Corso di laurea magistrale in Ingegneria Biomedica (MBIR)
Misure Meccaniche II (2012-13)
prof. Z. Del Prete
“Misure in vitro delle proprietà biomeccaniche
del tessuto muscolare scheletrico”
Dispensa a cura di: ing. Emanuele Rizzuto
[email protected]
06 49766607 – 26.607
Tessuto muscolare
tessuto muscolare striato
unita motorie controllate dai
motoneuroni del sistema
nervoso volontario
scheletrico
tessuto muscolare liscio
controllato dal sistema
nervoso autonomo
cardiaco
Tessuto muscolare scheletrico
responsabile assieme allo scheletro della locomozione e
del movimento delle singole parti del corpo
Misura della capacità contrattile di muscoli
scheletrici ex vivo
Pseudo-ipertrofia
9 aumento massa
9 aumento forza
Fspec
Fmax
=
CSA
¾ diminuzione forza specifica
MDX
9 aumento massa,
9 aumento forza
¾ crollo forza specifica: infiltrato
Misura della capacità contrattile di muscoli
scheletrici ex vivo
Ipertrofia funzionale
9 aumento massa
9 proporzionale
aumento forza
9 = forza specifica
costante
Atrofia
MLC/SODG93A
9 diminuzione forza
9 diminuzione forza specifica
¾ diminuzione capacità contrattile
Catena di misura: misure in vitro
Muscolo immerso in una soluzione isotonica
9 Impulso nervoso sostituito da stimoli elettrici
9 Acquisizione Forza, allungamento, velocità
9
Krebs-Ringer
Bicarbonate Buffer
+ 95%O2 5%CO2
T=30°
Teoria dello scorrimento dei filamenti
La forza per lo scorrimento si genera nelle teste della miosina
9
L’energia è fornita dall’idrolisi dell’ATP:
una molecola si lega alla miosina
9 Immagazzina l’energia sotto forma di
tensione nella testa della miosina
9 All’arrivo dell’impulso nervoso si ha
rilascio di ioni calcio
9 La miosina si lega all’actina: rilascio
dell’energia
9 La testa si flette trascinando il filamento
di actina
9 Nuova molecola ATP lega la miosina
9 Distacco dell’actina
9 Gli ioni calcio vengono riassorbiti
-un potenziale di azione (CNS) raggiunge un
motoneurone alfa che trasmette un
potenziale lungo il proprio assone;
-il potenziale di azione attiva i canali
voltaggio dipendenti del Ca2+ sull’assone: gli
ioni Ca2+ si riversano;
-gli ioni Ca++ fanno si che le vescicole
contenenti Ach fondono con la membrana
plasmatica rilasciando Ach;
-l’Ach diffonde nella sinapsi e si lega,
attivando, ai recettori AChRs sulla placca
motrice;
-l’attivazione dei recettori nicotinici apre i
canali Na+/K+, causando l’entrata dei Na+ e
l’uscita di K+. La membrana della fibra
diviene carica positivamente, triggerando
un potenziale di azione;
-Il potenziale d’azione di membrana si
diffonde attraverso i tubuli T della
membrana, depolarizando la porzione
interna delle fibra muscolare, ….
Catena di misura
Elettrostimolatore 701B
Larghezza dell’impulso:
da 10μs a c.c.
Frequenza impulso:
da single pulse a 200kHz
Attuatore/trasduttore ASI 300B
Impulso elettrico
9 Il calcolatore genera un segnale TTL con le caratteristiche
desiderate.
9 L’elettrostimolatore invia agli elettrodi un segnale di 200mA
0.1ms
f:100Hz → T:10ms
60Hz / 1s → 60 impulsi
Tipologia di approcci sperimentali
2 variabili caratterizzanti i muscoli:
2 approcci sperimentali:
forza
Controllo l: isometrico - eccentrico
Controllo F: isotonico
Lunghezza controllata
Contrazione isometrica
lunghezza
Contrazione eccentrica
Forza controllata
Contrazione isotonica
Stimolazione in condizioni
isometriche
Twitch
Singolo impulso Æ Twitch
Si ha una L0 ottimale in
relazione alla l dei sarcomeri
Misuro:
Forza twitch
• Tempo risposta - ½ RT
•
Twitch: Tipologia di fibre muscolari
Time To Peak: tempo che intercorre fra il rilascio dell’impulso
ed il picco di forza – proporzionale al rilascio degli ioni Ca2+
•
½ RT: tempo fra il picco di forza e la metà della forza durante la
fase di rilascio – proporzionale al riassorbimento degli ioni Ca2+
•
Fibre veloci
Fibre lente
risposta lenta / resistenti alla fatica
¾ metabolismo ossidativo
¾ fibre di tipo I - rosse - mioglobina
¾ soleo (muscoli posturali)
¾
contrazione rapida / affaticabili
¾ metabolismo glicolitico
¾ fibre di tipo II - bianche
¾ EDL, Gastro
¾
Sommazione
9 Aumento
frequenza di stimolazione Æ Sommazione
Misuro:
•
Forza sommazione
Tetanizzazione
9 Aumento
ancora la frequenza Æ tetano fuso: forza massima
Frequenza di tetanizzazione: Ioni calcio non si riassorbono.
Il muscolo rimane in tensione
CSA(mm 2 ) =
musclemass(mg )
L
L0 × f × d
L0
d=1.06(mg/mm3)
Lf/L0=
Misuro:
0.44 EDL
0.71 SOL
Forza tetanica
• Forza specifica = F tetanica / CSA
•
Curva forza - frequenza
Brooks and Faulkner, 1988
Fatica isometrica
9 Treni
di stimolazione ravvicinati fra loro a frequenza di
tetano Æ Fatica
Tfat
Misuro:
Tempo affaticamento: F Æ F/2
• Indice di Fatica: Ff/Fi
•
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
Attività normale del muscolo è di tipo dinamico
Contrazione isotonica: muscolo può accorciarsi
sollevando un carico esterno prefissato
L’accorciamento e la velocità di accorciamento
diminuiscono all’aumentare del carico resistente
Tecnica after-load
8 valori Forza: 0-Fmax
• 8 coppie F-v
•
Curva Hill: F-v
V di contrazione max per ogni stimolazione
20, 65, 30, 80, 35, 10, 50, 15% Fmax
Costruzione della curva di Hill
Relazione forza – velocità : iperbolica
( F + a ) * (v + b ) = c
•
Vmax
W = F *v
Potenza:
•
Wmax
•
Wmax/weight
Fott ≅
Fmax
3
Fatica isotonica
9 Treni
di stimolazione ravvicinati fra loro a frequenza di
tetano, contro carico resistente costante Æ Fatica isotonica
Fott ≅ Fmax
3
Tempo affaticamento
Fatica isotonica
Nel muscolo viene indotta la fatica permettendogli di generare
la propria potenza massima: normalizzazione
1.5
0.10
F*v
0.08
Work (mJ)
Power (mW)
1.2
F*l
0.9
0.6
0.3
0.06
0.04
0.02
0.0
0.00
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0
5
10
Time (s)
• Tempo
•
15
20
Time (s)
affaticamento
Decadimento della
Potenza / Lavoro
25
30
35
40
Protocollo isotonico: programma comando
Esempio di risultati: MLC/mIgf-1
EDL
F max
400
TG
350
WT
Ftwitch: no diff
**
*
Fsom: +16%
mN
300
250
Fmax: +21%
200
150
100
Composizione
fibre invariata
50
0
Ftwitch
Ftet
Fsomm
T twic th
F spec
30
14
25
Fspec (N/g)
12
Ttwitch (ms)
Ipertrofia
funzionale
10
8
6
20
15
10
4
5
2
0
0
TG
WT
TG
WT
Esempio di risultati: MLC/mIgf-1
EDL
50
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0.00
WT
TG
40
v (mm/s)
V (mm/s)
Interpolazione
30
20
10
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
F/Fmax
Stessa concavità
0
0.0
0.2
0.4
0.6
F/Fmax
a
Fmax
0.8
1.0
Esempio di risultati: MLC/mIgf-1
EDL
Potenza
2.00
TG
WT
Pot (mW)
1.75
1.50
Wmax: +32%
1.25
1.00
0.75
Wmax/weight uguale
0.50
0.25
0.00
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
F/Fmax
Tfat
30
25
Tfat (s)
La capacità di generare una
potenza significativamente
maggiore non inficia la resistenza
a fatica isotonica del muscolo
20
15
10
5
0
tg
wt
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:
9
TTP – ½ RT
Fmax – Fspec
Wmax – Wspec
Tfat
Interpolare i dati dell’after load con un’iperbole o con
una curva quadratica.
9
Graficare la curva della potenza e calcolare la potenza
massima.
9
Il calcolatore salva files di testo con in ordine: T, l, f, dl/dt, dF/dt, spike
Tempo in secondi, restanti grandezze in Volt
Esempio di interpolazione
