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Biomecánica del cartílago articular 1. Introducción. 2. Composición y estructura del cartílago articular. 3. Comportamiento biomecánico del cartílago articular.

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1 Biomecánica del cartílago articular 1. Introducción. 2. Composición y estructura del cartílago articular. 3. Comportamiento biomecánico del cartílago articular. 4. Lubricación del cartílago articular. 5. Desgaste del cartílago articular. 6. Hipótesis sobre la biomecánica de la degeneración del cartílago.

2 1.- Cartílago Las superficies articulares están revestidas de cartílago articular (cartílago hialino), reduce el roce y absorbe parcialmente los golpes como amortiguador, es un tejido avascular que toma sus nutrientes a través del hueso subcondral.

3 Cabeza del fémur y corte sagital de la rodilla

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5 Cartílago con sus fibras espirales colágenas que actúan como resortes. Efectos de presión sobre el cartílago que comprime las fibras espirales colágenas. Efectos en cartílago de fuerzas tangenciales.

6 El cartílago puede absorber presión y fuerzas tangenciales, teniendo en cuenta que no se debe sobrepasar la flexibilidad de las fibras de colágeno contenidas en su estructura. Existen diferentes tipos de cartílago: 1. Hialino (carillas articulares, esternón, costillas, cartílagos nasales, laringe). 2. Fibrocartílago (discos, meniscos, rodetes) 3. Elástico (orejas, epiglotis).

7 2.- Composición y estructura del cartílago Colágeno Proteoglicano Agua

8 Los condrocitos, las células escasamente distribuidas en el cartilago articular, proporcionan menos del. 10 % del volumen del tejido (Stockwell, 1979). Esquemáticamente, la disposición zonal de los condrocitos se muestra en la Figura. A pesar de su distribución escasa, los condrocitos manufacturan, secretan, organizan y mantienen el componente orgánico de la matriz extracelular (MEC; ECM en la versión inglesa) (Fosang y Hardingham, 1996; Muir, 1983).

9 Fotomicrografía y representación esquemática de la disposición del condrocito a lo largo de la profundidad del cartílago articular no calcificado.

10 En la zona profunda se disponen en forma de columna orientados perpendicularmente a la zona de barrera, la demarcación entre el tejido calcificado y el no calcificado. En la zona tangencial superficial, los condrocitos son rectangulares con sus ejes largos alineados paralelos a la superficie articular. En la zona media, los condrocitos son «redondos» y distribuidos aleatoriamente.

11 La matriz orgánica se compone de una densa red de finas fibras de colágeno (principalmente colágeno tipo Il, con menores cantidades de V, VI, IX Y XI) que están inmersas en una solución concentrada de proteoglicanos (PG) (Bateman et al., 1996; Eyre, 1980; Muir, 1983).

12 Las fibras de colágeno y los PG, ambos capaces de formar redes estructurales de fuerza importante (Broom y Silyn­Roberts, 1990; Kempson et al), son los componentes estructurales que soportan las solicitaciones mecánicas internas que resultan de las cargas que se aplican al cartílago articular. Además, estos componentes estructurales, junto con el agua, determinan el comportamiento biomecánico de este tejido (Ateshian et al., 1997; Maroudas, 1979).

13 En el cartilago articular normal: El contenido de colágeno varía del 15 al 22 % del peso húmedo El contenido de proteoglicanos (PG) varía de 4 al 7 % del peso húmedo; Los restantes % son agua, sales inorgánicas, y pequeñas cantidades de otras proteínas de la matriz, glicoproteínas, y lípidos (Mow y Ratcliffe, 1997).

14 COLÁGENO El colágeno es la proteína más abundante en el cuerpo (Bateman et al., 1996; Eyre, 1980). En el cartilago articular, el colágeno tiene un nivel alto de organización estructural que proporciona una ultraestructura fibrosa (Clark, 1985; Clarke, 1971; Mow y Ratcliffe, 1997).

15 La unidad biológica básica del colágeno es el tropocolágeno, una estructura compuesta de tres cadenas de polipéptidos de procolágeno (cadenas alfa) enrolladas en hélices. El colágeno en el cartílago articular está distribuido de forma dishomogénea, dándole al tejido un carácter laminado (Lane y Weiss, 1975; Mow y Ratcliffe, 1997).

16 Numerosas investigaciones usando la microscopia óptica y la microscopia por escáner electrónico han identificado tres zonas estructurales diferentes

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18 Esta orientación anisotrópica de las fibras se refleja por la orientación dishomogénea de las zonas en el contenido del colágeno, que es más alto en la superficie y luego permanece relativamente constante a lo largo de las zonas profundas (Lipshitz et al., 1975). Esta estratificación de la composición parece proporcionar una función biomecánica importante distribuyendo la solicitación más uniformemente a través de las regiones cargadas del tejido articular (Setton et al., 1995).

19 Las propiedades mecánicas más importantes de las fibras de colágeno son su rigidez y su fuerza tensil. Aunque una fibrilla de colágeno simple no ha sido valorada en tensión, la fuerza tensil del colágeno puede ser deducida de las evaluaciones sobre estructuras con alto contenido de colágeno.

20 Los tendones, por ejemplo, tienen cerca del 80 % de colágeno (peso seco) y tienen una rigidez tensil de 10 3 MPa y una fuerza tensil de 50 MPa. (Akizuki et al., 1986; Kempson, 1976, 1979; Woo et al., 1987, 1997). El acero, por comparación, tiene una rigidez tensil de aproximadamente 220 x 10 3 MPa.

21 Aunque fuerte en tensión, las fibrillas de colágeno ofrecen pequeña resistencia a la compresión debido a su gran tasa de delgadez, el ratio de la longitud respecto del espesor les facilita plegarse bajo cargas compresiva. Como el hueso, el cartilago articular es anisotrópo; sus propiedades materiales difieren con la dirección de la carga (Akizuki et al., 1986; Kempson, 1979; Mow y Ratcliffe, 1997; Roth y Mow, 1980; Woo et al., 1987).

22 3.- Comportamiento biomecánico del cartílago articular Naturaleza de la viscoelasticidad del cartílago articular. Configuración de la carga de compresión confinada en el espécimen. Respuesta bifásica de deformación progresiva del cartílago articular en compresión. Respuesta bifásica de relajación de la solicitación del cartílago articular en compresión. Permeabilidad del cartílago articular. Comportamiento del cartílago articular bajo tensión uniaxial. Comportamiento del cartílago articular en cizalla pura.

23 El comportamiento biomecánico del cartílago articular puede ser mejor entendido cuando se ve el tejido como un medio multifásico. El cartílago articular será tratado como un material bifásico que consiste en dos fases distintas intrínsecamente incompresibles e inmiscibles (Bachrach et al., 1998; Mow et al., 1980); una fase de fluido intersticial y una fase sólida porosa-permeable.

24 Durante la función articular, las fuerzas en la superficie articular pueden variar de casi cero a más de 10 veces el peso del cuerpo (Andriacchi et al., 1997; Paul, 1976). Las áreas de contacto también varían de una manera compleja y típicamente están sólo en el orden de varios centímetros cuadrados (Ahmed y Burke, 1983; Ateshian et al., 1994).

25 Se estíma que la solícítacíón de contacto máxíno puede alcanzar 20 MPa en la cadera mientras se levanta de una silla y 10 MPa durante la subida de escaleras (Hodge et al., 1986; Newberry et al., 1997). Así, el cartílago articular, bajo condiciones de carga fisiológica, es un material altamente solicitado. Para entender cómo el tejido responde bajo estas condiciones de carga fisiológica alta, sus propiedades mecánicas intrínsecas en compresión, en tensión, y en cizalla deben ser determinadas.

26 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. En general, la respuesta de tal material puede ser teóricamente modelada como una combinación de la respuesta del fluido viscoso (amortiguador) y un sólido elástico (muelle), por lo tanto viscoelástico.

27 Las dos respuestas fundamentales de un material viscoelástico son la deformación progresiva y la relajación de la solicitación: La deformación progresiva ocurre cuando un sólido viscoelástico se somete a la acción de una carga constante. La relajación de la solicitación ocurre cuando un sólido viscoelástico se somete a la acción de una deformación constante.

28 La permeabilidad es una medida de la facilidad con la que el fluido puede fluir a través de un material poroso, y es inversamente proporcional a la resistencia friccional ejecutada por el fluido que se desplaza a través de un material poroso permeable. Los materiales porosos llenos de fluido pueden o no ser permeables. PERMEABILIDAD DEL CARTÍLAGO ARTICULAR

29 La relación entre el volumen del fluido (Vf) y el volumen total (Vt) del material poroso se conoce como porosidad (p=Vf/Vt); así, la porosidad es un concepto geométrico. El cartílago articular es por lo tanto un material de alta porosidad (aproximadamente el 80 %). Si los poros se interconectan, el material poroso es permeable.El coeficiente de permeabilidad k se relaciona con el coeficiente de resistencia friccional K por la relación

30 Se ha demostrado que la permeabilidad del cartílago articular sano decrece dramáticamente con el aumento de la presión y con la deformación

31 De esta forma el cartílago articular posee un mecanismo regulador que evita la pérdida total del fluido intersticial. El sistema regulador introduce profundas implicaciones: Los requisitos nutricionales del tejido normal La lubricación de la articulación Su capacidad para soportar carga. El desgaste del tejido..

32 A causa de ciertas patologías la matriz sólida del cartílago constituida por colágeno y proteoglicanos se puede ver alterada ya sea por efectos bioquímicos o por el efecto de cargas mecánicas. Un buen ejemplo es el tejido osteoartrítico para el cual la permeabilidad es superior a la del tejido normal debido a defectos en la retícula de colágeno y a una pérdida de moléculas de proteoglicano.

33 Dependencia del comportamiento del cartílago articular de la velocidad de deformación o de carga Debido a la baja permeabilidad del cartílago, que se traduce por una elevada resistencia al flujo de fluido a través suyo, su comportamiento mecánico es fuertemente dependiente de la velocidad a la cual se aplica la carga.

34 Cuando la aplicación y retirada de la carga sea rápida no se da tiempo para que el líquido pueda fluir hacia el exterior del tejido y luego volver a penetrar en él. Este sería la situación que se produce en una actividad física como el salto. En este caso, debido al proceso comentado, el material se comportará aproximadamente como un sólido elástico monofásico, puesto que se deformará instantáneamente bajo la carga aplicada y se recuperará instantáneamente al verse descargado.

35 Si la carga se aplica lentamente o se mantiene aplicada de forma constante sobre el tejido, la deformación de éste irá aumentando con el tiempo a medida que el fluido vaya siendo expulsado hacia el exterior. Este sería el caso que se produciría al estar un largo periodo de pie. Al descargar, el tejido recuperará sus dimensiones originales siempre que tenga suficiente fluido disponible durante un periodo de tiempo lo suficientemente largo.

36 Los dos tipos de comportamiento descritos corresponden a:.- Un comportamiento elástico recuperable o independiente del tiempo..- Un comportamiento viscoelástico recuperable o dependiente del tiempo

37 Al ensayar a tracción el cartílago articular, debe tenerse en cuenta su carácter estratificado e inhomogéneo. En este punto las probetas deben recortarse en direcciones correspondientes a diferentes ángulos (por ejemplo O, 45 y 90 grados) respecto de la línea de hendidura local. Las muestras se ensayan luego a tracción a una baja velocidad de deformación, del orden de 0,5 cm/min en orden a eliminar los efectos dependientes de la velocidad de deformación debidos al carácter viscoelástico del tejido. Comportamiento del cartílago articular bajo tensión uniaxial

38 Una curva típica de tensión-defomación para una muestra de cartílago articular ensayada a tracción presenta una forma prácticamente exponencial. En consecuencia un material de este tipo no puede describirse mediante un único módulo de Young, como en el caso de los materiales linealmente elásticos. La porción inicial de la curva puede interpretarse como el alineamiento del colágeno en la dirección de la fuerza aplicada. La porción final representa la rigidez del propio colágeno. En este caso, cualquier alteración debida a causas patológicas que modifique la estructura de colágeno y proteoglicanos del tejido sano se traducirá en una alteración de la respuesta a tracción.

39 Curva tensión deformación para tiras de cartílago articular (Nordin y Frankel, 1989)

40 Se ha comprobado así mismo que la rigidez y la resistencia a tracción del cartílago articular normal de un adulto disminuyen al aumentar la distancia a la superficie articular. En este sentido se interpreta que la zona superficial, rica y densa en colágeno, puede actuar como recubrimiento protector, tenaz y resistente al desgaste. La anisotropía del cartílago articular se refleja en la mayor resistencia y rigidez a tracción de las muestras cortadas paralelas a la dirección de la línea de hendidura local en relación a las muestras cortadas perpendicularmente a la misma.

41 Respuesta a fluencia del cartílago articular El ensayo de fluencia o «creep» consiste en aplicar una carga al material de forma instantánea y dejarla aplicada durante toda la duración del experimento. Bajo la carga aplicada la deformación a compresión del material aumenta de forma continua hasta que se alcanza una meseta o valor asintótico.

42 4.- LUBRICACIÓN Desde el punto de vista de la ingeniería sólo existen dos tipos de lubricación: la capa límite (o de barrera) y la película fluida. La lubricación por capa límite depende de la adsorción química de una monocapa de moléculas de lubricante sobre las superficies de contacto. En la lubricación por película fluida, una película de lubricante es la que separa las dos superficies articulares. Esta capa es mucho más espesa que el tamaño molecular del lubricante como ocurre en la lubricación límite. La carga de contacto se ve pues soportada por esta película de fluido. Según como se comunique al fluido la presión necesaria para soportar las cargas de contacto, se hablará de lubricación hidrostática, de lubricación hidrodinámica o de lubricación por película estrujada

43 Aparte de los mecanismos propiamente de lubricación debe tenerse en cuenta el comportamiento de los materiales de contacto. Si, el material es relativamente blando, como en el caso del cartílago articular, la presión de la película fluida de lubricante puede producir deformaciones sustanciales en las superficies de contacto. Estas deformaciones alteran de forma beneficiosa la geometría de la película y el área de contacto, dando lugar a una película más consistente y más durable. Esta condición se conoce como lubricación elastohidrodinámica y mejora de forma muy sustancial la capacidad de soportar cargas de contacto.

44 Las diartrosis están sujetas a un amplio abanico de condiciones de carga. Así en la cadera humana habrá que considerar los siguientes aspectos: movimientos de gran velocidad a bajas cargas como durante la fase de balanceo al andar o al correr cargas de impacto de corta duración y de gran magnitud, como en los saltos o en el apoyo de talón al andar cargas estacionarias fijas tales como las que se producen al estar de pie de forma prolongada.

45 5.- DESGASTE El desgaste consiste en la pérdida de material de superficies sólidas por el efecto de una acción mecánica. El desgaste puede clasificarse en dos grandes apartados: desgaste interfacial debido a la interacción de las superficies en contacto, y desgaste a fatiga debido a la deformación de los cuerpos en contacto.

46 Si las superficies articulares se ponen en contacto, se producirá desgaste interfacial por dos tipos de mecanismos: por adhesión o por abrasión. El desgaste adhesivo se produce si la unión causada por el contacto sólido entre las dos superficies es más resistente que el material existente por encima o por debajo del contacto. Se arrancarán así fragmentos de una superficie que quedarán adheridos a la otra. La abrasión tiene lugar cuando un material blando se ve arañado por otro más duro existente bien en la superficie opuesta, bien en forma de partícula libre.

47 El desgaste por fatiga debido a la deformación cíclica repetida se puede producir incluso en contactos bien lubricados. El fallo por fatiga se produce por acumulación de daño microscópico en el material al ser repetidamente sometido a tensión. Cuando el cartílago se carga, dicha carga se ve soportada por la matriz de colágeno/proteoglicano y por la resistencia generada por el movimiento de fluido a su través. Así, la carga repetida y el movimiento de la articulación intacta producirán un estado de tensiones repetitivo sobre la matriz sólida y una exudación repetitiva e imbibición del fluido intersticial del tejido..

48 La fatiga mecánica puede producir el fallo a tracción de las fibras de colágeno, se ha observado que el daño acumulado en el tejido se puede también deber a los cambios profundos que la edad y la enfermedad introducen en la población de proteoglicanos

49 6.- DEGENERACION DEL CARTILAGO El cartílago articular posee una limitada capacidad de reparación y de regeneración. La degeneración se produce por la liberación de enzimas proteolíticas de los condrocitos. Si las tensiones a las que se ve sometido son grandes, el fallo total puede ocurrir rápidamente. El fallo esta relacionado con: La magnitud de las tensiones experimentadas Número total de picos de tensión experimentados Extructura intrenseca y microscópica de la matriz de colágeno y procteoglicanos.

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