Investigation of biomechanical behaviour of foot cartilaginous tissues

The foot is one of the most important and complex structure of the human body. It allows a lot of movements and it is fundamental in many human activities, such as walking. The investigation of human articular cartilage biomechanical behavior is a complex problem that requires the analysis of different related aspects. In particular it is important to investigate the histological conformation of cartilaginous tissue coupled with a morphometric study of cartilage layers in the specific anatomic site of interest, such as the foot and in particular the hindfoot. Both histological and morphometric aspects should be considered with regard to the role of cartilage in the mobility of the ankle. Considering the histological characteristics observed and mechanical tests results present in literature a fiber-reinforced hyperelastic constitutive model is developed and a set of constitutive parameters is defined through in-vitro indentation test. A solid model of foot skeletal system is developed and in particular a detailed solid model of hindfoot joints is defined. Each joint complex is considered as a double layer structure of cartilaginous tissue enveloped in a synovial capsule. The whole structure is studied in particular physiological configuration: standing and dorsiflexion. Numerical results on tibio-talar joint for standing configuration joint are compared with in-vivo test on the same articular surface. The procedure developed is the base for the investigation of degraded cartilage due to osteoarthritic (OA) pathology. In particular a specific OA set of constitutive parameters is defined for the fiber-reinforced hyperelastic model considering in-vitro indentation experimental tests on OA cartilage. Numerical results of OA cartilage are compared with those of healthy cartilage, previously obtained for standing position.

Il piede è una delle strutture più importanti e complesse del corpo umano. Il piede permette numerosi movimenti ed è fondamentale in molte attività dell’uomo, come ad esempio la camminata. Lo studio del comportamento biomeccanico delle cartilagini articolari umane è un problema complesso che richiede lo studio di diversi aspetti tra loro correlati. In particolare è importante inizialmente un approfondito studio dell’istologia del tessuto cartilagineo associato allo studio della morfometria degli strati cartilaginei nel sito anatomico d’interesse, come ad esempio il piede ed in particolare la parte posteriore del piede. Sia l’aspetto istologico che quello morfometrico devono essere esaminati alla luce del ruolo della cartilagine nella mobilità della caviglia. Considerando le caratteristiche istologiche e i risultati di test biomeccanici presenti in letteratura è stato sviluppato un modello iperelastico fibro-rinforzato ed i parametri costitutivi sono stati definiti per mezzo di prove sperimentali di indentazione in-vitro. Un modello solido del sistema scheletrico del piede è stato sviluppato, con particolare attenzione per la definizione delle articolazioni del retro piede costituite da due strati di cartilagine avvolti in una capsula sinoviale. La struttura completa è stata studiata in due configurazioni fisiologiche: stazione eretta e dorsiflessione. I risultati numerici per la condizione di stazione eretta del giunto tibio-talare sono confrontati con test in-vivo presenti in letteratura sulla stessa superficie articolare. La procedura sviluppata è quindi alla base dello studio della cartilagine degenerata in conseguenza ad osteoartrite (OA). In particolare è stato definito un set di parametri costitutivi per il modello iperelastico fibro-rinforzato prendendo in considerazione prove sperimentali in-vitro di indentazione su cartilagine con OA. I risultati numerici del caso con OA sono stati confrontati con quelli ottenuti in stazione eretta per la cartilagine sana.