Simulare il comportamento dei dischi intervertebrali

La spina dorsale, o colonna vertebrale, è costituita da vertebre ossee interconnesse separate da dischi intervertebrali fibrosi spugnosi con nuclei di gel che svolgono un ruolo importante rispetto a benessere e funzionalità: essi assorbono fino a nove volte il peso corporeo durante l’attività fisica intensa, permettendo contemporaneamente la flessibilità necessaria ai movimenti quotidiani.

La lesione acuta e la degenerazione legata all’invecchiamento dei dischi intervertebrali causano la perdità dell’integrità della parte esterna fibrosa del disco (anello fibroso). La guarigione è lenta, perchè il sistema dei dischi è la più grande struttura avascolare (senza fornitura di sangue) del corpo umano. Un nuovo modello, sviluppato dal progetto DISCSIM (“Multi-scale biomechanical modelling and simulation of the intervertebral disc”) con il supporto dell’UE, sta fornendo informazioni sul comportamento dei dischi in salute e malattia, e promette trattamenti migliori per i milioni afflitti dalla degenerazione dei dischi.

Per ottenere informazioni microscopiche dettagliate sulla struttura dei dischi; sono stati incorporati in vari mezzi campioniprelevati dalla coda di manzi o dalla colonna vertebrale umana, e si sono tagliate delle sezioni con una fresatrice. Allo stesso tempo due microscopi montati sulla fresatrice catturavano le immagini a ogni livello. I campioni sono stati sottoposti anche a test micromeccanici. È in corso l’ottimizzazione del dispositivo di fissazione, ma nel frattempo sono stati raccolti i dati per fornire le proprietà elastiche a livello dei tessuti dell’osso di manzo, per modelli computazionali dei singoli dischi intervertebrali.

Sulla base dei dati sperimentali, i ricercatori hanno sviluppato un modello computazionale multiscala del disco intervertebrale all’interno del pacchetto software di analisi a element finiti ABAQUS, disponibile sul mercato.i Si tratta del primo modello a includere sezionamento, taglio e separazione interlamellare. La sollecitazione da taglio è stata coinvolta come un potenziale fattore scatenante del cedimento dell’anello fibroso del disco intervertebrale. La rottura dell’anello fibroso può causare la protrusione del nucleo interno gelatinoso, anche detta ernia del disco. Il modello è stato convalidato rispetto ai dati di compressione dai dischi intervertebrali di coda di manzo.

L’esplorazione del parametro spaziale del modello DISCSIM ha portato a una migliore comprensione della biomeccanica del disco, che potrebbe contribuire ad alleviare il carico socioeconomico delle patologie associate al disco. Il modello porterà benefici a scienziati, medici clinici e infine ai pazienti nell’ambito di scoliosi, dolore alla schiena e degenerazione del disco.