Il CF-PEEK come soluzione al fenomeno dello stress shielding

The long-term success of traditional orthopedic prostheses is often limited by the stress shielding phenomenon, i.e., bone resorption caused by the stiffness mismatch between the medical device and the surrounding bone tissue. This study analyzes how prosthesis-bone isoelasticity prevents prosthetic failure and proposes the use of a reinforced polymeric material to achieve this condition. Specifically, the potential of carbon fiber-reinforced polyetheretherketone (CF-PEEK) as an alternative material is examined. Its synthesis and mechanical characterization, under both quasi-static and fatigue conditions, are described. The influence of production parameters on the mechanical behaviour of the final product is also investigated. The paper illustrates how, through Classical Lamination Theory (CLT), the stiffness of the composite can be tailored, optimizing it point-by-point to meet the mechanical requirements of the prosthesis. Aiming to compare the performance of traditional alloys with that of the composite, this work ultimately evaluates the clinical applications of CF-PEEK in total hip replacement (THR). Particular attention is given to comparing the most influential properties for the medical application in question, including bioinertness, osseointegration, and resistance to axial and shear stresses.

Il successo a lungo termine delle protesi ortopediche tradizionali è spesso limitato dal fenomeno dello stress shielding, ovvero il riassorbimento osseo causato dalla discrepanza di rigidezza tra dispositivo medico e tessuto osseo circostante. Questo studio analizza come l'isoelasticità protesi-osso prevenga il cedimento protesico e propone l'utilizzo di un materiale polimerico rinforzato per raggiungere tale condizione. In particolare, vengono esaminate le potenzialità del polietereterechetone rinforzato con fibre di carbonio (CF-PEEK) come materiale alternativo. Ne vengono descritte la sintesi e la caratterizzazione meccanica, sia in regime quasi-statico sia a fatica. Viene studiato come le scelte dei parametri di produzione influiscano sul comportamento meccanico del prodotto finale. Si illustra come, attraverso la Classical Lamination Theory (CLT), sia possibile calibrare la rigidezza del composito ottimizzandola punto per punto per far fronte alle esigenze meccaniche della protesi. L'elaborato, ponendosi l'obiettivo di confrontare le prestazioni delle leghe tradizionali con quelle del composito, valuta infine le applicazioni cliniche del CF-PEEK nella sostituzione totale dell'anca (THR). Particolare attenzione viene riservata al confronto delle proprietà maggiormente influenti nell'applicazione medica presa in esame, tra le quali la bioinerzia, l'osteointegrazione e la resistenza alle sollecitazioni assiali e di taglio.