Внутренняя архитектура кости

Наиболее объемной составной частью кости является промежуточное (основное) вещество, представляющее продукт остеобластов. На шлифах или тонких срезах под микроскопом можно различить в декальцинированной кости полости, соединенные друг с другом тонкими многочисленными каналами. В этих полостях и залегают костные клетки - остеоциты. Полости имеют длину 20-50 мкм, ширину 8-15 мкм, толщину 5-9 мкм (рис. 30, А). Остеобластов в растущей кости очень много, особенно под надкостницей и в области эпифизарного хряща. У взрослого, когда рост костей закончен, эти клетки встречаются только в участках восстановления костной ткани (например, при переломах и трещинах костей). Остеобласты по мере их замуровывания промежуточным веществом кости превращаются в остеоциты (костные клетки), которые залегают в указанных выше полостях (рис. 30, Б). Третий вид костных клеток называется остеокластами. Они способны разрушить путем выделения ферментов, растворяющих коллагеновые волокна и минеральные соли, обызвествленный хрящ и промежуточное вещество кости.

30, А. Строение костной ткани. А - гистологический срез: 1 - костные клетки; 2 - циркулярные пластинки промежуточного вещества; 3 - гаверсов канал для прохождения кровеносного сосуда

30, Б. Строение костной ткани. Б - шлиф костной ткани: 1 - костные клетки; 2 - промежуточное костное вещество; 3 - гаверсов канал

Таким образом, в каждой кости в различные возрастные периоды имеется определенное количественное сочетание клеточных элементов: остеобластов, остеоцитов и остеокластов, которые создают новое костное вещество, разрушают старое и обеспечивают стабильность обмена кости.

Промежуточное вещество состоит из коллагеновых волокон (органическое) и минеральных солей (неорганическое), которые пропитывают пучки коллагеновых волокон. При сочетании органических и неорганических веществ создается упругая и твердая конструкция.

В костях различают компактное (substantia compacta) и губчатое (substantia spongiosa) вещества. Компактное вещество покрывает кость снаружи в виде плотной и на разрезе блестящей пластинки; из него же построены диафизы трубчатых костей. Основную массу кости составляет промежуточное вещество, которое снаружи и с внутренней стороны образует циркулярные общие (генеральные) пластинки, лежащие в несколько рядов, а между ними залегают остеоны (рис. 31). Остеон представляет 4-20 трубок промежуточного вещества, вставленных одна в другую. В центре остеона имеется канал диаметром 10-110 мкм, по которому проходит кровеносный капилляр. Длинником остеоны ориентированы перпендикулярно к плоскости давления. На тонких шлифах в поляризационном освещении видна различная степень преломления света в костных трубках, формирующих остеон. Это обусловлено тем, что волокна оссеина в каждой трубке имеют различное направление. Остеоны не соприкасаются друг с другом. Между ними имеются вставочные пластинки, которые объединяют в единое целое все остеоны. Каждая кость содержит огромное число остеонов. В бедренной кости их насчитывается около 3200. Если считать, что в среднем каждый остеон состоит из 12 трубок, то в диафизе бедра их будет 384000, вставленных одна в другую. Поэтому при подобной архитектуре бедренная кость выдерживает нагрузку от 750 до 2500 кг. Архитектурные особенности строения кости при сравнительно небольшой затрате материала обеспечивают наибольшую ее прочность. Число, толщина и форма (круглая, овальная, неправильная) трубок остеона могут перестраиваться под влиянием работы мышц, сил давления и растяжения или других факторов, связанных с профессией, условиями питания, обмена веществ в норме и при патологии. Перестройка архитектуры остеонов будет отражаться и на прочности костей. Чем обусловлен такой большой запас прочности костной ткани? В процессе жизни человека кости иногда испытывают и довольно большие нагрузки, например при прыжках с разбега или высоты, сотрясении или ускорении, при которых нагрузки на кость возрастают в несколько раз.

31. Схема остеона (по Brans). 1 - костные клетки; 2 - промежуточное вещество; 3 - гаверсов канал

Губчатое вещество кости построено из костных тонких перекладин, своими краями располагающихся перпендикулярно линиям сжатия и растяжения. Эти перекладины образуют друг с другом столбики, перекрещивающиеся под углом 90° (рис. 32, А, Б, В), и под углом 45° пересекают длинную ось кости. Перекладины ориентированы одним концом по направлению сил давления, а другим опираются на компактное вещество кости. В результате этого происходит разложение сил на две составные, являющиеся сторонами параллелограмма сил, по диагонали которого происходит распространение усилия равномерно на стенки трубчатой кости из любой точки суставной поверхности.

32. Архитектура губчатого вещества трубчатой кости. А - распил проксимального конца бедренной кости; Б - схема расположения балок губчатого вещества бедренной кости; В - горизонтальный распил грудного позвонка

Линии, по которым ориентируются костные пластинки в губчатом веществе, продолжаются из бедренной кости в большеберцовую и далее на стопу. Здесь костные пластинки ориентированы по линиям, имеющим форму арок, концами опирающихся в пяточную кость и фаланги пальцев, а в выпуклую часть этих арок упираются балки голени (рис. 32 а, 33).

32 а. Рентгенограмма стопы. 1 - медиальная клиновидная кость; 2 - ладьевидная кость; 3 - таранная кость; 4 - большеберцовая кость; 5 - пяточная кость; 6 - кубовидная кость; 7 - кости предплюсны; 8 - фаланги

33. Схема распространения сил давления по пластинкам губчатого вещества нижней конечности (по Tittel)

На примере строения костной ткани хорошо видны взаимоотношения структуры и функции. Это особенно легко заметить в тех случаях, когда нарушается или изменяется функция движения. При этом происходит существенная перестройка архитектуры компактного и губчатого вещества. При уменьшении нагрузки на кость часть костных пластинок атрофируется и архитектурно перестраивается и, наоборот, увеличение нагрузки на кость оказывает формирующее влияние.

Химический состав кости

В состав живой кости взрослого входит воды 50%, жира 15,75%, оссеина (коллагеновых волокон) 12,4%, неорганических веществ 21,85%. Неорганические вещества представлены различными солями. Больше всего содержится фосфата извести - 60%, карбоната извести - 5,9%, сульфата магния - 1,4%. Кроме того, в костях имеются представители всех земных элементов, Минеральные соли легко растворяются в слабом растворе соляной или азотной кислоты. Этот процесс называется декальцинацией. После такой обработки в костях остается только органическое вещество, сохраняющее форму кости. Оно пористо и эластично, как губка. При удалении органических веществ путем сжигания кость также сохраняет первоначальную форму, но становится хрупкой и легко крошится. Только сочетание органических и неорганических веществ делает кость твердой и упругой. Ее прочность значительно возрастает благодаря сложной архитектуре компактного и губчатого вещества.

Строение надкостницы

Наружная поверхность кости, кроме суставных поверхностей и мест прикрепления сухожилий мышц и связок, покрыта надкостницей (periosteum), которая представляет тонкую (100-200 мкм) соединительнотканную пластинку. Надкостница прочно крепится к кости благодаря наличию соединительно тканных волокон, перпендикулярно проникающих в компактное вещество кости. Надкостница состоит из двух слоев: наружного - адвентициального и внутреннего - волокнистого. В адвентиции надкостницы имеется много коллагеновых волокон, среди которых располагаются нервы, сплетения мелких артерий, вен и лимфатических сосудов. Кровеносные сосуды придают надкостнице розовый оттенок. Волокнистый слой надкостницы прилежит к кости и содержит остеобласты, которые при росте кости в толщину образуют общие (генеральные) наружные пластинки промежуточного вещества. После 25 лет остеогенная функция костных клеток угасает, но легко активизируется при переломах и повреждениях костей.