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KAD 2007.02.26 Mechanische Eigenschaften von biologischen Stoffen Elastin Kollagen.

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Präsentation zum Thema: "KAD 2007.02.26 Mechanische Eigenschaften von biologischen Stoffen Elastin Kollagen."—  Präsentation transkript:

1 KAD Mechanische Eigenschaften von biologischen Stoffen Elastin Kollagen

2 2 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 3 Struktur von Kollagen 1400 Aminosäure/Kette 300 nm lang 3 Ketten Tripelhelix Glyzin, Prolin, Hydroxiprolin, …

4 4 Anordnung der Kollagenmoleküle Kollagenmoleküle Fibrillen Faser

5 5 Faserbündel Fasern, Ø 4-12 m Fibrillen, Ø m Mikrofibrillen, Ø nm Tropokollagen, Ø 1.5 nm Länge 300 nm Tripelhelix Kollagene Fasern

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

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

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

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

10 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. Bei physiologischen Druckschwankungen müssen sie leicht dehnbar und elastisch sein um die Druckwellen dämpfen zu können; Sie dürfen nicht übergedehnt werden und reißen. z. B. Blutgefäßwände: Kollagen und Elastin in anderen Geweben: Haut, Bandscheibe, Knorpel

11 11 Zusammensetzung der Aderwände bei verschiedenen Adern

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

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

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

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

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

17 17 Volumenänderung der Aorta Erwartung: p p Messungen:

18 18 Kollagen p Elastin Erklärung der gemessenen Belastungsdiagrammes p

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

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

21 21 hexagonale Kristalle Im Knochen: nm lange, 6 nm dicke Kristallchen. (Ihre Gesamtfläche bei Menschen beträgt Ha!) Hydroxiapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2

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

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

24 24 Elastizität und Festigkeit von Knochen bei Dehnung z.B: E (GPa) B (MPa) max (%) Pferd25,51210,75 Rind251130,88 E (GPa) B (MPa) max (%) Beton16,52,10,01 Granit524,80,001 Knochen sind fester als Beton oder Granit!

25 25 Elastizität und Festigkeit von Knochen bei Stauchung z.B.: E (GPa) B (MPa) max (%) Pferd9,41452,4 Rind8,71471,7 B (MPa) Beton21 Granit145 Knochen sind fester als Beton oder Granit!

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

27 27 Vorteil der Röhrenstruktur R R 1 innere, R 2 äussere Radius volle Stange Röhre m und und l sind gleich V gleich A gleich

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

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

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

31 31 Elektrotherapie

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

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

34 34 Gleitende Filamente Molekularer Mechanismus der aktiven Kraftentwicklung Aktin Myosin

35 35 Aufbau von Muskeln

36 36 Sarkomer


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