Caratterizzazione meccanica della cartilagine articolare del ginocchio: prove di indentazione su soggetti sani e osteoartritici

Introduction There are many studies on osteoarthritis, but only a few studies focus on human osteoarthritis of the knee, comparing the mechanical properties of healthy and pathological specimens. Furthermore, in most cases only isolated areas of the tibia are investigated. The aim of this study is to evaluate and quantify how the morphological and mechanical properties of cartilage change as a result of a degenerative pathology such as OA, through the complete mapping of tibial plateaus by indentation tests and evaluation of the thickness of the cartilage. Case study Five tibial plateaus and respective condyles (grade 3 and 4 of osteoarthritis) and one healthy control were analysed. The biomechanical characterization of the cartilage tissue was carried out through an innovative automated procedure which, through a map of xy points previously created to define the measurement points, allowed to evaluate the spatial distribution of the instantaneous elastic modulus and the thickness of the cartilage by two experimental tests: normal indentation and needle penetration. Modeling Obtained the experimental values from the analysis of the instantaneous elastic modulus (IM, mechanical property of the material) and of the thickness of the cartilage, we wanted to reproduce a 3D model of the healthy tibial plateau with photogrammetry techniques in order to simulate the experimental indentation test. The patient-specific model was created using Zephyr 3DF photogrammetric software and Abaqus Explicit 2018. Results A significant difference (p < 0.05) was observed in the measured IM of the tibial plateaus between the control with 3.95 ± 2.66 MPa and the samples with 3.22 ± 2.49 MPa. In addition, there is also a significant difference in the measured thickness between the control with 3.05 ± 0.89 MPa and the samples with 2.32 ± 0.98 MPa. An interesting result is the mapping of the mechanical properties that reveals the spatial variation of thickness and elastic modulus for both tibial plateaus and condyles. Conclusions The obtained experimental values allowed to quantify the mechanical properties of the tibial plateaus and condyles, highlighting properties that are not uniform, but variable from point to point. These results not only provide a method of evaluating cartilage properties, a better understanding of tissue behavior and the pathology, but also provide information for the development of more accurate predictive 3D cartilage models and/or surgical evaluation models in the future. The biomechanical characterization could lead to more efficient and less invasive diagnostic and treatment strategies than the replacement of the entire joint.

Introduzione Esistono molti studi sull’artrosi, ma sono pochi quelli che si concentrano sull’artrosi umana del ginocchio, confrontando le proprietà meccaniche di campioni sani e patologici. Inoltre nella maggior parte dei casi vengono indagate solo aree isolate della tibia. L’obiettivo di questo studio è valutare e quantificare come cambino le proprietà morfologiche e meccaniche della cartilagine a seguito di una patologia degenerativa come l’OA, attraverso la mappatura completa di piatti tibiali mediante test di indentazione e valutazione dello spessore della cartilagine. Caso di studio Sono stati analizzati cinque piatti tibiali e rispettivi condili, provenienti da soggetti osteoartritici di grado 3 e 4 e un piatto tibiale sano come controllo. La caratterizzazione biomeccanica del tessuto cartilagineo è stata condotta attraverso una procedura automatizzata innovativa, la quale, attraverso una mappa di punti xy precedentemente realizzata per definire i punti di misura, ha permesso di valutare la distribuzione spaziale del modulo elastico istantaneo e lo spessore della cartilagine mediante due prove sperimentali: indentazione normale alla superficie e penetrazione con ago. Modellazione Ottenuti i valori sperimentali dall’analisi del modulo elastico istantaneo (IM, proprietà meccanica del materiale) e dello spessore della cartilagine, si è voluto riprodurre un modello 3D del piatto tibiale sano con tecniche di fotogrammetria con l’intento di simulare la prova sperimentale di indentazione. Il modello paziente-specifico è stato realizzato per mezzo del software fotogrammetrico 3DF Zephyr e mediante Abaqus Explicit 2018. Risultati È stata osservata una differenza significativa ( p < 0,05) nell'IM dei piatti tibiali misurato tra il controllo con 3,95 ± 2,66 MPa e i campioni con 3,22 ± 2,49 MPa. Inoltre, c'è una differenza significativa anche nello spessore misurato tra il controllo con 3,05 ± 0,89 MPa e i campioni con 2,32 ± 0,98 MPa. Risultato interessante è la mappatura delle proprietà meccaniche che rivela la variazione spaziale di spessore e modulo elastico sia per i piatti tibiali che per i condili. Conclusioni I valori sperimentali ricavati hanno permesso di quantificare le proprietà meccaniche dei piatti tibiali e dei condili analizzati, evidenziando delle proprietà che risultano non uniformi, ma variabili da punto a punto. Questi risultati non solo forniscono un metodo di valutazione delle proprietà della cartilagine, una maggiore comprensione del comportamento del tessuto e della patologia, ma forniscono anche informazioni per lo sviluppo di modelli cartilaginei 3D predittivi e/o di valutazione di intervento chirurgico più accurati in futuro. La caratterizzazione biomeccanica realizzata potrebbe portare a strategie di diagnosi e trattamento più efficienti e meno invasive della sostituzione dell’intera articolazione.