HISTOPATHOLOGIE - PROF. ROOSEN - WEEFSELBIOMECHANICA
1. Biomechanica van botten en botweefsel
1.1 Botvorming
● Doel van het skelet:
- Beschermen van inwendige organen
- Aanhechting van weke delen
- Verschaffen van kinematische schakels
- Bewegen mogelijk maken
● Algemene eigenschappen van botweefsel:
- Verandering in botdichtheid in functie van de belasting (vb osteoporose)
- Veranderingen in vorm in functie van de belasting (na vb fractuurgenezing)
- Repareert en modelleert zichzelf
● Wet van Wolff:
- Botvorming / botremodellering: bot past zich aan naar mechanische eisen
- Wet van Wolff: bot ontstaat waar nodig, resorbeert waar niet nodig
⇒ Aanpassingen: zodat bot met minimum aan materiaal zijn functie kan doen
⇒ Belasting moet relatief groot zijn + regelmatig voorkomen
- Opmerkingen wet van Wolff
⇒ Belasting mag in korte tijd niet te veel toenemen
⇒ Vorm bot: bepaald door functie + erfelijke factoren
⇒ Aanpassingsvermogen niet overal in skelet gelijk: plaatselijke aanleg
⇒ Aanpassingsvermogen op bepaalde plek: niet gelijk voor alle soorten
belasting
⇒ Bot past meer aan bij veranderlijke belasting dan bij constante belasting
● Hypothesen voor mechanismen waarmee bot zich aanpast aan belasting:
- Piëzo-elektrische eigenschappen: bij buigbelasting: ontstaan negatieve lading
aan drukzijde (botopbouw), positieve lading aan trekzijde (botafbraak)
⇒ In droog bot
- Drukverschillen in botvloeistoffen: vloeistof gedwongen door bot te stromen
⇒ Ionentransport voor elektrische spanningen
⇒ Drukzijde: negatieve spanning: botgroei
⇒ Trekzijde: positieve spanning: botafbraak
- Microscopische scheurtjes waar bot zwaarst belast is: induceert
botgroeistimulatie
⇒ Botgroei mede door beschadiging gestimuleerd
- Druk op groeischijf: stimuleert botgroei
⇒ Buigbelasting: meer botaanmaak aan drukzijde dan aan trekzijde
⇒ Buiging: verminderde doorbloeding: verlaagde zuurstofspanning: stimulatie
botgroei
1
,● Invloed van elektrische spanning op botstofwisseling:
- Negatieve elektrische spanning
⇒ Veroorzaakt lagere zuurstofspanning, daardoor lagere pH, zo stimulatie
botgroei
⇒ Trekt osteoblasten aan
- Klinisch: therapie met elektromagnetische golven
⇒ Rond breuk negatieve lading vormen: negatief spanningsveld
⇒ Snellere genezing
● Veranderingen ten gevolge van botbelasting:
- Veranderingen in krachten op groeischijf: leidt tot afwijkende vorm
- Toename belasting: wanden pijpbeen worden dikker
- Veranderingen in bewegingsrichting: leidt tot ontwikkeling spongiosastructuur
- Langdurige belastingsvermindering:
⇒ Vermindering calciumhydroxyapatiet in spongiosa en compacta
⇒ Vermindering botmatrix
1.2 Mechanische eigenschappen van normale botten en van botweefsel
● Belastings-vormingskromme:
- Elastische gebied A-B: belasting, licht vervormen, wegnemen, terug naar
originele vorm
⇒ Geen blijvende vervorming
- Vloeigrens D-D’: punt waarop materiaalvezels gaan vloeien
⇒ Gedrag: elastisch → plastisch
- Plastisch / niet-elastisch gebied D-C: belasting, vervormen, wegnemen, niet
terug naar originele vorm
⇒ Blijvende vervorming
- Breekpunt C: buigen en breken
⇒ Nooit nog originele vorm, zelfs geen licht vervormde toestand meer
2
, - 3 parameters voor sterkte structuur
⇒ Belasting die structuur kan verdragen voor breken
→ Zie breekpunt
⇒ Vervorming die structuur kan verdragen voor breken, stijfheid
→ Zie helling kromme in elastische gebied
⇒ Energie die structuur kan opnemen voor breken
→ Zie oppervlak onder kromme
● Spanningsrekkromme:
- Zelfde gebieden en parameters als
belastings-vervormingscurve
- Spanning: belasting in een punt gedeeld door
oppervlakte-eenheid
- Rek: vervorming op bepaalde plaats
⇒ Lengteverandering of afschuiving
⇒ Mate van vervorming (verkorting of verlenging)
gedeeld door oorspronkelijke structuur
⇒ Afschuiving: mate van hoekverandering in een structuur, in radialen
- Elasticiteitsmodulus / stijfheidswaarde: elastisch deel gedeeld door rek in punt
⇒ Hoe stijver materiaal, hoe hoger modulus
∆ 𝑠𝑡𝑟𝑒𝑠𝑠
ε= ∆ 𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛
- Elastisch gedrag materiaal: kan lineair (metaal) of niet-lineair zijn (bot)
● Vloeien van een materiaal:
- Metaal: afschuiving doordat atomen van hun plaats geraken
- Bot: microbreuk door het loslaten van osteonen
● Breken van materiaal:
- Bros materiaal: weinig vervormen, vlug breken, klein plastisch gebied
- Taai materiaal: veel vervormen, laat breken, groot plastisch gebied
● Poreusheid:
- Bepaald door volume bot dat bestaat uit niet-gemineraliseerd weefsel, %
- Corticaal bot: 5-30%; als veel bewegen: stijver, breekt bij hoge spanning, breekt
bij 2% rek, kan minder energie stockeren
- Spongieus bot 30-90%; als weinig bewegen, later osteoporose; minder stijf,
breekt bij lage spanning, breekt bij 7% rek, kan veel energie stockeren
● Anisotropie:
- Mechanische eigenschappen verschillen in verschillende richting, vaak voor bot in
longitudinale as het sterkst, in dwarse richting het zwakst
- Sterkte en stijfheid sterkst in richting waarin het bot het frequentst wordt belast
3
1. Biomechanica van botten en botweefsel
1.1 Botvorming
● Doel van het skelet:
- Beschermen van inwendige organen
- Aanhechting van weke delen
- Verschaffen van kinematische schakels
- Bewegen mogelijk maken
● Algemene eigenschappen van botweefsel:
- Verandering in botdichtheid in functie van de belasting (vb osteoporose)
- Veranderingen in vorm in functie van de belasting (na vb fractuurgenezing)
- Repareert en modelleert zichzelf
● Wet van Wolff:
- Botvorming / botremodellering: bot past zich aan naar mechanische eisen
- Wet van Wolff: bot ontstaat waar nodig, resorbeert waar niet nodig
⇒ Aanpassingen: zodat bot met minimum aan materiaal zijn functie kan doen
⇒ Belasting moet relatief groot zijn + regelmatig voorkomen
- Opmerkingen wet van Wolff
⇒ Belasting mag in korte tijd niet te veel toenemen
⇒ Vorm bot: bepaald door functie + erfelijke factoren
⇒ Aanpassingsvermogen niet overal in skelet gelijk: plaatselijke aanleg
⇒ Aanpassingsvermogen op bepaalde plek: niet gelijk voor alle soorten
belasting
⇒ Bot past meer aan bij veranderlijke belasting dan bij constante belasting
● Hypothesen voor mechanismen waarmee bot zich aanpast aan belasting:
- Piëzo-elektrische eigenschappen: bij buigbelasting: ontstaan negatieve lading
aan drukzijde (botopbouw), positieve lading aan trekzijde (botafbraak)
⇒ In droog bot
- Drukverschillen in botvloeistoffen: vloeistof gedwongen door bot te stromen
⇒ Ionentransport voor elektrische spanningen
⇒ Drukzijde: negatieve spanning: botgroei
⇒ Trekzijde: positieve spanning: botafbraak
- Microscopische scheurtjes waar bot zwaarst belast is: induceert
botgroeistimulatie
⇒ Botgroei mede door beschadiging gestimuleerd
- Druk op groeischijf: stimuleert botgroei
⇒ Buigbelasting: meer botaanmaak aan drukzijde dan aan trekzijde
⇒ Buiging: verminderde doorbloeding: verlaagde zuurstofspanning: stimulatie
botgroei
1
,● Invloed van elektrische spanning op botstofwisseling:
- Negatieve elektrische spanning
⇒ Veroorzaakt lagere zuurstofspanning, daardoor lagere pH, zo stimulatie
botgroei
⇒ Trekt osteoblasten aan
- Klinisch: therapie met elektromagnetische golven
⇒ Rond breuk negatieve lading vormen: negatief spanningsveld
⇒ Snellere genezing
● Veranderingen ten gevolge van botbelasting:
- Veranderingen in krachten op groeischijf: leidt tot afwijkende vorm
- Toename belasting: wanden pijpbeen worden dikker
- Veranderingen in bewegingsrichting: leidt tot ontwikkeling spongiosastructuur
- Langdurige belastingsvermindering:
⇒ Vermindering calciumhydroxyapatiet in spongiosa en compacta
⇒ Vermindering botmatrix
1.2 Mechanische eigenschappen van normale botten en van botweefsel
● Belastings-vormingskromme:
- Elastische gebied A-B: belasting, licht vervormen, wegnemen, terug naar
originele vorm
⇒ Geen blijvende vervorming
- Vloeigrens D-D’: punt waarop materiaalvezels gaan vloeien
⇒ Gedrag: elastisch → plastisch
- Plastisch / niet-elastisch gebied D-C: belasting, vervormen, wegnemen, niet
terug naar originele vorm
⇒ Blijvende vervorming
- Breekpunt C: buigen en breken
⇒ Nooit nog originele vorm, zelfs geen licht vervormde toestand meer
2
, - 3 parameters voor sterkte structuur
⇒ Belasting die structuur kan verdragen voor breken
→ Zie breekpunt
⇒ Vervorming die structuur kan verdragen voor breken, stijfheid
→ Zie helling kromme in elastische gebied
⇒ Energie die structuur kan opnemen voor breken
→ Zie oppervlak onder kromme
● Spanningsrekkromme:
- Zelfde gebieden en parameters als
belastings-vervormingscurve
- Spanning: belasting in een punt gedeeld door
oppervlakte-eenheid
- Rek: vervorming op bepaalde plaats
⇒ Lengteverandering of afschuiving
⇒ Mate van vervorming (verkorting of verlenging)
gedeeld door oorspronkelijke structuur
⇒ Afschuiving: mate van hoekverandering in een structuur, in radialen
- Elasticiteitsmodulus / stijfheidswaarde: elastisch deel gedeeld door rek in punt
⇒ Hoe stijver materiaal, hoe hoger modulus
∆ 𝑠𝑡𝑟𝑒𝑠𝑠
ε= ∆ 𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛
- Elastisch gedrag materiaal: kan lineair (metaal) of niet-lineair zijn (bot)
● Vloeien van een materiaal:
- Metaal: afschuiving doordat atomen van hun plaats geraken
- Bot: microbreuk door het loslaten van osteonen
● Breken van materiaal:
- Bros materiaal: weinig vervormen, vlug breken, klein plastisch gebied
- Taai materiaal: veel vervormen, laat breken, groot plastisch gebied
● Poreusheid:
- Bepaald door volume bot dat bestaat uit niet-gemineraliseerd weefsel, %
- Corticaal bot: 5-30%; als veel bewegen: stijver, breekt bij hoge spanning, breekt
bij 2% rek, kan minder energie stockeren
- Spongieus bot 30-90%; als weinig bewegen, later osteoporose; minder stijf,
breekt bij lage spanning, breekt bij 7% rek, kan veel energie stockeren
● Anisotropie:
- Mechanische eigenschappen verschillen in verschillende richting, vaak voor bot in
longitudinale as het sterkst, in dwarse richting het zwakst
- Sterkte en stijfheid sterkst in richting waarin het bot het frequentst wordt belast
3
