Правда ли человеческие кости прочнее стали? Продолжаем ли мы расти после 25 лет? Почему у некоторых костей больше, чем написано в учебниках? В честь какой птицы назвали копчик? Какого цвета кости на самом деле? Из-за чего в старости люди становятся ниже? Почему зубы не могут отрасти повторно? Какой болезнью страдают 14 млн человек в России и как ее предотвратить? Что поможет ускорить срастание кости? Ученые Пермского Политеха и ПГМУ им. академика Е.А. Вагнера поделились интересными фактами о скелете человека.
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, анатомическом музее обычно представлены кости которые дополнительно отбеливают (для дезинфекции и эстетичности) перекисью водорода или хлорсодержащими жидкостями. У живого же 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 в возрасте тинэйджеров — 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 (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 (изменение массы тела, тяги прикрепляющихся мышц) кости могут увеличиваться в толщине за счет надкостницы (периостальный тип роста кости). Перестраивается и внутренняя архитектоника кости (ориентации и толщины костных балок и остеонов). 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
У взрослого человека «по стандарту», указанному в учебниках анатомии, 206-208 костей. В том числе: 29 образуют череп, 26 — позвоночный столб, 64 — скелет верхних конечностей, 62 — скелет нижних конечностей, 12 пар ребер, грудина. При этом больше всего костей в кистях, что позволяет человеку играть на пианино и выполнять другие точные, виртуозные действия.
— В некоторых случаях можно встретить и до 220-300 костей. Например, в черепе чешуя затылочной, лобной, височной и теменная 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 (как у кошек, собак, 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 ликвора не могут соединиться друг с другом в единый массив, — рассказывает Павел Гаряев.
Наряду с постоянными сесамовидными костями (надколенником, гороховидной) встречаются и мелкие непостоянные, заключенные в толще сухожилий (чаще в кистях и 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. У плодов и в детском возрасте постепенно соединительнотканная модель скелета заменяется на хрящевую, а затем 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 как бы моложе, чем должен быть в данном возрасте, — поясняет доцент кафедры анатомии ПГМУ.
Факт 6. В России остеопорозом страдает 14 млн человек
Остеопороз (в переводе с греческого «хрупкая кость») — заболевание, характеризующееся снижением плотности костей из-за уменьшения количества костного вещества или недостаточности кальция. В кости появляются «дыры», из-за чего она становится хрупкой и склонной к повреждению даже при незначительном механическом воздействии.
Павел Гаряев рассказывает, что в России остеопорозом страдают около 14 млн человек. 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. Профилактика остеопороза — здоровый образ жизни, сбалансированное питание и умеренные физические нагрузки.
Факт 7. К старости наш рост уменьшается из-за собственной тяжести
— Основная причина уменьшения роста на 2-5 см к пожилому возрасту — это сплющивание межпозвоночных хрящевых дисков под действием веса тела. 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, — отвечает 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 бесполезную (ненагруженную) костную ткань, а клетки остеобласты строят новую. В среднем, полное физиологическое обновление скелета проходит один раз за 10 лет. Ремоделирование (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%.
— В отличие от костей скелета, зубы при разрушении, сколе или переломе корня не срастаются. Эмаль коронки зуба не содержит камбиальных (стволовых) клеток и питающих кровеносных микрососудов, поэтому не способна к регенерации. Кроме того, для успешного образования костной мозоли в области перелома нужно надежно зафиксировать отломки. То есть если бы перелом зуба и мог срастаться, то пришлось бы накладывать шины, чтобы ограничить подвижность отломков, — поясняет Павел Гаряев.
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 сращение кости так же можно 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 сбалансированно 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, — рассказывает Павел Гаряев.