Развитие костей происходит либо из эмбриональной соединительной ткани - мезенхимы, либо на основе первичного хряща. Поэтому различают два вида остеогенеза: перепончатый и хрящевой. На 6-8 неделе эмбрионального развития из соединительной ткани начинает формироваться костная, например, в костях свода черепа, такие кости называют первичными (покровными). При хрящевом остеогенезе в соединительной ткани появляется хрящ, а потом в нем развивается костная ткань, что характерно для большинства костей скелета - и такие кости называют вторичными.
Из фиброзной и хрящевой тканей формирование костей начинается с появления первичных очагов (ядер, точек) окостенения в эмбриональном и плодном периодах и после рождения до 11-13 лет - вторичных точек. Разрастание костной ткани в хряще осуществляется перихондральным путем с образованием компактной кости, и эндохондральным путем с образованием губчатой кости. При фиброзном остеогенезе окостенение происходит эндесмальным путем.
Надкостница - тонкая, прочная соединительно-тканная пластинка покрывает кость снаружи, богата сосудами и нервами, состоит из:
Ш наружного волокнистого слоя;
Ш внутреннего, росткового (камбиального) слоя, обеспечивающего костеобразование при помощи остеобластов, остеокластов и остеоцитов.
За счет надкостницы кость прирастает в ширину (периостальный рост), в длину кость растет из метаэпифизарных хрящей, находящихся между телом кости и эпифизами. Часть трубчатых костей растет из одного метаэпифизарного хряща (моноэпифизарный рост), например, фаланги пальцев. Длинные кости растут из двух метаэпифизарных хрящей - верхнего и нижнего, которые работают на рост поочередно, что зависит от возрастного срока. К 18-25 годам кости достигают окончательных размеров и метаэпифизарные хрящи превращаются в костную ткань (синостозирование). Костномозговой канал возникает при рассасывании эмбриональной кости и прорастании соединительной ткани с заполнением образовавшегося пространства костным мозгом.
Рентгенологические очаги окостенения определяются со 2-го месяца внутриутробного развития. Все ядра окостенения окончательно формируются к 13-14 годам. В периоде полового созревания начинается образование костной ткани в метаэпифизарных хрящах (ростковых зонах удлинения костей), к концу периода костная ткань присутствует на всем протяжении кости. Старение проявляется уменьшением и разрежением (остеопорозом) костной ткани, разрастанием шипов (остеофитов) и другим изменениями.
Для каждого возрастного периода характерным является такая перестройка кости, по которой можно определить возраст человека. Например, наличие ядра окостенения в нижнем эпифизе бедра до 1 см в диаметре свидетельствует о новорожденном периоде. Окостенение зубчатых черепных швов происходит участками, которые появляются в разные возрастные сроки.
Внешнее строение многих костей характеризуется наличием тела (диафиза), концов (эпифизов), апофизов (выступов), поверхностей, ямок, вырезок, шероховатых линий, бугров, бугристостей и др. Внутри костей находится костная ткань в виде компактного и губчатого вещества.
Компактное вещество кости, лежащее под надкостницей, построено из пластинчатой костной ткани, пронизанной системой продольных канальцев, - центральных (гаверсовых) каналов и перпендикулярных к ним поперечных (фолькмановых) каналов. Последние продолжают во внутрь кости питательные каналы, отверстия которых хорошо заметны на поверхности костей. Круговые (генеральные) пластинки формируют стенки центральных каналов в виде вставленных друг в друга (телескопических) трубочек, связанных между собой вставочными (промежуточными) пластинками - так устроен остеон - структурно-функциональная единица кости.
Губчатое вещество состоит из костных балок (перекладин) и пространства между ними, заполненного красным костным мозгом. Балки ориентированы по направлениям сил сжатия и растяжения, образуя арочную систему, обеспечивающую равномерную передачу силы тяжести и мышечной тяги.
Биомеханика кости выражается:
· законом максимума-минимума - максимальная прочность кости достигается за счет минимальных затрат на построение ее конструкции, например, бедренная кость выдерживает нагрузку в 1,5 тонны, что в 25-30 раз больше массы человека;
· законом нормальных напряжений - в костях возникают собственные нормальные напряжения, величина которых зависит от отдела кости и элементов скелета и изменяется с возрастом:
· законом о связи ориентации костных трабекул с направлением действующих напряжений: линии трабекул пересекаются и выходят на поверхность кости под углом 90о, траектории трабекул совпадают с направлениями максимальных напряжений, плотность кости пропорциональна силе касательных напряжений;
· законом о связи величины нагрузки с качественным перераспределением и количественными изменениями нормальных напряжений на поверхности и внутри кости, т.е. появлением новых силовых напряжений.
Нагрузка по длинной оси трубчатой и плоской кости показывает, что ее компактный слой более прочен при сжатии, чем при растяжении, и слабее всего противостоит сдвигу. Между пределом прочности и модулем упругости в компактном веществе кости наблюдается положительная корреляция. Действие циклических нагрузок при повышении уровня силы и увеличении времени приводит к усталостному разрушению костной ткани в виде микротрещин остеонов. Количество циклов во времени положительно коррелирует с возрастающим уровнем силовых напряжений и деформаций, на колебания которых значительно влияют вязкоупругие свойства кости. Разрушение кости определяется величиной разности между максимальной и минимальной деформациями. Середина диафиза прочнее, чем участки примыкающие к эпифизам.
На клеточном уровне в кости выделяют остеобласты, остеокласты, остеоциты, обеспечивающие одновременно рассасывание (резорбцию) и образование новой жизнеспособной костной ткани. Оба процесса протекают под влиянием генетической программы и условий внешней среды, социальных факторов, что сопровождается индивидуальной изменчивостью кости: увеличением или уменьшением числа остеонов, макроизменениями компактной и губчатой части, конфигурации апофизов, вырезок, ямок и др. анатомических структур (П.Ф. Лесгафт, Б.А. Долго-Сабуров, М.Г. Привес).
Органический матрикс кости составляет 30%, неорганический - 60%, вода - 10%.
Структурная организация костного межклеточного вещества включает следующие субмикроскопические образования:
· биополимерные белковые макромолекулы тропоколлагена, соединенные с кристаллами гидроксиапатита с помощью неколлагеновых низкомолекулярных белков: остеонектина, остеокальцина и др. тропоколлагеновые макромолекулы построены в три левых спиральных полипептидных цепи (триплеты) и две правых спиральных цепи, стабилизированные водородными связями;
· длинные микрофибриллы коллагена, состоящие из 5 спирально перевитых макромолекул тропоколлагена усилены кристаллами гидроксиапатита; микрофибриллы располагаются ступенчато, внутри имеют симметричные решетчатые полости для кристаллов.
В микрофибриллах кристаллы гидроксиапатита ориентированы вдоль продольной оси. Из всего количества кристаллов 60% расположено внутри микрофибрилл в решетчатых полостях и 40% на поверхности. Между фибриллами находятся белково-углеводные соединения: гликозаминогликаны, гликопротеины, и протеогликаны, которые соединяют их.
Неорганическая часть кости - кристаллы гидроксиапатита Са 10(РО 4)6(ОН)2., другие минералы и микроэлементы. В центре кристалла находятся гидроксильные группы и фосфорнокислые остатки, по периферии атомы кальция. С возрастом кристаллы незначительно увеличиваются в размерах и уплотняются. Кристаллы образуют значительную поверхность, участвующую в обмене веществ, так активная кристаллическая поверхность 1 г костной ткани равна 130-260 м 2, а всего скелета - 2 км 2.
Костная ткань содержит около 98 % всех неорганических веществ организма: из них 99 % кальция, 87 % фосфора, 58 % магния.
В ней находятся в виде микроскопических включений так же натрий, калий, кремний и другие минералы (около 20 уже известных микроэлементов), а также другие биохимические соединения: лимонная кислота (цитрат) для растворения минералов, прежде всего кальциевых солей, в костях находится около 70 % всей лимонной кислоты организма, что в 230 раз превышает ее концентрацию в печени. В губчатой костной ткани кислоты больше, здесь она расходуется на окислительные процессы. В процессе обмена в костях образуются и другие органические кислоты, например, молочная.
Ферменты, изоферменты кости: кислая фосфатаза, коллагеназа, углеводные ферменты и многие др. тоже входят в биохимический состав костей.
Классификация костей
Трубчатые кости: длинные и короткие имеют тело (диафиз) в виде цилиндра или трехгранной призмы; концы (эпифизы), покрытые гиалиновым хрящом для суставных поверхностей и образования суставов; апофизы (выступы) в виде бугров, отростков, надмыщелков для прикрепления мышц; внутри эпифизов находится красный костный мозг, внутри диафизов - желтый мозг, трубчатые кости располагаются в скелете конечностей.
Губчатые (короткие) кости имеют форму куба, многоугольника с тонкой компактной частью и толстой губчатой (внутри ее красный костный мозг), то же имеют суставные поверхности, выступы для образования суставов и прикрепления мышц, находятся в запястье и предплюсне.
Плоские (широкие) кости: тазовые, черепные (свод), грудина, лопатка; в ряде плоских костей - черепные - губчатое вещество пронизано каналами, содержащими диплоические вены, и оно называется диплое, внутри остальных костей имеется красный костный мозг.
Смешанные кости - (позвонок и др.) сочетают в строении признаки плоских, губчатых костей и внутри себя содержат красный костный мозг.
Воздухоносные кости отличаются наличием полости, связанной с дыхательной областью носа или носоглоткой: верхняя челюсть, лобная, решетчатая, клиновидная, височная кости.
Сесамовидные (остаточные) кости: надколенник, гороховидная, вставочные кости черепа, маленькие косточки в сухожилиях сгибателей и разгибателей конечностей - сесамовидные кости изменяют угол прикрепления сухожилий, облегчая мышечную работу.
2(II) Позвонки: их строение в различных отделах
Общее строение позвонка
· Тело - corpus vertebrae - несет осевую нагрузку, служит для прикрепления внутренних органов, внутри содержит красный костный мозг;
· Дуга - arcus vertebrae - для прикрепления мембран и отростков;
· Ножки дуги - pedunkuli arcus vertebrae - для соединения дуги с телом;
· Отверстие позвоночное - foramen vertebrale - для спинного мозга и его оболочек.
Отростки - processi:
· поперечные: правый и левый - processus transversus - для прикрепления мышц и связок;
· суставные верхние и суставные нижние - processus articulare superiores et inferiores, - для образования межпозвоночных суставов;
· остистый - processus spinalis - для прикрепления связок и мышц.
Позвоночные вырезки- верхняя, нижняя (incisurae vertebrales superiores et inferiores), межпозвоночное отверстие между вырезками - foramen intervertebrale - у ножек дуги - для прохождения спинномозговых нервов и сосудов.
Атлант (Atlas) - первыйшейный позвонок (отличительные признаки)
· передняя и задняя дуга - arcus anterior et arcus posterior - для прикрепления мембран и связок;
· борозды позвоночной артерии - на задней дуге сверху - sulci a. vertebrale;
· передний и задний бугорки - tuberculum anterior et tuberculum posterior - для прикрепления мышц и связок;
· боковые массы с верхними суставными ямками (овальной формы) и нижними суставными поверхностями (плоскими и круглыми) - massae laterales cum foveae articulares superiores et inferiores - для образования атланто-затылочных и латеральных атланто-аксиальных суставов;
· суставная поверхность на передней дуге для зуба аксиса и образования срединного атланто-аксиального сустава;
· отверстие в поперечных отростках - для позвоночных сосудов и симпатических нервов, реберный бугорок на поперечном отростке.
Аксис - Axis seu Epistropheus - осевой (второй) шейный позвонок
· зуб и его суставные поверхности - dens, facies articularis anterior et posterior - для образования срединного атланто-аксиального сустава и прикрепления связок;
· отверстие поперечного отростка - foramen procesuss transversus - для прохождения позвоночной артерии и симпатического нерва;
· толстый, короткий и раздвоенный остистый отросток - processus spinosus - для прикрепления межостистой и выйной связок;
· позвоночное отверстие треугольной формы - foramen vertebrale - для спинного мозга и его оболочек, венозного сплетения.
Другие шейные позвонки (отличительные признаки)
· отверстия поперечных отростков для позвоночной артерии и симпатического нерва;
· борозда спинального нерва на поперечном отростке;
· передний и задний бугорки на поперечном отростке;
· YI позвонок - крупный сонный (передний) бугорок на поперечном отростке, используется для прижатия общей сонной артерии при исследовании пульса и остановке кровотечения;
· YII позвонок - толстый и длинный остистый отросток (выступающий позвонок).
Грудные позвонки (отличительные признаки)
· верхняя и нижняя реберные ямки и полуямки на теле позвонков для образования сустава головки ребра, по ямкам и полуямкам подразделяют позвонки на типичные и атипичные;
· реберные поверхности на поперечных отростках для реберно-поперечных суставов, отсутствуют у двух последних грудных позвонков;
· типичные и атипичные позвонки (I, X, XI, XII).
Поясничные позвонки (отличительные признаки)
· массивность тела;
· фронтальное положение поперечных отростков;
· широкие, короткие остистые отростки;
· сагиттальное расположение суставных поверхностей на верхних суставных отростках;