6.11.2013
Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace vnitřní strukruty
Kortikální a trabekulární kost ●
●
●
Na povrchu tenká slupka hutné kosti (kortikální kost) Vnitřek distálního i proximálního konce dlouhých kostí vyplněn trámčitou kostí (trabekulární, spongióza) Tělo obratle, kosti předloktí (diagnostika osteoporózy,...)
Mechanické vlastnosti kortikální kosti ● ●
●
●
Anizotropní Tuhost dána také poměrem:vápník/porozita Vysoká hodnota Poissonova poměru (Poisson ratio) ν Duktilní
Mechanické vlastnosti kortikální kosti ●
Viscoelastický materiál –
Rychlost deformace ●
–
–
–
–
dε/dt ↑ pevnost také roste ↑
Únavové vlastnosti: cyclické namáhání Vznik mikrotrhlin, jejich růst, klasická lomová mechanika Schopnost remodelace (in vivo) Mikrotrhliny: nejčastěji se vyskytují ve vysoce mineralizované tkáni
Trabekulární kost (spongiózní kost) ●
●
●
Síť navzájem pospojovaných trabekul (pruty, destičky), které vytvářejí odolnou a lehkou konstrukci Nelineární modul pružnosti a pevnost Morek: zvyšuje schopnost absorpce impaktního zatížení
Trabekulární kost – mechanické vlastnosti
Odlehčená kost, z velké části prázdný prostor. Mnohem více remodelace Větší povrchová plocha Více elastická Větší odolnost proti tlaku Pohlcuje dynamické zatížení v ose kosti
Wolffův zákon
Jednotlivé trabekuly jsou uspořádány do směrů, které odpovídají směru hlavního napětí (trabekuly se chytře přestavují pomocí tzv. remodelace, aby se struktura co nejlépe přizpůsobila mechanickému namáhání).
Mikrostruktura trabekulární kosti
Porušení trabekulární kosti SEM trhliny v trabekulární kosti:
A) koncová část delaminace
B) trhlina je překlenuta vlákny (filamenty)
C) mikrotrhlina vzniklá delaminací a náledným posunutím kostní tkáně v podélném směru trhliny
D) zvětšený pohled na vlákna překlenující trhlinu
E) tři typy mineralizovaných fibril: −
3) osamocené kolagenové vlákno, tloušťka 67nm (kolagen typu I)
F) detail kolagenového vlákna, na kterém jsou patrné příčné pásy
Hierarchický systém vzájemných propojení pomocí vláken (filamentů), vlákének (fibril) a samotných kolagenních vláken dělají z kosti úžasný nanokompozit, který velmi dobře odolává šíření trhliny.
Kost jako nanokompozit
Kost je tedy nanokompozit skládající se z přibližně 70% matrice a ze 30% minerálu velikosti v nanometrech materiál matrice tvoří kolagenová vlákna (polymer) která jsou uspořádána do velmi složité struktury Vlákna jsou pokryta minerálem – krystalky hydroxyapatitu o velikosti 50nmx25nmx3nm
Adaptace kosti ●
Modelace: apozice, tvorba (doplňování) nové kostní hmoty – – –
–
●
různé rychlosti kontinuální proces na jakémkoliv kostním povrchu různé výkony v průběhu života (dospívání, puberta, růstový hormon,... osteoporoza)
Remodelace: resorpce a apozice –
Aktivace, resorpce a tvorba
– –
–
Osteoklasty - resorpce Tvorba nové kosti (apozice) osteoblasty Inicializace ● ●
mechanickou deformací fatigue damage theory (Burr)
Kalciofosfátový metabolismus = hospodaření s vápníkem a fosforem, které je hormonálně regulováno parathormonem, kalcitoninem a vitaminem D.
Kostní buňky • • • • •
nediferencované mesenchymové buňky osteoblasty buňky lemující kost osteocyty osteoklasty Iontové složení kostního minerálu (mmol/g suché kostní tkáně bez tuku)
Kationty Ca2+ Mg2+ Na+ K+
množství 6.66 0.18 0.32 0.02
Anionty PO3CO32Citrate3Cl-
množství 4.02 0.79 0.05 0.02
Kostní tkáň Osteocyty – 90% všech kostních buněk - nejsou synteticky aktivní, podílejí se však na obměně minerálů, účastní se remodelace při poškozeních (únavové zlomeniny) - kontrola pohybu iontů dovnitř kosti a ven. Osteoblasty – produkují základní kostní hmotu - vysoká proteosyntetická aktivita. Osteoklasty - buňky odbourávající kostní tkáň - obsahují četné lysosomy s proteolytickými enzymy (kolagenasu, želatinasy, katepsiny, glykosidasu, sulfatasu, anorganickou pyrofosfatasu, izoenzym kyselé fosfatasy). Membrána obsahuje protonovou pumpu – snížení pH 7 na pH 4
Fáze kostní tvorby Tvorba kosti a mineralizace (embryonální vývoj). Růst kostí. Udržování kostní tkáně (remodelace, hojení).
Mechanismus tvorby kosti: 1. Vznik kosti z chrupavky – enchondrální osifikace. 2. Intramembránová osifikace – ploché kosti (embryonální vývoj). 3. Apoziční tvorba – periostální rozšiřování kosti během modelace a remodelace.
Růst kosti fylogeneticky dvojí vývoj kostí: primární (krycí kosti) sekundární (náhradní kosti)
Osifikační proces osteoblasty − buňky z mezenchymu, produkují nezvápenatělé prekurzory základní hmoty → polymerací se mění v osteoid osteoblasty v této hmotě uváznou kostní trámečky − struktury, které jsou vytvářeny osteoblasty, dále přibývají aposicí osteocyty − typické kostní buňky, vznikají z nepohyblivých osteoblastů (které uvázly v osteoidu) osteoklasty − odbourávají kost, odbouraná kost je nahrazena kostí novou → přestavba kosti
Vliv stárnutí ●
●
●
BMC: Bone mineral content (obsah kostního minerálu) PHV: Peak height velocity (growth) – maximální rychlost Maximání hodnota BMC je mezi 20. a 30. rokem života
Vliv stárnutí Osteoporóza i většina dalších metabolických onemocnění skeletu jsou důsledkem déletrvajícího narušení rovnováhy mezi kostní resorpcí a novotvorbou.
●
U mužů > BMC než u žen
Obsah kostního minerálu se dramaticky snižuje u žen po menopause (nadměrná kostní resorpce navozená nedostatkem pohlavních hormonů) ●
Snižování BMC po 50ce – –
cortical same rate rychlost ↑ po menopauze (3%)
Osteoporóza, osteoporotická zlomenina ●
Snížení obsahu kostního minerálu a změny v geometrii a tlouštce trabekul často vedou k osteoporotickým zlomeninám (krček stehenní kosti, zápěstí, páteřní obratel)
Faktory ovlivňující kvalitu kosti Výživa ●
●
●
●
●
Fyzická aktivita stimuluje růst kosti
Rovnováha minerálů – metabolity vitamínu D –
hormon parathyroid
–
kalcitonin
“low-moderate activity threshold” - optimální prá Intenzivní cvičení -> 11% nárůst kostní hmoty u mladých jedinců
Vitamín D – absorpce vápníku – Sluneční paprsky
Imobilizace, upoutání na lůžko, pobyt ve stavu beztíže Space flights: nedostatek zatížení – ↓ depozice – ↑ resorpce Částečne reversibilní proces: návrat do normálu je velmi pomalý
Zpět k materiálu kosti - nanokompozit
Kost je nanokompozit skládající se z přibližně 70% matrice a ze 30% minerálu velikosti v nanometrech materiál matrice tvoří kolagenová vlákna (polymer) která jsou uspořádána do velmi složité struktury Vlákna jsou pokryta minerálem – krystalky hydroxyapatitu o velikosti 50nmx25nmx3nm
Umělá kost - motivace
Kost má velkou schopnost regenerace, ale jen při malém defektu. Chybí-li větší kus kosti je zapotřebí chybějící prostor vyplnit pomocí kostních štěpů (např. z pánevní lopaty pacienta nebo od dárce), nebo se použije umělá kost (nebiologický materiál, synteticky vyrobený). Bioaktivní materiál (syntetický materiál, na který organismus dobře reaguje) – kalciofosfátová keramika, uměle připravený hydroxyapatit – vznik pevné chemické vazby s kostní tkání. Dnes nejčastěji ve formě velmi porézních granulí (póry velikosti 200-500um), míchají se s vlastními kostními štěpy. Důležitá je vysoká porozita, okolní tkáň a zejména cévy pak do této umělé kostní tkáně mohou dobře prorůstat. Dalším požadavkem jsou podobné mechanické vlastnosti a schopnost ihned přenášet mechanické zatížení. Odlišné mech. vlastnosti působí značné problémy a jsou příčinou velké remodelace kosti v okolí. Pomocí umělé kosti je tato disproporce v mechanických vlastnostech odstraněna.
Materiály používané jako umělá kost Fosforečnan vápenatý (vápenatá sůl kyseliny fosforečné), vysoce porézní keramický materiál, používaný jako lešení. Lze vytvarovat do téměř libovolného tvaru. Porozita vhodné pro osteoblasty I prorůstání cévního řečiště.
STYROFOAM Titanová pěna vyrobená okolo původní matrice polyuretanové pěny. Tato je posléze odstraněna pomocí vysoké teploty a zůstane pouze lehká vysoce porézní titanová pěna s vhodnými mechanickými vlastnostmi.
Kolagen z rybích šupin. Podobné vlastnosti jako rohovka lidského oka. Rychlejší tvorba kolagenu.
Ratanové dřevo – zahřátí (v podstatě spálení) dřeva při velmi vysokém tlaku, přidání vápníku a fosfátu...
Potřeba úpravy štěpu do libovolného tvaru
Tvar vnitřní struktury lešení je velmi důležitý pro okamžitý přenos zatížení kritická je velikost póru pro prorůstání cévního řečiště (umožnit vyživování) Důležitý je i povrch pro snadné uchycení osteoblastů, osteoklastů Umožnit bioresorpci
Návrh a tvorba lešení
Rapid prototyping - 3D printing - SLS = Selective Laser Sintering
Selective Laser Sintering
pak už “jenom” pokrýt lešení pomocí kmenových buněk a v bioreaktoru nechat růst
