AZ INAK ÉS SZALAGOK BIOMECHANIKÁJA

Az ín szerkezete

A kollagének mikrostruktúrája 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. A kollagén molekulák lépcsőzetesen eltolt kötegekké szerveződnek. Az inak és szalagok I típusú kollagénekből állnak. Ez a molekula három polipeptide láncból ( lánc) formálódik, mindegyik helixé tekeredve.

INAK SZALAGOK

Az inak és szalagok mechanikai tulajdonságai az elasztin és a kollagén tartalom arányától is függ. ELASZTIN : KOLLAGÉN = 1 : 2(3) ELASZTIN : KOLLAGÉN = 2 : 1 LIGAMENTUM FLAVUM

BIOMECHANIKAI JELLEMZŐK

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

Erő-elmozdulás összefüggés ACL

ERŐ – MEGNYÚLÁS GÖRBE dL = 15 mm F = 1500 N Noyes and Grood, 1976 Noyes et al. 1984 dL = 15 mm F = 1500 N

Relaxált Megnyújtott

A patella ín hossz-feszülés jellemzőinek mérése kadaver modellen PT ACL Noyes et al. 1984 Ahmed et al. 1987

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

ERŐ – MEGNYÚLÁS KAPCSOLAT Stiffness = dF • dl-1 769.2 N m-1 335 N m-1 dF 140 N m-1 dl Noyes et al. 1984

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

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

STRESS () Hogyan számítjuk ? Erő / keresztmetszeti terület N / m2, Pa

Az ín (szalag) százalékban kifejezett megnyúlása STRAIN () Az ín (szalag) százalékban kifejezett megnyúlása (dl / L) · 100

ELASTIKUS (YOUNG) MODULUS Δσ Δε 0,1 – 2,0 GPa

2.0 – 15.0 AZ ÍNAK BIZTONSÁGI FAKTORA Maximális feszülés (erő) A munkavégzés alatt meghatározott maximális erő 2.0 – 15.0

Nyújtási energia W = dF · dl = E

HISZTERÉZIS Hiszterézis = A/ A+B · 100 5.1 %

energy % Force 100 100 91 92 79 78 69 61 intact intact IMMOB (8 hét) 95 energy 90 Force 85 80 75 100 100 91 92 70 65 79 78 60 69 61 55 50 intact intact IMMOB (8 hét) IMMOB (8 hét) REHAB (5 hónap) REHAB (12 hónap) REHAB (5 hónap) REHAB (12 hónap)

AZ IZÜLETI PORCOK BIOMECHANIKÁJA

AZ IZÜLETI PORCOK ÖSSZETÉTELE ÉS SZERKEZETE 1. KOLLAGEN (rostos ultrastruktura, prokollagen polypeptid) 10- 30 % 2. PROTEOGLYCAN ( PG ) nagy feherje polisacharid molekulák (monomérek adalékanyag), 3 - 10 % 3. VÍZ, 60-87 %

A KOLLAGÉN ROSTOK ELHELYEZKEDÉSE

NYOMÓERŐ

A PORC, MINT VISZKOELASZIKUS TEST Viszkoelasztikusnak mondjuk az anyagot, ha állandó terhelésnek (idõtõl független) vagy állandó deformációnak van kitéve és a válasza erre változik (idõ függõ) Két alapvető válasz 1. KÉTFÁZISÚ LASSÚ ALAKVÁLTOZÁS 2. KÉTFÁZISÚ FESZÜLÉS RELAXÁCIÓ

1. KÉTFÁZISÚ LASSÚ ALAKVÁLTOZÁS

LASSÚ ALAKVÁLTOZÁS ALAKVÁLTOZÁSI EGYENSÚLY 2-4 mm human és bovin izületi porc vastagság esetén az egyensúly 4 - 16 óra alatt jön létre nyúlban 1 mm > 1 óra 1 Mpa nyomás alatt > a teljes folyadék 50 %-a préselõdik ki.

2. KÉTFÁZISÚ FESZÜLÉS RELAXÁCIÓ akkor következik be, amikor a viszkoelasztikus test állandó deformációnak van kitéve állandó deformációra kezdetben nagy feszülés növekedés jellemzõ, amely fokozatosan csökken az egyensúlyi állapotig

2. KÉTFÁZISÚ FESZÜLÉS RELAXÁCIÓ

TENGELY IRÁNYÚ FESZÜLÉS (NYÚJTÁS)

ELASZTIKUS MODULUS

LUBRIKÁCIÓ (KENÉS) HATÁRVONAL LUBRIKÁCIÓ FOLYADÉKFILM LUBRIKÁCIÓ

FELÜLETI (HATÁRVONAL) LUBRIKÁCIÓ glycoprotein, lubricin Független a kenõanyag (viszkozitás) vagy a porc (keménység) fizikai tulajdonságaitól. Ugyanakkor teljes mértékben függ a kenõanyag kémiai tulajdonságaitól glycoprotein, lubricin lubricin az izületi felszinek által adszorbeált nagy molekulájú egyrétegû anyag

FELÜLETI (HATÁRVONAL) LUBRIKÁCIÓ

kipréselt film lubrikáció: FOLYADÉKFILM LUBRIKÁCIÓ hidrodinamikus kipréselt film lubrikáció: 20 mm

A CSONTOK BIOMECHANIKÁJA

A csontmátrix szerves, szervetlen anyagokat és folyadékot tartalmaz Szerves – 39%, 95 % kollagén, 5% proteoglyken Szervetlen – 49%, ásványi anyag (kálcium hydroxiapetite kristályok) Folyadék – 12%

Ásványi anyag tartalom – keménység Kollagén – erő A csont mechanikai tulajdonságai a kollagén és ásványi anyag tartalom közötti egyensúlyt fejezik ki. A csont ásványi anyag tartalom jelentősége: a testnek merev támaszt ad, a test ásványi anyag tartalmának homeosztázisát tartja fenn

A CSONTOK TÍPUSAI Tömör Szivacsos Porozitás: 5-30 % Porozitás: 30-90 % Kemény Rugalmas Stress Deformáció 2% 75% Formái: lemezes sodronyszerű

A csontokra ható erők Húzó Nyomó Hajlító Nyíró Csavaró

nyújtó (húzó)

összenyomó és torziós torziós

Erő FÉM ÜVEG CSONT Deformáció

FESZÜLÉS (STRESS) – MEGNYÚLÁS (STRAIN)

stress - strain tulajdonságok Kérgi vagy tömör csont feszültsége (stiffness-e) nagyobb, mint a szivacsos csontoké. A tömör csont nagyobb stress hatásnak áll ellent, mint a nyújtó hatásnak Tömör csont 2%-os nyújtásnál szakadás, törés Szivacsos csont 75 %-os nyújtás után törik Nagy elasztikus energia tároló kapacitás

A nyújtás irányának hatása a stress-strain görbékre

Stress strain görbe különböző irányú nyújtás hatására

A csontok ellenállása különböző erőknek Stress (MPa) 250 200 150 200 100 130 50 70 NYOMÓ HÚZÓ NYÍRÓ

három pontos hajlítás

NÉGY pontos hajlítás

10 N M= 10x 0.4 = 4 Nm M1=10x0.15= 1.5 M2=10x0.15= 1.5 M1 + M2= 3 Nm