чем обусловлена прочность костей
Чем обусловлена прочность костей
8. Строение и рост костей
Состав костной ткани. Кости отличаются большой прочностью. Большая берцовая кость человека, находящаяся в вертикальном положении, может выдержать груз в 1500 кг (рис. 38).
Рис. 38
Большая прочность костей зависит от их состава. Они образованы как органическими, так и неорганическими соединениями. Значение этих веществ легко выяснить, проделав простой опыт. Если долго прокаливать кость, то из нее удаляется вода, а органические соединения сгорают. Когда это делают осторожно, кость не теряет своей формы, но становится настолько хрупкой, что при прикосновении сразу рассыпается на мелкие, но очень твердые частицы, состоящие из неорганических веществ.
Сочетание твердости неорганических соединений с упругостью органических обеспечивает большую прочность костей. Наиболее прочны кости взрослого, но не старого человека.
Строение костей. Прочность костей обусловлена не только их составом, но и строением.
Рис. 39
Головки трубчатых костей образованы губчатым веществом (рис. 39 ), которое состоит из множества перекрещивающихся костных пластинок. Они расположены в тех направлениях, по которым кости испытывают наибольшее растяжение или сжатие. Такое строение обеспечивает прочность и легкость костей. Многие легкие и прочные конструкции, например мосты, радиомачты, строят из перекрещивающихся металлических балок (рис. 40 ).
Рис. 40
Короткие кости, например косточки запястья и предплюсны, позвонки, также образованы в основном губчатым веществом. Такое же строение имеют плоские кости, например лопатки, ребра, кости таза и крыши черепа. Пространства между костными пластинками заполнены красным костным мозгом, который образован соединительной тканью.
Рис. 41
Для изучения роста и обновления костного вещества проводились опыты на животных.
В пищу теленка добавляли специальную неядовитую краску. В кормлении такой пищей делали перерывы: десять дней давали пищу с краской, следующие десять дней без нее, и так несколько раз. От кишечника краска переносилась кровью ко всем органам. После забоя бычка одну из его длинных трубчатых костей распилили поперек. На распиле обнаружились окрашенные и белые слои, чередующиеся в виде концентрических колец. Стало ясно, что кость выросла в толщину и во время роста она покрывалась снаружи новыми слоями. Что это действительно так, показал другой опыт. У молодой собаки разрезали кожу на бедре, раздвинули мышцы и обвязали бедренную кость проволочкой. Прошли годы. После смерти животного его вскрыли. На поверхности бедренной кости проволочного кольца не было. Его нашли во внутренней полости кости.
Чем же объясняется рост кости в толщину? Клетки внутренней поверхности надкостницы быстро делятся и откладывают на поверхности кости новые слои костных клеток. Вокруг этих клеток образуется межклеточное вещество.
У взрослых кости не удлиняются и не утолщаются. Но замена старого костного вещества новым продолжается всю жизнь. Как это происходит? Выяснено, что в костях есть особые клетки, которые разрушают старое костное вещество. Теперь понятно, как проволочное кольцо, надетое на бедренную кость собаки, попало во внутреннюю полость. Старое костное вещество изнутри разрушалось, а с поверхности образовывалось новое.
■ Длинные кости. Короткие кости. Плоские кости. Надкостница.
? 1. Какие вещества входят в состав кости? 2. Какое строение имеют кости? 3. От него зависят прочность и легкость костей скелета? 4. Благодаря чему происходит рост костей в толщину?
▲ Из двух одинаковых листков бумаги скатайте полую трубочку и сплошную палочку. Положите каждую из них горизонтально на две подставки и, подвешивая к середине их постепенно увеличивающиеся грузики, определите, какая из них прогибается при меньшей и какая при большей нагрузке. Сообразите, какую особенность строения кости вы выяснили этим опытом.
Кости, их соединения
Опорно-двигательный аппарат
Помимо того, что вы узнали о строении костей в разделе «соединительные ткани», существует еще ряд важнейших моментов, на которые я обращу внимание в данной статье.
Строение кости
Компактное вещество кости формируют костные пластины, плотно прилегающие друг к другу и образующие остеоны (структурные единицы компактного вещества костной ткани). Компактное вещество придает кости прочность.
Губчатое вещество также содержит костные пластинки, однако они не образуют остеоны, в связи с чем губчатое вещество менее прочное, чем компактное вещество. В губчатом веществе между костными перекладинами (костными балками) расположен красный костный мозг.
В красном костном мозге проходят начальные стадии развития форменные элементы крови: здесь появляются эритроциты, лейкоциты, тромбоциты.
Локализуется желтый костный мозг в костномозговых полостях (костномозговом канале) трубчатых костей (в диафизах).
Основные клетки костной ткани, изученные нами в разделе «соединительные ткани»: остеобласты, остеоциты и остеокласты. Остеоциты имеют отростчатую форму и располагаются вокруг Гаверсова канала.
Классификация костей
Кости цилиндрической формы, чаще всего их длина больше ширины. В полости трубчатых костей находится желтый костный мозг.
Ширина губчатых костей приблизительно равна длине. Губчатые кости покрыты снаружи слоем компактного вещества, состоят из губчатого вещества, в котором находится красный костный мозг.
Площадь плоских костей значительно преобладает над шириной. Плоские кости сходны по строению с губчатыми костями.
Плоскими костями являются: теменная, лобная, височная и затылочная (кости свода черепа), лопатка, грудина, ребра, тазовая кость.
Строение трубчатой кости
Обратите свое особое внимание на то, что рост кости в длину осуществляется за счет эпифизарной пластинки. Именно за счет этой пластинки, располагающейся между метафизом и эпифизом, происходит рост кости в длину. Эпифизарная пластинка хорошо кровоснабжается.
Соединения костей
Кости могут быть соединены друг с другом неподвижно: кости таза (подвздошная, лобковая, седалищная), кости черепа (кроме нижней челюсти), позвонки крестцового отдела, копчик.
Суставная сумка (капсула) крепится к суставным поверхностям или в их близи, окружает суставную полость (щелевидное пространство). Суставная сумка изнутри покрыта синовиальной оболочкой, которая секретирует синовиальную жидкость. Синовиальная жидкость заполняет полость сустава, питает сустав, увлажняет его, устраняет трение суставных поверхностей.
Подвижно в скелете человека соединены: нижняя челюсть + височная кость, ключица + лопатка (сустав малоподвижен), бедренная кость + тазовая кость (тазобедренный сустав), плечевая кость + локтевая + лучевая (локтевой сустав), бедренная + большеберцовая + надколенник (коленный сустав), голень и стопа (голеностопный сустав = большеберцовая + малоберцовая + таранная кости), фаланги пальцев.
В норме кости могут смещаться относительно друг друга в суставе, однако при травме, слишком резком и сильном движении это смещение может быть слишком сильным: в результате нарушается соприкосновение суставных поверхностей. В таком случае говорят о возникновении вывиха.
Техника оказания медицинской помощи при вывихах:
Перед вправлением вывиха следует делать рентгенологическое исследование, чтобы убедиться в отсутствии переломов костей, которые иногда сопутствуют вывиху.
Переломы костей
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Чем обусловлена прочность костей
Кость, os, ossis, как орган живого организма состоит из нескольких тканей, главнейшей из которых является костная.
Химический состав кости и ее физические свойства.
Строение кости
Структурной единицей кости, видимой в лупу или при малом увеличении микроскопа, является остеон, т. е. система костных пластинок, концентрически расположенных вокруг центрального канала, содержащего сосуды и нервы.
Распределение компактного и губчатого вещества зависит от функциональных условий кости. Компактное вещество находится в тех костях и в тех частях их, которые выполняют преимущественно функцию опоры (стойки) и движения (рычаги), например в диафизах трубчатых костей.
В местах, где при большом объеме требуется сохранить легкость и вместе с тем прочность, образуется губчатое вещество, например в эпифизах трубчатых костей.
Таким образом, все внутренние пространства кости заполняются костным мозгом, составляющим неотъемлемую часть кости как органа.
Костный мозг бывает двух родов: красный и желтый.
Желтый костный мозг, medulla ossium flava, обязан своим цветом жировым клеткам, из которых он главным образом и состоит.
В периоде развития и роста организма, когда требуются большая кроветворная и костеобразующая функции, преобладает красный костный мозг (у плодов и новорожденных имеется только красный мозг). По мере роста ребенка красный мозг постепенно замещается желтым, который у взрослых полностью заполняет костномозговую полость трубчатых костей.
Снаружи кость, за исключением суставных поверхностей, покрыта надкостницей, periosteum (периост).
Таким образом, в понятие кости как органа входят костная ткань, образующая главную массу кости, а также костный мозг, надкостница, суставной хрящ и многочисленные нервы и сосуды.
Чем обусловлена прочность костей
8. Строение и рост костей
Состав костной ткани. Кости отличаются большой прочностью. Большая берцовая кость человека, находящаяся в вертикальном положении, может выдержать груз в 1500 кг (рис. 38).
Рис. 38
Большая прочность костей зависит от их состава. Они образованы как органическими, так и неорганическими соединениями. Значение этих веществ легко выяснить, проделав простой опыт. Если долго прокаливать кость, то из нее удаляется вода, а органические соединения сгорают. Когда это делают осторожно, кость не теряет своей формы, но становится настолько хрупкой, что при прикосновении сразу рассыпается на мелкие, но очень твердые частицы, состоящие из неорганических веществ.
Сочетание твердости неорганических соединений с упругостью органических обеспечивает большую прочность костей. Наиболее прочны кости взрослого, но не старого человека.
Строение костей. Прочность костей обусловлена не только их составом, но и строением.
Рис. 39
Головки трубчатых костей образованы губчатым веществом (рис. 39 ), которое состоит из множества перекрещивающихся костных пластинок. Они расположены в тех направлениях, по которым кости испытывают наибольшее растяжение или сжатие. Такое строение обеспечивает прочность и легкость костей. Многие легкие и прочные конструкции, например мосты, радиомачты, строят из перекрещивающихся металлических балок (рис. 40 ).
Рис. 40
Короткие кости, например косточки запястья и предплюсны, позвонки, также образованы в основном губчатым веществом. Такое же строение имеют плоские кости, например лопатки, ребра, кости таза и крыши черепа. Пространства между костными пластинками заполнены красным костным мозгом, который образован соединительной тканью.
Рис. 41
Для изучения роста и обновления костного вещества проводились опыты на животных.
В пищу теленка добавляли специальную неядовитую краску. В кормлении такой пищей делали перерывы: десять дней давали пищу с краской, следующие десять дней без нее, и так несколько раз. От кишечника краска переносилась кровью ко всем органам. После забоя бычка одну из его длинных трубчатых костей распилили поперек. На распиле обнаружились окрашенные и белые слои, чередующиеся в виде концентрических колец. Стало ясно, что кость выросла в толщину и во время роста она покрывалась снаружи новыми слоями. Что это действительно так, показал другой опыт. У молодой собаки разрезали кожу на бедре, раздвинули мышцы и обвязали бедренную кость проволочкой. Прошли годы. После смерти животного его вскрыли. На поверхности бедренной кости проволочного кольца не было. Его нашли во внутренней полости кости.
Чем же объясняется рост кости в толщину? Клетки внутренней поверхности надкостницы быстро делятся и откладывают на поверхности кости новые слои костных клеток. Вокруг этих клеток образуется межклеточное вещество.
У взрослых кости не удлиняются и не утолщаются. Но замена старого костного вещества новым продолжается всю жизнь. Как это происходит? Выяснено, что в костях есть особые клетки, которые разрушают старое костное вещество. Теперь понятно, как проволочное кольцо, надетое на бедренную кость собаки, попало во внутреннюю полость. Старое костное вещество изнутри разрушалось, а с поверхности образовывалось новое.
■ Длинные кости. Короткие кости. Плоские кости. Надкостница.
? 1. Какие вещества входят в состав кости? 2. Какое строение имеют кости? 3. От него зависят прочность и легкость костей скелета? 4. Благодаря чему происходит рост костей в толщину?
▲ Из двух одинаковых листков бумаги скатайте полую трубочку и сплошную палочку. Положите каждую из них горизонтально на две подставки и, подвешивая к середине их постепенно увеличивающиеся грузики, определите, какая из них прогибается при меньшей и какая при большей нагрузке. Сообразите, какую особенность строения кости вы выяснили этим опытом.
Научная электронная библиотека
Глава 9. БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОСТЕЙ СКЕЛЕТА. Свешников К.А.
Hарушения структуры кости и переломы и происходят только в том случае, когда кость поглощает значительное количество энергии. Мягкие ткани абсорбируют ее намного больше, но не разрушаются, так как более податливые.
Нами изучены механические свойства образцов костей, взятых у людей, погибших в автомобильных катастрофах. Возраст этих практически здоровых людей составлял 16–70 лет. Образцы представляли собой прямолинейные призмы длиной 31 мм, шириной 4 мм и глубиной около 3 мм. Их тщательно освобождали от периоста. Затем погружали в физраствор, замораживали и хранили при температуре –15 °С до обследования. Механические свойства испытаны у 82 образцов лучевой кости мужчин и женщин (1 и 3 см от лучезапястного сустава), 90 образцов бедренной кости, 96 – тел позвонков. Минеральную плотность костей (МПК) определяли методом двухфотонной абсорбциометрии. Вначале образцы нагружали со скоростью 6 мм в мин до величины 600 N. Эта нагрузка была меньше предела прочности каждого образца. Затем производили нагружение со скоростью 48 мм в мин. Испытание продолжалось несколько секунд. В 40 лет величина нагрузки составляла 5,5 кN, а в 90 лет – 2,5 кN. С возрастом статическая прочность уменьшалась однонаправленно с МПК. Эластичность при испытании на разрыв не зависела от возраста и МПК.
В возрасте 90 лет, по сравнению с 16 годами, абсорбция энергии удара кортикальным слоем бедренной кости уменьшалась в 2,8 раза. Это обусловлено снижением МПК.
Модуль эластичности и прочности на растяжение начинали медленно уменьшаться после 45 лет. На сгибание прочность возрастает до 30 лет, а затем снижается, как и способность кости поглощать энергию. Она выражалась на единицу объема или площади. У лиц до 30 лет поглощенная энергия составляла 2,6•104 Дж/м2, а в 90 лет ее величина уменьшалась в 2,5 раза.
Число полостей, указывающих на порозность кости, в различных возрастных группах мужчин составляло: в 18–45 лет – 4 %, затем медленно увеличивалось и в 90 лет достигало 13 %. В связи с этим различна и поглощенная энергия удара: у детей до 10 лет – 2,5•104 Дж/м2, а с 13 лет – 0,9•104 Дж/м2. У женщин кость более порозная, а это ведет к уменьшению объема, в котором поглощается энергия, и, следовательно, разрушение кости происходит при меньшей величине поглощенной энергии. Энергия абсорбции меньше у очень молодых и очень старых людей. Изменение энергии удара на 40 % зависит от МПК. Высокая минерализация уменьшает способность образца к поглощению энергии. Из этого вывод: большая МПК уменьшает способность кости переносить пластическую упругую деформацию. Наряду с этим следует указать, что МПК также приводит к увеличению максимума давления и оба эффекта как бы компенсируют друг друга. Поэтому суммарная величина абсорбированной энергии не изменяется.
Сухой вес кости в в 30–40 лет – 65,3 %, в 90 лет – 62,5 %. Это указывает на увеличение порозности кости. Удельный вес (плотность) кости в 20–25 лет составляет 1,98 кг/м3, в 50 лет – 2,10 кг/м3. Затем он очень медленно снижается. Причина этого проста – в молодые годы нарастает МПК.
В позвоночнике при величине МПК в L1, равной 0,680 ± 0,037 г/см2, предел прочности составляет 3195 ± 221 H, в L2 при МПК 0,736 ± 0,035 г/см2 – 3642 ± 259 Н, в L3 – 0,789 ± 0,036 г/см2 – 4022 ± 326 Н, L4 – 0,962 ± 0,039 г/см2 – 4749 ± 331 Н. Механическая прочность трабекулярной кости позвонка в 20-25 лет составляет у мужчин 85,5 ± 6,5 Н/мм2, у женщин – 77,8 ± 4,7 Н/мм2.
В 46–50 лет эта величина уменьшается у мужчин в 1,8 раза, у женщин – в 2,0 раза. В 56–60 лет прочность более быстрыми темпами уменьшается у женщин (в 4,7 раза) по сравнению с мужчинами (3,2 раза). Дальнейшие глубокие изменения происходят в 61–70 лет: у женщин прочность снижается в 6 раз, у мужчин – в 3,6 раза. У мужчин в 71–80 лет дальнейшего снижения не происходило, а у женщин продолжало снижаться до 7,5 раз.
У 28 практически здоровых женщин в возрасте 40–90 лет проведено изучение механических свойств лучевых костей [80, 212]. Кости были взяты для исследований после смерти, тщательно освобождены от периоста. Измерения сделаны на расстоянии 1 см от лучезапястного сустава. До исследования механических свойств образцы держали в замороженном виде при температуре –15 °С. Вначале их нагружали со скоростью 5 мм в мин до величины 600 N. Эта нагрузка была ниже предела прочности каждого образца. Затем производили нагружение со скоростью 50 мм в мин. Испытание продолжалось несколько секунд. С возрастом статическая прочность уменьшалась однонаправленно с величиной минеральных веществ. В 40 лет величина нагрузки составляла 5,6 кN, а 90 лет – 2,6 кN. Эластичность при испытании на разрыв не зависела от возраста и количества минералов. Изучены также механические свойства лучевой кости у 37 людей уже на расстоянии 3 см от лучезапястного сустава. Перед исследованием образцы выдерживали в физиологическом растворе (0,9 %) 24 часа, что приближало их к состоянию ин виво.
Между 3 и 90 годами абсорбция энергии удара кортикальным слоем бедренной кости уменьшалась в 3 раза. Это обусловлено снижением минеральной плотности. Модуль эластичности и прочности на растяжение начинают медленно уменьшаться после 45 лет. При сгибании возрастает до 30 лет, а затем снижается [168] и способность кости поглощать энергию.
Проводилось исследование образцов из бедренных костей (24 мужчины и 15 женщин). До гибели у этих людей не было изменений в костях. Образцы замораживали в физрастворе. Они представляли собой прямолинейные призмы длинной 32 мм, шириной 3 мм и глубиной около 2 мм. Поглощенная энергия выражалась на единицу объема (Jm3) или площади (Jm2). У лиц до 30 лет поглощенная энергия составляла 2,8•104 Jm2, а к 90 годам ее величина уменьшалась в 2,8 раза [168, 169].
Интересные наблюдения сделаны о числе полостей указывающих на порозность кости, в различных возрастных группах мужчин. У детей 3 лет их число составляет 9 %, в возрасте 18–45 лет – 3 %, затем медленно увеличивалось и в 90 лет достигало 12 %. В связи с этим различна и поглощенная энергия удара: у детей до 10 лет – 2–6 104 Jm2, а с 13 лет – 0,9•104 Jm2. У женщин кость более порозная [168, 169], а это ведет к уменьшению объема в котором поглощается энергия. Поэтому снижается ударная энергия, в частности, в кортикальном слое бедренной кости. Энергия абсорбции ниже у очень молодых и очень старых людей. Изменение энергии удара на 40 % зависит от МПК. Высокая минерализация уменьшает способность образца к поглощению энергии. Из этого вывод: большое содержание минералов уменьшает способность кости переносить пластическую упругую деформацию. Наряду с этим следует иметь в виду, что содержание минералов также приводит к увеличению максимума давления и оба эффекта как бы компенсируют друг друга и это не сказывается на суммарной величине абсорбированной энергии.
Сухой вес кости в 3 года составляет 60,5 %, в 30–40 лет – 66,5, в 90 лет – 62,5 %. Это происходит вследствие увеличения порозности кости. Удельный вес (плотность) кости в 3 года составляет 1,92 кг/м3, в 50 лет – 2,10 кг/м3. Затем очень медленно снижалась. Причина этого проста – в молодые годы нарастает содержание минеральных веществ.
В течение последних 20 лет ряд исследователей пытался судить о возрастных изменениях минералов во всем скелете косвенно путем определения МПК в лучевой кости, содержащей в диафизе 96 % компактного вещества и поэтому отражающей изменения МПК во всем скелете. Коэффициент корреляции между весом минералов в золе и при измерении на денситометре оказался достаточно высоким [56, 57]. Аналогичен он и между содержанием минералов в осевом скелете и в пяточной кости [329, 372]. Однако точно определить возрастные изменения минеральных веществ позволил лишь метод двухфотонной абсорбциометрии, в частности, удалось выявить разный процент снижения минералов в ребрах, костях таза и позвоночнике. Он позволил также установить прямую зависимость механической прочности кости от содержания в нейминеральных веществ. Так в достаточно подробных исследованиях [208] показано, что при величине МПК в L1, равной 2,90 ± 0,16 г/см, предел прочности этого позвонка составляет 3260 ± 221 H, в L2 при плотности минералов 3,350,14 г/см – 3760 ± 280 Н, в L3 – 3,55 ± 0,18 г/см – 4109 ± 347 Н, L4 – 3,90 ± 0,27 г/см – 4807 ± 347 Н. Коэффициент корреляции между содержанием минералов и пределом прочности составлял 0,82–0,90. Поэтому считают, что содержание МПК может быть использовано для непрямого определения предельной величины их компрессионной прочности [208, 209].
Исследованиями [234, 236] показано, что механическая прочность трабекулярной кости позвонка в 14–19 лет составляет у мужчин 85,5 ± 6,5 Н/мм2, у женщин 77,8 ± 4,7 Н/мм2. В 40–49 лет эта величина уменьшается у мужчин в 1,8 раза, у женщин – в 2,0 раза. В 50–59 лет прочность быстрыми темпами уменьшается у женщин (в 4,7 раза) по сравнению с мужчинами (3,2 раза). Дальнейшие глубокие изменения происходят в 60–69 лет: у женщин прочность снижается в 6 раз, у мужчин – в 3,6 раза. У мужчин в 70–79 лет дальнейшего снижения прочности не происходит, а у женщин продолжает снижаться до 8,0 раз [208, 209].
До внедрения в практику метода двуфотонной абсорбциометрии определение МПК всего скелета было возможно только с помощью метода нейтронно-активационного анализа. Эта аппаратура технически сложная, поэтому исследования проводились всего лишь в нескольких научных центрах мира.
Результаты проведенных нами исследований показали, что быстрее (в 21–25 лет) минерализация скелета завершается у женщин и у них раньше выявляются первые признаки уменьшения костной массы. В 50–60 лет основной причиной быстрого снижения минералов у женщин является изменение концентрации половых гормонов и ослабление двигательной активности и слабости мышц.
Суммарная масса минералов в скелете негров выше, чем у белых. Статистически достоверное уменьшение МПК у обоих полов выявляется в возрасте 70 лет, причем у женщин суммарная величина минералов снижается в это время на 17 %, у мужчин – на 9 %. В этих условиях большое значение придается занятию физкультурой, так как отсутствие механической нагрузки на скелет служит одной из причин резорбции кости. При систематическом занятии спортом количество МПК в месте приложения усилия (позвоночник, нижняя треть голени – у балерин) может увеличиваться до 20 % [334].
Наиболее выраженное снижение МПК возникает в 80 лет в осевом скелете, особенно в позвоночнике. Следствием старческого остеопороза являются переломы, иногда неоднократные в течение одного и того же года. Поэтому определение абсолютной величины МПК скелета представляется особенно важным для оценки общей убыли минералов.