Caratterizzazione di tessuti connettivi e materiali compositi assistita dalla luce del sincrotrone

RIB

Roberto De SantisIMCB-CNR, Istituto per i Materiali Compositi e Biomedici – Consiglio Nazionale delle Ricerche, Piazzale Tecchio 80, 80125 Napoli

Centro di Ricerca Interdipartimentale sui Biomateriali, Piazzale Tecchio 80, Napoli, Italy.Dipartimento di Ingegneria dei Materiali, Università di Ferrara, Via Saragat 1, Ferrara, Italy.Università di Napoli “Federico II”, School of Dentistry, Via Pansini 5, 80100 Napoli, Italy.Syrmep beamline del sincrotrone ELETTRA, Basovizza, Trieste, Italy.

SommarioTessuti ConnettiviProprietà MeccanicheLuce di sincrotrone•X-ray µ-CT

osso trabecolarecomplesso osso-cementoosso corticaletessuti dentalicomplesso dentina-adesivo-compositolegamenti e dischi intervertebrali sintetici

•Dual SorptionInfiltrazione Marginale

•Phase ContrastSchiume Polimeriche

Materiali Sintetici

PermanentiCementi osseiAdesivi e Compositi Dentali

Parzialmente DegradabiliTendini e LegamentiDischi intervertebrali

DegradabiliScaffolds per l’ingegneria dei tessuti

Comportamento Meccanico

Y.C. Fung. Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues, Springer, New York 1993 R. Pietrabissa, Biomateriali per protesi e organi artificiali, Patron Editore, Bologna 1996.W.F. Smith, Foundation of materials science end engineering, McGraw-Hill, New York, 1993.N.E. Dowling. Mechanical Behaviour of Materials, Prentice-Hall Int. Inc, New Jersey, 1994

Comportamento Elastico ed Elasto-PlasticoComportamento Visco-Elastico

Come si deformano i materiali

Rottura Statica e a FaticaMeccanica della Frattura

Come si rompono i materiali

Claudio De Rosa, Analisi di fenomeni di deformazione meccanica di materiali mediante luce di sincrotrone. SILS 2006, Napoli.

Misure Forze e Deformazioni

Transportable 4 axes fatigue dynamometer

Elettra, Trieste, Italy

Giuliana Tromba, Lucia Mancini, Silvia Pane, Franco Zanini

Comportamento Meccanico assistito alla Luce del Sincrotrone

SYRMEP MEDICAL BEAMLINE

I° bending magnet della sezione 6E=8-35KeV

Settimio Mobilio, Luce di sincrotrone: origine, proprietà ed applicazioni. SILS 2006, Napoli.

Micro FEM. Compressione 1%

Il modellamento e rimodellamento osseo possono essere previsti utilizzando tecniche di imaging 3D e di simulazione numerica

Conclusioni (osso trabecolare)

L’architettura in continua evoluzione si adatta alle sollecitazioni sperimentate

Le attuali conoscenze e tecnologie richiedono, tuttavia, tempi estremamente lunghi (1 secolo!) per completare un solo processo di simulazione di rimodellamento dell’osso contenuto in un organo

L’osso è una struttura dinamica

Rick Huiskes, ICMOBT First International Conference on Mechanics of Biomaterials and Tissues, Hawai, Dicembre 2005

Cattaneo PM, Dalstra M, Frich LH. A three-dimensional finite element model from computed tomography data: a semi-automated method. Proc Inst Mech Eng [H]. 2001;215(2):203-13.Lacroix D, Chateau A, Ginebra MP, Planell J. The Use of micro-Computed Tomography and micro-Finite Element Models for Bone Tissue Engineering Scaffolds. ESB 2005, Sorrento, Italy.R. De Santis, A. Gloria, D. Ronca, G. Guida, L. Nicolais, L. Ambrosio. Biomeccanica del complesso osso-cemento. SIBOT 2005, Paestum, Italy.

Conclusioni (osso trabecolare)

La microtomografia mediante luce del sincrotrone rappresenta unostrumento principe per la caratterizzazione meccanica dell’osso

trabecolare

Tale analisi è indispensabile per:•Approfondire le conoscenze biomeccaniche del tessuto naturale•Migliorare la progettazione di materiali sintetici•Sviluppare mezzi diagnostici

S. Suresh in Fatigue of materials. Cambridge Univ. Press, D.R. Clarke Ed.,Grait Britain, 1991

P

P

P

P

P

P

Modo I Modo II Modo IIINel modo I (tensile mode) la fratura è dovuta ad uno sforzo tensile, le superfici di frattura si separano nella direzione ortogonale al piano in cui si propaga la frattura; nel modo II (in-plane sliding mode) la fratura èdovuta ad uno sforzo di taglio, le superfici di frattura scorrono in direzione parallela a quella di propagazione; nel modo III (tearing mode) le superfici di frattura sono generate da uno scorrimento relativo delle superfici di frattura nella direzione parallela alle estremità principali del provino.

Meccanica della Frattura

Osso Corticale: Meccanica della Frattura

J.D. Currey, J. Microsc. Sci. 103, 11-133, 1962 W. Bonfield, J. Biomech., 9, 131-134, 1976

La struttura dell'osso presenta discontinuità che si comportano come intagli meccaniciGli spazi vascolari, ad esempio, raggiungono le dimensioni critiche che caratterizzano zone di inizio frattura intrinseche

L'aumento delle micro fratture nella struttura ossea a causa dell'affaticamento meccanico è bilanciato dai processi di

rimodellamento osseo.R.S. Lakes, J. Biomech., 10, 967-975, 1990

Il confronto tra i meccanismi di frattura in vitro dell'osso corticale umano e bovino mostrano che le micro-fratture che si organizzano nell'intorno di un intaglio ridistribuiscono gli sforzi aumentando la

tenacità del materiale.D. Vashishth,J. Biomech., 30, 763-769, 1997

In seguito all'invecchiamento i micro-danni si accumulano più rapidamente rispetto ai processi di riparazione intrinseca dell'osso e gli effetti sono la riduzione delle proprietà meccaniche e l'aumento

di fragilità.X.E. Guo, J. Biom. Engin., 120, 112-117, 1998

Perciò la frattura ossea ha maggiore incidenza nei soggetti anziani (soprattutto femminili)

A.C. Courtney, J. Biomech., 29, 1463-1471, 1996

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

C'

α

i0

4Mi

. α i

dati sperimentali

XMT

video-camera

La cedevolezza in termini adimensionali (C') è stata correlata alla profondità di frattura α servendosi dell'analisi X-ray µCT per α<0.8 e

delle immagini video per α>0.7

0

5

10

15

20

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

De Santis 2000

Charalambides 1984

Vashishth 1997

α

KI[M

Nm

–3/ 2

]

R. De Santis et al. J. of Mat.l Sc.: Mat. in Med., 10, 2000, 629-636.

Il vantaggio della geometria CNT è che la funzione stress intensity factorè dotata di minimo, mentre per le geometrie CT ed STC è strettamente

crescente

L'analisi della frattura e la determinazione del fattore di intensificazione dello sforzo (KIC) è indispensabile per individuare

i livelli critici di sforzo che l'osso può tollerare in presenza di micro-fratture

Conclusioni (osso corticale)

La possibilità di poter assistere, on line, prove meccaniche di frattura alla luce del sincrotrone offre nuovi strumenti per

approfondire le conoscenze sulle modalità di frattura del tessuto

R. O. Ritchie, ICMOBT First International Conference on Mechanics of Biomaterials and Tissues, Hawai, Dicembre 2005

Conclusioni (ricostruzione dei denti mediante compositi)

F. Mollica, R. De Santis, D. Prisco, L. Ambrosio, S. Rengo, L. Nicolais, Mechanical and leakage behaviour of the dentin-adhesive interface. J Mat Sci Mat Med, 15, 2004, 485-492.

La caratterizzazione meccanica assistita alla luce del sincrotrone rappresenta uno strumento integrato estremamente potente per valutare l’efficacia e la stabilità dell’interfaccia dentina-adesivo-composito

L’adesivo a tre step permette una migliore ritenzione meccanica rispetto agli adesivi a due step

Conclusioni (ricostruzione dei denti mediante perni endoradicolari)

La caratterizzazione meccanica assistita alla luce del sincrotrone rappresenta uno strumento integrato estremamente potente per valutare l’efficacia e la stabilità della ricostruzione del dente

mediante perni

Le informazioni 3D ricavate mediante microtomografia possono essere facilmente implementate in programmi di simulazione

numerica per determinare il comportamento del dente ricostruito

D. Prisco, R. De Santis, F. Mollica, L. Ambrosio, S. Rengo, L. Nicolais, Fiber posts adhesion to resin luting cements in the restoration of endodontically treated teeth, J. of Prosth. Dent., 28, 2003, 515-21

F. Mollica, M. Ventre, F. Sarracino, L. Ambrosio, L. Nicolais. Mechanical properties and modelling of a hydrophilic composite used as a biomaterial. Composites Science and Technology. 66;2006:92–101

R. Puxkandl, I. Zizak, O. Paris, J. Keckes, W. Tesch1, S. Bernstorff, P. Purslow, P. Fratzl. Viscoelastic properties of collagen: synchrotron radiation investigations and structural model. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B 357;2002:191–197

La caratterizzazione meccanica di tendini, di legamenti e di dischi intervertebrali diventa estremamente sofisticata e precisa

se assistita alla luce del sincrotrone

Le informazioni 3D, ricavate in maniera non distruttiva e implementate in programmi di simulazione numerica,

permettono di determinare il comportamento dei sostituti sintetici fornendo un potente strumento di progettazione

Conclusioni (Tendini, Legamenti e Disco Intervertebrale)

Stabilità dei restauri in materiale composito

L’interfaccia dentina-adesivo è la regione più delicata di un dente ricostruito

La stabilità a breve termine di un dente ricostruito è prevalentemente compromessa da difetti che fungono da concentratori dello sforzo

La stabilità a lungo termine è prevalentemente legata all’infiltrazione marginale

Conclusioni (infiltrazione marginale)

R. De Santis, F. Mollica, D. Prisco, S. Rengo, L. Ambrosio, L. Nicolais, A 3D analysis of mechanically stressed dentin-adhesive-composite interfaces using X ray micro CT, Biomaterials, 26, 2005, 257-270

La X-ray µCT insieme alla tecnica del dual sorption costituiscono un metodo esclusivo per assistere prove meccaniche di

affaticamento in vitro volte a determinare i patterns di infiltrazione marginale nel dente ricostruito

Questo protocollo integrato fornisce uno strumento efficace per valutare la bontà di materiali compositi in odontoiatria e per

sperimentare nuove progettazioni volte ad incrementare la durata dei materiali applicati

Molti materiali sintetici e tessuti biologici e soffici presentano un contrasto in assorbimento di raggi-X ad alta energia

praticamente nullo. Questi materiali, tuttavia, quando sono attraversati dai raggi X producono un significativo sfasamento del fronte d’onda della radiazione. Perciò, la tecnica di imaging

più conveniente è quella a contrasto di fase.

Tecnica del contrasto di fase per l’analisi di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti

A.Momose, T. Takeda, Y. Itai, K. Hirano. Phase-contrast X-ray computed tomography for observing biological soft tissues. Nature Medicine. 2,1996:473

AW Stevenson et al. Phase-contrast X-ray imaging with synchrotron radiation for materials science applications. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms.199,2003, 427-435

Conclusioni

La caratterizzazione meccanica di tessuti biologici e sostituti sintetici risulta notevolmente migliorata se assistita, on line, alla luce de sincrotrone.

Diverse sono le tecniche che possono essere implementate e ciascuna risulta essere maggiormente congeniale per visualizzarele deformazioni di un particolare substrato

Tale approccio integrato ha acquisito un ruolo fondamentale nelle ricerche multidisciplinari volte sia all’approfondimento delle conoscenze dei meccanismi di deformazione di tessuti e biomateriali, sia al miglioramento della qualità della vita di soggetti che richiedono l’utilizzo di sostituti tissutali

RingraziamentiGiuliana Tromba, Lucia Mancini, Silvia Pane, Franco ZaniniSyrmep beam line, Sincrotrone Elettra, Trieste

Luigi Ambrosio, Salvatore Iannace, Maurizio VentreIMCB-CNR, Napoli

Sandro Rengo, Davide Prisco, Rossana FuscoUniversità Federico II, Napoli

Paolo Netti, Ernesto Di Maio, Antonio GloriaDIMP, Università Federico II, Napoli

Francesco MollicaENDIF, Università di Ferrara, Ferrara

SkyScan, Belgio

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