Modul 2. Elemente de baza in anatomia mersuluiCurs 2.1 Cunostinte fundamentale privind structura osului si proprietatile acestuia

Profesor: Taina Avramescu

CUPRINS

IntroducereObservatii asupra structurii osului..4Stadiul la zi al problemeiCapacitatea de a oferi o caracterizare complet a proprietilor elastice ale osului a mbuntit considerabil intelegerea proprietilor mecanice osoase. Pe baza acestor informaii, a fost posibil validarea cteva concepte mecanice legate de comportamentul elastic al osului trabecular, care nu au putut fi validate anterior. Dezvoltarea recenta a scanerelor micro-CT i disponibilitatea sistemelor informatice a permis descrierea condiiilor fiziologice de ncrcare a esuturilor osoase pornind de la modele ale structurilor osoase obtinute prin metoda elementului finit, care poate reprezenta oase umane ntregi n detaliu. Astfel de analize pot furniza datele necesare pentru o mai bun nelegere a proceselor de distructie osoasa sau a proceselor adaptive de remodelare.

Obiectivele cursului

Structurarea informatiei existente intr-o forma sintetica

Prezentarea celor mai recente teorii Descrierea structurii osoase si a morfofiziologiei osoase cu utilitate practica in studiile de cazAnterior urmaririi acestui curs, cursantul trebuie sa posede urmatoarele cunostinte:

Cunostinte de baza in anatomia umana Cunostinte de baza in biomecanica Dupa urmarea acestui curs cursantul trebuie sa posede cunostinte care sa ii permita:

Sa descrie componentele structural osoase

Introducere

Responsabilitatea primar a scheletului este de a oferi suportul structural al organismului. Scheletul ofera sustinere in mentinerea posturii, support pentru insertiile musculare intervenind in miscare micare, suporta incarcarea datorata greutatii corpului si protejeaz organele interne. Aceste functii pot fi alterate de tulburri genetice, cum este osteogeneza imperfecta, boli metabolice, cum este boala Paget, sau pierderea de masa osoasa asociata procesului de imbatranire (osteopenie). Pentru a aprecia riscurile structurale care insotesc patologia osoasa, este esenial sa fie luate n considerare mai multe concepte interdisciplinare privind forema, structura si proprietile biomecanice ale osului.

SCHELETUL constituie suportul rigid al corpului. El este format din 208 oase din care Oasele sunt supuse la solicitri diverse i repetate.

1.Solicitri de presiune: - susin greutatea corpului

- n special oasele membrelor inferioare.

2. Solicitri n flexiune: - servesc de bra de prghie pentru traciuni musculare.

3. Solicitri n traciune; ex. n transportul obiectelor grele.

OBSERVATII ASUPRA STRUCTURII OSULUI

Osul este un tesut conjunctiv dur, bogat vascularizat si constant modificabil, adaptat la maxim functiei de sustinere si rezistenta. in cele ce urmeaza nu vom insista asupra aspectelor clasice de structura si morfofiziologie osoasa, bine cunoscute de altfel, limitandu-ne la punctarea unor notiuni de baza, pe care le consideram importante in intelegerea fenomenelor ce constituie obiectul studiului prezent si insistand asupra rolului factorilor mecanici in determinarea formei, structurii si functiilor osului.

Sintetizand notiunile clasice, osului ca organ i se pot descrie din punct de vedere morfofunctional 4 ordine de structuri (Weiner si Traub, 1992).

1. Structuri de ordinul I : arhitectura compacta si spongioasa, maduva osoasa, periostul, cartilajul articular, cartilajul de crestere;

2. Structuri de ordinul II: canale haversiene, lamele osoase circumferentiale, vase sanguine, nervi;

3. Structuri de ordinul III: matricea extracelulara - fibre de colagen, microfibrile, celule osoase, cristale de hidroxiapatita;

4. Structuri de ordinul IV: dispunerea moleculara a substantelor organice si anorganice.

Structurile de prim ordin reflecta pe plan functional rolul de sustinere pe care il joaca osul si modul de solicitare din punct de vedere mecanic, de aceea in cele ce urmeaza ne vom referi cu precadere la aceste structuri.Macroscopic osul viu este alb, de consistenta dura, iar substanta osoasa propriu-zisa se prezinta sub doua aspecte: compacta si spongioasa. Osul compact se gsete ntodeauna la exterior, nconjurnd osul spongios, cantitatea i arhitectura lui variind caracteristic pentru fiecare os ntr-o manier ce ilustreaaz forma, poziia i rolul funcional al osului respectiv. O examinarea amnunit a osului compact l art a fi extrem de poros, astfel nct diferena dintre el i osul trabecular depinde de cantitatea relativ de materie solid i de numrul i mrimea cavitilor din fiecare: n osul compact spaiile sunt mai mici i materia solid mai abundent. Osul, ca i alte esuturi conective, este format din matricea intercelular i celule incluse n aceast matrice.

Matricea este compus n proporie de 40% din materii organice, n principal fibre de colagen i n rest din sruri anorganice bogate n calciu i fosfor. Celulele - constau dintr-un anumit numr de tipuri ce includ:

-celule osteoprogenitoare ce dau natere la variate celule osoase (celule stem);

-osteoblaste (responsabile de sinteza, depozitarea i mineralizarea matricei);

-osteocite (incluse n matrice);

-osteoclaste (cu rol n erodarea activ - remanierea osoas).

Substanta osoasa compacta are o structura omogena, fiind formata din lamele osoase alipite, fara a determina cavitati interioare, cu o importanta deosebita in asigurarea rezistentei osoase. Substanta osoasa spongioasa este formata din lame sau trabecule osoase orientate in sensuri diferite, intersectandu-se in puncte diferite si delimitand astfel o serie de cavitati (areole), de forme si marimi diferite, in care se afla maduva osoasa. Forma acestor cavitati poate fi apreciata ca tubular-cilindrica, ovoidala sau sferica. Diametrele lor variaza: cele apropiate de suprafata osului sunt mai mici, in timp ce in profunzime, pe masura apropierii de cavitatea medulara centrala, devin din ce in ce mai mari. Astfel se realizeaza o trecere treptata intre tesutul osos compact si cel spongios.Continutul cavitatilor este reprezentat de maduva osoasa, ele comunicand liber cu cavitatea medulara centrala a diafizelor. Maduva osoasa poate fi rosie, hematopoietica sau galbena, adipoasa, caracterul sau variind cu varsta si localizarea. in mastoida multe cavitati sunt pline cu aer, o situatie particulara la om, dar frecvent intalnita la pasari.

Substanta spongioasa osoasa are un rol important in cresterea rezistentei osului, adapostirea tesuturilor medulare si formarea unui rezervor pentru fosfat si calciul metabolic ce pot fi usor adaugate sau retrase prin actiune celulara sub control hormonal. Se observa ca pentru aceeasi masa suprafata osului spongios este mult mai mare decat a osului compact, aceasta fiind o proprietate de mare importanta in descrierea si explicarea functiilor spongioasei osoase, aspecte ce vor fi detailate in continuare.

in organismul uman cele doua tipuri de substanta osoasa sunt repartizate diferit, in functie de tipul osului respectiv. in studiile clasice corpul oaselor lungi (diafiza) este format dintr-un cilindru de tesut osos compact strabatut de un canal central (cavitatea medulara). Studii mai recente au aratat faptul ca trecerea de la substanta osoasa compacta la cavitatea medulara se realizeaza treptat, prin intermediul substantei osoase spongiose care participa la formarea interfetei os -maduva.

Extremitatile oaselor lungi (epifizele) sunt formate dintr-o patura de substanta osoasa compacta la periferie si o masa de substanta osoasa spongioasa la interior. Oasele plane sunt formate din doua straturi de substanta osoasa compacta intre care se gaseste un strat de substanta osoasa spongioasa. La nivelul marginilor osului cele doua straturi de substanta compacta fuzioneaza astfel incat invelesc din toate partile substanta spongioasa osoasa. in cazul oaselor plane ale boltii craniene straturile de substanta compacta se numesc table (interna si externa), iar substanta osoasa spongioasa dintre acestea se numeste diploe.Oasele scurte prezinta o conformatie asemanatoare cu cea a epifizelor oaselor lungi: la exterior se afla un strat de substanta compacta ce inveleste o masa de substanta spongioasa.La exterior osul este invelit de periost. Periostul este o membrana fibroasa care inveleste osul pe toata suprafata sa exterioara, cu exceptia suprafetelor acoperite de cartilaj articular si a unor insertii musculare. La nivelul articulatiilor periostul se continua cu capsula articulara, astfel intregul schelet este invelit intr-o teaca fibroasa conjunctiva. Grosimea sa variaza cu natura oaselor (la nivelul oaselor lungi este 3mm). Prin fata sa profunda adera de os. Acest fapt se datoreaza vaselor care trec din el in osul subjacent prin canalele Volkmann, dar mai ales unor fibre conjunctive, numite fibrele Sharpey care pleaca din periost si patrund in substanta osoasa compacta. Aderenta este mai mare la suprafata oaselor scurte, epifizele oaselor lungi; mai mare la batrani.Periostul este bogat in vase sanguine si nervi. Are rol in formarea de tesut osos in perioada osteogenezei, in nutritia osului la adult si in formarea calusului in fracturi sau repararea unor pierderi limitate de substanta osoasa.

In concluzie osul matur este compus din 2 tipuri de substanta osoasa - una densa ca structura (substanta osoasa compacta), cealalta constand dintr-o retea de trabecule intre care se delimiteaza numeroase cavitati (substanta osoasa spongioasa). Substanta compacta se gaseste intodeauna la exterior, inconjurand substanta spongioasa, cantitatea si arhitectura sa variind caracteristic pentru fiecare os intr-o maniera ce ilustreaza forma, pozitia si rolul functional al osului respectiv.

Scheletul osos adult este format din substanta osoasa lamelara, dar aranjamentul precis al lamelelor variaza larg intre corticala compacta a osului si structura trabeculara interioara. Din punct de vedere histologic, deci structura substantei osoase spongioase si compacte este foarte asemanatoare. Ele se deosebesc numai prin dispozitia felurita a lamelelor care le compun si prin numarul si volumul cavitatilor astfel determinate. O examinarea amanuntita a osului compact il arata a fi extrem de poros (canale Havers, canale Volkmann, canalicule osteocitare). Osul poate fi considerat ca un solid compus din elemente structurale strict evidentiabile pe o scara ierarhica dimensionala care la randul lor au o structura discreta (Weiner si Traub, 1992; Lakes,1993). Pe o scala de marimi valorice structura osului poate fi caracterizata ca fiind cristalina (cristale de hidroxiapatita), fibroasa (fibre de colagen, osteoane), cavitar-poroasa (lacunele osteocitare, canalele haversiene) sau lamelara (lamelele osoase), asa cum se observa in tabelul urmator.

Tabel 1. Structura osului cortical (adaptata dupa Lakes -1993)

Nivel ierarhicStructuraScala marimeMetoda de testare

(rezolutie)

Macroscopic Fragment osos

compacta 3.6x3.6x40mmsolicitare mecanica (>1mm2)

Mezoscopic

Lame, osteoane

Microscopic

laminara250(m microscopie acustica (100 (m)

Canale haversiene

cavitara50-100(mmicroteste de rezistenta (10-30(m)

Lacune osteocitarecavitara5-15(mmicroteste de duritate (5-10(m)

Lamele

lamelara5(mmicroscopie electronica prin scanare-MES si microprobe (5-10(m)

Fibre colagenefibroasa (matrix extracelular)1-2(m

100-200xmagnificare histologica(1- 5(m)

Cristale hidroxiapatitacristalina0.005-0.05(m MES (1 (m)

Substanta osoasa compactaOsul adult uman consta aproape in intregime din matricea mineralizata si fibre de colagen aranjate in lamele in care sunt incluse osteocitele. in multe oase cateva din aceste lamele formeaza straturi continue la suprafata numite lamele circumferentiale. Cea mai mare proportie sunt aranjate in cilindri concentrici in jurul canalelor neurovasculare (canale Havers) formand unitatea de baza a structurii osoase si anume sistemul haversian sau osteonul, mai corect numit osteonul secundar pentru a se face distinctia fata de osteonul primar care se organizeaza in timpul initierii formarii osului. Deci osteonul secundar este format din canalul Havers, lamelele osoase care il inconjoara si din componentele aflate in aceste formatiuni (osteocite in osteoplaste). Aceste osteoane sunt in general paralele unele cu altele, dar frecvent se spiraleaza, se ramifica sau intercomunica. Fiecare osteon e strabatut de canaliculi ai osteocitelor rezidente care formeaza calea principala pentru difuziunea gazelor si substantelor nutritive intre sistemul vascular si osteoane .

In sectiune transversala osteoanele sunt rotunde sau elipsoidale avand 100-400(m in diametru; numarul lamelelor este intre 6-15 iar canalul central osteonic are un diametru de 50(m (Nigg si Grimston, 1994); in interiorul sau exista 1-2 capilare cu endoteliu fenestrat inconjurat de o lamina bazala care se despica pentru a include pericite tipice. De obicei exista si fibre nervoase nemielizate si ocazional mielinizate cu diametrul de 5-9(m. Suprafata canalelor osteonice este perforata de o multitudine de canalicule si este delimitata de fibre colagenice. Canalele osteonice comunica direct sau indirect cu cavitatea medulara; canalele care au o directie oblica sau transversala fata de directia osteoanelor se cunosc si sub denumirea de canale Volkman si sunt inconjurate de lamele concentrice, ele aparand a fi simple canale anastomotice.

Substanta osoasa trabecularaOrganizarea acestei clase de substanta este de asemenea bazic lamelara. in general lamelele osoase sunt orientate paralel cu suprafata osoasa adiacenta si exista un aranjament similar al celulelor si matrixului ca si in cazul osului circumferential-osteonic. Se mentioneaza ca, exceptand trabeculele foarte groase ce pot contine osteoane de dimensiuni mici vasele sanguine nu penetreaza tesutul osos si osteocitele se bazeaza pe difuzia canaliculara de la vasele adiacente medulare.

Vascularizatia si inervatia osului.Circulatia osoasa iriga tesutul osos viu, maduva, periostul, cartilajul metafizar la oasele tinere si partial cartilajul articular. Relativ recent s-a aratat ca trecerea sangelui prin corticala osoasa are un caracter centrifug, contrastand cu opiniile mai vechi, conform carora acest caracter ar fi centripet, fluxul fiind directionat dinspre vasele periostale. Prin foramenul nutritiv intra oblic una sau doua artere nutritive diafizare, ce trec apoi in canalele nutritive si sunt caracteristic directionate in afara epifizelor de crestere.

Arterele nutritive nu se ramifica in canalele lor dar se ramifica in ramuri ascendente si descendente in cavitatea medulara. Acestea se apropie de epifize si se divid treptat in ramuri mai mici. Langa epifize li se alatura terminatii numeroase ale arterelor metafizare si epifizare -primele fiind ramuri directe din vasele sistemice vecine iar ultimele venind din arcade vasculare periarticulare formate pe suprafete osoase nearticulare. Arterele metafizare si epifizare din punct de vedere cantitativ depasesc irigatia diafizara si o pot inlocui cand aceasta e distrusa. Arterele medulare ale corpului osului dau nastere unor ramuri centripete spre o masa de sinusoide medulare ce dreneaza intr-un sinus venos central si ramuri corticale care trec prin canalele endostale spre capilarele fenestrate in sistemele haversiene. Sinusul venos central dreneaza vene ce urmeaza caile arterelor nutritive. Arterele nutritive largi ale epifizelor formeaza multe anastomoze intraosoase, ramurile lor trecand spre suprafata articulara a osului prin interiorul spatiilor trabeculare. Langa cartilajul articular acestea formeaza arcade anastomotice din care bucle arteriale terminale parund in osul compact. Oasele late sau neregulate mari ca scapula si osul nenumit primesc o irigare periostala si adesea au si artere nutritive mari ce penetreaza direct in osul spongios. Cele doua sisteme se anastomozeaza liber. Oasele scurte primesc numeroase vase fine din periost la nivelul suprafetelor nearticulare asigurand irigatia osului compact, a celui spongios si a maduvei. Arterele patrund in vertebre aproape de baza procesului transvers; medulara lor dreneaza in doua vene basivertebrale convergand spre un foramen pe fata posterioara corpului vertebral. Oasele plate craniene sunt irigate de catre vase periostale sau coperiostale.

Nervii - sunt mai numerosi in extremitatile articulare ale oaselor lungi, vertebrale si oasele plane mari. Ei se gasesc mai ales in periost, si ca fibre mielinizate si nemielinizate acompaniind vase nutritive din os si chiar in spatiile perivasculare ale canalelor haversiene.

Bibliografie

1. Beaupr G.S., Orr T.E., Carter D.R. An approach for time-dependent bone modeling and remodeling-application; a preliminary remodeling simulation #n: J.Orthop. Res, nr. 8 (1990 b), p.662-6702. Buehler Markus J., Nanomechanics of collagen fibrils under varying cross-links densities: atomistic and continuum studies, Journal of the mechanical behavior of biomedical matrials 1(2008) 59-67.3. Frost, H.M. Vital biomechanics. Proposed general concepts for skeletaladaptations to mechanical usage.: Calcif. Tissue Int., nr 42 (1987), p.145-156.4. Hazelwood S.J., Martin R.B., Rashid M.C., Rodrigo J.J. A mechanistic model for internal bone remodeling exhibits different dynamic responses in disuse and overload. #n: J.Biomec., vol. 34, nr. 4 (2001), p.299-308.5. Lakes R. Materials with structural hierarchy: Nature, nr.361 (1993), p.511-515.

Martin R.B., Burr D.B., Sharkey N.A.,ed. Skeletal Tissue Mechanics. New York: Springer, 1998.6. Nigg B.M., Grimston S.K.Bone. #n: Nigg B.M., Herzog W., ed.Biomechanics of the musculo-skeletal system. New York: Willey J, and Sons Ltd, 1994, p.48-76.7. Olszta MJ, Cheng XG, Jee SS, Kumar R, Kim YY, Kaufman MJ, Douglas EP, Gower LB, Bone Structure and Formation: A New Perspective, Materials Science & Engineering R, 2007, 58, 77-116 8. Pidaparti R.M.V., Chandran A., Takano Y., Turner C.H. Bone mineral lies maynly outside collagen fibrils: predictions of a composite model for osteonal bone: J.Biomec., vol. 29,. nr.7 (1996) , p.909-916.9. Siegmund Thomas, Allen Matthew R., Burr David B., 2008. Failure of mineralized collagen fibrils: Modeling the role of collagen cross-linking, Journal of Biomechanics 41 (2008) 1427143510. Viguet-Carrin, S., Garnero, P., Delmas, D.P., 2006. The role of collagen in bone strength. Osteoporosis International 17, 319336.11. Stanford C.M. , Welsch G., Kastner N., Thomas G., Zaharias R., Holtman K., Brand R.A. Primary human bone cultures from older patients do not respond at continuum levels of in vivo strain magnitudes: J.Biomec., vol. 33, nr.1 (2000), p.63-71..12. Van de Graaf,K.M., ed: Human Anatomy, 5th ed., New York: McGraw-Hill Book Company, 1998.13. Wang, X., Li, X., Shen, X., Agrawal, C.M., 2003. Age-related changes of noncalcified collagen in human cortical bone. Annals of Biomedical Engineering 31, 13651371.14. Weiner S., Traub W. Bone structure-from angstroms to microns: FASEB J., nr.6 (1992), p.879-885.

Canal Havers

Osteon

Substanta

compacta

Periost

Spongioasa

osoasa

Figura 2.10 Tesut osos compact structur

Vase sanguine

Canale Canal Tabecule

perforante Havers

Osteocit

Osteoplast

Canaliculi

Fibre perforante

Sharpey

Cavitate

medulara

Periost

Arteriola

Canal Havers

Lamele

Venula

Nerv

Canalicul

Figura 1. (a) diagram schematic a microstructurii osului adult; (b) microfotografie n lumin polarizat

Compacta

osoasa

Spongioasa

Osteon

Canal Havers

Canaliculi

Lamela

Osteocit

Canal Havers

17310