TESUTURILE MOI ORTOPEDICE - Proprietatile componentelor tesutului moale

TESUTURILE MOI ORTOPEDICE

1 Sarcina suportata de tesuturile conjunctive

Sunt trei tesuturi principale:

tendonul;

ligamentul;

cartilagiul.

Tesuturile conjunctive sunt compuse din trei structuri de baza:

a)      Colagenul care este unul dintre proteinele structurale de baza ale corpului uman. Este o proteina fibroasa cu structura elicoidala tripla. Ramificatiile fibrei de colagen sunt nelimitate, cu diametrul de 0,0 - 1,2 microni (figura 1).

Figura 1 Microstructura fibrelor de colagen

b)      Elastanul - este o proteina fibroasa cu structura elastica ridicata.

c)      Proteoglicanul are matricea cu proprietati vascoelastice, constituita din polimeri de zahar. Structura incarcata a acestuia asigura rezistenta la compresiune.

Tesuturile conjunctive mai au in componenta cateva vase de sange si nervi.

2 Proprietatile tesuturilor moi

Proprietatile fizice si mecanice au functie in microstructura si compozitie si depind de aranjamentul fibrelor, care poate fi:

fibre paralele;

retele de fibre transversale;

structura ca de pasla/postav.

In ceea ce priveste proprietatile vascoelastice generale ale tesutului moale ortopedic, relatia tensiune - deformatie se considera dependenta si prezinta histerezis. Incercarea de relaxare a tensiunii sub o deformatie constanta face sa apara tensiunea la fluaj constanta.

Ligamentele si tendoanele se supun unor preconditii, cum ar fi:

ciclurile de tensiuni si relaxari au ca rezultat reducerea progresiva generata de tensiune (pentru definirea deformatiei) (figura 2);

reactia sustinuta a zonei de influenta se afla dupa 10 cicluri;

fluidul este impins afara dupa o perioada de inactivitate.

calculul/raportul pentru incheietura rigida se face dupa un anumit timp.

Figura 2 Efectul preconditionarii tesutului moale

3 Proprietatile componentelor tesutului moale

Fibrele de elastan si colagen au rezistenta la sarcina la tractiune: proprietatile difera substantial. Colagenul, care este un tesutul bogat (tendon, ligament, cartilaj), are un maxim al modulului de elasticitate care se apropie de o singura fibra de colagen.

1 Structura si proprietatile tendoanelor

Functiile tendonului sunt:

conecteaza/leaga muschii si oasele;

transmit fortele de contractie oaselor;

tendoanele din aria unde se incovoaie ca si tendoanele care cauzeaza indoirea degetelor trec printr-un invelis care directioneaza calea tendonului.

Structura tendonului se prezinta in figura 3 si este alcatuita din:

fibrele de colagen sunt impachetate compact (86% din greutatea proprie);

contin elastan putin;

au cateva celule;

fibrele sunt orientate uniaxial;

configuratia sectiunii transversale se compara cu muschii asociati: variaza in functie de locatia anatomica.

Figura 3 Microstructura ierarhica a tendonului

Tendoanele au rezistenta de rupere la tractiune/la intindere ridicata si modulul de elasticitate mare. Rezistenta de rupere la intindere este cea mai mare dintre toate tesuturile moi, cca. 50100 MPa. Modulul de elasticitate variaza de la 1,2 la 1,8 MPa. Proprietatile difera de la individ la individ si functie de zona anatomica in care se afla tendoanele.

Continutul ridicat de colagen al tendoanelor rezulta in urma solicitarii relativ mica a acestora. Sarcina suportata de tendoane (de exemplu, tendoanele piciorului si ale sirei spinarii) permit maximum de deformatie de aproximativ 10%. Nesuportarea sarcinii de catre tendoane permite maximum de deformatie de aproximativ 3 - 4%.

Structura tendonului consta dintr-un material necomprimabil. Tendoanele sufera un histerezis mic. Astfel, 90 - 96% din energie este recuperata (doar 4 - 10% se pierde).

Pe parcursul contractiilor izometrice, tendoanele se apropie pe masura intinderii de fluaj (cedare) lent. Muschilor le sunt permise contractii mai mari in timp ceea ce le permite sa isi mentina aceeasi lungime globala si micsorarea gradului de oboseala a acestora.

Tendoanele prezinta vascoelasticitate (grad de deformatie) mai mica decat celelalte tesuturi moi.

Comportamentul la tensiune - deformatie se reprezinta grafic ca o curba neliniara in figura 4.

Figura 4 Curba caracteristica deformatie - tensiune a tendoanelor

Fibrele se caracterizeaza astfel:

aliniamentul fibrelor pe directia tensiunii;

majoritatea fibrelor se intind de-a lungul axelor lor lungi;

fibrele individuale ajung, de la o ruptura precedenta, la o cedare catastrofica.

Lungimea initiala a regiunii neliniare creste odata cu varsta.

2 Structura si proprietatile ligamentelor

Ligamentul are functia de conector de oase si este cel care stabizeaza incheieturile.

Structura acestuia este constituita din fibre de colagen, care sunt impachetate mai putin compact (70% din greutatea proprie). Continutul de elastan este mult mai slab decat la tendoane, iar sectiunea transversala este eliptica si neteda.

Conexiunea ligamentului cu osul se face prin doua tipuri de insertie:

insertie directa - fibrele ligamentoase traverseaza frontul de mineralizare si inainteaza spre ramificatiile de colagen ale cartilajului fibros, mineralizandu-l si apoi ajunge la os - zona de tranzitie, cu adancimea de 1 mm;

insertie indirecta - fibrele scurte de colagen sunt ancorate oblic in periosteul osului.

Conexiunea se poate face fie paralel cu orientarea fibrelor (ligamentele paralele ale calcaiului), fie prin ramificatia fibrelor (ligamentele incrucisate ale calcaiului).

Ligamentele sunt mai putin rezistente si mai putin rigide decat tendoanele. Continutul de colagen este scazut (procentajul cel mai ridicat este in "scoarta terestra"). Multe structuri ale tesuturilor de colagen se compara cu aranjamentul aproape in totalitate paralel al tendoanelor.

Ligamentele au acelasi tip de comportament la tensiune - deformatie cu cel atribuit fibrelor aliniate si alungite.

Caracteristici ale ligamentelor si tendoanelor:

Tesutul anisotropic este orientat, in primul rand, pentru rezistenta la sarcina la tractiune;

Comportamentul neliniar, modelat de fibre, variaza cu gradul de contractie;

Cu cresterea sarcinii de deformatie se refac fibrele auxiliare.

3 Structura si proprietatile cartilajelor

Functia cartilajului este de a mentine configuratia si de a asigura suprafata de sprijin a articulatiei incheieturii.

In structura contine o matrice de proteoglican compacta, cu cateva fibre de colagen amestecate si fibre de elastan, spre deosebire de tendon sau ligament. Matricea de proteoglican poate afecta proprietatile mecanice prin impiedicarea deplasarii retelei fibrelor de colagen. Cartilajul formeaza celule (condrocite) gasite intre spatiile libere ale matricii.

Tipurile de cartilaje sunt:

a)      Cartilajul vitros (sticlos), care este mic, fibrele de colagen sunt uniform distribuite (50 - 80% din greutatea proprie). Acest tip de cartilaj are un continut neglijabil de elastan si aspect de sticla slefuita, neteda.

Exemple: cartilajul articulatiei; placile mari; cartilajul costal; suportul traheei; septul nazal.

b)      Cartilajul fibros - este mult mai numeros, fibrele de colagen sunt impachetate compact, spre deosebire de cele ale cartilajului vitros (cca. 90% din greutatea proprie).

Exemple:

portiunea din afara discului intervertebral;

meniscul calcaiului.

c)      Cartilajul elastic - este similar cartilajului vitros, dar mai contine fibre de elastan - de altfel, este mult mai flexibil. Este prezent in structura pentru a repeta incovoierile.

Exemple: epiglota, canalul exterior auditiv, tubul eustachian.

Cartilajele articulatiilor se caracterizeaza printr-o variatie larga a proprietatilor mecanice, bazate pe zona anatomica si varsta subiectului. Proprietatile au o variatie anizotropica in structura colagenului. Chiar si cartilajul articulatiei suporta o sarcina.

Alegerea proprietatilor pentru un material inlocuit va depinde de analiza competenta a tensiunilor in starea de activitate fiziologica normala.

In ceea ce priveste comportamentul la anumite sarcini, initial, regiunile degetelor de la picioare sunt urmate de extensii/ prelungiri liniare, care sunt conditionate de alinierea si alungirea fibrelor. Rigiditatea este independenta de continutul de proteoglican. Rezistenta de rupere la intindere/tractiune este mica (comparabila cu cea a ligamentului si tendonului).

Comportamentul la compresiune - este independent de continutul de colagen, care este dependent de concentratia de proteoglican. Diagrama tensiune - deformatie este liniara, dar cu intrerupere (randamentul este foarte mic). Aria superioara pe care apasa greutatea este mai rigida decat aria joasa pe care apasa greutatea si au un continut ridicat de proteoglican.

Proprietatile medii ale cartilajelor articulatiilor sunt:

modulul de elasticitate la intindere/tractiune: 110 MPa;

modulul de elasticitate la compresiune: cca. 1 MPa la indivizii sanatosi.

Ambele module ale lui Young si rezistenta descresc in adancime in captuseala cartilajului. Se produc schimbari in structura colagenului si in continut (figura 5), astfel:

zona superficiala tangentiala: fibrele sunt paralele cu suprafata - contine colagen in proportii mari;

zona de mijloc: fibrele au un aranjament superficial, preferabil pe directia de 45^o - contine proportii mici de colagen;

zona de adancime: este perpendiculara pe suprafata, traversand-o si conectand-o la tesutul calcifiat.

Figura 5 Reprezentarea scematica a structurii cartilajului articulatiei

Cartilajul articulatiei sufera o cedare lenta, un fluaj pana la un punct de echilibru sub compresiune. Echilibrul poate sa nu se afle in zona de influenta a suprafetei respective pana la cca. 30 minute dupa aplicarea sarcinii. Permeabilitatea descreste odata cu cresterea deformatiei la compresiune - previne pierderea fluidului in exces sub prelungirea compresiei. Fluajul (cedarea) lent se poate recupera. Apa este reabsorbita in matricea cartilajului de proteoglican.

Sub actiunea sarcinilor statice, solicitarea initiala este de aproximativ 25% din ehilibrul solicitarii. Rezistenta la inaintarea vascoasa a fluidului provine din energia disipata in cartilajul articulatiei si menisc.

Coeficientul de frecare al cartilajului este redus (< 0,01). Efectul presarii peliculei apare atunci cand fluidul este presat afara din cartilaj sub actiunea sarcinii de compresiune sau cand fluidul este reabsorbit in cartilaj sub tensiune. Coeficientul de frecare asigura lubrifierea peliculei de fluid.

4 Proprietatile mecanice ale meniscului (figura 6)

Figura 6 Aranjamentul anatomic medial si lateral al meniscului genunchiului

Modulul de elasticitate la compresiune este de aproximativ 0,4 MPa. Permeabilitatea fluidului este mai scazuta decat la cartilajele articulatiilor.

Meniscul are aceleasi functii de baza ca cele ale cartilajelor articulatiilor. El asigura amortizarea socurilor si o suprafata de sprijin. Diferenta de proprietati indica ca el executa aceste functii in mod diferit. Meniscul trebuie sa reziste la tensiunile inelare ale sarcinilor mari cauzate de fortele radiale in timpul solicitarii.

Pierderea meniscului la calcai este rezultatul unei posibile suprasolicitari a cartilajului articulatiei.