Appunti dettagliati del corso triennale Biomeccanica

Biomeccanica cellule

La cellula è l’elemento base della vita. Nella cellula si svolgono tutte le attività chimiche per sostenere la vita (generano tutte le attività dei tessuti e degli organi).

Le cellule contengono proteine, acidi nucleici, acqua carboidrati e altre sostanze. È l’unità fondamentale di tutti gli organismi viventi.

Nel 1838 Schwann e Schleiden proposero la teoria cellulare secondo la quale tutti gli organismi sono costituiti da cellule e da componenti cellulari. (Protozoi e metazoi, organismi mono e pluri cellulari rispettivamente.

Nel 1860 si affermò che ogni cellula vivente deriva da una cellula preesistente.

La teoria cellulare moderna si riassume in tre concetti:

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

Nel 1850 Schulze definì 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:

• Non è detto che le cellule siano microscopiche (esistono cellule ben visibili a occhio nudo es. uova degli uccelli).
• Nei tessuti non abbiamo solo cellule ma anche degli elementi extra cellulari; si parla di tessuto connettivo (in gran parte formato da elementi extracellulari, ma sempre sintetizzate e assemblate dalle cellule connettivali.
• Ci sono sistemi in cui le cellule si fondono tra loro per creare un sistema cellulare più ampio (es fibre muscolari).
• Il nucleo si può moltiplicare senza divisione cellulare.
• I virus non rientrano nella teoria. Non sono cellule né organismi, infatti non si riproducono, ma si riproducono grazie alle sostanze che si trovano intorno ad esso. In più il virus non muore ma si disattiva.
• E infine 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 è saturo la riproduzione si arresta. E in più le cellule interagiscono tra di loro, scambiandosi informazioni, e per questo motivo non sono completamente indipendenti.

Cellula procariotica

Sono cellule che non hanno un nucleo. Al di là del contenitore che è la membrana cellulare, c’è il citoplasma e il DNA.

Cellula eucariotica

Hanno un nucleo, oltre al citoplasma, mitocondri e altri elementi. Le cellule dotate di nucleo sono cellule in cui si ha una comunicazione tra nucleo e citoplasma, perché ci sono dei pori nucleari attraverso cui c’è il passaggio di sostanza.

Organuli cellulari

All’interno della cellula sono presenti vari organuli cellulari come: il citoplasma, il nucleo, il nucleolo, il reticolo endoplasmatico liscio e rugoso ecc.

Questi possiedono una struttura e una funzione ben definita e sono presenti sia nelle cellule animali che vegetali.

La 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.

Tessuto

Il tessuto rappresenta un insieme di cellule specializzate, simili per morfologia e derivazione embrionale e associate per funzioni. Nei tessuti semplici le cellule sono tutte dello stesso tipo. Nei tessuti complessi sono presenti più tipi cellulari. L’organizzazione delle cellule in tessuti è resa possibile grazie alle giunzioni cellulari che regolano il riconoscimento e l’adesione tra cellula e cellula.

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

• Labili, cioè soggette a continuo rinnovamento per divisione costante.
• Stabili, cioè che usualmente non si dividono ma che possono farlo in caso di necessità.
• Perenni, cioè che hanno perso la capacità di dividersi.

Cellule staminali

Sono cellule non specializzate, dotate della capacità di trasformarsi in diversi altri tipi di cellule del corpo attraverso un processo denominato differenziamento cellulare.

Queste vengono classificate in base alla loro potenzialità di differenziarsi nei vari tipi o linee cellulari:

• Totipotenti: possono produrre qualsiasi altro tipo di altra cellula, e produrre tutte le cellule differenziate in un organismo.
• Pluripotenti: quando hanno la capacità di dividersi e di differenziarsi in uno qualsiasi dei tre foglietti embrionali. Queste cellule non possono pertanto dare origine a un organismo adulto, perché non hanno il potenziale per contribuire ai tessuti extraembrionali.
• Multipotenti: quando hanno la capacità di differenziarsi in un numero limitato di linee cellulari.
• Oligopotenti: che hanno la capacità di differenziarsi sono in alcuni tipi di cellule.
• Unipotenti: che hanno la capacità di differenziarsi in un singolo tipo di cellula.

Tessuto: insieme di più cellule correlate dal punto di vista morfologico e funzionale, che costituisce gli organi.

Le caratteristiche di un tessuto dipendono dagli elementi cellulari che lo costituiscono, dal modo con cui sono associati, dalle modificazioni che subiscono in rapporto alla funzione e dalle caratteristiche delle sostanze intercellulari presenti (matrice extracellulare). Nell’uomo sono presenti 4 categorie di tessuto:

• Tessuto epiteliale: (es denti), tessuto che riveste corpo e organi. Sono cellule molte fitte e compatte.
• Tessuto connettivo: (es ossa) caratterizzato da una sostanza fondamentale nella quale sono immerse cellule di vario tipo. Le caratteristiche variano al variare dell’organizzazione della sostanza fondamentale.
• Tessuto muscolare: formato da cellule di forma allungata specificamente differenziate per la funzione contrattile.
• Tessuto nervoso: costituito da cellule (neuroni) in grado di condurre impulsi elettrici e da altre cellule di supporto.

Organo, apparato e organismo

Organo, se mettiamo insieme più tessuti diversi con funzioni diverse possiamo costruire un cioè una struttura differenziata costituita da cellule e da tessuti deputata ad una o più funzioni specifiche nell’ambito di un organismo animale o vegetale.

Apparato, se mettiamo più organi insieme abbiamo un cioè un insieme di più organi le cui singole funzioni si sommano dando luogo a ione più generale.

L’organismo, tutti gli apparati messi insieme formano che è un essere vivente con propri caratteri morfologici e funzionali.

Apparato cardiocircolatorio

Il sistema vascolare è un insieme di condotti tra loro connessi all’interno dei quali scorre un fluido particolare che è il sangue.

Nel 1628 Harvey dimostrò l’importanza di conoscere i volumi delle cavità ventricolari per poter valutare la portata cardiaca ed è ragionevole ipotizzare che l’architettura del sistema cardiovascolare sia perfettamente definita e le dimensioni dei diversi vasi siano state valutate con una buona approssimazione.

Il sistema cardiovascolare è costituito dal cuore e da una ramificazione di vasi sanguigni che partendo dal cuore vi ritornano dopo essere aumentati di numero e ridotti di sezione (dalle grandi arterie ai capillari) e successivamente essere ridotti di numero ed aumentati di sezione (dai capillari alle grosse vene).

Sono inoltre riconoscibili due sistemi di circolazione in serie tra loro: il circolo sistemico (che porta sangue nel corpo), e il circolo polmonare (che porta il sangue nei polmoni dove viene caricato di ossigeno).

Il cuore è costituito da due pompe che lavorano contemporaneamente. Il sangue arterioso dal ventricolo sinistro viene immerso nell’arteria aorta e poi trasportato in ogni distretto dell’organismo. I vasi arteriosi si diramano durante il loro percorso, fino ad arrivare ai capillari che portano il sangue in tutto il nostro corpo. I capillari venosi poi raccolgono il sangue, che ha ceduto ossigeno, e le vene si riuniscono riportando il sangue al cuore destro. Con la contrazione viene spinto nella zona polmonare, dove viene rilasciata anidride carbonica ed è caricato nuovamente ossigeno.

L’aorta

L’arteria principale è l’aorta, che è una struttura conica, che termina con una sezione che è circa un sesto di quella iniziale (circa 25 mm).

Per descrivere di sezione la valutazione arterie nel: complessiva sezione dei vasi a valle della ramazione (fr/ro AA Are WA= Il rapporto è maggiore di 1 perché l’area a valle della definisco -> = biforcazione è maggiora dell’area a monte della ACOEFFIUENTE biforcazione - o sezione che vaso ad valore D'AREA ↳ della nelle a monte grosse (solitamente diramazione vana antene /~14) 85 da tra 01 00 a 11 +.

Vene

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

Circolo polmonare

La prima biforcazione ha un coefficiente di area minore di 1 ma poi si ripristina e sarà maggiore di 1. Quindi aumenta la sezione complessiva di passaggio dal sangue mano a mano che dall’arteria polmonare ci si avvicina alla rete capillare.

La principale differenza tra le maggiori arterie polmonari e le relative arterie del circolo sistematico risiede nel fatti che la loro sezione è normalmente ellittica con un rapporto tra l’asse maggiore e minore compreso nel range 1.07-1.91. La presenza di questa ellitticità non è in generale importante dal punto di vista emodinamico (quantità di fluido che viene trasportata), ma ha un’importanza nel definire il legame tra le morfologie dell’onda di flusso e di pressione. Il sangue passa in condotti arteriosi che si diramano fino a che non si arriva ai capillari che hanno diametri intorno ai 15 micrometri.

Questi capillari vanno nei bronchi e negli alveoli dove avviene lo scambio e il sangue si carica di ossigeno. Poi torna indietro al cuore sinistro e rinizia il ciclo.

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

Il sangue

Il sangue è una sospensione nel plasma di una parte corpuscolata, di cui i globuli rossi oltre ad essere il principale costituente sono considerati fluido intracellulare.

Quindi si può definire come un tessuto costituito da una sospensione di diversi elementi in una soluzione acquosa, detta plasma. Il plasma ha la funzione principale di veicolare i diversi componenti dell’organismo.

Il sangue è formato da due fasi: liquida e corpuscolata. Quella corpuscolata è costituita da 3 elementi: globuli rossi (eritrociti), globuli bianchi (leucociti), piastrine (trombociti).

• I globuli rossi: rappresentano il componente principale (500000 per mm). I globuli rossi durante il loro corso vitale (120 giorni, e ogni giorno vengono ricambiati circa 0.8% degli eritrociti) modificano le loro caratteristiche reologiche. Sono dischi biconcavi delimitati da una membrana (stroma) con all’interno una soluzione contenente emoglobina (cioè la proteina che è in grado di legare l’ossigeno in maniera reversibile, e si carica di ossigeno a seconda della pressione dell’ossigeno quando va a contatto con i globuli rossi). I globuli rossi sono molto delicati e deformabili.

L’emolisi che avviene naturalmente al termine della vita degli eritrociti per opera di altre particelle del sangue, rappresenta un problema. L’emolisi è provocata da eventi.

I globuli rossi costituiscono una classe autonoma di particelle meccanici, chimici o fisici. La rottura della membrana provoca la dispersione dell’emoglobina.

Durante il loro corso vitale (di circa 120 giorni) modificano le loro caratteristiche reologiche. Rappresentano anche il componente principale per numero e in percentuale di volume del sangue.

Sono 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.

• I globuli bianchi: sono un aggregato di diversi elementi nucleati di forma sferoidale e sono leggermente meno deformabili dei globuli rossi. Fanno parte del sistema immunitario e quando abbiamo un’iniezione aumentano.
• Le piastrine: sono più piccole e mostrano un moto 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 (per esempio la crosta che si forma dopo una ferita). Queste sono disciolte nel plasma.

I globuli bianchi sono un aggregato di diversi elementi nucleati di forma sferoidale e sono leggermente meno deformabili dei globuli rossi. Le caratteristiche meccaniche non sono state completamente definite e la loro presenza è legata alle funzioni del sistema immunitario.

Le piastrine sono molto piccole e mostrano un moto di tipo browniano; le loro caratteristiche.

I leucociti e le piastrine occupano normalmente una piccola frazione del volume del sangue intero, il loro effetto sul comportamento reologico del sangue è normalmente trascurabile.

Il plasma

Il plasma è formato da acqua all’interno della quale si trovano altre sostanze. La viscosità del plasma dipende dalle proteine che vi sono disciolte dentro. Il plasma è un liquido costituito da acqua (90% in volume), sostanze inorganiche (1% in volume: ioni Na, K, Cl, ..), proteine (7% in volume) ed altre sostanze (1% in volume: ormoni, enzimi, vitamine, gas disciolti). La pressione osmotica del plasma è equivalente a quella di una soluzione di NaCl (in acqua) a 0.9% in peso (soluzione ISOTONICA o FISIOLOGICA).

La viscosità è funzione della concentrazione di proteine (di grosse dimensioni) soprattutto di quelle assial-simmetriche μ~= 1.4-1.5 10-3 Pa.s.

L’emacrotico, è la percentuale in volume occupata dagli elementi corpuscolata ed è compreso tra il 45 e 50 %. Può anche essere molto elevato 50-60% nei neonati, 65-75% nei prematuri, 60% nelle popolazioni che vivono in quota) o molto basso (20-25% in coloro che sono affetti da talassemia o anemia).

La composizione del fluido di sospensione delle parti corpuscolata, il plasma, è estremamente varia.

Il plasma è normalmente una soluzione acquosa, sebbene contenga piccole particelle non cellulari.

Sistema nervoso (SN)

Il sistema nervoso opera secondo un modello preciso:

• Raccoglie gli stimoli provenienti dall’esterno.
• Integra e analizza le informazioni.
• Attiva gli organi effettori che eseguono la risposta.

Negli animali superiori la gestione delle informazioni è centralizzata nell’encefalo.

Quindi il SN ha un centro di raccolta di elaborazione nel cervello (encefalo).

Nell’uomo il sistema nervoso si divide in:

• Sistema nervoso centrale (SNC) costituito dalla parte dell’encefalo e midollo spinale.
• Sistema nervoso periferico (SNP) costituito da nervi e gangli neuroni.

Tutto il sistema nervoso si basa sulla presenza di neuroni che sono cellule eccitabili costituite da: un corpo cellulare, più dendriti (ramificazioni che ricevono le informazioni), e l’assone (che è un ramo lungo che trasmette attraverso delle diramazioni dette sinapsi, le informazioni).

Cellule gliali

La glia costituisce circa la metà della massa del sistema nervoso centrale e sostiene le fibre nervose dal punto di vista strutturale e metabolico. Esistono differenti tipi di glia: le cellule di Schwann (che proteggono l’assone con una guaina mielinica che serve ad aumentare la velocità dell’impulso nervoso lungo l’assone), gli oligodendrociti, gli astrociti.

Trasmissione del segnale, il potenziale di riposo

La capacità di condurre gli impulsi di un neurone è legata a due caratteristiche: sono cellule polarizzate e possiedono specifici canali ionici che permettono l’instaurarsi del potenziale di membrana. Il potenziale di membrana è la tensione elettrica, misurabile in una cellula, tra il versante citoplasmatico, che presenta cariche negative, e quello extracellulare, che presenta cariche positive. Quando nell’assone non passa un impulso elettrico, il potenziale di membrana è definito potenziale di riposo.

Misurazione del potenziale di riposo neurone della membrana la.

Il potenziale di riposo è determinato dalla differenza di ioni Na+ e K+ tra l’interno e l’esterno della membrana. Il potenziale di riposo della membrana di un neurone varia tra i −60mV e i - 70mV.

Canali ionici pompe e la concentrazione degli ioni è regolata da:

• I canali del Na+ e del K+.
• La pompa sodio-potassio.
• I canali voltaggio-dipendenti.

Le sinapsi sinapsi. I neuroni comunicano a livello delle sinapsi. La cellula che manda il segnale è definita presinaptica, quella che riceve il segnale è detta postsinaptica. Le sinapsi possono essere:

• Chimiche, se il segnale passa attraverso un neurotrasmettitore.
• Elettriche, quando i neuroni sono connessi tra loro mediante giunzioni serrate.

Sistema nervoso centrale

È costituito dall’encefalo e dal midollo spinale. L’encefalo è formato da sostanza grigia e bianca ed è suddiviso in:

• Telencefalo, che è proprio il cervello che è composto da due emisferi cerebrali ricoperti dalla corteccia cerebrale e uniti dal corpo calloso.
• Diencefalo, che comprende talamo, ipotalamo e epifisi.
• Tronco encefalico, è posto tra il midollo spinale e il diencefalo.
• Cervelletto, che è posizionato sotto al cervello, controlla la postura e coordina i movimenti (la parte destra del cervello controlla la parte sinistra e viceversa).

Le meningi: l’encefalo e il midollo spinale sono avvolti da tre membrane di tessuto connettivo dette meningi (dura madre, aracnoide,