Proprietà meccaniche di una vite ad interferenza in magnesio bioassorbibile per la ricostruzione del legamento crociato anteriore in vari materiali ossei da testare

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12342 (2023) Citare questo articolo

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Le rotture del legamento crociato anteriore (ACL) influiscono negativamente sulla stabilità e sulla cinematica del ginocchio. Le viti ad interferenza (IS) vengono utilizzate per il fissaggio dell'innesto nella ricostruzione dell'ACL e forniscono una forza di fissaggio sufficiente per resistere alle attività dei pazienti durante il processo di integrazione dell'innesto nell'osso. Il magnesio è un nuovo materiale utilizzato per produrre IS grazie alla sua resistenza e bioassorbibilità. Negli studi precedenti, il design IS in magnesio selezionato ha mostrato prestazioni di fissazione migliori rispetto al design IS convenzionale grazie alla sua forma e alle condizioni della superficie. In questo studio, gli IS bioassorbibili in magnesio sono stati testati per il loro inserimento (torque di inserimento e numero di giri per implementare l'IS) e le prestazioni di fissazione (test di estrazione e dinamico). Per ottenere una valutazione iniziale affidabile delle prestazioni dell'IS, gli IS sono stati impiantati in blocchi di schiuma di poliuretano Sawbones da 15 per piede cubo (PCF), modelli di tibia biomeccanica Sawbones con 17 nuclei di schiuma PCF e tibie di cadavere umano. Tendini suini sono stati utilizzati nel test di estrazione del blocco di schiuma e corde di nylon sono state utilizzate in tutte le altre configurazioni di test per prevenire influenze del materiale stesso dell'innesto del legamento. Nel test di estrazione, l'innesto è stato sottoposto ad uno stress di trazione ad una velocità di 6 mm/min. Per la prova dinamica sono stati eseguiti 1000 cicli tra 0 e 200 N, seguiti da una prova finale di estrazione. Dopo ogni prova, è stato osservato lo schema di allargamento del tunnel misurando le proporzioni del tunnel nel sito di inserimento. Il torque di inserimento rientra nel normale torque di inserimento degli IS e nella tensione media del legamento prima dell'inserimento. Nella configurazione del blocco di schiuma, la corda di nylon ha mostrato una forza di estrazione maggiore rispetto al tendine suino. Il confronto di ciascuna configurazione utilizzando la corda di nylon sia per l'estrazione che per l'estrazione dopo il test dinamico non ha mostrato differenze significative tra il blocco di schiuma e la configurazione su cadavere. Tuttavia, tutte le configurazioni dei modelli di tibia mostrano una forza di estrazione inaspettatamente elevata a causa dell'influenza del suo strato corticale. Non sono state riscontrate differenze statisticamente significative nell'allargamento del tunnel tra le strutture con blocco di schiuma e tendine suino e tra le strutture con blocco di schiuma e corda di nylon. La resistenza all'estrazione degli IS di magnesio rientra nell'intervallo di tensione tipico dell'ACL durante le attività quotidiane. Anche se i risultati dei test degli IS al magnesio sono diversi in ciascun materiale osseo, gli IS al magnesio mostrano un'adeguata capacità di fissaggio e lavorabilità durante l'inserimento senza cedimenti del materiale.

Il legamento crociato anteriore (LCA) influenza la stabilità e la cinematica dell'articolazione del ginocchio1. Le rotture dell'ACL sono comuni2 e possono portare ad ulteriori alterazioni patologiche all'interno e intorno all'articolazione del ginocchio3. La ricostruzione intra-articolare dell'ACL con fissazione dell'innesto mediante vite ad interferenza (IS) viene eseguita di routine4,5,6 con una percentuale di successo del 75–95%3,7. In Germania, l’81% dei chirurghi ha preferito la fissazione con IS, preferibilmente con IS bioriassorbibili (60%), soprattutto per la tibia8, dove si verifica principalmente il fallimento9. Sono stati utilizzati IS permanenti metallici (ad esempio titanio) e polimerici, senza differenze significative nei risultati clinici10,11. Gli IS metallici possono causare danni all'innesto e indurre l'allargamento del tunnel3. Il materiale polimerico è più debole del metallo e può verificarsi la frattura delle viti durante l'inserimento3,12.

Il magnesio, un metallo leggero, è un'ottima alternativa ai materiali metallici standard e sono state studiate diverse caratteristiche3,13,14. La sua bioassorbibilità e biocompatibilità, abbinate all'elevata resistenza, sono vantaggiose rispetto ad altri materiali15. Inoltre, le leghe di magnesio sono state utilizzate come materiale biodegradabile alternativo per gli impianti di frattura perché le loro proprietà meccaniche (modulo di Young, rapporto di Poisson) sono simili a quelle dell'osso corticale umano16. Il magnesio mostra proprietà del materiale paragonabili all'osso e un tasso di assorbimento controllato, è radiotrasparente e produce bassi artefatti MRI, con un'adeguata forza di fissazione dell'innesto e biodegradabilità dopo l'impianto nell'uomo. Oltre alla selezione del materiale, anche i parametri di progettazione IS come il profilo del pendio e le condizioni della superficie influenzano le prestazioni IS. In uno studio precedente, il progetto IS in magnesio selezionato per questo studio ha prodotto un risultato promettente rispetto al progetto IS convenzionale, dato il profilo della pendenza e le condizioni della superficie14. Le prestazioni meccaniche del magnesio IS possono essere valutate considerando due parametri: torque di inserimento e forza di fissaggio. Il metodo di test delle prestazioni per gli IS si è avvicinato alle linee guida per i test in vitro dei legamenti crociati e per la ricostruzione dei legamenti17 ed è stato adattato dalle specifiche standard e dai metodi di test per le viti ossee mediche metalliche (ASTM F543). La forza di fissaggio viene determinata tramite un test di estrazione (test carico-rottura) e tramite un test dinamico. La prova di estrazione può essere eseguita con una velocità di tiro compresa tra 5 e 1000 mm/min17. Il test dinamico viene eseguito attraverso 1.000 cicli in grado di valutare la risposta iniziale della struttura dell'innesto IS17. Il legamento dovrebbe essere precondizionato in modo ciclico-basso carico, ad esempio, con 20 cicli compresi tra 0 e 50 N18. Tre materiali vengono comunemente utilizzati per i test IS: blocchi di schiuma di poliuretano, un modello di tibia Sawbones e ginocchia di cadavere umano3,4,19,20,21,22. A causa delle variazioni nei test in termini di design della vite, materiale osseo e configurazione del test, è difficile confrontare tutti i risultati di un test con un altro.