Ossa e Denti

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Fisiologia e meccanica dei Tessuti Ossei

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Svolge numerose e importanti funzioni:

•Permette di mantenere la posizione eretta

•Ha funzione protettiva (scatola cranica, sterno, cassa toracica)

•Contiene midollo osseo, che ha funzione emopoietica, per la produzione di © sanguigne

•Funge da deposito di sali, come il calcio e il fosforo

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Massima resistenza con l’impiego della minore quantità possibile di materiale.

L’osso è un materiale composito vivente e dinamico

Struttura lamellare

Lamelle disposte in modo da seguire le direzioni delle forze sopportate.

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Possiamo distinguere le ossa in tre tipi: •Ossa lunghe •Ossa corte •Ossa piatte

LunghePiatte

Corte

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Osso spongioso compatto .

Osso lungo: diafisi -> compatto epifisi -> spongioso rivestito

Osso breve spongioso rivestito da compatto.

Osso piatto due lamine di compatto (tavolato)sottile strato di spugnoso (diploe)

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Nelle ossa lunghe la diafisi è rappresentata da un cilindro cavo, con una spessa parete, costituita da osso compatto ed un’ampia cavità midollare centrale, contenente il midollo osseo. Le epifisi (estremità della diafisi dell’osso lungo) sono costituite principalmente da osso spugnoso ricoperto da un sottile strato periferico di osso compatto.

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15.210.7÷÷÷÷12.75.9Torsionale (J I)

[[[[N⋅⋅⋅⋅mm2]⋅]⋅]⋅]⋅10-6

151101÷÷÷÷12055Flessionale (E⋅⋅⋅⋅I)

[[[[N⋅⋅⋅⋅mm2]⋅]⋅]⋅]⋅10-6

2.32.72÷÷÷÷2.91.7Assiale (E⋅⋅⋅⋅A)

[[[[N]⋅]⋅]⋅]⋅10-6

EpifisiDiafisi

ProssimaleDiafisiRigidezza

Valori medi delle rigidezze meccaniche

L’organizzazione strutturale si riflette nei valori delle rigidezze meccaniche.

Queste proprietà aumentano nella direzione epifisi-diafisi.

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Sezione cranio umano Sezione vertebra

strati di tessuto osseo compatto, detto tavolato

strato di osso spugnoso detto diploe.

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Organizzazione osso compatto

1) Concentricamente attorno a canali vascolari - sistemi di Havers (osteoni)

2) sistemi interstiziali.

3) lamelle circonferenzialiesterne ed interne,

due categorie di canali vascolari. I canali di Haverscanali di Volkman.

L’osso compatto è per la maggior parte costituito da matrice

Lacune ossee occupate da una osteocita

Tre diverse modalità di aggregazione delle lamelle

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Disposizione delle fibre di collagene

Fibre di collagene nell’osso corticale organizzate in struttura lamellare concentrica (osteone)

Le ossa sono miscele di collagene e di un materiale molto rigido e fragile, l’apatite.

La ECM è formata da due componenti: una matrice organica e sali inorganici.

Matrice organica: fibre collagene immerse in una sostanza fondamentale amorfa. Molecole di collagene unite a formare fibrille che, a loro volta, formano le fibre

Cristalli inorganici di idrossiapatite con preciso punto di attacco lungo le fibre

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1÷÷÷÷21050÷÷÷÷1001000

Limite elastico(%)

Allungamento a rottura (%)

Sforzo a rottura(MPa)

Modulo elastico(MPa)

Proprietà fibre di collagene

Le fibre di collagene hanno la funzione di limitare le deformazioni dei tessuti e conferirgli un’elevata

resistenza meccanica buone proprietà meccaniche a trazione

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Comportamento fibre di collagene

La struttura delle fibre di collagene èresponsabile del suo comportamento meccanico.Nella prima fase dell’allungamento le fibre hanno modesta capacità di resistere ai carichiUna volta distese, le catene presentano migliori proprietàmeccaniche

La regione 1 è caratterizzata da un basso modulo di Young; la regione 2 presenta un comportamento lineare con elevato modulo elastico.

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Cellule

Cellule osteoprogenitrici

Si attivano durante i processi di rimodellamento osseo, di cicatrizzazione delle fratture e durante le risposte a varie lesioni patologiche. In queste condizioni possono proliferare e trasformarsi in osteoblasti o fondersi tra loro dando origine agli osteoclasti.

Osteoblasti

Gli osteoblasti sono responsabili della formazione della matrice ossea

OsteocitiGli osteociti sono le principali cellule che popolano l’osso che ha completato il suo sviluppo; Partecipino alla liberazione del calcio dal tessuto osseo nel sangueDurante i processi di riassorbimento e rimodellamento osseo, l’osteocita si libera dalla sua lacuna e può trasformarsi in altri tipi cellulari (osteoblasta).

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Osteoclasti

Sono cellule giganti (diametro di 20-100µm) che possono contenere diverse decine di nuclei. Intervengono attivamente nel rimodellamento del tessuto osseo. Sono molto numerose soprattutto nelle zone in via di rimaneggiamento.

Mostrano una polarizzazione: i nuclei tendono ad accumularsi in corrispondenza della superficie esterna, che si presenta liscia, mentre la superficie adiacente al tessuto osseo presenta una striatura radiale (orlettoincrespeto).

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Sistema di scambio del calcio tra scheletro e vasii sanguigni

L’osso può essere considerato banca del calcio e del fosforo.

Continuo scambio di calcio fra l’osso ed il sangue , il cui scopo è il mantenimento della concentrazione dello ione nel plasma ad un valore costante.

Calcio più labile localizzato negli osteoni giovani

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3.6

(#22,±0.2

5)

3.6

(#22,±0.2

5)

3.3

(#10,±0.4

2)

3.3

(#10,±0,4

2)

G13=G23

[GPa]

22.3

(#5,±4.6)

23.1

(#3,±3.2)

18.2

(#4,±0.85)

17.7

(#38,±3,6)

E3

[GPa]

10.1

(#8,±1.8)

10.4

(#5,±1.6)

11.7

(#5,±1.01)

12.8

(#25,±3.0)

E1=E2

[GPa]

Compressi

oneTrazione

Compressi

oneTrazione

Femore BovinoFemore Umano

tabella 4

Proprietà osso corticale

l’osso compatto è anisotropo ed ha un comportamento viscoelastico.

Le proprietà meccaniche variano in funzione della regione dell’osso da cui il tessuto è stato prelevato.

Ha un comportamento semi-fragile.

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0.072

(#5,±0.014)

0.042

(#8,±0.01)

0.016

(#3,±0.0015)

0.050

(#8,±0.011)

0.019

(#20,±0.003)compressione

0.007

(#6,±0.002)

0.007

(#4,±0.004)

0.020

(#10,±0.005)

0.007

(#20,±0.0014)

0.038

(#21,±0.006)trazione

Deformazione a

rottura [mm/mm]

70 (#7,±9)67 (#12,±3.5)taglio

190

(#5,±18)

171

(#8,±25)

272

(#3,±3.3)

131

(#8,±20.7)

205

(#20,±17.3)compressione

39

(6,±4.7)

54

(#4,±5.8)

150

(#10,±11)

53

(#20,±10.7)

133

(#21,±15.6)trazione

Resistenza [MPa]

radialetrasversalelongitudinaletrasversalelongitudinale

BovinoUmanoOsso Compatto

Haversiano

Proprietà a rottura osso compatto

Il tessuto sopporta meglio gli sforzi di compressione.

Nella direzione radiale la resistenza a compressione dell’osso corticale bovino ècirca cinque volte maggiore di quella alla trazione.

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18

57

(#21,±8.4)

53

(#10,±7.7)taglio

196

(#25,±18.5)

180

(#9,±12.5)compressione

132

(#27,±10.6)

128

(#13,±11.2)

141

(#10,±12)

114

(#21,±7.1)trazione

yield stress [MPa]

bovinoumanobovinoumano

Cezayirlioglu et al. 1985Reilly at al. 1975

Valori di snervamento dell’osso compatto

Le sollecitazioni di snervamento (yield stress) sono maggiori per gli sforzi a compressione.

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36.9 (#15, ±±±±6.2)33.2 (#15, ±±±±6.9)45°

26.5 (#9, ±±±±8.9)26.1 (#9, ±±±±6.9)30°

35.2 (#33, ±±±±5.9)36.6 (#33, ±±±±8.4)O°

Modulo viscoso

[MPa]

12.4 (#15, ±±±±1.3)12.5 (#15, ±±±±1.0)12.4 (#15, ±±±±0.5)45°

11.4 (#9, ±±±±1.6)10.8 (#9, ±±±±1.3)11.4 (#9, ±±±±0.7)30°

15.5 (#33, ±±±±3.3)15.8 (#33, ±±±±1.4)16.3 (#33, ±±±±1.6)O°

Modulo elastico

[GPa]

f=0.66Hz (T=1.5s)f=5.2Hz (T=0.19s)f=7.5Hz (T=0.135s)tabella 9

Proprietà dell’osso trabecolari

modulo elastico e del modulo viscoso di provini di osso umano sollecitati dinamicamente per mezzo di onde sinusoidali in controllo di deformazione:

T

t2sen0

πε=ε dove ε0 è l’ampiezza della deformazione e T il periodo.

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SEM - architettura delle trabecole dell’osso spugnoso.

Comportamento meccanico dell’osso spongiosoAnche l’osso spugnoso è un tessuto anisotropo con comportamento meccanico

visco-elastico.

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21

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Comportamento TensileS

tres

s [M

Pa

]

Strain %

E=200-450MPa

v=2mm/min

lunghezza estensometro: 12.5mm

2.04 MPa

st. dev. 0.36

Pmax

Pult

Comportamento dell’osso trabecolare

Le proprietà dell’osso spongiosovariano anche di due ordini di

grandezza.

Il comportamento di un provino a sezione quadrata è inizialmente

lineare.

Le deformazioni a rottura sono pari a circa 1%.

La sollecitazione massima è pari a circa 2 MPa.

Tale valore può raggiungere anche i 20MPa, così come il modulo di Young(E) può raggiungere valori di 2GPa.

Le proprietà dell’osso trabecolare sono strettamente correlate alla densità

206.0

306.0

ρεσ

ρε

&

&

∝

∝E

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Fisiologia e Meccanica dei Tessuti Dentali

Ossa e Denti

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Denti umani permanenti

I denti sono strutture mineralizzate che, nei vertebrati, sporgono in parte dalla mascella nel cavo orale e sono ancorati all'osso sottostante

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Ossa e Denti

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Schema del dente

Ossa e Denti

26

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 1 2 3 4

Proprieta' dei Tubuli Dentinali

densita' dei tubuli

diametro dei tubuli

.

distanza dalla polpa [ m m ]

Dentina

Varietà di tessuto osseo

Attraversata da tubuli dentali

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Smalto

Strato duro e compatto sulla parte esposta della corona

Incastri di piccole barre esagonali, colonne e prismi

Non attraversato da canali nutritivi

Struttura mineralizzata al 95-98%

Elevato modulo di Young

Scarsa resistenza a flessione

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cemento dentina smalto

tetto camera

della polpa z

z y

x

CEJ

polpa

Figura OD – 17 Organizzazione strutturale dei tubuli