Tessuti biologici Flashcards
(38 cards)
TESSUTI BIOLOGICI
i principali tessuti biologici sono:
- epiteliale;
- connettivo;
- muscolare;
- nervoso.
PROPRIETA’ MECCANICHE
è difficile definirle, in quanto presentano:
- alta inter-variabilità (dovuta a età, sesso, condizione di salute, genotipo, etc.);
- variabilità topica (disomogeneità);
- variabilità direzionale (anisotropia);
- rimodellamento del tessuto vivente durante gli anni;
- comportamento non-lineare e tempo dipendente.
COMPONENTI STRUTTURALI
tutti i tessuti biologici sono composti da queste tre molecole organiche:
- collagene;
- elastina;
- gel idrofilico.
Altri componenti sono:
- cheratina (tipica dei tessuti epiteliali);
- idrossiapatite (tipica dei connettivi, conferisce rigidità).
A partire dalle stesse tre molecole, si riesce a modellare tutta la variabilità dei tessuti biologici, in quanto le proprietà di ogni
tessuto variano a seconda di:
- Composizione;
- Percentuale degli altri componenti;
- Arrangiamento delle molecole.
COLLAGENE
è una proteina presente in ogni tessuto vivente ed è la principale componente degli elementi strutturali.
Ha una struttura gerarchica e ci sono più di 20 tipi di collagene:
- tipo I: pelle, ossa, legamenti, tendini;
- tipo II: cartilagine e dischi intervertebrali;
- tipo III: spesso associata al tipo I ma meno abbondante;
- tipo IV: membrane basali;
- tipo V: vasi sanguigni.
I componenti del collagene sono prodotti all’interno dei fibroblasti e sono assemblati nella matrice extracellulare.
STRUTTURA GERARCHICA DEL COLLAGENE
i livelli gerarchici dal microscopico al macroscopico sono:
1. catene di aminoacidi –> polipeptidi. Ha una forma elicoidale sinistra a causa dell’orientamento del gruppo R. La forma finale del polipeptide dipende dalla sequenza di aminoacidi;
2. catene di 3 polipeptidi –> tropocollagene. 2 sono uguali, la terza è diversa. Sono disposte in modo da formare una forma elicoidale destra;
3. fibrille composte da tropocollagene. Sono catene parzialmente sovrapposte.
4. fibre composte da fibrille. Possono essere perfettamente allineate o curve;
5. tessuto composto da fibre orientate in un certo modo (le fibre hanno un’organizzazione diversa per ogni tessuto: il livello di torsione e compattezza definisce le proprietà meccaniche).
PROPRIETA’ MECCANICHE DEL COLLAGENE
la struttura completa del collagene definisce il suo comportamento meccanico.
A causa della struttura complessa e della sua variabilità, è difficile individuarle.
Prendiamo le proprietà meccaniche di fibre di collagene allineate:
- E=100-500MPa (alta percentuale di collagene);
- E=1-100GPa (puro collagene con fibre allineate). Tensione di rottura: 50-100MPa.
La curva tensione-deformazione è fortemente non lineare.
ELASTINA
È una proteina prodotta dai fibroblasti ed è indirizzata dalla matrice extracellulare.
Essa presenta una struttura reticolata composta da fibre lineari, ed è raro riuscire a identificarla da sola, perciò è difficile da
caratterizzare meccanicamente.
L’elastina lavora spesso in parallelo al collagene e il suo ruolo principale è nei tessuti in cui le proprietà elastiche sono fondamentali:
- vasi;
- polmoni.
PROPRIETA’ MECCANICHE ELASTINA
L’elastina ha un comportamento elastico lineare quasi perfetto, che presenta:
- isteresi minima;
- deformazione reversibile.
E’ è facilmente deformabile, si presta a un’alta deformazione, e presenta una bassa tensione di frattura (<1MPa).
GEL IDROFILICO
È un gel prodotto dai proteoglicani ed è immerso nella matrice extracellulare.
Si tratta di un polimero composto di anelli di zucchero e forma catene ramificate in due livelli.
In condizioni fisiologiche (cioè in presenza di Na+ e Ca2+) il gel attrae le molecole di acqua: agisce come una spugna, cioè è
capace di incamerare un grande volume di acqua.
Ha il ruolo di matrice in un materiale composito, mentre le fibre di rinforzo sono rappresentate dal collagene e dalle fibre di
elastina.
PROPRIETA’ MECCANICHE GEL IDROFILICO
Ci sono questioni intrinseche legate alla caratterizzazione meccanica:
- è difficile isolarlo dalle fibre che sono immerse al suo interno;
- se sottoposto a carico, cambia comportamento meccanico rilasciando acqua.
In generale presenta:
- basso modulo elastico;
- bassa tensione di rottura.
Il suo comportamento di intrappolamento (in condizioni normali) e rilasciamento (sotto carico) di acqua lo rende un materiale auto-lubrificante: ciò significa che ha un ruolo fondamentale tra i tessuti in movimento relativo tra loro, ad esempio nel tessuto cartilagineo.
TESSUTO CONNETTIVO CALCIFICATO
Il tessuto connettivo calcificato è una forma specializzata del tessuto connettivo ed è il componente principale delle ossa.
Il suo elemento distintivo è la mineralizzazione della matrice extracellulare che comporta rigidità e resistenza meccanica.
Il loro ruolo è permettere il movimento e proteggere gli organi vitali.
COMPONENTI DEL TESSUTO OSSEO
Il tessuto osseo è composto da:
- componenti organici (1/3): collagene, lipidi, ect. –> è la parte dura;
- componenti inorganici (2/3): idrossiapatite –> è la parte rigida e fragile.
Cristallo di idrossiapatite
- lunghezza: 20-40nm
- spessore: 1.5-5nm
I cristalli di idrossiapatite si dispongono nella stessa direzione delle fibre di collagene, in particolare:
- dentro le fibrille di collagene;
- tra le fibrille di collagene.
ELEMENTI BASE DEL TESSUTO OSSEO
All’interno del tessuto osseo:
- Le fibrille di collagene sono allineate (parallelismo);
- Le lamelle sovrapposte formano una struttura lamellare;
- Le fibrille sono immerse in gel idrofilo ricco di sale di calcio.
Il tessuto osseo è resistente ma anche leggero: questo compromesso ottimale è dovuto alla sua organizzazione interna.
Le fibre del tessuto osseo formano lamelle (l’elemento base del tessuto osseo) che si avvolgono a elica: in base a come sono disposti i cristalli di idrossiapatite, variano le proprietà del tessuto stesso.
La disposizione delle fibre all’interno delle lamelle determina le caratteristiche dell’osso e la sua risposta alle sollecitazioni meccaniche: le fibre del tessuto si dispongono all’interno dell’osso per rispondere in modo migliore possibile (cambia al variare delle ossa e della loro funzione).
La disposizione delle lamelle determina la distinzione di un osso in due parti:
- osso corticale: parte esterna che conferisce rigidità e durezza e protegge la struttura;
- osso trabecolare: parte che conferisce leggerezza e assorbe energia durante un impatto, diminuendo dispendio metabolico. La parte fondamentale sono le trabecole.
RIMODELLAMENTO OSSEO
La forma dell’osso (sia corticale che trabecolare) è definita da:
- modellamento: bone-modelling, avviene dall’età infantile ed è legato alla genetica (formazione ossea è scritta nel DNA);
- rimodellamento: bone-remodelling, che avviene in età adulta in base alle condizioni fisiche (ad esempio, in base all’attività fisica).
Queste attività avvengono a opera degli osteoblasti: ciò rende possibile l’omeostasi, ovvero l’equilibrio nella percentuale di
tessuto “distrutto” e “riformato”.
La legge di Wolff descrive il rimodellamento (flashcard).
Il rimodellamento osseo (sia la creazione che la distruzione di tessuto) è legato alle sollecitazioni a cui il corpo è sottoposto: nel momento in cui si aumenta l’attività fisica, aumenta la produzione, nel momento in cui diminuisce invece aumenta la distruzione.
Una volta che si mantiene un certo tipo di sollecitazione, si raggiunge l’omeostasi, ossia la creazione e la distruzione ossea in
ugual quantità.
STRUTTURA MACROSCOPICA DELLE OSSA
Le ossa del corpo umano sono ottimizzate in termini di:
- Massima forza;
- Minimo peso possibile;
- Minimo costo (minor dispendio energetico);
- Minor spreco di materiale.
Quindi, al variare della posizione e funzione, le ossa si specializzano in:
- ossa lunghe: consentono ampi movimenti. Sia osso corticale che trabecolare;
- ossa piatte: proteggere gli organi, resistono ad alti impatti. Prevale osso corticale;
- ossa irregolari: trasmettono il carico agli altri tessuti ossei. Prevale osso trabecolare.
PROPRIETA’ MECCANICHE TESSUTO OSSEO
poiché il tessuto osseo è caratterizzato d auna forte variabilità, è difficile definirle.
Esse vengono misurate attraverso test in vitro, molto diverso dalla condizione in vivo. Per questo sono importanti le condizioni al contorno per caratterizzare il tessuto vivente.
Tuttavia, le proprietà meccaniche valutate post mortem sono le stesse misurate in vivo, se l’osso viene correttamente conservato, poiché la maggior parte dell’osso è mineralizzato non vivente).
PROPRIETA’ MECCANICHE OSSO - CONDIZIONI DIVERSE
- ambiente secco: comportamento fragile, poiché prevale idrossiapatite;
- ambiente umido: l’equilibrio tra collagene e idrossiapatite determina un comportamento più duttile;
- velocità di sollecitazione: La componente minerale non influenza la plasticità, mentre il collagene ha comportamento elasto-plastico: l’unione delle due causa un materiale con comportamento viscoelastico, ossia non lineare e tempo-dipendente.
In particolare, la sua rigidezza aumenta all’aumentare della velocità di
sollecitazione; - effetto del condizionamento: si collega alla viscoelasticità del materiale e significa che dopo una serie di sollecitazioni cicliche il suo comportamento si stabilizza.
Per questo motivo è importante pre-condizionare un materiale, ossia “prepararlo” affinché raggiunga delle condizioni stabili.
Una volta che il materiale si è stabilizzato, l’effetto viscoelastico è ancora minore; - disomogeneità: le due diverse componenti dell’osso hanno comportamento meccanico diverso:
> osso corticale: molto rigido ma comportamento quasi solo fragile;
> osso trabecolare: molto cedevole, con comportamento elasto-plastico e con tensione di rottura molto bassa (quando si rompe però si rompe una singola trabecola).
Per questo è importante trattare in maniera diversa le due parti: esempio disco intervertebrale di titanio –> esterno molto rigido per sopportare molto carico ed interno molto deformabile (per
garantire osteointegrazione).
TESSUTI CONNETTIVI MOLLI
- legamenti;
- tendini;
- cartilagini;
- dischi intervertebrali;
- tessuto adiposo;
- sangue.
I tessuti connettivi molli hanno un contenuto minerale trascurabile e un elevato contenuto di acqua.
Sono composti da collagene, elastina e gel idrofilico, in proporzione diversa.
Le cellule che li compongono sono: fibroblasti, fibroclasti e fibrociti; con una grande quantità di matrice extracellulare.
Sono meno rigidi dell’osso e hanno un comportamento visco-elastico (più rilevante dell’osso).
STRUTTURE E FUNZIONI TESSUTI CONNETTIVI MOLLI
ogni tipologia di tessuto assolve una funzione diversa:
- connessione meccanica –> legamenti e tendini;
- supporto –> cartilagini;
- riempimento –> menischi;
- protezione termica, accumulo di sostanze –> tessuti adiposi;
- trasporto di sostanze –> sangue.
TENDINI
tessuto che connette il muscolo con l’osso: essi dirigono il carico generato dal muscolo all’osso, permettendo locomozione e movimento, soprattutto in trazione.
STRUTTURA:
1. Fibre di rinforzo di collagene, piuttosto allineate tra loro e organizzate secondo
una struttura gerarchica;
2. Matrice di gel idrofilico;
3. Cellule: tenoblasti e tenociti;
4. Altri: nervi propriocettivi, vasi sanguigni.
COMPORTAMENTO MECCANICO:
I tendini presentano:
− alta tensione di rottura;
− flessibilità;
− comportamento elastico;
− protezione per attrito.
Questo comportamento è dovuto al fatto che le fibre di collagene sono allineate
all’interno del tendine, che quindi risponde sempre a ogni sollecitazione.
Infatti il tendine è implicato in ogni tipo di movimento, al contrario dei legamenti.
LEGAMENTI
tessuto che connette due ossa: essi sono implicati quando è necessario evitare danni articolari in movimenti troppo ampi, soprattutto in trazione.
STRUTTURA:
Hanno una struttura simile ai tendini, ma le fibre di collagene non sono allineate e organizzate come nei tendini.
Questo provoca un comportamento cedevole nel normale movimento.
Le fibre vengono allineate e poi stirate solo se sottoposte a carico: inizialmente sono cedevoli, poi diventano rigide.
Questo comportamento sembra essere dovuto alla matrice extracellulare (elastina e gel idrofilo) che piega le fibre di collagene.
COMPORTAMENTO MECCANICO:
Inizialmente è inattivo.
Aumentando il carico le fibre di collagene si allineano e si allungano e l’intero legamento diventa rigido, impedendo
movimenti supplementari tra le ossa.
CARTILAGINI
tessuti costantemente sollecitati e hanno la funzione di:
- provvedere alla crescita dell’individuo in fase infantile;
- ridurre l’attrito tra le articolazioni: per via dell’alta percentuale di gel idrofilico, la cartilagine riesce a conferire un bassissimo attrito, assimilabile a quello di ghiaccio su ghiaccio.
La struttura della cartilagine è composta da:
- collagene: funzione di rinforzo;
- gel idrofilico: funzione lubrificante;
- condroblasti e condrociti.
STRUTTURA CARTILAGINEA
Per poter resistere a continue sollecitazioni in due direzioni, a livello macroscopico si struttura in:
1. primo strato - strato superficiale: fibre sono parallele alla superficie articolare. Questo strato trasferisce i carichi;
2. secondo strato - strato intermedio: fibre di collagene orientate di circa 45 gradi;
3. terzo strato - strato interno: e fibre sono ortogonali alla superficie articolare;
4. quarto strato - strato subcondrale (cartilagine calcificata): composta di grandi fibre connesse all’osso.
La cartilagine è caratterizzata da disomogeneità: lo spessore varia. In particolare, gli strati di cartilagine:
- più spessi dove si trova più carico applicato;
- meno spessi in caso di carichi minori.
Se accade che lo strato di cartilagine si danneggia, continuando ad applicare il carico spuò arrivare a danneggiare le ossa.
COMPORTAMENTO MECCANICO CARTILAGINE
- basso modulo elastico: 10-20 MPa;
- bassa tensione di rottura: 3-4 MPa.
La cartilagine ha un comportamento viscoelastico predominante: questo può essere spiegato così: se si applica un carico, la cartilagine si comprime, comprimendo le fibre superficiali che rilasciano gel idrofilico.
Se si mantiene lo spostamento costante, le fibre iniziano a ridistribuirsi, quindi la tensione per mantenere tale spostamento diminuisce.
