Resistenza dei BioMateriali
BioMateriali naturali
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali
1
I Tessuti biologici
non rientrano nella classe dei materiali ingegneristici tradizionali.
•
I materiali biologici sono i materiali:
–
–
–
di cui sono costituiti i tessuti e gli organi che devono essere sostituiti con i dispositivi
artificiali,
con cui i dispositivi artificiali sono interfacciati,
da costruzione.
•
I materiali biologici di maggiore interesse sono i tessuti connettivi che sono costituiti
da una sostanza fondamentale nella quale sono immerse le cellule; hanno in genere
funzione di sostegno o di trasporto. Ovviamente tale definizione è estremamente
generale comprendendo tessuti quali l’Osso ed il Sangue.
•
I tessuti connettivi sono fra loro fortemente differenziati per quanto riguarda la
morfologia, la struttura, la composizione e la funzione.
•
I quattro diversi tipi di tessuto biologico (epiteliale, connettivo, muscolare e
nervoso) si differenziano dai BioMateriali artificiali perché sono viventi.
•
I tessuti biologici sono riconducibili alla classe dei materiali compositi e sono in
genere bagnati da fluidi biologici che consentono la vita delle cellule.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
2
Classificazione
•
Tessuti biologici:
–
–
•
Componenti dei tessuti molli:
–
–
–
•
Pelle
Cartilagine
Tendini
Legamenti
Tessuti molli ricchi di elastina:
–
–
•
Denti
Ossa
Tessuti molli ricchi di collagene:
–
–
–
–
•
Collagene
Elastina
Sostanza fondamentale
Tessuti duri:
–
–
•
molli
duri
Vasi sanguigni
Tessuti muscolari
Nervi:
–
–
periferici
spinali
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
3
Struttura del Collagene
•
•
•
•
•
•
•
•
Resistenza dei
BioMateriali
a) amminoacidi
b) catena molecolare
c) singola elica
d) singola elica avvolta
e) tripla elica avvolta
f) minifibrille
f) fibrille di collagene
h) fibre di collagene
BioMateriali naturali L
4
Proprietà meccaniche del Collagene e dell’Elastina
Collagene
Elastina
Resistenza dei
BioMateriali
Modulo di
elasticità
[MPa]
Sforzo a
rottura
[MPa]
Allungame
nto a
rottura
[%]
Limite
elastico
[%]
1000
50 ÷ 100
10
1÷2
0.6
1
100
60
BioMateriali naturali L
5
Comportamento meccanico a trazione delle fibre di Collagene
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
6
Comportamento meccanico a trazione delle fibre di Collagene
•
La particolare struttura delle fibre di Collagene è responsabile del suo
comportamento meccanico.
•
Nella prima parte dell’allungamento a trazione (regione 1) l’arrangiamento elicoidale
delle catene proteiche ed i legami intramolecolari fanno si che le fibre di collagene
abbiano una modesta capacità di sopportare i carichi.
•
Le fibre ruotano e si flettono modificando la loro geometria spaziale dalla forma
elicoidale a quella lineare.
•
Pertanto, la regione 1 è caratterizzata da comportamento elastico con basso valore
del modulo di Young.
•
Quando le catene proteiche sono distese le proprietà meccaniche aumentano
diventando dipendenti dai legami intra e intermolecolari.
•
Pertanto, la regione 2 è caratterizzata da comportamento elastico con elevate
proprietà meccaniche.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
7
Caratteristiche molecolari della struttura del Collagene
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
8
Caratteristiche molecolari della struttura del Collagene
•
La sequenza flessibile di AminoAcidi nella catena α (A) consente a
queste catene di avvolgersi strettamente in
– una configurazione a tripla elica destrogira (B),
– formando pertanto la molecola di Tropocollagene (C).
•
Questa organizzazione a tripla elica delle catene contribuisce alla
elevata resistenza a trazione delle fibre di Collagene.
•
L’allineamento parallelo delle singole molecole di Tropocollagene,
nel quale ciascuna molecole si sovrappone all’altra per circa ¼ della
sua lunghezza (D), risulta in un modulo a bande della fibrilla di
Collagene che si ripete identicamente a se stesso (E).
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
9
Microstruttura del Collagene nei Tendini e nei Legamenti
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
10
Microstruttura del Collagene nei
Tendini e nei Legamenti
• La molecola di Collagene consiste di 3 catene α
in una tripla elica (in basso nella figura
precedente).
• Alcune molecole di Collagene sono aggregate in
un insieme ordinato parallelamente.
• Questo ordinamento crea zone di vuoto e zone
di sovrapposizione.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
11
Proprietà meccaniche della fibrilla di Collagene
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
12
Proprietà meccaniche della fibrilla di Collagene
•
Le proprietà meccaniche più importanti delle fibre di Collagene sono la rigidezza e la
resistenza a trazione.
•
Sebbene non sia mai stata provata a trazione una singola fibrilla di Collagene, la
resistenza a trazione del Collagene può essere dedotta da prove su strutture con alto
contenuto di Collagene.
•
I Tendini, per esempio, sono costituiti all’80% di Collagene (peso anidro) ed hanno
–
–
rigidezza a trazione = 103 MPa
resistenza a trazione = 50 MPa.
•
L’Acciaio, per confronto, ha una rigidezza a trazione ≅ 220×103 MPa.
•
Sebbene forti a trazione, le fibrille di Collagene offrono scarsa resistenza a
compressione poiché il loro grande rapporto di snellezza tra lunghezza e diametro le
rende facile preda del fenomeno dell’instabilità a compressione.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
13
Tipi di Collagene
•
Alcune differenze nelle catene alfa di Tropocollagene in vari tessuti corporei danno
luogo a specie molecolari diverse o tipi di Collagene.
•
Il Collagene di I tipo è il tipo di Collagene più abbondante nel corpo umano e può
essere trovato in:
–
–
Ossa,
Tessuti Molli
•
•
•
•
•
•
i Dischi intervetebrali (principalmente nell’Anello fibroso),
Pelle,
Menisco,
Tendini e
Legamenti.
Il Collagene di II tipo è presente prevalentemente in:
–
–
–
–
–
Cartilagine articolare,
Setto nasale,
Cartilagine dello Sterno,
regioni interne dei Dischi intervetebrali,
Menisco.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
14
Diagramma sforzo-deformazione a trazione per l’Elastina
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
15
Comportamento a trazione delle fibre di Elastina
•
Grande estensibilità.
•
Estensibilità reversibile anche per elevate deformazioni.
•
Comportamento elastico con bassa rigidezza fino a deformazioni di circa
200%.
•
In una successiva, ristretta regione, la rigidezza aumenta rapidamente fino
al collasso.
•
Non si manifestano sensibili deformazioni plastiche prima della rottura.
•
Il percorso di carico e scarico non mostra significativa isteresi.
•
Le fibre di Elastina possiedono un comportamento elastico caratterizzato
da un basso modulo elastico,
•
a differenza delle fibre di Collagene, che mostrano un comportamento
viscoelastico caratterizzato da un elevato modulo elastico.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
16
Comportamento dell’Elastina per sollecitazione ciclica
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
17
Comportamento dell’Elastina per sollecitazione ciclica
• Il comportamento è elastico in quanto alla fine del ciclo
tutta la deformazione viene recuperata e
• l’energia dissipata per viscosità è molto modesta.
• Questo comportamento dell’elastina è fondamentale in
tutti quei tessuti ai quali è richiesta un’ampia
deformazione con ripristino delle dimensioni originali
dopo la rimozione del carico, o comunque per quei
tessuti sottoposti a sollecitazioni cicliche.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
18
Sostanza fondamentale
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
19
Sostanza fondamentale
•
La gelatinosa “sostanza fondamentale” che concorre a costituire –
insieme al Collagene e all’Elastina - la “matrice inorganica
extracellulare” sia nei “tessuti molli” sia in quelli “duri mineralizzati”
consiste
principalmente
di
proteine
PoliSaccaridi,
o
GlicosAminoGlicani (GAG),
•
i quali si riuniscono in subunità dette Aggrecani (le cosiddette
“spazzole per bottiglia”);
•
a loro volta gli Aggrecani si legano ad una lunga catena di acido
ialuronico (HA, Ialuronano), dando vita a macromolecole
complesse dette ProteoGlicani (PG).
•
I GAG servono come sostanza cementante tra le fibre di Collagene
e di Elastina.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
20
Comportamento meccanico dei Tessuti molli
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
21
Comportamento meccanico dei Tessuti molli
•
L’arrangiamento strutturale delle fibre di Collagene e di Elastina ed i
loro rapporti quantitativi sono responsabili di molte proprietà dei
tessuti connettivi quali la densità, l’elasticità, l’anisotropia, etc.
•
Nei tessuti connettivi i MucoPoliSaccaridi hanno la capacità di
legarsi alle catene proteiche di Collagene e di Elastina costituendo
una sorta di matrice del composito così ottenuto.
•
Nella figura precedente è mostrato uno schema del tessuto
connettivo che può essere considerato un materiale composito le cui
proprietà meccaniche sono dovute al Collagene e all’Elastina (le
proprietà meccaniche dei MucoPoliSaccaridi sono considerate
trascurabili rispetto a quelle degli altri costituenti).
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
22
Tessuto molle (Collagene+Elastina)
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
23
Modelli multielemento di Voigt o di Maxwell
• Il materiale composito costituito dal Collagene e dall’Elastina
(le proprietà meccaniche dei MucoPoliSaccaridi sono
considerate trascurabili rispetto a quelle degli altri costituenti)
ha la caratteristica curva sforzo-deformazione mostrata
nella figura precedente.
• Come altri materiali viscoelastici quali i Polimeri, anche i
tessuti molli mostrano un comportamento meccanico che può
essere rappresentato con i modelli multielemento di Voigt o
di Maxwell [Cap. III – Materiale].
• Sebbene questo tipo di analisi fornisca uno strumento utile
alla rappresentazione del comportamento meccanico dei
tessuti molli, essa non spiega esplicitamente la relativa
importanza dei singoli componenti.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
24
Comportamento meccanico a trazione del ligamentum nuchae bovino
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
25
Ligamentum nuchae bovino
•
Alcuni ricercatori hanno studiato le proprietà meccaniche dei tessuti molli
mediante prove sperimentali nelle quali sono stati selettivamente rimossi
alcuni componenti grazie all’uso di particolari enzimi.
•
Un esempio è mostrato nella figura precedente, dove è riportata la curva
sforzo deformazione del ligamentum nuchae bovino. Si nota che il
comportamento è di tipo elastico gommoso fino ad allungamenti
prossimi al 50%.
•
Eliminando il collagene dal tessuto usando un apposito enzima
(collagenasi) oppure mettendo il tessuto in autoclave, il comportamento
elastico gommoso si estende fino ad allungamenti del 100%.
•
Se invece si elimina l’Elastina usando come enzima l’elastasi il tessuto
mostra un comportamento simile a quello del Collagene.
•
L’eliminazione dei MucoPoliSaccaridi non altera in modo significativo il
comportamento del tessuto originale.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
26
Denti
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
27
Proprietà termo-meccaniche dei costituenti principali del dente
Densità
[g/cm3]
Modulo di
elasticità
[GPa]
Dentina
1.9
13.8
138
83×10-6
Smalto
2.2
48
241
114×10-7
Componenti
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
Sforzo a
Coefficiente di
rottura per
dilatazione
compressione
termica
[MPa]
[°C-1]
28
Composizione dell’Osso
Componenti
Quantità in peso [%]
Minerale (Apatite)
69
Matrice organica
22
Collagene
90÷96 % della Matrice organica
Altro
4÷10 % della Matrice organica
Acqua
Resistenza dei
BioMateriali
9
BioMateriali naturali S
29
Struttura della corteccia
di un Osso lungo
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
30
Struttura della corteccia
di un Osso lungo
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
31
Tibia umana: osso corticale
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
32
Tibia umana: osso spongioso
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
33
Prova di trazione su un campione d’Osso
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
34
Curve sforzo-deformazione a compressione
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
35
Confronto tra per materiali diversi
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
36
Superfici di frattura
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
37
Proprietà meccaniche a trazione di alcuni BioMateriali
Resistenza ultima
[MPa]
Modulo di Young
[GPa]
Deformazione ultima
[%]
fusa
600
220
8
forgiata
950
220
15
Acciaio inossidabile
850
210
10
Titanio
900
110
15
Cemento per Ossa
20
2.0
2÷4
300
350
<2
100 ÷ 150
10 ÷ 15
1÷3
Osso trabecolare
8 ÷ 50
-
2÷4
Tendine, Legamento
20 ÷ 35
2.0 ÷ 4.0
10 ÷ 25
Metalli
Lega Co-Cr
Polimeri
Ceramici
Allumina
Biologici
Osso corticale
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
38
Osso umano corticale
soggetto a trazione
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
39
Campione di osso umano corticale
soggetto a compressione
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
40
Campione di osso corticale da Femore
umano soggetto a trazione in 4 direzioni
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
41
Curva sforzo-deformazione di Osso trabecolare soggetto a
trazione nella direzione assiale longitudinale dell’osso
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
42
Dipendenza della rigidezza e della resistenza dell’Osso
corticale dalla velocità di deformazione a trazione
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
43
Prova di fatica su campioni di osso umano
corticale caricati in trazione e compressione
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
44
Prova di fatica su campioni di osso umano
corticale caricati in trazione e compressione
Resistenza dei
BioMateriali
•
Il rapporto tra intervallo di
sforzo e modulo elastico in
ordinate è riportato in funzione
del numero di cicli in ascisse.
•
Tipici intervalli di sforzo sono
mostrati
per
passeggiata,
corsa e esercizio vigoroso.
•
La resistenza alla rottura per
fatica
è
maggiore
in
compressione.
•
Dieci miglia rappresentano
circa 5000 cicli, corrispondenti
al numero di passi di corsa
lungo quella distanza.
BioMateriali naturali S
45
Proprietà meccaniche dell’Osso
Tipo di osso
Direzione della
prova
Modulo di
elasticità
[GPa]
Sforzo a rottura
per trazione
[MPa]
Sforzo a rottura
per compressione
[MPa]
longitudinale
17.2
121.0
167
Tibia
“
18.1
140.0
159
Pèrone
“
18.6
146.0
123
Òmero
“
17.2
130.0
132
Radio
“
18.6
149.0
114
Ulna
“
18.0
148.0
117
cervicale
“
0.23
3.1
10
lombare
“
0.16
3.7
5
Ossa arto inferiore
Femore
Ossa arto
superiore
Vertebre
Cranio
tangenziale
radiale
Resistenza dei
BioMateriali
97
BioMateriali naturali S
46
Dipendenza delle proprietà meccaniche
(a trazione) dell’Osso compatto dall’umidità
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
47
Proprietà di tre ossa con differenti quantità di sostanza minerale
Contenuto
di minerale
[% in peso]
Densità
[g/cm3]
Energia di
rottura
[J/m2]
Resistenza
a flessione
[MPa]
Modulo di
Young
[GPa]
corno di
cervo
59.3
1.86
6190
179
7.4
femore di
bovino
66.7
2.06
1710
247
13.5
osso
timpanico
di balena
86.4
2.47
200
33
31.3
Tipo di
osso
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
48
Diagramma sforzo-deformazione in trazione per osso
umano compatto caricato in direzione longitudinale
•
Velocità di deformazione
dε/dt = 0.05 s-1
•
•
Modulo elastico E ≅ 17 GPa
Resistenza di plasticizzazione
σp ≅ 110 MPa
Modulo di incrudimento
E’ ≅ 0.9 GPa
Resistenza ultima
σu ≅ 128 MPa
Deformazione ultima
εu ≅ 0.026
•
•
•
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
49
Proprietà meccaniche, modalità e direzioni di carico per osso compatto di femore umano
Modalità di carico
Resistenza ultima
longitudinale
Trazione
133 MPa
Compressione
193 MPa
Taglio
68 MPa
Trazione
51 MPa
Compressione
133 MPa
trasversale
Modulo elastico
longitudinale
17.0 GPa
trasversale
11.5 GPa
Modulo di Taglio
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
3.3 GPa
50
Osso vs. Acciaio
• La resistenza a trazione dell’Osso è meno del
10% di quella dell’Acciaio.
• La rigidezza dell’Osso è circa il 5% della
rigidezza dell’Acciaio.
• Per campioni delle stesse dimensioni e sotto il
medesimo carico di trazione, un campione
d’Osso si deforma 20 volte di più di uno
d’Acciaio.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
51
Curve sforzo-deformazione a compressione dipendenti
dalla densità apparente per il tessuto osseo spongioso
Resistenza dei
BioMateriali
•
Le curve sforzo-deformazione
dell’osso
a compressione
spugnoso contengono una
regione iniziale elastica lineare
fino ad una deformazione di
circa 0.05.
•
La
plasticizzazione
del
materiale avviene non appena
le trabecole cominciano a
fratturarsi. L’iniziale regione
elastica è seguita da una
regione piatta a sforzo quasi
costante fino alla frattura,
mostrando un comportamento
duttile.
BioMateriali naturali S
52
Curve sforzo-deformazione a compressione dipendenti
dalla densità apparente per il tessuto osseo spongioso
•
A differenza dell’osso compatto,
l’osso spongioso si frattura
bruscamente sotto forze di
mostrando
un
trazione,
comportamento fragile.
•
L’Osso spongioso è circa
– 25-30% denso
– 5-10% rigido
– 500% duttile a compressione
rispetto all’Osso compatto.
•
Resistenza dei
BioMateriali
La capacità di assorbimento di
energia dell’osso spongioso è
sensibilmente più alta sotto carichi
di compressione piuttosto che
sottocarichi di trazione.
BioMateriali naturali S
53
Criterio di resistenza dell’Osso
•
Il criterio di Hoffman (1967) tiene conto della differenza tra
resistenza a trazione e resistenza a compressione:
(σxx - σyy)2 / (σt σc) + (1/σt - 1/σc) (σxx + σyy) + τxy2 / τs2 = 1
ellissoide
σxx = sforzo assiale in direzione x
σyy = sforzo assiale in direzione y
τxy = sforzo tangenziale nel piano xy
σt = resistenza uniassiale a trazione
σc = resistenza uniassiale a compressione
τs = resistenza a taglio
•
La validità del criterio di Hoffman è stato verificata sperimentale da
Stone, Beaupré e Hayes nel 1983 al Tessuto osseo spongioso.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
54
Rimodellamento osseo
Resistenza dei
BioMateriali
•
È stato ipotizzato che, come
conseguenza
delle
sue
proprietà
piezoelettriche,
l’osso generi un campo
elettrico quando è sottoposto
ad
una
sollecitazione
meccanica e che tale campo
elettrico sia il segnale di
stimolo delle cellule per il
controllo del rimodellamento.
•
Questa ipotesi trova riscontro
in
alcune
osservazioni
sperimentai secondo le quali
l’applicazione
di
campi
elettrici
esterni
stimola
l’osteogenesi.
BioMateriali naturali S
55
Rimodellamento osseo
• Esistono peraltro anche
altri meccanismi proposti
per il rimodellamento, fra
questi
– lo scorrimento relativo delle
lamelle ossee,
– lo scorrimento delle linee di
cemento fra gli osteoni,
– gli effetti dello stato di
sforzo
• o
sulla
pressione
idrostatica dei liquidi nel
tessuto osseo o
• direttamente
sugli
osteociti.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
56
Cambiamenti degenerativi associati
alla mobilità
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
57
Curve sforzo-deformazione di Tibie umane
di giovane e adulto provate in trazione
• La
resistenza
dell’Osso
è
confrontabile
• ma l’Osso “vecchio” è
più fragile ed ha
perso la capacità di
deformarsi.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali S
58
Tessuti molli
• Tessuti ricchi di Collagene:
– la Pelle,
– i Tendini e la maggior parte dei Legamenti,
– le Cartilagini,
– I Tessuti cardiovascolari;
• Tessuti ricchi di Elastina:
– i Vasi sanguigni,
– alcuni Legamenti,
– i Muscoli.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
59
Struttura della Pelle
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
60
La Pelle
è costituita,
oltre che dai cosiddetti annessi mostrati nella
figura precedente,
anche da fibre continue che sono arrangiate in
modo casuale a costituire strati e lamelle.
Il comportamento meccanico è anisotropo.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
61
Comportamento meccanico anisotropo della Pelle
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
62
Cartilagine
•
Nel corpo umano esistono 3 tipi cartilagine:
–
–
–
articolare ialina,
fibrosa,
elastica,
•
La Cartilagine articolare ricopre le estremità delle ossa che si articolano l’una con l’altra a
formare giunti diartrodiali.
•
La Fibrocartilagine si trova
–
–
–
•
La Fibrocartilagine
–
–
•
forma anche i menischi interposti tra la cartilagine articolare di alcuni giunti e
compone il rivestimento esterno dei dischi interverebrali, l’anulus fibrosus.
La Cartilagine elastica si trova
–
–
–
•
ai margini di alcune cavità di giunto (giunto temporomandibolare ),
nelle capsule di giunto, e
in corrispondenza delle inserzioni dei Legamenti e dei tendini nelle ossa.
nell’orecchio esterno,
nella cartilagine delle tube di Eustachio,
ed in certe parti della laringe.
Nei giunti diartrodiali, la Cartilagine articolare svolge due funzioni primarie:
–
–
distribuire i carichi agenti sul giunto sopra una vasta area, riducendo così gli sforzi sostenuti dalle
superfici di contatto del giunto; e
(consentire il movimento relativo tra le opposte superfici del giunto con minimi attrito ed usura.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
63
A) fotomicrografia, B) rappresentazione schematica.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
64
Distribuzione spaziale della rete di Collagene
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
65
Organizzazione strutturale
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
66
Comportamento biomeccanico
•
Durante l’articolazione del giunto, le forze applicate sulla superficie
del giunto possono variare da quasi zero a più di 10 volte il peso
del corpo.
•
Anche l’area della superficie di contatto varia in una maniera
complessa e tipicamente essa è dell’ordine di alcuni centimetri
quadrati.
•
È stato stimato che lo sforzo di contatto può raggiungere nell’anca
un valore di picco pari a
– 20 MPa durante il sollevamento da una sedia e
– 10 MPa durante la salita delle scale.
•
Pertanto, la Cartilagine articolare, in condizioni di carico fisiologiche,
è un materiale fortemente sollecitato.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
67
Prova di punzonamento
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
68
Comportamento viscoelastico
•
Quando è applicato un carico di intensità costante, il materiale
inizialmente risponde con una deformazione elastica
relativamente grande.
•
Il carico applicato produce gradienti di pressione nel fluido
interstiziale, e le variazioni della pressione costringono il fluido a
scorrere attraverso e fuori dalla matrice cartilaginea.
•
Se il carico è mantenuto, l’entità della deformazione cresce con
una velocità decrescente. La deformazione tende verso uno stato
di equilibrio allorché le variazioni di pressione all’interno del
fluido si dissipano.
•
Quando il carico applicato è rimosso (fase di scarico), si verifica
un recupero elastico istantaneo che è seguito da un recupero più
graduale che conduce ad un completo recupero.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
69
Modello di solido viscoelastico
La risposta della cartilagine
caratterizzata da viscosità
e recupero può essere
qualitativamente
rappresentata
dal
modello
di
solido
viscoelastico
a
3
parametri, che consiste di
– una molla lineare e
– di una unità di KelvinVoight
connesse in serie.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
70
Prova di compressione confinata della Cartilagine in vitro (creep)
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
71
Risposta viscosa bifase della Cartilagine articolare in compressione
•
Nell’istante t0 si applica al tessuto uno sforzo costante di compressione (σ0)
(punto A in figura) e si lascia che il tessuto subisca una deformazione viscosa
fino alla deformazione finale di equilibrio (ε∞).
•
Come illustrato nei diagrammi in alto, il creep è causato dal deflusso del fluido
interstiziale. Il deflusso è inizialmente molto rapido, come evidenziato dalla alta
velocità iniziale decrescente deformazione, e poi diluisce gradualmente finché
avviene la cessazione del flusso.
•
Durante il creep, il carico applicato alla superficie è equilibrato
–
–
dallo sforzo di compressione sviluppato dentro la matrice solida Collagene-PG
e dalla resistenza attritiva generata dal flusso del fluido interstiziale durante il deflusso.
•
Il creep cessa quando lo sforzo di compressione sviluppato dentro la matrice
solida è sufficiente a equilibrare da solo lo sforzo applicato;
•
a questo punto non c’è più flusso di fluido e si raggiunge la deformazione di
equilibrio ε∞.
•
All’equilibrio, non sussiste flusso di fluido e pertanto la deformazione di equilibrio può
essere usata per misurare il modulo di elasticità intrinseco a compressione della
matrice solida di Collagene e PG.
•
Il valore medio di esso per la Cartilagine articolare nell’incavo della rotula
umana 0.53 MPa.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
72
Prova di accorciamento confinato della Cartilagine in vitro (rilassamento)
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
73
Risposta di rilassamento bifase della Cartilagine articolare in compressione
•
Al tessuto si applica a velocità costante uno sforzo di compressione (linea t0-A-B della figura in
basso a sinistra) finché non si raggiunge il valore u0 dello spostamento; oltre il punto B, si
mantiene costante u0.
•
Per la Cartilagine articolare, la tipica risposta in sforzo causata da questa deformazione imposta è
mostrata nella figura in basso a destra. Durante la fase di compressione, lo sforzo cresce con
continuità fini a che non si raggiunge il valore σ0, corrispondente a u0, mentre – durante la fase di
rilassamento dello sforzo – lo sforzo decresce con continuità lungo la curva B-C-D-E finché non si
raggiunge il valore di equilibrio dello sforzo σ∞.
•
I meccanismi responsabili per la crescita ed il rilassamento dello sforzo sono illustrati nella
porzione inferiore della figura precedente. Come è illustrato nei diagrammi in alto, la crescita dello
sforzo nella fase di compressione è associata con il deflusso del fluido, mentre il rilassamento
dello sforzo è associato con la redistribuzione del fluido all’interno della matrice solida porosa.
•
Durante la fase di compressione, l’elevato sforzo è generato dal deflusso forzato del fluido
interstiziale e dalla compattazione della matrice solida vicino alla superficie. Il rilassamento dello
sforzo è a sua volta causato dalla “chiamata in causa” della regione caratterizzata da forte
compattazione vicino alla superficie della matrice solida.
•
Questo processo di rilassamento dello sforzo cessa quando lo sforzo di compressione sviluppato
dentro la matrice solida uguaglia lo sforzo generato dal modulo di elasticità intrinseco a
compressione della matrice solida corrispondente alla deformazione congruente con lo
spostamento u0.
•
L’analisi di questo processo di rilassamento dello sforzo conduce alla conclusione che in
condizioni di carico fisiologiche, difficilmente si manterranno livelli eccessivi di sforzo poiché il
rilassamento dello sforzo attenuerà rapidamente lo sforzo sviluppato dentro il tessuto; questo
deve necessariamente condurre ad un rapido allargamento dell’area di contatto nel giunto durante
l’articolazione.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
74
Curva sforzo-deformazione a trazione per la Cartilagine articolare
in condizioni di velocità di deformazione bassa e costante
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
75
Curva sforzo-deformazione a trazione per la Cartilagine articolare
•
Come altri Tessuti Biologici fibrosi (Tendini e Legamenti), la Cartilagine articolare
tende a irrigidirsi al crescere della deformazione quando questa diventa
grande. Pertanto, nell’intero intervallo di deformazione (fino a 60%) a trazione, la
Cartilagine articolare non può essere descritta da un solo modulo di Young.
•
Piuttosto, per descrivere la rigidezza a trazione del tessuto, si deve usare un
modulo tangente, definito dalla inclinazione del la retta tangente alla curva sforzodeformazione.
•
Questo risultato fondamentale ha dato luogo all’ampio intervallo del modulo di
Young, da 3 a 1000 MPa, riportato per la Cartilagine articolare in trazione.
•
A livelli di deformazione fisiologici, tuttavia, il modulo di Young varia
nell’intervallo 5÷10 MPa, pari a circa il 15% del valore nel tratto lineare.
•
Dal punto di vista morfologico, la causa che spiega la forma della curva sforzodeformazione a trazione per grandi deformazioni è illustrata nei diagrammi sulla
destra della figura precedente:
–
–
•
la regione iniziale soffice è dovuta allo strecciamento e al riallineamento delle fibre di
Collagene durante la porzione iniziale dell’esperimento a trazione,
e la regione finale lineare è dovuta allo stiramento delle fibre di Collagene raddrizzate e
allineate.
Il collasso avviene quando tutte le fibre di Collagene contenute nel campione si
sono rotte.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
76
Comportamento a trazione della Cartilagine articolare
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
77
Allineamento delle fibrille di Collagene a trazione
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
78
Comportamento della Cartilagine articolare a taglio puro
G = 1 ÷ 3 MPa
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
79
Comportamento della Cartilagine articolare a taglio puro
•
A trazione e a compressione si possono determinare solo le proprietà
elastiche intrinseche all’equilibrio della matrice solida di Collagene-PG. Ciò
è dovuto al fatto che quando un materiale è soggetto a trazione o
compressione uniassiale, avviene sempre una variazione di volume.
Questa variazione di volume provoca il flusso del fluido interstiziale e
induce effetti viscoelastici bifase dentro il tessuto.
•
Se, tuttavia, la Cartilagine articolare è provata a taglio puro in condizioni
di deformazioni piccole, all’interno del materiale non si producono
gradienti di pressione o variazioni di volume; quindi, non avviene
alcuno flusso di fluido interstiziale. Pertanto, al fine di stabilire le
proprietà viscoelastiche intrinseche della matrice solida del Collagene-PG si
può ricorrere ad un esperimento a taglio puro i condizioni stazionarie.
•
Una sottile “pastiglia” di tessuto è assoggetta ad un taglio stazionario
sinusoidale. In un esperimento di questo tipo, il campione di tessuto è
trattenuto tra due piatti porosi scabri con un valore preciso di compressione.
L’eccitazione sinusoidale ha una frequenza variabile tra 0.01 e 20 Hz.
L’intensità della deformazione angolare varia da 0.2 a 2.0 %.
•
Il valore del modulo di rigidezza tangenziale G così misurato varia tra da 1
a 3 MPa.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
80
Tendini, Legamenti e Capsule dei Giunti
•
Le tre principali strutture che circondano da presso, connettono, e
stabilizzano i giunti del sistema scheletrico sono:
– i Tendini,
– I Legamenti e
– le Capsule dei Giunti.
•
Sebbene queste strutture siano passive e non possono contrarsi
attivamente generando forze (cioè, non producono attivamente il
moto come fanno invece i Muscoli, che sono tessuti attivi e possono
produrre forze), ciascuna gioca un ruolo essenziale nel moto dei
Giunti.
•
I Tendini e i Legamenti sono tessuti connettivi fibrosi, composti di
fibre di Collagene arricciate circondate da sostanza
fondamentale.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
81
Legamenti e Capsule dei Giunti,
che connettono l’Osso con l’Osso, hanno il ruolo di:
–
–
–
–
aumentare la stabilità meccanica dei Giunti,
di guidare il loro moto,
di prevenire spostamenti eccessivi,
di trasmettere forze da un Osso all’altro.
•
Legamenti e Capsule dei Giunti agiscono come vincoli statici.
•
In confronto ai Tendini, i Legamenti spesso contengono una maggiore
proporzione di fibre elastiche che giustifica la loro più elevata
estensibilità ma più basse rigidezza e resistenza.
•
I Legamenti sono deformabili e flessibili, consentendo i movimenti
naturali delle ossa alle quali sono attaccati.
•
Le proprietà meccaniche dei Legamenti sono qualitativamente simili a
quelle dei Tendini.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
82
La funzione dei Tendini
è quella di attaccare il muscolo all’Osso e di trasmettere forze di trazione dal Muscolo all’Osso stesso,
aiutando così ad eseguire il moto del Giunto, e a mantenere la postura del Corpo.
•
I Tendini e i Muscoli formano l’unità Muscolo-Tendine, che agisce come un vincolo dinamico. Il
Tendine fa sì che il Muscolo si trovi ad una distanza ottimale dal giunto sul quale esso agisce
senza richiedere una eccessiva lunghezza di muscolo tra l’origine e l’inserzione.
•
Attorno a molti Giunti del Corpo umano, non c’è spazio sufficiente per attaccare più di uno
o due Muscoli. Questo richiede che uno o più Muscoli devono sopportare forti carichi con
intensità di sforzo anche maggiori in regioni più vicine agli innesti ossei dove le aree della
sezione trasversale dei Muscoli sono piccole.
•
In confronto ai Muscoli, i Tendini sono più rigidi, hanno maggiore resistenza alla trazione, e
quindi possono sopportare sforzi maggiori. Pertanto, intorno alle giunzioni dove lo spazio è
limitato, gli innesti dei Muscoli alle Ossa sono fatti di Tendini. I Tendini sono capaci di
sopportate carichi molto grandi con deformazioni molto piccole. Questa proprietà dei Tendini
rende capaci i Muscoli di trasmettere forze alle Ossa senza sprecare energia per stirare i Tendini.
•
I Tendini sono abbastanza forti per sostenere le elevate forze di trazione che risultano dalla
contrazione muscolare durante il moto del Giunto eppure sono sufficientemente flessibili per
formare angoli intorno alla superficie dell’Osso e per piegarsi in modo da variare la
direzione finale del tiro del Muscolo.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
83
Composizione strutturale di Tendini e Legamenti
Componente
Legamento [%]
Tendine [%]
20
20
80
80
60 ÷ 80
60 ÷ 80
Solidi:
20 ÷ 40
20 ÷ 40
Collagene:
70 - 80
un po’ maggiore
I tipo
90
95 ÷ 99
III tipo
10
1÷5
20 ÷ 30
un po’ minore
Materiale cellulare:
Fibroblasto
Matrice extracellulare:
Acqua
Sostanza fondamentale
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
84
Struttura di Legamenti a base di Collagene e Tendini
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
85
Microarchitettura del Tendine
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
86
Orientazione strutturale delle fibre
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
87
Curva sforzo-deformazione a trazione di un Tendine
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
88
La curva sforzo-deformazione a trazione
per tessuti ricchi di Collagene quali i Tendini ed i Legamenti è di tipo
nonlineare come mostrato nella figura precedente. Tale comportamento è
simile a quello delle fibre sintetiche, come si vedrà in Cap. VI BioMateriali artificiali.
•
La prima parte della curva rappresenta l’allineamento delle fibre di
Collagene nella direzione di applicazione del carico.
•
Vi è poi una zona caratterizzata da un tratto abbastanza lineare in cui si
ha il massimo valore della pendenza della curva; in quanto tratto la
maggior parte delle fibre vengono deformate lungo il loro asse.
•
L’ultima parte della curva, caratterizzata da una progressiva riduzione
di pendenza, rappresenta la rottura di singole fibre fino alla completa
rottura del tendine.
•
Il valore massimo della pendenza della curva è di circa 1 GPa, valore
che coincide con il modulo di elasticità di una fibra di Collagene.
•
Si consideri anche che a causa delle proprietà viscoelastiche del
Collagene, il suo modulo di elasticità aumenta con la velocità di
deformazione.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
89
Allungamento a velocità di deformazione costante su Tendine di Coniglio
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
90
Allungamento a velocità di deformazione costante su Tendine di Coniglio
•
La struttura e la composizione chimica di Tendini e Legamenti
sono identici nell’essere umano ed in molte specie di animali,
quali topi, conigli, cani, e scimmie. Pertanto, le estrapolazioni
riguardanti queste strutture negli esseri umani possono essere
effettuate dai risultati di studi su queste specie di animali.
•
La prima regione della curva carico-allungamento percentuale è
rivelatrice di una risposta “soffice”. Si pensa che l’allungamento
che i manifesta in questa regione sia dovuto a modificazioni nelle
modalità di ondulazione delle fibre di Collagene disposte in una
configurazione di rilassamento. In questa regione, il tessuto si stira
facilmente, senza molta forza, e le fibre di Collagene diventano
rettilinee e perdono la loro apparenza ondulata al crescere del
carico. Qualche dato, tuttavia suggerisce che questo allungamento
sia da attribuire principalmente allo scorrimento tra le fibrille e alla
variazione angolare della Sostanza fondamentale tra le fibrille.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
91
Allungamento a velocità di deformazione costante su Tendine di Coniglio
•
Al crescere del carico, la rigidezza del tessuto aumenta e un forza
progressivamente maggiore è richiesta per produrre un allungamento specifico
d’eguale valore.
•
Al crescere della deformazione (1.5÷4%), al tratto “soffice” fa seguito una regione
lineare più rigida, caratterizzata da un improvviso aumento della pendenza della
curva.
•
Per grandi allungamenti specifici, la curva carico-allungamento percentuale può
interrompersi bruscamente o puntare verso il basso, come risultato di cambiamenti
irreversibili (rottura). Quando la curva diventa parallela all’asse dell’allungamento
percentuale, il corrispondente valore del carico è indicato col simbolo Plin.
•
Il punto in corrispondenza del quale si raggiunge questo valore è il punto di
plasticizzazione per il tessuto. L’energia immagazzinata fino a questo punto è
rappresentata dall’area sottesa dalla curva dall’origine fino alla fine della regione
lineare, individuata da Plin.
•
Una volta che sia stata superata la regione lineare, il collasso delle fascine di fibre
avviene in maniera impredicibile. Con il raggiungimento del carico massimo che
riflette la resistenza ultima a trazione del campione, il collasso completo si manifesta
rapidamente, e la capacità del Tendine o Legamento si sostenere carichi è
sostanzialmente ridotta.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
92
Micrografia elettronica di fibre di Collagene
di Legamenti di ginocchio umano
• Le fibre di Collagene
hanno una forma
– A, “ondosa”, a riposo
– B,
“stirata”
sotto
carico.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
93
Il Ligamentun flavum umano,
che connette longitudinalmente due archi vertebrali
adiacenti nella porzione posteriore della spina dorsale,
presenta una curva carico-allungamento molto diversa da
quelle tracciate nelle figure precedenti, che invece si
applicano a Tendini e a Legamenti delle estremità.
• Nella prova di trazione di un Ligamentum flavum umano,
l’allungamento percentuale può raggiungere il 50%
prima che la rigidezza aumenti apprezzabilmente.
• Oltre questo punto, la rigidezza cresce vistosamente al
crescere del carico ed il Legamento si rompe
bruscamente, una volta raggiunto Pmax, con poca
deformazione ulteriore.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
94
Prova a trazione monotonica su
Ligamentum flavum umano
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
95
Isteresi nella prova di trazione ciclica
su Legamenti del ginocchio
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
96
Isteresi nei Legamenti
•
La proporzione di proteine elastiche nel Legamenti e nelle Capsule
è estremamente importante per la piccola deformazione elastica
che essi devono sopportare durante gli allungamenti e per
l’immagazzinamento e la perdita di energia.
•
Durante il carico e lo scarico di un Legamento tra due limiti di
allungamento, le fibre elastiche consentono al materiale di
ritornare alle sue forma e dimensione originali dopo essere stato
deformato.
•
Nel frattempo, parte dell’energia spesa è immagazzinata; ciò che
rimane rappresenta l’energia persa durante il ciclo, detto di isteresi:
L’area racchiusa dal ciclo rappresenta l’energia dissipata.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
97
Carico fisiologico nei Tendini e nei Legamenti
•
In condizioni fisiologiche normali in vivo, Tendini e Legamenti
sono soggette a sforzi la cui intensità è appena un terzo o
addirittura un quarto del valore della resistenza ultima a trazione:
σphys = 1/4 ÷ 1/3 σult
•
Il limite superiore per la deformazione fisiologica in Tendini e
Legamenti (nella corsa e nel salto, per esempio) è da 2 a 5%:
εphys = 2 ÷ 5 %
•
I Legamenti si deformano elasticamente fino a deformazioni di
circa εy=0.25 (circa 5 volte la deformazione di plasticizzazione
dei Tendini) e sforzi di circa σy=5 MPa:
εy (Legamenti) = 25 % ≅ 5 (Tendini),
σy = 5 MPa
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
98
Curve sforzo-deformazione idealizzate per Tendine o Legamento
per differenti velocità di deformazione sotto carico monotonico
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
99
Le curve idealizzate sforzo-deformazione
mostrate nella figura precedente illustrano la risposta idealizzata di
un Legamento o Tendine ad un carico monotonamente
crescente entro l’intervallo fisiologico di carico al variare della
velocità di deformazione.
•
Si noti la peculiare forma nonlineare delle curve caratterizzate da
una regione di bassa rigidezza vicino all’origine.
•
La regione suddetta è attribuita al raddrizzamento dallo stato di
riposo delle fibre di collagene increspate.
•
Fuori dalla regione in questione la risposta è praticamente
lineare.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
100
Comportamento viscoelastico di Legamenti e Tendini
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
101
Il comportamento viscoelastico di Legamenti e Tendini
si manifesta nel fatto che una parte dell’energia fornita per stirarli si dissipa nel
provocare il flusso della sostanza fondamentale, mentre la restante parte è
immagazzinata nel tessuto stirato.
•
Quando Tendini e Legamenti sono soggetti al velocità di deformazione (o di carico)
crescenti, la porzione lineare della curva sforzo-deformazione diventa più ripida,
segnalando una maggiore rigidezza del tessuto alle più alte velocità di
deformazione. Con più elevate velocità di deformazione, Legamenti e Tendini
immagazzinano più energia, richiedono più forza per rompersi, e subiscono maggiori
allungamenti.
•
Durante una prova di rilassamento dello sforzo, il carico è arrestato in condizioni di
sicurezza al di sotto della regione lineare della curva sforzo-deformazione e la
deformazione è mantenuta costante per un lungo periodo di tempo. Lo sforzo
dapprima decresce rapidamente e poi più lentamente. Quando la prova di
rilassamento dello sforzo è ripetuta ciclicamente, la diminuzione dello sforzo
diventa meno pronunciata.
•
Durante una prova di creep, il carico è arrestato in condizioni di sicurezza al di sotto
della regione lineare della curva sforzo-deformazione e lo sforzo è mantenuto
costante per un lungo periodo di tempo. La deformazione dapprima aumenta
rapidamente (in senso relativo) e poi sempre più lentamente. Quando questa
prova è ripetuta ciclicamente, l’aumento della deformazione diventa meno
pronunciato.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
102
Prova di trazione in vitro su Legamento crociato anteriore umano
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
103
I meccanismi di danno e collasso
sono simili per Legamenti e Tendini, pertanto la descrizione seguente del danno e del
collasso del Legamento è generalmente applicabile anche al Tendine.
•
Quando un Legamento è sottoposto in vivo ad un carico che supera il limite
fisiologico, ha luogo un microcollasso anche prima che sia raggiunto il punto di
plasticizzazione (Plin). Quando si supera Plin, il Legamento comincia a subire un
collasso globale e contemporaneamente il giunto comincia a spostarsi in
maniera abnorme. Questo spostamento può anche provocare il danno delle
strutture limitrofe, come la Capsula del giunto, i Legamenti adiacenti, e i vasi
sanguigni che riforniscono queste strutture.
•
La figura precedente mostra la curva carico-spostamento per il Legamento
Crociato Anteriore del ginocchio umano; essa è stata divisa in tre regioni,
corrispondenti rispettivamente a:
–
–
–
–
(1) carico applicato durante prove cliniche,
(2) carico agente durante l’attività fisiologica, e
(3) carico provocante danno a partire dal microcollasso fino ad arrivare alla rottura completa.
Il microcollasso comincia anche prima che il limite di carico fisiologico sia superato e può
avvenire durante tutto l’intervallo fisiologico.
•
Il carico ultimo a trazione varia da 340 a 390 N.
•
I Legamenti si rompono ad uno sforzo di circa 20 MPa.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
104
Curve sforzo-deformazione di carco e scarico per Tendine o Legamento
sotto carico ciclico
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
105
Durante prove cicliche di Legamenti e Tendini,
nel caso in cui i carichi siano applicati e rimossi ad intervalli precisi, la curva sforzodeformazione è traslata verso destra lungo l’asse della deformazione con ciascun
ciclo di carico, rivelando la presenza di una componente non elastica (plastica).
•
L’ammontare della deformazione permanente
progressivamente maggiore con ogni ciclo di carico.
•
Al progredire del carico ciclico, il campione mostra anche un aumento nella
rigidezza come risultato della deformazione plastica (dislocazione molecolare).
•
Microfratture possono manifestarsi entro l’intervallo fisiologico se si impone un
carico frequente su una struttura già danneggiata dove la rigidezza è diminuita.
•
Il ciclo di isteresi nella figura precedente è una caratteristica chiave della risposta di
un materiale viscoelastico e indica pure la capacità del materiale di dissipare
l’energia immagazzinata. Questa dissipazione di energia si manifesta in vari modi,
incluse la generazione di calore e l’accumulo di danno.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
(non
recuperabile)
è
106
Diagramma idealizzato sforzo-deformazione a trazione
per un Tendine in condizioni fisiologiche
Legamenti:
Deformazione limite elastica 25 %
= 5 volte quella dei Tendini,
Sforzo limite elastico 5 MPa.
Tendini e Legamenti:
Sforzo fisiologico 1/4 - 1/3 sforzo
ultimo.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
107
La curva sforzo-deformazione a trazione per un Tendine in condizioni
fisiologiche
è il risultato dell’interazione tra le fibre elastiche di fibrina e le fibre
viscoelastiche di Collagene.
•
Per basse deformazioni (fino a circa 5 %), dominano le fibre elastiche
meno rigide e l’arricciamento delle fibre di collagene viene stirato; pertanto,
la forza richiesta per stirare il Tendine è molto modesta.
•
Il Tendine diventa più rigido allorché l’arricciamento è del tutto stirato.
Allo stesso tempo, la sostanza fluida in cui sono immerse le fibre di
Collagene tende a fluire.
•
Per deformazioni più alte, pertanto, la natura rigida e viscoleastica delle
fibre di Collagene comincia a prendere una porzione crescente del carico
applicato.
•
Si noti che la forma della curva sforzo-deformazione nella figura precedente
è tale che l’area sottesa dalla curva è considerevolmente piccola. In
altre parole, l’energia immagazzinata nel Tendine per stirare il Tendine
stesso ad un certo livello di sforzo è molto minore dell’energia
immagazzinata per stirare un materiale elastico lineare (con un diagramma
sforzo-deformazione che è una linea retta) al medesimo livello di sforzo.
Pertanto, il tendine ha una resilienza più alta rispetto ai materiali
elastici lineari.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
108
Curve sforzo-deformazione per il Tendine per due diverse
velocità di deformazione sotto carico monotonico
Quando il Tendine è stirato rapidamente,
c’è minore possibilità che la sostanza
fondamentale fluisca, e di conseguenza il
tendine diventa più rigido.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
109
Curve sforzo-deformazione di carico e scarico per il
Tendine sotto carico ciclico
Il ciclo di isteresi mostrato in figura
attesta i comportamenti di carico e
scarico dipendenti dal tempo del
Tendine. Si noti che nello stiramento
del Tendine è speso un lavoro
maggiore di quello che si recupera
quando al Tendine è concesso di
rilassarsi, e, pertanto, nel processo è
dissipata una quota parte di energia.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
110
I tessuti ricchi di elastina
sono:
– i Vasi sanguigni,
– alcuni Legamenti,
– i Muscoli.
Essi subiscono grandi deformazioni
quando sono sottoposti a relativamente
piccoli carichi.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
111
Struttura di un Vaso arterioso
1) tunica intima;
2) tunica media;
3) tunica avventizia.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
112
Comportamento elastico delle grandi Arterie
e loro ruolo nello
smorzamento della pulsatilità
del flusso di sangue
in uscita dal ventricolo
sinistro.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
113
Composizione di differenti tipi di Vaso sanguigno
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
114
Composizione di differenti tipi di Vaso sanguigno
Diametro d e spessore s:
1) aorta;
2) arteria;
3) arterìola;
4) sfintere precapillare;
5) capillare;
6) venula;
7) vena;
8) vena cava;
en) endotelio;
el) tessuto elastico;
mu) tessuto muscolare;
fi) tessuto fibroso.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
115
Composizione di differenti tipi di Vaso sanguigno
Resistenza dei
BioMateriali
•
Le arterie di grosso calibro
(aorta, succlavia, etc.) hanno
una
tunica
media
prevalentemente elastica;
•
le arterie di medio e piccolo
calibro
(omerale,
radiale,
femorale, poplitea, etc.) hanno
una
tunica
media
prevalentemente muscolare e
•
le arterìole, che hanno il ruolo
di regolare la distribuzione di
sangue nei differenti distretti
restringendosi o dilatandosi,
hanno una tunica media ad
elevato contenuto muscolare.
BioMateriali naturali L
116
Comportamento meccanico a trazione dell’aorta
addominale (di cane) in direzione
longitudinale (1) e radiale (2)
Resistenza dei
BioMateriali
•
Il comportamento meccanico dei vasi
sanguigni è fortemente anisotropo In
genere nei differenti punti del sistema
arterioso, la quantità relativa di
elastina diminuisce al diminuire del
diametro del vaso.
•
Nelle arterie di diametro superiore a 1
mm lo strato più interno della parete è
nutrito dal sangue che scorre
nell’arteria stessa mentre gli strati più
esterni hanno una loro rete vascolare
costituita dai vasa vasorum.
•
Il comportamento meccanico dei vasi
sanguigni è fortemente anisotropo.
Infatti si nota un comportamento più
rigido in direzione longitudinale
rispetto alla direzione radiale come
mostrato nella figura precedente nel
caso di aorta addominale di cane.
BioMateriali naturali L
117
Il sistema muscolare
consiste di 3 tipi di Muscolo:
1. il Muscolo cardiaco, che compone il cuore,
2. il Muscolo liscio (non striato o involontario), che fodera gli organi
interni cavi;
3. e il Muscolo scheletrico (striato o volontario), che si attacca allo
scheletro per mezzo dei tendini.
•
Il Muscolo scheletrico è il tessuto più abbondante nel corpo umano,
costituendo dal 40 al 45% del peso totale del corpo.
•
I Muscoli scheletrici compiono lavoro:
– dinamico, che permette
•
•
•
la locomozione,
il posizionamento e
l’assetto dei segmenti del corpo nello spazio;
– statico, che mantiene la postura del corpo.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
118
Composizione e struttura
del Tessuto muscolare
Resistenza dei
BioMateriali
•
A. Una fascia di tessuto connettivo fibroso,
lo epimisio, circonda il muscolo, che è
composto di molti fascicoli. I fascicoli sono
inglobati in un rivestimento costituito da un
denso tessuto connettivo, il perimisio.
•
B. I fascicoli sono composti di fibre
muscolari, che sono cellule multinucleate
lunghe e cilindriche. Tra le singole fibre
muscolari ci son i vasi sanguigni capillari.
Ciascuna fibra muscolare è circondata da
un tessuto connettivo lasco chiamato
endomisio.
•
Appena
dietro
l’epimisio
giace
il
sarcolemma, un sottile rivestimento
elastico con avvolgimenti il quale incapsula
l’interno della fibra. Ciascuna fibra
muscolare è costituita da numerosi delicati
filamenti – miofibrille, l’elemento contrattile
del muscolo.
BioMateriali naturali L
119
Composizione e struttura
del Tessuto muscolare
Resistenza dei
BioMateriali
•
C. Le miofibrille consistono di filamenti più
piccoli che formano un modulo a bande
ripetitivo lungo la miofibrilla La singola
unità di questo modulo che si ripete in
serie è detto sarcomero. Il sarcomero è
un’unità funzionale del sistema contrattile
del muscolo
•
D. Il modulo a bande del sarcomero è
formato dall’organizzazione di filamenti sia
spessi sia sottili, composti delle proteine
miosina e actina, rispettivamente. I
filamenti di actina sono attaccati ad una
estremità ma sono libere lungo la loro
lunghezza di interlacciarsi con i filamenti di
miosina. I filamenti spessi sono arrangiati
in un modo esagonale. Una sezione
trasversale attraverso la superficie di
sovrapposizione mostra i filamenti spessi
circondati
da
sei
filamenti
sottili
equispaziati.
BioMateriali naturali L
120
Composizione e struttura
del Tessuto muscolare
Resistenza dei
BioMateriali
•
E. Le molecole a forma di “lecca-lecca” di
ciascun filamento di miosina sono arrangiate in
maniera tale che le lunghe code formano un
fascio con le teste, o ponti trasversali, che si
proiettano da esso. I ponti trasversali in una
direzione lungo una metà del filamento e
nell’altra direzione lungo l’altra metà. Nella
figura à mostrata solo una porzione di una metà
di un filamento. I ponti trasversali sono un
elemento essenziale nel meccanismo di
contrazione muscolare, estendendosi all’esterno
per interlacciarsi con i siti ricettori sui filamenti di
actina.
•
Ciascun filamento di actina è una doppia elica,
che appare come due fili di perline che si
avvolgono a spirale una sull’altra. Due proteine
addizionali, tropomiosina e troponina, sono
associate con l’elica di actina e giocano un ruolo
importante nel regolate l’interlacciamento dei
filamenti di actina e miosina. La tropomiosina è
una lunga catena peptide che giace nei solchi
tra le eliche di actina. La troponina è una
molecola globulare attaccata ad intervalli
regolari alla tropomiosina.
BioMateriali naturali L
121
Struttura del Sarcomero
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
122
Modello strutturale del Sarcomero
•
•
Resistenza dei
BioMateriali
L’unità
Muscolo-Tendine
può
essere
schematizzata
come
costituita da un componente
contrattile (CC) in parallelo con un
componente elastico (PEC) ed in
serie con un altro componente
elastico (SEC). Il componente
contrattile è rappresentato dalle
proteine contrattili della miofibrilla
, actina e miosina. (I ponti
trasversali di miosina possono
presentare una certa elasticità.)
Il componente elastico in parallelo
comprende il tessuto connettivo
che circonda le fibre muscolari
(epimisio, perimisio, e endomisio)
e il sarcolemma. Il componente
elastico in serie è rappresentato
da Tendini.
BioMateriali naturali L
123
Curva sforzo attivo-lunghezza
di una parte di una fibra muscolare
Resistenza dei
BioMateriali
•
Lo sforzo tetanico[1] isometrico[2]
è strettamente collegato al
numero di ponti trasversali sul
filamento di miosina sovrapposto
al filamento di actina.
•
Lo
sforzo
è
massimo
in
corrispondenza della lunghezza di
riposo del Sarcomero (2 µm),
dove la sovrapposizione tra
filamenti di actina e di miosina si
sviluppa
per
l’intera
loro
lunghezza ed il numero di ponti
trasversali è massimo, e cade a
zero in corrispondenza della
lunghezza per la quale non si ha
più sovrapposizione (3.6 µm).
BioMateriali naturali L
124
Curva sforzo attivo-lunghezza
di una parte di una fibra muscolare
Resistenza dei
BioMateriali
•
Lo sforzo decresce anche quando
la lunghezza del Sarcomero è
ridotta al di sotto di quella di
riposo, cadendo bruscamente a
1.65 µm e annullandosi del tutto a
1.27
µm,
poiché
l’estesa
sovrapposizione interferisce con la
formazione di ponti trasversali.
•
La relazione strutturale di filamenti
di actina e miosina nelle varie fasi
dell’accorciamento
e
dell’allungamento del Sarcomero
è rappresentata sotto la curva. I
filamenti di actina e di miosina
sono indicati con i simboli A e M
rispettivamente, mentre la lettera
Z denota la già citata “linea Z”.
BioMateriali naturali L
125
Sforzo
•
•
•
[1] tetanico:
•
Maggiore è la frequenza dello stimolo
delle fibre muscolari, maggiore è lo
sforzo prodotto globalmente dal
muscolo
Tuttavia,
esiste
una
frequenza massima oltre la quale lo
sforzo nel muscolo non aumenta
ulteriormente. Quando questo sforzo
limite è raggiunto come reazione alla
somma
di
stimoli
inviati
in
successione, allora si dice che il
muscolo è contratto tetanicamente.
Resistenza dei
BioMateriali
[2] isometrico:
I
Muscoli
non
sono
sempre
direttamente coinvolti nella produzione
di movimenti dei Giunti. Essi possono
esercitare azioni di restrizione o di
mantenimento,
come
quelle
necessarie per mantenere il Corpo in
una posizione eretta opponendosi alla
forza di gravità. Nella contrazione
isometrica, il muscolo tende ad
accorciarsi (cioè le miofibrille si
accorciano e così facendo stirano il
componente
elastico
in
serie,
producendo pertanto uno sforzo), ma
esso non supera il carico e non causa
movimento, invece, esso produce un
momento che sostiene il carico in
una posizione fissata (ad esempio,
mantiene la postura) poiché non ha
luogo alcuna variazione nella
distanza tra i punti di attacco dei
muscoli.
BioMateriali naturali L
126
Sforzi attivo e passivo
Resistenza dei
BioMateriali
•
Gli sforzi attivo e passivo
esercitati dall’intero muscolo
mentre
si
contrae
isometricamente
e
tetanicamente sono riportati in
funzione della lunghezza del
muscolo.
•
Lo sforzo attivo è prodotto dai
componenti contrattili del
Muscolo, mentre lo sforzo
passivo
è
prodotto
dai
componenti elastici in serie e
in parallelo, quando il muscolo
è stirato oltre la sua lunghezza
di riposo
BioMateriali naturali L
127
Sforzi attivo e passivo
Resistenza dei
BioMateriali
•
Maggiore è l’entità dello
stiramento, maggiore è il
contributo del componente
elastico allo sforzo totale.
•
La forma della curva attiva è
generalmente la stessa in
muscoli diversi e rispecchia la
curva delle singole fibre,
mentre la curva passiva, e
quindi anche la curva totale,
varia in funzione della
quantità
di
tessuto
connettivo
(componente
elastico) che il muscolo
contiene.
BioMateriali naturali L
128
Curva carico-velocità
Resistenza dei
BioMateriali
•
Nella figura precedente, la
curva
carico-velocità
è
generata tracciando la velocità
del moto del braccio di leva del
Muscolo in funzione del carico
esterno.
•
Quando il carico esterno
applicato
al
Muscolo
è
trascurabile, il Muscolo si
contrae
concentricamente[1]
alla massima velocità.
•
Al crescere
Muscolo si
lentamente.
BioMateriali naturali L
del carico il
accorcia più
129
Curva carico-velocità
Resistenza dei
BioMateriali
•
Quando il carico esterno
eguaglia la forza massima che
il Muscolo può esercitare, il
Muscolo
non
riesce
ad
accorciarsi (cioè, ha velocità
nulla)
e
si
contrae
isometricamente.
•
Quando
il
carico
è
ulteriormente aumentato, il
Muscolo
si
allunga
Questo
eccentricamente[2].
allungamento è più rapido con
carico maggiore.
BioMateriali naturali L
130
Contrazione
•
[1] Concentrica:
•
[2] Eccentrica:
•
Quando il Muscolo sviluppa uno sforzo
sufficiente a superare la resistenza del
segmento di Corpo, il Muscolo si
accorcia e provoca il movimento del
Giunto. Il momento generato dal
Muscolo ha lo stesso verso della
variazione angolare del Giunto. Un
esempio di contrazione concentrica è
l’azione
del
Quadricipite
nell’estensione del Ginocchio quando
si salgono le scale.
•
Quando un Muscolo non può
sviluppare sufficiente sforzo ed è
soverchiato dal carico esterno, esso
progressivamente si allunga invece di
accorciarsi. Il momento del Muscolo
ha verso opposto rispetto alla
variazione angolare del Giunto. Uno
scopo della contrazione eccentrica è
quello di decelerare il moto Giunto. Per
esempio, quando si scendono le scale,
il Quadricipite lavora eccentricamente
per decelerare la flessione del
Ginocchio, decelerando pertanto l’arto.
Lo sforzo che esso applica è minore
della forza di gravità che tira il Corpo
verso il basso, ma è sufficiente per
consentire un abbassamento
controllato del Corpo.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
131
Relazione forza-tempo
Resistenza dei
BioMateriali
•
Curva forza-tempo per un
intero Muscolo che si contrae
isometricamente.
•
La forza esercitata dal Muscolo
è maggiore quando il tempo di
contrazione è più lungo poiché
è necessario del tempo
affinché lo sforzo creato dai
componenti contrattili sia
trasferito al componente
elastico in parallelo e quindi
al componente elastico in
serie, allorché l’unità MuscoloTendine è stirata.
BioMateriali naturali L
132
Effetto dell’architettura di muscoli
scheletrici isometrici e isotonici [1]
•
Relazione
forza-lunghezza
per fibre di diversa lunghezza.
•
Le fibre più corte hanno una
maggiore area della sezione
trasversale fisiologica (PCSA),
mentre quelle più lunghe
possiedono un’area minore.
[1] La contrazione isotonica
avviene quando lo sforzo nel
Muscolo è costante durante
un intervallo del moto del
Giunto.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
133
Effetto dell’architettura di muscoli
scheletrici isometrici e isotonici
• Relazione
forza-velocità
per fibre di diversa
lunghezza.
• Le fibre più corte hanno
una maggiore area della
sezione trasversale
fisiologica (PCSA),
mentre quelle più lunghe
possiedono un’area
minore.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
134
Effetto della fatica
Resistenza dei
BioMateriali
•
Fatica in un Muscolo che si
contrae isometricamente.
•
Quando
la
stimolazione
prolungata avviene ad una
frequenza che supera la
capacità del Muscolo di
produrre una quantità di ATP
(Adenosina
TriPhosfato)
sufficiente per la contrazione,
allora la produzione dello
sforzo diminuisce ed alla fine
cessa del tutto.
BioMateriali naturali L
135
Nervi periferici e spinali
•
A fini puramente descrittivi, il sistema nervoso può essere diviso in due
parti:
– il sistema nervoso centrale, costituito da cervello e corda spinale, e
– il sistema nervoso periferico composto da vari nervi che si estendono dal
cervello e dalla corda spinale.
•
I nervi spinali si dividono in due rami principali:
– dorsale e
– ventrale.
•
Entrambi i sistemi contengono non solo fibre nervose ma anche elementi di
tessuto connettivo e strutture vascolari che penetrano attraverso le fibre
nervose.
•
I nervi possiedono alcune speciali proprietà anatomiche che possono
servire a proteggerli dal danno meccanico, come ad esempio quello
causato da stiramento o schiacciamento.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
136
Nervi periferici: cellula nervosa
• Il termine fibra nervosa è
riferito
al
processo
allungato, detto assone,
che si estende dal corpo
della cellula nervosa.
• La maggior parte degli
assoni dei nervi periferici
sono circondati da una
guaina
multistrato
segmentata: la mielina,
prodotta dalle cellule di
Schwann.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
137
Nervi periferici: cellula nervosa
• Tra i segmenti ricoperti di
mielina
ci
sono
restringimenti non rivestiti
di mielina, detti nodi di
Ranvier. Le fibre nervose
sono
strettamente
impacchettate in fascicoli,
i quali sono a loro volta
organizzati in fascine che
costituiscono il nervo
stesso.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
138
Segmento di nervo periferico
• Le singole fibre del nervo
sono collocate all’interno
del endoneurium.
• Esse sono strettamente
impacchettate in fascicoli,
ciascuno dei quali è
rivestito di una robusta
guaina, il perineurium.
• Una fascina di fascicoli è
immersa in un tessuto
connettivo
lasco,
lo
epineurium.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
139
Segmento di nervo periferico
• Vasi sanguigni sono
presenti in tutti gli
strati del nervo:
– A,
arterìole
(ombreggiate);
– V,
venule
(non
ombreggiate).
• Le frecce indicano la
direzione del flusso
sanguigno.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
140
Comportamento biomeccanico
• I nervi non sono materiali omogenei isotropi ma,
piuttosto, strutture composite, con ciascun tessuto
componente
avente
le
sue
tipiche
proprietà
biomeccaniche.
• I tessuti connettivi
perineurium
sono
longitudinali.
dello epineurium
principalmente
e dello
strutture
• Stati di sforzo:
– Trazione,
– Compressione radiale,
– Compressione laterale.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
141
Curva sforzo-deformazione di un nervo della
tibia di un coniglio
Resistenza dei
BioMateriali
•
Quando si applica una forza di
trazione ad un nervo, un iniziale
piccolo allungamento del nervo
sotto un carico molto piccolo è
seguito da un intervallo nel quale
sforzo ed allungamento mostrano
una relazione lineare caratteristica
di un materiale elastico.
•
Quando si raggiunge il limite della
regione lineare, le fibre del nervo
cominciano a rompersi all’interno
dei tubi dello endoneurium e
all’interno del perinurium. Le
guaine dello perineurium si
rompono per un allungamento
specifico
compreso
nell’intervallo
25÷30%
(deformazione ultima) rispetto alla
lunghezza in vivo.
BioMateriali naturali S
142
Curva sforzo-deformazione di un nervo della
tibia di un coniglio
Resistenza dei
BioMateriali
•
Dopo questo punto in poi, c’è una
disintegrazione
delle
proprietà
elastiche, e il nervo si comporta
quasi come un materiale plastico
(cioè, la sua risposta alla rimozione del
carico è un recupero incompleto).
•
Sebbene esistano variazioni nella
resistenza a trazione dei vari nervi,
l’allungamento massimo al limite
elastico è circa 20%, e il completo
collasso
strutturale
sembra
avvenire all’allungamento massimo
compreso nell’intervallo 25÷30%.
Questi valori si riferiscono a nervi sani;
il danno ad un nervo può indurre
cambiamenti nelle sue proprietà
meccaniche, in particolare aumentare
la rigidezza e ridurre la regione di
elasticità.
BioMateriali naturali L
143
Sutura delle due estremità di un nervo tagliato
sotto moderata trazione
Resistenza dei
BioMateriali
è
una situazione di stiramento di
considerevole
interesse
clinico.
Questa situazione si presenta quando
esiste uno iato importante nella
continuità del tronco del nervo e il
ripristino della continuità richiede di
riportare le estremità del nervo a
coincidere.
•
La moderata, graduale trazione
applicata in questi casi al nervo può
stirare e piegare i vasi sanguigni che
apportano localmente il nutrimento.
•
Questa trazione può anche essere
sufficiente a ridurre l’area della
sezione trasversale dei fascicoli e a
danneggiare il flusso capillare nutritivo
intraneurale.
BioMateriali naturali L
144
Sutura delle due estremità di un nervo tagliato
sotto moderata trazione
•
La figura precedente mostra una
rappresentazione schematica di
un nervo periferico e del suo
rifornimento sanguigno nelle tre
fasi durante lo stiramento.
– Fase I: I vasi sanguigni (S) sono
normalmente
avvolti
per
consentire il movimento fisiologico
del nervo.
– Fase II: per un allungamento
gradualmente crescente, questi
vasi diventano stirati e il flusso
sanguigno
in
loro
è
danneggiato.
– Fase III: L’area della sezione
trasversale
del
nervo
(rappresentata nel cerchietto) è
ridotta durante lo stiramento e il
flusso sanguigno intraneurale è
ulteriormente danneggiato.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
145
Sutura delle due estremità di un nervo tagliato
sotto moderata trazione
• La
completa
cessazione di tutto il
flusso sanguigno nel
nervo solito avviene
in corrispondenza di
un
allungamento
specifico di circa il
15%.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
146
Compressione
• Nel considerare gli effetti meccanici sulla compressione
del nervo, occorre tenere ben a mente che l’effetto di
una data pressione dipende dal modo nel quale è
applicata, dalla sua intensità e dalla sua durata.
• Sebbene la pressione possa essere applicata con una
varietà di distribuzioni spaziali, nelle condizioni
patologiche e negli apparati sperimentali si
incontrano essenzialmente due tipi di applicazioni
della pressione:
– uniforme, e
– laterale.
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
147
Deterioramento della funzione del
nervo durante la compressione radiale
Resistenza dei
BioMateriali
•
La
compressione
radiale
uniforme è applicata intorno
all’intera circonferenza di un
segmento longitudinale di un
nervo dal comune tourniquet
pneumatico, mostrato in figura.
•
Dal punto di vista clinico,
questa condizione di carico su
un nervo si presenta ad
esempio quando la pressione
sul nervo mediano è elevata
nel
tunnel
carpale,
producendo una sindrome
caratteristica.
BioMateriali naturali L
148
Deterioramento della funzione del
nervo durante la compressione radiale
•
•
Resistenza dei
BioMateriali
L’analisi al microscopio elettronico
della deformazione di fibre
nervose
indotta
dalla
compressione ha dimostrato il
cosiddetto “effetto bordo”, cioè
una
particolare
lesione
ad
entrambi i bordi del segmento di
nervo compresso: i nodi di
Ranvier sono spostati verso le
parti non compresse del nervo,
mentre le fibre nervose al centro
del segmento compresso, dove la
pressione sferica è più alta, di
solito non sono interessate in
forma acuta.
Le fibre nervose di grande
diametro sono di solito più
penalizzate, mentre le fibre più
sottili sono risparmiate.
BioMateriali naturali L
149
Deterioramento della funzione del
nervo durante la compressione radiale
Resistenza dei
BioMateriali
•
Questa
osservazione
sperimentale concorda con il
risultato teorico secondo il
quale le fibre nervose più
grandi
subiscono
una
deformazione relativamente
più grande di quella che
affligge le fibre più sottili, a
parità di compressione.
•
Le lesioni delle fibre nervose
sembrano
esser
la
conseguenza del gradiente
di pressione, che è massimo
proprio
ai
bordi
del
segmento compresso.
BioMateriali naturali L
150
Compressione radiale uniforme:
campo di spostamento
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
151
Nella compressione radiale
uniforme
come quella applicata da un
tourniquet pneumatico nella figura
precedente,
la
sezione
trasversale
del
nervo
e
dell’estremità tende a rimanere
circolare ma diminuisce in
diametro nella regione caricata.
•
Resistenza dei
BioMateriali
Poiché il materiale dei tessuti è
relativamente
incompressibile,
questa
compressione
radiale
richiede una protrusione del
tessuto stesso sotto il tourniquet,
spostandolo verso l’esterno
dalla linea centrale verso
ciascuna delle estremità libere.
BioMateriali naturali L
152
Compressione radiale uniforme
Resistenza dei
BioMateriali
•
Lo spostamento del tessuto
balza da zero nella linea
centrale al valore massimo in
corrispondenza dell’estremità
del tourniquet.
•
Questo grande spostamento,
con gli sforzi tangenziali che
lo
accompagnano,
causa
l’effetto di bordo prima
menzionato, che è stato
osservato in esperimenti in
vivo.
Questa
regione
sopporta sia il massimo
gradiente di pressione sia il
massimo spostamento.
BioMateriali naturali L
153
Sciatalgia per compressione laterale
Resistenza dei
BioMateriali
•
L’immagine RM mostra un’ernia del
disco al livello L4-L5 con protrusione
posterolaterale,
che
comprime
lateralmente la radice sinistra L5 del
nervo.
•
La compressione del nervo lo deforma
verso una forma più ellittica,
aumentando la deformazione e lo
sforzo locali. Gli effetti della pressione
e dello schiacciamento dovuti al carico
sollecitano il tessuto del nervo, la sua
nutrizione,
e
la
funzione
di
trasmissione.
•
L’infiammazione della radice del nervo,
indotta dal nucleo polposo, può
sensibilizzare la radice del nervo
cosicché la deformazione meccanica
della radice del nervo causa la
sciatalgia.
BioMateriali naturali L
154
Compressione laterale
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali naturali L
155
La compressione laterale
avviene
se
un
nervo
o
un’estremità sono posti tra due
superfici piatte rigide mosse
una verso l’altra, schiacciando
il nervo o l’estremità.
Resistenza dei
BioMateriali
•
Questo tipo di deformazione si
manifesta
se un colpo
improvviso da parte di un
oggetto rigido schiaccia un
nervo contro la superficie di
un osso sottostante.
•
Esso può anche verificarsi
quando un nervo spinale è
compresso dall’ernia di un
disco intervertebrale.
BioMateriali naturali L
156
La compressione laterale
non produce necessariamente un
moto assiale del materiale, ma
essa
può
semplicemente
deformare
la
sezione
trasversale trasformandola da
quasi circolare a quasi ellittica,
come mostrato nella figura
precedente.
•
Resistenza dei
BioMateriali
In questo tipo di compressione,
nella direzione ortogonale alla
direzione di compressione (x), il
nervo deve estendersi. Questa
estensione
è
illustrata
dal
movimento del punto G in G’
durante la compressione. Nello
stesso istante il punto A si muove
in A’, indicando accorciamento o
compressione.
BioMateriali naturali L
157
Compressione laterale
Resistenza dei
BioMateriali
•
Il grado di compressione può
essere misurato per mezzo del
rapporto
massimo
di
estensione (λ), che è definito
come il diametro massimo
diviso per il diametro iniziale
del nervo.
•
Le
forme
calcolate
teoricamente sono mostrate
per valori di λ di 1.1, 1.3, e 1.5.
I risultati teorici mostrati nella
figura sono basati sulla teoria
dell’elasticità. Il punto B si
muove in B’, C si muove in C’,
e così di seguito durante la
deformazione.
BioMateriali naturali L
158
Nervi spinali
Resistenza dei
BioMateriali
•
Le
strutture
intraspinali
sono
secondo il punto
posteriore.
•
Gli archi vertebrali sono stati
rimossi tagliando i peduncoli
(1).
•
Una radice ventrale (2) ed una
dorsale (3) del nervo si
dipartono dalla corda spinale
sottoforma di filamenti (4).
BioMateriali naturali L
nervose
mostrate
di vista
159
Nervi spinali
Resistenza dei
BioMateriali
•
Prima di lasciare il canale
spinale, la radice dorsale
forma un rigonfiamento detto
ganglio (5), che contiene i
corpi delle cellule sensoriali,
prima di formare il nervo
spinale (6) insieme alla radice
del nervo ventrale.
•
Le radici dei nervi sono
ricoperte da un sacco , detto
teca (7) o con estensioni di
questo
sacco
chiamate
maniche della radice nervosa.
BioMateriali naturali L
160
Carico ultimo di radici nervose
spinali umane
Resistenza dei
BioMateriali
•
Il diagramma illustra i valori
per il carico ultimo ottenuto per
radici nervose spinali umane
sotto carico di trazione
•
•
INR, radici nervose intratecali;
FNR,
radice
nervosa
foraminale.
•
Si noti la marcata differenza
nel carico ultimo per le porzioni
intratecali e foraminali delle
radici nervose.
•
Le barre di errore indicano la
deviazione standard.
BioMateriali naturali L
161
Deformazione ultima di radici
nervose spinali umane
Resistenza dei
BioMateriali
•
Il diagramma illustra i valori
per la deformazione ultima
ottenuta per radici nervose
spinali umane sotto carico di
trazione
•
•
INR, radici nervose intratecali;
FNR,
radice
nervosa
foraminale.
•
Le barre di errore indicano la
deviazione standard.
BioMateriali naturali L
162
Prova sperimentale
Resistenza dei
BioMateriali
•
La figura mostra un disegno
schematico di una prova
sperimentale.
La
cauda
equina (A) è compressa da
un palloncino gonfiabile (B)
che è fissato alla spina da due
puntine a forma di L (C) ed da
un piatto di plexiglas (D).
•
Lo
schiacciamento
delle
strutture nervose è osservato
mediante
un
microscopio
attraverso
il
palloncino
trasparente.
BioMateriali naturali L
163
Degradazione della velocità di
conduzione del nervo dovuta a
Resistenza dei
BioMateriali
•
•
•
nucleo polposo (1),
compressione (3)
combinazione di nucleo polposo e
compressione (2).
•
Il costrittore consiste di un guscio
metallico esterno che sul lato
interno è coperto di un materiale
che espande nel tempo quando è
in contatto con fluidi.
•
A causa del guscio metallico, il
materiale espande verso l’interno,
risultando in una compressione
della radice del nervo posizionato
nell’apertura
centrale
del
costrittore.
BioMateriali naturali L
164