biomecanica osului

Download Biomecanica osului

If you can't read please download the document

Post on 15-Apr-2016

34 views

Category:

Documents

14 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Biomecanica osului

TRANSCRIPT

  • BIOMECANICA OSULUI

  • BIOMECANICA OSULUI Compoziia i structura osului Componenta anorganic face ca osul s fie dur i rigid, n timp ce componenta organic i confer acestuia flexibilitate i rezisten la oc.Componenta mineral este format, n principal, din calciu i fosfat n special sub form de mici cristale asemntoare cu hidroxiapatita obinut pe cale sintetic Ca10(PO4)6(OH)2. Aceste minerale, care reprezint 65-70% din greutatea osului uscat, confer esutului osos o consisten de solid, osul fiind, n acelai timp, un rezervor de substane minerale necesare organismului, n special calciul.Colagenul constituie 95% din matricea extracelular organic i este n proporie de 25-30% din greutatea osului uscat.Substana fundamental, nconjurat de complexul reea de fibre de colagen minerale, este constituit n special din proteine i polizaharide sau glucozaminoglicani ce iau forma macromoleculelor complexe denumite proteoglicani. Apa este relativ abundent n osul viu fiind prezent n proporie de 25% din greutatea sa total. Aproximativ 85% din ap se gsete n matricea organic, n jurul fibrelor de colagen i a substanei fundamentale, restul de 15% fiind localizat n canale i caviti care gzduiesc celulele osului, avnd rolul de transport a nutrienilor i a substanelor reziduale rezultate n urma procesului metabolic al osului.

  • canalicule canal Volkman

  • La nivel macroscopic, toate oasele sunt compuse din dou tipuri de esut osos: cortical sau compact i spongios sau trabecular a Os lamelar i b Os trabecular de la nivelul femurului uman

  • Proprietile biomecanice ale osuluiComportamentul anizotropic al osului pentru un eantion osos (epruvet) testat la solicitarea de traciune pe patru direcii: longitudinal (0o cu axa osului), la 30 o fa de axa osului, la 60o i transversal (90o)

  • Proprietile biomecanice ale osului cortical Rezistena la fractur a tuturor oaselor depinde n principal de proprietile mecanice ale esutului osos. Sunt civa factori importani care influeneaz proprietile de material ale osului cortical. Unul dintre aceti factori este reprezentat de viteza de ncrcare a osului, exprimat ca fora, la care esutul este supus, raportat la timp. Un eantion de os cortical supus la o vitez de ncrcare mare i mrete modulul de elasticitate i tensiunea de rupere, spre deosebire de cazul n care eantionul este supus la o vitez de ncrcare mic, unde aceti parametri valori mici. Diagrame tensiune deformaie specific pentru diferite viteze de ncrcare.

  • Modulul de elasticitate i tensiunea de rupere sunt aproximativ proporionale cu viteza de deformaie (deformaie specific pe secund). Astfel, pentru valori mari ale vitezei de deformaie, tensiune de rupere crete de trei ori, iar modulul de elasticitate de dou ori Influena vitezei de deformaie asupra tensiunii de rupere i a modulului de elasticitate pentru un os cortical. Pentru variaia vitezei de deformare din abscis, tensiunea de rupere crete de trei ori n timp ce modulul de elasticitate crete de dou ori Diagrama tensiune deformaie specific. Punctul B reprezint limita elastic (pn la care materialul este elastic i de la care ncepe curgerea), corespunztor acestuia este tensiunea elastic e (AB) i deformaia specific elastic e (AB). Punctul C reprezint limita de rupere, caracterizat de tensiunea de rupere r (AC) i deformaia specific de rupere r (AC).

  • Cnd un os se rupe, energia stocat se elibereaz, astfel, la o vitez mic de ncrcare energia stocat se poate elibera numai prin producerea unei singure ruperi, forma geometric a osului i esuturile adiacente rmn relativ intacte, caz n care este posibil s existe sau nu o deplasare a fragmentelor osului. La o vitez de ncrcare mare, energia stocat nu se poate elibera rapid numai printr-o singur rupere i se creeaz mai multe fragmente osoase, deplasare mare i, implicit, distrugerea esuturilor moi. n diagrama tensiune-deformaie, cantitatea de energie stocat este reprezentat de aria cuprins ntre curb i axa deformaiei Diagrama tensiune deformaie pentru situaia mersului normal. Aria cuprins ntre diagram i axa deformaiei reprezint energia stocat de os. Din toat aceast energie numai o mic parte este utilizat de os

  • Proprietile biomecanice ale osului au modificri n funcie de vrst. Astfel, n timpul mbtrnirii se observ o scdere a densitii osoase, trabeculii devin mai subiri, iar unii din trabeculii transversali se resorb. Rezultatul este marcat de subierea osului cortical, ceea ce implic reducerea rezistenei i rigiditii osului.

  • Proprietile biomecanice ale osului trabecular Diferena major dintre osul trabecular i cel cortical, const n faptul c osul trabecular are o porozitate crescut. Porozitate este reflectat de msurarea densitii osului, care la osul trabecular variaz ntre 0,1kg/dm3 i 1kg/dm3, n timp ce densitatea osului cortical este de 1,85kg/dm3. Un os trabecular cu densitate de 0,2kg/dm3 are o porozitate de 90% Curbele tensiune n funcie de deformaie specific pentru osul cortical i osul trabecular la dou valori ale densitii

  • Dependena ntre tensiune i densitatea osului poate fi descris de relaia:unde: - tensiunea [MPa]; - densitatea [kg/dm3]; A constant; B exponent.O relaie n care valorile A i B au o valoare exact a fost propus de Hayes:n ceea ce privete dependena modului de elasticitate de densitate pentru osul trabecular a fost determinat experimental de Hayes:unde: E modulul de elasticitate [MPa]; - densitatea [kg/dm3].Dac se consider c densitatea osului trabecular de la vertebr este iniial de 0,2kg/dm3 ca apoi ea s scad la 0,15kg/dm3 (in urma unei imobilizri prelungite, sau datorit vrstei), tensiunea de rupere scade de la r,0,2 = 2,4MPa la r,0,15 = 1,35MPa, iar modulul de elasticitate, care are valoarea iniial E0,2 = 23,3MPa devine, n urma scderii densitii E0,15 = 9,8MPa. n concluzie reducere densitii cu 25% are ca efect scderea, pe de o parte, a tensiunii de rupere la solicitarea de compresiune cu 44%, iar pe de alt parte, a modulului de elasticitate cu 58%. Tocmai de aceea, nu este surprinztor faptul c la persoanele n vrst, dei, radiografic, nu se constat schimbri semnificative ale densitii vertebrelor, totui fracturile vertebrale produse prin compresiune sunt destul de comune, dat fiind rarefierea esutului osos.

  • Comparaie ntre structura osului trabecular de la nivelul unei vertebre lombare pentru:a persoan n vrst de 23 de ani;b persoan n vrst de 73 de aniComportarea osului la diferite tipuri de solicitri Comportarea biomecanic a osului, sub aciunea unor fore sau momente, este n funcie de proprietile sale mecanice, de caracteristicile sale geometrice, modul de aplicare a forei, mrimea forei i frecvena ncrcrii. Forele i momentele pot fi aplicate n diferite direcii, producnd: ntindere, compresiune, ncovoiere, forfecare, torsiune i solicitri compuse

  • La nivel microscopic, mecanismul de rupere al osului supus la ntindere se produce prin ruperea liniei de cement i smulgere a osteonului Solicitarea de ntindereDin punct de vedere clinic, fracturile produse prin solicitarea de ntindere se ntlnesc la oasele n care componenta spongioas este ntr-o proporie mare. Ca exemplu, pot fi amintite fracturile produse la al cincilea metatarsial n zona nvecinat inseriei tendonului muchiului scurt peronier lateral (peroneus brevis), sau fracturarea calcaneului n zona nvecinat tendonului lui Achile

  • Solicitarea de compresiune Fotomicrografie a unui eantion de os cortical supus la solicitarea de compresiune. Sgeile indic ruperea oblic a osteonilor La nivel microscopic, fractura este oblic i se produce prin ruperea n cascad a osteonilor pe o direcie nclinat fa de direcia de ncrcare (figura 1.24) [1]. Din punct de vedere clinic, fracturile prin compresie sunt ntlnite de obicei la nivelul vertebrelor care sunt, n general, supuse la solicitri de compresie mari. Acest tip de fractur se ntlnete frecvent i la alte nivele la persoanele n vrst, ale cror oase sunt fragile

  • Solicitarea de forfecare Din punct de vedere clinic, fracturile prin forfecare sunt ntlnite la nivelul oaselor spongioase, cum ar fi fracturarea condililor femurali sau a platourilor tibiale.

  • Osul cortical are valori diferite ale tensiunii de rupere la solicitarea de ntindere, traciune i forfecare. El poate suporta tensiuni de compresiune cu valori mai mari dect cele din solicitarea de ntindere, care la rndul lor sunt mai mari dect cele de forfecare Tensiunile de rupere ale osului cortical au valorile cele mai mari pentru solicitarea de compresiune i valorile cele mai mici pentru solicitarea de forfecare

  • Solicitarea de ncovoiere Un caz tipic de fractur produs prin ncovoierea n trei puncte este cea care se ntlnete la schiori. Astfel, atunci cnd, din diferite cauze, unul dintre schiuri ntmpin o rezisten la naintare, va aciona o for F asupra tibiei n zona de sus a clparului, for cauzat de ineria corpului, reaciunile fiind prezente la nivelul articulaiei genunchiului i la articulaia gleznei. Se produce un moment ncovoietor maxim n zona de aciune a forei i, n acest punct odat cu depirea tensiunii de rupere a osului se produce fractura. Deoarece osul este mai puin rezistent la ntindere (figura 1.27), fractura se va produce n zona posterioar a tibiei.

  • Solicitarea de torsiunea Eantion nedeformat cu figurarea a dou arii, una cu laturile paralele, respectiv perpendiculare cu axa neutr, iar cealalt nclinat fa de axa neutr cu 45o respectiv 135o; b Eantion supus la solicitarea de torsiune. Aria de sus este supus la o forfecare pur, n timp ce aria de jos este supus pe o latur la compresiune, iar pe cealalt la ntindere; c Femur canin supus la solicitarea de torsiune. Sgeata indic apariia unei fisuri iniiale paralel cu axa neutr datorat forfecrii, o a doua fisur se iniiaz la 30o fa de axa neutr, fiind rezultatul solicitrii de ntindere

  • Solicitri compusea Variaia tensiunii la nive