Biomecánica del cartílago

Medicina Física y Rehabilitación
R1 Myriam Guadalupe Del Río Partida
Biomecánica del Cartílago
Articular

Introducción
Nordin, M. (2001). Biomecánica Básica del Sistema Musculoesquelético. Madrid: McGrawHIll.
Fibrosas Cartilaginosas Sinoviales
Tipos de Articulaciones

Introducción
Articulaciones Sinoviales o Diartrodias
• Permiten un gran rango de movimiento
• Cubiertas por tejido conectivo delgado
(1-6 mm)
• Tejido altamente especializado
• Falto de vasos sanguíneos, canales
linfáticos e inervación neurológica

Introducción
Articulaciones
diartrodias
Distribuir las cargas articulares sobre un área
amplia, ↓ las solicitaciones mantenidas por
el contacto de las superficies articulares
Permitir el movimiento relativo de las
superficies articulares opuestas con mínima
fricción y desgaste

Composición y Estructura del
Cartílago Articular
Células escasamente distribuidas en el cartílago articular
Proporcionan < 10 % del volumen del tejido
Manufacturan, secretan, organizan y mantienen el
componente orgánico de la matriz extracelular
Condrocitos

 Estas células están bañadas y alimentadas por
nutrientes suspendidos en el líquido sinovial
 La nutrición está facilitada por la acción de “ordeño”
por la deformación de la superficie articular durante la
carga intermitente de las articulaciones
 Rodeados de fibras de colágeno (tipo II)
Condrocitos
Neumann, D. (s.f.). Fundamentos de Rehabilitación Física. Paidotribo.

Estructura Histológica del
Salter, R. (2005). Trastornos y Lesiones del Sistema Musculoesquelético. Barcelona: Masson.
 Fibras colágenas
paralelas a la
superficie
 Pequeñas células
ovales dispuestas del
mismo modo
 Condrocitos más
jóvenes y más activos
 En la infancia, mitosis
 Fibras de colágeno
verticales
 Condrocitos maduros
 Durante el crecimiento,
actúa como cartílago
de crecimiento de la
epífisis subyacente
permitiendo su
aumento en grosor y
amplitud
 En el adulto, la matriz
de la parte más
profunda se calcifica

Proteoglicanos (10-
15 %)
Colágeno (10-15 %)
Líquido intersticial
(Agua) (70-80 %)
Matriz Extracelular

Matriz Extracelular
Líquido
Le confiere al cartílago su
turgencia
Colágeno
Tipo II
Confieren resistencia al
cartílago (En tensión)
Proteoglicanos
Unen las fibras de
colágeno entre sí
Proporcionan la
elasticidad tan necesaria
al cartílago articular para
resistir fuerzas
intermitentes de
cizallamiento y
compresión

En la zona tangencial superficial, el colágeno se orienta en paralelo a la superficie
articular, y forma un veteado fibroso que ayuda a oponer resistencia a la abrasión de la
superficie articular. Las fibras se vuelven menos tangenciales y su orientación más
oblicua en la zona media, para terminar casi perpendiculares a la superficie articular en
la zona profunda. Las fibras más profundas se anclan en la zona calcificada para
mantener el cartílago unido al hueso subcondral subyacente.

 Las series de fibras enlazadas químicamente forman
una estructura fibrosa, semejante a una red, que atrapa
las grandes moléculas de GAG bajo la superficie articular
GAG Atraen agua
Aporta rigidez
al cartílago
articular
↑ capacidad
para soportar
cargas

 Distribuye y dispersa fuerzas compresivas por el hueso
subcondral
 ↓ la fricción entre superficies articulares
 El coeficiente de fricción entre dos superficies
revestidas de cartílago articular y humedecidas con
líquido sinovial es muy ↓ (0,005-0,02 en la rodila p.ej.)
 5-20 veces < y más resbaladizo que el del hielo sobre
hielo (0,1)

Localización
anatómica
Fibras (GAG + Agua +
Solutos)
Células Especialización
mecánica
Correlación
clínica
Recubre los
extremos de los
huesos articulados
de las
articulaciones
sinoviales
Alto contenido de
fibras colágenas
tipo II; las fibras
ayudan a anclar el
cartílago en el
hueso subcondral y
a contener la
sustancia
fundamental
Alto contenido en
sustancia
fundamental
Número moderado
de células; son
aplanadas cerca de
la superficie
articular y
redondeadas en las
capas más
profundas del
cartílago
Resisten y
distribuyen fuerzas
de compresión
(carga articular) y
las fuerzas de
cizallamiento
(deslizamiento
superficial);
coeficiente muy
bajo de fricción
Durante la fase
inicial de la
osetoartritis, los
GAG salen de lo
profundo del tejido
y reducen la
capacidad de
distribución de las
fuerzas; el hueso
adyacente se
engrosa y absorbe
el aumento de
fuerza, que a
menudo causa la
formación de
osteófitos

Comportamiento Biomecánico del
Fase de fluido intersticial
Fase sólida porosa-permeable (MEC)
Cartílago
Articular

Fase fluida
Fase iónica
Contribución de las
cargas e iones de
los PG
Fase sólida cargada

NATURALEZA DE LA VISCOELASTICIDAD DEL CARTÍLAGO ARTICULAR
“Si un material se somete a la acción de una
carga constante (independiente del tiempo) o a
una deformación constante y su respuesta varía
con el tiempo, entonces el comportamiento
mecánico de un material se dice que es
viscoelástico.”

Material
viscoelástico
Deformación
progresiva
Cuando un sólido
viscoelástico se
somete a la
acción de una
carga constante
Relajación de
la solicitación
Cuando un sólido
viscoelástico se
somete a la
acción de una
deformación
constante
Un sólido
viscoelástico
responde con una
deformación inicial
rápida seguida de una
deformación lenta
progresivamente
creciente
Un sólido viscoelástico
responde con una
solicitación rápida inicial
alta seguida de una
solicitación lenta
progresivamente
decreciente requerida
para mantener la
deformación

Para el cartílago articular, el
comportamiento viscoelástico compresivo
está causado principalmente por el flujo
del fluido intersticial y la resistencia
friccional asociada a este flujo

Cartílago articular
Comportamiento viscoelástico
bifásico
Flujo del fluido
intersticial
Comportamiento de flujo-
independiente o intrínseco
viscoelástico de la matriz sólida
colágeno-PG
Movimiento de las
macromoléculas

RESPUESTA BIFÁSICA DE DEFORMACIÓN PROGRESIVA DEL CARTÍLAGO
ARTICULAR EN COMPRESIÓN
Una solicitación compresiva constante (σ0) se aplica al
tejido en el tiempo t0 y se permite al tejido que se
deforme progresivamente hasta su deformación de
equilibrio final (ε∞).

 La deformación progresiva se debe se debe a la exudación del fluido intersticial
 La exudación es más rápida inicialmente, y disminuye gradualmente hasta que se
produce el cese del flujo
 Durante la deformación progresiva, la carga aplicada en la superficie es equilibrada
por la solicitación compresiva desarrollada dentro de la matriz sólida colágeno-PG y
la resistencia friccional generada por el flujo del fluido intersticial durante la
exudación
 La deformación progresiva cesa cuando la solicitación compresiva desarrollada
dentro de la matriz sólida es suficiente para equilibrar sólo la solicitación aplicada
 En este punto no fluye ya líquido y se alcanza el equilibrio de deformación ε∞

 Debido a que la tasa de deformación progresiva está gobernada por la tasa de
exudación del fluido, puede ser usada para determinar el coeficiente de
permeabilidad tisular
Medida indirecta para la permeabilidad del tejido (k)
 En equilibrio, no se desplaza flujo y así el equilibrio de deformación puede ser usado
para medir el módulo compresivo intrínseco (HA) de la matriz sólida colágeno-PG
 Debido a que estos coeficientes son una medida de las propiedades intrínsecas de
los materiales de la matriz sólida, tiene sentido por lo tanto determinar cómo varían
con la composición de la matriz
 K varía directamente, mientras que HA varía inversamente con el contenido de agua
y varía directamente con el contenido de PG

PERMEABILIDAD DEL CARTÍLAGO ARTICULAR
 Los materiales porosos llenos de fluido pueden o no ser
permeables
 Porosidad, tasa de volumen del fluido (Vf) en relación al
volumen como porosidad (β = Vf/VT)
 El cartílago articular es un material de alta porosidad
(80 %)
 Si los poros se interconectan, el material poroso es
permeable

PERMEABILIDAD DEL CARTÍLAGO ARTICULAR
 La permeabilidad es una medida de la facilidad con la que el fluido
puede fluir a través de un material poroso
 Es inversamente proporcional a la resistencia friccional ejecutada
por el fluido que se desplaza a través de un material poroso
permeable
 Esta fuerza de resistencia friccional se genera por la interacción del
fluido intersticial y las paredes del poro del material poroso-
permeable
 El cartílago articular tiene una muy baja permeabilidad y así se
generan fuerzas resistivas friccionales altas cuando se provoca al
fluido desplazarse a través de la matriz sólida porosa

COMPORTAMIENTO DEL CARTÍLAGO ARTICULAR BAJO TENSIÓN UNIAXIAL
 La zona superficial rica en
colágeno parece proporcionar al
cartílago articular una piel fuerte
protectora resistente al desgaste
 Comportamiento viscoelástico
en tensión, atribuible a la fricción
interna como al flujo del fluido
intersticial

Si se altera la estructura molecular del colágeno,
la organización de las fibras de colágeno dentro
de la trama de colágeno, o las uniones cruzadas
de la fibra de colágeno, las propiedades tensiles
de la trama cambiarán

Curva de solicitación tensil típica para el cartílago articular. En la región
inicial, se produce la tensión de la fibrilla de colágeno a medida que las
fibrillas se alinean en la dirección de la carga tensil. En la región lineal, las
fibras de colágeno alineadas se estiran hasta que se produce el colapso.

La carga resultaría en un alineamiento de las fibrillas
de colágeno a lo largo del eje de tensión.

COMPORTAMIENTO DEL CARTÍLAGO ARTICULAR EN CIZALLA PURA
Cuando se evalúa el cartílago en cizalla pura bajo condiciones de
deformación infinitesimal, no se producen cambios volumétricos o
gradientes de presión; por lo tanto, no se produce el flujo del fluido
intersticial.

COMPORTAMIENTO DE TUMEFACCIÓN DEL CARTÍLAGO ARTICULAR
La presión de tumefacción osmótica de Donnan,
asociada con los grupos aniónicos fijados densamente
agrupados en las cadenas GAG además de la rigidez
compresiva del conjunto de los agregados de PG
enredados en la trama de colágeno, permite que el gel
de PG en la trama de colágeno resista la compresión.

Efectos de Densidad de Carga Fijada (DCF) en el cartílago
Fase sólida cargada
Fase fluida
Fase ión
Trama colágeno-PG
Agua intersticial
-Catión monovalente Na+ y un anión Cl-
-Multivalente Ca2+
Teoríatrifásicamecano-electroquímicadelmultielectrólito

La solicitación total es proporcionada por la suma de
dos términos:
σtotal = σsólido + σfluido
σsólido Solicitación de la matriz sólida
σfluido Presión del fluido intersticial
En equilibrio, σfluido es proporcionado por la presión
osmótica de Donnan

Lubricación del Cartílago Articular
 Las articulaciones sinoviales están sometidas a un
enorme rango de condiciones de carga
 En condiciones normales, el cartílago articular soporta
poco desgaste
 El mínimo desgaste del cartílago normal asociado con
tales variadas cargas indica que esos sofisticados
procesos de lubricación están funcionando dentro de la
articulación y sobre la superficie del tejido

2 Tipos de
lubricación
Lubricación de
barrera
Lubricación
película-fluido
Implica una única
monocapa de
moléculas lubricantes
adsorbida en cada
superficie de carga
Una delgada película
de fluido proporciona
una mayor
separación superficie
a superficie

 Las articulaciones sinoviales intactas tienen un
coeficiente de fricción extremadamente bajo (0,02)
 Las superficies lubricadas tipo barrera tienen
coeficientes de fricción de uno o dos órdenes de
magnitud superior que las superficies lubricadas por el
tipo película-fluido

Hipótesis sobre la Biomecánica de la
Degeneración del Cartílago
PAPEL DE LOS FACTORES BIOMECÁNICOS
El cartílago articular tiene sólo una limitada
capacidad de reparación y regeneración, y si se
somete a un rango anormal de solicitaciones puede
experimentar rápidamente el colapso total

Magnitud de las solicitaciones impuestas
Número total de picos de solicitación mantenidos
Cambios en la estructura molecular intrínseca y microscópica de la matriz
colágeno-PG
Cambios en la propiedad mecánica intrínseca del tejido
1
2
3
4
Progresión del colapso

 Las actividades físicas
resultan en cargas
articulares que se
transmiten al condrocito
por medio de la matriz
extracelular.
 El condrocito varía sus
actividades mecano-
electroquímicas generadas
por la carga de su entorno.

 El factor iniciador del colapso más importante parece
ser la “laxitud” de la red de colágeno que permite la
expansión anormal del PG y así la tumefacción tisular
 ↓ en la rigidez de cartílago y un ↑ en la permeabilidad
del cartílago, altera la función durante el movimiento
articular

Los cambios OA en la red colágeno-PG
pueden comprometer la habilidad del
cartílago articular para mantener la
presurización del fluido intersticial, que
permite la capacidad de soporte de la carga
y de lubricación articular del tejido.
La pérdida de PG y la lesión de las fibras de
colágeno resultan en una permeabilidad
hidráulica incrementada (resistencia ↓ al
flujo de fluido) y en cargas y deformaciones
supra-normales sobre la matriz sólida (y
condrocito).

 La magnitud de la solicitación mantenida por el
cartílago articular se determina tanto por la carga total
sobre la articulación y por cómo esa carga se distribuye
sobre el área de contacto de la superficie articular
 Cualquier concentración intensa de solicitación en el
área de contacto desempeñará un papel primario en la
degeneración tisular

 Excesivas concentraciones de solicitaciones en el
cartílago articular resultan en el colapso del cartílago
 Se producen por la incongruencia de la superficie
articular, resultando en un contacto anormalmente
pequeño
OA relativa a la displasia acetabular congénita, a una
epífisis de la cabeza femoral luxada, y a las fracturas
intraarticulares

• Elimina la función de distribución de la carga del
menisco
Meniscectomía de la articulación de
la rodilla
• Permite el excesivo movimiento y la generación
de solicitaciones mecánicas anormales en la
articulación afectada
Ruptura ligamentosa

IMPLICACIONES EN LA FUNCIÓN DEL CONDROCITO
 La MEC modula la transmisión de cargas articulares al
condrocito, actuando como un transductor que
convierte la carga mecánica en estímulos ambientales
que median la función del condrocito
 Las cargas derivadas del movimiento de función
articular normal resultan en la generación de estímulos
mecano-electroquímicos que promueven el
mantenimiento del cartílago normal

IMPLICACIONES EN LA FUNCIÓN DEL CONDROCITO
Compromiso de la integridad
de la red colágeno-PG
(Transductor)
(Traumatismo o
enfermedad)
La función articular
normal lleva a estímulos
mecano-electroquímicos
anormales
Remodelamiento anormal de la MEC por los
condrocitos y la función tisular debilitada

G R A C I A S
myriamdelriop@gmail.com

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