Rivista di informazione del Dipartimento di Ingegneria Industriale
Università di Trento
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La sostituzione totale dell’anca rappresenta uno dei grandi successi della moderna chirurgia ortopedica. Ma “successo” non significa necessariamente “problema risolto”. Poiché le persone vivono più a lungo e ci si aspetta che gli impianti rimangano funzionali per decenni, rimane una questione importante: come rendere un impianto metallico sufficientemente resistente da sostenere il corpo e, allo stesso tempo, capace di comportarsi in modo più simile all’osso vivo che va a sostituire?
Questa domanda è stata al centro di un progetto di dottorato condotto presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Trento. La ricerca ha esplorato come la manifattura additiva possa essere utilizzata per realizzare strutture reticolari in titanio con proprietà meccaniche e biologiche appositamente progettate per le future protesi d’anca.
Una protesi d’anca deve svolgere una duplice funzione. Da un lato, deve resistere a milioni di cicli di carico generati dalla camminata e dalle attività quotidiane. Dall’altro, dovrebbe favorire l’adesione e la crescita delle cellule che formano il tessuto osseo, facilitando l’integrazione dell’impianto con i tessuti circostanti.
L’impianto dovrebbe quindi riprodurre, per quanto possibile, le proprietà meccaniche dell’osso naturale. Gli impianti convenzionali, essendo più rigidi dell’osso, assorbono una quota eccessiva del carico meccanico, lasciando l’osso circostante sottoposto a una stimolazione insufficiente. Questo fenomeno, noto come “stress shielding”, può provocare perdita di tessuto osseo e una conseguente riduzione della stabilità dell’impianto.
Le strutture porose possono ridurre la rigidità dell’impianto e creare spazio per la crescita del tessuto osseo al loro interno. Tuttavia, un aumento della porosità comporta anche una diminuzione della resistenza meccanica. La sfida consiste quindi nel trovare il giusto equilibrio tra affidabilità meccanica e prestazioni biologiche.
Il progetto ha studiato strutture reticolari realizzate mediante fusione a letto di polvere con laser (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) utilizzando la lega β-Ti21S, una lega metastabile di titanio di fase beta caratterizzata da una rigidità inferiore rispetto alle leghe di titanio convenzionali, da un’elevata resistenza meccanica e da una promettente biocompatibilità.
Sono state analizzate due diverse architetture reticolari.
La prima è una struttura auxetica rientrante, composta da elementi dalla caratteristica forma a papillon. I materiali auxetici presentano un comportamento particolare: quando vengono sottoposti a trazione, si espandono anche lateralmente, mentre quando vengono compressi si contraggono lateralmente. La loro elevata deformabilità li rende interessanti per le zone sottoposte a compressione, dove possono contribuire a prevenire il distacco tra osso e impianto.
La seconda è una superficie minima triperiodica (TPMS, Triply Periodic Minimal Surface) di tipo gyroid. Le strutture gyroid sono costituite da superfici lisce, continue e interconnesse, che consentono di distribuire efficacemente i carichi e, allo stesso tempo, offrono percorsi interconnessi per il trasporto dei fluidi, la migrazione cellulare e la crescita dei tessuti.
La ricerca non ha cercato di individuare una geometria universalmente migliore dell’altra, ma ha considerato le due architetture come complementari. L’obiettivo a lungo termine è sviluppare un impianto multizona, nel quale ciascuna architettura venga utilizzata nelle aree in cui le sue specifiche proprietà meccaniche e biologiche risultano più vantaggiose.
Prima di poter essere sottoposto a una prova meccanica, un componente deve innanzitutto essere prodotto dalla stampante nella forma per cui è stato progettato. Nel caso di strutture reticolari complesse, riuscire a ottenere la geometria prevista è importante quanto la progettazione stessa. Piccole variazioni nelle dimensioni dei pori, nello spessore delle pareti o nella forma degli elementi reticolari possono infatti influenzarne significativamente le prestazioni.
Per esaminare i campioni stampati senza tagliarli né danneggiarli è stata utilizzata la microtomografia computerizzata. Le strutture tridimensionali ricostruite sono state confrontate con i modelli digitali originali, permettendo di individuare deviazioni dimensionali, particelle di polvere aderenti e difetti interni.
L’analisi ha dimostrato che la stampabilità non rappresenta soltanto una questione legata al processo produttivo. Essa influisce direttamente sulla resistenza meccanica, sulla resistenza a fatica e sulle prestazioni biologiche della struttura finale.
Nel corso delle diverse fasi del progetto sono state studiate differenti configurazioni delle strutture reticolari utilizzate nella progettazione degli impianti, sia a densità singola sia a porosità a gradiente funzionale. Le strutture sono state sottoposte a carichi progressivamente crescenti e a carichi ciclici ripetuti, con l’obiettivo di valutarne rigidità, resistenza meccanica e resistenza a fatica.
Le strutture reticolari stampate hanno raggiunto valori di rigidità compresi negli intervalli tipici dell’osso umano. Le strutture TPMS hanno mostrato un comportamento più simile a quello dell’osso corticale, lo strato esterno e compatto del femore, mentre le strutture auxetiche, caratterizzate da una maggiore deformabilità, hanno mostrato proprietà più vicine a quelle dell’osso trabecolare, il tessuto poroso presente al suo interno.
Le prove biologiche sono state condotte utilizzando cellule simili agli osteoblasti e cellule staminali mesenchimali derivate dal midollo osseo umano. Entrambi i tipi di struttura reticolare sono risultati non citotossici e hanno favorito l’adesione e la diffusione delle cellule, oltre a un aumento della loro attività metabolica.
In generale, pori più grandi e meglio interconnessi hanno prodotto risposte cellulari più favorevoli, grazie al miglioramento del movimento delle cellule, dei nutrienti e del mezzo di coltura attraverso le strutture.
La fusione a letto di polvere con laser produce naturalmente superfici rugose caratterizzate dalla presenza di particelle di polvere parzialmente fuse. Un certo livello di rugosità può favorire l’adesione cellulare; tuttavia, una rugosità eccessiva e la presenza di difetti superficiali possono ridurre la vita a fatica del componente e aumentare il rischio di rilascio di particelle.
L’elettrolucidatura ha ridotto di oltre la metà la rugosità superficiale nelle regioni accessibili e ha rimosso numerose particelle residue.
Un aspetto particolarmente importante è che, nonostante il trattamento, le superfici lucidate hanno continuato a garantire un’elevata vitalità delle cellule staminali e un’elevata attività osteogenica. Questo risultato suggerisce che è possibile migliorare la qualità della superficie senza rinunciare ai vantaggi biologici offerti dalle strutture porose.
Questa ricerca fornisce un quadro di riferimento per la progettazione di impianti le cui proprietà possono essere controllate attraverso la scelta della lega, della geometria reticolare, della porosità e del trattamento superficiale.
Portare un progetto di questo tipo dal laboratorio all’anca di un paziente è però un percorso lungo. Il passo successivo consiste nel testare la protesi totale d’anca in condizioni di carico realistiche. Successivamente, il percorso prevede tutte le fasi che ogni impianto deve superare prima di poter arrivare in sala operatoria: studi in vivo su modelli animali, seguiti da studi clinici sull’uomo per verificarne sicurezza ed efficacia e, infine, l’approvazione da parte delle autorità regolatorie e il passaggio a una produzione di massa affidabile e standardizzata.
In futuro, anche l’imaging medico potrebbe contribuire alla realizzazione di impianti personalizzati, adattati all’anatomia e alla qualità dell’osso di ciascun paziente.
L’obiettivo più ampio è chiaro: invece di chiedere al corpo di adattarsi a un impianto metallico rigido, gli ingegneri possono progettare l’impianto affinché si comporti in modo più simile all’osso.
