Disco intervertebrale 1
Colonna vertebrale La colonna vertebrale, o spina dorsale,è costituita da un'alternanza di vertebre ossee e di dischi fibrocartilaginei,intimamente connessi per mezzo di robusti legamenti, sorretti da forti masse muscolari. Vi sono trentatré vertebre: sette cervicali, dodici toraciche, cinque lombari, cinque sacrali e quattro coccigee. Nell'adulto si considera la colonna vertebrale composta da ventiquattro vertebre mobili, perché le vertebre sacrali e coccigee sono generalmente fuse, formando rispettivamente il sacro e il coccige. 2
Struttura della colonna vertebrale 3
Vertebra tipica Una vertebra tipica consiste di un corpo anteriore, più o meno cilindrico, e di un arco posteriore, composto da due peduncoli e due lamine, queste ultime unite posteriormente a formare il processo spinoso. I processi spinosi variano di forma, dimensione e direzione nelle varie regioni della colonna vertebrale. Sono i punti di riferimento per la palpazione statica e dinamica della colonna. Vertebre adiacenti hanno una minima mobilità reciproca, ma la somma di tali movimenti conferisce un considerevole margine di mobilità alla colonna vertebrale considerata nel suo insieme. 4
Vertebre 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. 5
Disco intervertebrale Il 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. 6
Disco Intervertebrale Naturale Nucleo polposo: è costituito da un network di fibre di collagene in un gel di mucoproteine, ricco di polisaccaridi 1. 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. 7
Biomeccanica del rachide E una complessa struttura ossea, disco-legamentosa e muscolare che unisce in sés caratteristiche peculiari contrapposte come la STABILITA e la MOTILITA.Sono due concetti che non troverebbero un comune denominatore, ma che invece nella colonna vertebrale coesistono. E ciò è reso possibile dalla sovrapposizione di elementi ossei (le vertebre) e strutture visco- elastiche (i dischi intervertebrali) amalgamati e controllati da legamenti e muscoli. 8
Estensione Nell'estensione del busto la vertebra sovrastante scivola leggermente indietro sulla sottostante provocando un aumento di pressione a livello della zona posteriore del disco intervertebrale; questo provoca un aumento di pressione del nucleo polposo del disco nel senso opposto a quello dell'estensione. La zona centrale del segmento vertebrale viene messa in compressione, le apofisi articolari tendono ad avvicinarsi tra loro. 9
Flessione Nella flessione del busto in avanti la vertebra sovrastante scivola leggermente in avanti sulla sottostante provocando un aumento di pressione a livello della zona anteriore (3) del disco intervertebrale; questo provoca un aumento di pressione del nucleo polposo del disco nel senso opposto a quello della flessione. La zona centrale del segmento vertebrale (2) viene messa in trazione, le apofisi articolari tendono ad allontanarsi tra loro, i legamenti di questa zona frenano il movimento di flessione. La zona posteriore (1) viene messa in trazione, le apofisi spinose si allontanano tra loro, i muscoli e i legamenti di questa zona frenano e guidano il movimento di flessione. 10
Lateroflessione Nella lateroflessione del busto la vertebra sovrastante si inclina leggermente dalla parte della lateroflessione sulla vertebra sottostante provocando un aumento di pressione sul disco intervertebrale dalla parte della lateroflessione; ; questo provoca un aumento di pressione del nucleo polposo del disco dalla parte opposta alla lateroflessione. 11
Ripartizione 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. 12
Carichi sopportati Per avere un idea delle pressioni che subisce il rachide, sono stati riportati i carichi agenti sui dischi lombari in relazione alle posture e movimenti che assumiamo ed eseguiamo ogni giorno. 13
Risposta meccanica del disco intervertebrale ad una 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. Hiltner,, E. Baer, The response of the hierarchical structure of the intervertebral disc to uniaxial compression. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 1 (1990) 69-80. 14
Compressive modulus [MPa] Cervical Thoracic Thoracic Lumbar Lumbar Proprietà di dischi naturali canini Maximum StresséMPa] [MPa] Cervical Thoracic Thoracic Lumbar Lumbar (1) J. J. Cassidy, A. Hiltner,, E. Baer, The response of the hierarchical structure of the intervertebral disc to uniaxial compression. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 1 (1990) 69-80. 15
Prova di Creep / Recovery su disco intervertebrale Condizioni di prova Creep stress: 2 MPa per 3 ore. Tempo di recovery: 18 ore. Recovery-stress: 0.05 MPa. T=37 C Strain [mm/mm] 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 Creep-recovery Behaviour PorcineIntervertebral Disc L4 L3 L5 0.1 0.05 0 0 1 10 4 2 10 4 3 10 4 4 10 4 5 10 4 6 10 4 7 10 4 Time [sec] 16
Frattura I segmenti più rigidi, sono maggiormente soggetti a fratture se sottoposti a eccessive sollecitazioni. 17
Ernia Classificazione: ERNIA PROTRUSA o contenuta, non ha ancora superato la barriera posteriore costituita dal legamento longitudinale posteriore. ERNIA ESPULSA: il nucleo polposo lacera il legamento longitudinale posteriore, fuoriesce impegnandosi nel forame di coniugazione, pur mantenendo un rapporto di continuità con la sua porzione centrale. ERNIA MIGRATA: : la porzione di nucleo polposo erniata si è staccata dalla porzione centrale impegnandosi nel forame di coniugazione. 18
Vertebroplastica La vertebroplastica consiste nell'iniettare per via percutanea nel corpo vertebrale una sostanza cementante atta a consolidare la vertebra stessa. 19
Chifoplastica 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. 20
Cages Le gabbiette (Cages in inglese) intersomatiche sono piccole protesi cilindriche o quadrangolari,, in genere a base di titanio,, cave nel loro interno e con multipli fori nella parete. Vengono riempite con materiale osseo od osteoinducente e vengono inserite o avvitate nello spazio discale, in caso di instabilità vertebrale o di spondilistesi o al termine di un intervento per ernia del disco. 21
Spaziatori Queste protesi sono sempre più utilizzate in chirurgia vertebro-midollare midollare; ; le più semplici sono costituite da semplici spaziatori che si interpongono tra due corpi vertebrali per restituire lo spazio occupato dal disco intervertebrale rimosso (possono essere cervicali o lombari e ne esistono di forme e materiali molteplici); quelle più complesse, oltre a mantenere lo spazio tra le due vertebre, ne consentono anche il movimento reciproco (protesi dinamiche). 22
Discectomia E un intervento a cielo aperto nel quale si introduce una grossa cannula attraverso un piccolo taglio cutaneo (1cm.) sino al disco interessato dall ernia ernia. Nella cannula vengono fatti passare una fibra ottica collegata ad un sistema esterno telecamera-monitor monitor e strumenti per rimuovere l ernia.. Il tutto viene effettuato sotto controllo radioscopico e televisivo.. Il vantaggio rispetto alla microchirurgia é una riduzione marcata dell apertura e del trauma muscolare. 23
Protesi di Hedman Hedman diede origine ad un modello caratterizzato da due molle a spirale poste tra i piatti con una cerniera posteriore che permetteva estensione e flessione 24
Protesi di Lee e Parsons Il disco di Lee e Parsons era caratterizzato da un core centrale di soffice elastomero e strati piani di fibre con specifica orientazione alterna delle stesse. Disposte in un numero da 6 a 15 lamine, poste in un secondo elastomero; ; due endplates rigidi in materiale elastomerico, metallico o in idrossiapatite, limitavono superiormente e inferiormente il tutto 25
Protesi Link SB Charitè Il modello presenta due endplates concavi, realizzati in una lega di cobalto e cromo e caratterizzato da arpioni o denti, che consentono il fissaggio al corpo vertebrale senza cemento. Tra i due corpi vertebrali spicca la presenza di un corpo ovale biconvesso in polietilene 26
Protesi di Steffee Tale modello consiste in un core di gomma poliolefinica vulcanizzata a due piatti di titanio; il fissaggio era possibile tramite un rivestimento poroso,che promuoveva la crescita verso l interno del tessuto,, e quattro puntelli a forma di cono, che si estendevano nel corpo vertebrale 27
DIAM Il DIAM (Dispositivo( Interspinoso Ammortizzante) è un cuscinetto elastico a forma di X di dimensioni variabili (altezze disponibili: 8, 12, 14 mm), costituito da un corpo di silicone e da una camicia esterna di polietilene. 28
Sostituti 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. 29
Nucleo di Bao ed Higham 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 30
PROTESI IN COMPOSITO Riprodurre la struttura naturale ed il complesso ambiente biomeccanico del disco intervertebrale Analisi del sistema naturale: Architettura e morfologia Proprietà Modello proposto: Funzioni Scelta e analisi dei materiali Progettazione del composito Caratterizzazione strutturale 31
Modello biomimetico Idrogelo Composite composito Hydrogel Hydrogel Idrogelo 45 65 ϑ Idrogelo PHEMA Idrogelo composito Matrice di PHEMA/ Fibre di PET con angolo di inclinazione da 45 a 65 32