BIOMECHANIKA
BIOMECHANIKA KOSTERNÍHO SUBSYSTÉMU
MECHANICKÉ VLASTNOSTI BIOLOGICKÝCH MATERIÁLŮ Viskoelasticita, nehomogenita, anizotropie, adaptabilita Základní parametry: hmotnost + elasticita (akumulace energie) plasticita + viskozita (tlumení pohybu) Velikost zátěže (stress): σ = F = S
síla příčnýprůřez
[MPa ]
MECHANICKÉ VLASTNOSTI BIOLOGICKÝCH MATERIÁLŮ Velikost deformace (strain): absolutní l − l0 [cm]
relativní
l − l0 ε= l0
velikost zatížení σ = Modul pružnosti: E = změna deformace ε Kompaktní kost: 17-20 000 MPa Dubové dřevo: 10 000 MPa Patelární vaz: 4 000 MPa
[ MPa ]
PASIVNÍ PODSYSTÉMY Kosti, šlachy, vazy, chrupavky, kloubní spojení (nejsou primárním zdrojem energie) Funkce kostí: konstrukční prvky (páky), převodní mechanismy energie, absorbce energie, plocha pro připojení svalů S K
Kortikální x spongiózní
periosteum
osteony
K S
1/10 tuhosti 5x protažitelnější
endosteum
K – kortikální kost S – spongiózní kost
S K
Haversův kanálek
Volkmannův kanálek
VLASTNOSTI KOSTNÍ TKÁNĚ Tvar kostí: dlouhé, krátké, ploché, nepravidelné Tvar kostí ovlivňuje jejich mechanické vlastnosti. mohou být různé v rámci jedné kosti
Složení kosti: 20% voda, 35% bílkoviny, 45% minerály
VLASTNOSTI KOSTNÍ TKÁNĚ Základní stavební jednotka − osteon (Haversovy systémy)
Kolagenní mineralizovaná vlákna → ve směru hlavních napětí Uložení
rovnoběžně obloukovitě spirálovitě
VLASTNOSTI KOSTNÍ TKÁNĚ Architektonika kosti hlavní tlaková skupina trámečků
skupina trámečků u trochanter major
druhotná tahová skupina trámečků kompaktní kost
spongiózní kost
hlavní tahová skupina trámečků druhotná tlaková skupina rámečků kostní dřeň
DEFORMACE KOSTI C
C’ B
zóna plastických deformací
zátěž
B’
zóna elastických α deformací A deformace
B – přechod mezi elastickou a plastickou deformací C – mezní bod, ve kterém dochází k poškození kosti B’ – mez kluzu C’ – mez pevnosti
Elastické (vratné) Plastické (trvalé poškození kosti)
Mez kluzu (B´): femur (20-29) − 120 MPa, tibie − 126 MPa Mez pevnosti (C´): 170-200 MPa, 195-204 MPa Spongiózní kost − vedle trámců a lamel také cévy, nervy, … ⇓ hydraulický systém pro zvýšení odolnosti
ZPŮSOBY NAMÁHÁNÍ KOSTI bez zátěže
tah
tlak
ohyb
smyk
krut
Oslabené svaly (i při nízké aktivitě) nejsou schopny neutralizovat zatížení. Velikost zátěže x rychlost působení Pomalá − odlomení drobné části kosti
Rychlá − ruptura vazů nebo šlach
OHYB KOSTI Kombinace tahu (na povrchu) a tlaku (kolem podélné osy)
3 síly (zlomenina přes okraj lyžařské boty) 4 síly (náraz dlouhé kosti na širokou překážku)
KRUT KOSTI Dochází k posunu jednotlivých částí kosti vůči sobě.
První porušení kosti je způsobeno smykem, další v rovině diagonální vzhledem k ose kosti.
ÚNAVOVÁ ZLOMENINA zóna přetížení
zóna zatížení okamžik, ve kterém dochází ke zlomení kosti
elastická deformace
zatížení
působící síla
zóna únavy
plastická deformace
poranění
počet opakování
a) opakované zatěžování nižší intenzity b) jednorázové působení zatížení v zóně přetížení
Cyklické namáhání kosti (únava) − opakující se nevratné mikrodeformace. Křivka není asymptotická jako u jiných materiálů (některé kovy), kdy opakované zatížení na určité hranici nezpůsobí poškození.
ÚNAVOVÁ ZLOMENINA Působení zátěže na tibii při různé rychlosti pohybu chůze 5 km.h-1 x klus 7,9 km.h-1
ZMĚNY KOSTNÍ TKÁNĚ − VLIV VĚKU
mladý jedinec
senior starý jedinec
mladí
napětí
staří
deformace
Úbytek kostní hmoty (hustoty) → zeslabení podélných + ztráta příčných trámců Osteoporóza − snížení odolnosti a pevnosti, větší křehkost a snížení kapacity pro uložení energie. Mezi 30. až 80. rokem → snížení hmoty → muži 20%, ženy až 40%. ↓HMOTNOST KOSTÍ x HMOTNOST OSTATNÍCH TKÁNÍ↑
REMODELACE KOSTI HYPERTROFIE x ÚBYTEK KOSTNÍ HMOTY K hypertrofii kosti může dojít při opakovaném zatěžování v přirozeném fyziologickém rozpětí.
Zesílení kompakty a příčných trámečků u dětí, u dospělých pouze trámečků.
REMODELACE KOSTI Wolffův zákon: Každá změna ve funkci kosti je doprovázena určitými (nevratnými, strukturálními) změnami ve vnitřní architektuře, s přihlédnutím k vnějším vlivům.
Vedou k souladu mezi tvarem, strukturou a funkčním zatížením Pohybová aktivita, věk, nemoc, výživa, …
