Medicina Física y Rehabilitación
R1 Myriam Guadalupe Del Río Partida
Biomecánica del Cartílago Articular
Introducción
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
Fibrosas Cartilaginosas Sinoviales
Tipos de Articulaciones
Introducción
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
Articulaciones Sinoviales o Diartrodias
• Permiten un gran rango de movimiento• Cubiertas por tejido conectivo delgado
(1-6 mm)• Tejido altamente especializado• Falto de vasos sanguíneos, canales
linfáticos e inervación neurológica
Introducción
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
Articulaciones diartrodias
Distribuir las cargas articulares sobre un área amplia, ↓ las solicitaciones mantenidas por
el contacto de las superficies articulares
Permitir el movimiento relativo de las superficies articulares opuestas con mínima
fricción y desgaste
Composición y Estructura del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
Células escasamente distribuidas en el cartílago articular
Proporcionan < 10 % del volumen del tejido
Manufacturan, secretan, organizan y mantienen el componente orgánico de la matriz extracelular
Condrocitos
Composición y Estructura del Cartílago Articular
Estas células están bañadas y alimentadas por nutrientes suspendidos en el líquido sinovial
La nutrición está facilitada por la acción de “ordeño” por la deformación de la superficie articular durante la carga intermitente de las articulaciones
Rodeados de fibras de colágeno (tipo II)
Condrocitos
Neumann, D. (s.f.). Fundamentos de Rehabilitación Física. Paidotribo.
Estructura Histológica del Cartílago Articular
Salter, R. (2005). Trastornos y Lesiones del Sistema Musculoesquelético. Barcelona: Masson.
Fibras colágenas paralelas a la superficie
Pequeñas células ovales dispuestas del mismo modo
Condrocitos más jóvenes y más activos
En la infancia, mitosis
Fibras de colágeno verticales
Condrocitos maduros
Durante el crecimiento, actúa como cartílago de crecimiento de la epífisis subyacente permitiendo su aumento en grosor y amplitud
En el adulto, la matriz de la parte más profunda se calcifica
Estructura Histológica del Cartílago Articular
Salter, R. (2005). Trastornos y Lesiones del Sistema Musculoesquelético. Barcelona: Masson.
Proteoglicanos (10-15 %)
Colágeno (10-15 %)
Líquido intersticial (Agua) (70-80 %)
Matriz Extracelular
Estructura Histológica del Cartílago Articular
Salter, R. (2005). Trastornos y Lesiones del Sistema Musculoesquelético. Barcelona: Masson.
Matriz ExtracelularLíquido
Le confiere al cartílago su turgencia
Colágeno
Tipo II
Confieren resistencia al cartílago (En tensión)
Proteoglicanos
Unen las fibras de colágeno entre sí
Proporcionan la elasticidad tan necesaria al cartílago articular para resistir fuerzas intermitentes de cizallamiento y compresión
Composición y Estructura del Cartílago Articular
Neumann, D. (s.f.). Fundamentos de Rehabilitación Física. Paidotribo.
En la zona tangencial superficial, el colágeno se orienta en paralelo a la superficie articular, y forma un veteado fibroso que ayuda a oponer resistencia a la abrasión de la superficie articular. Las fibras se vuelven menos tangenciales y su orientación más oblicua en la zona media, para terminar casi perpendiculares a la superficie articular en la zona profunda. Las fibras más profundas se anclan en la zona calcificada para mantener el cartílago unido al hueso subcondral subyacente.
Composición y Estructura del Cartílago Articular
Neumann, D. (s.f.). Fundamentos de Rehabilitación Física. Paidotribo.
Las series de fibras enlazadas químicamente forman una estructura fibrosa, semejante a una red, que atrapa las grandes moléculas de GAG bajo la superficie articular
GAG Atraen aguaAporta rigidez
al cartílago articular
↑ capacidad para soportar
cargas
Composición y Estructura del Cartílago Articular
Neumann, D. (s.f.). Fundamentos de Rehabilitación Física. Paidotribo.
Distribuye y dispersa fuerzas compresivas por el hueso subcondral
↓ la fricción entre superficies articulares
El coeficiente de fricción entre dos superficies revestidas de cartílago articular y humedecidas con líquido sinovial es muy ↓ (0,005-0,02 en la rodila p.ej.)
5-20 veces < y más resbaladizo que el del hielo sobre hielo (0,1)
Cartílago Articular
Composición y Estructura del Cartílago Articular
Neumann, D. (s.f.). Fundamentos de Rehabilitación Física. Paidotribo.
Localización anatómica
Fibras (GAG + Agua + Solutos)
Células Especialización mecánica
Correlación clínica
Recubre los extremos de los huesos articulados de las articulaciones sinoviales
Alto contenido de fibras colágenas tipo II; las fibras ayudan a anclar el cartílago en el hueso subcondral y a contener la sustancia fundamental
Alto contenido en sustancia fundamental
Número moderado de células; son aplanadas cerca de la superficie articular y redondeadas en las capas más profundas del cartílago
Resisten y distribuyen fuerzas de compresión (carga articular) y las fuerzas de cizallamiento (deslizamiento superficial); coeficiente muy bajo de fricción
Durante la fase inicial de la osetoartritis, los GAG salen de lo profundo del tejido y reducen la capacidad de distribución de las fuerzas; el hueso adyacente se engrosa y absorbe el aumento de fuerza, que a menudo causa la formación de osteófitos
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
Fase de fluido intersticial
Fase sólida porosa-permeable (MEC)
Cartílago Articular
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
Fase fluida
Fase iónicaContribución de las
cargas e iones de los PG
Fase sólida cargada
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
NATURALEZA DE LA VISCOELASTICIDAD DEL CARTÍLAGO ARTICULAR
“Si un material se somete a la acción de una carga constante (independiente del tiempo) o a una deformación constante y su respuesta varía
con el tiempo, entonces el comportamiento mecánico de un material se dice que es
viscoelástico.”
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
NATURALEZA DE LA VISCOELASTICIDAD DEL CARTÍLAGO ARTICULAR
Material viscoelástico
Deformación progresiva
Cuando un sólido
viscoelástico se somete a la
acción de una carga constante
Relajación de la solicitación
Cuando un sólido
viscoelástico se somete a la
acción de una deformación
constante
Un sólido viscoelástico
responde con una deformación inicial
rápida seguida de una deformación lenta progresivamente
creciente
Un sólido viscoelástico responde con una
solicitación rápida inicial alta seguida de una
solicitación lenta progresivamente
decreciente requerida para mantener la
deformación
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
NATURALEZA DE LA VISCOELASTICIDAD DEL CARTÍLAGO ARTICULAR
Para el cartílago articular, el comportamiento viscoelástico compresivo está causado principalmente por el flujo
del fluido intersticial y la resistencia friccional asociada a este flujo
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
NATURALEZA DE LA VISCOELASTICIDAD DEL CARTÍLAGO ARTICULAR
Cartílago articular
Comportamiento viscoelástico bifásico
Flujo del fluido intersticial
Comportamiento de flujo-independiente o intrínseco
viscoelástico de la matriz sólida colágeno-PG
Movimiento de las macromoléculas
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
RESPUESTA BIFÁSICA DE DEFORMACIÓN PROGRESIVA DEL CARTÍLAGO ARTICULAR EN COMPRESIÓN
Una solicitación compresiva constante (σ0) se aplica al tejido en el tiempo t0 y se permite al tejido que se deforme progresivamente hasta su deformación de equilibrio final (ε∞).
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
RESPUESTA BIFÁSICA DE DEFORMACIÓN PROGRESIVA DEL CARTÍLAGO ARTICULAR EN COMPRESIÓN
La deformación progresiva se debe se debe a la exudación del fluido intersticial La exudación es más rápida inicialmente, y disminuye gradualmente hasta que se
produce el cese del flujo Durante la deformación progresiva, la carga aplicada en la superficie es equilibrada
por la solicitación compresiva desarrollada dentro de la matriz sólida colágeno-PG y la resistencia friccional generada por el flujo del fluido intersticial durante la exudación
La deformación progresiva cesa cuando la solicitación compresiva desarrollada dentro de la matriz sólida es suficiente para equilibrar sólo la solicitación aplicada
En este punto no fluye ya líquido y se alcanza el equilibrio de deformación ε∞
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
RESPUESTA BIFÁSICA DE DEFORMACIÓN PROGRESIVA DEL CARTÍLAGO ARTICULAR EN COMPRESIÓN
Debido a que la tasa de deformación progresiva está gobernada por la tasa de exudación del fluido, puede ser usada para determinar el coeficiente de permeabilidad tisular
Medida indirecta para la permeabilidad del tejido (k)
En equilibrio, no se desplaza flujo y así el equilibrio de deformación puede ser usado para medir el módulo compresivo intrínseco (HA) de la matriz sólida colágeno-PG
Debido a que estos coeficientes son una medida de las propiedades intrínsecas de los materiales de la matriz sólida, tiene sentido por lo tanto determinar cómo varían con la composición de la matriz
K varía directamente, mientras que HA varía inversamente con el contenido de agua y varía directamente con el contenido de PG
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
PERMEABILIDAD DEL CARTÍLAGO ARTICULAR Los materiales porosos llenos de fluido pueden o no ser
permeables
Porosidad, tasa de volumen del fluido (Vf) en relación al volumen como porosidad (β = Vf/VT)
El cartílago articular es un material de alta porosidad (80 %)
Si los poros se interconectan, el material poroso es permeable
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
PERMEABILIDAD DEL CARTÍLAGO ARTICULAR La permeabilidad es una medida de la facilidad con la que el fluido
puede fluir a través de un material poroso
Es inversamente proporcional a la resistencia friccional ejecutada por el fluido que se desplaza a través de un material poroso permeable
Esta fuerza de resistencia friccional se genera por la interacción del fluido intersticial y las paredes del poro del material poroso-permeable
El cartílago articular tiene una muy baja permeabilidad y así se generan fuerzas resistivas friccionales altas cuando se provoca al fluido desplazarse a través de la matriz sólida porosa
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
COMPORTAMIENTO DEL CARTÍLAGO ARTICULAR BAJO TENSIÓN UNIAXIAL
La zona superficial rica en colágeno parece proporcionar al cartílago articular una piel fuerte protectora resistente al desgaste
Comportamiento viscoelástico en tensión, atribuible a la fricción interna como al flujo del fluido intersticial
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
COMPORTAMIENTO DEL CARTÍLAGO ARTICULAR BAJO TENSIÓN UNIAXIAL
Si se altera la estructura molecular del colágeno, la organización de las fibras de colágeno dentro de la trama de colágeno, o las uniones cruzadas de la fibra de colágeno, las propiedades tensiles
de la trama cambiarán
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
COMPORTAMIENTO DEL CARTÍLAGO ARTICULAR BAJO TENSIÓN UNIAXIAL
Curva de solicitación tensil típica para el cartílago articular. En la región inicial, se produce la tensión de la fibrilla de colágeno a medida que las fibrillas se alinean en la dirección de la carga tensil. En la región lineal, las fibras de colágeno alineadas se estiran hasta que se produce el colapso.
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
COMPORTAMIENTO DEL CARTÍLAGO ARTICULAR BAJO TENSIÓN UNIAXIAL
La carga resultaría en un alineamiento de las fibrillas de colágeno a lo largo del eje de tensión.
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
COMPORTAMIENTO DEL CARTÍLAGO ARTICULAR EN CIZALLA PURA
Cuando se evalúa el cartílago en cizalla pura bajo condiciones de deformación infinitesimal, no se producen cambios volumétricos o gradientes de presión; por lo tanto, no se produce el flujo del fluido intersticial.
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
COMPORTAMIENTO DE TUMEFACCIÓN DEL CARTÍLAGO ARTICULAR
La presión de tumefacción osmótica de Donnan, asociada con los grupos aniónicos fijados densamente agrupados en las cadenas GAG además de la rigidez compresiva del conjunto de los agregados de PG enredados en la trama de colágeno, permite que el gel de PG en la trama de colágeno resista la compresión.
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
COMPORTAMIENTO DE TUMEFACCIÓN DEL CARTÍLAGO ARTICULAR
Efectos de Densidad de Carga Fijada (DCF) en el cartílago
Fase sólida cargada
Fase fluida
Fase ión
Trama colágeno-PG
Agua intersticial
-Catión monovalente Na+ y un anión Cl-
-Multivalente Ca2+
Teor
ía tr
ifási
ca m
ecan
o-el
ectr
oquí
mic
a de
l mul
tiele
ctró
lito
Comportamiento Biomecánico del Cartílago Articular
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COMPORTAMIENTO DE TUMEFACCIÓN DEL CARTÍLAGO ARTICULAR
La solicitación total es proporcionada por la suma de dos términos:
σtotal = σsólido + σfluido
σsólido Solicitación de la matriz sólida
σfluido Presión del fluido intersticial
En equilibrio, σfluido es proporcionado por la presión osmótica de Donnan
Lubricación del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
Las articulaciones sinoviales están sometidas a un enorme rango de condiciones de carga
En condiciones normales, el cartílago articular soporta poco desgaste
El mínimo desgaste del cartílago normal asociado con tales variadas cargas indica que esos sofisticados procesos de lubricación están funcionando dentro de la articulación y sobre la superficie del tejido
Lubricación del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
2 Tipos de lubricación
Lubricación de barrera
Lubricación película-fluido
Implica una única monocapa de
moléculas lubricantes adsorbida en cada superficie de carga
Una delgada película de fluido proporciona
una mayor separación superficie
a superficie
Lubricación del Cartílago Articular
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
Las articulaciones sinoviales intactas tienen un coeficiente de fricción extremadamente bajo (0,02)
Las superficies lubricadas tipo barrera tienen coeficientes de fricción de uno o dos órdenes de magnitud superior que las superficies lubricadas por el tipo película-fluido
Hipótesis sobre la Biomecánica de la Degeneración del Cartílago
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
PAPEL DE LOS FACTORES BIOMECÁNICOS
El cartílago articular tiene sólo una limitada capacidad de reparación y regeneración, y si se
somete a un rango anormal de solicitaciones puede experimentar rápidamente el colapso total
Hipótesis sobre la Biomecánica de la Degeneración del Cartílago
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
PAPEL DE LOS FACTORES BIOMECÁNICOS
Magnitud de las solicitaciones impuestas
Número total de picos de solicitación mantenidos
Cambios en la estructura molecular intrínseca y microscópica de la matriz colágeno-PG
Cambios en la propiedad mecánica intrínseca del tejido
123
4
Progresión del colapso
Hipótesis sobre la Biomecánica de la Degeneración del Cartílago
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
PAPEL DE LOS FACTORES BIOMECÁNICOS
Las actividades físicas resultan en cargas articulares que se transmiten al condrocito por medio de la matriz extracelular.
El condrocito varía sus actividades mecano-electroquímicas generadas por la carga de su entorno.
Hipótesis sobre la Biomecánica de la Degeneración del Cartílago
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
PAPEL DE LOS FACTORES BIOMECÁNICOS El factor iniciador del colapso más importante parece
ser la “laxitud” de la red de colágeno que permite la expansión anormal del PG y así la tumefacción tisular
↓ en la rigidez de cartílago y un ↑ en la permeabilidad del cartílago, altera la función durante el movimiento articular
Hipótesis sobre la Biomecánica de la Degeneración del Cartílago
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
PAPEL DE LOS FACTORES BIOMECÁNICOS
Los cambios OA en la red colágeno-PG pueden comprometer la habilidad del cartílago articular para mantener la presurización del fluido intersticial, que permite la capacidad de soporte de la carga y de lubricación articular del tejido.
La pérdida de PG y la lesión de las fibras de colágeno resultan en una permeabilidad hidráulica incrementada (resistencia ↓ al flujo de fluido) y en cargas y deformaciones supra-normales sobre la matriz sólida (y condrocito).
Hipótesis sobre la Biomecánica de la Degeneración del Cartílago
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
PAPEL DE LOS FACTORES BIOMECÁNICOS La magnitud de la solicitación mantenida por el
cartílago articular se determina tanto por la carga total sobre la articulación y por cómo esa carga se distribuye sobre el área de contacto de la superficie articular
Cualquier concentración intensa de solicitación en el área de contacto desempeñará un papel primario en la degeneración tisular
Hipótesis sobre la Biomecánica de la Degeneración del Cartílago
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
PAPEL DE LOS FACTORES BIOMECÁNICOS Excesivas concentraciones de solicitaciones en el
cartílago articular resultan en el colapso del cartílago
Se producen por la incongruencia de la superficie articular, resultando en un contacto anormalmente pequeño
OA relativa a la displasia acetabular congénita, a una epífisis de la cabeza femoral luxada, y a las fracturas
intraarticulares
Hipótesis sobre la Biomecánica de la Degeneración del Cartílago
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
PAPEL DE LOS FACTORES BIOMECÁNICOS
• Elimina la función de distribución de la carga del menisco
Meniscectomía de la articulación de la rodilla
• Permite el excesivo movimiento y la generación de solicitaciones mecánicas anormales en la articulación afectada
Ruptura ligamentosa
Hipótesis sobre la Biomecánica de la Degeneración del Cartílago
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
IMPLICACIONES EN LA FUNCIÓN DEL CONDROCITO La MEC modula la transmisión de cargas articulares al
condrocito, actuando como un transductor que convierte la carga mecánica en estímulos ambientales que median la función del condrocito
Las cargas derivadas del movimiento de función articular normal resultan en la generación de estímulos mecano-electroquímicos que promueven el mantenimiento del cartílago normal
Hipótesis sobre la Biomecánica de la Degeneración del Cartílago
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
IMPLICACIONES EN LA FUNCIÓN DEL CONDROCITOCompromiso de la integridad
de la red colágeno-PG (Transductor)
(Traumatismo o enfermedad)
La función articular normal lleva a estímulos mecano-electroquímicos
anormales
Remodelamiento anormal de la MEC por los condrocitos y la función tisular
debilitada
G R A C I A [email protected]
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