Modellazione paziente-specifica di uno scaffold in idrossiapatite con caratterizzazione meccanica del tessuto osseo vertebrale a partire da immagini CT

Numerous pathologies necessitate the replacement of the intervertebral disc with implants. In the past, autografts were used, whereas today metallic implants are employed though with some limitations. This study aims to evaluate the use of a ceramic implant through patient-specific computational models, analysing the influence of different microstructural choices on the implant's resistance, with particular attention to the complexity of the patient-specific model. Based on clinical computed tomography (CT) images of the spine, the geometry and mechanical properties of the patient's L1 and L2 vertebrae were characterised, validating the patient-specific model with high-resolution µ-CT images. The principal directions of anisotropy were identified using two different models based on the inertia matrix and the Gradient Structure Tensor (GST), while the elastic moduli along these directions were estimated using different micromechanical approaches. The validation highlighted that the GST method is the most suitable for defining the directions of anisotropy and that, among the models used, that of Sullivan et al. proved to be the most accurate in estimating the elastic moduli for trabecular bone. Subsequently, a porous ceramic scaffold in hydroxyapatite was modelled for an ALIF procedure, with bilateral posterior spinal fixation. A finite element analysis simulated an axial compression load on the complex consisting of the two vertebrae, the scaffold, and the fixation system, to evaluate the stress distribution and the resistance of the bone-implant interface. The tested scaffolds included: homogenised with uniform porosity (75%), trabecular with uniform porosity (75%) in FCC, Kelvin, and Voronoi geometries, and a Voronoi trabecular scaffold with graded porosity (60-90%). The results indicate, for each inserted scaffold, good resistance of the bone tissue, with only a minimal percentage of volume exceeding the compressive yield limit. All tested scaffolds withstood the tensile and compressive strength limits with a reduced volume. Among the examined configurations, the FCC geometry exhibited the lowest structural volume subjected to failure stress, while a graded porosity proved more advantageous than a uniform distribution. However, although homogenisation simplifies the model, it may not accurately represent the mechanical behaviour of trabecular structures. In conclusion, hydroxyapatite proves to be a promising material for lumbar interbody fusion, providing primary stability and promoting long-term bone integration. The use of simulations based on patient-specific models allows for accurate predictions of the mechanical stress on both the implant and the bone, reducing the risk of structural failure.

Numerose patologie rendono necessaria la sostituzione del disco intervertebrale con impianti. In passato, si ricorreva agli autotrapianti, mentre oggi vengono impiegati impianti metallici sebbene con alcune limitazioni. Questo studio si propone di valutare l’impiego di un impianto in ceramica attraverso modelli computazionali paziente-specifici, analizzando l’influenza di diverse scelte microstrutturali sulla resistenza dell’impianto, con particolare attenzione alla complessità del modello paziente-specifico. A partire dalle immagini cliniche di tomografia computerizzata (TC) del rachide, sono state caratterizzate la geometria e le proprietà meccaniche delle vertebre L1 ed L2 del paziente, validando il modello paziente-specifico con immagini μ-CT ad alta risoluzione. Le direzioni principali di anisotropia sono state identificate con due modelli differenti basati su matrice d’inerzia e GST (Gradient Structure Tensor), mentre i moduli elastici lungo tali direzioni sono stati stimati con approcci micromeccanici. La validazione ha evidenziato che il metodo GST è il più adatto per la definizione delle direzioni di anisotropia e, tra i modelli utilizzati, quello di Sullivan et al. è risultato il più accurato nella stima dei moduli elastici per osso trabecolare. Successivamente, è stato modellato uno scaffold ceramico poroso in idrossiapatite per un’operazione ALIF, con fissazione spinale posteriore bilaterale. Con un’analisi agli elementi finiti è stato simulato un carico assiale di compressione sul complesso costituito dalle due vertebre, scaffold e sistema di fissazione, per valutare la distribuzione degli sforzi e la resistenza dell’interfaccia osso-impianto. Gli scaffold testati includono: omogeneizzato a porosità uniforme (75%), trabecolato a porosità uniforme (75%) con geometrie FCC, Kelvin, Voronoi e trabecolato Voronoi a porosità graduata (60-90%). I risultati indicano, per ogni scaffold inserito, una buona resistenza del tessuto osseo, con solo una minima percentuale di volume che supera lo snervamento a compressione. Tutti gli scaffold testati hanno superato i limiti di resistenza a trazione e compressione con un volume ridotto. Tra le configurazioni esaminate, la geometria FCC ha mostrato il minor volume strutturale soggetto a sforzo di rottura, mentre una porosità graduata si è rivelata più vantaggiosa rispetto a una distribuzione uniforme. Tuttavia, sebbene l’omogeneizzazione semplifichi il modello, potrebbe non rappresentare accuratamente il comportamento meccanico delle strutture trabecolate. In conclusione, l’idrossiapatite si conferma un materiale promettente per la fusione intersomatica lombare, garantendo stabilità primaria e favorendo l’integrazione ossea a lungo termine. L'uso di simulazioni basate su modelli paziente-specifici consente di effettuare previsioni accurate sulla sollecitazione meccanica del dispositivo e dell’osso, riducendo il rischio di cedimenti strutturali.