Session1

Caratterizzazione e modellazione multifisica di tessuti biologici e biomateriali

Multiphysics characterization and modeling of biological tissues and biomaterials

Organizzatori / Organizers:

  • Pasquale Vena, Politecnico di Milano
  • Michele Marino, Leibniz Universität Hannover
  • Michele Conti, Università degli Studi di Pavia
  • Luca Cristofolini, Università di Bologna
  • Diego Gallo, Politecnico di Torino

Nel panorama ampio e multidisciplinare della bioingegneria, lo studio dei tessuti biologici e dei biomateriali occupa un ruolo ad ampio spettro sia nella loro rilevanza clinica, sia metodologica. In particolare, i tessuti sono caratterizzati da un comportamento multifisico e meccano-biologico in cui la meccanica è certamente parte rilevante soprattutto in considerazione del rapporto tra condizioni fisio-patologiche e proprietà dei tessuti. I tessuti biologici sono infatti caratterizzati da un comportamento meccanico altamente non-lineare, viscoelastico e generalmente anisotropo. Le proprietà dei tessuti regolano, a loro volta, numerosi meccanismi fisiopatologici che influenzano l’attività e la funzionalità di macrostrutture biologiche (e.g., tessuto osseo, cartilagine articolare, vasi sanguigni,…). Al fianco dei tessuti biologici, i biomateriali impiegati nei dispositivi biomedici (e.g., protesi ossee, impianti, stents,…) sono anche oggetto di caratterizzazione meccanica e multifisica allo scopo di garantirne la funzionalità e la biocompatibilità. L’ideazione, la prototipizzazione e lo sviluppo di materiali e dispositivi innovativi rappresenta infatti un settore in continua espansione e dalle promettenti prospettive. La caratterizzazione, la modellazione e l’analisi del comportamento meccanico di tessuti biologici e di materiali biocompatibili sono perciò temi fondamentali per lo sviluppo di metodologia di progettazione e analisi (sperimentali o computazionali) con rilevanza clinica. E’ importante sottolineare che queste applicazioni siano fortemente caratterizzate da meccanismi multiscala (e.g., la risposta tessutale nel suo complesso dipende dalle proprietà e dall’organizzazione spaziale su tutte le scale, dalla scala molecolare fino alla lunghezza caratteristica dell’intero organo; la biocompatibilità di un materiale dipende dalla risposta cellulare alla nanoscala) e multifisici (e.g., interazioni fluido-struttura, meccanismi poroelastici, meccanismi di transporto-reazione-diffusione) che possono essere affrontati tramite conoscenze, metodi e strategie in comune con numerosi altri campi dell’Ingegneria e, in particolare, della Meccanica. Questa sessione, organizzata con gli auspici del Capitolo Italiano dell’European Society of Biomechanics (ESB-ITA), vuole rappresentare una sede in cui condividere i risultati più recenti in ambito biomeccanico ottenuti dalla nostra comunità. Gli argomenti trattati includeranno, tra gli altri:

  • comportamento costitutivo di tessuti biologici e materiali biocompatibili;
  • modelli computazionali di strutture biologiche e dispositivi medici;
  • analisi multiscala e/o multifisiche per la meccanica di sistemi biologici;
  • tecniche sperimentali per misure in vitro e in vivo;
  • sviluppo di protesi e dispositivi medici innovativi.


Within the multidisciplinary field of bioengineering, the research on biomaterials and tissues covers a central role for clinical and methodological approaches. In this framework, mechanics and biological processes (mechano-biology) strongly couple each other, determining the physiological behaviour of biological structures, as well as the onset of pathologies, in a complex multiphysics environment. Biological tissues are characterized by highly non linear mechanical behaviour, viscoelasticity, anisotropy as well as adaptive process. These properties are strictly related to physio-pathologic mechanisms that affect the functions of tissues at all scales which, in turn, determine the response of macro-biological structures (e.g. bone tissue, articular cartilage, blood vessels, etc.). Moreover, biomaterials used in biomedical devices (e.g. bone prosthesis, implants, stents, etc.) are also of paramount relevance and their design is a challenging topic as they should be biocompatible and able to replace damaged tissue/structures with a proper functionality. The above concepts show how the modeling of innovative materials and devices is a growing field of research with promising scientific and clinical perspectives. In particular, the characterization and the modeling of the mechanical behaviour of tissues and biomaterials should address advanced and novel multiscale (e.g., tissue response highly depends on the arrangement of constituents, down from the molecular scale; the biocompatibility of materials depends on the cellular response at the nanoscale) and multiphysics (e.g., fluid-structure interaction; poroelastic mechanisms; transport-reaction transport phenomena) approaches in a multi-disciplinary environment. This session, organized under the auspices of the Italian Chapter of the European Society of Biomechanics (ESB-ITA) www.esb-ita.it, will gather the most recent results achieved in the field of biomechanics. The topics of interest include (but are not limited to):
  • constitutive modelling of tissues and biomaterials;
  • computational models for biological structures and biomedical devices;
  • multiscale and/or multi-physics analyses of the mechanics of biological systems;
  • experimental techniques for in-vitro and in-vivo measures;
  • innovative prosthesis and devices.