AZ INAK ÉS SZALAGOK BIOMECHANIKÁJA
Az ín szerkezete
Az inak és szalagok összetétele és szerkezete Sejtes anyag 20 %, Sejtközötti állomány 80% A sejtközötti állomány 70 % vizet, 30 % szilárd anyagot tartalmaz
A kollagének mikrostruktúrája Keresztösszeköttetés is található a kollagén molekulák között, amelyek lényeges szereppel bírnak a molekulák fibrillumokká 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
ELASZTIKUS ROSTOK ÉS ELASZTIN Az egészséges emberi inak 10 %-ban elasztikus rostokból épülnek fel. 2%-az inak szárazanyag tartalmának nem kollagén fehérje, hanem elastin. A rostos porc és az ásványi anyag tartalmú rostos porc csont-ín összeköttetésnél elasztikus rostokból állnak.
LIGAMENTUM FLAVUM ELASZTIN : KOLLAGÉN = 2 : 1
ÍN-IZOM, ÍN-CSONT ÁTMENET Ín-izom átmenet midsubstance IZOM ÍN CSONT
Ujjszerű befűződések: 1-8 m ín Az átkapcsolódási régió 30-40 %-al nagyobb a II típusú izomrostok esetében izom
Rostos porc (gyerekek 1-2 mm, felnőttek 150-400 m) Ín-csont átmenet Rostos porc (gyerekek 1-2 mm, felnőttek 150-400 m) Rostos porc
Vérellátás Az Achilles inban 2-6 cm-es zónában nem találhatók kapillárisok az ín-izom átmenetnél.
BIOMECHANIKAI JELLEMZŐK
ELASTIKUS/ YOUNG MODULUS NYÚJTÁSI ERŐ NYÚJTÁSI ERŐ MEGNYÚLÁS MEGNYÚLÁS STRESS - STRAIN STIFFNESS - COMPLIENCE ELASTIKUS/ YOUNG MODULUS NYÚJTÁSI ENERGIA HISZTERÉZIS
Erő-elmozdulás összefüggés ACL anterior cruciate ligament Length: 25.7-26.9-12.3 area: 57.5-44.4-12.7
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
Kadaver inak megnyúlása Noyes et al. 1984 dL = 10 mm F = 3000 N Ahmed et al. 1987 Huberti et al. 1984 F = 2800-6000 N
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 dl Noyes et al. 1984
Az ín hosszúság és keresztmetszet hatása a stiffness-re STIFFNESS = dF / dL COMPLIENCE = dL / dF
STIFFNESS 129 N/mm 182 N/mm 194 N/mm 140.8 N/mm 161 N/mm 756 N/mm ACL Ember (50 yr) 129 N/mm Noyes et al.1976 Ember (22 yr) 182 N/mm Rheusus majom 194 N/mm In vivo Első interosseus izom ina a mutatóujjon 140.8 N/mm Cook and McDnogh, 1996 Tibialis anterior ín 161 N/mm Maganaris and Paul, 1999 Patella ín 756 N/mm Tihanyi et al., 2000
ELASTIKUS/ YOUNG MODULUS NYÚJTÁSI ERŐ MEGNYÚLÁS STIFFNESS - COMPLIENCE STRESS - STRAIN ELASTIKUS/ YOUNG MODULUS NYÚJTÁSI ENERGIA HISZTERÉZIS
N / m2, Pa STRESS - STRAIN Hogyan számítjuk ? Erő / keresztmetszeti terület N / m2, Pa
digital extensor és flexor ín ÁLLAT MODELL Shadwick (1990) Újszülött Felnőtt Sertés digital extensor és flexor ín Megnyúlás: Stress : 17%, 7-9 % 16 MPa 40-90 MPa
HUMAN MODELL ACL Idős Fiatal Rheosus majom Strain (%): Stress (MPa): 21.9 25.5 38.0 13.3 37.8 66.1 In vivo Tibialis anterior Patella ín Strain (%): Stress (MPa): 2.5 17.9 25 39.3
ELASTIKUS/ YOUNG MODULUS NYÚJTÁSI ERŐ MEGNYÚLÁS STIFFNESS - COMPLIENCE STRESS - STRAIN ELASTIKUS/ YOUNG MODULUS NYÚJTÁSI ENERGIA HISZTERÉZIS
ELASTIKUS/ YOUNG MODULUS E = (F/A) / dl/L
ELASTIKUS (YOUNG) MODULUS Δσ Δε
HUMAN MODELL 65.3 111 186 1200 260 Számítások: 1200 - 2900 MPa ACL Idős Fiatal Rheosus majom E (MPa): 65.3 111 186 In vivo Tibialis anterior Patella ín E (MPa): 1200 260 Számítások: 1200 - 2900 MPa
RUGÓ TÍPUSÚ AZ ÍN ? AQF APT > 30
Nyújtási energia W = dF · dl Exponenciális
2.0 – 5.0 AZ ÍNAK BIZTONSÁGI FAKTORA Maximális feszülés (erő) A fizikai aktivatás alatt meghatározott maximális erő 2.0 – 5.0
Mélybeugrás Leugrási magasság: 40 cm Erőplató: Kistler FP 9287A
Forgatónyomaték a térdnél Patella ínra ható erő Biztonsági faktor 3.0 L = 0.049 m
Biztonsági faktor 1.4
M = 580 Nm F = 13 000 N ? Biztonsági faktor 0.8-1.0
HISZTERÉZIS Hiszterézis = A/ A+B · 100 5.1 %
A keresztösszeköttetések száma 20 éves korig nővekszik, majd csökken. MATURÁCIÓ ÉS ÉLETKOR Az inak mechanikai tulajdonságai a keresztösszeköttetések számától függ. A keresztösszeköttetések száma 20 éves korig nővekszik, majd csökken.
digital extensor és flexor ín Nyújtási energia (J/kg) digital extensor és flexor ín Újszülött Felnött E: 900 1400 - 4500 Human patella ín E: 5744
A FIZIKAI TERHELÉS HATÁSA Növekszik a maximális nyújtóerő elasztikus energiatárolás a sérülésekkel szembeni ellenállóképesség
A bemelegítés hatása Növekszik A stiffness nem változik a nyújtási erő, A megnyúlás mértéke elasztikus energia tároló képesség A stiffness nem változik
IMMOBILIZÁCIÓ - REHABILITACIÓ
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)
A GYÓGYSZEREK HATÁSA
NEM SZTEROIDOK (aspirin, indometacin stb.) Mechanikai hatás: Megnövekedett ellenállás a nyújtással szemben Szöveti hatás: a kollagén tartalom megnövekszik a keresztösszeköttetés száma megnövekszik
Corticosteroid (katabolikus hatás) gyengíti a kötőszövetet atrofia Anabolikus steroid csökkenő ellenállás a megnyújtó erővel szemben izom-ín erő arány növekszik
A sérülés bekövetkezése (%) az ínhossz függvényében