Sviluppo e caratterizzazione di impianti e membrane polimeriche per la medicina rigenerativa

Nell’ambito di questa Tesi sono state affrontate le fasi di progettazione, sviluppo e caratterizzazione di materiali biomimetici innovativi per la realizzazione di membrane e/o costrutti 3D polimerici, come supporti che mimano la matrice extracellulare, finalizzati alla rigenerazione dei tessuti. Partendo dall’esperienza di ISTEC-CNR e da un’approfondita conoscenza chimica su polimeri naturali quali il collagene, è stata affrontata la progettazione di miscele polimeriche (blends) a base di collagene, addizionato con altri biopolimeri al fine di ottimizzarne i parametri meccanici e la stabilità chimica in condizioni fisiologiche. I polimeri naturali chitosano ed alginato, di natura polisaccaridica, già noti per la loro biocompatibilità e selezionati come additivi rinforzanti per il collagene, si sono dimostrati idonei ad interagire con le catene proteiche di quest’ultimo formando blends omogenei e stabili. Al fine di ottimizzare l’interazione chimica tra i polimeri selezionati, sono stati investigati diversi processi di blending alla base dei quali è stato applicato un processo complesso di co-fibrazione-precipitazione: sono state valutate diverse concentrazioni dei due polimeri coinvolti e ottimizzato il pH dell’ambiente di reazione. A seguito dei processi di blending, non sono state registrate alterazioni sostanziali nelle caratteristiche chimiche e nella morfologia fibrosa del collagene, a riprova del fatto che non hanno avuto luogo fenomeni di denaturazione della sua struttura nativa. D’altro canto entrambe le tipologie di compositi realizzati, possiedano proprietà chimico-fisiche peculiari, simili ma non identiche a quelle dei polimeri di partenza, risultanti di una reale interazione chimica tra le due molecole costituenti il blending. Per entrambi i compositi, è stato osservato un incremento della resistenza all’attacco dell’enzima collagenasi ed elevato grado di swelling, quest’ultimo lievemente inferiore per il dispositivo contenente chitosano. Questo aspetto, negativo in generale per quanto concerne la progettazione di impianti per la rigenerazione dei tessuti, può avere aspetti positivi poiché la minore permeabilità nei confronti dei fluidi corporei implica una maggiore resistenza verso enzimi responsabili della degradazione in vivo. Studi morfologici al SEM hanno consentito di visualizzare le porosità e le caratteristiche topografiche delle superfici evidenziando in molti casi morfologie ibride che confermano il buon livello d’interazione tra le fasi; una più bassa omogeneità morfologica si è osservata nel caso dei composti collagene-alginato e solo dopo reidratazione dello scaffold. Per quanto riguarda le proprietà meccaniche, valutate in termini di elasticità e resistenza a trazione, sono state rilevate variazioni molto basse e spesso dentro l’errore sperimentale per quanto riguarda il modulo di Young; discorso diverso per la resistenza a trazione, che è risultata inferiore per i campione di collagene-alginato. Entrambi i composti hanno comunque mostrato un comportamento elastico con un minore pre-tensionamento iniziale, che li rendono promettenti nelle applicazioni come impianti per la rigenerazione di miocardio e tendini. I processi di blending messi a punto nel corso della ricerca hanno permesso di ottenere gel omogenei e stabili per mezzo dei quali è stato possibile realizzare dispositivi con diverse morfologie per diversi ambiti applicativi: dispositivi 2D compatti dall’aspetto di membrane semitrasparenti idonei per rigenerazione del miocardio e ligamenti/tendini e 3D porosi, ottenuti attraverso processi di liofilizzazione, con l’aspetto di spugne, idonei alla riparazione/rigenerazione osteo-cartilaginea. I test di compatibilità cellulare con cardiomioblasti, hanno dimostrato come entrambi i materiali compositi realizzati risultino idonei a processi di semina di cellule differenziate ed in grado di promuovere processi di proliferazione cellulare, analogamente a quanto avviene per il collagene puro.

Analisi e simulazione FEM del processo di infusione sottovuoto "VARI" di una passerella nautica

Tesi svolta presso l'azienda “Riba composites S.r.l.” con lo scopo di riprogettare una passerella nautica utilizzata in imbarcazioni a vela da competizione, attualmente realizzata mediante formatura in autoclave di tessuti pre-impregnati, per il processo produttivo di Vacuum Assisted Resin Injection (VARI). La formatura in autoclave di tessuti pre-­impregnati è una delle tecnologie più onerose, tra i vari processi produttivi nel settore dei materiali compositi, ma assicura proprietà meccaniche e livelli estetici superlativi. L’obiettivo della Riba Composites è ridurre i costi di produzione per offrire un prodotto dalle proprietà analoghe a un prezzo più competitivo. Nella fase di riprogettazione ci siamo affidati a un software di calcolo agli elementi finiti che simula il processo del VARI, l’applicativo PAM-­RTM, del gruppo ESI. Al fine di ottenere una simulazione quanto più precisa possibile del processo, abbiamo realizzato molteplici prove sperimentali per ricavare i valori di compressibilità e permeabilità dei rinforzi da inserire nel software FEM.

Studio di catalisi termoattivate per compositi poliuretanici

One of the key processing parameters in thermoset composites manufacturing is to have an optimum balance between open time and cure time. Long open times followed with a fast cure profile (also referred as snap cure or “hockey stick” shaped profiles) are required on applications like Pultrusion, Filament Winding, Resin Transfer Molding (RTM) and Infusion. In this work, several factors affecting the reactivity of a base line polyurethane formulation were studied. The addition of different components such as internal mold release agents, cross-linker, polyols having different molecular structure and isocyanates having different functionality were studied. A literature search was conducted to identify the main catalyst packages existing in the market. The reactivity of catalyst based on tertiary amines, orgamometallic salts, and co-catalyst of amine-organometallic complexes was characterized. Addition of quelants agents such as thioglycerol and acetyl acetone to delay the catalyst activity were also considered. As a consequence of this work a vast reactivity map was generated. This should guide the formulation designer in future product generations for the further development of the mentioned applications. Recommendations on measurements systems and further areas of exploration are also given.

Advanced N.D.T.: analisi e studio di componenti in materiale composito

Numerose evidenze dimostrano che le proprietà dei materiali compositi sono strettamente legate ai processi produttivi, alle tipologie di fibra e resina impiegate nel materiale stesso. Proprietà caratterizzate anche dai difetti contenuti nel materiale stesso. Nella tesi si presta particolare attenzione al processo produttivo con prepreg e autoclave trattando anche il tema della stesura di un ply-book. Si valutano in modo teorico e critico alcuni tra i metodi N.D.T. più avanzati tra cui: P.T.(Penetrant Test), Rx(Radiography Test), UT (Ultrasound Test in Phased Array) e IRT (InfraRed Termography - Pulsata). Molteplici sono i componenti testati che variano tra loro per: tipologia di resina e fibra impiegata, processo produttivo e geometria. Tutti questi componenti permettono di capire come i singoli parametri influenzino la visualizzazione e l'applicabilità delle tecniche N.D.T. sopra citate. Su alcuni provini è stata eseguita la prova meccanica Drop Weight Test secondo ASTM D7136 per correlare le aree di delaminazione indotte e la sensibilità di ogni singolo metodo, visualizzando così la criticità indotta dagli urti con bassa energia di impatto (BVID Barely Invisible Impact)di cui i materiali compositi soffrono durante la "service life". A conclusione del lavoro si potrà comprendere come solo l'analisi con più metodi in parallelo permetta di ottenere una adeguata Probability Of Detection.

Rinforzo di resine epossidiche con grafene ed ossido di grafene come matrici per compositi

I materiali compositi a base di fibra di carbonio svolgono un ruolo fondamentale fra i materiali avanzati ad alte prestazioni. Nell’ottica di migliorare le proprietà di resine epossidiche impiegate come matrice per tali compositi, è stato studiato l’effetto che nanocariche come il grafene e l’ossido di grafene hanno sulle prestazioni di una resina commerciale.

Rinforzi di murature con compositi frcm. Caso di studio: Teatro Pavarotti di Modena.

Il presente lavoro è volto allo studio di soluzioni di rinforzo strutturale di edifici storici in muratura mediante materiali compositi innovativi a matrice inorganica FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix). E' stato effettuato un confronto tra due sistemi di rinforzo con compositi SRG (Steel Reinforced Grout) in fibre d'acciaio ad altissima resistenza, nell'ottica di un progetto di miglioramento sismico del teatro Pavarotti di Modena, in particolare della parete di fondo retrostante il palcoscenico. Ipotizzati alcuni meccanismi di collaso della parete, la vulnerabilità sismica della stessa, nei confronti di ciascun meccanismo, è stata valutata attraverso l'analisi cinematica lineare. Successivamente per ogni meccanismo è stato studiato un sistema di rinforzo SRG al fine di incrementare la capacità sismica della parete e il moltiplicatore di collasso.

Previsione della disposizione dei tessuti nella laminazione di compositi su stampo

A seconda della forma del modello da realizzare, durante la laminazione su stampo le fibre di cui è composto un materiale composito si dispongono in maniera differente rispetto alla trama originale del tessuto. In questo lavoro di tesi, dopo una descrizione dei materiali compositi, dei processi di produzione e dei metodi implementati attualmente per la loro simulazione in codici di calcolo commerciali, si concentra l'attenzione su un metodo di modellazione dei tessuti, chiamato metodo di Verlet, che consente di studiare la disposizione di un tessuto che si adagia su un corpo di forma qualsiasi, tenendo in conto le deformazioni delle fibre. La tesi si conclude con alcune considerazioni sulla problematica affrontata e sui risultati ottenuti.

Compositi lana-geopolimero: produzione e caratterizzazione

Lo scopo di questo lavoro sperimentale ha riguardato l’ottimizzazione del processo di produzione di materiali compositi ecocompatibili per pannellature con proprietà termoisolanti e resistenza al fuoco, già oggetto di brevetto CNR. Questi compositi sono ottenuti miscelando fibre di lana di scarto in una matrice geopolimerica. Le fibre di lana, a base di cheratina, vengono parzialmente attaccate dalle soluzioni alcaline portando al rilascio di ammoniaca e a una degradazione del materiale. Questo fenomeno, che si verifica in modo non sistematico, è tanto più marcato quanto maggiori sono le dimensioni dei manufatti prodotti, in quanto aumenta il tempo in cui le fibre di lana rimangono nell’ambiente acquoso alcalino. Il fattore di scala risulta quindi essere determinante. È stata pertanto investigata la degradazione delle fibre di lana in ambiente acquoso alcalino necessario alla sintesi della matrice geopolimerica. Sono stati anche valutati diversi trattamenti volti a velocizzare l’essiccamento del composito e fermare contestualmente il rilascio di ammoniaca, quali: aumento dei tempi e delle temperature di postcura, vacuum bagging e liofilizzazione (freeze drying).

Effetto del grafene e dell’ossido di grafene sulle proprietà termo-meccaniche di (nano)compositi a matrice polimerica

I materiali compositi occupano un posto di particolare rilievo in virtù non solo delle forti caratteristiche innovative da loro possedute, ma anche dalla possibilità di progettare il materiale in base alle specifiche funzionali e strutturali del sistema da realizzare. In questo lavoro di tesi sono stati valutati gli effetti di grafene e ossido di grafene sulle proprietà termo-meccaniche di formulazioni polimeriche commerciali sia di tipo termoplastico che termoindurente. In particolare sono stati valutati i metodi di dispersione delle nanocariche, ottimizzandoli per ciascuna matrice polimerica e successivamente sono stati preparati i provini necessari per la caratterizzazione dei materiali (nano)compositi ottenuti, al fine di valutare l’effetto della presenza delle nanocariche grafeniche.

Studio del comportamento meccanico di compositi ottenuti per SMC

I materiali compositi più diffusi sono quelli a matrice polimerica (PMC, Polymer Matrix Composites) con fibre di rinforzo, largamente utilizzati per la loro capacità di conciliare ottima resistenza meccanica con elevata leggerezza. Nel presente elaborato di tesi sono state studiate le caratteristiche meccaniche di materiali compositi a matrice resinosa, epossidica, rinforzati con fibre di carbonio chopped, ovvero fibre spezzate e disposte in modo del tutto casuale all’interno della matrice, mediante analisi microstrutturale e prove di trazione. Viene descritto il processo di produzione delle piastre di materiale composito ottenuto per SMC (Sheet Moulding Compound) da cui sono stati ricavati i provini. Lo studio a livello microstrutturale è stato possibile grazie all’inglobamento nella resina di alcune sezioni dei provini, le cui superfici sono state esaminate al microscopio acquisendo una quantità di immagini tale da permettere la ricostruzione della superficie stessa tramite software ed il calcolo percentuale delle porosità tramite SolidWorks. La caratterizzazione meccanica è stata eseguita utilizzando la macchina per le prove di trazione presente nell’hangar della sede di Forlì della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna: la preparazione dei provini è basata sull’applicazione di tabs di alluminio. I provini in materiale composito sono stati forniti in quattro differenti tipologie riguardanti la pressione a cui sono stati prodotti: 25, 50, 100 e 150 bar. Lo scopo dell’elaborato è stabilire la pressione ottimale di produzione dei provini, a cui il materiale composito mostra le migliori proprietà meccaniche, in particolare la più alta resistenza a carico di trazione. Le prove sono state condotte su provini a tre diverse lunghezze, per diversificare le modalità di stress meccanico. I risultati sono stati poi analizzati per stabilire quale valore di pressione di processo conferisce le migliori caratteristiche meccaniche al materiale.

Prestressed concrete beams with stirrups subjected to torsion, bending and shear

Reported in this thesis are test results of 37 eccentrically prestressed beams with stirrups. Single variable parameters were investigated including the prestressing force, the prestressing steel area, the concrete strength, the aspect ratio h/b and the stirrups size and spacing. Interaction of bending, torsion and shear was also investigated by testing a series of beams subjected to varying bending/torsional moment ratios. For the torsional strength an empirical expression of linear format is proposed and can be rearranged in a non-dimensional interaction form: T/To+V/Vo+M/Mo+Ps/Po+Fs/Fo=Pc2/Fsp. This formula which is based on an average experimental steel stress lower than the yield point is compared with 243 prestressed beams containing ' stirrups, including the author's test beams, and good agreement is obtained. For the theoretical analysis of the problem of torsion combined with bending and shear in concrete beams with stirrups, the method of torque-friction is proposed and developed using an average steel stress. A general linear interaction equation for combined torsion with bending and/or shear is proposed in the following format: (fi) T/Tu=1 where (fi) is a combined loading factor to modify the pure ultimate strength for differing cases of torsion with bending and/or shear. From the analysis of 282 reinforced and prestressed concrete beams containing stirrups, including the present investigation, good agreement is obtained between the method and the test results. It is concluded that the proposed method provides a rational and simple basis for predicting the ultimate torisional strength and may also be developed for design purposes.

The role of material characterisation in the crush modelling of thermoplastic composite structures

The predictive capability of high fidelity finite element modelling, to accurately capture damage and crush behaviour of composite structures, relies on the acquisition of accurate material properties, some of which have necessitated the development of novel approaches. This paper details the measurement of interlaminar and intralaminar fracture toughness, the non-linear shear behaviour of carbon fibre (AS4)/thermoplastic Polyetherketoneketone (PEKK) composite laminates and the utilisation of these properties for the accurate computational modelling of crush. Double-cantilever-beam (DCB), four-point end-notched flexure (4ENF) and Mixed-mode bending (MMB) test configurations were used to determine the initiation and propagation fracture toughness in mode I, mode II and mixed-mode loading, respectively. Compact Tension (CT) and Compact Compression (CC) test samples were employed to determine the intralaminar longitudinal tensile and compressive fracture toughness. V-notched rail shear tests were used to measure the highly non-linear shear behaviour, associated with thermoplastic composites, and fracture toughness. Corresponding numerical models of these tests were developed for verification and yielded good correlation with the experimental response. This also confirmed the accuracy of the measured values which were then employed as input material parameters for modelling the crush behaviour of a corrugated test specimen.

Effetti della cristallizzazione salina sul debonding di compositi fibrorinforzati a matrice cementizia (FRCM) applicati alla muratura

L’utilizzo di compositi fibrorinforzati per il rinforzo e l’adeguamento di strutture esistenti in calcestruzzo armato e in muratura ha raggiunto una grande popolarità negli ultimi decenni. Tra i materiali compositi, i fibrorinforzati a matrice cementizia (fiber reinforced cementitious matrix, FRCM) rappresentano una novità nel mondo del rinforzo e la letteratura disponibile a riguardo è ancora molto limitata. Il presente lavoro si inserisce all’interno di un contesto di campagne sperimentali volte ad approfondire la conoscenza su questi materiali. Uno dei problemi di maggiore importanza nell’utilizzo dei compositi FRCM è costituito dalla valutazione della resistenza al distacco (debonding) del composito dal supporto su cui è applicato. Nel caso di strutture in muratura, i cicli di cristallizzazione salina sono una della cause principali di degrado della murature. In questa tesi vengono analizzati gli effetti della cristallizzazione salina sul debonding di compositi FRCM, con fibre di acciaio galvanizzato a matrice a base di calce idraulica, applicati alla muratura.

Caratterizzazione dopo invecchiamento termico e igroscopico di compositi FRP realizzati con differenti resine epossidiche

L'elaborato tratta, inizialmente, delle generalità dei materiali compositi, facendo particolare riferimento agli elementi che contraddistinguono i materiali protagonisti di questa campagna sperimentale (resine epossidiche, fibre, IMR, binder). Successivamente si passa alla trattazione delle varie tecniche usate per produrre un componente in materiale composito, soffermandosi maggiormente sulla tecnica dell’HP-RTM. Inoltre, poichè nell’elaborazione dei risultati ottenuti sono utilizzati curve gaussiane e istogrammi, è inserito un capitolo con informazioni generali sulla statistica e sulle principali distribuzioni di probabilità. Sono, infine, elencati e spiegati i vari materiali utilizzati, con le varie apparecchiature e i due metodi di invecchiamento, igroscopico e termico.