Образовательный портал. Образование / Наука / Химические элементы в основе костной ткани. Химический состав и строение костей

Химические элементы в основе костной ткани. Химический состав и строение костей

15.07.2018

Костное вещество состоит из органических (оссеин) – 1/3 и неорганических (2/3) (главным образом, солей кальция, 95%) веществ.

Если кость подвергнуть действию раствора соляной кислоты, соли кальция растворятся, а органическое вещество останется, сохраняя форму кости. Такая декальцинированная кость приобретает исключительную эластичность и легко деформируется. Если же кость подвергнуть обжиганию, то органическое вещество сгорает, а неорганическое остается. Такая кость сохраняет прежнюю форму, но приобретает исключительную хрупкость. Она может расколоться при малейшем прикосновении. С возрастом количественное соотношение оссеина и минеральных солей изменяется. Кости детей содержат больше оссеина и поэтому они более эластичны. В старости в костях становится больше минеральных солей, их содержание может доходить до 80%. Поэтому кости стариков более хрупкие, а при падении у них часто случаются переломы.

Губчатая или трабекулярная кость занимает около 20% от общей кости. Он легче, имеет большую пористость и концентрацию кровеносных сосудов, чем компактная кость. Диаметр пор может быть от микрометра до миллиметра. Компактная кость намного плотнее и занимает 80% общей кости. Он имеет более низкую пористость и концентрацию кровеносных сосудов.

В этом исследовании мы сравним данные, полученные на костной структуре кроликов, которым были имплантированы мембраны хитозана и структура хитозана. Впоследствии будут проанализированы данные о строении костей и их свойствах, чтобы создать материал, который напоминает и дает оптимальные результаты для регенерации тканей.

Лежащие в земле кости теряют органическое вещество под воздействием бактерий и становятся хрупкими. В сухом грунте кости сохраняются лучше, так как для размножения бактерий необходима влага. Такие кости постепенно мумифицируются. В известковой почве кости пропитываются кальцием – «окаменевают».

Самая прочная кость нашего скелета – большая берцовая, на нее ложится наибольшая тяжесть при поддержании тела в вертикальном положении. Эта кость способна выдержать нагрузку до 1650 кг, т.е. примерно в 25 раз больше ее обычной нагрузки. Таков запас технической прочности природной конструкции.

Исследование пористости мембран хитозана. Для изучения пористости имплантированных мембран хитозана была выполнена порозиметрия ртути. Он также имел два пенетрометра: один для образцов с низкой пористостью и другой для частиц со средней пористостью. После калибровки пенетрометров лиофилизированные и не лиофилизированные образцы высушенных мембран измеряли при комнатной температуре.

Изучение структуры кости у кроликов

Кислая кислота 1, 5%, глицерин 5% и хитозан. Изучение структуры кости кролика в декальцифицированных образцах проводилось с помощью сканирующей электронной микроскопии и конфокальной микроскопии. Образцам для наблюдения с помощью сканирующей электронной микроскопии перед их наблюдением давали золотую обработку.

Кость уникальна не только по сочетанию твердости и упругости, обусловленному ее химическим составом. Она отличается также исключительной легкостью. Это связано с особенностями ее микроскопического строения. Поверхность кости покрыта надкостницей.

Она состоит из двух слоев – наружного (соединительнотканного) и внутреннего – остеогенного, содержащего стволовые костные клетки и остеобласты. При переломах костей остеобласты «зарубцовывают» щель грубоволокнистой костной тканью, образуя «костную мозоль». Надкостница богата нервами и сосудами, через нее осуществляется питание и иннервация кости.

Для процесса декальцификации костную крошку удаляли с помощью долота, затем промывали физиологическим солевым раствором. Процесс лиофилизации хитозана существенно не изменил размер его поры, и увеличение количества хитозана слегка уменьшило размер пор, но значительно увеличило его количество.

Изображения, полученные путем конфокальной микроскопии кости в декальцифицированном поперечном сечении, показывают структуру, отраженную на фигуре. Как лиофилизированные, так и не лиофилизированные образцы состава А показывают пористость, которая значительно отличается от пористости, наблюдаемой в сканирующей электронной микроскопии, с более крупными пористости и менее обильными пористости. С другой стороны, в случае порозиметрии лиофилизированного образца В мы наблюдали размеры, близкие к реальным, и большую пористость, но со структурой и слишком однородным химическим составом для имитации ткани.

На распиле через кость обнаруживается неоднородность ее строения. На поверхности расположено так называемое плотное, или компактное, вещество (substantia compacta), а в глубине – губчатое (substantia spongiosa).

Толщина слоя компактного вещества изменяется в зависимости от нагрузки, испытываемой костью, и наиболее значительна в области диафизов. Губчатое вещество образовано очень тонкими костными перекладинами, которые располагаются не беспорядочно, а в соответствии с распределением функциональных нагрузок на всю кость или ее части. Преимущественно из губчатого вещества состоят эпифизы длинных костей, все короткие кости, часть смешанных и плоских костей, т.е. легкие и прочные части скелета, испытывающие напряжение в различных направлениях. Диафизы и некоторые тонкие плоские кости почти полностью лишены губчатого вещества. Они выполняют функции опоры и движения.

Существует пять различных типов клеток, связанных с костной тканью, с точки зрения их функций: клетки остеопорогена, остеобласты, остеоциты, остеокласты и клетки поглощения костной ткани. Но клетки, ответственные за образование новой кости, - это остеобласты, которые секретируют коллаген, а затем покрывают его неколлагеновыми белками, которые могут удерживать минералы, главным образом кальция и фосфата, от кровоснабжения, тем самым создавая новую кость.

Для правильного роста и дифференциации остеобластов они должны быть найдены в среде, подобной среде регенерируемой ткани, получая более благоприятные условия для их пролиферации с нанометровыми пористостями, такими как полученные с использованием современных методов электролитизации полимеров, не забывая факторы роста.

Структурной единицей костной ткани являются остеон или гаверсова система.

Остеон представляет собой систему костных пластинок в виде вставленных друг в друга цилиндров, между которыми лежат костные клетки – остеоциты. Расположенный в центре остеона гаверсов канал, содержит кровеносные сосуды, обеспечивающие обмен веществ клеток кости. Между остеонами находятся вставочные пластинки. Из остеонов состоит компактное вещество и перекладины губчатого вещества. Распределение компактного и губчатого вещества зависит от функциональных условий кости.

Гидроксиапатит - это тип биокерамики на основе фосфата кальция, который часто используется в качестве заменителя в костных трансплантатах из-за его структурного сходства с минералами, обнаруженными в естественной кости. С другой стороны, коллаген представляет собой природный полимер, используемый в качестве биоматериала в различных биомедицинских применениях. Он присутствует в органической фазе кости и служит в основном как структурный белок исходного внеклеточного матрикса. Он обладает многими желательными функциональными свойствами для роста клеток.

Костные ячейки губчатого вещества заполнены красным костным мозгом. Желтый костный мозг находится в центральном канале трубчатых костей – костно-мозговой полости.

У взрослых вся полость заполнена желтым костным мозгом, но в период роста и развития ребенка, когда требуется интенсивная кроветворная функция, преобладает красный костный мозг. С возрастом он постепенно замещается желтым.

Очищенный коллаген является биосовместимым, биодеградируемым, нетоксичным и не обладает антигенностью, что делает его изначальным и безопасным источником материалов для биомедицинского использования, особенно в тканях костной ткани. Это, кроме того, гемостатический и остеокондуктивный агент.

Существует несколько типов коллагена в соответствии с их молекулярной последовательностью. До настоящего времени было идентифицировано 27 различных типов по меньшей мере с 42 различными полипептидными цепями. В общем, коллаген, извлеченный из натуральных тканей, способен получить иммуногенный ответ после имплантации; поэтому прямое использование этого типа коллагена ограничено. Сегодня очищенная форма коллагена, известная как восстановленный коллаген, производится биомеханическими методами и является коммерчески доступной.

Материал взят из открытых информационных источников.

Химический состав костей сложный. Кость состоит из органических и неорганических веществ. Неорганические вещества составляют 65% - 70% сухой массы кости и представлены главным образом солями фосфора и кальция. В малых количествах кость содержит более 30 других различных элементов. Органические вещества, получившие название оссеин, составляют 30-35% сухой массы кости. Это костные клетки, коллагеновые волокна. Эластичность, упругость кости зависит от ее органических веществ, а твердость - от минеральных солей. Сочетание неорганических и органических веществ в живой кости придает ей необычайные крепость и упругость. По твердости и упругости кость можно сравнить с медью, бронзой, чугуном. В молодом возрасте, у детей кости более эластичные, упругие, в них больше органических веществ и меньше неорганических. У пожилых, старых людей в костях преобладают неорганические вещества. Кости становятся более ломкими.

Восстановленный коллаген обладает относительно более низкой иммуногенностью, чем исходный коллаген. Коллаген также может быть химически модифицирован различными способами для повышения его поверхностной реакционной способности путем введения отрицательных зарядов, что, в свою очередь, заставляет его растворяться при нейтральном рН; расширяя его использование в биомедицине. Однако коллаген не обладает достаточной твердостью и прочностью, что дает преимущества соединениям, таким как коммерчески доступные костные трансплантаты.

Результаты подтвердили способность остеокондукции и остеоиндукции трансплантата. Использование мембран хитозана для регенерации кости может представлять проблемы, от токсичности кислоты, используемой в качестве растворителя, до ее хрупкости, до ее собственной структуры. Используя методы обработки лиофилизацией, пористости, близкие к породам костей, были получены для составов с высоким процентом хитозана.

У каждой кости выделяют плотное (компактное) и губчатое вещество. Распределение компактного и губчатого вещества зависит от места в организме и функции костей.

Компактное вещество находится в тех костях и в тех их частях, которые выполняют функции опоры и движения, например в диафизах трубчатых костей.

Губчатое вещество находится также в коротких (губчатых) и плоских костях. Костные пластинки образуют в них неодинаковой толщины перекладины (балки), пересекающиеся между собой в различных направлениях. Полости между перекладинами (ячейки) заполнены красным костным мозгом. В трубчатых костях костный мозг находится в канале кости, называемом костномозговой полостью. У взрослого человека различают красный и желтый костный мозг. Красный костный мозг заполняет губчатое вещество плоских костей и эпифизов трубчатых костей. Желтый костный мозг (ожиревший) находится в диафизах трубчатых костей.

Но, возможно, только один материал недостаточен для получения тканей, которые могут легко вызвать инициалы для регенерации. Мы можем думать о достижении большего сходства между тканевым регенерирующим материалом и самой тканью для регенерации. Это может помочь нам узнать структуру заменяемых костей. Кости представляют собой иерархические структуры, состоящие из минеральной фазы и органической фазы.

Состав костей  Защита: кости образуют различные полости, которые защищают жизненно важные органы от возможной травмы. Например, череп защищает мозг от возможных ударов по мозгу, а грудная клетка защищает легкие и сердце.  Бюстгальтер: кости образуют жесткую рамку, которая отвечает за поддержание органов и мягких тканей.   Движение: благодаря мышцам, которые прикрепляются к костям через сухожилия, и их синхронизированным сокращениям, тело может двигаться.   Звуковая трансдукция: кости важны в механическом аспекте слуха, который возникает в среднем ухе. В то время как не все кости равны по размеру и консистенции, в среднем их химический состав составляет 25% воды, 45% минералов, таких как фосфат и карбонат кальция, и 30% органического вещества, главным образом коллагена и других белков. Губчатая кость Губчатая или трабекулярная кость не содержит остеонов, но интерстициальные пластинки представляют собой пластинки неправильной формы, называемые трабекулами. Эти бляшки образуют губчатую структуру, оставляя промежутки, заполненные красным костным мозгом. Эта система характерна для компактной кости. Эпоним происходит от анатома Клоптона Хейвера. Костная ткань Основная статья: Основа костной ткани. Он составляет 10% органической матрицы, имеет более низкую концентрацию гликозаминогликанов, чем хрящ, является ацидофильной матрицей. Он обладает белками, уникальными для кости, такими как остеокальцин, связанный с гидроксиапатитом. Остеопонтин, также связанный с гидроксиапатитом, подобен фибронектину. Это 90% органической матрицы, тип 1, она имеет много межмолекулярных связей, нерастворима в растворителе и увеличивает гидроксилирование лизинов. Фосфат кальция присутствует в виде кристаллов гидроксиапатита, которые появляются с регулируемыми интервалами от 60 нм до 70 нм вдоль волокон. Он также имеет цитрат, бикарбонат, фторид, магний и ион натрия. Кость также имеет сходство с радиоактивными веществами, разрушающими ее компоненты. Образование костной ткани. Основные статьи: Эндохондральная оссификация и внутримышечная оссификация. Кость формируется путем замены существующей соединительной ткани. Два типа оссификации: внутримышечный и эндохондральный. Состав Общая структура кости - это костная ткань. . Кость обладает высокой степенью эластичности, очень твердой.

Вся кость, за исключением суставных поверхностей, покрыта надкостницей, или периостом.

1.3 Классификация костей

Различают кости трубчатые (длинные и короткие), губчатые, плоские, смешанные и воздухоносные (Рис.2) . в отделах скелета, где совершаются движения с большим размахом (например, у конечностей). У трубчатой кости различают ее удлиненную часть (цилиндрическую или трехгранную среднюю часть) - тело кости, или диафиз, и утолщенные концы - эпифизы. На эпифизах располагаются суставные поверхности, покрытые суставным хрящом, служащие для соединения с соседними костями. Участок кости, расположенный между диафизом и эпифизом, называется метафизом. Среди трубчатых костей выделяют длинные трубчатые кости (например, плечевая, бедренная, кости предплечья и голени) и короткие (кости пясти, плюсны, фаланги пальцев). Диафизы построены из компактной, эпифизы - из губчатой кости, покрытой тонким слоем компактной.

С помощью разложения и постоянной ассимиляции он поддерживается в живом состоянии, благодаря чему он отлично адаптируется к изменениям нагрузки и может быть преобразован. Наш скелет представляет собой прочную и прочную структуру, состоящую из длинных костей и плоских костей. Ремни конечности состоят из лопаточного пояса и костей руки, таза и костей ноги.

Кость - твердый, твердый и устойчивый орган, который является частью эндоскелета позвоночных. Он состоит в основном из костной ткани, специализированного типа соединительной ткани, состоящей из клеток, и кальцинированных внеклеточных компонентов. Кости также имеют крышки соединительной ткани и хряща, сосуды, нервы, а некоторые содержат гемопоэтические и жировые ткани.

Губчатые (короткие) кости состоят из губчатого вещества, покрытого тонким слоем компактного вещества. Губчатые кости имеют форму неправильного куба или многогранника. Такие кости располагаются в местах, где большая нагрузка сочетается с большой подвижностью. Плоские кости участвуют в образовании полостей, поясов конечностей, выполняют функцию защиты (кости крыши черепа, грудина, ребра). К их поверхности прикрепляются мышцы.

Кости имеют очень разнообразные формы и выполняют несколько функций. Со сложной, но очень функциональной внутренней структурой, которая определяет ее морфологию, кости пластичны и легки, хотя и очень устойчивы и жесткие. Общий и организованный набор костных частей образует скелет или скелетную систему. Каждая часть выполняет функцию в частности и в целом по отношению к частям, рядом с которыми она артикулируется.

Кости в человеческом существе являются такими же жизненно важными, как мышцы или мозг, и обладают большой способностью к регенерации и восстановлению. Однако вульгарно, что у вас есть вид кости как инертной структуры, так как в целом видны части костей - сухие и свободные от органических веществ - скелетов после разложения трупов.

Рис. 2. Различные виды костей:

1 - длинная (трубчатая) кость, 2 - плоская кость, 3 - губчатые (короткие) кости, 4 - смешанная кость

Смешанные кости имеют сложную форму. Они состоят нескольких частей, имеющих различное строение. Например, позвонки, кости из основания черепа.

Воздухоносные кости имеют в своем теле полость, выстланную слизистой оболочкой и заполненную воздухом. Например, лобная, клиновидная, решетчатая кость, верхняя челюсть.

Общая структура кости - это костная ткань. Хотя не все кости одинаковы по размеру и консистенции, в среднем их химический состав составляет 25% воды, 45% минералов, таких как фосфат и карбонат кальция, и 30% органического вещества, главным образом коллагена и других белков.

Минералы костей не являются инертными компонентами и не остаются фиксированными, но постоянно обмениваются и заменяются вместе с органическими компонентами в процессе, известном как ремоделирование кости. Его формирование и поддержание регулируются гормонами и проглоченной пищей, которые обеспечивают жизненно важные для его функционирования витамины.

1.4 Развитие и рост костей

В онтогенезе человека большинство костей скелета последовательно проходит три стадии в своем развитии. Это перепончатая, хрящевая и костная стадии. Минуют хрящевую стадию так называемые покровные кости (кости свода черепа, лица, ключица).

Вначале в эмбриональной соединительной ткани (мезенхиме) перепончатого скелета на второй неделе развития появляются хрящевые зачатки будущих костей (хрящевая стадия развития скелета). Затем, начиная с 8-й недели внутриутробной жизни, хрящевая ткань на месте будущих костей начинает замещаться костной тканью. Первые костные клетки, точки окостенения появляются в диафизах трубчатых костей. Образование костной ткани на месте хрящевых моделей костей может происходить тремя способами. Это перихондральное, периостальное и энхондральное окостенение. Периостапъное окостенение (образование кости) наблюдается тогда, когда сформировавшаяся надкостница продуцирует молодые костные клетки, Энхондральное окостенение имеет место, когда костная ткань образуется внутри хряща. В хрящ из надкостницы прорастают кровеносные сосуды и соединительная ткань. Хрящ в этих местах начинает разрушаться. Часть клеток проросшей в хрящ соединительной ткани превращается в остео-генные клетки, которые разрастаются в виде тяжей, формирующих в глубине кости ее губчатое вещество.

Диафизы трубчатых костей окостеневают во внутриутробном периоде. Появившиеся в них точки окостенения; называют первичными. Эпифизы трубчатых костей начинают окостеневать или перед самым рождением, или уже во внеутробном периоде жизни человека. Такие точки, образовавшиеся в хрящевых эпифизах, получили название вторичных точек окостенения. Костное вещество эпифизов образуется энхондральным, перихондральным и периостальным способами. Однако на границе эпифизов с диафизом довольно долго сохраняется хрящевая пластинка (эпифизарная), которая замещается костной тканью в 16-24 года, и эпифизы срастаются с диафизами. За счет эпифизарной пластинки трубчатые кости растут в длину. После замещения этих пластинок костной тканью рост костей в длину прекращается.

1.5 Возрастные изменения костей

Костная ткань динамична, она обладает способностью постоянно обновляться, и на протяжении всей жизни человека в ней меняется количественное и качественное соотношение между органическими и неорганическими веществами. Причем для каждого периода жизни характерны свои соотношения (по ним, в частности, и определяется возраст).

У годовалого ребенка в костной ткани органические вещества преобладают над неорганическими, что в значительной степени определяет мягкость, эластичность его костей. Ведь именно органические вещества да еще вода, обеспечивают кости растяжимость, эластичность. Вспомните школьный опыт: в сосуд с соляной кислотой кладут кусочек кости, и через некоторое время она становится мягкой настолько, что ее даже можно завязать узлом. А происходит это потому, что под действием соляной кислоты растворяются почти все минеральные вещества, а органические остаются.

По мере того, как человек взрослеет, в костной ткани увеличивается процент неорганических веществ и растущие кости обретают все большую твердость. От 1 до 7 лет рост костей ускоряется в длину за счет эпифизарных хрящей, расположенных между телом кости и ее головкой, и в толщину - благодаря аппозиционному утолщению компактного костного вещества в связи с костеобразующей функцией надкостницы. После 11 лет вновь кости скелета начинают быстро расти, формируются костные отростки (апофизы), костномозговые полости приобретают окончательную форму. Когда рост заканчивается-а происходит это примерно к 20-25 года,- хрящи полностью замещаются костной тканью. Рост кости в толщину происходит путем наложения новых масс костного вещества со стороны надкостницы.

Материалы по теме:

Карта сайта