Функциональная адаптация кости

Губчатое (спонгиозное) вещество костной ткани.

Эта ткань образует в основном позвонки и концевые отделы трубчатых костей и составляет примерно 20% общей массы скелета взрослого человека. Её строение зависит от функционального назначения кости. Приводимые ниже данные относятся к наиболее исследованной спонгиозной костной ткани трубчатых костей.

Из технической механики известно, что максимально облегчённая, но при этом достаточно прочная структура должна представлять собой решётчатую конструкцию из стержней, расположенных вдоль траекторий действия механических напряжений. Давно было обнаружено, что траектории растягивающих и сжимающих напряжений в кости находят отражение в её губчатой структуре, т.е. в расположении костных балочек (трабекул). При анализе траекторий, по которым расположены трабекулы в системе функционально взаимосвязанных костей, оказывается, что эти кривые продолжаются с одной кости на другую через суставы. Причем эта ситуация не запрограммирована генетически, а возникает как ответ на нагружение скелета в процессе морфогенеза.

Согласно разным литературным источникам, значения модуля упругости влажной спонгиозной ткани варьируются от 26 до 600 МПа, но они всегда ниже соответствующих значений для компактной ткани. Для головки бедренной кости разрушающие напряжения при сжатии составляют 3,7 - 11,4 МПа. Такой разброс цифр связан, по-видимому, с сильной зависимостью значений указанных величин от локализации исследуемого образца в кости и от направления его нагружения относительно системы трабекул.

Характерно, что у лиц пожилого и старческого возрастов, занимавшихся в прошлом тяжёлым физическим трудом, значение разрушающего напряжения спонгиозной ткани несколько ниже, чем у людей умственного труда. У более молодых людей (25–40 лет) имеет место обратное явление. По-видимому, наличие длительных механических перегрузок выше физиологического уровня вызывает необратимые изменения в структуре спонгиозной ткани, которые с увеличением возраста человека ведут к снижению ее сопротивляемости разрушению.

Адаптация кости к нагрузке проявляется как соответствие структуры этой ткани испытываемой нагрузке и это свойство кости сохраняется на продолжении всей жизни организма.

Нагрузка на кость в покое возникает за счет действия силы тяжести, а при движении – ещё и за счет мышечных усилий и сил инерции^*.

Следовательно, длительное пребывание человека в постели или в космическом корабле (снижение гравитационной нагрузки), хирургические операции, в результате которых на парные конечности приходится неодинаковая нагрузка, должны приводить к каким-то структурным изменениям в кости. Такие ситуации действительно приводят:

· к изменению плотности и пористости кости за счет изменения относительного содержания коллагена и минеральной составляющей (внутренняя перестройка);

· к возникновению новых остеонов на поверхности кости (точнее на границе компактной зоны кости) ведущих к изменению её размеров и формы, т.е. к росту.

По-видимому, во многих реальных процессах происходит одновременно и то и другое.

Интересные данные получены в экспериментах на разных животных: при почти полном ограничении подвижности животного толщина компактного слоя трубчатых костей снижается на 15 – 20 %, его прочность падает на 10 – 45 %, а модуль упругости уменьшается на 15 – 20 %. Это происходит на протяжении 1,5 – 2 месяцев, после чего структура кости стабилизируется.

Важные сведения дают наблюдения и за процессом срастания обломков кости. Скорость роста костной мозоли зависит от величины сжимающих напряжений и достигает максимума при значениях, близких по порядку величины к напряжениям, испытываемым в физиологических условиях (~1,7 × 10⁶Н/м²).

Известно, что нормальная костная ткань постоянно обновляется за счёт сбалансированной деятельности клеток – остеобластов и остеокластов. Нарушение этого баланса и является причиной перестройки, роста или дегенерации ткани. С физической точки зрения все эти процессы представляют собой проявления массообмена между твёрдой и жидкой фазами кости и химических реакций в твёрдой фазе.

Дата добавления: 2015-05-09