A multidisciplinary experimental framework addressing the relationship between the mechanical behaviour and the structure of the knee articular cartilage

Articular cartilage is an extremely specialized connective tissue composing the synovial joints. The response of articular cartilage – along with the damping system provided by the other tissues composing the fundamental unit of synovial joints, i.e., the osteochondral unit – is essential in deploying multiaxial forces generated during locomotion. The dynamic interaction between homeostasis and remodelling of the osteochondral tissues is essential in maintaining joints functional capabilities. Several traumatic and degenerative pathologies may deregulate the dynamic remodelling of the osteochondral tissues, especially considering highly-stressed articulation as the knee joint. The knowledge on osteochondral tissues is essential in understanding the onset and progression of several pathologies affecting synovial joints, moreover, allowing to elucidate the main aspects on which relative treatments should focus on. In this perspective, the approaches investigating the peculiarities – i.e., mechanical response, structure, and composition – of such a unit are away far from providing reliable and complete information, particularly concerning articular cartilage. Ex-vivo studies focusing on the knee articular cartilage mostly evaluate such a tissue through single-layer tests, yielding insights through multidisciplinary approaches only occasionally. Within this thesis, a multidisciplinary experimental framework was developed to explore the relationship between functionality and structure of one of the three tissues composing the knee osteochondral unit, the articular cartilage, with a particular focus on tissue biomechanics. Although the approaches here proposed were tailored to articular cartilage, the peculiarities at the base of these techniques are defined aiming to extend their application to study the features of the osteochondral unit in a comprehensive way. First, an indentation protocol was optimized to investigate the articular cartilage viscoelastic response; the implementation of a reliable mechanical testing protocol is crucial to achieve reliable insight on the mechanical response of articular cartilage. Second, the relationship between articular cartilage functionality – i.e., mechanical response – and structure/composition has been investigated, evaluating articular cartilage through the previously optimized indentation protocol and, moreover, an experimental, spectroscopic-based approach. Third, considering the previously mentioned purpose and, further, moving towards a comprehensive evaluation of the osteochondral unit, the use of a specific contrast-agent X-ray imaging was explored to investigate the articular cartilage composition. Fourth, we assessed also the suitability of a full-field, X-ray-based approach in studying the comprehensive functional behaviour of the osteochondral unit. The implemented multidisciplinary framework represents a key step forward investigating the main features of the knee articular cartilage, providing the potential of assessing properly the efficacy of clinical and tissue-engineering treatments addressing the pathologies of the knee.

La cartilagine è un tessuto connettivo specializzato, facente parte delle articolazioni sinoviali. Il comportamento meccanico della cartilagine – che contribuisce alla funzione di smorzamento delle forze svolta dai tessuti che compongono l’unità fondamentale delle articolazioni sinoviali, nota come unità osteocondrale – risulta essenziale per ridistribuire le forze multi-assiali che si sviluppano all’interno delle articolazioni stesse il movimento. L’interazione dinamica tra omeostasi e rimodellamento dei tessuti che costituiscono l’unità osteocondrale è cruciale per garantire la funzionalità articolare. Molteplici patologie di natura traumatica e degenerativa possono deteriorare il rimodellamento dinamico dei tessuti osteocondrali, specialmente considerando articolazioni altamente sollecitate come quella del ginocchio. Una conoscenza esaustiva dei tessuti osteocondrali è essenziale per comprendere l’insorgenza e la progressione di patologie che compromettono la funzionalità delle articolazioni sinoviali, in particolare con l’obiettivo di evidenziare i principali aspetti e fenomeni su cui i relativi trattamenti dovrebbero concentrarsi. In questa prospettiva, gli approcci attualmente impiegati nello studio dei tessuti osteocondrali – in particolare, volti all’indagine del loro comportamento meccanico, e della loro struttura e composizione – sono ben lontani dal fornire informazioni attendibili, riproducibili e complete, soprattutto in merito alla cartilagine articolare. Nello specifico, gli studi sperimentali ex-vivo che valutano le peculiarità della cartilagine articolare si focalizzano su tale tessuto dopo la sua separazione dalla struttura dell’unità osteocondrale, fornendo informazioni integrate a partire da approcci multidisciplinari solo in alcuni casi. Nell’ambito di questa tesi di dottorato, un approccio sperimentale e multidisciplinare è stato sviluppato con l’obiettivo di esaminare la relazione tra funzionalità e struttura di uno dei tessuti che compongono l’unità osteocondrale del ginocchio, nello specifico la cartilagine articolare, con particolare attenzione alla sua biomeccanica. Nonostante le metodiche proposte siano state sviluppate tenendo conto delle particolarità del tessuto cartilagineo, le peculiarità alla base delle stesse sono state definite con lo scopo di estendere la loro applicazione allo studio dell’intera unità osteocondrale. In primo luogo, è stato ottimizzato un protocollo di test basato sulla metodica di indentazione per investigare il comportamento viscoelastico del tessuto cartilagineo; l’implementazione di un protocollo di test standardizzato risulta essenziale per ottenere informazioni affidabili e riproducibili sulla biomeccanica della cartilagine articolare. In secondo luogo, la relazione tra funzionalità e struttura/composizione di tale tessuto è stata studiata applicando il protocollo di test precedentemente ottimizzato, e un approccio sperimentale basato su spettroscopia. Inoltre, considerando sia l’obiettivo principale della tesi, ma nella prospettiva di investigare l’unità osteocondrale nella sua interezza, è stato utilizzato uno specifico agente di contrasto per imaging basato su X-ray con l’obiettivo di ottenere informazioni in merito alla composizione della cartilagine articolare. Infine, è stata valutata l’idoneità di un approccio comprensivo basato su raggi X per lo studio del comportamento meccanico dell’unità osteocondrale. L'approccio multidisciplinare proposto rappresenta un importante passo in avanti nello studio delle caratteristiche principali del tessuto cartilagineo di ginocchio, offrendo la potenzialità di valutare appropriatamente l’efficacia di terapie e di approcci di ingegneria tessutale volte alla cure delle patologie articolari.