Integrated experimental and numerical approach to the biomechanics of surgical meshes evaluating interaction phenomena with regard to abdominal wall repair

Lo scopo della presente ricerca consiste nella valutazione dei fenomeni di interazione che si vengono a creare nell’accoppiamento di mesh chirurgiche e tessuti e strutture biologiche. La valutazione della compatibilità meccanica tra tessuti e impianto rappresenta un fattore fondamentale per il buon esito dell’intervento. In quest’ottica, risulta necessaria la caratterizzazione meccanica delle mesh chirurgiche che viene condotta attraverso un approccio numerico-sperimentale integrato, in diretta correlazione con le tecniche chirurgiche. Le mesh chirurgiche hanno differente origine e possono essere classificate come sintetiche o biologiche, caratterizzate da particolari proprietà biochimiche e meccaniche e, conseguentemente, da differenti prestazioni. Le mesh biologiche sono ricavate da tessuti ricchi di collagene e possono essere di origine animale (xenograft) o umana (allograft), queste ultime sono principalmente ottenute dal sistema fasciale. Per questo motivo i tessuti fasciali vengono caratterizzati meccanicamente, valutandone il ruolo funzionale in situ in interazione con le circostanti strutture biologiche. Uno specifico modello visco-iperelastico e fibrorinforzato viene utilizzato allo scopo di interpretare il comportamento meccanico dei tessuti biologici, caratterizzati da proprietà di anisotropia, grandi deformazioni e fenomeni dipendenti dal tempo. I parametri costitutivi vengono definiti attraverso la minimizzazione di una funzione costo che esprime la differenza tra dati sperimentali e dati numerici. La tecnica di ottimizzazione, basata sull’algoritmo di ottimizzazione del Simulated Annealing, porta all’individuazione di un set di parametri costitutivi che vengono adottati nella formulazione costitutiva, successivamente implementata nel modello numerico, allo scopo di ottenere un’adeguata descrizione del comportamento meccanico del tessuto in situ. Analisi numeriche sul compartimento anteriore della gamba vengono utilizzate per lo studio della meccanica dei tessuti fasciali di questo distretto. Il compartimento anteriore è di particolare interesse clinico a causa delle diverse patologie a carico di tale regione come, ad esempio, la sindrome compartimentale. La mesh chirurgica Permacol™ viene studiata come esempio di xenograft e caratterizzata attraverso analisi sperimentale e modellazione costitutiva. Tale mesh, comunemente utilizzata nella ricostruzione della parete addominale, è ottenuta da derma suino debitamente decellularizzato e trattato al fine di ottenere cross-links. La mesh Bard® Soft viene studiata in quanto esempio di mesh sintetica leggera in polipropilene, caratterizzata da elevata porosità. L’analisi meccanica di diversi tipi di mesh è fondamentale per la definizione del modello numerico della parete addominale erniata e virtualmente riparata. La ricostruzione della geometria della regione addominale viene effettuata attraverso immagini diagnostiche (MR) e dati di letteratura. Nel testo viene specificata la formulazione costitutiva adottata per la descrizione dei diversi tessuti componenti la regione addominale. Il modello numerico permette una prima valutazione del comportamento meccanico globale della parete addominale integra in condizioni fisiologiche. Successivamente, nel modello, viene introdotta una porta erniaria di posizione e dimensioni compatibili con le evidenze cliniche. Tale difetto viene virtualmente riparato con mesh chirurgiche caratterizzate in diverso modo (biologica e sintetica). Lo scopo consiste nella valutazione dell’interazione meccanica tra mesh chirurgiche e i tessuti biologici, considerandone la compatibilità della risposta meccanica funzionale. Le analisi numeriche permettono di valutare il comportamento della parete addominale sana con quello della parete riparata confrontando i campi di tensione e deformazione di tessuti biologici e mesh chirurgica. Il modello numerico proposto fornisce una prima valutazione degli effetti, indotti dalla presenza della protesi, sul comportamento meccanico globale della parete addominale e fornisce gli strumenti per future valutazioni utili alla pianificazione chirurgica e alla configurazione della protesi. Lo studio proposto si fonda su una forte base sperimentale, essenziale per lo svolgimento delle successive analisi numeriche.