Investigating simple shear mechanics of bovine cartilage using a triaxial shear test machine

Objective: Articular cartilage is a non-homogeneous tissue with complex structure-function relationships. Damage to articular cartilage leads to traditionally irreparable conditions such as osteoarthritis, a disease that is both painful and debilitating to a large human population. The objective in this thesis is to perform triaxial mechanical tests on articular cartilage that are quasi-static and large-shear strains, in order to understand tissue mechanical behavior. Methods: Cartilage explants were taken from three healthy adult bovine femurs. Specimens were categorized by joint contact and contact stress regions with respect to the femoral condyle. Specimens were subject to applied shear parallel and perpendicular to the split line direction at 5%, 10%, 15% and 20% while submerged in phosphate buffered saline at 37 ◦C. Force and displacement were measured, and the shear stress and dissipation energy were calculated. Results: Joint contact region, governed by degrees of flexion, and thickness have significant effects on articular cartilage stiffness and the dissipation energy. There were no significant differences in results obtained from shearing parallel to the split line direction versus perpendicular, nor between high and low stress load-bearing regions. At 5% applied shear strain, G = 412 kPa, which is comparable to reported values for bovine by other groups.

Obiettivo: La cartilagine articolare è un tessuto disomogeneo che presenta una relazione struttura-funzione molto complessa. Processi degenerativi come l’osteoartite portano a danni irreparabili del tessuto cartilagineo con l’insorgenza di stati dolorosi e inabilitanti. L’obiettivo in questa tesi è di effettuare prove meccaniche triassiali su cartilagine articolare di tipo quasi-statico con applicazione di deformazioni di tipo tangenziale, al fine di comprendere il comportamento meccanico del tessuto in questa specifica condizione di sollecitazione. Stato dell’arte: la comprensione dei movimenti del corpo umano è stato un argomento di interesse fin dall’inizio della storia delle discipline mediche. In tempi recenti c’e’ stato un progressivo passaggio da un approccio puramente qualitativo ad uno più quantitativo basato su principi di ingegneria sui sviluppare metodi di analisi (Lawson 1873, Buckwalter and Martin 1995, Peat et al. 2001). Nella società moderna, la possibilità di mantenere le capacità di mobilità anche in età avanzata o anche in presenza di patologie è divenuta un requisito essenziale per una qualità di vita accettabile La prevalenza di disabilità tende a raddoppiare nei gruppi di età successive (Brault et al. 2009, Ramos-Pichardo et al. 2014). Inoltre, uno studio pubblicato dall’Organizzazione Mondiale della Sanità ha rilevato che fino al 76% degli adulti di età superiore ai 65 Relazione difficoltà a camminare per una distanza superiore a un chilometro (Capistrant et al. 2014). Il ginocchio, che è una delle articolazioni critiche del corpo, è spesso affetto da patologie limitanti, costituisce l’area di interesse per questa tesi. Alcune ricerche hanno indicato che la sollecitazione di taglio può essere un fattore critico nella distruzione del tessuto cartilagineo; tuttavia sono stati condotti pochi studi sulla sollecitazione a taglio su cartilagine. In questo lavoro la sollecitazione di taglio è applicata su campioni di tessuto utilizzando una macchina di prova di taglio triassiale al fine di effettuare una caratterizzazione meccanica del tessuto sottoposta a questa specifica sollecitazione che consenta di fornire parametri più affidabili da impiegarsi nei modelli numerici. Metodi: Si sono realizzate prove di taglio su tessuti sviluppando protocolli di carico composti in cui si applica contemporaneamente una sollecitazione di compressione sul campione, la quale può essere tenuta costante o opportunamente modificate, e una sollecitazione trasversale nelle direzioni x e y che applicano sul tessuto una deformazione di tipo tangenziale. Questo approccio triassiale porta ad una sollecitazione del tessuto molto più realistica rispetto ad altri metodi di prova in quanto la sollecitazione assiale e quella tangenziale sono controllate indipendentemente (Kallemeyn et al. 2006). In questo lavoro sono stati utilizzati, campioni espianti di cartilagine da femore di tre bovini adulti sani. I campioni sono stati classificati in base regioni di contatto rispetto al condilo femorale. I campioni sono stati sottoposti a sollecitazione di taglio secondo le direzioni parallela e perpendicolare alla direzione delle split-line a 5%, 10%, 15% and 20% in immersione in soluzione salina a tampone fosfato e temperatura di 37 °C. Durante la prova sono state imposte forze e sono stati misurati gli spostamenti da cui sono stati poi stimati gli sforzi e l’energia dissipata. Risultati: La posizione anatomica del campione, l’entità dell’area di contatto e lo spessore hanno mostrato avere una grande influenza sulla rigidezza misurata e sull’energia dissipata. Mentre la direzione di applicazione del taglio (parallelo o perpendicolare alle split-lines) non ha mostrato un’influenza significativa né ad alto, né a basso livello di sforzo. La rigidezza tangenziale stimata in corrispondenza di una deformazione tangenziale del 5% è di 412 kPa, che è paragonabile ai valori riportati in letteratura per un bovino adulto.