SINH CƠ HỌC CỦA XƯƠNG pptx

SINH CƠ HỌC CỦA XƯƠNG

Khối lượng xương, tức là tổng lượng khoáng trong bộ xương có ý
nghĩa quan trọng. Mối tương quan chặt chẽ giữa khối lượng xương đo được
của các xương trong cơ thể và độ vững chắc của những xương đó đã biết rõ.
Cấu tạo hoặc cấu trúc của xương cũng có tầm quan trọng đối với lực cơ học
và tính đàn hồi.
Xương có thể được coi là vật chất cấu thành bằng hai pha, với chất
khoáng là một pha và chất tạo keo và chất nền là pha kia. Các chất kết hợp
kiểu đó bền chắc hơn từng chất riêng rẽ.
Các quan niệm sinh cơ học cơ bản
Đường cong biến dạng do tải trọng cơ học lên xương được chứng
minh một cách hệ thống ở hình sau:

Hình 4.1.Đường cong biến dạng do tải trọng (nén, kéo căng) với cấu
trúc hình thành bởi vật dẻo nào đó.
Nếu tải trọng đặt vào đoạn đàn hồi của cấu trúc (đoạn A-B trên
đường cong) sau đó được buông ra thì không thấy có biến dạng vĩnh viễn.
Nếu tải được tiếp tục vượt qua điểm uốn (B) và đi vào đoạn dẻo của cấu trúc
(đoạn B-C trên đường cong) và sau đó tải được buông ra thì có biến dạng
vĩnh viễn.
Biến dạng vĩnh viễn xảy ra nếu cấu trúc chịu tải ở điểm D trên vùng
dẻo và sau đó mất tải thì tổng biến dạng đó được biểu diễn bởi khoảng cách
giữa A và D. Nếu tải được tiếp tục trong đoạn dẻo thì đến một điểm hỏng tận
cùng (C).
(Hình vẽ được phép của Nordin và Franked - 1989).
Đoạn khởi đầu là vùng đàn hồi, ở đó vật liệu trở lại hình dạng nguyên
thủy của nó khi chưa có tải. Ở điểm uốn, vật liệu bắt đầu bị hỏng và không
lấy lại được hình dạng nguyên thủy của nó khi chưa có tải. Đó là vùng dẻo.
Miền dưới đường cong biểu diễn năng lượng hấp thụ. Sự vững mạnh của cấu
trúc được xác định bởi:

1. Tải trọng mà cấu trúc chịu đựng được trước khi hỏng.
2. Sự biến dạng nó chịu đựng được trước khi hỏng.
3. Năng lượng nó có thể tích lũy trước khi hỏng.
Thuật ngữ chính xác hơn đối với sự biến dạng do mang tải là nén -
kéo căng. Nén (stress) là tải hoặc lực trên miền đơn vị được triển khai trên
một miền phẳng trong cấu trúc khi đáp ứng với các tải đặt vào từ bên ngoài.
Nó được đo bằng Newton trên mét vuông (N/m
2
) hoặc bằng Pascal (Pa).
Kéo căng (strain) là sự biến dạng, sự thay đổi về kích thước, triển khai
trên một cấu trúc đáp ứng với sự nén từ bên ngoài. Một sức kéo căng lớn mà
không gây biến dạng vĩnh viễn, có nghĩa là sức kéo đàn hồi cao và đối với
các kiểu xương khác nhau cũng có nghĩa là khả năng lớn hơn để tích lũy
năng lượng.
Cấu trúc xương thay đổi tùy các kiểu xương khác nhau, tức là kiểu
lưới hay kiểu vỏ, và cũng tùy các mặt khác nhau trong cùng một xương. Như
vậy đường cong nén - kéo căng sẽ khác nhau khi một mảnh xương chịu tải
với những phương khác nhau, ví dụ phương nằm ngang, nằm dọc hay nằm
nghiêng (dị hướng). (Hình 4.2)

Hình 4.2. Biến dạng ở mẫu xương vỏ ở trục đùi được kéo theo 4
hướng:
(i) nằm dọc (L); (ii) nghiêng 30° so với trục độ của xương; (iii)
nghiêng 60°; (iv) ngang (T).
(Hình vẽ được phép của Nordin và Fraket - 1989)
Nói chung, xương vững chắc nhất ở phương chịu tải sinh lý bình
thường hay gặp nhất.
Cơ học xương
Khi chịu tải, xương tỏ ra cứng hơn. Điều này có thể bổ sung bằng
trọng lực hay sự kéo của cơ. Sự co các cơ dính vào xương làm thay đổi cách

phân bổ sức nén trên xương. Như vậy xương có thể chịu đựng được sức nén
trên xương. Như vậy xương có thể chịu đựng được sức nén mạnh dưới các
điều kiện có tải hơn là khi không tải.
Điều này giải thích vì sao xương sống nâng nặng không gẫy như về lý
thuyết thí nghiệm in vitro mẫu xương sống chưa nén.
Nếu sức tải nào đó trên một phần của bộ xương vượt quá độ vững
chắc cuối cùng của xương ấy thì xương gẫy. Tải đó có thể gây một chấn
thương mạnh ít hoặc mạnh nhiều, nó nhanh chóng vượt quá sức vững chắc
của xương, hoặc tải có thể duy trì lâu dài hơn, quá tải lắp lại thường xuyên,
gây ra gẫy do nén (hỏng do quá sức).
Tập tính sinh cơ học của xương biến thiên tùy theo mức độ mà xương
phải tải. Nếu mức kéo căng xương tăng lên, thì xương cứng hơn (hấp thụ
nhiều năng lượng hơn trước khi hỏng). Xương tăng vững chắc hơn lên gấp
mấy lần so với sự tăng mức độ kéo căng. Điều này ngược với các mô mềm,
ví dụ dây chằng hay gân kém nhậy cảm với sức kéo căng. Điều này giải
thích tại sao xương, hoặc đơn vị xương cùng với dây chằng mới chịu tải ít đã
hỏng gây ra các chỗ gẫy do giật còn dây chằng và gân thì hỏng ở tải lớn hơn
khi xương vững chắc hơn các mô mềm. Xương trong một đơn vị xương -
dây chằng cũng yếu hơn khi xương còn non, điều này giải thích vì sao các
chỗ gẫy do giật tương đối ít thấy ở các nhà thể thao trẻ tuổi hơn là ở nhà thể
thao lớn tuổi.
Sự mệt mỏi của xương
Tác động mỏi mệt khi xương đặc mang tải chu kỳ là chức năng thuộc
tính chất kéo căng (biến dạng) hơn là thuộc tính chất nén (mang tải).
Các vết gãy nén có thể coi là biểu hiện lâm sàng của sự mệt mỏi của
xương, do tăng con số lặp đi lặp lại của tải khi kéo căng xương bình thường.
Như vậy chỉ một hoặc một ít chu kỳ mang tải gây ra một sức căng chịu đựng
được, song lặp đi lặp lại nhiều lần thì dẫn đến hư hỏng do mệt mỏi. Tải lặp
đi lặp lại ở mức độ cao cũng tác hại nhiều cho xương hơn một mức độ thấp
thậm chí nếu sự căng (biến dạng) giống nhau ở mọi chu kỳ mang tải.

Gẫy xương do mỏi mệt thường hay gặp phải khi vận động liên tục làm
cho cơ mệt mỏi. Do vậy bắp thịt yếu hơn đi và không triệt tiêu nổi sức nén
áp đặt lên xương.
Điều này giải thích vì sao sự gẫy xương do nén gặp ở 15% người chạy
và ảnh hưởng đến 15% người chạy. Thực nghiệm trên súc vật cho thấy giá
trị kéo căng tăng lên 5 lần từ đi bộ cho đến chạy nước rút nhanh.
Ở ngựa đua, các gẫy xương ở xương đốt bàn chân thứ ba thường gặp
lên tới 70% trong năm đầu tập luyện. Do xương tạo lại nên sức kéo căng
giảm đi ở xương này và như vậy kiểu gẫy này không hay gặp ở ngựa trưởng
thành.
Xương của các con vật non hơn tỏ ra chịu sức căng cao hơn với một
sức tải cho trước hơn là con vật trưởng thành với xương già. Sau khi chu kỳ
chịu tải nhỏ hơn chúng cũng hỏng vì mệt mỏi. Như vậy xương non nớt thì
nhạy cảm nhiều với sự chịu tải chu kỳ hơn là xương già dặn. Như các nghiên
cứu lâm sàng và thực nghiệm trên súc vật cho thấy, sự tập luyện căng thẳng
khi đang lớn có thể làm ngừng lớn và gây ra sự teo xương và mất khoáng.
Sinh cơ học tái tạo xương
Khả năng mang tải đạt được của bộ xương và duy trì được là nhờ kết
quả kích thích chức năng không ngừng lên tập đoàn tế bào chịu trách nhiệm
tái tạo xương.
Sự nhạy cảm với tải tác động gây ra do căng, sự tái tạo xương có mục
đích giảm căng dưới mức độ nhất định chịu đựng được. Mức độ kéo căng
gây ra sự tái tạo xương có thể coi là một khoảng cách. Nếu vượt qua giới
hạn trên thì xảy ra sự hỏng cấu trúc. Việc tái tạo xương làm cho sự kéo căng
ở một tải hoặc ở một sức nén nào đó hạ xuống dưới khoảng cách đó. Các
giới hạn biến thiên ở các xương khác nhau phù hợp với mô hình mang tải
sinh lý. Các xương ở chi dưới thì chịu tải nhiều hơn các xương chi trên và do
đó có thể phản ứng với sức căng kéo ít hơn ở một mức nén cho trước.
Việc tái tạo xương diễn ra giải thích tại sao các gẫy xương do nén hay
gặp nhất trong các thời kỳ tập luyện tăng cường.

Bộ nhớ kéo căng của xương
Một vấn đề thường phải nghiên cứu là có những thay đổi gì khi việc
kéo căng trong xương gây ra trong những thời kỳ mang tải ngắn được ghi
nhớ và có một sự thay đổi gây ra khi tái tạo xương.
Sự định hướng của collagen trong khuôn mẫu của xương không thay
đổi gì trừ khi có sự phá hủy vật lý đối với mô.
Những thời kỳ rất ngắn mang tải được chứng tỏ là có ảnh hưởng đến
quá trình tái tạo xương chầm chậm. Xương có tập tính áp điện. Sự kéo căng
gây ra một sự phân cực ở trạng thái bền vững của xương, có thể quan sát
thấy bằng thực nghiệm mấy ngày sau khi thôi thí nghiệm mang tải.
Các thực nghiệm khác đã cho thấy khoảng 50 đảo ngược căng (bằng
con số các chu kỳ mang tải), đạt được hướng proteoglycan tối đa có tác dụng
đánh dấu trên sự tái tạo. Sự biến đổi hướng proteoglycan giữ được ít nhất là
24 giờ. Điều này được gọi là "bộ nhớ kéo căng" của mô xương.
Các phân tử proteoglycan được tích nạp nhiều và gắn chặt vào tế bào
xương. Sau khi kích thích kéo căng, các tế bào xương tăng sản xuất ARN. Vì
các tế bào xương khu trú ở trong khuôn xương, chúng được đặt vào chỗ tốt
nhất để cảm nhận kích thích kéo căng. Việc tái tạo mẫu được thực hiện do
các hủy cốt bào và tạo cốt bào (nguyên bào xương). ARN do kích thích kéo
căng gây ra có thể là một chất đưa tin từ tế bào xương tới các tế bào đó. Tế
bào xương nuôi cấy lại tăng sản xuất AND và tăng sinh nữa khi chịu sức kéo
cơ học theo chu kỳ.
Các kích thích khác để tạo xương có tác hại nhỏ đối với xương. Tác
hại vì mô đó xảy ra ở những mức độ kéo căng nhỏ. Sự tái tạo các xương dài
lớn nhất ở vùng dưới màng xương, chỗ đó có sức nén lớn nhất và hay có tác
hại vì mô nhất. Cũng thấy các vết gẫy vi mô ở xương bẹt kiểu lưới.
Tóm lại là có hai con đường tái tạo xương. Hoặc là thông qua các hiện
tượng điện khởi đầu bằng sự kéo căng do chức năng gây ra, hoặc bằng sự tác
hại vì mô cũng gây ra sự tái tạo.