3. PRIMI LAVORI

Nel 1964 Bassett, Pawluk e Becker pubblicarono un testo sulla stimolazione ossea usando correnti elettriche, e molti degli esperimenti che seguirono, scaturirono direttamente da quel lavoro. In particolare Bassett cominciò eseguendo esperimenti sui cani, ai quali venivano praticate, sotto anestesia, delle osteotomie nei femori. Nei femori erano poi applicati degli elettrodi di platino-iridio, collegati ad una serie di batterie da 1.4 V. Si osservava dopo alcune settimane di trattamento una massiccia formazione di callo osseo in corrispondenza del morsetto negativo ed una leggera necrosi vicino a quello positivo.
Friedenburg modificò il metodo di Bassett usando una sorgente di corrente a FET, ed eseguendo esperimenti su dei conigli, usando elettrodi di acciaio inossidabile impiantati nella corteccia femorale. La corrente usata era di circa 20 mA. Anche in questo caso i risultati mostravano una crescita ossea intorno al morsetto negativo ed inoltre si osservava una necrosi a quello positivo.
Questi esperimenti diedero il via ad una quantità di lavori in cui si andavano variando i parametri elettrici delle correnti (continue e variabili), come la densità di corrente, l'energia, la forma e la frequenza degli impulsi. Col passare del tempo e con l'aumentare dei successi, queste tecniche vennero via via applicate all'uomo.
In alcuni tipi di fratture, l'unione ossea non avviene; si viene a creare invece una pseudoartrosi, nella quale il bordo esterno delle ossa fratturate è congiunto solo da una callosità disordinata. La giunzione delle ossa è mobile ed è caratterizzata da assenza di dolore. Le caratteristiche della zona di separazione possono essere evidenziate da un esame ai raggi-X: il bordo delle ossa appare scuro ed arrotondato, la linea di frattura invece ben delineata.
In un rapporto di Friedenburg è stato descritto un paziente avente una frattura al malleolo medio della caviglia destra che era rimasta separata per oltre un anno.
Gli fu inserito un elettrodo di acciaio inossidabile direttamente all'interno della separazione e collegato al morsetto negativo. Un altro elettrodo, formato da una griglia di alluminio, fu posto sulla superficie della pelle, fissato con nastro adesivo e collegato al morsetto positivo. Gli elettrodi furono collegati ad un alimentatore di 10 mA all’esterno di una ingessatura leggera. Dopo 9 settimane di trattamento accuratamente controllato, la frattura risultò unita clinicamente e radiologicamente, ed il paziente riguadagnò rapidamente un completo uso dell'articolazione. Il gruppo di Friedenburg proseguì il lavoro in questa direzione riuscendo a migliorare la tecnica ed ottenendo altri successi, compresi quelli nel trattamento di pseudoartrosi congenita. Vengono riportati i risultati del trattamento di 57 casi di fratture non unite, e dettagli di un apparato multicatodo. Questo dispositivo usava una batteria da 7.5 V che, assieme ad un generatore di corrente a FET, erogava 10 mA (o 20 mA per ossa larghe) a ciascuno dei catodi. Veniva usata una griglia di acciaio inossidabile come anodo, posta sulla pelle. I 57 pazienti mostravano tutti una separazione dopo la frattura, e in 27 di questi era coinvolta la tibia. Dei 57 casi, 39 di essi mostrarono, dopo il trattamento, una congiunzione clinica e radiologica, che rappresenta una percentuale di successi del 68%; è interessante osservare in questo studio, che in 41 pazienti, i catodi (da 1 a 4, a seconda delle circostanze cliniche) furono inseriti nella zona di separazione, attraverso la pelle in anestesia locale, senza fare una completa incisione chirurgica. Questa procedura è chiamata "semiinvasiva".
Di particolare interesse nel contesto di questo quadro generale è l'intuizione che il passaggio di corrente può stimolare la crescita delle ossa. Questo può essere confrontato con le conclusioni del gruppo Friedenburg nelle quali sembra che, "...la formazione stimolata di ossa avviene sempre nelle vicinanze dell’elettrodo collegato al morsetto negativo e si irradia concentricamente verso l'esterno in un modo che coincide con le linee del campo elettrico". I livelli di corrente più efficienti e sicuri, dal punto di vista della necrosi al morsetto positivo, sembrano dipendere dal materiale impiegato per gli elettrodi; in questo devono essere coinvolti fenomeni elettrochimici. Si è visto ad esempio (Becker) che usando per elettrodo un filo di argento molto puro, gli ioni di argento mostravano proprietà antibatteriche.
Si è notato dagli esempi precedenti che l'applicazione clinica della stimolazione elettrica nella guarigione delle ossa, è stata indirizzata verso il trattamento di separazioni, dove falliva il normale processo di guarigione, piuttosto che nell'accelerazione del normale processo.
D'altro canto, Jorgensen ha trattato 28 nuovi casi di fratture tibiali con passaggio di "corrente diretta, variabile lentamente (<1 Hz)" attraverso il vuoto della frattura.Questo è stato reso possibile perché in questo caso particolare, l'osso fratturato è stato immobilizzato per mezzo di un apparato Hoffman, che richiede un rigido collegamento meccanico realizzato mediante viti passate attraverso l'osso nell'intorno della frattura. In questo caso le viti stesse vennero usate come elettrodi, e il rapporto di Jorgensen indica che "un'accelerazione del 30% nella guarigione è stata determinata dalla pressione meccanica dell'apparato Hoffman usato per l'immobilizzazione della frattura".
Un altro punto degno di nota è che come nei precedenti esperimenti su animali, gli studi clinici non hanno fornito chiare indicazioni su quali quantità elettriche sono principalmente responsabili della crescita stimolata delle ossa. I gruppi Friedenburg e Becker sottolineano che la crescita delle ossa avviene preferibilmente nelle immediate vicinanze della zona con cariche indotte negative, così che potrebbero essere coinvolte sia densità di corrente sia gradiente di tensione. Il gruppo Connelly sottolinea particolarmente l'importanza del periostio in questo contesto, e nota che negli esperimenti sugli animali, il flusso di corrente "... non crea un ponte di osteoblasti nella crepa ossea se non c'è uno strato di periostio a guidare e contribuire con le componenti cellulari alla formazione del callo".
Il gruppo di Becker ed altri gruppi hanno osservato che nel loro studio molti dei pazienti trattati con successo, hanno ricevuto oltre 0.61 J di energia elettrica, mentre qualche insuccesso ha ricevuto meno di 0.56 J di energia. La conclusione è che ci potrebbe essere semplicemente una soglia di energia necessaria al di sotto della quale non si osserva stimolazione, e il mezzo con il quale l'energia è iniettata è probabilmente di importanza secondaria.
Che i metodi di applicazione dell'energia elettrica potessero non essere di prima importanza fu supportato dal lavoro di stimolazione elettrica svolto usando campi elettrici e magnetici, come quelli che descriveremo ora.
Gli studi eseguiti sugli effetti dei campi elettrici e magnetici sulle strutture ossee hanno seguito percorsi simili a quelli che usavano passaggio di corrente. Bassett realizzo una osteotomia nella fibula di un coniglio anestetizzato che fu poi lasciato libero dopo il ricovero. Vennero montati dei piatti di ottone adiacenti alla zona della frattura, a 0.5 cm dalla pelle di ognuna delle zampe posteriori. Ad un set di piatti fu fornita energia da una batteria posta in uno zainetto sulla schiena, tale da generare un campo di circa 100 V/cm attraverso una zampa, mentre l'altro set, privo di energia fu tenuto per effettuare un controllo. Dopo tre settimane l'animale fu sacrificato, e un test di tipo meccanico indicò che la fibula in via di guarigione dalla parte attiva, era significativamente più forte dell'altra quando il piatto negativo risiedeva lateralmente (fuori la gamba) e quello positivo centralmente (dentro la gamba). Nel caso di polarità inversa, la fibula di controllo era più forte. Un ulteriore studio fu eseguito da Norton su dei galletti con metatarso interamente intatto. Le zampe dei galletti furono incassate in dei tubi di plexiglass di 0.8 cm di diametro e 1.5 cm di lunghezza. Dentro questi tubi vi erano degli elettrodi di rame, isolati dalla gamba mediante un batuffolo di cotone. Una serie di pulcini furono muniti di questo sistema di elettrodi, ai quali fu poi applicata un onda quadra unidirezionale a 5 Hz con dei voltaggi superiori ai 490 V. Fu fornita energia per 24 h ad un gruppo di 30 pulcini, e ad un altro gruppo uguale per 30 giorni. In ognuno dei due casi venne data energia ad una sola gamba mentre l'altra era tenuta inattiva per tenere un controllo. Fu scoperto che per ogni gruppo, la crescita dell'osso nella gamba attiva era alterata, e nel caso del gruppo dei 30 giorni fu osservato un evidente cambiamento nella crescita e nella forma dell'osso. Di grande importanza fu l'osservazione che i nuovi tessuti ossei erano frequentemente orientati verso l'elettrodo positivo, ossia dove le cariche indotte sono negative. Questo è in buon accordo con le varie osservazioni del gruppo di Friedenburg, relative alla preferenza di crescita ossea al morsetto negativo del generatore di corrente ed inoltre un evidente riassorbimento fu osservato dal lato opposto. Chiaramente, un approccio completamente non invasivo avrebbe rimarchevoli vantaggi in termini di sicurezza del paziente e convenienza, e ciò può essere realizzato mediante l'uso di campi magnetici tempo variabili applicati dall'esterno. Bassett fu il pioniere di questo concetto, e degli studi sugli effetti dell'applicazione di campi magnetici pulsanti attraverso osteotomie nella fibula dei cani. Un paio di bobine in aria furono assicurate su entrambi i lati di una zampa, in modo che l'asse del campo magnetico attraversasse la parte fratturata lateralmente. Due modalità di campi pulsanti furono usati per due gruppi di cani, il primo prevedeva impulsi a 1 impulso al sec., di durata di circa 1.5 ms, e il secondo a 65 impulsi al sec. con una durata di circa 0.15 ms. Una prima osservazione in questo studio fu che, per il gruppo di 65 pps, susseguenti test meccanici indicarono che (nel caso di animali 10 su 13), un miglioramento significativo di resistenza al piegamento (durezza) era presente nella fibula stimolata in confronto con l'altra. Secondariamente una piccola massa di callo fu osservata nella fibula stimolata in confronto con il controllo, insieme a "una evidente orientazione longitudinale dei nuovi tessuti, formatisi nello spazio vuoto presente nella gamba stimolata in cui è poi avvenuto un collegamento ...". Quest'ultima osservazione è in contrasto con quello osservato da Friedenburg, ossia che la crescita ossea avviene preferibilmente in prossimità di un morsetto negativo; e con Connelly, il quale osservò che nel passaggio di corrente tra due elettrodi attraverso una frattura, c'era " tendenzialmente una crescita di una grande quantità di callo intorno all'osso stimolato elettricamente ...". A prima vista questa osservazione appare contraddittoria ma può essere vista come due modi differenti di lavorare. Per esempio si è pensato che le attività degli osteoblasti possono essere stimolate nelle vicinanze degli elettrodi, forse l'applicazione di un campo magnetico tempo variabile o la sua corrente indotta, produce un effetto di riorganizzazione del tessuto piuttosto che di stimolazione degli osteoblasti. Questo punto è supportato dalla cura di alcuni casi di pseudoartrosi, il primo dei quali fu menzionato da Bassett nel 1974. Qui, Bassett osservò che i casi di guarigione con piccola massa di calli "sembravano confermare il concetto che le caratteristiche di un impulso avevano qualità 'organizzazionali' piuttosto che 'stimolatrici'". In questa ottica quindi, le due tecniche possono essere complementari invece che competitive. L'utilizzo di queste tecniche non pregiudica successivi interventi chirurgici. Il gruppo di Bassett dibatteva anche l'importanza dei parametri dell'impulso, per cui l’intensità del campo nella zona del distaccamento doveva essere di circa 1.2 - 1.6 mV/cm.

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