Tessuti biologici

Question 1

TESSUTI BIOLOGICI

Answer 1

i principali tessuti biologici sono:
- epiteliale;
- connettivo;
- muscolare;
- nervoso.

Question 2

PROPRIETA’ MECCANICHE

Answer 2

è difficile definirle, in quanto presentano:
- alta inter-variabilità (dovuta a età, sesso, condizione di salute, genotipo, etc.);
- variabilità topica (disomogeneità);
- variabilità direzionale (anisotropia);
- rimodellamento del tessuto vivente durante gli anni;
- comportamento non-lineare e tempo dipendente.

Question 3

COMPONENTI STRUTTURALI

Answer 3

tutti i tessuti biologici sono composti da queste tre molecole organiche:
- collagene;
- elastina;
- gel idrofilico.
Altri componenti sono:
- cheratina (tipica dei tessuti epiteliali);
- idrossiapatite (tipica dei connettivi, conferisce rigidità).

A partire dalle stesse tre molecole, si riesce a modellare tutta la variabilità dei tessuti biologici, in quanto le proprietà di ogni
tessuto variano a seconda di:
- Composizione;
- Percentuale degli altri componenti;
- Arrangiamento delle molecole.

Question 4

COLLAGENE

Answer 4

è una proteina presente in ogni tessuto vivente ed è la principale componente degli elementi strutturali.
Ha una struttura gerarchica e ci sono più di 20 tipi di collagene:
- tipo I: pelle, ossa, legamenti, tendini;
- tipo II: cartilagine e dischi intervertebrali;
- tipo III: spesso associata al tipo I ma meno abbondante;
- tipo IV: membrane basali;
- tipo V: vasi sanguigni.
I componenti del collagene sono prodotti all’interno dei fibroblasti e sono assemblati nella matrice extracellulare.

Question 5

STRUTTURA GERARCHICA DEL COLLAGENE

Answer 5

i livelli gerarchici dal microscopico al macroscopico sono:
1. catene di aminoacidi –> polipeptidi. Ha una forma elicoidale sinistra a causa dell’orientamento del gruppo R. La forma finale del polipeptide dipende dalla sequenza di aminoacidi;
2. catene di 3 polipeptidi –> tropocollagene. 2 sono uguali, la terza è diversa. Sono disposte in modo da formare una forma elicoidale destra;
3. fibrille composte da tropocollagene. Sono catene parzialmente sovrapposte.
4. fibre composte da fibrille. Possono essere perfettamente allineate o curve;
5. tessuto composto da fibre orientate in un certo modo (le fibre hanno un’organizzazione diversa per ogni tessuto: il livello di torsione e compattezza definisce le proprietà meccaniche).

Question 6

PROPRIETA’ MECCANICHE DEL COLLAGENE

Answer 6

la struttura completa del collagene definisce il suo comportamento meccanico.
A causa della struttura complessa e della sua variabilità, è difficile individuarle.
Prendiamo le proprietà meccaniche di fibre di collagene allineate:
- E=100-500MPa (alta percentuale di collagene);
- E=1-100GPa (puro collagene con fibre allineate). Tensione di rottura: 50-100MPa.
La curva tensione-deformazione è fortemente non lineare.

Question 7

ELASTINA

Answer 7

È una proteina prodotta dai fibroblasti ed è indirizzata dalla matrice extracellulare.
Essa presenta una struttura reticolata composta da fibre lineari, ed è raro riuscire a identificarla da sola, perciò è difficile da
caratterizzare meccanicamente.
L’elastina lavora spesso in parallelo al collagene e il suo ruolo principale è nei tessuti in cui le proprietà elastiche sono fondamentali:
- vasi;
- polmoni.

Question 8

PROPRIETA’ MECCANICHE ELASTINA

Answer 8

L’elastina ha un comportamento elastico lineare quasi perfetto, che presenta:
- isteresi minima;
- deformazione reversibile.
E’ è facilmente deformabile, si presta a un’alta deformazione, e presenta una bassa tensione di frattura (<1MPa).

Question 9

GEL IDROFILICO

Answer 9

È un gel prodotto dai proteoglicani ed è immerso nella matrice extracellulare.
Si tratta di un polimero composto di anelli di zucchero e forma catene ramificate in due livelli.
In condizioni fisiologiche (cioè in presenza di Na+ e Ca2+) il gel attrae le molecole di acqua: agisce come una spugna, cioè è
capace di incamerare un grande volume di acqua.
Ha il ruolo di matrice in un materiale composito, mentre le fibre di rinforzo sono rappresentate dal collagene e dalle fibre di
elastina.

Question 10

PROPRIETA’ MECCANICHE GEL IDROFILICO

Answer 10

Ci sono questioni intrinseche legate alla caratterizzazione meccanica:
- è difficile isolarlo dalle fibre che sono immerse al suo interno;
- se sottoposto a carico, cambia comportamento meccanico rilasciando acqua.
In generale presenta:
- basso modulo elastico;
- bassa tensione di rottura.
Il suo comportamento di intrappolamento (in condizioni normali) e rilasciamento (sotto carico) di acqua lo rende un materiale auto-lubrificante: ciò significa che ha un ruolo fondamentale tra i tessuti in movimento relativo tra loro, ad esempio nel tessuto cartilagineo.

Question 11

TESSUTO CONNETTIVO CALCIFICATO

Answer 11

Il tessuto connettivo calcificato è una forma specializzata del tessuto connettivo ed è il componente principale delle ossa.
Il suo elemento distintivo è la mineralizzazione della matrice extracellulare che comporta rigidità e resistenza meccanica.
Il loro ruolo è permettere il movimento e proteggere gli organi vitali.

Question 12

COMPONENTI DEL TESSUTO OSSEO

Answer 12

Il tessuto osseo è composto da:
- componenti organici (1/3): collagene, lipidi, ect. –> è la parte dura;
- componenti inorganici (2/3): idrossiapatite –> è la parte rigida e fragile.
Cristallo di idrossiapatite
- lunghezza: 20-40nm
- spessore: 1.5-5nm
I cristalli di idrossiapatite si dispongono nella stessa direzione delle fibre di collagene, in particolare:
- dentro le fibrille di collagene;
- tra le fibrille di collagene.

Question 13

ELEMENTI BASE DEL TESSUTO OSSEO

Answer 13

All’interno del tessuto osseo:
- Le fibrille di collagene sono allineate (parallelismo);
- Le lamelle sovrapposte formano una struttura lamellare;
- Le fibrille sono immerse in gel idrofilo ricco di sale di calcio.
Il tessuto osseo è resistente ma anche leggero: questo compromesso ottimale è dovuto alla sua organizzazione interna.
Le fibre del tessuto osseo formano lamelle (l’elemento base del tessuto osseo) che si avvolgono a elica: in base a come sono disposti i cristalli di idrossiapatite, variano le proprietà del tessuto stesso.
La disposizione delle fibre all’interno delle lamelle determina le caratteristiche dell’osso e la sua risposta alle sollecitazioni meccaniche: le fibre del tessuto si dispongono all’interno dell’osso per rispondere in modo migliore possibile (cambia al variare delle ossa e della loro funzione).

La disposizione delle lamelle determina la distinzione di un osso in due parti:
- osso corticale: parte esterna che conferisce rigidità e durezza e protegge la struttura;
- osso trabecolare: parte che conferisce leggerezza e assorbe energia durante un impatto, diminuendo dispendio metabolico. La parte fondamentale sono le trabecole.

Question 14

RIMODELLAMENTO OSSEO

Answer 14

La forma dell’osso (sia corticale che trabecolare) è definita da:
- modellamento: bone-modelling, avviene dall’età infantile ed è legato alla genetica (formazione ossea è scritta nel DNA);
- rimodellamento: bone-remodelling, che avviene in età adulta in base alle condizioni fisiche (ad esempio, in base all’attività fisica).
Queste attività avvengono a opera degli osteoblasti: ciò rende possibile l’omeostasi, ovvero l’equilibrio nella percentuale di
tessuto “distrutto” e “riformato”.
La legge di Wolff descrive il rimodellamento (flashcard).
Il rimodellamento osseo (sia la creazione che la distruzione di tessuto) è legato alle sollecitazioni a cui il corpo è sottoposto: nel momento in cui si aumenta l’attività fisica, aumenta la produzione, nel momento in cui diminuisce invece aumenta la distruzione.
Una volta che si mantiene un certo tipo di sollecitazione, si raggiunge l’omeostasi, ossia la creazione e la distruzione ossea in
ugual quantità.

Question 15

STRUTTURA MACROSCOPICA DELLE OSSA

Answer 15

Le ossa del corpo umano sono ottimizzate in termini di:
- Massima forza;
- Minimo peso possibile;
- Minimo costo (minor dispendio energetico);
- Minor spreco di materiale.
Quindi, al variare della posizione e funzione, le ossa si specializzano in:
- ossa lunghe: consentono ampi movimenti. Sia osso corticale che trabecolare;
- ossa piatte: proteggere gli organi, resistono ad alti impatti. Prevale osso corticale;
- ossa irregolari: trasmettono il carico agli altri tessuti ossei. Prevale osso trabecolare.

Question 16

PROPRIETA’ MECCANICHE TESSUTO OSSEO

Answer 16

poiché il tessuto osseo è caratterizzato d auna forte variabilità, è difficile definirle.
Esse vengono misurate attraverso test in vitro, molto diverso dalla condizione in vivo. Per questo sono importanti le condizioni al contorno per caratterizzare il tessuto vivente.
Tuttavia, le proprietà meccaniche valutate post mortem sono le stesse misurate in vivo, se l’osso viene correttamente conservato, poiché la maggior parte dell’osso è mineralizzato non vivente).

Question 17

PROPRIETA’ MECCANICHE OSSO - CONDIZIONI DIVERSE

Answer 17

• ambiente secco: comportamento fragile, poiché prevale idrossiapatite;
• ambiente umido: l’equilibrio tra collagene e idrossiapatite determina un comportamento più duttile;
• velocità di sollecitazione: La componente minerale non influenza la plasticità, mentre il collagene ha comportamento elasto-plastico: l’unione delle due causa un materiale con comportamento viscoelastico, ossia non lineare e tempo-dipendente.
  In particolare, la sua rigidezza aumenta all’aumentare della velocità di
  sollecitazione;
• effetto del condizionamento: si collega alla viscoelasticità del materiale e significa che dopo una serie di sollecitazioni cicliche il suo comportamento si stabilizza.
  Per questo motivo è importante pre-condizionare un materiale, ossia “prepararlo” affinché raggiunga delle condizioni stabili.
  Una volta che il materiale si è stabilizzato, l’effetto viscoelastico è ancora minore;
• disomogeneità: le due diverse componenti dell’osso hanno comportamento meccanico diverso:
  > osso corticale: molto rigido ma comportamento quasi solo fragile;
  > osso trabecolare: molto cedevole, con comportamento elasto-plastico e con tensione di rottura molto bassa (quando si rompe però si rompe una singola trabecola).
  Per questo è importante trattare in maniera diversa le due parti: esempio disco intervertebrale di titanio –> esterno molto rigido per sopportare molto carico ed interno molto deformabile (per
  garantire osteointegrazione).

Question 18

TESSUTI CONNETTIVI MOLLI

Answer 18

• legamenti;
• tendini;
• cartilagini;
• dischi intervertebrali;
• tessuto adiposo;
• sangue.
  I tessuti connettivi molli hanno un contenuto minerale trascurabile e un elevato contenuto di acqua.
  Sono composti da collagene, elastina e gel idrofilico, in proporzione diversa.
  Le cellule che li compongono sono: fibroblasti, fibroclasti e fibrociti; con una grande quantità di matrice extracellulare.
  Sono meno rigidi dell’osso e hanno un comportamento visco-elastico (più rilevante dell’osso).

Question 19

STRUTTURE E FUNZIONI TESSUTI CONNETTIVI MOLLI

Answer 19

ogni tipologia di tessuto assolve una funzione diversa:
- connessione meccanica –> legamenti e tendini;
- supporto –> cartilagini;
- riempimento –> menischi;
- protezione termica, accumulo di sostanze –> tessuti adiposi;
- trasporto di sostanze –> sangue.

Question 20

TENDINI

Answer 20

tessuto che connette il muscolo con l’osso: essi dirigono il carico generato dal muscolo all’osso, permettendo locomozione e movimento, soprattutto in trazione.
STRUTTURA:
1. Fibre di rinforzo di collagene, piuttosto allineate tra loro e organizzate secondo
una struttura gerarchica;
2. Matrice di gel idrofilico;
3. Cellule: tenoblasti e tenociti;
4. Altri: nervi propriocettivi, vasi sanguigni.
COMPORTAMENTO MECCANICO:
I tendini presentano:
− alta tensione di rottura;
− flessibilità;
− comportamento elastico;
− protezione per attrito.
Questo comportamento è dovuto al fatto che le fibre di collagene sono allineate
all’interno del tendine, che quindi risponde sempre a ogni sollecitazione.
Infatti il tendine è implicato in ogni tipo di movimento, al contrario dei legamenti.

Question 21

LEGAMENTI

Answer 21

tessuto che connette due ossa: essi sono implicati quando è necessario evitare danni articolari in movimenti troppo ampi, soprattutto in trazione.
STRUTTURA:
Hanno una struttura simile ai tendini, ma le fibre di collagene non sono allineate e organizzate come nei tendini.
Questo provoca un comportamento cedevole nel normale movimento.
Le fibre vengono allineate e poi stirate solo se sottoposte a carico: inizialmente sono cedevoli, poi diventano rigide.
Questo comportamento sembra essere dovuto alla matrice extracellulare (elastina e gel idrofilo) che piega le fibre di collagene.
COMPORTAMENTO MECCANICO:
Inizialmente è inattivo.
Aumentando il carico le fibre di collagene si allineano e si allungano e l’intero legamento diventa rigido, impedendo
movimenti supplementari tra le ossa.

Question 22

CARTILAGINI

Answer 22

tessuti costantemente sollecitati e hanno la funzione di:
- provvedere alla crescita dell’individuo in fase infantile;
- ridurre l’attrito tra le articolazioni: per via dell’alta percentuale di gel idrofilico, la cartilagine riesce a conferire un bassissimo attrito, assimilabile a quello di ghiaccio su ghiaccio.
La struttura della cartilagine è composta da:
- collagene: funzione di rinforzo;
- gel idrofilico: funzione lubrificante;
- condroblasti e condrociti.

Question 23

STRUTTURA CARTILAGINEA

Answer 23

Per poter resistere a continue sollecitazioni in due direzioni, a livello macroscopico si struttura in:
1. primo strato - strato superficiale: fibre sono parallele alla superficie articolare. Questo strato trasferisce i carichi;
2. secondo strato - strato intermedio: fibre di collagene orientate di circa 45 gradi;
3. terzo strato - strato interno: e fibre sono ortogonali alla superficie articolare;
4. quarto strato - strato subcondrale (cartilagine calcificata): composta di grandi fibre connesse all’osso.

La cartilagine è caratterizzata da disomogeneità: lo spessore varia. In particolare, gli strati di cartilagine:
- più spessi dove si trova più carico applicato;
- meno spessi in caso di carichi minori.
Se accade che lo strato di cartilagine si danneggia, continuando ad applicare il carico spuò arrivare a danneggiare le ossa.

Question 24

COMPORTAMENTO MECCANICO CARTILAGINE

Answer 24

• basso modulo elastico: 10-20 MPa;
• bassa tensione di rottura: 3-4 MPa.
  La cartilagine ha un comportamento viscoelastico predominante: questo può essere spiegato così: se si applica un carico, la cartilagine si comprime, comprimendo le fibre superficiali che rilasciano gel idrofilico.
  Se si mantiene lo spostamento costante, le fibre iniziano a ridistribuirsi, quindi la tensione per mantenere tale spostamento diminuisce.

Question 25

MENISCHI

Answer 25

sono presenti nelle articolazioni non congruenti per aumentare l’area di contatto, diminuendo così le tensioni a cui sono sottoposte le articolazioni.
Sono tessuti fibrosi ad elevata organizzazione strutturale, composti di:
- fibre di collagene dirette lungo la direzione del carico;
- bassi quantitativi di fibre elastiche, per collegare le fibre di collagene;
- gel idrofilico che funge da matrice e lubrificante.
Si tratta di un materiale molto disomogeneo e con comportamento altamente anisotropo.

Question 26

DISCHI INVERTEBRALI

Answer 26

La funzione dei dischi intervertebrali è quella di:
- sostenere il carico del corpo;
- smorzare e ridurre le sollecitazioni;
- permettere il movimento relativo della colonna.
STRUTTURA:
composto da due strutture:
- anello fibroso: : strati di fibre di collagene con orientamento di +/-45° ;
- nucleo polposo: gel con proteoglicani, durante il carico rilascia parte del contenuto di acqua.
–> ciò rende la caratterizzazione meccanica complessa.
COMPORTAMENTO MECCANICO:
comportamento viscoelastico: il disco ha una risposta molto deformabile se sollecitato molto piano, una risposta rigida se sollecitato molto velocemente.
Se sottoposti a un carico ciclico, c’è il rischio di “delaminazione” tra le fibre di collagene, che comportano una protusione (se le fibre rientrano dentro) o ernia al disco (parte del nucleo comprime il midollo).
La degenerazione può avvenire a livello di:
- nucleo polposo: dolore;
- anello fibroso: danni più grandi per attriti tra le vertebre.

Question 27

TESSUTO ADIPOSO

Answer 27

sono i tessuti più ricchi di cellule: adipociti, fibroblasti, matrice extracellulare.
Hanno scarse proprietà meccaniche.
Si distinguono due tipologie di tessuti adiposi:
- tessuti adiposi sottocutanei: funzione di protezione termica e stoccaggio delle risorse, matrice extracellulare ridotta e scarsa organizzazione;
- tessuti adiposi dell’apparato digerente: funzione di protezione meccanica, struttura organizzata delle fibre.

Question 28

TESSUTO EPITELIALE

Answer 28

è composto da diversi strati:
- cute: riveste le superfici esterne;
- mucose: ricopre le cavità connesse con l’esterno;
- sierosa: ricopre cavità isolate;
- tunica intima: copre la parte interna dei vasi sanguigni.
La funzione primaria è la funzione metabolica, mentre il comportamento meccanico è secondario (definito dall’organizzazione delle cellule, generalmente inferiore ai connettivi).
E’ composto da collagene, elastina e gel idrofilico e CHERATINA (elemento che lo differenzia).

Question 29

CHERATINA

Answer 29

fatta di catene di aminoacidi basici e acidi. Sono lunghe catene polimeriche con legami a bassa energia.
La cheratina ha una struttura gerarchica e diverse strutture organizzative (intrecciate, ramificate, planare).
La cheratina viene prodotta all’interno delle cellule e viene raccolta:
- dentro le cellule;
- nelle membrane cellulari.
La cheratina fornisce elevate competenze meccaniche (rigidità e resistenza). Sono definite da:
- disposizione delle catene;
- forma delle cellule;
- orientamento delle cellule.
Sono influenzate da:
- velocità di carico;
- pH dell’ambiente.
La cheratina permette la sopravvivenza delle cellule epiteliali e conferisce loro un comportamento elastico forza.

Question 30

CUTE

Answer 30

membrana che copre tutto il corpo.
Funzioni:
- protezione meccanica;
- protezione da agenti infettivi;
- regolazione termica;
- percezione tattile.
E’ composta da cellule epiteliali (cheratina) e collagene extracellulare organizzato in strati o lamelle; il loro orientamento non è casuale, ma seguono la direzionalità sulla flessibilità richiesta.
Ha una struttura a strati:
- epidermide: strato esterno, composto da ulteriori strati. In superficie ci sono cellule morte, all’interno cellule vive;
- derma: lato interno, più spesso dell’epidermide. Contiene cellule vive arrotondate, che diventano piatte passando nell’epidermide.
COMPORTAMENTO MECCANICO
sollecitando la cute in due direzioni trasversali si osserva che:
- comportamento viscoelastico;
- anisotropia: reagisce bene lungo la direzione delle fibre.

Question 31

MUCOSA

Answer 31

La mucosa ha una struttura simile alla cute, ma è meno rigida (per via del basso contenuto di cheratina).
La mucosa è un tessuto ricco di ghiandole e ha il ruolo di protezione chimica, infatti ha una bassa resistenza meccanica.
È un tessuto altamente vascolarizzato.

Question 32

SIEROSA

Answer 32

copre una moltitudine di funzioni.
È un tessuto ricco di collagene nella matrice extracellulare.
Le proprietà meccaniche sono scarse:
- la sierosa che ricopre gli organi, li contiene e permette i loro movimenti relativi;
- la sierosa che ricopre le articolazioni, vincola i movimenti.

Question 33

TUNICA INTIMA

Answer 33

Tessuto endotenico.
Tessuto ad alta resa ed elastico.
È composto da cellule di cheratina, elastina e collagene che dà rinforzo.
È un tessuto altamente anisotropico e connesso ad organi soggetti a carichi ciclici.

Question 34

VASI SANGUIGNI

Answer 34

I vasi sanguigni distribuiscono il sangue dal cuore alla periferia del corpo.
Ci sono diversi tipi di vasi:
- arterie: portano il sangue ossigenato dal cuore a tutte le parti del corpo;
- vene: porta il sangue dalla periferia verso il cuore;
- capillari: convogliano il sangue tra le arteriole e le venule.
Hanno una struttura complessa, organizzata a strati, con:
- tessuto epiteliale;
- tessuto connettivo;
- tessuto muscolare.
La competenza meccanica è data dalla somma degli effetti dei diversi tessuti. In particolare, il comportamento meccanico del vaso può essere spiegato attraverso
una componente attiva (legato al tessuto muscolare) e una passiva (legato al tessuto
endoteliale/connettivo).

Question 35

CONDIZIONI DI LAVORO DEI VASI SANGUIGNI

Answer 35

• sangue ossigenato: atrio sinistro –> ventricolo sinistro –> pompato nell’aorta nella circolazione sistemica, dove l’ossigeno viene ceduto al posto dio anidride carbonica.
• sangue non ossigenato dalla circolazione sistemica –> atrio destro da vene cave superiori e inferiori –> ventricolo destro –> circolazione polmonare dove riceve ossigeno ed emette anidride carbonica.

I vasi sanguigni devono avere una buona deformabilità da ridurre i carichi impulsivi.

Question 36

FUNZIONE BIOMECCANCIA DEI VASI SANGUIGNI

Answer 36

Le arterie e i vasi collegati devono regolare il flusso: per mantenere il flusso regolare, è importante che i vasi resistano alle
pressioni del cuore e si deformino. In particolare:
- le arterie devono accumulare, dilatandosi, l’energia impressa dalla contrazione del cuore; quando questo si rilassa tra una contrazione e l’altra, l’energia accumulata dalle arterie viene ceduta lentamente;
- le vene devono ridurre le fluttuazioni e funzionano come accumulatori di volume di sangue, per gestire fenomeni come
vasocostrizione e vasodilatazione.

Question 37

STRUTTURA VASI SANGUIGNI

Answer 37

i componenti strutturali sono:
- elastina;
- collagene;
- muscoli lisci.
Essa si divide in:
1) tunica intima: strato più sottile a contatto con il sangue;
2) tunica media: strato più spesso, definisce le proprietà meccaniche. È composta dalle fibre muscolari lisce, legate all’elastina, mentre le fibre di collagene sono organizzate in modo casuale;
3) tunica esterna: è composto da tessuto connettivo molto ricco di fibre elastiche.
In base alla funzione a cui devono assolvere, i diversi vasi sanguigni
hanno una composizione diversa: l’elastina serve per permettergli di deformarsi accumulando pressione, mentre le vene hanno più muscolatura per gestire fenomeni di vaso-costrizione/dilatazione.

Question 38

CARATTERISTICHE MECCANICHE DEI VASI SANGUIGNI

Answer 38

• anisotropia;
• effetto viscoelastico;
• comportamento non lineare.
  La caratterizzazione meccanica ha senso limitato perché non è possibile parlare di vasi sanguigni senza tener conto del resto del corpo.
  I vasi sanguigni hanno una componente attiva e una passiva.
  I vasi sanguigni non hanno condizioni naturali, ma seguono il processo di
  omeostasi.