Biología y biomecánica del cartílago articular

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BIOLOGÍA Y 
BIOMECANICA 
DEL CARTÍLAGO 
ARTICULAR
 
Facultad Cs. Medicas - UNR
Hospital de Emergencias 
“Dr. Clemente Alvarez”
Dr. Matías FRACALOSSI
 ESPESOR DEL CARTÍLAGO (50μm – mm):
 Límite depende difusión de nutrientes
 Varia entre las articulaciones
 Entre las áreas de la misma articulación
 Se relaciona con las cargas mecánicas y con 
el peso corporal
 ORGANIZACIÓN INTRINSECA:
 Estratificada
 Similar en todas las especies y la economía 
 Arquitectura de la red de colágeno.
ESPESOR VARIABLE 
ORGANIZACIÓN 
INTRINSECA ESTABLE
ESTRUCTURA – BIOQUIMICA -
BIOMECANICA
 SANOS: equilibrio respetado
 ARTROSICOS:
 Ruptura de la integridad de la matriz
 Degradación de proteínas
 Reducción propiedades mecánicas
 Función disminuida
CONDROCITOS
 Administradores de la matriz
 Densidad volumétrica (cel/vol):
 Inversamente al tamaño del animal:
 1,5% a 4% humanos y 15% conejos
 Volumen de matriz regulado por una célula es 
mucho mayor que la misma (dominio 
metabólico)
 Células METABÓLICAMENTE MUY ACTIVAS
 No tienen contacto directo con otras 
células
 Dependen de la difusión directa
 Microvellosidades: contacto interdigital 
estrecho con la matriz 
Factores crecimiento
Citoquinas
Estimulos 
mecanoquímicos
Proteínas matriz
Enzimas
Fac crec
detritus
Organelas sintesis matriz 
(rer, Golgi)
ITM: matriz 
interterritorial
TM: matriz territorial
PM: matriz pericelular
Flecha: MV (excrecencias 
celulares)
MP: matriz pericelular, MT: matriz territorial, V: microvell, CPL: citoplasma
MOLÉCULAS DE LA MATRIZ
 20 proteínas
 Colágeno II y 
proteoglicanos 
 Monomeros de 
agrecanos: núcleo prot 
– enlaces covalentes –
GAG
 MA – uniones prot - AH 
: molécula hsta 200 
mill D -
Matriz recupera 
su espesor luego 
de la compresión
Alta densidad de cadenas de GAG, 
cargados negativamente, crean 
una presión osmótica contribuye a 
la rigidez mecánica en 
compresión
Las fuerzas 
repulsivas
generadas por 
compresión de 
los PG aumentan 
la rigidez.
Colágeno
 Restringe el cúmulo de agua de los PG
 Rigidez a las solicitaciones en tensión
 Aumenta la cohesividad de la matriz al 
atrapar las moléculas de PG
 Integridad mecánica: alta densidad de 
enlaces intra e intermoleculares
Otras Proteínas
 Colágeno XI, decorina, fibromodulina:
 Superficie del colágeno II
 Fibrogénesis
 Interacciones col-col y/o col-PG
 Decorina:
 Regulada por las fuerzas de carga
 Integridad mecánica de la matriz
Zonas del Cartílago
• Superficial
• Transición
• Radial:
• superficial
• profunda
• Calcificada
•
Zona superficial
 Condrocitos: aplanados (huso)
 Matriz: > col < PG, > agua
 Colágeno: paralelo a la superficie
 Extrema rigidez a la tensión
 Capacidad de sustentación de cargas
 Efecto de presurizado: evita la peridida de LI
Zona de Transición
 Condrocitos: pequeños, esféricos 
(intermedios)
 Matriz: > PG y < col y agua
 Colágeno: forma de arcos (pseudo 
aleatoridad)
Zona Radial
 95% del volumen del cartílago
 Condrocitos: las mas grandes y activas
 Condronas: grupos de células autónomas
 Superficial: > PG: propiedades ante las 
fuerzas de compresión
 Profunda: col perpendicular al hueso 
subcondral
 Anclaje al cartílago calcificado y HSC
Zona Calcificada
 Representa el frente de mineralización
 Contorno interdigital
 Frente de Mineralización:
 Normal: progreso inhibido por PH altas y 
factores antiinvación (condro)
 Patológico: avance con adelgazamiento del 
cartílago
• Superficial
•Transición
• Radial:
• superficial
• profunda
• Calcificada
Papel Funcional del Cartílago
 Hueso es 1000 veces mas resistente que el 
cartílago
 Se fractura con deformaciones < 1%
 Cartílago deformaciones > 50% sin lesiones 
macroscópica
 Sometido cargas 5 veces el peso corporal (% a 
18 Mpa)
 Presurización del LI: esta actúa contra presión-
compresión y la matriz sólida contra tensión.
Propiedades Mecánicas
 Comportamiento no lineal – anisotrópico: las 
propiedades mecánicas dependen de:
 La fuerza
 La dirección (compresión-tensión)
 La orientación
 Naturaleza bipartita (dos zonas)
 Porosa-permeable PG-col (tensión)
 Relleno de los poros con LI (compresión) 
 Propiedades tiempo-dependiente se relacionan con 
el movimiento de LI en la red de poros
Fuerzas Compresión Fuerzas Tensión
Movimiento LI Red col-PG
Estudios mecánicos
 Propiedades instantáneas - a corto plazo:
 Previas a la exudación de LI
 Analiza elementos incompresibles
 Propiedades de equilibrio:
 Completado el fluido de líquido 
Parámetros Mecánicos
 Módulo:
 Resistencia de un material sometido a carga
 Tensión, compresión o cizalla
 Indice de Poisson:
 Compresibilidad de un material
 0 a 0,5 : cartílago 0 a 0,4
 Permeabilidad:
 Movimiento de agua a través de los poros
 Cartílago: baja permeabilidad (pequeño tamaño de 
los poros) 
• fluido de LI
• baja permeabilidad (tamaño 
poros)
Incompresible
Máxima 
compresibilidad
Estructura - Función
 Fuerzas mecánicas pueden modificar la 
actividad metabólica de los condrocitos:
 Presiones fisiológicas ciclicas > aumentan 
sintesis de PG
 Compresión estática > inhibe metabolismo
 En vivo:
 El alto contenido de PG > áreas de alta fuerza 
de cargas y aumenta con la actividad física.
Cartílago Artrósico
 Normal:
 Equilibrio síntesis/degradación matriz
 Artrosis:
 Proceso CATABÓLICO
 Fibrilación superficie y perdida de PG
 Aumenta el contenido de agua (edema)
 Fisuras y roturas (HS)
REDUCCION DE PROPIEDADES MECÁNICAS
 Histología artrosis:
 Heterogéneo: 
 áreas proliferación celular y elevada actividad 
sintética (acción reparadora) 
 zonas degradación, necrosis e inflamación
 Altos niveles metaloproteinasas (MMP):
 MMP-3 o estromelisina y MMP-1 o colagenasa
Liquido sinovial con fragmentos de matriz, 
enzimas proteolíticas y citoquinas:
MARCADORES BIOLÓGICOS DE LA 
ENFERMEDAD
F: fibrilación, D: perdida densidad, C: quistes, O: osteofitos, I: erosiones, E: esclerosis 
subcondral
Aspectos Importantes
 Relación estructura-bioquímica-función 
depende interrelación condrocitos-matriz-
estímulos.
 Adaptación a la demanda funcional
 Estratificación funcional y morfológica del 
cartílago (4 zonas).
 Anisotropia y naturaleza bipartita
 Concepto de prezurización
HOMEOSTASIS ARTICULAR
 Daño articular
 Altera la homeostasis
 Proceso en cascada de daño estructural 
 Daño funcional
 CARTÍLAGO ARTRÓSICO
 ESTRATÉGIAS:
 ESTABILIZAR
 REPARAR
 REVERTIR
GRACIAS