CAPITOLO 1 Le basi biomeccaniche

1.1 Anatomia funzionale del muscolo

Dal punto di vista funzionale il sistema muscolare rappresenta l’apparato di attuazione degli organismi biologici.

Dagli anni cinquanta ad oggi sono stati sviluppati numerosi modelli empirici del muscolo (Hill, Huxley, Simmons) con lo scopo di caratterizzare il comportamento meccanico di questo tessuto. Tutti i modelli proposti fanno riferimento a prove sperimentali realizzate in condizioni particolari come ad esempio quella di tetano muscolare, quella di contrazione isometrica (sviluppo di forza a lunghezza costante) e quella di contrazione isotonica (allungamento a forza costante).

Tali esperimenti hanno permesso di distinguere, nella risposta del tessuto muscolare un contributo attivo e uno passivo (Fig.1.1).

Fig. 1. 1: caratteristica meccanica del muscolo scheletrico

La componente passiva interviene solo in fase di allungamento e mostra un andamento F-L tipico dei materiali iperelastici.

L’equazione caratteristica dei tessuti passivi assume la seguente forma:

dove µ è la costante d’integrazione, σ è lo stress [MPa], ε è lo strain e α e β sono parametri che dipendono dal tipo di tessuto aventi le dimensioni dello stress [MPa].

Con riferimento al primo modello di Hill (Fig.1.2) la componente passiva è rappresentata dalla molla non lineare in serie (C.E.S.) identificata dalla reazione del tessuto connettivo sia del tendine che del muscolo; la molla in parallelo (C.E.P.) identifica, invece l’elasticità del sarcolemma, mentre C.C. è la componente contrattile o meglio il generatore di forza del sistema di attuazione muscolare.

I modelli che seguirono al primo modello di Hill si differenziavano proprio per i diversi sviluppi della C.C.

1.2 Anatomia funzionale dei tessuti connettivi

Introduzione

In questa sezione saranno analizzati brevemente i componenti responsabili della resistenza dei tessuti connettivi dei quali fanno parte la pelle e i tendini.

E’ la matrice extracellulare che presiede alla resistenza meccanica di un tessuto attraverso due componenti proteici principali: elastina e collagene.

Elastina

E’ una proteina amorfa (isotropa) caratterizzata da un comportamento di natura gommosa. E’ il componente che risente meno della natura viscosa tipica di tutti i materiali biologici e, per questo è assimilabile ad una molla non lineare. E’ il componente responsabile dell’elasticità dei tessuti.

Collagene

E’ il componente strutturale responsabile della resistenza a trazione del tessuto grazie alla sua organizzazione; infatti, osservandola al microscopio si presenta come una fune intrecciata formata da tre eliche.

La disposizione e l’organizzazione del collagene varia da tessuto a tessuto ed è responsabile delle diverse caratteristiche meccaniche che si osservano ad esempio tra la pelle e i tendini.

Anatomia funzionale della pelle

La pelle è un organo assai complesso assimilabile ad una struttura bidimensionale, infatti lo spessore raramente supera i 2 mm, e la sua superficie in un adulto supera i 2 m2; pertanto anche in termini di massa, è l’organo di maggiori dimensioni nel corpo umano.

La sua funzione principale è quella di barriera tra la struttura biologica e l’ambiente esterno. Dal punto di vista dell’organizzazione la pelle può considerata divisa in tre strati (Fig.1.3): • Epidermide;

• Derma; • Subcute.

Fra questi è il derma il componente che offre la maggiore resistenza; è costituito da collagene disposto in modo globalmente isotropo.

Nel corpo si individuano un grande numero di linee di Langher lungo le quali la pelle è pretensionata; esiste una mappa delle linee di Langher utilizzata dai medici per decidere la direzione dell’incisione per un determinato intervento; infatti, tagliando lungo una di tali linee si assicura una rapida chiusura della ferita [2].

All’aumentare del carico le fibre si dispongono lungo l’asse di sollecitazione con conseguente aumento della rigidezza dando luogo ad un comportamento fortemente non lineare fin tanto che tutte le fibre non sono allineate.

Anatomia funzionale del tendine

I tendini rappresentano gli elementi con i quali i muscoli si collegano alle ossa per generare movimento.

Sono costituiti prevalentemente da fibre di collagene orientate nella direzione dell’asse della struttura fornendo al tessuto un comportamento fortemente anisotropo e una grande capacità di resistenza nella direzione di orientamento delle fibre (Fig.1.4).

stress-strain tendine 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 strain stress [MPa]

Fig. 1. 4: caratteristica meccanica del tendine d’Achille caricato lungo la direzione delle fibre [3].

In figura 1.5 è riportata, a titolo di esempio un immagine che descrive l’anatomia del tendine d’Achille.

Riferimenti

[1] ABE’ H. et al. (1996). Data book on mechanical properties of living cells, tissue, and organs. Springer.

[2] WINKERS G.L. (1973). The Biomechanichal Properties of Skin. CRC Crit. Rev. Bioeng., 1(4), 453-459.