Resistencia, tenacidad y rigidez de la entesis: Comparación de las inserciones de tendones con diferentes geometrías de inserción ósea

Rango de movimiento (ROM) para el tendón del supraespinoso, de Aquiles y rotuliano con las correspondientes imágenes mejoradas con contraste del manguito rotador murino (tendón del supraespinoso), tobillo ( tendón de Aquiles) y las articulaciones de la rodilla (tendón rotuliano) mantenidas en flexión, rectas y en extensión. Las líneas discontinuas verdes delinean los tendones en cada posición. HH, cabeza humeral; G, glenoides. Crédito: Interfaz de la Royal Society, DOI: 10.1098/rsif.2021.0421

Si bien los tendones del cuerpo difieren drásticamente en su función, mecánica y rango de movimiento, todos se conectan al hueso a través de una interfaz especializada que integra el tendón en el hueso. . La transferencia de fuerza eficaz en la entesis puede permitir la estabilidad y la movilidad de la articulación, con la fuerza y la rigidez debidas a una arquitectura fibrosa. Sin embargo, los mecanismos de tenacidad de la entesis pueden surgir a través de tendones con diferentes orientaciones de carga, que quedan por comprender. En este trabajo, Mikhail Golman y un equipo de científicos de la Universidad de Columbia, Nueva York, la Universidad de Missouri, MO y la Universidad de Washington, St. Louis, EE. UU., realizaron imágenes simultáneas del hueso y el tendón en entesis para representar variaciones del tendón. -inserción al hueso. Extendieron el modelo matemático para tener en cuenta las variaciones en la inserción y la geometría del hueso y probaron la hipótesis de que la dureza en un rango de entesis del tendón podría observarse a través de diferentes interacciones entre las arquitecturas de fibra y hueso. La dureza del modelo desarrollado aquí surgió de los mecanismos de reorientación, reclutamiento y ruptura de las fibras, mediados por interacciones entre las fibras en la entesis y la cresta ósea a su alrededor. En la aplicación a los tendones, algunos se caracterizaron como de almacenamiento de energía o posicionales. Los resultados proporcionaron información sobre métodos para la reparación quirúrgica de uniones de tendones a huesos en medicina ortopédica y los efectos de unir materiales muy diferentes para la ingeniería de tejidos óseos. El trabajo ahora se publica en el Journal of the Royal Society Interface.

Arquitectura muscular

La estabilidad y la movilidad de las articulaciones pueden garantizarse mediante fuerzas musculares que se transfieren a través de la unión del tendón al hueso a través de un tejido de transición conocido como entesis del tendón. Esto es aplicable a toda una gama de tendones, incluidos los tendones ‘posicionales’ y de ‘almacenamiento de energía’ con diferencias de composición para funciones específicas. Para comprender el efecto de la arquitectura y el motivo fibrosos simples, y ver cómo el motivo de la cresta ósea con cola podría proporcionar diferentes entesis con resiliencia en diversos sitios de inserción y direcciones de carga, los científicos realizaron análisis de imágenes y modelos. En este trabajo, Golman et al. determinó los roles de los factores arquitectónicos y posicionales de la dureza de la entesis. Para lograr esto, aplicaron imágenes micro-CT de contraste de cloruro de mercurio (III) a los tendones patelar, supraespinoso y de Aquiles murinos para identificar diferencias cualitativas en la naturaleza de las inserciones fibrosas y la superficie ósea que interactúa con dichos músculos. Golman et al. examinó un modelo de estos datos para mostrar que las interacciones mediaban la resistencia, la rigidez y la tenacidad en una variedad de orientaciones de carga. Los resultados proporcionaron información para mostrar cómo un solo motivo en la anatomía de inserción puede proporcionar información sobre una variedad de inserciones para describir la anatomía ósea durante el reclutamiento de fibras y la mecánica de la entesis del tendón.

Simulaciones de reclutamiento posicional, donde la fuerza resultante vs. Se generaron curvas de tiempo de simulación. Las simulaciones se realizaron con 20 fibras (N=20), una cresta ósea circular (A_0=B_0), un grosor de fibra de w = 10 m y una separación entre fibras s/w=1,5. El estiramiento por fallo de fibra se fijó en _u=1,2. Las condiciones iniciales se establecieron como tendones de almacenamiento de energía. Las fibras de la entesis del tendón se simularon para cargarse a 90, 60, 45, 30 y 0. Crédito: Royal Society Interface, 10.1098/rsif.2021.0421 Los experimentos

Después de extraer la rótula murina, el supraespinoso y el tendón de Aquiles unidades de unión de tendón a hueso de murinos sanos, los científicos sumergieron muestras de entesis en cloruro de mercurio durante 24 horas y las visualizaron mediante tomografía computarizada de rayos X. Luego, el equipo usó un modelo matemático basado en bioimágenes de la arquitectura fibrosa y la anatomía ósea de la entesis para predecir variaciones de la dureza de la entesis del tendón con la dirección de la carga, el reclutamiento de fibras y las interacciones entre el tendón y la cresta ósea. Golman et al. definió la tenacidad como la energía necesaria para desplazar la parte muscular de un tendón idealizado. Las simulaciones revelaron distintas respuestas mecánicas en una variedad de direcciones de carga fisiológicamente relevantes. Luego trazaron la relación entre el acoplamiento y el desplazamiento de las fibras para representar el porcentaje de fibras acopladas en un desplazamiento determinado. El modelo reprodujo muchas tendencias y variaciones en el comportamiento mecánico como se ve en los experimentos de pruebas mecánicas de entesis de tendón.

Modelo de contratación posicional. (a) Sección coronal de una imagen microCT mejorada con contraste de alta resolución de un tendón del supraespinoso murino unido a la cabeza humeral. (b) Las fibras de la entesis del tendón se muestran en verde, el hueso semielíptico (del eje mayor A0 y el eje menor B0) se muestra en gris y el vector unitario, representa la dirección de carga en un ángulo relativo al vector unitario horizontal . Se siguió la cinemática de la fibra para rastrear la región sobre la cual cada fibra contactó a su vecina (la región entre los ángulos 1 y 2, en los puntos a una distancia r1 y r2, respectivamente, del origen mostrado). Estas posiciones cambiaron a medida que se desplazaba el extremo distal del tendón (es decir, a medida que aumentaba r3). La flecha negra representa la dirección de carga. (c) En reposo, la longitud de las fibras exteriores es mayor que la longitud de las fibras interiores. Cuando una fibra se engancha y se orienta de manera que contacta con la cresta ósea, se tensa hasta que alcanza la tangente a la curvatura de la cabeza humeral (flecha azul) y el punto tangente a la fibra del tendón (flecha morada). (d) Para aproximar la distribución de las fibras en la entesis, siendo las fibras intermedias más numerosas y almacenando más energía, se varió la densidad de las fibras a lo largo de la unión. Específicamente, (d, arriba) la distancia entre las fibras se incrementó en los bordes exteriores y (d, abajo) la rigidez de la fibra K se incrementó para las fibras intermedias. Crédito: Royal Society Interface, DOI: 10.1098/rsif.2021.0421

La influencia de la densidad de empaquetamiento de fibras en la mecánica de la entesis

Para comprender el efecto de la densidad de la fibra en la mecánica de la entesis del tendón, Golman et al. A continuación, varió el empaque de fibras en el modelo para ajustar la relación entre el espaciado y el grosor de las fibras. Las simulaciones revelaron cómo el espacio entre las fibras afectaba la resistencia, la rigidez y la tenacidad normalizadas, donde el efecto dependía de la posición de la unión. Cuando la entesis del tendón se cargó a 120 grados, la resistencia y dureza normalizadas fueron las más bajas, a pesar del grado de empaquetamiento de las fibras. Cuando las fibras estaban apretadas, la resistencia no dependía del ángulo de carga. A continuación, el equipo identificó cómo la entesis de los tendones comúnmente clasificados como «almacenadores de energía» priorizaba la dureza en comparación con la fuerza, mientras que los comúnmente clasificados como «posicionales» demostraban una rigidez constante. Golman et al. concluyó los experimentos describiendo la influencia de las crestas óseas en la entesis para gobernar el reclutamiento de fibras y, en última instancia, regular la mecánica de la entesis.

• Resultados de la simulación de reclutamiento posicional. (a) El gráfico de fuerza-desplazamiento normalizado de las simulaciones reprodujo muchas tendencias y variaciones de las respuestas mecánicas dependientes del ángulo de carga observadas en datos experimentales ex vivo. (b) Número de fibras enganchadas ( reclutado) con respecto al desplazamiento dependiente del ángulo de carga. (c) Respuestas normalizadas de resistencia, rigidez y tenacidad para la entesis del tendón simulada para ser cargada en un rango de direcciones de carga. Las simulaciones se realizaron con 20 fibras (N = 20), cresta ósea redonda (A0 = B0), grosor de fibra de w = 10 m, espaciado de fibra s/w = 1,5 y estiramiento de rotura de fibra de u = 1,2. La resistencia, la rigidez y la tenacidad se normalizaron frente a un escenario ideal en el que las fibras se empaquetan de forma apretada (s/w = 1 ) fallaron uniaxialmente en 90. Crédito: Royal Society Interface, DOI: 10.1098/rsif.2021.0421
• Aplanamiento de la cresta ósea anatómica en la mecánica de la entesis del tendón. Las simulaciones se realizaron con 20 fibras (N = 20), grosor de fibra de w = 10 m, espaciado de fibra s/w = 1,5 y un aspecto variable relación para el reborde óseo cilíndrico. El estiramiento por falla de la fibra se estableció en u = 1,2. Las condiciones iniciales se establecieron como para los tendones que almacenan energía. La resistencia, la rigidez y la tenacidad se normalizaron frente a un escenario ideal en el que las fibras se empaquetan apretadamente (s/w = 1) fueron llevados a falla uniaxialmente a 90. Crédito: Royal Society Interface, DOI: 10.1098/rsif.2021.0421

Outlook

De esta manera, Mikhail Golman y sus colegas investigaron cómo La entesis tendinosa logró una amplia gama de funciones mediante el desarrollo de un modelo de reclutamiento de fibras dependiente de la posición, que describió la variedad de entesis tendinosas y geometrías de inserción ósea. j movimiento conjunto, impulsado por la arquitectura de la fibra, incluida la orientación, el reclutamiento y la ruptura de la fibra. Las simulaciones destacaron las entesis de los tendones comúnmente caracterizados como «almacenadores de energía», que priorizaron la tenacidad por encima de la fuerza, mientras que los caracterizados como «posicionales» priorizaron la rigidez constante. La anatomía ósea de la unión del tendón dictó los patrones de reclutamiento de fibras y la mecánica de la entesis para revelar los mecanismos de endurecimiento que protegen la interfaz tendón-hueso de las lesiones, lo que es importante en la ortopedia clínica. El equipo también identificó varios parámetros que son importantes para la unión de materiales de arquitectura, útiles para aplicaciones en ingeniería de tejidos óseos.

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Una fuerte unión entre el manguito rotador y el hueso lograda a través de una arquitectura fibrosa única Más información: Mikhail Golman et al, Enthesis fuerza, dureza y rigidez: un modelo basado en imágenes que compara inserciones de tendones con diferentes geometrías de unión ósea, Journal of The Royal Society Interface (2021). DOI: 10.1098/rsif.2021.0421

L. Rossetti et al, La microestructura y la micromecánica de la inserción tendinosa, Nature Materials (2017). DOI: 10.1038/nmat4863 Información de la revista: Journal of the Royal Society Interface , Nature Materials