Caratterizzazione dei tessuti

Caratterizzazione dei tessuti

Il corpo umano è costituito per il 99% da ossigeno, azoto, carbonio e idrogeno. Questi sono gli elementi principali presenti sulla crosta terrestre, ad eccezione del silicio. Inoltre, ci sono altri elementi ma in piccolissima percentuale. Proprio questa piccolissima percentuale permette di avere materiali differenti all'interno del corpo umano. Il diagramma di Ashby permette di confrontare i diversi materiali rispetto alla densità e al modulo elastico E.

Materiali biologici

I materiali biologici non sono dotati di particolari proprietà. Il loro successo risiede nel modo in cui si assemblano, interagiscono e nel fatto che sono viventi, quindi in grado di autoripararsi. I biopolimeri sono responsabili della maggior parte delle sollecitazioni meccaniche nel mondo biologico, come:

• Cellulosa (negli alberi) - zuccheri
• Chitina (esoscheletri di crostacei e insetti)
• Fibroina (seta del ragno) - proteine
• Collagene (proteina strutturale nel corpo umano) - estremamente versatile

Il collagene si trova in:

• Legamenti (E basso)
• Tendini (E intermedio)
• Cartilagini (E elevato)

Strutture fibrose

La maggior parte delle strutture biologiche deputate a resistere o trasmettere carichi sono realizzate da componenti fibrose. Questo perché la strategia di assemblamento/smontamento più semplice nell’ambiente cellulare è la sintesi di lunghe catene basate su C, O, N, H (catene di aminoacidi o zuccheri). Queste lunghe catene si legano tra di loro a formare microfibrille. Ad ogni aggregazione in fibrille, cambiano le proprietà meccaniche delle fibre.

Una conseguenza dell’uso di strutture fibrose è un tessuto altamente specializzato e anisotropo, cioè esibisce differenti proprietà meccaniche a seconda della direzione di applicazione del carico. Per esempio, nelle ossa come il femore:

• Tutte le superfici di contatto sono coperte da cartilagine.
• Protuberanze ossee come il piccolo e grande trocantere si formano perché punti in cui si scaricano tante forze.
• Direzione degli sforzi principali.

La strategia dell'anisotropia consiste nel lavorare sull'architettura del tessuto per ottenere elevate prestazioni meccaniche limitando la quantità di materiale (quindi il peso). Questa scelta ha un prezzo: l'ottimizzazione esiste, ma tipicamente coinvolge la direzione in cui sono massimizzate le prestazioni meccaniche.

Nelle strutture biologiche deputate a sostenere stati di sollecitazione, si possono osservare molteplici architetture. Non esiste un’unica soluzione o architettura, ma soluzioni individuali dipendenti dalle specifiche condizioni di sollecitazione. Le strutture fibrose sono resistenti a sollecitazioni di trazione, tuttavia sono instabili a sollecitazioni di compressione. Soluzioni per resistere:

• Introdurre minerali (parte inorganica) caratterizzati da elevato E e intimamente connessi alla fase fibrosa.
• Precaricare le fibre con uno stato di sollecitazione di trazione in modo che difficilmente debbano lavorare a compressione.
• Stabilire e promuovere la formazione di legami laterali.
• Cambiare l'orientazione delle fibre in modo che la sollecitazione di compressione non agisca sull’asse della fibra.

Materiali biologici di base

• Componente minerale
• Proteine
• Proteoglicani e idrossiapatite
• Acqua
• Glicosaminoglicani
• Collagene
• Resilina
• Elastina
• Fibroina/Cheratina
• Ialuronani
• Actina
• Sericina
• Tubulina

Il collagene conferisce rigidità, l'elastina conferisce elasticità (proprietà simili al caucciù, gomma naturale), e la cheratina è presente nelle unghie. L'actina forma le funi della tensostruttura del citoscheletro, mentre la tubulina funge da pali della tensostruttura del citoscheletro, con il polimerizzare e depolimerizzare che determinano cambi di forma e movimento.

Nel mondo animale, la resilina è la proteina degli insetti che permette al grillo di saltare velocemente. La fibroina si trova nella seta del ragno e i proteoglicani formano legami con i glicosaminoglicani (GAG).