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

А трабекула (множественное число трабекулы, от латинского «маленький луч») - это небольшой, часто микроскопический, ткань элемент в виде небольшого луч, стойка или же стержень который поддерживает или закрепляет каркас частей тела или органа.^[1][2] Трабекула обычно выполняет механическую функцию и обычно состоит из плотных коллагеновый ткань (например, трабекула из селезенка ). Они могут состоять из других материалов, таких как мышцы и кости. в сердце, мышцы форма trabeculae carneae и септомаргинальная трабекула.^[3] Губчатая кость формируется из группировок костной ткани с трабекулами.

На поперечных срезах трабекулы губчатая кость может выглядеть как септа, но в трех измерениях они топологически различны: трабекулы имеют примерно стержневидную или столбовидную форму, а перегородки - пластинчатые.

При пересечении полостей, заполненных жидкостью, трабекулы могут выполнять функцию сопротивления натяжению (как в пенис см. например трабекулы кавернозных тел и трабекулы губчатого тела ) или обеспечение фильтра ячеек (как в трабекулярная сеть глаза ).

Множественные перфорации в перегородке могут превратить ее в скопление трабекул, как это происходит со стенками некоторых из легочные альвеолы в эмфизема.

Структура

Трабекулярная кость, также называемая губчатый кость - пористая кость, состоящая из костной ткани с трабекулами. 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 по известному Закон Вольфа Согласно предложенному в 1892 году, 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 кортикальная кость 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 системы кость-имплантат, важно изучить механические свойства губчатой ​​кости в зависимости от переменных, таких 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 / см3.^[6] 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 совмещено в направлении, в котором механическая жесткость и прочность являются наибольшими. Из-за микроструктурной направленности механические свойства губчатой ​​кости сильно анизотропны. Диапазон модуль для младших для губчатой ​​кости 800-14000 МПа, а прочность на разрыв 1-100 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.^[7] Полученное уравнение гласит:

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

куда ${\displaystyle E}$ представляет собой модуль губчатой ​​кости в любом направлении нагрузки, ${\displaystyle \rho }$ представляет собой кажущуюся плотность, а ${\displaystyle a,}$ ${\displaystyle b,}$ и ${\displaystyle c}$ 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 разной 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 упрочнения. 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

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 костей (МПК) на одно стандартное отклонение ниже средней МПК у молодых людей и определяется как остеопороз если оно более чем на 2,5 стандартных отклонения ниже среднего.^[9] Низкая плотность костей значительно увеличивает риск стресс-перелом, что может произойти без предупреждения у тех, кто находится в группе риска.^[10] Получающиеся в результате остеопороза переломы с малой ударной нагрузкой чаще всего возникают в верхняя часть бедра, который состоит на 25-50% из губчатой ​​кости в зависимости от региона, в позвонки которые примерно на 90% состоят из трабекул, 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: остеоартроз, что происходит при хрящ в суставах находится под чрезмерным напряжением 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

Полая конструкция птичьих костей многофункциональна за счет создания высоких удельная сила и добавление открытых дыхательных путей для размещения скелетная пневматичность обычен для многих птиц. В удельная сила и сопротивление коробление оптимизирован за счет конструкции костей, которая сочетает в себе тонкую твердую оболочку, покрывающую губчатое ядро ​​трабекул.^[15] В аллометрия их трабекул позволяет скелету переносить нагрузки без значительного увеличения костной массы.^[16] В Краснохвостый ястреб оптимизирует свой вес за счет повторяющегося рисунка V-образных распорок, которые придают костям необходимые легкие и жесткие характеристики. Внутренняя сеть трабекул смещает массу от нейтральная ось, что в конечном итоге увеличивает сопротивление коробление.^[15]

Как и у человека, трабекулы у видов птиц распределяются неравномерно в зависимости от условий нагрузки. Птица с самым высоким плотность трабекул - это киви, нелетающая птица.^[16] Также наблюдается неравномерное распределение трабекул внутри подобных видов, таких как большой пятнистый дятел или же седой дятел. После изучения микрокомпьютерная томография На лбу, височно-нижнечелюстной кости и затылке дятла было определено, что на лбу и в затылке значительно больше трабекул.^[17] Помимо разницы в распределении, соотношение сторон отдельных стоек у дятлов был выше, 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 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.^[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 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 заключить, что клюв играет меньшую роль в поглощении ударов.^[18] Но одно измеренное преимущество клюва дятла - небольшой перекус (верхний клюв на 1,6 мм длиннее нижнего), который вызывает бимодальное распределение силы 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

Технология шлемов

Важной причиной травм и смерти является травма головы. Ученые вдохновились дятлами на продвижение шлем технологии, узнав об их способности непрерывно замедляться в 1000 раз превышающую силу тяжести в среднем в течение 15 ударов.^[19] Подсчитано, что дятел бьет клювом примерно 12 000 раз в день. Предполагается, что дятлы не получают никаких повреждений мозга от этих сил, которые значительно превышают человеческие возможности. Компания называется Ридделл, производитель шлемов для Армия США и Американский футбол, разрабатывает шлемы, чтобы уменьшить нагрузку на переднюю часть мозга, дизайн которых похож на некоторые птицы.

Черный ящик

Повышение ударной вязкости черные ящики конструируются по мотивам головы дятла. Они состоят из твердых слоев стали и алюминий имитировать их клюв и череп, эластомерный компонент для равномерного рассеивания вибраций от черепа, как подъязычная кость^{[нужна цитата ]}, и пористая структура из стеклянные микросферы для гашения вибраций, как губчатая кость. Эта структура выдержала испытание до 60 000 Gs.

Трабекулярный металлический материал

Сделано Циммер Биомет Материал Trabecular Metal уже 19 лет используется клинически для ортопедических применений, таких как имплантация бедра, колена или плеча, а также заполнителей костных пустот, стержней для лечения остеонекроза и зубных имплантатов. Это открытая ячейка металлическая пена с до 80% пористость, размер каждой поры составляет в среднем 440 мкм. Имеет низкую жесткость и высокий коэффициент трение 0,98, поэтому имплантаты остаются надежными и не скользят. Он сделан из чистого тантал потому что это химически инертный, коррозия -устойчивый и биосовместимый. Эта трабекулярная структура имеет высокий модуль сжатия и высокую предел выносливости выдерживать нормальные физиологические нагрузки в течение длительного времени.^[20]

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 кости. Чешуя губчатой ​​кости аллометрически, реорганизуя внутреннюю структуру костей, чтобы увеличить способность скелет выдерживать нагрузки на трабекулы. Кроме того, масштабирование трабекулярной геометрии может потенциально уменьшить трабекулярную деформацию. Нагрузка действует как стимул к трабекуляру, изменяя его геометрию, чтобы выдерживать или уменьшать 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 внутри трабекулярного образования. Было замечено, что напряжение в трабекулах от каждого вида варьировалось в зависимости от геометрии трабекул. В масштабе в десятки микрометров, что примерно соответствует размеру остеоциты рисунок ниже показывает, что более толстые трабекулы демонстрируют меньшую деформацию. Относительные частотные распределения напряжения элементов, испытываемые каждым видом, показывают более высокую 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 остеоны играют роль в диффузии питательных веществ и продуктов жизнедеятельности в остеоциты и из них, регулируя расстояние между ними. остеоциты и поверхность кости примерно до 230 мкм.

Из-за повышенного снижения насыщения крови кислородом, животные с высокими метаболическими потребностями, как правило, имеют более низкую толщину трабекул (Tb.Th), потому что им требуется увеличение сосудистой перфузия трабекулы. В васкуляризация через туннелирование остеоны изменяет геометрию трабекул с твердой на трубчатую, увеличивая жесткость на изгиб отдельных трабекул и поддерживая кровоснабжение остеоцитов, которые глубоко внедряются в ткань.

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 приспособление что снижает физиологические затраты на производство, поддержание и перемещение тканей. Тем не менее, BV / TV показал значительное положительное масштабирование у птиц. мыщелки бедра. Более крупные птицы демонстрируют снижение летных привычек из-за птичьего BV / TV аллометрия. 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 нагружения бедренной кости. тазобедренный и бедренно-большеберцовые суставы.

В дятел Способность сопротивляться повторяющимся ударам головой коррелирует с его уникальной микро / наноиерархической структурой. составной конструкции. [18] Микроструктура и наноструктура из дятел С череп состоит из неравномерного распределения губчатая кость, организационная форма отдельных трабекул. Это влияет на дятел механические свойства, позволяющие черепная кость выдержать кайф невероятная сила (σu). По сравнению с черепная кость из жаворонок, то дятел черепная кость является более плотным и менее губчатым, имеет структуру от более пластинчатой ​​до более стержневой, что наблюдается в жаворонки. Кроме того, дятел черепная кость имеет большую толщину и количество отдельных трабекул. По отношению к трабекулам в жаворонок, то дятел Трабекуляр более близко расположен и более похож на пластину. [19] Эти свойства приводят к более высокой невероятная сила в черепная кость из дятел, чем жаворонок.

История

Уменьшительно-ласкательная форма латыни трабс, что означает балку или стержень. В 19 веке неологизм трабекула (с предполагаемым множественным числом трабекула) стала популярной, но этимологически менее правильна. Трабекулум сохраняется в некоторых странах как синоним трабекулярная сеть из глаз, но это можно считать плохим употреблением как с точки зрения этимологии, так и с точки зрения описательной точности.

Другое использование

Для компонента развития черепа см. трабекулярный хрящ.

Рекомендации

1. «Определение TRABECULA». www.merriam-webster.com. Получено 2017-09-24.
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. Дои:10.1085 / jgp.200910276. ISSN  0022-1295. ЧВК  2757768. PMID  19752188.
4. «Костные трабекулы: определение и функция». Study.com. Получено 31 марта 2017.
5. Hayes, Wilson C .; Кивени, Тони М. (1993). Кость: трактат (7-е изд.). CRC Press. С. 285–344. ISBN  978-0849388279. Получено 31 марта 2017.
6. Мейерс, М. А .; Чен, П.-Й. (2014). Биологическое материаловедение. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-1-107-01045-1.
7. Картер, Д. Р .; Hayes, W. C. (1976-12-10). «Прочность костей при сжатии: влияние плотности и скорости деформации». Наука. 194 (4270): 1174–1176. Bibcode:1976Научный ... 194.1174C. Дои:10.1126 / science.996549. ISSN  0036-8075. PMID  996549.
8. 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. Получено 31 марта 2017.
9. «Всемирная организация здравоохранения - критерии ВОЗ для диагностики остеопороза». 4BoneHealth. Получено 31 марта 2017.
10. «Стрессовые переломы стопы и голеностопного сустава-ОртоИнфо - AAOS». orthoinfo.aaos.org. Получено 31 марта 2017.
11. Верли, Феликс В. «Роль архитектуры кортикальной и трабекулярной костей в остеопорозе» (PDF). Медицинский факультет Пенсильванского университета. Получено 31 марта 2017.
12. Haq, I .; Murphy, E .; Дакр, Дж. (1 июля 2003 г.). «Остеоартроз». Последипломный медицинский журнал. 79 (933): 377–383. Дои:10.1136 / pmj.79.933.377. ISSN  0032-5473. ЧВК  1742743. PMID  12897215. Получено 31 марта 2017.
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 Институт Технологий. Получено 31 марта 2017.
14. Шетти, Адитья. "Трабекулярный паттерн проксимального отдела бедренной кости | Справочная статья по радиологии | Radiopaedia.org". radiopaedia.org. Получено 31 марта 2017.
15. Мейерс, М. А .; Чен, П.-Й. (2014). Биологическое материаловедение. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. С. 504–506. ISBN  978-1-107-01045-1.
16. Дубе, Майкл; и другие. (2011). «Аллометрические исследования чешуи губчатой ​​кости у млекопитающих и птиц». Труды Королевского общества. Б. 278 (1721): 3067–3073. Дои:10.1098 / rspb.2011.0069. ЧВК  3158937. PMID  21389033.
17. Ван, Личжэн; и другие. (2013). «Влияние микроструктуры губчатой ​​кости в разных частях черепа дятла на устойчивость к ударным повреждениям». Журнал наноматериалов. 2013: 1–6. Дои:10.1155/2013/924564.
18. 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. Дои:10.1007 / s11427-011-4242-2. PMID  22173310.
19. Ван, Личжэн; Чунг, Джейсон Так-Ман; Пу, Фанг; Ли, Дэю; Чжан, Мин; Фан, Юбо (2011). «Почему дятлы сопротивляются энергии удара головой: биомеханическое исследование». PLOS One. 6 (10): e26490. Дои:10.1371 / journal.pone.0026490. ЧВК  3202538. PMID  22046293.
20. Zimmer Biomet, Zimmer Inc. http://www.zimmerbiomet.com/medical-professionals/common/our-science/trabecular-metal-technology.html