“Reali”zzare modelli muscoloscheletrici

Alcuni ricercatori finanziati dall’UE hanno fatto progressi significativi nello sviluppo di modelli di ossa intere realistici. Questi strumenti potrebbero migliorare l’efficacia del trattamento e della riabilitazione nei pazienti con fratture o disturbi ossei.

Salute

Modelli ossei tessuto-specifici multiscala non sono mai stati realizzati, perché ciò richiede dati sui campi di deformazione a livello dei tessuti dell’intero osso. Ciò non si può ottenere tramite misurazioni sperimentali e le simulazioni numeriche sono limitate rispetto al campo d’azione. I modelli di ossa intere tessuto-specifici sarebbero inestimabili per i ricercatori al fine di svelare la relazione tra la microstruttura dell’osso e la sua funzione. Gli scienziati del progetto TISSSPECBONEFEM (Incorporation of multiscale tissue-specific properties into musculoskeletal finite element modelling) hanno lavorao per sviluppare modelli ossei accurati utilizzando l’analisi degli elementi finiti (FE) su femore ovino. I ricercatori hanno caratterizzato sperimentalmente la geometria ossea, la densità minerale ossea, i tipi di tessuti e le proprietà elastiche microscalari del femore di pecora. Utilizzando un database di campioni con punti di prelievo simili hanno sviluppato modelli muscoloscheletrici FE del femore di pecora che rappresentava le proprietà elastiche anisotrope tessuto-specifiche e le condizioni di carico fisiologicamente rilevanti. TISSSPECBONEFEM ha raccolto le proprietà multiscalari e multimodali relative agli stessi punti dell’osso, e le ha analizzate in combinazione con le deformazioni fisiologiche previste per determinare le relazioni tra struttura e funzione. Si è scoperto che il rimodellamento nelle ossa osteoniche come il femore è attivato più da forze di taglio muscolari locali che dalla compressione e dal piegamento delle ossa. Gli osteociti sono cellule ossee coinvolte nel rilevamento meccano-sensoriale e coordinano il rimodellamento osseo. Tramite FE e nanotomografia a raggi x a contrasto di fase con luce di sincrotrone, i ricercatori hanno analizzato la geometria della rete porosa su scala submicronica e hanno studiato la deformazione in sito degli osteociti. Utilizzando le misurazioni, basate su ultrasuoni, delle trasmissioni assiali bidirezionali, i ricercatori hanno valutato le proprietà su scala centimetrica dell’osso corticale in condizioni analoghe a quelle in vivo. Questo strumento sarebbe utile per valutare le proprietà dei materiali ossei specifici per i singoli casi. I ricercatori sono riusciti a quantificare mineralizzazione dell’osso, tensore di rigidezza e morfologia della rete porosa. La correlazione con la posizione anatomica, il tipo di tessuto e l’età degli animali ha fornito informazioni più accurate sulla relazione tra struttura e funzione oltre che sul processo di rimodellamento. I membri del progetto hanno sviluppato anche un sistema di riferimento numerico per l’applicazione a un determinato modello di osteotomia ovina al fine di studiare la guarigione delle fratture con diversi livelli di deformazione. Gli strumenti, il database e i risultati dello studio di TISSSPECBONEFEM potrebbero rivelarsi inestimabili per progettare e monitorare impianti per fissazione ossea che promuovano la guarigione delle fratture. Per la popolazione europea, che sta rapidamente invecchiando, l’applicazione clinica di tali scoperte potrebbe migliorare la mobilità dei pazienti riducendo i costi sanitari associati a fratture e sostituzioni delle articolazioni.