In vitro mechanical characterization of the human natural and treated vertebrae

• Main Author: Danesi, Valentina <1980>
• Other Authors: Cristofolini, Luca
• Format: Doctoral Thesis
• Language: en
• Published: Alma Mater Studiorum - Università di Bologna 2016
• Subjects: ING-IND/34 Bioingegneria industriale
• Online Access: http://amsdottorato.unibo.it/7474/

The research aim of the present thesis was to investigate the in vitro biomechanical properties of human thoraco-lumbar natural and treated vertebral body, undergo prophylactic augmentation. To overcome some limitation of the current in vitro test methods, an anatomical reference frame for human vertebrae was formally defined and validated and the effects of in vitro boundary conditions on the strain experienced by vertebral body investigated. Moreover an integrated approach, which incorporated different measurement methods (strain gauges and digital volume correlation) at different dimensional scales was adopted to investigate natural and augmented vertebrae during non-destructive and destructive testing. The effects of prophylactic augmentation were investigated for the first time through digital volume correlation, which allowed to measure the state of strain inside the vertebral body, in the injected cement, and in the bone-cement interdigitated region of vertebrae, including the elastic regime, but also the internal micro-failure mechanisms. Findings showed that augmentation is not associated to a modification of the strain magnitude but rather to a re-arrangement of the higher strain due to an alteration of the load sharing between the trabecular core and the cement region. The most critical region was the interdigitated area, where the initial microdamage gradually spread across the surrounded trabecular bone. Prophylactic augmentation increased in some vertebrae the failure force required to damage the vertebrae, conversely in other case the failure force was lower than in the controls (not-augmented). This variability of the weakening/strengthening effect of prophylactic augmentation seems to support that the effect of augmentation depends on the quality of augmentation itself (amount, localization and distribution of the injected material). It is therefore reasonable to assume that to improve the outcomes of prophylactic augmentation, more attention should be dedicated to the quality of augmentation itself. === L'obiettivo principale della tesi è la caratterizzazione biomeccanica di vertebre umani toraco-lombari naturali e sottoposte alla vertebroplastica profilattica. Per superare alcune limitazioni dei test in vitro, è stato per la prima volta definito e validato un sistema di riferimento in vitro per l'allineamento delle vertebre, ed è stato effettuato uno studio sugli effetti sulla distribuzione delle sollecitazioni al variare delle condizioni al contorno più comunemente utilizzate in letteratura. Questo studio si basa su un'approccio integrato che incorpora differenti metodi di misura delle sollecitazioni (estensimetri e digital volume correlation), utilizzati durante i test in campo elastico e a rottura. L'efficacia della vertebroplastica profilattica è stata investigata per la prima volta grazie alla Digital Volume Correlation, che permette di misurare lo stato di deformazione all'interno del corpo vertebrale a livello dell'osso trabecolare, nel cemento iniettato e all'interfaccia osso-cemento, sia in campo elastico che a rottura. Rispetto alle vertebre naturali i risultati mostrano che il trattamento non altera l'entità delle deformazioni bensì le zone di massimo stress, ciò è dovuto ad un'alterazione nella condivizione del carico tra il tessuto trabecolare e il cemento. la zona più critica si ha all'interfaccia osso-cemento, dove ha origine la frattura. In certi casi il trattamento aumenta la resistenza delle vertebre in altri casi la forza di rottura è inferiore a quella del controllo. Questa variabilità nelle prestazioni meccaniche delle vertebre aumentate dipende dalla qualità del trattamento stesso (quantità cemento, posizionamento e distribuzione).