Biomedical Engineering - Biomeccanica

Materiali Biologici

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I materiali biologici vengono trattati ad un livello intermedio tra quello delle biomolecole e quello dei tessuti. I tessuti quattro classi di tessuti: • tessuti epiteliali (epiteli di rivestimento, epiteli ghiandolari, epiteli sensoriali, endoteli) caratterizzati da cellule di forma regolare poste a mutuo contatto e che presentano generalmente una limitata quantità di sostanza intercellulare interposta • tessuti connettivi (ossa, cartilagini, sinovie, sangue, linfa, pelle) caratterizzati da matrice extracellulare (ECM) nella quale sono immerse cellule di vario tipo; le caratteristiche dei diversi tessuti connettivi dipendono sia dall'organizzazione di ECM sia dal tipo di cellule presenti • tessuto muscolare costituito da cellule di forma allungata specificamente differenziate per la funzione contrattile • tessuto nervoso costituito da cellule (neuroni) specificamente differenziate per la conduzione di impulsi elettrici e da altre cellule di supporto (cellule gliali) In tutte le quattro classi di tessuti indicate sono presenti in larga parte tessuti solidi, ma quelli che maggiormente sono caratterizzabili mediante le loro proprietà meccaniche appartengono ai tessuti connettivi e ai tessuti muscolari; infatti sia i connettivi solidi, sia i muscoli svolgono all'interno dell'organismo funzioni con finalità principalmente meccaniche. Tessuti a base cellulare Muscolo (liscio, striato) Le proteine che generano con la loro contrazione le prestazioni di forza/spostamento sono di decisiva importanza, queste proteine sono denominate proteine motore e fanno parte delle cellule muscolari in cui costituiscono una specie di citoscheletro altamente deformabile. Tessuti ECM non tessuti privi di cellule, ma tessuti le cui caratteristiche meccaniche sono in misura determinante dipendenti dalle prestazioni meccaniche della matrice extracellulare. Alcune importanti categorie di componenti; queste categorie sono: proteine con compiti strutturali: collagene, elastina, resilina, laminina, etc. proteoglicani (appartenenti ai glicosaminoglicani): sono biomolecole anche di grandi dimensioni che offrono importanti prestazioni meccaniche, sia isolatamente sia in connessione con le proteine strutturali precedentemente indicate ialuronani (nome generale applicabile all’acido ialuronico e agli iarulonati) costituiti da estese macromolecole che influenzano il comportamento del fluido interstiziale ed extracellulare altre proteine che forniscono prestazioni specializzate e diversificate da tessuto a tessuto; alcune forniscono legami tra substrutture strutturali, e cioè tra le proteine dotate di compiti di resistenza, come il collagene, l’elastina etc., altre generano legami tra queste e i proteoglicani, altre ancora interagiscono con i proteoglicani acqua ECM : i tessuti ECM sono ricchi di acqua presente sotto diversa forma; direttamente legata a macromolecole per effetto della presenza di siti dotati di carica che attrae la molecola bipolare dell’acqua, interstizialmente intrappolata dalle strutture proteiche, in termini di liquido interstiziale più o meno libero di muoversi quando è sospinto dai gradienti di pressione. L’acqua ECM contiene diversi ioni in soluzione frazioni minerali che sono costituite quasi esclusivamente dall’idrossiapatite Sottosistema biologico Tipo di tessuto Funzione meccanica Componente meccanico equivalente Osso ECM sostegno telaio Tendine ECM trasmissione di forze fune o catena Parete vascolare ECM e cellulare trasporto di fluidi tubazione Muscolo cellulare sviluppo di forze attuatore Cartilagine ECM riduzione di attrito cuscinetto o bronzina Legamento ECM stabilizzazione di giunti vincolo cinematico Pelle ECM contenimento e protezione carrozzeria Collagene Con il nome di collagene si indicano i membri di una grande famiglia di proteine che costituiscono le substrutture più resistenti utilizzate da svariati tipi di tessuti, sia cellulari sia ECM. Il collagene è il materiale principalmente destinato a sopportare i carichi nelle pareti vascolari, nella pelle, nei tendini, nella cornea, nell’osso, nella dura madre, nelle cartilagini, etc. Modulo di elasticità [MPa] Sforzo a rottura [MPa] Allungamento a rottura [%] Limite elastico [%] collagene 1000 50÷100 10 1÷2 elastina 0.6 1 100 60 La struttura base del collagene è costituita da tre amminoacidi fondamentali [glicina (GLY), prolina (PRO), idrossiprolina (HYP)] più un quarto amminoacido. Questi amminoacidi sono arrangiati in una sequenza tipica (GLY, PRO, HYP, GLY, “altro amminoacido”) che genera una catena polipeptide. Molecola di collagene e tripla elica formata dalla composizione di tre molecole di collagene. a b c d e f Struttura del collagene. a: singola elica; b: singola elica avvolta; c: tripla elica avvolta; d: microfibrille; e: fibrilla di collagene; f: fibre di collagene. Sotto trazione le fibre che inizialmente sono disposte in modo non perfettamente ordinato nello spazio, si flettono modificando la loro geometria sino a giungere a una disposizione lineare. Quando le catene proteiche sono distese le proprietà meccaniche aumentano diventando dipendenti dai legami intra e intermolecolari. σ ε 12 Comportamento meccanico a trazione delle fibre di collagene lineare; la regione 1 è caratterizzata da comportamento elastico con basso valore del modulo di Young (svolgimento delle catene), mentre le regione 2 è caratterizzata da comportamento elastico con elevate proprietà meccaniche. Vi sono almeno 19 differenti tipi di collagene, che comprendono almeno 33 catene polipeptidi geneticamente distinte. Collagene Struttura Localizzazione Caratteristiche I Fibrilla a tripla elica 300 nm Molto diffuso in pelle, ossa, legamenti, tendini, dentina, pareti vascolari, pareti alveolari etc. E’ il tipo più abbondante e costituisce il principale componente dei fasci di fibra che conferiscono resistenza ai tessuti connettivi II Fibrilla a tripla elica 300 nm Cartilagine, disco intervertebrale Principale collagene delle cartilagini III Fibrilla a tripla elica 300 nm Pareti vascolari, pelle, intestino Frequentemente associato con il collagene I nei tessuti deformabili IV Rete 2-3D Membrane basali Non forma fibrilla ma strutture reticolari V Fibrilla a tripla elica 300 nm Si trova in molti siti anche se in modesta quantità, Sovente associato con il collagene I con cui forma fibrille VI Filamento Diffuso anche nelle pareti vascolari Forma filamenti ed è talora associato con i collagene I e III VII Tripla elica 420 nm Pelle, mucosa orale e cervice Forma strutture di ancoraggio tra membrane basali e epiteliali e il tessuto sottostante VIII Filamento con catena breve Associato con stati di cellule endoteliali Può formare strutture esagonali in alcuni tessuti IX FACIT Cartilagine, corpo vitreo Associato alle fibrille del collagene II X Filamento con catena breve Cartilagine ipertrofica Struttura simile a quella del collagene VIII XI Fibrilla a tripla elica 300 nm Cartilagine, disco intervertebrale Forma fibrille in associazione col collagene II XII FACIT Legamenti, tendini Associato alle fibrille di collagene I XIII poco noto Molto diffuso ma in quantità modeste Conformazioni complesse e non molto note XIV FACIT Pelle, tendini Associato alle fibrille XV Multiplexina Fibroblasti e muscolo liscio Tripla elica con numerose interruzioni XVI FACIT Fibroblasti e cheratinociti Tripla elica con numerose interruzioni XVII Tripla elica interrotta Giunzioni derma-epidermide Tripla elica con numerose interruzioni XVIII Multiplexina Tessuti molto vascolarizzati Tripla elica con numerose interruzioni XIX FACIT Fibroblasti e cellule tumorali Gruppi di 5 triple eliche FACIT collagene (Fibril-Associated Collagens with Interrupted Triple helices). Insiemi di fibre di collagene; sono presenti anche alcuni fasci trasversali di proteine con compiti strutturali . Elastina e microfibrille associate Il termine tessuto elastico e fibra elastica si riferisce a tessuti in cui una importante componente è costituita da proteine elastiche che mostrano un comportamento meccanico simile a quello del lattice naturale. FIBRILLINA 1 FIBRILLINA 2 MAGP FLP MP78 MP70 MP25 AMP350K 350K 31 (20)K 290 & 310K 78K 70K 25K 57 (32)K SINTESI DELLE MICROFIBRILLE AGGREGAZIONE ED ALLINEAMENTO DELLE MICROFIBRILLE FORMAZIONE DELLE MICROFIBRILLE FORMAZIONE DEL TESSUTO ELASTICO ACCUMULO DI ELASTINA TROPOELASTINA LYSYL OXIDASE RECETTORE DELLA ELASTINA EMILINA DECORINA BIGLICANO DEPOSIZIONE DI TROPOELASTINA ALLINEAMENTO E CROSS-LINKING CELLULE DEL TESSUTO ELASTICO FIBROBLASTI DEL LIGAMENTUM NUCAE, CELLULE MUSCOLARI LISCEE AORTICHE, CONDROCITI DELLA CARTILAGINE DELL'ORECCHIO Le cellule che producono tessuto elastico realizzano queste fibre attraverso tre principali passi: assemblaggio delle microfibrille, assemblaggio della fibra elastica con deposito di tropoelastina associata a proteoglicani quali decorina e biglicani e sviluppo della fibra elastica con diminuzione del ruolo delle microfibrille . Le microfibrille sembrano costituire un telaio di base su cui viene insediato ed accresciuto il deposito di elastina e anche se vengono parzialmente assorbite ne determinano l’orientamento e la geometria . Patologie connesse con malformazioni dell’elastina Imperfezioni nel gene preposto alla formazione della elastina sono causa della stenosi aortica sopravalvolare; la sovrapproduzione di tessuto elastico, soprattutto nei tessuti delle pareti vascolari, è stata dimostrata connessa con disordini nella produzione di elastina. Produzione di elastina in eccesso è stata riscontrata in associazione con alcune forme di cancro, quali cancro al seno, allo stomaco e al colon. Vi sono inoltre un certo numero di malattie associate con la calcificazione di fibre elastiche: l’invecchiamento dell’aorta è da tempo ben noto e associato alla presenza di calcificazione, ma più recentemente si sono individuati analoghi problemi nelle patologie della circolazione periferica, soprattutto negli arti inferiori. In questo caso la calcificazione avviene nello strato muscolare della rete vascolare. Infine l’enfisema polmonare, che costituisce una patologia molto diffusa e socialmente rilevante, è dipendente dalla distruzione di elastina nella parete degli alveoli. osteogenesis imperfecta L'osteogenesis imperfecta è una malattia genetica che colpisce il collagene, la proteina "cemento" dell'osso. I soggetti colpiti producono versioni corrotte e troppo corte di questa proteina, risultanti in un osso fragile e che si rompe facilmente. Esistono vari gradi e varie forme dell'osteogenesis imperfecta, il che la configura non tanto come una patologia singola, ma come una vera e propria famiglia di patologie La cosiddetta "sindrome di Ehlers-Danlos" sottintende in realtà una definizione generale con la quale si raggruppano alcune rare malattie ereditarie del tessuto connettivo, con tratti caratteristici comuni, quali articolazioni lasse e instabili, pelle estensibile e delicata, ecchimosi per traumi molto lievi, lenta guarigione delle ferite con formazione di cicatrici anomale. La sindrome di Stickler è una vitreo-retinopatia ereditaria, che associa segni oculari, la sindrome di Pierre-Robin più o meno completa, un coinvolgimento scheletrico e sordità neurosensoriale nel 10% dei casi. Le anomalie caratteristiche comprendono la cataratta giovanile, la miopia, lo strabismo, la degenerazione vitreoretinica o corioretinica, il distacco della retina, l'uveite cronica. Le anomalie scheletriche consistono in una discreta platispondilia e il coinvolgimento delle epifisi, che spesso sono grosse. Alla iperlassità dell'infanzia subentra con il tempo un'artrosi precoce. L'espressività della malattia è molto variabile e la sua evoluzione imprevedibile. Il trattamento è individualizzato. E' dovuta ad una mutazione del collagene ad eredità autosomica dominante, geneticamente eterogenea: numerosi casi sono dovuti a mutazioni di stop del collagene di tipo 2 (cromosoma 12), mentre altri casi sono legati a mutazioni del collagene di tipo 11 (cromosoma 1 per la catena alfa 1 e cromosoma 6 per la catena alfa 2) Proteoglicani Le fibre di collagene e di elastina presenti in numerosi tessuti sono sovente integrate in una matrice amorfa costituita principalmente da polisaccaridi (polimeri formati da zuccheri semplici) prevalentemente in forma di glicosamminoglicani. I polisaccaridi sono presenti nei tessuti si comportano come materiali altamente viscosi interagiscono con le proteine, incluso il collagene legano facilmente con l’acqua sono polimeri costituiti da unità di disaccaridi ripetute a formare macromolecole lineari I proteoglicani costituiscono una importante sottofamiglia delle glicoproteine e sono caratterizzati da catene di glicosaminoglicani legati in modo covalente alla proteina centrale. Il ruolo strutturale dei proteoglicani è quello di costituire una matrice tridimensionale non coesa sia all’interno di reti di collagene o di elastina, sia all’interno dei fluidi ECM, nei tessuti connettivi essi hanno la capacità di legarsi alle catene proteiche di collagene e di elastina costituendo una sorta di matrice del composito così ottenuto. In combinazione con le substrutture retiformi la presenza delle macromolecole dei proteoglicani condiziona le deformazioni imposte su queste strutture rallentandone la rapidità di deformazione e contribuendo al comportamento viscoelastico delle stesse. In aggiunta alle funzioni di tipo strutturale i proteoglicani hanno molte altre diverse funzioni che riguardano il metabolismo della matrice extracellulare. Ialuronano (acido ialuronico, ialuronati) Un altra importante famiglia di glicosamminoglicani è presente nella porzione extracellulare dei tessuti; fra questi uno dei più importanti è l’acido ialuronico che negli animali contiene un componente proteico (0.33% in peso o più). Si ritiene che l’acido ialuronico sia legato chimicamente ad almeno una proteina che non può essere eliminata; questo acido è stato isolato la prima volta da Meyer e Palmer dal corpo vitreo dell’occhio nel 1934 e fu da questi chiamato acido ialuronico (in lingua greca hyalos significa vetroso) per indicare sia la sua origine sia il suo contenuto di acido uronico. L’acido ialuronico si trova nell’umore vitreo dell’occhio, nei fluidi sinoviali contenuti nelle cavità articolari con funzione lubrificante delle superfici ossee contrapposte, nella pelle, nel cordone ombelicale e nella parete aortica. Gli ialuronani sono a tutti gli effetti dei glicosaminoglicani e, come tali, sono parenti prossimi dei proteoglicani da cui si distinguono sia per la forma specifica globulare che presenta un diametro di anche 500 nm, La configurazione spaziale dello ialuronano è costituita da eliche disposte variamente nello spazio del diametro di 50 nm, che giungono a toccarsi quando la concentrazione dello ialuronano supera la concentrazione di 1 mg/ml, ovvero 0,1%. Il carattere più distintivo delle sue proprietà è il comportamento viscoelastico. Le proprietà meccaniche dipendono sia dal peso molecolare sia dalla concentrazione; in generale dall’importanza del suo ruolo di riempimento determinato appunto dagli aspetti qualitativi (forma e quindi anche peso molecolare) e quantitativi (concentrazione). Specie Tessuto Concentrazione mg/l o mg/kg Uomo Cordone ombelicale 4100 Fluido sinoviale da 1400 a 3600 Corpo vitreo da 140 a 338 Pelle 200 Linfa toracica da 8,5 a 18 Fluido amniotico (16 settimane) 21,4 Fluido amniotico (a termine) 1,1 Umore acqueo da 0,3 a 2,2 Vescicola da 0,8 a 5,6 Urina da 0,1 a 0,3 Siero da 0,01 a 0,1 Proteine motore La presenza di proteine motore sono motori biomolecolari − Cambiamento della struttura delle cellule − Microtrasporto di sostanze biologiche (quando convezione, diffusione, carrier sono inefficaci) Queste proteine motore realizzano la funzionalità di attuatori meccanici sfruttando la idrolisi di ATP (ATP Æ ADP + Pi (fosfato inorganico) + 33 kJ/mol (processo inverso della fosforilazione ossidativi). I più noti motori biomolecolari sono le proteine motore miosina del muscolo scheletrico chinesina del tessuto nervoso MIOSINA Testa Testa Testa TestaCollo Collo Coda Coda“regulatory domain” CHINESINA La chinesina ha due teste di lunghezza pari a circa 8 nm. Le teste son connesse tramite il collo a una catena ad elica che termina in corrispondenza della coda, che si ritiene sia il dominio dove vengono legate le sostanze trasportate dalla chinesina. La testa di miosina è grande circa il doppio ed è composta dal dominio motore dove viene legato il nucleotide ATPe dove è situato il sito di legame per l’actina e dal dominio regolatore composto da due catene peptidiche leggere che agiscono come braccio o leva amplificando l’effetto della rotazione della testa. Per comprendere ed identificare le caratteristiche funzionali delle proteine motore è essenziale introdurre il concetto di ciclo di lavoro. rotazione distensione creazione del legamedistacco della testa distanza di scorrimento δ La testa motore della proteina compie un avanzamento mediante una rotazione che ha l’effetto di far procedere di un tratto δ la sua struttura nei confronti del filamento associato; questo avanzamento δ è anche chiamato corsa di lavoro. Una volta compiuto questo avanzamento la testa si distacca e, non più a contatto con il filamento, recupera la sua geometria iniziale eseguendo una corsa che viene chiamata corsa di recupero. A questo punto la testa motore può riagganciarsi al filamento e procedere ad una successiva corsa di lavoro. Corsa di lavoro e corsa di recupero sono assunte di uguale lunghezza all’interno di un ciclo di lavoro e, generalmente, per tutti i cicli di lavoro. Chiamiamo inoltre τon il tempo durante il quale la testa è a contatto con il filamento e percorre la corsa di lavoro, τoff il tempo durante il quale la testa è staccata dal filamento e si riporta alla sua geometria iniziale nei confronti della proteina di cui fa parte. Ciclo di idrolisi dell’ATP Testa attaccata τon Testa libera τoff Chiamiamo fattore di utilizzazione r il rapporto tra il tempo di lavoro τon e la durata complessiva del ciclo τtot , intendendosi con questo il rapporto tra il tempo in cui la testa è legata al filamento ed esegue il lavoro di avanzamento e il tempo totale. r = τ on / τ tot Poiché l’idrolisi di ATP (ATPase) avviene ad una velocità che può essere, in prima ipotesi, ritenuta costante, la velocità di movimento della molecola sul substrato risulta dipendere dalla corsa di lavoro generata dall’idrolisi di ATP e dal fattore di utilizzazione: v = δ /( (ATPase) r) Acqua ECM La composizione della matrice determina la quantità di acqua presente in relazione alle caratteristiche chimiche delle macromolecole presenti, e pertanto determina la volemia del tessuto, gli spazi per il microtrasporto molecolare e quindi la sua dinamica, la caratterizzazione del comportamento meccanico soprattutto per quanto riguarda le condizioni di compressione. L’acqua ECM si situa generalmente al di fuori delle fibrille (soprattutto quelle di collagene e anche quelle di elastina) e la sua distribuzione è determinata dalla presenza di proteoglicani e glicoproteine in soluzione o fissate da legami. Concentrazioni di queste sostanze superiori a 0,002 g/cm 3 di tessuto influenzano fortemente la presenza di acqua ECM. Sostanze minerali L’unica sostanza minerale rilevante nei termini del comportamento meccanico delle strutture biologiche è l’idrossiapatite; questa sostanza non è una sostanza organica ma appartiene al mondo inorganico anche se è prodotta e riassorbita dalle strutture organiche. Le caratteristiche di questo materiale sono: elevata densità non paragonabile con quella di alcuna altra struttura dell’organismo conformazione dipendente dalla localizzazione, principalmente nelle ossa e nei denti, basata in ogni caso su di una ordinata e anisotropica struttura cristallina