TEMA 3 Biomecánica del cartílago articular (2016)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Fisioterapia - 1º curso
Asignatura Física Aplicada
Año del apunte 2016
Páginas 7
Fecha de subida 20/06/2017
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TEMA 3: BIOMECÁNICA DEL CARTÍLAGO ARTICULAR El cartílago articular es un tejido altamente especializado y preparado para soportar el entorno articular altamente cargado sin fracaso durante la vida del individuo.
Fisiológicamente, pero, es virtualmente un tejido aislado, en falta de vasos sanguíneos, canales linfáticos e inervación neurológica.
1. TIPOS DE CARTÍLAGO -1. Hialino el que hay en las articulaciones sinoviales (diartrosis) -2. Fibrocartílago: el que encontramos a • -Discos intervertebrales • -Menisco • -Cóndilos mandibulares -3. Elástico: el que encontramos en el pabellón auditivo Hablaremos del cartílago hialino porque es el que se encuentra en las articulaciones móviles y, por tanto, las que nos interesan desde el punto de vista de la biomecánica.
De los tres tipos de cartílago el hialino es el que se encuentra en mayor proporción y es el más importante ya que cubre todas las articulaciones sinoviales: Macroscópicamente el color del cartílago varia con la edad de la persona: • En el niño, el cartílago es blanco con un ligero tono azul • En el adulto suele tener un color amarillo tirando a marrón Su grosor puede variar, pero en general es de unos 2-3mm, aunque varía según articulación; por ejemplo, a la rótula es de 5mm y a las falanges es de 1mm 2. FUNCIONES DEL CARTÍLAGO -Transmite las fuerzas entre extremo óseos a través de una amplia superficie de contacto, evitando así la existencia de cargas puntuales que podrían lesionar la articulación.
-Permite el movimiento entre las superficies articulares con un mínimo de fricción y, por tanto, con el mínimo desgaste posible 3. COMPOSICIÓN DEL CARTÍLAGO ARTICULAR A pesar de la falta de vasos sanguíneos, linfáticos y nervios, el cartílago articular presenta una estructura elaborada y ordenada y presenta muchas interacciones entre los condrocitos y la matriz, que mantienen activamente el equilibrio del tejido.
En el cartílago encontramos: -Células: condrocitos -Matriz extracelular: • Sustancia orgánica: fibras de colágeno y proteoglicanos (25%) • Sustancia inorgánica: agua (75%) 3.1 Condrocitos -El condrocito es una célula altamente diferenciada y especializada -Su forma, tamaño y probablemente su actividad metabólica, varían según las diferentes zonas del cartílago.
-Proporcionan menos del 10% del volumen del tejido -Los condrocitos son de apariencia simple y son capaces de vivir con tensiones muy bajas de O2.
-Son sensibles a los cambios estructurales de la matriz y a las demandas de carga de la superficie articular, La adaptación del cartílago al ejercicio dependerá de los condrocitos pues es el único componente vivo del cartílago articular y el único elemento que puede modificar su respuesta ante las solicitaciones, sintetizando o degradando los componentes de la matriz extracelular.
3.2. Colágeno -Es la proteína más abundante existente en el cuerpo humano.
-Se distribuye uniformemente en toda la profundidad del cartílago, excepto en la zona superficial (donde es más abundante) ya que es la zona donde se soportan mayores presiones.
-El colágeno proporciona el cartílago las propiedades tensiles e inmoviliza los proteoglicanos de la MEC.
-El colágeno de tipo II es el que encontramos en el cartílago.
-En menores cantidades, encontramos los colágenos de tipo V, VI, IX y XI.3.3.3.
Proteoglicanos -En el cartílago encontramos muchos tipos de PG.
- Fundamentalmente es una molécula grande de proteína polisacárida compuesta por una estructura proteica y una polisacárida -El núcleo de la molécula es la estructura proteica, dónde se enlazan uno o más moléculas glucosaminoglicanos (GAG), sus tipos son  queraten sulfato, condrotin 4sulfato y condrotin 6-sulfato (importantes en envejecimiento del cartílago) -Son macromoléculas complejas responsables de la resistencia a la compresión del cartílago.
-Los proteoglicanos actúan como elementos amortiguadores y elásticos.
-Su capacidad amortiguadora se debe al hecho de tener una alta afinidad y capacidad para retener agua (hidrófilos): - Al ser comprimidos pierden parte del agua retenida-Cuando dejan de ser comprimidos, recuperan o recaudan de nuevo el agua y se 'expanden hasta recuperar el volumen aerodinámico inicial.
-Cuando estas grandes moléculas son comprimidas se comportan como las migas de un colchón, lo que produce una baja fricción en la superficie articular, actuando en la transmisión de cargas a través de la articulación hasta el hueso subyacente.
3.4. Agua -Es el componente más abundante del cartílago articular, hay más concentración cerca de la superficie articular (85%) y disminuye con el aumento de la profundidad (65%).
-Cuando es cargada por una fuerza compresiva, aproximadamente el 70% del agua puede ser movida -Este movimiento del fluido intersticial es importante para controlar el comportamiento mecánico del cartílago y la lubricación articular.
-Un pequeño porcentaje del agua reside intracelularmente y aproximadamente el 30% está asociado con las fibras de colágeno.
3.5. Proteoglicanos-colágeno-agua -fibras de colágeno y los PG son los componentes estructurales que soportan las solicitaciones mecánicas internas que resultan de las cargas que se aplican al cartílago articular.
-Juntamente con el agua, determinan el comportamiento biomecánico de este tejido.
Si hubiera un problema con alguna de estas tres sustancias, el comportamiento del cartílago articular se vería afectado.
3.6. Condrón Es el conjunto formado por un condrocito y la zona de la MEC que le rodea. Esto constituye la unidad anatómica, citogenética y mecánica del cartílago. La degeneración del cartílago se llama condromalacia.
4. ESTRUCTURA DEL CARTÍLAGO El cartílago articular se puede dividir en cuatro zonas (de la superficie a la profundidad) -Superficial o tangencial-Transición-Radial-Calcificada 4.1. Superficial o tangencial (zona I) -Posee el 10-20% del volumen de la MEC-Tiene un bajo contenido en PG -Está constituida por láminas uniformes de fibras de colágeno alineadas tangencialmente a la superficie del hueso -con células aplanadas entre las fibras para así poder soportado las solicitaciones o fuerzas de cizalla.
4.2. Capa transicional (zona II) -Contiene un 40% del volumen de la MEC, tiene un mayor contenido de PG y una red curvada de fibras(arcos) de colágeno y células esferoidales, con el fin de proveer resistencia a la compresión.
4 .3. Capa radial (zona III) -Contiene el 30% del volumen de la MEC -Tiene un elevado contenido en proteoglicanos -Las fibras de colágeno están alineadas perpendicularmente a la superficie articular Encontramos células redondeadas en columnas entre la red de colágeno 4.4. Capa calcificada (zona IV) -Contiene el 5-10% del volumen de la MEC -Se caracteriza por una elevada concentración de sales de calcio -Ausencia de proteoglicanos (habrá pues poca agua) -Fibras de colágeno y condrocitos redondeados a el interior de nidos 5. PROPIEDADES BIOMECÁNICAS -El cartílago articular se tiene que entender como un medio poroso inmerso en agua, como una esponja -Se trata de un material bifásico, formado por una fase solida (colágeno y proteoglicanos) y otro líquido (agua) -Desde un punto de vista de la ingeniería, el cartílago articular presenta un comportamiento viscoelastico, que depende del tiempo cuando es sometido a una carga o deformación constante -Así cuando se aplica una fuerza compresiva constante (carga/área) al tejido, su deformación aumenta con el tiempo.
-Es decir, va cediendo hasta llegar a un valor de equilibrio por una redistribución de fluido después de la exsudacion después de la compresión -Entre los factores que influyen el comportamiento mecánico del cartílago sobre carga se encuentran • Las características de su matriz solida (proteoglicanos, colágeno) • contenido en agua -Existe una relación directa entre permeabilidad entre contenido de agua y al revés entre la permeabilidad y el contenido en proteoglicanos -Otra de las propiedades es su resistencia que ofrece la compresión sin partirse (resiliencia: se deforma sin romperse) -Esta capacidad para absorber compresiones le proporciona un gran efecto amortidor debido a la mayor visco elasticidad que posee delante del hueso 5.1 Permeabilidad del cartílago articular -La permeabilidad de un material se tiene que entender como un parámetro de medida: • La resistencia a la fricción de la matriz solida de un material poroso al paso a través suyo de un flujo liquido • Cuando más baja es la permeabilidad, mayor es la resistencia del paso del líquido cuando hay una carga aplicada 5.2 Permeabilidad del cartílago -El cartílago normal gracias a la gran hidrofilia que poseen los proteoglicanos, se encuentra en un estado de hiperhidratación que le convierte en un tejido, presurizado que puede llegar a tener 2 atmosferas de presión hidrostática -Cuando el cartílago está sometido a una fuerza de compresión se produce una deformación causada por: • Deformación de sus fibras de colágeno • Incremento de la presión local -Debido a la permeabilidad del tejido una exudación del fluido hacia las zonas no comprimidas y al espacio articular -De esta manera, el cartílago articular posee un mecanismo regulador que evita la pérdida total del fluido intersticial.
6. COMPORTAMIENTO DEL CARTÍLAGO ARTICULAR El comportamiento del cartílago articular caria: 6.1. Según tiempo de actuación de las cargas -Debido a la baja permeabilidad del cartílago que se traduce por una elevada resistencia al flujo de fluido a través suyo -Su comportamiento mecánico depende mucho de la velocidad a la cual se aplica la carga 1. Comportamiento elástico recuperable (independiente del tiempo) -Cuando la aplicación y retirada de la carga es rápida: el material se comportará como un sólido elástico monofásico -Ya que se deformará rápidamente sobre la carga aplicada y se recuperará al instante cuando se retira la carga -No hay tiempo suficiente para que el líquido sea exprimido del tejido 2. Comportamiento viscoelastico recuperable (depende del tiempo) -Pero se a carga se aplica lentamente ose mantiene de forma constante sobre el tejido, la deformación ira en aumento con el tiempo a medida que el fluido vaya siendo expulsado al exterior -Al descargar el tejido recuperara sus dimensiones originales, siempre que tenga suficiente fluido disponible durante un periodo de tiempo lo suficientemente largo 6.2. Según la dirección de las cargas (grafica) -El comportamiento mecánico del cartílago articular en tensión es muy complejo (porque es anisotropico y formado por estratos/capas) -Se tiene que tener en cuenta su carácter estratificado(capas) y anisotropico -La curva tensión/deformación de una muestra de cartílago articular presenta una forma prácticamente exponencial -La porción inicial de la curva puede interpretarse como alineamiento del colágeno en dirección a la fuerza aplicada -A partir de una tensión dada a las fibras de colágeno comienzan a estirarse de forma exponencial, hasta que se inicia la fallada o ruptura -Se ha comprobado que la rigidez y resistencia a la tracción del cartílago normal en adulto, disminuye en aumentar la distancia a la superficie articular -La zona superficial (primera y segunda capa) rica y densa en colágeno juntamente con su disposición puede actuar como recubrimiento protector -Tenaz y resistente al desgaste ante el comportamiento de las capas más profundas.
7. LUBRICACION Permitir el movimiento de la articulación con un mínimo desgaste se consigue con una correcta lubricación, que es básicamente de 2 tipos: 7.1. Lubricación por capa de límite -Consiste en una capa de moléculas de líquido sinovial que se adhieren a las irregularidades de las superficies de contacto, de tal forma que son las moléculas que deslizan unas sobre otras -Evitando fenómenos de adhesión y abrasión (que comportarían desgaste) -Este tipo de lubricación es poco operativa en cargas elevadas y es muy frágil por soportar fuerzas de cizalla creadas sobre estas condiciones.
7.2. Lubricación por película de liquido -En este tipo de lubrificación, existe una película de líquido sinovial que separa las dos superficies articulares.
-Esta capa es más espesa que la capa molecular y la carga es soportada por la película de líquido.
-Según como interactúa el líquido sinovial con las superficies de contacto, hablamos de: 7.2.1 Lubricación hidrodinámica Existe un movimiento tangencial de las superficies articulares formando una cuña de líquido sinovial 7.2.2 Lubricación por expresión de película Aparece cuando existe un movimiento perpendicular entre las dos superficies articulares y el líquido se va hacia las zonas externas (exprimido) Permite soportar grandes cargas durante poco tiempo, pues al final la película de líquido será tan fina, que las zonas ásperas(rugosas) de las dos superficies entraran en contacto 7.2.3. Lubricación elastohidrodinámica Tanto uno como el otro: • La extensión y la capacidad de sostén de la película del fluido son determinadas por: • La viscosidad del lubricante, la forma del espacio entre las dos superficies articulares y el movimiento relativo de estas • Si el material de soporte es blando, la presión de la película de fluido puede causar una deformación sustancial de las superficies • Estas deformaciones pueden modificar favorablemente la geometría de la película y el área de contacto, causando mayor restricción a la salida del líquido y produciendo una película más gruesa y duradera, aumentando la capacidad de sostén.
• Esta situación se conoce como lubricación elastohidrodinamica LUBRICACION RESUMEN -Con grandes velocidades de deslizamiento y fuerzas pequeñas, tiene lugar el tipo de lubricación por fluido -Las fuerzas aplicadas bruscamente, pudiendo soportarse durante un tiempo por la acción de expresión de película -Si se aplica una gran fuerza y se mantiene con poco o ningún movimiento, es probable que actué el tipo de lubricación por capa de límite 8. DESGASTE DEL CARTÍLAGO ARTICULAR -Consiste en la perdida de material de superficies solidas por el efecto de una acción mecánica 8.1. Desgaste interfacial a causa de la interacción de las superficies de contacto Si las superficies articulares se ponen en contacto, se producirá un desgaste interfacial por dos tipos de mecanismos: - Por adhesión  Aparece cuando, a medida que las superficies entran en contacto, los fregamientos de la superficie se adhieren entre si y son arrancados de la superficie durante el deslizamiento - Por abrasión  Tiene lugar cuando un material blando es raspado por otro más sólido existente en la superficie opuesta, también en forma de partícula libre 8.2. Desgaste por fatiga debido a la deformación de los cuerpos en contacto, cuando hay una carga Producido por un estado de tensiones repetitivas sobre la matriz sólida y una exudación repetitiva del fluido intersticial del tejido produciendo: -Una ruptura de las fibras de colágeno y, rotura de retícula macromolecular del proteoglicano. Los proteoglicanos tienen asociados glucosaminoglicanos.
9. EVOLUCIÓN DEL CARTÍLAGO CON LA EDAD -Condrocitos aumentan, pierden su capacidad de reproducción -Disminuye los PG’s en cantidad y tamaño y cambia si proporción • Aumenta condrotin-4 sulfato • Disminuye queratin sulfato -Aumento de contenido de proteínas y disminución de agua -Esto se traduce con una disminución de elasticidad y aumento de la rigidez del cartílago ...

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