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Mechanische Eigenschaften von biologischen Stoffen

Mechanische Eigenschaften von biologischen Stoffen. Elastin. Kollagen. Kollagen. Kollagen ist in allen Tieren von Schwämmen bis zu Wirbeltieren zu finden. In Wirbeltieren macht es etwa die Hälfte (im Gewicht) der Proteine im Körper aus. Es spielt wichtige Rolle in Sehnen, der Haut,

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Mechanische Eigenschaften von biologischen Stoffen

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Presentation Transcript

  1. Mechanische Eigenschaften von biologischen Stoffen Elastin Kollagen KAD 2007.02.26

  2. Kollagen Kollagen ist in allen Tieren von Schwämmen bis zu Wirbeltieren zu finden. In Wirbeltieren macht es etwa die Hälfte (im Gewicht) der Proteine im Körper aus. Es spielt wichtige Rolle in • Sehnen, • der Haut, • Knochen, • dem Glaskörper, • den Blutgefäßwänden, • …..

  3. Struktur von Kollagen • 1400 Aminosäure/Kette • 300 nm lang • 3 Ketten  Tripelhelix • Glyzin, Prolin, Hydroxiprolin, …

  4. Anordnung der Kollagenmoleküle Faser Fibrillen Kollagenmoleküle

  5. Kollagene Fasern Faserbündel Fasern, Ø 4-12 mm Fibrillen, Ø 0.3-0.5 mm Mikrofibrillen, Ø 20-40 nm Tropokollagen, Ø 1.5 nmLänge 300 nm Tripelhelix

  6. Dehnung von Kollagenfasern Verhärtung: s E = 300 MPa … 2 500 MPa Max. Belastung: e Sehnen, Bänder (Luftdruck: 0,1 MPa)

  7. Elastin Nicht wasserlöslich, einzelne Moleküle bilden durch Kreuzbindungen einen Netz. Struktur ist wenig bekannt.

  8. Elastin vs. Kollagen Verhärtung: s (MPa) E = 0,1 MPa …. 0,4 MPa E = 300 MPa… 2 500 MPa 60 Kollagen Max. Belastung: < Elastin > 0,6 e

  9. Vergleich von Elastin und Kollagen • Beide verhärten sich bei wachsender Belastung, jedoch Kollagen stärker; • E von Elastin ist cca. 4000x kleiner; • sR von Kollagen ist cca. 100x größer; Kollagen schützt besser vor Überdehnung. Elastin ist wesentlich dehnbarer. Kollagen besitzt wesentlich höhere Rißfestigkeit.

  10. Physiologische Funktionen von Kollagen und Elastin Kollagen gibt dem Gewebe Festigkeit und Widerstand gegen Deformationen, schützt vor Überdehnung und Riß. Elastin gibt dem Gewebe Dehnbarkeit und Elastizität. z. B. Blutgefäßwände: Bei physiologischen Druckschwankungen müssen sie leicht dehnbar und elastisch sein um die Druckwellen dämpfen zu können; Sie dürfen nicht übergedehnt werden und reißen. Kollagen und Elastin in anderen Geweben: Haut, Bandscheibe, Knorpel

  11. Zusammensetzung der Aderwände bei verschiedenen Adern

  12. Mechanische Funktion der Aderwände Blut aufzunehmen, zu speichern, überzuleiten, Druckwellen zu dämpfen. Druckänderungen (Dp) bedeuten starke mechanische Belastung für Blutgefäße und für Organe. Volumenänderungen (DV ) Durchmesseränderungen Frage: Was ist der Zusammenhang zw. Dp und DV ?

  13. Volumenänderung von Blutgefäßen 1. Schritt: Umfang des Kreises: U = 2p r [Gl.1] r r+Dr [Gl.2] st

  14. im Gleichgewicht für die obere Hälfte des Zylinders: 2. Schritt: [Gl.3] Laplace-Frank Gleichung

  15. Konsequenzen der Laplace-Franck Gleichung Arteriole Arterie Aorta 1,2 cm r = 0,2 cm 15 mm 20 mm 1 mm d = 2 mm relative Zugspannung: 2,7 8 1 Aneurysma

  16. Gl.1 Gl.3 Gl.2 3. Schritt: Volumenänderung: Distensibilität (Dehnbarkeit) genauer:

  17. Volumenänderung der Aorta Erwartung: Messungen: p p

  18. Erklärung der gemessenen Belastungsdiagrammes p p Elastin Kollagen

  19. Mechanische Funktionen der Knochen • Stützfunktion • Schützfunktion • Bewegungen • Speicherung von Mineralien (Ca, P) fest, hart, gleichzeitig leicht, elastisch, adaptationsfähig Zusammensetzung, Struktur des Knochens

  20. Zusammensetzung von Knochen Fett Wasser organische Faser (Kollagen) Mineralien (Hydroxiapatite) Knochen-gewebe Verbundmaterial !

  21. Ca10(PO4)6(OH)2 Hydroxiapatite hexagonale Kristalle Im Knochen: 20-60 nm lange, 6 nm dicke Kristallchen. (Ihre Gesamtfläche bei Menschen beträgt 60-70 Ha!)

  22. Verteilung der Apatitekristalle im Knochen Kollagenfasern  Matrix + Apatitekristalle, verteilt zw. Kollagenfasern Mehr Kristalle, wo die Belastung größer ist.

  23. E (GPa) Kollagen 0,3 –2,5 Apatite 165 Belastungsdiagramm bei Dehnung (Stauchung) „Fließen” Bruch s Bruch-spannung Fließgrenze Knochen 10 e

  24. Elastizität und Festigkeit von Knochen bei Dehnung z.B: Knochen sind fester als Beton oder Granit!

  25. Elastizität und Festigkeit von Knochen bei Stauchung z.B.: Knochen sind fester als Beton oder Granit!

  26. Röhrenstruktur! Dehnung neutrale Fläche Stauchung Optimale Struktur für Biegung („Optimale”: höchste Festigkeit bei niedrigsten Stoffaufwand.)

  27. Vorteil der Röhrenstruktur volle Stange Röhre R R1 innere, R2 äussere Radius m und r und l sind gleich A gleich V gleich

  28. 2 Biegung: Bei dergleichen Stoffaufwand ist die Röhre fester!

  29. Optimale Wanddicke Aus ausführlichen Rechnungen: Gleiche Masse: 310 % Festigkeit 100 % Gleiche Festigkeit: Masse 57 % 100 %

  30. + + + + + + – – – – – Piezoelektrizität von Knochen elektr. Feldstärke Selbstregulation: bei lang andauernden Deformation Elektrotherapie?

  31. Elektrotherapie

  32. Muskel: Aktive Elastizität die mechanische Spannung bleibt die Länge bleibt isometrisch(„gleichen Maßes“)Die Kraft erhöht sich bei gleicher Länge des Muskels. isotonisch(„gleichgespannt“)Der Muskel verkürzt sich ohne Kraftänderung.

  33. Kraftentwicklung (Belastungsdiagramm) totale Spannung aktive Spannung Muskeln sind immer leicht angespannt. passive Spannung Ruhelänge

  34. „Gleitende” Filamente Molekularer Mechanismus der aktiven Kraftentwicklung Aktin Myosin

  35. Aufbau von Muskeln

  36. Sarkomer

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