Valutazione della risposta meccanica della cartilagine articolare osteoartritica mediante prove di indentazione

In the context of various health conditions affecting the global population, musculoskeletal disorders hold significant importance. Extensive research in the literature has revealed that these disorders are among the most prevalent in Europe. This thesis focuses on human knee osteoarthritis (OA), which alone affects 7% of the global population. Due to its high frequency and degenerative nature, its impact cannot be overlooked, both in terms of the population's quality of life and its socio-economic implications. Additionally, the limited literature available, although few studies are specifically conducted on human knee OA, suggests that this condition predominantly affects the elderly population, particularly females. Microstructural and biochemical changes in joint cartilage tissues, in the presence of a degenerative disease like OA, influence their mechanical behavior. Any alteration in mechanical properties leads to a change in the functional characteristics of the tissue, affecting the surrounding tissues. While there are studies in the literature that have examined how the mechanical properties of articular cartilage change in the presence of degenerative diseases like OA, these studies often rely on animal models due to the difficulty in obtaining human samples, or the tests conducted are limited. Therefore, the objective of this thesis is to evaluate and quantify how the mechanical and morphological properties of OA-affected cartilage change. Indentation tests were performed, mapping six human tibial plates from individuals with different genders and ages who have osteoarthritis. After creating a point map on the tibial plates, an innovative automated procedure was used to evaluate the instantaneous elastic modulus and cartilage thickness through two experimental tests: normal indentation at the surface and needle penetration. The indentation tests were conducted using the Mach-1TM Biomomentum at the Laboratory of Biological Tissue Mechanics at the University of Padua. The experimental values provide a method for assessing the mechanical properties of cartilage, offering an opportunity to understand how this tissue behaves in response to variations in parameters, such as the severity of osteoarthritic pathology, the specific region of the tibial plate involved, and the body mass index (BMI). From the analysis of the results, it was found that the mean instantaneous elastic modulus is 2.55 ± 2.56 MPa. Additionally, the lateral region exhibited greater rigidity with an instantaneous elastic modulus value of 2.76 ± 2.54 MPa compared to the medial region, which had a value of 2.15 ± 2.55 MPa. The thickness was also greater in the lateral region, with an average value of 1.73 ± 0.74 mm. Two main conclusions emerged when examining factors influencing the behavior of the elastic modulus and cartilage thickness. Firstly, it was observed that the degree of osteoarthritic pathology has a greater impact on the loss of cartilage tissue rigidity. Secondly, the body mass index (BMI) affects the thickness of articular cartilage. Specifically, an increase in the severity of OA results in decreased cartilage tissue rigidity, while the presence of an overweight BMI leads to a reduction in articular cartilage thickness.

Tra le varie patologie che colpiscono la popolazione mondiale, i disturbi muscolo-scheletrici rivestono una grande importanza, difatti a seguito di un’approfondita ricerca in letteratura si è visto come questi disturbi siano tra i più diffusi in Europa. Questo elaborato di tesi si concentra sull’osteoartrosi (OA) umana del ginocchio, che da sola colpisce il 7% della popolazione mondiale. Essendo una patologia molto frequente e degenerativa, il suo impatto non può essere trascurato, sia da un punto di vista di qualità della vita della popolazione, sia da un punto di vista socio-economico. Inoltre, gli studi reperibili in letteratura, sebbene siano molto pochi quelli condotti specificatamente sull’OA umana del ginocchio, suggeriscono che questa patologia colpisce prevalentemente la popolazione anziana ed in particolare il sesso femminile. Una modifica microstrutturale e biochimica dei tessuti cartilaginei nelle articolazioni influenza a sua volta il comportamento meccanico degli stessi, vale a dire il modo con cui questi rispondono ad una specifica sollecitazione esterna. Un’alterazione delle proprietà meccaniche comporta un cambio delle caratteristiche funzionali del tessuto, con conseguenti influenze sui tessuti circostanti. In letteratura vi sono lavori che hanno analizzato come cambino le proprietà meccaniche della cartilagine articolare in presenza di una malattia degenerativa come l’OA, ma tuttavia spesso bisogna ricorrere a modelli animali a causa della difficoltà del reperimento di campioni umani, oppure i test condotti sono limitati. Pertanto, questo elaborato di tesi ha come obiettivo la valutazione e la quantificazione di come cambino le proprietà meccaniche e morfologiche della cartilagine affetta da OA. Sono state condotte prove di indentazione eseguendo una mappatura completa di sei piatti tibiali umani, provenienti da soggetti osteoartritici, aventi genere ed età differenti. Dopo aver realizzato una mappa di punti sui piatti tibiali, la valutazione del modulo elastico istantaneo e dello spessore della cartilagine è stata condotta attraverso una procedura automatizzata innovativa mediante due prove sperimentali: indentazione normale alla superficie e penetrazione con ago. Le prove di indentazione sono state eseguite con il Mach-1TM Biomomentum presente nel Laboratorio di Meccanica dei Tessuti Biologici presso l’Università degli Studi di Padova. I valori sperimentali ricavati forniscono un metodo per la valutazione delle proprietà meccaniche della cartilagine. In particolare, offre un’opportunità di comprensione del comportamento di questo tessuto in risposta a variazioni di parametri, quali il grado di severità della patologia osteoartritica (OA), la regione specifica del piatto tibiale coinvolta e l’indice di massa corporea (BMI). Dall'analisi dei risultati è emerso che il modulo elastico istantaneo medio è pari a 2,55 ± 2,56 MPa. Inoltre, si è visto che la regione laterale è quella caratterizzata da una maggiore rigidezza, presentando un valore di modulo elastico istantaneo pari a 2,76 ± 2,54 MPa, in confronto a quello della regione mediale, che risulta pari a 2,15 ± 2,55 MPa. Anche lo spessore è risultato essere maggiore nella regione laterale piuttosto che in quella mediale, presentando un valore medio pari a 1,73 ± 0,74 mm. Esaminando i fattori che possono influenzare il comportamento del modulo elastico e dello spessore cartilagineo sono emerse due principali conclusioni. In primo luogo, si è constatato che il grado di patologia osteoartrosica (OA) influisce maggiormente sulla perdita di rigidezza del tessuto cartilagineo. In secondo luogo, l'indice di massa corporea (BMI) ha un impatto sullo spessore della cartilagine articolare.