Biomeccanica dei Tendini e dei Legamenti - Masteringegneriaclinica.it

Biomeccanica dei Tendini e dei Legamenti
Tutti i mammiferi sono in grado di convertire l’energia
chimica in energia meccanica.
Questo processo richiede che la forza generata dai
muscoli sia trasmessa ai componenti scheletrici coinvolti
nel movimento, i quali, con opportuni leveraggi,
permettono di convertire le forze di contrazione in
traslazioni e rotazioni.
I tendini e i legamenti svolgono un ruolo fondamentale in
questo processo: i tendini trasmettono la forza tra i
muscoli e le ossa; i legamenti provvedono al contatto tra
ossa in corrispondenza delle articolazioni.

I legamenti e i tendini sono costituiti prevalentemente
da collagene.
Tali strutture giocano un’azione significativa della
biomeccanica muscolo scheletrica.
Essi inoltre hanno un ruolo di enorme rilievo nei
trattamenti ortopedici, basti pensare all’elevato
numero di operazioni chirurgiche che vengono compiute
annualmente in ogni centro ortopedico su tali
strutture.
Scopo primario dei trattamenti chirurgici è quello di
ripristinare la meccanica funzionale di questi tessuti.

Come la maggior parte dei tessuti biologici anche i
legamenti e i tendini hanno una struttura gerarchica
che influisce sul loro comportamento meccanico e
che li permette di adattarsi ai cambiamenti
meccanici del loro ambiente di lavoro che possono
avvenire in seguito a fratture, ferite, malattie o
esercizi intensi.
La struttura gerarchica riportata (schema di Kaerlic)
mostra il tendine (o il legamento) nelle sue
suddivisioni costitutive.
La struttura principale è suddivisa in entità più
piccole chiamate fascicoli che sono rivestiti dalla
membrana fascicolare.
I fascicoli a loro volta contengono le fibrille di base
del legamento e i fibroblasti che sono le cellule
biologiche che costituiscono il legamento stesso.
A loro volta le fibrille sono suddivise in sottofibrille e in
microfibrille le quali sono le sedi dei filamenti elementari
di collagene.

TENDINI
Anatomia:
1. I tendini contengono le fibrille di collagene (Tipo
I);
2. I tendini contengono la matrice di proteoglicani;
3. I tendini contengono i fibroblasti (cellule biologiche)
che sono arrangiati un colonne parallele.
Funzioni di Base:
1. I tendini trasmettono la tensione dai muscoli alle
ossa;
2. Essi trasmettono la forza di compressione quando si
avvolgono attorno ad un osso come una puleggia.
Collagene di tipo 1
1. ~86% in peso di tendine secco;
2. Glicina(~33%);
3. Prolina (~15%);
4. Idrossiprolina (~15%).
Apporto sanguigno
1. Vasi nel perimisio (copertura tendinea);
2. Inserzioni Periosteali;
3. Tessuti circostanti.

LEGAMENTI
Anatomia:
1. Struttura gerarchica simile a quella
tendinea;
2. Le fibre di collagene sono leggermente
minori in volume e in organizzazione dei
tendini;
3. Maggiore percentuale della matrice dei
proteoglicani rispetto ai tendini;
4. Fibroblasti.
Apporto sanguigno
1. Microvascolarizzazione da siti di
inserzione;
2. Nutrizione per la popolazione cellulare
necessaria per la sintesi e la riparazione
della matrice.

I fibroblasti si orientano principalmente secondo la
direzione principale del carico.
La disposizione delle fibrille del collagene nei tendini è
completamente parallela
Grazie a questa conformazione essi sopportano forza
unidirezionale.
La disposizione delle fibrille del collagene nei legamenti è
invece non perfettamente tesa anche se con una direzione
prevalente, questo li rende in grado di sostenere i carichi
in direzioni differenti

L’osso ha un modulo di elasticità 10 volte più
grande del tendine o del legamento.
Il collegamento diretto tra questi matriali
risulterebbe quindi difficile a causa dell’elevata
discontinuità nella sollecitazione e nello sforzo
che si verrebbe a realizzare all’interfaccia.
La natura risolve il problema realizzando una
disposizione spaziale sequenziale del tendine (o
del legamento) di fibrocartilagini e di fibre
mineralizzate di fibrocartilagine (fibre di
Sharpey) che si inseriscono direttamente
nell’osso, perpendicolarmente alla superficie
realizzando così una zona di proprietà meccaniche
intermedie.

I tendini e i legamenti hanno un comportamento non
lineare ovvero non esiste una proporzionalità diretta
tra gli allungamenti e il carico a cui la struttura è
sottoposta.
Questo comportamento non lineare segue il modello di
Voight ovvero il Modello del Reclutamento delle fibre:
con l'aumento della deformazione, un numero sempre
maggiore di fibre inizialmente scariche si tende e
partecipa, in questo modo, alla suddivisione del carico.

Un tipico andamento della curva tensioni deformazioni per un
tendine o per un legamento è il seguente:
E’ possibile suddividere la curva in tre regioni:
• zona del piede della curva (Toe Region) o zona di
convergenza (Toe-in Region);
•zona lineare;
•zona dello snervamento e della rottura.
Il modulo di Young dei tendini e dei legamenti (oltre
la regione del piede) varia fra 400 e 1500 MPa.
La tensione di rottura (prova a trazione) varia fra
50 e 100 MPa.
La capacità di carico e la rigidezza dei tendini e dei
legamenti dipende dalla loro lunghezza e dalla loro
sezione trasversale

Come molti materiali polimerici, i tendini e i
legamenti mostrano un comportamento viscoelastico
(tempo-dipendente);
i principali fenomeni a cui sono soggetti tali
materiali sono:
• isteresi (dissipazione energetica);
• creep;
• incremento della rigidezza a seguito di un
incremento di carico;
• cedimento sotto carico.
Isteresi
Eseguendo su una macchina di trazione un ciclo di
carico e di scarico si osserva che le curve non sono
le stesse, il lavoro compiuto durante l’allungamento
non è lo stesso ma risulta maggiore di quello
recuperato durante l’accorciamento.
Si assiste pertanto ad una perdita di energia
(energia dissipata in calore) di circa il 7%.

Creep
Un incremento a gradino (step) nel carico (o nella
tensione) produce una deformazione che tende ad
aumentare in modulo nel tempo.
Cedimento sotto carico (rilassamento)
Un incremento a gradino (step) nella deformazione
produce un incremento di carico (o di tensione) che
tende a diminuire in modulo nel tempo.

Il comportamento viscoelastico del tendine o del
legamento può essere schematizzato attraverso un
opportuno modello; esistono tre modelli principali di
schematizzazione:
•Il modello di Maxwell;
•Il modello di Voight;
•Il modello di Kelvin.
Il modello di Maxwell è costituito da un elemento
elastico (molla) ed un elemento viscoso in serie;
il modello di Voight è costituito da un elemento elastico
in parallelo con un elemento viscoso;
l’elemento di Kelvin è costituito da un elemento elastico
in parallelo con una serie costituita da un ulteriore
elemento elastico e un elemento viscoso.
•
• F
x = +
K
F
b
•
F = Kx + b x
F
+ α F = K
α =
•
b
K
1
; β
=
2
•
(x + β x)
b
K
2
⎛ K
⎜
⎜1+
⎝ K
2
1
⎞
⎟
⎠

Sottoponendo i tre modelli ad un gradino di forza
vediamo che;
1) il primo tende a deformarsi istantaneamente in
seguito alla presenza della molla e successivamente
abbiamo lo scorrimento dello smorzatore;
2) il secondo modello non presenta nessuna
deviazione immediata perché lo smorzatore non ha
una risposta immediata. La molla gradualmente
prende sempre più carico, mentre alla fine lo
smorzatore si scarica (creep) con una propria
costante di tempo (b/k);
3) Le molle K1 e K2 iniziano istantaneamente a
deformarsi ed inizialmente ripartiscono il carico; lo
smorzatore allora scorre e K2 inizia gradualmente ad
aumentare di carico.

Se invece consideriamo uno step di deformazione
vediamo che:
nel modello di Maxwell la molla esercita
istantaneamente una forza e successivamente lo
scorrimento dello smorzatore crea un rilassamento
con costante elastica (b/k);
nel modello di Voight un incremento di deformazione
produce istantaneamente sulla molla una forza,
mentre sullo smorzatore si viene a creare una
velocità infinita e una forza infinita (comportamento
non realistico);
nel modello di Kelvin abbiamo una forza iniziale
istantanea dovuta alla presenza sia di K1 che di K2, il
successivo scorrimento dello smorzatore produce un
rilassamento della forza sulla molla K1. La forza
finale è dovuta alla molla K2.

Il modello di Maxwell a grandi livelli di carico
presenta una bassa deformazione dello smorzatore
che dissipa poca energia.
Il modello di Voight a grandi livelli di carico mostra
una grande deformazione dello smorzatore che
dissipa grandi quantitativi di energia.
Nel modello di Kelvin a bassi livelli di carico la molla
K1 scarica la maggior parte del carico. A grandi livelli
di carico lo smorzatore si deforma pochissimo.
Quindi il massimo dell’energia dissipata si presenta a
livelli di carico intermedi.