Caratterizzazione meccanica di tessuti biologici: aspetti sperimentali

Per la determinazione del legame costitutivo dei tessuti biologici riveste grande importanza lo studio delle relazioni tra la struttura e composizione del tessuto e le prestazioni meccaniche dello stesso.

Analizzare il comportamento meccanico dei tessuti biologici è utile per comprendere le loro prestazioni meccaniche sia in condizioni fisiologiche che patologiche e può portare ad un miglioramento della qualità e della durata della vita. Inoltre, la caratterizzazione meccanica dei tessuti trova applicazione per la progettazione di protesi e di dispositivi

37 derivati da tessuti naturali, per lo studio del comportamento alle interfacce tra tessuti naturali e impianti e per lo sviluppo di tessuti prodotti con tecniche di tissue engineering. Esistono tre approcci per l’identificazione del legame costitutivo:

§ Approccio fenomenologico: non fornisce interpretazione fisica, è costruito su base empirica per interpolazione di dati sperimentali;

§ Approccio di meccanica del continuo: il modello matematico è derivato dai principi della fisica ed è coerente con le leggi della meccanica e della termodinamica mentre i parametri sono ricavati sperimentalmente;

§ Approccio misto: parziale conoscenza delle leggi fisiche che governano il comportamento del tessuto.

Le problematiche sperimentali che è possibile riscontrare sono le seguenti:

§ Limitata quantità e dimensioni dei campioni a causa delle ridotte dimensioni degli organi, del danneggiamento dei tessuti durante l’espianto e della difficoltà di reperimento dei tessuti umani. I provini di piccole dimensioni sono difficili da maneggiare ed è quindi necessario l’utilizzo di macchine di prova dedicate. È inoltre necessario sviluppare protocolli di prova non distruttivi per poter utilizzare lo stesso provino in differenti prove in cui sono misurate diverse proprietà meccaniche: di conseguenza, gli afferraggi della macchina di prova non devono danneggiare il provino nelle fasi di montaggio e smontaggio;

§ Non omogeneità del tessuto e variabilità interindividuale: la composizione del tessuto varia a seconda della storia del soggetto (età, stato di salute, attività fisica) e anche all’interno dello stesso organo varia in base al sito di prelievo. La scelta delle dimensioni del provino è critica: se è di grandi dimensioni la preparazione, movimentazione e misura sono più semplici; se invece il provino è di piccole dimensioni presenterà struttura e caratteristiche meccaniche omogenee;

§ Alterazione della struttura del tessuto durante prelievo, preparazione e conservazione dei campioni: le proprietà chimico-fisiche vengono alterate quando il campione è estratto dall’organo. Per questo motivo le caratteristiche del tessuto biologico in un provino sono diverse da quelle dello stesso tessuto in vivo (viene interrotto il nutrimento cellulare, la continuità delle fibre, vengono eliminati i tessuti adiacenti, i processi di preparazione dei provini modificano la struttura e la composizione del tessuto). Vengono impiegate tecniche di conservazione

38 (congelamento, soluzioni conservanti, immersione in soluzione salina a bassa temperatura) per rallentare la degradazione del tessuto devitalizzato fino all’esecuzione delle prove ma tali tecniche possono a loro volta alterare le proprietà meccaniche del tessuto;

§ Anisotropia dell’organo o del campione: la risposta meccanica dipende dalla direzione di sollecitazione quindi per definire il comportamento meccanico del tessuto ogni proprietà meccanica deve essere misurata lungo diverse direzioni rispetto all’orientamento dell’organo;

§ Difficoltà di preparazione dei provini: affinché le prove siano ripetibili è necessario impiegare provini di geometria controllata. I tessuti biologici, però, sono difficilmente lavorabili alle macchine utensili tradizionali e non esiste una produzione seriale di macchine utensili dedicate quindi ciascun laboratorio allestisce le attrezzature necessarie;

§ Influenza delle condizioni ambientali sulle proprietà meccaniche del tessuto (grado di idratazione, temperatura, pH). Per una maggiore attendibilità dei risultati è necessario riprodurre durante le misure le medesime condizioni ambientali a cui sarebbe sottoposto il tessuto in vivo (impiego di camere ambientali);

§ Assenza di norme per la preparazione e conservazione dei provini e per l’esecuzione della prova. Si utilizzano quindi procedure interne al laboratorio che causano però difficoltà nel confronto diretto di dati tra più laboratori;

§ Misura delle deformazioni: per i tessuti duri le deformazioni sono limitate e la rigidezza è elevata quindi è possibile impiegare strain gage ed estensimetri direttamente sul provino senza alterare la risposta del tessuto;

§ Correlazione tra proprietà in vivo e in vitro spesso difficoltosa a causa degli artefatti introdotti durante l’esperimento.

1.8.1 Caratterizzazione di tessuti duri: aspetti sperimentali

1. Preparazione dei campioni di prova: definire con precisione il sito e la direzione di prelievo rispetto a riferimenti anatomici, le dimensioni dei provini, la modalità di estrazione del midollo e quella di conservazione dei provini;

39 2. Obiettivo: caratterizzazione elastica - lineare (caratterizzazione pluriassiale,

asimmetria trazione/compressione, determinazione delle costanti elastiche, costruzione del dominio di resistenza);

3. Modalità di prova: definire le condizioni di prova (temperatura, umidità), la direzione di sollecitazione, la velocità di deformazione e la sollecitazione principale di trazione/compressione.

Problemi sperimentali:

§ Afferraggio del provino nella prova a trazione dovuto alla scarsa resistenza dell’osso lamellare a sollecitazioni biassiali di trazione e compressione. Quando il provino viene serrato direttamente tra gli afferraggi della macchina di prova, generalmente si verifica la rottura del provino nella zona di afferraggio. In alternativa è possibile incollare il provino a supporti, vincolare il provino mediante vincoli di forma o ricorrere a prove di trazione indiretta (flessione a tre punti e indentazione).

§ Condizioni ambientali: le proprietà meccaniche del provino dipendono dall’estrazione del midollo, dallo stato di idratazione, dalla modalità di conservazione e dalla temperatura. Per questo motivo risulta importante standardizzare il protocollo di prelievo e conservazione.

§ Dimensioni dei provini: deve tener conto della eterogeneità ed anisotropia della struttura e delle proprietà meccaniche. È difficile definire dimensioni idonee e significative in quanto se il provino è troppo piccolo risulta difficile da manipolare ma, trattandosi di un tessuto omogeneo, è possibile effettuare misure puntuali; se, invece, il provino è di grandi dimensioni è più semplice da manipolare ma si possono ottenere solo misure “medie”.

Nelle prove a compressione il provino viene inserito tra due piastre di carico utilizzando una cerniera per correggere l’errore di parallelismo tra le basi del provino. In questo tipo di prova i più frequenti problemi sperimentali riguardano:

§ Machine compliance: le deformazioni nella cella di carico, nel banco di prova e nella struttura complessiva della macchina possono risultare sovrastimate a causa delle piccole deformazioni del campione osseo;

§ Structural end-effect: è dovuto alla flessione e allo scivolamento delle trabecole all’interfaccia provino-piastra. Ciò porta ad una intensificazione della deformazione

40 assiale perché viene meno il supporto reciproco delle trabecole vicino alla superficie di taglio del campione. Di conseguenza, si possono avere incertezze casuali e una sottostima del modulo elastico del campione in esame;

§ Frictional end-effect: causato dall’attrito all’interfaccia campione-piastra. La parte centrale del provino risulta meno sollecitata quindi è necessaria una forza di compressione più elevata per deformarlo rispetto a quella predetta dalla legge di Hooke.

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