Clase 1 Bmc

07/08/2009

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BiomecánicaDiploma en Ciencias de la Actividad Física

Francisco J. Herrera NeiraKinesiólogo U. de Chile

Magíster © en KinesiologíaU. Católica del Maule

Unidades

Bi á i d l d• Biomecánica de las grandesarticulaciones

• Estudio instrumental delmovimiento

• Aspectos de Ergonomíali d l ti id d Fí iaplicada en la actividad Física

• Biomecánica de las pruebasfuncionales

Introducción

• La Biomecánica es unadi i li i tífidisciplina científica quetiene por objeto el estudiode los fenómenos decarácter mecánico que seproducen en los seresvivos, fundamentalmentedel cuerpo humano.

Biomecánica

• Como disciplina, se apoya de otras áreas del conocimientotit id l i i l á i lconstituidas por algunas ciencias como la mecánica, la

ingeniería, la anatomía, la fisiología y otras disciplinas, yasí estudia el comportamiento del cuerpo humano pararesolver los problemas derivados condiciones particularesen las que puede encontrarse.

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Objetivos del curso• Conocer y comprender la

Biomecánica como disciplinaBiomecánica como disciplina

• Analizar la Biomecánica en elcontexto de la actividad física desujetos en cualquier condición desaludsalud

• Integrar la Biomecánica aldesarrollo de otras disciplinasafines

Objetivos del curso• Integrar la ergonomía al campo

disciplinar de la Biomecánicadisciplinar de la Biomecánicadeportiva

• Integrar otras disciplinas alestudio de la actividad física

Introducción

• Desde la antigüedad, el hombre ha intentado desarrollari t d di ió l it t jsistemas de medición que le permitan tener una mejor

comprensión del mundo que lo rodea

• A continuación veremos unos ejemplos generales dedispositivos de medición que el hombre ha desarrollado a

viernes, 07 de agosto de 2009 7

dispositivos de medición que el hombre ha desarrollado através de la historia.


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viernes, 07 de agosto de 2009 9 viernes, 07 de agosto de 2009 10

Introducción

• La mecánica clásica es fundamental para explicar losi i t d l l t l i t d h t lmovimientos de los planetas, lanzamiento de cohetes y los

movimientos del cuerpo humano.

• Las leyes fundamentales empleadas en el desarrollo deteorías se expresa en el lenguaje de las matemáticas


teorías se expresa en el lenguaje de las matemáticas.

Patrones básicos

• En mecánica las 3 cantidades fundamentales son longitud(T) (M) ti (T) Ot f ió(T), masa (M) y tiempo (T). Otras se expresan en funciónde estás tres.

• Las medidas tomadas por diferentes personas en un lugardeterminado debe arrojar el mismo resultado.


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Patrones básicos

• En 1960 se integró durante un comité internacional eli t i t i l SI d d l l it d l tsistema internacional SI, en donde la longitud es el metro,

la masa el kilogramo y el tiempo el segundo.• Otras determinadas en este sistema son kelvin, ampere y

mol.


Longitud

• Se definió un metro en el año 1983 como “la distanciaid l l l í d t ti drecorrida por la luz en el vacío durante un tiempo de

1/299.792.458 segundos”


Masa

• Se estableció en el año 1887, que se define el kilogramol d ili d d t i d d l ió dcomo la masa de un cilindro determinado de aleación de

platino–iridio. Este se conserva en el laboratorioInternacional de pesas y medidas en Francia.


Tiempo

• En 1967 el segundo se definió como 9.192.631.770 vecesl i d d ib ió d l di ió d l át d iel periodo de vibración de la radiación del átomo de cesio

Cs –133.


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PREFIJOS para los múltiplos del S I

1024 Yota 1.000.000.000.000.000.000.000.000 Y1021 Zeta 1.000.000.000.000.000.000.000 Z1018 Exa 1.000.000.000.000.000.000 E1015 Peta 1.000.000.000.000.000 P1012 Tera 1.000.000.000.000 T


109 Giga 1.000.000.000 G106 Mega 1.000.000 M103 Kilo 1.000 K

PREFIJOS para los submúltiplos del S I

10 –24 0,000 000 000 000 000 000 000 001 yocto y10 – 21 0,000 000 000 000 000 000 001 zepto z10–18 0,000 000 000 000 000 001 ato a10–15 0,000 000 000 000 001 femto f10–12 0,000 000 000 001 pico p


10–9 0,000 000 001 nano n10–6 0,000 001 micro µ10–3 0,001 mili m

Conversión de UnidadesAlgunas veces es necesario convertir unidades de unsistema a otrosistema a otro.

Las convencionales son:

• 1 milla = 1.609 m=1,609 Km• 1 m = 39,37 pulgadas = 3,281 pies


1 m 39,37 pulgadas 3,281 pies• 1 pie = 0,3048 m = 30,38 cm• 1 pulgada = 0,0254 m = 2,54 cm

Conversión de Unidades

• Se puede tratar a las unidades como cantidadesl b ialgebraicas.

• Por ejemplo, si deseo convertir 15 pulgadas a cm:

• 1pulg = 2,54 cm15 l


• 15 pulg = x• x =15 pulg x 2,54 cm/pulg = 38,1cm.

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Ejercicios para practicar:

Expresar 365 Días horas.Expresar 5,3 millones de segundos días.Expresar 1,67 x 108 Minutos mesExpresar 860 horas semanasExpresar 4,5 meses segundos

Tejido epitelial escamoso simple de un vaso sanguíneo

Tejido epitelial estratificado escamoso esófago Tejido epitelial pseudoestratificado ciliado columnar de la tráquea

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Tejido conectivo óseo Tejido conectivo óseo

Tejido conectivo cartílago Tejido conectivo cartílago hialino

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Tejido conectivo denso tendón Tejido muscular estriado

Tejido muscular cardiaco Tejido Nervioso

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Propiedades de los tejidos

• Todas las estructuras biológicas del aparato locomotortá tid f d f testán sometidos a fuerzas deformantes.

• Cada tejido presenta características físicas ycomportamiento propio adecuado a su función, a lasfuerzas que actúan sobre ellos y cambian en el tiempofuerzas que actúan sobre ellos y cambian en el tiempo

Viscoelasticidad

• Modelo

Estrés

• Estrés mecánico, stress, tensión o esfuerzo mecánico esl f id d d á bj t t i lla fuerza por unidad de área en un objeto o material.

• Se representa por la letra σ

σ F / A• σ = F / A.

Estrés

• La unidad del Estrés es el Pascal (Pa). En la práctica seM l (MP )expresa en Megapascales (MPa)

• 1 Pa = 1 N/m2

• 1 MPa = 106 Pa

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Estrés

• Existen 3 tipos de estrés:

• Por compresión

• Por tensión

• Por cizallamiento

Deformación

• Si a un objeto con un área de sección A le aplicamos unaf F l t é ió t l d t d lfuerza F, el estrés en una sección transversal dentro delobjeto es:

σ = F / A.

Deformación

• Si se aplica una fuerza sobre el objeto, ésta causará unad f ió d fi ideformación que definiremos como ε.

ε = l – l0l0

Curva stress strain

• Typical stress-strain curve for connective tissue. The elastic and plastic regions of the curve are divided by the yield point,beyond which deformation causes tissue failure; the elastic region is further divided into a toe region and a transition zone.

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Viscoelasticidad

Biomecánica de los tejidos

Tejido muscular

Tipos de músculo

• Estriado Liso Cardiaco

Tipos de acción muscular

• Isométrica– La tensión tiende a mantener la distancia entre origen e inserción

• Concéntrica– Acortamiento con acercamiento de las inserciones

• Excéntrica– El movimiento realizado va en contra de la acción muscular

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Rol de los grupos musculares

• AgonistaM t i i l t l tid d l i i t– Motor principal, genera torque en el sentido del movimiento

• Antagonista– Genera un torque opuesto al agonista

• Estabilizador– Actúa de manera isométrica menteniendo

• Neutralizador– Elimina o neutraliza los componentes no deseados de la acción muscular agonista

Tensión

• La tensión generada por el músculo depende de lasi d d á i d tpropiedades mecánicas de sus componentes

• Tejido contráctil• Tejido no contráctil en paralelo• Tejido no contráctil en serie

Propiedades mecánicas• La fuerza de un músculo depende de

• Reclutamiento de fibras musculares (UM)• Área de sección transversal• Velocidad de contracción• Tiempo de estímulo• TemperaturaTemperatura• Tipo de fibra muscular• Inserciones (torque generado)• Posición de los segmentos

Fuerza

• Las fibras musculares en serie, alargan el vientrel i d l á id d d t iómuscular, sin darle más capacidad de generar tensión

• Las fibras musculares en paralelo suman su tensión

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Área de sección transversal

• En teoría, la cantidad de tensión producto de la acciónl d d d l ú d t timuscular depende del número de puentes actina –

miosina dentro del músculo

• La disposición de las fibras musculares incidedirectamente en su capacidad de generar tensióndirectamente en su capacidad de generar tensión

Sección transversal

• El tejido muscular es capaz de generar unos 30 N ó3 K F/ 2 d ió t l3 KgF/cm2 de sección transversal

• La tensión total es Fm = Am*cm

• Fm = Tensión generada• Am = Área fisiológica transversal• cm = Tensión isométrica máxima generada por el músculo

• La tensión generada por un vientre muscular de 3 cm dediámetro es de 210 N

Orientación de las fibras

• La orientación de las fibras musculares puede ser en lai di ió d l lí d ió d l ú lmisma dirección de la línea de acción del músculo o con

cierta angulación

• Fusiforme

• Pennado

Músculo Pennado • No se puede estimar la tensión

máxima de esta manera dadomáxima de esta manera, dadoque las fibras se encuentranoblicuas respecto de la líneade acción muscular

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¿Cómo se calcula la fuerza?• Se pueden tomar varias

secciones transversales desecciones transversales , demodo que se incluyan todaslas fibras

Fuerza de un músculo pennado

• Se utiliza el área de sección transversal fisiológica

• La línea de acción de las fibras musculares no es en elsentido de la acción muscular, por lo que es necesarioconsiderar el ángulo

• Fm = A σ Cos θ

• Fm = Tensión generada por el músculo• A = Área fisiológica de sección transversal• σ = Tensión isométrica máxima generada por el músculo• θ = Ángulo entre la línea de acción muscular y de las

fibras

Músculo longitudinal• En este caso, la tensión que

genera el músculo es:genera el músculo es:

• F = (5 cm)(2cm)(30N/cm2)

• F = 300 N

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Músculo pennado• En este caso la tensión es:

• F= (11,54 cm2 )(2)(Cos30º) σ cm

• F= (11,54 cm2 )(2)(0,866) σ cm

• F= 600 N

Fuerza v/s Excursión• En un músculo penado, la

tensión puede llegar a sertensión puede llegar a sermucho mayor que en unolongitudinal, para la mismacantidad de masa muscular,pero con un menor recorrido

Longitud

• La mecánica dentro del sarcómero determina que lat ió i l l l d l idtensión no sea igual a lo largo del recorrido.

• La máxima tensión se obtiene cuando la interacción entreactina y miosina es mayor, y a esta posición la llamamosde reposo (l0)

Tensión Activa

• La máxima tensión se obtiene cuando la interacción entreti i i t i ió l llactina y miosina es mayor, y a esta posición la llamamos

de reposo (l0)• Si continua el acortamiento, los filamentos de actina se

superponen, hasta llegar a comprimirse contra el disco Z,disminuyendo la capacidad de generar tensión. (60% l0)disminuyendo la capacidad de generar tensión. (60% l0)

• Si el músculo se alarga, se alejan los filamentos,disminuyendo la tensión. (160% l0)

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Tensión pasiva

• El estiramiento pasivo de las estructuras no contráctilest t ió id d lá tiaportan tensión por sus capacidades elásticas.

• Este estiramiento permite que exista tensión más allá del160% de l0

• • La tensión máxima generada por un vientre muscularestá así a 120% de lestá así a 120% de l0

Músculos mono v/s poliarticulares

• La tensión generada por un músculo monoarticulard d ól d l i ió d l ti l ió ldepende sólo de la posición de la articulación, por lo quela fuerza máxima será siempre la misma para unadeterminada posición articular.

• Un músculo poliarticular puede variar su relación de• Un músculo poliarticular puede variar su relación delongitud según las posiciones de las articulaciones quecruza.

Velocidad de contracción

• La tensión que puede generar un músculo esi t i l l l id dinversamente proporcional a la velocidad con que mueveun segmento.

• El ciclo de la contracción tiene, a nivel del sarcómero, 3tetapas:– Unión– Tracción– Separación

• Si la velocidad es muy alta, se necesita tener más sitiosdisponibles, por lo que baja la cantidad de puentescruzados actina-miosina.

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• Desde un punto de vistaempírico la curva de tensiónempírico, la curva de tensiónv/s velocidad es fácil decomprender.

Transmisión de la fuerza

• La tensión generada por un músculo es igual a ambost d l i t lextremos del vientre muscular.

• La transmisión de esta tensión se realiza a través delcomponente no contráctil en paralelo (endo–peri–epimisio)hacia el componente no contráctil en serie (tendón)

• La estructura del tendón cambia a fibrocartílago que• La estructura del tendón cambia a fibrocartílago queaumenta gradualmente su mineralización hasta suinserción ósea.


Tendones y ligamentos

Tendones

• Tejido conectivo denso

• Pobre vascularización

• Principalmente compuesto de colágeno• 75 a 90 % de su peso seco

• Transmisión de tensión

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Tendón v/s LigamentoComponente Ligamento Tendón

Células (fibroblastos) 20 % 20 %( )MEC 80 % 80 %Agua 60 – 80 % 60 – 80 %

Sólidos 20 – 40 % 20 – 40 %Colágeno 70 – 80 % Ligeramente mayor

Tipo I 90 % 95 – 99 %Tipo III 10 % 1 – 5 %

Sustancia fundamental

20 – 30 % Ligeramente menor

MEC

• Colágeno– Sustancia Fundamental– Fibronectina– Proteoglicanos

• Entrecruzado de colágeno– Agua

Proteoglicanos

• Piloaniónicos

• Atraen Na+

• “Atraen” agua

Propiedades mecánicas

• Se comprueban sometiéndolos a cargas uniaxiales,bt i d / l ióobteniendo curvas carga / elongación

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1. Región baja

2. Región lineal o elástica

3. Falla progresiva, región plástica

4. Amplia falla

5. Falla o ruptura total

Para el ligamento1. Región baja

2. Región lineal o elástica

3. Falla progresiva, región plástica

4. Amplia falla

5. Falla o ruptura total

Tendón Ligamento

Región baja (toe)

• Deformación escasa• (1,2 – 1,5 %)

• La tensión producida porl ió á i

• En el ligamento equivale ala prueba clínica deestabilidad

la contracción tetánicamáxima

Tendón Ligamento

Región elástica o lineal

• Comienza la microrrupturade las fibras de colágenoya estiradas

• El tendón humano no sufre

• Esta deformación (variableen el ligamento) puedereducirse, pero si esmantenida por muchotiempo se demorará más• El tendón humano no sufre

deformación mayor a 4%t e po se de o a á ásen retornar

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Región plástica

Tendón Ligamento• Tras pasar el límite

elástico, la ruptura defibras de colágenodetermina una caída en lapendiente de la curva

• Aunque el ligamentoparezca sano a simplevista, hay lesión de éste

pe d e e de a cu a• Clínicamente hay dolor y

puede llevar a la ruptura

Falla

Tendón Ligamento• Cuando la deformación es

mayor, la curva se aplanarápidamente

• Se ve “intacto”, perodisminuye su diámetro

• Se ve “intacto”, perodisminuye su diámetro

• Puede seguir ladeformación sin aumentarla cargadisminuye su diámetro la carga

Falla completa

• Al alcanzar la fuerza y deformación máximas, el tendón oli t tligamento se corta

• La deformación máxima no excede el 8 % para un stressagudo

Factores físicos

• Velocidad de aplicación de una fuerza• Temperatura• Inmovilización previa• Edad

• Otros• Embarazo• Diabetes• Uso de esteroides

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Tejido óseo

Tejido óseo

• Elemento muy duro• Activo durante toda la vida• Muy vascularizado• Gran capacidad de autorreparación• Altera sus propiedades y configuración según la demanda

mecánica

Funciones del tejido óseo

• Estructural:• Soporte y protección de órganos internos, inserción

muscular y locomoción

• Metabólica:• Reservorio de minerales

– Calcio y fosfatos

Propiedades mecánicas del hueso

• El hueso es un tejido altamente estructurado, compuestot i d lá hid i tit di tpor matriz de colágeno e hidroxiapatita dispuesto en

mallas jerarquizadas de lagunas y canalículos

• Los líquidos intersticiales, debido a las presiones, fluyenpor pequeños poros constituyendo una señal para lapor pequeños poros, constituyendo una señal para lacélula

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Componentes del tejido óseo• Matriz extracelular

Agua (20%)– Agua (20%)– Componente orgánico e inorgánico (80%)

• Componente orgánico (30-40%)– colágeno tipo I

• Componente inorgánico (60-70%)• Calcio y fósforo (hidroxiapatita) Ca10(PO4)6(OH)2y ( p ) 10( )6( )2

• Células– Osteoblastos, Osteocitos, Osteoclastos

Tejido conectivo óseo

• El hueso es muy dinámico,pudiendo cambiar suconfiguración debido a laedad y en respuesta a lademanda mecánica

Hueso cortical Hueso trabecular

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Membranas del hueso

• Endostio: limita el canal medular (médula amarilla). Tienet bl t t l tosteoblastos y osteoclastos.

– Función de recambio

• Periostio: aporta vasos y nervios hacia canales deVolkmann. La capa interna tiene osteoblastos.p– Función osteogénica, vascular y nerviosa

Formación del hueso

• Hueso inmaduro o “tejido”:( )– Menos organizado (colágeno al azar)

– Más flexible– Menos resistente– Se forma rápidamente– En embrión (hasta 5 años), callo de fractura, tumores, osteogénesis

imperfecta metáfisis del hueso en crecimientoimperfecta, metáfisis del hueso en crecimiento.

• Hueso maduro o laminar:– Estructura más ordenada (Ley de Wolff)– Se forma lentamente.

Formación del hueso

• Presión permanente sobre la fisis (cartílago dei i t )crecimiento)

– inhibe el crecimiento

• Presión intermitente sobre la fisis– estimula el crecimientoestimula el crecimiento

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Recambio óseo• Proceso para mantener la forma, calidad y tamaño del esqueleto.

S i f t• Se reparan microfracturas• Se modifica la estructura como respuesta al estrés.• Acción coordinada de osteoblastos y osteoclastos (Unidad

Multicelular Básica)• UMB forma túneles en la dirección de carga.• Velocidad 20 – 40 μm/día.• 8% recambio año (Cortical: 2-5%; hasta 25% trabecular)• Regulación mediante factores hormonales y otros a nivel sistémico.

Recambio óseo

1. Reabsorción: migración de preosteoclastos a la superficie� t l t lti l d 2� osteoclastos multinucleados. 2 semanas.

2. Inversión: mononucleados preparan la superficie para lososteoblastos. 4 – 5 semanas.

3. Formación: osteoblastos se ubican en la superficie hastaque llenan el espacio 4 mesesque llenan el espacio. 4 meses.

4. Reposo: se cubre con lascélulas de revestimiento.

Remodelación ósea

• Proceso en el cual hay absorción en un lugar y producciónt len otro lugar.

• Se cambia la forma del hueso, en forma local o másgeneral.

• Permite el crecimiento y la adaptación a la carga sobre elhuesohueso.

• Osteocitos responden a los cambios de tensión, quizásatrayendo osteoclastos a los sitos donde se requiereremodelación.

Masa ósea

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Masa ósea

• Pérdida:– Mujer: 1,5 a 2% anual– Hombre: 0,5 a 0,75 % anual

• 80 años: hombres han disminuido su masa ósea en un20% y mujeres en un 30%.

• Modulo de Young se modifica 2% cada década después• Modulo de Young se modifica 2% cada década despuésde los 50 años.

• Tabaco y alcohol disminuyen la masa ósea.

Ley de Wolff

• Carga estática determina la forma del hueso• Hueso se deposita donde hay stress y se absorbe donde

no lo hay engrosamiento cortical o alineacióntrabecular.

• Ejercicio con carga de peso y de alto impacto favorecenmantención de masa ósea (correr caminar trotar) Nomantención de masa ósea (correr, caminar, trotar). Notanto natación y ciclismo.

• Para estimular se debe aumentar el estrés al que el huesoestá adaptado.

Propiedades mecánicas

• La resistencia, elasticidad y fragilidad del hueso dependend l ió d t jid ó ti l jde la proporción de tejido óseo cortical y esponjoso.

• Módulo de Young: depende de la edad y dirección de lacompresión.

• Al disminuir masa ósea: más frágil.Hueso más jóven es más dúctil• Hueso más jóven es más dúctil.

• Debe estar adaptado para resistir la compresión y latensión

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Comportamiento viscoelástico

• Se recupera lentamente ante la deformación.

• Al aumentar la velocidad de la deformación se deformamenos y falla antes.

Recuperación ante la deformación Velocidad de deformación

• Más resistente a la fuerza violenta

• Soporta menos deformación

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Anisotropía

• Hueso cortical• Disposición de osteonas

• Hueso trabecular• Orientación de las trabéculas

• Isotropía transversal

Propiedades materiales

Fza máx E Elongació(Mpa) (Gpa)

gn(%)

Aleación Cr – Co forjada 950 220 15Titanio 900 110 51PM MA 20 20 2-4Aluminia (cerámica) 300 350 <2Aluminia (cerámica) 300 350 <2Hueso cortical 100-150 10-15 1-3Hueso Trabecular 8-50 2-4Tendón Ligamento 20-35 2-4 10-25


Cartílago

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Cartílago

• Cubre las superficies de las articulaciones sinoviales.• Disminuye el roce• Reducción del stress• Limita el crecimiento óseo• Avascular

Células

• Condroblastos

• Condrocitos

• Baja tensión de O2

Composición y estructura

• 70 – 85% de agua

• PG (30% del peso seco)

• Colágeno (70 % del peso seco)

• 2 fases: sólida y líquida

Agua

• Ya que el cartílago es avascular, el agua es fundamentall l d d l tílpara la salud del cartílago.

• Transporte de gases, nutrientes y desechos.• Puede removerse hasta el 70% durante una carga

compresiva

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PG y agua• La densidad de PG en la

superficie es menor y ensuperficie es menor y enregiones más profundas esmayor.

• La concentración de agua esinversa

• 80% en la superficie a 65% en• 80% en la superficie a 65% enla profundidad

PG y colágeno

• La expansión por repulsión eléctrica del PG es retenidal d d lápor la red de colágeno.

• Los PG unen fibras de colágeno que están muy alejadaspara formar puentes cruzados.

• Contribuyen a la estructura y resistencia mecánica deltejidotejido.

Arquitectura

• Se describen 4 zonas:• Superficial o tangencial• Media o intermedia• Profunda o radial• Calcificada

Cartílago • En la zona tangencial, el colágeno

se encuentra empaquetadose encuentra empaquetadoaleatoriamente en láminas densas,paralelas a la superficie.

• En la zona media hay mayordistancia entre las fibras, y unadistribución más homogénea.

• En la zona profunda las fibras se• En la zona profunda las fibras seagrupan radialmente en paquetesque cruzan la zona de barrera haciael cartílago calcificado

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