Biomeccanica e medicina in silico

Il gruppo di biomeccanica si concentra sulla biomeccanica muscolo-scheletrica, applicando gli strumenti della meccanica sperimentale. Le attività coprono sia la ricerca di base, che problemi di rilevanza clinica ed industriale in ambito ortopedico.

• Caratterizzazione multiscala dello scheletro
• Biomeccanica dell’anca
• Biomeccanica del rachide
• Validazione pre-clinica di dispostivi impiantabili
• Sviluppo, validazione e ottimizzazione di strumentario per chirurgia ortopedica e dentale
• Misura delle deformazioni all’interno delle strutture tramite Correlazione Digitale di Volume (DVC)
• Studio e caratterizzazione biomeccanica di materiali rigenerativi

Breve descrizione delle attività del settore scientifico disciplinare e principali filoni di ricerca

Il gruppo di Bioingegneria Industriale del dipartimento svolge ricerca attorno a due filoni:

• Biomeccanica dell’apparato muscoloscheletrico
• Sicurezza ed efficacia di prodotti medici

Biomeccanica dell’apparato muscoloscheletrico

Il gruppo usa metodi di ricerca in silico, ex vivo, ed in vivo per indagare come il corpo umano scambia forze internamente e con l’ambiente circostante, in particolare in presenza di patologie a carico dell’apparato muscoloscheletrico.  Le attività coprono sia la ricerca di base, che problemi di rilevanza clinica ed industriale in ambito ortopedico.  Alcuni temi specifici di ricerca:

Caratterizzazione multiscala dello scheletro
La comprensione della fisiopatologia dello scheletro in genere si concentra a livello d’organo (l’osso).  Questa ricerca mira a complementare le informazioni provenienti da scale dimensionali inferiori (tessuto) e superiori (arto, organismo), partendo dal livello d’organo.  Si studiano le caratteristiche strutturali, le distribuzioni di sollecitazione ed i meccanismi di frattura in segmenti ossei sani (di diversa età) e patologici (es. osteoporosi, metastasi).  Attenzione particolare è dedicata al rapporto forma-funzione dell’osso, ed alla sua ottimizzazione strutturale multiscala.

Biomeccanica delle fratture ossee patologiche
Studiamo con metodi sperimentali e computazionali, spesso supportati da tecniche di imaging, la resistenza meccanica delle ossa sotto condizioni di carico fisiologiche e patologiche, nonché l’effetto di malattie (ad esempio osteoporosi) o trattamenti (ad esempio impianto di una protesi) sul rischio di frattura ossea.

Predizione del rischio di frattura ossea da data TAC
Abbiamo sviluppato e validato estesamente una metodica che ci consente di predire il rischio frattura in un paziente a partire da immagini TAC.  La principale applicazione è la valutazione del rischio di frattura in pazienti osteoporotici, come guida per la selezione del trattamento. La metodica può essere adattata anche a predire il rischio di frattura in ossa lesionate da metastasi, o in pazienti affetti da diabete.

Biomeccanica dell’anca
Le attività riguardanti l’articolazione d’anca si concentrano su:

• Analisi delle deformazioni nel femore prossimale
• Analisi dell’ottimizzazione strutturale del femore
• Valutazione della stabilità di impianto di componenti femorali ed acetabolari di protesi d’anca
• Trasferimento delle sollecitazioni tra protesi ed osso

La ricerca in questo ambito si avvale di metodi sperimentali e numerici sviluppati in oltre vent’anni di attività sull’anca.  Tali attività hanno una valenza sia per la ricerca di base (migliore comprensione dei meccanismi di frattura, e delle patologie ossee) che applicativa (ottimizzazione delle protesi d’anca e dei sistemi di osteosintesi).

Biomeccanica del rachide
Le attività sul rachide si concentrano su:

• Caratteristiche meccaniche (distribuzione di deformazioni, meccanismi di frattura) delle vertebre sane e patologiche
• Comportamento biomeccanico e stabilità del rachide affetto da tumori primitivi
• Comportamento biomeccanico e stabilità del rachide affetto da metastasi vertebrali
• Studio di tecniche di rinforzo del corpo vertebrale (vertebroplastica, cifoplastica, augmentazione)
• Tecniche di trattamento di lesioni del disco intervertebrale
• Caratterizzazione di sistemi di correzione e di fissazione
• Validazione biomeccanica di materiali rigenerativi

Gli studi si avvalgono di modelli sintetici, prove su tessuti ex vivo da animale, e provini da donatore umano.

Diagnosi differenziale della dinapenia
La dinapenia è la perdita patologica di forza muscolare, un evento che spesso è dietro a eventi avversi quali le cadute nell’anziano, il fallimento delle protesi articolari, la progressiva disabilità motoria, ecc.  La perdita di forza può essere causata da perdita di massa muscolare, perdita di innervazione, o degrado del controllo motorio. Non esiste al momento una procedura strumentale che consenta la diagnosi differenziale tra queste tre cause, che richiedono trattamenti molto diversi. La nostra ricerca ha come obiettivo la realizzazione di uno strumento di diagnosi differenziale basato su risonanza magnetica, dinamometria, elettromiografia, e modelli computerizzati personalizzati

Messa a punto di tecniche di misura a tutto campo tramite Correlazione Digitale di Immagini (DIC) e Correlazione Digitale di Volume (DVC)

Abbiamo messo a punto un metodo innovativo che ci consente di misurare contemporaneamente le deformazioni sia nei tessuti ossei, che nei tessuti molli, che in dispositive impiantati. 

La correlazione digitale di volume consente di misurare spostamenti e deformazioni all’interno di strutture.  Questo progetto si svolge in collaborazione con la University of Sheffield e University of Portsmouth.

Le attività comprendono sia ricerca di base (validazione e ottimizzazione dei parametri di acquisizione ed elaborazione), che applicative (es. valutazione delle sollecitazioni in segmenti di rachide sani, patologici e trattati).

Centro di Eccellenza su HPC in Medicina Computazionale
Il progetto Europeo COMPBIOMED, che finanzia questo centro di eccellenza, vede il nostro gruppo responsabile dello sviluppo di una simulazione su larga scala della modulazione a lungo termine del rischio di frattura ossea di nuovi trattamenti farmacologici per l’osteoporosi.

Sicurezza ed efficacia di prodotti medici

STRITUVAD: Nel progetto Europeo STRITUVAD, il nostro gruppo è responsabile della valutazione della credibilità di modelli predittivi della risposta a nuovi trattamenti per la tubercolosi.

MOBILISE-D: nel progetto Europeo MOBILISE-D, il nostro gruppo è responsabile per la qualificazione regolatoria dell’uso di sensori indossabili per il monitoraggio della mobilità in studi farmacologici.

Validazione pre-clinica di dispositivi impiantabili
Il gruppo ha oltre vent’anni di esperienza nella validazione pre-clinica di dispositivi impiantabili.  Collaboriamo con chirurghi ortopedici e aziende produttrici alla revisione, validazione e ottimizzazione di protesi di tipo tradizionale ed innovativo.  

Vengono eseguite prove sia su dispositivi in sé, secondo normative ISO, ASTM ecc. ad esempio:

• Resistenza a fatica di protesi d’anca
• Resistenza statica ed a fatica di viti e placche di osteosintesi
• Resistenza meccanica di strumenti di correzione del rachide

Inoltre, eseguiamo prove funzionali dedicate, quali:

• Analisi preliminare dei possibili scenari di fallimento
• Trasferimento delle sollecitazioni dall’impianto all’osso
• Stabilità meccanica dell’impianto

Sviluppo, validazione ed ottimizzazione di strumentario e tecniche per chirurgia ortopedica ed dentale

In collaborazione con i partner clinici e le aziende, il gruppo partecipa allo sviluppo di:

• Sistemi per la misura intra-operatoria della stabilità di protesi ortopediche
• Sensori impiantabili per monitorare la stabilità protesica
• Tecniche innovative per la ricostruzione di fratture di ossa lunghe (es omero, radio, femore)

Sviluppo e caratterizzazione biomeccanica di materiali rigenerativi

Collaboriamo con aziende biomedicali italiane ed estere all’ottimizzazione e validazione di materiali per la rigenerazione ossea in campo ortopedico e maxillofacciale. Con il gruppo di elettrofilatura interno di questo Dipartimento e con il Dipartimento di Chimica (Research Group on Electrospinning) sviluppiamo scaffold elettrofilati per la rigenerazione di tessuti molli.  In particolare, abbiamo sviluppato uno scaffold con struttura gerarchica in grado di replicare la morfologia e le proprietà meccaniche di tendini e legamenti.

SPINNER Programma di specializzazione su materiali e tecniche per chirurgia spinale

SPINNER è un programma di specializzazione per giovani ricercatori in Bioingegneria che vengono formati ad occupare posizioni di design di materiali e tecniche di ultima generazione per la chirurgia spinale. SPINNER riunisce partners nell’ambito di biomateriali (Finceramica), dispositivi impiantabili (Aesculap), modellazione computazionale (Ansys, Adagos), industrie con clinici ortopedici (National Centre for Spinal Disorders, NCSD) ed esperti accademici in test di cellule, biomateriali per organi e tessuti e dispositivi medici (Universities of Sheffield e Bologna).

METASTRA è un’iniziativa innovativa, destinata a trasformare il modo in cui i medici valutano il rischio di frattura nei pazienti affetti da cancro con metastasi vertebrali. L’ambizioso progetto finanziato dal programma EU Horizon Europe “Tools and technologies for a healthy society” promette di fornire raccomandazioni terapeutiche personalizzate basate su robusti modelli computazionali e per migliorare la classificazione dei pazienti con metastasi. Il progetto METASTRA è coordinato dall'Università di Bologna, e riunisce 15 partner provenienti da diversi Stati membri europei, ricevendo un finanziamento totale di 6,7 milioni di euro nei prossimi cinque anni. Con un piano di lavoro ambizioso e visionario, il team di ricerca internazionale e multidisciplinare ambisce ad avere un impatto sostanziale sulla vita dei malati di cancro e sul sistema sanitario nel suo insieme.