AZ ÍZÜLETI PORCOK BIOMECHANIKÁJA

A csontváz járulékos része, de a csontnál lágyabb, szívósabb, szilárdabb állagú. Három típusa található meg a szervezetben: 1. Üvegporc: a legtöbb felszínt ez a típus borítja, állaga rugalmas. Nyomásszilárdsága nagy, mely arra utal, hogy a porc felülete mekkora súlyt bír el annak károsodása nélkül. 2. Kollagénrostos porc: ez a csigolyák közötti porckorongok rostos gyűrűjét alkotja. 3. Rugalmas porc: például a gégefőben megtalálható porcos szövet, rugalmas, elasztikus állaggal rendelkezik.

A porc épségének nagyon fontos a szerepe abban, hogy az ízületek zavartanul tudjanak működni. A porc egyik leglényegesebb tulajdonsága a rugalmasság, amely a porc belsejében lévő víz mennyiségétől függ. Egy ép porcszövet optimális víztartalma 50% körüli, ami a kor előrehaladtával fokozatosan csökken. A rugalmasságon kívül a porc kemény is, amely rostos, hálózatos felépítéséből adódik.

AZ ÍZÜLETI PORCOK ÖSSZETÉTELE ÉS SZERKEZETE Az emberi test teljes tömegének 1-2%-a Anyagok 1. CHONDROCITÁK (porcsejtek), 10% 2. KOLLAGÉN (leginkább II-es típus, rostos ultraszerkezet, prokollagén polipeptid) 10-30% 3. PROTEOGLYCAN/PROTEOGLYKÁT ( PG ) nagy poliszaharid molekulák ( monomérek és adalékanyagok formájában) 3-10% 4. VÍZ + inorganic salts, glycoproteins, lipids, 60-87%

Tissue Water Collagen Proteoglycans Articular Cartilage          68-85%           10-20%  (type I)        5-10% Meniscus                       60-70%           15-25% (type II)        1-2%

Kötőszöveti sejt, porc sejt Chondrocyta Kötőszöveti sejt, porc sejt

Kollagén  A bőr/porc egyik fő összetevője a kollagén, mintegy 70%-át adja a bőr fehérje tömegének. A kollagének családja mintegy 28 féle fehérjét tartalmaz, mely az emberi szervezet teljes fehérje állományának 30%-át teszi ki. A kollagén közismert formájában három spirálisan felcsavarodott polipeptid láncból az ún. α-láncból áll. II és III kollagén van a porcokban.

Proteoglykánok  A proteoglykánok a kollagén után a legnagyobb mennyiségben jelenlévő alkotó a porcszövet sejtközötti állományában. Ennek a fehérje családnak közös jellemzője, hogy a központi fehérjemaghoz speciális cukor oldalláncok (glycosaminoglycan = glükóz-amino-glikánok) kapcsolódnak. A molekula a térben különleges, ún. kefe alakú struktúrát vesz fel. Szerepük többek között a folyadék megkötése. (A szájon át szedhető „porcerősítő” gyógyszerek, egyik szerepe a proteoglycan-ok előállításának segítése)

A porcszövetek táplálék és oxigén igényük alacsony A porcszövetek táplálék és oxigén igényük alacsony. A porcszövetben található sejtek más sejtekkel vagy más szövetekkel, a sejt közötti állományon keresztül kapcsolódnak. Az oxigén, a szén-dioxid, és az anyagcseréhez szükséges azon a fehérjehálón áramlanak át, amely a porc keménységét adja. Minden az ízületi folyadékon, a synovian keresztül áramlik, ezért az ízületi folyadék létfontosságú a porcok számára. A folyadék védi és táplálja az ízület belsejében lévő ízületi porcot, biztosítja a csontvégek ízületi felszíneinek súrlódásmentes elcsúszását egymáson.

A felnőtt porc teljes egészében vérér, nyirokér és idegmentes szövet! Az oxigén, a szén-dioxid, az anyagcseréhez szükséges alapanyagok (víz, cukrok, zsírok, aminosavak, stb.) és a termelt salakanyagok csak hosszas, a porc keménységét adó fehérjehálón keresztül áramolva (diffúzióval) jutnak be illetve ki a szövetből. Minden anyag ki és beáramlása az ízületi folyadékon keresztül történik lassú áramlással!

Térd ízületi porc felépítése

A kollagén rostok elhelyezkedése

Zónák

The collagen arrangement in zone one is parallel to the joint surface The collagen arrangement in zone one is parallel to the joint surface. Therefore at the joint surface, when joint compressive forces occur, collagen becomes thinner. Since collagen adapts well to stretching and is able to withstand large tension loads, this arrangement is optimal for distribution of joint compressive loads. As discussed earlier, joint compressive loading is assisted by water. With joint motion, water is moved within the articular cartilage matrix. A large number of chondrocytes and a small amount of ground substance is contained in zone one. Since chondrocytes are responsible for collagen production, repair of injury is optimal in this zone. Prolonged static loading appears to result in higher strain being placed on zone one.

The collagen in zone two and three is not arranged parallel to the joint surface. Therefore, when joint loading occurs, the collagen is loaded in a non-linear fashion (zone two) or results in a compressive load (zone three). Neither of these types of loads is optimal for collagen. Increased load must be absorbed by the ground substance (proteoglycans and water) in both of these zones.  Fortunately, zones two and three have large amounts of ground substance. Zone three is primarily designed to resist compressive loads.

Zone four is a transition from the articular cartilage matrix in the superficial and intermediate zones to subchondral bone. The primary purpose of this layer is to attach the articular cartilage matrix to the underlying subchondral bone and provide a barrier for movement of fluids from the subchondral bone into the superficial layers of articular cartilage.

Mechanikai jellemzők

A porc, mint viszkoelasztikus anyag Ha egy anyag állandó tehernek (erőnek) és deformációnak van kitéve és erre a válasza időtől függetlenül változik, akkor az anyag mechanikai viselkedését viszkoelasztikusnak mondjuk. Bár úgy tűnhet, hogy a rehabilitációs programokat lassabb végrehajtási sebességnél érdemes kivitelezni, a viszkoelasztikus tulajdonságok miatt, a porc nagyobb sebességnél erősebb

Az ízületi porcok permeabilitása Porózusság/Porozitás ( b ): a folyadék térfogat (m3) aránya a porózus anyag teljes térfogatához (m3) viszonyítva Permeabilitás ( k-permeabilitási koefficiens): az anyag (porc) áteresztő képességének a mérője, amely fordítottan arányos a súrlódási erővel ( K ) k = b 2/ K (m4/Ns)

A mechanikai hatásokra adott alapvető válaszok 1. Kétfokozatú feszülés változás 2. Kétfokozatú stress relaxáció

1. Kétfokozatú feszülés változás Az idő, amely szükséges a feszülési egyensúly létrejöttéhez ellentétesen változik a szövet vastagságának négyzetével.

Feszülés változás oka

Feszülés egyensúly időbeli lefolyása humán és marha porc: 2-4 mm > 4 - 16 hours Nyúl porc: 1 mm > 1 hour 1 Mpa nyomás felett a porc folyadék tartalmának több, mint 50 százaléka kipréselődik. 2013.3.20

A folyadékkiáramlás mértéke irányítja a feszülés változás mértékét A folyadékkiáramlás mértéke irányítja a feszülés változás mértékét. Ezzel lehet jellemezni a permeabilitási koefficienst. Szöveti permeabilitás koefficiens (k) Human porc: 4.7 +/- 0.04 x 10 -15 m4 / N s Szarvasmarha porc: 4.67 +/- 0.04 x 10 -15 m4 / N s

Belső nyomási modulus ( HA ) Az egyensúlyi állapotban meghatározható deformáció mértékét a belső nyomási modulus mérésére lehet használni. Belső nyomási modulus ( HA ) Humán porc: 0.79 +/- 0.36 MPa Szarvasmarha: 0.85 +/- 0.21 MPa

“k” egyenes arányban változik a folyadék mennyiségével. “HA” fordított arányban változik a folyadék mennyiségével.

2. stress relaxáció

AXIÁLIS FESZÜLÉS

Kollagén axiális (tengely irányú) stress-strain görbéje

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

Compliance (nyújthatóság) = e / s Tangencális modulus az anyag stiffnessét (merevségét) mutatja E=s / e Maximum stress : 3 - 100 MPa, Élettani nyúlás: 15 % > 5 - 10 MPa Compliance (nyújthatóság) = e / s szigma, epszilon

Kenés (lubrikáció)

A kenés típusai Határvonal kenés Folyadékfilm kenés

Határvonalon abszorbeált kenőanyag

glycoprotein, lubricin Határvonal kenés Független a kenőanyag fizikai tulajdonságaitól (pl. viszkozitástól) és a terhet viselő anyagtól (merevségétől), de csaknem teljes mértékben a kenőanyag kémiai tulajdonságaitól. glycoprotein, lubricin A lubricin a felületen abszorbeálódott makromolekula

Folyadékfilm kenés Hidrodinamikai kenés Kipréselt film kenés

A kenőanyag nagyobb felület szeparációt tesz lehetővé Folyadékfilm kenés A kenőanyag nagyobb felület szeparációt tesz lehetővé > 20 um

Hidrodinamikai kenés Akkor történik, amikor a merev felszínek nem párhuzamosak egymással és a folyadék tangenciális irányban halad, azaz a felszínek elcsúsznak egymáson ék alakban.

Emelő nyomás keletkezik ebben az ékben a folyadék viszkozitása által amint a talapzat mozgása behúzza a folyadékot a felszínek közötti résbe.

Ez a mechanizmus elégséges a rövid idejű nagy erők elviselésére. Kipréselt film kenés Akkor történik, amikor a merev, terhelést viselő talapzatok merőlegesen mozognak egymás felé. A két ízületi felszín közötti résben a folyadék viszkozitás nyomást hoz létre, amely a folyékony kenőanyagot kipréseli. Ez a mechanizmus elégséges a rövid idejű nagy erők elviselésére.

Befolyásoló tényezők viszkozitás a rés alakja mozgás sebessége

Elastodinamikai kenés deformáció jön létre az ízületi felszínen

Boosted lubrication Az eltérő vastagságú folyadékrétegek megrekednek, a nyomás növekedése közben

A felszínt alkotó anyag nem sima Nyomás alatti folyadék Határvonal érdesség találkozása

Önkenés

Határvonal kenés: nagy terhelés, lassú sebesség, hosszú idő. A kenés hatékonysága az alkalmazott terheléstől és a felszínek sebességének nagyságától és irányától függ. Határvonal kenés: nagy terhelés, lassú sebesség, hosszú idő. Folyadék film kenés: kis teher, nagy sebesség Elastohidrodinamikus kenés: a nyomás alatti folyadék film alapvetően deformálja az ízületi felszínt.

Nagy terhelés és lassú mozgás esetén a folyadékfelszín vastagsága csökken Extrém terhelés esetén álló helyzetben a folyadék teljesen kipréselődik a felszínek közül és az ízületi felszínek közvetlenül érintkeznek

Summary 1. Elastohydrodynamic fluid film of both sliding (hydrodynamic)and the squeeze type probably play an important role in lubricating the joints 2. With high load and low speed of relative motion, such as during standing, the fluid film will decrease in thickness as the fluid is squeezed out from between the surface. 3. Under extreme loading conditions, such as during extended period of standing following impact, the fluid film may be eliminated, allowing surface-to-surface contact.

Porc betegségek: - Porclágyulás: a fájdalom általában fokozatosan alakul ki, már fiatal korban és az aktívan sportoló egyéneknél is jelentkezhet ez a típusú porcbetegség. Ha sokáig fennáll a fájdalom, akkor mindenképpen forduljunk szakemberhez. De ez a típus komoly problémákat nem okozhat. Pihentetéssel, vagy glükozamin szedésével megoldhatjuk a problémát. - Körülírt porchiány: Kisebb területen kialakuló betegség, melyet gyulladás, sérülés, ütközés okozhat, és ezáltal porchiány léphet fel. Az ízületi betegségek bárhol kialakulhatnak azonban főként a könyök, térd, bokaízületekben fordulnak elő. Károsíthatja a porcot, de az alatta lévő csontot is. Érdemes módosítani a fizikai mozgásszokásokon, javasolt porcerősítők, gyulladáscsökkentők szedése is. Ha már komolyabb a betegség, akkor akár műtétre is sor kerülhet. - Porckorongkopás: A csigolyák közötti porckorongok kopását előidézheti az életkor. A porckorongkopás megjelenhet a gerinc bármely részén, de főként deréktájon és a nyaki csigolyák közt alakul ki. Nem okozhat nagy bajt, csupán egy figyelmeztetés arra, hogy a porckorongban bekövetkezett a kopás. - Porckorongsérv: Porckorongsérvről akkor beszélünk, amikor a csigolyák között lévő kötőszövet kidudorodik és ezáltal nyomást gyakorol az idegekre és az ízületekre, fájdalmat okozva ezzel. Főként már felnőttkorban jelentkezik, és a nyaki illetve az ágyéki tájékon jelenik meg. Sajnos kiújulásra alkalmas betegség. Gyógytornával, alternatív gyógymóddal és műtéti beavatkozással gyógyítható. - Porcelhalás: A porc és a csont elhalását jelenti. Az ízületeket körülvevő porc és az alatta lévő csont leválik a körülöttük lévő csontról. Fiatal korban előforduló betegség, amely főként a térd, a könyök és a bokaízületeiben jelenik meg.

Ízületi porc sérülése 1. Közvetlen sérülés Ízületi felszínek közvetlen érintkezése 2. Fáradásos sérülés az ízületi mátrix mikrosérülései az ismétlődő terhelés hatására 3. Erózió

A károsodást befolyásolja a terhelés mértéke a terhelési maximumok száma a porcmátrix korábbi sérülése a porcszövet összetétele

Aktív és passzív mozgástartomány. Diagnosztika Aktív és passzív mozgástartomány. Ízületi porc sérülésnél a ROM lecsökken. Erődeficit különösen izokinetikus gyakorlatoknál csökken a maximális erő Ízületi stabilitás csökken

A porc beidegzésének hiánya esetén felmerül bennünk a kérdés, hogy fájhat mégis a porchiány, a porckopás. A porc közelében lévő szövetek, mint az ízületi belhártya (synovium) és a porc alatt fekvő csontállomány (subchondralis csont) idegekkel sűrűn behálózott szövetek, s a porc sérülését követően felszabaduló gyulladásos faktorok, anyagok a környezetben található idegeket ingerlik, a csontot érő közvetlen nagy ütések (porc hiánya miatt) apró repedéseket, idegi impulzusokat generálnak.

Az emberi porc nyirokérből, vérérből és idegmenetes szövetből áll Az emberi porc nyirokérből, vérérből és idegmenetes szövetből áll. Így a porcban történő eseteges sérülés esetén nem tudnak beáramlani azok az őssejtek és a tápláló erek melyek a porcpótlást végeznék, mivel nincsenek erek melyek ezt továbbítanák. Amikor mégis érezzük a fájdalmat egy ilyen kopás esetén, az azzal magyarázható, hogy az ízületi hártya illetve az a csontállomány, amely a porc alatt fekszik, ingerlik a porc körüli idegeket, anyagokat, ezzel jelezve a problémát. Ha hosszú ideig fennáll a probléma, és nem teszünk ellene, akkor teljes porcelhalás, porckopás következhet be.

PURE SHEAR FORCES No pressure gradiens or volumetric changes No interstitial fluid flow occures Thus , a steady dynamic pure shear experiment can be used to asses the intrinsic viscoelastic properties of the collagen - RG solid matrix.

PURE SHEAR storage modulus ( G` ), loss modulus ( G`` ) dynamic shear modulus ( G* )2 = ( G`)2 + ( G``)2 G* = ( G`)2 + ( G``)2 phase shift angle ( d ) = tan -1 (G``/ G`) The magnitude of the dynamic shear modulus is a measure of the total resistance of the viscoelastic materials

The magnitude of the dynamic shear modulus is a measure of the total resistance of the viscoelastic materials d value is a measure of the total frictional energy dissipation within the material. In pure elastic material is no internal frictional dissipation: d is zero for pure viscous fluid d is 90 degree

Bovin articalar cartilage G* = 1 -3 Mpa d = 9 - 20 degrees