Domande bioingegneria meccanica

Domande esame: risposte

Dimostrazione rapporto densitometrico tra osso corticale e osso spongioso

L’osso corticale, anche noto come compact bone, è appunto un osso compatto costituito da materiale denso, che lo rende molto resistente. Questo tipo di osso ha la caratteristica di poter sostenere maggiori tensioni, ma minori deformazioni prima della rottura. Esso infatti arriva a rottura quando le deformazioni superano il 2%.

L’osso spongioso, anche noto come trabecular bone, è appunto un osso costituito da materiale spugnoso, chiamato anche osso trabecolare in quanto ha una struttura organizzata in travate, denominate trabecole. Questo tipo di osso è molto flessibile, e dunque sopporta minori carichi concentrati, ma maggiori deformazioni prima della rottura. Infatti esso arriva a rottura quando le deformazioni superano il 7%.

La combinazione di questi due tipi di osso fornisce la resistenza reale dell’osso della nostra struttura. È noto che questi due tipi di osso differiscono in quanto a densità di un valore che varia da 2 a 8, ma è stato dimostrato sperimentalmente che non vale lo stesso per quel che riguarda le tensioni di rottura, le quali differiscono per un valore pari 30; infatti l’osso spongioso ha una tensione di rottura 30 volte inferiore rispetto a quella dell’osso corticale, e si pensa sia dovuto all’instabilità delle trabecole dell’osso spongioso, se sottoposte a compressione.

Considerando due provini cilindrici, uno di osso corticale e uno di osso spongioso, di pari massa (m = M) e considerando che abbiamo pari altezza h, e che gli venga applicata una pari forza F. Si ha che:

Esperimento di Atkinson

Atkinson studiò l’evoluzione strutturale delle trabecole in relazione all’età, e osservò che fino a circa 50 anni non vi sono sostanziali variazioni conformazionali, ma che mano a mano che si avanzava con l’età si aveva una perdita delle trabecole orizzontali e un parziale assottigliamento di quelle verticali, e questo era il primo cambiamento evidente.

Inoltre, verificò che nei corpi vertebrali la perdita delle trabecole orizzontali si concentrava particolarmente nella zona centrale di questi, e non nella parte periferica, che invece rimaneva sostanzialmente indenne, non presentava quindi cambiamenti significativi. Per cui la perdita di resistenza si verifica principalmente nel centro dei corpi vertebrali.

Nei pazienti osteoporotici, invece, quindi in quei soggetti affetti da indebolimento osseo se così si può chiamare, si ha un collasso vero e proprio delle trabecole orizzontali e una diminuzione dell’area della sezione delle trabecole verticali.

Influenza dell’età sull’osso

I principali studi effettuati sull’influenza che l’età ha sull’osso, sono stati effettuati da Atkinson e Burnstain. Atkinson studiò l’evoluzione strutturale delle trabecole in relazione all’età, e osservò che fino a circa 50 anni non vi sono sostanziali variazioni conformazionali, ma che mano a mano che si avanzava con l’età si aveva una perdita delle trabecole orizzontali e un parziale assottigliamento di quelle verticali, e questo era il primo cambiamento evidente.

Inoltre verificò che nei corpi vertebrali la perdita delle trabecole orizzontali si concentrava particolarmente nella zona centrale di questi, e non nella parte periferica, che invece rimaneva sostanzialmente indenne, non presentava quindi cambiamenti significativi. Per cui la perdita di resistenza si verifica principalmente nel centro dei corpi vertebrali.

Burnastain affermò che la riduzione delle deformazioni a rottura costituisce il più importante cambiamento dell’osso nel tempo. Dalle prove che eseguì, riscontrò che decresce del 5% ogni decade nel femore, e del 7% ogni decade nella tibia, che porta anche ad una riduzione dell’energia assorbibile dall’osso prima della rottura, pari al 32% nel femore, e al 42% nella tibia. Si ha inoltre una riduzione della resistenza a trazione pari al 2% nel femore, e dell’1% nella tibia ogni 10 anni.

Con questi studi si provò che la struttura scheletrica umana a 130-140 anni non sarebbe più in grado di autosostenersi. In rapporto al sesso non si riscontrano sostanziali differenze delle caratteristiche meccaniche. Sono state quindi analizzate le proprietà dell'osso di diverse età. Venne trovato che la resistenza a trazione e il modulo di Young crescono fino all'età di 40 anni, mentre le deformazioni a rottura decrescono con l'età.

L'osso appartenente a bambini ha minore modulo di elasticità e una minore resistenza a flessione rispetto all'osso adulto, tuttavia dimostra una maggiore deformazione totale prima della frattura e un maggior assorbimento di energia.

Relazione velocità-osso

I valori del carico di rottura e del modulo di elasticità (E modulo di Young) dipendono dalla velocità di applicazione del carico, ossia l’osso è un materiale viscoelastico. Ricordando che l’energia assorbita dall’osso è proporzionale all’area della superficie sottesa dalla curva nel grafico tensioni-deformazioni, si ha che: “all’aumentare della velocità di applicazione del carico, si ha un aumento dell’energia assorbita dall’osso”.

Si riscontra infatti che l’osso (ad esempio la tibia), a velocità di applicazione del carico pari a quelle di un urto, è capace di immagazzinare il 45% in più di energia rispetto ad un’applicazione lenta del carico. Per cui all’aumentare della velocità di applicazione del carico:

• Aumentano E, ed anche la resistenza a rottura;
• Diminuiscono le deformazioni a rottura e quelle di snervamento;

Resistenza a fatica

Qualunque sollecitazione a cui è soggetta la nostra struttura ossea è variabile nel tempo, e costituisce quindi una sollecitazione a fatica. La resistenza a fatica è stata studiata su tibie destre di topi, sottoposte a carichi ciclici continui, e poi confrontata con le tibie sinistre non sollecitate.

È stato dimostrato che all’aumentare del carico, diminuisce la durata. Infatti tanto è maggiore la sollecitazione, tanto aumenterà la velocità di progressione della cricca, tanto è minore la sollecitazione, tanto più tempo avrà l’osso per poter rimarginare le microfratture, annullando il carico. La struttura ossea inoltre, è dotata di un limite di fatica, che solitamente è pari a 0.5, cioè un carico al di sotto del quale la durata del provino è illimitata.

Non sono stati effettuati studi diretti sull’uomo ma si hanno prove a favore di questi dati, come per esempio la frattura delle ossa dei soldati che venivano sottoposti a lunghe marce con grossi carichi sulla schiena, e come la rottura dei metatarsi dei cavalli da corsa. È stato inoltre verificato che una maggiore densità, nella struttura ossea, dei canali di Havers attribuisce una maggiore resistenza all’osso, in quanto agiscono con lo stesso principio di funzionamento dei crack arrestor (dispositivi anti-crepa), i quali sono dei “buchini” che vengono fatti in prossimità della cricca così che questa possa “morire” in questi buchini sprigionando energia, e senza continuare la sua degenerazione.

Carter e Hayes studiarono provini sollecitati a fatica, e li confrontarono con provini precedentemente studiati senza sollecitazione a fatica, e riscontrarono una riduzione del 13% della resistenza a fatica, e del 20% della rigidezza.

Angoli o assi delle ossa

Assi di riferimento delle ossa ce ne sono differenti, ad esempio uno molto importante è l’asse meccanico dell’arto inferiore, che è un asse che congiunge idealmente l’articolazione dell’anca, del ginocchio e della caviglia in un’unica linea retta, esso forma un angolo di 6° con l’asse diafisario che è l’asse passante per la diafisi femorale. Infatti risulta che il collo e la testa del femore siano inclinati di un angolo di 10-30° rispetto al piano frontale, e che l’asse passante per il cotile formi con il piano trasversale un angolo di 30-40°.

Protesi

Vi sono diversi tipi di artroprotesi disponibili sul mercato, dove per artroprotesi si intende la protesizzazione totale di un’articolazione, cosa che è possibile fare solo per numero limitato di articolazioni. Vi sono:

Artroprotesi dell’anca

Artroprotesi costituita da una componente femorale, composta da stelo, testina e eventualmente colletto, e da una componente acetabolare, composta da una coppa che andrà ad accogliere la testina della componente femorale. Inizialmente questo tipo di protesi era costituita da un’endoprotesi, ovvero non si andava a protesizzare la componente acetabolare, ma unicamente quella femorale che era costituita da un pezzo unico di testa+stelo.

Successivamente per rendere le protesi maggiormente versatili e adattabili alle esigenze del paziente, si è andato a renderle modulari, ovvero composte da più componenti assemblabili.

Artroprotesi scapolo-omerale

Nonostante la spalla sia composta da 4-5 articolazioni, l’unica protesizzabile è appunto quella scapolo-omerale. Sulla spalla vengono eseguiti 4 trattamenti differenti:

• Artoplastica di resezione: siccome il fine ultimo era togliere il dolore, si resecava l’articolazione andando a lasciare un moncone a cui veniva poi interposti al posto della cartilagine, dei tessuti molli, o muscolari, lasciando la spalla “libera”.
• Artrodesi: operazione in cui tutta l’articolazione veniva “eliminata”, in quanto non si poteva più definire tale, andando a saldare/bloccare con placche e viti l’articolazione rendendo inutilizzabile il braccio.
• Sostituzione protesica omero.
• Sostituzione protesica articolazione.

Si possono distinguere inoltre 3 categorie protesiche:

1. Protesi di ricoprimento, in cui vengono sostituite solo le due superfici articolari;
2. Protesi parzialmente vincolate, che aggiungono stabilità a causa della forma della superficie di rivestimento;
3. Protesi totalmente vincolate, che presentano un’articolazione sempre in contatto totale (sfera+coppa).

La sostituzione protesica dell’articolazione, artroprotesi, fu fatta per la prima volta da Péan che utilizzò una porzione omerale in gomma dura collegata con quello che rimaneva della spalla attraverso fili di platino. La prima artroprotesi di concezione moderna, però, fu la protesi di Stanmore in lega CrCoMo costituita da una sfera (testa femorale) collegata ad uno stelo da inserire nella diafisi omerale, che si andrà ad interfacciare con la parte scapolare, ricostruita usando un’emisfera metallica con all’interno polietilene.

Alcune protesi note sono per esempio:

• Protesi di Neer: sola componente omerale, o sola componente glenoidea;
• Protesi di St. George;
• Protesi di Kessel: protesi formata da una componente glenoidea in acciaio inox avvitata, e da una componente omerale in polietilene.
• Protesi di Mazas e de la Caffiniére: protesi non vincolata formata da una componente glenoidea in polietilene fissata nella cavità glenoidea con cemento, e da una componente omerale in acciaio inox.
• Protesi MRA: protesi cementata indicata per grandi resezioni omerali, realizzata in lega di titanio.
• Protesi di Mazas-Gagey: protesi che cerca ancoraggio fuori dalla cavità glenoidea.
• Protesi di Berlino: siccome il problema più grande rimane quello della durata dell’accoppiamento legata alle sollecitazioni meccaniche, venne studiata questa protesi, che ha una fissazione supplementare fuori glenoide, così da ridurre le sollecitazioni meccaniche indotte dalla protesi.

Artroprotesi di ginocchio

L’artroprotesi di ginocchio diventa una vera e propria cerniera, in cui viene al più mantenuto un crociato, che viene chiamata “a piatto mobile” in quanto è un vero e proprio piatto che ruota assecondando i movimenti, come fa il menisco.

Siccome la protesi va inserita nel canale midollare dell’osso, quindi andrà ad interfacciarsi anche con osso spongioso, si tende ad utilizzare fittoni particolarmente grandi così che questi non vadano a sprofondare nell’osso spongioso. Come materiali vengono utilizzati sempre metallo, e polietilene, assolutamente non la ceramica in quanto è troppo fragile per le sollecitazioni che deve sostenere questa articolazione.

Questo tipo di protesi totale può essere composta da 4 diversi componenti:

1. Componente femorale: che si va a inserire nel femore tramite un fittone intramidollare;
2. Piatto tibiale: che si va a inserire nella tibia tramite un fittone intramidollare;
3. Componente mobile: che si va a inserire nel piatto tibiale permettendo la rotazione;
4. Componente patellare: che svolge le funzioni della rotula.

Protesi di caviglia

La protesi di caviglia che va a sostituire solo la sottoarticolazione tibio-astragalica (e non quella perone-astragalica) è poco usata, se non in giovani traumatizzati, a causa del grande rischio e dei notevoli casi fallimentari a causa della grande presenza di osso spongioso nell’astragalo, che non consente alla protesi di “agganciarsi”.

Per questo motivo nella caviglia solitamente si applica l’artrodesi, ovvero viene bloccata l’articolazione andando a consolidare tibia e astragalo. Con questo procedimento si elimina il dolore, ed è consentita comunque la deambulazione.

Artroprotesi di gomito

I primi tentativi di recupero dell’articolazione di gomito danneggiata prevedevano interventi di artroplastica di resezione complementati dall’interposizione di materiale biologico come pelle, muscolo, grasso, tra le superfici ossee resecate. Inoltre il gomito può andare incontro a protesi totali o parziali.

Le protesi parziali, cioè le endoprotesi, sono protesi che vanno a sostituire un solo componente. Questa metodologia di protesizzazione non si è affermata lasciando spazio alle protesi totali, in quanto nonostante i risultati a breve termine fossero buoni, dopo appena un paio d’anni insorgevano seri problemi di mobilizzazione delle protesi causata da sollecitazioni a cui il gomito è soggetto nelle normali attività quotidiane, tra cui le più pericolose, cioè le torsioni. Si ipotizzarono quindi diverse soluzioni per il problema dello scollamento:

• Rinforzare le protesi a cerniera totalmente vincolate con ulteriori dispositivi di fissazione esterna;
• Usare protesi più piccole così da mantenere condili e legamenti;
• Usare protesi di ricoprimento superficiale.

Parlando invece di protesi totali, si hanno fino a 9 classi differenti, e si avvicinano molto alla strutturazione delle cerniere del ginocchio.

Classi di protesi di gomito

1. Protesi a cerniera: inserita tra i condili omerali in modo da conservare i legamenti collaterali e una parte di condili omerali (Stanmore e St. George)
2. Protesi a cerniera parzialmente vincolate; (Schlein, Pritchard-Walker, Dee, Coonrad, Inglis, Mayo)
3. Protesi a cerniera metallica completamente vincolata: in cui c’è solo il movimento a cerniera, e si vede il fissaggio endomidollare con l’aggiunta di una placca esterna complementare, vincolata.
4. Protesi a cerniera semivincolata con aggiuntiva fissazione condilare intramidollare o extracorticale; (Morrey, GSB)
5. Protesi a ricoprimento superficiale: diedero molti risultati fallimentari a causa di scollamento (Kudo, Lowe-Miller, Roper-Swanson, Wodsworth ecc)
6. Protesi a ricoprimento superficiale con aggiunta di una fissazione dello stelo endomidollare; (Ewald, Pritchard)
7. Protesi a componenti indipendenti con una consistente sostituzione della troclea; (Lowe-Miller, London, Wadsworth, Stiles)
8. Protesi con consistente sostituzione trocleare con una corta frangia di fissaggio condilare.
9. Protesi con consistente sostituzione trocleare con flangia di fissazione condilare, integrata da staffa metallica nelle creste sopracondilari con o senza stelo endomidollare.

Artroprotesi del disco intervertebrale

Le protesi possono essere totali o parziali (per esempio con la sola sostituzione del nucleo), ad esempio:

• Erniectomia: rimozione dell’ernia senza svuotamento del disco;
• Decompressione discale: svuotamento del disco dall’interno in modo da ridurre la pressione intradiscale e favorire il rientro di ernie, protrusioni discali e sporgenze dell’anello fibroso;
• Sostituzione parziale del disco: è una protesi parziale che va a sostituire solo il nucleo;
• Sostituzione completa del disco: applicazione di un disco artificiale;
• Discectomia: rimozione completa del disco con inserimento di un innesto osseo, e poi si blocca l’articolazione;
• Fusione: procedimento con il quale viene bloccato completamente il movimento tra due vertebre contigue.

La protesi del solo nucleo avviene con interventi di artrodesi, in cui si applica discectomia e fusione, o con interventi di artroplastica in cui il disco viene sostituito con un disco protesico.

Nomi protesi dischi artificiali: prestige, bryan, prodisc-c, cervicore;