Правда ли, что человеческие кости прочнее стали? Продолжаем ли мы расти после 25 лет? Почему у некоторых из нас костей больше, чем написано в учебниках? В честь какой птицы назвали копчик? Какого цвета кости на самом деле? Почему в старости люди становятся ниже? На эти и другие вопросы о костях и скелете человека отвечают ученые Пермского Политеха (ПНИПУ) и Пермского государственного медицинского университета (ПГМУ) им. академика Е.А. Вагнера.
Факт 1. Наши кости на две трети состоят из минералов
«У взрослого человека 60–70% веса кости приходится на соли кальция (гидроксиапатит), а оставшееся — органическое вещество, главным образом коллаген. У детей кости отличаются гибкостью и мягкостью из-за большего содержания органики, а у взрослых больше минеральных веществ, поэтому их скелет тверже. В скелете сосредоточено 90% минеральной массы организма: кальция — 99%, фосфора — 87%, магния — 58% и еще около 30 микроэлементов (медь, цинк, кремний и др.)», — рассказывает Александр Сотин, кандидат технических наук, доцент, заведующий учебной лабораторией «Функциональной диагностики и прототипирования» кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ.
Из-за наличия в костях солей кальция, они обычно имеют белый цвет. В кабинете биологии или анатомическом музее обычно представлены кости которые дополнительно отбеливают для дезинфекции и эстетичности перекисью водорода или хлорсодержащими жидкостями. У живого организма кости имеют слегка желтоватый цвет из-за соединительнотканной надкостницы и жировых клеток.
Факт 2. Скелет полностью формируется к 18–30 годам
Наиболее активно кости скелета растут с 0 до 7 лет и с 12 до 17 лет. К 25–30 годам, как правило, скелет формируется полностью. Трубчатые кости растут в длину у детей и подростков за счет хрящевых прослоек, т. н. зон роста, между эпифизами и диафизом. Когда эти хрящи замещаются костной тканью, то рост костей в длину прекращается.
«Определить, продолжается ли рост кости, можно по рентгеновскому снимку: если на нем видна зона роста, это означает, что кость еще не сформировалась. Но и в более старшем возрасте, в зависимости от действующей нагрузки, например, изменения массы тела, тяги прикрепляющихся мышц, кости могут увеличиваться в толщине за счет надкостницы. Такой тип роста кости называют „периостальный“. Меняется и внутренняя архитектоника кости. Однако у пожилых людей костная ткань регрессирует», — поясняет Александр Сотин.
А вот слуховые косточки — самые маленькие, и они единственные не изменяют свой размер и плотность на протяжении всей жизни.
Факт 3. Скелет человека весит 5–6 кг
Skeleton, skeletos — от лат. «высушенный». Старославянское «кощь, кошть» означает сухой, тощий. Отсюда и похожий на скелет «Кощей бессмертный». От массы тела человека скелет составляет 1/5–1/7 часть, обезжиренный и высушенный он в 2–3 раза легче и весит всего 5–6 кг.
«К самым интересным названиям костей можно отнести копчик — похож на птичку кобчик, термин дал врач и анатом Андреас Везалий. Ладьевидная кость, на запястье и предплюсне, — лат. os naviculare, сохраняются даже в разложившемся трупе. Лат. nave — „смерть“, польское nawa — „гроб ладьевидной формы“, древнерусское „навь“ — это „покойник“. Лопатка — похожа на русскую лопату, но латинское слово происходит от греческого skepos „видеть“. У бегущей лошади они хорошо видны, отсюда и выражение „бежать во все лопатки“, — рассказывает Павел Гаряев, кандидат медицинских наук, доцент кафедры нормальной, топографической и клинической анатомии, оперативной хирургии ПГМУ им. академика Е. А. Вагнера.
Факт 4. У нас может быть больше костей, чем написано в учебниках анатомии
«В некоторых случаях можно встретить и до 220–300 костей. Например, в черепе чешуя затылочной, лобной, височной и теменной костей в 1–2% случаев может состоять из двух-трех отдельных фрагментов. В теменной кости их называют „кости инков“. Иногда встречается рудиментарная межчелюстная косточка Гете, например, как у кошек, собак и баранов. У большинства людей в швы мозгового черепа встроены мелкие вормиевы косточки. При тяжелой врожденной гидроцефалии кости черепа могут состоять из десятков фрагментов, т. к. точки окостенения в перепончатой, соединительнотканной, модели черепа младенца под распирающим действием огромного внутричерепного давления спинномозговой жидкости, ликвора, не могут соединиться друг с другом в единый массив, — рассказывает Павел Гаряев.
Наряду с постоянными костями, например, надколенником, гороховидной костью, встречаются и мелкие непостоянные, заключенные в толще сухожилий в кистях или стопах. Есть люди с 13 парами ребер, как у собак и кошек, добавочным шейным ребром и копчиковым позвонком. Редкое, но возможное явление — полидактилия, когда у человека по шесть пальцев на стопах или кистях.
Факт 5. Из-за болезни кости бывают «моложе» нас
Есть понятие «костный возраст». Поэтому правильнее сказать, соответствует ли костный возраст паспортному, опережает или отстает от среднего норматива. Еще в утробе матери, а затем и в детском возрасте постепенно соединительнотканная модель скелета заменяется на хрящевую, а потом и на костную.
«Например, по рентгеновским снимкам запястья можно определить, соответствует ли скорость окостенения паспортному возрасту. К моменту рождения обычно в рентген-лучах видна только головчатая кость запястья, а гороховидная только к семи годам. Но при рахите сроки окостенения хрящей запястья задерживаются — условно можно сказать, что тогда скелет ребенка моложе, чем должен быть в данном возрасте», — поясняет доцент кафедры анатомии ПГМУ.
Факт 6. В России остеопорозом страдает 14 млн человек
По данным Российской ассоциации по остеопорозу в России остеопорозом страдают около 14 млн человек, или 10% населения. Особенно часто болезнь встречается у женщин в период климакса, почти у каждой третьей. Из-за изменения гормонального фона и дефицита эстрогенов кальций вымывается из костей, они становятся очень хрупкими, даже несильное падение может привести к перелому шейки бедра. ДЛя профилактики остеопороза специалисты рекомендуют употреблять достаточное количество кальция и витамина D, вести здоровый образ жизни, придерживаться сбалансированного питания и заниматься умеренными физическими нагрузками.
Факт 7. С возрастом рост человека уменьшается из-за собственного веса
«Основная причина уменьшения роста на 2−5 см к пожилому возрасту — это сплющивание межпозвоночных хрящевых дисков под действием веса тела. Например, вечером рост на 1 см меньше, чем утром. Кроме того, возрастные изменения костей человека связаны с патологическими разрастаниями костной ткани в форме всевозможных наростов и шипов — остеофитов. Именно эти образования вызывают боль в суставах и приводят к ограничению их подвижности, особенно позвоночника», — объясняет доцент ПНИПУ Александр Сотин.
Факт 8. «Широкой кости» не бывает
«Не я толстый — это кость широкая», — утверждают обладатели избыточного веса. Однако понятия «широкой кости» не существует ни в медицинских энциклопедиях, ни в справочниках. Это народное изобретение. В среднем скелет одного человека отличается от скелета другого не более чем на 2–3 килограмма», — поясняет Павел Гаряев.
Факт 9. Кость прочнее стали
Костная система устроена так, что при наименьшем весе она имеет наибольшую прочность и лучше всего адаптирована к функциональным нагрузкам. Заведующий учебной лабораторией «Функциональной диагностики и прототипирования» ПНИПУ рассказывает, что костная ткань — это довольно прочный материал — крепче стали, но при этом весит намного меньше. Костная ткань адаптирует свою структуру и механические свойства под внешние нагрузки. Самой крупной в нашем теле является бедренная кость, и она может выдержать нагрузку вдоль своей оси до 1500 кг, но при этом может сломаться при поперечной нагрузке всего в 100–200 кг.
Факт 10. Костная ткань полностью обновляется раз в 10 лет
«На протяжении всей жизни наши кости непрерывно перестраиваются. Рассасывание (резорбция) костной ткани происходит при участии гигантских многоядерных клеток — остеокластов. Они разрушают старую или ненагруженную костную ткань, а клетки остеобласты строят новую. В среднем, полное физиологическое обновление скелета проходит один раз за 10 лет. Ремоделирование, так называется перестройка кости, не только обеспечивает сохранность и обновление скелета, но и играет важную роль в минеральном обмене, так как кость — естественный резервуар микроэлементов — кальция, магния и фосфатов, которые в период резорбции постепенно высвобождаются и поступают в кровоток», — объясняет Александр Сотин.
Факт 11. Зубы не срастаются из-за отсутствия стволовых клеток
Точнее отломленная коронка зуба никогда не приживется обратно к корню, равно как и не вырастет новая как хвост у ящерицы. Зубы и кости очень похожи, имеют почти идентичный состав: костная ткань минерализована на 70%, как и основной материал зуба — дентин, а эмаль состоит из гидроксиапатита на 90%.
Факт 12. Срастание перелома можно ускорить
При переломе кости врачи предпринимают определенные действия, направленные на достижение правильного и быстрого восстановления поврежденных тканей. Место срастания необходимо обездвижить и установить в правильном положении. В некоторых случаях пациентам необходима операция, чтобы установить на место отломки кости и стабилизировать перелом. В таком случае могут быть использованы металлические пластины и шурупы.
Ускорить сращивание кости можно и с помощью аппарата Exogen, который использует ультразвуковые волны для стимуляции естественных процессов восстановления организма и активирует рост костной ткани.
«В 1990-х годах я принимал участие в диссертационном исследовании по ускорению заживления неполного перелома нижней челюсти у собак. Результаты опытов показали, что ежедневное помещение животного в клетку из металлической сетки в магнитном поле привело к тому, что образование костной мозоли ускорялось на 15%», — рассказывает доцент ПГМУ им. академика Е. А. Вагнера Павел Гаряев.
Факт 13. При правильном восстановлении сросшаяся кость будет прочнее обычной
По прочности сросшаяся кость не уступает обычной, а зачастую еще и прочнее. И если при лечении перелома человек сбалансировано питался, то механические свойства кости будут в норме. Павел Гаряев делится рекомендациями, которые помогут срастить перелом:
«Избегайте курения — это замедляет процесс регенерации кости. Питание должно быть сбалансированным и содержать необходимые питательные элементы, такие как белок, витамины и микроэлементы, особенно кальций. Это даст организму энергию и строительный материал для восстановления поврежденной ткани. Прием болеутоляющих — только по назначению врача, поскольку некоторые препараты могут подавлять процесс срастания кости».
Факт 14. Из-за длительного ношения гипса страдает подвижность суставов
«Лечение перелома предполагает длительную фиксацию конечности, чтобы дать возможность тканям правильно срастись. Отрицательным эффектом может быть потеря подвижности в суставе. Если он находился в неподвижном положении более 1–2 месяцев, протокол лечения дополняют мануальной или аппаратной техникой, которые направлены на усиленное сгибание сустава. В дальнейшем важно, чтобы восстановление происходило в движении, поэтому врачи рекомендуют активно разрабатывать сустав после снятия гипса или фиксирующего ортеза с помощью специальных упражнений или аппаратов механотерапии, которые самостоятельно сгибают сустав и постепенно растягивают мягкие ткани», — поясняет доцент ПНИПУ Александр Сотин.
Факт 15. Если родную кость восстановить не удалось, можно использовать искусственную
Искусственная кость — созданный в лаборатории костеподобный материал используемый в трансплантатах для восстановления костных дефектов возникших при тяжелых переломах, болезнях и т. п.
При разработке имплантируемых биоматериалов ключевыми критериями становятся биоинертность, высокая прочность и биомеханическая совместимость. Имплантаты изначально изготавливались из таких материалов как металлы и твердая керамика, которые достаточно прочны, чтобы выдерживать внешние нагрузки. Однако жесткость этих материалов не соответствует критериям биомеханической совместимости, поэтому инженеры разрабатывают новые методы производства и проектирования более совершенных искусственных материалов, например, углерод-углеродные композиционные материалы или неорганические материалы на основе фосфатов кальция.
«Двумя основными компонентами кости являются коллагеновые волокна и гидроксиапатит — одна из наиболее стабильных форм фосфата кальция. Расширение исследований и знаний об организации, структуре костной ткани привело к разработкам материалов на основе коллагена и гидроксиапатита, а технологии 3D-печати позволили изготавливать имплантаты с заданной микроструктурой и фазовым составом, ” — пояснил Павел Гаряев.
Наука.рф в Телеграм: https://t.me/npnauka
Наука.рф ВКонтакте: https://vk.com/sciencerf
