disco intervertebrale - ingegneria biomedica · messa in trazione, le apofisi spinose si...

Disco Intervertebrale

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Disco intervertebrale


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Colonna vertebraleColonna vertebrale

�� La colonna vertebrale, o spina La colonna vertebrale, o spina dorsale,dorsale,èè costituita da un'alternanza costituita da un'alternanza di vertebre ossee e di dischi di vertebre ossee e di dischi fibrocartilagineifibrocartilaginei,intimamente ,intimamente connessi per mezzo di robusti connessi per mezzo di robusti legamenti, sorretti da forti masse legamenti, sorretti da forti masse muscolari.muscolari.

�� Vi sono trentatrVi sono trentatréé vertebre: sette vertebre: sette cervicali, dodici toraciche, cinque cervicali, dodici toraciche, cinque lombari, cinque sacrali e quattro lombari, cinque sacrali e quattro coccigee. Nell'adulto si considera coccigee. Nell'adulto si considera la colonna vertebrale composta da la colonna vertebrale composta da ventiquattro vertebre mobili, ventiquattro vertebre mobili, perchperchéé le vertebre sacrali e le vertebre sacrali e coccigee sono generalmente fuse, coccigee sono generalmente fuse, formando rispettivamente il sacro e formando rispettivamente il sacro e il coccige.il coccige.


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Struttura della colonna Struttura della colonna

vertebralevertebrale


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Vertebra tipicaVertebra tipica�� Una vertebra tipica consiste di un Una vertebra tipica consiste di un

corpo anteriore, picorpo anteriore, piùù o meno o meno cilindrico, e di un arco posteriore, cilindrico, e di un arco posteriore, composto da due peduncoli e due composto da due peduncoli e due lamine, queste ultime unite lamine, queste ultime unite posteriormente a formare il posteriormente a formare il processo spinoso. I processi spinosi processo spinoso. I processi spinosi variano di forma, dimensione e variano di forma, dimensione e direzione nelle varie regioni della direzione nelle varie regioni della colonna vertebrale. Sono i punti di colonna vertebrale. Sono i punti di riferimento per la palpazione riferimento per la palpazione statica e dinamica della colonna.statica e dinamica della colonna.

�� Vertebre adiacenti hanno una Vertebre adiacenti hanno una minima mobilitminima mobilitàà reciproca, ma la reciproca, ma la somma di tali movimenti somma di tali movimenti conferisce un considerevole conferisce un considerevole margine di mobilitmargine di mobilitàà alla colonna alla colonna vertebrale considerata nel suo vertebrale considerata nel suo insiemeinsieme..


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Vertebre cervicaliVertebre cervicali

Le prime due vertebre cervicali con le loro particolari caratteristiche, formano

il complesso articolare più delicato e vulnerabile del corpo umano. Devono

proteggere il primo passaggio tra cervello e midollo spinale e permettere

l'enorme mobilità della testa. Inoltre l'atlante è molto importante perché,

essendo il primo meccanismo di difesa, compensa l'insorgere di qualsiasi

evento che possa danneggiare l'equilibrio del corpo.


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Disco intervertebraleDisco intervertebraleIl disco intervertebrale è una

fibrocartilagine composta da una parte

periferica a struttura lamellare, annulus

fibroso, ed una parte centrale, nucleo

polposo. L'annulus fibroso è composto

da acqua, macromolecole

glicoproteiche (proteoglicani) e

collagene. E' formato da strati

concentrici di lamelle di tessuto

fibroso.


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Disco Intervertebrale NaturaleDisco Intervertebrale Naturale

� Nucleo polposo: è costituito da

un network di fibre di collagene

in un gel di mucoproteine, ricco

di polisaccaridi1.

� Anello fibroso: è composto da fibre

di collagene orientate secondo piani

inclinati da 45°a 65°.

� Endplate: è la barriera cartilaginea

che separa le vertebre dal disco.


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Biomeccanica del rachideBiomeccanica del rachide�� EE’’ una complessa struttura ossea, una complessa struttura ossea,

discodisco--legamentosalegamentosa e muscolare che e muscolare che unisce in sunisce in séé caratteristiche peculiari caratteristiche peculiari contrapposte come la STABILITAcontrapposte come la STABILITA’’e la MOTILITAe la MOTILITA’’.Sono due concetti .Sono due concetti che non troverebbero un comune che non troverebbero un comune denominatore, ma che invece nella denominatore, ma che invece nella colonna vertebrale coesistono. E colonna vertebrale coesistono. E ciò ciò èè reso possibile dalla reso possibile dalla sovrapposizione di elementi ossei sovrapposizione di elementi ossei (le vertebre) e strutture visco(le vertebre) e strutture visco--elastiche (i dischi intervertebrali) elastiche (i dischi intervertebrali) amalgamati e controllati da amalgamati e controllati da legamenti e muscoli.legamenti e muscoli.


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EstensioneEstensione

�� Nell'estensione del busto la Nell'estensione del busto la

vertebra sovrastante scivola vertebra sovrastante scivola

leggermente indietro sulla leggermente indietro sulla

sottostante provocando un aumento sottostante provocando un aumento

di pressione a livello della zona di pressione a livello della zona

posteriore del disco intervertebrale; posteriore del disco intervertebrale;

questo provoca un aumento di questo provoca un aumento di

pressione del nucleo polposo del pressione del nucleo polposo del

disco nel senso opposto a quello disco nel senso opposto a quello

dell'estensione. La zona centrale dell'estensione. La zona centrale

del segmento vertebrale viene del segmento vertebrale viene

messa in compressione, le apofisi messa in compressione, le apofisi

articolari tendono ad avvicinarsi tra articolari tendono ad avvicinarsi tra

loro.loro.


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FlessioneFlessione

�� Nella flessione del busto in avanti la Nella flessione del busto in avanti la vertebra sovrastante scivola vertebra sovrastante scivola leggermente in avanti sulla sottostante leggermente in avanti sulla sottostante provocando un aumento di pressione a provocando un aumento di pressione a livello della zona anteriore (3) del disco livello della zona anteriore (3) del disco intervertebrale; questo provoca un intervertebrale; questo provoca un aumento di pressione del nucleo aumento di pressione del nucleo polposo del disco nel senso opposto a polposo del disco nel senso opposto a quello della flessione.quello della flessione.La zona centrale del segmento La zona centrale del segmento vertebrale (2) viene messa in trazione, vertebrale (2) viene messa in trazione, le apofisi articolari tendono ad le apofisi articolari tendono ad allontanarsi tra loro, i legamenti di allontanarsi tra loro, i legamenti di questa zona frenano il movimento di questa zona frenano il movimento di flessione. La zona posteriore (1) viene flessione. La zona posteriore (1) viene messa in trazione, le apofisi spinose si messa in trazione, le apofisi spinose si allontanano tra loro, i muscoli e i allontanano tra loro, i muscoli e i legamenti di questa zona frenano e legamenti di questa zona frenano e guidano il movimento di flessione. guidano il movimento di flessione.


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LateroflessioneLateroflessione

�� Nella Nella lateroflessionelateroflessione del del busto la vertebra sovrastante busto la vertebra sovrastante si inclina leggermente dalla si inclina leggermente dalla parte della parte della lateroflessionelateroflessionesulla vertebra sottostante sulla vertebra sottostante provocando un aumento di provocando un aumento di pressione sul disco pressione sul disco intervertebrale dalla parte intervertebrale dalla parte della della lateroflessionelateroflessione; questo ; questo provoca un aumento di provoca un aumento di pressione del nucleo polposo pressione del nucleo polposo del disco dalla parte opposta del disco dalla parte opposta

alla alla lateroflessionelateroflessione..


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Ripartizione dei carichiRipartizione dei carichi

Per meglio comprendere la capacità del disco di sopportare i

carichi a cui è sottoposto, è riportata la ricostruzione 3d in cui si

evidenziano l'orientamento delle fibre dell'annulus e le deformazioni

che avvengono nel disco durante il semplice movimento e durante il

carico.


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Carichi sopportatiCarichi sopportati

�� Per avere unPer avere un’’idea delle idea delle pressioni che subisce il pressioni che subisce il rachide, sono stati rachide, sono stati riportati i carichi agenti riportati i carichi agenti sui dischi lombari in sui dischi lombari in relazione alle posture e relazione alle posture e movimenti che movimenti che assumiamo ed assumiamo ed eseguiamo ogni giorno.eseguiamo ogni giorno.


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Risposta meccanica del disco intervertebrale ad Risposta meccanica del disco intervertebrale ad una compressione uniassialeuna compressione uniassiale

Curva ad S

Toe region

(fino a 0.1 strain)

Regione lineare

( da 0.1 a 0.2 strain)

Rottura

(mode I, mode II)

(1) J. J. Cassidy, A. (1) J. J. Cassidy, A. (1) J. J. Cassidy, A. (1) J. J. Cassidy, A. HiltnerHiltnerHiltnerHiltner, E. Baer, , E. Baer, , E. Baer, , E. Baer, The response of the hierarchical structure of the The response of the hierarchical structure of the The response of the hierarchical structure of the The response of the hierarchical structure of the intervertebralintervertebralintervertebralintervertebral disc to disc to disc to disc to uniaxialuniaxialuniaxialuniaxial compressioncompressioncompressioncompression. . . .

Journal of Materials Science: Materials in Medicine 1 (1990) 69Journal of Materials Science: Materials in Medicine 1 (1990) 69Journal of Materials Science: Materials in Medicine 1 (1990) 69Journal of Materials Science: Materials in Medicine 1 (1990) 69----80.80.80.80.


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Com

pre

ssiv

em

od

ulu

s[M

Pa

]

Cervical ThoracicThoracic

Lumbar Lumbar

Ma

xim

um

Str

essé

MP

a] [M

Pa

]

Cervical ThoracicThoracic

Lumbar Lumbar

Proprietà

di dischi naturali canini

(1) J. J. Cassidy, A. (1) J. J. Cassidy, A. (1) J. J. Cassidy, A. (1) J. J. Cassidy, A. HiltnerHiltnerHiltnerHiltner, E. Baer, , E. Baer, , E. Baer, , E. Baer, The response of the hierarchical structure of the intervertebralThe response of the hierarchical structure of the intervertebralThe response of the hierarchical structure of the intervertebralThe response of the hierarchical structure of the intervertebral disc to disc to disc to disc to uniaxialuniaxialuniaxialuniaxial compressioncompressioncompressioncompression. . . .

Journal of Materials Science: Materials in Medicine 1 (1990) 69Journal of Materials Science: Materials in Medicine 1 (1990) 69Journal of Materials Science: Materials in Medicine 1 (1990) 69Journal of Materials Science: Materials in Medicine 1 (1990) 69----80.80.80.80.


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0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 1 104

2 104

3 104

4 104

5 104

6 104

7 104

Creep-recovery Behaviour

PorcineIntervertebral DiscL4

L3

L5

Str

ain

[m

m/m

m]

Time [sec]

Prova di Creep / Recovery su disco

intervertebrale

� Creep stress: 2 MPa per 3 ore.

� Tempo di recovery: 18 ore.

� Recovery-stress: 0.05 MPa.

� T=37°C

Condizioni di prova


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FratturaFrattura

�� I segmenti piI segmenti piùù rigidi, rigidi,

sono maggiormente sono maggiormente

soggetti a fratture se soggetti a fratture se

sottoposti a sottoposti a

eccessive eccessive

sollecitazioni.sollecitazioni.


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ErniaErnia

Classificazione: Classificazione:

�� ERNIA PROTRUSAERNIA PROTRUSA o contenuta, o contenuta, non ha ancora superato la non ha ancora superato la barriera posteriore costituita dal barriera posteriore costituita dal legamento longitudinale legamento longitudinale posteriore.posteriore.

�� ERNIA ESPULSA:ERNIA ESPULSA: il nucleo il nucleo polposo lacera il legamento polposo lacera il legamento longitudinale posteriore, longitudinale posteriore, fuoriesce impegnandosi nel fuoriesce impegnandosi nel forameforame di coniugazione, pur di coniugazione, pur mantenendo un rapporto di mantenendo un rapporto di continuitcontinuitàà con la sua porzione con la sua porzione centrale. centrale.

�� ERNIA MIGRATAERNIA MIGRATA: la porzione di : la porzione di nucleo polposo nucleo polposo erniataerniata si si èèstaccata dalla porzione centrale staccata dalla porzione centrale impegnandosi nel impegnandosi nel forameforame di di coniugazione.coniugazione.


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VertebroplasticaVertebroplastica

La vertebroplastica consiste nell'iniettare per via percutanea nelcorpo vertebrale una sostanza cementante atta a consolidare la

vertebra stessa.


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ChifoplasticaChifoplastica

Attraverso la cannula viene introdotto un palloncino di plastica che, una volta

gonfiato, determina una correzione del crollo del corpo vertebrale, ristabilendone

in parte l'altezza normale. Il palloncino viene poi svuotato e ritirato e nello

spazio, che ha creato all'interno del corpo, viene introdotta, per la stessa via, una

sostanza di riempimento, inizialmente, fluida, che però solidifica in breve tempo

divenenedo dura quanto l'osso. Così si è ottenuta una stabile correzione della

frattura.


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CagesCages

�� Le Le gabbiettegabbiette (Cages in (Cages in ingleseinglese) ) intersomaticheintersomatiche sonosonopiccolepiccole protesiprotesi cilindrichecilindriche o o quadrangolariquadrangolari, in , in generegenere a a base base didi titaniotitanio, cave , cave nelnel lorolorointernointerno e con e con multiplimultipli foriforinellanella pareteparete..

�� VengonoVengono riempiteriempite con con materialemateriale osseoosseo ooddosteoinducenteosteoinducente e e vengonovengonoinseriteinserite o o avvitateavvitate nellonellospaziospazio discalediscale, , in in casocaso didiinstabilitinstabilitàà vertebralevertebrale o o didispondilistesispondilistesi o al o al terminetermine didiun un interventointervento per per erniaernia del del discodisco..


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SpaziatoriSpaziatori�� Queste protesi sono sempre Queste protesi sono sempre

pipiùù utilizzate in chirurgia utilizzate in chirurgia vertebrovertebro--midollaremidollare; le pi; le piùùsemplici sono costituite da semplici sono costituite da semplici spaziatori che si semplici spaziatori che si interpongono tra due corpi interpongono tra due corpi vertebrali per restituire lo vertebrali per restituire lo spazio occupato dal disco spazio occupato dal disco intervertebrale rimosso intervertebrale rimosso (possono(possono essere cervicali o essere cervicali o lombari e ne esistono di lombari e ne esistono di forme e materiali molteplici); forme e materiali molteplici); quelle piquelle piùù complesse, oltre a complesse, oltre a mantenere lo spazio tra le mantenere lo spazio tra le due vertebre,due vertebre, ne ne consentono anche il consentono anche il movimento reciproco (protesi movimento reciproco (protesi dinamiche).dinamiche).


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DiscectomiaDiscectomia

EE’’ un un interventointervento a a cielocielo apertoaperto nelnelqualequale sisi introduce introduce unauna grossagrossacannulacannula attraversoattraverso un piccolo un piccolo tagliotaglio cutaneocutaneo (1cm.) (1cm.) sinosino al al disco disco interessatointeressato dalldall’’erniaernia. . NellaNella cannulacannula vengonovengono fattifattipassarepassare unauna fibrafibra otticaotticacollegatacollegata ad un ad un sistemasistema esternoesternotelecameratelecamera--monitor e monitor e strumentistrumentiper per rimuovererimuovere ll’’erniaernia. Il . Il tuttotuttovieneviene effettuatoeffettuato sotto sotto controllocontrolloradioscopicoradioscopico e e televisivotelevisivo. Il . Il vantaggiovantaggio rispettorispetto allaallamicrochirurgiamicrochirurgia éé unauna riduzioneriduzionemarcatamarcata delldell’’aperturaapertura e del e del trauma trauma muscolaremuscolare..


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ProtesiProtesi didi HedmanHedman

�� HedmanHedman diedediede origineoriginead un ad un modellomodellocaratterizzatocaratterizzato dada due due mollemolle a a spiralespirale posteposte tratrai i piattipiatti con con unauna cernieracernieraposterioreposteriore chechepermettevapermetteva estensioneestensionee e flessioneflessione


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ProtesiProtesi didi Lee e ParsonsLee e Parsons

�� Il disco Il disco didi Lee e Parsons era Lee e Parsons era caratterizzatocaratterizzato dada un core un core centralecentrale didi sofficesofficeelastomeroelastomero e e stratistrati pianipiani didifibre con fibre con specificaspecificaorientazioneorientazione alternaalterna delledellestessestesse. . DisposteDisposte in un in un numeronumero dada 6 a 15 6 a 15 laminelamine, , posteposte in un in un secondosecondoelastomeroelastomero; due endplates ; due endplates rigidirigidi in in materialematerialeelastomericoelastomerico, , metallicometallico o in o in idrossiapatiteidrossiapatite, , limitavonolimitavonosuperiormentesuperiormente e e

inferiormenteinferiormente ilil tuttotutto


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ProtesiProtesi Link SB Link SB CharitCharitèè

�� Il Il modellomodello presentapresenta due due endplatesendplates concaviconcavi,,realizzatirealizzati in in unauna legalega didicobaltocobalto e e cromocromo e e caratterizzatocaratterizzato dada arpioniarpionio o ““dentidenti””, , checheconsentonoconsentono ilil fissaggiofissaggioal al corpocorpo vertebralevertebralesenzasenza cementocemento. . TraTra i i due due corpicorpi vertebralivertebralispiccaspicca la la presenzapresenza didi un un corpocorpo ovaleovale biconvessobiconvessoin in polietilenepolietilene


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ProtesiProtesi didi SteffeeSteffee

�� Tale Tale modellomodello consisteconsiste in in un core un core didi gommagommapoliolefinicapoliolefinicavulcanizzatavulcanizzata a due a due piattipiattididi titaniotitanio; ; ilil fissaggiofissaggioera era possibilepossibile tramitetramite un un rivestimentorivestimento poroso,cheporoso,chepromuovevapromuoveva la la crescitacrescitaverso verso ll’’internointerno del del tessutotessuto, e , e quattroquattropuntellipuntelli a forma a forma didi conocono, , cheche sisi estendevanoestendevano nelnelcorpocorpo vertebralevertebrale


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DIAMDIAM

�� Il DIAM (Il DIAM (DispositivoDispositivoInterspinosoInterspinosoAmmortizzanteAmmortizzante) ) èè un un cuscinettocuscinetto elasticoelastico a a forma forma didi ““XX”” dididimensionidimensioni variabilivariabili((altezzealtezze disponibilidisponibili: : 8, 12, 14 mm), 8, 12, 14 mm), costituitocostituito dada un un corpocorpo didi silicone e silicone e dadaunauna camiciacamicia esternaesternadidi polietilenepolietilene..


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Sostituti del nucleoSostituti del nucleo

Ray e Corbin hanno realizzato un dispositivo

costituito da due capsule che, all’occorrenza,

possono contenere sostanze terapeutiche da

rilasciare progressivamente. Il disco così

realizzato ripristina i normali movimenti, ma

non consente la flessione laterale. Inoltre, una

membrana semipermeabile racchiude un gel

tixotropia, quale l’acido ialuronico,

sufficientemente viscoso e con un

comportamento viscoelastico simile a quello

del nucleo. Le protesi impiantate sono

inizialmente molli e disidratate, ma una volta

inserite, grazie all’elevata igroscopicità

dell’acido ialuronico, generano un

rigonfiamento, assicurando così una buona

tenuta.


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Bao e Higham hanno

realizzato un nucleo artificiale

formato da un idrogelo con un

contenuto d’acqua del 30%

massimo che dovrebbe avere

una resistenza a compressione

superiore a 4 MPa

Nucleo di Nucleo di BaoBao ed ed HighamHigham


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Riprodurre la struttura naturale ed il complesso ambiente

biomeccanico del disco intervertebrale

Analisi del sistema naturale:

� Architettura e morfologia

� Proprietà Funzioni

Modello proposto:

� Scelta e analisi dei materiali

� Progettazione del composito

� Caratterizzazione strutturale

PROTESI IN COMPOSITOPROTESI IN COMPOSITO


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Modello Modello biomimeticobiomimetico

45°

65°

Hydrogel

Composite Hydrogel

ϑ

Idrogelo composito

Idrogelo

Idrogelo

• PHEMA

Idrogelo composito

• Matrice di PHEMA/ Fibre di PET con angolo di inclinazione

da 45° a 65°

disco intervertebrale - ingegneria biomedica · messa in trazione, le apofisi spinose si...

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