Tkanka kostna - Konspekt nt. tkanki kostnej. PDF

Preview

Summary

Konspekt nt. tkanki kostnej....

Description

Inżynieria Tkankowa Tkanki Kostnej

1. Budowa kości Kości stanowią szkielet będący mechaniczną konstrukcją dla całego ciała. Szkielet dorosłego człowieka waży około 10 kg i jest zbudowany z rożnych rodzajów kości, które tworzą tkanka zbita i gąbczasta. Kości składają się z części organicznej, dzięki której kość jest sprężysta (m. in. włókien kolagenu, komórek) oraz mineralnej, dzięki której kość jest twarda (związków wapnia, magnezu i fosforu). W skład każdej kości wchodzą trzy elementy:  okostna;  tkanka kostna;  szpik kostny.

Rysunek 1. Schemat budowy kości [1]

Każdy rodzaj tkanki kostnej zbudowany jest z trzech elementów:  Szkieletu nieorganicznego, zawierającego sole mineralne oraz kryształu hydroksyapatytu zapewniające danej tkance sztywność, ale powodujące kruchość. Stanowi około 70% całej kości.  Włókien kolagenu, nadających elastyczność. Stanowią prawie 30% kości  Komórek kostnych odpowiedzialnych za wzrost i odbudowę tkanki:  osteoblastów (komórki kościotwórcze, produkujące kolagen oraz macierz kostną),  osteoklastów (pomagają w usunięciu starej kości),  osteocytów (tworzą sieć połączeń podobną do struktury układu nerwowego. W razie konieczności mogą uwalniać wapń i fosfor do krwi i płynu pozakomórkowego lub magazynować ich nadwyżki). Stanowią 1-2% całej kości.

2

Rysunek 2. Elementy budowy tkanki kostnej [2]

Tkanka kostna dzieli się na tkankę zbitą i gąbczastą.

Rysunek 3. Kość udowa [3]

Rysunek 4. Struktura tkanki zbitej [4]

3

Rysunek 5. Struktura tkanki gąbczastej [5]

Tkanka kostna zbita (korowa) Występuje w części zewnętrznej kości (tworzy korę) oraz buduje trzony kości długich (np. kość udowa, piszczelowa, ramienna itd.). 75 % kości stanowią minerały. Składa się z ciasno ułożonych blaszek. W środku znajduje się kanał Haversa, wewnątrz którego znajdują się naczynia krwionośne i nerwy. Kość korowa jest twarda, mocno uwapniona, dzięki czemu szkielet jest wytrzymały. Tkanka kostna gąbczasta Znajduje się wewnątrz kości, w nasadach i przy nasadach kości długich oraz wypełnia wnętrze kości płaskich. Z kości beleczkowej zbudowany jest kręgosłup. 26 % kości stanowią minerały. Zbudowana jest z beleczek kostnych utworzonych przez równolegle ułożone blaszki kostne i osteocyty. Beleczki są luźno i pozornie nieregularnie rozmieszczone, tworząc przestrzenną sieć przypominającą gąbkę. Wewnątrz beleczek, w jamkach kostnych, leżą osteocyty, które łączą się z innymi komórkami za pośrednictwem wypustek cytoplazmatycznych biegnących w kanalikach kostnych. Na powierzchni beleczek mogą się znajdować nieliczne osteoblasty i osteoklasty. Beleczki kostne w strukturze kości gąbczastej zajmują tylko 15-25% jej objętości, zaś wolne przestrzenie między beleczkami wypełnia szpik kostny. Układ przestrzenny beleczek kostnych zapewnia maksymalną sztywność i odporność na działanie sił odkształcających. Kość gąbczasta ma znacznie mniejszy ciężar właściwy w porównaniu z kością zbitą, jest od niej mniej twarda bowiem zawiera 3-krotnie mniej minerałów, ale ma za to nieporównanie więcej komórek. Kość ta dzięki swojej strukturze jest odpowiedzialna za równomierny rozkład sił działających na kości i odciążenie części szkieletu. Istota gąbczasta ma duży wpływ w przemianie metabolicznej w szczególności z wbudowywaniem lub uwalnianiem dużych ilości wapnia. Kość gąbczasta jest bardziej aktywna niż kość zbita, zatem jest bardziej podatna na czynniki prowadzące do zmniejszania się masy kostnej (osteoporoza). Kość gąbczasta stanowi 20% masy całego szkieletu.

2. Skład kości Tabela 1. Dane materiałowe kości [6]

Właściwość Skład chemiczny Gęstość kości zbitej Gęstość beleczki kości gąbczastej

[ ] [ ] kg 3 m kg m3

Porowatość kości gąbczastej 4

Wartość Ca ~ 73% P ~ 23% 1800-2000 1820 ~80 %

5

Kość zwarta i gąbczasta mają prawie taki sam skład pierwiastkowy wapń = 73% i fosfor = 27% [7]. Gęstość kości zbitej mieści się w zakresie 1800-2000 kg/m3, podczas gdy gęstość każdej beleczki wynosi 1820 kg/m3. Porowatość jest jednak znacznie wyższa w kości gąbczastej, osiągając 80%. Podobnie jak w przypadku innych materiałów komórkowych gęstość kości gąbczastej jest zwykle obliczana jako stosunek gęstości kości do gęstości pojedynczej beleczki [8].

3. Funkcje kości Istota gąbczasta charakteryzująca się złożoną beleczkową budową na pierwszy rzut oka znacząco różni się od kości zbitej, jednak okazuje się, że obie tkanki nie różnią się zasadniczo ani budową, ani właściwościami. Tam, gdzie linie największego naprężenia rozstępują się, występuje beleczkowa struktura istoty gąbczastej, natomiast w miejscu ich skupienia występuje struktura zbita. To udowadnia, że istota zbita jest zagęszczoną istotą gąbczastą.

Rysunek 6. Trajektorie naprężeń w zginanej kości [9]

Rysunek 7. Schemat naprężeń w przekroju zginanym [9]

Tak jak opisano powyżej kość stanowi kompozyt o zróżnicowanej gęstości, co wynika z podstawowej funkcji jaką spełnia, czyli bycia podporą i przenoszenie obciążeń mechanicznych. W przypadku zginania na zewnętrznej powierzchni następuje rozciąganie a na wewnętrznej ściskanie, dlatego zewnętrzną części kości stanowi kość zbita ukierunkowana beleczkami wzdłuż osi kości. Wewnętrzna część z kolei nie ulega odkształcaniu w taki sposób. Cząstki dążą do przesuwania się względem siebie w kierunki długości kości, stąd też wewnętrzna gąbczasta część kości ma budowę trajektorialną (jednak tylko tam, gdzie kość gąbczasta spełnia funkcję przenoszenia obciążeń mechanicznych). Tam, gdzie funkcją jest podpora dla szpiku kostnego kość gąbczasta przyjmuje postać delikatnej siateczki.

6

Rysunek 8. Mechanizm odbudowy kości [10]

Rysunek 9. Rozkład ładunków na zginanej kości [11]

Aby spełniać wyżej wymienione funkcje kość musi posiadać zdolność autoregeneracji. Przebiega ona w sposób pokazany na rysunku 8. Poprzez odkształcenie w sposób piezoelektryczny w kości następuje wytworzenie się ładunków elektrycznych dodatnich w części rozciąganej i ujemnych w części ściskanej. Takie ładunki powodują w sposób elektrochemiczny pobudzenie osteoklastów i osteoblastów do formowania w taki sposób, że największa aktywność jest w obszarach najbardziej odkształcanych, dlatego po złamaniu i wyleczeniu struktura kości jest inna niż przed, oraz powoduje to, że kości, które są mało obciążane jak kość gąbczasta mają strukturę jak najlżejszą.

7

4. Właściwości mechaniczne Właściwości mechaniczne kości gąbczastej mogą się różnić znacząco między sobą, nawet w danych literaturowych. Jest to spowodowane znaczącymi rocznicami między warunkami prowadzonych badań. W zależności od miejsca pobrania kości, wieku, wagi i płci dawcy, warunków przechowywania próbek (świeże, suszone, balsamowane), warunkach realizacji pomiaru, wyniki różnią się od siebie. Masa świeżego kośćca u zdrowego mężczyzny wynosi ok. 12 kg natomiast u zdrowej kobiety jest go o 2 kg mniej. Dzięki podłożu organicznemu kości cechuje sięJ ona sprężystością, a zawartość soli wapniowych nadaje jej większa wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie. Wytrzymałość na rozciąganie odpowiada wytrzymałości dla mosiądzu czy żelaza lanego, natomiast wytrzymałość na ściskanie odpowiada wytrzymałości żelaza kutego. Kość wykazuje znacznie mniejszą odpornośćK na zginanie, stąd częste jej uszkodzenia - złamania. Tabela 2. Właściwości mechaniczne kości gąbczastej w zależności od płci i umiejscowienia w organizmie [9]

Płeć

Mężczyzna Tkanka Tkanka gąbczasta gąbczasta w w kości kręgu piszczelowej

Kobieta Tkanka Tkanka gąbczasta gąbczasta w w kości kręgu piszczelowej

Wytrzymałość na ściskanie [MPa]

4,6

3,9

2,7

2,2

Odkształcenie przy ściskaniu [%]

9,5

13,4

9,0

11,6

Granica plastyczności [MPa]

4,0

2,8

2,2

1,5

Odkształcenie przy granicy plastyczności [%]

6,7

8,3

6,1

6,9

55,6

34,6

35,1

23,1

Moduł Younga [MPa]

8

W zależności od działających naprężeń kość ma zdolność do dostosowywania swojej gęstości. Przy działaniu większych naprężeń istota gąbczasta staje się bardziej zagęszczona, a przy działaniu mniejszych naprężeń staje się przerzedzona. Dlatego też w zależności od funkcji jaką pełni kość, jej umiejscowienia i naprężeń w niej występujących, charakteryzuje się ona różną gęstością struktury beleczkowej. Podobnie dzieje się z grubością kości - w przypadku większych obciążeń staje się grubsza, natomiast przy mniejszych obciążeniach cieńsza. Kształt kości także potrafi dostosowywać się do obciążeń. Widoczne jest to szczególnie w przypadku złamań, które po krzywym zrośnięciu czynnościowo nieistotne odcinki zanikają, a ważniejsze wzmacniają się lub może nastąpić przyrost kości. Pod względem fizycznym kość jest tworem twardym, lecz pod biologicznym jest masą plastyczną, która może ulegać zmianie. Właściwości mechaniczne kości zależą głównie od ich funkcji. Tkanka kostna zbudowana jest z:  istoty gąbczastej – która tworzy elastyczne nasady (dobrze magazynuje energię),  istoty zbitej – która nadaje sztywność kości. Właściwości kości są ściśle związane z jej gęstością:  istota gąbczastej: 0,14-1,1 g/cm3,  istota zbitej: ok. 1,9 g/cm3. Gęstość kości wpływa na wartość modułu sprężystości wzdłużnej (Younga E) i wytrzymałości na ściskanie. Tabela 3. Porównanie właściwości mechanicznych tkanki kostnej gąbczastej i zbitej [12]

Właściwość materiału Wytrzymałość na ściskanie [MPa] Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Moduł ściskający [GPa] Moduł Younga [GPa] Odporność na pękanie

[ MPa ∙m ] 1 2

9

Tkanka kostna gąbczasta 0,1-16

Tkanka kostna zbita (korowa) 130-200 50-151

0,12 0,05-0,5

11,5-17 7-30 2-12

Rysunek 10. Zależność pomiędzy pozorną gęstością tkanki gąbczastej a wytrzymałością na ściskanie [9]

Odkształcalność tkanki kostnej:  tkanka gąbczasta: do 20%,  tkanka zbita: 1,5-2%.

Rysunek 11.Porównanie próby rozciągania tkanki kostnej zbitej i gąbczastej [13]

Kości należą do materiałów anizotropowych, co oznacza, że posiadają różne właściwości w zależności od analizowanego kierunku. Moduł Younga w kierunku podłużnym jest 2 razy większy niż w poprzecznym a wytrzymałość na rozciąganie jest 2.5 razy większa. Badania tego materiału wykonuje się w temperaturze 36°C i środowisku wilgotnym (w celu symulacji warunków zbliżonych do panujących w ciele człowieka).

10

Rysunek 12. Anizotropia kości korowej na przykładzie charakterystyki siła-wydłużenie [14]

Właściwości mechaniczne kości zależą głównie od gęstości tkanek. Ze względu na zmiany zachodzące w ciele człowieka, z biegiem czasu masa kości, a tym samym gęstość, ulegają zmniejszeniu. Potwierdzają to zebrane na rysunku 13 i 14 dane.

Rysunek 13. Zmiana masy kości w organizmie człowieka [15]

11

Rysunek 14. Moduł Younga kości gąbczastej w zależności od wieku, płci oraz umiejscowienia kości w organizmie [9]

Dane literaturowe na temat tkanki kostnej mogą się znacząco różnić między sobą. Dzieje się tak, ponieważ w przypadku badań in vitro na jakość próbki duży wpływ ma miejsce jej pobrania, orientacja przestrzenna oraz przede wszystkim sposób przechowywania preparatu. Właściwości próbek pobranych zaraz przed badaniem mogą różnić się nawet o 20% w stosunku do preparatów suchych.

5. Implanty kostne Wymogi stawiane implantom kostnym: • Biokompatybilność • Nietoksyczność • Bioaktywność (pobudzanie do kościotworzenia) • Odpowiednie właściwości wytrzymałościowe • Degradacja w zaplanowanym czasie bądź jej brak Implanty kostne, tak jak implanty pozostałych tkanek muszą być biokompatybiline, nietoksyczne, niewywołujące odczynów alergicznych, odporne na korozję bądź degradujące w bezpieczny sposób. Większość implantów wymaga dobrej osteointegracji z kością, czemu sprzyja bioaktywność materiału. Właściwości mechaniczne implantu powinny być jak najbardziej zbliżone do kości, bowiem gorsze parametry mogą nieść za sobą ryzyko uszkodzenia, a lepsze powodować mogą przenoszenie większości naprężeń przez implant, nie obciążając kości w odpowiedni sposób. Dzięki dobrym własnościom adaptacyjnym kości, spowoduje to wzmożoną aktywność osteoklastów, w efekcie skutkując obluzowaniem implantu.

12

6. Inżynieria tkankowa

13

Bibliografia: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]

[14] [15] [16] [17]

14

[dostęp online 2.06.2019] https://pl.wikipedia.org/wiki/Kość#/media/File:Bone_cross-section-pl.svg [dostęp online 3.06.2019] http://cdn.intechweb.org/pdfs/18852.pdf [dostęp online 2.06.2019] http://udspace.udel.edu/handle/19716/1645 [dostęp online 3.06.2019] http://cdn.intechweb.org/pdfs/18852.pdf [dostęp online 3.06.2019] https://pl.wiktionary.org/wiki/struktura#/media/File:Human_hip_bone_texture.jpg [dostęp online 3.06.2019] http://cdn.intechweb.org/pdfs/18852.pdf Caetano-Lopes i in., 2009a Gibson i Ashby, 1999 O. Lindahl, Mechanical Properties of Dried Defatted Spongy Bone, Acta Orthopaedica Scandinavica, 47.1: 11-19, 1976. J. Marciniak, Biomateriały w chirurgii kostnej. J. Szewczenko, Zjawiska elektryczne w kościach długich, Przegl. Elektrotechn. R. 81, no 12, 94-97. 2005. L.-C. Gerhardt, A. R. Boccaccini, Review – Bioactive Glass and Glass-Ceramic Scaffolds for Bone Tissue Engineering, Materials, 3(7), Lipiec 2010. J. C. Lotz, E. J. Cheal, W. D. Hayes, Fracture prediction for the proximal femur using finite element models. Part I: Linear analysis. Part II: Nonlinear analysis., J. Biomech, 113, pp. 353–365, 1991. [dostęp online 2.06.2019] http://jacek.buskiewicz.pracownik.put.poznan.pl/dydaktyka/bi/Konspekt_IB_W01.pdf [dostęp online 2.06.2019] https://www.vitamk7.com/bone_health.php J. Marciniak, Biomateriały. A. Bochenek, M. Reicher, Anatomia człowieka, Tom 1....