Строение кости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Строение кости

Кость имеет сложные строение и химический состав. В живом организме кость содержит 50% воды, 28,15% органических веществ, в том числе 15,75% жира, и 21,85% неорганических веществ, представленных соединениями кальция, фосфора, магния и других элементов. Обезжиренная, отбеленная и высушенная кость (мацерированная) на 1/3 состоит из органических веществ, получивших название <оссеин>, и на Уз из неорганических веществ.

Прочность кости (механические свойства) обеспечивается физико-химическим единством органических и неорганических веществ, а также конструкцией костной ткани. По прочности кость сравнивают с некоторыми металлами (медь, железо). Преобладание в кости органических веществ (у детей) обеспечивает ей большую упругость, эластичность. При изменении соотношения в сторону преобладания неорганических веществ кость становится ломкой, хрупкой (у стариков).

Наружный слой кости представлен толстой (в диафизах трубчатых костей) или тонкой (в эпифизах трубчатых костей, в губчатых и плоских костях) пластинкой компактного вещества. Под компактным веществом располагается губчатое (трабекулярное) вещество, пористое, построенное из костных балок с ячейками между ними, по виду напоминающие губку. Рисунок строения кости хорошо виден на срезах (шлифах) костей. Внутри диафиза трубчатых костей находится костномозговая полость, содержащая костный мозг. Компактное вещество построено из -2 пластинчатой костной ткани и пронизано системой тонких питательных канальцев, одни из которых ориентированы параллельно поверхности кости, а в трубчатых костях - вдоль длинного их размера (центральный, или гаверсов, канал), другие, прободающие (каналы Фолькмана), - перпендикулярно поверхности. Эти костные канальцы служат продолжением более крупных питательных каналов, открывающихся на поверхности кости в виде отверстий, один-два из которых бывают довольно крупными. Через питательные отверстия в кость, в систему ее костных канальцев проникают артерия, нерв и выходит вена.

Стенками центральных каналов служат концентрически расположенные костные пластинки в виде тонких трубочек, вставленных одна в другую. Центральный канал с системой концентрических пластинок является структурной единицей кости и получил название остеона, или гаверсовой системы, Пространства между остеонами выполнены вставочными (промежуточными, интерстициальными) пластинками. Наружный слой компактного вещества кости образован наружными окружающими пластинками. Внутренний слой кости, ограничивающий костномозговую полость и покрытый эндостом, представлен внутренними окружающими пластинками. Остеоны и вставочные пластинки образуют компактное корковое вещество кости.

кость механический ремоделирование

1) Скелет человека (вид спереди): 1 -- череп; 2 -- грудина; 3 -- ключица; 4 -- ребра; 5 -- плечевая кость; 6 -- локтевая кость; 7 -- лучевая кость; 8 -- кости кисти; 9 -- тазовая кость; 10 -- бедренная кость; 11 -- надколенник; 12 -- малоберцовая кость; 13 -- большеберцовая кость; 14 -- кости стопы

1) Скелет человека (вид сзади): 1 -- теменная кость; 2 -- затылочная кость; 3 -- лопатка; 4 -- плечевая кость; 5 -- ребра; 6 -- позвонки; 7 -- кости предплечья; 8 -- кости запястья; 9 -- кости пясти; 10 - фаланги пальцев; 11 -- бедренная кость; 12 -- большеберцовая кость; 13 -- малоберцовая кость; 14 -- кости предплюсны; 15 - кости плюсны; 16 -- фаланги пальцев

Кроме суставных поверхностей, покрытых хрящом, снаружи кость покрыта надкостницей, periosteum. Надкостница - тонкая прочная соединительнотканная пластинка, которая богата кровеносными и лимфатическими сосудами, нервами. В ней можно выделить два слоя. Наружный слой надкостницы волокнистый, внутренний - ростковый, камбиальный (остеогенный, костеобразующий), прилежит непосредственно к костной ткани. За счет внутреннего слоя надкостницы образуются молодые костные клетки (остеобласты), откладывающиеся на поверхности кости.

Таким образом, вследствие костеобразующих свойств надкостницы кость растет в толщину. С костью надкостница прочно сращена при помощи прободающих волокон, уходящих в глубь кости.

Внутри кости, в костномозговой полости и ячейках губчатого вещества, находится костный мозг. Во внутриутробном периоде и у новорожденных во всех костях содержится красный костный мозг, выполняющий кроветворную и защитную функции. Он представлен сетью ретикулярных волокон и клеток. В петлях этой сети находятся молодые и зрелые клетки крови и лимфоидные элементы. В костном мозге разветвляются нервные волокна и сосуды. У взрослого человека красный костный мозг содержится только в ячейках губчатого вещества плоских костей (кости черепа, грудина, крылья подвздошных костей), в губчатых (коротких) костях, эпифизах трубчатых костей.

В костномозговой полости диафизов трубчатых костей находится желтый костный мозг, представляющий собой перерожденную ретикулярную строму с жировыми включениями. Масса костного мозга составляет 4-5 % от массы тела, причем половина - это красный костный мозг, другая - желтый.

Компактное костное вещество, состоящее из концентрически расположенных костных пластинок, хорошо развито в костях, выполняющих функцию опоры и роль рычагов (трубчатые кости). Кости, имеющие значительный объем и испытывающие нагрузку по многим направлениям, состоят преимущественно из губчатого вещества. Снаружи они имеют лишь тонкую пластинку компактного костного вещества [эпифизы трубчатых костей, короткие (губчатые) кости].

Губчатое вещество, расположенное между двумя пластинками компактного вещества в костях свода черепа, получило название промежуточного - диплоэ, diploe. Наружная пластинка компактного вещества у костей свода черепа довольно толстая, прочная, а внутренняя - тонкая, при ударе легко ломается, образуя острые обломки, поэтому ее называют стеклянной пластинкой. Костные перекладины (балки) губчатого вещества расположены не беспорядочно, а в определенных направлениях, по которым кость испытывает нагрузки в виде сжатия и растяжения.

Линии, соответствующие ориентации костных балок и получившие название кривых сжатия и растяжения, могут быть общими для нескольких смежных костей. Такое расположение костных балок под углом друг к другу обеспечивает равномерную передачу на кость давления или тяги мышц. Трубчатое и арочное строение кости обусловливает максимальную прочность при наибольшей легкости и наименьшей затрате костного материала. Строение каждой кости соответствует ее месту в организме и назначению, направлению силы тяги действующих на нее мышц. Чем больше нагружена кость, чем больше деятельность окружающих ее мышц, тем кость прочнее. При уменьшении силы действующих на кость мышц кость становится тоньше, слабее.

Кость отличается очень большой пластичностью. При изменяющихся условиях действия на кость различных сил происходит перестройка кости: увеличивается или уменьшается число остеонов, изменяется их расположение. Таким образом, тренировки, спортивные упражнения, физическая нагрузка оказывают на кость формообразующее воздействие, укрепляют кости скелета.

При постоянной физической нагрузке на кость развивается ее рабочая гипертрофия: компактное вещество утолщается, костномозговая полость суживается. Сидячий образ жизни, длительный постельный режим во время болезни, когда действие мышц на скелет заметно уменьшается, приводят к истончению кости, ослаблению ее. Перестраивается и компактное, и губчатое вещество, которое приобретает крупноячеистое строение. Отмечены особенности строения костей в соответствии с профессиональной принадлежностью. Тяга сухожилий, прикрепляющихся к костям в определенных местах, ведет к образованию выступов, бугров. Прикрепление мышцы к кости без сухожилия, когда мышечные пучки непосредственно вплетаются в надкостницу, образует на кости плоскую поверхность или даже ямку.

Влияние действия мышц обусловливает характерный для каждой кости рельеф ее поверхности и соответствующее внутреннее строение.

Перестройка костной ткани возможна благодаря одновременному протеканию двух процессов: разрушению старой, ранее образовавшейся костной ткани (резорбция) и образованию новых костных клеток и межклеточного вещества. Кость разрушают особые крупные многоядерные клетки - остеокласты (костеразрушители). На месте разрушающейся кости формируются новые остеоны, новые костные балки. В результате одновременно протекающих процессов - резорбции и костеобразования - изменяются внутреннее строение, форма, величина кости. Таким образом, не только биологическое начало (наследственность), но и условия внешней среды, социальные факторы влияют на конструкцию кости. Кость меняется в соответствии с изменением степени физической нагрузки; на строение костей влияют характер выполняемой работы и т. д.

Механические свойства кости

Как показывают измерения, прочность бедренной кости человека составляет 132 МПа при действии растягивающей силы вдоль длины кости (продольная) и всего 58 МПа при действии этой силы перпендикулярно кости. Точно так же прочность на сжатие бедренной кости составляет 187 и 132 МПа соответственно при продольном и перпендикуляром действии сил. Абсолютная прочность кости колеблется в зависимости от величины стресса и деформации.

Используя технические понятия, можно сказать, что кость имеет запас прочности 2-5, т. е. прочность костей в 2-5 раз превышает силы, воздействующие на них в повседневной деятельности. С позиций рассмотрения кости как структуры эти наблюдения подчеркивают, что функция оказывает основное воздействие на клеточную организацию и, следовательно, механические свойства кости. Поскольку изменяется структура зависимости стресс-растяжение, изменяются и механические свойства, и клеточная организация кости.

Закон Вольфа характеризует эту взаимосвязь следующим образом: "Каждое изменение... функции кости, вызывает определенные изменения... внутренней "архитектуры" и внешних параметров в соответствии с математическими законами". В некоторых исследованиях на основании этого закона предпринимались попытки установить соответствующие параметры, которые позволили бы описать структуру и геометрию кости.

В других исследованиях внимание акцентировалось на процессах адаптации кости к условиям внешней среды, т.е. кость рассматривали как систему. Процессы, которым подвергается кость, включают развитие, укрепление и резорбцию. Они имеют собирательное название - ремоделирование, или реконструкция.

Полный цикл ремоделирование (замены всех структур) костей конечности взрослого человека составляет около 10-20 лет. Ремоделирование представляет собой равновесие между абсорбцией кости (остеокластами) и ее образованием (остеобластами). Оно постоянно изменяется и зависит от таких факторов, как физическая активность, возраст и заболевания. В научной литературе имеется сообщения о ремоделирование кости при изменении (увеличение или уменьшение) уровня физической активности.

Так, наблюдали более значительные отложения макроэлементов и повышенную плотность большеберцовой кости у спортсменов, чем у контрольных испытуемых обнаружили, что содержание макроэлементов в костях бегунов по пересеченной местности (стаж выступлений 25 лет) было на 20 % выше в аппендикулярных участках (дистальный отдел лучевой кости, локтевая кость, пяточная кость) и менее чем на 10% выше в аксиальных участках (поясничный позвонок и головка бедренной кости), чем у контрольных испытуемых.

Даже у тяжелоатлетов (опыт выступлений 6 лет) наблюдали повышенное содержание макроэлементов в основных опорных участках (поясничный отдел позвоночного столба, вертел, шейка бедренной кости) по сравнению с остальными участками тела (средняя часть лучевой кости).

Содержание макроэлементов в костях может увеличиться уже после 6 недель физических тренировок. С другой стороны, главная проблема, с которой сталкиваются астронавты во время продолжительного пребывания в космосе, - потеря костной ткани. Условия микроневесомости приводят к деминерализации костей, чрезмерной потере солей скелетом.

В результате этого кости становятся менее прочными и во время значительной физической нагрузки (например, во время выполнения работ вне космического корабля) могут ломаться. Кроме того, при возвращении на Землю затрудняется процесс восстановления костей. Вследствие этого НАСА проявляет большой интерес к разработке программ физических нагрузок, которые позволили бы свести к минимуму потери костной ткани у астронавтов.

Как показывают результаты исследований, процесс ремоделирование костей более эффективно происходит при периодическом, а не постоянном воздействии физических нагрузок. Кроме того, величины суставных сил в большей степени влияют на костную массу, чем количество циклов нагрузки. Большинству из нас, естественно, не грозит потеря костной ткани вследствие пребывания в условиях невесомости, однако масса и прочность костей с возрастом снижаются.

Этот процесс называется остеопорозом, который характеризуется увеличением пористости костей, приводящей к снижению их плотности и прочности и, следовательно, повышению вероятности переломов. Попытки определить механизмы, контролирующие ремоделирование, включали изучение электрических свойств кости.

Очевидно, если стресс достаточен, чтобы вызвать скольжение коллагеновых волокон кости друг относительно друга, в кости создаются электрические потенциалы. Образование электрических потенциалов вследствие давления получило название пьезоэлектрического эффекта кости. Предпринимались попытки установить взаимосвязь между механической нагрузкой на кость и связанными с ней электрическими эффектами.

В частности, было продемонстрировано, что слабые электрические токи могут вызвать образование костной мозоли. Одним из практических последствий этого открытия явилось использование электрической и магнитной стимуляции для ускорения лечения переломов, особенно плохо срастающихся. Некоторые ученые применяли электростимуляцию кости даже с целью отсрочить начало развития остеопороза.

Хотя на связки действуют главным образом растягивающие силы, их главная функция - стабилизация сустава, поэтому они устроены так, чтобы обеспечивать много направленную стабильность сустава, и приспособлены к действию растягивающих, сжимающих и смещающих усилий. Сухожилия и связки представляют собой плотную соединительную ткань, содержащую коллаген, эластин, протеогликаны, воду и клетки (фибробласты). Протеиновые коллаген и эластин синтезируются и выделяются фибробластами.

Приблизительно 70-80% сырой массы сухожилия и связки составляет коллаген типа I - волокнистый белок, характеризующийся значительной механической устойчивостью. Коллагеновая фибрилла - основная несущая нагрузку единица как сухожилия, так и связки. Структура фибриллы от альфа цепочек тройной спирали до скопления молекул коллагена в микро фибрилле одинаковая у сухожилия и связки.

Главное различие между этими двумя соединительными элементами состоит в расположении фибрилл. В сухожилии они расположены продольно и параллельно друг другу, что обеспечивает максимальное сопротивление растягивающим усилиям. В связке фибриллы, как правило, располагаются параллельно, а также косо и спиралевидно, что обеспечивает сопротивление силам, действующим в различных направлениях.

Размещено на Allbest.ru