Appunti Biomeccanica

Biomeccanica cellule

La cellula è l’elemento base della vita, l’unità funzionale di tutti gli organismi viventi. In essa si svolgono tutte le attività chimiche necessarie per sostenere la vita, tutte le attività generano dei tessuti e degli organi. Le cellule sono dei contenitori che contengono proteine, acidi nucleici, acqua, carboidrati e altre sostanze.

Nel 1838 Schwann, zoologo, e Schleiden, botanico, intuirono la presenza delle cellule, che però non erano ancora state viste, e proposero una loro teoria secondo la quale tutti gli organismi sono costituiti da cellule e da componenti cellulari. Inoltre, affermarono che gli organismi potevano essere monocellulari, protozoi, o pluricellulari, metazoi.

Nel 1860 Virchow fece le prime osservazioni sulle cellule in riproduzione e giunse alla conclusione che ogni cellula derivava da un’altra cellula preesistente.

Teoria cellulare moderna

La teoria cellulare moderna riassume questi concetti in 3 enunciati:

• Le cellule sono le unità strutturali, base, degli organismi viventi.
• Le cellule sono le unità funzionali degli organismi viventi.
• Ogni cellula deriva da un’altra cellula preesistente.

Nel 1850 Schulze definisce la cellula come: “Particella microscopica elementare della sostanza vivente, costituita da una massa mucillaginosa contrattile, ben delimitata, non miscibile con acqua, che contiene un corpicciattolo detto “nucleo””.

Ci sono però delle eccezioni a questa teoria:

• Le cellule non è detto che siano microscopiche, poiché esistono cellule ben visibili ad occhio nudo, come per esempio le uova degli uccelli.
• Nei tessuti non abbiamo solo cellule, ma anche degli elementi extra-cellulari, infatti il tessuto connettivo è in gran parte costituito da elementi extra-cellulari, che vengono comunque sintetizzate ed assemblate dalle cellule connettivali, che tengono insieme le cellule e che, insieme alle cellule, caratterizzano il tessuto.
• Ci sono sistemi in cui le cellule si fondono tra loro per creare un sistema cellulare più ampio, es. fibre muscolari, cellule che possono raggiungere lunghezze anche di decine di centimetri.
• Ci sono sistemi in cui si ha la moltiplicazione del nucleo senza divisione cellulare, es. epatociti.
• I virus sono dei parassiti obbligati, non sono né cellule, né sono organismi viventi, infatti non si riproducono autonomamente, ma necessitano delle sostanze che si trovano intorno ad esso. Il virus non muore, ma si disattiva.
• L’autonomia delle cellule non è assoluta: la riproduzione delle cellule non è totalmente libera, infatti si riproducono all’interno di uno spazio e quando questo spazio è saturo la riproduzione si arresta fino a che le cellule non muoiono, inoltre interagiscono tra di loro, scambiandosi informazioni, per cui non sono completamente indipendenti.

Tipi di cellule

Esistono due tipi di cellule:

• Cellula procariotica, è un tipo di cellula che non ha un nucleo.
• Cellula eucariotica, è un tipo di cellula costituita da un nucleo, oltre che dal citoplasma, mitocondri e altri elementi. Questo tipo di cellule dotate di nucleo sono cellule in cui si ha una comunicazione tra nucleo e citoplasma perché ci sono dei pori nucleari attraverso cui si ha passaggio di sostanza di informazione.

All’interno della cellula sono presenti organuli cellulari come: citoplasma, nucleo, nucleolo, reticolo endoplasmatico liscio e rugoso, ribosomi, mitocondri ecc..., che possiedono una struttura ed una funzione ben definita, sono presenti sia nelle cellule animali che vegetali, che possiedono una struttura di base molto simile. Questa struttura è il risultato delle funzioni metaboliche svolte dalla cellula come la costruzione e il rinnovamento di se stessa e la produzione di energia necessaria al proprio funzionamento. Inoltre, sono parti specializzate della cellula adibiti a compiti specifici, che condizionano il comportamento della cellula.

Tessuti

Il tessuto rappresenta un insieme di cellule specializzate, simili per morfologia e derivazione embrionale e associate per funzione. Nei tessuti semplici si hanno cellule dello stesso tipo, es. tessuto muscolare liscio, mentre nei tessuti complessi si hanno cellule di tipo diverso, es. tessuto nervoso. Le cellule sono tenute insieme da una sostanza fondamentale, mentre l’organizzazione delle cellule in tessuti è resa possibile grazie alle giunzioni cellulari, che regolano il riconoscimento e l’adesione tra cellula e cellula. Possiamo avere cellule sostanzialmente simili che, disposte in modi diversi e tenute insieme da una diversa sostanza fondamentale diversa, portano alla formazione di tessuti completamente diversi.

Capacità rigenerative

In base alla loro capacità rigenerative, le cellule che costituiscono un tessuto si possono distinguere in:

• Labili: cellule soggette a continuo rinnovamento per divisione costante, es. cellule dell’epidermide, del midollo osseo e della mucosa digestiva.
• Stabili: cellule che usualmente non si dividono ma che possono farlo in caso di necessità, es. cellule epatiche.
• Perenni: cellule che hanno perso, una volta differenziatesi, la capacità di dividersi, es. neuroni, fibre muscolari striate.

Le capacità rigenerative di un tessuto derivano dalla presenza delle cellule staminali.

Le cellule staminali sono cellule non specializzate, che hanno la capacità di specializzarsi in modo da diventare un’altra cellula attraverso un processo denominato differenziamento cellulare, es. cellula nervosa, cellulare, in base alle condizioni al contorno.

Le cellule staminali vengono classificate in base alla loro potenza, cioè sulla base della potenzialità di differenziarsi nei vari tipi cellulari:

• Totipotenza: la capacità di una singola cellula di dividersi e produrre tutte le cellule differenziate in un organismo.
• Pluripotenza: la capacità di una singola cellula di dividersi e di differenziarsi in uno qualsiasi dei tre foglietti embrionali. Tali cellule non possono per tanto dare origine ad un organismo adulto, perché non hanno il potenziale per contribuire ai tessuti extra embrionali.
• Multipotenza: la capacità di differenziarsi in un numero limitato di linee cellulari.
• Oligopotenza: la capacità di differenziarsi solo in alcuni tipi di cellule.
• Unipotenza: la capacità di differenziarsi in un singolo tipo di cellula. Questo fa sì che non ci siano dispersioni nelle cellule staminali.

Ad esempio gli epatociti, cellule del fegato, vengono generati in maniera molto rapida, infatti bastano poche cellule per ricostruire un fegato. Se riusciamo a togliere ogni lavoro al fegato, attraverso sistemi di trattamento del sangue, filtrazioni ecc..., queste cellule residue possono riprodursi molto velocemente.

Le caratteristiche di un tessuto dipendono dagli elementi cellulari che lo costituiscono, dal modo in cui sono associati, dalle modificazioni che subiscono in rapporto alla funzione e dalle caratteristiche delle sostanze intercellulari presenti.

Categorie di tessuti

Esistono 4 categorie di tessuti:

• Tessuto epiteliale: tessuto che riveste corpo e organi, ghiandole, unghie, denti ecc..., costituite da cellule molto fitte, appiattite e compatte e poste a mutuo contatto con interposta scarsissima sostanza intercellulare.
• Tessuto connettivo: ossa, cartilagine, sangue, caratterizzato da una sostanza fondamentale che tiene insieme le cellule e le sue caratteristiche variano in base a come si organizza la sostanza fondamentale.
• Tessuto muscolare: costituito da cellule di forma allungata specificatamente differenziate per la funzione contrattile.
• Tessuto nervoso: costituito da neuroni che si polarizzano e sono in grado di trasmettere il segnale, è un conduttore elettrico.

Un organo è una struttura differenziata costituita da cellule e da tessuti caratterizzati da funzioni diverse da.

Un apparato è un insieme di più organi le cui singole funzioni si sommano dando luogo ad una funzione più evoluta.

Un organismo è caratterizzato dall’unione di tutti gli apparati.

Apparato cardiocircolatorio

Tutte le reazioni chimiche avvengono perché c’è acqua nei nostri tessuti.

Il sistema vascolare è un insieme di condotti, arterie, arteriole ecc..., tra loro connessi, all’interno dei quali scorre un fluido particolare: il sangue.

Nel 1628 Harvey ha dimostrato l’importanza di conoscere i volumi delle cavità ventricolari per poter valutare la portata cardiaca. Inoltre, intuì che il sangue scorreva in tutto il corpo, ma non capì come facesse a tornare indietro. Con la microscopia si sono visti i capillari e solo a quel punto si è capito come circolava il sangue.

Il sistema cardiovascolare è costituito dal cuore, centrale di pompaggio, e da due circuiti, una ramificazione di vasi sanguigni: sistemico, che porta il sangue nel corpo, e polmonare, che porta il sangue nei polmoni dove viene caricato di ossigeno.

Il cuore è costituito da due pompe che lavorano contemporaneamente. Il sangue arriva dai polmoni all’atrio sinistro e poi al ventricolo sinistro. Con la contrazione sistolica, viene spinto in aorta, la quale si dirama e porta il sangue verso la periferia del corpo. I vasi arteriosi si diramano durante il loro percorso, dall’aorta ne partono altri e così via fino ad arrivare ai capillari, che vanno a portare il sangue dappertutto nel nostro corpo. I capillari venosi poi raccolgono il sangue, che ha ceduto ossigeno, e le vene si riuniscono riportando il sangue all’atrio destro e poi al ventricolo destro.

Con la contrazione viene spinto nella zona polmonare, dove viene rilasciata l’anidride carbonica e caricato nuovamente di ossigeno. L’apparato cardiovascolare si configura quindi come un circuito chiuso di condotti provvisto di una pompa: il cuore.

Aorta e biforcazioni arteriose

L’aorta è l’arteria principale ed è una struttura conica, che termina con una sezione che è circa un sesto della sezione iniziale, 25 mm. All’inizio ci sono delle diramazioni, carotidi, che portano il sangue al cervello, poi riscende e comincia a distribuire il sangue. L’aorta umana ha un diametro di 25 mm a livello della V vertebra toracica e di 15.5 mm a livello della IV vertebra lombare.

Per descrivere la variazione di sezione nelle arterie si assume una legge di tipo esponenziale:

Dove A0 ed r0 sono l’area del raggio in una data sezione e A è l’area in una sezione a valle ad una distanza x. Il valore di k varia nelle grosse arterie da 0.01 a 0.05.

Ogni volta che c’è una biforcazione o diramazione, l’area totale a valle della biforcazione è maggiore dell’area totale a monte della biforcazione. Il rapporto tra la sezione complessiva dei vasi a valle della diramazione, A, e la sezione del vaso a monte della diramazione A0 è detto coefficiente d’area:

Solitamente il coefficiente d’area assume un valore compreso tra 1.1 e 1.4, questo perché i rami raramente hanno sezione uguali tra loro, sebbene divenga più grande nel caso delle arterie più piccole.

Il continuo aumento della sezione di passaggio ad ogni giunzione arteriosa dimostra che la sezione complessiva di passaggio del sangue aumenta a mano a mano che ci si avvicina alla periferia.

Le vene sono generalmente più grandi delle rispettive arterie e questo comporta un numero maggiore di vasi rispetto alle arterie.

L’aumento in numero si ha già nella regione postcapillare in cui si ha un numero di vene che è da 2 a 20 volte il numero delle arterie nella regione precapillare.

Di conseguenza la sezione complessiva di passaggio è più grande di quella arteriosa allo stesso livello. Se ne conclude quindi che nel circolo venoso è presente una quantità maggiore di sangue, 67%.

Circolo polmonare

Il circolo polmonare aumenta la sezione complessiva di passaggio del sangue mano a mano che dall’arteria polmonare ci si avvicina alla rete capillare.

Unica eccezione si ha per la prima biforcazione del tronco comune dell’arteria polmonare per il quale si ha Ka=0.8. In tutte le divisioni successive il coefficiente d’area è maggiore dell’unità con un valore medio per le prima biforcazione pari a 1.07 mentre per le arterie distali di 1.15-1.30.

La principale differenza tra le maggiori arterie polmonari e le relative arterie del circolo sistemico risiede nel fatto che hanno una sezione ellittica, con rapporto tra l’asse maggiore e minore compreso nel range 1.07-1.91, ossia sono schiacciati, ma questo non comporta nulla sulla quantità di fluido che viene trasportata.

Alcuni studi hanno dimostrato che la sezione complessiva del sistema arterioso polmonare aumenta in un uomo tra 14 e 56 volte nel passaggio tra il tronco comune dell’arteria polmonare ed i vasi capillari con diametro di 15 micron.

Il sistema nervoso polmonare è simile, come comportamento, a quello sistemico. Anche in questo caso sono presenti più vene rispetto alle arterie a parità di dimensioni del vaso.

Il sangue

In un sistema biologico la maggior parte dei processi chimici avviene nella porzione fluida dell’organismo. L’acqua rappresenta il principale costituente di un corpo e la sua quantità, nell’uomo, dipende molto da contenuto di grassi del soggetto. Tale contenuto d’acqua è normalmente distribuito in tre compartimenti principali: plasma, fluido interstiziale e fluido intracellulare.

Il sangue non è un liquido, ma è costituito da due fasi, liquida e corpuscolata, e può essere considerato come una sospensione nel plasma, soluzione acquosa che ha la funzione di veicolare i diversi componenti dell’organismo, di una parte corpuscolata. È costituito da acqua con alcune sostanze aggiunte come alcune proteine, zuccheri, …. La parte corpuscolata è costituita da 3 elementi: globuli rossi, eritrociti, globuli bianchi, leucociti, piastrine, trombociti.

Globuli rossi, globuli bianchi e piastrine

La componente principale per numero e in percentuale di volume nel sangue sono i globuli rossi, 500000 per mm, che costituiscono una classe autonoma di particelle che durante il loro corso vitale, circa 120 giorni, dopo questo periodo vengono rinnovati e si può stimare che lo 0.8% viene ricostituito ogni giorno, modificano le loro caratteristiche reologiche. Sono dei dischi biconcavi delimitati da una membrana, stroma, con all’interno una soluzione contenente emoglobina, la proteina in grado di legare l’ossigeno in maniera reversibile e in grado di caricarsi di ossigeno a seconda della sua pressione quando entra in contatto con i globuli rossi, maggiore è la pressione, maggiore è la quantità di ossigeno che i globuli rossi possono assorbire.

I globuli rossi sono molto delicati, molto deformabili. Esistono delle sollecitazioni tangenziali, eventi chimici, meccanici o fisici, che provocano l’emolisi, quindi la rottura della membrana, che porta alla dispersione di emoglobina, che non è quindi più in grado di trasportare l’ossigeno.

L’emolisi, che avviene naturalmente al termine della vita degli eritrociti per opera di altre particelle del sangue, rappresenta un problema degli impianti di biomacchine, poiché aumenta in modo patologico. Gli sforzi normali invece, compressione e trazione, non sono in grado di danneggiare la membrana dell’eritrocita, anche se è stato dimostrato che la presenza di depressioni di 200 mmHg tendono ad innescare fenomeni di emolisi.

I globuli bianchi sono un aggregato di diversi elementi nucleari di forma sferoidale e sono leggermente meno deformabili e più rigidi dei globuli rossi. Fanno parte del sistema immunitario. Quando abbiamo un’infezione aumentano i globuli bianchi.

Le piastrine sono molto piccole e mostrano un moto di tipo browniano. Fanno parte del sistema immunitario e hanno la particolarità di legarsi, se rallentate, come i globuli rossi, e questo aggregarsi fa sì che si fermi il sangue, barriera meccanica per evitare perdita di sangue, emorragia.

Queste particelle vanno disperse nel plasma, liquido costituito da acqua all’interno della quale si trovano altre sostanze, sostanze inorganiche, proteine e altre sostanze come ormoni, enzimi....

La viscosità del plasma è una funzione di concentrazione di proteine che vi sono disciolte dentro.

La percentuale di globuli rossi, in generale della parte corpuscolata, all’interno del sangue si calcola con l’ematocrito, percentuale in volume che nell’uomo solitamente è compresa tra il 45% e il 50%.

Sistema nervoso

Il sistema nervoso opera secondo un preciso modello:

• Raccoglie gli stimoli e le informazioni provenienti dell’esterno, attraverso udito, vista, tatto.
• Integra, elabora e analizza le informazioni recepite.
• Attiva gli organi effettori che eseguono la risposta elaborato una strategia che viene trasmessa per poter svolgere le varie azioni.

La gestione delle informazioni è centralizzata nell’encefalo.

Possiamo distinguere il sistema nervoso centrale, costituito dall’encefalo e dal midollo spinale, e periferico, riguarda tutte le diramazioni dei segnali, di tutti i nervi che vanno verso la periferia e vanno in tutti gli organi e in tutti i tessuti.

Tutto il sistema nervoso si basa sulla presenza di neuroni, che sono cellule costituite da una parte centrale, corpo cellulare, che ha una serie di ramificazioni, dendriti, che ricevono le informazioni da altri neuroni nelle vicinanze. Il corpo cellulare è collegato, attraverso un cono di emergenza, che integra le informazioni raccolte, ad un lungo ramo, assone, che invece trasmette attraverso delle diramazioni, sinapsi, le informazioni.

Le cellule gliali tengono insieme i neuroni, li proteggono, ne facilitano la trasmissione di segnali, cellule di Schwann, lungo l’assone. Le cellule di Schwann