Método de ensaio biomecânico para análise da isometricidade na reconstrução do ligamento patelofemoral medial

OBJETIVO: Apresentar um dispositivo biomecânico para o estudo da reconstrução do ligamento patelofemoral medial (LPFM) e sua isometricidade. MÉTODOS: Foi desenvolvido um sistema biomecânico acessível, que permite a aplicação de forças fisiológicas e não fisiológicas no joelho, através de um braço mecânico e aplicação de pesos e contrapesos, possibilitando a execução de diferentes estudos, além de ter um sistema de medidas bastante preciso de aferição de distâncias entre diferentes estruturas para análise dos experimentos. Este artigo descreve a montagem deste sistema, além de sugerir algumas aplicações práticas. Foram estudados seis joelhos de cadáveres. Os joelhos foram preparados em uma máquina de ensaios desenvolvida no Laboratório de Biomecânica do IOT HC FMUSP, que permitiu a avaliação dinâmica do comportamento patelar, quantificando a sua lateralização entre 0 e 120 graus. A diferença entre as distâncias encontradas, com e sem carga, aplicada na patela foram agrupadas segundo o ângulo de fixação do enxerto (0°, 30°, 60° e 90°) e situação do joelho (íntegro, reconstruído e lesado). RESULTADOS: Houve uma tendência em ocorrer menor desvio lateral em ângulos de fixação acima de 30 graus de flexão, principalmente entre os ângulos entre 45° e 60° graus de flexão, após a reconstrução. Para os demais ângulos não houve significância estatística. CONCLUSÃO: O método desenvolvido é uma ferramenta útil para os estudos da articulação patelofemoral, além de ter um sistema de medidas bastante preciso de aferição de distâncias entre diferentes estruturas e permitir a sua utilização em instituições com menos recursos disponíveis.

Estudo da estabilidade dos componentes na artroplastia total do joelho sem cimento

OBJETIVO: Comparar dois métodos de avaliação da estabilidade dos componentes tibial e femoral nas artroplastias de joelho não cimentadas com plataforma rotatória. MÉTODOS: Para isso foram avaliados 20 pacientes (20 joelhos) através de uma análise de radiografias dinâmicas com intensificador de imagem e manobras de estresse em varo e valgo, que foram comparadas com radiografias estáticas em frente e perfil dos joelhos, analisadas por dois cirurgiões experientes, cegos um em relação ao outro. RESULTADOS: Os resultados das análises estáticas e dinâmicas foram comparados e demonstraram forte correlação estatística (p<0,001), utilizando-se o método Kappa de comparação. CONCLUSÃO: O componente tibial mostrou-se mais instável quando comparado com o componente femoral, tanto na análise estática, quanto na dinâmica. Nível de evidência IV, Série de Casos.

Influência do preparo do orifício piloto na ancoragem dos parafusos pediculares

OBJETIVO: Avaliamos a influência do diâmetro e do modo de preparação do orifício piloto na resistência ao arrancamento e no torque de inserção dos parafusos pediculares com diâmetro interno cônico. MÉTODOS: Ensaios mecânicos foram realizados com parafusos pediculares com alma cônica e diâmetro de 4,2mm e 5,2mm inseridos nos pedículos vertebrais lombares de suínos. O orifício piloto foi confeccionado com de broca e sondas (pontiaguda e cortante) com diferentes diâmetros. RESULTADOS: Testando o parafuso de 4,2mm a perfuração com orifício igual ou inferior ao menor diâmetro interno do parafuso, aumentou o torque e a resistência ao arrancamento. Perfurações com diferentes instrumentos apresentaram comportamento semelhante. Perfurações com sondas permitiram que orifícios confeccionados com dimensões superiores ao menor diâmetro interno do parafuso apresentassem resistência semelhante a das perfurações com dimensões iguais ao menor diâmetro interno do implante, realizadas com sondas e brocas. CONCLUSÕES: Nos de 4,2 mm o diâmetro e o modo de preparação do orifício influenciam o torque e a resistência, nos de 5,2 mm apenas o torque de inserção. Não há correlação entre força de arrancamento e torque de inserção. Nível de evidência II, Estudos terapêuticos - Investigação dos Resultados do Tratamento.

Sutura simples e âncora em quadris de coelhos

OBJETIVO: Por meio de ensaios biomecânicos, comparar as capsulorrafias com sutura simples e com âncoras, em quadris de coelhos. MÉTODO: Foram utilizados 13 coelhos, 26 quadris, todos machos da raça Nova Zelândia albinos (Oryctolaguscuniculus). Inicialmente, realizamos um projeto piloto em três coelhos (seis quadris). Este experimento constou de 10 coelhos, divididos em 2 grupos: o Grupo 1 submetido à capsulorrafia (quadris direito e esquerdo) com sutura simples utilizando fio absorvível de ácido poliglicólico e o Grupo 2 submetido a capsulorrafia (quadris direito e esquerdo) com âncora de titânio. Após o período de quatro semanas de operados, todos animais foram submetidos à eutanásia e seus quadris congelados. Após um descongelamento prévio das peças, no mesmo dia das análises biomecânicas, foram avaliados os parâmetros de rigidez, força máxima, deformidade máxima e energia. RESULTADOS: Não houve diferença estatisticamente significante em relação à força no limite de proporcionalidade, rigidez e força máxima entre os grupos com sutura simples e com âncora. CONCLUSÃO: Por meio dos ensaios biomecânicos, tendo como parâmetro a rigidez, a força máxima, a deformidade máxima e a energia, ficou demonstrado que as capsulorrafias em quadris de coelhos com sutura simples e com âncora são semelhantes entre si. Nível de Evidência II, Estudo Prospectivo Comparativo.

Morse taper implants at different bone levels: a finite element analysis of stress distribution

AIM: To explore the biomechanical effects of the different implantation bone levels of Morse taper implants, employing a finite element analysis (FEA). METHODS: Dental implants (TitamaxCM) with 4x13 mm and 4x11 mm, and their respective abutments with 3.5 mm height, simulating a screwed premolar metal-ceramic crown, had their design performed using the software AnsysWorkbench 10.0. They were positioned in bone blocks, covered by 2.5 mm thickness of mucosa. The cortical bone was designed with 1.5 mm thickness and the trabecular bone completed the bone block. Four groups were formed: group 11CBL (11 mm implant length on cortical bone level), group 11TBL (11 mm implant length on trabecular bone level), group 13CBL (13mm implant length on cortical bone level) and group 13TBL (13 mm implant length on trabecular bone level). Oblique 200 N loads were applied. Von Mises equivalent stresses in cortical and trabecular bones were evaluated with the same design program. RESULTS: The results were shown qualitatively and quantitatively by standard scales for each type of bone. By the results obtained, it can be suggested that positioning the implant completely in trabecular bone brings harm with respect to the generated stresses. Its implantation in the cortical bone has advantages with respect to better anchoring and locking, reflecting a better dissipation of the stresses along the implant/bone interfaces. In addition, the search for anchoring the implant in its apical region in cortical bone is of great value to improve stabilization and consequently better stress distribution. CONCLUSIONS: The implant position slightly below the bone in relation to the bone crest brings advantages as the best long-term predictability with respect to the expected neck bone loss.

Contribuição dos parâmetros biomecânicos para o desempenho de saltos verticais de jogadoras de basquetebol

O objetivo do presente estudo foi investigar a contribuição dos parâmetros biomecânicos para o desempenho do salto vertical com contramovimento (SV) e SV precedido de corrida (SVcorrida) em 19 jogadoras da seleção brasileira adulta de basquetebol feminino (26,2 ± 4,7 anos; 1,81 ± 0,07 m; 75,6 ± 12,6 kg; 20,4 ± 6,0% de gordura). Foram considerados os picos de força passiva (PFPa) e propulsão (PFP), tempo para alcance dos picos de força passiva (TPFPa) e propulsão (TPFP), "load rate" (LR), taxa de desenvolvimento de força (TDF), tempo de fase excêntrica (Texc) e concêntrica (Tcon). A análise de componentes principais revelou que 50,86% da altura de SV foi explicada por PFPa, TPFPa, LR, Texc e TPFP, e que 43,28% de SVcorrida foi explicada por PFPa, TPFPa, LR, PFP. Esses resultados sugerem que parâmetros temporais parecem contribuir de maneira mais significativa para o desempenho de salto, porém diferentes tipos de salto podem demandar comportamentos distintos de parâmetros biomecânicos.

A biomecânica e a produção do conhecimento em fisioterapia: levantamento baseado nos anais do congresso brasileiro de biomecânica

O aumento gradual da participação da comunidade acadêmica da Fisioterapia nas edições do Congresso Brasileiro de Biomecânica (CBB) é notório. Os Anais do CBB passaram a ser importantes veículos para a divulgação científica em Fisioterapia no Brasil; porém, a caracterização dessa produção ainda não foi feita. O objetivo do presente estudo foi realizar um levantamento bibliográfico dos estudos em Fisioterapia publicados nas edições dos Anais do CBB, desde a primeira edição em 1992 (Anais do IV CBB) até a edição publicada em 2009 (Anais do XIII CBB), a fim de identificar quais especialidades da Fisioterapia têm aplicado o conhecimento em Biomecânica no contexto clínico e/ou científico, além de caracterizar o tipo de pesquisa que se tem desenvolvido. Seis revisores independentes levantaram os estudos pertencentes à área da Fisioterapia e coletaram informações de maneira padronizada através de questionários. Os resultados evidenciaram um grande crescimento da participação das diferentes áreas da Fisioterapia ao longo das dez edições do CBB. Embora os dados sejam positivos em relação à ampliação das pesquisas em Biomecânica, verificou-se uma carência da utilização dos recursos biomecânicos para avaliar efeitos de intervenções em pacientes. Dessa forma, recomenda-se que mais estudos sejam conduzidos em contextos clínicos e com acompanhamento longitudinal, de modo a ampliar a aplicação prática das ferramentas biomecânicas no campo da intervenção, bem como aperfeiçoar a avaliação em Fisioterapia.

Análise isocinética da articulação do cotovelo em crianças com paralisia cerebral

A quantidade de torque aplicado na articulação é uma medida de aptidão física importante para crianças com paralisia cerebral. O presente estudo analisou parâmetros cinéticos na articulação do cotovelo em crianças saudáveis e com paralisia cerebral. Participaram 10 crianças com paralisia cerebral e 10 crianças sem comprometimento neurológico. Avaliou-se a média do pico de torque, média do ângulo do pico de torque, coeficiente de variação do torque e aceleração angular do movimento de flexo-extensão do cotovelo nas velocidades com um dinamômetro isocinético. A média de pico de torque (extensão), aceleração (flexão) e coeficiente de variação (flexão e extensão) são diferentes entre grupos. Conclui-se que o torque e aceleração sofreram interferências no movimento de flexo-extensão; as principais diferenças encontradas foram entre os extremos das velocidades; não houve diferenças no ângulo do pico de torque. A espasticidade não interferiu na força dos músculos agonistas do movimento de flexão da articulação do cotovelo.

Development of musculoskeletal models for the design and the pre-clinical validation of hip resurfacing prosthesis

Background. The surgical treatment of dysfunctional hips is a severe condition for the patient and a costly therapy for the public health. Hip resurfacing techniques seem to hold the promise of various advantages over traditional THR, with particular attention to young and active patients. Although the lesson provided in the past by many branches of engineering is that success in designing competitive products can be achieved only by predicting the possible scenario of failure, to date the understanding of the implant quality is poorly pre-clinically addressed. Thus revision is the only delayed and reliable end point for assessment. The aim of the present work was to model the musculoskeletal system so as to develop a protocol for predicting failure of hip resurfacing prosthesis. Methods. Preliminary studies validated the technique for the generation of subject specific finite element (FE) models of long bones from Computed Thomography data. The proposed protocol consisted in the numerical analysis of the prosthesis biomechanics by deterministic and statistic studies so as to assess the risk of biomechanical failure on the different operative conditions the implant might face in a population of interest during various activities of daily living. Physiological conditions were defined including the variability of the anatomy, bone densitometry, surgery uncertainties and published boundary conditions at the hip. The protocol was tested by analysing a successful design on the market and a new prototype of a resurfacing prosthesis. Results. The intrinsic accuracy of models on bone stress predictions (RMSE < 10%) was aligned to the current state of the art in this field. The accuracy of prediction on the bone-prosthesis contact mechanics was also excellent (< 0.001 mm). The sensitivity of models prediction to uncertainties on modelling parameter was found below 8.4%. The analysis of the successful design resulted in a very good agreement with published retrospective studies. The geometry optimisation of the new prototype lead to a final design with a low risk of failure. The statistical analysis confirmed the minimal risk of the optimised design over the entire population of interest. The performances of the optimised design showed a significant improvement with respect to the first prototype (+35%). Limitations. On the authors opinion the major limitation of this study is on boundary conditions. The muscular forces and the hip joint reaction were derived from the few data available in the literature, which can be considered significant but hardly representative of the entire variability of boundary conditions the implant might face over the patients population. This moved the focus of the research on modelling the musculoskeletal system; the ongoing activity is to develop subject-specific musculoskeletal models of the lower limb from medical images. Conclusions. The developed protocol was able to accurately predict known clinical outcomes when applied to a well-established device and, to support the design optimisation phase providing important information on critical characteristics of the patients when applied to a new prosthesis. The presented approach does have a relevant generality that would allow the extension of the protocol to a large set of orthopaedic scenarios with minor changes. Hence, a failure mode analysis criterion can be considered a suitable tool in developing new orthopaedic devices.

Relationships between running economy and mechanics in middle-distance runners

Running economy (RE), i.e. the oxygen consumption at a given submaximal speed, is an important determinant of endurance running performance. So far, investigators have widely attempted to individuate the factors affecting RE in competitive athletes, focusing mainly on the relationships between RE and running biomechanics. However, the current results are inconsistent and a clear mechanical profile of an economic runner has not been yet established. The present work aimed to better understand how the running technique influences RE in sub-elite middle-distance runners by investigating the biomechanical parameters acting on RE and the underlying mechanisms. Special emphasis was given to accounting for intra-individual variability in RE at different speeds and to assessing track running rather than treadmill running. In Study One, a factor analysis was used to reduce the 30 considered mechanical parameters to few global descriptors of the running mechanics. Then, a biomechanical comparison between economic and non economic runners and a multiple regression analysis (with RE as criterion variable and mechanical indices as independent variables) were performed. It was found that a better RE was associated to higher knee and ankle flexion in the support phase, and that the combination of seven individuated mechanical measures explains ∼72% of the variability in RE. In Study Two, a mathematical model predicting RE a priori from the rate of force production, originally developed and used in the field of comparative biology, was adapted and tested in competitive athletes. The model showed a very good fit (R2=0.86). In conclusion, the results of this dissertation suggest that the very complex interrelationships among the mechanical parameters affecting RE may be successfully dealt with through multivariate statistical analyses and the application of theoretical mathematical models. Thanks to these results, coaches are provided with useful tools to assess the biomechanical profile of their athletes. Thus, individual weaknesses in the running technique may be identified and removed, with the ultimate goal to improve RE.

Funzionalizzazione della mandibola dopo ricostruzione con lembo libero rivascolarizzato di fibula "single strut". Al di là del deficit di verticalità.

Obiettivi: Valutare la modalità  più efficace per la riabilitazione funzionale del limbo libero di fibula "single strut", dopo ampie resezioni per patologia neoplastica maligna del cavo orale. Metodi: Da una casistica di 62 ricostruzioni microvascolari con limbo libero di fibula, 11 casi sono stati selezionati per essere riabilitati mediante protesi dentale a supporto implantare. 6 casi sono stati trattati senza ulteriori procedure chirurgiche ad eccezione dell'implantologia (gruppo 1), affrontando il deficit di verticalità  della fibula attraverso la protesi dentaria, mentre i restanti casi sono stati trattati con la distrazione osteogenetica (DO) della fibula prima della riabilitazione protesica (gruppo 2). Il deficit di verticalità  fibula/mandibola è stato misurato. I criteri di valutazione utilizzati includono la misurazione clinica e radiografica del livello osseo e dei tessuti molli peri-implantari, ed il livello di soddisfazione del paziente attraverso un questionario appositamente redatto. Risultati: Tutte le riabilitazioni protesiche sono costituite da protesi dentali avvitate su impianti. L'età  media è di 52 anni, il rapporto uomini/donne è di 6/5. Il numero medio di impianti inseriti nelle fibule è di 5. Il periodo massimo di follow-up dopo il carico masticatorio è stato di 30 mesi per il gruppo 1 e di 38.5 mesi (17-81) di media per il gruppo 2. Non abbiamo riportato complicazioni chirurgiche. Nessun impianto è stato rimosso dai pazienti del gruppo 1, la perdita media di osso peri-implantare registrata è stata di 1,5 mm. Nel gruppo 2 sono stati riportati un caso di tipping linguale del vettore di distrazione durante la fase di consolidazione e un caso di frattura della corticale basale in assenza di formazione di nuovo osso. L'incremento medio di osso in verticalità è stato di 13,6 mm (12-15). 4 impianti su 32 (12.5%) sono andati persi dopo il periodo di follow-up. Il riassorbimento medio peri-implantare, è stato di 2,5 mm. Conclusioni: Le soluzioni più utilizzate per superare il deficit di verticalità  del limbo libero di fibula consistono nell'allestimento del lembo libero di cresta iliaca, nel posizionare la fibula in posizione ideale da un punto di vista protesico a discapito del profilo osseo basale, l'utilizzo del lembo di fibula nella versione descritta come "double barrel", nella distrazione osteogenetica della fibula. La nostra esperienza concerne il lembo libero di fibula che nella patologia neoplastica maligna utilizziamo nella versione "single strut", per mantenere disponibili tutte le potenzialità  di lunghezza del peduncolo vascolare, senza necessità  di innesti di vena. Entrambe le soluzioni, la protesi dentale ortopedica e la distrazione osteogenetica seguita da protesi, entrambe avvitate su impianti, costituiscono soluzioni soddisfacenti per la riabilitazione funzionale della fibula al di là  del suo deficit di verticalità . La prima soluzione ha preso spunto dall'osservazione dei buoni risultati della protesi dentale su impianti corti, avendo un paragonabile rapporto corona/radice, la DO applicata alla fibula, sebbene sia risultata una metodica con un numero di complicazioni più elevato ed un maggior livello di riassorbimento di osso peri-implantare, costituisce in ogni caso una valida opzione riabilitativa, specialmente in caso di notevole discrepanza mandibulo/fibulare. Decisiva è la scelta del percorso terapeutico dopo una accurata valutazione di ogni singolo caso. Vengono illustrati i criteri di selezione provenienti dalla nostra esperienza.

Biomeccanica del servizio e del diritto nel tennis: confronto fra atleti di livello di gioco differente

Il tennis è uno sport molto diffuso che negli ultimi trent’anni ha subito molti cambiamenti. Con l’avvento di nuovi materiali più leggeri e maneggevoli la velocità della palla è aumentata notevolmente, rendendo così necessario una modifica a livello tecnico dei colpi fondamentali. Dalla ricerca bibliografica sono emerse interessanti indicazioni su angoli e posizioni corporee ideali da mantenere durante le varie fasi dei colpi, confrontando i giocatori di altissimo livello. Non vi sono invece indicazioni per i maestri di tennis su quali siano i parametri più importanti da allenare a seconda del livello di gioco del proprio atleta. Lo scopo di questa tesi è quello di individuare quali siano le variabili tecniche che influenzano i colpi del diritto e del servizio confrontando atleti di genere differente, giocatori di livello di gioco diverso (esperti, intermedi, principianti) e dopo un anno di attività programmata. Confrontando giocatori adulti di genere diverso, è emerso che le principali differenze sono legate alle variabili di prestazione (velocità della palla e della racchetta) per entrambi i colpi. Questi dati sono simili a quelli riscontrati nel test del lancio della palla, un gesto non influenzato dalla tecnica del colpo. Le differenze tecniche di genere sono poco rilevanti ed attribuibili alla diversa interpretazione dei soggetti. Nel confronto di atleti di vario livello di gioco le variabili di prestazione presentano evidenti differenze, che possono essere messe in relazione con alcune differenze tecniche rilevate nei gesti specifici. Nel servizio i principianti tendono a direzionare l’arto superiore dominante verso la zona bersaglio, abducendo maggiormente la spalla ed avendo il centro della racchetta più a destra rispetto al polso. Inoltre, effettuano un caricamento minore degli arti inferiori, del tronco e del gomito. Per quanto riguarda il diritto si possono evidenziare queste differenze: l’arto superiore è sempre maggiormente esteso per il gruppo dei principianti; il tronco, nei giocatori più abili viene utilizzato in maniera più marcata, durante la fase di caricamento, in movimenti di torsione e di inclinazione laterale. Gli altri due gruppi hanno maggior difficoltà nell’eseguire queste azioni preparatorie, in particolare gli atleti principianti. Dopo un anno di attività programmata sono stati evidenziati miglioramenti prestativi. Anche dal punto di vista tecnico sono state notate delle differenze che possono spiegare il miglioramento della performance nei colpi. Nel servizio l’arto superiore si estende maggiormente per colpire la palla più in alto possibile. Nel diritto sono da sottolineare soprattutto i miglioramenti dei movimenti del tronco in torsione ed in inclinazione laterale. Quindi l’atleta si avvicina progressivamente ad un’esecuzione tecnica corretta. In conclusione, dal punto di vista tecnico non sono state rilevate grosse differenze tra i due generi che possano spiegare le differenze di performance. Perciò questa è legata più ad un fattore di forza che dovrà essere allenata con un programma specifico. Nel confronto fra i vari livelli di gioco e gli effetti di un anno di pratica si possono individuare variabili tecniche che mostrano differenze significative tra i gruppi sperimentali. Gli evoluti utilizzano tutto il corpo per effettuare dei colpi più potenti, utilizzando in maniera tecnicamente più valida gli arti inferiori, il tronco e l’arto superiore. I principianti utilizzano prevalentemente l’arto superiore con contributi meno evidenti degli altri segmenti. Dopo un anno di attività i soggetti esaminati hanno dimostrato di saper utilizzare meglio il tronco e l’arto superiore e ciò può spiegare il miglioramento della performance. Si può ipotizzare che, per il corretto utilizzo degli arti inferiori, sia necessario un tempo più lungo di apprendimento oppure un allenamento più specifico.

Human bone: the tissue characteristics determining its mechanical behaviour

The present thesis illustrates the research carried out during the PhD studies in Bioengineering. The research was aimed to characterise the human bone tissue, with particular regard to the differences between cortical and trabecular bone. The bone tissue characteristics that affect its mechanical properties were verified or identified, using an experimental approach, to corroborate or refute hypotheses based on the state of the art in bone tissue biomechanics. The studies presented in the present PhD thesis were designed to investigate aspects of bone tissue biomechanics, which were in need of a more in-depth examination since the data found in the literature was contradictory or scarce. In particular, the work was focalised on the characterisation of the basic structure of the bone tissue (groups of lamellae), its composition, its spatial organisation (trabecular bone microarchitecture) and their influence on the mechanical properties. In conclusion, the present thesis integrates eight different studies on the characterisation of bone tissue. A more in-depth examination of some of the aspects of bone tissue biomechanics where the data found in the literature was contradictory or scarce was performed. Bone tissue was investigated at several scales, from its composition up to its spatial organization, to determine which parameters influence the mechanical behaviour of the tissue. It was found that although the composition and real density of bone tissue are similar, the differences in structure at different levels cause differences between the two types of bone tissue (cortical and trabecular) in mechanical properties. However, the apparent density can still be considered a good predictor of the mechanical properties of both cortical and trabecular bone. Finally, it was found that the bone tissue characteristics might change when a pathology is present, as demonstrated for OA.

Evolutionary tendencies in flowers of Marantaceae with special reference to the style movement mechanism

One of the quickest plant movements ever known is made by the ´explosive´ style in Marantaceae in the service of secondary pollen presentation – herewith showing a striking apomorphy to the sister Cannaceae that might be of high evolutionary consequence. Though known already since the beginning of the 19th century the underlying mechanism of the movement has hitherto not been clarified. The present study reports about the biomechanics of the style-staminode complex and the hydraulic principles of the movement. For the first time it is shown by experiment that in Maranta noctiflora through longitudinal growth of the maturing style in the ´straitjacket´ of the hooded staminode both the hold of the style prior to its release and its tensioning for the movement are brought about. The longer the style grows in relation to the enclosing hooded staminode the more does its capacity for curling up for pollen transfer increase. Hereby I distinguish between the ´basic tension´ that a growing style builds up anyway, even when the hooded staminode is removed beforehand, and the ´induced tension´ which comes about only under the pressure of a ´too short´ hooded staminode and which enables the movement. The results of these investigations are discussed in view of previous interpretations ranging from possible biomechanical to electrophysiological mechanisms. To understand furthermore by which means the style gives way to the strong bending movement without suffering outwardly visible damage I examined its anatomical structure in several genera for its mechanical and hydraulic properties and for the determination of the entire curvature after release. The actual bending part contains tubulate cells whose walls are extraordinarily porous and large longitudinal intercellular spaces. SEM indicates the starting points of cell-wall loosening in primary walls and lysis of middle lamellae - probably through an intense pectinase activity in the maturing style. Fluorescence pictures of macerated and living style-tissue confirm cell-wall perforations that do apparently connect neighbouring cells, which leads to an extremely permeable parenchyma. The ´water-body´ can be shifted from central to dorsal cell layers to support the bending. The geometrical form of the curvature is determined by the vascular bundles. I conclude that the style in Marantaceae contains no ´antagonistic´ motile tissues as in Mimosa or Dionaea. Instead, through self-maceration it develops to a ´hydraulic tissue´ which carries out an irreversible movement through a sudden reshaping. To ascertain the evolutionary consequence of this apomorphic pollination mechanism the diversity and systematic value of hooded staminodes are examined. For this hooded staminodes of 24 genera are sorted according to a minimalistic selection of shape characters and eight morphological types are abstracted from the resulting groups. These types are mapped onto an already available maximally parsimonious tree comprising five major clades. An amazing correspondence is found between the morphological types and the clades; several sister-relationships are confirmed and in cases of uncertain position possible evolutionary pathways, such as convergence, dispersal or re-migration, are discussed, as well as the great evolutionary tendencies for the entire family in which – at least as regards the shape of hooded staminodes – there is obviously a tendency from complicated to strongly simplified forms. It suggests itself that such simplifying derivations may very likely have taken place as adaptations to pollinating animals about which at present too little is known. The value of morphological characters in relation to modern phylogenetic analysis is discussed and conditions for the selection of morphological characters valuable for a systematic grouping are proposed. Altogether, in view of the evolutionary success of Marantaceae compared with Cannaceae the movement mechanism of the style-staminode complex can safely be considered a key innovation within the order Zingiberales.

Micro-FEM models based on micro-CT reconstructions for the in vitro characterization of the elastic properties of trabecular bone tissue.

This master’s thesis describes the research done at the Medical Technology Laboratory (LTM) of the Rizzoli Orthopedic Institute (IOR, Bologna, Italy), which focused on the characterization of the elastic properties of the trabecular bone tissue, starting from october 2012 to present. The approach uses computed microtomography to characterize the architecture of trabecular bone specimens. With the information obtained from the scanner, specimen-specific models of trabecular bone are generated for the solution with the Finite Element Method (FEM). Along with the FEM modelling, mechanical tests are performed over the same reconstructed bone portions. From the linear-elastic stage of mechanical tests presented by experimental results, it is possible to estimate the mechanical properties of the trabecular bone tissue. After a brief introduction on the biomechanics of the trabecular bone (chapter 1) and on the characterization of the mechanics of its tissue using FEM models (chapter 2), the reliability analysis of an experimental procedure is explained (chapter 3), based on the high-scalable numerical solver ParFE. In chapter 4, the sensitivity analyses on two different parameters for micro-FEM model’s reconstruction are presented. Once the reliability of the modeling strategy has been shown, a recent layout for experimental test, developed in LTM, is presented (chapter 5). Moreover, the results of the application of the new layout are discussed, with a stress on the difficulties connected to it and observed during the tests. Finally, a prototype experimental layout for the measure of deformations in trabecular bone specimens is presented (chapter 6). This procedure is based on the Digital Image Correlation method and is currently under development in LTM.