La comprensione dei processi meccanici di danneggiamento è essenziale per una diagnosi precoce ed una prevenzione efficace delle patologie ossee. In particolare, le fratture dovute all’invecchiamento sono di interesse in quanto legate all’osteoporosi, una patologia che induce una riduzione della densità minerale ossea e di conseguenza una maggiore predisposizione alla frattura. A causa dell’incremento dell’età media della popolazione, l’osteoporosi si configura come un evento con conseguenze sia nella sfera psico-sociale che economica. L’investigazione nel campo delle fratture ossee risulta tuttavia particolarmente complessa, in quanto le ossa sono caratterizzate da una intricata struttura gerarchica ed è ancora carente una comprensione completa del danneggiamento osseo alla micro-scala. In questo contesto nasce GAP (image-Guided computational and experimental Analysis of fractured Patients). L’obiettivo primario dell’attività di ricerca è lo studio dell’interazione tra il micro-danneggiamento e la micro-morfologia ossea. Al livello di micro-scala si possono notare le lacune, cavità all’interno delle quali risiedono gli osteociti: una miglior comprensione del ruolo di tali lacune può essere cruciale per una diagnosi preventiva delle patologie ossee. Attualmente le lacune sono considerate siti di concentrazione degli sforzi, ma al contempo sembrano contribuire al rallentamento della propagazione del danneggiamento. Al fine di far luce su tale dualismo, si vuole sviluppare uno specifico approccio sperimentale, combinato con un’attenta analisi numerica.

Il piano della ricerca è così strutturato:

• Fase 1: Implementazione di modelli meccanici computazionali di danneggiamento patient-specific, inseriti all’interno di un framework interamente dedicato all’analisi multi-scala dell’osso. Tale fase si svolge in collaborazione con il Laboratory for Bone Biomechanics sotto la supervisione del prof. Müller (ETH, Zürich).
• Fase 2: Test meccanici su campioni umani all’interno del sincrotrone. Campioni sani ed osteoporotici provenienti da teste femorali sono prelevati da pazienti a seguito dell’approvazione del Comitato Etico, in collaborazione con il Gruppo San Donato. I provini vengono testati all’interno di ELETTRA Sincrotrone (Trieste) mediante un dispositivo a micro-compressione trasportabile e trasparente ai raggi X, progettato e disegnato ex-novo interamente al DMEC. L’utilizzo del sincrotrone è essenziale al fine di evidenziare i micro-danneggiamenti mediante la tecnologia a contrasto di fase.
• Fase 3: Validazione. L’analisi dei dati ottenuti al sincrotrone consentirà di validare i modelli computazionali sviluppati. Tale validazione eseguita alla micro-scala si configura come innovativa nell’attuale panorama di ricerca.

I risultati attesi mirano all’identificazione di differenze statisticamente significative tra la propagazione del danneggiamento in soggetti sani ed osteoporotici, apportando un contributo significativo nel mondo della ricerca, dell’industria medicale e nell’ambito sociale. Tali differenze saranno concretamente valutate attraverso lo studio di alcuni parametri.

Parametri clinici: la collaborazione con il Gruppo San Donato ha portato alla definizione di un parametro clinico, consistente nel numero di lacune interessate dal danneggiamento. Ci si attende che tale valore sia inferiore in pazienti patologici, in cui il danneggiamento è meno interessato dalle lacune.

Parametri morfologici: i risultati attesi devono poter distinguere le caratteristiche geometriche del network lacunare e la distribuzione spaziale dello stesso tra soggetti sani ed osteoporotici.

Parametri meccanici: lo scopo è quello di quantificare le differenze in termini di resistenza meccanica dei campioni. Lo studio congiunto di tali fattori mira ad incrementare la comprensione dei meccanismi di danneggiamento ossei alla micro-scala, con il fine ultimo di promuovere la diagnosi precoce di patologie ossee, mediante l’implementazione di indici di infragilimento alla micro-scala. In tale network complesso, il DMEC ha un ruolo di fondamentale rilevanza nel design dell’apparato sperimentale e nell’organizzazione della ricerca. In particolare, la dottoranda Federica Buccino, che segue attivamente il progetto, ha già condotto studi preliminari in tale campo presso l’ETH di Zurigo. Federica, grazie anche al suo percorso di doppia laurea presso l’Alta Scuola Politecnica, ha potuto sviluppare competenze interdisciplinari e trasversali nel campo biomedicale, meccanico e di management, rilevanti per le ricerche in corso. Questi studi sono stati condotti grazie alla supervisione della Prof. Laura Vergani e hanno dato origine alla presente attività di ricerca. La Prof.ssa Vergani, grazie alla sua esperienza nell’applicazione di metodi di ingegneria strutturale allo studio delle ossa, è promotrice del lavoro e colonna portante di tutta le fasi svolte presso il DMEC.