Appunti Biomeccanica e simulazione di dispositivi biomedici

Considerazioni (per θ= 45°):

• i muscoli della schiena esercitano una forza 10 volte il peso dell'atleta

• la forza che deve sostenere la schiena (osso sacro/V vertebra) è 12 volte il peso dell'atleta

ANCA: bacino, muscoli e osso pelviche

GAMBA: appoggio monopodalico su gamba destra

Gamba: appoggio monopodalico su gamba destra

Forze

• W : peso della gamba1

• W: peso del corpo

• F : azione dei muscoli adduttori del bacino

M• F : reazione vincolare del bacino

J• θ =inclinazione muscolo rispetto all'orizzontale

Equilibrio

•••Dimensioni geometriche e forze:

h=altezza atleta, a=0.05h, b=0.2h, c=0.52h, α= 45°, β= 80°, θ = 70° ,W = 0:17W

Risultati:

• -1F =2.6W, F =3.4W, θ =tan ( F /F )=74.8°

M J Jy Jx

• φ è l'angolo di inclinazione della reazione F , le cui componenti verticali ed orizzontali sono indicateJcon F e F rispettivamenteJy Jx

GINOCCHIO e

muscoli/tendini dell'articolazione Ginocchio: atleta che allena i quadricipiti con una cavigliera .Linea elastica

LEGAME COSTITUTIVO

SAINT VENANT

MATERIALI

STUDIO DELLE PROPRIETÀ DEI TESSUTI BIOLOGICI E MATERIALI UTILIZZATI

1. Studio degli ASPETTI FUNZIONALI dei materiali biologici a fini:
• DIAGNOSTICI/PREDITTIVI diagnosi partendo da un alterazione delle proprietà meccaniche, con metodi non invasivi (quindi non prove di compressione e trazione perché invasive). Es: osteoporosi.
• TERAPEUTICI conoscere il problema per intervenire da un punto di vista terapeutico. Es: artrite, manca la cartilagine che protegge l'osso, posso con un opportuna terapia andare a correggere con opportuna terapia.
2. SVILUPPO DISPOSITIVI MEDICI

• Strumentazione: interazione con tessuti biologici per un tempo limitato.

• Protesi: interazione con tessuti biologici per un tempo prolungato

Es: applicazione stent coronarico inserimento del pallone per dilatare i vasi.

può crescere sulla superficie del materiale stesso. Tutto ciò permette l'instaurarsi di un solido legame dal punto di vista meccanico tra il tessuto naturale e l'impianto protesico (Es: alcuni materiali ceramici, come l'idrossiapatite ed i biovetri)

BIORIASSORBIBILI: subiscono una progressiva degradazione all'interno del sistema biologico, senza che questo provochi reazioni di rigetto o effetti tossici (Es: fosfati di calcio come il fosfato tricalcico, l'idrossiapatite porosa, alcuni biovetri, copolimeri acido lattico/acido glicolico)

2.1. Effetti dal materiale sull'organismo

Prima generazione: materiali bioinerti usati per ripristinare le caratteristiche fisiche dei tessuti danneggiati. Obiettivo: minimizzare la risposta immunitaria;

Seconda generazione: materiali bioattivi che interagiscono con l'ambiente biologico favorendo la risposta biologica e l'interazione impianto/tessuto, e materiali riassorbibili

aventi la capacità di degradarsi mentre il tessuto si rigenera;

• Terza generazione: materiali sia bioattivi sia bioriassorbibili usati come strutture porose tridimensionali temporanee in grado di stimolare la rigenerazione dei tessuti.

Natura chimica:

• METALLICI
• CERAMICI
• POLIMERICI
• BIOLOGICI
• COMPOSITI

ESEMPIO 1: titanio Ti6Al4V (biostabile, bioinerte, metallico). La sigla ha dei numeri che indicano approssimativamente le percentuali di composizione chimica degli elementi (6% di alluminio, 4% di vanadio)

ESEMPIO 2: carbonio pirolitico (biostabile, bioinerte, ceramico) usato per rivestire le valvole cardiache. Per come viene prodotto può essere depositato in strati sub-millimetrici. Ha un'ottima emocompatibilità (compatibilità col sangue, capacità del materiale di evitare la formazione di trombi).

ESEMPIO 3: polietilene ad altissimo peso molecolare - UHMWPE (biostabile, bioinerte, polimerico). Ha un'ottima resistenza.

all'attrito e viene utilizzato per la produzione di inserti nelle protesi articolari (ginocchio e anca)

INVASIVITÀ DELLE MISURE

Concetto di

• MISURA DIRETTA: ottengo il valore numerico della grandezza fisica di interesse tramite il confronto con l'unità di misura o tramite l'uso di sistemi tarati (es: resistenza della pelle che confronta direttamente la resistenza 10 rilevata con una standard);
• MISURA INDIRETTA: ottengo il valore numerico della grandezza fisica utilizzando relazioni analitiche note che legano la grandezza fisica che si vuole determinare ad altre grandezze fisiche, su cui effettuo una misura diretta (es: misura della portata sanguigna in uscita dal cuore attraverso l'aorta (gittata cardiaca), che utilizza il principio di diluizione dell'indicatore. E indiretta perché faccio uso della relazione tra gittata e concentrazione dell'indicatore).

PROPRIETÀ MECCANICHE DEL TESSUTO OSSEO

COMPOSIZIONE

CLASSIFICAZIONE OSTEOPOROSI

OSSO SANO

OSSO OSTEOPOROTICO

Patologia caratterizzata da una riduzione del contenuto di sali

Normale distribuzione tra osso corticale e trabecolare di calcio dell'osso

Deterioramento delle ossa, diminuzione della massa e difetti

Contenuto minerale nella norma nella microarchitettura del tessuto

PROTESI D'ANCA

Articolazione artificiale sostituisce completamente l'articolazione dell'anca

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Animazione PROTESI D'ANCA

1. Si esegue l'anestesia generale per rilassare i muscoli e si provoca un sonno profondo temporaneo. Il medico effettua un incisione nel lato esterno dell'anca, tra il muscolo tensore della fascia lata ed il sartorio e rimuove la testa del femore, tagliando l'osso con una sega.
2. La protesi è inserita nel femore utilizzando del cemento o un materiale adatto che permette all'osso residuo di saldarsi alla nuova articolazione. Poi viene rimossa tutta la cartilagine danneggiata e

1. Inserita la parte concava della protesi nel bacino.

2. La nuova testa del femore si inserisce nella cavità acetabolare dell'anca.

3. Il chirurgo applica un drenaggio per aiutare a drenare i fluidi ed evitare la formazione di un ematoma.

Due differenze di saldatura: la cotile e la testa dello stelo vengono fissati da cemento acrilico (saldatura molto forte difficile rimozione anca) oppure a pressione, in cui lo stelo presenta piccoli fori in cui vi crescerà all'interno l'osso (facile rimozione).

Accoppiamento testa cotile avviene con un'interazione tra i materiali di sostituzione.

Lo stelo entra in contatto diretto col tessuto osseo (accoppiamento: materiale-tessuto).

Se possiamo prelevare tessuto osseo (meglio prelevato da cadavere, altrimenti invasivo) possiamo fare prove di: tensione, compressione, flessione, indentazione, ultrasuoni.

ANALISI ISTOMORFOMETRICA

Per l'osso spugnoso esiste anche un'analisi che viene effettuata su sezioni istologiche.

Il testo fornito descrive un metodo per ottenere parametri che descrivono la struttura tridimensionale dell'osso. Alcuni di questi parametri sono:

• 3TOTAL VOLUME (mm³): intero volume della porzione di tessuto osseo comprensivo di trabecole e spazi vuoti
• 3BONE VOLUME (mm³): parte di volume occupata dalla sola componente ossea (Total volume - spazi vuoti)
• PERCENT BONE VOLUME (%): percentuale del rapporto tra il volume occupato dall'osso trabecolare e il volume totale del campione (bone volume / total volume)

Il testo continua descrivendo i problemi che possono verificarsi con le protesi all'ancal'osso. L'osso si adatta al carico a cui è sottoposto per migliorare la propria resistenza a fatica:

• se il carico diminuisce la densità ossea diminuisce