Wytrzymałość mechaniczna kości
Kości są twarde i wytrzymałe, dzięki czemu mogą stanowić podporę dla ciała oraz ochronę dla narządów wewnętrznych, np. mózgu lub płuc. Do kości za pomocą ścięgien przyczepione są mięśnie, które kurcząc się, umożliwiają ruch organizmu. Ponadto kości są miejscem magazynowania cennych dla organizmu pierwiastków, takich jak wapń i fosfor, które w razie zapotrzebowania są uwalniane do krwi.
jakie elementy wchodzą w skład układu ruchu;
jak zbudowany jest szkielet człowieka.
Przedstawisz funkcje kości.
Określisz cechy budowy fizycznej i chemicznej kości.
Zaplanujesz i przeprowadzisz doświadczenie wykazujące rolę składników chemicznych kości.
1. Budowa kości
Kość składa się z następujących elementów:
okostna – włóknista błona pokrywająca kość od zewnątrz (z wyłączeniem powierzchni stawowych oraz miejsc zetknięcia kości), zawierająca naczynia krwionośne, nerwy i komórki kostne; uczestniczy w ochronie, odżywianiu, wzroście i regeneracji kości;
istota zbita – część kości zbudowana z tkanki kostnej zbitej;
istota gąbczasta – część kości zbudowana z tkanki kostnej gąbczastej.
Przestrzenie między beleczkami kostnymi tkanki kostnej gąbczastej oraz jamy szpikowe występujące w trzonach kości długich są wypełnione szpikiem kostnym.
Czerwony szpik kostny pełni funkcję krwiotwórczą – wytwarza erytrocyty (krwinki czerwone), leukocyty (krwinki białe) oraz płytki krwi (trombocyty). Występuje on we wszystkich kościach płodu i noworodka, jednak wraz z wiekiem jego ilość się zmniejsza. U osoby dorosłej czerwony szpik kostny jest już obecny jedynie w kręgach, żebrach, łopatkach, obojczykach, mostku, kościach czaszki, miednicy i częściowo w jamach kości długich.
Wraz z wiekiem w szpiku czerwonym odkłada się coraz więcej komórek tłuszczowych, które nadają mu żółtawe zabarwienie. W ten sposób powstaje żółty szpik kostny, będący rezerwą krwiotwórczą ustroju. W razie dużej utraty krwi przez organizm, np. w wyniku silnego krwotoku, żółty szpik kostny przekształca się w szpik czerwony, który uzupełnia powstałe braki w komórkach i płytkach krwi.
Nasady kości długich oraz miejsca połączeń kości pokryte są tkanką chrzęstną, która jest jednocześnie sztywna i elastyczna. Tkanka ta składa się z komórek chrzęstnych umieszczonych w jamkach utworzonych w elastycznej substancji międzykomórkowej. Chroni nasady kości przed ścieraniem oraz łączy ze sobą niektóre kości. W przeciwieństwie do tkanki kostnej nie jest ukrwiona.
2. Wytrzymałość mechaniczna kości
Wytrzymałość mechaniczna kości na ściskanie, zginanie, rozciąganie i skręcanie zależy przede wszystkim od funkcji, jaką dana kość pełni w organizmie, a także od jej gęstości mineralnej i struktury, wieku, płci oraz stanu zdrowia osobnika.
Komórki kostne wytwarzają substancję międzykomórkową, w której są zanurzone. W jej skład wchodzą:
związki wapnia i fosforu nadające kości sztywność i twardość,
osseina zawierająca liczne białkowe włókna kolagenowe, które nadają kości elastyczność.
Kliknij rozpocznij
, aby przeprowadzić symulację interaktywną.
Symulacja przedstawia wytrzymałość mechaniczną kości. Poniżej przycisk rozpocznij. Po kliknięciu na niego wyświetla się ekran ze stołem laboratoryjnym. Widać na nim dwa słoiki, jeden z wodą, drugi z octem. Obok znajdują się trzy kości na szkiełku zegarkowym oraz palnik. U góry widać napis: Włóż po jednej kości do każdego ze słoików. Po wykonaniu tej czynności pojawia się napis: dwa tygodnie później. Następnie kolejny napis: Wyjmij kości ze słoików i połóż je na szkiełkach zegarkowych. Kość, która nie była moczona, przypal za pomocą palnika. Po wykonaniu tych czynności pojawia się kolejny napis: Wybierz kość, a następnie zmień siłę nacisku i rodzaj oddziaływania na wybraną kość, żeby sprawdzić jej właściwości. W dolnym lewym rogu widać przycisk z literą i. Po jego kliknięciu wyświetla się następująca informacja: Kości są twarde dzięki zawartości soli mineralnych, a elastyczne dzięki białkom. Kość pozbawiona minerałów staje się miękka, a pozbawiona białek staje się krucha i łamliwa. Kość moczona w wodzie nie ulega odkształceniom pod wpływem ściskania, rozciągania, zginania, skręcania i ścinania. Kość moczona w occie uległa odkształceniom podczas ściskania, zginania, skręcania i ścinania. Kość moczona w occie nie uległa odkształceniom podczas rozciągania. Kość palona uległa złamaniu po zginaniu, skręcaniu i ścinaniu. Nie uległa odkształceniom podczas ściskania i rozciągania.
3. Kostnienie szkieletu
Chrzęstny model kości formuje się już w okresie rozwoju zarodkowego. Wówczas chrząstka jest stopniowo zastępowana tkanką kostną, która ulega mineralizacji. Tkanka chrzęstna zawiera znacznie mniej związków mineralnych niż kość, dlatego zachowuje sprężystość i elastyczność.
Kość rośnie zarówno na grubość, jak i na długość. Wzrost kości trwa do ok. 18. roku życia u kobiet i do ok. 21. roku życia u mężczyzn. U osób starszych może wystąpić osteoporozaosteoporoza.
Słownik
przewlekła choroba kości z postępującym ubytkiem masy kostnej i uszkodzeniem ich struktury; prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości mechanicznej kości, co powoduje ich łamliwość
Zadania
Tkanka ta jest rodzajem tkanki łącznej. Ma dużą wytrzymałość mechaniczną i wysoki stopień twardości. Budują ją składniki mineralne i związki organiczne.
Wykres do ćwiczeń 4–6
Oprac. na podst.: H.K. Charles Jr., M.H. Chen, T.S. Spisz i in., AMPDXA for Precision Bone Loss Measurements on Earth and in Space, „Johns Hopkins Apl Technical Digest” 2004, t. 25, nr 3.
Wykres przedstawia gęstość mineralną kości w gramach na centymetr kwadratowy w zależności od wieku u kobiet i mężczyzn. W piętnastym roku życia gęstość wynosi około ośmiu dziesiątych u obu płci. Następnie do dwudziestego roku rośnie, by u kobiet osiągnąć poziom jeden i jedna dziesiąta, a u mężczyzn jeden i dwie dziesiąte. U kobiet około sześćdziesiątego roku życia gęstość spada, by w siedemdziesiątym ósmym roku osiągnąć wartość około dziewięćdziesięciu sześciu setnych. U mężczyzn poziom jest wyższy. Nie spada poniżej jeden i dwóch dziesiątych.
Oprac. na podst.: Bonnet N., Ferrari S.L., Exercise and the Skeleton: How It Works and What It Really Does, IBMS BoneKEy 2010, nr 7 (7), s. 235–248.
Wielkość | Wartość [MPa] |
|---|---|
Wytrzymałość na ściskanie | 162 |
Wytrzymałość na zginanie | 160 |
Wytrzymałość na rozciąganie | 109 |
Wytrzymałość na skręcanie | 54,1 |
Indeks górny Źródło: R. Będziński, E. Gawin, Badanie właściwości mechanicznych struktur tkankowych [w:] „Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna 2000”, red. M. Nałęcz, t. 5: Biomechanika i inżynieria rehabilitacyjna, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2004. Indeks górny koniecŹródło: R. Będziński, E. Gawin, Badanie właściwości mechanicznych struktur tkankowych [w:] „Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna 2000”, red. M. Nałęcz, t. 5: Biomechanika i inżynieria rehabilitacyjna, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2004.
Notatnik
Bibliografia
Będziński R., Gawin E., Badanie właściwości mechanicznych struktur tkankowych [w:] „Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna 2000”, red. M. Nałęcz, t. 5: Biomechanika i inżynieria rehabilitacyjna, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2004.
Głuszko P., Tłustochowicz W., Korkosz M., Choroby metaboliczne kości [w:] Interna Szczeklika 2017, red. A. Szczeklik, P. Gajewski, Medycyna Praktyczna, Kraków 2017, s. 2070.