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Protesi su misura, da Napoli il progetto che può rivoluzionare l’ortopedia

Fonte : Il Denaro –

L’intervento di artroplastica è la chirurgia ortopedica più efficace per ripristinare la cinematica articolare d’anca. Secondo il rapporto annuale dell’Istituto Superiore della Sanità, nel 2017 sono stati registrati in Italia più di 105.000 interventi con un incremento del 3% rispetto all’anno precedente. Tale dato è in previsione di crescita a causa del costante aumento dell’età della popolazione, dell’estensione delle indicazioni anche ai pazienti più giovani e del numero di impianti.
La protesi, tipicamente in lega metallica, è composta dallo stelo che viene inserito all’interno del canale femorale e da una componente emisferica acetabolare detta cotile.

In foto protesi d’anca: stelo, testina, inserto e cotile
In foto protesi d’anca assemblata

Nei primi 10 anni dall’impianto, la durata media di una protesi è fra il 90%-95%; tra i 10 e i 20 anni, i pazienti sottoposti a revisione chirurgica sono circa il 35%.
Le revisioni rappresentano il 5.1% delle chirurgie, a causa soprattutto della mobilizzazione asettica, che determina il movimento della protesi in assenza di infezione. Di conseguenza, grande attenzione è posta dalla comunità scientifica ai fini di massimizzare l’affidabilità e la durata della protesi.

In foto protesi espiantate

La mobilizzazione asettica è direttamente correlata al riassorbimento osseo, dovuto al cosiddetto stress-shielding, ovvero al decremento del livello di sollecitazione meccanica al quale è sottoposto il tessuto osseo a causa del significativo carico portante della protesi, strettamente correlato alla sua maggiore rigidezza.
Il tessuto osseo è un materiale biologico eterogeneo in costante evoluzione a causa del fenomeno di remodeling, influenzato sia da fattori di natura biochimici che dai carichi. L’assorbimento ed il conseguente impoverimento della matrice ossea sono legati alla riduzione dei carichi, mentre l’addensamento è legato all’aumento. Fuori da intervalli di carico fisiologico, il tessuto osseo è soggetto a necrosi.
L’impianto di artroprotesi, a causa della differente rigidezza e densità delle componenti metalliche rispetto al tessuto osseo, stravolge la mappa degli stati sollecitativi all’interno del femore. Solo dopo diversi mesi il tessuto osseo si adatta a queste nuove condizioni meccaniche, producendo zone di assorbimento e zone di accrescimento osseo, che possono comportare la mobilizzazione asettica dell’impianto nelle parti della zona periprotesica in cui si estendono.
L’Ingegnere Luca Esposito, dottore di ricerca e professore a contratto per l’insegnamento di “Simulazione del comportamento strutturale dei materiali” all’Università di Napoli Federico II, nell’ambito delle ricerche dirette dal professore Massimiliano Fraldi, ordinario del Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura, si occupa di meccanica computazione e di tecniche di ottimizzazione ed, in particolare, di biomeccanica del tessuto osseo.
Partendo dai dati geometrici e costitutivi registrati nelle indagini diagnostiche del singolo paziente, tramite algoritmi numerici di ricostruzione sviluppati ad hoc, è possibile simulare l’azione della protesi sul tessuto osso, prevedendone il rimodellamento a lungo termine ed individuando le potenziali zone di riassorbimento e di addensamento.

In foto modello numerico del femore protesizzato

Inoltre, applicando strumenti di simulazione numerica ed implementando tecniche di ottimizzazione, l’ingegnere Esposito è in grado di progettare la protesi ottimale da impiantare in base alla caratteristiche biomediche del singolo paziente, ovvero il peso, la geometria del femore e le caratteristiche meccaniche specifiche del tessuto osseo. La protesi ottimizzata risulta così personalizzata sia dal punto di vista geometrico, che del materiale, rispondendo alle caratteristiche biomeccaniche peculiari del tessuto osseo ospitante.

In foto sezione della protesi ottimizzata

Utilizzando misuratori quantitativi (Stress Shielding Index, SSI) ed algoritmi di remodeling presenti in letteratura, è possibile dimostrare che la protesi ottimizzata riduce drasticamente il fenomeno dello stress shielding in ogni zona periprotesica, con una percentuale dal 70 al 92%, creando immediatamente dopo l’impianto un ambiente sollecitativo ideale per il tessuto osseo circostante, prevenendo così il fenomeno della mobilizzazione asettica.

In foto misura dello Stress Shielding in zona periprotesica

Nelle zone nelle quali il tessuto osseo risulta maggiormente soggetto al fenomeno dello stress shielding, cioè dove l’osso non viene caricato in maniera fisiologica, la protesi ottimizzata provvede a trasferire una maggiore quantità di carico per prevenire l’impoverimento della matrice ossea, aumentando la velocità di crescita della densità.
In maniera speculare, la protesi ottimizzata è in grado di trasferire una minore quantità di carico a tutte le zone sovraesposte, diminuendo la velocità di crescita della densità ossea ed impedendo la necrosi del tessuto.

In foto misura dello Stimolo e della velocità di crescita ossea

In conclusione, con il modello numerico del comparto anatomico del paziente, elaborato sui dati delle indagini diagnostiche, è possibile progettare la protesi custom-made, ottimizzata sulle specifiche caratteristiche geometriche e costitutive del tessuto osseo del paziente, e simularne il comportamento a lungo termine, prevenendo la mobilizzazione asettica ed aumentando la durabilità dell’impianto. Infine, con le moderne tecnologie di produzione basate sulla stampa metallica in 3D, è possibile realizzare la protesi ottimizzata da impiantare.

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