Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

AZ INAK ÉS SZALAGOK BIOMECHANIKÁJA Az inak és szalagok összetétele és szerkezete Sejtes anyag 20 %, Sejtközötti állomány 80% A sejtközötti állomány.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "AZ INAK ÉS SZALAGOK BIOMECHANIKÁJA Az inak és szalagok összetétele és szerkezete Sejtes anyag 20 %, Sejtközötti állomány 80% A sejtközötti állomány."— Előadás másolata:

1

2 AZ INAK ÉS SZALAGOK BIOMECHANIKÁJA

3

4

5 Az inak és szalagok összetétele és szerkezete Sejtes anyag 20 %, Sejtközötti állomány 80% A sejtközötti állomány 70 % vizet, 30 % szilárd anyagot tartalmaz

6 A kollagének mikrostruktúrája Az inak és szalagok I típusú kollagénekből állnak. Ez a molekula három polipeptide láncból (  lánc) formálódik, mindegyik helixé tekeredve. A kollagén molekulák lépcsőzetesen eltolt kötegekké szerveződnek. Keresztösszeköttetés is található a kollagén molekulák között, amelyek lényeges szereppel bírnak a molekulák fibrulomokká alakításában. A keresztösszekötetés növeli a kollagén fibrillumok erőkifejtését a nyújtó erővel szemben.

7 INAKSZALAGOK

8 ELASZTIKUS ROSTOK ÉS ELASZTIN 2%-az inak szárazanyag tartalmának nem kollagén fehérje, hanem elastin. Az egészséges emberi inak 10 %-ban elasztikus rostokból épülnek fel. A rostos porc és az ásványi anyag tartalmú rostos porc csont-ín összeköttetésnél elasztikus rostokból állnak.

9 LIGAMENTUM FLAVUM ELASZTIN : KOLLAGÉN = 2 : 1

10 IZOM ÍNCSONT midsubstance Ín-izom átmenet Ín-izom átmenet Ín-csont átmenet Ín-csont átmenet ÍN-IZOM, ÍN-CSONT ÁTMENET

11 ín izom Ujjszerű befűződések: 1-8  m Az átkapcsolódási régió %-al nagyobb a II típusú izomrostok esetében

12 Ín-csont átmenet Rostos porc (gyerekek 1-2 mm, felnőttek  m) Rostos porc

13

14 Vérellátás Az Achilles inban 2-6 cm-es zónában nem találhatók kapillárisok az ín-izom átmenetnél.

15

16 NYÚJTÁSI ERŐ MEGNYÚLÁS STRESS - STRAIN STIFFNESS - COMPLIENCE ELASTIKUS/ YOUNG MODULUS NYÚJTÁSI ERŐ MEGNYÚLÁS NYÚJTÁSI ENERGIA HISZTERÉZIS

17 Erő-elmozdulás összefüggés ACL Length: area:

18 Noyes and Grood, 1976 Noyes et al dL = 15 mm F = 1500 N ERŐ – MEGNYÚLÁS GÖRBE

19

20 Relaxált Megnyújtott

21 Ahmed et al A patella ín hossz-feszülés jellemzőinek mérése kadaver modellen Noyes et al PT ACL

22 Kadaver inak megnyúlása Ahmed et al Noyes et al dL = 10 mm F = 3000 N Huberti et al F = N

23 NYÚJTÁSI ERŐ MEGNYÚLÁS STRESS - STRAIN STIFFNESS - COMPLIENCE ELASTIKUS/ YOUNG MODULUS NYÚJTÁSI ENERGIA HISZTERÉZIS

24 ERŐ – MEGNYÚLÁS KAPCSOLAT Stiffness = dF dl N m -1 dF dl Noyes et al N m -1

25 Az ín hosszúság és keresztmetszet hatása a stiffness-re STIFFNESS = dF / dL COMPLIENCE = dL / dF

26 STIFFNESS Első interosseus izom ina a mutatóujjon N/mm Cook and McDnogh, 1996 In vivo Tibialis anterior ín 161 N/mm Maganaris and Paul, 1999 ACL Ember (50 yr) Ember (22 yr) Rheusus majom 129 N/mm 182 N/mm 194 N/mm Noyes et al.1976 Patella ín 756 N/mm Tihanyi et al., 2000

27 NYÚJTÁSI ERŐ MEGNYÚLÁS STRESS - STRAIN STIFFNESS - COMPLIENCE ELASTIKUS/ YOUNG MODULUS NYÚJTÁSI ENERGIA HISZTERÉZIS

28 STRESS - STRAIN Hogyan számítjuk ? Erő / keresztmetszeti terület N / m 2, Pa

29 ÁLLAT MODELL Megnyúlás: Stress : Sertés digital extensor és flexor ín Shadwick (1990) 7-9 % 16 MPa Újszülött Felnőtt 17%, MPa

30 HUMAN MODELL Strain (%): Stress (MPa): In vivo ACL IdősFiatalRheosus majom Strain (%): Stress (MPa): Tibialis anteriorPatella ín

31 NYÚJTÁSI ERŐ MEGNYÚLÁS STRESS - STRAIN STIFFNESS - COMPLIENCE ELASTIKUS/ YOUNG MODULUS NYÚJTÁSI ENERGIA HISZTERÉZIS

32 E =  /  E = (F/A) / dl/L ELASTIKUS/ YOUNG MODULUS

33 ELASTIKUS (YOUNG) MODULUS E = Δσ Δε -1 Δσ Δε

34 HUMAN MODELL E (MPa): In vivo ACL IdősFiatalRheosus majom Tibialis anterior 1200 Patella ín 260 E (MPa): Számítások: MPa

35 RUGÓ TÍPUSÚ AZ ÍN ? A QF A PT > 30

36 Nyújtási energia W = dF · dl

37 AZ ÍNAK BIZTONSÁGI FAKTORA Maximális feszülés (erő) A fizikai aktivatás alatt meghatározott maximális erő 2.0 – 5.0

38 Leugrási magasság: 40 cm Mélybeugrás Erőplató: Kistler FP 9287A

39 L = m Forgatónyomaték a térdnél Patella ínra ható erő Biztonsági faktor 3.0

40 Biztonsági faktor  1.4

41 M = 580 Nm F = N Biztonsági faktor  ?

42 HISZTERÉZIS

43 Hiszterézis = A/ A+B · %

44 MATURÁCIÓ ÉS ÉLETKOR A keresztösszeköttetések száma 20 éves korig nővekszik, majd csökken. Az inak mechanikai tulajdonságai a keresztösszeköttetések számától függ

45 Nyújtási energia ( J/kg) E:E: digital extensor és flexor ín Újszülött Felnött 900 Human patella ín E:E:

46 A FIZIKAI TERHELÉS HATÁSA Növekszik a maximális nyújtóerő elasztikus energiatárolás a sérülésekkel szembeni ellenállóképesség

47 A bemelegítés hatása a nyújtási erő, A megnyúlás mértéke elasztikus energia tároló képesség Növekszik A stiffness nem változik

48 IMMOBILIZÁCIÓ - REHABILITACIÓ

49 intact IMMOB (8 hét) REHAB (5 hónap) REHAB (12 hónap) intact IMMOB (8 hét) REHAB (5 hónap) REHAB (12 hónap) % Force energy

50 A GYÓGYSZEREK HATÁSA

51 NEM SZTEROIDOK (aspirin, indometacin stb.) Mechanikai hatás : Megnövekedett ellenállás a nyújtással szemben Szöveti hatás: a kollagén tartalom megnövekszik a keresztösszeköttetés száma megnövekszik

52 Corticosteroid (katabolikus hatás) gyengíti a kötőszövetet atrofia Anabolikus steroid csökkenő ellenállás a megnyújtó erővel szemben izom-ín erő arány növekszik

53

54 A sérülés bekövetkezése (%) az ínhossz függvényében

55 Frederick H. Silver,*,† Joseph W. Freeman,† Istvan Horvath,† and William J. Landis‡ Molecular Basis for Elastic Energy Storage in Mineralized Tendon Biomacromolecules 2001, 2, It is proposed that mineralization increases the stored elastic energy by preventing flexible regions within the positively stained bands from stretching. These observations suggest that mineralization begins in the hole region due to the large number of charged amino acid residues found in the d and e bands. pdf

56 Tendon consists primarily of cells, collagen fibers, proteoglycans, and water. Type I collagen is the most abundant protein in tendon and is a fibril-forming protein that self-assembles into cross-striated fibrils having a 67 nm repeat. The molecule is a triple helix composed of approximately 1000 amino acids and extending about 300 nm in length.7 (7) Silver, F. H. Biological Materials: Structure, Mechanical Properties and Modeling of Soft Tissues; New York University Press: New York, 1987; pp 7-21, ,

57 Collagen has been reported to be a rodlike molecule with little flexibility and high mechanical strength;8 however, some measurements indicate that the type I collagen molecule has numerous bends and is not completely rigid.9,10 (10) Silver, F. H.; Birk, D. E. Molecular structure of collagen in solution: comparison of types I, II, III, and V. Int. J. Biol. Macromol. 1984, 6, (9) Hofmann, H.; Voss, T.; Kuhn, K.; Engle, J. Localization of flexible sites in threadlike molecules from electron micrographs: Comparison of interstitial, basement membrane and intimal collagens. J. Mol. Biol. 1984, 172,

58 Analysis of the amino acid sequence and physical properties in solution indicates that some regions of the molecule are more flexible than others.6,10 (6) Silver, F. H.; Freeman, J.; Seehra, G. P. Collagen self-assembly and development of matrix mechanical properties. Submitted for publication. (10) Silver, F. H.; Birk, D. E. Molecular structure of collagen in solution: comparison of types I, II, III, and V. Int. J. Biol. Macromol. 1984, 6,

59 the turkey gastrocnemius tendon change during mineralization.11 While it has been proposed that mineralization increases the ability of turkey tendon to store elastic energy,5 (5) Silver, F. H.; Christiansen, D.; Snowhill, P. B.; Chen. Y.; Landis, W. J. The role of mineral in the storage of elastic energy in turkey tendons. Biomacromolecules 2000, 1, (11) Landis, W. J.; LiBrizzi, J. J.; Dunn, M. G.; Silver, F. H. A study of the relationship between mineral content and mechanical properties of turkey gastrocnemius tendon. J. Bone Mineral. Res. 1995, 10,

60 Figure 1. Stress-strain curve of a 14 week old turkey tendon (0.295 mineral content). Total, elastic and viscous tensile stress-strain curves for turkey tendon obtained at a strain rate of 10%/min. The total stress- strain curve was obtained from Landis et al.11 The elastic stress-strain curve was obtained from the total stress-strain curve after multiplication by the elastic fraction reported by Silver et al.5 The viscous stress- strain curve was obtained from the difference between the total and elastic stress-strain curves.

61

62 Figure 5. Plot of elastic energy stored vs mineral weight fraction for turkey tendon. Elastic energy stored was calculated as the area under the elastic stress-strain curve (Figure 2) up to a strain of 20%. The equation shown represents the best least-squares fit to the data and R 2 is the correlation coefficient. Note there are two points at a mineral weight fraction of 0 making N ) 5.

63

64 Figure 6. (Top) Diagram illustrating the packing pattern of type I collagen molecules into a subfibrillar unit containing five molecules in cross section. The subunit contains collagen molecules that have a total length of about 4.4D and are staggered laterally by multiples of D, which is 67 nm. The D-period is the characteristic fingerprint of collagen that arises from the repeat of the hole and overlap regions. The hole region is characterized by the presence of only four molecules in the cross section while the overlap region contains cross sections of five molecules. The hole region is a result of the presence of a 0.6D space between neighboring molecules along the axis of the subunit. When collagen fibrils are viewed in the electron microscope after positive staining, 12 dark staining lines identified as bands c2, c1, b2, b1, a4, a3, a2, a1, e2, e1, and c3 are observed. These bands are diagrammed as flexible springs connected by rigid segments (solid areas) that represent the interband regions. The width of each region is proportional to the number of amino acids. (Bottom) Plot of band flexibility as a function of position along the positive staining pattern for a type I collagen fibril.12 Collagen fibril flexibility was estimated from the area under the conformational map for different pairs of amino acids in a subfibril containing five quarter-staggered collagen molecules. The plot of flexibility (number of conformations, a unitless variable) vs band number shown indicates that regions e2, e1, d, and c3 are continuously flexible. Other bands such as b2 and a1 are flexible but are separated by relatively rigid interband regions.

65 Figure 7. Diagrammatic representation of calcium and phosphate ion binding to a type I collagen flexible region located in the d band of the fibril. The model depicts possible localizations of calcium and phosphate ions in a region devoid of proline and hydroxyproline. The addition of calcium and phosphate ions in this region of the molecule may increase the axial rise per residue and stretch the D-period of the fibril. This figure was constructed using a SYBYL molecular modeling program and the type I collagen amino acid sequence between residues 414 and 424 after addition of calcium and phosphate ions and energy minimization

66 (5) Silver, F. H.; Christiansen, D.; Snowhill, P. B.; Chen. Y.; Landis, W. J. The role of mineral in the storage of elastic energy in turkey tendons. Biomacromolecules 2000, 1, (6) Silver, F. H.; Freeman, J.; Seehra, G. P. Collagen self-assembly and development of matrix mechanical properties. Submitted for publication. (7) Silver, F. H. Biological Materials: Structure, Mechanical Properties and Modeling of Soft Tissues; New York University Press: New York, 1987; pp 7-21, , (8) Engle, J. Versatile collagens in invertebrates. Science 1997, 277, (9) Hofmann, H.; Voss, T.; Kuhn, K.; Engle, J. Localization of flexible sites in threadlike molecules from electron micrographs: Comparison of interstitial, basement membrane and intimal collagens. J. Mol. Biol. 1984, 172, (10) Silver, F. H.; Birk, D. E. Molecular structure of collagen in solution: comparison of types I, II, III, and V. Int. J. Biol. Macromol. 1984, 6, (11) Landis, W. J.; LiBrizzi, J. J.; Dunn, M. G.; Silver, F. H. A study of the relationship between mineral content and mechanical properties of turkey gastrocnemius tendon. J. Bone Mineral. Res. 1995, 10,

67

68

69

70 Az ín szerkezete


Letölteni ppt "AZ INAK ÉS SZALAGOK BIOMECHANIKÁJA Az inak és szalagok összetétele és szerkezete Sejtes anyag 20 %, Sejtközötti állomány 80% A sejtközötti állomány."

Hasonló előadás


Google Hirdetések