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".

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.

Stochastic modeling of bacterial protein domains distribution to predict horizontal gene transfer

In questo elaborato, abbiamo tentato di modellizzare i processi che regolano la presenza dei domini proteici. I domini proteici studiati in questa tesi sono stati ottenuti dai genomi batterici disponibili nei data base pubblici (principalmente dal National Centre for Biotechnology Information: NCBI) tramite una procedura di simulazione computazionale. Ci siamo concentrati su organismi batterici in quanto in essi la presenza di geni trasmessi orizzontalmente, ossia che parte del materiale genetico non provenga dai genitori, e assodato che sia presente in una maggiore percentuale rispetto agli organismi più evoluti. Il modello usato si basa sui processi stocastici di nascita e morte, con l'aggiunta di un parametro di migrazione, usato anche nella descrizione dell'abbondanza relativa delle specie in ambito delle biodiversità ecologiche. Le relazioni tra i parametri, calcolati come migliori stime di una distribuzione binomiale negativa rinormalizzata e adattata agli istogrammi sperimentali, ci induce ad ipotizzare che le famiglie batteriche caratterizzate da un basso valore numerico del parametro di immigrazione abbiano contrastato questo deficit con un elevato valore del tasso di nascita. Al contrario, ipotizziamo che le famiglie con un tasso di nascita relativamente basso si siano adattate, e in conseguenza, mostrano un elevato valore del parametro di migrazione. Inoltre riteniamo che il parametro di migrazione sia direttamente proporzionale alla quantità di trasferimento genico orizzontale effettuato dalla famiglia batterica.

Integration of robotic inverse kinematic routines in an algorithmic 3D modeling software

An industrial manipulator equipped with an automatic clay extruder is used to realize a machine that can manufacture additively clay objects. The desired geometries are designed by means of a 3D modeling software and then sliced in a sequence of layers with the same thickness of the extruded clay section. The profiles of each layer are transformed in trajectories for the extruder and therefore for the end-effector of the manipulator. The goal of this thesis is to improve the algorithm for the inverse kinematic resolution and the integration of the routine within the development software that controls the machine (Rhino/Grasshopper). The kinematic model is described by homogeneous transformations, adopting the Denavit-Hartenberg standard convention. The function is implemented in C# and it has been preliminarily tested in Matlab. The outcome of this work is a substantial reduction of the computation time relative to the execution of the algorithm, which is halved.

Game programming: Grafica 3d

Tesi riguardante la creazione di tutte le risorse grafiche necessarie ad un videogioco tridimensionale in prima persona con Blender e Unity3D. Gli argomenti trattati sono: prgettazione, 3D modeling, texturing e shading.

Finite element modeling of the cement-bone interface beneath the tibial tray of a total knee arthroplasty: Study of the stress shielding effect (modellazione agli elementi finiti dell'interfaccia cemento-osso sotto il piatto tibiale di protesi totale di ginocchio: Analisi dello stress shielding)

The goal of this thesis was the study of the cement-bone interface in the tibial component of a cemented total knee prosthesis. One of the things you can see in specimens after in vivo service is that resorption of bone occurs in the interdigitated region between bone and cement. A stress shielding effect was investigated as a cause to explain bone resorption. Stress shielding occurs when bone is loaded less than physiological and therefore it starts remodeling according to the new loading conditions. µCT images were used to obtain 3D models of the bone and cement structure and a Finite Element Analysis was used to simulate different kind of loads. Resorption was also simulated by performing erosion operations in the interdigitated bone region. Finally, 4 models were simulated: bone (trabecular), bone with cement, and two models of bone with cement after progressive erosions of the bone. Compression, tension and shear test were simulated for each model in displacement-control until 2% of strain. The results show how the principal strain and Von Mises stress decrease after adding the cement on the structure and after the erosion operations. These results show that a stress shielding effect does occur and rises after resorption starts.

Finite element modeling of flow/compression-induced deformation of alginate scaffolds for bone tissue engineering

Trauma or degenerative diseases such as osteonecrosis may determine bone loss whose recover is promised by a "tissue engineering“ approach. This strategy involves the use of stem cells, grown onboard of adequate biocompatible/bioreabsorbable hosting templates (usually defined as scaffolds) and cultured in specific dynamic environments afforded by differentiation-inducing actuators (usually defined as bioreactors) to produce implantable tissue constructs. The purpose of this thesis is to evaluate, by finite element modeling of flow/compression-induced deformation, alginate scaffolds intended for bone tissue engineering. This work was conducted at the Biomechanics Laboratory of the Institute of Biomedical and Neural Engineering of the Reykjavik University of Iceland. In this respect, Comsol Multiphysics 5.1 simulations were carried out to approximate the loads over alginate 3D matrices under perfusion, compression and perfusion+compression, when varyingalginate pore size and flow/compression regimen. The results of the simulations show that the shear forces in the matrix of the scaffold increase coherently with the increase in flow and load, and decrease with the increase of the pore size. Flow and load rates suggested for proper osteogenic cell differentiation are reported.

Il Vestibolo di Piazza d'Oro - Rilievi per la modellazione 3D ed il texturing

Il caso studio del vestibolo ottagonale di Villa Adriana ha dato la possibilità di applicare ad un edificio di notevole valore storico e artistico tecniche di restituzione digitale e di modellazione tridimensionale basate su applicativi di modellazione geometrica, con lo scopo di generarne il modello 3D digitale fotorealistico e polifunzionale. Nel caso specifico del vestibolo, un modello tridimensionale di questo tipo risulta utile a fini documentativi, a sostegno di ipotesi costruttive e come strumento per la valutazione di interventi di restauro. Il percorso intrapreso ha permesso di valutare le criticità nelle tecniche di acquisizione, modellazione e foto-modellazione tridimensionale applicate in ambito archeologico, tecniche usate abitualmente anche in settori quali l’architettura, il design industriale ma anche nel cinema (effetti speciali e film d’animazione) e in ambito videoludico, con obiettivi differenti: nel settore del design e della progettazione industriale il Reverse Modeling viene impiegato per eseguire controlli di qualità e rispetto delle tolleranze sul prodotto finale, mentre in ambito cinematografico e videoludico (in combinazione con altri software) permette la creazione di modelli realistici da inserire all’interno di film o videogiochi, (modelli non solo di oggetti ma anche di persone). La generazione di un modello tridimensionale ottenuto tramite Reverse Modeling è frutto di un processo opposto alla progettazione e può avvenire secondo diverse strategie, ognuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi specifici che la rendono più indicata in alcuni casi piuttosto che in altri. In questo studio sono state analizzate acquisizioni tridimensionali effettuate tramite Laser Scan e tramite applicazioni Structure from Motion/Dense Stereo View.

Economic and Environmental Optimization of Ornamental Stone Block Cutting with a 3D Algorithm

This thesis focuses on finding the optimum block cutting dimensions in terms of the environmental and economic factors by using a 3D algorithm for a limestone quarry in Foggia, Italy. The environmental concerns of quarrying operations are mainly: energy consumption, material waste, and pollution. The main economic concerns are the block recovery, the selling prices, and the production costs. Fractures adversely affect the block recovery ratio. With a fracture model, block production can be optimized. In this research, the waste volume produced by quarrying was minimised to increase the recovery ratio and ensure economic benefits. SlabCutOpt is a software developed at DICAM–University of Bologna for block cutting optimization which tests different cutting angles on the x-y-z planes to offer up alternative cutting methods. The program tests several block sizes and outputs the optimal result for each entry. By using SlabCutOpt, ten different block dimensions were analysed, the results indicated the maximum number of non-intersecting blocks for each dimension. After analysing the outputs, the block named number 1 with the dimensions ‘1mx1mx1m’ had the highest recovery ratio as 43% and the total Relative Money Value (RMV) with a value of 22829. Dimension number 1, also had the lowest waste volume, with a value of 3953.25 m3, for the total bench. For cutting the total bench volume of 6932.25m3, the diamond wire cutter had the lowest dust emission values for the block with the dimension ‘2mx2mx2m’, with a value of 24m3. When compared with the Eco-Label standards, block dimensions having surface area values lower than 15m2, were found to fit the natural resource waste criteria of the label, as the threshold required 25% of minimum recovery [1]. Due to the relativity of production costs, together with the Eco-Label threshold, the research recommends the selection of the blocks with a surface area value between 6m2 and 14m2.

HBIM methodology for structural preservation of historical buildings: the semantic modeling of the San Felice sul Panaro fortress

Building Information Modelling is changing the design and construction field ever since it entered the market. It took just some time to show its capabilities, it takes some time to be mastered before it could be used expressing all its best features. Since it was conceived to be adopted from the earliest stage of design to get the maximum from the decisional project, it still struggles to adapt to existing buildings. In fact, there is a branch of this methodology that is dedicated to what has been already made that is called Historic BIM or HBIM. This study aims to make clear what are BIM and HBIM, both from a theoretical point of view and in practice, applying from scratch the state of the art to a case study. It had been chosen the fortress of San Felice sul Panaro, a marvellous building with a thousand years of history in its bricks, that suffered violent earthquakes, but it is still standing. By means of this example, it will be shown which are the limits that could be encountered when applying BIM methodology to existing heritage, moreover will be pointed out all the new features that a simple 2D design could not achieve.

Studio e Realizzazione del Modello RVE (Representative Volume Element) per componenti polimerici realizzati in stampa 3D FDM

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Gli attuali metodi di analisi agli elementi finiti (FEM) e le tecnologie CAE (Computer-Aided Engineering) non sono in grado di studiare modelli 3D di componenti stampati, dal momento che il risultato finale dipende dai parametri di processo e ambientali. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito della meso struttura del componente stampato per estendere l’analisi FEM anche a questa tipologia di componenti. Lo scopo del lavoro proposto è di creare un elemento omogeneo che rappresenti accuratamente il comportamento di un componente realizzato in stampa 3D FDM, questo avviene attraverso la definizione e l’analisi di un volume rappresentativo (RVE). Attraverso la tecnica dell’omogeneizzazione, il volume definito riassume le principali caratteristiche meccaniche della struttura stampata, permettendo nuove analisi e ottimizzazioni. Questo approccio permette di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predire le proprietà meccaniche dei componenti a partire da determinati parametri di stampa, permettendo così alla tecnologia FDM di diventare sempre di più uno dei principali processi industriali a basso costo.

Studio e analisi termo-strutturale di modelli stampati 3D FDM per materiali polimerici

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Le tempistiche e le richieste industriali obbligano sempre di più i progettisti ad uno studio predittivo delle problematiche che si possono incontrare in fare produttiva. In ambito strutturale questo è già da diversi anni la norma per componenti realizzati con tecnologia tradizionale. In ambito termico, invece, si procede ancora troppo spesso per tentativi seguendo l’esperienza del singolo. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito e un metodo per caratterizzare i transitori termici. Per fare ciò è necessario introdurre un modello semplificativo attraverso l’uso su un provino cilindrico. Questa semplice geometria permette di mettere in relazione la soluzione analitica, la soluzione approssimata agli elementi finiti e la soluzione sperimentale. Una volta ottenuti questi risultati sarà poi possibile, mantenendo invariati il ciclo termico e le caratteristiche termo-strutturali del materiale, modificare a piacimento la geometria per analizzare un qualsiasi componente. Questo approccio permette quindi di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predirne i gradienti termici e le deformazioni a partire dalle caratteristiche del materiale, della geometria e del ciclo termico a cui sono sottoposti. Permettendo così di valutare in modo preventivo e predittivo problematiche di stabilità geometrica e strutturale.