La tribologia è la scienza che studia il comportamento di due superfici che interagiscono tra loro con un moto relativo. Questo termine deriva dalla parola greca "tribos" e significa "scienza della sfregamento". In particolare, la Tribologia è sostanzialmente la scienza e la tecnologia delle interazioni superficiali tra organi in moto relativo. In essa confluiscono argomenti di studio compresi in discipline diverse, quali fenomeni di attrito, teoria e tecnica della lubrificazione, studio e impiego dei lubrificanti, teorie microscopiche e macroscopiche dell’usura, studi e impiego di materiali resistenti all’usura.

In particolare, l’attrito entra in gioco nei processi produttivi ed influenza forze, potenze, in gioco, consumi e qualità dei pezzi. L’usura modifica le superfici e geometrie degli stampi e utensili determinando la costanza e qualità delle geometrie prodotte. Infine la lubrificazione nei processi produttivi è fondamentale sia nelle operazioni di lavorazione che nel funzionamento delle macchine.

Il gruppo di Fisica Medica effettua ricerche per il miglioramento delle metodiche diagnostiche in ortopedia e per l’introduzione alla pratica clinica ortopedica delle tecnologie informatiche e delle comunicazioni (ICT).  Il gruppo ha acquisito specifiche competenze nel settore delle tecniche microtomografiche per la caratterizzazione dei tessuti ossei e dei biomateriali. Partecipa inoltre a  progetti di ricerca nazionali ed internazionali nel settore del trasferimento tecnologico in ortopedia quali:

• Progetto europeo VIRTUS: per la diffusione su vasta scala di servizi di telemedicina (2001-2003);
• Progetto regionale HandHealth:  per la validazione di strumenti palmari in ambito ortopedico (2004-2006);
• Progetto di ricerca finalizzata: sviluppo e validazione di soluzioni per la computer aided medicine in ortopedia (2005-2007);
• Progetto europeo LHDL: Living Human Digital Library: per la creazione di una libreria digitale interattiva e di servizi per l'accesso a dati biomedici relativi all'apparato muscolo-scheletrico (2006-2009);
• Progetto europeo VPHOP: The Osteoporotic Virtual Physiological Human, valutazione di nuove tecnologie diagnostiche nella predizione del rischio di frattura osteoporotica (2008-2012);
• Progetto di ricerca finalizzata: Early diagnosis of pending failures of total hip arthroplasty with hard-to-hard bearings (2010-2014);
• Progetto di ricerca finalizzata: Manufacturing information of orthopedic articular prosthesis. Analysis of specific safety issues for radiotherapy, magnetic resonance, orthopedic surgery and identification of a traceability model (2012-2015).
• Progetto europeo MIMAS: Procedures allowing medical implant manufacturers to demonstrate compliance with MRI safety regulations (2018-2021)
• Progetto di ricerca finalizzata ForceLoss: differential diagnosis of force loss in fragile elders (2021-2024)
• Progetto europeo In Silico World (ISW): Lowering barriers to ubiquitous adoption of In Silico Trials (2021-2024)
• Programma Nazionale Complementare al PNRR - progetto DARE: Digital Lifelong Prevention (2022-2026)
• Progetto europeo METASTRA: Computer-Aided effective fracture risk stratification of patients with vertebral metastases for personalised treatment through robust computational models validated in clinical settings (2023-2028)

Tecniche microtomografiche per la caretterizzazione dei tessuti ossei e dei biomateriali

La microtomografia a raggi X (microCT) è una tecnica emergente per la caratterizzazione non distruttiva di piccoli campioni in vari campi della ricerca, per es. in ortopedia, in odontoiatria e nei biomateriali. Essa è basata sugli stessi principi della comune tomografia assiale computerizzata. Il sistema istallato al LTM_IOR (Skyscan 1072, Skyscan, Belgium, http://www.skyscan.be) offre un imaging ad alta risoluzione (5-20 microm/pixel) per campioni di dimensioni di 4-20 mm. Il sistema permette una visualizzazione 2D e 3D dei campioni esaminati.

Campi di impiego nel laboratorio:

• Istomorfometria ossea (per es. densità delle trabecole, spessore delle trabecole)
• Caratterizzazione dei biomateriali (per es. porosità)

Caratterizzazione dei parametri strutturali assieme alle proprietà meccaniche dell'osso trabecolare.
Un vantaggio della microCT rispetto all'istologia è che la prima è un metodo di indagine non distruttivo, che mantiene la struttura del campione intatta, permettendo prove ed analisi ulteriori (per esempio prove meccaniche). In questo modo è possibile combinare le informazioni strutturali del campione osseo esaminato mediante microCT (per es. densità e spessore trabecolare) con le proprietà meccaniche determinate sperimentalmente (per es. modulo elastico, tensione di rottura).

Pubblicazioni correlate:

• Perilli E, Baruffaldi F, Bisi MC, Cristofolini L, Cappello A. A physical phantom for the calibration of three-dimensional X-ray microtomography examination. J Microsc. 2006 May;222(Pt 2):124-34
• Perilli E, Baruffaldi F, Visentin M, Bordini B, Traina F, Cappello A, Viceconti M. MicroCT examination of human bone specimens: effects of polymethylmethacrylate embedding on structural parameters. J Microsc. 2007 Feb;225(Pt 2):192-200
• Zauli G, Rimondi E, Stea S, Baruffaldi F, Stebel M, Zerbinati C, Corallini F, Secchiero P. TRAIL inhibits osteoclastic differentiation by counteracting RANKL-dependent p27Kip1 accumulation in pre-osteoclast precursors. J Cell Physiol. 2008 Jan;214(1):117-25
• Panaroni C, Gioia R, Lupi A, Besio R, Goldstein SA, Kreider J, Leikin S, Vera JC, Mertz EL, Perilli E, Baruffaldi F, Villa I, Farina A, Casasco M, Cetta G, Rossi A, Frattini A, Marini JC, Vezzoni P, Forlino A. In utero transplantation of adult bone marrow decreases perinatal lethality and rescues the bone phenotype in the knockin murine model for classical, dominant osteogenesis imperfecta. Blood. 2009 Jul 9;114(2):459-68
• Tassani S, Ohman C, Baleani M, Baruffaldi F, Viceconti M. Anisotropy and inhomogeneity of the trabecular structure can describe the mechanical strength of osteoarthritic cancellous bone. J Biomech. 2010 Apr 19;43(6):1160-6
• Tassani S, Ohman C, Baruffaldi F, Baleani M, Viceconti M. Volume to density relation in adult human bone tissue. J Biomech. 2011 Jan 4;44(1):103-8
• Giannini C, Siliqi D, Bunk O, Beraudi A, Ladisa M, Altamura D, Stea S, Baruffaldi F. Correlative light and scanning X-ray scattering microscopy of healthy and pathologic human bone sections. Sci Rep. 2012;2:435
• Tassani S, Matsopoulos GK, Baruffaldi F. 3D identification of trabecular bone fracture zone using an automatic image registration scheme: A validation study. J Biomech. 2012 Jul 26;45(11):2035-40.
• Benasciutti E, Mariani E, Oliva L, Scolari M, Perilli E, Barras E, Milan E, Orfanelli U, Fazzalari NL, Campana L, Capobianco A, Otten L, Particelli F, Acha-Orbea H, Baruffaldi F, Faccio R, Sitia R, Reith W, Cenci S. MHC class II transactivator is an in vivo regulator of osteoclast differentiation and bone homeostasis co-opted from adaptive immunity. J Bone Miner Res. 2014 Feb;29(2):290-303
• Maffezzoni F, Maddalo M, Frara S, Mezzone M, Zorza I, Baruffaldi F, Doglietto F, Mazziotti G, Maroldi R, Giustina A. High-resolution-cone beam tomography analysis of bone microarchitecture in patients with acromegaly and radiological vertebral fractures. Endocrine. 2016 Nov;54(2):532-542. doi: 10.1007/s12020-016-1078-3. Epub 2016 Sep 6. PMID: 27601020
• Caravaggi P, Liverani E, Leardini A, Fortunato A, Belvedere C, Baruffaldi F, Fini M, Parrilli A, Mattioli-Belmonte M, Tomesani L, Pagani S. CoCr porous scaffolds manufactured via selective laser melting in orthopedics: Topographical, mechanical, and biological characterization. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2019 Oct;107(7):2343-2353. doi: 10.1002/jbm.b.34328. Epub 2019 Jan 28. PMID: 30689288
• Zaghini A, Sarli G, Barboni C, Sanapo M, Pellegrino V, Diana A, Linta N, Rambaldi J, D'Apice MR, Murdocca M, Baleani M, Baruffaldi F, Fognani R, Mecca R, Festa A, Papparella S, Paciello O, Prisco F, Capanni C, Loi M, Schena E, Lattanzi G, Squarzoni S. Long term breeding of the Lmna G609G progeric mouse: Characterization of homozygous and heterozygous models. Exp Gerontol. 2020 Feb;130:110784. doi: 10.1016/j.exger.2019.110784. Epub 2019 Nov 30. PMID: 31794853
• Baruffaldi F, Mecca R, Stea S, Beraudi A, Bordini B, Amabile M, Sudanese A, Toni A. Squeaking and other noises in patients with ceramic-on-ceramic total hip arthroplasty. Hip Int. 2020 Jul;30(4):438-445. doi: 10.1177/1120700019864233. Epub 2019 Jul 21. PMID: 31328560.

Il gruppo di Biomeccanica Sperimentale è specializzato nell'esecuzione di studi finalizzati a determinare il comportamento meccanico di dispositivi ortopedici, scaffold per applicazioni ortopediche e ricostruzioni chirurgiche di strutture del sistema muscolo-scheletrico. Gli studi possono contemplare anche la caratterizzazione meccanica di elementi anatomici del sistema muscolo-scheletrico (tessuti, organi, unità multi-tessuto).

Ove possibile, le prove sono eseguite secondo le norme internazionali pertinenti (norme ISO o ASTM). Le procedure possono essere modificate per rispondere a esigenze specifiche o disegnate e implementate appositamente per simulare specifici scenari di carico fisiologici. Nei casi in cui gli studi siano finalizzati all'ottimizzazione di tecniche chirurgiche, i disegni sperimentali sono definiti in collaborazione con i chirurghi ortopedici.

La collaborazione con il gruppo Medicina In Silico permette di sfruttare la sinergia tra le prove sperimentali e le analisi numeriche al fine di stabilire l'accuratezza delle predizioni, ovvero il livello di coerenza tra predizioni e dati sperimentali, per poi usare le predizioni dei modelli validati al fine di ridurre il numero di prove sperimentali, incrementando così l'efficienza e riducendo i costi degli studi sperimentali.

Il Registro Implantologia Protesica Ortopedica (R.I.P.O.) iniziato negli Istituti Ortopedici Rizzoli nel 1990, coinvolge tutte le Unità di Chirurgia Ortopedica presenti sul territorio regionale dell'Emilia-Romagna (4 milioni di abitanti ca.) che lo aggiornano costantemente dal Gennaio del 2000.

Al 31 Dicembre del 2023 il Registro ha raccolto dati per circa:

• 165.000 protesi totali d’anca, 54.000 protesi parziali, 22.100 revisioni
• circa 148.000 artroprotesi di ginocchio, 10.500 revisioni
• circa 13.000 protesi di spalla. 

La copertura del Registro supera il 95% degli interventi effettuati in Regione, garantendo in tal modo l'affidabilità delle analisi condotte sul database.

Le variabili registrate sono il lato di intervento, la causa di impianto o di revisione, la via di accesso chirurgica, le complicazioni in corso di ricovero, il produttore, il codice prodotto, il lotto di produzione di ogni singola componente della protesi impiantata. L'end-point è rappresentato dalla revisione anche di una singola componente.

In tal modo vengono monitorate più di 100 diverse tipologie di protesi d'anca e 90 di ginocchio in commercio per valutare la riuscita dell'intervento.

Il Registro collabora con i clinici ortopedici e con gli Enti di governo regionale nella impostazione di studi osservazionali, nella valutazione di protesi articolari o tecniche innovative. È inoltre in grado di identificare in tempo reale i pazienti cui fosse stata impiantata una protesi articolare che, in base a richiami effettuati dal Ministero della Salute o dalle ditte produttrici, dovesse essere considerata a rischio di fallimento precoce. In tale evenienza i chirurghi ortopedici possono essere messi in condizione di attivare prontamente tutte le misure necessarie per la tutela della salute del paziente.

Il Registro è finanziato dall'Assessorato Sanità e Politiche Sociali della Regione Emilia-Romagna.

Il REPO raccoglie, classifica e analizza i dispositivi medici espiantati presso l'Istituto Rizzoli. Nel corso di 18 anni di attività sono stati raccolti oltre 4.000 dispositivi, in larga maggioranza protesi d'anca e di ginocchio. I dispositivi coinvolti in segnalazioni di incidenti al Ministero della Salute vengono conservati e resi disponibili alle autorità, al fabbricante e al paziente secondo procedure aziendali.

Pubblicazioni referente del gruppo di Epidemiologia

Il gruppo di ricerca si occupa in generale di Medicina In Silico, cioè dell'uso di modelli computerizzati personalizzati per il supporto alla decisione medica e/o per valutare la sicurezza ed efficacia di nuovi prodotti medicali.

Le attività si concentrano principalmente su applicazioni relative alla diagnosi e al trattamento delle malattie neuro-muscolo-scheletriche, tra cui:

• Malattie osteoarticolari: Modelli computazionali ad elementi finiti vengono usati per valutare la resistenza meccanica e il rischio di fratture delle ossa (per es., femore e vertebra) sotto condizioni di carico fisiologiche e/o in presenza di malattie (per es., osteoporosi). Si studiano inoltre tecniche computazionali per predire e limitare fenomeni di fallimento protesico (per es., usura nelle protesi d'anca e ginocchio). Progetti in corso:
  • BoneStrength (autofinanziato), che mira a completare lo sviluppo della tecnologia CT2S, estendere la sua validazione dal femore alla colonna vertebrale (comprese le vertebre metastatiche) e qualificarla con l'EMA
  • IST4THR (autofinanziato), che mira a sviluppare una soluzione completa per test in silico di protesi totale dell'anca
  • COMPBIOMED (H2020), che mira alla scalabilità di applicazioni di medicina in silico
• Malattie neuromuscolari: Modelli computazionali basati sulla dinamica dei corpi rigidi vengono usati per studiare l'effetto di malattie a carico dell'apparato muscoloscheletrico (per es., Parkinson e Sarcopenia) sul controllo motorio. Progetti in corso: 
  • MOBILISE-D (H2020), che mira a qualificare la velocità media del cammino/passo, misurata in condizioni reali, come principale biomarker/indicatore di mobilità in trial farmacologici/studi clinici
  • ForceLoss (RF2020), mira a sviluppare, validare e qualificare modelli di dinamica muscolo-scheletrica paziente-specifico come strumenti clinici diagnostici e di monitoraggio.

Il gruppo conduce anche attività di ricerca traslazionale sugli aspetti di:

• Verifica, validazione e aspetti regolatori relativi all'utilizzo di tecnologie in silico in ambito clinico. Progetti in corso: 
  • STRITUVAD (H2020), che mira a sviluppare test clinici in silico per terapie per la tubercolosi
  • MOBILISE-D (H2020) 
• Scalabilità e Orchestrazione Multiscala dei modelli computazionali. Progetti in corso: 
  • PRIMAGE (H2020), che punta a sviluppare una tecnologia per l'orchestrazione di modelli di medicina in silico a scopo oncologico
  • COMPBIOMED2 (H2020).

Diverse iniziative vengono inoltre portate avanti per promuovere l'utilizzo dei metodi computazionali in medicina. Le principali iniziative includono:

• InSilicoWorld, la prima community internazionale online per esperti, ricercatori e professionisti nell'ambito della medicina in silico. La community ospita un forum di discussione che ha collaborativamente generato un documento condiviso sulle Good Simulation Practices, oltre a diversi canali dedicati a specifici argomenti e progetti, ad esempio:
  • Canale di supporto gratuito ai problemi relativi alla scalabilità di applicazioni di medicina computazionale
  • Canale di discussione e scambio di buone pratiche relative all'uso di tecnologie digitali e in silico nella pratica clinica e nella valutazione regolatoria di nuovi farmaci e dispositivi medici
• Scuola Internazionale sugli In Silico Trials, l'iniziativa formativa per ricercatori e professionisti interessati all'uso di tecnologie in silico in ambito medicale, industriale, regolatorio e di ricerca.