Tema 6 - Mecánica de los tejidos biológicos PDF

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Mecánica de los tejidos biológicos...

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Tem Temaa 6. CARA CARACTE CTE CTERÍST RÍST RÍSTICAS ICAS ME MECÁNIC CÁNIC CÁNICAS AS D DE E LO LOSS TTEJIDO EJIDO EJIDOSS VIVOS

ÍNDICE 1. Estrés mecánico a. Tipos básicos de estrés mecánico 2. Respuestas y adaptaciones al estrés mecánico a. Relación estrés-deformación b. Estrés mecánico y riesgo de lesión c. Adaptación mecánica de los tejidos 3. Mecánica del hueso, del ligamento, del tendón y del cartílago a. Mecánica del hueso b. Mecánica de ligamentos y tendones c. Mecánica de cartílagos, bolsas serosas y vainas sinoviales

1.- ESTRÉS MECÁNICO En este tema vamos a considerar al cuerpo humano como un conjunto de segmentos deformables articulados Las estructuras del cuerpo humano están sometidas a cargas o fuerzas externas e internas que generan un estrés o esfuerzo mecánico en los tejidos El esfuerzo o estrés mecánico se define como la fuerza dividida por la superficie del tejido sometida a dicha fuerza. Se representa con σ (sigma) El esfuerzo mecánico es diferente en función del área sobre la que se apliquen las fuerzas Área rectangular

Área circular

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Tem Temaa 6. CARA CARACTE CTE CTERÍST RÍST RÍSTICAS ICAS ME MECÁNIC CÁNIC CÁNICAS AS D DE E LO LOSS TTEJIDO EJIDO EJIDOSS VIVOS Es una magnitud similar a la presión, por lo que sus unidades son → N/m² o Pa (Pascal) No se llama presión porque se reserva para los fluidos, en los que, según la ley de Pascal, la fuerza por unidad de área es la misma en todas las áreas. En los sólidos no ocurre así, sino que la fuerza por unidad de área puede variar TIPOS BÁSICOS DE ESTRÉS MECÁNICO Estrés de tracción Cuando las fuerzas tienden a alargar la materia y separar las moléculas

Estrés de compresión Cuando las fuerzas tienden a aplastar y comprimir la materia

Estrés de cizalla o cizalladura Cuando se aplican fuerzas de sentido contrario y dirección paralelas. Las fuerzas tienden a deslizar lateralmente unas capas del tejido o materia sobre otras

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Tem Temaa 6. CARA CARACTE CTE CTERÍST RÍST RÍSTICAS ICAS ME MECÁNIC CÁNIC CÁNICAS AS D DE E LO LOSS TTEJIDO EJIDO EJIDOSS VIVOS Estrés de curvación o flexión Someten una parte a tracción y otra a compresión

Los resultados de De Vita et al. (1991) sugieren que cuando se transportan cargas iguales o superiores al 20% del peso corporal, es recomendable utilizar técnicas simétricas para evitar posibles lesiones Estrés de torsión Tienden a girar una parte de la materia en relación a otra

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Tem Temaa 6. CARA CARACTE CTE CTERÍST RÍST RÍSTICAS ICAS ME MECÁNIC CÁNIC CÁNICAS AS D DE E LO LOSS TTEJIDO EJIDO EJIDOSS VIVOS 2.- RESPUESTAS Y ADAPTACIONES AL ESTRÉS MECÁNICO Deformación Es la respuesta al estrés de los cuerpos que consideramos como sólidos rígidos

Estudio del efecto de la compresión en las estructuras vertebrales (“in vitro”) Dr. Stuart McGill → laboratorio de Biomecánica del Raquis de la Universidad de Waterloo (Canadá)

Grosor A mayor grosor mayor fuerza hay que aplicar para producir la misma deformación

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Tem Temaa 6. CARA CARACTE CTE CTERÍST RÍST RÍSTICAS ICAS ME MECÁNIC CÁNIC CÁNICAS AS D DE E LO LOSS TTEJIDO EJIDO EJIDOSS VIVOS ¿Cómo puedo comparar la respuesta de dos materiales ante una fuerza si tienen distinto grosor? -

Para evitar que el grosor del objeto afecte a la descripción de las propiedades mecánicas de los materiales, no utilizamos la magnitud fuerza, sino el estrés mecánico (σ), ya que éste relaciona la fuerza ejercida con el área perpendicular del objeto sometido

Longitud Ante el mismo estrés, un objeto de mayor longitud que otro, y del mismo material, se deforma más

¿Cómo puedo comparar la respuesta de dos materiales al estrés si tienen distinta longitud? -

Para evitar que la longitud del objeto afecte a la descripción de las propiedades mecánicas de los materiales, la deformación (ε) no se expresa en valores absolutos, sino en valores relativos a la longitud original del objeto (normalización)

Objetos del mismo material presentan graficas esfuerzo/deformación (σ/ε) iguales independientemente de su longitud o grosor iniciales

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Tem Temaa 6. CARA CARACTE CTE CTERÍST RÍST RÍSTICAS ICAS ME MECÁNIC CÁNIC CÁNICAS AS D DE E LO LOSS TTEJIDO EJIDO EJIDOSS VIVOS RELACIÓN ESTRÉS-DEFORMACIÓN Analizando la curva estrés-deformación de los materiales se pueden describir sus características mecánicas La mayoría de estas características van emparejadas en pares opuestos: -

Elasticidad – plasticidad → en la gráfica mirar si se curva la pendiente o Elasticidad → es la propiedad de los cuerpos de volver a su posición inicial después de haber sido deformados (ej.: muelles). o Por el contrario, la plasticidad implica deformación permanente ante una carga o La ley de Hooke dice que la deformación de un objeto elástico es proporcional a la carga que se le aplica. Ejemplo: si se tira de un muelle con una fuerza de 10 N, se estira 2 cm; si la fuerza es de 20 N, se estira 4 cm

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Rigidez – flexibilidad → en la gráfica mirar el ángulo de la pendiente o La rigidez es la propiedad de los materiales de resistirse a la deformación o Por el contrario, la flexibilidad es la capacidad de los materiales de deformarse con facilidad

o Para cuantificar la rigidez de un tejido se utiliza el módulo de Young (E) o módulo elástico (unidad = Pa). Se aplica sólo en la parte de la gráfica donde se da la ley de Hooke (parte elástica)

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Tem Temaa 6. CARA CARACTE CTE CTERÍST RÍST RÍSTICAS ICAS ME MECÁNIC CÁNIC CÁNICAS AS D DE E LO LOSS TTEJIDO EJIDO EJIDOSS VIVOS -

Resistencia – fragilidad → en la gráfica mirar el ángulo de la pendiente o La resistencia es la medida de la energía que se necesita para fracturar un objeto, o, dicho de otro modo, la oposición que pone un objeto a ser fracturado o La fragilidad es lo opuesto a la resistencia. Se necesita poca energía para fracturar los objetos frágiles

Otras características relacionadas con las anteriores: -

Ductilidad → es la capacidad de un material de ser alargado (deformado) sin llegar a la fractura

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Dureza → indica la resistencia de los materiales a ser rayados. Los materiales más duros rayan a los más blandos o Escala de Mohs: talco → diamante o No confundir dureza con rigidez, ni con resistencia a la fractura

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Fatigabilidad → el estrés repetitivo o duradero cambia las propiedades mecánicas de los tejidos, que se fatigan y cada vez son menos capaces de soportar el estrés y pueden romperse ante esfuerzos no intensos o En la fatiga de un material también intervienen factores como la exposición al sol, humedad, etc.

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Tejidos vivos (músculos, ligamentos, tendones, etc.) → viscoelasticidad 1. No se produce una deformación proporcional al estrés (exponencial)

a. Un cartílago “relajado” tiene las fibras de colágeno desorganizadas, a medida que se van estirando las fibras se van alineando y se van oponiendo al esfuerzo cada vez más fibras, por eso cuesta más esfuerzo realizar una misma deformación

2. Cuando se estira un tejido viscoelástico y se mantiene estirado, el estrés necesario para mantener la longitud va disminuyendo con el tiempo (t)

3. Si sometemos a un tejido viscoelástico a un estrés constante durante un tiempo determinado (t), se produce un “creep”, es decir, un incremento de la deformación

Tem Temaa 6. CARA CARACTE CTE CTERÍST RÍST RÍSTICAS ICAS ME MECÁNIC CÁNIC CÁNICAS AS D DE E LO LOSS TTEJIDO EJIDO EJIDOSS VIVOS 4. Histéresis elástica

a. El material elástico recupera su forma instantáneamente al dejar de aplicar el estrés, se puede decir que retrocede por la misma línea en la gráfica esfuerzo-deformación. Sin embargo, los materiales viscoelásticos vuelven con un retardo temporal y por un camino más a la derecha de la gráfica b. La falta de coincidencia de las curvas de incremento y disminución del esfuerzo se denomina histéresis elástica y es representada por el área que forman las trayectorias de deformación y retorno c. A mayor histéresis elástica menos elástico será el material. La velocidad de recuperación depende del tiempo que haya estado estirando el material viscoelástico d. Creep de los ligamentos por tracción e histéresis

e. Estiramientos → creep e histéresis → mayor ROM (rango de movimiento articular): en estiramientos lentos f. NOTA: el coeficiente de restitución mide la elasticidad del choque entre dos cuerpos i. El coeficiente de restitución se utiliza para el estudio de la elasticidad de los cuerpos. En función de la capacidad de

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Tem Temaa 6. CARA CARACTE CTE CTERÍST RÍST RÍSTICAS ICAS ME MECÁNIC CÁNIC CÁNICAS AS D DE E LO LOSS TTEJIDO EJIDO EJIDOSS VIVOS deformación y el tiempo necesario para la restitución (histéresis elástica), los cuerpos son más o menos elásticos 5. Cuando se estira un material viscoelástico, la resistencia a la deformación que ejerce el tejido depende de la velocidad a la que se estira

ESTRÉS MECÁNICO Y RIESGO DE LESIÓN

El estrés mecánico es necesario. La falta de estrés produce alteraciones importantes en los tejidos

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Tem Temaa 6. CARA CARACTE CTE CTERÍST RÍST RÍSTICAS ICAS ME MECÁNIC CÁNIC CÁNICAS AS D DE E LO LOSS TTEJIDO EJIDO EJIDOSS VIVOS ¿Carga óptima? -

Según McGill, S.M. (2002). Low back disorders: Evidence based prevention and rehabilitation. Champaign, Illinois: Human Kinetics

ADAPTACIÓN MECÁNICA DE LOS TEJIDOS Adaptación mecánica → la estructura de los tejidos vivos está organizada en función de las cargas que soportan (J. Wolff) El término “adaptación” al estrés fue introducido por H. Selye en 1936, el cual demostró que, bajo el influjo de un estímulo estresante, es decir, capaz de alterar la homeostasis del organismo, se desencadenan un conjunto de respuestas fisiológicas adaptativas conocidas con el nombre de síndrome general de adaptación Carga → estrés/fatiga → recuperación → supercompensación

NIOSH → el límite de seguridad es ≈ 3400 N

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Tem Temaa 6. CARA CARACTE CTE CTERÍST RÍST RÍSTICAS ICAS ME MECÁNIC CÁNIC CÁNICAS AS D DE E LO LOSS TTEJIDO EJIDO EJIDOSS VIVOS Compresión > 10 000 N (adaptación)

¿Estrategias para prevenir la aparición de lesiones? -

Controlar la magnitud del estrés

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Controlar la duración o frecuencia del estrés

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Aumentar el nivel de tolerancia por adaptación

Las adaptaciones de los tejidos siguen los Principios del Entrenamiento (Enoka, 2002): -

Principio de la sobrecarga → para que se produzca una respuesta adaptativa en el tejido debemos someterlo a un estímulo suficiente que comprometa su capacidad actual (superar el umbral de activación o estimulación). Por otro lado, los esfuerzos excesivamente fuertes superan el nivel de tolerancia máxima y lesionan el tejido

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Principio de la singularidad → cada tejido tiene un umbral de estimulación y una capacidad de adaptación propia y particular

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Principio de la especificidad → las adaptaciones producidas por las situaciones de estrés repetido (por el entrenamiento) se producen exclusivamente en los elementos estructurales y funcionales de las células que han sido sobrecargadas (existe también cierta mejora cruzada en gente que acaba de empezar)

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Principio de la reversibilidad → las adaptaciones producidas por las situaciones de estrés repetido son transitorias. Si disminuye o desaparece el nivel de estrés se produce una desadaptación (descenso de la capacidad del tejido para responder al estrés) o mejor, una adaptación a un menor nivel de carga.

3.- MECÁNICA DEL HUESO, DEL LIGAMENTO, DEL TENDÓN Y DEL CARTÍLAGO La mayor parte de los tejidos biológicas, a diferencia de muchos de los materiales sintéticos, son anisotrópicos. Es decir, tienen diferentes propiedades mecánicas en función de la dirección de la carga Las características mecánicas de los tejidos cambian en función de: -

La exposición a la carga mecánica (adaptación)

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La edad (la resistencia de los tejidos incrementa hasta los 35-40 años, posteriormente, se hacen más frágiles)

MECÁNICA DEL HUESO El 45% de la masa de los huesos es mineral y el 35% colágeno, lo que les hace ser muy resistentes a las cargas de compresión y también, a las de tracción. Sin embargo, son relativamente frágiles ante otro tipo de estrés, como por ejemplo el de torsión Al nacer tenemos huesos flexibles que van ganando rigidez con la edad. La disminución de la masa ósea y de su resistencia mecánica durante el envejecimiento (osteoporosis) incrementa el riesgo de fractura La osteoporosis es la principal causa de fracturas óseas en mujeres después de la menopausia y en ancianos en general Las trayectorias de las trabéculas óseas corresponden a sus líneas de carga que, a modo de vigas, proporcionan al hueso resistencia a las fuerzas de compresión

Las superficies óseas de inserción (apófisis, crestas, espinas, rebordes, etc.) de los músculos estarán tanto más marcadas, cuanto más importantes sean las tensiones a las cuales se encuentran sometidas -

Ley de Delpech → fuerzas de compresión excesivas sobre el cartílago ósea de crecimiento enlentecen el crecimiento. Por otro lado, fuerzas de tracción moderadas estimulan el crecimiento

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Ley de Wolff → describe la capacidad de adaptación del hueso a las demandas funcionales mecánicas. Las fuerzas de compresión sobre el tejido óseo estimulan el crecimiento en grosor (hipertrofia)

MECÁNICA DE LIGAMENTOS Y TENDONES Presentan una gran resistencia a la tracción. Sin embargo, no poseen resistencia a las fuerzas de compresión o de cizalladura Compuesto por 3 tipos principales de fibras: -

Fibras de elastina → proporcionan flexibilidad y elasticidad. Pueden llegar a deformarse más de 160% de su longitud inicial

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Fibras de reticulina → proporcionan volumen

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Fibras de colágeno → proporcionan rigidez y resistencia a la tracción. Pueden llegar a deformarse un 8-10% de su longitud inicial

Los tendones tienen mayor cantidad de fibras de colágeno que los ligamentos. Las fibras de colágeno en los tendones se organizan en paralelo y en los ligamentos en direcciones más oblicuas. Asimismo, los ligamentos tienen ligeramente mayor cantidad de elastina. -

Los tendones son más rígidos y resistentes a las fuerzas de tracción

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Los ligamentos son más flexibles, menos resistentes a las fuerzas de tracción y más resistentes a las fuerzas de cizalla y torsión

Test de esfuerzo de un tendón Según la gráfica: en la primera parte se deforma relativamente fácil (hasta 3%), a partir de ahí y hasta el 5% de deformación se produce una relación estrésdeformación casi lineal (aquí se mide el módulo de Young). Por encima del 5% se produce la zona de cesión (componente plástico). A partir de esfuerzos de esa magnitud el tendón se lesiona y no vuelve a su longitud inicial. 14

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Los tendones pueden alcanzar el 6-7% de deformación antes de que sus fibras comiencen a desgarrarse (lesión). Cuando cicatriza la lesión se suele observar pérdida de eficacia mecánica. Los tendones son capaces de soportar fuerzas de tracción muy grandes. El tendón de Aquiles puede soportar tensiones de tracción similares a una barra de acero de igual tamaño (Hamill y Knutzen, 195) El ejercicio físico puede incrementar la sección transversal de un tendón (mayor contenido de colágeno), mientras que la inmovilización y el desuso tiende a reducir la sección transversal del tendón → modificación de sus propiedades mecánicas Los ligamentos tienen la curva de estrés-deformación desplazada a la derecha respecto a los tendones y los huesos. El ligamento puede llegar al 70% de deformación por tracción

Test de esfuerzo en un ligamento de conejo:

MECÁNICA DE CARTÍLAGOS, BOLSAS SEROSAS Y VAINAS SINOVIALES Las bolsas serosas y las vainas sinoviales son estructuras encargadas de reducir el coeficiente de rozamiento entre superficies articulares Los cartílagos articulares tienen un 10-30% de colágeno por un 60-80% de agua. No tienen aporte sanguíneo directo, consecuencia de los cual deben ser delgados y porosos para permitir la difusión de los nutrientes hacia sus células

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Tem Temaa 6. CARA CARACTE CTE CTERÍST RÍST RÍSTICAS ICAS ME MECÁNIC CÁNIC CÁNICAS AS D DE E LO LOSS TTEJIDO EJIDO EJIDOSS VIVOS Entre otras funciones, los cartílagos almohadillan las articulaciones, absorbiendo fuerzas compresivas, como aquellas derivadas de los impactos o el soporte del peso corporal La elasticidad del cartílago a la compresión es el resultado directo de su capacidad de estructurar el agua dentro y su viscoelasticidad la determina su capacidad para liberar agua bajo compresión (creep) El líquido liberado por el cartílago durante la compresión puede mejorar la lubricación de las superficies articulares Tras la compresión el líquido es reabsorbido.

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