Introducción a la biomecánica

Introducción a la biomecánica.El estudio de la biomecánica abarca desde el funcionamiento interno de una célula hasta el movimiento y desarrollo de las extremidades, la vasculatura y los huesos. A medida que desarrollamos una mayor comprensión del comportamiento fisiológico de los tejidos vivos, los investigadores pueden avanzar en el campo de la ingeniería de tejidos, así como desarrollar tratamientos mejorados para una amplia gama de patologías.

La biomecánica como ciencia del deporte, la kinesiología, aplica las leyes de la mecánica y la física al rendimiento humano para obtener una mayor comprensión del rendimiento en eventos deportivos a través del modelado, la simulación y la medición.

Mecánica continua

A menudo es apropiado modelar tejidos vivos como medios continuos. Por ejemplo, a nivel de tejido, la pared arterial se puede modelar como un continuo. Esta suposición se rompe cuando las escalas de longitud de interés se acercan al orden de los detalles microestructurales del material. Los postulados básicos de la mecánica del continuo son la conservación del momento lineal y angular, la conservación de la masa, la conservación de la energía y la desigualdad de entropía. Los sólidos generalmente se modelan usando coordenadas de «referencia» o «lagrangianas», mientras que los fluidos a menudo se modelan usando coordenadas «espaciales» o «eulerianas». Usando estos postulados y algunas suposiciones con respecto al problema particular en cuestión, se puede establecer un conjunto de ecuaciones de equilibrio. La cinemática y las relaciones constitutivas también son necesarias para modelar un continuo.

Los tensores de segundo y cuarto orden son cruciales para representar muchas cantidades en biomecánica. En la práctica, sin embargo, la forma tensorial completa de una matriz constitutiva de cuarto orden rara vez se usa. En cambio, simplificaciones como la isotropía, la isotropía transversal y la incompresibilidad reducen el número de componentes independientes. Los tensores de segundo orden comúnmente utilizados incluyen el tensor de tensión Cauchy, el segundo tensor de tensión Piola-Kirchhoff, el tensor de gradiente de deformación y el tensor de tensión verde. Un lector de la literatura sobre biomecánica estaría bien informado de observar con precisión las definiciones de los diferentes tensores que se utilizan en un trabajo en particular.

Biomecánica de la circulación

En la mayoría de las circunstancias, el flujo sanguíneo puede ser modelado por las ecuaciones de Navier-Stokes. A menudo se puede suponer que la sangre entera es un fluido newtoniano incompresible. Sin embargo, esta suposición falla cuando se consideran los flujos dentro de las arteriolas. A esta escala, los efectos de los glóbulos rojos individuales se vuelven significativos, y la sangre completa ya no se puede modelar como un continuo.

Biomecánica de los huesos

Los huesos son anisotrópicos pero son aproximadamente transversalmente isotrópicos. En otras palabras, los huesos son más fuertes a lo largo de un eje que a través de ese eje, y tienen aproximadamente la misma fuerza sin importar cómo se roten alrededor de ese eje.

Las relaciones tensión-deformación de los huesos se pueden modelar utilizando la Ley de Hooke, en la que están relacionadas por constantes lineales conocidas como módulo de Young o módulo elástico, y el módulo de corte y la relación de Poisson, conocidas colectivamente como las constantes de Lamé. La matriz constitutiva, un tensor de cuarto orden, depende de la isotropía del hueso.

Biomecánica del músculo

Músculo esquelético (estriado): a diferencia del músculo cardíaco, el músculo esquelético puede desarrollar una condición sostenida conocida como tetania a través de la estimulación de alta frecuencia, lo que resulta en contracciones nerviosas y un fenómeno conocido como suma de ondas. A una frecuencia suficientemente alta, se produce tetania y la fuerza de los contractículos parece constante a lo largo del tiempo. Esto permite que el músculo esquelético desarrolle una amplia variedad de fuerzas. Este tipo de músculo puede controlarse voluntariamente. El modelo de Hill es el modelo más popular utilizado para estudiar los músculos.
Músculo cardíaco (estriado): los cardiomiocitos son un tipo celular altamente especializado. Estas células contraídas involuntariamente se encuentran en la pared del corazón y operan en concierto para desarrollar latidos sincronizados. Esto es atribuible a un período refractario entre las sacudidas.
Músculo liso (estrías lisas que carecen): el estómago, la vasculatura y la mayor parte del tracto digestivo están compuestos en gran parte de músculo liso. Este tipo de músculo es involuntario y está controlado por el sistema nervioso entérico.

Biomecánica de tejidos blandos

Los tejidos blandos como el tendón, el ligamento y el cartílago son combinaciones de proteínas y líquidos de la matriz. En cada uno de estos tejidos, el elemento portador de la fuerza principal es el colágeno, aunque la cantidad y el tipo de colágeno varía según la función que debe desempeñar cada tejido. La elastina también es un componente importante de carga dentro de la piel, la vasculatura y los tejidos conectivos. La función de los tendones es conectar el músculo con el hueso y está sujeta a cargas de tracción. Los tendones deben ser fuertes para facilitar el movimiento del cuerpo y, al mismo tiempo, seguir siendo compatibles para evitar daños a los tejidos musculares. Los ligamentos conectan hueso a hueso y, por lo tanto, son más rígidos que los tendones, pero tienen una resistencia a la tracción relativamente cercana. Cartílago, por otro lado, Se carga principalmente en compresión y actúa como un amortiguador en las articulaciones para distribuir las cargas entre los huesos. La resistencia a la compresión del colágeno se deriva principalmente del colágeno como en los tendones y ligamentos, sin embargo, debido a que el colágeno es comparable a un «fideo húmedo», debe estar respaldado por enlaces cruzados de glicosaminoglicanos que también atraen agua y crean un tejido casi incompresible capaz de soportar cargas compresivas

Recientemente, crece la investigación sobre la biomecánica de otros tipos de tejidos blandos, como la piel y los órganos internos. Este interés es estimulado por la necesidad de realismo en el desarrollo de la simulación médica.

Viscoelasticidad

La viscoelasticidad es fácilmente evidente en muchos tejidos blandos, donde hay disipación de energía, o histéresis, entre la carga y descarga del tejido durante las pruebas mecánicas. Algunos tejidos blandos pueden preacondicionarse mediante carga cíclica repetitiva en la medida en que las curvas de tensión-deformación para las partes de carga y descarga de las pruebas casi se superponen.

No linealidad en biomecánica

La ley de Hooke es lineal, pero muchos, si no la mayoría de los problemas en biomecánica, implican un comportamiento altamente no lineal. Las proteínas como el colágeno y la elastina, por ejemplo, exhiben tal comportamiento. Algunos modelos de materiales comunes incluyen el comportamiento Neo-Hookean, a menudo utilizado para modelar elastina, y el famoso modelo exponencial elástico de Fung. Los fenómenos no lineales en la biomecánica de los tejidos blandos surgen no solo de las propiedades del material sino también de las cepas muy grandes (100% y más) que son características de muchos problemas en los tejidos blandos.

Consultar también: La importancia de la biomecánica; Que es ingeniería biomédica

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