Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из трабекулярной кости )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Трабекула
Coxa-valga-norma-vara-000.svg
Чередование трабекулярного рисунка в бедренной кости отражает механическое напряжение
Подробности
ЧастьКость
Идентификаторы
FMA85273
Анатомическая терминология
Внутри кости видна трабекулярная структура

Трабекулы (множественное число трабекулы , от латинского «маленького пучка») является небольшим, часто микроскопическим, тканью элемента в виде небольшого пучка , стойка или стержня , что опоры или анкеры рамки частей внутри тела или органа. [1] [2] трабекулы обычно имеет механическую функцию, и, как правило , состоит из плотной коллагеновой ткани (например, трабекул из селезенки ). Они могут состоять из других материалов, таких как мышцы и кости. В сердце , мышцы образуют трабекулы carneae исептомаргинальные трабекулы . [3] Губчатая кость образуется из скоплений костной ткани, подвергнутой повреждению.

В поперечном сечении трабекулы губчатой ​​кости могут выглядеть как перегородки , но в трех измерениях они топологически различны: трабекулы имеют примерно стержневидную или столбовидную форму, а перегородки - пластинчатые.

При пересечении заполненных жидкостью пространств трабекулы могут выполнять функцию сопротивления растяжению (как в половом члене , см., Например, трабекулы кавернозных тел и трабекулы губчатого тела ) или обеспечивать клеточный фильтр (как в трабекулярной сети глаза ).

Множественные перфорации в перегородке могут превратить ее в скопление трабекул, как это происходит со стенками некоторых легочных альвеол при эмфиземе .

Структура [ править ]

Трабекулярная кость, также называемая губчатой костью, представляет собой пористую кость, состоящую из трабекулярной костной ткани. Его можно найти на концах длинных костей, таких как бедренная кость, где кость на самом деле не твердая, а полна отверстий, соединенных тонкими стержнями и пластинами костной ткани. [4] Красный костный мозг, в котором образуются все клетки крови, заполняет пространство между трабекулярными порами. Несмотря на то, что губчатая кость содержит много отверстий, ее пространственная сложность обеспечивает максимальную прочность при минимальной массе. Следует отметить, что форма и структура губчатой ​​кости организованы таким образом, чтобы оптимально выдерживать нагрузки, возникающие при функциональной активности, такой как прыжки, бег и приседания. И согласно знаменитому закону ВольфаСогласно предложенной в 1892 г., внешняя форма и внутренняя архитектура кости определяются действующими на нее внешними напряжениями. [5] Внутренняя структура губчатой ​​кости сначала претерпевает адаптивные изменения в направлении напряжения, а затем внешняя форма кортикальной кости претерпевает вторичные изменения. Наконец, костная структура становится толще и плотнее, чтобы противостоять внешней нагрузке.

Из-за увеличения объема тотальной замены сустава и ее влияния на ремоделирование кости понимание связанного со стрессом и адаптивного процесса губчатой ​​кости стало центральной задачей физиологов костей. Чтобы понять роль губчатой ​​кости в возрастной структуре кости и конструкции системы кость-имплантат, важно изучить механические свойства губчатой ​​кости в зависимости от таких переменных, как анатомическое расположение, плотность и возраст. Для этого необходимо изучить механические факторы, включая модуль, одноосную прочность и усталостные свойства.

Обычно процент пористости губчатой ​​кости находится в диапазоне 75–95%, а плотность - от 0,2 до 0,8 г / см 3 . [6] Следует отметить, что пористость может снизить прочность кости, но также уменьшить ее вес. Пористость и способ ее структурирования влияют на прочность материала. Таким образом, микроструктура губчатой ​​кости обычно ориентирована, а «зерно» пористости совмещено в направлении, в котором механическая жесткость и прочность являются наибольшими. Из-за микроструктурной направленности механические свойства губчатой ​​кости сильно анизотропны. Диапазон модуля Юнга губчатой ​​кости составляет от 800 до 14 000 МПа, а прочность на разрыв - от 1 до 100 МПа.

Как упоминалось выше, механические свойства губчатой ​​кости очень чувствительны к кажущейся плотности. Связь между модулем губчатой ​​кости и ее кажущейся плотностью была продемонстрирована Картером и Хейсом в 1976 году. [7] Полученное уравнение гласит:

где представляет модуль губчатой ​​кости в любом направлении нагрузки, представляет кажущуюся плотность, и являются константами, зависящими от архитектуры ткани.

Кроме того, с помощью сканирующей электронной микроскопии было обнаружено, что изменение трабекулярной архитектуры в разных анатомических участках приводит к разному модулю. Чтобы понять взаимосвязь между структурой и анизотропией и свойствами материала, необходимо соотнести измеренные механические свойства анизотропных трабекулярных образцов со стереологическими описаниями их архитектуры. [5]

Прочность губчатой ​​кости на сжатие также очень важна, поскольку считается, что внутреннее разрушение губчатой ​​кости возникает из-за напряжения сжатия. На кривых "напряжение-деформация" как для губчатой ​​кости, так и для кортикальной кости с различной кажущейся плотностью имеется три стадии кривой "напряжение-деформация". Первая - это линейная область, где отдельные трабекулы изгибаются и сжимаются при сжатии основной массы ткани. [5] Вторая стадия - после податливости трабекулярные связи начинают разрушаться, а третья стадия - стадия затвердевания. Обычно трабекулярные области с более низкой плотностью имеют более деформированную стадию до затвердевания, чем образцы с более высокой плотностью. [5]

Таким образом, губчатая кость очень податлива и неоднородна. Гетерогенный характер затрудняет обобщение общих механических свойств губчатой ​​кости. Высокая пористость делает губчатую кость податливой, а большие вариации в архитектуре приводят к высокой неоднородности. Модуль и прочность обратно пропорциональны пористости и сильно зависят от пористой структуры. Кроме того, влияние старения и небольших трещин губчатых костей на их механические свойства будет более подробно проанализировано в окончательных проектах.

Клиническое значение [ править ]

Нормальные и патологические структуры губчатой ​​кости

Исследования показали, что когда человек достигает зрелого возраста, плотность костной ткани с возрастом неуклонно снижается, частично этому способствует потеря массы губчатой ​​кости. [8] Потеря костной массы определяется Всемирной организацией здравоохранения как остеопения, если минеральная плотность костной ткани (МПК) на одно стандартное отклонение ниже средней МПК у молодых людей, и определяется как остеопороз, если она более чем на 2,5 стандартных отклонения ниже среднего. . [9] Низкая плотность кости значительно увеличивает риск стрессового перелома , который может произойти без предупреждения у тех, кто находится в группе риска. [10] В результате остеопороза возникают переломы с малой ударной нагрузкой, чаще всего в верхней части бедра., который состоит на 25-50% из губчатой ​​кости в зависимости от региона, в позвонках, которые примерно на 90% составляют губчатую кость , или в запястье . [11]

Когда объем губчатой ​​кости уменьшается, ее первоначальная пластинчато-стержневая структура нарушается; пластинчатые структуры превращаются в стержневидные, а уже существующие стержневидные структуры истончаются до тех пор, пока они не разъединятся и не рассасываются в теле. [11] Изменения губчатой ​​кости, как правило, зависят от пола, при этом наиболее заметные различия в костной массе и микроструктуре губчатой ​​кости возникают в возрастном диапазоне менопаузы. [8] Деградация трабекул с течением времени вызывает снижение прочности кости, которое непропорционально велико по сравнению с объемом потери трабекулярной кости, в результате чего оставшаяся кость становится уязвимой для перелома. [11]

При остеопорозе часто наблюдаются также симптомы остеоартрита , который возникает, когда хрящ в суставах подвергается чрезмерной нагрузке и со временем разрушается, вызывая скованность, боль и потерю подвижности. [12] При остеоартрите основная кость играет важную роль в деградации хряща; таким образом, любая трабекулярная деградация может существенно повлиять на распределение напряжения и отрицательно повлиять на рассматриваемый хрящ. [13]

Из-за его сильного влияния на общую прочность костей, в настоящее время существуют серьезные предположения, что анализ паттернов деградации трабекул может быть полезен в ближайшем будущем для отслеживания прогрессирования остеопороза. [14]

Птицы [ править ]

Полая конструкция птичьих костей является многофункциональной, обеспечивая высокую удельную прочность и дополняя открытые дыхательные пути, чтобы приспособиться к пневматичности скелета, характерной для многих птиц. Прочность удельная и устойчивость к потере устойчивости оптимизируются за счетом своей конструкции кости , которая сочетает в себе тонкие, твердые оболочках, упаковывает губчатое ядро трабекул. [15] аллометрия их трабекул позволяет скелет переносить нагрузки без существенного увеличения массы костной ткани. [16] Красный ястребоптимизирует свой вес за счет повторяющегося рисунка V-образных распорок, которые придают костям необходимые легкие и жесткие характеристики. Внутренняя сеть трабекул смещает массу от нейтральной оси , что в конечном итоге увеличивает сопротивление короблению . [15]

Как и у человека, трабекулы у видов птиц распределяются неравномерно в зависимости от условий нагрузки. Птица с наибольшей плотностью трабекул - киви , нелетающая птица. [16] Существует также неравномерное распределение трабекул внутри подобных видов, таких как большой пятнистый дятел или сероголовый дятел . После исследования микро- компьютерной томографии лба, височно-нижнечелюстного сустава и затылка дятла было определено, что на лбу и в затылке значительно больше трабекул. [17] Помимо разницы в распределении, соотношение сторониндивидуальных распорок у дятлов было больше, чем у других птиц аналогичного размера, таких как евразийский удод [17] или жаворонок . [18] Трабекулы дятлов более пластинчатые, в то время как у ястребов и жаворонков стержневидные структуры, соединенные в их кости. Снижение нагрузки на мозг дятла приписывают большему количеству более толстых пластинчатых распорок, плотно прилегающих друг к другу, чем у ястреба, удода или жаворонка. [18] И наоборот, более тонкие стержневые структуры могут привести к большей деформации. Разрушающее механическое испытание с 12 образцами показывает, что конструкция трабекул дятла имеет средний предел прочности 6,38 МПа по сравнению с 0,55 МПа у жаворонка. [17]

Помимо черепа, у клюва дятла есть крошечные стойки, поддерживающие оболочку клюва, но в меньшей степени по сравнению с черепом. В результате меньшего количества трабекул в клюве он имеет более высокую жесткость на 1,0 ГПа по сравнению с черепом - 0,31 ГПа. В то время как клюв поглощает часть ударов от расклевывания, большая часть ударов передается на череп, где активно доступно больше трабекул для поглощения ударов. Предел прочности клюва дятла и жаворонка схожи, из чего можно сделать вывод, что клюв играет меньшую роль в поглощении ударов. [18] Но одним измеренным преимуществом клюва дятла является небольшой перекус (верхний клюв на 1,6 мм длиннее нижнего), который вызывает бимодальное распределениесилы из-за контакта верхнего клюва с поверхностью в моменты перед нижней половиной клюва. Это смещение во времени удара вызвало меньшую нагрузку на трабекулы лба, затылка и клюва, чем если бы верхний и нижний клюв имели равную длину. [19]

Исследование [ править ]

Технология шлемов [ править ]

Важной причиной травм и смерти является травма головы. Ученые были вдохновлены дятлами на продвижение технологии шлемов после того, как узнали об их способности непрерывно замедляться в 1000 раз больше силы тяжести в среднем на 15 ударов. [19] Подсчитано, что дятел барабанит клювом примерно 12 000 раз в день. Предполагается, что дятлы не получают никаких повреждений мозга от этих сил, которые значительно превышают человеческие возможности. Компания Riddell , производитель шлемов для армии США и американского футбола , разрабатывает шлемы, чтобы уменьшить нагрузку на переднюю часть мозга, дизайн которых похож на некоторые птицы.

Черный ящик [ править ]

Улучшения ударной вязкости черных ящиков разрабатываются на основе головы дятла. Они состоят из твердых слоев стали и алюминий , чтобы имитировать их клюв и череп, эластомерный компонент равномерно дисперсные колебания вдали от черепа подобно подъязычной кости [ править ] и пористую структуру , изготовленную из стеклянных микросфер , чтобы ослабить вибрации , как трабекулярная кость . Эта структура выдержала испытание до 60 000 Gs.

Трабекулярный металлический материал [ править ]

Материал Trabecular Metal, созданный Zimmer Biomet , уже 19 лет используется в клинической практике для ортопедических применений, таких как имплантация бедра, колена или плеча, а также заполнителей костных пустот, стержней для лечения остеонекроза и зубных имплантатов. Это металлическая пена с открытыми ячейками и пористостью до 80% , размер каждой поры в среднем составляет 440 мкм. Он имеет низкую жесткость и высокий коэффициент трения 0,98, поэтому имплантаты остаются надежными без скольжения. Он изготовлен из чистого тантала, поскольку он химически инертен , устойчив к коррозии и биосовместим. Эта трабекулярная структура имеет высокий модуль упругости и высокую усталостную прочность.выдерживать нормальные физиологические нагрузки в течение длительного времени. [20]

Трабекулы у других организмов [ править ]

Чем крупнее животное, тем большую нагрузку должны выдерживать его кости. Ранее было известно, что губчатая кость увеличивает жесткость за счет увеличения количества кости на единицу объема или за счет изменения геометрии и расположения отдельных трабекул по мере увеличения размера тела и нагрузки на кости. Трабекулярная кость масштабируется аллометрически , реорганизуя внутреннюю структуру костей, чтобы повысить способность скелета выдерживать нагрузки, испытываемые трабекулами. Кроме того, масштабирование трабекулярной геометрии может потенциально снизить деформацию трабекул. Нагрузка действует как стимулк трабекуляру, изменяя его геометрию, чтобы выдерживать или смягчать деформационные нагрузки. Используя моделирование методом конечных элементов, в исследовании было протестировано четыре разных вида при одинаковом кажущемся стрессе (σapp), чтобы показать, что трабекулярное масштабирование у животных изменяет деформацию в трабекуляре. Было замечено, что напряжение внутри трабекулы от каждого вида варьировалось в зависимости от геометрии трабекул. На шкале в несколько десятков микрометров, что приблизительно равно размеру остеоцитов , рисунок ниже показывает, что более толстые трабекулы демонстрируют меньшую деформацию. Относительные частотные распределения деформации элементов, испытываемые каждым видом, показывают более высокие модули упругости трабекул по мере увеличения размера вида.

Кроме того, трабекулы у более крупных животных толще, дальше друг от друга и менее плотно связаны, чем у более мелких животных. Внутритрабекулярный остеон обычно можно найти в толстых трабекулах крупных животных, а также в более тонких трабекулах более мелких животных, таких как гепард и лемуры . В остеонах играют определенную роль в диффузии питательных веществ и отходов в и из остеоцитов, регулируя расстояние между остеоцитами и поверхностью кости до приблизительно 230 мкм.

Из-за повышенного снижения насыщения крови кислородом у животных с высокими метаболическими потребностями, как правило, наблюдается более низкая толщина трабекул (Tb.Th), поскольку им требуется повышенная кровоснабжение трабекул. Васкуляризации туннельно остеоны изменяют трабекулярную геометрию из твердых трубчатых, увеличивая жесткость при изгибе для индивидуальных трабекул и поддержание кровоснабжения остеоцитов, которые встроены глубоко в ткани.

Было обнаружено, что объемная доля костной ткани (BV / TV) относительно постоянна для различных размеров протестированных животных. У более крупных животных не наблюдалось значительно большей массы на единицу объема губчатой ​​кости. Это может быть связано с адаптацией, которая снижает физиологические затраты на производство, поддержание и перемещение ткани. Однако BV / TV показал значительное положительное масштабирование мыщелков бедренной кости птиц . У более крупных птиц наблюдается снижение летных привычек из-за птичьей BV / TV- аллометрии.. У нелетающих киви, весивших всего 1-2 кг, был самый высокий BV / TV среди птиц, протестированных в исследовании. Это показывает, что геометрия трабекулярной кости связана с «преобладающими механическими условиями», поэтому различия в геометрии трабекулярной кости в головке бедренной кости и мыщелке потенциально могут представлять различные условия нагрузки тазобедренного и бедренно-большеберцового суставов .

В дятла способность «сек противостоять повторяющегося воздействия головы коррелирует с его уникальной микро / nanohierarchical композитных структур. [18] Микроструктура и наноструктуры из дятла «ы череп состоит из неравномерного распределения губчатой кости , организационной формы индивидуальных трабекул. Это влияет на механические свойства дятла , позволяя черепной кости выдерживать высокий предел прочности (σu). По сравнению с черепной кости в жаворонка , тем дятел черепной костиболее плотная и менее губчатая, имеет структуру от более пластинчатой ​​до более стержневой, что наблюдается у жаворонков . Кроме того, черепная кость дятла имеет большую толщину и большее количество отдельных трабекул. По отношению к трабекулам в жаворонке , в дятел трабекулярной «сек более близко друг к другу и больше пластинчатый. [19] Эти свойства приводят к более высокой конечной прочности в черепной кости от дятел , чем у жаворонка .

История [ править ]

Уменьшительно-ласкательная форма латинского trabs , что означает балка или брус. В 19 веке популярным стал неологизм trabeculum (с предполагаемым множественным числом trabecula ), но этимологически он менее верен. Трабекулы сохраняются в некоторых странах как синоним трабекулярных сетчатый в глазах , но это можно считать бедное использование на основании как этимологии и описательной точности.

Другое использование [ править ]

Что касается компонента развития черепа, см. Трабекулярный хрящ .

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Определение TRABECULA" . www.merriam-webster.com . Проверено 24 сентября 2017 .
  2. ^ "трабекула" . Бесплатный словарь .
  3. ^ Гу, Соён; Джоши, Пурва; Пески, Грег; Гернеке, датчанин; Табернер, Эндрю; Долли, Каасим; ЛеГрис, Ян; Луазель, Дени (октябрь 2009 г.). «Trabeculae carneae как модели стенок желудочков: значение для доставки кислорода» (PDF) . Журнал общей физиологии . 134 (4): 339–350. DOI : 10,1085 / jgp.200910276 . ISSN 0022-1295 . PMC 2757768 . PMID 19752188 .    
  4. ^ «Костные трабекулы: определение и функция» . Study.com . Проверено 31 марта 2017 года .
  5. ^ a b c d Hayes, Wilson C .; Кивени, Тони М. (1993). Кость: Трактат (7 - е изд.). CRC Press. С. 285–344. ISBN 978-0849388279. Проверено 31 марта 2017 года .
  6. ^ Мейерс, Массачусетс; Чен, П.-Й. (2014). Биологическое материаловедение . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-107-01045-1.
  7. ^ Картер, Д.Р .; Хейс, WC (1976-12-10). «Прочность костей при сжатии: влияние плотности и скорости деформации». Наука . 194 (4270): 1174–1176. Bibcode : 1976Sci ... 194.1174C . DOI : 10.1126 / science.996549 . ISSN 0036-8075 . PMID 996549 .  
  8. ^ a b Паркинсон, Ян Х .; Фаззалари, Никола Л. (12 января 2012 г.). Характеристика структуры губчатой ​​кости . Аделаида, Южная Америка, Австралия: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. С. 31–51. ISBN 9783642180521. Проверено 31 марта 2017 года .
  9. ^ «Всемирная организация здравоохранения - критерии ВОЗ для диагностики остеопороза» . 4BoneHealth . Проверено 31 марта 2017 года .
  10. ^ "Стрессовые переломы стопы и голеностопного сустава-OrthoInfo - AAOS" . orthoinfo.aaos.org . Проверено 31 марта 2017 года .
  11. ^ a b c Верли, Феликс В. «Роль архитектуры кортикальной и трабекулярной костей в остеопорозе» (PDF) . Медицинский факультет Пенсильванского университета . Проверено 31 марта 2017 года .
  12. ^ Хак, I .; Murphy, E .; Дакр, Дж. (1 июля 2003 г.). «Остеоартроз» . Последипломный медицинский журнал . 79 (933): 377–383. DOI : 10.1136 / pmj.79.933.377 . ISSN 0032-5473 . PMC 1742743 . PMID 12897215 . Проверено 31 марта 2017 года .   
  13. ^ Лорна, Гибсон. «Лекция 11: Трабекулярная кость и остеопороз | Видео-лекции | Клеточные твердые тела: структура, свойства и применение | Материаловедение и инженерия | MIT OpenCourseWare» . ocw.mit.edu . Массачусетский технологический институт . Проверено 31 марта 2017 года .
  14. ^ Шетти, Адитья. «Трабекулярный паттерн проксимального отдела бедра | Справочная статья по радиологии | Radiopaedia.org» . radiopaedia.org . Проверено 31 марта 2017 года .
  15. ^ а б Мейерс, Массачусетс; Чен, П.-Й. (2014). Биологическое материаловедение . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. С. 504–506. ISBN 978-1-107-01045-1.
  16. ^ a b Дубе, Майкл; и другие. (2011). «Аллометрические чешуйки губчатой ​​кости у млекопитающих и птиц» . Труды Королевского общества . Б. 278 (1721): 3067–3073. DOI : 10.1098 / rspb.2011.0069 . PMC 3158937 . PMID 21389033 .  
  17. ^ a b c Ван, Личжэн; и другие. (2013). «Влияние микроструктуры губчатой ​​кости в различных частях черепа дятла на устойчивость к ударным повреждениям» . Журнал наноматериалов . 2013 : 1–6. DOI : 10.1155 / 2013/924564 .
  18. ^ a b c d Wang, L .; Zhang, H .; Фан, Ю. (2011). «Сравнительное исследование механических свойств, микроструктуры и состава костей черепа и клюва большого пестрого дятла и жаворонка» . Наука Китай Науки о жизни . 54 (11): 1036–1041. DOI : 10.1007 / s11427-011-4242-2 . PMID 22173310 . 
  19. ^ а б Ван, Личжэн; Чунг, Джейсон Так-Ман; Пу, Фанг; Ли, Дэю; Чжан, Мин; Фан, Юбо (2011). "Почему дятел сопротивляется энергии удара головой: биомеханическое исследование" . PLOS One . 6 (10): e26490. DOI : 10.1371 / journal.pone.0026490 . PMC 3202538 . PMID 22046293 .  
  20. ^ Zimmer Biomet, Zimmer Inc. http://www.zimmerbiomet.com/medical-professionals/common/our-science/trabecular-metal-technology.html