Roberto Ramaglia Amadasi
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.
Rel. Cristina Bignardi, Paolo Caravaggi, Erica Liverani, Giulia Rogati. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Ingegneria Biomedica, 2024
Abstract: |
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. |
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Relators: | Cristina Bignardi, Paolo Caravaggi, Erica Liverani, Giulia Rogati |
Academic year: | 2023/24 |
Publication type: | Electronic |
Number of Pages: | 134 |
Additional Information: | Tesi secretata. Fulltext non presente |
Subjects: | |
Corso di laurea: | Corso di laurea magistrale in Ingegneria Biomedica |
Classe di laurea: | New organization > Master science > LM-21 - BIOMEDICAL ENGINEERING |
Aziende collaboratrici: | ISTITUTO ORTOPEDICO RIZZOLI |
URI: | http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/30556 |
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