“Misure in vitro delle proprietà biomeccaniche del tessuto muscolare scheletrico”

Misure Meccaniche II (2012-13) prof. Z. Del Prete

Corso di laurea magistrale in Ingegneria Biomedica (MBIR)Corso di laurea magistrale in Ingegneria Biomedica (MBIR)

Dispensa a cura di: ing. Emanuele Rizzuto emanuele.rizzuto@uniroma1.it

06 49766607 – 26.607

Tessuto muscolare

tessuto muscolare striato tessuto muscolare liscio

unita motorie controllate daimotoneuroni del sistemanervoso volontario

controllato dal sistema nervoso autonomo

scheletrico cardiaco

Tessuto muscolare scheletricoresponsabile assieme allo scheletro della locomozione e

del movimento delle singole parti del corpo

aumento massaaumento forza

diminuzione forza specifica

Misura della capacità contrattile di muscoli scheletrici ex vivo

aumento massa,aumento forzacrollo forza specifica: infiltrato

MDX

Pseudo-ipertrofia

CSAFFspec

max=

diminuzione forzadiminuzione forza specificadiminuzione capacità contrattile

Misura della capacità contrattile di muscoli scheletrici ex vivo

MLC/SODG93A

aumento massaproporzionale

aumento forza= forza specifica

costanteAtrofia

Ipertrofia funzionale

Catena di misura: misure in vitroMuscolo immerso in una soluzione isotonica Impulso nervoso sostituito da stimoli elettrici Acquisizione Forza, allungamento, velocità

Krebs-RingerBicarbonate Buffer

+ 95%O2 5%CO2T=30°

Teoria dello scorrimento dei filamenti

L’energia è fornita dall’idrolisi dell’ATP:

una molecola si lega alla miosinaImmagazzina l’energia sotto forma di

tensione nella testa della miosinaAll’arrivo dell’impulso nervoso si ha

rilascio di ioni calcio La miosina si lega all’actina: rilascio

dell’energiaLa testa si flette trascinando il filamento

di actinaNuova molecola ATP lega la miosina Distacco dell’actinaGli ioni calcio vengono riassorbiti

La forza per lo scorrimento si genera nelle teste della miosina

-un potenziale di azione (CNS) raggiunge unmotoneurone alfa che trasmette unpotenziale lungo il proprio assone;-il potenziale di azione attiva i canalivoltaggio dipendenti del Ca2+ sull’assone: gliioni Ca2+ si riversano;-gli ioni Ca++ fanno si che le vescicolecontenenti Ach fondono con la membranaplasmatica rilasciando Ach;-l’Ach diffonde nella sinapsi e si lega,attivando, ai recettori AChRs sulla placcamotrice;-l’attivazione dei recettori nicotinici apre icanali Na+/K+, causando l’entrata dei Na+ el’uscita di K+. La membrana della fibradiviene carica positivamente, triggerandoun potenziale di azione;-Il potenziale d’azione di membrana sidiffonde attraverso i tubuli T dellamembrana, depolarizando la porzioneinterna delle fibra muscolare, ….

Attuatore/trasduttore ASI 300B

Larghezza dell’impulso: da 10μs a c.c.

Frequenza impulso: da single pulse a 200kHz

Elettrostimolatore 701BCatena di misura

Impulso elettrico

0.1ms f:100Hz → T:10ms

60Hz / 1s → 60 impulsi

Il calcolatore genera un segnale TTL con le caratteristichedesiderate.

L’elettrostimolatore invia agli elettrodi un segnale di 200mA

Tipologia di approcci sperimentali

2 variabili caratterizzanti i muscoli:lunghezzaforza

2 approcci sperimentali:Controllo l: isometrico - eccentricoControllo F: isotonico

Contrazione isometrica Contrazione isotonicaContrazione eccentrica

Lunghezza controllata Forza controllata

Stimolazione in condizioni isometriche

Twitch

• Forza twitch• Tempo risposta - ½ RT

Singolo impulso TwitchSi ha una L0 ottimale inrelazione alla l dei sarcomeri

Misuro:

Twitch: Tipologia di fibre muscolari

Fibre lenterisposta lenta / resistenti alla faticametabolismo ossidativofibre di tipo I - rosse - mioglobinasoleo (muscoli posturali)

Fibre velocicontrazione rapida / affaticabilimetabolismo glicoliticofibre di tipo II - biancheEDL, Gastro

• Time To Peak: tempo che intercorre fra il rilascio dell’impulsoed il picco di forza – proporzionale al rilascio degli ioni Ca2+

• ½ RT: tempo fra il picco di forza e la metà della forza durante lafase di rilascio – proporzionale al riassorbimento degli ioni Ca2+

Sommazione

• Forza sommazione

Aumento frequenza di stimolazione Sommazione

Misuro:

Tetanizzazione

• Forza tetanica• Forza specifica = F tetanica / CSA

Aumento ancora la frequenza tetano fuso: forza massima

Frequenza di tetanizzazione: Ioni calcio non si riassorbono. Il muscolo rimane in tensione

Misuro:

dLLL

mgmusclemassmmCSAf ××

=

00

2 )()(

Lf/L0=

d=1.06(mg/mm3)

0.44 EDL0.71 SOL

Curva forza - frequenza

Brooks and Faulkner, 1988

Fatica isometrica

• Tempo affaticamento: F F/2• Indice di Fatica: Ff/Fi

Treni di stimolazione ravvicinati fra loro a frequenza di tetano Fatica

Misuro:

Tfat

Protocollo isometrico

Tempo di riposo fra una stimolazione e l’altra per evitare al muscolo di affaticarsi: 150-180s

Stimolazione in condizioni isotoniche

Contrazione isotonica: muscolo può accorciarsi sollevando un carico esterno prefissato

Contrazione isotonicaAttività normale del muscolo è di tipo dinamico

L’accorciamento e la velocità di accorciamento diminuiscono all’aumentare del carico resistente

• 8 valori Forza: 0-Fmax• 8 coppie F-v

Tecnica after-load

Curva Hill: F-v

20, 65, 30, 80, 35, 10, 50, 15% Fmax

V di contrazione max per ogni stimolazione

Relazione forza – velocità : iperbolica

Costruzione della curva di Hill

cbvaF =++ )(*)(

• Vmax

• Wmax

vFW *=

3maxFFott ≅

• Wmax/weight

Potenza:

Fatica isotonica

Tempo affaticamento

3FF maxott ≅

Treni di stimolazione ravvicinati fra loro a frequenza di tetano, contro carico resistente costante Fatica isotonica

• Tempo affaticamento• Decadimento della

Potenza / Lavoro

0 5 10 15 20 25 30 35 400.0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

Time (s)

Pow

er (m

W)

0 5 10 15 20 25 30 35 400.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

Time (s)

Wor

k (m

J)

F*v F*l

Nel muscolo viene indotta la fatica permettendogli di generare la propria potenza massima: normalizzazione

Fatica isotonica

Protocollo isotonico: programma comando

Ftwitch: no diffFsom: +16%Fmax: +21%

T twicth

TG WT0

2

4

6

8

10

12

14

Ttw

itch

(ms)

Composizione fibre invariata

EDL Fmax

0

50

100

150

200

250

300

350

400 TG

WT ***

mN

Ftwitch Fsomm Ftet

Fspec

TG WT0

5

10

15

20

25

30

Fsp

ec (

N/g

)

Ipertrofiafunzionale

Esempio di risultati: MLC/mIgf-1

Interpolazione

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.2505

101520253035404550

F/Fmax

V (m

m/s

)

Stessa concavitàmaxF

a

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00

10

20

30

40

50WTTG

F/Fmax

v (m

m/s

)

EDL

Esempio di risultati: MLC/mIgf-1

Potenza

0.00 0.25 0.50 0.75 1.000.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00 TG WT

F/Fmax

Pot (

mW

) Wmax: +32%

Tfat

tg wt0

5

10

15

20

25

30

T fat

(s)

La capacità di generare una potenza significativamente

maggiore non inficia la resistenza a fatica isotonica del muscolo

EDLEsempio di risultati: MLC/mIgf-1

Wmax/weight uguale

Esercitazione

Descrizione dell’esperienza di laboratorio

Sequenza delle stimolazioni :

2 singoli impulsi

1 stimolazione a frequenza di sommazione

1 stimolazione a frequenza tetanica

4 stimolazioni after load

fatica isotonica

Esercitazione

Calcolare:

Interpolare i dati dell’after load con un’iperbole o conuna curva quadratica.

Graficare la curva della potenza e calcolare la potenzamassima.

Il calcolatore salva files di testo con in ordine: T, l, f, dl/dt, dF/dt, spikeTempo in secondi, restanti grandezze in Volt

TTP – ½ RT Fmax – Fspec Wmax – Wspec Tfat

Esempio di interpolazione