Osteoarthritis (OA) is a degenerative musculoskeletal disease that impairs joint functionality, with a particular impact on the menisci and articular cartilage. It predominantly affects the elderly population, with approximately 7.6% of the global population being impacted, significantly contributing to disability and the global socioeconomic burden. The biomechanical alterations induced by OA result in the progressive degradation of joint tissues, accompanied by changes in their structural and mechanical properties, such as stiffness and permeability. This study focuses on the mechanical characterization of human OA-affected meniscus through confined compression tests conducted on 62 experimental samples obtained from the medial and lateral menisci of 13 patients, 10 of whom were female and 3 male. The samples were extracted using a cylindrical punch along the radial, circumferential, and vertical directions and were subsequently subjected to stress-relaxation tests. By analyzing the experimental results using the isotropic biphasic poroelastic analytical model of Bursać, fundamental biomechanical parameters were extracted, such as the aggregate modulus (Ha), indicative of the tissue stiffness at equilibrium, and the permeability (k), representative of the porous tissue's ability to allow interstitial fluid flow. The results reveal an absence of significant anisotropy in the OA meniscus, which can be attributed both to the fact that collagen fibers primarily contribute to the meniscus's mechanical stiffness under tensile loading and to the collagen fiber disorganization caused by the pathology. When compared with the literature, the data show greater stiffness compared to typical healthy meniscus values, with a mean Ha value of 0.385±0.1015 MPa, as well as higher permeability, with a mean value of 0.0344±0.0492 mm⁴/N·s. Additionally, the measured parameters were compared to those of articular cartilage, highlighting lower stiffness in the meniscus. Conversely, the meniscus exhibited higher permeability compared to articular cartilage.

L'osteoartrite (OA) è una patologia degenerativa muscolo-scheletrica che compromette la funzionalità delle articolazioni, con particolare incidenza sui menischi e sulla cartilagine articolare. Colpisce prevalentemente la popolazione anziana, interessando circa il 7.6% della popolazione mondiale e contribuendo significativamente alla disabilità e al carico socioeconomico globale. Le alterazioni biomeccaniche indotte dall'OA si manifestano con una progressiva degradazione dei tessuti articolari, con modifiche delle loro proprietà strutturali e meccaniche, quali rigidità e permeabilità. Questo studio si concentra sulla caratterizzazione meccanica del menisco umano affetto da OA, attraverso prove di compressione confinata svolte su 62 campioni sperimentali ricavati da menischi mediali e laterali di 13 pazienti di cui 10 di sesso femminile e 3 di sesso maschile. I campioni sono stati tagliati mediante un punch cilindrico lungo le direzioni radiale, circonferenziale e verticale e sono stati poi testati attraverso prove di rilassamento delle tensioni. Dall'analisi dei risultati sperimentali, utilizzando il modello analitico poroelastico bifasico isotropo di Bursać, sono stati estratti parametri biomeccanici fondamentali, quali il modulo di aggregazione (Ha), indicativo della rigidità del tessuto all'equilibrio, e la permeabilità (k), rappresentativa della capacità del tessuto poroso di far defluire il fluido interstiziale. I risultati mostrano l'assenza di anisotropia significativa nel menisco OA, attribuibile sia al fatto che le fibre di collagene contribuiscono alla rigidità meccanica del menisco principalmente sotto trazione, sia alla disorganizzazione delle fibre di collagene causata dalla patologia. Confrontando i dati con la letteratura, si osserva una maggiore rigidità rispetto ai valori tipici del menisco sano con un valore medio di Ha pari a 0.385±0.1015 MPa, così come una maggiore permeabilità, il cui valore medio è risultato essere 0.0344±0.0492 ^4/ . Inoltre, i parametri misurati sono stati paragonati a quelli della cartilagine articolare, evidenziando rigidità inferiore nel menisco. Al contrario è stata evidenziata una permeabilità superiore nel menisco rispetto alla cartilagine articolare.

Caratterizzazione meccanica dei menischi di pazienti affetti da osteoartrite

ARCAIS, FRANCESCO
2023/2024

Abstract

Osteoarthritis (OA) is a degenerative musculoskeletal disease that impairs joint functionality, with a particular impact on the menisci and articular cartilage. It predominantly affects the elderly population, with approximately 7.6% of the global population being impacted, significantly contributing to disability and the global socioeconomic burden. The biomechanical alterations induced by OA result in the progressive degradation of joint tissues, accompanied by changes in their structural and mechanical properties, such as stiffness and permeability. This study focuses on the mechanical characterization of human OA-affected meniscus through confined compression tests conducted on 62 experimental samples obtained from the medial and lateral menisci of 13 patients, 10 of whom were female and 3 male. The samples were extracted using a cylindrical punch along the radial, circumferential, and vertical directions and were subsequently subjected to stress-relaxation tests. By analyzing the experimental results using the isotropic biphasic poroelastic analytical model of Bursać, fundamental biomechanical parameters were extracted, such as the aggregate modulus (Ha), indicative of the tissue stiffness at equilibrium, and the permeability (k), representative of the porous tissue's ability to allow interstitial fluid flow. The results reveal an absence of significant anisotropy in the OA meniscus, which can be attributed both to the fact that collagen fibers primarily contribute to the meniscus's mechanical stiffness under tensile loading and to the collagen fiber disorganization caused by the pathology. When compared with the literature, the data show greater stiffness compared to typical healthy meniscus values, with a mean Ha value of 0.385±0.1015 MPa, as well as higher permeability, with a mean value of 0.0344±0.0492 mm⁴/N·s. Additionally, the measured parameters were compared to those of articular cartilage, highlighting lower stiffness in the meniscus. Conversely, the meniscus exhibited higher permeability compared to articular cartilage.
2023
Mechanical characterization of the menisci of patients suffering from osteoarthritis
L'osteoartrite (OA) è una patologia degenerativa muscolo-scheletrica che compromette la funzionalità delle articolazioni, con particolare incidenza sui menischi e sulla cartilagine articolare. Colpisce prevalentemente la popolazione anziana, interessando circa il 7.6% della popolazione mondiale e contribuendo significativamente alla disabilità e al carico socioeconomico globale. Le alterazioni biomeccaniche indotte dall'OA si manifestano con una progressiva degradazione dei tessuti articolari, con modifiche delle loro proprietà strutturali e meccaniche, quali rigidità e permeabilità. Questo studio si concentra sulla caratterizzazione meccanica del menisco umano affetto da OA, attraverso prove di compressione confinata svolte su 62 campioni sperimentali ricavati da menischi mediali e laterali di 13 pazienti di cui 10 di sesso femminile e 3 di sesso maschile. I campioni sono stati tagliati mediante un punch cilindrico lungo le direzioni radiale, circonferenziale e verticale e sono stati poi testati attraverso prove di rilassamento delle tensioni. Dall'analisi dei risultati sperimentali, utilizzando il modello analitico poroelastico bifasico isotropo di Bursać, sono stati estratti parametri biomeccanici fondamentali, quali il modulo di aggregazione (Ha), indicativo della rigidità del tessuto all'equilibrio, e la permeabilità (k), rappresentativa della capacità del tessuto poroso di far defluire il fluido interstiziale. I risultati mostrano l'assenza di anisotropia significativa nel menisco OA, attribuibile sia al fatto che le fibre di collagene contribuiscono alla rigidità meccanica del menisco principalmente sotto trazione, sia alla disorganizzazione delle fibre di collagene causata dalla patologia. Confrontando i dati con la letteratura, si osserva una maggiore rigidità rispetto ai valori tipici del menisco sano con un valore medio di Ha pari a 0.385±0.1015 MPa, così come una maggiore permeabilità, il cui valore medio è risultato essere 0.0344±0.0492 ^4/ . Inoltre, i parametri misurati sono stati paragonati a quelli della cartilagine articolare, evidenziando rigidità inferiore nel menisco. Al contrario è stata evidenziata una permeabilità superiore nel menisco rispetto alla cartilagine articolare.
menisco
biomeccanica
prove sperimentali
osteoartrite
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.12608/78050