Biomedical Engineering - Biomeccanica

Dispensa Biomeccanica - Migliavacca

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1 1. SANGUE Il sangue è un tessuto costituito da una sospensione di diversi elementi in una soluzione acquosa. La soluzione acquosa, chiamata plasma, ha la funzione di veicolare diversi componenti nell’organismo. Il sangue svolge numerose ed importanti funzioni: - per mezzo dell'emoglobina contenuta negli eritrociti, porta l'ossigeno ai vari tessuti e ne preleva l'anidride carbonica (CO2); - trasporta sostanze nutritive (amminoacidi, zuccheri, sali minerali) e raccoglie quelle escrete dai vari app arati che verranno eliminate attraverso il filtro renale od elaborate dal fegato ; - contribuisce alla regolazione della temperatura corporea; - trasporta inoltre ormoni, enzimi e vitamine; - presiede alla difesa dell'organismo attraverso l'azione svolta dai glob uli bianchi. Il processo di produzione della componente corpuscolata, cioè delle cellule del sangue (emopoiesi), si svolge, durante i primi anni di vita, nel midollo delle diafisi delle ossa lunghe; poi, in età adulta, si localizza nel midollo delle ossa c orte e piatte . L'insieme degli organi e dei tessuti in cui avviene la produzione degli elementi corpuscolari del sangue è detto sistema emopoietico. Tutti gli elementi corpuscolari del sangue deriverebbero da un'unica cellula progenitrice indifferenziata, l'emocitoblasto, il quale darebbe vita ai vari elementi maturi attraverso diversi stadi di sviluppo e di differenziazione. Con la centrifugazione la parte corpuscolata (cellulare) può essere divisa dalla parte liquida (plasmatica) e può essere valutata la percentuale in volume occupata dagli elementi corpuscolati, detta ematocrito (Ht). In particola re un campione di sangue centrifugato si suddivide in uno strato superiore trasparente di colore giallo paglierino (il plasma); uno strato intermedio molto sott ile di colore biancastro composto da piastrine e globuli bianchi; uno strato inferiore rosso composto da eritrociti. 1.1 ERITROCITI Il globulo rosso, o eritrocita, è una piccola cellula non nucleata del diametro di circa 8 μm. Dal punto di vista morfologico, si presenta come un disco biconcavo, delimitato da una membrana detta stroma. La membrana è una struttura complessa descrivibile come una matrice scheletrica a struttura esagonale, costituita fondamentalmente da tetrameri di spectrina, c onnessa con il doppio strato di fosfolipidi che rappresenta l'interfaccia esterna . 2 Nella connessione e nella struttura stessa della matrice scheletrica intervengono altri elementi proteici con diverse configurazioni e funzioni. Nel citoplasma de gli eritrociti si trova una soluzione di emoglobina, la proteina in grado di legare l'ossigeno in maniera reversibile, che costituisce da sola il 90% delle molecole proteiche contenute nei globuli rossi. Senza la presenza di questa molecola il sangue non p otrebbe trasportare che una minima quantità di ossigeno, insufficiente a coprire il fabbisogno delle cellule dei tessuti. Grazie all'emoglobina, invece, la capacità di trasporto del sangue aumenta notevolmente. Il contenuto di ossigeno nel sangue può infat ti essere espresso come la somma della concentrazione dell'ossigeno disciolto nel plasma e nel liquido globulare ([O,]) più la concentrazione di ossiemoglobina (l'emoglobina legata all'ossigeno, [HbO,]). In unità molari (ad es. mmol/1) il contenuto totale di ossigeno sarà: �� �2= [�2]+ [������� �2] La concentrazione dell'ossigeno disciolto dipende dalla pressione parziale di ossigeno ��2 secondo la legge di Henry: [�2]= ��2 ��2 Dove ��2 è il coefficiente di solubilità dell’ossigeno e vale 9,83 ∙10 −3���� /�∙��� In condizioni arteriose normali ��2 vale 100 mmHg e quindi la concentrazione di ossigeno è 0,13 mmol/l. Gli eritrociti derivano dagli emocitoblasti che si trasformano n el midollo osseo in eritroblasti, cellule dotate di nucleo le quali si suddividono moltiplicandosi in progressione aritmetica e poi vanno a maturazione riempiendosi di emoglobina e perdendo il nucleo, che si trasforma in un reticolo (reticolociti) fino a s comparire del tutto (eritrociti). Dopo tale maturazione vengono rilasciati nel circolo sanguigno dove svolgono per 90 -120 giorni i l loro compito per poi essere distrutti dal fegato e dalla milza. All'interno di un vaso i globuli rossi tendono a distribui rsi in modo uniforme e per la presenza di una carica elettrica negativa sulla loro membrana si mantengono separati. In stato di quiete, o per bassi valori del gradiente di velocità, si osserva invece la tendenza degli eritrociti ad impilarsi formando i cos iddetti rouleaux, che sono aggregati di poche decine o unità di globuli rossi . 1.2 GLOBULI BIANCHI I globuli bianchi (leucociti) sono un aggregato di diversi elementi di forma sferoidale, sono dotati di nucleo e sono leggermente meno deformabili dei globuli rossi in quanto il loro citoscheletro si sviluppa in tutto il volume cellulare. Hanno lo scopo di difendere l'organismo, e vengono prodotti dalla milza, dai linfonodi e dal midollo osseo. Nel sangue sono assai meno numerosi dei glob uli rossi. I globuli bianchi sono divisi in tre grandi gruppi: granulociti, linfociti e monociti . 3 1.2.1 MONOCITI I monociti sono i precursori dei macrofagi e sono le cellule del sangue di dimensione maggiore. Quando nel midollo osseo raggiungono la matur ità, vengono immessi nella circolazione sanguigna dove restano per 24 -36 ore. Migrano poi nel tessuto connettivo, dove diventano macrofagi e si muovono nei tessuti. In presenza di un focolaio infiammatorio, i monociti migrano attivamente dai vasi sanguigni e iniziano una intensa attività fagocitaria. Essi producono inoltre sostanze che hanno funzioni difensive, come il lisozima, gli interferoni ed altre sostanze che modulano la funzionalità di altre cellule. 1.2.2 GRANULOCITI I granulociti sono raccolti i n granuli, essi sono diversi nei vari tipi e permettono di distinguerli in neutrofili, acidofili, basofili. - I neutrofili sono molto attivi nel fagocitare microbi e sono presenti in grandi quantità ad esempio nel pus. Sono in grado di digerire solo pochi mi crobi e muoiono dopo averne fagocitati alcuni. - Gli acid ofili aggrediscono i parassiti e fagocitano i complessi antigene -anticorpo. - I basofili secernono sostanze anticoagulanti o vasodilatatrici come l'istamina e la serotonina. Anche se possiedono capacità fagocitaria, la loro funzione principale è quella di secernere sostanze che mediano la reazione di ipersensibilità . Anche i granulociti, come i monociti, hanno una vita molto breve (12 -36 ore) e una volta svolto i l loro compito, che è continuo e incessante, vengono distrutti nel tessuto reticolo -endoteliale del fegato e della milza . 1.2.3 LINFOCITI I linfociti sono quei globuli bianchi che sono deputati al riconoscimento e alla distruzione degli agenti estranei all'organismo, detti antigeni. Dopo tale riconoscimento sono in grado di marcare gli antigeni in modo da farli riconoscere come "nemici" dai granulociti e dai monociti o da altri linfociti in grado di distruggere direttamente le cellule estranee. I linfociti sono divisi in due tipi: T e B, simili al microscopio, ma dotati di funzioni diverse, anche se complementari. I linfociti T si suddividono a loro volta in tre tipi: 1) i killer che attaccano gli antigeni mediante sostanze chimiche da essi prodotte; 2) i repressori, o regola tori, che proteggono l'organismo da un'eccessiva reazione immunologica; 3) gli ausiliari che invitano all'azione i linfociti B e i macrofagi. I lin foci ti B attuano inve ce una "risposta umorale" e producono gli anticorpi o immunog lobu line. Ogni famiglia di linfociti produce un solo tipo di anticorpo ma l'organismo è capace di produrre un numero elevatissimo di anticorpi, capaci ognuno di legarsi a un particolare tipo di antigene e perciò di cellula. 4 Se un virus entra nel corpo, i linfociti programmati per id entificarlo si attivano, giungono sul bersaglio, riconoscono i loro antigeni e si legano ad essi. Effettuato il riconoscimento, i linfociti B si trasformano per clonazione in plasmacellul e (cioè l e cellule che fabbricano gli anticorpi). In qualche giorno u n linfocita si clona in migliaia di plasmacellule, le quali possono produrre fino a 2000 anticorpi al secondo. Alcuni linfociti poi, sono deputati a mantenere una memoria degli incontri avuti in precedenza con gli agenti nocivi, in modo tale da permettere all'organismo di rispondere prontamente e con maggiore efficacia qualora si verificasse nel futuro una nuova aggressione. 1.3 PIASTRINE Le piastrine o trombociti sono corpuscoli di forma sferica o ovale di circa 3 micron di diametro. Sono frammenti cellulari che originano dalla disgregazione di una cellula madre chiamata megacarioblasto. Hanno una vita di circa 10 giorni e partecipano, mediante diversi fattori in essi contenuti, al processo di coagulazione del sangue (emostasi) e inoltre gi ocano un importante ruolo nella difesa dell'organismo. Le piastrine infatti sono implicate nelle reazioni immunologiche e infiammatorie delle pareti interne dei vasi e hanno inoltre la funzione di bloccare quelle sostanze estranee che cercassero di entrare nel circolo sanguigno. Il ruolo delle piastrine nel processo di coagulazione comporta tre stadi: l'adesione, la secrezione e l'aggregazione. Quando un vaso si rompe le piastrine vengono richiamate nel punto di rottura e aderiscono alla parete del vaso (ad esione). Successivamente esse rilasciano (secrezione) quelle sostanze in esse contenute che hanno il compito di richiamare sul posto altre piastrine che si adagiano sulle prec edenti (aggregazione) e liberano sostanze quali la serotonina, che riduce il cali bro dei vasi lesionati e rallenta il flusso ematico. Esse inoltre intervengono attivando alcune reazioni della cascata coagulatoria, tra cui la polimerizzazione del fibrinogeno in fibrina, la quale infine intrappola le cellule del sangue e forma il coagulo . 2.PLASMA Il plasma è un fluido leggermente alcalino costituito per i l 90% da acqua in cui sono disciolte e trasportate diverse sostanze di notevole importanza nella fisiologia dell'organismo. Il 90% delle sostanze disciolte sono sostanze organiche, i l resto è costituito da minerali. Le sostanze organiche del plasma sono formate da glucidi (glucosio), lipidi (colesterolo, trigliceridi, fosfolipidi, lecitina, grassi), proteine (globuline, albumine, fibrinogeno), glicoproteine, ormoni (gonad otropine, eritropoietina, trombopoietina), amminoacidi e vitamine. Le sostanze minerali sono disciolte sotto forma ionica, cioè dissociate in ioni positivi e negativi. Le proteine sono contenute nel plasma in concentrazioni comprese tra 6.5 e 8 g/dl. Esse svolgono funzioni di trasporto per altre sostanze (lipidi, ormoni, vitamine, metalli) e inoltre possono avere funzioni enzimatiche e immunitarie. Con le tecniche di elettroforesi si è riusciti a distinguere fino a 30 frazioni proteiche plasmatiche. L a prot eina a maggiore velocità di migrazione è l'albumina, seguita dalle globuline distinguibili a loro volta in tre frazioni principali: α, β, γ; queste, a un esame elettroforetico approfondito, possono venire ulteriormente classificate in varie frazioni 5 �1,�2,�1,�2,�1,�2, il fibrinogeno. Le globuline rappresentano gli anticorpi naturali o acquisiti dell'organismo e svolgono quindi un'importantissima funzione immunitaria. Una funzione delle proteine plasmatiche è quella di concorrere a determinare la pressione osmotica del plasma. Ciò ha implicazioni importanti per quanto riguarda gli scambi idrici tra plasma e liquido interstiziale. Una diminuzione della percentuale di proteine determina la diminuzione della pressione osmotica del plasm a; tale circo stanza costituisce una delle cause determinanti l'edema tessutale, cioè l'accumulo di liquidi nello spazio intercellulare. (Guardare quadernetto per REOLOGIA SANGUE) 3. VASI SANGUIGNI La parete vascolare è costituita da un tessuto dalla struttura particolarmente complessa e diversificata da zona a zona in relazione alla specifica funzione richiesta. In termini generali la parete di ogni segmento vascolare è costituita da tre strati concentrici che dall'interno verso l'esterno sono la tuni ca intima (1) , la media (2) e l'avventizia (3). Nelle grandi arterie più prossime al cuore la media è costituita da lamine elastiche fenestrate alternate a fibre di collagene e cellule muscolari lisce. Queste grandi arterie sono note anche come arterie elastiche grazie all'alto contenuto di elastina nella media. Uno dei loro ruoli è quello di accumulare un importante volume di sangue durante la sistole cardiaca (fase di eiezione ventricolare) e di espellerlo verso la periferia durante la successi va diastole cardiaca (fase di riempimento ventricolare) . Nelle arterie più piccole e nelle vene la media è costituita soprattutto da cellule muscolari lisce e da una piccola parte di tessuto connettivo, collagene ed elastina. Le cellule muscolari sono avv olte ad elica con passo variabile ed organizzate in una struttura a strati. La tunica avventizia è separata dalla tunica media da una ulteriore lamina elastica, può avere lo stesso spessore della media ed è composta prevalentemente da fasci di fibre di col lagene non compatti in direzione longitudinale. Sono presenti in minore misura anche fibre di elastina e cellule muscolari. Questo strato protegge il vaso. La tunica avventizia è attraversata inoltre da fibre nervose e vasi linfatici. Nel caso di vasi di g randi dimensioni la tunica avventizia è perfusa da un sistema di piccoli vasi detti "vasa vasorum" deputati al trasporto di O, e sostanze nutrienti ai tessuti della parete del vaso. I vasa vasorum sono presenti quando le dimensioni del vaso sono tali che l a distanza tra le cellule della parete e il sangue che scorre all'interno del vaso risulti superiore a circa 25 μm. 6 3.1 CLASSIFICAZIONE 3.1.1 ARTERIE Le arterie sono preposte alla distribuzione del sangue verso la periferia. In base alle loro dimensioni, si possono distinguere tre principali tipi di arterie. Le grandi arterie elastiche (aventi diametro d > 7 -8 mm) sono essenzialmente l'aorta e i suoi rami principali; sono caratterizzate da una parete molto spessa. Nella tunica media sono presen ti quasi esclusivamente lamine elastiche. Il numero di strati lamellari cresce al crescere dello spessore della parete che a sua volta è proporzionale al diametro del vaso. La tunica avventizia è sottile, e formata prevalentemente da collagene; in essa son o presenti vasi e nervi. Come accennato in precedenza, in virtù della propria elasticità esse svolgono l'azione di secondo cuore: durante la sistole cardiaca sequestrano, dilatandosi per effetto dell'aumento di pressione arteriosa, parte del sangue eiettato dal ventricolo, restituendolo nella fase successiva di diastole quando tornano al loro calibro iniziale. In questo modo smorzano la natura pulsatile del flusso sanguigno generato dalla pompa ventricolare. Il risultato netto dal punto di vista ener getico è l'abbassamento delle resistenze all'efflusso sistolico in quanto le arterie accolgono parte rilevante (30 -40%) della gettata cardiaca e quindi il sistema vascolare a valle (capillari e vene) è soggetto a un flusso continuo, situazione che comporta nella media del ciclo cardiaco minori perdite di carico rispetto ad una situazione pulsatile. Le arterie muscolari o di distribuzione (omerale, radiale, femorale, carotidea, etc.) distribuiscono il sangue ai vari organi. Esse svolgono una importante funzi one di vasoregolazione attiva, mentre hanno una estensibilità passiva modesta se confrontata con quella delle grandi arterie. Queste arterie hanno in proporzione la tunica media più spessa rispetto alle arterie di grande calibro; la tunica media è costitui ta prevalentemente da cellule muscolari lisce ad andamento circolare e a spirale, il cui numero aumenta con l'aumentare dello spessore del vaso. Viceversa, l'elastina progressivamente diminuisce all'aumentare della distanza dall'aorta e nelle arterie musco lari propriamente dette rimangono visibili solo le lamine elastiche interne ed esterne che delimitano la tunica media. Compito delle cellule muscolari è quello di ridurre il lume del vaso e quindi aumentare le resistenze al flusso nel caso che si renda nec essaria una minore perfusione del distretto servito dalla arteria (o equivalentemente che sia richiesta una maggiore perfusione di un altro distretto). La tunica avventizia, separata dalla tunica media mediante la lamina elastica esterna, è spessa tra la metà e i due terzi della media ed è costituita da fibre di collagene e fibre elastiche. Le piccole arterie o arteriole hanno un calibro che varia tra i 20 e i 100 μm. La tunica media è formata da uno o due strati di muscolo liscio con poche fibre elastiche. Il muscolo liscio è organizzato a spirale intorno ad uno strato interno di cellule endoteliali. 3.1.2 CAPILLARI I capillari sono i vasi più piccoli della circolazione, hanno un calibro compreso tra 5 e 20 μm e una lunghezza media di circa 1 m m; i più pi ccoli si trovano nel polmone, i più ampi nel midollo osseo. Essi costituiscono il sito di scambio di gas e nutrienti tra i tessuti e il sangue. Sono costituiti da endotelio e lamina basale. In alcuni casi è sufficiente una sola cellula endoteliale per rive stire l'intera circonferenza della parete capillare. Non sono presenti negli epiteli di rivestimento, nella cornea, nel cristallino, e nelle cartilagini . 7 Si distinguono t re tipi di capillari: - i capillari continui sono i più diffusi e si trovano principalmente nei muscoli, nei polmoni, nella pelle e in generale nei tessuti connettivi; essi presentano un endotelio continuo fatto di cellule unite da giunzioni strette; tra le cellule rimane comunque uno spazio (intrac ellular cleft) attraverso il quale è permesso il passaggio di fluidi; - i capillari fenestrati sono presenti nel rene, nei villi dell'intestino e nelle ghiandole endocrine; la continuità dell'endotelio è interrotta da pori (finestre) dal diametro di 20 -120 n m; - i capillari sinusoidi sono i più permeabili grazie ad una parete endoteliale con poche giunzioni e grandi spazi intracellulari. In generale formano ampie reti tridimensionale. Sono localizzati principalmente nel fegato, nel midollo osseo e nelle ghiando le endocrine. I capillari formano reti tridimensionali dette letti capillari che hanno origine da una arteriola e terminano in una venula. In realtà si distingue tra meta -arteriole e capillari veri e propri. L'arteriola terminale porta ad una meta -arteri ola che risulta direttamente connessa alla venula. Collegati ad una meta - arteriola ci sono da 10 a 100 capillari in funzione dell'organo perfuso. Scopo della meta -arteriola è bypassare il letto capillare nel caso non sia necessaria una perfusione accentuat a. Il bypass del letto capillare è realizzato mediante cellule muscolari lisce. Le meta -arteriole sono infatti ricoperte in modo discontinuo da cellule muscolari lisce che possono essere attivate al fine di diminuire il lume del vaso limitando così il pass aggio di sangue nel bypass artero - venoso. Analogamente anche i capillari collegati alla meta - arteriola sono dotati di un anello di cellule muscolari (sfintere precapillare) che circonda ogni capillare a livello della giunzione con la meta arteriola; quando gli sfinteri sono rilassati il sangue scorre nei capillari e quindi il tessuto viene perfuso. Al contrario, quando sono contratti il sangue passa nello shunt e il tessuto è bypassato. La quantità di sangue che entra in un letto capillare è regolata quindi dai muscoli lisci e di conseguenza dal sistema simpatico e parasimpatico e da segnali biochimici rilasciati dalle cellule endoteliali. I capillari terminano nelle venule, che hanno un diametro che varia tra i 20 e i 200 μm. Anche le venule, come i capillari, sono fenestrate. 3.1.3 VENE Le vene sono i vasi che conducono il sangue dalle reti dei capillari dei diversi organi al cuore, hanno forma cilindrica, parete relativamente sottile e lume ampio. Il calibro delle vene è sempre maggiore di quello delle arterie del medesimo distretto. La st ruttu ra delle vene è simile a quello delle arterie; in generale, comunque, lo spessore è minore e la media contiene molta meno elastina. Nelle vene il rapporto elastina/collagene è circa 1/3. La tunica avve ntizia si presenta molto spessa, di frequente molto più di quella media. In particolare nella vena cava, la tunica avventizia è ispessita da bande di tessuto muscolare liscio prevalentemente disposte in senso longitudinale. 8 Le vene accolgono il 65% del san gue totale che scorre nel nostro corpo e, a differenza delle arterie, possono facilmente collassare per effetto di una pressione esercitata dall'esterno. Esse rappresentano una riserva di sangue per l'organismo, infatti sono definite "vasi capacitori". Si distinguono in vene recettive e vene propulsive . Queste ultime mostrano tipicamente una media più sviluppata e ricca di cellule muscolari e devono il loro nome al fatto che contribuiscono alla propulsione del sangue vincendo la forza di gravità; in queste vene l'intima si solleva in pieghe che costituiscono le valvole semilunari, generalmente in coppia e associate a una cavità o allargamento del vaso, destinate ad impedire il riflusso del sangue. Le vene possono avere decorso superficiale o profondo; le pri me sono disposte nel sottocutaneo, non corrono in contiguità delle arterie corrispondenti e sono più sviluppate a livello degli arti e del collo; le seconde si accompagnano ad arterie e decorrono negli spazi intermuscolari e nei visceri. Si distinguono in funzione delle dimensioni tre tipi di vena: - Le vene di piccolo calibro presentano, oltre all'endotelio e alla lamina basale, uno o due strati di cellule muscolari. L'endotelio può apparire fenestrato nelle più sottili, mentre per diametri maggiori al mm d iviene continuo; l'avventizia è sottile con connettivo lasso. - Le vene di medio calibro hanno una tunica intima ricca ili tessuto connettivo e provvista di una lamina elastica interna, una tunica media mollo sottile costituita di tessuto muscolare liscio e una tunica avventizia più spessa della tunica media costituita da tessuto muscolare liscio e collagene. - Le vene di grosso calibro hanno una tunica intima simile alle vene di medio calibro, una tunica media costituita da quattro cinque strati di tessuto mus colare liscio e collagene ed una tunica avventizia spessa con poco tessuto muscolare liscio, molto collagene e alcune fibre elastiche . 3.2 COMPOSIZIONE Si può riconoscere come le arterie di grosso calibro (aorta, succlavia, ecc.), abbiano una tunica media prevalentemente elastica, le arterie di medio e piccolo calibro (omerale, radiale, femorale, poplitea, ecc.), abbiano una tunica media prevalentemente muscolare e come le arteriole, che hanno il ruolo di regolare la distribuzione di sangue nei differenti distretti restringendosi o dilatandosi, abbiano anch'esse una tunica media ad elevato contenuto muscolare. 9 3.3 SUBSRTUTTURA E PROPRIETA’ MECCANICHE Uno schema di massima della organizzazione delle substrutture all'interno della parete di v asi è quello proposto nel 1973 da Azuma e Hasegawa, secondo cui le fibre muscolari sono avvolte ad elica a passo piccolo, l'elastina forma una lamina con fenestrature in direzione longitudinale e le fibre di collagene formano una rete disordinata e incresp ata in condizioni di basso stress, che si ordina di estendere progressivamente all’aumentare delle sollecitazioni. Per quanto riguarda i singoli componenti ricordiamo le loro principali caratteristiche meccaniche: - l'elastina ha basso modulo elastico pari indicativamente a 1 MPa, comportamento in prima approssimazione elastico lineare, bassa isteresi e basso rilassamento; - il collagene ha una risposta elevata già per valori modesti di deformazione con un modulo elast ico tre ordini di grandezza superiore a quello dell'elastina, un comportamento non lineare causato dalla non linearità del materiale e dal fatto che le sue fibre generalmente entrano in azione progressivamente, moderala isteresi e moderato rilassamento; - il muscolo ha caratteristiche meccaniche modeste, un loop di isteresi molto elevato in condizioni di carico ciclico e una caratteristica di rilassamento che tende a zero se il tempo è sufficientemente elevato. Dalla osservazione di una curva sforzo deformazione della parete di un vaso relativa ad una prova di trazione in direzione circonferenziale, si può attribuire alla elastina l'iniziale comportamento elastico lineare a basso modulo elastico (e