AZ ÍZÜLETI PORCOK BIOMECHANIKÁJA

A csontváz járulékos része, de a csontnál lágyabb, szívósabb, szilárdabb állagú.

Három típusa található meg a szervezetben:

1. Üvegporc: a legtöbb felszínt ez a típus borítja, állaga rugalmas. Nyomásszilárdsága nagy, mely arra utal, hogy

a porc felülete mekkora súlyt bír el annak károsodása nélkül.

2. Kollagénrostos porc: ez a csigolyák közötti porckorongok rostos gyűrűjét alkotja.

3. Rugalmas porc: például a gégefőben megtalálható porcos szövet, rugalmas, elasztikus állaggal rendelkezik.

A porc egyik leglényegesebb tulajdonsága a rugalmasság, amely a porc belsejében lévő víz mennyiségétől függ. Egy ép porcszövet optimális víztartalma 50% körüli, ami a kor előrehaladtával fokozatosan csökken. A rugalmasságon kívül a porc kemény is, amely rostos, hálózatos felépítéséből adódik.

A porc épségének nagyon fontos a szerepe abban, hogy

az ízületek zavartanul tudjanak működni.

AZ ÍZÜLETI PORCOK ÖSSZETÉTELE ÉS SZERKEZETE

2. KOLLAGÉN (leginkább II-es típus, rostos ultraszerkezet, prokollagén polipeptid) 10-30%

3. PROTEOGLYCAN/PROTEOGLYKÁT ( PG ) nagy poliszaharid molekulák ( monomérek és adalékanyagok formájában) 3-10%

4. VÍZ + inorganic salts, glycoproteins, lipids, 60-87%

1. CHONDROCITÁK (porcsejtek), 10%

Anyagok

Az emberi test teljes tömegének 1-2%-a

Tissue                            Water                Collagen          ProteoglycansArticular Cartilage          68-85%           10-20%  (type I)        5-10%

Meniscus                       60-70%           15-25% (type II)        1-2%

Chondrocyta

Kötőszöveti sejt, porc sejt

A bőr/porc egyik fő összetevője a kollagén, mintegy 70%-át adja a bőr fehérje tömegének. A kollagének családja

mintegy 28 féle fehérjét tartalmaz, mely az emberi szervezet teljes fehérje állományának 30%-át teszi ki. A

kollagén közismert formájában három spirálisan felcsavarodott polipeptid láncból az ún. α-láncból áll. II és

III kollagén van a porcokban.

Kollagén 

A proteoglykánok a kollagén után a legnagyobb mennyiségben jelenlévő alkotó a porcszövet sejtközötti

állományában. Ennek a fehérje családnak közös jellemzője, hogy a központi fehérjemaghoz speciális cukor oldalláncok (glycosaminoglycan = glükóz-amino-glikánok)

kapcsolódnak. A molekula a térben különleges, ún. kefe alakú struktúrát vesz fel. Szerepük többek között a

folyadék megkötése.

(A szájon át szedhető „porcerősítő” gyógyszerek, egyik szerepe a

proteoglycan-ok előállításának segítése)

Proteoglykánok 

A felnőtt porc teljes egészében vérér, nyirokér és idegmentes szövet!

Az oxigén, a szén-dioxid, az anyagcseréhez szükséges alapanyagok (víz, cukrok, zsírok,

aminosavak, stb.) és a termelt salakanyagok csak hosszas, a porc keménységét adó fehérjehálón

keresztül áramolva (diffúzióval) jutnak be illetve ki a szövetből.

Minden anyag ki és beáramlása az ízületi folyadékon keresztül történik

lassú áramlással!

Térd ízületi porc felépítése

A kollagén rostok elhelyezkedése

Zónák

The collagen arrangement in zone one is parallel to the joint surface. Therefore at the joint surface, when joint

compressive forces occur, collagen becomes thinner. Since collagen adapts well to stretching and is able to withstand

large tension loads, this arrangement is optimal for distribution of joint compressive loads. As discussed

earlier, joint compressive loading is assisted by water. With joint motion, water is moved within the articular

cartilage matrix.A large number of chondrocytes and a small amount of

ground substance is contained in zone one. Since chondrocytes are responsible for collagen production,

repair of injury is optimal in this zone. Prolonged static loading appears to result in higher strain being placed on

zone one.

The collagen in zone two and three is not arranged parallel to the joint surface. Therefore, when joint loading occurs, the collagen is loaded in a non-linear fashion (zone two) or results in a compressive load (zone three). Neither of these types of loads is optimal for collagen. Increased load must be absorbed by the ground substance (proteoglycans and water) in both of these zones.  Fortunately, zones two and three have large amounts of ground substance. Zone three

is primarily designed to resist compressive loads.

Zone four is a transition from the articular cartilage matrix in the superficial and intermediate zones to

subchondral bone. The primary purpose of this layer is to attach the articular cartilage matrix to the

underlying subchondral bone and provide a barrier for movement of fluids from the subchondral bone into the

superficial layers of articular cartilage.

Mechanikai jellemzők

A porc, mint viszkoelasztikus anyag

Ha egy anyag állandó tehernek (erőnek) és deformációnak van kitéve és erre a válasza időtől függetlenül változik, akkor az anyag

mechanikai viselkedését viszkoelasztikusnak mondjuk.

Bár úgy tűnhet, hogy a rehabilitációs programokat lassabb végrehajtási sebességnél érdemes kivitelezni, a viszkoelasztikus tulajdonságok miatt, a porc

nagyobb sebességnél erősebb

Az ízületi porcok permeabilitása

Porózusság/Porozitás ( ): a folyadék térfogat (m3) aránya a porózus anyag teljes térfogatához

(m3) viszonyítva

Permeabilitás ( k-permeabilitási koefficiens): az anyag (porc) áteresztő képességének a mérője, amely fordítottan arányos a súrlódási erővel ( K )

k = 2/ K (m4/Ns)

A mechanikai hatásokra adott alapvető válaszok

1. Kétfokozatú feszülés változás

2. Kétfokozatú stress relaxáció

1. Kétfokozatú feszülés változás

Az idő, amely szükséges a feszülési egyensúly létrejöttéhez ellentétesen

változik a szövet vastagságának négyzetével.

Feszülés változás oka

Feszülés egyensúly időbeli lefolyása

• humán és marha porc: 2-4 mm

•> 4 - 16 hours

• Nyúl porc: 1 mm > 1 hour

1 Mpa nyomás felett a porc folyadék tartalmának több, mint 50 százaléka kipréselődik.

1 Mpa nyomás felett a porc folyadék tartalmának több, mint 50 százaléka kipréselődik.

2013.3.20

A folyadékkiáramlás mértéke irányítja a feszülés változás mértékét. Ezzel lehet

jellemezni a permeabilitási koefficienst.

Szöveti permeabilitás koefficiens (k)

Human porc: 4.7 +/- 0.04 x 10 -15 m4 / N s

Szarvasmarha porc: 4.67 +/- 0.04 x 10 -15 m4 / N s

Belső nyomási modulus ( HA )

Humán porc: 0.79 +/- 0.36 MPa

Szarvasmarha: 0.85 +/- 0.21 MPa

Az egyensúlyi állapotban meghatározható deformáció mértékét a belső nyomási modulus mérésére lehet

használni.

“k” egyenes arányban változik a folyadék mennyiségével.

“HA” fordított arányban változik a folyadék mennyiségével.

2. stress relaxáció

AXIÁLIS FESZÜLÉS

Kollagén axiális (tengely irányú) stress-strain görbéje

E = /

E = (F/A) / dl/L

ELASTIKUS/ YOUNG MODULUS

Tangencális modulus az anyag stiffnessét (merevségét) mutatja

/

Maximum stress : 3 - 100 MPa,

Élettani nyúlás: 15 % > 5 - 10 MPa

Compliance (nyújthatóság) =

szigma, epszilon

Kenés (lubrikáció)

Határvonal kenés Folyadékfilm kenés

A kenés típusai

Határvonalon abszorbeált kenőanyag

Határvonalon abszorbeált kenőanyag

Határvonal kenés

Független a kenőanyag fizikai tulajdonságaitól (pl. viszkozitástól) és a terhet viselő anyagtól (merevségétől), de csaknem teljes mértékben a kenőanyag kémiai tulajdonságaitól.

glycoprotein, lubricin

A lubricin a felületen abszorbeálódott makromolekula

Folyadékfilm kenés

Kipréselt film kenés Hidrodinamikai kenés

A kenőanyag nagyobb felület szeparációt tesz lehetővé

> 20 um> 20 um

Folyadékfilm kenés

Hidrodinamikai kenés

Akkor történik, amikor a merev felszínek nem párhuzamosak egymással és a folyadék

tangenciális irányban halad, azaz a felszínek elcsúsznak egymáson ék alakban.

Emelő nyomás keletkezik ebben az ékben a folyadék viszkozitása által amint a talapzat mozgása behúzza a folyadékot a felszínek

közötti résbe.

Kipréselt film kenés

Akkor történik, amikor a merev, terhelést viselő talapzatok merőlegesen mozognak egymás felé.

A két ízületi felszín közötti résben a folyadék viszkozitás nyomást hoz létre, amely a folyékony kenőanyagot

kipréseli.

Ez a mechanizmus elégséges a rövid idejű nagy erők elviselésére.

Befolyásoló tényezők

• viszkozitás

• a rés alakja

• mozgás sebessége

Elastodinamikai kenés

deformáció jön létre az ízületi felszínen

Boosted lubrication

Az eltérő vastagságú folyadékrétegek megrekednek, a nyomás növekedése közben

A felszínt alkotó anyag nem sima

Határvonal érdesség

találkozása

Határvonal érdesség

találkozása

Nyomás alatti

folyadék

Nyomás alatti

folyadék

Önkenés

A kenés hatékonysága az alkalmazott terheléstől és a felszínek sebességének nagyságától és irányától

függ.

Határvonal kenés: nagy terhelés, lassú sebesség, hosszú idő.

Folyadék film kenés: kis teher, nagy sebesség

Elastohidrodinamikus kenés:

a nyomás alatti folyadék film alapvetően deformálja az ízületi felszínt.

Nagy terhelés és lassú mozgás esetén a folyadékfelszín

vastagsága csökken

Extrém terhelés esetén álló helyzetben a folyadék teljesen kipréselődik a felszínek közül és az ízületi

felszínek közvetlenül érintkeznek

Porc betegségek:

- Porclágyulás: a fájdalom általában fokozatosan alakul ki, már fiatal korban és az aktívan sportoló egyéneknél is jelentkezhet ez a típusú porcbetegség. Ha sokáig fennáll a fájdalom, akkor

mindenképpen forduljunk szakemberhez. De ez a típus komoly problémákat nem okozhat. Pihentetéssel, vagy glükozamin szedésével megoldhatjuk a problémát.

- Körülírt porchiány: Kisebb területen kialakuló betegség, melyet gyulladás, sérülés, ütközés okozhat, és ezáltal porchiány léphet fel. Az ízületi betegségek bárhol kialakulhatnak azonban főként

a könyök, térd, bokaízületekben fordulnak elő. Károsíthatja a porcot, de az alatta lévő csontot is. Érdemes módosítani a fizikai mozgásszokásokon, javasolt porcerősítők, gyulladáscsökkentők

szedése is. Ha már komolyabb a betegség, akkor akár műtétre is sor kerülhet.

- Porckorongkopás: A csigolyák közötti porckorongok kopását előidézheti az életkor. A porckorongkopás megjelenhet a gerinc bármely részén, de főként deréktájon és a nyaki csigolyák

közt alakul ki. Nem okozhat nagy bajt, csupán egy figyelmeztetés arra, hogy a porckorongban bekövetkezett a kopás.

- Porckorongsérv: Porckorongsérvről akkor beszélünk, amikor a csigolyák között lévő kötőszövet kidudorodik és ezáltal nyomást gyakorol az idegekre és az ízületekre, fájdalmat okozva ezzel. Főként már felnőttkorban jelentkezik, és a nyaki illetve az ágyéki tájékon jelenik meg. Sajnos

kiújulásra alkalmas betegség. Gyógytornával, alternatív gyógymóddal és műtéti beavatkozással gyógyítható.

- Porcelhalás: A porc és a csont elhalását jelenti. Az ízületeket körülvevő porc és az alatta lévő csont leválik a körülöttük lévő csontról. Fiatal korban előforduló betegség, amely főként a térd, a könyök

és a bokaízületeiben jelenik meg.

Ízületi porc sérülése

1. Közvetlen sérülés

Ízületi felszínek közvetlen érintkezése

2. Fáradásos sérülés

az ízületi mátrix mikrosérülései az ismétlődő terhelés hatására

3. Erózió

• a terhelés mértéke

• a terhelési maximumok száma

• a porcmátrix korábbi sérülése

• a porcszövet összetétele

A károsodást befolyásolja

Aktív és passzív mozgástartomány.Ízületi porc sérülésnél a ROM

lecsökken.

Erődeficitkülönösen izokinetikus

gyakorlatoknál csökken a maximális erő

Ízületi stabilitás csökken

Diagnosztika

A porc közelében lévő szövetek, mint az ízületi belhártya (synovium) és a porc alatt fekvő csontállomány

(subchondralis csont) idegekkel sűrűn behálózott szövetek, s a porc sérülését követően felszabaduló

gyulladásos faktorok, anyagok a környezetben található idegeket ingerlik, a csontot érő közvetlen nagy ütések

(porc hiánya miatt) apró repedéseket, idegi impulzusokat generálnak.

A porc beidegzésének hiánya esetén felmerül bennünk a kérdés, hogy fájhat mégis a

porchiány, a porckopás.

Az emberi porc nyirokérből, vérérből és idegmenetes szövetből áll. Így a porcban történő eseteges sérülés esetén nem tudnak beáramlani azok az őssejtek és a tápláló erek melyek a porcpótlást végeznék, mivel

nincsenek erek melyek ezt továbbítanák. Amikor mégis érezzük a fájdalmat egy ilyen kopás esetén, az azzal

magyarázható, hogy az ízületi hártya illetve az a csontállomány, amely a porc alatt fekszik, ingerlik a

porc körüli idegeket, anyagokat, ezzel jelezve a problémát. Ha hosszú ideig fennáll a probléma, és nem

teszünk ellene, akkor teljes porcelhalás, porckopás következhet be.