Az ín szerkezeteAz ín szerkezete

A kollagének mikrostruktúrája

Az inak és szalagok I típusú kollagénekből állnak. Ez a molekula három polipeptide láncból ( lánc)

formálódik, mindegyik helixé tekeredve.

A kollagén molekulák lépcsőzetesen eltolt kötegekké szerveződnek.

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.

INAK SZALAGOK

LIGAMENTUM FLAVUM

ELASZTIN : KOLLAGÉN = 2 : 1

Az inak és szalagok mechanikai tulajdonságai az elasztin és a kollagén tartalom arányától is függ.

ELASZTIN : KOLLAGÉN = 1 : 2(3)

NYÚJTÁSI ERŐ

MEGNYÚLÁS

NYÚJTÁSI ERŐ

MEGNYÚLÁS

Biomechanikai jellemzők

ACL

Erő-elmozdulás összefüggés

Noyes and Grood, 1976 Noyes et al. 1984

dL = 15 mm

F = 1500 N

Erő-megnyúlás görbe

Relaxált Megnyújtott

Ahmed et al. 1987

A patella ín hossz-feszülés jellemzőinek mérése kadaver modellen

Noyes et al. 1984

PT

ACL

STIFFNESS - COMPLIENCE

0

2000

4000

6000

8000

0 2 4 6 8 10 12

Megnyúlás (mm)

Erő

(N)

ERŐ – MEGNYÚLÁS KAPCSOLAT

Stiffness = dF • dl-1

769.2 N m-1

dF

dl

Noyes et al. 1984

335 N m-1

140 N m-1

Az ín hosszúság és keresztmetszet hatása a stiffness-re

STIFFNESS = dF / dL

COMPLIENCE = dL / dF

STRESS - STRAIN

STRESS ()

Hogyan számítjuk ?

Erő / keresztmetszeti területErő / keresztmetszeti terület

N / m2, Pa

STRAIN ()

Az ín (szalag) százalékban kifejezett megnyúlása

(dl / L) · 100

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25

Tendon strain (%)

Te

nd

on

str

ess

(M

Pa)

ELASTIKUS (YOUNG) MODULUS

E = Δσ • Δε-1

251,6

0

50

100

150

200

250

300

350

E (

MP

a)

Δσ

Δε

0,1 – 2,0 GPa

AZ ÍNAK BIZTONSÁGI FAKTORA

Maximális feszülés (erő)

A munkavégzés alatt meghatározott maximális erő

2.0 – 15.0

Nyújtási energia

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15

Elongation (mm)

Tend

on fo

rce

(kN)

B

0

20

40

60

0 2 4 6 8

Tendon force (kN)

Srai

n en

ergy

(Jou

le)

D

W = dF · dl = E W = dF · dl = E

HISZTERÉZIS

Hiszterézis = A/ A+B · 100

5.1 %

100

61

7991

100

6978

92

inta

ct

IMM

OB (8 h

ét)

REHAB (5 h

ónap

)

REHAB (5 h

ónap

)

REHAB (12 h

ónap

)in

tact

IMM

OB (8 h

ét)

REHAB (5 h

ónap

)

REHAB (12 h

ónap

)

50556065707580859095

100%

ForceForce energyenergy

AZ IZÜLETI PORCOK BIOMECHANIKÁJA

AZ IZÜLETI PORCOK ÖSSZETÉTELE ÉS SZERKEZETE

1. KOLLAGEN (rostos ultrastruktura, prokollagen 1. KOLLAGEN (rostos ultrastruktura, prokollagen polypeptid) 10- 30 %polypeptid) 10- 30 %

2. PROTEOGLYCAN ( PG ) nagy feherje 2. PROTEOGLYCAN ( PG ) nagy feherje polisacharid molekulák (monomérek adalékanyag), polisacharid molekulák (monomérek adalékanyag), 3 - 10 %3 - 10 %

3. VÍZ, 60-87 %3. VÍZ, 60-87 %

A KOLLAGÉN ROSTOK ELHELYEZKEDÉSE

A PORC, MINT VISZKOELASZIKUS A PORC, MINT VISZKOELASZIKUS TESTTEST

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 ALAKVÁLTOZÁS1. KÉTFÁZISÚ LASSÚ ALAKVÁLTOZÁS

2. KÉTFÁZISÚ FESZÜLÉS RELAXÁCIÓ2. KÉTFÁZISÚ FESZÜLÉS RELAXÁCIÓ

NYOMÓERŐ

1. KÉTFÁZISÚ LASSÚ1. KÉTFÁZISÚ LASSÚ ALAKVÁLTOZÁSALAKVÁLTOZÁS

LASSÚ ALAKVÁLTOZÁS

ALAKVÁLTOZÁSI EGYENSÚLYALAKVÁLTOZÁSI EGYENSÚLY

• 2-4 mm human és bovin izületi porc vastagság esetén az egyensúly 4 - 16 óra alatt jön létre

• nyúlban 1 mm > 1 óra

1 Mpa nyomás alatt > a teljes folyadék 50 %-a préselõdik ki.

állandó deformációra kezdetben nagy feszülés állandó deformációra kezdetben nagy feszülés növekedés jellemzõ, amely fokozatosan növekedés jellemzõ, amely fokozatosan

csökken az egyensúlyi állapotigcsökken az egyensúlyi állapotig

2. KÉTFÁZISÚ FESZÜLÉS RELAXÁCIÓ2. KÉTFÁZISÚ FESZÜLÉS RELAXÁCIÓ

akkor következik be, amikor a akkor következik be, amikor a viszkoelasztikus test állandó viszkoelasztikus test állandó deformációnak van kitévedeformációnak van kitéve

2. KÉTFÁZISÚ FESZÜLÉS RELAXÁCIÓ2. KÉTFÁZISÚ FESZÜLÉS RELAXÁCIÓ

ELASZTIKUS MODULUSTENGELY IRÁNYÚ FESZÜLÉS (NYÚJTÁS)TENGELY IRÁNYÚ FESZÜLÉS (NYÚJTÁS)

LUBRIKÁCIÓLUBRIKÁCIÓ (KENÉS)(KENÉS)

• HATÁRVONAL LUBRIKÁCIÓHATÁRVONAL LUBRIKÁCIÓ

• FOLYADÉKFILM LUBRIKÁCIÓFOLYADÉKFILM LUBRIKÁCIÓ

FELÜLETI (HATÁRVONAL) FELÜLETI (HATÁRVONAL) LUBRIKÁCIÓLUBRIKÁCIÓ

Független a kenõanyag (viszkozitás) vagy a porc (keménység) fizikai tulajdonságaitól.

glycoprotein, lubricin

lubricin az izületi felszinek által adszorbeált nagy lubricin az izületi felszinek által adszorbeált nagy molekulájú egyrétegû anyagmolekulájú egyrétegû anyag

Ugyanakkor teljes mértékben függ a kenõanyag kémiai tulajdonságaitól

FELÜLETI (HATÁRVONAL) FELÜLETI (HATÁRVONAL) LUBRIKÁCIÓLUBRIKÁCIÓ

FOLYADÉKFILM LUBRIKÁCIÓFOLYADÉKFILM LUBRIKÁCIÓ

20 m

hidrodinamikus

kipréselt film lubrikációkipréselt film lubrikáció::

A CSONTOK BIOMECHANIKÁJA

A csontmátrix szerves, szervetlen anyagokat és folyadékot tartalmaz

Szerves – 39%, 95 % kollagén, 5% proteoglyken

Szervetlen – 49%, ásványi anyag (kálcium hydroxiapetite kristályok)

Folyadék – 12%

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

A CSONTOK TÍPUSAI

Tömör Szivacsos

Formái: lemezes sodronyszerű

Porozitás: 5-30 %

Kemény

Stress

2%

Porozitás: 30-90 %

Rugalmas

Deformáció

75%

A csontokra ható erőkA csontokra ható erők

• Húzó

• Nyomó

• Hajlító

• Nyíró

• Csavaró

Erôhatások a csontokon, izületekben

terheletlen

nyújtó (húzó)

nyomó hajlító

Erôhatások a csontokon, izületekben

nyírótorziós összenyomó és

torziós

FÉM

ÜVEG

CSONT

Erő

Deformáció

FESZÜLÉS (STRESS) – MEGNYÚLÁS (STRAIN)

Tömör csont

2%-os nyújtásnál szakadás, törés

Szivacsos csont

75 %-os nyújtás után törik

Nagy elasztikus energia tároló kapacitás

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

A nyújtás irányának hatása a stress-strain görbékre

Stress strain görbe különböző irányú nyújtás hatására

200

13070

NYOMÓ HÚZÓ NYÍRÓ0

50

100

150

200

250

Stress (MPa)

A csontok ellenállása különböző erőknek

három pontos hajlítás

NÉGY pontos hajlítás

10 N

M= 10x 0.4 = 4 Nm

M1=10x0.15= 1.5 M2=10x0.15= 1.5

M1 + M2= 3 Nm