Material Bibliográfico - Laboratorio 2 (1)

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Tejido óseo
Propiedades biomecánicas
Bibliografía del Laboratorio 2: 
Museo de Anatomía
¿QUÉ NOS DICEN LOS HUESOS?
Introducción
Los huesos son órganos de tejido duro, metabólicamente muy activos y dinámicos. Tienen capacidad para autorrepararse y alterar sus propiedades en respuesta a las demandas mecánicas (Legnani. 2007:113).
Los huesos proporcionan apoyo al cuerpo para soportar cargas externas, transfieren fuerzas, protegen órganos vitales, realizan funciones fisiológicas como formación de células sanguíneas y almacenamiento de calcio, fósforo e iones.
La organización de las piezas óseas debe permitir que el esqueleto sea sólido, elástico y liviano para facilitar la locomoción.
Organización macroscópica de los huesos
De acuerdo a la morfología los huesos pueden clasificarse en tres grupos principales, según sus dimensiones geométricas: huesos cortos, huesos planos y huesos largos. 
· Huesos cortos: miden aproximadamente lo mismo en todas sus dimensiones, por ejemplo, los huesos del carpo y cuerpos vertebrales, son cuboides, cuneiformes o irregulares
· Huesos planos: en ellos la longitud y latitud son notablemente mayores que el espesor; ejemplos: ilíaco y omóplato.
· Huesos largos: tienen una longitud que supera ampliamente a las otras; ejemplos: fémur, húmero y metacarpianos.
Macroscópicamente, a simple vista, se distinguen dos morfologías distintas del tejido óseo que tienen un comportamiento y una función bien diferenciada: 
1- tejido compacto cortical y 
2- tejido esponjoso o trabecular
El hueso cortical: proporciona resistencia mecánica a los esfuerzos
El hueso esponjoso: absorbe las cargas de impacto
Los tejidos cortical y esponjoso se diferencian entre sí por su porosidad y en consecuencia por su densidad. La porosidad se define como el volumen de material no mineralizado por unidad de volumen total y representa el porcentaje que ocupa la médula ósea o material no mineralizado que se encarga de la irrigación del hueso. La porosidad del hueso cortical es del 5 al 30% y la del hueso esponjoso es del 30 al 90%,
El tejido óseo está compuesto por dos fases: una orgánica que le otorga flexibilidad y resiliencia y otra inorgánica, que le da dureza y rigidez.
	Composición del tejido óseo
	Peso
	Composición
	Agua 20%
	Agua
	Seco 80%
	Fase Orgánica (77%)
1. Colágeno (89%)
2. Osteocalcina
3. Osteonectina
4. Sialoproteinas
5. Proteoglicanos
6. Lípidos
7. Carbohidratos
Fase Inorgánica (23%)
Minerales- hidroxiapatita
Calcio- fosfato- carbonato
Tanto el hueso cortical como el esponjoso pueden ser de dos tipos: plexiforme o laminar.
Plexiforme: es el hueso en formación, desde la vida intrauterina hasta los 3 años de vida del hombre, esta presentación prevalece en el hueso en saneamiento; se caracteriza por estar formados por fibras de colágeno orientadas en todas direcciones y se presenta frecuentemente en los callos óseos formados luego de una fractura. Es un hueso flexible y débil, con comportamiento isotrópico u ortótropo
Laminar: sustituye al plexiforme durante la maduración, está formado por capas o láminas paralelas a las fibras de colágeno, posee un comportamiento anisotrópico.
La masa mineral o contenido mineral óseo, expresada normalmente por unidad de área como Densidad Mineral Ósea (DMO, en g/cm), es el parámetro de referencia que se utiliza actualmente para determinar la resistencia ósea, junto con las propiedades geométricas, estructurales y materiales (mineralización) y composición de la matriz, integradas todas estas características en el concepto de Calidad Ósea (Guede, 2013: 44), denominada actualmente como “resistencia a la fractura” (Ferretti, 2020: 39-57).
La resistencia a la fractura está determinada por la resistencia de los huesos a deformarse (rigidez), a resquebrajarse (resiliencia) y a terminar de fracturarse (tenacidad), y a su vez depende de otras dos calidades: la del material mineralizado (rigidez intrínseca) y la del diseño arquitectónico de corteza y tramas trabeculares.
El hueso cortical está formado por pequeñas unidades estructurales óseas cilíndricas (UEOc, osteonas o sistemas de Havers) que se disponen de forma compacta formando láminas, concéntricas, circunferenciales e intersticiales. Esta distribución tiene una importancia biomecánica muy alta, ya que gracias a ella el hueso cortical es capaz de soportar un alto grado de carga por unidad de área con un bajo índice de deformación (1%-2%), lo que confiere gran rigidez a las unidades óseas en donde este subtipo es predominante. (Caeiro, 2005;14)
El hueso trabecular, formado también por UEO denominadas en este caso paquetes trabeculares (UEOt), presenta una microestructura, una distribución y un comportamiento biomecánico totalmente diferente al cortical. Esta estructura soporta menos grado de carga por unidad de área que el hueso cortical, pero con un mayor índice de deformación (50%), lo que confiere cierto grado de elasticidad a las unidades óseas en donde este tipo tisular predomina (Seeman. 2002:2). En este entramado, y de acuerdo con la Ley de Wolf, las trabéculas se orientan, condensan y refuerzan según la intensidad y la dirección de las cargas a las que están sometidas. Esta orientación heterogénea de las trabéculas es responsable biomecánicamente de que el hueso trabecular no responda igual en todas las direcciones del espacio. (Figura 1)
Propiedades biomecánicas
La mecánica y la ciencia de los materiales estudian los efectos y la relación entre las fuerzas aplicadas sobre una estructura o cuerpo rígido y las deformaciones producidas
Los huesos están compuestos por material no homogéneo, anisotrópico, no lineal y viscoelástico.
El hueso debe su forma, densidad y propiedades mecánicas a un proceso evolutivo que lo forma y transforma según las cargas a las cuales está sometido, variando entre distintos individuos y aun en un mismo individuo en función del tiempo.
Propiedades biomecánicas básicas
Carga y desplazamiento
La fuerza (F) o carga (l P) es un vector con una magnitud, dirección y punto de aplicación, que cuando actúa sobre un cuerpo cambia la velocidad o la forma del mismo. En el SI (Sistema Internacional de Unidades) se mide en newtons (N). Según el ángulo y la forma de aplicación de la fuerza, ésta puede clasificarse en:
1. compresión, cuando el cambio en la forma del objeto se manifiesta en forma de acortamiento,
2. tracción o tensión, si se manifiesta en forma de alargamiento
3. corte o cizalladura, si produce cizallamiento del objeto.
Aunque estos son los tres tipos de fuerzas puras, en biomecánica suelen aparecer
muy a menudo las fuerzas de flexión (bending - doblamiento) que producen la curvatura del objeto.
El desplazamiento que sufre el cuerpo o estructura sobre el que se ejerce la fuerza es proporcional a la magnitud de la misma dentro del límite elástico, pero esta proporcionalidad no es la misma para todos los casos y todas las direcciones. 
Curva carga/desplazamiento
Cuando se realiza un ensayo mecánico sobre un objeto se obtiene una curva carga-desplazamiento, que define la deformación total del objeto en la dirección de aplicación de la fuerza.
La curva carga-desplazamiento se usa para medir la resistencia y la rigidez de una estructura, sin embargo, para comparar entre sí materiales distintos, se necesita una estandarización mediante curvas esfuerzo-deformación (stress-strain). La carga y el desplazamiento pueden normalizarse como esfuerzo y deformación respectivamente utilizando las dimensiones del objeto. (Figura 3)
Esfuerzo y deformación
El esfuerzo (stress, σ) es la resistencia interna de un objeto a una fuerza que actúa sobre él, y se mide en pascales (Pa), siendo 1 Pa una fuerza de 1 N distribuida en una superficie de 1 m2.
La deformación (strain, ε) representa los cambios en las dimensiones del objeto sometido a la acción de la fuerza. Puede expresarse en unidades de longitud absolutas o en unidades de longitud normalizadas; ε = ΔL/L, donde ΔL es la variación de longitud y L la longitud inicial, por lo que en este caso es una magnitudadimensional (mm/mm). 
Si sometemos un hueso a la acción progresiva de una fuerza, se produce deformación de forma sucesiva, por lo que se dice que el hueso presenta un comportamiento elástico-plástico. 
De la curva esfuerzo/deformación (Figura 3) podemos obtener gran cantidad de información sobre las propiedades del material. Se distingue una primera región en la que el esfuerzo y la deformación son proporcionales (región lineal de la curva, que corresponde a la región elástica, en la cual se cumple la ley de elasticidad de Hooke) y otra región en la que no se recupera la forma original del objeto, aunque deje de aplicarse la carga (zona plástica o de deformación irreversible). 
El punto de transición entre la región elástica y la región plástica se denomina punto de vencimiento o cesión (yield point), que se corresponde con la deformación de vencimiento (yield strain, εy) y con el esfuerzo de vencimiento o resistencia elástica máxima (yield stress,σy), que estima la capacidad de un material de deformarse sin sufrir microfracturas. 
En una región determinada de la región plástica aparece el punto que corresponde con el esfuerzo máximo (ultimate stress, σult), a partir del cual se producen microfracturas responsables de que aun con una disminución del esfuerzo, se incremente la deformación sufrida por la muestra.
Propiedades mecánicas de los materiales
Las propiedades mecánicas de un material son todas aquellas características que permiten diferenciarlo de otros, desde el punto de vista del comportamiento mecánico.
Elasticidad y plasticidad
La elasticidad es la propiedad de un material de recuperar su forma inicial una vez que deja de aplicarse sobre él una fuerza. La plasticidad es la propiedad opuesta: la deformación plástica se mantiene incluso cuando cesa la fuerza. Las proporciones de la resistencia total soportadas en condiciones de comportamiento elástico y plástico se pueden expresar de la siguiente manera:
elasticidad = σult – σy
plasticidad = (σult – σy)/σult
Un ejemplo de material elástico es el caucho, mientras que un material plástico sería, por ejemplo, la plastilina.
Rigidez y flexibilidad
La rigidez es una característica de los materiales que hace que se necesiten grandes esfuerzos para inducir una pequeña deformación elástica en el material. Corresponde a la pendiente de la región elástica de la curva carga-desplazamiento 
La flexibilidad es la propiedad opuesta a la rigidez. Un material flexible es aquél que muestra una gran deformación en la zona elástica, antes de alcanzar la zona plástica. 
El papel y la tela, por ejemplo, son materiales flexibles. Por el contrario, las cerámicas
o el vidrio son materiales rígidos, ya que cuando se doblan, se rompen.
Tenacidad, trabajo de rotura y resiliencia
La tenacidad (u) es la capacidad del material para resistir la deformación plástica. La tenacidad representa la cantidad de energía absorbida hasta que aparece la fractura.
La tenacidad da cuenta de la energía absorbida hasta que se produce la fractura, mientras que la resiliencia representa la energía que el material puede absorber sin experimentar una deformación permanente, es decir, solamente tiene en cuenta la cantidad de energía absorbida durante la deformación elástica. 
La resiliencia se define como la capacidad del material para resistir la deformación elástica. Un elevado grado de resiliencia se encuentra por ejemplo en el cartílago de las articulaciones
Resistencia
La resistencia máxima, o simplemente resistencia, no es más que el esfuerzo máximo necesario para fracturar el material. 
Viscoelasticidad
Aunque el comportamiento mecánico de muchos sólidos se aproxima a la ley de Hooke (comportamiento elástico) y el de muchos líquidos a la ley de Newton (comportamiento viscoso), ambas leyes son idealizaciones. 
Al aplicar una carga sobre un sólido elástico éste se deforma hasta que la fuerza cesa y la deformación vuelve a su valor inicial. Si la carga se aplica sobre un fluido viscoso también se deforma, pero no se recupera aunque cese la carga. 
En el caso de un material viscoelástico, el objeto sobre el que se aplica la fuerza recupera parte de la deformación. La viscoelasticidad es un fenómeno que describe las características mecánicas de los materiales en función del tiempo. El hueso, al igual que la mayoría de los materiales biológicos, es un material viscoelástico.
Para cuantificar las propiedades mecánicas de un material viscoelástico debemos tener en cuenta la relajación y la fluencia. La relajación es la disminución de la tensión en un material sometido a una deformación constante, mientras que la fluencia es el aumento gradual de la deformación en un material sometido a una carga constante.
¿Cómo se transforman los huesos?
La transformación del hueso involucra a tres procesos diferentes: 1- crecimiento, 2- modelado y 3- remodelado. 
1- Se denomina crecimiento al proceso de alargamiento del esqueleto que ocurre durante la infancia y juventud, y que dura hasta el cierre de las epífisis. 
2- El proceso de modelado está relacionado con la expansión transversal del hueso y la adquisición de su forma exterior durante la etapa de crecimiento. 
3- El remodelado óseo es el mecanismo por el cual el hueso adulto se renueva para mantener intacta su competencia estructural y biomecánica, evitando la acumulación de microlesiones causadas por la fatiga del material. La remodelación ósea comienza con la activación de una unidad básica multicelular (UBM) como respuesta a distintos estímulos (carga mecánica, fatiga material, etc.). 
Articulaciones. Clasificación General
¿Qué es una articulación? 
Es la unión o junción entre dos o más huesos
Si agregamos datos como por ejemplo que se mueven o que poseen ligamentos que las rodean, no está bien, dado que no todas se mueven y poseen ligamentos u otros medios de unión, como ejemplo de ello, las Suturas del Cráneo.
¿Cómo estudiamos una articulación?
· Primero: el “concepto de la articulación” aquí nos referimos a que huesos participan.
· Segundo: clasificación (Ver Cuadro más adelante)
· Tercero: descripción de las superficies articulares.
· Cuarto: describir medios de unión (si es que los tiene, dado que las suturas del cráneo que son articulaciones no poseen).
· Quinto: describir medios de adaptación (si es que los tiene) Ej.: meniscos.
· Sexto: describir movimientos (si es que los tienen: las sinartrosis no se mueven)
¿Cómo clasificamos a una articulación?
	Rangos de movilidad, medidos en grados, de las principales articulaciones del cuerpo Humano
Este cuadro ilustra y compara diferentes articulaciones del cuerpo y no es necesario su estudio de memoria.
	
	Columna Cervical
	Columna Lumbosacra
	Hombro
	Codo
	Muñeca
	Cadera
	Rodilla
	Tobillo
	Flexión
	0 a 30
	0 a 30
	0 a 150
(Elevación anterior)
	0 a 150
	0 a 70
(Flexión palmar)
	0 a 100
	0 a 150
	0 a 20
(Flexión dorsal)
	Extensión
	0 a 30
	0 a 90
	0 a 40
(Elevación posterior)
	
	0 a 60
(Flexión dorsal)
	0 a 30
	
	0 a 40
(Flexión plantar)
	Aducción
	
	
	0 a 30
	
	0 a 30
(Desviación cubital)
	0 a 20
	
	
	Abducción
	
	
	0 a 150
(abdo-elevación)
	
	0 a 20
(Desviación radial)
	0 a 40
	
	
	Rotación
	0 a 30
	0 a 30
	0 a 40 (interna)
	
	
	0 a 40 (interna)
	
	
	
	
	
	0 a 90 (externa)
	
	
	0 a 50 (externa)
	
	
	Inclinación
	0 a 70
	0 a 20
	
	
	
	
	
	
	Prono-Supinación
	
	
	
	0 a 80
	
	
	
	
	Inversión
	
	
	
	
	
	
	
	0 a 30
	Eversión
	
	
	
	
	
	
	
	0 a 20
Cabe mencionar algunas de las muchas deducciones que podemos observar en el marco conceptual:
1- Muchas veces hablamos de Diartrosis y Sinoviales como sinónimos y decimos Diartrosis o Sinoviales y en realidad tenemos que tener en cuenta que hablamos de Diartrosis cuando nos referimos a Articulaciones Móviles y de Sinoviales cuando nos referimos a la clasificación por el medio de unión, que en este caso es una cápsula articular. Podemos decir entonces que las articulaciones móviles o Diartrosis “coinciden” con las Sinoviales generalmente, dado que estas tienen cápsula articular, que permiten movilidad y que todas las articulacionesque poseen una cápsula articular (Sinoviales) son diartrosis. Sin embargo, NO todas las articulaciones móviles (Diartrosis) son sinoviales, por ejemplo, la articulación interescapulotorácica o de Gillis, presenta movilidad y su medio de unión es un músculo (Serrato mayor) y no una cápsula articular.
2- Es importante remarcar que las Diartrosis son móviles, pero NO es conveniente decir que las Diartrosis “tienen mucho movimiento” porque de esta forma nos quedarían afuera las articulaciones de género “artrodias” cuyas superficies articulares son planas y presentan escasos movimientos de deslizamiento.
Bibliografía
1- Legnani, Walter; Jacovkis, Pablo; Armentano, Ricardo. (2007). Modelización Aplicada a la Ingeniería. 1a ed. - Buenos Aires: Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional. v. 2. pp 113-121. ISBN 978-950-42-0082-6.
2- Guede D, Gonzalez P, Caeiro JR. (2013). Biomecánica y hueso (I): Conceptos básicos y ensayos mecánicos clásicos. Rev. Osteoporos Metab Miner. Vol 5. 1: 43-50
3- Ferretti J L, Nocciolino L M, Lüscher S H, Mackler L, Beribé R S, González R, Pilot N, Pisani L, Cointry G R y Capozza R F. (2020). Masa, calidad, direccionalidad. ¿Cuál es la verdadera diferencia entre ‘osteopenias’ y ‘osteoporosis’? Rev Fac Cs Méd UNR. Vol. 1: pp. 39 a 57
4- Caeiro R, et al. (2005) Factores determinantes de la resistencia ósea. REEMO. vol 14 (4): 67-74
5- Seeman E. Bone quality. Advances in osteoporotic fracture management. 2002:2(1):2-8.