Progettazione e analisi agli elementi finiti di una struttura multi-reticolare per uno stelo femorale d’anca finalizzata alla riduzione dell’effetto di stress shielding

Mustafa Guven Gok

Full text link: https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/14644207211046200

Progettazione e analisi agli elementi finiti di una struttura multi-reticolare per uno stelo femorale d’anca finalizzata alla riduzione dell’effetto di stress shielding

1. Riferimento scientifico

• Titolo dello studio: Progettazione e analisi agli elementi finiti di una struttura multi-reticolare per uno stelo femorale d’anca finalizzata alla riduzione dell’effetto di stress shielding
• Autore: Mustafa Güven Gök
• Rivista scientifica: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part L: Journal of Materials: Design and Applications
• Anno di pubblicazione: 2022
• DOI: 10.1177/14644207211046200

2. Contesto scientifico

L’adattamento biomeccanico tra un impianto ortopedico e l’osso ospite rappresenta uno dei principali fattori che influenzano la stabilità a lungo termine delle protesi articolari. Nel caso delle protesi d’anca, la differenza di rigidità tra i materiali metallici e il tessuto osseo può determinare una distribuzione non fisiologica dei carichi meccanici.

Questa condizione, nota come stress shielding, si verifica quando l’impianto assorbe una quota eccessiva delle forze funzionali, riducendo la stimolazione meccanica dell’osso circostante. Nel tempo, ciò può favorire fenomeni di riassorbimento osseo e compromettere la qualità dell’interfaccia osso-impianto.

L’evoluzione delle tecnologie di manifattura additiva ha aperto nuove prospettive nella progettazione di impianti porosi e strutture reticolari tridimensionali in grado di modulare le proprietà meccaniche del dispositivo. In questo scenario si inserisce il presente studio, che valuta l’impiego di differenti architetture reticolari all’interno di uno stelo femorale per migliorare la trasmissione dei carichi all’osso.

3. Obiettivo dello studio

L’obiettivo principale dello studio era sviluppare e confrontare differenti configurazioni di steli femorali caratterizzati da strutture multi-reticolari nella regione prossimale dell’impianto.

Gli autori hanno analizzato se l’integrazione di reticoli cubici tridimensionali potesse ridurre la rigidità dello stelo, favorire una distribuzione più fisiologica dei carichi meccanici e limitare l’effetto di stress shielding rispetto a uno stelo convenzionale pieno.

4. Metodologia

Si tratta di uno studio preclinico basato su simulazioni numeriche mediante analisi agli elementi finiti (Finite Element Analysis – FEA).

È stato utilizzato come riferimento uno stelo femorale convenzionale realizzato in lega di titanio Ti6Al4V. Successivamente sono state sviluppate tre differenti configurazioni:

• Design 1: struttura cubica semplice (Simple Cubic – SC)
• Design 2: struttura cubica a corpo centrato (Body-Centered Cubic – BCC)
• Design 3: struttura cubica a facce centrate (Face-Centered Cubic – FCC)

La porzione prossimale dello stelo è stata suddivisa in tre segmenti ai quali sono stati aggiunti rinforzi interni orizzontali e verticali.

I modelli sono stati virtualmente inseriti in un femore ricostruito da immagini tomografiche. Le simulazioni hanno riprodotto le condizioni di carico associate alla deambulazione normale di un soggetto di 700 N. Sono stati valutati la distribuzione delle tensioni, l’energia di deformazione, gli spostamenti e i segnali di stress shielding nelle diverse aree del femore.

Non sono stati coinvolti pazienti né modelli animali.

5. Risultati principali

L’introduzione delle strutture multi-reticolari ha determinato una modifica significativa del comportamento biomeccanico degli steli femorali.

Lo stelo convenzionale ha mostrato una tensione massima di Von Mises pari a circa 289 MPa, mentre i modelli reticolari hanno registrato valori compresi tra circa 189 MPa e 221 MPa.

È stata inoltre osservata una riduzione del peso dell’impianto:

• Design 1: riduzione di circa il 25,9%
• Design 2: riduzione di circa il 18,8%
• Design 3: riduzione di circa il 18,3%

L’analisi dello stress shielding ha evidenziato un miglior trasferimento del carico nelle regioni prossimali del femore. Rispetto al modello convenzionale, i segnali di stress shielding hanno mostrato incrementi che, in alcune aree anatomiche, hanno raggiunto il 150,47%.

Tra tutte le configurazioni analizzate, il Design 1 basato sulla struttura cubica semplice ha fornito le prestazioni biomeccaniche più favorevoli.

6. Analisi clinica

Pur trattandosi di una ricerca esclusivamente numerica, lo studio fornisce indicazioni interessanti per la progettazione delle future protesi ortopediche.

I risultati suggeriscono che una riduzione controllata della rigidità implantare possa favorire una maggiore condivisione dei carichi tra impianto e osso. Questo aspetto è particolarmente rilevante poiché lo stress shielding è considerato uno dei principali meccanismi coinvolti nella perdita ossea periprotesica.

Un elemento di particolare interesse riguarda il ruolo della geometria del reticolo. Lo studio mostra infatti che non è soltanto il grado di porosità a influenzare il comportamento biomeccanico dell’impianto, ma anche il modo in cui le forze vengono trasmesse attraverso la struttura interna.

I risultati ottenuti con la configurazione cubica semplice indicano che alcune geometrie possono risultare più efficienti nel trasferimento dei carichi al tessuto osseo.

Sebbene la ricerca sia focalizzata sulla chirurgia protesica dell’anca, i principi biomeccanici analizzati trovano applicazione anche in altri settori, tra cui l’implantologia dentale, la ricostruzione ossea personalizzata, la chirurgia maxillo-facciale e la produzione CAD/CAM di dispositivi implantari.

È tuttavia necessario ricordare che simulazioni numeriche e comportamento clinico reale non sono sovrapponibili. Processi biologici quali osteointegrazione, rimodellamento osseo e risposta tissutale non sono stati valutati in questo studio.

7. Applicazioni cliniche

I risultati possono essere rilevanti per:

• sviluppo di protesi ortopediche prodotte mediante manifattura additiva;
• progettazione di steli femorali a condivisione di carico;
• ricerca sui biomateriali porosi in titanio;
• impianti personalizzati basati su modellazione digitale;
• ottimizzazione biomeccanica dei dispositivi implantari.

Dal punto di vista concettuale, i principi descritti possono essere di interesse anche per l’implantologia dentale e per la progettazione di impianti destinati alla riabilitazione ossea e implantare.

8. Livello di evidenza, limiti e trasparenza

Questa pubblicazione corrisponde a uno studio preclinico di simulazione biomeccanica mediante analisi agli elementi finiti.

Il livello di evidenza è pertanto inferiore rispetto agli studi clinici prospettici o randomizzati. Le conclusioni si basano esclusivamente su modelli computazionali.

Le principali limitazioni identificabili sono:

• assenza di validazione clinica;
• assenza di test sperimentali in vivo;
• dipendenza dalle ipotesi del modello numerico;
• valutazione effettuata in specifiche condizioni di carico.

L’autore non ha dichiarato conflitti di interesse e non ha ricevuto finanziamenti specifici per la realizzazione dello studio.

9. Punti chiave dello studio

• Tipo di studio: Studio preclinico mediante analisi agli elementi finiti
• Livello di evidenza: Simulazione biomeccanica
• Popolazione: Non applicabile
• Numero di pazienti: Nessuno
• Follow-up: Non applicabile
• Materiale studiato: Lega di titanio Ti6Al4V
• Endpoint principale: Stress shielding e trasferimento del carico
• Risultato principale: Miglioramento della trasmissione delle forze al femore prossimale mediante strutture multi-reticolari
• Migliore configurazione: Design 1 (Simple Cubic)
• Miglioramento massimo osservato: 150,47% in specifiche regioni femorali
• Conclusione scientifica: Le strutture multi-reticolari riducono gli indicatori di stress shielding rispetto a uno stelo convenzionale
• Principale limite: Assenza di validazione clinica

10. Impatto scientifico

Questo studio contribuisce allo sviluppo delle nuove generazioni di impianti ortopedici ottimizzati dal punto di vista biomeccanico. L’originalità del lavoro risiede nell’impiego combinato di differenti architetture reticolari all’interno dello stesso stelo femorale.

I risultati supportano l’idea che la progettazione strutturale dell’impianto possa influenzare in maniera sostanziale il trasferimento delle forze e la risposta biomeccanica dell’osso circostante. Inoltre, la ricerca rafforza il ruolo della manifattura additiva come strumento per la realizzazione di impianti personalizzati con proprietà meccaniche modulabili.

Lo studio offre quindi una base teorica utile per futuri sviluppi nell’ambito degli impianti ortopedici e delle soluzioni implantari avanzate.

11. Conclusione editoriale

L’analisi agli elementi finiti presentata dagli autori dimostra che l’integrazione di strutture multi-reticolari in steli femorali in Ti6Al4V può migliorare il trasferimento del carico all’osso e ridurre gli indicatori associati allo stress shielding. Tra le configurazioni studiate, la struttura cubica semplice ha mostrato le prestazioni biomeccaniche più promettenti. Sebbene i risultati siano incoraggianti, rimangono limitati al contesto della simulazione numerica e richiedono conferme sperimentali e cliniche prima di una possibile applicazione nella pratica medica.