知識ベース

トラベキュラ

トラベキュラ

小柱 (複数の小柱 、ラテン語で「小さな梁」と呼ばれる)は、小さな梁、支柱、またはロッドの形をした小さな組織要素であり、身体または器官内の部品のフレームワークを支持または固定します。骨梁は一般に機械的機能を持ち、通常は密なコラーゲン組織(脾臓の骨梁など)で構成されます。それらは、筋肉や骨などの他の材料で構成できます。心臓では、筋肉が線維柱帯と中隔骨梁を形成します。海綿質骨は、線維柱帯形成された骨組織のグループから形成されます。

断面では、海綿骨の骨梁は中隔のように見えますが、三次元的にはトポロジー的に異なり、骨梁はおおよそ棒状または柱状で、中隔はシート状です。

液体で満たされた空間を横断する場合、小柱は、緊張に抵抗する機能を有する場合があります(陰茎のように、例えば海綿体の小柱および海綿体の小柱を参照)または細胞フィルターを提供します(目の小柱網のように)。

肺気腫の肺胞の一部の壁に起こるように、中隔の複数の穿孔は小柱の集合に減少する可能性があります。

構造

海綿骨とも呼ばれる海綿骨は、海綿骨組織で構成される多孔性骨です。それは、大腿骨のような長骨の端で見つけることができます。骨は実際には硬くはありませんが、骨組織の細い棒とプレートで接続された穴でいっぱいです。すべての血球が作られる赤い骨髄は、小柱孔の間のスペースを満たします。骨梁には多くの穴が含まれていますが、その空間的な複雑さは、最小の質量で最大の強度に寄与します。骨梁の形態と構造は、ジャンプ、ランニング、スクワットなどの機能的活動によって課される負荷に最適に抵抗するように構成されていることに注意してください。そして、1892年に提案された有名なウォルフの法則によれば、骨の外部形状と内部構造は、骨に作用する外部応力によって決定されます。小柱骨の内部構造は、最初に応力方向に沿って適応的に変化し、次に皮質骨の外部形状が二次的に変化します。最後に、骨の構造は、外部からの負荷に抵抗するために厚くなり、密になります。

総関節置換量の増加と骨リモデリングへの影響により、骨梁のストレス関連および適応プロセスを理解することは、骨生理学の中心的な関心事となっています。加齢に伴う骨構造における骨梁の役割と骨インプラントシステムの設計を理解するには、解剖学的部位、密度、年齢などの変数の関数として骨梁の機械的特性を研究することが重要です。そのためには、弾性率、一軸強度、疲労特性などの機械的要因を調査する必要があります。

通常、小柱骨の気孔率は75〜95%の範囲であり、密度は0.2〜0.8g / cm3の範囲です。多孔性は骨の強度を低下させる可能性があるが、その重量も低下させることに留意されたい。気孔率と気孔率の構造は、材料の強度に影響します。したがって、小柱骨の微細構造は通常、配向されており、機械的剛性と強度が最大になる方向に多孔性の「粒」が整列しています。微細構造の方向性のため、小柱骨の機械的特性は非常に非等方性です。骨梁のヤング率の範囲は800〜14000 MPaで、破損強度は1〜100 MPaです。

上記のように、骨梁の機械的特性は見かけの密度に非常に敏感です。骨梁のモジュラスと見掛け密度の関係は、1976年にカーターとヘイズによって実証されました。結果の方程式は次のように述べています。

E = a +b⋅ρc{\ displaystyle E = a + b \ cdot \ rho ^ {c}}

ここで、E {\ displaystyle E}は任意の荷重方向の骨梁の弾性率を表し、ρ{\ displaystyle \ rho}は見かけの密度を表し、a、{\ displaystyle a、} b、{\ displaystyle b、}およびc { \ displaystyle c}は、組織のアーキテクチャに依存する定数です。

さらに、走査型電子顕微鏡検査から、解剖学的部位が異なる骨梁構造の変動により、モジュラスが異なることがわかった。構造異方性と材料特性の関係を理解するには、異方性の小柱標本の測定された機械的特性を、その構造の立体的記述と相関させる必要があります。

小柱骨の圧縮強度も非常に重要です。なぜなら、小柱骨の内部破壊は圧縮応力から生じると考えられているからです。見かけ密度が異なる海綿骨と皮質骨の両方の応力-ひずみ曲線には、応力-ひずみ曲線に3つの段階があります。最初のものは、バルク組織が圧縮されると個々の小柱が曲がって圧縮する線形領域です。 2番目の段階は降伏後、骨梁結合が破壊し始め、3番目の段階が硬化段階です。通常、密度の低い骨梁領域は、密度の高い標本よりも硬くなる前のステージの変形が多くなります。

要約すると、骨梁は非常に順応性があり、異質です。不均一な特性により、骨梁の一般的な機械的特性を要約することは困難です。気孔率が高いと、小柱骨がコンプライアンスに適合し、構造の大きなばらつきが高い不均一性につながります。弾性率と強度は、気孔率に反比例して変化し、気孔率構造に大きく依存します。さらに、経年変化と小柱骨の小さな亀裂が機械的特性に及ぼす影響については、最終草案でさらに分析します。

臨床的な意義

研究は、人間が成人に達すると、骨密度が年齢とともに着実に減少することを示しており、骨密度の減少が部分的な原因となっています。骨量の損失は、若年成人の骨密度(BMD)が平均BMDの1標準偏差未満である場合、骨量減少症として世界保健機関によって定義され、平均を2.5標準偏差以上下回る場合、骨粗鬆症として定義されます。骨密度が低いと、ストレス骨折のリスクが大幅に増加します。これは、リスクのある人では警告なしに発生する可能性があります。結果として生じる骨粗鬆症による低衝撃骨折は、地域に応じて25〜50%の骨梁骨で構成される上大腿骨、約90%の骨梁である椎骨、または手首で最も一般的に起こります。

小柱骨量が減少すると、その元のプレートとロッドの構造が乱れます。板状構造は棒状構造に変換され、既存の棒状構造は切断されて体内に吸収されるまで薄くなります。骨梁の変化は、通常、性別に固有のものであり、骨量と骨梁微細構造の最も顕著な違いは、閉経の年齢範囲内で発生します。骨梁の経時的な劣化は、骨梁の骨量の減少に比べて不均衡に大きい骨強度の低下を引き起こし、残りの骨を骨折しやすくします。

骨粗鬆症では、関節の軟骨に過度のストレスがかかり、時間が経つと劣化し、こわばり、痛み、動きの喪失を引き起こすときに起こる変形性関節症の症状もしばしばあります。変形性関節症では、基礎となる骨が軟骨の分解に重要な役割を果たします。したがって、小柱の劣化はストレス分布に大きく影響し、問題の軟骨に悪影響を与える可能性があります。

全体的な骨強度への強い影響により、骨梁の劣化パターンの分析が骨粗鬆症の進行を追跡する近未来に役立つ可能性があるという強い推測が現在あります。

鳥の骨の中空のデザインは、高い比強度を確立し、多くの鳥に共通の骨格の空気圧に対応するために開放気道を補うことにより、多機能です。座屈に対する特定の強度と抵抗は、骨梁の海綿状のコアを包む薄くて硬いシェルを組み合わせた骨設計によって最適化されています。骨梁のアロメトリーにより、骨量を大幅に増加させることなくスケルトンが負荷に耐えることができます。 Red-Tailed Hawkは、V字型の支柱の繰り返しパターンで重量を最適化し、骨に必要な軽量で硬い特性を与えます。骨梁の内部ネットワークは、質量を中立軸から遠ざけ、最終的に座屈に対する抵抗を増加させます。

人間と同じように、鳥の種の小柱の分布は、負荷条件に応じて不均一です。骨梁の密度が最も高い鳥は、飛べない鳥であるキウイです。斑点のあるキツツキや灰色の頭のキツツキなどの類似種内の小柱の不均一な分布もあります。キツツキの額、顎関節、および後頭部のマイクロCTスキャンを調べた結果、額と後頭部にさらに多くの骨梁があることがわかりました。分布の違いに加えて、個々の支柱のアスペクト比は、キツツキではユーラシアヤツガシラやヒバリなどの他の同様のサイズの鳥よりも高かった。キツツキの小柱はより板状であり、鷹とひばりは骨を介してネットワーク化されたrod状の構造を持っています。キツツキの脳への負担の減少は、タカやヤツガシラやヒバリよりも密に詰められたより厚い板状の支柱の量が多いことに起因しています。逆に、細い棒状の構造は、より大きな変形につながります。 12個のサンプルを使用した破壊的な機械的試験では、キツツキの小柱の設計は、ヒバリの0.55MPaと比較して、平均極限強度が6.38MPaであることが示されています。

キツツキのくちばしには、頭蓋骨に加えて、くちばしの殻を支える小さな支柱がありますが、頭蓋骨に比べると程度は小さいです。くちばしの骨梁が少ないため、頭蓋骨に比べて剛性が高いのは1.01 GPa、0.31 GPaです。くちばしはつつくからの衝撃の一部を吸収しますが、衝撃のほとんどは頭蓋骨に伝達され、そこでより多くの骨梁が衝撃を吸収するために積極的に利用可能になります。キツツキのくちばしとひばりの究極の強さは似ています。これは、くちばしの衝撃吸収における役割が小さいと推測できます。しかし、キツツキのくちばしの測定された利点の1つは、わずかなオーバーバイト(上部くちばしは下部くちばしよりも1.6mm長い)であり、くちばしの下半分の前の表面モーメントに上部くちばしが接触するため、バイモーダル分布の力が発生します。この衝撃のタイミングのずれにより、額と後頭部、およびくちばしの骨梁に、上部と下部のくちばしの長さが等しい場合よりも低い歪みが生じました。

研究

ヘルメット技術

怪我と死亡の重要な原因は頭部外傷です。科学者たちはキツツキに触発され、平均15個のペックで重力の1,000倍で連続的に減速する能力について学んだ後、ヘルメットテクノロジーを進歩させました。キツツキはくちばしを1日に約12,000回鳴らすと推定されています。キツツキは、人間の能力を大幅に超えるこれらの力で、脳の損傷を受けないと想定されています。米国陸軍とアメリカンフットボールのヘルメットのメーカーであるRiddellという会社は、一部の鳥に似たデザインで脳の前面のストレスを緩和するヘルメットを開発しています。

ブラックボックス

キツツキの頭に基づいて、ブラックボックスの衝撃強度の改善が設計されています。それらは、くちばしと頭蓋骨を模倣する鋼とアルミニウムの硬い層、舌骨のような頭蓋骨から振動を均一に分散させるエラストマー成分、および小柱骨のような振動を減衰させるガラス微小球で作られた多孔質構造で構成されています。この構造は、最大60,000 Gsのテストに耐えました。

小柱金属材料

Zimmer Biometによって作成されたTrabecular Metal材料は、股関節、膝、または肩のインプラント、骨空隙フィラー、骨壊死ロッド、歯科インプラントなどの整形外科用途に19年間臨床的に使用されています。これは、最大80%の気孔率を持つ連続気泡金属フォームであり、各細孔サイズは平均440マイクロメートルです。剛性が低く、摩擦係数が0.98と高いため、インプラントは滑らず安全です。化学的に不活性で、耐食性があり、生体適合性があるため、純粋なタンタルでできています。この骨梁構造は、高い圧縮弾性率と高い疲労強度を持ち、長期間にわたって通常の生理的ストレスに耐えます。

他の生物の小柱

動物が大きいほど、その骨が耐えなければならない負荷が高くなります。海綿骨は、単位体積あたりの骨の量を増やすか、体のサイズと骨の負荷が増加するにつれて個々の骨梁の形状と配置を変更することで剛性を高めることが以前から知られています。骨梁骨は、骨の内部構造を再編成して骨梁が受ける負荷を支えるスケルトンの能力を高めるために、等尺性にスケーリングします。さらに、骨梁の形状のスケーリングは、骨梁の緊張を潜在的に緩和することができます。負荷は、小柱に対する刺激として機能し、歪み負荷を維持または軽減するようにその形状を変更します。研究では、有限要素モデリングを使用して、4つの異なる種を等しい見かけの応力(σapp)の下でテストし、動物の小柱スケーリングが小柱内のひずみを変化させることを示しました。各種の小柱内のひずみは、小柱の形状によって異なることが観察された。おおよそ骨細胞のサイズである数十マイクロメートルのスケールから、下の図は、より厚い骨梁がより少ないひずみを示したことを示しています。各種が経験する元素ひずみの相対頻度分布は、種のサイズが大きくなると、小柱の弾性率が高くなることを示しています。

さらに、大きな動物の小柱は、小さな動物の小柱よりも厚く、離れており、密度が低くなっています。骨梁内オステオンは一般に、大型動物の厚い骨梁と、チーターやキツネザルなどの小型動物の薄い骨梁に見られます。骨細胞と骨表面間の距離を約230μmに調節することにより、骨細胞は骨細胞内外への栄養素および老廃物の拡散に役割を果たします。

血中酸素飽和度の低下の増加により、代謝要求の高い動物は、小柱の血管灌流の増加を必要とするため、小柱の厚さ(Tb.Th)が小さくなる傾向があります。骨をトンネリングすることによる血管新生は、小柱の形状を固体から管状に変化させ、個々の小柱の曲げ剛性を高め、組織の深部に埋め込まれた骨細胞への血液供給を維持します。

骨体積分率(BV / TV)は、さまざまな動物のサイズに対して比較的一定であることがわかりました。大型の動物では、小柱骨の単位体積あたりの質量が著しく大きくなることはありませんでした。これは、組織の生成、維持、および移動の生理学的コストを削減する適応が原因である可能性があります。ただし、BV / TVは、鳥の大腿骨顆で有意な正のスケーリングを示しました。大型の鳥は、鳥のBV / TVアロメトリーにより飛行習慣が減少します。体重がわずか1〜2 kgの飛べないキーウィは、この研究でテストされた鳥の中で最大のBV / TVを記録しました。これは、海綿骨の形状が「一般的な機械的条件」に関連していることを示しているため、大腿骨頭と顆の海綿骨の形状の違いは、大腿骨大腿関節と大腿回転関節の異なる負荷環境を潜在的に示す可能性があります。

キツツキの反復的な頭部衝撃に耐える能力は、そのユニークなマイクロ/ナノヒエラルキーの複合構造と相関しています。キツツキの頭蓋骨の微細構造とナノ構造は、個々の小柱の組織形状である海綿骨の不均一な分布で構成されています。これはキツツキの機械的特性に影響を与え、頭蓋骨が高い極限強度(σu)に耐えることができます。ヒバリの頭蓋骨と比較して、キツツキの頭蓋骨はより密度が高く、海綿状ではなく、より多くの板状の構造から、より多くのrod状の構造が観察されています。さらに、キツツキの頭蓋骨は、個々の骨梁の厚さと量が大きくなっています。ヒバリの小柱に比べて、キツツキの小柱はより密接しており、より板状です。これらの特性により、ヒツジよりもキツツキの頭蓋骨の極限強度が高くなります。

歴史

ラテントラブの小形 、梁または棒を意味します。 19世紀には、新語の小柱 (複数の小柱が想定される)が普及しましたが、語源的にはあまり正確ではありません。 小柱は、眼の小柱網の同義語としていくつかの国では持続するが、これは語源と説明精度の両方の理由で貧しい人々の使用を考慮することができます。

その他の用途

頭蓋骨の発達コンポーネントについては、小柱軟骨を参照してください。