Caratterizzazione Morfologica e Meccanica del Tessuto Osseo Trabecolare di Teste Omerali Umane Sane ed Osteoporotiche = Morphological and Mechanical Characterization of Healthy and Osteoporotic Trabecular Bone Tissue from Human Humeral Heads

L’osteoporosi (OP) è un disordine dell’apparato scheletrico responsabile di un elevato numero di fratture nella popolazione anziana. Il rimodellamento osseo è un processo che dovrebbe, durante tutto l’arco di vita di un individuo, bilanciare il riassorbimento di tessuto da parte degli osteoclasti e la sua successiva riformazione ad opera degli osteoblasti, mantenendo inalterata la massa ossea al termine di ogni ciclo. L’avanzare dell’età e l’insorgenza dell’osteoporosi possono portare ad uno sbilanciamento di questo processo, causando una diminuzione della massa ossea ed una perdita dell’integrità strutturale del tessuto. Le fratture causate dall’osteoporosi sono, dunque, risultato di una sequenza di eventi micro-strutturali. La tesi è parte del progetto ERC BOOST, che si prefigge di trattare le fratture da osteoporosi tramite la realizzazione di uno scaffold biomimetico che stimoli, attraverso meccanismi chimici e fisici, le cellule ossee vecchie ad agire come quelle sane, restaurando in tal modo un equilibrio nel rimodellamento. Per differenziare i due tipi di cellule è necessario definirne le proprietà. È infatti sulla caratterizzazione morfologica e meccanica di teste omerali umane sane ed osteoporotiche, sia alla macro che alla micro scala, che si concentra questa tesi, evidenziando possibili variazioni legate all’osteoporosi e coinvolte nell’infragilimento osseo. Si sono condotte analisi micro-CT, test di compressione e nanoindentazione su 53 biopsie appartenenti a soggetti di età compresa tra 54 e 85 anni, dividendole tra sane (H), sane vecchie (HO), osteopeniche (OPen) ed osteoporotiche (OP). È quindi stato studiato l’impatto di struttura e morfologia del tessuto sulle proprietà dell’osso trabecolare, analizzando le caratteristiche di quest’ultimo associate all’infragilimento osseo. Secondo quanto riportato da altre ricerche, la qualità dell’osso dipende dalla struttura trabecolare a livello microscopico. Perciò, per ogni campione sono stati ottenuti parametri morfologici quali porosità, structure model index (SMI), grado di anisotropia (DA), spessore trabecolare (Tb.Th), distanza intertrabecolare (Tb.Sp), bone e tissue mineral density (BMD e TMD). Anche la determinazione delle proprietà meccaniche dell’osso trabecolare è necessaria per un corretto differenziamento tra osso sano e osteoporotico: per questo motivo si sono effettuati test di compressione e di nanoindentazione. Nei risultati i campioni OP presentano maggior DA e TMD e minor Tb.Th rispetto a quelli sani. Nonostante l’elevata variabilità delle caratteristiche meccaniche ricavate dai campioni ossei, quelli osteoporotici mostrano minor resistenza meccanica e tenacità, confermando l’indebolimento della loro struttura a causa dell’osteoporosi. Secondo i test di nanoindentazione i campioni OP presentano maggior modulo elastico ridotto e durezza. L’analisi della correlazione tra parametri morfologici e meccanici mostra una dipendenza tra le due categorie di indici di qualità dell’osso. La tesi ha permesso dunque di evidenziare, grazie all’utilizzo delle più recenti tecniche analitiche, le differenze morfologiche e meccaniche fra osso sano ed osteoporotico. I risultati emersi saranno essenziali per l’estrapolazione di un modello CAD che riproduca le caratteristiche strutturali dell’osso sano per la realizzazione, tramite stampa 3D, di uno scaffold biomimetico secondo quanto previsto negli obiettivi del progetto ERC BOOST.