Caratterizzazione biomeccanica del tessuto adiposo infrapatellare e sovrapatellare osteoartritico: prove sperimentali meccaniche di scorrimento tangenziale

The knee is the largest and most complex joint of the human body, both functionally and structurally, and it’s necessary to perform daily human activities. It is also the joint most frequently affected by osteoarthritis, the most common disorder among the global population, but the risk factors are basically still unknown. Recent studies are investigating the role played by adipose tissue in the knee in the onset of the disease, focusing specifically on the infrapatellar and suprapatellar fat pads (IFP and SFP). The aim of this study is to observe the mechanical behavior of these tissues. IFP and SFP specimens were obtained from ten different subjects, in order to compare their different biomechanical characteristics. Experimental shear tests were performed at three different strain rates. The data obtained from the tests were used to calculate mechanical parameters such as shear stress (τ), shear strain (γ), from which were calculated and represented stress-strain shear curves. Moreover, shear modulus (G), energy dissipation density (EDI) and peak-to-peak shear stress (ptp) were evaluated. These values were used to make comparisons between subjects and individuals, who underwent total knee arthroplasty (OA specimens), grouped according to their properties such as gender, age and BMI. Then, the OA specimens together were compared to a healthy specimen of a subject who underwent to amputation due to leg cancer. The experimental data obtained from the mechanical tests were compared with those found in the literature, although they were largely absent. The reported results can be considered as a starting point for understanding how the biomechanical characteristics of the tissue influence the progression of the disease, as well as being valuable for the development of models of the knee joint and prosthetic replacement devices.

Il ginocchio è l’articolazione più grande e complessa del corpo umano, sia dal punto di vista funzionale, che strutturale, nonché fondamentale per lo svolgimento delle attività quotidiane dell’individuo. Risulta essere quella più frequentemente soggetta allo sviluppo di osteoartrite, una patologia estremamente diffusa tra la popolazione mondiale, i cui fattori determinanti, ad oggi, appaiono ancora poco noti. Studi recenti stanno indagando il ruolo esercitato dal tessuto adiposo del ginocchio nella comparsa della malattia, concentrandosi, in particolare, sul cuscinetto infrapatellare e sovrapatellare. Il presente elaborato si propone di focalizzare l’attenzione sul comportamento meccanico di questi tessuti. I campioni sono stati ottenuti da dieci soggetti diversi, sottoposti ad operazione di sostituzione protesica dell’articolazione, di cui uno non affetto da osteoartrite, allo scopo di confrontare le loro diverse caratteristiche biomeccaniche tramite prove sperimentali di scorrimento tangenziale, con cinque cicli di carico-scarico, realizzate a tre diverse velocità di deformazione. Sulla base dei dati ricavati dalle esperienze di laboratorio sono stati calcolati dei parametri costitutivi quali lo shear stress τ (o sforzo di taglio), lo shear strain γ (o deformazione di taglio), poi rappresentati sottoforma di curve sforzo-deformazione di taglio. Inoltre, sono stati valutati lo shear modulus G, l’energy dissipation density EDI e il peak-to-peak shear stress (ptp). Queste grandezze sono state poi utilizzate per operare dei confronti sia tra i diversi soggetti, sia tra gli individui raggruppati secondo le loro proprietà caratterizzanti quali sesso, età, BMI e presenza o assenza della patologia. I valori sperimentali ottenuti dalle prove meccaniche sono stati confrontati con quelli presenti in letteratura, anche se quasi completamente assenti. I risultati riportati possono essere considerati come un punto di partenza per comprendere come le caratteristiche biomeccaniche del tessuto influiscano sul progredire della malattia, oltre ad essere interessanti per lo sviluppo di modelli completi dell’articolazione del ginocchio e di dispositivi di sostituzione protesica.