fisiologia e meccanica dei tessuti ossei · sono costituite principalmente da ... osteociti gli...
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Ossa e Denti
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Svolge numerose e importanti funzioni:
•Permette di mantenere la posizione eretta
•Ha funzione protettiva (scatola cranica, sterno, cassa toracica)
•Contiene midollo osseo, che ha funzione emopoietica, per la produzione di © sanguigne
•Funge da deposito di sali, come il calcio e il fosforo
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Massima resistenza con l’impiego della minore quantità possibile di materiale.
L’osso è un materiale composito vivente e dinamico
Struttura lamellare
Lamelle disposte in modo da seguire le direzioni delle forze sopportate.
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Possiamo distinguere le ossa in tre tipi: •Ossa lunghe •Ossa corte •Ossa piatte
LunghePiatte
Corte
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Osso spongioso compatto .
Osso lungo: diafisi -> compatto epifisi -> spongioso rivestito
Osso breve spongioso rivestito da compatto.
Osso piatto due lamine di compatto (tavolato)sottile strato di spugnoso (diploe)
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Nelle ossa lunghe la diafisi è rappresentata da un cilindro cavo, con una spessa parete, costituita da osso compatto ed un’ampia cavità midollare centrale, contenente il midollo osseo. Le epifisi (estremità della diafisi dell’osso lungo) sono costituite principalmente da osso spugnoso ricoperto da un sottile strato periferico di osso compatto.
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15.210.7÷÷÷÷12.75.9Torsionale (J I)
[[[[N⋅⋅⋅⋅mm2]⋅]⋅]⋅]⋅10-6
151101÷÷÷÷12055Flessionale (E⋅⋅⋅⋅I)
[[[[N⋅⋅⋅⋅mm2]⋅]⋅]⋅]⋅10-6
2.32.72÷÷÷÷2.91.7Assiale (E⋅⋅⋅⋅A)
[[[[N]⋅]⋅]⋅]⋅10-6
EpifisiDiafisi
ProssimaleDiafisiRigidezza
Valori medi delle rigidezze meccaniche
L’organizzazione strutturale si riflette nei valori delle rigidezze meccaniche.
Queste proprietà aumentano nella direzione epifisi-diafisi.
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Sezione cranio umano Sezione vertebra
strati di tessuto osseo compatto, detto tavolato
strato di osso spugnoso detto diploe.
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Organizzazione osso compatto
1) Concentricamente attorno a canali vascolari - sistemi di Havers (osteoni)
2) sistemi interstiziali.
3) lamelle circonferenzialiesterne ed interne,
due categorie di canali vascolari. I canali di Haverscanali di Volkman.
L’osso compatto è per la maggior parte costituito da matrice
Lacune ossee occupate da una osteocita
Tre diverse modalità di aggregazione delle lamelle
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Disposizione delle fibre di collagene
Fibre di collagene nell’osso corticale organizzate in struttura lamellare concentrica (osteone)
Le ossa sono miscele di collagene e di un materiale molto rigido e fragile, l’apatite.
La ECM è formata da due componenti: una matrice organica e sali inorganici.
Matrice organica: fibre collagene immerse in una sostanza fondamentale amorfa. Molecole di collagene unite a formare fibrille che, a loro volta, formano le fibre
Cristalli inorganici di idrossiapatite con preciso punto di attacco lungo le fibre
Ossa e Denti
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1÷÷÷÷21050÷÷÷÷1001000
Limite elastico(%)
Allungamento a rottura (%)
Sforzo a rottura(MPa)
Modulo elastico(MPa)
Proprietà fibre di collagene
Le fibre di collagene hanno la funzione di limitare le deformazioni dei tessuti e conferirgli un’elevata
resistenza meccanica buone proprietà meccaniche a trazione
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Comportamento fibre di collagene
La struttura delle fibre di collagene èresponsabile del suo comportamento meccanico.Nella prima fase dell’allungamento le fibre hanno modesta capacità di resistere ai carichiUna volta distese, le catene presentano migliori proprietàmeccaniche
La regione 1 è caratterizzata da un basso modulo di Young; la regione 2 presenta un comportamento lineare con elevato modulo elastico.
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Cellule
Cellule osteoprogenitrici
Si attivano durante i processi di rimodellamento osseo, di cicatrizzazione delle fratture e durante le risposte a varie lesioni patologiche. In queste condizioni possono proliferare e trasformarsi in osteoblasti o fondersi tra loro dando origine agli osteoclasti.
Osteoblasti
Gli osteoblasti sono responsabili della formazione della matrice ossea
OsteocitiGli osteociti sono le principali cellule che popolano l’osso che ha completato il suo sviluppo; Partecipino alla liberazione del calcio dal tessuto osseo nel sangueDurante i processi di riassorbimento e rimodellamento osseo, l’osteocita si libera dalla sua lacuna e può trasformarsi in altri tipi cellulari (osteoblasta).
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Osteoclasti
Sono cellule giganti (diametro di 20-100µm) che possono contenere diverse decine di nuclei. Intervengono attivamente nel rimodellamento del tessuto osseo. Sono molto numerose soprattutto nelle zone in via di rimaneggiamento.
Mostrano una polarizzazione: i nuclei tendono ad accumularsi in corrispondenza della superficie esterna, che si presenta liscia, mentre la superficie adiacente al tessuto osseo presenta una striatura radiale (orlettoincrespeto).
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Sistema di scambio del calcio tra scheletro e vasii sanguigni
L’osso può essere considerato banca del calcio e del fosforo.
Continuo scambio di calcio fra l’osso ed il sangue , il cui scopo è il mantenimento della concentrazione dello ione nel plasma ad un valore costante.
Calcio più labile localizzato negli osteoni giovani
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3.6
(#22,±0.2
5)
3.6
(#22,±0.2
5)
3.3
(#10,±0.4
2)
3.3
(#10,±0,4
2)
G13=G23
[GPa]
22.3
(#5,±4.6)
23.1
(#3,±3.2)
18.2
(#4,±0.85)
17.7
(#38,±3,6)
E3
[GPa]
10.1
(#8,±1.8)
10.4
(#5,±1.6)
11.7
(#5,±1.01)
12.8
(#25,±3.0)
E1=E2
[GPa]
Compressi
oneTrazione
Compressi
oneTrazione
Femore BovinoFemore Umano
tabella 4
Proprietà osso corticale
l’osso compatto è anisotropo ed ha un comportamento viscoelastico.
Le proprietà meccaniche variano in funzione della regione dell’osso da cui il tessuto è stato prelevato.
Ha un comportamento semi-fragile.
Ossa e Denti
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0.072
(#5,±0.014)
0.042
(#8,±0.01)
0.016
(#3,±0.0015)
0.050
(#8,±0.011)
0.019
(#20,±0.003)compressione
0.007
(#6,±0.002)
0.007
(#4,±0.004)
0.020
(#10,±0.005)
0.007
(#20,±0.0014)
0.038
(#21,±0.006)trazione
Deformazione a
rottura [mm/mm]
70 (#7,±9)67 (#12,±3.5)taglio
190
(#5,±18)
171
(#8,±25)
272
(#3,±3.3)
131
(#8,±20.7)
205
(#20,±17.3)compressione
39
(6,±4.7)
54
(#4,±5.8)
150
(#10,±11)
53
(#20,±10.7)
133
(#21,±15.6)trazione
Resistenza [MPa]
radialetrasversalelongitudinaletrasversalelongitudinale
BovinoUmanoOsso Compatto
Haversiano
Proprietà a rottura osso compatto
Il tessuto sopporta meglio gli sforzi di compressione.
Nella direzione radiale la resistenza a compressione dell’osso corticale bovino ècirca cinque volte maggiore di quella alla trazione.
Ossa e Denti
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57
(#21,±8.4)
53
(#10,±7.7)taglio
196
(#25,±18.5)
180
(#9,±12.5)compressione
132
(#27,±10.6)
128
(#13,±11.2)
141
(#10,±12)
114
(#21,±7.1)trazione
yield stress [MPa]
bovinoumanobovinoumano
Cezayirlioglu et al. 1985Reilly at al. 1975
Valori di snervamento dell’osso compatto
Le sollecitazioni di snervamento (yield stress) sono maggiori per gli sforzi a compressione.
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36.9 (#15, ±±±±6.2)33.2 (#15, ±±±±6.9)45°
26.5 (#9, ±±±±8.9)26.1 (#9, ±±±±6.9)30°
35.2 (#33, ±±±±5.9)36.6 (#33, ±±±±8.4)O°
Modulo viscoso
[MPa]
12.4 (#15, ±±±±1.3)12.5 (#15, ±±±±1.0)12.4 (#15, ±±±±0.5)45°
11.4 (#9, ±±±±1.6)10.8 (#9, ±±±±1.3)11.4 (#9, ±±±±0.7)30°
15.5 (#33, ±±±±3.3)15.8 (#33, ±±±±1.4)16.3 (#33, ±±±±1.6)O°
Modulo elastico
[GPa]
f=0.66Hz (T=1.5s)f=5.2Hz (T=0.19s)f=7.5Hz (T=0.135s)tabella 9
Proprietà dell’osso trabecolari
modulo elastico e del modulo viscoso di provini di osso umano sollecitati dinamicamente per mezzo di onde sinusoidali in controllo di deformazione:
T
t2sen0
πε=ε dove ε0 è l’ampiezza della deformazione e T il periodo.
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SEM - architettura delle trabecole dell’osso spugnoso.
Comportamento meccanico dell’osso spongiosoAnche l’osso spugnoso è un tessuto anisotropo con comportamento meccanico
visco-elastico.
Ossa e Denti
21
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Comportamento TensileS
tres
s [M
Pa
]
Strain %
E=200-450MPa
v=2mm/min
lunghezza estensometro: 12.5mm
2.04 MPa
st. dev. 0.36
Pmax
Pult
Comportamento dell’osso trabecolare
Le proprietà dell’osso spongiosovariano anche di due ordini di
grandezza.
Il comportamento di un provino a sezione quadrata è inizialmente
lineare.
Le deformazioni a rottura sono pari a circa 1%.
La sollecitazione massima è pari a circa 2 MPa.
Tale valore può raggiungere anche i 20MPa, così come il modulo di Young(E) può raggiungere valori di 2GPa.
Le proprietà dell’osso trabecolare sono strettamente correlate alla densità
206.0
306.0
ρεσ
ρε
&
&
∝
∝E
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Denti umani permanenti
I denti sono strutture mineralizzate che, nei vertebrati, sporgono in parte dalla mascella nel cavo orale e sono ancorati all'osso sottostante
Ossa e Denti
26
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0 1 2 3 4
Proprieta' dei Tubuli Dentinali
densita' dei tubuli
diametro dei tubuli
.
distanza dalla polpa [ m m ]
Dentina
Varietà di tessuto osseo
Attraversata da tubuli dentali
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Smalto
Strato duro e compatto sulla parte esposta della corona
Incastri di piccole barre esagonali, colonne e prismi
Non attraversato da canali nutritivi
Struttura mineralizzata al 95-98%
Elevato modulo di Young
Scarsa resistenza a flessione