Трабекула - Trabecula

Трабекула
Чередование трабекулярного рисунка в бедренной кости отражает механическое напряжение.
Подробности
Часть	Кость
Идентификаторы
FMA	85273
Анатомическая терминология [ редактировать в Викиданных ]

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 , который поддерживает или анкеры рамки частей внутри тела или органа. Трабекулы обычно имеют механическую функцию, и, как правило , состоят 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 и septomarginal трабекулы . Губчатая кость образована скоплениями костной ткани с трабекулярной структурой.

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 пещеристых 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 .

Состав

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. 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. А согласно знаменитому закону Вольфа , предложенному в 1892 году, внешняя форма и внутренняя архитектура кости определяются действующими на нее внешними напряжениями. 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 тотального эндопротезирования суставов и его влияния на ремоделирование кости понимание связанного со стрессом и адаптивного процесса губчатой ​​кости стало центральной проблемой для физиологов костей. Чтобы понять роль губчатой ​​кости в возрастной структуре кости и конструкции систем 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 . Отмечено, 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 выравнивается в направлении, в котором механическая жесткость и прочность являются наибольшими. Из-за направленности микроструктуры механические свойства губчатой ​​кости сильно анизотропны. Диапазон модуля Юнга для 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. Взаимосвязь между модулем губчатой ​​кости и ее кажущейся плотностью была продемонстрирована Картером и Хейсом в 1976 году. Полученное уравнение гласит:

${\ displaystyle E = a + b \ cdot \ rho ^ {c}}$

где представляет собой модуль губчатой ​​кости в любом направлении нагрузки, представляет кажущуюся плотность и являются константами, зависящими от архитектуры ткани. ${\ displaystyle E}$${\ displaystyle \ rho}$${\ displaystyle a,}$ ${\ displaystyle b,}$${\ displaystyle c}$

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.

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 есть три стадии кривой "напряжение-деформация". Первый - это линейная область, где отдельные трабекулы изгибаются и сжимаются при сжатии основной массы ткани. Вторая стадия - после податливости трабекулярные связи начинают разрушаться, а третья стадия - стадия затвердевания. Как правило, трабекулярные области с более низкой плотностью имеют более деформированную стадию до затвердевания, чем образцы с более высокой плотностью.

Таким образом, губчатая кость очень податлива и неоднородна. Неоднородный характер затрудняет резюмирование общих механических свойств губчатой ​​кости. Высокая пористость делает губчатую кость податливой, а большие вариации в архитектуре приводят к высокой неоднородности. Модуль и прочность изменяются обратно пропорционально 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

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. Потеря костной массы определяется Всемирной организацией здравоохранения как остеопения, если минеральная плотность кости (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. Низкая плотность костной ткани значительно увеличивает риск стрессового перелома , который может произойти без предупреждения у тех, кто находится в группе риска. Получаемые в результате остеопороза переломы с малой ударной нагрузкой чаще всего возникают в верхней части бедренной кости , которая состоит на 25-50% из губчатой ​​кости в зависимости от региона, в позвонках, которые примерно на 90% состоят из губчатой ​​кости , или в запястье .

При уменьшении объема губчатой ​​кости нарушается ее первоначальная пластинчато-стержневая структура; пластинчатые структуры преобразуются в стержневидные структуры, а уже существующие стержневидные структуры истончаются, пока не разъединятся и не рассасываются в теле. 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. 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.

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. При остеоартрите основная кость играет важную роль в деградации хряща; таким образом, любая трабекулярная деградация может значительно повлиять на распределение стресса и отрицательно повлиять на рассматриваемый хрящ.

В связи с его сильным влиянием 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.

Птицы

Полая конструкция птичьих костей многофункциональна, обеспечивая высокую удельную прочность и дополняя открытые дыхательные пути, чтобы приспособиться к пневматичности скелета, присущей многим птицам. Прочность удельная и устойчивость к потере устойчивости оптимизируются за счетом своей конструкции кости , которая сочетает в себе тонкие, твердые оболочках, упаковывает губчатое ядро трабекул. Аллометрия их трабекул позволяет скелет переносить нагрузки без существенного увеличения массы костной ткани. Красный ястреб оптимизирует ее вес с повторяющимся узором из V-образной стойки , которые придают костям необходимые легкие и жесткие характеристики. Внутренняя сеть трабекул смещает массу от нейтральной оси , что в конечном итоге увеличивает сопротивление короблению .

Как и у человека, трабекулы у видов птиц распределяются неравномерно в зависимости от условий нагрузки. Птица с наибольшей плотностью трабекул - киви , нелетающая птица. Также существует неравномерное распределение трабекул внутри подобных видов, таких как большой пятнистый дятел или седой дятел . После исследования микро- компьютерной томографии лба, височно-нижнечелюстного сустава и затылка дятла было установлено, что во лбу и затылке значительно больше трабекул. Помимо различия в распределении, соотношение сторон отдельных распорок у дятлов было выше, чем у других птиц аналогичного размера, таких как евразийский удод или жаворонок . 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. И наоборот, более тонкие стержневидные структуры приведут 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.

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 клевания, 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. Но одно измеренное преимущество клюва дятла - это небольшой перекус (верхний клюв на 1,6 мм длиннее нижнего), который вызывает бимодальное распределение силы из-за того, что верхний клюв соприкасается с поверхностными моментами до нижней половины клюва. Такое смещение во времени удара вызывало меньшую нагрузку на трабекулы во лбу, затылке и клюве, чем если бы верхний и нижний клюв имели равную длину.

Исследовать

Технология шлемов

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 превышающей силу тяжести в среднем на 15 ударов. 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 шлемы некоторых птиц.

Черный ящик

Улучшения ударной вязкости черных ящиков разрабатываются на основе головы дятла. Они состоят из твердых слоев стали и алюминия, имитирующих их клюв и череп, эластомерного компонента для равномерного рассеивания вибраций от черепа, такого как подъязычная кость , и пористой структуры из стеклянных микросфер для гашения вибраций, как трабекулярная кость. Эта структура выдержала испытание до 60 000 Gs.

Трабекулярный металлический материал

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 микрометров. 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, чтобы выдерживать нормальные физиологические нагрузки в течение длительных периодов времени.

Трабекула у других организмов

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 костную ткань. Трабекулярная кость масштабируется аллометрически , реорганизуя внутреннюю структуру костей, чтобы увеличить способность скелета выдерживать нагрузки, испытываемые трабекулами. Кроме того, масштабирование трабекулярной геометрии может потенциально снизить трабекулярную деформацию. Нагрузка действует как стимул для трабекуляра, изменяя его геометрию, чтобы выдерживать или уменьшать деформационные нагрузки. Используя моделирование методом конечных элементов, исследование проверило четыре разных вида при одинаковом кажущемся стрессе (σapp), чтобы показать, что трабекулярное масштабирование у животных изменяет деформацию в трабекулярном слое. Было замечено, что напряжение внутри трабекулы от каждого вида варьировалось в зависимости от геометрии трабекулы. В масштабе в несколько десятков микрометров, который приблизительно равен 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 у 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. Более крупные животные не показали 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 . Более крупные птицы демонстрируют сниженные летные привычки 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 губчатой ​​кости связана с «преобладающими механическими условиями», поэтому различия в геометрии губчатой 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. Микроструктура и наноструктуры из дятла «s 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 костью из жаворонка , то дятел черепных кости плотнее и менее губчатые, имеющая более пластинчатая структура с более стержнеобразной структурой , которая наблюдается в жаворонках . 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

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

Для компонента развития черепа см. Трабекулярный хрящ .

использованная литература