Acute cartilage injury represents a major clinical problem affetting patients younger and younger since competitive sport activity has become largely widespread. The so-called biological resurfacing has moved its first steps in the early 90’s with the aim to restore native cartilage and to avoid or delay the need for joint substitution. Since then, great technical and medical progress has occurred. However the target to reproducibly restore native hyaline (or even hyaline –like) cartilage with good mechanical properties has still been missed. In fact most of the cartilage we are able to regenerate is fibrocartilage, with scarce mechanical properties, which, does not guarantee long-term durability and prevention of osteoarthrosis. Therefore the efforts of the scientific community are still directed to improve the quality of the regenerated cartilage. In the last few years the possible combination of multipotent, autologous mesechimal cells and scaffolds has emerged as viable option to target hyaline cartilage regeneration. The first part of this thesis focuses on the association of a source of mesechchimal stem cells - the bone marrow concentrate - and two different scaffolds; one made of collagen and the other made of a combination of hyaluronan and polyglycolic acid. The scaffold and the cells are associated in two novel surgical techniques for cartilage repair in the knee. The outcomes of these techniques have been analysed and compared from the functional arthroscopic and histological point of view. We hypothesize that both these techniques have the potential to regenerate hyaline or hyaline-like cartilage and painless motion. Chronic joint degeneration is a major social problem since the average age of western countries is increasing year after year and so is the need to move and be active even later in life. Osteoarthritis of the knee is one of the first causes of pain and disability among the elderly people. Knee substitution (i.e. total knee replacement) aims to re-establish knee function and painless motion. In the past forty years knee prosthesis have made huge progress in terms of design improvments, material developments and clinical outcome. Even though most of the patients who have undergone a knee substitution have good or excellent results, it remains a percentage of patients scarcely satisfied because of pain, instability, tightness or failure of the implant. Therefore there is still room to improve this highly successful procedure. Among the different prosthetic designs the conforming, mobile bearing designs are the ones that guarantee low shear stress, wear and debris production and therefore maximum durabiliry of the implant. Fully conforming mobile bearing prosthetic design may be implanted both preserving and resecting the posterior cruciate ligament. The role of the posterior cruciate ligament in mobile bearing prosthesis is unclear since there are prosthetic designs which require its sacrifice and others that allow its preservation. The second part of this thesis focuses on the clinical and functional outcomes of patients who underwent total knee replacement with a mobile bearing prostetic design either with or without posterior cruciate ligament sacrifice. We hypotesize that patients with posterior cruciate ligament preservation may have better knee motion and feeling due to increased proprioception linked to the ligament retainment.

Le lesioni acute della cartilagine articolare rappresentano un importante problema clinico che coinvolge pazienti sempre più giovani, anche grazie alla sempre maggior diffusione dello sport competitivo fino dall’età adolescenziale. Le cosiddette tecniche di resurfacing biologico hanno mosso i loro primi passi nei primi anni Novanta con lo scopo di ricreare cartilagine sovrapponibile a quella nativa al fine di scongiurare o ritardare lo sviluppo dell’artrosi e dell’eventuale protesizzazione articolare. Da allora, molti progressi sono stati fatti dal punto di vista medico e tecnico. Tuttavia, l’obiettivo di rigenerare con riproducibilità cartilagine ialina o simil-ialina con caratteristiche meccaniche sovrapponibili all’originale non è ancora stato raggiunto. Infatti, gran parte della cartilagine che siamo capaci di rigenerare con le tecniche attuali è fibrocartilagine con scarse proprietà meccaniche, che non garantisce l’opportuna durata nel tempo del manto cartilagineo e non previene opportunamente lo sviluppo di artrosi. Gli sforzi della comunità scientifica sono quindi diretti a migliorare la qualità della cartilagine rigenerata. Negli ultimi anni la possibile combinazione di cellule mesenchimali staminali multipotenti e autologhe in associazione a membrane di vario genere è emersa come potenziale opzione per la rigenerazione di cartilagine ialina. La prima parte di questa tesi si concentra sullo studio dell’associazione di una fonte di cellule mesenchimali staminali – il concentrato di sangue midollare – e due differneti membrane, una collagenica e un’altra formata dalla combinazione di ialuronato ed acido poliglicolico. Le membrane ed il concentrato midollare sono state associate sviluppando due nuove tecniche chirurgiche parallele per la riparazione della cartilagine articolare del ginocchio. I risultati di queste tecniche sono stati analizzati e comparati dal punto di vista clinico, dell’aspetto artroscopico ed istologico. Abbiamo ipotizzato che entrambe queste tecniche possano avere la capacità di rigenerare cartilagine ialina o simil-ialina e possano ottenere un sovrapponibile miglioramento dei sintomi del paziente. La degenreazione della carilagine articolare, comunemente definita artrosi, è un grande problema sociale dei paesi più sviluppati in quanto concomita un progressivo allungamento della vita parallelo al desiderio di muoversi, rimanere attivi e praticare sport fino a tarda età. L’artrosi del ginocchio rappresenta nello specifico una delle prime cause di dolore e disabilità nel paziente anziano. La protesizzazione del ginocchio mira a ristabilire la funzione articolare annullando i sintomi dolorosi. Negli ultimi quaranta anni le protesi di ginocchio hanno compiuto enormi passi in avanti in termini di design protesico e sviluppo dei materiali e di conseguenza gli outcome clinici sono progressivamente migliorati. Tuttavia, anche se la maggior parte dei pazienti che hanno effettuato un impianto protesico al ginocchio hanno risultati buoni o eccellenti, esiste una percentuale di casi in cui il risultato non è brillante a causa di dolore, instabilità o viceversa rigidità e fallimento dell’impianto. Perciò rimane ancora del margine di miglioramento per quella che rappresenta già oggi una procedura con alto tasso di successo. Tra i differenti disegni protesici, le protesi conformate a piatto mobile sono quelle che dimostrano i migliori vantaggi teorici in termini di ridotto sviluppo di forze di taglio, ridotta usura e formazione di detriti e quindi potenzialmente rappresentano il disegno protesico che maggiormente garantisce durata nel tempo. Le protesi a piatto rotante, a seconda dei modelli in commercio, possono venire impiantate sia preservando che sacrificando il crociato posteriore. Il ruolo del crociato posteriore nell’economia articolare di tali modelli protesici non è perciò ancora chiaro. La seconda parte di questa tesi si focalizza sull’analisi e la comparazione di risultati clinico-funzionali di pazienti che hanno impiantato un stesso modello di protesi a piatto rotante sia con sacrificio che con mantenimento del legamento crociato posteriore. Abbiamo ipotizzato un miglior outcome clinico finale nei pazienti con crociato posterior preservato, potenzialmente legato ad un miglior mantenimento della propiocezione associata al mantenimento del crociato posteriore stesso.

Osteoarticular damage in the knee: new frontiers in joint regeneration and substitution / Enea, Davide. - (2016 Feb 25).

Osteoarticular damage in the knee: new frontiers in joint regeneration and substitution

Enea, Davide
2016-02-25

Abstract

Acute cartilage injury represents a major clinical problem affetting patients younger and younger since competitive sport activity has become largely widespread. The so-called biological resurfacing has moved its first steps in the early 90’s with the aim to restore native cartilage and to avoid or delay the need for joint substitution. Since then, great technical and medical progress has occurred. However the target to reproducibly restore native hyaline (or even hyaline –like) cartilage with good mechanical properties has still been missed. In fact most of the cartilage we are able to regenerate is fibrocartilage, with scarce mechanical properties, which, does not guarantee long-term durability and prevention of osteoarthrosis. Therefore the efforts of the scientific community are still directed to improve the quality of the regenerated cartilage. In the last few years the possible combination of multipotent, autologous mesechimal cells and scaffolds has emerged as viable option to target hyaline cartilage regeneration. The first part of this thesis focuses on the association of a source of mesechchimal stem cells - the bone marrow concentrate - and two different scaffolds; one made of collagen and the other made of a combination of hyaluronan and polyglycolic acid. The scaffold and the cells are associated in two novel surgical techniques for cartilage repair in the knee. The outcomes of these techniques have been analysed and compared from the functional arthroscopic and histological point of view. We hypothesize that both these techniques have the potential to regenerate hyaline or hyaline-like cartilage and painless motion. Chronic joint degeneration is a major social problem since the average age of western countries is increasing year after year and so is the need to move and be active even later in life. Osteoarthritis of the knee is one of the first causes of pain and disability among the elderly people. Knee substitution (i.e. total knee replacement) aims to re-establish knee function and painless motion. In the past forty years knee prosthesis have made huge progress in terms of design improvments, material developments and clinical outcome. Even though most of the patients who have undergone a knee substitution have good or excellent results, it remains a percentage of patients scarcely satisfied because of pain, instability, tightness or failure of the implant. Therefore there is still room to improve this highly successful procedure. Among the different prosthetic designs the conforming, mobile bearing designs are the ones that guarantee low shear stress, wear and debris production and therefore maximum durabiliry of the implant. Fully conforming mobile bearing prosthetic design may be implanted both preserving and resecting the posterior cruciate ligament. The role of the posterior cruciate ligament in mobile bearing prosthesis is unclear since there are prosthetic designs which require its sacrifice and others that allow its preservation. The second part of this thesis focuses on the clinical and functional outcomes of patients who underwent total knee replacement with a mobile bearing prostetic design either with or without posterior cruciate ligament sacrifice. We hypotesize that patients with posterior cruciate ligament preservation may have better knee motion and feeling due to increased proprioception linked to the ligament retainment.
25-feb-2016
Le lesioni acute della cartilagine articolare rappresentano un importante problema clinico che coinvolge pazienti sempre più giovani, anche grazie alla sempre maggior diffusione dello sport competitivo fino dall’età adolescenziale. Le cosiddette tecniche di resurfacing biologico hanno mosso i loro primi passi nei primi anni Novanta con lo scopo di ricreare cartilagine sovrapponibile a quella nativa al fine di scongiurare o ritardare lo sviluppo dell’artrosi e dell’eventuale protesizzazione articolare. Da allora, molti progressi sono stati fatti dal punto di vista medico e tecnico. Tuttavia, l’obiettivo di rigenerare con riproducibilità cartilagine ialina o simil-ialina con caratteristiche meccaniche sovrapponibili all’originale non è ancora stato raggiunto. Infatti, gran parte della cartilagine che siamo capaci di rigenerare con le tecniche attuali è fibrocartilagine con scarse proprietà meccaniche, che non garantisce l’opportuna durata nel tempo del manto cartilagineo e non previene opportunamente lo sviluppo di artrosi. Gli sforzi della comunità scientifica sono quindi diretti a migliorare la qualità della cartilagine rigenerata. Negli ultimi anni la possibile combinazione di cellule mesenchimali staminali multipotenti e autologhe in associazione a membrane di vario genere è emersa come potenziale opzione per la rigenerazione di cartilagine ialina. La prima parte di questa tesi si concentra sullo studio dell’associazione di una fonte di cellule mesenchimali staminali – il concentrato di sangue midollare – e due differneti membrane, una collagenica e un’altra formata dalla combinazione di ialuronato ed acido poliglicolico. Le membrane ed il concentrato midollare sono state associate sviluppando due nuove tecniche chirurgiche parallele per la riparazione della cartilagine articolare del ginocchio. I risultati di queste tecniche sono stati analizzati e comparati dal punto di vista clinico, dell’aspetto artroscopico ed istologico. Abbiamo ipotizzato che entrambe queste tecniche possano avere la capacità di rigenerare cartilagine ialina o simil-ialina e possano ottenere un sovrapponibile miglioramento dei sintomi del paziente. La degenreazione della carilagine articolare, comunemente definita artrosi, è un grande problema sociale dei paesi più sviluppati in quanto concomita un progressivo allungamento della vita parallelo al desiderio di muoversi, rimanere attivi e praticare sport fino a tarda età. L’artrosi del ginocchio rappresenta nello specifico una delle prime cause di dolore e disabilità nel paziente anziano. La protesizzazione del ginocchio mira a ristabilire la funzione articolare annullando i sintomi dolorosi. Negli ultimi quaranta anni le protesi di ginocchio hanno compiuto enormi passi in avanti in termini di design protesico e sviluppo dei materiali e di conseguenza gli outcome clinici sono progressivamente migliorati. Tuttavia, anche se la maggior parte dei pazienti che hanno effettuato un impianto protesico al ginocchio hanno risultati buoni o eccellenti, esiste una percentuale di casi in cui il risultato non è brillante a causa di dolore, instabilità o viceversa rigidità e fallimento dell’impianto. Perciò rimane ancora del margine di miglioramento per quella che rappresenta già oggi una procedura con alto tasso di successo. Tra i differenti disegni protesici, le protesi conformate a piatto mobile sono quelle che dimostrano i migliori vantaggi teorici in termini di ridotto sviluppo di forze di taglio, ridotta usura e formazione di detriti e quindi potenzialmente rappresentano il disegno protesico che maggiormente garantisce durata nel tempo. Le protesi a piatto rotante, a seconda dei modelli in commercio, possono venire impiantate sia preservando che sacrificando il crociato posteriore. Il ruolo del crociato posteriore nell’economia articolare di tali modelli protesici non è perciò ancora chiaro. La seconda parte di questa tesi si focalizza sull’analisi e la comparazione di risultati clinico-funzionali di pazienti che hanno impiantato un stesso modello di protesi a piatto rotante sia con sacrificio che con mantenimento del legamento crociato posteriore. Abbiamo ipotizzato un miglior outcome clinico finale nei pazienti con crociato posterior preservato, potenzialmente legato ad un miglior mantenimento della propiocezione associata al mantenimento del crociato posteriore stesso.
cartilage; regeneration; prosthesis
cartilagine; rigenerazione; protesi
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