Studio numerico dello scambio termico coniugato nel sistema vascolare in presenza di una bioprotesi

Abstract

Le bioprotesi vascolari offrono soluzioni promettenti per la sostituzione dei vasi di piccolo calibro. Tuttavia, la loro fattibilità clinica richiede una valutazione completa che vada oltre la compatibilità meccanica e biologica. Questa ricerca si concentra sull’analisi degli effetti termici associati all’impianto di protesi vascolari a base di polimeri (PCL:PGS), poiché anche variazioni di temperatura minime potrebbero influenzare in modo significativo i risultati clinici. L’analisi utilizza simulazioni numeriche basate sulla fluidodinamica computazionale (CFD) per esplorare i fenomeni di trasferimento di calore coniugato all’interno dei sistemi vascolari che incorporano le bioprotesi. Sono state modellate diverse geometrie (lineari, curve e biforcate) utilizzando OpenFOAM, variando velocità e diametri per valutare il comportamento termico in condizioni fisiologiche realistiche. I risultati dimostrano variazioni minime di temperatura (inferiori a 0,2 K) introdotte dalla protesi, indipendentemente dalla complessità della geometria. Sebbene si siano verificati lievi aumenti di temperatura localmente vicino all’impalcatura, questi sono stati ritenuti trascurabili, confermando la sicurezza termica della protesi e l’idoneità all’impianto clinico. Questo studio convalida la compatibilità termica delle protesi vascolari PCL:PGS, sostenendone in modo significativo l’implementazione clinica. Inoltre, il modello CFD stabilito fornisce una piattaforma adattabile per future indagini in diverse condizioni fisiologiche, facilitando potenzialmente valutazioni mirate specifiche per il paziente e un’applicabilità clinica estesa.

Vascular bioprostheses offer promising solutions for replacing small-caliber vessels. However, their clinical feasibility demands comprehensive evaluation beyond mechanical and biological compatibility. This research focuses on investigating thermal effects associated with the implantation of polymer-based (PCL:PGS) vascular prostheses, as even minor temperature variations might significantly affect clinical outcomes. The analysis employs numerical simulations based on Computational Fluid Dynamics (CFD) to explore conjugate heat transfer phenomena within vascular systems incorporating bioprostheses. Multiple geometries—linear, curved, and bifurcated vessels—were modeled using OpenFOAM, varying velocity and diameters to assess thermal behavior under realistic physiological conditions. Results demonstrate minimal temperature variations (less than 0.2 K) introduced by the prosthesis, irrespective of geometry complexity. Although slight temperature increases occurred locally near the scaffold, these were deemed negligible, confirming the prosthesis’s thermal safety and suitability for clinical implantation. This study validates the thermal compatibility of PCL:PGS vascular prostheses, significantly supporting their clinical implementation. Additionally, the established CFD modeling framework provides an adaptable platform for future investigations under diverse physiological conditions, potentially facilitating targeted patient-specific assessments and extended clinical applicability.