Polysacharydy stuktura a vlastnosti (tvrdá tkáň)

Transkript

1 Polysacharydy stuktura a vlastnosti (tvrdá tkáň) Polysacharidy se převážně vyskytují v tkáni s velkou viskozitou (ve velmi vyskozních materiálech), kde snadno interagují s protejny, včetně kolagenu, výsledkem je polysacharydový komplex, který nazíváme glycosaminoglykans nebo proteoglykans. Tyto molekuly se snadno vážou s vodou a kationty. Samozřejmě také existují ve fyziologické koncentraci nejenom jako husté látky, ale také jako viskoelastické gely. Všechny tyto plysacharidy se skládají disachridových jednotek polymerizovaných v nerozvětvených makromolekulách. Jeden z těchto polysacharidú můžeme nalést v sinoviální kaplině, která plní úlohu kloubního lublikantu. Některé polysacharidy hrají roly lepydla nebo chcete-li cementu mezi lamelamy kolagenu a minerály v osteonech. Struktúra (vztahy) Jednim z mnoha úkolů při studiu struktúry a vhodnosti vztahú s tkání je vylepšení přizpůsobilosti imlantátů. Proto tedy často bývá vysvětlována fyzická funkcionalita která je přenášena ven z tkáně nebo z orgánů, kterou můžeme studovat a popisovat mimo organismus. A druhou stránkou věci je jak reprezentovat funkci a vlastnosti s tak málo parametry a jestli je to vůbec možné (přijatelné). Obr. 5.4 Typické uspořádání dlouhé kosti Přetisk z [20] Copiright Sanders, 1963 Složení a stuktúra Zuby a kosti jsou mineralyzovanou tkání, jejichž prvotním úkolem je přenášet zatížení a odolávat mu (tlak Mpa). Zuby jsou ve výjmečném fyziologickém okolí (prostředí), protože jejich funkce je spojena s přímým kontaktem mimotělních substancí (jinak řečeno: zuby jsou určeny k příjmu potravy a proto jsou namáhaný a to nejenom fyzickým zatížením, ale kyselinami a bakteriemi).funkce kostí působit na venek je spojena s funkcí svalů a šlach. (sem patří schématický obr. dlouhé kosti 5.4). Vlhká kortikální kost je složena z 22 % (w/o váhový zlomek, resp. Celková váha vztažená na váhu organické matice) z organické matice. (100g kosti obsahuje 22g org. Organických látek). Kost obsahuje w/o kolagenu, 69 w/o minerálú, 9 w/o vody. Lépe je to na obr. 5.5.

2 Nejdúležitější subfázi minerálního složení submikroskopických krystalů je apatit, calcium a fosfát. Tyto látky tvoří krystalovou strukturu hydroxiapatitu [Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ]. Jsou zde i ostatní minerálové ionty citrátu, floridu a hydroxidu, které mají za následek rozdílnost v mikrostruktúře femuru kosti. Krystaly apatitu se formují do štíhlých jehel (nudliček), 20-40nm na délku a 1,5-3nm v tlouštce. A tyto nudličky tvoří matici slořenou s kolagenových vláken obr Tyto fibrily, které obsahují minerály, se skládají do lamel (lamelárních listů), jejichž tlouštka je 3-7 mikro metru. Běží to tak že se uspořádávají do šroubovis s tím že respektují tvar a velikost cylindrických osteonů (Haversnův systém). Osteony jsou tvořeny z 4 až 20 lamel, které jsou kruhovitě uspořádány kolem Haversnova kanálu. Obr. 5.4 Rozložení podle váhy u podstatné u selku kortikální kosti. Je zde reprezentován poměr buněk proteinu v organických materiálech. [Lippincott, 1980] Obr. 5.5 Tetragonální uspořádání skrze křížení sekcí v subfibrilách v kolagenových vláknech. Na levo je ukázána elementární struktura kolagenu a napravo jsou kalcium fosfátová jádra (N) a krystaly (CR), z kterých se vyvíjejí vlákna, SF subfibrils, TH triple helix, PC protein chain, H hole region between the subfibrils. [Springer, 1974]

3 Obr. 5.7 Obrázek naskenovaný elektronovým mikroskopem, který ukazuje rozložení podílu v lamelách osteonu. Organická část byla odstraněna použitím ethylenediamine v Soxhletově aparatuře. [Academic Press, 1978] Hranice mezi osteony a intersticiálnímy systémy jsou přesně vymezeny vycementovanou čárou. Metabolické substance múžou být transportovány pomocí interkomunikačního systému canaliculi, lacunae a Volksmanových kanálků, které jsou spojeny s Haversnovým kanálem a morkovou dutinou. Tento rozmanitý spojovací systém je vyplněn tělní tekutinou a její obsah může být větší než 18.9% +- 0,45%, je to jen jeden z odhadů, který byl udělán na hovězí kompaktní kosti [9]. Vnější a vnitřní povrch kosti nazýváme periostelem a endostelem (chronologicky jak je to v textu) a obě mají vlastnosti kosti (a nebo jsou kostního původu). Zajímavou poznámkou je, že minerální fáze nejsou jednotlivě odděleny od krystalů calciofosvátu. Fáze jsou kontinuálně propojeny viz. Obr a při kompletním odstranění organické fáze je kost stále velice silná (spíše odolná). Dlouhé kosti jako je femur jsou obvykle udělány ze spongiózní (mřížkované) a kompaktní (plné) kosti. Spongiózní kost se skládá z třídimenzionálních větví nebo z kostnatého rámce z kostní dřeně. Více spongiózní kost je epiphyzou dlouhé kosti, zatím co kompaktní kost je reprezentována především diaphyzou kosti (viz obr. 5.4.). Více přehledý obrázek detailní struktury kosti ukazuje obr a obr. 5.9 který ukazuje diagram uspořádání vláken v následujících (v po sobě jdoucích vrstvách lamel) lamelách, v Haversianovu systému. Poznamenejme, že vzor střídání jednotlyvých vláken, která jsou rozprostřena kolem buněčné dutiny Hv. Systému, tvoří výztuhu. Jsou dva typy zubů deciduous (primárnní) a nebo permanent. Který znich je více dúležitý při určování podmínek v biomateriálech? Všechny zuby mají dvě hlavní části a to korunku a kořen. Tyto části jsou ohraničeny dásní. Kořen je umístěn v lůžku z dásňové kosti, čelistní kosti (nahoře) nebo mandibularní kosti (dole, níže). Sagitální řez stálých (permanentních) rubů ukazuje obr kde jsou ilustrovány rozmanité strukturální vlastnosti.

4 Obr. 5.8 Více detailní struktura kompaktní kosti: (A) Část podlouhlé základní sekce u ulny člověka (160x); (B) Úsek křížení sekcí u Haversnova systému v kyčelní kosti člověka (520x) [Saunders, 1968] Obr. 5.9 Diagram směru a uspořádání vláken do lamel u Haversnova systému. [Saunders, 1968] Obr ukazuje výřez řezu korunkou lidského špičáku, je zde vidět z jakých vrstev se skládá zubovina a spojení dentinových částí u lidského zubu. Smaltované vrstvy jsou náležitě seřazeny, vlnově vroubkovány. Obr ukazuje ultrastrukturu výřezu nakloněné sekce nekalcifikované lýtkové kosti a ukazuje hrubé oválné prizma skloviny a interprizmatickou substanci. Poznamenejme, že orientace krystalů apatitu je rozdílná od (významná kromě) samostatného prizmatu. Čistá místa definují prisma (hmotu). Podélná osa krystalů (souhlasí s osou C s mřížkovou osou krystalu apatitu) je relativně paralelní (souběžná, rovnoběžná) s podélnou osou prizmatu (krystalu). Krystaly v mimoprizmatickém prostoru mají zřetelně rozdílnou orientaci.

5 Obr (A) Schematický diagram podélného řezu lidským řezákem. Vršek korunky byl odpařen. (B) Schematické uspořádání v sagitální oblasti u lidské spodní prvé a permanentní stoličky. [Saunders, 1968] Obr (A) Horizontální průřez korunkou lidského řezáku. (B) Spojení Enamelu a Dentinu u

6 lidského zubu (základní část). Část složená z enamelu vypadá jako hranice, která je ukončena vlnkovitou striaturou (rýhováním). Ve vnitřní části (v interglobulární části) je dentin černý (vyplněno vzduchem). Mezi těmito mezerami (v této mezeře, to černé místo) jsou dentinové tubuly (trubičky). [Saunders, 1968] Obr Elektronový mikrogram dekalcifikovaného hovězího zárodečného dentálního enamelu. (a) Tento obrázek ukazuje dva typy prizmatu (A) hlavně podélné sekce. Délka a směl krystalů (koresponduje s c vektorem u mřížky apatitových krystalú) je relativne paralerní k podélné ose prizmatu. Krystaly v iterprizmatické oblasti (B) mají zřetelně odlišnou orientaci. Fixace Osmia, 25000x. Courtesy F.J. Daniel and M.J. Glincher. (b) To samé co jsme viděli na obr. v levo múžeme vidět na tomto obrázku ve větším měřítku. Obr. ukazuje podélnou orientaci prizmatických krystalů (A) s interprizmatickými krystaly (B) které jsou přibližně orientováný 30 o ve směru krystalů bez prizmatu. Fixace osmiem, x. Courtesy F.J. Daniel and M.J. Glimcher. [Sunders, 1968] Obr Více detailní morfologie u ultrastruktury enamelu (zubní skloviny). (a) Šikmá sekce dekalcifikovaného hovězího zubního enamelu (zubní skloviny). Bylo připraveno rozdělení kalcifikovaného enamelu, který byl po té dekalcifikován na roštu s phosphotungstic kyselinou (kyselinou fosfowolframovou) a chelatační činidlo (etylene-diaminetetraacetic acid). Tato procedura zachovává orientaci organické mřížky v závislosti na krystalech, jak jste mohli vidět v elektronovém mikroskopu před dekalcifikaci. Orientace proteinových vláken jednoduše odlišuju prizmata (A) a interprizmatický prostor (B). (b) anorganické krystaly jsou orientovány stejně. Hranice (C), která rozděluje prizmu na dvě strany má poměrně velkou koncentraci na organickou mřížku, koresponduje s čistými místy, které jsou vidět v plně kalcifikovaných sekcích. Mikrograf ukazuje že organický materiál a anorganické složky jsou strejně orientované, více než u krystalů apatitu a kolagenu v kosti. Fixace osmiem, x. Cortesy F.J. and M.J. Glimcher. Reprinted [Saunders, 1968]