beleczki - Trabecula

beleczki
Coxa-valga-norma-vara-000.svg
Zmiana wzoru beleczkowania w kości udowej odzwierciedla naprężenia mechaniczne
Detale
Część Kość
Identyfikatory
FMA 85273
Terminologia anatomiczna
Wnętrze kości ukazujące strukturę beleczkowatą

Trabecula (mnogiej beleczki od łacińskiego słowa „małego promienia”) jest niewielkie, często mikroskopijne tkanki elementem w postaci małego promienia , podpory lub prętem podtrzymujący ramy części wewnątrz korpusu lub narządu. Trabecula zasadzie funkcję mechaniczną i zazwyczaj składa się z gęstej kolagen tkanki (np trabecula w śledzionie ). Mogą składać się z innych materiałów, takich jak mięśnie i kości. W sercu , mięśnie tworzą beleczek carneae i septomarginal trabecula . Kość gąbczasta powstaje ze zgrupowań trabekulowanej tkanki kostnej.

W przekrojach beleczki kości gąbczastej mogą wyglądać jak przegrody , ale w trzech wymiarach różnią się topologicznie, przy czym beleczki mają kształt pręta lub słupa, a przegrody są blaszkowate.

Podczas przekraczania przestrzeni wypełnionych płynem, beleczki mogą pełnić funkcję przeciwdziałania naprężeniom (jak w prąciu , patrz np. beleczki ciał jamistych i beleczki ciała gąbczastego ) lub zapewniać filtr komórkowy (jak w siateczce beleczkowej oka ).

Wielokrotne perforacje w przegrodzie mogą zredukować ją do zbioru beleczek, jak to ma miejsce w przypadku ścian niektórych pęcherzyków płucnych w rozedmie .

Struktura

Kość beleczkowa, zwana także kością gąbczastą , to porowata kość złożona z beleczkowanej tkanki kostnej. Można go znaleźć na końcach kości długich, takich jak kość udowa, gdzie kość w rzeczywistości nie jest solidna, ale jest pełna dziur połączonych cienkimi prętami i płytkami tkanki kostnej. Czerwony szpik kostny, w którym powstają wszystkie komórki krwi, wypełnia przestrzeń między porami beleczkowatymi. Chociaż kość beleczkowa zawiera dużo dziur, jej przestrzenna złożoność przyczynia się do maksymalnej wytrzymałości przy minimalnej masie. Należy zauważyć, że kształt i struktura kości beleczkowej są zorganizowane tak, aby optymalnie opierały się obciążeniom nałożonym przez czynności funkcjonalne, takie jak skakanie, bieganie i kucanie. I zgodnie ze słynnym Prawem Wolffa , zaproponowanym w 1892 roku, zewnętrzny kształt i wewnętrzna architektura kości są determinowane przez działające na nią zewnętrzne naprężenia. Wewnętrzna struktura kości beleczkowej najpierw ulega zmianom adaptacyjnym wzdłuż kierunku naprężenia, a następnie wtórnym zmianom ulega zewnętrzny kształt kości korowej . W końcu struktura kości staje się grubsza i gęstsza, aby oprzeć się obciążeniom zewnętrznym.

Ze względu na rosnącą ilość całkowitej wymiany stawu i jej wpływ na przebudowę kości, zrozumienie związanego ze stresem i adaptacyjnego procesu kości beleczkowej stało się głównym przedmiotem zainteresowania fizjologów kości. Aby zrozumieć rolę kości gąbczastej w strukturze kości związanej z wiekiem i projektowaniu systemów kość-implant, ważne jest zbadanie właściwości mechanicznych kości gąbczastej jako funkcji zmiennych, takich jak lokalizacja anatomiczna, gęstość i wiek. W tym celu konieczne jest zbadanie czynników mechanicznych, w tym modułu, wytrzymałości jednoosiowej i właściwości zmęczeniowych.

Zwykle, procent porowatość kości beleczkowatej jest w zakresie 75-95%, a gęstość mieści się w zakresie od 0,2 do 0,8 g / cm 3 . Zauważa się, że porowatość może zmniejszyć wytrzymałość kości, ale także zmniejszyć jej wagę. Porowatość i sposób ustrukturyzowania porowatości wpływa na wytrzymałość materiału. Tak więc mikrostruktura kości beleczkowej jest zazwyczaj zorientowana, a „ziarno” o porowatości jest ustawione w kierunku, w którym sztywność i wytrzymałość mechaniczna są największe. Ze względu na kierunkowość mikrostrukturalną właściwości mechaniczne kości beleczkowej są wysoce anizotropowe. Zakres modułu Younga dla kości gąbczastej wynosi od 800 do 14 000 MPa, a siła uszkodzenia od 1 do 100 MPa.

Jak wspomniano powyżej, właściwości mechaniczne kości gąbczastej są bardzo wrażliwe na gęstość pozorną. Zależność między modułem kości beleczkowej a jej gęstością pozorną wykazali Carter i Hayes w 1976 roku. Otrzymane równanie mówi:

gdzie reprezentuje moduł kości beleczkowej w dowolnym kierunku obciążenia, reprezentuje gęstość pozorną i są stałymi w zależności od architektury tkanki.

Ponadto na podstawie skaningowej mikroskopii elektronowej odkryto, że zmienność w architekturze beleczkowej o różnych miejscach anatomicznych prowadzi do różnych modułów. Aby zrozumieć zależności struktura-anizotropia i właściwości materiałów, należy skorelować zmierzone właściwości mechaniczne anizotropowych próbek beleczkowatych ze stereologicznymi opisami ich architektury.

Wytrzymałość kości gąbczastej na ściskanie jest również bardzo ważna, ponieważ uważa się, że wewnętrzne uszkodzenia kości gąbczastej wynikają z naprężeń ściskających. Na krzywych naprężenie-odkształcenie zarówno dla kości gąbczastej, jak i kości korowej o różnej gęstości pozornej, istnieją trzy etapy krzywej naprężenie-odkształcenie. Pierwszym z nich jest obszar liniowy, w którym poszczególne beleczki wyginają się i ściskają w miarę ściskania tkanki objętościowej. Drugi etap to po ustąpieniu wiązania beleczkowe zaczynają pękać, a trzeci etap to etap usztywniania. Zazwyczaj beleczkowe obszary o mniejszej gęstości mają bardziej zdeformowany etap przed usztywnieniem niż próbki o większej gęstości.

Podsumowując, kość beleczkowa jest bardzo podatna i niejednorodna. Niejednorodny charakter utrudnia podsumowanie ogólnych właściwości mechanicznych kości gąbczastej. Wysoka porowatość sprawia, że ​​kość beleczkowa jest podatna, a duże różnice w architekturze prowadzą do wysokiej niejednorodności. Moduł i wytrzymałość zmieniają się odwrotnie z porowatością i silnie zależą od struktury porowatości. Dodatkowo, wpływ starzenia i małych pęknięć kości beleczkowatych na ich właściwości mechaniczne zostanie dokładniej przeanalizowany w końcowych szkicach.

Znaczenie kliniczne

Prawidłowe i patologiczne struktury beleczkowate kości

Badania wykazały, że gdy człowiek osiąga dorosłość, gęstość kości stopniowo spada wraz z wiekiem, do czego częściowo przyczynia się utrata beleczkowatej masy kostnej. Utrata masy kostnej jest definiowana przez Światową Organizację Zdrowia jako osteopenia, jeśli gęstość mineralna kości (BMD) jest o jedno odchylenie standardowe poniżej średniej BMD u młodych dorosłych i jest definiowana jako osteoporoza, jeśli jest ona większa niż 2,5 odchylenia standardowego poniżej średniej. Niska gęstość kości znacznie zwiększa ryzyko złamań stresowych , które mogą wystąpić bez ostrzeżenia u osób zagrożonych. Wynikające z osteoporozy złamania niskoudarowe najczęściej występują w górnej części kości udowej , która składa się z 25-50% kości beleczkowej w zależności od regionu, w kręgach, które są w około 90% beleczkowate, lub w nadgarstku .

Kiedy objętość kości beleczkowej zmniejsza się, jej pierwotna struktura płytkowo-prętowa zostaje zaburzona; struktury podobne do płyt są przekształcane w struktury podobne do prętów, a istniejące struktury podobne do prętów są cienkie, dopóki nie rozłączą się i wchłoną w korpus. Zmiany w kości beleczkowej są zazwyczaj zależne od płci, przy czym najbardziej zauważalne różnice w masie kostnej i mikrostrukturze beleczkowej występują w przedziale wiekowym menopauzy. Degradacja beleczek w czasie powoduje spadek wytrzymałości kości, który jest nieproporcjonalnie duży w stosunku do objętości ubytku kości beleczkowej, pozostawiając pozostałą kość podatną na złamanie.

Przy osteoporozie często występują również objawy choroby zwyrodnieniowej stawów , która pojawia się, gdy chrząstka w stawach jest poddawana nadmiernemu obciążeniu i z czasem ulega degradacji, powodując sztywność, ból i utratę ruchu. W przypadku choroby zwyrodnieniowej stawów leżąca poniżej kość odgrywa znaczącą rolę w degradacji chrząstki; zatem każda degradacja beleczkowa może znacząco wpływać na rozkład naprężeń i niekorzystnie wpływać na daną chrząstkę.

Ze względu na jego silny wpływ na ogólną wytrzymałość kości, istnieją obecnie silne spekulacje, że analiza wzorców degradacji beleczek może być przydatna w niedalekiej przyszłości w śledzeniu postępu osteoporozy.

Ptaki

Pusta konstrukcja kości ptaków jest wielofunkcyjna, ponieważ zapewnia wysoką wytrzymałość właściwą i uzupełnia otwarte drogi oddechowe, aby dostosować się do pneumatycznego szkieletu, który jest powszechny u wielu ptaków. Wytrzymałość specyficzne i odporność na wyboczenie jest zoptymalizowany pod względem konstrukcji kostnej, która łączy się cienka, twarda powłoka, która otacza rdzeń gąbczastą beleczek. Allometria ich beleczek umożliwia szkielet tolerowania obciążeń bez znacznego zwiększania masy kostnej. Rdzawosterny optymalizuje jego ciężar z powtarzając wzór w kształcie litery V, które dają rozpórki kości niezbędne lekkich i sztywnych cech. Wewnętrzna sieć beleczek przesuwa masę od osi neutralnej , co ostatecznie zwiększa odporność na wyboczenie .

Podobnie jak u ludzi, rozmieszczenie beleczek u gatunków ptaków jest nierównomierne w zależności od warunków obciążenia. Ptakiem o największym zagęszczeniu beleczek jest kiwi , ptak nielotny. Występuje również nierównomierne rozmieszczenie beleczek w obrębie podobnych gatunków, takich jak dzięcioł duży czy dzięcioł zielonosiwy . Po przeprowadzeniu badania mikrotomografii komputerowej czoła, skroniowo-żuchwowego i potylicy dzięcioła stwierdzono, że w czole i potylicy jest znacznie więcej beleczek. Oprócz różnicy w rozmieszczeniu, proporcje poszczególnych rozpórek były wyższe u dzięciołów niż u innych ptaków o podobnej wielkości, takich jak dudek czy skowronek . Beleczki dzięcioła są bardziej podobne do płyt, podczas gdy jastrząb i skowronek mają struktury przypominające pręty, połączone w sieć przez ich kości. Zmniejszenie obciążenia mózgu dzięcioła przypisuje się większej ilości grubszych, przypominających płytkę rozpórek, upakowanych bliżej siebie niż jastrząb, dudek czy skowronek. Odwrotnie, cieńsze struktury przypominające pręt prowadziłyby do większej deformacji. Destrukcyjny test mechaniczny z 12 próbkami wykazuje, że konstrukcja beleczek dzięcioła ma średnią wytrzymałość 6,38 MPa, w porównaniu do 0,55 MPa skowronka.

Poza czaszką dziób dzięciołów ma maleńkie rozpórki podtrzymujące skorupę dzioba, ale w mniejszym stopniu w porównaniu z czaszką. W wyniku mniejszej liczby beleczek w dziobie ma większą sztywność 1,0 GPa w porównaniu do czaszki 0,31 GPa. Podczas gdy dziób pochłania część uderzenia z dziobania, większość uderzenia jest przenoszona na czaszkę, gdzie więcej beleczek jest aktywnie dostępnych do pochłaniania wstrząsów. Ostateczna wytrzymałość dzioba dzięcioła i skowronka jest podobna, co można wnioskować, że dziób odgrywa mniejszą rolę w pochłanianiu uderzeń. Jednak jedną z wymiernych zalet dzioba dzięcioła jest niewielki zgryz (dziób górny jest o 1,6 mm dłuższy niż dziób dolny), który powoduje dwumodalny rozkład siły, ponieważ górny dziób styka się z powierzchnią na moment przed dolną połową dzioba. Ten rozłożony czas uderzenia powodował mniejsze obciążenie beleczek w czole, potylicy i dziobie, niż gdyby górny i dolny dziób miały jednakową długość.

Badania

Technologia kasku

Ważną przyczyną obrażeń i śmierci jest uraz głowy. Naukowcy zainspirowali się dzięciołami do rozwoju technologii hełmów po tym, jak dowiedzieli się o ich zdolności do ciągłego spowalniania z 1000 razy większą siłą grawitacji przez średnio 15 dziobów. Szacuje się, że dzięcioł uderza w dziób około 12 000 razy dziennie. Zakłada się, że dzięcioły nie doznają żadnych uszkodzeń mózgu przy tych siłach, które znacznie przekraczają ludzkie możliwości. Firma o nazwie Riddell , producent kasków dla armii Stanów Zjednoczonych i futbolu amerykańskiego , opracowuje kaski łagodzące naprężenia przedniej części mózgu o konstrukcji podobnej do niektórych ptaków.

Czarna skrzynka

Ulepszenia siły uderzenia czarnych skrzynek są projektowane w oparciu o głowę dzięcioła. Składają się z twardych warstw stali i aluminium, które naśladują ich dziób i czaszkę, elastomerowego komponentu, który równomiernie rozprasza drgania z dala od czaszki, jak kość gnykowa , oraz porowatej struktury wykonanej z mikrosfer szklanych, która tłumi drgania, takie jak kość beleczkowa. Ta konstrukcja przetrwała próbę do 60 000 Gs.

Materiał beleczkowy z metalu

Stworzony przez Zimmer Biomet materiał Trabecular Metal jest używany klinicznie od 19 lat do zastosowań ortopedycznych, takich jak implanty biodra, kolana lub barku, a także wypełniacze pustych przestrzeni kostnych, pręty do martwicy kości i implanty dentystyczne. Jest to pianka metalowa o otwartych komórkach o porowatości do 80% , każdy rozmiar porów to średnio 440 mikrometrów. Ma niską sztywność i wysoki współczynnik tarcia wynoszący 0,98, dzięki czemu implanty pozostają bezpieczne bez przesuwania się. Wykonany jest z czystego tantalu, ponieważ jest chemicznie obojętny , odporny na korozję i biokompatybilny. Ta beleczkowata struktura ma wysoki moduł ściskania i wysoką wytrzymałość zmęczeniową, aby wytrzymać normalne naprężenia fizjologiczne przez długi czas.

beleczki w innych organizmach

Im większe zwierzę, tym większe obciążenie musi wytrzymać jego kości. Wcześniej wiadomo było, że kość beleczkowa zwiększa sztywność poprzez zwiększenie ilości kości na jednostkę objętości lub poprzez zmianę geometrii i rozmieszczenia poszczególnych beleczek w miarę wzrostu wielkości ciała i obciążenia kości. Kości beleczkowate skalują się allometrycznie , reorganizując wewnętrzną strukturę kości w celu zwiększenia zdolności szkieletu do wytrzymywania obciążeń doświadczanych przez beleczki. Ponadto skalowanie geometrii beleczkowej może potencjalnie łagodzić naprężenia beleczkowe. Obciążenie działa jak bodziec dla beleczkowania, zmieniając jego geometrię tak, aby wytrzymać lub złagodzić obciążenia odkształceniowe. Korzystając z modelowania elementów skończonych, w badaniu przetestowano cztery różne gatunki pod równym pozornym naprężeniem (σapp), aby wykazać, że skalowanie beleczkowania u zwierząt zmienia naprężenie w obrębie beleczkowania. Zaobserwowano, że naprężenie w obrębie beleczek każdego gatunku zmieniało się wraz z geometrią beleczek. Ze skali dziesiątek mikrometrów, która jest w przybliżeniu wielkością osteocytów , poniższy rysunek pokazuje, że grubsze beleczki wykazywały mniejsze obciążenie. Względne rozkłady częstotliwości naprężeń elementowych doświadczanych przez każdy gatunek wykazują wyższe moduły sprężystości beleczek wraz ze wzrostem wielkości gatunku.

Dodatkowo beleczki u większych zwierząt są grubsze, bardziej oddalone i mniej gęsto połączone niż u mniejszych zwierząt. Osteon śródbeleczkowy można powszechnie znaleźć w grubych beleczkach większych zwierząt, a także w cieńszych beleczkach mniejszych zwierząt, takich jak gepardy i lemury . W osteons odgrywać rolę w dyfuzji składników odżywczych i produktów przemiany materii i poza osteocytów regulując odległość między osteocytów i powierzchni kości do około 230 mikrometrów.

Ze względu na zwiększone zmniejszenie wysycenia krwi tlenem, zwierzęta o wysokim zapotrzebowaniu metabolicznym mają tendencję do mniejszej grubości beleczek (Tb.Th), ponieważ wymagają one zwiększonej perfuzji naczyniowej beleczek. Unaczynienie przez tuneli osteons zmienia beleczkowatej geometrię ze stanu stałego do rurowy, zwiększając sztywność zginania indywidualnej beleczek i utrzymania dopływu krwi do osteocytów, które są głęboko osadzone w tkance.

Stwierdzono, że frakcja objętości kości (BV/TV) jest względnie stała dla różnych wielkości badanych zwierząt. Większe zwierzęta nie wykazywały istotnie większej masy na jednostkę objętości kości beleczkowej. Może to wynikać z adaptacji, która zmniejsza fizjologiczny koszt wytwarzania, utrzymywania i przemieszczania tkanki. Jednak BV/TV wykazały znaczące dodatnie łuszczenie w kłykciach ptasiej kości udowej . Większe ptaki prezentują obniżone nawyki lotu z powodu ptasiej allometrii BV/TV . Nielotny kiwi, ważący zaledwie 1–2 kg, miał największy BV/TV spośród badanych ptaków. Pokazuje to, że geometria kości beleczkowej jest związana z „dominującymi warunkami mechanicznymi”, więc różnice w geometrii beleczkowania w głowie i kłykciu kości udowej mogą potencjalnie przedstawiać różne środowiska obciążenia stawów biodrowo - udowych i udowo - piszczelowych .

Zdolność dzięcioła do opierania się powtarzalnym uderzeniom głową jest skorelowana z jego unikalnymi mikro/nanohierarchicznymi strukturami kompozytowymi . Mikrostruktura i nanostruktury w dzięcioła jest czaszki składa się z nierównomiernego rozkładu gąbczastej kości , kształt organizacyjnej poszczególnych beleczek. Wpływa to na właściwości mechaniczne dzięcioła , pozwalając kości czaszki wytrzymać wysoką wytrzymałość (σu). W stosunku do czaszki kości w skowronek The dzięcioł kości czaszkowej jest gęstsza i mniej gąbczaste, które ma bardziej płytowy struktury do bardziej prętowych konstrukcji, która jest obserwowana w larks . Ponadto kość czaszki dzięcioła ma większą grubość i ilość pojedynczych beleczek. W stosunku do beleczek skowronek , w dzięcioła „s beleczkowatej jest bardziej oddalone bardziej płytkowy. [19] Te właściwości powodują wyższą wytrzymałość na czaszki kości w dzięcioła niż w skowronek .

Historia

Zdrobnienie od łacińskich trabów , co oznacza belkę lub belkę. W XIX wieku neologizm trabeculum (z przyjętą liczbą mnogą beleczek ) stał się popularny, ale jest mniej etymologicznie poprawny. Beleczce trwa w niektórych krajach jako synonim beleczkowania części oka , ale może to być uznane za słaba użycie ze względu na etymologię i dokładność zarówno opisowej.

Inne zastosowania

Składnik rozwoju czaszki, patrz chrząstka beleczkowata .

Bibliografia