1

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne – tkanka kostna oraz chrzęstna

I. Pojęcia podstawowe

Wybrane właściwości materiałów biologicznych





OBCIĄŻENIE

ODCIĄŻENIE





Histereza





Histereza



Y

trwała deformacja

MATERIAŁ

SPRĘŻYSTY

MATERIAŁ

LEPKOSPRĘŻYSTY

MATERIAŁ

SPRĘŻYSTO-PLASTYCZNY

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

Podział materiałów ze względu na charakterystykę mechaniczną

2

TKANKI BIOLOGICZNE

Definicja:

„Tkanka to zespół komórek i ich wytworów (substancja międzykomórkowa)

o podobnym pochodzeniu, budowie, przemianie materii i przystosowanych

do wykonywania określonej funkcji.”

Tkanki ludzkie/zwierzęce tkanki można podzielić na:
 twarde (kości);
 miękkie: mogą podlegać DUŻYM odkształceniom, stąd często nazywane są

tkankami wysokoodkształcalnymi

.

a) przenoszące obciążenia (więzadła, naczynia krwionośne, skóra,…);
b) nieprzenoszące obciążeń (mózg, wątroba, nerki, płuca,…).

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

Porównanie kształtu krzywej zależności naprężenie–odkształcenie dla stali, kości, ściany
naczynia krwionośnego i skóry.

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

3

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

TKANKA KOSTNA

Szkielet osiowy

Szkielet osiowy:
- czaszka
- kręgosłup
- klatka piersiowa

Szkielet obwodowy

Szkielet obwodowy:
- kości kończyny górnej
- kości kończyny dolnej

SZKIELET, inaczej kościec lub układ kostny (skeleton)

- zbudowany jest z 206

206 kości

- waży średnio: 10 kg u kobiet i 12 kg u mężczyzn

4

2. Ochrona narządów wewnętrznych

1. Utrzymanie prostej postawy ciała

F

F

UNKCJA SZKIELETU

UNKCJA SZKIELETU

1. Utrzymanie prostej postawy ciała

3. Wraz z układem mięśniowym

wykonywanie ruchów

4. Rezerwuar minerałów (Ca i P)

Jeden wymiar z trzech przewyższa znacznie oba pozostałe, służą
one jako dźwignie i przyczepy mięśni. Są to np. kość udowa,
piszczelowa

KOŚĆ JAKO TKANKA

Podział kości ze względu na kształt:

Podział kości ze względu na kształt:

długie

długie (ossa longa),

krótkie (ossa brevia),

płaskie (ossa plana)

różnokształtne (ossa multiformia),

są to kręgi, kości twarzy

Występują tam gdzie masywna i silna budowa łączy się z
ograniczoną ruchomością. Są to np. kości nadgarstka lub
stępu.

Mają one wydłużony kształt w dwóch kierunkach, a w
trzecim mocno spłaszczone, są to kości sklepienia czaszki,
łopatka.

5

ZARYS HISTORYCZNY KONCEPCJI OPISU STRUKTURY KOŚCI

najwcześniejsze obserwacje

 na początku XVII wieku rozpoczęto obserwacje kości z użyciem pierwszych

mikroskopów optycznych

 pierwsze obserwacje bardzo różniły się od tego co wiemy dzisiaj o tkance

kostnej

 nie istniały opisy sieci mikrokanałów w tkance kostnej ani jej blaszkowej

(lamelarnej) struktury

 człowiek którego imieniem nazwano później odkryte jednostki strukturalne

tkanki kostnej nie był wcale pierwszym, które je opisał i nigdy ich nie widział

BIOMATERIAŁY

Materiały oraz chrzęstna

ZARYS HISTORYCZNY KONCEPCJI OPISU STRUKTURY KOŚCI

Clopton Havers (1655-1702

)

 jego opis kości jako struktury porowatej w 1691 powszechnie uznaje się, za

pierwszy naukowy opis tkanki kostnej

 wg tego opisu kość składa się z tkanki zbitej (lamelarnej) oraz gąbczastej (nie

uporządkowanej)

 tkanka zbita to szereg koncentrycznych cylindrów, z których zewnętrzne łączą

się ze sobą tworząc nasady, natomiast wewnętrzne przechodzą płynnie w
tkankę gąbczastą

 Havers uważał, że w przestrzeniach pomiędzy blaszkami kości nie ma naczyń

krwionośnych, lecz wypełnione są „olejem szpikowym”

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

6

ZARYS HISTORYCZNY KONCEPCJI OPISU STRUKTURY KOŚCI

Anton van Leeuwenhoeck (1632-1723)

 jego pierwszy opis kości jako struktury porowatej został przedstawiony na

posiedzeniu Royal Society of London w 1678 (13 lat przed Haversem)

 w 1693 powstał opis, który dotyczył przede wszystkim tkanki zbitej

i obserwacji przekrojów kości - w opisie tym można znaleźć klasyfikację
porów w kości:
- typ 1, najmniejsze (dzisiaj znane jako kanaliki wypustek osteocytów)
- typ 2, kręgi rurek (pierwszy opis osteonów oraz „kanałów Haversa”)
- typ 3, duże jamy (jamy resorpcyjne, wynik działania osteoklastów)

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

wiek XIX

 Burns (1841)

- kość zbita opisana jako zbiór osteonów (koncentrycznych blaszek

ułożonych wokół kanałów Haversa) oraz blaszek obwodowych wypełniających każdą
wolną przestrzeń wokół osteonów



Cruvelhier (1844)

- kość opisana jako zbiór blaszek lezących równolegle do

powierzchni zewnętrznej kości, przy czym niektóre z nich koncentrują się również wokół
kanałów biegnących wewnątrz kości

 Todd i Bowman (1845)

- pierwszy szczegółowy opis systemu osteonów, opisali kształt

kanału, ułożenie blaszek, jako pierwsi podali opis jamek osteocytów oraz sieci kanalików je
łączących, jako pierwsi nazwali osteon „systemem Haversa”

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

7

KOŚĆ JAKO STRUKTURA HIERARCHICZNA

KOŚĆ JAKO STRUKTURA HIERARCHICZNA

MAKROSTRUKTURA

(cała kość)

ARCHITEKTURA

(poziom tkanki)

MIKROSTRUKTURA

(osteon, beleczka kostna)

SUBSTRUKTURA

(poziom blaszki kostnej)

ULTRASTRUKTURA

(kryształ HA)

TKANKA

TKANKA KOSTNA

KOSTNA ZBITA

ZBITA (compactum) jest tkanką twardą,

tworzącą warstwę zewnętrzną kości, czyli korę. W normalnych
warunkach, są z niej zbudowane trzony kości długich (udowa,
piszczelowa, ramienna, itd.) oraz powierzchnie niektórych innych
kości np. czaszki. Podstawową jednostką budulcową jest osteon.

Struktura takiej kości stanowi o jej odporności mechanicznej przy
stosunkowo niewielkim udziale w procesach przemiany materii.

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne – tkanka kostna oraz chrzęstna

8

kanał Haversa

 naczynia krwionośne w kanale Haversa to

naczynia włosowate o średnicy ok. 15 mm, nie
zaopatrzone

w

żaden

rodzaj

komórek

mięśniowych, transport jonów przez ścianki
naczynia jest regulowany przez różnicę ciśnienia
w jamie szpikowej i kanale osteonu,

 nerwy w kanale Haversa to nerwy bezmielinowe

o średnicy ok. 4 mm, o nieznanej funkcji,

 w kanale Haversa mogą występować osteoblasty,

łączące

się

wypustkami

z

osteocytami

w

blaszkach osteonu, chociaż głównymi komórkami
występującymi na ściankach kanału są komórki
powierzchniowe.

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

9

blaszki osteonu

 blaszki zmineralizowanej macierzy tkanki kostnej ułożone koncentrycznie

wokół kanału, rozdzielone warstwami międzyblaszkowymi, kolejne blaszki
różnią się ułożeniem włókien kolagenu oraz orientację mineralizującej na nich
macierzy tkanki kostnej (osteony typu L,T,A), typowa grubość blaszki to 3 do
7 mm

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

T A L

 blaszki rozdzielone są warstwami o

strukturze amorficznej, chociaż mogą w
niej występować włókna kolagenowe
łączące blaszki między sobą

 ułożenie włókien kolagenowych oraz ich

wpływ na funkcję i właściwości osteonu
są wciąż dyskutowane od ponad 100 lat !

Właściwości mechaniczne pojedynczego osteonu

 pierwsze badania wytrzymałości na ściskanie, rozciąganie i ścinanie przeprowadzili

Ascenzi i Bonucci (1964),

próbki do próby rozciągania i ściskania zostały

przygotowane przez wycięcie podłużnych plastrów z kości wołu oraz człowieka
o grubości 30 mm, odcięcie pojedynczego osteony za pomocą igły oraz obróbkę
wykańczającą - uzyskano próbki o wymiarach 50x50x200 mm

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

wytrzymałość doraź na

[MPa]

moduł sprężystości

[GPa]

Rozciąganie
typ L

114 ± 17

11,7 ± 5,8

typ A

94 ± 15

5,5 ± 2,6

typ T

-

-

Ściska nie
typ L

110 ± 10

6,3 ± 1,8

typ A

134 ± 9

7,4 ± 1,6

typ T

164 ± 12

9,3 ± 1,6

Ścinanie
typ L

46 ± 7

3,3 ± 0,5

typ A

55 ± 3

4,1 ± 0,4

typ T

57 ± 6

4,2 ± 0,4

T A L

10

wytrzymałość doraź na

[MPa]

moduł sprężystości

[GPa]

Rozciąganie
typ L

114 ± 17

11,7 ± 5,8

typ A

94 ± 15

5,5 ± 2,6

typ T

-

-

Ściskanie
typ L

110 ± 10

6,3 ± 1,8

typ A

134 ± 9

7,4 ± 1,6

typ T

164 ± 12

9,3 ± 1,6

Ścinanie
typ L

46 ± 7

3,3 ± 0,5

typ A

55 ± 3

4,1 ± 0,4

typ T

57 ± 6

4,2 ± 0,4

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

 w próbie rozciągania

stwierdzono iż osteony typu L mają większą

wytrzymałość niż osteony typu A, stopień uwapnienia próbek nie miał wpływu
na wytrzymałość, osteony typu L o niskim uwapnieniu są plastyczne
i odkształcalne, natomiast zmineralizowane osteony typu L są wyjątkowo
sztywne

 w próbie ściskania

osteony typu T

wykazały się największą
wytrzymałością i sztywnością. Osteony
typu A były bardziej wytrzymałe niż
osteony typu L, nie wykazano różnicy w
wartości modułu sprężystości

 w próbie ścinania

najmniejszą

wytrzymałością charakteryzowały się
osteony typu L, pozostałe typy
osteonów miały zbliżoną
wytrzymałością

osteocyty, ich jamki i kanaliki

 osteocyty -

komórki kostne umieszczone w zmineralizowanej macierzy tkanki kostnej,

w wyniku „zabudowania” osteoblastów w trakcie tworzenia macierzy, ok. 10%
osteoblastów przechodzi w osteocyty

 jamki osteocytów -

wewnętrzne niecka w blaszce kostnej w której znajduje się

osteocyt, wypełniona płynem śródkostnym

 kanaliki -

łączą poszczególne jamki osteocytów, są wypełnione wypustkami

osteocytów oraz płynem śródkostnym .

w 1 mm

3

tkanki kostnej

26 000 jamek
1 000 000 kanalików

stosunek powierzchni do objętości

160 mm

2

/mm

3

kanaliki

5 mm

2

/mm

3

jamki

3 mm

2

/mm

3

kanał Haversa

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

11

TKANKA KOSTNA GĄBCZASTA

TKANKA KOSTNA GĄBCZASTA (spongiosum)

(spongiosum) zwana

również beleczkową różni się zasadniczo od kości zbitej.

Ma znacznie mniejszy ciężar właściwy i regularnie ułożony

system delikatnych, elastycznych połączeń przypominających

sieć, nazwanych beleczkami.

Sposób ich ułożenia pozwala na równomierny rozkład sił
działających na kości i odciążenie części szkieletu. Kość

gąbczasta jest bardzo aktywna metabolicznie, co wiąże się

m.in. z wbudowaniem lub uwalnianiem dużych ilości wapnia.

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

osteocyt

osteoklast

beleczki kostne

Wolne przestrzenie
(pory)

osteoblasty

blaszki kostne

TKANKA KOSNA GĄBCZASTA

TKANKA KOSNA GĄBCZASTA

12

W XIX wieku Mayer, Culman i Wolff wykazali, że na
budowę wewnętrzną struktury kości wpływają panujące
tam rozkłady naprężeń i odkształceń. Określa się to
prawem Wolff’a, które mówi, iż :

„struktura

trabekularna

(beleczkowata)

tkanki

kostnej w warunkach równowagi dostosowuje się
do kierunków naprężeń głównych”.

Określa się to jako zdolność kości do dostosowania się
do zewnętrznych obciążeń mechanicznych.

HIPOTEZA WOLFF’A

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne – tkanka kostna oraz chrzęstna

KOMÓRKI KOSTNE (osteo~)

osteoklasty

+

osteoblasty

+

osteocyty

proces remodelingu
w obrazie histologicznym

+ komórki powierzchni kości

13

Ca

Ca

PROCES REMODELINGU

PROCESY PRZEBUDOWY TKANKI KOSTNEJ

PROCESY PRZEBUDOWY TKANKI KOSTNEJ

STYMULACJA: OBCIĄŻENIA
ORAZ WARUNKI BRZEGOWE

REAKCJA: EFEKTY LOKALNE W POSTACI
NAPRĘZEŃ, ODKSZTAŁCEŃ,
ZMIAN GĘSTOŚCI ENERGII ODKSZTAŁCENIA

PROCESY FIZJOLOGICZNE
WYWOŁANE PRZEZ OBCIĄŻENIA
POWODUJĄ POWSTAWANIE
REAKCJI CHEMICZNYCH I BIOLOGICZNYCH

EFEKTY PROCESÓW CHEMICZNYCH,
BIOLOGICZNYCH i PIEZOELEKTRYCZNYCH

ZMIANA WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH,
ORAZ BUDOWY WEWNĘTRZNEJ
TKANKI KOSTNEJ

KOŚĆ ZBITA

KOŚĆ ZBITA
POW.WEWNĘTRZNA

KOŚĆ GĄBCZASTA
(BELECZKI)

KOŚĆ GĄBCZASTA
(PŁYTKA WZROST.)

14

A

B

α

E~ tgα

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE

A

B

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

WŁAŚCIWOŚCI LEPKOSPRĘŻYSTE, REOLOGICZNE

15

OSTEOPOROZA

MIT: osteoporoza dotyczy tylko tkanki
gąbczastej

kość gąbczasta stanowi 20% całkowitej masy kośćca

+

dysponuje 3x większą od kości korowej powierzchnią

równą 10 m2

80% całkowitej powierzchni kości podlegającej

przebudowie

FAKT: osteoporoza dotyczy w takim samym

stopniu tkanki gąbczastej jak i zbitej

B

A

C

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

Zależności pomiędzy architekturą tkanki, wiekiem i mechaniką tkanki kostnej
gąbczastej pochodzącej z trzonów kręgosłupa lędźwiowego (Mosekilde 1990).

16

PODSUMOWANIE

Materiały biologiczne

Tkanka kostna zbudowana jest z komórek kostnych, oraz z macierzy kostnej zbudowanej
z białek, głównie kolagenu (sprężystość) oraz substancji mineralnych (soli wapnia i fosforu
głównie HA) odpowiadających za twardość i wytrzymałość.

Tkanka kostna jest tkanką bardzo dobrze unaczynioną i unerwioną. Od zewnętrznej błony
pokrywającej kość – okostnej odchodzą poziomo w głąb kości naczynia krwionośne
Volkmanna, które łączą się z każdym z naczyniem krwionośnym Haversa z każdego kanału
osteonu. W okostnej (w włóknistej błonie otaczającej kość) znajdują się tzw. komórki
powierzchni kości, które potrafią zamienić się w zależności od potrzeby w osteoklasty lub
osteoblasty. Od nich zaczyna się wytwarzanie tkanki kostnej w okresie wzrastania kości lub
po ich złamaniu. Pozwala na przyrost kości na grubość.

Kość spełnia również bardzo ważną funkcję hematotwórczą. Jamki tkanki gąbczastej (pory)
wypełnione są czerwonym szpikiem kostnym, który jest miejscem powstawania elementów
morfotycznych krwi, takich jak erytrocyty, leukocyty oraz trombocyty.

Właściwości tkanki kostnej silnie zależą od struktury (w tkance zbitej od orientacji włókien
kolagenu w poszczególnych blaszkach kostnych, w tkance gąbczastej od kierunków
ułożenia beleczek kostnych = prawo Wolffa).
Tkanka kostna jest tkanką anizotropową zatem jej właściwości mechaniczne zależą silnie
od jej struktury i kierunku ułożenia poszczególnych elementów tworzących kość.

Tkanka kostna ulega ciągłym zmianom czy to np. dostosowując się do panujących
warunków czy poprzez procesy związane z wymianą wapniowo-fosforanową czy w końcu
po to w procesach samo-naprawy w procesach przebudowy tkanki kostnej zwanych
remodelingiem.

Remodeling kostny kontrolowany jest szereg czynników takich jak hormony, poziom
wapnia, poziom obciążeń które wpływają na każdy z etapów przebudowy:
1. Resorpcja (aktywacja osteoklastów – powstają luki resorpcyjne);
2. Odwrotna resorpcja (aktywacja osteoblastów – powstaje tkanka kostna pierwotna);
3. Mineralizacja tkanki kostnej (powstaje tkanka kostna wtórna).

W przypadku zaburzenia któregokolwiek z etapów remodelingu może dojść do powstania
trwałych ubytków w tkance kostnej, a w przyszłości do znacznych ubytków masy kostnej
prowadzących do zmian patologicznych (osteoporoza).

PODSUMOWANIE

Materiały biologiczne

17

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

TKANKA CHRZĘSTNA

Tkanka chrzęstna to rodzaj tkanki wysoko uwodnionej zbudowanej
A. z substancji międzykomórkowej – macierzy zbudowanej z dużych ilości włókien

białkowych kolagenowych i elastynowych, oraz z bardzo dużych cząsteczek, tzw.
proteoglikanami (połączenie sacharydu - białka), które posiadają zdolność wiązania
na siebie duże ilości wody i w ten sposób mogą troszczyć się o elastyczność
i amortyzację wstrząsów.

B. z komórek chrzęstnych – chondrocytów (grup izogenicznych);

Tkanka chrzęstna
A. ECM substancja międzykomórkowa,
B. grupy izotoniczne

Tkanka chrzęstna tworząca:

Powierzchnię stawową kości oraz płytkę wzrostową

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

18

W zależności od rodzaju i proporcji poszczególnych składników substancji
międzykomórkowej wyróżnia się:

1.

Tkankę chrzęstną szklistą budującą powierzchnie stawowe, przymostkowe części żeber.
Występuje także w części chrzęstnej nosa, nagłośni i w oskrzelach. Jej substancja
międzykomórkowa składa się w bardzo dużej części z włókien kolagenowych typu II i
nierozpuszczalnych w wodzie białek. Pojawia się ona najwcześniej w rozwoju zarodkowym
osobnika i w odpowiednich warunkach przekształca się w pozostałe 2 typy chrząstek. Z
wiekiem dochodzi do wzrostu liczby włókien co powoduje „zaróżowienie chrząstki.” oraz
odkładania soli mineralnych, głównie wapnia, co prowadzi do wzrostu łamliwości i
"ścierania" powierzchni stawów.

2.

Tkankę chrzęstną włóknistą - istota podstawowa zawiera bardzo dużo włókien
kolagenowych i stosunkowo mało grup komórek chrząstki, występuje w krążkach
międzykręgowych, w spojeniu łonowym , jest elementem łąkotki. Jest ona bardzo odporna
na zerwanie i dlatego współtworzy więzadła, ścięgna (w miejscu przyczepu ich do kości),

3.

Tkanka chrzęstna sprężysta zawiera w przeważającej ilości włókna elastyczne w postaci
gęstej siatki, nie ulega ona kostnieniu, buduje struktury związane z wydawaniem i
odbieraniem dźwięków: małżowinę uszną, trąbkę Eustachiusza, współtworzy krtań i
nagłośnię.

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

Skład tkanki chrzęstnej:

1. Chondrocyty 1-12%
2. Macierz chrzęstna:
-

Woda – 65-85%

- 30% wewnątrz włókien kolagenowych
- <5% w chondrocytach
- pozostały % to „wolna” woda, będąca wynikiem

ciśnienia osmotycznego proteoglikanów

-

Kolagen 50% - kolagen typów II, VI, IX, X, XI

-

Proteoglikany (PG) – 30-35%

Agrekan (dekoryna, fibromodulina, biglikan)

-

Pozostałe białka niekolagenowe 1-2%
agregaty kwas hialuronowy–agrekan,fibronektyna i inne…

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

19

Ze względu na morfologię chondrocytów, orientację włókien kolagenowych oraz zawartość
proteoglikanów, w chrząstce stawowej wyróżnia się cztery strefy:
powierzchniową, pośrednią, głęboką i zwapniałą.

różnica na różnych poziomach:
- w morfologii i ilości chondrocytów
- w rozmieszczeniu włókien kolagenowych
- w ilości PG

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

PROTEOGLIKANY

Związki chemiczne złożone z rdzenia białkowego połączonego z łańcuchami
glikozaminoglikanów (kwas hialuronowy) o wysokim stopniu zróżnicowania.

Najważniejszym proteoglikanem chrząstki jest Agrekan
– który zawdzięcza swą nazwę zdolności do agregacji

z kwasem hialuronowym.

Obecność

proteoglikanów

warunkuje

odporność

chrząstki na odkształcenia w wyniku działania dużych
sił, oraz dużą ściśliwość.

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

20

WŁÓKNA KOLAGENOWE

Białka kolagenowe tworzą włókna w których
dominującym typem jest kolagen typu II.

Dystrybucja, grubość i typ włókien zależy od
obszaru i rodzaju chrząstki.

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

CHONDROCYTY

Mają często kształt kulisty lub heksagonalny w centralnej części chrząstki (w strefie pośredniej)
lub spłaszczony w strefie powierzchniowej. Chondrocyty znajdują się w jamkach pojedynczo lub
w grupie kilku komórek tworząc tzw. grupy izogeniczne.

Do niedawna uważano, że chrząstka jest tkanką statyczną i nie ma zdolności regeneracyjnych.
Obecnie przeważają jednak poglądy, że w chrząstce zachodzą procesy odnawiania
proteoglikanów macierzy i posiada ona pewne zdolności odtwórcze .
Odbudowa chrząstki polega na lokalnej indukcji proliferacji chondrocytów i wytwarzaniu macierzy.
Dotyczy to zwłaszcza chrząstek powierzchni stawowych, które podlegają działaniu ogromnych
obciążeń i są szczególnie narażone na mikrourazy.

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

21

MECHANIZM DZIAŁANIA CHRZĄSTKI STAWOWEJ

Podczas odciążenia chrząstka stawowa wchłania płyn synowialny jak gąbka.
Podczas obciążenia ten płyn jest wyciskany z powrotem. Najwięcej tam, gdzie
obciążenie jest największe.

Przy tym płyn oddziela wzajemnie od siebie
części stawu i powstaje powłoka ślizgowa.
Poprzez to "smarowanie" staw ma pięciokrotnie
lepszą zdolność ślizgową niż lód.

Zmiany obciążenia i zwalniania stawu są
podstawą

dla

zaopatrywania

chrząstki.

W

procesie

wchłaniania

płynu

przez

chrząstkę dochodzi do jej odżywiania !!
Dlatego ruch jest tak bardzo ważny.

W Grunder et al.,Magn Res Med. 43: 884-891 (2000)

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE CHRZĄSTKI

Schinagl et al., J Orthop Res, 1997; Wilson et al., BMMB, 2006

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

22

Zwyrodnienie chrząstki stawowej („OSTEO”ARTRITIS)

Z biegiem lat zmniejsza się zdolność regeneracji tkanki chrzęstnej
- akumulacja uszkodzeń (zmieniają się warunki biomechaniczne stawu)
Reakcja tkanki kostnej objawia się bólem, co ogólnie prowadzi do utraty funkcji tego stawu.

Choroba nazywana “osteo”arthritis dotyczy stanu,
którym dochodzi również do zmian w obrębie tkanki
kostnej

Remodeling kostny = jako odpowiedź na utratę
chrząstki i pojawiające się w tym układzie coraz
większe obciążenia: dochodzi więc do:
– „zmiażdżenia” podrzęstnej tkanki kostnej

(subchondral bone sclerosis).

– zmiana orientacji poszczególnych beleczek kostnych
– ↑ obciążenia na „pozostałą tkankę chrzęstną”

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

1 stopień

2 stopień

3 stopień

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

23

3 STOPIEŃ – torbiele podchrzęstne + osteofity

Zmiana

parametrów

biomechanicznych

chrząstki

powoduje również zmiany w obrębie tkanki kostnej,
która

zagęszcza.

Ponadto

poprzez

stopniowe

„wchłanianie” płynu synowialnego z torebki maziowej
powstają w niej charakterystyczne „cysty – torbiele”.
W chrząstce powstają pęknięcia, staje się ona coraz
cieńsza i ucieka z niej woda, co z kolei pogarsza jej
elastyczność.

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

BV/TV = 32,20%

BV/TV=25,94%

BV/TV=10,81%

TKANKA KOSTNA PRAWIDŁOWA

COXARTROZA OA

OSTEOPOROZA OP

24

Tkanka chrzęstna razem z tkanką kostną stanowią tkanki podporowe i ściśle
współpracują między sobą. W porównaniu do kości substancja międzykomórkowa
chrząstki jest słabiej zmineralizowana i nie zawiera naczyń limfatycznych oraz naczyń
krwionośnych, wskutek czego odżywianie chondrocytów zachodzi wyłącznie drogą
dyfuzji.

W momencie obciążania pobierane i wchłaniane są substancje odżywcze .

Tkanka chrzęstna nie jest unerwiona.

Proteoglikany i kolagen (ECM) decydują o fizykochemicznych i mechanicznych
właściwościach tkanki chrzęstnej na każdym z 4 poziomów jej organizacji.

Remodeling tkanki chrzęstnej ma charakter lokalny, jest on regulowany przez aktywność
chondrocytów (komórek chrzęstnych). Zaburzenie właściwej równowagi pomiędzy
procesami syntezy i degradacji macierzy chrzęstnej może prowadzić do zmian
zwyrodnieniowych tkanki chrzęstnej (artrozy, osteoartrozy), które dotykają nie tylko tą
tkankę ale również tkanki otaczające.

PODSUMOWANIE

Materiały biologiczne – tkanka kostna oraz chrzęstna

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

TKANKI MIĘKKIE

(naczynia krwionośne)

25

 Tętnice typu sprężystego (średnica: 2,5-1 cm)
– duża średnica

 Tętnice typu mięśniowego

(średnica: 1 cm – 0,3 mm)

– dostarczają krew do organów i zmieniają

średnicę w zależności od potrzeb

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

NACZYNIA KRWIONOŚNE

1 – błona wewnętrzna;
2 – błona środkowa;
3 – błona zewnętrzna (przydanka).

Ściany naczyń krwionośnych są materiałami:

— anizotropowymi;

— o nieliniowych charakterystykach mechanicznych;

— podlegającymi dużym odkształceniom;

—nieściśliwym.

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

26

Podstawowymi

komponentami

strukturalnymi

budującymi

ściany

naczyń

krwionośnych są:

— komórki mięśni gładkich;

— włókna elastynowe;

— włókna kolagenowe.

Komórki mięśni gładkich są odpowiedzialne za aktywne właściwości mechaniczne
ściany naczynia, gdyż mają zdolność do kurczenia się i rozkurczania w odpowiedzi na
bodźce, w tym na bodźce mechaniczne.

Włókna

elastynowe i kolagenowe,

są odpowiedzialne za bierne

właściwości

mechaniczne ściany naczynia krwionośnego.

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

Włókna elastynowe:

- syntezowane są przez komórki mięśni gładkich jedynie we wczesnym dzieciństwie,

a czas ich biologicznego półtrwania wynosi około 70 lat;

- są strukturami o ”gumopodobnych” właściwościach mechanicznych, dlatego mogą

ulegać granicznie dużym odkształceniom, bez oznak zniszczenia struktury. Mogą
one dwukrotnie zwiększyć swoją długość i szybko powrócić do początkowego
rozmiaru;

- ulegają zniszczeniu przy niskich wartościach naprężeń;

- moduł Young’a włókien elastynowych waha się w przedziale od 0,28±0,04MPa

do 0,49±0,17MPa;

- ich charakterystyka naprężenie-odkształcenie aż do 300 % odkształcenia ma liniowy

przebieg.

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

27

Włókna kolagenowe:

 syntezowane są przez całe życie osobnicze człowieka przez komórki mięśni

gładkich, a czas jego biologicznego półtrwania wynosi średnio około pół roku;

 stanowią około 1/3 całkowitej masy białkowej ściany naczynia. Są odpowiedzialne

za utrzymanie prawidłowej architektury tkanki łącznej oraz integralności strukturalnej
ściany naczynia;

 w ścianach naczyń krwionośnych człowieka odkryto 7 różnych typów kolagenu.

W warstwie środkowej i zewnętrznej aorty najczęściej spotyka się włókienkowy
kolagen typu I i III oraz niewielkie ilości kolagenu typu IV i V;

 są strukturami o dużej wytrzymałości mechanicznej na rozciąganie (głównie

kolagen typu I i III), tj. około 20 razy wyższej niż w przypadku włókien elastynowych;

 ulegają zniszczeniu przy niskich wartościach odkształceń rzędu około 3÷4%;

 są od 100 do 1000 razy sztywniejsze niż włókna elastynowe; moduł Young’a dla

włókien kolagenowych waha się w przedziale od 120,0±10,0MPa do 130,6±63,7MPa.

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

3 obszary krzywej:

― Makroskopowe rozwiązywanie

się układu

― Mikroskopowe rozwiązywanie

się struktury

― Rozciąganie potrójnej helisy

i wiązań poprzecznych

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

28

Włókna elastynowe determinują zdolność
odwracalnego odkształcania się ścian naczyń
krwionośnych, a także ich sprężystość oraz
gumopodobne i izotropowe zachowanie się
pod wpływem obciążeń mechanicznych.

Włókna

kolagenowe

są

głównym

komponentem ściany naczynia krwionośnego
odpowiedzialnym

za

jej

wytrzymałość

mechaniczną.

Ponadto,

determinują

anizotropowe i nieliniowe zachowanie się
ścian naczyń krwionośnych pod wpływem
obciążeń mechanicznych.

Zdjęcie ściany naczynia krwionośnego z elektronowego
mikroskopu skaningowego:
(K – włókna kolagenowe, E – włókna elastynowe).

Znaczenie włókien elastynowych

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

Zachowanie się włókien pod wpływem obciążeń mechanicznych

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

29

Schematyczny przebieg nieliniowych charakterystyk obciążeniowych dla ściany naczynia krwionośnego:
a) naprężenie-odkształcenie w testach mechanicznych prowadzonych in vitro;
b) średnica-ciśnienie w testach prowadzonych in vivo.

Stopniowe

włączanie

włókien

kolagenowych

do

procesu

przenoszenia

obciążeń

mechanicznych,

skutkuje

silnie

nieliniowymi

charakterystykami

obciążeniowymi,

tj. zależnością między naprężeniem a odkształceniem w przypadku testów mechanicznych
prowadzonych w warunkach in vitro oraz średnicą a ciśnieniem obserwowanych w testach
prowadzonych in vivo.
W badaniach eksperymentalnych prowadzonych zarówno w warunkach in vivo jak i in vitro,
obserwowany jest wzrost sztywności ściany naczynia krwionośnego przy wyższych
wartościach obciążeń. W literaturze przedmiotu zjawisko to opisywane jest jako efekt
usztywnienia (stiffening effect).

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne

Zachowanie się włókien pod wpływem obciążeń mechanicznych

30

Schematyczna

krzywa

obciążeniowa

ściany

naczynia

krwionośnego obrazująca zachowanie się materiału podczas
procesu obciążania wstępnego.

W

testach

wytrzymałościowych

prowadzonych

w

warunkach

in

vitro

musi

być

przeprowadzony proces obciążenia wstępnego (pre-conditioning/ pre-stretching), w celu
odtworzenia rzeczywistych warunków pracy naczynia krwionośnego. W procesie cyklicznego
obciążania i odciążania ściany naczynia, obserwowany jest efekt obniżenia naprężeń (stress
softening). Efekt ten związany jest z przywróceniem włóknom elastynowym i kolagenowym
ich funkcji i obserwowany jest podczas kilku pierwszych cykli obciążeniowych, po czym
zanika, a materiał zachowuje się w niemalże powtarzalny sposób, w trakcie dalszego
cyklicznego obciążania i odciążania.

Ściana

naczynia

krwionośnego,

w

warunkach

in

vivo

jest

stale

obciążona

w

wyniku

działania

ciśnienia tętniczego krwi. Po usunięciu
wycinka

naczynia

krwionośnego

z organizmu żywego, dochodzi do
odciążenia

włókien

elastynowych

i kolagenowych i w następstwie tego
do zmiany wymiarów geometrycznych
pobranej

próbki.

Jest

to

typowe

zjawisko

termomechaniczne,

obserwowane

w

materiałach

„gumopodobnych”.

Zachowanie się włókien pod wpływem obciążeń mechanicznych

Właściwości mechaniczne wyznaczane są w celu:

- efektywnego rozwoju procedur diagnostycznych i terapeutycznych, które bazują na

modelowych opisach właściwości mechanicznych ścian naczyń krwionośnych np.:
przezskórna plastyka naczyń (PTA) czy chirurgia bajpasów;

- optymalizacji procesu projektowania nowoczesnych implantów w tym: stentów aortalnych

i wieńcowych, a także protez naczyniowych;

- ustalenia warunków brzegowych w obliczeniach numerycznych oraz stosowane są jako

dane wejściowe do projektowania systemów biomanipulatorów i robotów chirurgicznych,
wyposażonych w systemy sprzężenia zwrotnego sterowanego siłą (force feedback),
a także systemów wirtualnej przestrzeni;

- opracowania wiarygodnego opisu zmian zachodzących w układzie naczyniowym wraz

z wiekiem i rozwojem chorób, w tym w wyniku rozwoju tętniaka aorty brzusznej (TAB).

BIOMATERIAŁY

Materiały biologiczne