Luca Cristofolini

La mia formazione originaria di ingegnere meccanico mi ha portato, durante i primi anni (Ricercatore di Progettazione Meccanica e Costruzione di Macchine) a concentrarmi sull'applicazione degli strumenti dell'Analisi Sperimentale delle Tensioni (estensimetria, fotoelasticità, meccanica della frattura) alla Biomeccanica. Ho da subito integrato i criteri del Progetto dell'Esperimento (Design of the Experiment, DOE) nei miei studi.

Oggi mi occupo di alcuni aspetti della biomeccanica ortopedica. Mi concentro soprattutto sugli aspetti sperimentali, occupandomi di prove in vitro su biomateriali, su dispositivi impiantabili, su tessuti ossei e su intere strutture ossee. Inoltre, mi occupo dello sviluppo di strumenti innovativi per assistere il chirurgo. Ho anche costruito preziose collaborazioni integrando prove sperimentali con simulazioni numeriche. L'integrazione di misure sperimentali e di simulazioni numeriche consente da un lato di validare i modelli numerici, dall'altra di usarli per complementare le misure sperimentali con analisi di sensitività, esplorando diversi possibili scenari, anche con metodi statistici. 

STUDI METODOLOGICI: SVILUPPO E OTTIMIZZAZIONE DI PROCEDURE

In tutto il mio percorso di ricerca, ho dedicato una quantità significativa di energia e di tempo alla messa a punto ed alla validazione dei metodi adottati. A mio avviso, questo è un tratto purtroppo spesso sottovalutato dell'attività sperimentale. In tutto il mio percorso scientifico, ho cercato di far precedere la parte applicativa da uno studio metodologico per ottimizzare i metodi, e dimostrarne la precisione e accuratezza. Questo passaggio è particolarmente importante per tutte quelle tematiche per le quali la metodologia non è matura.

Perciò, quando ho iniziato ad investigare lo stato di sollecitazione attorno alle protesi d'anca, ho svolto degli studi finalizzati ad ottimizzare la precisione di tali misure, a valutare l'incertezza legata all'uso dei rivestimenti fotoelastici e degli estensimetri, a valutare quali azioni muscolari dovessero venire simulate in vitro . Analogamente, quando ho intrapreso studi relativi stabilità meccanica degli impianti ortopedici, ho cercato di sviluppare metodologie alternative (e più efficaci) rispetto a quelle esistenti, sia per dispositivi non cementati, che cementati.

Inoltre, ho svolto un esteso lavoro di validazione di modelli sintetici d'osso (femore e tibia), che rendono possibili studi comparativi con maggiore ripetibilità (la rilevanza di questi due studi è dimostrata dal fatto che questi due articoli sono stati citati complessivamente quasi 100 volte).

Infine, in questo ambito ho fatto alcune indagini, con l'aiuto di colleghi statistici, per ottimizzare la struttura dell'esperimento e la dimensione campionaria applicando i criteri del Progetto dell'Esperimento (DOE) 

Questa attività metodologica non era solo finalizzata al singolo esperimento: spesso c'è stata una convergenza verso un consenso con altri Centri di Ricerca, o nella revisione di Normative Internazionali esistenti.

SVILUPPO DI STRUMENTAZIONE E SENSORI DEDICATI ALLE PROVE IN VITRO

In alcuni casi, lo stato dell'arte e la strumentazione disponibile non è adeguata ai quesiti clinici o biomeccanici posti. In tali casi, ho sviluppato (talvolta in collaborazione con colleghi) degli strumenti innovativi dedicati al problema specifico. Ad esempio:

•     Ho messo a punto una metodica originale particolarmente accurata per la misura delle deformazioni all'interno del cemento acrilico usato per fissare i dispositivi ortopedici.

•     Ho sviluppato e validato dei sensori miniaturizzati piezoelettrici finalizzati a misurare le pressioni di contatto tra il dispositivo impiantabili ed il cemento acrilico o la superficie dell'osso.

•     Ho contribuito al progetto di una cella di carico miniaturizzata a 6 componenti per la misura delle sollecitazioni trasmesse all'interno di un dispositivo di fissazione per sternotomia.

•     Ho sviluppato uno strumento per consentire la misura accurata del punto di applicazione del carico durante prove meccaniche su ossa lunghe.

SVILUPPO E VALIDAZIONE PRE-CLINICA DI DISPOSITIVI ORTOPEDICI

Nel corso di questi 15 anni, mi sono relazionato sia con chirurghi, che con aziende produttrici, occupandomi dello sviluppo e dell'ottimizzazione dei materiali e dei dispositivi impiantabili, nonché della loro validazione pre-clinica. In tale processo, ho contribuito alla verifica ed all'ottimizzazione del disegno di una ventina di dispositivi attualmente sul mercato. Le principali aree di interesse sono:

Protesi totali d'anca

Le protesi d'anca rivestono un ruolo particolare, per l'elevatissimo numero di interventi d'anca all'anno. Per questo, non stupisce se, dopo oltre quarant'anni dalla loro introduzione come routine, vi sia ancora un grande interesse. Nel corso delle mie attività, mi sono occupato inizialmente delle caratteristiche della protesi in se (resistenza a fatica in funzione del trattamento superficiale). Successivamente, mi sono concentrato sugli aspetti funzionali, quali: la stabilità primaria delle protesi non cementate; i meccanismi di forzamento dello stelo nell'osso; la stabilità a lungo termine delle protesi cementate; l'ottimizzazione del mantello di cemento per protesi cementate; l'ottimizzazione del trasferimento dei carichi per minimizzare fenomeni di stress-shielding; la valutazione delle conseguenze meccaniche del rimodellamento osseo e della formazione di uno strato di tessuto fibroso.

Protesi d'anca di rivestimento

Negli ultimi anni, le protesi d'anca di rivestimento sono oggetto di un rinnovato interesse, per la loro caratteristica di preservare la massa ossea. Di recente ho coordinato una collaborazione con una multinazionale leader nel settore, per ottimizzare un dispositivo di rivestimento. In questo studio, ho sviluppato metodi per valutare la stabilità dell'impianto. Inoltre, ho valutato sperimentalmente il meccanismo di trasferimento dei carichi e i relativi rischi di concentrazione di tensioni. Tali studi comportano un elevato grado di complessità, ed hanno visto una forte integrazione tra strumenti numerici e sperimentali .

Protesi d'anca minimamente invasive

Ai fini di ridurre le conseguenze dell'intervento chirurgico, molti produttori di protesi hanno sviluppato protesi che si prestano a interventi minimamente invasivi. Negli ultimi tre anni sono stato coinvolto, con due diverse aziende, nello studio e nell'ottimizzazione di protesi minimamente invasive. Al momento, per ragioni industriali, i risultati di tali studi non sono stati pubblicati.

Protesi di ginocchio

Negli ultimi anni ho allargato i miei interessi alle protesi di ginocchio. In tale processo, ho condotto la verifica di un dispositivo esistente sul mercato, ed alla validazione pre-clinica di una protesi di ginocchio di materiale ceramico innovativo. In tale contesto, ho verificato il rischio di mobilizzazione di entrambi i dispositivi, e ho contribuito alla verifica delle caratteristiche tribologiche. Inoltre, di recente, in collaborazione con Oxford, mi sono occupato del trasferimento dei carichi della componente protesica tibiale. Tali attività, piuttosto innovative, ha richiamato l'attenzione di vari gruppi.

Protesi tumorali

Le protesi tumorali presentano alcune particolarità (prima fra tutte, le dimensioni rilevanti) che richiedono un approccio particolare nel processo di validazione. Ho contribuito allo sviluppo di una serie di protesi tumorali interne per l'arto inferiore, verificandone l'accoppiamento con l'osso, ed i meccanismi di trasferimento del carico

Dispositivi per il rachide (protesi totali di disco)

Negli ultimi tempi sono stato coinvolto in un progetto industriale, nonché un ampio progetto di ricerca volti ad una migliore comprensione della biomeccanica del rachide in condizioni fisiologiche, patologiche, e dopo intervento chirurgico. In collaborazione con un'azienda leader europeo, ho contribuito allo studio della validazione della cinematica del tratto lombare, ed alla validazione di un dispositivo per la sostituzione del disco intervertebrale. Le attività in corso, da poco iniziate, riguardano lo studio dell'evoluzione della biomeccanica nei corpi vertebrali, e lo sviluppo e validazione di tecniche di intervento minimamente invasive. Tale studio cade nell'ambito del progetto Integrato VPH-OP finanziato dalla Comunità Europea.

Cementi per uso chirurgico

Il cemento acrilico è, in tutte le sue varianti, :uno dei materiali più diffusi in ambito ortopedico. Nel corso di questi anni mi sono trovato, sia in collaborazione con ditte produttrici, che nell'ambito di progetti Europei (SMT4-CT96-2076), a studiarne le caratteristiche meccaniche e le prestazioni nelle applicazioni più tipiche. In particolare, ho contribuito allo sviluppo di un cemento innovativo con un compromesso tra caratteristiche di radiopacità e prestazioni meccaniche, alla verifica a fatica di un cemento addittivato di antibiotico, ed ho approfondito il legame tra meccanismo di frattura e morfologia delle superfici di frattura

SVILUPPO DI STRUMENTARIO CHIRURGICO E DI ASSISTENZA ALLA CHIRURGIA  ORTOPEDICA

Parte integrante del successo di un dispositivo ortopedico è legata alla tecnica chirurgica ed allo strumentario utilizzato. Il legame stretto con l'ambiente clinico, e con numerose ditte del settore, mi ha portato a sviluppare soluzioni innovative, alcune delle quali sono state introdotte in dispostivi attualmente in uso. Ad esempio:

•     In collaborazione con il collega Angelo Cappello, ho sviluppato uno strumentario adatto ad assistere il chirurgo nel conseguimento di una stabilità primaria adeguata durante l'impianto di protesi d'anca. Una prima realizzazione del dispositivo si basava sulla misura diretta dello spostamento del dispositivo sottoposto a carico. Alcuni dettagli di questa soluzione  sono stati coperti con Brevetto Europeo. Una realizzazione successiva, concettualmente differente, si basava sull'analisi delle vibrazioni trasmesse dalla protesi all'osso.

•     Ho sviluppato una procedura per consentire al chirurgo di valutare, intra-operatoriamente, se la protesi scelta potrà conseguire una stabilità primaria adeguata.

•     Ho contribuito ad uno studio per migliorare la pianificazione pre-operatoria dell'intervento di protesi d'anca, identificando una strategia di posizionamento e di scelta ottimale della taglia dello stelo.

•     Ho evidenziato alcuni problemi relativi alla tecnica di intervento di protesi con collo modular,e che potevano causarne il danneggiamento, o il disassemblaggio.

•     Sto contribuendo ad un progetto industriale relativo ad una protesi minimamente invasiva: all'interno di tale progetto ho indicato alcune modifiche dello strumentario chirurgico.

CARATTERIZZAZIONE BIOMECCANICA DI STRUTTURE OSSEE

Il femore

In parallelo allo studio sui dispositivi, da anni conduco ricerche sulle caratteristiche delle strutture ossee, e del tessuto osseo. Ho iniziato ad occuparmi della caratterizzazione biomeccanica delle strutture ossee parecchi anni fa, costruendo un modello analitico adatto ad interpretare lo stato di deformazione nel femore prossimale. Di recente ho eseguito un'estesa campagna di misure per valutare la distribuzione dei sollecitazioni nel femore umano prossimale, con un'interessante interpretazione circa le caratteristiche anisotrope dell'osso, ed i meccanismi di rottura del collo del femore.

Agli studi sperimentali, si sono affiancate varie generazioni di modelli agli elementi finiti del femore, validati estesamente per confronto con dati sperimentali di deformazione, spostamento, carico di rottura, partendo da modelli meno sofisticati, con caratteristiche omogenee ed isotrope, fino ai modelli più evoluti in cui l'attribuzione delle caratteristiche meccaniche a ciascun elemento avviene in base a parametri TAC, con conseguente affinamento della stima delle deformazioni e del modo di rottura.

La tibia e la fibula

Di recente, ho iniziato ad occuparmi della biomeccanica della tibia e della fibula con studi di anatomia funzionale, e con misure dello stato di deformazione al variare delle condizioni di carico. Inoltre, in collaborazione con Oxford, ho contribuito allo sviluppo di modelli agli elementi finiti validati per lo studio della biomeccanica della tibia.

Tessuto osseo

Di recente ho iniziato ad occuparmi del legame tra microstruttura del tessuto osseo e le sue caratteristiche meccaniche, tramite analisi con micro-tomografia-computerizzata. Tali studi puntano all'integrazione tra dati locali (caratteristiche del tessuto) e strutturali (rigidezza, resistenza).

Rimodellamento osseo

Marginalmente, mi sono occupato della modellazione dei fenomeni di rimodellamento osseo, sia con simulazioni sperimentali, che tramite modelli agli elementi finiti, in collaborazione con il gruppo di Rik Huiskes.

Approccio multi-scala

Negli ultimi anni, a seguito dell'impulso dato all'integrazione multi-scala da alcuni progetti Europei (LHDL, VPH-OP) ho contribuito allo sviluppo di modelli multi-scala in cui le proprietà fisiche, meccaniche e strutturali alle diverse scale vengono integrate per conseguire una migliore comprensione di vari aspetti (metabolici, strutturali, biomeccanici).

Sto coordinando un progetto per il riutilizzo di materiale impiantabile (principalmente osteosintesi) rivolto a paesi del terzo mondo. Tale progetto si avvale dell'attività di volontariato di personale di ricerca dell'Istituto Rizzoli, e dell'associazione Ingegneri Senza Frontiere (ISF)