Biotribologie Lp3 biomecanica

8/11/2019 Biotribologie Lp3 biomecanica

1/27

BIOMECANICA LICHIDULUI SINOVIAL Lichidul sinovial este un lichid clar, vscos, asemntor albuului de ou, secretat nspaiul articular de ctre membrana sinovial, n cantitate de 1-5ml. El este un dializat alplasmei sanguine srac n substane solubile i n elemente figurate. Vscozitatea saeste datorat n primul rnd acidului hialuronic care este un dizaharat bogat polimerizati se afl n lanuri liniare de 2500 uniti, compuse din glicozamin i acid glicuronic. Acidul hialuronic este o molecul cu volum (diametrul de 3000 -4000) i greutatemolecular mare, concentraia normal a acestuia fiind de 3,5mg/ml de lichid sinovial is-a dovedit c descrete odat cu mbtrnirea. n cazul unor afeciuni articulare precuminflamaiile, lichidul sinovial i schimba aspectul i, implicit vscozitatea.

A lichid sinovial normal;B lichid sinovial extras dintr-oarticulaie cu artrit inflamatorie;

C lichid sinovial extras dintr-oarticulaie cu artrit inflamatoriecauzat de un oc traumatic (nacest caz lichidul sinovial esteamestecat cu snge);

D lichid sinovial extras dintr-oarticulaie cu artrit inflamatorie

sever


2/27


3/27

Proprietile lichidului sinovial sunt n funcie i de conformitatea suprafeelor articulare

Variaia vscozitii lichidului sinovial ia tensiunii normale pentru diferite

articulaii sntoase

Variaia vscozitii lichidului sinovial pentrudou cazuri de artroz de la nivelul

genunchiului: cazul 1 artroz avansat,cazul 2 artroz incipient


4/27

- la old articulaia este de tip sferic, deci cu o conformitate ridicat;- cotul este o articulaie de tip bicondilian, dar fr meniscuri articulare, cu o conformitatemare dar mai mic dect cea de la nivelul oldului;- genunchiul este o articulaie tot de tip bicondilian dar congruena articular esterealizat de formaiuni fibrocartilaginoase (meniscuri) cu o conformitate mai mic dect

cea a cotului,- articulaia gleznei este de tip a, cu cea mai mic conformitate dintre cele enumerateanterior.

n artropatii,coninutul de acid hialuronicscade prin mecanisme mecano-enzimaticei, n consecin, lichidul sinovial are uncomportament mai apropiat de celnewtonian, astfel nct, lichidul sinovial

obinut de la articulaii patologice manifesto reducere a vscozitii fa de cel prelevatde la articulaii sntoase.

Variaia vscozitii lichidului sinovialnormal i patologic

(dup Schurz i Ribitsch)


5/27

Gelul sinovial

a sub aciunea unei fore mici, este prezent un regim de squeeze, cu ndeprtarealichidului sinovial din spaiul intraarticular;

b creterea ncrcrii duce pe lng continuarea regimului de squeeze, la exsudarealichidului interstiial din zonele cu presiune mic i la concentrarea elementelor ce au unrol major n lubrifiere, n zonele de presiune maxim;

c o cretere accentuat a ncrcrii face ca moleculele de acid hialuronic i moleculelemari s fie prinse ntre suprafee, formndu-se, n acest fel, gelul sinovial.

Rolul principal al lichidului sinovial este acela de alubrifia articulai a


6/27

- Fosfolipidele active de suprafa au un rol deosebit de important n procesul delubrifiere, reducnd semnificativ, pe de o parte, coeficientul de frecare la valori foarte

mici (0,001-0,006), iar pe de alt parte uzura cartilajului articular chiar n condiiile unei ncrcri foarte mari

- Lubricinul, o glicoprotein care a fost izolat din lichidul sinovial, a fost identificat caavnd, de asemenea, un rol foarte important n lubrifierea limit [29], prin faptul cuureaz solubilitatea folsfolipidelor active de suprafa n ap.

- Proteolipidul, un alt component al lichidului sinovial, faciliteaz depunerea unui stratoligolamelar al fosfolipidelor active de suprafa i, n acest fel, faciliteaz lubrifierealimit de la nivelul suprafeelor articulare

Procesul de lubrifiere limit se autoadapteaz printr -un proces de remodelare. n acestproces fosfolipaza A2, care este secretat de sinoviocite i condrocite [32] este

responsabil de liza fosfolipidelor de suprafa.Prin urmare, s-a presupus c, dac nu este controlat, prezena sa n lichidul sinovialpoate distruge stratul de fosfolipide active de suprafa. Deci, este important de stabilitcare este factorul care guverneaz activitatea de liz a fosfolipazei A2 i de identificatelementul care protejeaz stratul de fosfolipide de suprafa care cptuesc cartilajul.

Componentele cu rol important n procesul de lubrifiere


7/27

1 strat de fosfolipide de su prafa; 2 molecule de acid hialuronic;3 molecule de fosfolipaz A2

Sistemul de lubrifiere al articulaiei sinovialei modul de degradare al stratului delubrifiant:

a Moleculele de acid hialuronicsunt ataate de fosfolipidele de suprafa

formnd un film de fluid. Fosfolipaza A2 este prezent dar este inactivat de moleculelede acid hialuronic;

b n condiiile unei ncrcriexcesive a articulaiei moleculele de acidhialuronic se degradeaz, apar radicali liberi

(OH), iar fosfolipaza A2 devine activdistrugnd stratul de fosfolipide desuprafa;

c Procesul continu pn cndstratul de lubrifiant este ndeprtat ntotalitate, realizndu-se contactul direct ntre

suprafeele articulare;


8/27

BIOTRIBOSISTEMUL ARTICULAR

1 - lichid sinovial (lubrifiant);2 - cartilaj (suprafa solid);3 - os subcondral;4 - capsul articular;5 - membran sinovial (mediul)

Articulaiile de tip sinovial au o structur complex comun celor mai multe articulaii ceaparin corpului omenesc. Termenul de sinovie provine din grecescul syn = mpreun ilatinescul ovum = ou, denumire dat de consistena lichidului sinovial care esteasemntoare albuului de ou. La formarea unei articulaii sinoviale participurmtoarele elemente componente: suprafeele articulare (cartilajele articulare), ntrecare se afl interpus lichidul sinovial i capsula articular compus dintr -un strat externcu structur fibroas (capsula articular) i un strat intern corespunztor membraneisinoviale.


9/27

Topografia suprafeelor articulaiilor sinoviale Din punct de vedere anatomic, articulaiile diartrodiale difer destul de mult din punct devedere geometr ic , ele fiind n general cu un grad ridicat al conformitii. Astfel, suntarticulaii care corespund unei cuple de clasa a II-a (pe suprafa plan clavicul pemanubriul sternal), cuple de clasa a III-a (articulaie sferic a umrului: humerus pescapul), altele corespund unei cuple de clasa a IV -a: elipsoidale (osul scafoid peradius), tip a (osul trapez care se articuleaz cu metacarpianul I), cuple de clasa a V -a:cilindrice (articulaie tip balama genunchi sau cot), de pivotare (atlasul pe axis)


10/27


11/27

a Textura suprafeei cartilajului articular vizualizat cu microscopul electronic (tnr de21 ani, cartilaj prelevat la autopsie, mrire 3000); b Suprafa tipic a cartilajuluiarticular cnd este afectat de artroz la care se observ fisuri adnci (mrire 3000);c Suprafaa cartilajului articular de la un cap femural a unui pacient n vrst, prelevat

n urma unei fracturi de col femural; nu este prezent artroza (mrire 1000);d Profilograme ale suprafeei cartilajului articular obinute de Talysurf


12/27

Un alt factor deosebit de important estem odif icarea ar ie i de con tact la ncrcarevariabil, deoarece cartilajul are modul deelasticitate mic i este uor deformabil.

La o ncrcare mic, aria de contact poate ficircular sau inelar (la old), tensiunile

normale i tangeniale avnd valori reduse.La o ncrcare mare , aria de contact semrete considerabil asigurndu -se oconformitate ridicat, rezultatul fiind apariiaunor tensiuni normale i tangeniale devaloare redus . Odat ce ncrcarea disparecartilajul i revine la forma iniial.


13/27

Micri i fore n articulaiile diartrodiale

Variaiile unghiulare i raportul dintre ncrcarea

ce acioneaz asupra articulaiei (F) i greutateacorpului (G), pentru un ciclu de mers exprimat procentual, n cazul articulaiilor portante


14/27

Frecarea n articulaiile sinoviale n sistemele tribologice, frecarea poate fi mprit n dou tipuri:- primul tip,frecarea de suprafa , poate fi generat ori de adeziunea dintre suprafee,ori de interaciunea dintre rugoziti sau de frecrile interne din interiorul filmului delubrifiant, datorate vscozitii acestuia.- al doilea tip de frecare, denumit i frecare intern sau de histeresis , apare prinmecanismul de disipare a energiei interne din substratul materialului corespunztorsuprafeelor de frecare. Frecarea de suprafa este diminuat de

prezena lichidului sinovial, cu att mai mult cuct acesta are un comportament nenewtonian.

Interpunerea acestuia ntre suprafeelearticulare (chiar i la ncrcri mari, situaie ncare se transform n gel sinovial) reducesemnificativ valoarea coeficientului de frecare,contactul direct dintre cartilagii fiind posibilnumai n existenei a diferite patologii articulare.

Frecarea intern este produs de curgereavscoas a fluidului interstiial prin matriceasolid. Acest tip de frecare apare n articulaiilesinoviale atunci cnd o ncrcare sedeplaseaz n lungul suprafeei articulare,ducnd, astfel, la exsudarea lichidului

interstiial, n zona ncrcat, i reabsorbiaacestuia n regiunile nencrcate.


15/27

Msurarea coeficientului de frecare Determinarea experimental a valorilor acestorcoeficieni s-a realizat, in vitro, prin dou modaliti:prima modalitate presupune utilizarea unor

dispozitive speciale denumite ar t ro t r ipsometre ,sau a unor pendule cu aplicabilitate pentru articulaii ntregi; a doua modalitate folosete suprafeecartilaginoase prelevate de la cadavru.

C fi i l d f di d f i l l i f i i


16/27

Autor Coeficient de frecare Articulaia testat Charnley (1960) 0,005-0,02 Glezn uman

McCutchen (1962) 0,02-0,35 Umr porcin Linn (1968) 0,005-0,001 Glezn canin

Unsworth (1975) 0,001-0,04 old uman Malcom (1976) 0,002-0,03 Umr bovin

Coeficientul de frecare dintre dou suprafee articulare are valori foarte mici ncomparaie cu materialele utilizate n practica curent

n urma acestor studii, au rezultat urmtoarele caracteristici pentru coeficientul defrecare:- crete n timp dup aplicarea ncrcrii;- este direct proporional cu mrimea ncrcrii;- are valori mici cnd se utilizeaz lichid sinovial;

- descrete atunci cnd apar oscilaii verticale.Lichidul sinovial asigur un minim al coeficientului de frecare numai n biotribosistemelespecifice articulaiilor diartrodiale. Extinderea acestui lubrifiant pentru tribosistemeidentice ca form i crora li se aplic aceeai vitez i sarcin, nu conduce lacoeficieni de frecare mici.


17/27

Lubrifierea n articulaiile sinoviale

Lub ri f ierea cu f i lm co nt inu u Reprezentareschematic a tipurilor delubrifiere cu filmcontinuu de la nivelulunei articulaii sinoviale:

a lubrifiere de tiphidrodinamic;

b lubrifiere squeeze(h f grosimea filmuluide lichid sinovial; h c grosimea cartilajului);

c lubrifiere prinexsudare (lichidulinterstiial iese dininteriorul cartilajului);

d lubrifiere prinimbibiie (filtratul delichid sinovial intr ninteriorul cartilajului)


18/27


19/27


20/27

a un model pentru studiul lubrifierii tip squeeze ntre o sfer rigid i impermeabil i un strat decartilaj de grosime hc susinut de esut osos. ntre suprafee se afl lichid sinovial;

b distribuia de presiuni, deplasarea suprafeeisferei i deplasarea suprafeei cartilajului, nfuncie de raza de aciune a filmului squeeze;c evaluare teoretic a curgerii fluidului pentrugrosimile minime ale filmului de lubrifiant de5 m, respectiv 50 m, n funcie de raza deaciune a filmului squeeze

L b ifi i i bibi i


21/27

Lubrif ierea prin imbibiie

Un alt mecanism posibil de lubrifiere al articulaiilor sinoviale a fost propus de Walker. Aceast teorie, denumit lubrifiere prin imbibiie (boosted lubrication), presupune codat cu apropierea suprafeelor articulare una de cealalt, componenta lichidului

sinovial fr acid hialuronic i macromolecule (filtratul de lichid sinovial), trece ncartilajul articular pe ntreaga regiune de contact, devenind lichid interstiial, n condiiileunei presiuni crescute, lsnd n urm un concentrat format din acid hialuronic iproteine complexe (gelul sinovial) care are rol n lubrifierea articulaiei. Este evidentfaptul c odat cu scderea spaiului dintre suprafeele articulare, rezistena efluxuluilateral al lubrifiantului va fi mai mare dect rezistena curgerii de imbibiie

Procesul de ultrafiltrare alichidului sinovial de ctrecartilajul articular. Soluiade baz, reprezint lichidsinovial fr complexulacid hialuronic -

proteinele mari

b f l


22/27

Lubrifierea limit Charnley, prin studiile efectuate, a sugerat faptul c ntre suprafeele articulare, n timpulfuncionrii normale a unei articulaii, se afl permanent interpus un strat monomolecular(de grosime 1100nm). Davies i colab., au mers mai departe i au presupus c stratulsubire de fluid (cteva straturi moleculare de ap) este adsorbit de suprafaa articular,fiind asigurat, astfel, stratul de lubrifiant pentru lubrifierea limit. Acest mecanism ntr ncategoria lubrifierii limit.

a regim de lubrifiere mixt,lubrifierea limit este prezentnumai la nivelul contactuluidintre vrfurile asperitilor;

b asperitate n contact unstrat monomolecular deglicoproteine ce este adsorbit desuprafaa cartilajului;

R i id l b i f i l


23/27

a variaia raportului for de reaciune-greutatea corpului i variaia unghiular(cu linie ntrerupt) pe un pas specificearticulaiei genunchiului;

b reprezentarea suprafeelor articulare pentru regimurile de lubrifiere nstaionare prelungit i celecorespunztoare celor patru faze

principale ale mersului

Regimuri d e lubr i f iere pe parcursulun ui c ic lu d e mers la ar t icula t ia t ib io- femurala

U i l iil di di l


24/27

Uzura n articulaiile diartrodiale n general, uzura se poate mpri n dou tipuri convenionale, i anume:

- uzura de suprafa (uzura de adeziune, de abraziune) i

- uzura din substratul materialului. Uzura din substrat (de oboseal) este independentde regimul de lubrifiere dintre cele dou suprafee i apare datorit tensiunii ciclice dinsubstratul cartilajului

Tensiunea ciclic rezult n urma aplicrii unei ncrcri periodice specific micriiarticulaiei n timpul activitii zilnice. Se estimeaz c pe perioad de 1 an articulaiilemembrului inferior sunt supuse la aproximativ 1.000.000 cicluri de ncrcare.

Tensiunile i deformaiile ciclice pot determina apariia unor fisuri, n interiorul cartilajulucare pot s creasc n dimensiune devenind ulterior rupturi microscopice.

Uzura prin solicitri repetate a fost demonstrat de Kerin i colab. prin supunerea unuiset de eantioane de cartilaj la o solicitare ciclic, in vitro.

Pe regiunile relativ netede ale suprafeei cartilaginoase, el a generat, prin tiere, fisuri dedimensiuni mici (simulnd, n acest fel, fisurile care pot s apar la nivelul suprafeeicartilaginoase, prin oc traumatic sau n urma unor artrite), dup care a supusarticulaiile la solicitri, de compresiune, repetate n intervalul de presiuni 2068MPa laun diametru al suprafeei de ncrcare de 9mm.


25/27

Propagarea fisurilor la o ncrcare ciclic, pe osuprafa circular cu diametrul de 9mm. Se observc lungimea fisurilor evolueaz rapid pe parcursul primelor 75 de cicluri de ncrcare

Configuraia fisurilor cartilajuluila sfritul perioadei de testare(sus). Eantionul testat a fostintrodus n ser fiziologic i lsatn imersie timp de 12 ore. Seobserv nchiderea fisurilor,datorat n principal rehidratriivolumului de cartilaj (jos)

Variaia uzurii


26/27

Exemplu de uzur de suprafa a unui cap femural

Fotomicrografii ale seciunilor verticale fcute prin cartilaj: a cartilaj normal cu

suprafaa intact; b suprafa articular uzat; c cartilaj uzat cu o fisur vertical ce poate merge pn n adncime

Variaia uzuriimasice nfuncie de timpa unui lot deeantioane de

cartilaj pentrudou presiuni.


27/27

Producerea particulelor de uzur la nivelulunei articulaii artrozice:1 cartilaj;2 particul de uzur; 3 - os

a b c

Vizualizarea tipurilor de particule de uzur ntlnitentr- o articulaie diartrodial

preluate prin microscopie

electronic: a particulntlnit ntr -o articulaieasimptomatic (posibil stare preartrozic);

b imagine a unei particule

de uzur specific uneiarticulaii cu poliartritreumatoid;

c imagine a unei particulede uzur specific uneiarticulaii artrozice (dupStachowiac)

Documents

Biotribologie Lp3 biomecanica