BIOMECANICA BIOMECANICA OSULUIOSULUI

BIOMECANICA OSULUI

Compoziţia şi structura osului

Componenta anorganică face ca osul să fie dur şi rigid, în timp ce componenta organică îi conferă acestuia flexibilitate şi rezistenţă la şoc.

Componenta minerală este formată, în principal, din calciu şi fosfat în special sub formă de mici cristale asemănătoare cu hidroxiapatita obţinută pe cale sintetică Ca10(PO4)6(OH)2. Aceste minerale, care reprezintă 65-70% din greutatea osului uscat, conferă ţesutului osos o consistenţă de solid, osul fiind, în acelaşi timp, un rezervor de substanţe minerale necesare organismului, în special calciul.

Colagenul constituie 95% din matricea extracelulară organică şi este în proporţie de 25-30% din greutatea osului uscat.

Substanţa fundamentală, înconjurată de complexul reţea de fibre de colagen – minerale, este constituită în special din proteine şi polizaharide sau glucozaminoglicani ce iau forma macromoleculelor complexe denumite proteoglicani.

Apa este relativ abundentă în osul viu fiind prezentă în proporţie de 25% din greutatea sa totală. Aproximativ 85% din apă se găseşte în matricea organică, în jurul fibrelor de colagen şi a substanţei fundamentale, restul de 15% fiind localizată în canale şi cavităţi care găzduiesc celulele osului, având rolul de transport a nutrienţilor şi a substanţelor reziduale rezultate în urma procesului metabolic al osului.

canalicule

canal Volkman

La nivel macroscopic, toate oasele sunt compuse din două tipuri de ţesut osos: cortical sau compact şi spongios sau trabecular

a – Os lamelar şi b – Os trabecular de la nivelul femurului uman

Proprietăţile biomecanice ale osului trabecular

Diferenţa majoră dintre osul trabecular şi cel cortical, constă în faptul că osul trabecular are o porozitate crescută. Porozitate este reflectată de măsurarea densităţii osului, care la osul trabecular variază între 0,1kg/dm3 şi 1kg/dm3, în timp ce densitatea osului cortical este de 1,85kg/dm3. Un os trabecular cu densitate de 0,2kg/dm3 are o porozitate de 90%

Curbele tensiune în funcţie de deformaţie specifică pentru osul cortical şi osul trabecular la două valori ale densităţii

Dependenţa între tensiune şi densitatea osului poate fi descrisă de relaţia:BA

unde: - tensiunea [MPa]; - densitatea [kg/dm3]; A – constantă; B – exponent.O relaţie în care valorile A şi B au o valoare exactă a fost propusă de Hayes:

260 În ceea ce priveşte dependenţa modului de elasticitate de densitate pentru osul trabecular a fost determinată experimental de Hayes:

32915 Eunde: E – modulul de elasticitate [MPa]; - densitatea [kg/dm3].

Dacă se consideră că densitatea osului trabecular de la vertebră este iniţial de 0,2kg/dm3 ca apoi ea să scadă la 0,15kg/dm3 (in urma unei imobilizări prelungite, sau datorită vârstei), tensiunea de rupere scade de la r,0,2 = 2,4MPa la r,0,15 = 1,35MPa, iar modulul de elasticitate, care are valoarea iniţială E0,2 = 23,3MPa devine, în urma scăderii densităţii E0,15 = 9,8MPa. În concluzie reducere densităţii cu 25% are ca efect scăderea, pe de o parte, a tensiunii de rupere la solicitarea de compresiune cu 44%, iar pe de altă parte, a modulului de elasticitate cu 58%. Tocmai de aceea, nu este surprinzător faptul că la persoanele în vârstă, deşi, radiografic, nu se constată schimbări semnificative ale densităţii vertebrelor, totuşi fracturile vertebrale produse prin compresiune sunt destul de comune, dată fiind rarefierea ţesutului osos.

corticalosMPa13778pentru87

trabecularosMPa13778pentru55464,7

33,1

EE

E

Comparaţie între structura osului trabecular de la nivelul unei vertebre lombare pentru:a – persoană în vârstă de 23 de ani;b – persoană în vârstă de 73 de ani

Comportarea osului la diferite tipuri de solicitări

Comportarea biomecanică a osului, sub acţiunea unor forţe sau momente, este în funcţie de proprietăţile sale mecanice, de caracteristicile sale geometrice, modul de aplicare a forţei, mărimea forţei şi frecvenţa încărcării.

Forţele şi momentele pot fi aplicate în diferite direcţii, producând: întindere, compresiune, încovoiere, forfecare, torsiune şi solicitări compuse

La nivel microscopic, mecanismul de rupere al osului supus la întindere se produce prin ruperea liniei de cement şi smulgere a osteonului

Solicitarea de întindere

Din punct de vedere clinic, fracturile produse prin solicitarea de întindere se întâlnesc la oasele în care componenta spongioasă este într-o proporţie mare. Ca exemplu, pot fi amintite fracturile produse la al cincilea metatarsial în zona învecinată inserţiei tendonului muşchiului scurt peronier lateral (peroneus brevis), sau fracturarea calcaneului în zona învecinată tendonului lui Achile

Solicitarea de compresiune

Fotomicrografie a unui eşantion de os cortical supus la solicitarea de compresiune. Săgeţile indică ruperea oblică a osteonilor

La nivel microscopic, fractura este oblică şi se produce prin ruperea în cascadă a osteonilor pe o direcţie înclinată faţă de direcţia de încărcare (figura 1.24) [1]. Din punct de vedere clinic, fracturile prin compresie sunt întâlnite de obicei la nivelul vertebrelor care sunt, în general, supuse la solicitări de compresie mari. Acest tip de fractură se întâlneşte frecvent şi la alte nivele la persoanele în vârstă, ale căror oase sunt fragile

Solicitarea de forfecare

Din punct de vedere clinic, fracturile prin forfecare sunt întâlnite la nivelul oaselor spongioase, cum ar fi fracturarea condililor femurali sau a platourilor tibiale.

Osul cortical are valori diferite ale tensiunii de rupere la solicitarea de întindere, tracţiune şi forfecare. El poate suporta tensiuni de compresiune cu valori mai mari decât cele din solicitarea de întindere, care la rândul lor sunt mai mari decât cele de forfecare

Tensiunile de rupere ale osului cortical au valorile cele mai mari pentru solicitarea de compresiune şi valorile cele mai mici pentru solicitarea de forfecare

Solicitarea de încovoiere Un caz tipic de fractură produsă prin încovoierea în trei puncte este cea care se întâlneşte la schiori. Astfel, atunci când, din diferite cauze, unul dintre schiuri întâmpină o rezistenţă la înaintare, va acţiona o forţă F asupra tibiei în zona de sus a clăparului, forţă cauzată de inerţia corpului, reacţiunile fiind prezente la nivelul articulaţiei genunchiului şi la articulaţia gleznei. Se produce un moment încovoietor maxim în zona de acţiune a forţei şi, în acest punct odată cu depăşirea tensiunii de rupere a osului se produce fractura. Deoarece osul este mai puţin rezistent la întindere (figura 1.27), fractura se va produce în zona posterioară a tibiei.

Solicitarea de torsiune

a – Eşantion nedeformat cu figurarea a două arii, una cu laturile paralele, respectiv perpendiculare cu axa neutră, iar cealaltă înclinată faţă de axa neutră cu 45o respectiv 135o; b – Eşantion supus la solicitarea de torsiune. Aria de sus este supusă la o forfecare pură, în timp ce aria de jos este supusă pe o latură la compresiune, iar pe cealaltă la întindere; c – Femur canin supus la solicitarea de torsiune. Săgeata indică apariţia unei fisuri iniţiale paralelă cu axa neutră datorată forfecării, o a doua fisură se iniţiază la 30o faţă de axa neutră, fiind rezultatul solicitării de întindere

Solicitări compuse

a – Variaţia tensiunii la nivelul suprafeţei anteromediale a tibiei în timpul mersului normal; b – Variaţia tensiunii la nivelul suprafeţei anteromediale a tibiei, în timpul alergării uşoare

Mecanismul de fracturare al oaselor lungi

Fracturi tipice ale osului lung, corespunzătoare tipurilor de solicitări. Traiectoria de fracturare poate varia în funcţie de mărimea încărcării şi de felul în care se compun forţele aplicate

Influenţa activităţii musculare asupra distribuţiei de tensiuni de la nivelul osului

a – Starea de tensiuni de la nivelul colului femural atunci când muşchiul gluteus medius este inactiv. În acest caz este prezentă o tensiune de întindere, i, la nivelul cortexului superior al colului femural, în timp ce la nivelul cortexului inferior acţionează o tensiune de compresiune c; b – Starea de tensiuni de la nivelul colului femural atunci când muşchiul gluteus medius generează, prin contracţia sa, forţa MGM. În această situaţie este prezentă numai o tensiune de compresiune c la nivelul cortexului inferior al colului femural, la nivelul cortexul superior existând o solicitare redusă care poate tinde la zero

REMODELAREA OSOASĂ

Osul are capacitatea de a se remodela în urma alterării formei, dimensiunii şi structurii sale, în scopul refacerii proprietăţilor mecanice iniţiale. Acest fenomen în care osul câştigă sau pierde ţesut lamelar sau spongios, ca răspuns la nivelul de încărcare, este exprimat de legea lui Wolff, care susţine că osul se poate densifica acolo unde este necesară o rezistenţă şi o rigiditate mare şi să se rarefieze unde nu este necesară o rezistenţă şi o rigiditate însemnată.

Vedere anteroposterioară (a) şi laterală (b) a unei ulne, după ce s-a extras cu întârziere materialul de osteosinteză (placă).

Mecanotransducţia reprezintă procesul prin care energia mecanică absorbită de os este convertită în semnale electrice şi/sau semnale biochimice. În principiu, toate eucariotele sunt mecanosensibile, iar forţele fizice precum gravitaţia şi solicitările mecanice, influenţează remodelarea de la nivelul tuturor celulelor din ţesuturile vii

Mecanosensibilitate. Datorită rigidităţii sale, la aplicarea unui sistem de forţe, deformaţiile osului sunt foarte mici, ceea ce presupune o mare sensibilitate de detecţie, de către os, a acestor deformaţii

Efectul piezoelectric constă în obţinerea unui potenţial electric în urma deformării lamelelor osoase (care la suprafaţă sunt hipomineralizate, conţinutul de fibre de colagen fiind bine reprezentat), acestea putând fi considerate ca având o structură cristalină

a – Fibră de colagen nedeformată în care sarcinile electrice sunt distribuite aleatoriu.b – Fibră de colagen supusă la solicitarea de forfecare. În zona superioară se acumulează sarcinile pozitive, iar în zona inferioară se acumulează sarcinile negative.

Generarea potenţialului electric prin curgerea fluidului interstiţial, apare atunci când la apariţia unei încărcări asupra osului care are ca efect deformarea acestuia (cu generarea de potenţial electric la nivelul pereţilor matricei poroase formată din lacune şi canalicule), se produce o curgere a fluidului interstiţial prin porii matricei.

Anumiţi ioni din lichidul interstiţial sunt atraşi de sarcinile opuse ale peretelui porului. Ionii rămaşi în zona centrală, cu aceeaşi sarcină electrică cu a peretelui, generează, la mişcarea lor prin interiorul porilor, un potenţial prin curgere

Curgerea fluidului interstiţial prin canalicule (în urma deformării osului) dă naştere la tensiuni de forfecare la nivelul pereţilor porilor

Ciclul de remodelare osoasă

Osul se resoarbe datorită activării osteoclastelor care eliberează calciul şi proteine în sânge, până când nivelul de calciu din sânge revine la concentraţia normală, efectul fiind generarea unei cavităţi în os ca urmare a procesului de resorbţie. În continuare, osteoclastele sunt înlocuite de osteoblastele active, care se deplasează în cavitate, unde are loc un proces de regenerare cu formare de os nou (prin preluarea de calciu şi de proteine din sânge) până când cavitatea se umple, moment în care osteoblastele redevin inactive. Acest proces este ciclic şi se desfăşoară pe durata întregii vieţi.

a - Procesul se iniţiază prin proliferarea celulelor osteoprogenitor (Op) care asigură formarea de preosteoblaste (P-Ob). Acestea se transformă în osteoblaste (Ob) active care sintetizează ţesut osteoid (TO), transformându-se, în cele din urmă, în osteocite (Oc);b – Odată cu umplerea cavităţii generate de osteoclaste, producţia de osteoprogenitori încetează, rămânând numai preosteoblastele postmitotice care se transformă în osteoblaste; c – Osteoblastele rămase nu mai sintetizează ţesut osteiod, totuşi, procesul de mineralizare continuând până când se obţine o suprafaţă netedă. Osteoblastele rămase se inactivează, devenind celule de suprafaţă (CS)

Schimbarea structurii osului trabecular la nivelul femurului proximal pentru fiecare caz de încărcare: a – sprijin unipodal; b – abducţie; c – adducţie

Configuraţia trabeculară în funcţie de tipul de mişcare

ASPECTE ASPECTE BIOMECANICE ALE BIOMECANICE ALE

CARTILAJULUI CARTILAJULUI ARTICULARARTICULAR

Compoziţia şi structura cartilajului articularCompoziţia şi structura cartilajului articular Condrocitele, cu o densitate mică în cartilajul articular, cu o concentraţie mai mică de 10% din întregul volum de ţesut, au un aranjament zonal ilustrat în figură.

Fotomicrograf (a) şi reprezentare schematică (b) a aranjamentului condrocitelor. În zona superficială ele sunt alungite, în zona de mijloc sunt grupate câte două, iar în zona profundă sunt dispuse în coloană

Colagenul. Este cea mai răspândită proteină din organism. În cartilajul articular colagenul este organizat structural la un nivel ridicat, care îi furnizează ţesutului o structură fibroasă.

Schiţa structurală a fibrilei în raport cu lanţul . Lanţurile (a) polimerizează formând structura de triplu helix (b), care la rândul lor formează molecule de tropocolagen (c) ce se unesc în fibrile (d) defazate una faţă de cealaltă cu un sfert de perioadă rezultând o structură repetitivă observabilă pe o imagine culeasă cu microscopul electronic (e)

a - reprezentarea schematică a cartilajului articular (Mow 1974);

b – fotomicrografie (3000) a aranjării structurale în cele trei zone ale cartilajului articular

Ilustrarea proprietăţilor mecanice ale fibrelor de colagen. Fibrele sunt rezistente la întindere (A) dar au o rezistenţă mică la compresiune (B) (Myers şi Mow, 1983

Dispunerea fibrelor de colagenDispunerea fibrelor de colagen

Proteoglicanii. Sunt molecule mari care se află atât sub formă de monomeri cât şi ca agregate. Monomerii, sau subunităţile, sunt formate dintr-o proteină centrală cu lungime de 200nm de care se leagă aproximativ 150 de glucozaminoglicani prin legături de tip O sau N. Keratansulfatul şi condroitin-sulfatul sunt doi glucozaminoglicani sulfataţi.

Lichidul interstiţial. Se găseşte din abundenţă în componenţa cartilajului articular şi are în componenţă apă, cationi liberi şi nutrienţi. Concentraţia sa este mai mare în zona superficială (80%) şi descreşte aproape liniar în adâncime ajungând în zona profundă la o concentraţie de 65%.

INTERACŢIUNEA STRUCTURALĂ DINTRE COMPONENTELE CARTILAJULUI INTERACŢIUNEA STRUCTURALĂ DINTRE COMPONENTELE CARTILAJULUI ARTICULARARTICULAR a – reprezentare schematică a

domeniului agregatului de proteoglicani (stânga) şi forţele de respingere dintre glucozaminoglicani (dreapta);

b – la aplicarea unei presiuni externe se produce reducerea domeniului urmarea fiind creşterea forţelor de respingere dintre glucozaminoglicani;

c – descreşterea pH-ului sau creşterea concentraţiei de ioni duce la reducerea forţelor de respingere şi implicit la scăderea domeniului

Comportarea biomecanică a cartilajului articularComportarea biomecanică a cartilajului articular Natura vâscoelastică a cartilajului articular

Polimer microporos:a) neîncărcat; b) încărcat; c) după îndepărtarea încărcării

a

ma

a

m

a

mam

a

a

EEEE

E1

Comportarea la fluajLa momentul t0 se aplică o tensiune de încărcare constantă. Se constată o deformaţie neliniară a cartilajului însoţită de exsudarea lichidului interstiţial, în zona în care intervine fluajul. Exsudarea este iniţial rapidă, rezultatul fiind o creştere rapidă a deformaţiei şi se diminuează gradual până când curgerea încetează. Fluajul încetează atunci când tensiunea de compresiune dezvoltată în matricea solidă este egală cu tensiunea exterioară. Tipic, pentru o grosime a cartilajului (de la 2mm la 4mm) uman sau bovin, pentru a se atinge echilibrul la fluaj, este necesar un timp de la 4 ore la 16 ore. Teoretic, se poate spune că timpul necesar pentru a se atinge echilibrul la fluaj, variază direct proporţional cu pătratul grosimii ţesutului. La o încărcare de valoare ridicată (peste 1MPa), 50% din volumul total de lichid interstiţial este exsudat. Studiile in vitro demonstrează că, atunci când ţesutul este imersat în ser fiziologic (după fluaj), fluidul exsudat este reabsorbit în totalitate în cartilaj.

Comportarea la fluaj şi la relaxareCele două răspunsuri fundamentale ale unui material vâscoelastic sunt fluajul şi relaxarea.

Fluajul intervine atunci când un solid vâscoelastic este supus unei încărcări constante, răspunsul fiind, iniţial, o deformaţie rapidă urmată de o deformaţia lentă, progresivă, până se atinge echilibrul.

Relaxarea are loc atunci când un solid vâscoelastic este supus la acţiunea unei deformaţii menţinută constantă, răspunsul fiind, iniţial, o tensiune de valoare crescută urmată de o descreştere lentă, progresivă.

Comportarea la relaxareRăspunsul cartilajului articular la aplicarea unei deformaţii constante, este ilustrat în figură. În acest caz, se aplică o deformaţie liniară (t0-A-B) până la valoarea 0 care apoi este menţinută constantă (B-C-D-E).

Relaxarea biochimică

Variaţia tensiunii interne a cartilajului articular, prin schimbarea concentraţiei soluţiei

Katchalsky a realizat un experiment care să evidenţieze schimbarea tensiunii de la nivelul fibrelor de colagen, prin aplicarea unei deformaţii constante asupra unui eşantion de cartilaj şi modularea presiunii interne prin schimbarea concentraţiei de ioni din soluţia în care a fost introdus eşantionul, măsurând în acelaşi timp tensiunea care apare la nivelul eşantionului, trasând o diagramă în care tensiune înregistrată este în funcţie de concentraţia soluţiei.

Iniţial cartilajul are o tensiune 1, menţinută la o valoare constantă până la momentul t1. În momentul t1 se modifică concentraţia ionică a soluţiei până la valoarea 0,15M prin introducere de NaCl. Imediat se constată o scădere a tensiunii cu valoarea NaCl, tensiunea stabilizându-se la valoarea 2 la momentul t2 t1.

BIOMECANICA BIOMECANICA LICHIDULUI SINOVIALLICHIDULUI SINOVIAL

BIOTRIBOLOGIEBIOTRIBOLOGIE

BIOMECANICA LICHIDULUI SINOVIALBIOMECANICA LICHIDULUI SINOVIALLichidul sinovial este un lichid clar, vâscos, asemănător albuşului de ou, secretat în spaţiul articular de către membrana sinovială, în cantitate de 1-5ml. El este un dializat al plasmei sanguine sărac în substanţe solubile şi în elemente figurate. Vâscozitatea sa este datorată în primul rând acidului hialuronic care este un dizaharat bogat polimerizat şi se află în lanţuri liniare de 2500 unităţi, compuse din glicozamină şi acid glicuronic. Acidul hialuronic este o moleculă cu volum (diametrul de 3000-4000Å) şi greutate moleculară mare, concentraţia normală a acestuia fiind de 3,5mg/ml de lichid sinovial şi s-a dovedit că descreşte odată cu îmbătrânirea. În cazul unor afecţiuni articulare precum inflamaţiile, lichidul sinovial îşi schimba aspectul şi, implicit vâscozitatea.

A – lichid sinovial normal;

B – lichid sinovial extras dintr-o articulaţie cu artrită inflamatorie;

C – lichid sinovial extras dintr-o articulaţie cu artrită inflamatorie cauzată de un şoc traumatic (în acest caz lichidul sinovial este amestecat cu sânge);

D – lichid sinovial extras dintr-o articulaţie cu artrită inflamatorie severă

Vâscozitatea lichidului sinovialVâscozitatea lichidului sinovial -vâscozitatea lichidului sinovial este direct proporţională cu concentraţia de acid hialuronic;

- elasticitatea şi dilatanţa instantanee: supus unui impact, lichidul sinovial se comportă ca un gel elastic graţie acidului hialuronic de a forma un asemenea gel. Această proprietate împiedică expulzarea lichidului sinovial dintre suprafeţele articulare şi amortizează şocurile transmise articulaţiei; - tixotropia – vâscozitatea lichidului sinovial diminuă proporţional cu creşterea vitezei relative dintre suprafeţe şi se măreşte la scăderea vitezei, sau altfel spus, produsul dintre viteză şi vâscozitate rămâne constant.

Variaţia vâscozităţii lichidului sinovial este corelată cu gradientul de viteză D definit de relaţia

huD

Proprietăţile lichidului sinovial sunt în funcţie şi de conformitatea suprafeţelor articulare

Variaţia vâscozităţii lichidului sinovial şi a tensiunii normale pentru diferite articulaţii sănătoase

Variaţia vâscozităţii lichidului sinovial pentru două cazuri de artroză de la nivelul genunchiului: cazul 1 – artroză avansată, cazul 2 – artroză incipientă

BIOTRIBOSISTEMUL ARTICULARBIOTRIBOSISTEMUL ARTICULAR

1 - lichid sinovial (lubrifiant); 2 - cartilaj (suprafaţă solidă); 3 - os subcondral; 4 - capsulă articulară; 5 - membrană sinovială (mediul)

Articulaţiile de tip sinovial au o structură complexă comună celor mai multe articulaţii ce aparţin corpului omenesc. Termenul de sinovie provine din grecescul syn = împreună şi latinescul ovum = ou, denumire dată de consistenţa lichidului sinovial care este asemănătoare albuşului de ou. La formarea unei articulaţii sinoviale participă următoarele elemente componente: suprafeţele articulare (cartilajele articulare), între care se află interpus lichidul sinovial şi capsula articulară compusă dintr-un strat extern cu structură fibroasă (capsula articulară) şi un strat intern corespunzător membranei sinoviale.

Topografia suprafeţelor articulaţiilor sinovialeTopografia suprafeţelor articulaţiilor sinoviale

Din punct de vedere anatomic, articulaţiile diartrodiale diferă destul de mult din punct de vedere geometric, ele fiind în general cu un grad ridicat al conformităţii. Astfel, sunt articulaţii care corespund unei cuple de clasa a II-a (pe suprafaţă plană – claviculă pe manubriul sternal), cuple de clasa a III-a (articulaţie sferică – a umărului: humerus pe scapulă), altele corespund unei cuple de clasa a IV-a: elipsoidale (osul scafoid pe radius), tip şa (osul trapez care se articulează cu metacarpianul I), cuple de clasa a V-a: cilindrice (articulaţie tip balama – genunchi sau cot), de pivotare (atlasul pe axis)

Microscopic, suprafeţele articulare sunt relativ rugoase, aşa cum a fost demonstrat de Talysurf prin examinarea unei suprafeţe articulare la microscop. Aceste suprafeţe sunt mult mai rugoase decât suprafeţele utilizate în mod curent în endoprotezarea articulară. Rugozitatea cartilajului are valoarea Ra = 16m

Studiile cu microscopie electronică pe suprafaţa unui cartilaj de adult (300), ilustrează o periodicitate (30-50m) între vârfurile rugozităţilor (după Clarke)

a – Textura suprafeţei cartilajului articular vizualizată cu microscopul electronic (tânăr de 21 ani, cartilaj prelevat la autopsie, mărire 3000); b – Suprafaţă tipică a cartilajului articular când este afectat de artroză la care se observă fisuri adânci (mărire 3000); c – Suprafaţa cartilajului articular de la un cap femural a unui pacient în vârstă, prelevată în urma unei fracturi de col femural; nu este prezentă artroza (mărire 1000); d – Profilograme ale suprafeţei cartilajului articular obţinute de Talysurf

Uzura în articulaţiile diartrodialeUzura în articulaţiile diartrodiale

În general, uzura se poate împărţi în două tipuri convenţionale, şi anume:

- uzura de suprafaţă (uzura de adeziune, de abraziune) şi

- uzura din substratul materialului. Uzura din substrat (de oboseală) este independentă de regimul de lubrifiere dintre cele două suprafeţe şi apare datorită tensiunii ciclice din substratul cartilajului

Tensiunea ciclică rezultă în urma aplicării unei încărcări periodice specifică mişcării articulaţiei în timpul activităţii zilnice. Se estimează că pe perioadă de 1 an articulaţiile membrului inferior sunt supuse la aproximativ 1.000.000 cicluri de încărcare.

Tensiunile şi deformaţiile ciclice pot determina apariţia unor fisuri, în interiorul cartilajului, care pot să crească în dimensiune devenind ulterior rupturi microscopice.

Uzura prin solicitări repetate a fost demonstrată de Kerin şi colab. prin supunerea unui set de eşantioane de cartilaj la o solicitare ciclică, in vitro.

Pe regiunile relativ netede ale suprafeţei cartilaginoase, el a generat, prin tăiere, fisuri de dimensiuni mici (simulând, în acest fel, fisurile care pot să apară la nivelul suprafeţei cartilaginoase, prin şoc traumatic sau în urma unor artrite), după care a supus articulaţiile la solicitări, de compresiune, repetate în intervalul de presiuni 2068MPa la un diametru al suprafeţei de încărcare de 9mm.

Propagarea fisurilor la o încărcare ciclică, pe o suprafaţă circulară cu diametrul de 9mm. Se observă că lungimea fisurilor evoluează rapid pe parcursul primelor 75 de cicluri de încărcare

Configuraţia fisurilor cartilajului la sfârşitul perioadei de testare (sus). Eşantionul testat a fost introdus în ser fiziologic şi lăsat în imersie timp de 12 ore. Se observă închiderea fisurilor, datorată în principal rehidratării volumului de cartilaj (jos)

Exemplu de uzură de suprafaţă a unui cap femural

Fotomicrografii ale secţiunilor verticale făcute prin cartilaj: a – cartilaj normal cu suprafaţa intactă; b – suprafaţă articulară uzată; c – cartilaj uzat cu o fisură verticală ce poate merge până în adâncime

Variaţia uzurii masice în funcţie de timp a unui lot de eşantioane de cartilaj pentru două presiuni.

Producerea particulelor de uzură la nivelul unei articulaţii artrozice: 1 – cartilaj;2 – particulă de uzură; 3 - os

a b c

Vizualizarea tipurilor de particule de uzură întâlnite într-o articulaţie diartrodială preluate prin microscopie electronică: a – particulă întâlnită într-o articulaţie asimptomatică (posibilă stare preartrozică);

b – imagine a unei particule de uzură specifică unei articulaţii cu poliartrită reumatoidă;

c – imagine a unei particule de uzură specifică unei articulaţii artrozice (după Stachowiac)

BIOMECANICA BIOMECANICA TENDOANELOR ŞI TENDOANELOR ŞI LIGAMENTELORLIGAMENTELOR

BIOMECANICA TENDOANELOR ŞI BIOMECANICA TENDOANELOR ŞI LIGAMENTELORLIGAMENTELOR

Aceste structuri sunt pasive (nu produc mişcare, precum muşchii), fiecare joacă un rol esenţial în mişcarea articulară.

Rolul ligamentelor şi a capsulei articulare, structuri care fac conexiunea os-os, este de a creşte stabilitatea mecanică a articulaţiei, de a ghida mişcarea articulară şi de a preveni o mişcare exagerată.

Funcţia tendoanelor este aceea de a ataşa muşchii de os, deci, de a contribui la producerea mişcării articulare. De asemenea, tendonul face posibil ca mijlocul muşchiului să fie la distanţă optimă de articulaţia asupra căreia acţionează, fără a fi necesară o lungime mare între originea muşchiului şi inserţia acestuia.

Patologia tendoanelor şi ligamentelor este comună. Pentru a înţelege în ce fel apar disfuncţiile şi mecanismul de regenerare, trebuie cunoscute funcţiile şi proprietăţile mecanice ale tendoanelor şi ligamentelor.

Compoziţia şi structura tendoanelor şi ligamentelor

Colagenul

MECANOTRANSDUCMECANOTRANSDUCŢIEŢIE

Elastina Proprietăţile mecanice ale tendoanelor şi ligamentelor sunt dependente şi de proporţia de elastină pe care aceste structuri o conţin. Proteina denumită elastină este prezentă în cantitate redusă în tendoane şi în extremitatea ligamentelor, dar în ligamentele elastice, precum ligamentul galben, proporţia fibrelor de elastină este substanţială. Substanţa fundamentală Substanţa fundamentală din ligamente şi tendoane este constituită din proteoglicani (peste 20% din matricea solidă), glicoprotine, proteine plasmatice şi o varietate de molecule mici.

Acţionează ca un liant între micriofibrilele de colagen.

Proteoglicanii pot ajuta la stabilizarea scheletului de colagen, din tendoane şi ligamente.

Contribuie la rezistenţa globală a acestei structuri compozite.

Structura exterioară a tendoanelor şi ligamentelor şi inserţia acestora pe os Sunt acoperite de un ţesut conjunctiv moale. La nivelul ligamentelor acest strat exterior nu are o denumire specifică, în timp ce la nivelul tendoanelor poartă denumirea de PARATENON

Micrografie electronică a inserţei unui tendon patelar de câine (×25.000). 1 – fibre de colagen paralele; 2 – fibrocartilaj nemineralizat; 3 – fibrocartilaj mineralizat; 4 – os cortical

Inserţia pe os a unui ligament colateral medial de şoarece. A – fibre de colagen; B – fibrocartilaj nemineralizat; C – fibrocartilaj mineralizat; D – os cortical

Rolul ligamentelor în stabilitatea mişcărilor Rolul ligamentelor în stabilitatea mişcărilor articularearticulare Stabilitatea articulaţiei genunchiului

Ligamentele colaterale au rol în: - stabilizarea mişcării de flexie extensie; - stabilizarea şi restricţionarea mişcărilor

transversale (în jurul unui ax perpendiculare pe planul frontal);

- stabilizarea mişcării rotatorii (în jurul axului mecanic al membrului inferior). Ligamentele încrucişate sunt cele care asigură mişcarea complexă a articulaţiei genunchiului de rostogolire, alunecare (în vecinătatea poziţiilor extreme de flexie şi extensie) şi combinaţia celor două (la o flexie intermediară). Stabilitate cinematică Stabilitate cinematică sagitalăsagitală

Stabilitatea sagitală asigurată de Stabilitatea sagitală asigurată de ligamentele încrucişate. 1-2 – ligamentele încrucişate. 1-2 –

ligamentul încrucişat anterior; ligamentul încrucişat anterior; 3-4 – ligamentul încrucişat posterior3-4 – ligamentul încrucişat posterior

Stabilitatea cinematică frontală

Reprezentarea Reprezentarea genunchiului stâng genunchiului stâng

asupra căruia asupra căruia acţionează un moment acţionează un moment încovoietor apărut în încovoietor apărut în timpul unor exerciţii timpul unor exerciţii fizice: a – momentul fizice: a – momentul încovoietor tinde să încovoietor tinde să

creeze genu valgum; b – creeze genu valgum; b – momentul încovoietor momentul încovoietor tinde să creeze genu tinde să creeze genu

varumvarum

În mişcările extreme, care se desfăşoară în În mişcările extreme, care se desfăşoară în timpul activităţilor sportive (fotbal, schi, etc.) timpul activităţilor sportive (fotbal, schi, etc.) apar momente de încovoiere care tind să apar momente de încovoiere care tind să schimbe dispunerea axului mecanic al schimbe dispunerea axului mecanic al membrului inferior şi, implicit, să poziţioneze membrului inferior şi, implicit, să poziţioneze genunchiul în genu varum sau genu valgum. genunchiul în genu varum sau genu valgum.

Stabilitatea rotatorie în extensieStabilitatea rotatorie în extensie Stabilitatea rotatorie, în extensie, a genunchiului: a – vedere în secţiune transversală a genunchiului, în poziţie relaxată, cu figurarea ligamentelor încrucişate (stânga) şi a celor colaterale (dreapta); b – poziţia ligamentelor încrucişate în rotaţie externă; c – poziţia ligamentelor colaterale în rotaţia externă; d – poziţia ligamentelor încrucişate în rotaţie internă; e – poziţia ligamentelor colaterale în rotaţie internă

Stabilitatea articulaţiilor coloanei vertebrale Stabilitatea articulaţiilor coloanei vertebrale Ligamentele vertebrale Restricţionarea mişcării de flexie [%]

Flexie redusă Flexie maximă

Ligamentul supraspinos/interspinos

8%(± 5%) 19%(± 7%)

Ligamentul galben 28%(± 10%) 13%(± 6%)

Ligamentul capsular 25%(± 8%) 39%(± 8%) Restricţionarea mişcării de flexie şi deviaţia standard (în paranteză) ca urmare a rezistenţei opuse de ligamentele vertebrale.

La nivelul coloanei vertebrale, conform studiilor efectuate, s-a observat că ligamentele vertebrale au o mare influenţă în restricţionarea mişcărilor. Astfel, după tăierea ligamentelor longitudinale se observa o marcantă descreştere a rezistenţei la flexie, dar în cazul rezecţiei articulaţiei zigoapofizare modificările sunt foarte mici. Aceasta denotă faptul că rezistenţa la flexie a articulaţiei zigoapofizare este dată de ligamentul capsular şi nu de contactul dintre feţele articulare. În restricţionarea mişcării, ligamentele supraspinoase şi interspinoase joacă un rol foarte important, dar numai în ultima jumătate a flexiei. Aceasta este datorată rigidităţii variabile a ligamentelor. Ligamentul galben (ligamentum flavum), care are o elasticitate ridicată, are rol în restricţionarea flexiei reduse, la flexie maximă rolul său fiind mai puţin important

Creşterea mişcării de flexie ca urmare a secţionării ligamentelor vertebraleLI – ligamentul intraspinosLS – ligamentul supraspinosLF – ligamentul galbenLC – ligamentul capsular

Forţe fiziologice care acţionează în tendoane şi Forţe fiziologice care acţionează în tendoane şi ligamenteligamente

Variaţia forţelor, pe un ciclu de mers, care acţionează asupra Variaţia forţelor, pe un ciclu de mers, care acţionează asupra ligamentelor: încrucişat anterior (LIA), încrucişat posterior ligamentelor: încrucişat anterior (LIA), încrucişat posterior (LIP), colateral medial (LCM) şi colateral lateral (LCL). În (LIP), colateral medial (LCM) şi colateral lateral (LCL). În partea de sus a diagramei sunt reprezentate, schematic, fazele partea de sus a diagramei sunt reprezentate, schematic, fazele mersului: Fc – faza de călcâi; Fr – faza de rulare a plantei pe mersului: Fc – faza de călcâi; Fr – faza de rulare a plantei pe sol; Fv – faza de vârf; Fp – faza de pendularesol; Fv – faza de vârf; Fp – faza de pendulare

Proprietăţile biomecanice ale tendoanelor şi Proprietăţile biomecanice ale tendoanelor şi ligamentelorligamentelor Elasticitatea neliniarăElasticitatea neliniară F1 = k0· Δ1

F2 = k0·Δ2+k1·(Δ2‒ Δ1)

F2 = k’2·Δ2

F3= k0·Δ3+k1·(Δ3‒Δ1) +k2·(Δ3‒Δ2)

F3 = k’3·Δ3

…….Fp= k0·Δp+k1·(Δp‒Δ1) +…+kp-

1·(Δp‒Δp-1)

Fp = k’p·Δp

Factori care afectează proprietăţile biomecanice ale tendoanelor şi ligamentelor

VârstaVârsta

Variaţia rigidităţii ligamentului colateral medial şi a inserţiei acestuia pe tibie în funcţie de vârsta animalelor

Pentru loturile cu vârstă mică (epifiză deschisă) are loc o avulsie tibială, în timp ce pentru loturile cu vârstă mai mare (epifiză închisă) ruptura ligamentului are loc în zona de mijloc (numai în 15% din cazuri are loc avulsia tibială), iar rigiditatea este mai mare. Acest lucru este explicabil prin faptul că odată cu maturizarea, are loc îngroşarea fibrelor de colagen, iar inserţia ligamentului pe tibie este mai rezistentă şi cu o rigiditate mai mare decât a zonei mediane a ligamentului.

Activitatea fizică şi imobilizarea Ca şi osul, ligamentele şi tendoanele se remodelează ca răspuns la solicitările mecanice exercitate asupra lor. Astfel, acestea devin mai rigide şi mai rezistente la solicitări mecanice intense, iar atunci când tensiunile exercitate asupra lor sunt mai mici, rezistenţa şi rigiditatea scad.Antrenamentul fizic, are ca efect o creştere a rigidităţii tendoanelor şi a rezistenţei interfeţei os-ligament. Tipton şi colab. au comparat: rezistenţa şi rigiditatea a ligamentului medial colateral de la un grup de 10 câini care au fost, zilnic, solicitat intens timp de 12 luni (alergare timp de o oră cu o viteză de 56km/h, completată de o alergare cu viteza de 78km/h, timp de 30min.) cu un grup martor de 7 câini, la care solicitările au fost în limite normale. Ligamentele cânilor cu activitate fizică intensă au devenit mai rezistente şi mai rigide decât ligamentele din grupul martor, ca o consecinţă a măririi diametrului fibrelor de colagen. De asemenea, din punct de vedere al proprietăţilor structurale, inserţia ligamentului pe os nu a suferit diferenţe semnificative, în schimb, rezistenţa la rupere a joncţiunii a crescut simţitor.

Woo a studiat efectul exerciţiilor de scurtă sau lungă durată asupra proprietăţilor biomecanice ale tendoanelor digitale de porc (corespunzătoare muşchilor flexori şi extensori ai degetului). În acest studiu, autorul a împărţit animalele în două grupe, prima grupă a fost supusă unui regim de mişcare intens timp de 3 luni (scurtă durată),a doua grupă durata exerciţiilor a fost de 12 luni (lungă durată). Regimul intens de mişcare a constat în faptul că animalele au alergat cu o viteză de 6 până la 8km/h pe o distanţă de 40km parcursă timp de o săptămână. Pentru comparaţie, s-a utilizat un grup martor care a avut o activitate fizică normală. După terminarea perioadei de efectuare a exerciţiilor, porcii au fost sacrificaţi, analizându-se atât structura tendoanelor cât şi inserţia acestora pe os: - scurtă durată nu există diferenţe semnificative, în ceea ce priveşte structura tendonului extensor al degetului, comparativ cu grupul martor. - lungă durată, s-a observat că s-a produs o creştere a secţiunii tendonului extensor, completată de o creştere, cu aproximativ 22%, a tensiunii de rupere la o solicitare de întindere. - inserţia celor două tendoane studiate pe os: a avut loc o creştere cu aproximativ 19%, a rezistenţei mecanice numai a joncţiunii os-tendon flexor (în cazul grupului cu exerciţii de lungă durată).

Noyes a demonstrat o reducere a proprietăţilor mecanice a complexului os-ligament-os de la nivelul genunchilor de primate imobilizate timp de 8 săptămâni. Când aceste ligamente au fost testate la întindere până la rupere, s-a constatat o descreştere cu 39% a forţei de rupere şi cu 32% a energiei stocate până la rupere, în comparaţie cu un grup martor, care a avut o activitate fizică normală. De asemenea, s-a observat o descreştere a rigidităţii şi, în consecinţă, deformaţii crescute ale ligamentelor imobilizate, comparativ cu lotul martor. La primatele imobilizate a căror ligamente nu au fost testate, s-a stabilit un program de recuperare iniţiat imediat după perioada de imobilizare. S-a demonstrat faptul că recondiţionarea ligamentelor necesită o perioadă îndelungată. Astfel, după 5 luni de recuperare, ligamentele au prezentat o rigiditate cu 20% mai mică decât a grupului martor. Acest parametru a devenit comparabil cu cel al grupului martor de abia după 12 luni de recuperare.

Woo şi Gomez au sintetizat diferitele rezultate experimentale obţinute de-a lungul timpului, într-o diagramă care ilustrează răspunsul atât a proprietăţilor structurale, cât şi a proprietăţilor mecanice pentru substanţa ligamentară şi a joncţiunii ligamentului pe os, în condiţiile exerciţiilor fizice, a recuperării şi a imobilizării.Se observă că activitatea fizică intensă (exerciţii fizice), duce la o îmbunătăţire a proprietăţilor structurale şi biomecanice ale ligamentelor, în timp ce, imobilizarea duce la o degradare a structurii şi la scăderea rezistenţei mecanice. Activitatea de recuperare, de lungă durată, este deosebit de importantă, cu atât mai mult cu cât matricea ligamentară se regenerează mult mai rapid (săptămâni) decât inserţia ligamentului, sau a tendonului pe os (luni).