TEMA 2 Biomecánica del tejido óseo PDF

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TEMA 2: BIOMECÁNICA DEL TEJIDO ÓSEO -El hueso se describe como tejido conectivo (nervioso) y une y actúa como soporte de las diferentes estructuras del cuerpo junto con el cartílago (no nervioso) son sistemas esqueléticos. -Es un tejido muy vascularizado con una gran capacidad de auto reparación -Tiene dureza por el hecho que su principal componente orgánico es matriz extracelular. Impregnada de una fase mineral constituida por cristales de tipo hidroxiopatita con cierto contenido de iones carbonato 1. FUNCIONES DEL HUESO -1. Soporte -2. Locomoción -3. Protección de órganos -4. Almacén de minerales: Ca y P -5. Almacén energético -6. Hematopoyesis (formación de células sanguíneas) -7. Transmisión de sonido 2. TIPOS DE HUESO: A nivel anatómico: -Huesos largos: predomina 1 de sus dimensiones sobre las otras 2 -Huesos cortos: las 3 dimensiones espaciales del hueso son similares -Huesos planos: cuando predomina 2 de sus dimensiones sobre la 3º A nivel histológico: Hay dos tipos histológicos microscopios de hueso, que se dan el hueso compacto y hueso esponjoso: -Hueso no laminar, primario o inmaduro: 1º hueso en formarse durante el desarrollo fetal y la recuperación ósea. Contiene osteocitos desordenados y la matriz ósea esta menos mineralizada que en el maduro. Las fibras de colágeno presentan diferentes diámetros y no tienen una orientación definida. El hueso fibrilar se considera como un hueso inmaduro y se encuentra en el embrión, neonatos, en el "callo" de la fractura, en la región de la metáfisis de los huesos de crecimiento, osteosrcomas (cáncer hueso), enfermedad de Paget (deformación ósea en la que hay un crecimiento anormal), osteogénesis imperfecta (huesos de cristal), hueso mecánicamente débil -Hueso laminar, secundario o maduro: prácticamente universal a partir delos 4 años. Sustituye al primario y se caracteriza por una mayor mineralización de la matriz ósea. Los osteocitos son menos numerosos y bien dispuestos regularmente entre unas láminas (conducto de Havers o osteonas) donde las fibras de colágeno tienen una orientación paralela.

Tanto el hueso laminar como el fibrilar se pueden estructurar en forma de trabéculas interconectadas (h. esponjoso) o bien en forma de estructuras densas y compactas (h. cortical) •

Hueso trabecular o esponjoso: responsable de las demandas metabólicas. Forma las epífisis de los huesos largos y se encuentran en el interior de la mayoría de huesos planos. Tiene la capacidad de resistir fuerzas de compresión y cizalla (mov. de tijeras). Está diseñado para absorber la energía procedente de impactos sobre las articulaciones

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Hueso cortical o compacto: responsable de la actividad mecánica. Se encuentra en las diáfisis de los huesos largos y en la parte externa de todos los huesos del cuerpo. Mantiene una adecuada resistencia, sobretodo en fuerzas de tensión y torsión. Para contabilizar sus funciones mecánicas y permitir los oportunos intercambios, presenta una arquitectura muy particular que constituye el llamado sistema Harvesiano (unidad básica es la osteona)

Una osteona consta de: -Un canal de Havers envuelto por láminas ordenadas concéntricamente, dispuestas alrededor de este canal (4-20). -Su eje es habitualmente paralelo al eje longitudinal del hueso -Al interior de este conducto se encuentran los vasos sanguíneos y nervios (fibras amielínicas - no tienen mielina y por tanto conducción lenta y son responsables de transmitir el dolor) -Los conductos de Havers se comunican entre sí con el periostio, A lo largo de los límites de cada capa hay pequeñas cavidades llamadas lagunas, cada una contiene una célula ósea (osteocito). Los canales de Havers se comunican entre sí y con la superficie ósea por medio de los conductos de Volkman A nivel de proceso de desarrollo: Durante el desarrollo, la osificación se lleva a cabo a través de dos procesos: -Intramembranosa o primaria: algunos huesos planos del cráneo y parte de los huesos de la mandíbula se originan a partir de la osificación Intramembranosa. Generalmente son huesos que no tienen una función de carga. En este caso las células mesenquimaticas (osteoprogenitoras) se diferencian directamente hacia células osteoblasticas (células formadoras de hueso) -Intracartilaginosa, endocondral o secundaria: los huesos de la base del cráneo, columna vertebral, pelvis y extremidades se llaman huesos cartilaginosos, ya que se forman inicialmente sobre un modelo de cartílago que es reemplazado por el tejido óseo a través de osificación endocondral. 3. ESTRUCTURA DEL HUESO Células:

-Osteoblastos (formadores del hueso): son células encargadas de la formación de la matriz ósea y de la mineralización de esta. Se encuentran en las superficies óseas cuando el hueso crece, se desarrolla o se remodela. -Osteocitos: provienen de los osteoblastos y se encuentran en el interior de la matriz ósea. Son las células responsables de detectar las pequeñas diferencias de presión del hueso. Su función consiste en mantener la matriz ósea. -Osteoclastos (destructoras del hueso): provienen de las células sanguíneas. Son las células encargadas de la reabsorción ósea que tiene lugar por tal de mantener la masa ósea y el balance de calcio. Matriz ósea: -Componente orgánico (22-23%): proporciona al hueso su flexibilidad y tenacidad (resistencia a la deformación o destrucción) •

Agua: su papel no es claro. Está documentada la variación de contenido entre diferentes especies, con la edad y bajo de condiciones patológicas. Las propiedades mecánicas del hueso varían muy significativamente con el contenido de agua.

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Fibras de colágeno TIPO I: es vital para permitir la elasticidad del hueso

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Proteínas no colágenas.

-Componente inorgánico (70%): es responsable de la dureza y la rigidez del hueso. Cristales de hidroxiopatita (Calcio y Fosfato). Agua (8-10%) 4. DINÁMICA DE HUESO: El esqueleto es uno de los sistemas más dinámicos del organismo y presenta fenómenos de: -4.1 Crecimiento del hueso: El crecimiento longitudinal óseo: se inicia en la vida embrionaria y sigue hasta la pubertad, ocurriendo este proceso a nivel del cartílago de la placa de crecimiento intersticial, para después modificar-se y ser reemplazado por hueso maduro -La placa de crecimiento es una estructura que tiene forma de disco que se encuentra entre la epífisis y la diáfisis: metafisis. Desde la epífisis a la metafisis hay 4 zonas: •

1. Zona germinal: es la zona más superficial y más próxima a la epífisis. Está formada por células cartilaginosas aliadas de forma oval. En esta zona se observa mitosis (divisiones celulares) y existe una intensa síntesis de matriz extracelular.

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2. Zona proliferativa: por debajo de la zona germinal. Formada por células cartilaginosas en forma de cuña, eje mayor de la cual es perpendicular al hueso. Estas células están dispuestas en columnas paralelas al eje longitudinal al hueso. En esta zona se observa gran cantidad de mitosis y una intensa síntesis

de matriz extracelular. Esta zona es la responsable del crecimiento del hueso en vertical (longitudinal) •

3. Zona de cartílago hipertrófico: los condrocitos (células cartilaginosas) de esta zona maduran, adquieren una forma redonda y su tamaño aumenta a medida que se aleja de la epífisis

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4. Zona de cartílago calcificado: en esta zona la matriz cartilaginosa se mineraliza. En el curso de modelado óseo este hueso inmaduro será sustituido por hueso laminar

Crecimiento en grosor: Rodeando la periferia de la placa de crecimiento, hay dos estructuras: -Surco de células en forma de cuña "Surco de osificación de Ranvier”: Contribuye a el ensanchamiento de la placa de crecimiento, por la contribución de los condrocitos. -Banda de tejido fibroso y hueso, denominado "Anillo pericondral de La Croix": Actúa como faja resistente al cercado de la fisis, impidiendo su deformación excesiva cuando está sometido a compresión. Estas estructuras están en la periferia de la placa de crecimiento, lo rodean. Crecimiento en el diámetro: Este proceso va acompañado de un aumento también del diámetro de la cavidad medular, por lo que se produce de hecho un desplazamiento lateral del hueso cortical con un aumento proporcionalmente reducido del espesor de la pared ósea. Factores que influyen en el crecimiento del hueso El crecimiento del hueso depende de factores genéticos, influidos por factores: -Sistémicos (hormonales): o Hormonas necesarias para el crecimiento: hormona del crecimiento, hormona tiroidea, insulina o Hormonas activadoras de la maduración: hormonas sexuales o Hormonas inhibidoras del crecimiento: cortisol o Vitamina D y hormona paratiroidea -Locales (Fundamentalmente de tipo mecánico): o Tipo nervioso: Se desconoce el mecanismo por el cual el sistema nervioso interviene en el crecimiento óseo; se ha sugerido que podría intervenir de forma indirecta a través del control del flujo sanguíneo. o Tipo mecánico: El resultado de la acción de las fuerzas mecánicas (que actúan sobre la placa de crecimiento), dependerá de la intensidad, así como de su dirección y sentido:

➢ Fuerzas de compresión paralelas a la dirección del crecimiento disminuyen la actividad de la fisis: ➢ Cuando son constantes pueden causar la fusión de la fisis de forma prematura (Por ejemplo, enfermedad de Blount: sobrepeso o bipedestación en bebes antes de hora). ➢ Fuerzas de tracción paralelas a la dirección del crecimiento: ➢ Si son de pequeña intensidad pueden incrementar ligeramente el crecimiento ➢ Si son de gran magnitud pueden causar fusión prematura, o fisuras ➢ Fuerzas perpendiculares a la dirección del crecimiento, producido salen un efecto deformante directamente proporcional a la foráneo aplicada e inversamente proporcional al diámetro del hueso. 4.2. Modelado: El modelado óseo está programado genéticamente. Existen factores químicos y fundamentalmente físicos de tipo mecánico y de carácter local que pueden influir sobre él. Se define el modelado óseo como el proceso de reabsorción y formación continua del tejido óseo, que modifica la estructura y morfología del los huesos durante el crecimiento y desarrollo hasta llegar a las características propias de cada hueso en el adulto. Este proceso es más activo en la zona metáfisis: -El crecimiento óseo se asocia a fenómenos de reabsorción en la superficie externa y formación o en la interna (en diáfisis proceso contrario) -Se prolonga en la madurez, se produce osteogénesis en el periostio e importante reabsorción en el endostio (zona de la diáfisis), lo que hace que aumente el diámetro óseo a expensas de adelgazar la cortical. Ley de Wolff  El hueso tiene capacidad de modelarse alterando su grandeza, forma y estructura para adaptarse a las exigencias mecánicas que sobre él actúan (fuerzas internas y externas: peso corporal, gravedad…) 4.3. Remodelado: -Es un proceso de reestructuración del hueso existente, que está en constante formación y resorción. -Este fenómeno equilibrado permite, en condiciones normales, la renovación de un 510% del hueso total al año. -El remodelado óseo se lleva a cabo mediante la acción sucesiva (ensamblaje) de osteoclastos y osteoblastos sobre una misma superficie ósea. Se trata de un ciclo continuo de desintegración y reconstrucción ósea que se realiza en pequeñas extensiones del tejido dispersas por todo el organismo. Cada ciclo consta de 3 fases y dura 4 meses. FASES:

-Reabsorción: actúan los osteoclastos (hacen pequeñas cavidades al hueso) -Reposo o inversión -Formación: actúan los osteoblastos El conjunto de osteoclastos y osteoblastos que actúan sobre una superficie ósea concreta recibe el nombre de unidad de remodelado óseo (BRU). El nuevo hueso resultante de la acción de una BRU denomina unidad estructural ósea (BSU). La diferencia entre hueso formado (ingresos) y hueso reabsorbido (gastos) por unidad de tiempo se denomina "balance óseo". -Si la reabsorción y la formación son idénticas, el balance óseo es 0 y el volumen total de hueso (masa ósea) no varía en función del tiempo. -Si la formación y la reabsorción no son iguales, la masa ósea se modificará en sentido positivo (Osteoblastos ganan) o negativo (Osteoclastos ganan). La máxima masa ósea se alcanza a los 30 años de edad y depende de factores genéticos (gen del receptor de la vitamina D) y de factores ambientales (ingesta de calcio, ejercicio físico). De los 30 a los 40 años el balance óseo es igual a cero. A partir de los 40 años se instaura un balance negativo y la masa ósea disminuye de manera progresiva. -En el hombre, la pérdida se realiza a una velocidad constante (un 0,5% anual) mientras que en la mujer acelera durante los años posteriores a la menopausia. -Esta pérdida "fisiológica" de masa ósea determina que, al inicio de la octava década, los hombres hayan disminuido su masa ósea el 20% y las mujeres un 30%. Consideraciones -El desuso o la inactividad tiene efectos Perniciosas sobre el esqueleto -El reposo en cama induce una disminución de la masa ósea de aproximadamente un 1% en la semana -En la inmovilización total o parcial, el hueso no está sometido a solicitaciones mecánicas comunes, lo que conduce a la reabsorción del hueso perióstico y subperiostico y una disminución en las propiedades mecánicas del hueso (fuerza y rigidez). 4.4. Reparación ósea: El tejido óseo es el único capaz de repararse a sí mismo de manera completa a través de activar los procesos que tienen lugar durante su embriogénesis.

Cuando de manera brusca, un hueso es sometido a fuerzas que superan su resistencia mecánica aparece una línea de fractura. -1º lugar en esta zona, se produce un hematoma que es reabsorbido por los macrófagos. -2º aparecen células formadoras de hueso, procedentes de ambos lados de la línea de fractura. -3º estas células establecen puentes de y tejido óseo inmaduro, sin orientación espacial definida (callo de fractura) que unen entre sí los extremos del hueso fracturado. -En una fase posterior, este hueso, a través de un proceso de modelado, es sustituido por otro de tipo laminar, que está orientado según las líneas de fuerza que actúan sobre la zona (aquí sería cuando el paciente ya puede cargar peso). -La fatiga mecánica puede causar microfracturas trabeculares que no modifican la morfología del hueso. Estas fracturas microscópicas se reparan a través de "microcallos" de fractura que muestran una dinámica similar a la de las fracturas. 5. COMPORTAMIENTO BIOMECÁNICO. Afectado por: -Sus propiedades biomecánicas -Para la dirección de las cargas que se pueden a aplicar sobre un hueso -Para las formas geométricas -Por tipo de carga aplicada -La actividad muscular -La frecuencia de las cargas 5.1. Propiedades biomecánicas Biomecánicamente, el tejido óseo puede ser considerado como material bifásico, ya que está formado por dos tipos de sustancias: -Una mineral (inorgánica) -Una orgánica Funcionalmente, os parámetros más importantes a valorar en la mecánica del hueso son: -resistencia -rigidez: La pendiente situada en la región elástica de la curva T / D Estos dos valores pueden extrapolarse en una curva gráfica de T / D (tensión / deformación) Las regiones de esta curva son similares a las observadas en la curva T / D de un material cualquiera. Observamos pues, dos regiones diferenciadas:

-Una región elástica lineal (cumple la ley de Hooke) -Una región plástica (antes de la fractura)

-Parámetro básico a valorar mecánicamente en el huso su rigidez: • Modelo Young (como más alto sea m.young más rígido el material) • Como la pendiente situada en la región elástica de la curva T/D -El hueso debe su resistencia a la compresión y la cizalla en la fase mineral que contiene (hidroxopatita); mientras que el colágeno le proporciona su resistencia a la tracción. - El hueso cortical es más rígido que la esponjoso, soporta más carga, pero menos deformación antes de colapsarse. Este se fractura cuando su deformación excede de un 2% de su longitud. En cambio, el hueso esponjoso soporta hasta 7% de deformación. 5.2. Dirección de las cargas que se pueden aplicar sobre un hueso Debido a que la estructura ósea es diferente en una u otra dirección, también son diferentes sus propiedades mecánicas, según la carga que se aplique y la dirección de ésta. El tejido óseo es un material "anisotrópico", que significa que su comportamiento variará en función de la dirección de la fuerza aplicada. El hueso es más resistente a la tracción en sentido longitudinal que en sentido radial o tangencial. 5.3. Formas geomètriques Tamaño y forma del hueso: -La resistencia del hueso tanto a la compresión como a la tracción, está influenciada por su tamaño -Cuando mayor es el hueso, mayor es su resistencia La resistencia del hueso a la flexión está determinada por su forma y por su longitud: -Cuando mayor cantidad de tejido óseo existe alrededor del eje neutro, más resistencia a la flexión -Cuando mayor es la longitud del hueso, mayor es el momento flector de la fuerza

aplicada sobre él. el momento flector es el resultante de la fuerza por la distancia. Ejemplo: los huesos tubulares largos del cuerpo (fémur) son los que principalmente se fracturan por este mecanismo. La resistencia del hueso a la torsión está determinada por el tamaño y la forma del hueso: -Cuando mayor es el hueso y cuando más alejada del eje neutro está situada la masa ósea, más resistente el hueso Ejemplo: las tibias sometidas a una fuerza de torsión se fracturan antes por el tercio distal de menor diámetro que por el tercio proximal * EJE NEUTRO: donde no hay nada (dentro del hueso) como más estrecho es el hueso, más cerca está la masa ósea del eje neutro. 5.4. Comportamiento del hueso bajo diferentes tipos de carga aplicada Las fuerzas y momentos se pueden aplicar a una estructura en varias direcciones, produciendo:

-Tensión o tracción: Las fuerzas de tracción son fuerzas iguales y opuestas aplicadas hacia fuera de la superficie de la estructura, provocando tensión en el interior. La estructura, pues, se alarga y se estrecha. Clínicamente, las fracturas por tracción ocurren en el hueso esponjoso. o Ejemplo 1: Fractura del calcáneo adyacente a la inserción del tendón de Aquiles o Ejemplo 2: Fractura de la base del quinto metatarsiano (fractura de Jones) adyacentes a la inserción del músculo peroneo lateral corto.

-Compresión: se aplican fuerzas iguales y opuestas en dirección al interior de la

estructura, provocando una compresión en el interior. La estructura, pues, se acorta y se ensancha. Clínicamente, las fracturas por compresión se encuentran comúnmente en las vértebras.

-Flexión(angulaciones): sucede cuando la fuerza se aplica de forma que se produce una desviación respecto a un eje. Bajo estas fuerzas, la estructura se encuentra sometida a una combinación de tracción por un lado y compresión por la otra. Las resultantes provocarán tracción y estiramiento a un lado del eje y compresión y acortamiento en el al otro lado del eje. Tipo de flexión: o Combinación de tres fuerzas, la fractura producida por tres puntos, suele producirse en el centro del hueso. Debido a que el hueso adulto es más débil en tensión que en compresión, el colapso comienza sobre el lado sometido a tensión. El hueso inmaduro es más dúctil, puede colapsarse primero en compresión o Combinación de cuatro fuerzas, la fractura se produce cuando dos pares de fuerzas actúan sobre una estructura produciendo dos momentos iguales Ejemplo: hacer extensión de rodilla cuando hay un tope. Las fracturas producidas por ambos tipos de flexión se observan comúnmente en los huesos largos. -Cizalla: En las fuerzas de cizallamiento, la fuerza se aplica perpendicularmente a la superficie del hueso. Las fuerzas máximas tienen lugar en un plano paralelo a la dirección de aplicación de la fuerza. En el punto de actuación de estas tensiones del hueso se inclina y se fractura. Las fracturas por cizalla suelen localizarse en las zonas que hay hueso esponjoso. o Ejemplo: fractura intercondílea del fémur. o El hueso cortical soporta mejor la compresión que la tracción y mejor la tracción que la cizalla. -Torsión: son las que se aplican sobre una estructura de forma que causan una rotación alrededor de un eje. En una torsión se...