Orvosi Biofizika II. A Biomechanika története. Mechanikai alapok. Biomechanika: Biomolekuláris és szöveti rugalmasság

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Orvosi Biofizika II. A Biomechanika története. Mechanikai alapok. Biomechanika: Biomolekuláris és szöveti rugalmasság"

Virág Bogdán
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 Orvosi Biofizika II. Biomechanika: Biomolekuláris és szöveti rugalmasság 1. Történeti áttekintés 2. Mechanikai alapok 3. Celluláris biomechanika 4. Szöveti biomechanika 5. Molekuláris biomechanika Kellermayer Miklós Mártonfalvi Zsolt A Biomechanika története Mechanikai alapok Hooke-féle rugalmasság eszültség deformáció görbe Aristoteles ( BC) Első biomechanika könyv, De Motu Animalium (Az állati mozgásokról). Leonardo da Vinci ( ) Az első mechanikai szemléletű anatómus. Az izom összehúzódás révén fejt ki erőt! (kivételek ) Rugóállandó (k=/δl) függ az anyagi minőségtől. A rugóállndó (k) függ a test alakjától és a rá ható erő irányától, Kifejezi a megnyúlás mertékét egységnyi erőhatás esetén. /A = σ = feszültség l/l = ε = deformáció 1: Rugalmassági határ 2: Lineáris tartomány 3: Rugalmas határ 4: Képlékeny tartomány Nyújtás: Galileo Gailei ( ) A csontok üregesek, így magximális szilárdsághoz minimális tömeg tarozik. René Descartes ( ) Az élőlények, beleértve az embert is ( alélek kivételével) egyszerűen gépek, melyekre ugyanazon mechanikai törvényszerűségek vonatkoznak. A L = erő A = kereszt mettszeti felület L = nyugalmi hossz ΔL = megnyúlás /A = σ = feszültség ΔL/L = ε = relatív megnyúlás E=Young modulus (Pa) Maradandó alakváltozás Viszkozitás Étienne-Jules Marey ( ) Kinematográfia alkalmazása a mozgások tanulmányozására. Manapság a biomechanika egy forrongó tudományterület. Az egyik fő fókusza a mesterséges szövetek előállítása illetve a szöveti rekonstrukció ( tissue engineering ). 2r Hajlítás: A v y /A v/ y =nyíró erő =folyadékréteg felülete =viszkozitás =áramlási sebesség =folyadék rétegek közötti távolság =nyírófeszültség( ) =sebesség grádiens (D)

2 Biomechanika a sejtek szintjén A szövetekben működő erőhatások A szöveti erők eredete: sejtes feszítés/nyomás folyadék áramlás nyújtás hidrosztatikai/ozmózis nyomás Celluláris dimenziók: Hossz: μm Erő: pn 1Pa = 1pN/μm 2 Referencia Összenyomás eszítés Nyírás Erők mint mechanikai szignál: irányított lecsengés: 1/r komplex térbeli információt hordoz hosszú távú kommunikáció gyorsan szabályozható nincs diffuzibilis intermedier Oldékony (kémiai) szignálok: gyors diffúzió (nem irányított) lecsengés: 1/r 2 rövid távú kommunikáció diffúzibilis intermedierek og Kemény szövetek Csont Kortikális csont Trabekuláris csont Vér Agy Tüdő Endothel sejt ibroblaszt Simaizom Vázizom Osteoblaszt Csont GPa Young modulus (Pa) ő alkotóelemek: kollagén (szerves), apatit (szervetlen) Növekvő rugóállandó Puha szövetek Ín Szalag Porc 1400 aminosav/lánc 3 lánc (tripla helix) Glicin (1/3) Prolin (1/10) Hidroxiprolin Kollagén Scanning EM ő alkotóelem: kollagén AM ~85 nm periodicitás σmax ~ 60 MPa Rugalmas artéria ő alkotóelem: kollagén, elasztin Moderáltan rugalmas és erős, de puha E ~ 300 MPa E ~ 2500 MPa ( felkeményedés ) εmax ~ 0.08

3 Kollagén hálózatra ható er k (Er k az extracelluláris mátrixban) ogzománc Kollagén gél nyújtása Megnyújtott kollagén mátrixban az egyedi rostok beállnak az erő irányába. Az extracelluláris mátrix szerkezeti elrendeződése erőfüggő. HAP crystals Növekvő feszültség ZOMÁNCPRIZMA Sejtek kollagén mátrixban Zöld: sejtmag Vörös: kollagén rostok Szerkezeti egység: Zománcprizma (nanokristáyok) A legkeményebb anyag az emberi szervezetben A sejtek feszültség változást okoznak környezetükben, így megváltoztatják a kollagén hálózat mintázatát. Összetétel: 92% Hidroxiapatit (HAP) Merev, kemény, rideg Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)62 Hexagonális ion kristály nm x 6 nm - dentin, csont nm x 30 nm - zománc Dentin Viszkoelaszticitás (mechanikai modell) Dentin csatorna modell: párhuzamosan kapcsolt rugó és dugattyú Rugó: ideális rugalmas (Hooke) test Dugattyú: ideális viszkózus (Newton) test Kollagén rostok Összetétel: 35% szerves anyag(kollagén) + víz, 65% hidroxi-apatit Szerkezet: A kollagén rostok által alkotott hálózatba ágyazva találhatók a nm hosszúságú, 6 nm vastagságú apatit nanokristályok A két anyag együttesen adja a csontszövet és a dentin különlegesen jó mechanikai tulajdonságait, viszonylag nagy keménységét, nagy szilárdságát, szívósságát, ugyanakkor rugalmasságát

4 Viszkoelaszticitás (példák) Rugalmas artériák biomechanikája Porckorong Nem lineáris rugalmasság A feszültség nem lineáris függvénye a deformációnak Stress eszültség Volume Peridontális ligamentum utócipő Erek rugalmasságáért felelős: Elasztin Kollagén Símaizom Térfogat Kollagén Elasztin Rugalmassághoz közhető funkciók: Rugalmas energia tárolása, nyomás impulzusok csillapítása, állandó áramlási sebesség fenntartása erő rugalmasság Az izom biomechanikája Harántcsíkolt izom Szívizom sejt Simaizom sejt mioepiteliális csejt Types of muscles skeletal muscle fiber sejtmag miofibrillumok Miofibrillum: Az izom organelláris egysége.

5 Szarkomer az izom funkcionális egysége Titin: A szarkomer rualmas filamentuma A I sarcos: hús (Gr), mera: egység A legkisebb szerkezetiés funkcionális egység. Z-line M-line desmin myosin actin Muscle sarcomere Z Vékony filamentum M Vastag filamentum Z Izom feszültség-megnyúlás görbéje Titin I-band section tandem Ig region PEVK domain tandem Ig region Biopolimerek mechanikája Polimerek alakja Polimer: Monomerek építik fel Monomerek száma: N>>1; Tipikusan, N~ , de, a DNs-t pl.: N~ Lineáris 2. Elágazó 3. Cirkuláris Biopolimer Monomer Kötés ehérje Nukleinsav (RNS, DNS) Aminosavak Nukleotidok (CTUGA) Kovalens (peptid kötés) Kovalens (foszfodiészter) A polimerek alakja dinamikusan változik. Lehetséges mechanizmusok: 1. Kötések menti rotáció 2. Szabadon kapcsolt lánc (reely Jointed Chain, JC) 3. éregszerű lánc, (Worm like chain WLC) Poliszacharid (pl. glikogén) Monoszacharid (pl. glükóz) CKovalens (pl., -glikozidos) ehérje polimer (pl., mikrotubulus) ehérje (.pl., tubulinn) Másodlagos

6 Rugalmas polimereket leíró paraméterek Biopolimerek rugalmassága Perzisztenciahossz l = perzisztenciahossz L = kontúrhossz Kontúrhossz Merev lánc l >> L Mikrotubulus Vég-vég hossz Kettős szálú DNS Szemiflexibilis lánc l~ L Actin filamentum Δs ϕ A perzisztencia hossz (l) jellemzi a polimerlánc rugalmasságát. e-1 Minél rövidebb, annál rugalmasabb és fordítva, minél hosszabb annál merevebb a polimer. lexibilis lánc l << L DNS <cos ϕ> = e -(s/l) l Polimerek mechanikája Biopolimerek rugalmassága Csomót kötni egy DNS moleculára Entrópikus elaszticitás Erő szükséges egy entrópikus lánc megnyújtásához Termikus fluktuációk a polimer láncban Mikrogyöngy lézercsipesszel mozgatva Phase contrast image luorescence image Szerkezeti entrópia (az elemi irányvektorok rendezetlensége) nő. Perzisztencia hossz Erő () A lánc rövidül Vég-vég hossz (R) =force l=correlation length (persistence length, describes bending rigidity) k B =Boltzmann s constant T=absolute temperature L=contur length R/L=relative extension microbead in stationary optical trap Kinosita Group

7 Biopolimerek nyújtása atomer mikroszkóppal Globuláris domén mechanikai kitekerése Szimulált domén kitekeredés ehérje mechanikai kitekerése orce (pn) Extension (μm) A mechanikai stabilitás alapja: H-hidak a domén első és utolsó ß-láncai között Biológia a mechanikai stabilitás hátterében I. Biológia a mechanikai stabilitás hátterében I. A mechanikai stabilitást a H-hidak elrendezése adja Alacsony mechanikai stabilitás: H-hiadak párhuzamosak az erővel- Titin I27 12 erőspektrum orce spectrum of C2A 9 Carrion-Vazquez et al Carrion-Vazquez et al. 2000

8 Machanikai stabilitás a természetben: Gekko Gecko talp tapadása: Sörték (setae) Párhuzamos kapcsolása Mesterséges gekko talp

Hasonló dokumentumok

Biomolekulák mint polimerek. Milyen alakúak a biopolimerek? 4/22/2015. Biopolimerek osztályozása hajlékonyságuk alapján

Biomolekulák mint polimerek. Milyen alakúak a biopolimerek? 4/22/2015. Biopolimerek osztályozása hajlékonyságuk alapján 4/22/2015 Orvosi Biofizika II. Biomechanika Biomolekuláris és szöveti rugalmasság Mártonfalvi Zsolt Biomolekulák mint polimerek A biomolekulák polimerek. Közös bennük: Lineáris elsődleges szerkezet (fehérje,