BIOMECHANIKA
ŠLACHY, VAZY, CHRUPAVKA
FUNKCE ŠLACH A VAZŮ Šlachy: spojují sval a kost • přenos svalové síly na kost nebo chrupavku • uložení elastické energie
Vazy: spojují kosti • stabilizace kloubu • vymezení rozsahu pohybu
STRUKTURA ŠLACH A VAZŮ Základní protein − vláknitý kolagen → levotočivá trojitá šroubovice („lanovitá“ tuhá molekula)
Složení: kolagen (80 %), elastin, proteoglykan, fibronectin Ve vysušené tkání je množství kolagenu větší u šlach (více než 90 %).
STRUKTURA ŠLACH A VAZŮ Elastinová vlákna − pružná deformace až 200 % Kolagenní vlákna − pevnější a tužší
1 směr dominantního zatížení mimoosové, v menším rozsahu
STRUKTURA VAZŮ Vlákna a svazky vláken se mohou (přední vaz zkřížený) a nemusí (vnitřní pobočný vaz) sdružovat do snopců
Kosterní vazy − 1,5 % vláknitého elastinu X Elastický vaz (ligamentum flavum) − elastinová vlákna s dvojnásobným průměrem
BIOMECHANICKÉ VLASTNOSTI ŠLACH A VAZŮ Vysoké elastické vlastnosti vazu (elasticického) při nízké hysterezi
Běžné aktivity: • zatížení je asi 1/4 až 1/3 meze pevnosti • protažení o 5 % klidové délky
BIOMECHANICKÉ VLASTNOSTI ŠLACH A VAZŮ
pevnost svalu v tahu 1 = pevnost šlachy v tahu 2 až 4
První část → konkávní Druhá část → lineární
NAPOJENÍ ŠLACH A VAZŮ NA KOST Přenos sil ze svalu na kost ⇓ Tuhost a pevnost šlachy bez výrazné deformace Šlacha může uložit a uvolnit elastickou deformační energii s minmální ztrátou
4 vrstvy pro napojení kosti a vazu
SPOJENÍ ŠLACHY A SVALU Plochá šlacha − hlavní význam pro vlastnosti spojení Sval − šlacha → větší průřez svalu ⇒ větší zátěž šlachy
Spojení šlachy a svalu • zřasení membrány − zvětšení plochy kontaktu až 22x • ostrý úhel − možnost přenášet i smyková napětí
VEDENÍ ŠLACHY Vedení šlachy přes kloub • kostní vyvýšeniny • pouzdra pojivové tkáně • pomocí „šlachového vazu“
Pouzdro je tvořeno dvěma membránami − visceral, parietal
VISKOELASTICITA ŠLACH A VAZŮ Elastický základ + viskózní tekutina → k deformaci nedochází okamžitě
Konstantní nízká zátěž (využití při idiopatické skolióze) Pozvolné protahování x švihové provedení Mez pevnosti: 42−210 MPa
VLIV IMOBILIZACE NA VLASTNOSTI VAZŮ
Změna modulu pružnosti až o 50 % Remobilizace − časově mnohem delší než imobilizace
Přetržení vazu: Nižší rychlost 28 % střed, 57 % od tibie Vyšší rychlost 66 %, 28 % Při přiměřeném přetěžování → zlepšení mechanických vlastností; po odeznění → rozdíly vymizí
ZMĚNY BIOMECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ ŠLACH A VAZŮ
Po 40 týdnech po zranění jsou kolagenní fibrily odlišné od původního stavu.
STRUKTURA KLOUBNÍ CHRUPAVKY (sklovitá, hyalinní)
Funkce: • přenos tlaku z kosti na kost • snížení tření • tlumení rázových sil Šířka vrstvy: • 1-5 mm (2-3 mm) → 1 cm Kolagen – nejčastěji zastoupená bílkovina v lidském těle (hlavní složka mezibuněčné hmoty) Kolagenní vlákna (tenčí než u vazů) – odolnost proti natažení
BIOMECHANICKÉ VLASTNOSTI KLOUBNÍ CHRUPAVKY Mechanická odezva Orientace kolagenních fibril Nehomogenita vrstev
Biomechanické vlastnosti tkáně
Povrchová − nejslabší, jemné, husté svazky fibril → tlaková napětí Střední − nejtlustší, nahromadění proteoglykanu a vody → tahová napětí Hluboká − největší, orientovaná kolmo k povrchu kosti Zvápenatělá chrupavka − zvlněná → transformace smykových napětí na tlaková
BIOMECHANICKÉ VLASTNOSTI KLOUBNÍ CHRUPAVKY Porézní permeabilní látka, pohlcovat tekutinu.
která je schopná
Fáze: tekutá (fluid) x pevná (solid). Viskoelasticita → viskózní tekutina + elastická tuhá látka Voda tvoří 65-85% hmotnosti, její množství se snižuje od povrchové (80%) do hluboké zóny (65%) zóny. Při stlačení tkáně se může „přelévat“ asi 70%. Velikost síly na povrchu kloubu kolísá od nízké hodnoty až po několikanásobek tíhové síly těla.
BIOMECHANICKÉ VLASTNOSTI KLOUBNÍ CHRUPAVKY napěťová relaxace → konstantní deformace creep efekt → konstantní zátěž
Creep je doprovázen vydatným vyloučením tekutiny z vzorku, poměr vyloučení se s časem snižuje (od A do C). Vytlačovaná tekutina slouží k lubrikaci povrchu kloubu
BIOMECHANICKÉ VLASTNOSTI KLOUBNÍ CHRUPAVKY
Konstantní tlak působící na vzorek kloubní chrupavky (vlevo) a creep vzorku při konstantním působícím tlaku (vpravo). V rovnovážném stavu se proudění tekutiny zastaví a zatížení je neseno výhradně pevnou hmotou (Armstrong and Mow, 1980).
MECHANICKÉ VLASTNOSTI
Relaxace chrupavky – přerozdělení vody uvnitř tkáně. Relaxační proces je asi 4 x rychlejší než creep. Po odlehčení se zdravá chrupavka vrací do původního stavu.
PERMEABILITA KLOUBNÍ CHRUPAVKY permeabilita → vzájemné propojení pórů • určení snadnosti, se kterou může tekutina prostupovat přes porézní materiál • pro kloubní chrupavku je poměrně nízká • póry mají velikost srovnatelnou s velikostí molekuly (3-6,5 nm)
Permeabilita se s rostoucím tlakem tekutiny a s rostoucí deformací snižuje → kompaktnost tkáně → zmenšení velikosti pórů
NAPĚŤOVÁ RELAXACE
šířka vrstvy
působící tlak
S rostoucí rychlostí deformace roste tuhost chrupavky.
MAZÁNÍ (LUBRIKACE) KLOUBNÍ CHRUPAVKY „Boundary“ (mezní vrstva) – adsorpce glykoproteinu povrchem kloubní chrupavky (při velké zátěži trvající delší dobu) „Fluid film“ (tenký povlak) – způsobuje oddělení povrchů dvou kloubních chrupavek (při nižší zátěži, ale rychlém vzájemném pohybu kontaktních ploch).
MAZÁNÍ (LUBRIKACE) KLOUBNÍ CHRUPAVKY Hydrodynamické
Elastohydrodynamické
Stlačení
POŠKOZENÍ KLOUBNÍ CHRUPAVKY Působící faktory: • velikost působící síly • frekvence maxim této síly • změny v molekulární struktuře kolagenu
snížení pevnosti chrupavky + zvýšení permeability Celková zátěž na kloub x rozložení této zátěže na povrchu kloubu (změny v reakci pod chrupavkou a v měkkých tkáních v okolí) Velký tlak mezi kontaktními plochami snižuje možnost vzniku tenkého filmu. Lubrikace je primárním faktorem v etiologii osteoartritidy.
