Stabilizing to disruptive transition of focal adhesion response to mechanical forces

Strong mechanical forces can, obviously, disrupt cell-cell and cell-matrix adhesions, e.g., cyclic uniaxial stretch induces instability of cell adhesion, which then causes the reorientation of cells away from the stretching direction. However, recent experiments also demonstrated the existence of force dependent adhesion growth (rather than dissociation). To provide a quantitative explanation for the two seemingly contradictory phenomena, a microscopic model that includes both integrin-integrin interaction and integrin-ligand interaction is developed at molecular level by treating the focal adhesion as an adhesion cluster. The integrin clustering dynamics and integrin-ligand binding dynamics are then simulated within one unified theoretical frame with Monte Carlo simulation. We find that the focal adhesion will grow when the traction force is higher than a relative small threshold value, and the growth is dominated by the reduction of local chemical potential energy by the traction force. In contrast, the focal adhesion will rupture when the traction force exceeds a second threshold value, and the rupture is dominated by the breaking of integrin-ligand bonds. Consistent with the experiments, these results suggest a force map for various responses of cell adhesion to different scales of mechanical force. PMID: 20542514

细胞-分子生物力学研究进展

摘要细胞-分子生物力学作为生物力学的重要分支,近三十年来在力学-生物学、力学-化学耦合等方面取得了重大进展,已成为生物力学乃至生物医学工程领域最活跃的领域,并对生物学、医学乃至农业产生了重要影响.本文介绍了细胞-分子生物力学研究领域的基本概念、科学问题和研究方法 ,并讨论了尚待解决的问题.

Fluid-structure Interactions of Inverted Leaves and Flags

Interactions between fluid flows and elastic bodies are ubiquitous in nature. One such phenomena that is encountered on a daily basis is the flapping and fluttering of leaves in the wind. The fluid-structure interaction that governs the physics of a leaf in the wind is poorly understood at best and has potential applications in biomechanics, vehicle design, and energy conversion. We build upon previous work on the flapping dynamics of inverted flags, which are cantilevered elastic sheets with free leading edge and fixed trailing edge that display unique large amplitude oscillatory behaviors. We model a leaf in the laboratory using modified inverted flags, experimentally probing the governing parameters behind leaf fluttering as well as shedding light on the physics behind the inverted flag phenomena. The behavior of these "inverted leaves" studied here display sensitive dependence on two biomechanically relevant parameters, stem-to-leaf rigidity and stem-to-leaf length. In addition, leaves on a tree are not often found alone. We seek to understand the complex interactions of multiple fluttering and flapping leaves by way of examining the interactions between pairs of inverted flags. Coupling through their flow fields, pairs of inverted flags exhibit striking emergent phenomena. We report these observed dynamical behaviors and the conditions upon which they arise.

Identificação do padrão biomecânico de condutas motoras em escolares: o caso da marcha

A constituição de uma base de dados normativa da marcha é essencial para o diagnóstico e o tratamento de padrões atípicos da locomoção (SUTHERLAND et al., 1997). Não obstante, são escassas as informações relativas aos padrões normais da marcha de crianças (GANLEY e POWERS, 2005), carência ainda mais evidente no tocante à produção acadêmica sobre o padrão biomecânico da locomoção da população de crianças brasileiras. Nesse sentido, especialistas em análise de marcha alertam para o fato que crianças de diferentes populações podem exibir diferentes padrões de marcha de acordo com os grupos étnicos das quais foram extraídas (MORENO-HERNÁNDEZ et al., 2010). Assim sendo, o objetivo do presente estudo foi descrever o padrão biomecânico da marcha de crianças hígidas brasileiras entre 6 e 11 anos de idade. Cento e vinte e duas crianças hígidas, entre seis e 11 anos de idade foram aleatoriamente recrutadas de um universo de 328 alunos. Os sujeitos foram alocados em três grupos etários: Grupo 1 (6-7 anos), Grupo 2 (8-9 anos) e Grupo 3 (10-11 anos). Para o registro das imagens das marchas das crianças foi utilizado um sistema de captura bidimensional de movimento a uma freqüência de aquisição de 30 Hz, composto por uma câmera Sony modelo HC 46 posicionada ortogonalmente a 6 metros da pista. Marcadores esféricos reflexivos de 20mm de diâmetro foram fixados em ambos os lados do corpo dos participantes. Os valores em bruto das coordenadas dos marcadores foram transformadas em coordenadas globais 2D (CALDWELL et al., 2004) e processadas no software SkillSpector (Versão 1.0). A estratégia de Hof (1996) foi utilizada para a normalização dos dados da marcha. Os comprimentos de passo e passada apresentaram uma tendência de aumento com o avanço da idade até 8-9 anos de idade, ao passo que a cadência dos passos apresentou uma tendência de diminuição até o mesmo período. Os números não-dimensionais não apresentaram qualquer tendência de alteração com o avanço da idade. Os três grupos etários apresentaram trajetórias angulares articulares semelhantes. O presente estudo constitui ação pioneira no que tange à descrição do padrão cinemático da marcha de crianças hígidas brasileiras entre 6 e 11 anos de idade. Assim sendo, consideramos que um primeiro passo foi dado no sentido da constituição de uma base de dados normativa da locomoção desses indivíduos.

Spinal circuits can accommodate interaction torques during multijoint limb movements

The dynamic interaction of limb segments during movements that involve multiple joints creates torques in one joint due to motion about another. Evidence shows that such interaction torques are taken into account during the planning or control of movement in humans. Two alternative hypotheses could explain the compensation of these dynamic torques. One involves the use of internal models to centrally compute predicted interaction torques and their explicit compensation through anticipatory adjustment of descending motor commands. The alternative, based on the equilibrium-point hypothesis, claims that descending signals can be simple and related to the desired movement kinematics only, while spinal feedback mechanisms are responsible for the appropriate creation and coordination of dynamic muscle forces. Partial supporting evidence exists in each case. However, until now no model has explicitly shown, in the case of the second hypothesis, whether peripheral feedback is really sufficient on its own for coordinating the motion of several joints while at the same time accommodating intersegmental interaction torques. Here we propose a minimal computational model to examine this question. Using a biomechanics simulation of a two-joint arm controlled by spinal neural circuitry, we show for the first time that it is indeed possible for the neuromusculoskeletal system to transform simple descending control signals into muscle activation patterns that accommodate interaction forces depending on their direction and magnitude. This is achieved without the aid of any central predictive signal. Even though the model makes various simplifications and abstractions compared to the complexities involved in the control of human arm movements, the finding lends plausibility to the hypothesis that some multijoint movements can in principle be controlled even in the absence of internal models of intersegmental dynamics or learned compensatory motor signals.

Efeitos do uso de antiinflamatório e do exercício aeróbico sobre a regeneração tecidual e perfil biomecânico do tendão calcâneo de ratos após ruptura completa

Ruptura do tendão calcâneo é uma das lesões tendíneas mais frequentes. Embora a maioria dos trabalhos sugira que o exercício seja benéfico na cicatrização tendínea, não há consenso sobre o efeito do antiinflamatório neste contexto. Trabalhos experimentais tentam reproduzir lesão aguda deste tendão, em diferentes espécies animais. Neste estudo, descrevemos uma técnica de tenotomia completa do tendão calcâneo direito em ratos e, em seguida, avaliamos os efeitos do uso do antiinflamatório e do exercício aeróbico, isoladamente e em combinação, sobre a proliferação celular e o perfil biomecânico do tendão calcâneo, durante o processo de cicatrização após tenotomia. Estudo experimental com 156 ratos machos adultos, da raça Wistar, com idade média de 3 meses e peso médio de 300g. Após anestesia com tiopental e com auxílio da microscopia de luz, foi realizada incisão longitudinal posterior de cinco milímetros, em direção proximal, a partir da tuberosidade posterior do calcâneo da pata direita do rato. Foi feito corte transversal do tendão calcâneo, a sete milímetros da tuberosidade do calcâneo, com preservação do tendão plantar. Utilizamos as técnicas de Hematoxilina e Eosina, Picrosirius-red e Resorcina-fucsina de Weigert para avaliação da cicatrização tendínea e das fibras dos sistemas colágeno e elástico. Após a tenotomia, metade dos animais receberam tenoxicam intramuscular por 7 dias e no 8o dia iniciou-se protocolo de exercício em esteira na metade de cada grupo. Os ratos foram divididos aleatoriamente em 4 grupos de tratamento: A sem antiinflamatório E sem exercício (controle); B com antiinflamatório E com exercício; C sem antiinflamatório E com exercício; D com antiinflamatório E sem exercício. Os animais foram eutanasiados com 1, 2, 4 e 8 semanas após a tenotomia, para avaliação histológica pelo PCNA, e biomecânica através do teste de resistência à tração e da medida do ciclo locomotor. Foram realizados análise de variância, teste de Kruskal-Wallis e o método de Bonferroni, no programa R Project, versão 2.11.1. O tempo cirúrgico médio foi de 1 minuto e 24 segundos, sem complicações observadas até a 8a semana pós-operatória. Observamos proliferação celular e fibrilogênese com duas semanas, e diminuição da celularidade e das fibras elásticas na 8a semana, além de mudanças na organização estrutural do sistema colágeno. Encontramos pico da imunomarcação com PCNA na 2a semana em todos os grupos, exceto no grupo A, cujo pico aconteceu com 1 semana da tenotomia. Evidenciamos resistência à tração significativamente maior (p=0,02) nos ratos submetidos ao exercício, 8 semanas após ruptura. Nos grupos com antiinflamatório, observamos um ciclo locomotor mais estável durante todo o tempo avaliado. Consideramos a técnica cirúrgica experimental de tenotomia completa do tendão calcâneo, realizada com auxílio da microscopia de luz e preservação do tendão plantar, simples, rápida, com sinais de cicatrização tendínea normal e de fácil reprodução em ratos. O exercício aeróbico, iniciado precocemente após tenotomia completa do tendão calcâneo, é significativamente benéfico na sua recuperação biomecânica e o uso combinado com antiinflamatório confere maior estabilidade na marcha, o que pode proteger contra rerruptura tendínea em ratos

Analysis of the Response Speed of Musculature of the Knee in Professional Male and Female Volleyball Players

The aim of this study was to evaluate the normalized response speed (Vrn) of the knee musculature (flexor and extensor) in high competitive level volleyball players using tensiomyography (TMG) and to analyze the muscular response of the vastus medialis (VM), rectus femoris (RF), vastus lateralis (VL), and biceps femoris (BF) in accordance with the specific position they play in their teams. One hundred and sixty-six players (83 women and 83 men) were evaluated. They belonged to eight teams in the Spanish women's superleague and eight in the Spanish men's superleague. The use of Vrn allows avoiding possible sample imbalances due to anatomical and functional differences and demands. We found differences between Vrn in each of the muscles responsible for extension (VM, RF, and VL) and flexion (BF) regardless of the sex. Normalized response speed differences seem to be larger in setters, liberos and outside players compared to middle blockers and larger in males when compared to females. These results of Vrn might respond to the differences in the physical and technical demands of each specific position, showing an improved balance response of the knee extensor and flexor musculature in male professional volleyball players.

Comparação de parâmetros biomecânicos entre sistemas de captura de movimentos: avaliação do Microsoft Kinect

O objetivo do presente trabalho foi avaliar comparativamente parâmetros biomecânicos (tanto antropométricos, quanto cinemáticos) de dados obtidos a partir do console Microsoft Kinect (2010). A avaliação destes parâmetros foi realizada para validar seu uso para obter informações complementares à Análise Ergonomica do Trabalho (AET) e em outras pesquisas, cujos objetivos envolvem o diagnóstico de uso de produtos ou ambientes de trabalho a partir da análises posturais e interações da população que o utiliza. A pesquisa com este console em particular é justificada uma vez que seu lançamento modificou o cenário da biomecânica, já que se trata de um equipamento acessível e portátil. Porém, sua precisão em relação à outros equipamentos ainda está em aberto, sendo inclusive, objeto de estudo de muitas pesquisas em andamento. Os dados obtidos por meio de sistemas de captura de movimentos tridimensionais permitem a avaliação de produtos, atividades e análises de interações homem-objeto. No campo do Design, é uma importante realização, uma vez que permite que profissionais tenham acesso à ferramenta que, anteriormente, era limitada à nichos especializados. O console foi comparado com o sistema de captura de movimentos inercial MVN Biomech (XSENS TECHNOLOGIES) e com o tradicional registro por meio de vídeo. Para obter dados do console Kinect, um software disponível no mercado foi selecionado a partir de critérios predefinidos para obter dados cinemáticos do console. Dois experimentos laboratoriais foram realizados: o primeiro, teve como objetivo obter dados operacionais dos equipamentos e suas limitações de uso; e o segundo foi realizado de forma a obter dados biomecânicos e compará-los a partir de três parâmetros estáticos e um dinâmico. Os parâmetros estáticos envolveram ângulos articulares e segmentares em posturas selecionadas e dimensões segmentares, onde a proposta foi avaliar dados antropométricos e as características do modelo biomecânico referente à manter os corpos rígidos durante a movimentação. O parâmetro dinâmico foi realizado de forma a obter dados de deslocamento global das articulações em movimentações selecionadas. Para possibilitar esta análise, uma plataforma digital foi desenvolvida, constituindo um campo neutro para o tratamento dos dados. A plataforma mantém os dados originais dos sistemas, permitindo a distinção entre os modelos biomecânicos e a retirada de dados que possam ser comparados. Os experimentos realizados permitiram avaliar a usabilidade do console, fornecendo diretrizes para seu uso. Para avaliar a utilização do console em ambientes reais de trabalho, foram realizados registros preliminares em laboratórios químicos, os quais se mostraram viáveis se as limitações, semelhantes às de sistemas baseados em tecnologia ótica, sejam consideradas. Futuras análises devem ser conduzidas para validar estatisticamente os resultados obtidos. Porém, considerando o objetivo do trabalho, pode-se concluir que o sistema avaliado é uma alternativa confiável no contexto proposto.

Thermally-induced change in the relaxation behavior of skin tissue.

Skin biothermomechanics is highly interdisciplinary, involving bioheat transfer, burn damage, biomechanics, and physiology. Characterization of the thermomechanical behavior of skin tissue is of great importance and can contribute to a variety of medical applications. However, few quantitative studies have been conducted on the thermally-dependent mechanical properties of skin tissue. The aim of the present study is to experimentally examine the thermally-induced change in the relaxation behavior of skin tissue in both hyperthermal and hypothermic ranges. The results show that temperature has great influence on the stress-relaxation behavior of skin tissue under both hyperthermal and hypothermic temperatures; the quantitative relationship that has been found between temperature and the viscoelastic parameter (the elastic fraction or fractional energy dissipation) was temperature dependent, with greatest dissipation at high temperature levels.