+ All Categories
Home > Documents > Biomecanica osului

Biomecanica osului

Date post: 15-Apr-2016
Category:
Upload: ana-maria-raluca
View: 133 times
Download: 17 times
Share this document with a friend
Description:
Biomecanica osului
28
BIOMECANICA BIOMECANICA OSULUI OSULUI
Transcript
Page 1: Biomecanica osului

BIOMECANICA BIOMECANICA OSULUIOSULUI

Page 2: Biomecanica osului

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.

Page 3: Biomecanica osului

canalicule

canal Volkman

Page 4: Biomecanica osului

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

Page 5: Biomecanica osului

Proprietăţile biomecanice ale osului

Comportamentul anizotropic al osului pentru un eşantion osos (epruvetă) testat la solicitarea de tracţiune pe patru direcţii: longitudinal (0o cu axa osului), la 30 o faţă de axa osului, la 60o şi transversal (90o)

Page 6: Biomecanica osului

Proprietăţile biomecanice ale osului cortical Rezistenţa la fractură a tuturor oaselor depinde în principal de proprietăţile mecanice ale ţesutului osos. Sunt câţiva factori importanţi care influenţează proprietăţile de material ale osului cortical. Unul dintre aceşti factori este reprezentat de viteza de încărcare a osului, exprimată ca forţa, la care ţesutul este supus, raportată la timp. Un eşantion de os cortical supus la o viteză de încărcare mare îşi măreşte modulul de elasticitate şi tensiunea de rupere, spre deosebire de cazul în care eşantionul este supus la o viteză de încărcare mică, unde aceşti parametri valori mici.

Diagrame tensiune deformaţie specifică pentru diferite viteze de încărcare.

Page 7: Biomecanica osului

Modulul de elasticitate şi tensiunea de rupere sunt aproximativ proporţionale cu viteza de deformaţie (deformaţie specifică pe secundă). Astfel, pentru valori mari ale vitezei de deformaţie, tensiune de rupere creşte de trei ori, iar modulul de elasticitate de două ori

Influenţa vitezei de deformaţie asupra tensiunii de rupere şi a modulului de elasticitate pentru un os cortical. Pentru variaţia vitezei de deformare din abscisă, tensiunea de rupere creşte de trei ori în timp ce modulul de elasticitate creşte de două ori

Diagrama tensiune deformaţie specifică. Punctul B reprezintă limita elastică (până la care materialul este elastic şi de la care începe curgerea), corespunzător acestuia este tensiunea elastică e (AB’) şi deformaţia specifică elastică e (AB”). Punctul C reprezintă limita de rupere, caracterizat de tensiunea de rupere r (AC’) şi deformaţia specifică de rupere r (AC”).

Page 8: Biomecanica osului

Când un os se rupe, energia stocată se eliberează, astfel, la o viteză mică de încărcare energia stocată se poate elibera numai prin producerea unei singure ruperi, forma geometrică a osului şi ţesuturile adiacente rămân relativ intacte, caz în care este posibil să existe sau nu o deplasare a fragmentelor osului. La o viteză de încărcare mare, energia stocată nu se poate elibera rapid numai printr-o singură rupere şi se creează mai multe fragmente osoase, deplasare mare şi, implicit, distrugerea ţesuturilor moi. În diagrama tensiune-deformaţie, cantitatea de energie stocată este reprezentată de aria cuprinsă între curbă şi axa deformaţiei

Diagrama tensiune deformaţie pentru situaţia mersului normal. Aria cuprinsă între diagramă şi axa deformaţiei reprezintă energia stocată de os. Din toată această energie numai o mică parte este utilizată de os

Page 9: Biomecanica osului

Proprietăţile biomecanice ale osului au modificări în funcţie de vârstă. Astfel, în timpul îmbătrânirii se observă o scădere a densităţii osoase, trabeculii devin mai subţiri, iar unii din trabeculii transversali se resorb. Rezultatul este marcat de subţierea osului cortical, ceea ce implică reducerea rezistenţei şi rigidităţii osului.

Page 10: Biomecanica osului

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

Page 11: Biomecanica osului

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.

corticalosMPa13778pentru87trabecularosMPa13778pentru5546

4,7

33,1

EE

E

Page 12: Biomecanica osului

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

Page 13: Biomecanica osului

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

Page 14: Biomecanica osului

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

Page 15: Biomecanica osului

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.

Page 16: Biomecanica osului

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

Page 17: Biomecanica osului

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.

Page 18: Biomecanica osului

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

Page 19: Biomecanica osului

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

Page 20: Biomecanica osului

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

Page 21: Biomecanica osului

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

Page 22: Biomecanica osului

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).

Page 23: Biomecanica osului

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

Page 24: Biomecanica osului

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.

Page 25: Biomecanica osului

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

Page 26: Biomecanica osului

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.

Page 27: Biomecanica osului

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)

Page 28: Biomecanica osului

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


Recommended