Analisi computazionali e sperimentali guidate da immagini dell'osso del paziente fratturato (GAP) (GAP)

Lo studio dei meccanismi di danno osseo, che si verificano alla multiscala, è di fondamentale importanza per la comprensione dei processi di frattura. In particolare, le fratture legate all'età sono in continuo aumento a causa dell'aumento dell'età media e di patologie diffuse come l'osteoporosi. Risultano in elevati oneri economici, morbilità (inclusa psicologica, ad esempio fragilità) e aumento della mortalità. Per ridurre l'impatto delle fratture ossee sulla salute e sull'economia, la diagnosi precoce è la chiave. In questo contesto, bisogna considerare che l'osso è caratterizzato da una complessa struttura gerarchica. Sia la sezione corticale che quella trabecolare sono costituite da lamelle micrometriche, composte da fibrille di collagene, all'interno delle quali si trovano gli osteociti. Risiedono in cavità sub-micrometriche chiamate lacune, che sono collegate da una fitta rete di canalicoli. Su scala nanometrica, le fibrille sono costituite principalmente da cristalli di collagene e idrossiapatite. Questa complessa architettura si riflette nei modelli di frattura: il danno, infatti, si verifica a livello multiscala. Tuttavia, i modelli di frattura ei fenomeni fisici associati non sono ancora stati compresi, specialmente su microscala.

Recentemente, le tecniche di imaging su microscala sono state combinate con modelli numerici specifici per soggetto, che sono in grado di calcolare i valori locali di stress e deformazione ossea. Studi preliminari si sono concentrati sulla valutazione di una possibile interazione tra microfessurazioni e porosità microstrutturale. Questa particolare ricerca si concentra sulla rete lacunare, che si presume influisca in modo significativo sulla resistenza ossea alla frattura, sebbene il ruolo effettivo della rete lacunare non sia ancora stato chiarito. In primo luogo, le lacune sono aree di concentrazione dello stress, che apparentemente portano all'indebolimento della struttura ossea. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, le lacune danno un contributo positivo alla tenacità deviando il fronte della cricca. La connessione tra le lacune, determinata dalla rete di canalicoli, si riduce anche nei soggetti osteoporotici, impedendo il rallentamento del danno. In questo senso, l'osso può essere considerato un materiale tollerante ai danni. Donaldson et al. hanno sviluppato modelli computazionali e stimato una soglia per l'inizio e la propagazione dei microdanni. Hanno utilizzato la microtomografia computerizzata dei femori murini e valutato l'influenza di diversi algoritmi sulla propagazione del danno in-silico. Ulteriori risultati hanno dimostrato che il danno avviene sempre sulla superficie dei vasi sanguigni o delle porosità e non parte invece dalle lacune. Tuttavia, ulteriori simulazioni e modelli sarebbero necessari per verificare l'efficacia dei modelli di danno.

Anche i modelli di danno computazionale richiedono una convalida sperimentale. Gli studi preliminari sono stati condotti in due direzioni principali: imaging in vivo e tecniche di valutazione dei guasti guidata da immagini (IGFA). Il primo approccio consente il monitoraggio non distruttivo del danno osseo negli animali vivi. Il secondo approccio, implementato da A. Levchuk et al. (8), mostra un enorme potenziale consentendo lo studio dell'innesco e della propagazione di microfessure con risoluzione sub-micrometrica, ma solo su piccoli animali.

La ricerca in corso per la prima volta vuole eseguire test su campioni di ossa umane applicando tecniche IGFA.

Nonostante numerosi studi sulla caratterizzazione di modelli di danno alla microscala, manca ancora una validazione di modelli computazionali di frattura su soggetti umani. Inoltre, il ruolo delle caratteristiche morfologiche alla microscala nei campioni è ancora sconosciuto.

Questi studi su microscala potrebbero migliorare la comprensione clinica della frattura ossea e la previsione del rischio di frattura. Attualmente, i medici utilizzano la densità minerale ossea, che è un parametro su macroscala, come predittore più comune di fratture ossee. Tuttavia, studi recenti dimostrano l'importanza di una caratterizzazione approfondita delle caratteristiche geometriche e morfologiche della microarchitettura.

OBIETTIVI

Obiettivo Generale Lo studio mira alla validazione sperimentale di modelli computazionali di danno osseo alla microscala. L'obiettivo generale è perseguito mediante danneggiamento controllato in una macchina di microcompressione su campioni di osso umano da testa femorale. Il macchinario è posto all'interno di un sincrotrone.

Obiettivo primario L'obiettivo primario del presente studio è valutare la differenza nell'attrazione del danno osseo rispetto ai gap nei due gruppi considerati (osteoporotici e non osteoporotici) dopo il test di microcompressione.

Il parametro discriminante scelto risulta essere il numero di lacune ossee incontrate dal microdanno. Ci aspettiamo di osservare una dimensione dell'effetto di 0,4 tra i due gruppi rispetto al parametro scelto.

Obiettivi secondari

• Determinazione del ruolo di lacune, canalicoli e altre microstrutture ossee nel danno. I campioni ossei umani vengono scansionati tramite microtomografo per la definizione dei parametri morfologici microstrutturali e la realizzazione e analisi dei modelli numerici.
• Validazione di questi modelli numerici di danno mediante prove di microcompressione effettuate in situ in un sincrotrone di adeguata risoluzione
• Quantificazione del danno in campioni ossei umani affetti da osteoporosi
• Definizione di indici di frattura a microscala, utili per la diagnosi precoce dell'osteoporosi