cartilagine articolare

Cartilagine articolare

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CARTILAGINE ARTICOLARE:CARTILAGINE ARTICOLARE:

PROPRIETAPROPRIETA’’ BIOMECCANICHE E BIOMECCANICHE E

MATERIALI DI RIPAROMATERIALI DI RIPARO


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Tessuto soffice idrato di 0,5-5 mm che copre le estremità delle articolazioni; sostiene e trasmette

i carichi tra le ossa


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Composizione

�Fase solida• condrociti (5%)

• collagene (90-95%)

• proteoglicani

• acido ialuronico

�Fase liquida• acqua

• elettroliti

• fluidi


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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


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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


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Proteoglicani

• 95% polisaccaridi

• 5% proteine costituite da glicosamminoglicani

• Nessun legame

chimico con il collagene

• Presenza di gruppi carichi Interazioni

con l’acqua


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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


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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


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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


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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


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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)


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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.


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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


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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)


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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


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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


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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


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Trasduzione elettromeccanica

La cartilagine può essere considerata un gel naturale

polielettrolita, schematizzabile come un reticolo carico in

equilibrio con una soluzione elettrolitica


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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


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αααα

ββββB

A

V=0

Compressione

V≠≠≠≠0

Condizione confinata Equilibrio globale

Compressione

Espulsione di fluidi e cariche

Streaming potential: aspetto macroscopico


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Modello matematico

Bilancio sulle singole fasi

0),( =+∂

∂trvV

tφ

φ

0),(

)1()1(

=

∂

∂−∇+

∂

−∂

t

tru

tφ

φ

0),(

)1(),( =

∂

∂−+∇

t

trutrv φφBilancio globale


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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


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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


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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(


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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


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Parte sperimentale

gel

Cella di PMMA

Tecnica sperimentale

GEL SETTO

POROSO

a

Elettrodi di Ag/AgCl


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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


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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


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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


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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


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


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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


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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


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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


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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


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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


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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


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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

cartilagine articolare

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