Periodic MinimalSurface (T.P.M.S.) whose basic crystalline geometries are nowadays used for Bone TE scaffolding; the second is based on using Voronoi's diagrams and they are more often used in the design of decorations and jewellery for their capacity to decompose and tasselate a volumetric space using an heterogeneous spatial distribution (often frequent in nature). In this work, we will show how to manipulate the main properties (pore diameter, structure porosity and interconnectivity) of the design TE oriented scaffolding using the implementation of generative algorithms: "bringing back the nature to the nature".

Un applicativo Web con tecnologia single-page AJAX, servizi REST e grafica X3D, per la configurazione di modelli CAD tridimensionali

In questa tesi è stato realizzato un sistema web-based, per la configurazione di modelli meccanici tridimensionali. L’intero software è basato su architettura multi-tier. Il back-end espone servizi RESTful che permettono l’interrogazione di una base di dati contenente l’anagrafica dei modelli e l’interazione con il CAD 3D SolidWorks. Il front-end è rappresentato da due pagine HTML ideate come SPA (Single Page Application), una per l’amministratore e l’altra per l’utente finale; esse sono responsabili delle chiamate asincrone verso i servizi, dell’aggiornamento automatico dell’interfaccia e dell’interazione con immagini tridimensionali.

Progetto preliminare e modellazione CAD di dirigibile per riprese aeree

Scopo del presente lavoro di tesi è dimensionare a livello preliminare e modellare con software CAD 3D, un dirigibile non-rigido per riprese aeree di eventi sportivi o musicali. Il dimensionamento viene svolto attraverso un metodo tratto dalla bibliografia che si avvale di un processo iterativo che cerca la convergenza tra il peso ottenuto in base al carburante necessario per la missione da compiere e il peso ottenuto sommando tutti i contributi dei componenti del dirigibile, al variare del volume dell’involucro. La descrizione del metodo è preceduta da un’introduzione che descrive alcuni concetti fondamentali legati alle innovazioni che si sono susseguite nel tempo a livello di progettazione e dimensionamento strutturale dei dirigibili. Il dimensionamento ottenuto dal processo iterativo è stato preso come base per la modellazione CAD di un dirigibile equipaggiato con un sistema composto da una camera per riprese aeree e batterie per permettere l'alimentazione degli apparati video e di trasmissione.

Modulo di gestione della stampa 3D e CAM in ambiente FreeCAD

In Italia hanno visto stampanti 3D commerciali, e grazie al gruppo di professori e ricercatori della Facoltà di Ingegneria Meccanica dell'Università di Bologna, con cui ho avuto la possibilità di realizzare questa tesi, è nato il progetto di una stampante 3D ibrida, dotata sia di una fresatrice che di un estrusore: una stampante talmente grande che si va a posizionare come la stampante più grande di tutta Italia. Il mio progetto, si chiama PrinterCAD, è in grado infatti di gestire le diverse fasi della stampa 3D ibrida con i necessari parametri di lavorazione e controllo. Questo applicazione è un modulo realizzato in Python e segue la filosofia del MVC; inoltre estende il software opensource FreeCAD.

Energy harvesting from piezoelectric devices embedded in a 3D printed wing

This thesis work has been carried out at Clarkson University in Potsdam NY, USA and involved the design of a low elongation wing, consisting of parts made by polylactide (PLA) using the fused deposition model (FDM) technology of Rapid Prototyping, then assembled together in a thin aluminum spar. The aim of the research is to evaluate the feasibility of collecting electrical energy by converting mechanical energy from the vibration of the wing flutter. With this aim piezoelectric stripes were glued in the inner part of the wing, as well as on the aluminum spar, as monomorphic configuration. During the phases of the project, particular attention was given to the geometry and the materials used, in order to trigger the flutter for low flow velocity. The CAD software SolidWorks® was used for the design of the wing and then the drawings were sent to the Clarkson machine shop in order to to produce the parts required by the wing assembly. FEM simulations were performed, using software MSC NASTRAN/PATRAN®, to evaluate the stiffness of the whole wing as well as the natural vibration modes of the structure. These data, in a first approximation, were used to predict the flutter speed. Finally, experimental tests in the Clarkson wind tunnel facility were carried out in order to validate the results obtained from FEM analysis. The power collected by the piezoelectrics under flutter condition was addressed by tuning the resistors downstream the electronic circuit of the piezoelectrics.

Dalla generazione di modelli 3D densi mediante TLS e fotogrammetria alla modellazione BIM

La tesi tratta la ricerca di procedure che permettano di rilevare oggetti utilizzando il maggior numero di informazioni geometriche ottenibili da una nuvola di punti densa generata da un rilievo fotogrammetrico o da TLS realizzando un modello 3D importabile in ambiente FEM. Il primo test si è eseguito su una piccola struttura, 1.2x0.5x0.2m, in modo da definire delle procedure di analisi ripetibili; la prima consente di passare dalla nuvola di punti “Cloud” all’oggetto solido “Solid” al modello agli elementi finiti “Fem” e per questo motivo è stata chiamata “metodo CSF”, mentre la seconda, che prevede di realizzare il modello della struttura con un software BIM è stata chiamata semplicemente “metodo BIM”. Una volta dimostrata la fattibilità della procedura la si è validata adottando come oggetto di studio un monumento storico di grandi dimensioni, l’Arco di Augusto di Rimini, confrontando i risultati ottenuti con quelli di altre tesi sulla medesima struttura, in particolare si è fatto riferimento a modelli FEM 2D e a modelli ottenuti da una nuvola di punti con i metodi CAD e con un software scientifico sviluppato al DICAM Cloud2FEM. Sull’arco sono state eseguite due tipi di analisi, una lineare sotto peso proprio e una modale ottenendo risultati compatibili tra i vari metodi sia dal punto di vista degli spostamenti, 0.1-0.2mm, che delle frequenze naturali ma si osserva che le frequenze naturali del modello BIM sono più simili a quelle dei modelli generati da cloud rispetto al modello CAD. Il quarto modo di vibrare invece presenta differenze maggiori. Il confronto con le frequenze naturali del modello FEM ha restituito differenze percentuali maggiori dovute alla natura 2D del modello e all’assenza della muratura limitrofa. Si sono confrontate le tensioni normali dei modelli CSF e BIM con quelle ottenute dal modello FEM ottenendo differenze inferiori a 1.28 kg/cm2 per le tensioni normali verticali e sull’ordine 10-2 kg/cm2 per quelle orizzontali.