Biomeccanica (2° parziale)

Tendini e legamenti

I tendini trasmettono le forze prodotte dalla contrazione muscolare all’osso al fine di movimentare una certa articolazione, fanno quindi parte della catena osso-tendine-muscolo-tendine-osso. I legamenti vanno a limitare i movimenti eccessivi di un’articolazione garantendo la stabilità, fanno parte della catena osso-legamento-osso. Sia tendini che legamenti hanno sì funzioni diverse come appena visto ma risultano essere molto simili da un punto di vista strutturale e per la composizione.

Composizione

Tendini e legamenti sono composti entrambi da due parti distinte:

• Parte cellulare: è a sua volta costituita da due categorie differenti di cellule, fibroblasti (hanno il compito di sintetizzare le componenti dell’ECM, il collagene, di organizzare e mantenere la matrice e la struttura dell’ECM. Nel tendine hanno anche il compito di pretensionare quest’ultimo) e linfociti, macrofagi e mastociti (si occupano dell’omeostasi).
• Parte non cellulare: costituita dall’ECM, è composta da collagene I, acqua, proteoglicani, glicosamminoglicani ed elastina.

L’organizzazione della struttura vede la formazione prevalentemente di fasci di fibre di collagene disposti in parallelo con l’eccezione di alcuni legamenti che contengono anche una elevata percentuale di elastina.

Differenze tra tendini e legamenti

Le differenze che possiamo notare tra tendini e legamenti sono tre e riguardano sia la composizione che la struttura di questi e hanno di conseguenza effetti anche sulle proprietà meccaniche delle due strutture. La prima differenza è la concentrazione di collagene nel tendine che è lievemente maggiore (con meno PG) rispetto al legamento. La seconda differenza è relativa alla struttura: infatti, nel tendine le fibrille sono più parallele rispetto al legamento. Infine, l’ultima differenza riguarda il diametro delle fibrille che è maggiore nel tendine rispetto al legamento.

Questa differenza di composizione tra tendine e legamento porta a una differenza di comportamento meccanico a livello macroscopico. Grazie alla più elevata concentrazione di collagene e al fatto che le fibrille sono sia più spesse che più ordinate, i tendini hanno un miglior comportamento meccanico con lo sforzo a rottura e un modulo elastico maggiore rispetto ai legamenti.

Struttura

I tendini sono composti prevalentemente da collagene, le cui molecole vanno a dare le microfibrille che a loro volta costituiscono le fibrille che si uniscono in fibre e poi in fasci di fibre, generando quindi una struttura altamente organizzata e gerarchica. Ogni livello strutturale ha poi un differente comportamento meccanico, l’unione di tutte le strutture fornisce il comportamento meccanico della macroscala.

Molecola: i tendini sono composti da collagene le cui molecole vengono prodotte dai fibroblasti nell’apparato del Golgi e poi assemblate nel reticolo endoplasmatico. Il collagene come sappiamo ha una tripla elica ed è circondata da un’area vuota detta di Van der Waals che distanzia le varie molecole quando si legano tra loro a causa della repulsione elettrostatica. La molecola di collagene ha quindi un diametro di 1,6 nm e una lunghezza di 300 nm. Quello presente nei tendini è di tipo I (5% omotrimero, 95% eterotrimero) e in una minor quantità quello di tipo III (omotrimero).

Fibrille: le fibrille e poi le fibre vengono ad originarsi attraverso il processo di fibrillogenesi. Le fibrille vengono prodotte nella cellula, sono immature e hanno un diametro piccolo. Quelle vere e proprie si formano nel Golgi in seguito alla fusione di più fibrille elementari. Viene aumentata la lunghezza tramite la fusione delle estremità di più fibrille mentre viene aumentato il diametro con le fusioni laterali. Si ottengono infine delle fibrille mature che si dividono in grandi (150-200 nm), intermedie (50-80 nm) e piccole (10-20 nm). Se sono costituite dallo stesso tipo di collagene vengono chiamate omotipiche altrimenti si definiscono eterotipiche. Le fibrille di collagene appaiono striate a bande chiare e scure con una periodicità di 67 nm, questo aspetto è dovuto alla disposizione estremamente regolare delle fibre di collagene che formano le microfibrille.

Il quarter stagger model descrive il modo in cui le molecole dispongono per formare microfibrille che si uniscono poi a loro volta a formare le fibrille dall’aspetto striato. Ogni microfibrilla è costituita da 5 molecole di collagene disposte una sopra l’altra e sfalsate in diagonale di una certa costante. Lo spazio è diviso in colonne equidistanti e su ogni fila le molecole di collagene occupano 4 colonne e un pezzettino, la fibra successiva sulla stessa riga inizia la colonna seguente. Ogni 5 righe la struttura si ripete uguale a sé stessa.

La striatura con un periodo di 67 nm che appare è dovuta all’alternarsi di colonne che contengono tutte e 5 le molecole di una microfibrilla (overlap zone), che formano le bande chiare, e colonne in cui c’è un’interruzione (gap zone), che formano le bande scure. Tra una molecola e l’altra, inoltre, si instaurano dei legami dovuti ai gruppi idrofobici degli amminoacidi, detti crosslink, che forniscono maggior stabilità alle fibrille. I crosslink si formano anche nel corso della vita e sono legami molto stabili, difficili da rompere.

Inoltre, la lunghezza delle fibrille non è pari a quella delle fibre (da mm a cm), ma le varie fibrille sono unite tra loro nella matrice acquosa grazie ai GAG e ai PG della matrice extracellulare. In particolare, la decorina che ha una forma a ferro di cavallo, si aggancia alle fibrille grazie alla sua particolare forma, legandosi ogni 67 nm in corrispondenza dei gap del collagene. La decorina ha una doppia funzione:

• Impedisce la crescita laterale ulteriore delle fibrille regolando la fibrillogenesi (fusione in > quantità se diminuisce la % di PG).
• La catena di GAG che fuoriesce dalla decorina si intreccia con tutti gli altri GAG delle altre fibrille e crea legami interfibrillari che mantengono unite le fibrille a formare le fibre nel loro complesso.

I legami tra i GAG, quindi, creano ponti tra le molecole di decorina e permettono la trasmissione della forza tra le fibrille. I GAG sono in grado di trasferire la sollecitazione da una fibrilla all’altra grazie al legame con la decorina che consente alla catena di GAG mobilità. I GAG si allineano ortogonalmente o parallelamente alle fibrille e seguono la loro riorganizzazione a seguito della sollecitazione trasmettendo il carico al tessuto.

Importante è poi lo studio delle dimensioni delle fibrille che può avvenire con due differenti tecniche:

• Omogeneizzazione: tendini ed embrioni vengono centrifugati ottenendo singole fibrille da cui si può misurare con un microscopio elettronico il diametro. Questa tecnica può essere usata solo su tendini di embrioni dove le fibrille non sono ancora saldamente legate e non si distruggono centrifugandole. Non è possibile studiare la lunghezza perché la centrifugazione rompe in lunghezza le fibrille. (Diametro alla nascita 30-70 nm, diametro mature 20-280 nm).
• Tomografia sequenziale con microscopia elettronica: si usano immagini della sezione delle fibrille a diverse distanze lungo l’asse, calcolando la lunghezza delle fibrille individuando la sezione terminale dove le sezioni si restringono. Si studia solo la lunghezza di poche fibre e poi si usa il metodo statistico. (Lunghezza 0,3-2 mm).

Fibra: le fibrille di collagene si aggregano poi a formare delle fibre che in seguito si uniscono a formare fasci che vanno a costituire tendini e legamenti. Per quanto riguarda la disposizione delle fibrille per formare la fibra, l’ipotesi è che segua una disposizione tetragonale, quasi esagonale, a cilindri concentrici. Le fibrille che compongono le fibre presentano diametri molto variabili e non sono mai perfettamente circolari. Si ottengono delle fibre con diametro 100-500 nm. Nel momento in cui i tendini sono a riposo la fibra assume una struttura increspata con un’ondulazione quasi sinusoidale e planare che tende ad allinearsi quando il tendine viene posto in tensione. Questa struttura increspata è molto importante e determina le caratteristiche meccaniche macroscopiche all’inizio dell’applicazione del carico.

Proprietà meccaniche microscopiche

Le proprietà variano al variare della struttura presa in considerazione. Se passiamo da micro a macro, si assiste al decadimento delle proprietà meccaniche con riduzione del modulo elastico. Il comportamento del collagene è elastico lineare in tutte le strutture. Confronto collagene – fibrille: il modulo elastico del collagene è circa il doppio di quello della fibrilla. Le prove hanno dimostrato che l’allungamento di una molecola di collagene è pari a 70/80% dell’allungamento di una fibrilla.

Quando tiro la singola molecola, prima vado a stirare la tripla elica rendendola compatta; a quel punto vado a deformare i legami covalenti. Ho quindi una deformazione complessiva = deformazione molecola + variazione orientamento + deformazione dei cross-link. Bisogna poi considerare come l’area totale della fibrilla non è la somma delle aree occupate dalle singole fibre di collagene ma bisogna considerare anche l’area di Van der Waals che circonda le molecole. Quindi il fatto che il modulo elastico della fibrilla sia la metà di quello del collagene è dovuto all’allungamento dei gap e alla presenza di queste aree vuote.

Proprietà meccaniche macroscopiche

Tendini e legamenti hanno un comportamento elastico non lineare che può essere diviso in zone:

• Tratto iniziale: progressivo riallineamento delle fibrille in direzione d’applicazione del carico, da struttura ondulata a fibre parallele. All’aumentare della deformazione corrisponde un piccolo aumento di carico.
• Tratto AO: progressivo reclutamento delle fibre di collagene che da un andamento esponenziale, in A le fibre sono tutte tese.
• Tratto AB: quasi lineare.
• Tratto BC: progressivo danneggiamento delle fibre di collagene, sottoposte a carichi troppo elevati. In C si ha rottura del tendine.

Anche nel tendine, come la maggior parte dei tessuti biologici, ha un comportamento anisotropo con caratteristiche meccaniche migliori in direzione longitudinale rispetto a quella trasversale. Tendine e legamento hanno comportamento meccanico leggermente diverso alla macroscala dovuto alle piccole differenze di composizione e disposizione delle fibre (legamenti hanno proprietà meccaniche e modulo leggermente inferiori a quello dei tendini).

Dipendenza dall'invecchiamento

Durante la vita del soggetto si verifica un miglioramento progressivo delle caratteristiche meccaniche dei tendini che si traduce in un aumento di rigidezza e di sforzo a rottura nel tempo. Si distinguono tre grandezze legate al comportamento meccanico la cui evoluzione temporale è leggermente diversa: rigidezza (aumenta durante tutte le fasi di sviluppo senza mai diminuire), carico e energia a rottura (raggiungono un massimo durante la maturità e in seguito decrescono, soprattutto l’energia di rottura, dovuto all’aumento dei cross-link tra le fibrille che aumentano la rigidezza ma anche la fragilità del materiale).

Guarigione dopo un trauma

La guarigione è un processo molto lento che spesso non porta al completo recupero delle proprietà meccaniche originali (circa il 60% dopo 180 giorni). Fenomeno dovuto al fatto che il tessuto è altamente organizzato e diretto mentre il tessuto cicatriziale è formato da una rete di collagene senza direzione preferenziale. Tessuti poco organizzati si riparano velocemente e molto bene (villi intestinali), mediamente organizzati che ci mettono poco (muscoli) e tessuti come pelle e tendini che hanno un processo di guarigione lungo e poco efficace.

Effetto dell'attività fisica

Il livello di attività fisica di un soggetto fa variare il diametro delle fibrille di collagene che costituiscono tendini e legamenti. Alcuni tendini aumentano il diametro delle fibrille e quindi le proprietà meccaniche. Al contrario, l’immobilizzazione per lunghi periodi produce una modifica delle caratteristiche geometriche delle fibre, con una marcata diminuzione delle fibrille di grande diametro e un decadimento delle prestazioni.

Proprietà viscoelastiche

I tendini hanno spiccate proprietà viscoelastiche dovute al grande contenuto di acqua e PG tra le microfibrille. Tali proprietà si notano nell’area d’isteresi che caratterizza le curve di carico e scarico dei tendini nel grafico sforzo-deformazione. Un altro modo per testare le proprietà viscoelastiche di tendini e legamenti sono le prove di rilassamento e creep.

• Rilassamento: Prove statiche il carico viene applicato in modo costante e si misura il tempo che il materiale impiega ad arrivare al valore di sforzo di regime: nel materiale sottoposto a deformazione costante si verifica una strizione variabile nel tempo, dovuta al fatto che l’acqua tra le microfibrille fuoriesce progressivamente dalla struttura e non in maniera istantanea. Prove cicliche invece si assiste ad una progressiva diminuzione del valore degli sforzi man mano che il numero di cicli condotti aumenta, fino ad assumere un comportamento costante nel tempo. Queste prove costituiscono anche un precondizionamento dei tendini. Il fenomeno del rilassamento di un tendine dipende inoltre dal contenuto di acqua dello stesso: legamento con contenuti maggiori di acqua si rilassano di più rispetto a legamenti con contenuto di acqua inferiore, ovvero la presenza di acqua fa diminuire il valore di sforzo a regime.
• Creep: ulteriore conferma della viscoelasticità del tendine è il suo comportamento a creep. Infatti, sottoposto a sforzo costante, il legamento mostra una deformazione con andamento esponenziale.

Cartilagine

Si tratta di un tessuto molto simile alle ossa anche se con un contenuto minore di fosfato di calcio (scheletro feti in cartilagine e dopo subisce mineralizzazione). La particolarità è che sono a contatto con le ossa e non vi è una vera e propria divisione con esse, infatti le due si fondono insieme e vi è un passaggio progressivo tra le due strutture. Sono un tessuto molto delicato in quanto la rigenerazione è scarsa a causa della bassa vascolarizzazione. Infine, spesso troviamo l’associazione della cartilagine con strutture sinoviali.

Tipologia di cartilagine

Si distinguono tre famiglie differenti di cartilagine in base alla struttura e alla composizione diversa che varia a seconda delle loro funzioni:

• Cartilagine ialina o articolare: si trova nelle articolazioni, nelle coste, nel naso, nei bronchi e nella trachea. È costituita da collagene di tipo II.
• Fibrocartilagine bianca: si trova nei dischi intervertebrali, nei dischi articolari e nelle zone di legame tra ossa e tendini, è formata da collagene I e si occupa di sostenere.
• Cartilagine elastica o gialla: si trova nell’orecchio, nella laringe e nell’epiglottide. Contiene molta elastina perché costituisce delle strutture che devono essere deformabili.

Cartilagine ialina o articolare

Composizione

Nella cartilagine ialina troviamo collagene di tipo II e una percentuale elevata di ialuronani che, grazie alla collaborazione con l’acqua, garantisce il comportamento viscoelastico. Importanti sono anche i PG, tra cui il più presente è l’aggrecano. Un’altra particolarità è la porosità e la presenza all’interno di un liquido sinoviale che migliora la viscoelasticità.

Struttura

Se osservo a livello nanoscopico posso osservare una struttura molecolare di collagene e PG, a livello ultrastrutturale invece osservo le singole fibrille di collagene intrecciate ai PG e infine a livello microscalare posso distinguere i condrociti immersi nella matrice di collagene e PG. Se osserviamo la cartilagine a livello microscopico possiamo distinguere 4 strati differenti:

• Strato superficiale: fibrille e PG orientati paralleli alla superficie così che ora resistono bene a sforzi di taglio, elevata quantità di acqua e collagene e bassa quantità di PG.
• Strato intermedio: diametro fibrille maggiore e PG orientati in modo casuale, diminuisce il contenuto in acqua e aumentano i PG.
• Strato profondo: fibrille e PG sono perpendicolari alla superficie ossea, acqua cala drasticamente e aumentano ancora i PG, rimane uguale il contenuto di collagene.
• Strato calcifico: fibrille di collagene si fondono con le fibre dell’osso.

Per quanto riguarda la distribuzione e la forma dei condrociti, questa varia nei vari strati: in quello superficiale sono ovali e paralleli alla superficie di scorrimento; in quello intermedio sono globulari e in quello più profondo sono più concentrati formando gli agglomerati (2-6 cellule, gruppi isogeni) questo perché vengono generati nella zona calcifica vicino all’osso. Nella cartilagine non ci sono poi i vasi sanguigni e le terminazioni nervose, il nutrimento arriva dalle membrane o dal liquido sinoviale, infatti il continuo movimento di fluido causato dalle sollecitazioni permette lo scambio di sostanze. Lo spessore della cartilagine è tra 1–5 mm.

Funzioni

Distribuzione del carico nell’articolazione: la distribuzione del carico nell’articolazione è una funzione fondamentale della cartilagine.