Functionally graded bone implants: ottimizzazione meccanica e biofunzionalizzazione

The elaborate offers a critical review of the recent literature on a design problem that, in prosthetic orthopaedics, presents two faces. The first is biomechanical: the stiffness mismatch between implant and bone gives rise to stress shielding, which is responsible for periprosthetic bone loss and, in the long term, for loosening of the implant. This is addressed by functionally graded implants, which modulate the stiffness of the device through a porosity distributed according to a grading law defined at the design stage. The second face is biological. The metallic substrate in fact remains inert, and mechanical optimisation alone is not sufficient to ensure the formation of the bone anchorage on which the long-term stability of the implant depends; on this side surface biofunctionalisation comes into play, and in particular the immobilisation of proteins and peptides recognised by cell receptors, with tools that have, however, been developed largely outside the context of graded devices. The thesis argues that the two approaches are not alternative but complementary, since they act on distinct levels of the same problem, and explores their possible integration in the concept of multiple gradient, in which structural grading and biological grading are designed in relation to one another.

L'elaborato propone una rassegna ragionata della letteratura recente su un problema progettuale che, nell'ortopedia protesica, si presenta con due volti. Il primo è biomeccanico: il disaccordo di rigidezza tra impianto e osso genera lo stress shielding, responsabile della perdita ossea periprotesica e, sul lungo periodo, della mobilizzazione dell'impianto. A esso rispondono i functionally graded implants, che modulano la rigidezza del dispositivo attraverso una porosità distribuita secondo una legge di gradazione definita in fase di progetto. Il secondo volto è biologico. Il substrato metallico resta infatti inerte, e la sola ottimizzazione meccanica non basta a garantire la formazione dell'ancoraggio osseo da cui dipende la stabilità dell'impianto nel tempo; su questo versante interviene la biofunzionalizzazione superficiale, e in particolare l'immobilizzazione di proteine e peptidi riconosciuti dai recettori cellulari, con strumenti sviluppati però in larga prevalenza al di fuori del contesto dei dispositivi a gradiente. La tesi argomenta che i due approcci non sono alternativi ma complementari, poiché agiscono su piani distinti del medesimo problema, e ne esplora la possibile integrazione nel concetto di gradiente multiplo, in cui gradazione strutturale e gradazione biologica vengono progettate le une in funzione delle altre.