Interazione grano-barra nei sistemi di fissazione spinale: analisi numerica e sperimentale del possibile ruolo nella resistenza a fatica

Spinal fixation implants are the gold-standard in vertebrae surgery since they offer crucial advantages in supporting the spinal stability after the operation. In particular, they are made of spinal rods and pedicle screws which enable a connection between the vertebra and the rod itself thanks to the tightening of a nut. However, in scientific literature several fails are reported to have happened starting from the connection between the nut and the rod whose cause is the phenomenon of fretting. This phenomenon can lead to fatigue failures with the passing of time caused by the contact pressure and micro-movements between the two surfaces which interact and are subject to relative tangential movement. The aim of this study is to validate a numerical model of the nut-rod interaction and valuate the resistance to fatigue by introducing the phenomenon of fretting fatigue. The following project has been carried out following different phases: (i) the analysis of the nut-rod interaction through the implementation of computational simulations which have recreated precisely the interaction between the two components. This has been followed by an experimental validation whose aim was to duplicate what happens during the computational phase; (ii) the study of the variables which influence the phenomenon of fretting and the implementation of fatigue criteria to analyze this phenomenon; (iii) specific cyclic simulations carried out by using the validated computational model to which has followed a valuation of the fatigue resistance. This approach has been chosen to understand in a detailed way how fretting can influence the functioning of the spinal implant, and, consequently, to describe in a clear way the validity of fatigue criteria which are used to predict the fretting fatigue on spinal implants.

Gli impianti di fissazione spinale rappresentano il gold-standard nella chirurgia vertebrale, offrendo vantaggi cruciali nel supportare la stabilità spinale post-intervento. In particolare, essi sono composti da barre spinali e viti peduncolari che consentono un collegamento tra la vertebra e la barra stessa attraverso il serraggio di un grano. Tuttavia, in letteratura sono riportati diversi fallimenti che hanno origine in prossimità del collegamento grano-barra, la cui causa è attribuita al fenomeno del fretting. Tale fenomeno può innescare processi di cedimento a fatica nel tempo dovuti a pressioni di contatto e micromovimenti tra le due superfici che interagiscono, soggette ad uno spostamento tangenziale relativo. L’obiettivo di questo lavoro è quello di validare un modello numerico dell’interazione grano-barra e successivamente valutare la resistenza a fatica introducendo il fenomeno del fretting fatigue. Il seguente progetto si è sviluppato seguendo diverse fasi: (i) analisi dell’interazione grano-barra, mediante l’implementazione di simulazioni computazionali che hanno riprodotto con precisione l’interfaccia tra i due componenti e successiva validazione sperimentale mirata a replicare ciò che avviene a livello computazionale; (ii) studio delle variabili che influenzano il fenomeno del fretting e implementazione di criteri a fatica volti ad analizzare tale fenomeno; (iii) simulazioni cicliche specifiche utilizzando il modello computazionale validato e successiva valutazione della resistenza a fatica. Questo approccio è stato adottato per acquisire una comprensione dettagliata di come il fretting influenzi il comportamento dell’impianto spinale, fornendo così un quadro chiaro sull’efficacia dei criteri a fatica, implementati per la previsione della fatica per sfregamento dei dispositivi spinali.