BIOMECANICA LICHIDULUI SINOVIALBIOMECANICA LICHIDULUI SINOVIAL

Lichidul sinovial este un lichid clar, vâscos, asemănător albuşului de ou, secretat în spaţiul articular de către membrana sinovială, în cantitate de 1-5ml. El este un dializat al plasmei sanguine sărac în substanţe solubile şi în elemente figurate. Vâscozitatea sa este datorată în primul rând acidului hialuronic care este un dizaharat bogat polimerizat şi se află în lanţuri liniare de 2500 unităţi, compuse din glicozamină şi acid glicuronic. Acidul hialuronic este o moleculă cu volum (diametrul de 3000-4000Å) şi greutate moleculară mare, concentraţia normală a acestuia fiind de 3,5mg/ml de lichid sinovial şi s-a dovedit că descreşte odată cu îmbătrânirea. În cazul unor afecţiuni articulare precum inflamaţiile, lichidul sinovial îşi schimba aspectul şi, implicit vâscozitatea.

A – lichid sinovial normal;

B – lichid sinovial extras dintr-o articulaţie cu artrită inflamatorie;

C – lichid sinovial extras dintr-o articulaţie cu artrită inflamatorie cauzată de un şoc traumatic (în acest caz lichidul sinovial este amestecat cu sânge);

D – lichid sinovial extras dintr-o articulaţie cu artrită inflamatorie severă

Vâscozitatea lichidului sinovialVâscozitatea lichidului sinovial -vâscozitatea lichidului sinovial este direct proporţională cu concentraţia de acid hialuronic;

- elasticitatea şi dilatanţa instantanee: supus unui impact, lichidul sinovial se comportă ca un gel elastic graţie acidului hialuronic de a forma un asemenea gel. Această proprietate împiedică expulzarea lichidului sinovial dintre suprafeţele articulare şi amortizează şocurile transmise articulaţiei; - tixotropia – vâscozitatea lichidului sinovial diminuă proporţional cu creşterea vitezei relative dintre suprafeţe şi se măreşte la scăderea vitezei, sau altfel spus, produsul dintre viteză şi vâscozitate rămâne constant.

Variaţia vâscozităţii lichidului sinovial este corelată cu gradientul de viteză D definit de relaţia

h

uD

Proprietăţile lichidului sinovial sunt în funcţie şi de conformitatea suprafeţelor articulare

Variaţia vâscozităţii lichidului sinovial şi a tensiunii normale pentru diferite articulaţii sănătoase

Variaţia vâscozităţii lichidului sinovial pentru două cazuri de artroză de la nivelul genunchiului: cazul 1 – artroză avansată, cazul 2 – artroză incipientă

- la şold articulaţia este de tip sferic, deci cu o conformitate ridicată; - cotul este o articulaţie de tip bicondilian, dar fără meniscuri articulare, cu o conformitate mare dar mai mică decât cea de la nivelul şoldului; - genunchiul este o articulaţie tot de tip bicondilian dar congruenţa articulară este realizată de formaţiuni fibrocartilaginoase (meniscuri) cu o conformitate mai mică decât cea a cotului, - articulaţia gleznei este de tip şa, cu cea mai mică conformitate dintre cele enumerate anterior.

În artropatii, conţinutul de acid hialuronic scade prin mecanisme mecano-enzimatice şi, în consecinţă, lichidul sinovial are un comportament mai apropiat de cel newtonian, astfel încât, lichidul sinovial obţinut de la articulaţii patologice manifestă o reducere a vâscozităţii faţă de cel prelevat de la articulaţii sănătoase.

Variaţia vâscozităţii lichidului sinovial normal şi patologic

(după Schurz şi Ribitsch)

Gelul sinovialGelul sinovial

a – sub acţiunea unei forţe mici, este prezent un regim de squeeze, cu îndepărtarea lichidului sinovial din spaţiul intraarticular;

b – creşterea încărcării duce pe lângă continuarea regimului de squeeze, la exsudarea lichidului interstiţial din zonele cu presiune mică şi la concentrarea elementelor ce au un rol major în lubrifiere, în zonele de presiune maximă;

c – o creştere accentuată a încărcării face ca moleculele de acid hialuronic şi moleculele mari să fie prinse între suprafeţe, formându-se, în acest fel, gelul sinovial.

RolulRolul principal al principal al lichidului sinovial lichidului sinovial este acela de a este acela de a lubrifia articulaţilubrifia articulaţiaa

- Fosfolipidele active de suprafaţă au un rol deosebit de important în procesul de lubrifiere, reducând semnificativ, pe de o parte, coeficientul de frecare la valori foarte mici (0,001-0,006), iar pe de altă parte uzura cartilajului articular chiar în condiţiile unei încărcări foarte mari

- Lubricinul, o glicoproteină care a fost izolată din lichidul sinovial, a fost identificat ca având, de asemenea, un rol foarte important în lubrifierea limită [29], prin faptul că uşurează solubilitatea folsfolipidelor active de suprafaţă în apă.

- Proteolipidul, un alt component al lichidului sinovial, facilitează depunerea unui strat oligolamelar al fosfolipidelor active de suprafaţă şi, în acest fel, facilitează lubrifierea limită de la nivelul suprafeţelor articulare

Procesul de lubrifiere limită se autoadaptează printr-un proces de remodelare. În acest proces fosfolipaza A2, care este secretată de sinoviocite şi condrocite [32] este responsabilă de liza fosfolipidelor de suprafaţă.

Prin urmare, s-a presupus că, dacă nu este controlată, prezenţa sa în lichidul sinovial poate distruge stratul de fosfolipide active de suprafaţă. Deci, este important de stabilit care este factorul care guvernează activitatea de liză a fosfolipazei A2 şi de identificat elementul care protejează stratul de fosfolipide de suprafaţă care căptuşesc cartilajul.

Componentele cu rol important în procesul de lubrifiereComponentele cu rol important în procesul de lubrifiere

1 – strat de fosfolipide de suprafaţă;2 – molecule de acid hialuronic;3 – molecule de fosfolipază A2

Sistemul de lubrifiere al articulaţiei sinoviale şi modul de degradare al stratului de lubrifiant:

a – Moleculele de acid hialuronic sunt ataşate de fosfolipidele de suprafaţă formând un film de fluid. Fosfolipaza A2 este prezentă dar este inactivată de moleculele de acid hialuronic;

b – În condiţiile unei încărcări excesive a articulaţiei moleculele de acid hialuronic se degradează, apar radicali liberi (OH), iar fosfolipaza A2 devine activă distrugând stratul de fosfolipide de suprafaţă;

c – Procesul continuă până când stratul de lubrifiant este îndepărtat în totalitate, realizându-se contactul direct între suprafeţele articulare;

BIOTRIBOSISTEMUL ARTICULARBIOTRIBOSISTEMUL ARTICULAR

1 - lichid sinovial (lubrifiant); 2 - cartilaj (suprafaţă solidă); 3 - os subcondral; 4 - capsulă articulară; 5 - membrană sinovială (mediul)

Articulaţiile de tip sinovial au o structură complexă comună celor mai multe articulaţii ce aparţin corpului omenesc. Termenul de sinovie provine din grecescul syn = împreună şi latinescul ovum = ou, denumire dată de consistenţa lichidului sinovial care este asemănătoare albuşului de ou. La formarea unei articulaţii sinoviale participă următoarele elemente componente: suprafeţele articulare (cartilajele articulare), între care se află interpus lichidul sinovial şi capsula articulară compusă dintr-un strat extern cu structură fibroasă (capsula articulară) şi un strat intern corespunzător membranei sinoviale.

Topografia suprafeţelor articulaţiilor sinovialeTopografia suprafeţelor articulaţiilor sinoviale

Din punct de vedere anatomic, articulaţiile diartrodiale diferă destul de mult din punct de vedere geometric, ele fiind în general cu un grad ridicat al conformităţii. Astfel, sunt articulaţii care corespund unei cuple de clasa a II-a (pe suprafaţă plană – claviculă pe manubriul sternal), cuple de clasa a III-a (articulaţie sferică – a umărului: humerus pe scapulă), altele corespund unei cuple de clasa a IV-a: elipsoidale (osul scafoid pe radius), tip şa (osul trapez care se articulează cu metacarpianul I), cuple de clasa a V-a: cilindrice (articulaţie tip balama – genunchi sau cot), de pivotare (atlasul pe axis)

Microscopic, suprafeţele articulare sunt relativ rugoase, aşa cum a fost demonstrat de Talysurf prin examinarea unei suprafeţe articulare la microscop. Aceste suprafeţe sunt mult mai rugoase decât suprafeţele utilizate în mod curent în endoprotezarea articulară. Rugozitatea cartilajului are valoarea Ra = 16m

Studiile cu microscopie electronică pe suprafaţa unui cartilaj de adult (300), ilustrează o periodicitate (30-50m) între vârfurile rugozităţilor (după Clarke)

a – Textura suprafeţei cartilajului articular vizualizată cu microscopul electronic (tânăr de 21 ani, cartilaj prelevat la autopsie, mărire 3000); b – Suprafaţă tipică a cartilajului articular când este afectat de artroză la care se observă fisuri adânci (mărire 3000); c – Suprafaţa cartilajului articular de la un cap femural a unui pacient în vârstă, prelevată în urma unei fracturi de col femural; nu este prezentă artroza (mărire 1000); d – Profilograme ale suprafeţei cartilajului articular obţinute de Talysurf

Un alt factor deosebit de important este modificarea ariei de contact la încărcare variabilă, deoarece cartilajul are modul de elasticitate mic şi este uşor deformabil.

La o încărcare mică, aria de contact poate fi circulară sau inelară (la şold), tensiunile normale şi tangenţiale având valori reduse.

La o încărcare mare, aria de contact se măreşte considerabil asigurându-se o conformitate ridicată, rezultatul fiind apariţia unor tensiuni normale şi tangenţiale de valoare redusă. Odată ce încărcarea dispare cartilajul îşi revine la forma iniţială.

Mişcări şi forţe în articulaţiile diartrodiale

Variaţiile unghiulare şi raportul dintre încărcarea ce acţionează asupra articulaţiei (F) şi greutatea corpului (G), pentru un ciclu de mers exprimat procentual, în cazul articulaţiilor portante

Frecarea în articulaţiile sinoviale În sistemele tribologice, frecarea poate fi împărţită în două tipuri: - primul tip, frecarea de suprafaţă, poate fi generată ori de adeziunea dintre suprafeţe, ori de interacţiunea dintre rugozităţi sau de frecările interne din interiorul filmului de lubrifiant, datorate vâscozităţii acestuia. - al doilea tip de frecare, denumită şi frecare internă sau de histeresis, apare prin mecanismul de disipare a energiei interne din substratul materialului corespunzător suprafeţelor de frecare. Frecarea de suprafaţă este diminuată de

prezenţa lichidului sinovial, cu atât mai mult cu cât acesta are un comportament nenewtonian. Interpunerea acestuia între suprafeţele articulare (chiar şi la încărcări mari, situaţie în care se transformă în gel sinovial) reduce semnificativ valoarea coeficientului de frecare, contactul direct dintre cartilagii fiind posibil numai în existenţei a diferite patologii articulare.Frecarea internă este produsă de curgerea vâscoasă a fluidului interstiţial prin matricea solidă. Acest tip de frecare apare în articulaţiile sinoviale atunci când o încărcare se deplasează în lungul suprafeţei articulare, ducând, astfel, la exsudarea lichidului interstiţial, în zona încărcată, şi reabsorbţia acestuia în regiunile neîncărcate.

Măsurarea coeficientului de frecare

Determinarea experimentală a valorilor acestor coeficienţi s-a realizat, in vitro, prin două modalităţi: prima modalitate presupune utilizarea unor dispozitive speciale denumite artrotripsometre, sau a unor pendule cu aplicabilitate pentru articulaţii întregi; a doua modalitate foloseşte suprafeţe cartilaginoase prelevate de la cadavru.

Autor Coeficient de frecare Articulaţia testată

Charnley (1960) 0,005-0,02 Gleznă umană

McCutchen (1962) 0,02-0,35 Umăr porcin

Linn (1968) 0,005-0,001 Gleznă canină

Unsworth (1975) 0,001-0,04 Şold uman

Malcom (1976) 0,002-0,03 Umăr bovin

Coeficientul de frecare dintre două suprafeţe articulare are valori foarte mici în comparaţie cu materialele utilizate în practica curentă

În urma acestor studii, au rezultat următoarele caracteristici pentru coeficientul de frecare: - creşte în timp după aplicarea încărcării; - este direct proporţional cu mărimea încărcării; - are valori mici când se utilizează lichid sinovial; - descreşte atunci când apar oscilaţii verticale.

Lichidul sinovial asigură un minim al coeficientului de frecare numai în biotribosistemele specifice articulaţiilor diartrodiale. Extinderea acestui lubrifiant pentru tribosisteme identice ca formă şi cărora li se aplică aceeaşi viteză şi sarcină, nu conduce la coeficienţi de frecare mici.

Lubrifierea în articulaţiile sinovialeLubrifierea în articulaţiile sinoviale

Lubrifierea cu film continuu

Reprezentare schematică a tipurilor de lubrifiere cu film continuu de la nivelul unei articulaţii sinoviale:

a – lubrifiere de tip hidrodinamic;

b – lubrifiere squeeze (hf – grosimea filmului de lichid sinovial; hc – grosimea cartilajului);

c – lubrifiere prin exsudare (lichidul interstiţial iese din interiorul cartilajului);

d – lubrifiere prin imbibiţie (filtratul de lichid sinovial intră în interiorul cartilajului)

Lubrifierea prin exsudare – mecanismul de autolubrifiere

Lubrifierea hidrostatică, are loc în condiţiile în care stratul de lubrifiant dintre cele două suprafeţe este menţinut prin intermediul unei presiuni din exterior aplicate lichidului. McCutchen a postulat ideea că, la nivelul articulaţiilor sinoviale, are loc un mecanism similar de lubrifiere hidrostatică prin autopresiune, care funcţionează în absenţa unei presiuni externe, dându-i denumirea de lubrifiere prin exsudare.

Conform acestei teorii, filmul de lubrifiant dintre cele două suprafeţe este generat de exsudarea lichidului interstiţial rezultat prin comprimarea straturilor de cartilaj articular, sub acţiunea încărcărilor fiziologice ale articulaţiei. În plus, el a presupus că exsudarea este uniformă pe întreaga suprafaţă articulară comprimată.

Cartilajul normal este de grosime constantă şi este supus la o presiune cu o distribuţie parabolică (tipică pentru lubrifierea hidrodinamică) ce se deplasează pe suprafaţa articulară cu o viteză fiziologică v.

Mergând pe această idee, s-au făcut cercetări şi asupra posibilităţii ca lichidul interstiţial din interiorul cartilajului să funcţioneze ca un lubrifiant. Astfel, în studiile iniţiale, ei au folosit o analiză parametrică în care au variat fracţiunile de încărcare suportate de matricea solidă şi de fluidul interstiţial.

a – un model pentru studiul lubrifierii tip squeeze între o sferă rigidă şi impermeabilă şi un strat de cartilaj de grosime hc susţinut de ţesut osos. Între suprafeţe se află lichid sinovial;

b – distribuţia de presiuni, deplasarea suprafeţei sferei şi deplasarea suprafeţei cartilajului, în funcţie de raza de acţiune a filmului squeeze;

c – evaluare teoretică a curgerii fluidului pentru grosimile minime ale filmului de lubrifiant de 5m, respectiv 50m, în funcţie de raza de acţiune a filmului squeeze

Lubrifierea prin imbibiţie

Un alt mecanism posibil de lubrifiere al articulaţiilor sinoviale a fost propus de Walker. Această teorie, denumită lubrifiere prin imbibiţie (boosted lubrication), presupune că odată cu apropierea suprafeţelor articulare una de cealaltă, componenta lichidului sinovial fără acid hialuronic şi macromolecule (filtratul de lichid sinovial), trece în cartilajul articular pe întreaga regiune de contact, devenind lichid interstiţial, în condiţiile unei presiuni crescute, lăsând în urmă un concentrat format din acid hialuronic şi proteine complexe (gelul sinovial) care are rol în lubrifierea articulaţiei. Este evident faptul că odată cu scăderea spaţiului dintre suprafeţele articulare, rezistenţa efluxului lateral al lubrifiantului va fi mai mare decât rezistenţa curgerii de imbibiţie

Procesul de ultrafiltrare a lichidului sinovial de către cartilajul articular. Soluţia de bază, reprezintă lichid sinovial fără complexul acid hialuronic - proteinele mari

Lubrifierea limităLubrifierea limită

Charnley, prin studiile efectuate, a sugerat faptul că între suprafeţele articulare, în timpul funcţionării normale a unei articulaţii, se află permanent interpus un strat monomolecular (de grosime 1÷100nm). Davies şi colab., au mers mai departe şi au presupus că stratul subţire de fluid (câteva straturi moleculare de apă) este adsorbit de suprafaţa articulară, fiind asigurat, astfel, stratul de lubrifiant pentru lubrifierea limită. Acest mecanism întră în categoria lubrifierii limită.

a – regim de lubrifiere mixt, lubrifierea limită este prezentă numai la nivelul contactului dintre vârfurile asperităţilor;

b – asperitate în contact – un strat monomolecular de glicoproteine ce este adsorbit de suprafaţa cartilajului;

a – variaţia raportului forţă de reacţiune-greutatea corpului şi variaţia unghiulară (cu linie întreruptă) pe un pas specifice articulaţiei genunchiului;

b – reprezentarea suprafeţelor articulare pentru regimurile de lubrifiere în staţionare prelungită şi cele corespunzătoare celor patru faze principale ale mersului

Regimuri de lubrifiere pe parcursul unui ciclu de mers la articulatia tibio-femurala

Uzura în articulaţiile diartrodialeUzura în articulaţiile diartrodiale

În general, uzura se poate împărţi în două tipuri convenţionale, şi anume:

- uzura de suprafaţă (uzura de adeziune, de abraziune) şi

- uzura din substratul materialului. Uzura din substrat (de oboseală) este independentă de regimul de lubrifiere dintre cele două suprafeţe şi apare datorită tensiunii ciclice din substratul cartilajului

Tensiunea ciclică rezultă în urma aplicării unei încărcări periodice specifică mişcării articulaţiei în timpul activităţii zilnice. Se estimează că pe perioadă de 1 an articulaţiile membrului inferior sunt supuse la aproximativ 1.000.000 cicluri de încărcare.

Tensiunile şi deformaţiile ciclice pot determina apariţia unor fisuri, în interiorul cartilajului, care pot să crească în dimensiune devenind ulterior rupturi microscopice.

Uzura prin solicitări repetate a fost demonstrată de Kerin şi colab. prin supunerea unui set de eşantioane de cartilaj la o solicitare ciclică, in vitro.

Pe regiunile relativ netede ale suprafeţei cartilaginoase, el a generat, prin tăiere, fisuri de dimensiuni mici (simulând, în acest fel, fisurile care pot să apară la nivelul suprafeţei cartilaginoase, prin şoc traumatic sau în urma unor artrite), după care a supus articulaţiile la solicitări, de compresiune, repetate în intervalul de presiuni 2068MPa la un diametru al suprafeţei de încărcare de 9mm.

Propagarea fisurilor la o încărcare ciclică, pe o suprafaţă circulară cu diametrul de 9mm. Se observă că lungimea fisurilor evoluează rapid pe parcursul primelor 75 de cicluri de încărcare

Configuraţia fisurilor cartilajului la sfârşitul perioadei de testare (sus). Eşantionul testat a fost introdus în ser fiziologic şi lăsat în imersie timp de 12 ore. Se observă închiderea fisurilor, datorată în principal rehidratării volumului de cartilaj (jos)

Exemplu de uzură de suprafaţă a unui cap femural

Fotomicrografii ale secţiunilor verticale făcute prin cartilaj: a – cartilaj normal cu suprafaţa intactă; b – suprafaţă articulară uzată; c – cartilaj uzat cu o fisură verticală ce poate merge până în adâncime

Variaţia uzurii masice în funcţie de timp a unui lot de eşantioane de cartilaj pentru două presiuni.

Producerea particulelor de uzură la nivelul unei articulaţii artrozice: 1 – cartilaj;2 – particulă de uzură; 3 - os

a b c

Vizualizarea tipurilor de particule de uzură întâlnite într-o articulaţie diartrodială preluate prin microscopie electronică: a – particulă întâlnită într-o articulaţie asimptomatică (posibilă stare preartrozică);

b – imagine a unei particule de uzură specifică unei articulaţii cu poliartrită reumatoidă;

c – imagine a unei particule de uzură specifică unei articulaţii artrozice (după Stachowiac)