ANALISI DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DELLA CARTILAGINE ARTICOLARE OSTEOARTRITICA MEDIANTE PROVE DI COMPRESSIONE NON CONFINATA

La cartilagine articolare è un tessuto complesso che ha il compito di sostenere gli elevati carichi articolari e garantire la lubrificazione delle giunture. È formato da molti elementi, tra i quali figurano i condrociti, l’acqua, il collagene e i proteoglicani. La loro organizzazione risulta differente a seconda della profondità alla quale si analizza lo strato di cartilagine. Si osservano infatti, man mano che ci si avvicina alla superficie ossea, condrociti sempre più sferici, fibre di collagene sempre più spesse e che assumono progressivamente un orientamento perpendicolare alla superficie cartilaginea, e un aumento dei proteoglicani. Questa organizzazione così particolare e funzionale può essere però alterata dall’osteoartrosi, una delle principali cause di disabilità e dolore negli adulti. Questa patologia comporta una degenerazione irreversibile della cartilagine che nei casi più gravi (stabiliti seguendo i sistemi di scoring come l’OARSI, il MRI MOAKS e il Kellgren-Lawrence) può essere risolta efficacemente solo mediante intervento chirurgico e inserimento di una protesi artificiale. Il comportamento meccanico della cartilagine si può definire poroelastico, ed è in parte dipendente dal flusso della componente fluida della cartilagine e in parte determinato dalla repulsione tra i proteoglicani. La cartilagine risponde ai carichi applicati rimodellandosi e orientando le sue fibre di collagene per sostenerli al meglio. Per la caratterizzazione della risposta biomeccanica della cartilagine articolare è possibile condurre una moltitudine di prove sperimentali, ma quelle più significative sono le prove a compressione, che possono essere confinate (si svolge con l’ausilio di una camera impermeabile nella quale il campione viene compresso con un indentatore piatto su una base porosa) o non confinate (il campione è libero di deformarsi lateralmente ed è compresso tramite un indentatore impermeabile piatto). Nel primo caso si ricava il modulo aggregato HA, nel secondo il modulo all’equilibrio Eeq, entrambi indicativi della rigidezza della matrice. L’utilizzo di modelli analitici della cartilagine permette di ricavare dei parametri che sono legati alle grandezze fisiche che caratterizzano il tessuto. Di particolare interesse per l’analisi del comportamento meccanico a compressione non confinata è il modello di Soulhat (bifasico fibrorinforzato), che ipotizza una matrice isotropa contenente fibre di collagene disposte con configurazione sferica in direzione longitudinale, radiale e circonferenziale; fittando questo modello sui dati sperimentali, è possibile ricavare il modulo di rigidezza del network di fibre e la permeabilità dei campioni. Le prove a compressione non confinata oggetto di questa tesi sono state condotte sulla cartilagine osteoartritica prelevata dai piatti tibiali di 8 pazienti sottoposti a intervento di protesi totale al ginocchio. I test sono stati svolti con la macchina per prove meccaniche Biomomentum Mach-1, applicando un precarico fino al 10% di deformazione con velocità dello 0.1%/s e rilassamento di 0.005 N/min in 20 s, e 5 rampe con deformazione al 3% di 600 s ciascuna, con velocità dello 0.1%/s, compiendo quindi una serie di prove di rilassamento delle tensioni. I risultati delle prove svolte evidenziano un modulo all’equilibrio mediale medio di 0.4676 MPa e uno laterale di 0.4955 MPa, anche se la loro differenza non risulta statisticamente significativa. Si sono evidenziate anche altre tendenze non statisticamente significative come la diminuzione del modulo all’equilibrio al progredire dell’osteoartrosi, mentre risultati statisticamente significativi sono stati riscontrati per il modulo delle fibre e la permeabilità. Infine, è stato riportato il confronto con il modulo aggregato dei medesimi pazienti, riportato in un'altra tesi.