AZ INAK ÉS SZALAGOK BIOMECHANIKÁJA

Az előadások a következő témára: "AZ INAK ÉS SZALAGOK BIOMECHANIKÁJA"— Előadás másolata:

1 AZ INAK ÉS SZALAGOK BIOMECHANIKÁJA

2 Az ín szerkezete

3 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.

4 INAK SZALAGOK

5 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

6 BIOMECHANIKAI JELLEMZŐK

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

8 Erő-elmozdulás összefüggés
ACL

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

10 Relaxált Megnyújtott

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

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

13 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

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

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

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

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

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

19 2.0 – 15.0 AZ ÍNAK BIZTONSÁGI FAKTORA Maximális feszülés (erő)
A munkavégzés alatt meghatározott maximális erő 2.0 – 15.0

20 Nyújtási energia W = dF · dl = E

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

22 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)

23 AZ IZÜLETI PORCOK BIOMECHANIKÁJA

24

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

26 A KOLLAGÉN ROSTOK ELHELYEZKEDÉSE

27 NYOMÓERŐ

28 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

29 1. KÉTFÁZISÚ LASSÚ ALAKVÁLTOZÁS

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

31 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

32 2. KÉTFÁZISÚ FESZÜLÉS RELAXÁCIÓ

33 TENGELY IRÁNYÚ FESZÜLÉS (NYÚJTÁS)

34 ELASZTIKUS MODULUS

35

36 LUBRIKÁCIÓ (KENÉS) HATÁRVONAL LUBRIKÁCIÓ FOLYADÉKFILM LUBRIKÁCIÓ

37 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

38 FELÜLETI (HATÁRVONAL) LUBRIKÁCIÓ

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

40

41 A CSONTOK BIOMECHANIKÁJA

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

43 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

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

45

46

47 A csontokra ható erők Húzó Nyomó Hajlító Nyíró Csavaró

48 nyújtó (húzó)

49 összenyomó és torziós torziós

50 Erő FÉM ÜVEG CSONT Deformáció

51 FESZÜLÉS (STRESS) – MEGNYÚLÁS (STRAIN)

52 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

53 A nyújtás irányának hatása a stress-strain görbékre

54 Stress strain görbe különböző irányú nyújtás hatására

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

56 három pontos hajlítás

57 NÉGY pontos hajlítás

58 10 N M= 10x 0.4 = 4 Nm M1=10x0.15= 1.5 M2=10x0.15= 1.5 M1 + M2= 3 Nm