Analisi agli elementi finiti del comportamento bifasico della cartilagine articolare

L'osteoartrosi (OA) è una condizione articolare degenerativa cronica caratterizzata dalla progressiva perdita di cartilagine articolare, accompagnata da cambiamenti ossei e infiammazione locale. È una delle cause più comuni di dolore articolare e disabilità nella popolazione, specialmente nei soggetti con età superiore a 65 anni. Una delle articolazioni più comunemente coinvolte dalla patologia è l’articolazione del ginocchio. Tra i fattori di rischio noti ci sono l'età avanzata, il sesso femminile, l'obesità, lesioni articolari precedenti e attività lavorative o sportive che implicano sollecitazioni ripetute sulle articolazioni. I sintomi dell'osteoartrosi possono variare da lievi a gravi e includono dolore articolare, rigidità, gonfiore e perdita di movimento articolare. Questi sintomi possono peggiorare nel tempo, limitando la capacità di svolgere le attività quotidiane e riducendo la qualità della vita. La modellazione in silico svolge un ruolo fondamentale nello studio dell'osteoartrosi, offrendo un'importante prospettiva complementare alla ricerca clinica e di laboratorio. I modelli numerici consentono di simulare i complessi meccanismi patogenetici e degenerativi dell’OA, di valutare diversi trattamenti e di analizzare l’impatto di dispositivi ortopedici sulle articolazioni colpite. In particolare, la presente tesi si concentra su creazione e validazione di modelli computazionali adatti a descrivere il comportamento della cartilagine articolare sottoposta a prove di compressione confinata e non confinata. I test sperimentali di riferimento, eseguiti precedentemente, sono stati svolti su campioni di cartilagine articolare prelevati dai piatti tibiali di pazienti affetti da OA. I dati raccolti nelle prove sono stati analizzati attraverso il modello analitici poroelastico fibrorinforzato, per la compressine non confinata, e bifasico isotropo, per la compressione confinata. I risultati ottenuti sono stati utilizzati per l’ottimizzazione dei parametri costitutivi del modello numerico, e per i successivi confronti. Con il software open-source FEBio sono state simulate le prove di compressione su cilindri di cartilagine patologica: sfruttando le proprietà di assialsimmetria, i campioni sono stati implementati come quarti di cilindro, caratterizzati da un comportamento bifasico poroelastico fibrorinforzato. Le diverse condizioni di confinamento sono state definite nel modello come vincoli sulle superfici ed è stato ricreato il protocollo di carico sperimentale di stress relaxation impostando un abbassamento sulla superficie superiore. Ciò ha permesso di studiare la validità della risposta del modello numerico e di effettuare un’indagine più approfondita della relazione tra parametri impostati e capacità delle soluzioni di replicare la risposta sperimentale. L'analisi dei risultati conferma l'efficacia del modello poroelastico fibrorinforzato nell'interpretare le prove di compressione non confinata, sia dal punto di vista sperimentale che numerico. Si osservano infatti un andamento coerente delle tensioni nel tempo e un valore di modulo elastico all’equilibrio (0.46 ± 0.01 MPa) confrontabile con quello sperimentale (0.51 ± 0.27 MPa). Il coefficiente di correlazione calcolato tra curva numerica e di riferimento risulta essere pari a 0.99 Il modello è stato inoltre validato utilizzandolo nella simulazione di una prova di indentazione eseguita sulla ricostruzione 3D di un piatto tibiale. Per quanto concerne la prova a compressione confinata, non è stato possibile sviluppare un modello computazionale che, utilizzando gli stessi parametri costitutivi del materiale, potesse interpretare la risposta sperimentale con la stessa precisione riscontrata nella prova non confinata. Grazie alle risposte ottenute variando le grandezze dei parametri impostati inizialmente, è stato possibile comprendere le possibili cause del diverso comportamento riscontrato e le modifiche da apportare al modello in futuro.