Appunti Biomeccanica

BIOMECCANICA

CELLULE

La cellula é 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 Shwann (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 Virkow fece le prime osservazioni sulle cellule in riproduzione e giunse alla conclusione

che ogni cellula derivava da un’altra cellula preesistente.

La teoria cellulare moderna riassume questi concetti in 3 enunciati:

1) le cellule sono le unità strutturali (base) degli organismi viventi

2) le cellule sono le unità funzionali degli organismi viventi

3) 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:

1) le cellule non è detto che siano microscopiche, poiché esistono cellule ben visibili ad occhio

nudo, come per esempio le uova degli uccelli.

2) 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,

3) 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)

4) ci sono sistemi in cui si ha la moltiplicazione del nucleo senza divisione cellulare (es. epatociti)

5) 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.

6) 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 muoio, inoltre interagiscono tra di loro, scambiandosi informazioni,

per cui non sono completamente indipendenti.

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 é 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

ambrionale 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 é 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.

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 che 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 diversi 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 limitati 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.

Esistono 4 categorie di tessuti:

1) 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

2) 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

3) TESSUTO MUSCOLARE: costituito da cellule di forma allungata specificatamente

differenziate per la funzione contrattile

4) TESSUTO NERVOSO: costituito da neuroni che si polarizzano e sono in grado di trasmettere

il segnale (é 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

d’alluvione 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, arteiole 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 capí 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 écostituito 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 pompiamo: il cuore.

L’aorta é l’arteria principale ed é una struttura comica, 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%)

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 é maggiore dell’unità

con un valore media 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’uovo, 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).

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 é la pressione, maggiore é 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 è 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 si 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:

1) raccoglie gli stimoli e le informazioni proveniente dell’esterno (attraverso udito, vista, tatto)

2) integra, elabora e analizza le informazioni recepite

3) 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 o distingue 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 é

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 shwann) lungo

l’assone. Le cellule di Schwan