Valutazione sperimentale ed analitica dell’effetto della porosità e del materiale sull’interazione meccanica a compressione tra scaffold metallici per impianti ortopedici e osso = Experimental and analytical assessment of the effect of porosity and material on the compressive mechanical interaction between metallic scaffolds for orthopedic implants and bone

L'interazione meccanica tra dispositivi impiantabili e tessuto osseo è al centro di un crescente interesse nel campo ortopedico. L’aumento del numero di interventi ed i progressi nel campo delle tecniche di produzione additiva (stampa 3D) hanno spinto la ricerca verso lo studio di impianti ortopedici più longevi e con migliori caratteristiche di osteointegrazione. Uno dei principali problemi di natura meccanica che può compromettere la stabilità secondaria di un impianto ortopedico è rappresentato dallo stress-shielding. Questo fenomeno può portare al riassorbimento osseo e al fallimento dell’impianto a causa della differenza di rigidezza tra l’impianto e l’osso in cui è impiantato. Al fine di limitare questa problematica, favorire la compatibilità meccanica e promuovere l'osteointegrazione, è ora possibile utilizzare dispositivi ortopedici porosi. Questo studio aveva come obiettivo l’analisi dell'interazione meccanica a compressione tra impianti porosi metallici (scaffold) ed osso corticale bovino tramite un approccio analitico e sperimentale. In particolare, è stato investigato come la porosità ed i materiali utilizzati negli scaffold metallici influenzino la distribuzione delle deformazioni e degli stress sull'osso, esplorando le possibili implicazioni legate allo stress-shielding. Per conseguire questo obiettivo è stata eseguita un'indagine mediante un approccio integrato che ha compreso prove sperimentali, analisi numeriche e simulazioni agli elementi finiti di un sistema elementare dell’interazione osso-impianto. Sono stati prodotti scaffold in lega di cromo-cobalto (CoCr) tramite Selective Laser Melting con diverse porosità. Questi sono stati accoppiati con campioni di osso corticale bovino lavorati su misura. Digital Image Correlation (DIC) è stata utilizzata per analizzare le deformazioni in sei regioni del campione osseo durante test di compressione assiale. Parallelamente, è stato sviluppato un modello analitico del test a compressione del sistema osso-impianto, schematizzandolo come una combinazione di molle con diverse rigidezze. Attraverso questo modello sono state calcolate le forze di reazione vincolare sull’osso e le rigidezze degli scaffold. L'analisi agli elementi finiti (FEA) è stata utilizzata per simulare i test di compressione in-silico e per investigare l’effetto della lega Ti6Al4V come materiale per gli scaffold. L’analisi FEA ha permesso di calcolare le deformazioni nell’osso corrispondenti alle medesime regioni dei modelli sperimentali, le reazioni vincolari e di stimare la rigidezza degli scaffold. I risultati dello studio hanno mostrato come l'aumento della porosità riduca la rigidezza degli impianti, e promuova una migliore interazione meccanica. L'utilizzo di un materiale con un modulo elastico più simile a quello dell'osso, come la lega di Ti6Al4V, sembra essere più indicato per ottimizzare la distribuzione delle deformazioni. Il confronto tra i tre metodi impiegati ha evidenziato alcune discrepanze, spesso riconducibili a limitazioni specifiche dei singoli metodi. Tuttavia, l'integrazione di diversi approcci ha migliorato la l'affidabilità dell'analisi, ed ha permesso di evidenziare come lo stress-shielding possa essere diminuito tramite l’utilizzo di scaffold ad alta porosità. Nonostante questa indagine si sia basata su un modello semplice di interazione osso-impianto, i risultati di questo studio possono aiutare a ridurre il rischio di complicanze dovute a fattori meccanici, e contribuire così a migliorare la sicurezza degli impianti ortopedici.