WYKŁAD 5
Temat: Fizyczne właściwości chrząstki, powięzi i ścięgien l/ Fizyczne właściwości normalnej chrząstki
Obciążenia i struktura
Chrząstka stawowa jest najbardziej narażoną na obciążenie strukturą w obrębie narządu ruchu. Jej główną rolą jest stworzenie dla stawu gładkich powierzchni stawowych w całym zakresie jego ruchu. Jest ona stale obciążana ciężarem ciała i sił produkowanych przez napięcie mięśniowe we wszystkich stawach.
Podczas skurczu mięśnia napięcie równa się sile, jaką rozwija on w czasie skurczu rozdziela na dwie składowe: l/ jedna działa pionowo do osi ramienia dźwigni wywołującej obrót w stawie ( składowa obrotowa siły) 2/ druga działa równolegle do osi ramienia dźwigni, jest większa i stabilizuje staw przez przyciskanie do siebie powierzchni stawowych ( składowa stabilizująca)
Jeżeli składowa stabilizująca > składowej obrotowej => chrząstka ulega poważnej kompresji.
Natura broni się przed przedwczesnym zużyciem stawu rozkładając nacisk największej powierzchni
Np. łąkotki w stawie kolanowym, budowa stawu np. łokciowego, działanie więzadeł, organizacja ruchu w stawie
Jednak przedwczesne zużywanie się powierzchni stawowych trwa i jest poważnym problemem współczesnej ortopedii.
Podstawowe funkcje chrząstki:
1) Zapewnia odpowiedni rozkład nacisku na powierzchni stawowej
2) Zmniejsza tarcie czasie ruchu
3) Amortyzacja nagłych przeciążeń stawów
Budowa chrząstki
Tkanka chrzestna zbudowana jest z chondrocytów oraz macierzy chrzestnej.
Chondrocyty ( średnica 10-30 ၭm_ tworzą skupiska 2-3 komórkowe rozmieszczone w rozstępach macierzy. Średnio na l mm 3 tkanki przypada 14 tysięcy komórek. Są one nierównomiernie rozłożone. Najliczniej chondrocyty rozlokowane są w warstwach powierzchniowych tkanki. Pełnią one rolę w procesach adaptacyjną oraz w procesach degeneracyjnych. Komórki te odpowiadają za wytwarzanie kolagenu, proteoglikanów o raz enzymów regulujących metabolizm.
Macierz chrzestna zbudowana jest z wody, kolagenu i proteoglikanów.
Wyróżniamy tkankę chrzestną szklista ( element struktury stawów), oraz białą ( dyski międzykręgowe, łąkotki) i
żółtą ( bogata w sieć elastyny - małżowina uszna, krtań)) chrząstkę włóknistą.
Chrząstka jest formą tkanki Łącznej, składa się w 75-80% wody oraz 20% substancji stałych tworzących macierz chrzestną ( 65% kolagen, proteoglikany 25%, glikoproteiny i chondrocyty < 10% i lipidy < 10%)
Na poziomie makroskopowym podstawowymi elementami chrząstki są:proteoglikany ( węglowodany i białka) i kolagen. Determinują one fizyczne i mechaniczne właściwości tkanki.
Specyficzną cechą proteoglikanów jest zdolność tworzenia zespołów zwanych agrekanami składających się z
rdzenia białkowego z łańcuchami glikozaminoglikanów: chondroitynosiarczanu, keratynosiarczanu i kasu
hialuronowego.
Ich wzajemne proporcje decydując typie tkanki chrzestnej
Proteoglikany są odpowiedzialne za sztywność tkanki chrzestnej i jej zdolność do przenoszenia obciążeń. Są one wbudowane w sieć kolagenową. Naprężenia wewnątrz tej sieci powodują, że objętość proteoglikanów w chrząstce jest prawie 50-krotnie mniejsza od tej, którą zajmowała by w wolnej przestrzeni.
Na charakterystykę mechaniczną tkanki chrzestnej wpływa też drugi mechanizm.
Proteoglikany są polianionami ( wysoki ujemny ładunek elektryczny) mają zdolność do silnego osmotycznego
wiązania wody . Wyniku wchłonięcia wody następuje „ puchniecie tkanki" zwiększając jej elastyczność.
Proces jest zahamowany w momencie zrównoważenia sił działań osmotycznych i naprężeń mechanicznych. Nasycona wodą tkanka chrzestna jest wrażliwa na działanie ciśnienia zewnętrznego, może spowodować uwolnienie wody, przyczyniając się do smarowania powierzchni stawowych, kontroli sprężystości chrząstki, jej odżywiania i działania chrzestnego przetwornika mechanoelektrycznego.
Wiązanie wody przez proteoglikany jest ważnym elementem regulacyjnym tkanki chrzestnej. Mechanizm działa na chondrocyty , regulując ich aktywność biosyntetyczną.
Zmiany obciążenia stawów w czasie aktywności ruchowej powodują zakłócenie ustalonej równowagi ciśnień, następuje uwalnianie z chrząstki wody, pojawia się ujemny potencjał elektryczny ( zależny od siły nacisku) dochodzi do zmian metabolizmu oraz proliferację ( namnażanie i wzrost chondrocytów).
Zawartość wody tkance chrzestnej decuduje o jej właściwościach mechanicznych.
Długotrwały bezruch i pozbawienie tkanki wpływów bodźców mechanicznych prowadzi do degeneracji
chrząstki.
Wytrzymałość chrząstki zależy od orientacji włókien kolagenowych. Wyróżniamy cztery warstwy morfologiczne:
1) Warstwa powierzchniowa ( 10-20%)włókna kolagenowe równoległe do powierzchni
2) Warstwa pośrednia (40-60%) skośna orientacja włókien
3) Warstwa głęboka ( 30%) dowolna orientacja włókien
4) Chrząstka zwapniona
Elastyczność, zniekształcenie i ucisk chrząstki
l/ Chrząstka prawidłowa
Zdrowa chrząstka jest rozciągliwa i daje się uciskać. Elastyczność jest duża ale niejednakowa we wszystkich jej
częściach.
Większa elastyczność chrząstki rozwija się w kierunku stawu, gdzie ciśnienie na staw jest skoncentrowane, a
linie naprężeń zwykle przebiegają promieniście do punktu największego ucisku.
Zmiany chrząstki pod wpływem ucisku:
W stawach siodełkowatych staw nadgarstkowo-śródręczny kciuka chrząstka daje się odkształcać w różnych
kierunkach odpowiednio do różnych płaszczyzn ruchu .
Ciśnienie i tarcie w stawie kolanowym > się O 20% po usunięciu łąkotek.
Stawy o małych powierzchniach kontaktu kombinują ślizg z ruchem toczenia i dlatego obciążenie chrząstki stale się zmienia. W ślizga powierzchnia jednego ciała stawowego kontaktuje się tylko z jednym punktem drugiego ciała stawowego, podczas gdy w ruchu toczenia położone równej odległości punkty na obu powierzchniach stawowych dotykają się wzajemnie sukcesywnie.
Moduł elastyczności chrząstki wynosi 0,9 kg/mm2 przekroju poprzecznego
wytrzymałość na rozciąganie 0,17 kg/mm2
Wytrzymałość na ucisk jest znacznie większa i wynosi 1,57 kg/mm2
Wytrzymałość na działanie sił ścinających 0,35kg/mm2
Na skręcanie 0,24kg/mm2
Chrząstka jest doskonale elastyczna dla małych obciążeń i tylko wtedy gdy obciążenie działa przez krótki okres Np. obciążenie 50-120 g/mm2 i to nie więcej niż przez l h
Im dłużej trwa obciążenie, tym mniej całkowita jest odbudowa kształtu w przypadku kompresji.
W praktyce oznacza to, że największe nadużywanie stawów występuje przy długotrwałym staniu, lub utrzymywaniu stawu w jednej pozycji.
Rozwój zmian chorobowych w chrząstce
Tkanki podlegają ustawicznym zmianom strukturalnym. Towarzyszą im zmiany parametrów mechanicznych. Zmiany te są różne w różnych okresach życia. Osoby młode mają większą odporność stawów na przeciążenia niż osoby starsze. Nadmierne przeciążenie np.w wyniku wzmożonego napięcia mięśniowego lub otyłości, powoduje szybkie zwyrodnienie stawów.
W chorobie zwyrodnieniowej stawów zniszczeniu ulegają części miękkie stawu: chrząstka stawowa, torebka, maziówka, łąkotki stawach kolanowych, tarcze międzykręgowe kręgosłupa. Powierzchnia chrząstki staje się chropowata wskutek powstających w chrząstce nadżerek Zwiększa się tarcie powierzchni stawowych czasie ruchu, nasilając dodatkowo procesy uszkadzające staw. Pojawiający się ból jest sygnałem ostrzegawczym informującym o nieprawidłowym działaniu połączenia stawowego. Ból pełni funkcję ochronną zmuszając do zmniejszenia ruchów w zajętym stawie. Jednocześnie ból powoduje wzmożone napięcie mięśni w rejonie uszkodzonego stawu .Dlatego choroba zwyrodnieniowa ma tendencję do progresji. Czasem dochodzi do zupełnego zaniku chrząstki połączonego do ze znacznym zwężeniem szpary stawu.
Radykalną metodą postępowania przypadku zniszczonego stawu jest alloplastyka, czyli wymiana zniszczonego stawu na sztuczny.
W przerostowym zapaleniu stawów ( arthritis) zmiany zwyrodnieniowe chrząstki stanowią morfologiczny początek choroby.
Gdy dochodzi do zwyrodnienia, to przejawia się w mszczeniu włókien i powstawaniu szczelin w substancji podstawowej. Objawy degeneracji poprzedzone są zmianami jakości barwienia się podstawowej substancji hyalinowej.( kwas chondroityno-siarkowy). Zwyrodnienie chrząstki poprzedza
Zwyrodnienie chrząstki poprzedza uszkodzenie jej głównych właściwości fizycznych, tj, elastyczności i jednostki wytrzymałości.
Np. ucisk na rzepkę i wzrost ciśnienia między jej powierzchnią stawową i powierzchnią kłykci kości udowej daje rozmiękanie chrząstki rzepki ( chondromalatio patellae)
Zanim pojawią się pęknięcia, chrząstka wykazuje zredukowaną zawartość kwasu chondroityno-siarkowego, co wskazuje na utratę normalnych właściwości fizycznych.
Gdy chrząstka traci swą elastyczność, jej odżywianie staje się niewystarczające, a pod wpływem powtarzanego lub długotrwałego obciążenia może tak słaba, że dochodzi do rozmiękania i zaniku włókien. Zdolności regeneracyjne uszkodzonych chrząstek są słabe.
Fizyczne właściwości powięzi, wiezadei i ścięgien
Struktury te również mogą podlegać przeciążeniom oraz mogą być użyte do zabiegów operacyjnych celem zaopatrzenia, lub wzmocnienia innych więzadeł lub ścięgien.
Wytrzymałość powięzi ( facia lata) wynosi około 4,92kg/mm2 przekroju poprzecznego
Ma też duży stopień elastyczności, wynosi on nawet 91% bezpiecznego obciążenia. Oznacza to, że powięź w
pewnych granicach nie wydłuża się i wiotczeje po ustaniu obciążenia.
Obciążenie bezpieczne to 1,40 kg/mm2 przekroju poprzecznego.
Jeżeli się weźmie pasemko około 12,7mm2 szerokie i 0,5 mm grube, które ma 6,35 mm2 przekroju poprzecznego, to bezpieczne obciążenie będzie wynosiło około9 kg.
Powięź może wytrzymać obciążenie krótkie aż do wspomnianych bezpiecznych granic. Długotrwałe obciążenie spowoduje trwałe odkształcenie, podobnie jak chrząstka reaguje trwałą deformacją na przewlekły ucisk.
Więzadła różnią się w swojej strukturze histologicznej.
Te, które są eksponowane podczas normalnego ruchu, zbudowane są głównie z włókien elastycznych.Daje to im
większą odporność na rozciąganie. Przykładem jest tu więzadło żółte (ligamentum flavum)
Jego częste zgrubienie wskazuje, że jest ono szczególnie obciążone przy ruchach kręgosłupa. Przerost ten jest
większy w kręgosłupach niestabilnych.
Jednak nawet ono wiotczeje i traci elastyczność, gdy obciążenie jest nadmierne i trwa długo.
Przykład : więzadło trójgraniaste w stawie skokowym i więzadło poboczne piszczelowe w stawie kolanowym.
Fizyczne właściwości ścięgien są podobne do własności powięzi.
Musi przejmować wszystkie obciążenia przenoszone na nie przez mięsień. Jednostka wytrzymałości na rozciąganie wynosiła 3,5 - 4,2 kg/mm2 przekroju poprzecznego . W praktyce ścięgno cienkie 6,5 mm2 przekroju poprzecznego wynosi 22,6 - 27,2 kg.
Bezpieczne obciążenie wynosi około 1/3 obciążenia powodującego zerwanie, lub 9 kg na 6,5 mm2 przekroju
poprzecznego.
Dla Achillesa ( 160mm pp) bezpieczne obciążenie to 226,8 kg.
Ścięgna wcześnie ulegają zmianom zwyrodnieniowym. Ich tętnica środkowa zanika w 3 dekadzie życia, a
wówczas ścięgno całkowicie uzależnia się od odżywiania dyfuzyjnego z sąsiedztwa.
Dlatego spontaniczne pękanie ścięgien nie jest niczym niezwykłym.
Przykłady:
Ścięgno długiego prostownika kciuka, ścięgno Achillesa, ścięgna tzw. Kanału rotatorów barku.
Wytrzymałość ścięgien na rozciąganie przekracza często sama wytrzymałość kości do której się przyczepia czego rezultatem może być wyrwanie ścięgna z przyczepu ( avulsio) a nie jego przerwanie.
U ludzi starszych pęknięcie cięgna występuje znacznie częściej niż avulsja
Podsumowanie
1) Wytrzymałość na rozciąganie powięzi określił Gratz: wynosi 4,92 kg/mm2 (7000 funtów/cal p/p.) a granice bezpieczeństwa wynoszą l ,40kg/mm2 (2000funtów/cal), co odpowiada 1/3 siły powodującej pęknięcia lub 9kg dla pasemka o przekroju poprzecznym około 6,5 mm2
2) Stałe wydłużenie powięzi wynika nie tylko z nadmiernego obciążenia, lecz także z nadmiernie długiego obciążenia.
3) Więzadła znacznie obciążane, dzięki włóknom elastycznym stają się bardziej wytrzymałe, np. więzadła żółte. Nawet jednak takie więzadła wydłużają się przy długotrwałym obciążeniu.
4) Fizyczne własności ścięgien są podobne do powęzi. Mc Master określił ich wytrzymałość na 3,5 -4,2 kg/mm2( 5000-6000funtów/cal p/p) a granice bezpieczeństwa na9kgdlaścięgna o przekroju poprzecznym około 6,5 mm2
5) Ścięgna ulegają wcześnie zwyrodnieniu głównie z przyczyn krążeniowych, a tzw. Spontaniczne pęknięcia nie są rzadkością po 30roku życia
6) U młodszych osobników ze zdrowymi ścięgnami częstsze są awulsje, u starszych łatwiej dochodzi do pękania samego ścięgna.