TUGAS BIOMEKANIKA DAN BIOTRANSPORTASI FLUIDA DARAH (Aliran Darah Pada Kapiler, Sirkulasi Darah Dalam Tubuh, Pulsatile Flow Menurut Lee Waite ) Fauziyah Firdausi M. S (081017008) Dosen Pembimbing : Pak Ardi Supardi PRODI TEKNOBIOMEDIK FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS AIRLANGGA 2012
ALIRAN DARAH DALAM KAPILER
Mikrosirkulasi adalah aliran darah dalam sistem pembuluh kecil dari tubuh yang memiliki diameter 100 m atau kurang. Hampir semua sel dalam tubuh secara spasial dekat dengan pembuluh darah yang berukuran kecil. Ada puluhan ribu microvessels per gram jaringan dalam tubuh manusia. Ini termasuk arteriol, metarterioles, kapiler, dan venula. Mikrosirkulasi terlibat terutama dalam pertukaran air, gas, hormon, nutrisi, dan produkproduk sisa metabolisme antara darah dan sel. Fungsi dari mikrosirkulasi adalah pengaturan resistensi vaskular. Biasanya, semua microvessels selain kapiler terbatas oleh kontraksi sel otot polos. Lalu mengapa kapiler tidak demikian? Hal ini karena kapiler tidak memiliki selsel otot polos di dindingnya melainkan ada sebuah sphincter. Sphincters prekapiler dapat menutup beberapa kapiler, namun kapiler tidak dapat mengubah diameter mereka. KAPILER Komponen utama dinding kapiler adalah endothelium, yakni lapisan terdalam dari dinding sistem sirkulasi. Endothelium mempunyai sifat karakteristik mirip dengan fibroblast. Nukleusnya berbentuk memanjang, oval atau pipih, tapi tidak jelas dengan khromatin halus. Sel memanjang sesuai dengan poros kapiler dan mempunyai ujung yang meruncing. Kapiler dengan ukuran lebih besar mempunyai endothelium lebih pendek dan lebih lebar, kapiler yang terkecil hanya dilingkari oleh satu lapisan endothelium dan ukurannya sama dengan sel darah merah, sedangkan yang berukuran sedang dilapisi dua sampai tiga lapisan endothelium, gambaran ini jelas terlihat pada potongan melintang kapiler darah. Pengamatan dengan mikroskop elektron menunjukkan endothelium satu dengan yang lain tempatnya sangat berdekatan tanpa adanya substansi interseluler yang menjolok. Kapiler dibentuk dari jaringan ikat embrional, selanjutnya menembus parenkim organ dan jaringan. Dalam perjalanannya diikuti oleh sel jaringan ikat, serabut kolagen dan serabut elastis. Sedangkan membrana basalis yang membatasi endothelium terdiri atas glikoprotein. Sepanjang kapiler ditemukan makrofag, sel saraf serta beberapa sel masenkim yang belum mengalami defrensias, bahkan pada kapiler membrana niktitans mata katak ditemukan sel Ronget, sel ini akan berkontraksi jika distimuler dengan listrik,. Sel lain juga ditemukan tapi sel ini tidak mampu berkontraksi, biasanya disebut dengan nama sel Perisit. Struktur histologi dinding kapiler Kapiler Kontinyu (Continous Capillaries) Sel endothelium menebal pada bagian yang mengandung nukleus, tapi ujung-ujungnya sangat meruncing. Organela seperti golgi komplek sepasang sentriola dan RER mithokondria
tampak berdekatan dengan nukleus. Mitokondria dapat dilihat dengan posisi agak jauh dari nukleus. Disamping itu ditemukan filamen yang tebalnya 40-60 A, dan vesikula dengan diameter 600-700 A. Kapiler miokardium tikus, vesikula dapat mencapai 1/3 volume endothelium. Pada tempat perbatasan sel endothelium satu dengan yang lain atau pada kapiler yang kecil batas antara ujung kapilernya biasanya dipisahkan dengan jarak beberapa A. Beberapa tempat terlihat Tight function (Zonula occudentes) dan Desmosoma kadang ditemukan tetapi jarang. Batas endothelium dapat bergerigi, halus atau lurus. Ujung kapiler menyempit dan menjulang ke lumen kapiler. Kapiler kontinyu ditemukan pada otot polos, otot skelet, otot jantung dan beberapa jaringan lainnya. Kapiler Berjendela (Fenestrated cappillaries) Kapiler ini pada beberapa tempat di endothelium ditemukan daerah yang sangat tipis (500 A ), ditembus oleh porus berbentuk bulat dengan diameter 800-1000A. Pada porus terdapat diafragma yang tipis kurang lebih setebal satu membran sel tapi menebal dibagian sentralnya. Mempunyai struktur histologi yang sama dengan kapiler kontinyu. Kapiler jenis ini ditemukan pada glomeruli renis, glandula endokrin, villi intestinalis. Kapiler pada glomeruli renis tidak ber diafragma dan mempunyai membrana basalis tiga kali lebih tebal dibandingkan dengan membrana basalis kapiler yang lain. Sinusoid Merupakan pembuluh darah dengan bentuk kurang teratur, antara pembuluh sinusoid dengan parenkim organ terdapat lapisan jaringan ikat yang sangat halus. Keadaan ini berbeda dengan kapiler yang bercabang-cabang secara dikotom dari ujung vasa. Secara embriologik sinusoid tumbuh akibat pertumbuhan kedalam dari parenchim, masuk ke sinus darah yang ber dinding tipis.. Sinusoid merupakan sistem sirkulasi yang khusus terdapat pada hepar, limpa, medulla oseum rubrum dan beberapa glandula endokrin seperti: Glandula Adrenalis, Pituitaria. Selselnya sebagian besar bersifat phagositik Sinusoid diskontinyu seperti ditemukan pada hepar, hubungan antara endothelium satu dengan yang lain sama seperti pada kapiler yang lain, tapi pada beberapa tempat ditemukan adanya gap yang luas antar sel. Membrana basalis bersifat diskontinyu atau kadang-kadang sama sekali tidak ada. Sinusoid berjendela terdapat pada Glandula Pitutaria dan Korteks Adrenum, selnya tak bersifat fagositik, tak ada gam interselular lamina basalis kontinyu, tetapi pada
endotheliumnya ditemukan adanya forus dengan diafragma. Sinusoid kontinyu menunjukkan membrana basalis dan batas endothelium kapiler kontinyu. Histofiologi Pertukaran zat melalui dinding kapiler mekanismenya meliputi pertukaran zat atau substansi melalui dinding kapiler ke jaringan, pertukaran zat ini terjadi tanpa trnasformasi energi yang menjolok. Endothelium mempunyai membran yang bersifat permeabel terhadap air dan kristaloid tapi tidak permeabel terhadap molekul besar. Vesikula pada permukaan endothelium berperan dalam proses pinositosis, dan endothelium berperan aktif pada proses pertukaran substansi karena endothelium mampu mengambil cairan melalui vesikula dan membawanya melintasi sel serta melepaskannya keruang perivaskuler. Dengan enzim peroksidase dibuktikan, disamping melalui vesikula transport dapat berjalan melalui pori interseluler. Pada kapiler berjendela pertukaran substansi melalui fenestrae, meskipun fenestrae tertutup oleh diafragma. Pada kapiler glomeruli, dimana fenestrae tidak ditemukan maka cairan dapat keluar dari vasa, keadaan ini 100x lebih mudah dibandingkan pada kapiler kontinyu otot. Pada sinusoid diskontinyu seperti hati, ada halangan untuk partikel lebih kecil dari sel untuk keluar dari vasa dan komposisi cairan perivaskuler praktis sama dengan plasma. Pada kapiler terdapat spingter prakapiler mengatur aliran darah ke kapiler : a. Bila spingter prakapiler berelaksasi maka kapiler-kapiler yang bercabang dari pembuluh darah utama membuka dan darah mengalir ke kapiler. b. Bila spingter prakapiler berkontraksi, kapiler akan tertutup dan aliran darah yang melalui kapiler tersebut akan berkurang. \
Difusi di kapiler Lipid-larut seperti molekul O2 dan CO2 dengan mudah melewati lipid komponen molekul membran sel endotel. Cairan yang larut seperti glukosa menyebar melalui air yang dipenuhi jalur di kapiler dinding antara sel-sel endotel yang berdekatan. Jalur cairan yang penuh dikenal sebagai pori-pori. Pada manusia, sel-sel endotel yang berdekatan dijaga bersama-sama oleh persimpangan ketat, yang memiliki kesenjangan sesekali. Kapiler dari kabel otak dan tulang belakang memungkinkan hanya watersoluble terkecil molekul untuk melewati. Pori-pori ini sebagian diisi dengan submicron serat (fiber matriks) yang bertindak sebagai filter. Pori-pori rata - rata memungkinkan bagian 3 - untuk 6-nm molekul untuk masuk. Ukuran pori ini memungkinkan bagi bahan seperti air, ion anorganik, glukosa, dan asam amino. Pori-pori tidak termasuk bagian dari molekul besar seperti albumin serum dan globular protein. Sejumlah pori-pori besar ada dan dimungkinkan bahwa pori-pori yang lebih besar ini sebenarnya memiliki cacat pada dinding sel. Pori-pori yang besar memungkinkan hampir semua molekul besar untuk masuk. Karena ini pori-pori besar dan kebocoran memiliki keterkaitan yang cukup banyak karena hampir semua molekul albumin serum bocor keluar dari sistem kardiovaskular setiap hari. SUMBER : Waite, Lee.dkk. 2007. Applied BioFluid Mechanics. Mc Graw Hill. New York Diambil dari : http://ajarhistovet.blogspot.com/2009/03/v-histologi-sistema-kardiovaskuler.html. pada Selasa, 11 Desember 2012 pukul 09.26 Diambil dari : http://id.scribd.com/doc/37003939/pembuluh-kapiler-struktur-dan-fungsi pada Selasa, 11 Desember 2012 pukul 09.16 Diambil dari : http://soerya.surabaya.go.id/aup/edu.konten/edukasi.net/sma/biologi/sistem. Peredaran.Darah.Manusia/materi03.html pada Selasa, 11 Desember pukul 08.56 Diambil dari : http://irfanilatif.wordpress.com/2009/05/17/pembuluh-darah-kapiler/ pada Selasa, 11 Desember 2012 pukul 08.37 Diambil dari : http://juprimalino.blogspot.com/2012/02/pembuluh-darah-arteri-vena-dankapiler.html pada Selasa, 11 Desember 2012 pukul 08.13
SIRKULASI DARAH DALAM TUBUH
PENDAHULUAN Setiap makhluk hidup memerlukan oksigen dan zat makanan serta mengeluarkan zat sisa metabolisme. Berbagai proses metobolisme menghasilkan sampah (sisa) yang harus dikeluarkan oleh tubuh. Peredaran materi, baik berupa bahan-bahan yang diperlukan tubuh seperti oksigen maupun hasil metabolisme dan sisa-sisanya dilakukan oleh sistem peredaran atau sistem sirkulasi. Dimana darah mengalir keseluruh bagian (organ-organ) tubuh secara terus-menerus untuk menjamin suplai oksigen dan zat-zat nutrien lainnya agar organ-organ tubuh tetap dapat berfungsi dengan baik. Aliran darah keseluruh tubuh dapat berjalan berkat adanya pemompa utama yaitu jantung dan sistem pembuluh darah sebagai alat pengalir / distribusi. SISTEM SIRKULASI DARAH Aliran Darah Dalam Sistem Sirkulasi di Tubuh Manusia Pada orang dewasa, jumlah volume darah yang mengalir di dalam sistem sirkulasi mencapai 5-6 liter (4,7-5,7 liter). Darah terus berputar mengalir di dalam sistem sirkulasi sistemik dan paru-paru tanpa henti. Untuk menjelaskan alur aliran darah, kita dapat memulai dari system sirkulasi sistemik kemudian sistem Secara umum sistem sirkulasi darah dalam tubuh manusia dapat dibagi menjadi 2 : 1. Sistem sirkulasi umum (sistemik) : sirkulasi darah yang mengalir dari jantung kiri keseluruh tubuh dan kembali ke jantung kanan. Sistem sirkulasi sistemik dimulai ketika darah bersih (darah yang mengandung banyak oksigen yang berasal dari paru) dipompa keluar oleh jantung melalui bilik (ventrikel) kiri ke pembuluh darah Aorta lalu keseluruh bagian tubuh melalui arteri-arteri hingga mencapai pembuluh darah yang diameternya paling kecil yang dinamakan kapilaria. Kapilaria melakukan gerakan kontraksi dan relaksasi secara bergantian yang disebut dengan vasomotion sehingga darah didalamnya mengalir secara terputur-putus (intermittent). Vasomotion terjadi secara periodik dengan interval 15 detik- 3 menit sekali. Darah mengalir secara sangat lambat di dalam kapilaria dengan kecepatan rata-rata 0,7 mm/detik. Dengan aliran yang lambat, ini memungkinkan terjadinya pertukaran zat melalui dinding kapilaria. Pertukaran zat ini terjadi melalui proses difusi, pinositosis dan transpor vesikuler, serta filtrasi dan reabsorpsi. Ujung kapilaria yang membawa darah bersih dinamakan arteriole sedangkan ujung kapilaria yang membawa darah kotor dinamakan venule, terdapat hubungan antara arteriole dengan venule melalui 'capillary bed' yang berbentuk seperti anyaman, ada juga
hubungan langsung (bypass) dari arteriole ke venule melalui 'Arteria-Vena Anastomose (A-V Anastomosis).' (lihat gambar 2 di bawah). Darah dari arteriole mengalir kedalam venule kemudian melalui pembuluh darah balik (vena terbesar yang menuju jantung kanan yaitu Vena Cava Inferior dan Vena Cava Superior) kembali ke jantung kanan (serambi/atrium kanan). Darah dari atrium kanan memasuki ventrikel kanan melalui Katup Trikuspid (katup berdaun 3). Ringkasnya : Sistem Sirkulasi Sistemik : jantung (bilik / ventrikel kiri) Aorta Arteri Arteriole Capillary bed atau A-V Anastomose venule vena Vena Cava (Vena Cava Inferior dan Vena Cava Superior) Jantung (atrium/serambi kanan). 2. Sistem sirkulasi paru-paru (pulmonar) : sirkulasi darah yang mengalir dari jantung kanan ke paru-paru lalu kembali ke jantung kiri. Sistem sirkulasi paru dimulai ketika darah kotor (darah yang tidak mengandung Oksigen (O2) tetapi mengandung banyak CO2, yang berasal dari Vena Cava Inferior dan Vena Cava Superior) mengalir meninggalkan jantung kanan (Ventrikel/bilik kanan) melalui Arteri Pulmonalis menuju paru-paru (paru kanan dan kiri). Kecepatan aliran darah di dalam Arteri Pulmonalis sebesar 18 cm/detik, kecepatan ini lebih lambat daripada aliran darah di dalam Aorta. Di dalam paru kiri dan kanan, darah mengalir ke kapilaria paru-paru dimana terjadi pertukaran zat dan cairan melalui proses filtrasi dan reabsorbsi serta difusi. Di kapilaria paru-paru terjadi pertukaran gas O2 dan CO2 sehingga menghasilkan darah bersih (darah yang mengandung banyak Oksigen). Darah bersih selanjutnya keluar paru melalui Vena Pulmonalis (Vena Pulmonalis kanan dan kiri) memasuki jantung kiri (atrium/serambi kiri). Kecepatan aliran darah di dalam kapilaria paru-paru sangat lambat, setelah mencapai Vena Pulmonalis, kecepatan aliran darah bertambah kembali. Seperti halnya Aorta, Arteri Pulmonalis hingga kapilaria juga mengalami pulsasi (berdenyut). Selanjutnya darah mengalir dari dari atrium kiri melalui katup Mitral (katup berdaun 2) memasuki Ventrikel kiri lalu keluar jantung melalui Aorta, maka dimulailah sistem sirkulasi sistemik (umum), dan seterusnya secara berkesinambungan. Ringkasnya : Sistem Sirkulasi Paru-paru : Jantung (bilik/ventrikel kanan) Arteri Pulmonalis Paru Kapilaria paru Vena Pulmonalis jantung (atrium/serambi kiri).
Gambar 1. Penampang jantung manusia. Gambar 2. Hubungan arteriole dengan venule. SIFAT PEMBULUH DARAH Pembuluh darah dapat kita ibaratkan sebagai selang yang bersifat elastis, yaitu diameternya dapat membesar atau mengecil. Sifat elastis ini sangat bermanfaat untuk mempertahankan tekanan darah yang stabil. Pada keadaan normal, apabila tekanan di dalam pembuluh darah meningkat, maka diamater pembuluh darah akan melebar sebagai bentuk adaptasi untuk menurunkan tekanan yang berlebih agar menjadi normal. Sebaliknya diameter pembuluh darah akan mengecil bila tekanan darah turun. Bila pembuluh darah mengalami
kekakuan maka ia menjadi kurang fleksibel sehingga tidak dapat melakukan antisipasi terhadap kenaikan/penurunan tekanan darah. Elastisitas pembuluh darah tidak tetap, pembuluh darah akan menjadi kaku seiring bertambahnya usia (misal oleh karena terjadi pengapuran pada dindingnya) oleh karena itu tekanan darah pada orang lanjut usia cenderung sedikit lebih tinggi dari pada orang muda. Penyebab lain dari kekakuan pembuluh darah adalah karena adanya tumpukan kolesterol pada dinding bagian dalam pembuluh darah. Kolesterol juga menyebabkan penyempitan diameter pembuluh darah. Pembuluh darah yang kaku akan menyebabkan hipertensi (penyakit darah tinggi), walau sebenarnya tidak semua penyakit darah tinggi disebabkan karena kekakuan pembuluh darah. Apabila dinding pembuluh darah menjadi kaku disertai penyempitan pada sebagian besar pembuluh darah, maka tekanan darah dapat menjadi sangat tinggi (hipertensi berat). Untuk menjaga agar elastisitas pembuluh darah tetap baik sehingga kita tidak mudah terkena penyakit tekanan darah tinggi, salah satu cara terbaik adalah dengan berolahraga (exercise) secara teratur dan sewajarnya. Dengan melakukan olahraga secara teratur, akan melatih jantung dan pembuluh darah tetap terjaga kelenturannya. SIFAT DARAH Darah merupakan cairan yang terdiri dari plasma (cairan bening) dan sel-sel darah (yang terdiri dari sel darah merah, sel darah putih dan sel pembeku darah). Adanya sel-sel darah menyebabkan adanya semacam pergeseran intern (internal friction) diantara lapisan yang berdampingan sehingga menyebabkan adanya sifat viskositas darah. Viskositas darah normal = 3-4 kali viskositas air. Viskositas plasma darah = 1,5-2 kali viskositas air. Faktor-faktor yang mempengaruhi viskositas darah Viskositas darah memegang peranan penting dalam aliran darah. Faktor-faktor yang mempengaruhi viskositas darah antara lain: a) Volume hematokrit (volume sel darah merah): volume hematokrit yang meningkat akan diikuti viskositas darah yang meningkat. b) Kadar protein plasma: bila kadarnya naik maka viskositas naik dan sebaliknya. c) Suhu tubuh: bila suhu tubuh naik, viskositas turun. d) Kecepatan aliran darah: bila kecepatan aliran darah turun maka viskositas naik.
e) Diameter pembuluh darah: bila diameter pembuluh darah kurang dari 1,5 mm, maka viskositas darah turun. Hal ini dikenal sebagai Fahreus-Lindquist effect. Di dalam pembuluh darah kecil dimana darah mengalir lambat, maka d) dan e) bekerja saling berlawanan. ALIRAN DARAH Agar darah dapat mengalir dan mencapai seluruh bagian tubuh, maka diperlukan adanya tekanan darah minimum yang disebut juga critical clossing pressureyield pressure. Tekanan minimal ini diperlukan untuk membuka rongga pembuluh darah kecil (kapiler) yaitu sebesar 20 mm Air Raksa.(Hg). Kecepatan aliran darah yang tercepat pada Aorta (pembuluh darah tempat keluarnya darah dari jantung), makin jauh makin rendah kecepatannya. Jumlah total darah yang dipompa keluar jantung kira-kira 5,5 liter darah per menit. PENGGOLONGAN PEMBULUH DARAH Berdasarkan ukuran dan fungsinya, pembuluh darah dapat digolongkan sebagai berikut: Windkessel vessels (compression chamber): pembuluh darah yang sangat besar, misal: aorta dan arteri besar lainnya. Pembuluh ini sangat elastis dan menyimpan energi potensial yang dirubah menjadi energi kenetik. Resistance vessels: diameter agak kecil, memiliki sistem pengaturan yang sangat efisien dan diatur pula oleh sistem syaraf otonom. Exchange vessels: pembuluh darah kapiler (kapilaria). Pembuluh terkecil, dindingnya terdiri dari 1 lapisan sel. Disini terjadi pertukaran air dan zat-zat di dalamnya antara darah dengan cairan tubuh lainnya (cairan interstitiil). Capacity vessels: pembuluh-pembuluh darah balik (vena dan venuli), dapat menampung darah dalam jumlah banyak. Shunt vessels: aliran darah yang tidak melalui pembuluh kapiler akan melewati shunt ini, tidak turut dalam pertukaran cairan dan zat-zat., diatur oleh sistem syaraf otonom dan hanya terdapat di beberapa tempat, misal: kulit. Gunanya agar darah lebih mudah mengeluarkan panas keluar tubuh/permukaan. TEKANAN DARAH Jantung memompa darah secara terputus-putus (intermittent) kedalam pembuluh darah terbesar (aorta), selanjutnya kedalam arteri, dst sehingga tekanan darah di dalamnya bergantiganti naik turun. Aorta dan arteri merupakan pembuluh darah yang elastis sehingga tekanan
yang mendadak naik dapat turun secara berangsur-angsur dan disebarkan keseluruh tubuh. Oleh karena itu aorta dan arteri besar dinamakan Windkessel vessels (compression chamber). Jenis tekanan darah dapat dibedakan sbb : Tekanan sistole: tekanan darah tertinggi selama 1 siklus jantung, merupakan tekanan yang dialami pembuluh darah saat jantung berdenyut/memompakan darah keluar jantung. Pada orang dewasa normal tekanan sistole berkisar 120 mm Hg Tekanan diastole: tekanan darah terendah selama 1 siklus jantung, suatu tekanan di dalam pembuluh darah saat jantung beristirahat. Pada orang dewasa tekanan diastole berkisar 80 mm Hg Tekanan nadi: selisih antara tekanan sistole dan diastole. Pengukuran tekanan darah Tekanan darah dapat diukur dengan 2 cara : Pengukuran secara langsung (direct): dengan memasukkan sebuah kanula kedalam arteri dan menghubungkannya dengan manometer Air Raksa. Pengukuran secara tidak langsung (indirect): mengukur tekanan darah secara auskultasi memakai stetoskop, manset tekanan, pompa karet, dan manometer air raksa. REFERENSI : Fakultas Kedokteran Universitas Kristen Indonesia, Sistem Sirkulasi, Diktat Kuliah, 1981. Diambil dari http://www.completerider.com/futireartices/laminitis%20-%20page%202.htm, di akses 7 Desember 2012 pukul 21.18 http://www.nhlbi.nih.gov/health/dci/diseases/hhw/hhw_anatomy.html, diakses 7 Desember 2012 pukul 20.07
ALIRAN PULSATILE MENURUT LEE WAITE Persamaan Navier - Stokes
Sehingga : Maka : Dimana : Hasil akhirnya : Pulsatile Flow in Rigid Tubes Womersley Solution
Buku Applied BioFluid Mechanics By Lee Waite halaman : 203
Sehingga :
Dan ketika : Hasilnya: Masukkan ke rumus awal : RUMUS AKHIRNYA :