BIOMECANICA del tejido óseo

Funciones Mecánicas Protección Proveer eslabones cinéticos Proveer sitios de inserción muscular Estructura de soporte Fisiológicas Producción de células sanguíneas Metabolismo mineral Condicionan el movimiento humano.

Composición y Estructura del Tejido Óseo. 60% inorgánico (Dureza y Rigidez) Hidroxiapatita (Calcio y Fósforo) Mg, Na, K, Cl 30% orgánico (Flexibilidad y Elasticidad) 90-95% fibras colágenas 5-10% células óseas 10% agua

ESTRUCTURA ÓSEA A NIVEL MICROSCÓPICO Unidad funcional: Osteón o sistema haversiano (compuesto de laminillas). Conductos de Havers (vasos sang. y fibras nerv.) Conductos de Volkmann Lagunas (osteocitos) Canalículos (laguna-laguna-canal havers) Periostio (f. sharpey)

Cortical y esponjosa

Lagunas

ESTRUCTURA ÓSEA A NIVEL MACROSCÓPICO (REPASO ANATÓMICO) EPIFISIS FISIS: Zona de crecimiento del hueso METAFISIS DIAFISIS METAFISIS FISIS: Zona de crecimiento del hueso EPIFISIS

ESTRUCTURA ÓSEA A NIVEL MACROSCÓPICO HUESO CORTICAL O COMPACTO HUESO ESPONJOSO O TRABECULAR Mencionar tipos de hueso…largos, cortos, planos, irregulares, sesamoideos Esqueleto axial, esqueleto apendicular CAPA DENSA UBICADA EN LA PERIFERIA DE UN HUESO. HUESO DE CALIDAD POROSA UBICADO DENTRO DE LA CUBIERTA DENSA DEL HUESO COMPACTO.

CARACTERÍSTICAS BIOMECÁNICAS HUESO CORTICAL MADURO Tejido altamente organizado. En mayor proporción en las diáfisis. Provee resistencia y rigidez al sistema esquelético. Porosidad 5-30%. Elasticidad del 3% aprox. (baja) Soporta gran cantidad de carga antes de la falla.

CARACTERÍSTICAS BIOMECÁNICAS HUESO ESPONJOSO MADURO Es más débil y menos rígido y denso que el hueso compacto. Se ubica en mayor proporción en las epífisis (zonas de carga) Porosidad 30-90%. Formado por trabéculas óseas que forman una estructura “en malla”. Trabéculas compuestas por hueso laminar no haversiano. Trabéculas se adaptan al estrés, por disposición de colágeno. Intersticio: Vasos sang, Fibras nerv, grasa y tejido hematopoyético.

Hueso esponjoso Uniones horizontales Láminas verticales

Hueso esponjoso Láminas verticales Uniones horizontales Fémur proximal Fémur distal

SISTEMAS TRABECULARES Y SU IMPLICANCIA BIOMECÁNICA

SISTEMAS TRABECULARES Y SU IMPLICANCIA BIOMECÁNICA Distribución de cargas en superficies amplias (epífisis) Transmisión de cargas. Absorción de cargas dinámicas. Las trabéculas se disponen en la dirección de las cargas (comportamiento dinámico). Tejido altamente especializado en soportar cargas compresivas.

SISTEMAS TRABECULARES Y SU IMPLICANCIA BIOMECÁNICA DENSIDAD ÓSEA MAYOR (ACÚMULO DE TRABECULAS) EN ZONAS DE MAYOR CARGA. FENÓMENO DINÁMICO. “LEY DE WOLFF”

COLÁGENO Elemento estructural básico de los tejidos en los animales y es la proteína más abundante en el cuerpo Proporciona la integridad mecánica de todos los tejidos. En el hueso domina el Tipo I y Tipo III. En el cartílago el Tipo II. Forman una triple hélice de moléculas de polipeptidos (tropocolágeno) Desde el punto de vista mecánico proporciona rigidez y resistencia

Vascularización

LEY DE WOLF “ Todo cambio en la conformación estructural de un hueso es producto de un fenómeno dinámico de adaptación a las demandas mecánicas que le impone el medio …”

TIPOS DE HUESO

CARACTERÍSTICAS BIOMECÁNICAS HUESO LARGO LONGITUD PREVALECE POR OTROS DIÁMETROS. FORMA TUBULAR (MENOR PESO). H. COMPACTO, ESPONJOSO, CAV. MEDULAR. IMPLICADOS EN LOCOMOCIÓN. CONFORMAN LAS PALANCAS ÓSEAS. SOPORTE DE CARGAS AXIALES PPMTE. PERMITEN MOVIMIENTOS AMPLIOS Y RÁPIDOS. EPIFISIS INSERCIÓN MUSCULAR, (TUBERCULOS, POLEAS) HUESO ESPONJOSO.

CARACTERÍSTICAS BIOMECÁNICAS HUESO CORTO ESTRUCTURA CUBOIDAL. ABSORCIÓN Y TRANSMISIÓN DE PUERZAS. MOVIMIENTOS DE BAJA AMPLITUD. GRAN CONTENIDO DE H. ESPONJOSO CARGAS COMPRESIVAS. CARPO Y TARSO.

CARACTERÍSTICAS BIOMECÁNICAS HUESO PLANO PROTECTORA O DE REFUERZO. FORMA Y DELIMITA CAVIDADES.

CARACTERÍSTICAS BIOMECÁNICAS HUESOS SESAMOIDEOS SE DESARROLLAN EN EL TRANSCURSO DE UN TENDÓN. PROTEGEN AL TENDÓN DE UN DESGASTE EXCESIVO. CAMBIAN EL ÁNGULO DE ACCIÓN HACIA SU INSERCIÓN DISTAL (POLEA). PROVEEN VENTAJA MECÁNICA.

El máximo contenido de masa ósea del cuerpo se programa durante las dos primeras décadas de la vida. Un aumento del pico óseo disminuye el riesgo de osteoporosis en la edad adulta. En la época premenarquica es cuando ocurre el mayor almacenamiento. Durante la adolescencia es cuando el hueso tiene mayor capacidad de adaptación a las cargas mecánicas (es cuando el ejercicio es más conveniente). El alcohol y el tabaco disminuye esta reserva de masa ósea. El ejercicio lo aumenta (a cualquier edad). El sedentarismo lo disminuye. El hueso cortical se engruesa por aposición perióstica y el medular por osificación endocondral

FACTORES QUE ALTERAN EL DESARROLLO ÓSEO Estado nutricional Nivel de actividad Hábitos posturales Herencia

PROPIEDADES MECÁNICAS DEL HUESO Fuerza (Strength) Rigidez (Stiffness) Anisotropía

Anisotropía “ Propiedad de un material donde muestra características mecánicas diferentes cuando la carga se aplica en diferentes direcciones ...”

Factores que afectan el strength y la rigidez Gravedad Actividad muscular Tasa de deformación Inmovilización Degeneración (edad)

Tipos de Carga que soporta el Hueso

Necesarias para: Crecimiento óseo COMPRESIÓN Músculos Ensanchamiento + Gravedad Acortamiento Cargas externas Necesarias para: Crecimiento óseo Depósito de material Óseo

Avulsión: generada por fuerzas tensiles TENSIÓN Elongación Musculatura Tendón (origen de las fuerzas tensiles) Avulsión: generada por fuerzas tensiles

Crea una deformación angular mayor falla del tejido óseo CIZALLA Compresión Aplicadas en paralelo a Tensión una superficie (combinadas) Crea una deformación angular mayor falla del tejido óseo

Compresión Concavidad + Tensión Convexidad INCLINACIÓN (combinadas) Compresión Concavidad + Tensión Convexidad Ocurre deformación generalmente falla el lado convexo por aumento de fuerzas tensiles

TORSIÓN Crea estrés cizallante Fuerzas de rotación en el tejido óseo en sentido opuesto Causan daño en las estructuras

Biofísica del hueso y el músculo

(igual composición pero distinta densidad) Los huesos son tejidos vivos: debe alimentarse para vivir (OSTEOCITOS) cambia en el tiempo en un proceso que se llama remodelación ósea (OSTEOCLASTOS para la destrucción Y OSTEOBLASTOS para la reconstrucción) Elemento químico % H 3,4 C 15,5 N 4,0 44,0 Mg 0,2 P 10,2 S 0,3 Ca 22,2 otros Colágeno óseo Hidroxiapatita de calcio Ca10 (PO4) 6(OH) 2 ¿Cómo están formados los huesos? Tejido esponjoso Tejido compacto (igual composición pero distinta densidad) Tecnicatura Superior en Enfermería Biofísica 2012

Función de los huesos: Soporte: los músculos se ligan a los huesos oie tendones y ligamentos y el sistema de huesos y músculos soporta el cuerpo entero. Locomoción: el movimiento es posible por el equilibrio entre flexibilidad y rigidez dado por el sistema de huesos y articulaciones. Protección: los órganos más delicados como el corazón, el cerebro, y la médula espinal deben ser protegidos de golpes que puedan dañarlos, las costillas, el cráneo y la columna vertebral cumplen esta función. Depósito: en los huesos se depositan gran cantidad de sustancias químicas que son liberados cuando se necesitan (fosfato, calcio, magnesio, etc.) Alimentación: los huesos especializados de la boca permiten incorporar los alimentos de manera adecuada. Transmisión: los huesos más pequeños del cuerpo se encuentran en el oído (martillo, yunque y estribo), trasmiten el sonido convirtiendo las vibraciones del aire en vibraciones del líquido de la cóclea.

Tecnicatura Superior en Enfermeria - Biofísica RESISTENCIA DE LOS HUESOS Es la capacidad que tienen los huesos de resistir a fuerzas mecánicas de tensión, comprensión y torsión Tecnicatura Superior en Enfermeria - Biofísica

a= g . H/h F=m.a F=m.g . H/h F=w. H/h ¿qué fuerza es capaz de soportar los huesos largos de las piernas cuando una persona cae desde una altura y aterriza sobre sus pies sin que estos se quiebren? La tibia se fractura si es sometida a una fuerza de compresión superior a 50000 N F: fuerza que soporta los huesos largos de las piernas g: aceleración de la gravedad H: altura desde la que cae la persona H: distancia en la que se detiene al tocar el piso m: masa del cuerpo w: peso del cuerpo a= g . H/h F=m.a F=m.g . H/h F=w. H/h 1N= Kgf . m/ s2 Que fuerza soporta los huesos si una persona cae desde 1 metro de altura doblando las rodillas o no. Considerar el peso de 100 kg, el valor de h sin doblar las rodillas 1cm y doblando las rodillas 50cm. 1Kgf= 9,8N

articulaciones Estructural Fibrosas Suturas Sindesmosis Gonfosis Cartilaginosas Sicondrosis Sínfisis Sinoviales Funcional Sinartrosis Anfiartrosis Diartrosis

Articulaciones Cartilaginosas Articulaciones sinoviales Articulaciones Cartilaginosas Articulaciones fibrosas

Tipos de Movimientos Deslizamiento Angulares Flexión Flexión lateral Extensión Hiperextensión Abducción Circunducción Rotación Especiales Elevación Depresión Protracción Retracción Inversión Eversión Dorsiflexión Flexión plantar Supinación Pronación Oposición

Sistema muscular Grupos de células especializadas en contraerse o relajarse sin que tenga que cambiar su posición ni su forma Los músculos convierten la energía química en energía eléctrica, energía térmica y/o energía mecánica útil

Las dos situaciones más simples para estudiar son Contracción Isotónica Concéntrica (el músculo se acorta) Excéntrica (el músculo se alarga) Isométrica Cuando un músculo es estimulado, se contrae. Si el músculo se mantiene con longitud constante desarrolla una fuerza, mientras que si mueve un peso se contrae y hace trabajo. Las dos situaciones más simples para estudiar son a) longitud constante (isométrica) b) fuerza constante (isotónica) Tecnicatura Superior en Enfermeria - Biofísica

ES EL EFECTO DE UNA FUERZA FLEXION: ES EL EFECTO DE UNA FUERZA Fuerza de Compresión Fuerza de Tracción Todo objeto cambia de forma bajo la acción de las fuerzas aplicadas. Componentes: Al ser flexionada una viga, en sus partículas se ejercen dos fuerzas: De Tracción (lado opuesto al que se aplica la fuerza) y de Compresión (lado correspondiente al que se aplica la fuerza). Elasticidad: Es la propiedad de un cuerpo de cambiar de forma cuando sobre él se ejerce una fuerza deformadora, y de recuperarla cuando ésta deja de actuar. Muchos cuerpos son elásticos, pero tienen límites diferentes; luego de traspasarlo, los cuerpos no recuperan su forma original

Ley de Hooke La Ley de Robert Hook (1635-1703) establece que un cuerpo elástico se estira proporcionalmente a la fuerza que actúa sobre él. Pero esto es solo dentro de algunos limites. Donde: F: Fuerza K:Constante Estiramiento x: Alargamiento

Módulo de Young Todos los cuerpos son deformables. Es decir, es posible cambiar la forma o tamaño de un cuerpo por medio de la aplicación de fuerzas externas. Los conceptos de esfuerzo y deformación dan cuenta de las propiedades elásticas de los sólidos. Esfuerzo: Es una cantidad proporcional a la fuerza causante de la deformación o específicamente, el esfuerzo es la fuerza que actúa sobre el objeto por unidad de área transversal. Deformación: Es una medida dl grado en que se deforma el cuerpo. Se calcula a prtir de la relación entre el cambio de longitud ΔL y la longitud inicial Se ha encontrado que, para esfuerzos lo suficientemente pequeños, el esfuerzo es proporcional a la deformación. La constante de proporcionalidad depende del material deformado y de la naturaleza de la deformación. Dicha constante de proporcionalidad se llama Módulo de Elasticidad. Se tienen tres tipos de deformación, por lo que se define un Módulo de Elasticidad para cada una: Módulo de Young: Mide la resistencia del sólido a cambiar su longitud. Módulo de Corte: Mide la resistencia que presentan los planos del sólido para deslizarse unos sobre otros. Móduo Volumétrico: Mide la resistencia que presentan los sólidos o los líquidos a cambiar su volumen.

BIOELASTICIDAD

BIOELASTICIDAD Propiedad de cambiar de forma cuando actúa una fuerza de deformación sobre un objeto, y el objeto regresa a su forma original cuando cesa la deformación. Si se estira o se comprime más allá de cierta cantidad, ya no regresa a su estado original, y permanece deformado. Limite elástico Cuando se tira o se estira algo se dice que está en tensión (largas y delgadas). Cuando se aprieta o se comprime algo se dice que está en compresión (cortas y gruesas).

Esfuerzo Definición se expresa Magnitud Tensorial N/m2 o en Pascal (Pa) Magnitud Tensorial Es la fuerza externa que actúa sobre un cuerpo por unidad de área de sección transversal, es decir, se aplica al material por fuerzas externas donde: o= esfuerzo F=fuerza A =área

Clasificación Tensor Comprensor Si T>0 (hacia fuera del cuerpo) fuerza de tracción Si T<0 (hacia dentro del cuerpo) fuerza de compresión Tensión Compresión

Deformación Es la razón entre el cambio en longitud y la longitud original, es decir, es la respuesta del material al esfuerzo Cambio en longitud Deformación= Longitud original Es el cambio del tamaño y la forma de un cuerpo debido a la aplicación de una o más fuerzas sobre el mismo.

TIPOS DE DEFORMACIÓN Deformación elástica o reversible Deformación (visco) plástica o irreversible Deformación en que el material no regresa a su forma original después de retirar la carga aplicada. Deformación en la que el cuerpo recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca dicha deformación

Flexión

TENSIÓN TENSIÓN

COMPRENSIÓN

Torsión

MODULOS YOUNG VOLUMÉTRICO CIZALLADURA TORSIÓN

Módulo de Young Para materiales cuya longitud es mucho mayor que el ancho o espesor, se tiene preocupación por el módulo longitudinal de elasticidad, o módulo de Young (Y). Cuando producimos un estiramiento de la barra, mediante la aplicación de una fuerza, experimentalmente se observa que la deformación es proporcional al esfuerzo.

Donde, Y es el módulo elástico, llamado módulo de Young Donde, Y es el módulo elástico, llamado módulo de Young. Se utiliza tanto para tracción como para compresión. En la mayoría de los materiales el módulo de Young para tracción, tiene el mismo valor que en compresión. Para materiales biológicos, el módulo de Young para tracción de un hueso, es diferente al valor para compresión. Tener en cuenta que la fuerza aplicada es perpendicular a la sección transversal.

Módulo de Cizalladura Cuando producimos un desplazamiento de planos paralelos en la dirección de la fuerza aplicada, experimentalmente se observa que la deformación es proporcional al esfuerzo. Matemáticamente Donde, G es el módulo elástico, llamado módulo de Cizalladura. Tener en cuenta que la fuerza aplicada es paralela al área en cuestión.

Módulo de Torsión La torsión es un fenómeno típico de cizalladura. Se produce una deformación cuando se aplica un par de fuerzas (F, en la parte superior de la barra y la sección inferior de la barra está fija.

Módulo Volumétrico Si un cuerpo se somete a iguales esfuerzos de tracción o compresión por todos los lados, entonces el cuerpo sufrirá deformación volumétrica. donde, B es el módulo volumétrico.

Deformación Elástica: Ley de Hooke Ley fundamental de la elasticidad formulada 1660 por Robert Hooke Todos los cuerpos que cumplen con esta ley serán denominados cuerpos elásticos y los que no, cuerpos inelásticos.

BIOELASTICIDAD VASOS SANGUINEOS MUSCULOS HUESOS

EN MUSCULOS Desde el punto de vista mecánico, la actividad del músculo se puede poner de manifiesto por un acortamiento, por el desarrollo de fuerza de tracción o por ambas cosas. Este proceso recibe el nombre de contracción muscular, y el pasaje del estado de actividad al de reposo se llama relajación. En un músculo aislado con su nervio (preparado neuromuscular), si aplicamos por medio de los electrodos S un estímulo eléctrico al nervio, el músculo se contrae bruscamente y enseguida se relaja, este proceso se llama sacudida simple. Si los extremos del músculo se hallan fijos, este, no se acorta, pero su actividad se pone igualmente de manifiesto por un aumento de tensión que puede registrarse mediante un transductor de fuerza.

EN HUESOS

EN VASOS SANGUINEOS.

FRACTURAS Una fractura es la pérdida de continuidad en la estructura normal de un hueso, sumado al trauma y la alteración del tejido blando. La fractura se produce por la aplicación de una fuerza sobre el hueso, que supera su resistencia elástica.Las rupturas de los huesos pueden ser producto de caídas, traumatismos, golpes o patadas al cuerpo.  

FRACTURA ESPIRAL Aquella que posee la apariencia de un resorte y en la cual la rotura toma justamente el aspecto de una espiral alrededor de la diáfisis del hueso. fractura en la que la línea de rotura sigue una dirección espiral en relación al eje del hueso y este se ha torcido mas o menos.

FRACTURA CONMINUTA   El hueso se rompe en muchos pequeños fragmentos (tres o más fragmentos en el lugar de la fractura).

FRACTURA DEL TALLO VERDE Es una fractura incompleta que recibe ese nombre debido a que presenta el aspecto de una vara doblada, pero no rota: En este tipo de fractura algunas fibras se separan, pero otras permanecen intactas.

FRACTURA PATOLÓGICA Se producen en un traumatismo sobre un hueso ya debilitado o destruido por una enfermedad, como la osteoporosis o un tumor.

FUERZAS DE FRACTURA En general, la fractura se produce por la aplicación de una fuerza sobre el hueso, que supera su resistencia elástica, en cuanto al mecanismo de aplicación de dicha fuerza sobre el foco de la fractura, podemos clasificarlas: Por traumatismo directo, en las cuales el foco de fractura ha sido producido por un golpe directo cuya energía se transmite directamente por la piel y las partes blandas. Por traumatismo indirecto, en las cuales el punto de aplicación de la fuerza está alejado del foco de fractura. En este caso las fuerzas aplicadas tienden a torcer o angular el hueso. Por fatiga, también denominadas espontáneas, son aquellas en que la fuerza es aplicada en forma prolongada e intermitente en el tiempo.

FRACTURA SIMPLE O CERRADA Los fragmentos óseos no desgarran el tejido circundante ni la piel, que, por lo tanto se mantiene indemne. Si el pico de la fractura no se asocia a ruptura de la piel, o si hay herida, ésta no comunica con el exterior. Habitualmente producida por un traumatismo directo, con la fuerza aplicada en forma perpendicular al eje mayor del hueso.

FRACTURA ABIERTA O COMPUESTA Y OBLICUA El hueso fracturado desgarra y atraviesa la piel, por lo que queda expuesto al exterior. Si hay una herida que comunica el foco de fractura con el exterior, posibilitando a través de ella, el paso de microorganismos patógenos provenientes de la piel o el exterior. Producidas por traumatismo indirecto, con una fuerza de angulación sobre el hueso.

FRACTURA POR COMPRESIÓN Si la fuerza es aplicada paralelamente al eje de resistencia habitual del hueso, como lo que ocurre en las caídas de altura de pie sobre las vértebras, resultando en una compresión del hueso, acortándolo, se denominan fractura por aplastamiento.

FRACTURA TRANSVERSA Habitualmente producidas por un traumatismo directo, con la fuerza aplicada en forma perpendicular al eje mayor del hueso.