“Misure in vitro delle proprietà biomeccaniche del tessuto muscolare scheletrico”
Misure Meccaniche II (2012-13) prof. Z. Del Prete
Corso di laurea magistrale in Ingegneria Biomedica (MBIR)Corso di laurea magistrale in Ingegneria Biomedica (MBIR)
Dispensa a cura di: ing. Emanuele Rizzuto [email protected]
06 49766607 – 26.607
Tessuto muscolare
tessuto muscolare striato tessuto muscolare liscio
unita motorie controllate daimotoneuroni del sistemanervoso volontario
controllato dal sistema nervoso autonomo
scheletrico cardiaco
Tessuto muscolare scheletricoresponsabile assieme allo scheletro della locomozione e
del movimento delle singole parti del corpo
aumento massaaumento forza
diminuzione forza specifica
Misura della capacità contrattile di muscoli scheletrici ex vivo
aumento massa,aumento forzacrollo forza specifica: infiltrato
MDX
Pseudo-ipertrofia
CSAFFspec
max=
diminuzione forzadiminuzione forza specificadiminuzione capacità contrattile
Misura della capacità contrattile di muscoli scheletrici ex vivo
MLC/SODG93A
aumento massaproporzionale
aumento forza= forza specifica
costanteAtrofia
Ipertrofia funzionale
Catena di misura: misure in vitroMuscolo immerso in una soluzione isotonica Impulso nervoso sostituito da stimoli elettrici Acquisizione Forza, allungamento, velocità
Krebs-RingerBicarbonate Buffer
+ 95%O2 5%CO2T=30°
Teoria dello scorrimento dei filamenti
L’energia è fornita dall’idrolisi dell’ATP:
una molecola si lega alla miosinaImmagazzina l’energia sotto forma di
tensione nella testa della miosinaAll’arrivo dell’impulso nervoso si ha
rilascio di ioni calcio La miosina si lega all’actina: rilascio
dell’energiaLa testa si flette trascinando il filamento
di actinaNuova molecola ATP lega la miosina Distacco dell’actinaGli ioni calcio vengono riassorbiti
La forza per lo scorrimento si genera nelle teste della miosina
-un potenziale di azione (CNS) raggiunge unmotoneurone alfa che trasmette unpotenziale lungo il proprio assone;-il potenziale di azione attiva i canalivoltaggio dipendenti del Ca2+ sull’assone: gliioni Ca2+ si riversano;-gli ioni Ca++ fanno si che le vescicolecontenenti Ach fondono con la membranaplasmatica rilasciando Ach;-l’Ach diffonde nella sinapsi e si lega,attivando, ai recettori AChRs sulla placcamotrice;-l’attivazione dei recettori nicotinici apre icanali Na+/K+, causando l’entrata dei Na+ el’uscita di K+. La membrana della fibradiviene carica positivamente, triggerandoun potenziale di azione;-Il potenziale d’azione di membrana sidiffonde attraverso i tubuli T dellamembrana, depolarizando la porzioneinterna delle fibra muscolare, ….
Attuatore/trasduttore ASI 300B
Larghezza dell’impulso: da 10μs a c.c.
Frequenza impulso: da single pulse a 200kHz
Elettrostimolatore 701BCatena di misura
Impulso elettrico
0.1ms f:100Hz → T:10ms
60Hz / 1s → 60 impulsi
Il calcolatore genera un segnale TTL con le caratteristichedesiderate.
L’elettrostimolatore invia agli elettrodi un segnale di 200mA
Tipologia di approcci sperimentali
2 variabili caratterizzanti i muscoli:lunghezzaforza
2 approcci sperimentali:Controllo l: isometrico - eccentricoControllo F: isotonico
Contrazione isometrica Contrazione isotonicaContrazione eccentrica
Lunghezza controllata Forza controllata
Stimolazione in condizioni isometriche
Twitch
• Forza twitch• Tempo risposta - ½ RT
Singolo impulso TwitchSi ha una L0 ottimale inrelazione alla l dei sarcomeri
Misuro:
Twitch: Tipologia di fibre muscolari
Fibre lenterisposta lenta / resistenti alla faticametabolismo ossidativofibre di tipo I - rosse - mioglobinasoleo (muscoli posturali)
Fibre velocicontrazione rapida / affaticabilimetabolismo glicoliticofibre di tipo II - biancheEDL, Gastro
• Time To Peak: tempo che intercorre fra il rilascio dell’impulsoed il picco di forza – proporzionale al rilascio degli ioni Ca2+
• ½ RT: tempo fra il picco di forza e la metà della forza durante lafase di rilascio – proporzionale al riassorbimento degli ioni Ca2+
Sommazione
• Forza sommazione
Aumento frequenza di stimolazione Sommazione
Misuro:
Tetanizzazione
• Forza tetanica• Forza specifica = F tetanica / CSA
Aumento ancora la frequenza tetano fuso: forza massima
Frequenza di tetanizzazione: Ioni calcio non si riassorbono. Il muscolo rimane in tensione
Misuro:
dLLL
mgmusclemassmmCSAf ××
=
00
2 )()(
Lf/L0=
d=1.06(mg/mm3)
0.44 EDL0.71 SOL
Curva forza - frequenza
Brooks and Faulkner, 1988
Fatica isometrica
• Tempo affaticamento: F F/2• Indice di Fatica: Ff/Fi
Treni di stimolazione ravvicinati fra loro a frequenza di tetano Fatica
Misuro:
Tfat
Protocollo isometrico
Tempo di riposo fra una stimolazione e l’altra per evitare al muscolo di affaticarsi: 150-180s
Stimolazione in condizioni isotoniche
Contrazione isotonica: muscolo può accorciarsi sollevando un carico esterno prefissato
Contrazione isotonicaAttività normale del muscolo è di tipo dinamico
L’accorciamento e la velocità di accorciamento diminuiscono all’aumentare del carico resistente
• 8 valori Forza: 0-Fmax• 8 coppie F-v
Tecnica after-load
Curva Hill: F-v
20, 65, 30, 80, 35, 10, 50, 15% Fmax
V di contrazione max per ogni stimolazione
Relazione forza – velocità : iperbolica
Costruzione della curva di Hill
cbvaF =++ )(*)(
• Vmax
• Wmax
vFW *=
3maxFFott ≅
• Wmax/weight
Potenza:
Fatica isotonica
Tempo affaticamento
3FF maxott ≅
Treni di stimolazione ravvicinati fra loro a frequenza di tetano, contro carico resistente costante Fatica isotonica
• Tempo affaticamento• Decadimento della
Potenza / Lavoro
0 5 10 15 20 25 30 35 400.0
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
Time (s)
Pow
er (m
W)
0 5 10 15 20 25 30 35 400.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
Time (s)
Wor
k (m
J)
F*v F*l
Nel muscolo viene indotta la fatica permettendogli di generare la propria potenza massima: normalizzazione
Fatica isotonica
Protocollo isotonico: programma comando
Ftwitch: no diffFsom: +16%Fmax: +21%
T twicth
TG WT0
2
4
6
8
10
12
14
Ttw
itch
(ms)
Composizione fibre invariata
EDL Fmax
0
50
100
150
200
250
300
350
400 TG
WT ***
mN
Ftwitch Fsomm Ftet
Fspec
TG WT0
5
10
15
20
25
30
Fsp
ec (
N/g
)
Ipertrofiafunzionale
Esempio di risultati: MLC/mIgf-1
Interpolazione
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.2505
101520253035404550
F/Fmax
V (m
m/s
)
Stessa concavitàmaxF
a
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00
10
20
30
40
50WTTG
F/Fmax
v (m
m/s
)
EDL
Esempio di risultati: MLC/mIgf-1
Potenza
0.00 0.25 0.50 0.75 1.000.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00 TG WT
F/Fmax
Pot (
mW
) Wmax: +32%
Tfat
tg wt0
5
10
15
20
25
30
T fat
(s)
La capacità di generare una potenza significativamente
maggiore non inficia la resistenza a fatica isotonica del muscolo
EDLEsempio di risultati: MLC/mIgf-1
Wmax/weight uguale
Esercitazione
Descrizione dell’esperienza di laboratorio
Sequenza delle stimolazioni :
2 singoli impulsi
1 stimolazione a frequenza di sommazione
1 stimolazione a frequenza tetanica
4 stimolazioni after load
fatica isotonica
Esercitazione
Calcolare:
Interpolare i dati dell’after load con un’iperbole o conuna curva quadratica.
Graficare la curva della potenza e calcolare la potenzamassima.
Il calcolatore salva files di testo con in ordine: T, l, f, dl/dt, dF/dt, spikeTempo in secondi, restanti grandezze in Volt
TTP – ½ RT Fmax – Fspec Wmax – Wspec Tfat
Esempio di interpolazione