BIOMECHANIKA TKANEK

Wprowadzenie

Na początek spróbujemy rozszerzyć trochę nasza tematykę i potraktujemy układ ruchu nie tylko jako zespół mięśni (siłowników), dźwigni kostnych i zawiadujący tym układ nerwowy. W szczególności należy uświadomić sobie ścisłe zależności między właściwościami biomechanicznymi tkanek układu ruchu a aktywnością organizmu oraz nierozerwalnie z związane z nią procesami troficznymi czy adaptacyjnymi. Jak również uwzględnić wpływ patologii na i towarzyszące jej procesy naprawcze. Zmiany pojawiają się na poziomie całego ustroju, jak i na poziomie tkanek tworzących układ ruchu.

Ciało człowieka wystawione jest na ustawiczne działanie różnorodnych sił zewnętrznych oraz generowanych wewnątrz organizmu. Podczas tych działań w układzie ruchu powstają różnorodne siły ściskające i skręcające oraz powiązane z nimi momenty sił. Mogą one wielokrotnie przekraczać ciężar ciała. W warunkach dynamicznych naprężenia mogą nawet przekraczać granice wytrzymałości tkanek. Powstają wtedy uszkodzenia upośledzają aktywność ruchową organizmu i tym samym pojawia się efekt błędnego koła: uszkodzenie upośledza funkcję narządu ruchu, a to z kolei prowadzi do zmian strukturalnych ( odwapnienie kości, zanik mięśni itp.) pogłębiających niewydolność układu ruchu. W procesie rehabilitacji należy dążyć do przerwania tego błędnego koła.

Zasadniczą grupą urazów występujących w układzie ruchu, są tzw. Mikrourazy. Drobne uszkodzenia tkanek, występujące w czasie nadmiernego wysiłku, są impulsem do przebudowy (rozbudowy) tkanek narządu ruchu. Długotrwałe obciążenia, kumulacja mikrourazów prowadziło zwyrodnienia aparacie ruchu.

WYKŁAD 4

Temat Fizyczne właściwości kości i funkcjonalna adaptacja kości w stanach patologicznych.

Zagadnienia: Elastyczność i wytrzymałość kości, kształt i konstrukcja elementów szkieletu. Stany zmienionej statyki, przebudowa kości w stanach pourazowych, zapalnych, nowotworowych, wady wrodzone

Kości:

Kości, połączenia stawowe oraz mięśnie tworzą całość biomechaniczną nazywaną narządem ruchu. Zarówno ich rozwój jak i funkcjonowanie są od siebie wzajemnie zależne. Patologie mięśniowe maja szkodliwy wpływ na stan stawów i kości.

Czynnikiem decydującym prawidłowym działaniu aparatu ruchu jest równowaga mechaniczna regulowana przez

aktywność ruchowa organizmu. Jest ona źródłem bodźców mechanicznych niezbędnych do prawidłowego

funkcjonowania tkanek narządu ruchu. Zachodzi sprzężenie zwrotne: prawidłowa aktywność ruchowa

organizmu jest źródłem bodźców niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania tkanek narządu ruchu , a

prawidłowe funkcjonowanie tkanek pozwala na prawidłową aktywność ruchową.

Bodźce mechaniczne powstające podczas aktywności ruchowej stymulują nie tylko rozwój, ale kontrolują

procesy odżywcze w tkankach. Szczególną rolę odgrywają tu bodźce dynamiczne. Bodźce statyczne mająraczej

wpływ na degenerację tkanek.

Najlepsze warunki do funkcjonowania tkanek zapewnia działanie na organizm umiarkowanych bodźców o

zmiennym nasileniu.

Morfologia i fizjologia kości

Kości stanowią mechaniczną ramę, której zadaniem jest:

1) utrzymanie kształtu całego organizmu

2) zespoły dźwigni kostnych pozwalają na przekształcanie skurczu mięśni na siły i momenty niezbędne do wykonania reakcji ruchowej

W ciele człowieka mamy 206 kości. Ich położenie i kształt zależy od funkcji pełnionych w organizmie. Głównym bodźcem mechanicznym działającym na kości są siły zewnętrzne związane z działaniem pola grawitacyjnego oraz siły wewnętrzne powstające w trakcie wykonywania ruchu.

Wewnętrzna struktura kości odzwierciedla działanie na nią sił fizycznych. Potwierdza zależność między

architekturą kości a jej funkcją. Kość jest metabolicznie aktywna strukturą zdobią do dynamicznej adaptacji.

Strukturę aktywną kości tworzą powiązane z sobą komórki: osteoblasty i osteoklasty oraz substancja

międzykomórkowa — macierz kostna.

Tkanka kostna może dostosowywać się do wymagań mechanicznych oraz zdolność samonaprawy w przypadku

uszkodzenia.

Gęstość kości( a związku z tym wytrzymałość) maleje po dłuższym okresie unieruchomienia a wzrasta w

wyniku intensywnego treningu.

Zmiany kształtu i przebudowa kości są charakterystyczne dla procesu gojenia złamania.

Kość jest wy specjalizowaną formą tkanki łącznej. Wyróżnia ją twardość. Jest ona związana z wbudowaniem w miękki szkielet kolagenowy substancji nieorganicznych w tym:

1) soli wapnia ( głównie w postaci hydroksyapatytuCa l0(PO4)6OH2

2) fosforu sodu

3) magnezu

4) fluoru

5) i innych w ilościach śladowych

Zawartość substancji mineralnych kościach sięga 70%, pozostałe 30% to części organiczne. Część organiczna to:

1) osteocyty 90%

2) macierz kostna ( kolagen i inne białka)

3) woda

4) cukry ( mukopolisacharydy)

Kości otrzymują ok. 5% objętości krwi. Kości długie otrzymują krew przez trzy systemy krążeniowe:

1) Odżywczy

2) Okostnowy

3) Przynasadowy

t

Kości są głównym magazynem i źródłem zaopatrzenia organizmu w podstawowe pierwiastki. W kościach jest magazynowane 99% wapnia.

Jony wapnia decydując aktywności komórek mięśniowych i nerwowych

Wpływają na przepuszczalność błon komórkowych oraz na aktywność niektórych enzymów.

Ich stężenie jest zapewniane przez wewnętrzne mechanizmy regulacyjna zapewniające homeostazę wapniową.

Makroskopowo kości składają się z dwóch części

Zewnętrznej, zbitej nazywanej Kością korową

We wnętrzu kości krótkich, płaskich oraz w nasadach i w odcinkach przynasadowych kości długich występuje

substancja gąbczasta nazywana kością rdzeniową.

Kość korowa stanowi 80% tkanki układu szkieletowego.

Cechy kości korowej:

1) Powolny proces przemiany

2) Znaczna odporność na zginanie i skręcanie

3) Wysoki moduł sprężystości

Jest zbudowana ze ściśle upakowanych osteonów nazywanych od nazwiska XVII wiecznego anatoma Kantami Haversa. Utworzone są przez koncentryczne blaszkowate cylindry otaczające centralny kanał naczyniowy.

Każda blaszka kostna grubości 3-7 μm zbudowana jest z równolegle ułożonych włókien kolagenowych. W kolejnych blaszkach układ włókien jest inny.

Wokół kanału Haversa znajduje się 4-20 koncentrycznie ułożonych blaszek kostnych, otoczonych na zewnątrz tzw. Linią cementową ( l -2 μm grubości). Jest ona zbudowana ze zwapnionych mukopolisacharydów i łączy sąsiednie osteony.

Kość korowa ma dwa systemy wzajemnie połączonych kanałów.

Większy system porowatości naczyniowych utworzony przez kanały Haversa ( średnica 22-110 μm, w nich są rozmieszczone naczynia krwionośne i włókienka nerwowe. Oraz Mniejszy o średnicy poniżej pół mikrona, który jest wypełniony płynem pozakomórkowym w który są wbudowane osteocyty. Są one rozlokowane wzdłuż granicy każdej warstwy blaszki kostnej w niewielkich zatokach (lacunae) w kształcie dysku.

Osteocyty pomagają w wymianie materiału między płynem tkankowym a macierzą kostna.Mają również

znaczenie dla funkcji mechanosensorycznych.

Naprężenia mechaniczne i odkształcenia powstające w kości podczas wykonywania ruchu powodują

przemieszczenia płynu oraz generację wewnętrznych potencjałów elektrycznych.

Potencjały te regulują aktywność kościotwórczych i kościogubnych.

Kość rdzeniowa ma mniejszą gęstość upakowania i jest bardziej elastyczna. Zbudowana jest z beleczek kostnych tworzących gąbczastą strukturę. W jej zagłębieniach znajduje się szpik kostny.

Kość zbita i gąbczasta ma podobną charakterystykę materiałową i morfologiczną. Różnica dotyczy stopnia

porowatości.

Kość korowa ma porowatość w granicach 5-30%, porowatość kości rdzeniowej sięga 30-90%

Biomechanika kości

Culmann w 1867 stwierdził, że kość udowa zbudowana jest na podobieństwo żurawia.

Jego konstrukcja oparta jest na zasadzie najwyższej wytrzymałości największej ekonomii materiałowej. Culman stwierdził, że przebieg beleczek kostnych, zwanych trajektoriami, jest matematycznie zgodny z tzw. Ortogonalizmem, tzn. krzyżowaniem się pod katem prostym różnych systemów beleczkowych.

W 1870 Wolff: kość gąbczasta pod wpływem nowych warunków mechanicznych (ucisk, rozciąganie)ma zdolność przebudowy ( reorientacji) systemu belecżkowego.

Pod wpływem ściskania czy rozciągania nie złamanej, a także jej odłamów po złamaniu występują zjawiska piezoelektryczne, które mają ważny wpływ na powstanie struktury kostnej w kostninie, a przedtem przyspieszają gojenie się odłamów.

Prawo funkcjonalnej przebudowy kości Wolffa zyskało ostateczną formę 1892 roku i można je ująć następująco: Kość sama zmienia kształt w warunkach normalnych i patologicznych, tak aby wytrzymać maksymalny ucisk przy minimalnym wydatku tkanki kostnej; ta reorientacja architektury wewnętrznej kości dokonuje się w stopniu niemal matematycznej perfekcji przez proces wchłaniania się i odkładania tkanki.

Być może dzieje się to pod wpływem sygnałów elektrycznych pojawiających się pod wpływem działania sił mechanicznych, czy też pod wpływem nieznanych bliżej sygnałów chemicznych modyfikujących kierunek działania osteoklastów i osteoblastów.

Wg Joresa ucisk nie zawsze jest bodźcem wzrostu, lecz może mieć też efekt hamujący a nawet prowadzić do

zaniku. Zanik taki występuje, gdy ucisk jest nadmierny lub stały , lub gdy okresy ucisku są dłuższe niż okresy

bez ucisku.

Z drugiej strony kość może reagować na wstrząsy lub przerywany ucisk rozrostem. Przejawia się to

wytwarzaniem dziobów i mostków w zmianach zwyrodnieniowo-zniekształcających kręgosłupa i i innych

stawów, gdy buforowe działanie krążka międzykręgowego czy chrząstek stawowych lub łąkotek staje się

niedostateczne.

Elastyczność i wytrzymałość kości

Reakcję kości na działanie sił określają dwie fizyczne własności tj, elastyczność i wytrzymałość.

Elastyczność oznacza możliwość deformacji kości bez jej złamania

Wytrzymałość wskazuje na siłę, która działając na jednostkę przekroju po rzecznego, powoduje jej

złamanie lub niewydolność.

Elastyczność kości

W 1660 roku Hooke stwierdził,że istnieje zależność między siłą i wydłużeniem Jedna jednostka siły daje jedną jednostkę wydłużenia, dwie jednostki siły dają dwie jednostki wydłużenia.

Tkanki są = elastyczne, poddane działaniu siły odkształcają się i powracają do swojego poprzedniego kształtu gdy siła przestaje działać.

Jeżeli każda jednostka siły wywołuje analogiczną i stałą jednostkę wydłużenia, mówimy, że ciało jest doskonale elastyczne w sensie prawa Hooke'a.

Różne struktury się jednak różnią w swoich możliwościach wydłużenia bez rozpadu.

Ustalono punkt odniesienia względnej wytrzymałości struktury na rozciąganie. Jest to teoretyczna siła, która

działając na jednostkę przekroju poprzecznego struktury, podwaja jego pierwotną długość.

Siłę tę nazywa się modułem elastyczności Younga

Modułem mierzy się tylko wytrzymałość ciał na rozciąganie.

Kość jest strukturą bardzo nieelastyczną. Jej moduł elastyczności wynosi 2000kg/mm2. Punkt rozpadu kości wynosi tylko 10ko/mm2 przekroju poprzecznego. Oznacza to, że kość ulega rozpadowi, gdy zostanie wydłużona o 1/200 część swojej pierwotnej długości.

W wąskim zakresie kość zachowuje się zgodnie z prawem Hooke'a następnie deformacja i siła nie jest już

arytmetycznie proporcjonalne i gdy siła przestanie działać, kość nie wraca do poprzednich rozmiarów i

zniekształcenie pozostaje.

W praktyce w pewnych stanach chorobowych kość staje się bardziej rozciągliwa/ moduł elastyczności obniża

się/ i jednocześnie staje się mniej elastyczna.

Kość zostaje rozciągnięta i deformacja pozostaje. ( rozmiękanie kości - osteomalacja, krzywica).

Wytrzymałość kości

Wytrzymałość kości na rozciąganie mierzy się modułem elastyczności, a w zasadzie jej ułamkiem( 10kg/mm2). Siły, na jakie kość jest narażona to także ucisk, zginanie i skręcanie. Punkty rozpadu tych sił pod wpływem działania tych sił zostały określone eksperymentalnie.

l/ ucisk ( kompresja)

Tutaj działa III prawo Newtona, siła kompresji i reakcja na tą siłę.

Siły działają w jednej płaszczyźnie ale przeciwnie do siebie (siły komplanarne i kolinearne) - siły miażdżące. Wytrzymałość na kompresję wącha się od 12,56 — 16,87 kg/mm2 Kości różnią się między sobą wytrzymałością na działanie sił

Rzepka wymaga siły 192 kg Kość ramienna 600 kg

Udowa 756 kg

Piszczel 450 kg

Część energii miażdżącej może być pochłonięta przez tkanki elastyczne. Złamania są najczęściej kombinacją sił zginania ze skręcającymi.

Ucisk może być statyczny lub dynamiczny

Statyczna kompresja wywołuje obciążenie spoczynkowe, kompresja dynamiczna występuje przy spadaniu ciała.

U osobników żywych siła kompresji dynamicznej jest połową iloczynu masy spadającego ciała i kwadratu przeciętnej szybkości, jaką ciało nabywa podczas spadania. ( prawo Kocha mv2/2) Większość złamań to złamania w wyniku kompresji dynamicznych.

Świeża kość wykazuje wytrzymałość na rozciąganie 12,41 kg/mm2 a na kompresję 16,85 kg,mm2 przekroju poprzecznego. Stosunek l : 0,73

Dlatego przy zginaniu kości najpierw dochodzi do uszkodzenie jest najpierw po stronie wypukłej. (Złamania marszowe: 2 i 3 kość śródstopia, kość udowa, piszczel)

21 Siły ścinające i zginające

Działają 2 siły nie kolinearne ( nie w tej samej linii) ale komplanarne ( w tej samej płaszczyźnie)

( drążek podparty na obu końcach i obciążony w środku dużym ciężarem.

Samo ścinanie to siły muszą być względem siebie nie tylko równolegle, lecz także działać prostopadle do

drążka.

3/ skręcenie

Skręcenie wywołują dwie siły sprzężone działające w równoległych płaszczyznach, pod kątem prostym do osi, skierowane w przeciwnych kierunkach. Jeżeli siły te nie działają w płaszczyznach równoległych i pod kątem prostym do osi kości, to efekt skręcenia łączy się z innymi rodzajami obciążeń jak rozciąganie i kompresja.

Skręcenie często prowadzi do uszkodzeń .

Wyjaśnienie kształtu i konstrukcji elementów szkieletu za pomocą praw mechaniki i inżynierii

l/ Teoria obciążonego drążka w zastosowaniu do szkieletu ludzkiego

Miednicę można porównać do drążka spoczywającego na dwóch podporach- głowach kości udowych

Obciążenie ciężarem ciała tego drążka w linii środkowej pierścienia miednicy wywołuje jej zginanie z

maksimum w środku miednicy.

Na obu końcach takiego drążka( w okolicy głów kości udowych) działają siły przeciwne i w tych miejscach są

one maksymalne.

Żuraw Dźwigar, Ankylotyczne biodro, usztywniony staw skokowy

Stopa to również drążek obciążony ekscentrycznie w stawie skokowym. Obciążenie stopy powoduje powstanie sił zginających i działających przeciwnie w analogiczny sposób.

II Teoria ekscentrycznie obciążonej kolumny w zastosowaniu do szkieletu ludzkiego

Teoria kolumny stwierdza, że jeżeli długość kolumny znacznie przekracza jej średnicę, to każde obciążenie kolumny nie jest ściśle koncentryczne i na skutek pionowego obciążenia kolumny dochodzi do jej pewnych deformacji wygięciowych.

Obciążone rury kostne można uznać za ekscentrycznie obciążone kolumny. 3/. Efekt pociągania mięśniowego na grawitacyjne obciążenia kości

Napięcie mięśni może neutralizować kompresyjne i naprężające siły grawitacyjne działające na kości. Pauwels przyrównał pociąganie mięśni z systemem łańcuchów żurawia służących podtrzymywaniu ładunku, tj przeciwdziałania siłom grawitacji.

W przypadku kości udowej, podczas stania na jednej nodze rolę łańcuchów żurawia spełnia pasmo biodrowo-piszczelowe. Podtrzymujące miednicę wbrew sile grawitacji.

Mięsień obszerny boczny w czasie kurczenia się odciąga pasmo biodrowo-piszczelowe od kości zwiększając moment obrotowy.

W stawie łokciowym kombinacja dwu - jednostanowych mięśni powoduje zmniejszenie naprężenia kości ramiennej w wyniku skurczu mięśnia dwugłowego ramienia, podczas gdy skurcz mięśnia ramienno-promieniowego zmniejsza tylko naprężenia w górnej części romieniowej i łokciowej, i dolnej części kości ramiennej.

W stanach patologicznych, w których następuje nie tylko zniesienie, czy obniżenie funkcji mięśni lub ich wzmożone napięcie, pozbawione kontroli ośrodkowej, a idące nierzadko łącznie ze zmianami struktury kości ( odwapnienie),złamania z wygięcia kości długich występują częściej. Dzieje się tak z braku ochronnych napięć mięśni, neutralizujących naprężenia w kościach.

Podsumowując

l/ wewnętrzna struktura kości odzwierciedla wysoki stopień oddziaływania na nią sił fizycznych.

Należy jednak również uwzględniać wpływ na kość innych praw biologicznych mogących wpływać na zmianę

oczekiwań oddziaływań biomechanicznych.

21 Dwie najistotniejsze jakości fizyczne kości to elastyczność i wytrzymałość.

3/ Zasadę obciążonego drążka stosujemy do miednicy i stopy, obciążenie grawitacyjne na zarośnięty staw

biodrowy, lub skokowy porównujemy do dźwigara

4/ Teorię kolumny można z zastrzeżeniem stosować do kości długich: udowa, piszczelowa

5/ Napięcie mięśniowe może obniżać wewnętrzne napięcie w kościach.

---