Přednáška 3

Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace vnitřní strukruty

6.11.2013

Kortikální a trabekulární kost

● Na povrchu tenká slupka hutné kosti (kortikální kost)

● Vnitřek distálního i proximálního konce dlouhých kostí vyplněn trámčitou kostí (trabekulární, spongióza)

● Tělo obratle, kosti předloktí (diagnostika osteoporózy,...)

Mechanické vlastnosti kortikální kosti

● Anizotropní● Tuhost dána také

poměrem:vápník/porozita● Vysoká hodnota Poissonova

poměru (Poisson ratio) ν● Duktilní

● Viscoelastický materiál– Rychlost deformace

● dε/dt ↑ pevnost také roste ↑– Únavové vlastnosti: cyclické

namáhání– Vznik mikrotrhlin, jejich růst,

klasická lomová mechanika– Schopnost remodelace (in

vivo)– Mikrotrhliny: nejčastěji se

vyskytují ve vysoce mineralizované tkáni

Mechanické vlastnosti kortikální kosti

Trabekulární kost (spongiózní kost)

● Síť navzájem pospojovaných trabekul (pruty, destičky), které vytvářejí odolnou a lehkou konstrukci

● Nelineární modul pružnosti a pevnost

● Morek: zvyšuje schopnost absorpce impaktního zatížení

Trabekulární kost – mechanické vlastnosti

Odlehčená kost, z velké části prázdný prostor.

Mnohem více remodelace

Větší povrchová plocha

Více elastická

Větší odolnost proti tlaku

Pohlcuje dynamické zatížení v ose kosti

Wolffův zákon

Jednotlivé trabekuly jsou uspořádány do směrů, které odpovídají směru hlavního napětí (trabekuly se chytře přestavují pomocí tzv. remodelace, aby se struktura co nejlépe přizpůsobila mechanickému namáhání).

Mikrostruktura trabekulární kosti

Porušení trabekulární kostiSEM trhliny v trabekulární kosti:

A) koncová část delaminace

B) trhlina je překlenuta vlákny (filamenty)

C) mikrotrhlina vzniklá delaminací a náledným posunutím kostní tkáně v podélném směru trhliny

D) zvětšený pohled na vlákna překlenující trhlinu

E) tři typy mineralizovaných fibril:

− 3) osamocené kolagenové vlákno, tloušťka 67nm (kolagen typu I)

F) detail kolagenového vlákna, na kterém jsou patrné příčné pásy

Hierarchický systém vzájemných propojení pomocí vláken (filamentů), vlákének (fibril) a samotných kolagenních vláken dělají z kosti úžasný nanokompozit, který velmi dobře odolává šíření trhliny.

Kost jako nanokompozit

Kost je tedy nanokompozit skládající se z přibližně 70% matrice a ze 30% minerálu velikosti v nanometrech

materiál matrice tvoří kolagenová vlákna (polymer) která jsou uspořádána do velmi složité struktury

Vlákna jsou pokryta minerálem – krystalky hydroxyapatitu o velikosti 50nmx25nmx3nm

Adaptace kosti● Modelace: apozice, tvorba

(doplňování) nové kostní hmoty

– různé rychlosti– kontinuální proces– na jakémkoliv kostním

povrchu– různé výkony v průběhu

života (dospívání, puberta, růstový hormon,... osteoporoza)

● Remodelace: resorpce a apozice

– Aktivace, resorpce a tvorba

– Osteoklasty - resorpce– Tvorba nové kosti (apozice)

osteoblasty– Inicializace

● mechanickou deformací● fatigue damage theory (Burr)

Kalciofosfátový metabolismus = hospodaření s vápníkem a fosforem, které je hormonálně regulováno parathormonem, kalcitoninem a vitaminem D.

• nediferencované mesenchymové buňky• osteoblasty• buňky lemující kost• osteocyty• osteoklasty

Iontové složení kostního minerálu (mmol/g suché kostní tkáně bez tuku)

Kostní buňky

Kationty množstvíCa2+ 6.66Mg2+ 0.18Na+ 0.32K+ 0.02

Anionty množstvíPO3- 4.02CO3

2- 0.79Citrate3- 0.05Cl- 0.02

Osteocyty – 90% všech kostních buněk- nejsou synteticky aktivní, podílejí se však na obměně minerálů, účastní se remodelace při poškozeních (únavové zlomeniny) - kontrola pohybu iontů dovnitř kosti a ven.

Osteoblasty – produkují základní kostní hmotu- vysoká proteosyntetická aktivita.

Osteoklasty - buňky odbourávající kostní tkáň- obsahují četné lysosomy s proteolytickými enzymy(kolagenasu, želatinasy, katepsiny, glykosidasu, sulfatasu, anorganickou pyrofosfatasu, izoenzym kyselé fosfatasy).Membrána obsahuje protonovou pumpu – snížení pH 7 na pH 4

Kostní tkáň

Fáze kostní tvorby

Tvorba kosti a mineralizace (embryonální vývoj). Růst kostí. Udržování kostní tkáně (remodelace, hojení).

Mechanismus tvorby kosti:1. Vznik kosti z chrupavky – enchondrální osifikace.2. Intramembránová osifikace – ploché kosti (embryonální

vývoj).3. Apoziční tvorba – periostální rozšiřování kosti během

modelace a remodelace.

Růst kosti

fylogeneticky dvojí vývoj kostí: primární (krycí kosti) sekundární (náhradní kosti)

Osifikační proces

osteoblasty − buňky z mezenchymu, produkují nezvápenatělé prekurzory základní hmoty → polymerací se mění v osteoidosteoblasty v této hmotě uváznou kostní trámečky − struktury, které jsou vytvářeny osteoblasty, dále přibývají aposicí osteocyty − typické kostní buňky, vznikají z nepohyblivých osteoblastů (které uvázly v osteoidu)osteoklasty − odbourávají kost, odbouraná kost je nahrazena kostí novou → přestavba kosti

Vliv stárnutí

● BMC: Bone mineral content (obsah kostního minerálu)

● PHV: Peak height velocity (growth) – maximální rychlost

● Maximání hodnota BMC je mezi 20. a 30. rokem života

Vliv stárnutí

● U mužů > BMC než u ženObsah kostního minerálu se dramaticky snižuje u žen po menopause (nadměrná kostní resorpce navozená nedostatkem pohlavních hormonů)

● Snižování BMC po 50ce– cortical same rate– rychlost ↑ po menopauze (3%)

Osteoporóza i většina dalších metabolických onemocnění skeletu jsou důsledkem déletrvajícího narušení rovnováhy mezi kostní resorpcí a novotvorbou.

Osteoporóza, osteoporotická zlomenina

● Snížení obsahu kostního minerálu a změny v geometrii a tlouštce trabekul často vedou k osteoporotickým zlomeninám (krček stehenní kosti, zápěstí, páteřní obratel)

Faktory ovlivňující kvalitu kostiVýživa

● Rovnováha minerálů– metabolity vitamínu D

– hormon parathyroid

– kalcitonin

● Vitamín D– absorpce vápníku– Sluneční paprsky

Fyzická aktivita stimuluje růst kosti“low-moderate activity threshold” - optimální práh Intenzivní cvičení -> 11% nárůst kostní hmoty u mladých jedinců

● Imobilizace, upoutání na lůžko, pobyt ve stavu beztíže

● Space flights: nedostatek zatížení– ↓ depozice– ↑ resorpce

● Částečne reversibilní proces: návrat do normálu je velmi pomalý

Zpět k materiálu kosti - nanokompozit

Kost je nanokompozit skládající se z přibližně 70% matrice a ze 30% minerálu velikosti v nanometrech

materiál matrice tvoří kolagenová vlákna (polymer) která jsou uspořádána do velmi složité struktury

Vlákna jsou pokryta minerálem – krystalky hydroxyapatitu o velikosti 50nmx25nmx3nm

Umělá kost - motivace Kost má velkou schopnost regenerace, ale jen při malém defektu.

Chybí-li větší kus kosti je zapotřebí chybějící prostor vyplnit pomocí kostních štěpů (např. z pánevní lopaty pacienta nebo od dárce), nebo se použije umělá kost (nebiologický materiál, synteticky vyrobený).

Bioaktivní materiál (syntetický materiál, na který organismus dobře reaguje) – kalciofosfátová keramika, uměle připravený hydroxyapatit – vznik pevné chemické vazby s kostní tkání.

Dnes nejčastěji ve formě velmi porézních granulí (póry velikosti 200-500um), míchají se s vlastními kostními štěpy.

Důležitá je vysoká porozita, okolní tkáň a zejména cévy pak do této umělé kostní tkáně mohou dobře prorůstat.

Dalším požadavkem jsou podobné mechanické vlastnosti a schopnost ihned přenášet mechanické zatížení. Odlišné mech. vlastnosti působí značné problémy a jsou příčinou velké remodelace kosti v okolí.

Pomocí umělé kosti je tato disproporce v mechanických vlastnostech odstraněna.

Materiály používané jako umělá kost

Ratanové dřevo – zahřátí (v podstatě spálení) dřeva při velmi vysokém tlaku, přidání vápníku a fosfátu...

Fosforečnan vápenatý (vápenatá sůl kyseliny fosforečné), vysoce porézní keramický materiál, používaný jako lešení. Lze vytvarovat do téměř libovolného tvaru. Porozita vhodné pro osteoblasty I prorůstání cévního řečiště.

STYROFOAM Titanová pěna vyrobená okolo původní matrice polyuretanové pěny. Tato je posléze odstraněna pomocí vysoké teploty a zůstane pouze lehká vysoce porézní titanová pěna s vhodnými mechanickými vlastnostmi.

Kolagen z rybích šupin. Podobné vlastnosti jako rohovka lidského oka. Rychlejší tvorba kolagenu.

Potřeba úpravy štěpu do libovolného tvaru

Tvar vnitřní struktury lešení je velmi důležitý pro okamžitý přenos zatíženíkritická je velikost póru pro prorůstání cévního řečiště (umožnit vyživování)Důležitý je i povrch pro snadné uchycení osteoblastů, osteoklastůUmožnit bioresorpci

Návrh a tvorba lešení

Rapid prototyping- 3D printing- SLS = Selective Laser Sintering

Selective Laser Sintering

pak už “jenom” pokrýt lešení pomocí kmenových buněk a v bioreaktoru nechat růst