Post on 05-Oct-2021
transcript
Cartilagine articolare
1
CARTILAGINE ARTICOLARE:CARTILAGINE ARTICOLARE:
PROPRIETAPROPRIETA’’ BIOMECCANICHE E BIOMECCANICHE E
MATERIALI DI RIPAROMATERIALI DI RIPARO
Cartilagine articolare
2
Cartilagine articolare
Tessuto soffice idrato di 0,5-5 mm che copre le estremità delle articolazioni; sostiene e trasmette
i carichi tra le ossa
Cartilagine articolare
3
Composizione
�Fase solida• condrociti (5%)
• collagene (90-95%)
• proteoglicani
• acido ialuronico
�Fase liquida• acqua
• elettroliti
• fluidi
Cartilagine articolare
4
Condrociti
• Nascono dalla
differenziazione di cellule
mesenchimali
• Producono collagene e
matrice extracellulare
nelle giuste proporzioni
per ottenere cartilagine
articolare
• Sostituiscono le molecole
degradate della ECM
Cartilagine articolare
5
Collagene
Il collagene più abbondante è quello di tipo II (90-95%)
Fibrilla
Molecole di tropocollagene
Fibra Notevole forza tensile
Tripla elica di catene polipeptidiche
Cartilagine articolare
6
Proteoglicani
• 95% polisaccaridi
• 5% proteine costituite da glicosamminoglicani
• Nessun legame
chimico con il collagene
• Presenza di gruppi carichi Interazioni
con l’acqua
Cartilagine articolare
7
StrutturaStruttura gerarchica visibile in varie scale di lunghezza:
�scala molecolare (1-100 nm)
Tropocollagene�scala ultramolecolare (0.1-100 mm)
Fibrille di collagene
�scala del tessuto (0.1-10 mm)Network di collagene e proteoglicani
Cartilagine articolare
8
Zone
• Zona superficiale Fibre di collagene parallele alla superficie
• Zona calcificata
Fibre di collagene perpendicolari alla base
%Collagene %Proteoglicani
• Zona centrale
Fibre di collagene orientate random
%Acqua
• Zona di transizione
Confine con l’osso subcondrale
Cartilagine articolare
9
Spazi interstiziali
Acqua70% nella soluzione di proteoglicani
30% nei compartimenti intrafibrillari di collagene
Fluidi
Trasporto tra i pori
Percolazione interfibrillare
Controllo della risposta dinamico-meccanica
Controllo delle funzioni biologiche del tessuto
Gradienti di pressione osmotica e idrostatica
Cartilagine articolare
10
Proprietà meccaniche
Il comportamento macroscopico dipende da:
Materiale anisotropo e disomogeneo
Prove statiche
Prove dinamiche
•Struttura microscopica complessa•Quantità e tipo di collagene
•Interazione tra i vari elementi della ECM
Cartilagine articolare
11
Comportamento statico a trazione1. Toe region: comportamento
non lineare
Stiramento iniziale dei fasci di collagene
2. Regione lineare
Allineamento delle fibre di
collagene
3. Rottura
Il modulo elastico aumenta linearmente con lo sforzo quante
più fibre di collagene risultano stirate
Equazione costitutiva
σ=E(eεα-1)
dσ/dε=α(σ+E)
Cartilagine articolare
12
Effetto del contenuto di collagene sulle proprietà a trazione della cartilagine.
il modulo di Young del materiale misurato nella zona lineare di diverse curve sforzo-deformazione per diverse zone della cartilagine in funzione del rapporto tra il contenuto di collagene e quello di proteoglicani.
Cartilagine articolare
13
Proprietà dipendenti dal tempo
Comportamento viscoelastico: intermedio tra il
comportamento elastico e quello viscoso
Velocità di deformazione e rilassamento confrontabili
Per la cartilagine articolare è necessario distinguere tra:
Proprietà viscoelastiche del network macromolecolare
Proprietà viscoelastiche flow-dependentshear
compressione
Cartilagine articolare
14
G": modulo dissipativo
Energia dissipata per
riarrangiamenti strutturali
G“/G‘= energia dissipata nello shearing, angolo di sfasamento tra 9 e 12 °
|G*|=(G’2+G“2)1/2 = Modulo di taglio variabile tra 0.2-2.5 MPa
G‘: modulo conservativo
Energia elastica
accumulta
Proprietà viscoelastiche di shear
Imprimendo una sollecitazione sinusoidale è possibile
misurare la componente elastica (in fase) e quella viscosa
(fuori fase)
Cartilagine articolare
15
Conduttività idraulica
Parametro che misura come il fluido si muove attraverso gli intersizi
Il movimento del fluido è guidato dal gradiente di pressione idrostatica ed è controllato dalla composizione e dalla struttura della matrice extracellulare
K=q/∇pq = flusso di fluido di Darcy
∇p= gradiente di pressione idrostatica
K = conduttività idraulica•Dipende dalla idratazione del tessuto
•Controllata dalla soluzione di proteoglicani•Valori bassi (10-14 10-15m4/Ns) Resistenza del tessuto al
trasporto dei fluidi
Cartilagine articolare
16
Compressione confinata
Il confinamento del campione garantisce che il flusso del fluido e il campo delle deformazioni sia uniassiale
La piastra porosa permette ai fluidi interstiziali di fluire liberamente da e verso il tessuto durante l’esperimento
Cartilagine articolare
17
Stress relaxation
A: Per permettere la deformazione del tessuto il fluido è forzato fuori attraverso la piastra porosa
B: A causa dei bassi valori della conduttività idraulica, sono necessari grandi carichi per comprimere il campione
C: Alla fine della rampa degli spostamenti si ha una ridistribuzione dei fluidi all’interno del tessuto per dissipare il gradiente di pressione idrostatica
D: Si arresta il flusso dei fluidi
Equilibrio HK
h2
=τTempo di rilassamento
Cartilagine articolare
18
Trasduzione elettromeccanica
La cartilagine può essere considerata un gel naturale
polielettrolita, schematizzabile come un reticolo carico in
equilibrio con una soluzione elettrolitica
Cartilagine articolare
19
Streaming potential: aspetto microscopico
La presenza di cariche fisse e di controioni mobili insieme con una forza di compressione dà vita al fenomeno di streaming potential importante nelle funzioni biomeccaniche della cartilagine articolare
Cartilagine articolare
20
αααα
ββββB
A
V=0
Compressione
V≠≠≠≠0
Condizione confinata Equilibrio globale
Compressione
Espulsione di fluidi e cariche
Streaming potential: aspetto macroscopico
Cartilagine articolare
21
Modello matematico
Bilancio sulle singole fasi
0),( =+∂
∂trvV
tφ
φ
0),(
)1()1(
=
∂
∂−∇+
∂
−∂
t
tru
tφ
φ
0),(
)1(),( =
∂
∂−+∇
t
trutrv φφBilancio globale
Cartilagine articolare
22
Bilancio della quantità di moto
Assumendo trascurabili le forze di massa e di inerzia si ha:
• Π = forze di attrito + contributo osmotico
Π=∇ fσ
Π−=∇ sσ0=∇+∇ sf σσ
Cartilagine articolare
23
Legge della trasduzione elettromeccanica
• K11 = permeabilità di corto circuito
• K22 = conducibilità del mezzo
• K12 = k21 = coefficienti di accoppiamento
0=∇J
Vkpkt
uv ∇+∇−=
∂
∂− 1211)(φ
VkpkJ ∇−∇= 2221
Equazione di continuità della densità di corrente
Cartilagine articolare
24
Equazione costitutiva del materiale
sftot σσσ +=
Tensore degli sforzi totali
Tensore degli sforzi della fase fluida
lpf ϕσ −=
Tensore degli sforzi della fase solida
4444 34444 214342143421
icoviscoelast
t
elasticooidrostatic
s dletmclelp ∫∞−
+∂
∂−+++Φ−−= ξε
ξξλεµσ )()(2)1(
Cartilagine articolare
25
Sviluppo del modello in compressione confinata
Elettrodo
Elettrodo
Elettrodo
Elettrodo
Moto unidirezionale lungo l’asse z
z
Equazione dello spostamento
Jkdz
utm
z
uHk
t
u12
2
2
2
)(2 +
∂
∂
∂
∂−+
∂
∂=
∂
∂∫ ξ
ξξ
Sono impedite le deformazioni radiali
Cartilagine articolare
26
Parte sperimentale
gel
Cella di PMMA
Tecnica sperimentale
GEL SETTO
POROSO
a
Elettrodi di Ag/AgCl
Cartilagine articolare
27
Carico Potenziale
-5
0
5
10
15
20
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
0 5 10 15
Spostamento - Carico
Sp
ost
am
ento
[m
icro
n]
Carico
[KP
a]
Tempo [s]
0
5
10
15
20
0.48
0.485
0.49
0.495
0.5
0.505
0.51
0.515
0 5 10 15
Spostamento-Potenziale
Sp
ost
am
ento
[m
icro
n]
Poten
ziale [m
V]
Tempo [s]
-5
0
5
10
15
20
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Spostamento - Carico 5Hz
Sp
ost
am
en
to [
mic
ro
n]
Ca
ric
o [K
Pa
]
Tempo [s]
-5
0
5
10
15
20
0.38
0.385
0.39
0.395
0.4
0.405
0.41
0.415
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Sp
ost
am
ento
[M
icro
n]
Po
tenzia
le [mV
]
Tempo [s]
Spostamento - Potenziale
Prove di stress relaxation
Cartilagine articolare
28
Influenza dei tempi
La cartilagine è un sistema complesso, qualunque
sollecitazione esterna genera una perturbazione. La
risposta del sistema è correlabile a tempi caratteristici, i
più importanti sono :
• Tempo di rilassamento delle catene polimeriche
• Tempo di percolazione dei fluidi
• Tempo di elettrodiffusione
Moto dei fluidiMoto dei fluidi
Cartilagine articolare
29
Riparo e rimodellamento
Condrociti
Funzionalità della ECM
Controllo del metabolismo
Sostituzione delle cellule degradate
Sforzo meccanico Metabolismo della matrice
Flusso dei fluidi Sintesi dei proteoglicani
Cartilagine articolare
30
Danni della cartilagine articolare
• Rottura della matrice
• Difetti parziali di
diversa profondità
• Difetti profondi
Danno che attraversa la cartilagine e penetra l’osso subcondrale
Migrazione delle cellule progenitrici
Lievi traumi
Cartilagine articolare
31
Tecniche di riparo …
Resezione della
cartilagine e
successivo trapianto
di innesti
Sostanze prelevate da diverse zone del legamento
Danni nei siti
donatori
Scarsa
resistenza ai carichi
Tessuto pericondriale o periostale
Buona condrogenesi delle cellule
periostali
Ossificazione del tessuto pericondriale derivato
Cartilagine articolare
32
Trapianto di
condrociti
Perforazione o abrasione dell’osso subcondrale
… Tecniche di riparo
Rigenerazione o
risanamento
della cartilagine
danneggiataMigrazione della cellule mesenchimali
verso il danno e produzione di condrociti
Elettrostimolazione, moto passivo,
farmaci
Solo per piccole
lesioni
Problemi di
aderenza
Cartilagine articolare
33
Trapianto di cellule
Condrociti o cellule indifferenziate
Ritenuta delle cellule nel difetto sufficiente per avere ECM
Innesti di tessuto
periostale all’estremità del danno per contenere le
cellule
Substrati porosi su cui
coltivare le cellule
Problemi al
sito donatore
Degenerazione dopo 12-18 mesi
Giusta scelta del materiale per il substrato
Cartilagine articolare
34
Materiali per i supporti
Polimeri naturali Polimeri sintetici
•Acido ialuronico
•Collagene
•Acido poliglicolico (PGA)
•Acido polilattico (PLLA)
•Copolimero (PLGA)
•Buoni risultati•Difficile reperibilità del materiale
•Possibilità di rigetto
•Possibilità di ingegnerizzare il materiale•Biodegradabilità e biocompatibilità
•Controllo su densità e distribuzione delle cellule
Necessità di un’operazione chirurgica
Cartilagine articolare
35
Gel di collagene
• In principio utilizzato solo per veicolare i condrociti
• Poi coltivazione di condrociti in una biomatrice di
collagene di tipo I prima dell’iniezione
• Iniezione del gel e reticolazione in situ
• Struttura tridimensionale molto simile alla cartilagine
articolare e con buone proprietà meccaniche
• Buona adesione ai tessuti circostanti
• Risoluzione del problema del trapianto
Cartilagine articolare
36
Acido ialuronico
• Grande affinità con i condrociti
• Buona proliferazione
• Biodegradabilità e biocompatibilità
• Possibilità di avere il tessuto nelle forma desiderate
• Buon controllo della densità di cellule
Bioreattore
Cartilagine articolare
37
Bioreattore
Dispositivo attraverso il quale si cerca di ricreare il normale
ambiente biologico presente all’interno dell’organismo,
mantenendo il controllo di tutti i parametri chimico - fisici e
meccanici
•Cella di coltura con substrato e cellule da seminare
•Mezzo di coltura
•Buona distribuzione dei nutrienti a tutte le cellule
attraverso un moto convettivo
•Monitoraggio dei parametri del sistema con PC
Cartilagine articolare
38
Frontiere dell’ingegneria dei tessuti•COD: composito osteocondraleIdrogel costituito di alcol polivinilico (PVA) e fibre di titanio (TFM) in grado di aderire bene all’osso
•PNIPAAm-gelatinaGelatina sensibile alle variazioni termiche iniettabile nella lesione
reticola in loco a 37°C; con proprietà meccaniche molto simili a quelle della cartilagine
•HYAFF11:Derivato esterificato dell’acido ialuronicoTessuto molto simile alla cartilagine con buona adesione
•Hyalograft-C: Derivato dell’acido ialuronico
Supporto tridimensionale adattabile alla dimensione della lesione