Prof. Dr. Hasan Dursun, NNY Ü 2017

1.Genel Bakış

Kemik özelleşmiş bir bağ dokusudur. Diğer bağ dokuları gibi hücreler, lifler ve ara maddeden oluşur. Kemikler birbirleri ile eklemleşerek iskeleti oluştururlar. Yetişkin insan iskeletinde sesamoid kemikler hariç 206 kemik vardır. Apendiküler (ekstremitelerle ilgili) iskelet 126, aksiyel (vücudun orta bölümündeki) iskelet 74 kemikten oluşur. Ayrıca iç kulakta işitme ile ilgili 6 kemikçik bulunur.

İskelet; a) vücudun geri kalan kısmı için yapısal destek oluşturur; b) kaslar için kaldıraç kolu oluşturarak lokomosyonu sağlar; c) iç organları ve beyin, omurilik gibi diğer hayati yapıları korur; d) mineral homeostazını ve asit-baz dengesini sağlar; e) büyüme faktörü ve sitokin rezervuarı olarak görev yapar; f) kemik iliği boşluğunda hematopoiezis için ortam oluşturur.

Kemik vücuttaki en dinamik ve metabolik olarak en aktif dokulardan biridir ve hayat boyunca aktif kalır. Oldukça vasküler bir doku olan kemik kendiliğinden onarım için mükemmel bir kapasiteye sahiptir ve mekanik talebe bağlı olarak özelliklerini ve konfigürasyonunu değiştirebilir.

Kemiklerin ayırt edici özelliği, organik matriksle sıkı bir şekilde birleşen fazla miktarda inorganik materyal içermesidir. İnorganik bileşen dokuyu sert ve katı hale getirirken, organik bileşen kemiğe esneklik ve dayanıklılık kazandırır. Kemik kompozisyonu yaşa, beslenmeye ve hastalıklara bağlı olarak farklılık gösterir. Örneğin fazla kullanılmadığında veya artmış kullanım sonrasında kemik yoğunluğunda değişiklikler olur. Ayrıca kırık iyileşmesi sırasında ve bazı ameliyatlardan sonra kemik şeklinde değişiklikler oluşabilir.

 

 

Şekil-1:Aksiyel (yeşil renkli) ve apendiküler (sarı renkli) iskelet

 

 

2.Sınıflandırma

Kemikler konumlarına, şekillerine, boyutlarına ve anatomik ve histolojik yapılarına göre farklı şekillerde sınıflandırılabilirler.

a. Konuma göre sınıflandırma (Şekil -1)

Aksiyel iskelet: Orta hatta; kafatası, vertebral kolon, sternum ve kaburgalar

Apendiküler iskelet: Yanlarda; omuz kemeri, pelvik kemer ve ekstremiteler.

Akral iskelet: Uçlarda; Appendiküler iskeletin el ve ayak kemiklerini içeren kısmı.

b. Şekle göre sınıflandırma

Yassı kemik: Kafatası (kranium), sternum, pelvis ve kaburgalar (kosta).

Tübüler kemik:

                Uzun tübüler kemik; ekstremite kemikleri

                Kısa tübüler kemik; falankslar, mekarpal (el) ve metatarsal (ayak) kemikler

İrregüler kemik: Yüz kemikleri ve vertebral kolon

Sesamoid kemikler: Tendon içinde gelişen kemikler. Ör.: Patella (sesamoid kemiklerin en büyüğü).

Aksesuvar (veya gereksiz) kemik: Ek ossifikasyon merkezinden veya büyüme esnasında ana parçanın yanlış füzyonuyla oluşan ekstra kemikler. Genellikle ayakta görülür ve kırık veya çatlakla karıştırılırlar.Örnek: Os trigonum

c. Boyuta göre sınıflandırma

Uzun kemik: Kol ve bacak kemikleri içi boş bir şaft (diyafiz) ve iki uçtan (epifiz) oluşur.  Diyafizle epifiz arasında altında ışınsal, koni şeklinde bir bölge (metafiz) olan büyüme plağı fizis) bulunur.

Diyafiz esas olarak kortikal kemikten; metafiz ve epifiz ise ince kabuk şeklindeki kortikal kemikle kaplı trabeküler kemik ağından oluşur.

Kısa kemik: Küboidal yapıdadırlar. Ör: ayakta (tarsal) ve elde (karpal) kemikler. Kısa kemiklerin eni ve boyu neredeyse birbirine eşittir.

d. Anatomik yapıya göre sınıflandırma

Anatomistler kemikleri iki gruba ayırırlar.

Yassı kemik: Örnek; kafatası, skapula, mandibula, innominat. İntramembranöz ossifikasyonla oluşurlar.

Uzun kemik: Örnek; ekstremite kemikleri. Esas olarak endokondral ossifikasyonla oluşurlar. Uzun kemikler kabaca 4 bölgeye ayrılır (Şekil 2).

ı. Epifiz: Uzun kemiklerde eklem kıkırdağı ve büyüme plağı arasında kalan genişlemiş bölgedir. İnce kabuk şeklindeki kortikal kemikle kaplı trabeküler kemikten oluşur.

Ekstremite kemiklerinin her iki ucunda bulunur. Ancak metakarpalların (birinci parmak proksimal ve diğer dört parmağın distal metakarpalları), metatarsalların (birinci parmak proksimal ve diğer dört parmağın distal metatarsalları), falanksların (proksimal uç), klavikulanın ve kaburgaların sadece bir ucunda epifiz vardır.

Epifizler gelişme esnasındaki sekonder ossifikasyon merkezleridir. Humerus ve femurun distal ve proksimal uçları ile vertebralar birden fazla paçanın füzyonuyla oluşan oldukça kompleks yapılardır. Mesela humerusun proksimal ucu, daha sonra birleşerek tek bir epifiz oluşturan üç ayrı ossifikasyon merkezinden gelişir. Bunlardan biri eklem yüzeyini, diğerleri büyük ve küçük tüberkülleri oluşturur. Karpal kemikler, tarsal kemikler ve patella epifizoid kemikler olarak adlandırılırlar ve uzun kemiklerin epifizleri ile aynı şeklide gelişirler.

ıı. Metafiz: Metafiz büyüme plağı ve diyafiz arasındaki geçiş (transisyonel, junction) bölgesidir. Bol miktarda trabeküler kemik içerir, kortikal kemik diyafize göre incedir. Bu bölge pirimer kemik tümörlerinin en sık görüldüğü yerdir.

ııı. Diyafiz (şaft): Diyafiz uzun kemiklerin şaftıdır ve metafizler arasındaki bölgede bulunur. Esas olarak kompakt (kortikal) kemikten oluşur. Medüller kanal kemik iliği ve az miktarda trabeküler kemik içerir.

ıv. Fizis (epifiz plağı, büyüme plağı): Fizis, epifizden metafizle ayrılır. Burası aktif büyüyen kemikte endokondaral ossifikasyon zonu, büyümesini tamamlamış kemikte epifizyal skar bölgesidir.

e. Dokunun organizasyon patternine göre sınıflandırma

Bir kemik kesitinde organizasyon düzeni birbirinden farklı iki kemik dokusu görülür;

ı. Kortikal (sıkı, kompakt) kemik. Arada kemik iliği boşlukları bulunmaz.

ıı. Kansellöz (süngerimsi, spongiöz, trabeküler) kemik: Trabeküler bir ağ şeklindedir.

Uzun kemiğin diyafizi esas olarak kortikal kemikten oluşurken, metafiz ve epifiz ile yassı kemiklerde ise ince bir kortikal kılıf içinde büyük miktarda trabeküler kemik bulunur.

Yetişkin bir insan iskeletinin ağırlığının yaklaşık %80'i kortikal kemikten oluşur. Bununla birlikte trabeküler kemiğin yüzey / hacim oranı kortikal kemiğe oranla çok daha yüksektir ve metabolik olarak çok daha aktiftir.

f. Matriks düzenine göre sınıflandırma

Kemik mikroskobik seviyede iki formda bulunur;

ı. Woven kemik (primer kemik dokusu, immatür kemik): Woven kemik immatür kemiktir, kollajen lifler gelişigüzel yerleşmiştir, mineral içeriği daha azdır ve osteosit oranı lameller kemikten daha fazladır. Bu kemik tipi primer kemik formasyonu esnasında (embriyoda, yeni doğanda, kırık sorası oluşan kallusta, metafizeal bölgedeki büyüme plakasında) oluşur, geçicidir ve sonunda lameller kemiğe dönüşür. Erişkinde bu tip doku kafatasındaki sutürler, diş kökleri ve bazı tendon insersiyoları dışında patolojiktir; tümörlerde, osteogenezis imperfektada ve paget hastalığında görülür.

ıı. Lameller kemik (sekonder kemik dokusu, matür kemik): Lameller kemik, kollajen liflerin kontraplak şeklinde düzenlendiği matür kemiktir. Doğumdan 1 ay sonra oluşmaya başlar ve aktif olarak woven kemiğin yerini alır.

g.Oluşma şekline göre sınıflandırma

ı. İntramembranöz kemik (mezenkimal kemik): Yoğunlaşmış mezenkimin doğrudan kemiğe dönüşmesi şeklinde ortaya çıkar. Yassı kemikler bu şekilde oluşur.

ıı. İntrakartilajinöz kemik (kıkırdak kemik, endokondral kemik): Kıkırdak modelin kemikle yer değiştirmesi şeklinde oluşur. Uzun kemikler bu yolla oluşur.


Şekil 2:Uzun kemiğin şematik görünümü.

4. Kemiklenin beslenmesi

Kemikler damardan zengindir, iyi kanlanırlar. Kardiyak atımın yaklaşık %10-20’si kemiklere gider. Damarlanma kemik tipine göre değişir, ancak özellikle kırmızı kemik iliği içeren bölgeler damardan daha zengindir.

Uzun kemikler diafizer, metafizer, epifizer ve periosteal arter ve arteriollerle beslenirler. Diafizde (kortikal) kemiğe bir veya iki nutrien arter girer. Bunlar daha sonra çıkan ve inen dallara ayrılırlar. Korteks ve medüller kavitenin 2/3ünün beslenmesi bu diyafizer nutrient arterlerle sağlanır.

Kemik uçlarını çok sayıdaki metafizer ve epifizer arter besler. Bu arterler genellikle komşu eklemlerden gelir, diafizer kapillerlerle anastomozlar yaparlar ve kemik iliğinde, kortikal kemikte, trabeküler kemikte ve eklem kıkırdağında sonlanırlar. Kortikal kemiğin dış kısımları ayrıca periosteal arteriollerle de beslenir.

Yassı kemiklerin yüzey kısmı periosttan, derin kısımları ise kemiğe penetre olan büyük nutrient arterlerden beslenir. Bu iki sistem arasında anastomozlar vardır.

Kemiklerin venöz kan drenajı genellikle arterlere eşlik eden ve eklem uçlarına yakın bölgelerindeki foraminalardan çıkan venlerle sağlanır.

Özellikle periostta bol miktarda lenf damarları bulunur.

5. Kemiğin sinirleri

Uzun kemiklerin artiküler uzantıları, vertebralar ve büyük yassı kemikler sinir bakımından zengindir. Çoğu sinir lifi kemiklerin içinde ve havers kanallarında damarlarla birlikte seyreder. Periosteal sinirler duyusal liflerdir; bunların bazıları ağrı duyusunu iletir. Periost bundan dolayı yırtılma ve gerilmeye karşı hassastır. Kemik içinde damarlara eşlik eden sinirler vazomotor sinirlerdir ve damar kasılması ve gevşemesini kontrol ederler. Sinirlerin kemik dokunun onarılması ve yenilenmesinde de bir rolü olabilir.

6. Kemik dokunun mimari düzeni

Yukarıda açıklandığı gibi bir kemiğin transvers kesitinde organizasyon düzenine, yani mikromimarisine göre kortikal ve trabeküler olmak üzere iki farklı doku görülür (Şekil 3). Bunlar makroskopik olarak tanınabilir kemik formlarıdır, her ikisi de lamellar kemikten oluşur.

Erişkin insan iskeletinin %80’i kotikal, %20’si trabeküler kemiktir. Tüm kemikler dışta kabuk (korteks) şeklinde kortikal ve içte sünger şeklinde (spongiöz) trabeküler kemikten oluşur. Uzun kemiklerin diyafizi kortikal kemikten oluşur ve ilik boşluğunu çevreler. İlik boşluğunda az miktarda trabeküler kemik bulunur. Trabeküler kemikte kemik iliği, trabeküler plaklar arasındaki kompartmanlara serpiştirilmiştir.

Farklı kemiklerde ve iskelet bölgelerinde kortikal kemiğin trabeküler kemiğe oranı farklılıklar gösterir. Kortikal/trabeküler kemik oranı vertebrada 25/75, femur başında 50/50 ve radius diafizinde 95/5’tir.

a. Kortikal (sıkı, kompakt) kemik: Kemiğin dış kabuğunu (korteksini) oluşturur, fildişine benzer yoğun bir yapıya sahiptir. Kalsifiye kemik fraksiyonu %80-90, gözenek oranı (porozite) %5 – 30 kadardır. Esas olarak “osteon” denen ve ortadaki bir kanal (Havers kanalı) çevresinde ağaç gövdesinin büyüme halkalarına benzeyen konsantrik lamel tabakalarından oluşur.

Osteon 150-350 µm çapında uzun, silindirik bir yapıdır, dallanmalar gösterir. Her bir osteonda 3-20 (ortalama 6) lamel tabakası vardır. Her bir lameldeki kollajen lifler birbirine paraleldir. Ancak komşu lamel tabakaları,  lifleri birbirleri ile açı oluşturacak şekilde yerleşmişlerdir. Bu yerleşim kemik gücünü artırır. Lameller arasında, içinde osteosit bulunan lakünalar ve osteositlerin sitoplazmik uzantılarının bulunduğu kanaliküller bulunur.

Osteonun ortasındaki havers kanalının içinde arter, ven ve sinir bulunur. Havers kanalları birbirleri ile oblik veya transvers Volkmann kanalları ile bağlanırlar. Volkman kanalları damar ve sinirlerin periosttan kemik iliği kavitesine ulaşmasını sağlar. Volkman kanalları lamellerle çevrili değildir, tam tersi lamelleri deler.


Şekil 3:Kortikal ve trabeküler kemiğin mikroskopik yapısı


Şekil 3: A. Bir kemik şaftı kesiti görülüyor. Kemik iliği gösterilmemiş. Kemiğin yapısal birimleri olarak osteonlar (havers sistemi) görülüyor. Havers kanalları kemikteki dolaşım ağının ana dallarını oluştururlar ve osteonların ortasında yer alırlar. Her osteon bir sement (balçık, çimento harcı) hattı ile kuşatılmıştır. B. Bir osteon (× 20) görülüyor. Her osteon, harvers kanalını çevreleyen konsantrik halkalar şeklindeki lamellerden oluşur. C. Lamellerin kanarlarında, içinde tek bir osteosit bulunan ve laküna denen küçük boşluklar bulunur. Lakünalardan çıkan uzantılar, içinde osteositlerin sitoplazmik uzantıları bulunan minik kanallar veya kanaliküllerdir.

 

Her bir lakünadan çok sayıda küçük kanalikül çıkar. Bu kanaliküller bitişik lamellerin lakünalarını birbirine bağlar ve havers kanalına ulaşır. Örümcek ağı gibi bir şebeke oluşturan bu kanaliküller hücreler arasındaki iletişimi sağlar ve çevredeki bir harekete karşı hücreleri uyarırlar. Osteositlerin bu kanaliküllerdeki sitoplazmik uzantıları besin maddelerinin havers kanalındaki kan damarlarından osteositlere ulaşmasını sağlarlar. Osteonlarda hiçbir nokta kan dolaşımından 100 µm'den daha uzak değildir.

Uzun kemiklerdeki osteonlar genellikle longitütinal seyreder. Ancak sıklıkla dallara ayrılır ve birbirleri ile anastomozlar yaparlar. Bu ara bağlantı osteositlerin osteon ağının kanalikülleri vasıtasıyla gerginliği algılamalarını ve birbirlerine sinyaller göndermelerini sağlar ve böylece kemik remodelingini kolaylaştırır.

Her bir osteonun çevresinde esas olarak GAG'lerden oluşan sement (çimento) benzeri bir ara madde olan sement hattı (cement line) vardır. Osteonun kanalikülleri bu sement hattından geçemez. Bir osteon içindeki kollajen lifler de bir lamelden diğerine bağlanır, ancak kanaliküler gibi sement hattını geçmezler. Osteon içindeki kollajen liflerin çapraz bağlarla etkin bir şekilde bağlanması kemiğin mekanik strese karşı direncini güçlü bir şekilde arttırır ve bu muhtemelen sement hattının neden kemiğin mikroyapısının en zayıf kısmı olduğunu açıklar. Sement hattı kırık yayılımı ile enerjiyi dağıtır, kortikal kemiğin yorulma özelliklerini geliştirir, kırıkların ve mikrohasarın osteonlar arasındaki daha eski, daha fazla mineralize interstisyel kemik ile sınırlanmasını sağlarlar.

Kortikal kemikte, osteonların dışında bulunan interstisyel lameller eski osteon kalıntılarıdır. Yaşlanmayla birlikte artar. İç ve dış sirkumferansiyel lameller uzun kemiklerin iç ve dış yüzeylerini döşeyen sirküler lamel tabakalarıdır.

Kortikal kemiğin metabolik aktivitesi trabeküler kemikten daha düşüktür. İnaktivite ve yaşlanma korteksin incelmesine ve porozitede artışa neden olur.

Kortikal kemik dışta perisoteal, içte endosteal yüzeye sahiptir. Periosteal yüzeyde kemik formasyonu rezorpsiyondan fazladır. Bu nedenle yaşlanmayla kemik çapı artar. Endosteal yüzde ise rezorpsiyon formasyondan fazladır ve ilik boşluğu yaşlanmayla genişler.

b. Trabeküler (spongiöz, kansellöz) kemik: Trabekül organları ayrı odacıklara bölen çubuk şeklindeki çeşitli yapılara verilen isimdir. Trabeküler kemik, kiriş ve kolon şeklindeki kemik trabeküllerden oluşan, sünger gibi çok sayıda kavitesi bulunan bir dokudur. Kalsifiye kemik fraksiyonu %5-20, gözenek oranı (porozite) %30- 90 arasındadır. Trabeküler kemik de lamelleden oluşur.

Ancak trabeküler lameller havers sistemi oluşturmazlar silindirik değil, yarım ay (çay tabağı) şeklindedir ve “paket” olarak adlandırılır. Tipik bir trabeküler paket yaklaşık 50 µm kalınlığında ve yaklaşık 1 mm uzunluğundadır. Trabeküler paketler de lamel içerir ve kortikal kemikteki osteonlara benzer şekilde sement hatları ile bitişik kemiğe bağlanır. Lameller, kortikal kemikte olduğu gibi konsantrik olarak yerleşmez, trabeküler paketler içinde trabeküler boyunca uzunırlar.

Trabeküler arasındaki boşluklar kırmızı kemik iliği ile doludur. Kansellöz kemik dokusu konsantrik lakünalar içeren lameller halinde düzenlenmiştir, ancak haversian kanal içermez. Osteositler besinlerini kanaliküler yoluyla kırmızı kemik iliğinden geçen kan damarlarından alırlar.

Trabeküler kemik periostla değil, endosteumla kaplıdır.

7.Kemik Hücreleri

Kemikte iki genel hücre tipi vardır: osteoblastlar ve osteoklastlar. Her ikisi de kemik yüzeyinde, aktif remodeling alanlarında bulunurlar. Osteoblastların daha yaygın olan iki hücre tipinin prekürsörü olduğu düşünülmektedir: inaktif kemik yüzeyi üzerinde bulunan kemik astar (lining) hücreleri ve kemiğin her tarafına dağılmış lakünalarda bulunan osteositler. Osteositlerin uzun sitoplazmik uzantıları diğer osteositlerin veya kemik astar hücrelerinin aynı uzun prosesleri ile temas halindedir. Bu uzantılar kemik dokusu içinde uzanan kanalikül ağı içinde birbiri ile ilişkili (interkonnekte) bir sistem oluştururlar. Kemik astar hücreleri ve osteositler böylece kemik yüzeyi ile temas halinde bulunan bir ekstrasellüler sıvı (ECF) boşluğu oluştururlar. Bu alan 1-1.5 L hacmine ve birkaç bin metrekarelik bir yüzey alanına sahiptir. Burası ECF ve kemik arasındaki mineral değişimi yeridir. Bu değişimin boyutu ve doğası bilinmemekle birlikte, bu alan içindeki sıvı (kemik ECF) sadece 0.5 mmol / L'lik bir iyonize kalsiyum konsantrasyonuna sahiptir (başka herhangi bir yerdeki ECF'nin yarısından daha azı).

a. Osteoklastlar: Osteoklastlar kemiği eritme kapasitesine sahip tek hücredir. Monosit/ makrofaj kökenli mononükleer prekürsörlerin füzyonu ile oluşur. Bol miktarda tartarat-rezistans asit fosfataz içeren lizozomları vardır. H+ iyonu salgılayarak mineral kristallerini eritir ve katepsin K ile organik matriksi parçalar. Daha sonra apoptozise uğrayarak yok olurlar.

Osteoklast gelişimi ve fonksiyonu osteoblast ve osteosit kaynaklı sitokinler olan osteoprotegerin (OPG) ve nükleer faktör-kB ligandının reseptör aktivatörü (RANKL) tarafından regüle edilir. Bunlar TNF reseptör ailesinin üyeleridir. RANKL osteoblast ve osteosit yüzeyinde eksprese edilir ve osteoklast prekürsörlerinin yüzeyinde eksprese olan kendi reseptörüne (nükleer faktör-κB'nin reseptör aktivatörü - RANK) bağlanarak onu aktive eder. RANKL hücre yüzeyinden ayrılabilir ve osteositten uzakta osteoklastogeneze neden olabilir. RANKL ve RANK arasındaki etkileşim osteoklastogenezi teşvik eder. OPG, RANKL için bir tuzak reseptörü görevi görür ve osteoklastogenezi inhibe eder. Bu nedenle osteoblastlar tarafından eksprese edilen RANKL ve OPG seviyeleri osteoklastogenezis oranını belirler. PTH ve aktif vit. D3 (osteoklast fonksiyonunu artıran) ve seks hormonları (osteoklast fonksiyonunu azaltan) gibi kemik rezorpsiyonunu değiştiren sistemik faktörlerin birçoğu osteoblastik RANKL ve / veya OPG üretimini değiştirerek bunu yapar. Reseptörü osteoklastlarda eksprese olan ve dolayısıyla doğrudan kemik rezorpsiyonunu inhibe eden kalsitonin bir istisnadır.

Aktive olmuş osteoklastlarda, rezorbe olacak kemiğe bakan tarafta kenarları "kabarık" bir sınır oluşur. Bu kıvrımlı sınır osteoklastın altındaktaki kemiğe tutunarak bir "sızdırmazlık bölgesi – sealimg zone" oluşturur. Kemik, H+ iyonlarının (protonların) ve proteolitik enzimlerin kabarık sınır ile kemik yüzeyi arasındaki boşluğa salınması sonucu rezorbe olur. Bu enzimler arasında tartrat rezistan asit fosfataz (histolojik osteoklast markeri) ve katepsin K bulunur.

Bir dizi kritik hücresel ve moleküler olay osteoklastik kemik rezorpsiyonunu destekler. İntrasellüler tirozin kinaz c-src osteoklastların hareketliliğini düzenler; Αvβ3 integrin (vitronektin reseptörü) osteoklastın kemiğe bağlanmasını sağlar; Sistein proteazı, katepsin K ve tip 7 transmembran klorür kanalı (ClCN7) kemik matriksinin proteolitik degradasyonu için gereklidirler.

b. Osteoblastlar: Wnt, β-catenin ve ilgili diğer proteinlerin etkisi ile pluripotent mezenkimal kök hücrelerden meydana gelir. Ekstrasellüler matriks komponentlerini salgılar ve mineralize ederler. Yaklaşık %50-70’i formasyonun tamamlanmasından sonra apoptozise uğrar. Kalanı matriks içine gömülü osteositlere veya kemik astar hücrelerine dönüşür. Mekanik yüklenme apoptozisi geciktirir.

Düşük yoğunluklu lipoprotein ile ilgili reseptör 5 (LRP5)-β-catenin yolunda salgılanan wnt proteinleri hücre yüzeyindeki LRP5'e bağlanır ve onu etkinleştirirler. Bu da osteoblast büyümesi için kritik olan genlerin transkripsiyonunu aktive eder. Bu yol ayrıca sclerostin, Dickkopf (DKK) ve frizzled gibi LRP5'in wnt ile indüklenen aktivasyonunu inhibe eden proteinler tarafından düzenlenir. LRP ailesinin diğer üyeleri de kemik fizyolojisinde önemlidir.

Olgun osteoblastların hücre zarları çok yüksek seviyelerde alkalen fosfataz (ALP) aktivitesine sahiptir. Bu enzim normal kemik mineralizasyonu için gereklidir. Osteoblastlar paratiroid hormonu (PTH), 1,25 Vit D3 ve birtakım sitokinler, büyüme faktörleri ve seks hormonları için reseptör eksprese eder. Osteoblastlar aynı zamanda osteoklastik kemik rezorpsiyonunun düzenlenmesinde de anahtar rol oynar. RANK-RANKL-OPG sistemi aracılığıyla kemik rezorpsiyonunu düzenlerler. Böylece kemik remodeling, formasyon ve rezorpsiyon komponentleri birleşir.

c.Osteositler: Farklılaşmış osteoblastlardır, sinsisyal bir ağ oluşturarak kemik yapı ve metabolizmasını kontrol ederler (Şekil 4A ve 4B). Kemik dokunun yaşlandığı ve yıprandığı yerlerde remodelingi başlatırlar. Mineralize kemik içindeki lakünalarda bulunurlar ve kanalüküller içindeki ip gibi uzantılarla birbirleriyle, osteblastlarla ve yüzeydeki astar hücreleri ile metabolik ve elektriksel bağlantılar kurarlar. Osteosit-osteoblast / astar hücre sinsisyumu (tek hücre gibi davranan kompleks yapı) mekanik duyuyu algılama yeteneğindedir. Osteositler 10 yıl kadar yaşar, sonra apotozise uğrar. Mekanik yüklenme apoptozisi geciktir.

Osteositler kemik remodelinginin düzenlenmesinde önemli bir rol oynarlar. İskeletin mikrohasarlı alanlarında apoptozise uğrarlar ve RANKL eksprese eden apoptotik cisimciklerin serbest kalmasını sağlayarak remodelingi başlatmak üzere osteoklastların bölgede birikmesini teşvik ederler. Osteositler aynı zamanda sklerostin salgılarlar. Sklerostin osteoblast farklılaşmasının ve fonksiyonunun endojen bir inhibitörüdür, LRP5'in wnt ile uyarılan aktivasyonunu inhibe eder. Osteositler aynı zamanda belki de kemik yüzeyini kaplayan osteoblastlarla bağlantılı olarak kemikte mekanosensör hücreler gibi davranırlar. Son olarak osteositler tüm organizma seviyesinde fosfat metabolizmasını düzenleyerek kemik mineralizasyonunda kritik rol oynarlar.



Şekil 4A: Osteositlerin kan damarları ile bağlantısı.

Şekil 4B: Osteositlerin birbirleri ile bağlantıları

d.Kemik astar hücreleri: Kemik astar hücreleri kemik ekstrasellüler sıvı içine mineral iyon giriş çıkışını düzenlerler ve bir kan-kemik bariyeri gibi görev yaparlar. Fakat mekanik yüklerin veya paratiroid hormonun etkisi ile osteoblastlara dönüşme yeteneklerini de korurlar.

8.Ekstrasellüler matriks

Kemik volümünün ~%35'i organik matriks, ~%60’ı mineral ve <% 5’i hücrelerden oluşur.

Organik matriksin %85-90’ı kollajen (ağırlıklı olarak Tip I, eser miktarda Tip III, IV ve diğer non-fibriller kollajenler) ve %10-15’i ara maddeden (proteogikan ve glikoproteinler) oluşur.

İnorganik maddeler kuru ağırlığın %50’den fazlasını oluşturur. Bol miktarda Ca ve P, az miktarda bikarbonat, sitrat, Mg, K, Na vardır. Ca, P ile birlikte hidroksiapatit kristalleri (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2içerir. Bir miktar da amorf formda (balçık halinde) Ca bulunur (Şekil 5A ve 5B).

Kemik minerali kolajen liflerine yerleşir. Bu kolajen lifler sağlam ve esnektir, ancak gerilmeye direnirler ve çok az uzayabilirler.

Mineralize kollajen lifleri jelatinöz ara madde içinde gömülüdür. Ara madde esas olarak glikozaminoglikan (GAG) içeren proteoglikanlardan (PG) oluşur. GAG'lar mineralize kollajen lif tabakaları arasında sement (çimento) gibi sağlamlaştırıcı bir madde olarak işlev görür.  

Ara maddeyi oluşturan non-kolajenöz proteinlerin hepsinin rolü henüz iyi bilinmiyor, bir çoğunun mineral depozisyonu, kemik turnover’ı ve kemik hücre aktivitesinin düzenlenmesi gibi birden fazla fonksiyonu olduğu tahmin ediliyor.

Kemikteki suyun büyük kısmı organik matriste, kollajen lifleri ve ara maddenin çevresinde ve kemik kristallerini çevreleyen hidrasyon kabuklarında bulunur; ancak, küçük bir miktar, içinde kemik hücreleri bulunan ve besin maddeleri taşınan kanal ve kavitelerde bulunur.

a. Kollajen: Kemik matrisindeki proteinin neredeyse % 90'ı tip I kollajendir. Kollajen hücre içinde (endoplazmik retikulumda) sentezlenerek üçlü sarmal yapıda öncü bir molekül (tip I prokollajen) olarak salgılanır. Prokollajenler daha sonra birbirleri ile birleşirler ve moleküller arası çapraz bağlar oluştururlar.

Kollajen lifler genellikle birbirine paralel tabakalar (lamellar) halinde düzenlenmiştir. Liflerin yönü (oryantasyonu) bir tabakadan diğerine değişir. Bu tabakalar düz bir yüzeyde olsalardı bu yüzeye paralel olurlardı, ancak kortikal kemikte bir kan damarı çevresinde konsantrik (çember şeklinde) yerleşerek Haversian kanal sistemini (osteonları) oluştururlar. Trabeküler kemikte ise mekanik yük dağılımına göre trabeküllere paralel yerleşirler (trabeküler paket). Kemik formasyonu hızlı olduğu zaman (örneğin büyüme veya kırık iyileşmesi esnasında) kolajen lifleri rastgele yerleşir ve woven kemik oluşur.

b. Non-kollajenöz proteinler: Kemiğin non - kollajenöz proteinleri [proteoglikanlar, glikozile proteinler, RGD (arg-gly-asp) içeren glikoproteinler ve γ-karboksilatlanmış proteinler] kemik proteini kütlesinin sadece %10-15'ini oluşturur, ancak çok daha küçük boyutları nedeniyle molar bazda kollajen kadar yaygındırlar. Çoğu osteoblastlar tarafından sentezlenir ancak bazıları vücudun herhangi bir yerinde üretilerek dolaşım yoluyla kemiğe gelir. Bu ikinci proteinlerden albumin ve trombosit kaynaklı büyüme faktörü genellikle negatif yüklüdür ve hidroksiapatite bağlanırlar. Kemik kaynaklı non-kolljenöz proteinlerden en fazla bulunanlar osteokalsin (kemik Gla-proteini olarak da bilinir) ve osteonektindir. Bunların her ikisi de kemik minerali için yüksek afiniteye sahiptir.

Osteokalsinin fizyolojik rolü belirsizdir. Ancak farelerde osteokalsin geninin silinmesinin kemik yoğunluğunda artışa yol açması muhtemel kemik remodelinginin düzenlenmesine katkıda bulunmaktadır. Sentezi D vit ve kortizol ile düzenlenir. Ayrıca karboksillenmemiş formu yağ kütlesi, glukoz toleransı ve insülin sekresyonu gibi aracı metabolizmanın düzenlenmesinde rol oynar.

c. Diğer kemik proteinleri: Versikan ve hiyalüronan kemik oluşumunun erken evrelerinde kemikleşmesi gereken alanları belirlerler. Dekorin ve biglikan yeni oluşan kemikte hücresel çoğalmayı ve farklılaşmayı etkileyebilir.  Fibromodulin, osteoglikin ve osteoadherin'in fonksiyonları henüz tam bilinmiyor.

Kemikte bulunan majör glikoproteinler, alkalen fosfataz (ALP) ve osteonektin'dir. Osteonektin kemikte hem hücresel aktiviteyi hem de matriks mineralizasyonunu düzenler. Hücre bağlanmasında görevli en az 8 non- kollajenöz glikoprotein arginil-glisil-aspartat (RGD) tripeptidi içerir. Bunların bazıları kemiğe spesifiktir (örn. kemik sialoproteini), ancak çoğu daha yaygın olarak eksprese edilir (örn., fibronektin, osteopontin, trombospondinler, vitronektin).

Matriks-hücre etkileşimlerinin bileşenleri açık şekilde yeniden şekillendirilmiş kemiğin olgunlaşma evresine bağlıdır. 3 non-kolajen matriks proteini (Gla-protein, protein S ve osteokalsin) fizyolojik olarak mineral birikimi inhibitörleri olarak işlev görebilirler.

9.Kemik matriks mineralizasyonu

Kemiğin mineral fazı hidroksiapatittir. Bu kollajen ve ara madde (ground subtans) ile birlikte bulunan iğ şeklinde kristaller oluşturur. Mineral kolajen, fibrillerin uçları arasındaki boşluklarda depolanır (Şekil 5A ve 5B). Yönelimleri genellikle kollajen liflerininkine paraleldir. Mineral depozisyonu ve hidroksiapatit kristallerinin şekil ve boyutlarının belirlenmesi alkalen fosfataz ve diğer proteinler tarafından sağlanır.

Kemikteki hidroksiapatit kristalleri doğadaki hidroksiapatit kristallerinden daha küçüktür, daha az parlaktır ve karbonat ihtiva eder. Bu nedenle çözünürlüğü daha yüksektir ve mineral metabolizmasını destekler.


Şekil 5A: Kemik matriksin mineralizasyonu

 


Şekil 5B: Kemik matriksin mineralizasyonu

 

10. Kemik gelişimi, modeling ve remodeling:

Kemikler embriyoner dönemde mezenkimden oluşurlar. Kemikler mezenkimal hücrelerin doğrudan osteoblastlara dönüşmesi (intramembranöz kemikleşme) ile veya önce kıkırdak dokuya, sonra kıkırdak dokunun kemiğe dönüşmesi (endokondral kemikleşme) ile oluşurlar. Yassı kemikler intramembranöz kemik formasyonu ile uzun kemikler ise hem endokondral ve hem de intramembranöz kemik formasyonu ile oluşurlar.

Kemik, çocukluk ve adölesan dönemde longitüdinal ve radyal yönde büyür. Longitüdinal büyüme, uzun kemiklerin epifizyal ve metafizyal bölgelerinde bulunan hyalen kıkırdak hücrelerinin bölünerek çoğalması sayesinde olur. Büyüme plağı kapanınca kemik büyümesi durur.

Her kemik, değişen mekanik güçlere uyum sağlamak üzere modellemeye (modeling) uğrar. Modeling ömür boyu devam eder.

Yaşlı ve yıpranmış (hasarlı) kemik ortadan kaldırılarak, yerine modele uygun olarak sağlıklı ve mekanik olarak daha güçlü yeni kemik konur (remodeling). Remodeling de periyodik olarak, ömür boyu devam eder.

a. Modeling: Modeling, genel olarak kemiklerin şeklinin değiştiği süreçtir. Fizyolojik etkilerle veya mekanik kuvvetlere yanıt olarak gelişir. İskelet karşılaştığı mekanik kuvvetlere yavaş yavaş uyum sağlar. Kemik; mekanik kuvvetlerin etkisi ile bazı yüzeylerde ortadan kaldırılır veya bazı yüzeylere yeni kemik eklenerek genişleyebilir veya aksını değiştirebilir. Bu süreç osteoblastlardan ve osteoklastlardan bağımsızdır. Kemikler normalde yaşlanmayla periosteal bölgeye yeni kemik eklenmesi ve endosteal rezorpsiyonla genişler. Wolff yasası, tatbik edilen kuvvetin uzun kemiklerin şeklinde yaptığı değişikliği ifade eder.

Modeling esnasında formasyon ve rezorpsiyon tam olarak eşleşmez. Kemik modelingi erişkinlerde remodelingden daha azdır. Modeling hipoparatiroidide, renal osteodistrofide ve anabolik ajanlarla tedavide artar.

b. Remodeling: Remodeling kemiğin yenilenerek gücünü koruduğu ve mineral homeostazının sağlandığı bir süreçtir. Yaşlı ve hasarlı kemik ortadan kaldırılır, yerine yeni kollajenöz matriks sentezlenir ve bu matriks mineralize olarak yeni kemik oluşur. Böylece mikroskobik hasarların akümülasyonu engellenir. Remodeling doğumdan ölüme kadar devam eder. Kadınlarda perimenopoz ve erken postmenopozal dönemde artar, daha sonra yaşlanmayla yavaşlar, ancak yine de premanopozal dönemden daha hızlı olarak devam eder. Yaşlı erkeklerde de hafif arttığı düşünülüyor. Trabeküler kemikte remodeling oranı yılda %25, kortikal kemikte %3 kadardır.

Remodeling iskelet içinde farklı yerlerde, ancak bir düzen içinde olur. Kemik rezorpsiyonunu daima kemik formasyonu takip eder (eşleşme – coupling denen fenomen).

Remodeling siklusu 4 sekansiyal fazdan oluşur; sırasıyla aktivasyon, resorpsiyon, reversal (toparlanma) ve formasyon. Remodeling’in herhangi bir yerde rastgele geliştiği düşünülüyor. Ancak osteosit apoptozisi, mikro fraktürler veya mekanik uyarılar gibi çeşitli faktörler remodelingi uyarıyor olabilir.

Genç erişkinde total iskeletin yaklaşık %30’u her yıl yenilenir (yarılanma ömrü =20 ay). Her bir remodeling ünitesinde osteoklastik kemik rezorpsiyonu yaklaşık 3 gün, toparlanma dönemi 14 gün ve kemik formasyonu 70 gün (toplamı 87 gün) sürer.

ı. Aktivasyon evresi: Osteoklast prekürsörleri dolaşımdan alınır ve aktive edilir, kemik yüzeyinden astar hücrelerini içeren endosteum kaldırılır, birden fazla prekürsör (mononükleer) hücre birleşerek çok çekirdekli osteoklastlar oluşur. Osteoklastların hücre zarı halka şeklini alarak, kenarlardan alttaki kemik yüzeyine sıkıca bağlanır. Böylece osteoklastların altındaki rezorbe olması gereken alanın etrafında, halka şeklinde sızdırmaz bir bölge (“sealing zon”) oluşur.

ıı. Rezropsiyon evresi: Osteoklastlar, membranlarındaki H+-ATPaz proton pompası ve klor kanalları ile rezorbe edilecek kompartmana hidrojen iyonları salgılayarak pH’ı 4,5’a kadar düşürürler. Bu pH kemik mineralin çözünmesine (erimesine) neden olur. Osteoklastlar ayrıca çeşitli enzimler salgılayarak organik matriksi parçalarlar. Böylece Howship lakünleri oluşur. Osteoklastlar rezorpsiyon fazı tamamlandıktan sonra apoptozise uğrarlar.

ııı. Reversal (toparlanma) fazı: Bu evrede rezorpsiyon formasyona dönüşür. Mineral sement (balçık), organik matriks yıkım ürünleri ve osteoklast parçaları fagositozla temizlenir ve ortam yeni kemik yapımına hazır hale gelir. Rezorspisyonu sonlandıran ve formasyonu başlatan sinyaller halen çok açık değildir. Rezorpsiyon tamamlandığında oluşan kavitelerde makrofajlar, osteositler ve burada toplanan preosteoblastlar bulunur. Kemik matriksten kaynaklanan bazı aracı moleküllerin (sitokinler) ve mekanik etkilerin rolü olduğu düşünülüyor. Strain’in (strese bağlı deformasyon) azalması osteoklastları, artması osteoblastları aktive ediyor olabilir.

ıv. Formasyon Fazı: Osteoblastlar yeni organik matriksi sentezlerler ve içinde yoğun kalsiyum ve fosfat bulunan küçük, membrana bağlı veziküller salgılayarak ve pirofosfat veya proteoglikanlar gibi mineralizasyon inhibitörlerini parçalayarak mineralizasyonu regüle ederler.

Remodeling süreci esas olarak kortikal ve trabeküler kemikte aynıdır. Her bir kemik remodeling siklusu sonunda kortikal kemikte yeni bir osteon, trabeküler kemikte yeni bir trabeküler paket oluşur.

c. Remodelingin regülasyonu: Remodeling muhtemelen iskeletin mikrohasarına adaptif bir yanıttır ve kemik yüzeyinin farklı bölgelerinde gerçekleşir. Kemik remodelingi temel multisellüler ünite (BMU) olarak bilinen osteoklast ve osteoblast timleri tarafından sağlanır. Osteositler kemik remodelingi başlatmada ve muhtemelen BMU içindeki formasyon ve rezorpsiyonun koordinasyonunda kritik bir rol oynarlar. Mikrohasarın bulunduğu bölgedeki apoptotik osteositler RANKL üreterek osteoklastogenezi yönlendirirler ve remodelingi başlatırlar. Osteoklastlar bu bölgede derinliği mevcut osteoklastların sayısı ve aktivitesi ile belirlenen bir rezorpsiyon çukuru kazarlar. Daha sonra hareketli osteoklastların yerini osteoblastlar alır ve rezorpsiyon çukurunu kemik matriksi ile doldururlar.

Bu yeni kemiğin mineralizasyonu matriks senteziniden sonra yaklaşık üç haftalık bir sürede gerçekleşir. Resorpsiyon çukuru dolduktan sonra osteoblastlar ya apoptozise uğrarlar, ya kemik astar (lining) hücreleri şeklinde pasifize olurlar ya da ya da kemik lakünaları içinde osteositler olarak hayatta kalırlar.

Kemik turnoverındaki (döngüsündeki) artış, remodeling süresindeki artıştan ziyade remodeling siklusu başlatma oranındaki artış  ile karakterizedir. Böyle bir artışın histolojik sonucu, herhangi bir zamanda kemik yüzeyinin daha büyük bir bölümünün remodelinge dahil olmasıdır. Kemik rezorpsiyonunu antirezorptif ilaçlarla inhibe etmek yeni remodeling döngülerinin başlama oranını hızla düşürür, ancak başlayan sikluslar tamamlanmaya devam eder. Böylelikle geçici bir süre kemik formasyon oranı rezorpsiyon oranını aşar. Kemik rezorpiyonun engellenmesinden önce başlayan tüm siklusların formasyon periyodu tamamlandığında bu süre sona erer. Daha sonra kemik formasyon oranı düşerek düşük rezorpsiyon oranına uyum sağlar.

Kemik rezorpsiyonu ve formasyonu birbirine çok yakından bağlantılıdır. Osteoklastlar ve osteoblastlar birbirleriyle açıkça iletişim kurarlar. Osteoklast fonksiyonunun osteoblastik regülasyonu büyük oranda RANK-RANKL-OPG sistemi ile sağlanır, ancak osteoblastları bölgeye toplayan ve aktive eden osteoklast kaynaklı sinyallerin doğası henüz tam anlaşılamamıştır. Osteoblast farklılaşmasının bir inhibitörü olan osteosit kaynaklı sklerostin muhtemelen remodeling siklusunun kemik formasyon komponentinin düzenlenmesine katkıda bulunur. TGFβ, BMP'ler ve trombosit kaynaklı büyüme faktörü gibi rezorbe edilen kemikten salınan matriksle ilişkili büyüme faktörleri de bu sinyalin bir parçasını oluşturabilir.

Büyüme sırasında kemik depozisyon miktarı ortadan kaldırılan miktarın üzerine çıkar ve ayrıca kemiklerin boyut ve konfigürasyonlarında değişiklikler olur (modelling). Yaşlanma döneminde seks hormonu eksikliği, azalmış fiziksel aktivite ve çeşitli endokrin ve inflamatuvar hastalıklar gibi etkenlerden dolayı formasyon ve rezorpsiyon dengesi dengesi tersine çevrilir ve kemik kaybedilir. Yaşa bağlı kemik kaybı hem kortikal hem de trabeküler kemiği etkiler, ancak menopoz sonrası erken dönemde trabeküler kemiğin daha fazla olduğu aksiyel iskelette daha hızlıdır.

d. Kemik dengesi: Kemik dengesi rezorbe edilen eski kemikle oluşan yeni kemik arasındaki farktır. Periosteal bölgede kemik dengesi hafif pozitif, endosteal ve trabeküler kemikte hafif negatiftir. Bu rölatif değişiklikler endosteal rezopsiyona ve periosteal formasyona neden olur. Bu da yaşlanmayla birlikte kortikal ve trabeküler kemikte incelmeye neden olur.

e. Kemik remodeling alanı: Her hangi bir anda iskletteki tüm remodeling ünitlerinin toplam alanıdır. Remodelingin beli başlı görevi yaşlı, mikroskopik ölçekte hasarlı kemiği yeni, sağlıklı kemik ile değiştirerek, kemiğin mekanik sağlamlığını ve kalsiyum ve fosfat homeostazını garanti altına almaktır.

% 2-3/yıl oranındaki nisbeten düşük kortikal kemik devir (turnover) hızı kemiğin biyomekanik gücünü korumak için yeterlidir. Trabeküler kemik devir hızı mekanik kuvveti korumak için gerekenden daha yüksektir (%25-30/yıl). Bu trabeküler kemik devir hızının mineral metabolizması için daha önemli olduğu anlamına gelir. Ca ve P ihtiyacının artması kemik remodeling ünitlerinin artmasına neden olabilir, ancak bazı durumlarda bu ihtiyaç mevcut osteoklastların aktivitesindeki artışla karşılanabilir. Artmış Ca ve P ihtiyacı kısmen osteoklastik rezorpsiyonla, kısmen de non-osteoklastik Ca giriş-çıkışı ile sağlanır.

12.Kemiğe bağlanan ve kemiği destekleyen dokular:

a. Periost: Periost içte kemik yüzeyine bitişik kambium (osteojenik) tabaka ve dışta fibröz tabaka olmak üzere iki tabakadan oluşur.

Kambium tabakada osteoblaslatlara dönüşebilen osteoprogenitör hücreler, osteoblastlar, osteoklastlar, kan ve lenf damarları ve sinirler bulunur. Kan damarları ve sinir lifleri dış periosteal tabakayı geçerek Volkmann kanalları vasıtasıyla kortekse girer, Havers kanallarıyla bağlantı kurar ve süngerimsi kemiğe kadar uzanır

Dış tabakadaki kollajen lifler eklem kapsülü, ligament ve tendonlarla (osteotendinöz; osteoligamentöz bağlantı, insersiyon) bitişiktir. Periost; kıkırdakla kaplı eklem yüzeyi ve tendon/ligament/kapsül insersiyon bölgeleri hariç, kemiği tamamen kaplar. Kemiğe penetre olan Sharpey lifleriyle kortekse sıkıca bağlıdır. Periost çocuklarda kalın ve kortekse gevşekçe bağlı, erişkinlerde ise daha ince ve kortekse daha sıkı yapışıktır.

b. Endost: Endost da periost gibi osteoprogenitör hücreler, osteoblastlar, osteoklastlar, kan damarları ve bir miktar bağ dokusu içerir. Kemik trabekülleri ile kortikal kemiğin ve Havers ve Volkman kanallarının iç yüzeyini örter. Kemik iliği ile temas halindedir.

c. Eklem kıkırdağı: Eklem kıkırdağı hyalen kıkırdaktır ve yüzeyde transisyonel, ortada radyal, dipte yüzeye dik ve en altta kalsifiye bazal zondan oluşur. Kalsifiye zon üstteki dip zondan tidemark denen kalsifiye bir hatla ayrılır. Kartilajinöz matrikste mononükleer kondrositler bulunur. Ek olarak multinükleer kondrositler de görülebilir; bu yaşlı, dejeneratif koşullarda daha sıktır. Uygun bir damar ve sinir ağı yoktur, sinoviyal sıvıdan difüzyonla beslenir.

d. Eklem kapsülü: Eklem kapsülü eklemin iki tarafındaki periostla karışan sıkı, kollajenöz fibröz dokudan oluşur. İç tarafındaki bağ dokusu gevşektir ve sinoviyal membranla kaplıdır.

e. Sinovya: Sinoviyal membran, sinoviyal bir epitel tabakası ile örtülü, kısmen düzgün kısmen villöz bir bağ dokusudur. İki tip hücre bulunur. Tip A hücreler reaktif sinovyada daha belirgin olan fagositik hücrelerdir. B hücreler normal durumlarda daha ön planda olan ve hyaluronik asit salgılayan fibroblast benzeri hücrelerdir. Sinoviyal membranın bağ dokusu elastik lifler, kapillerler, sinirler ve adipöz doku alanları içerir. Eklemin her hangi bir irritasyonunda sinoviyumda epitelyal hiperplazi ve neovaskülarizasyon gibi reakif değişiklikler olur.

f. İntervertebral disk: İntervertebral diskler; annulus fibrozusla çevrili nükleus pulpozustan oluşur. Nükleus pulpozus eklem kıkırdağı gibi hyaluronik asitten zengin visköz bir sıvı içinde dağınık, yuvarlak hücreler içerir. Anulus fibrozu fibrokartilaj dokusundan oluşur.

g. Menisküs: Dizin menisküsü sıkı bağ dokusu ve fibrokartilajdan oluşur. İç kısımda hyalen kartilajdan oluşan bir bölüm vardır. Temporomandibüler eklem, omuzda akromiyoklaviküler ve sternoklaviküler eklemler ve el bileğinde ulno-karpal aralıkta menisküs benzeri fibrokartilaj yapılar bulunur.

h.Tendon (ve ligament) insersiyon bölgesi: Tendonlar sıkı kollajen dokudan oluşurlar. Kemiğe bağlanma bölgesinde tedricen fibrokartilajinöz bir dokuya dönüşürler. Tendinöz insersiyon bölgesinde bazen woven kemik görülür.



Şekil 6: Gerilen (çekilen) bir kortikal kemiğin stres / strain eğrisi. Akma noktası (yield point) (B): kemik örneğinde kalıcı deformasyonunun oluştuğu nokta. Akma stresi (yield stres) (B'): kemikte plastik deformasyon gelişmeden önce ulaşılan birim alan başına yük. Akma straini (yield strain) (B"): plastik deformasyon oluşmadan önce ulaşılan elastik deformasyon miktarı. Eğrinin elastik bölgesindeki herhangi bir noktadaki strain o noktadaki stres ile orantılıdır. Kopma noktası (Ultimate failure point)(C): kemiğin kırıldığı nokta. Nihai stres (C'): Kırık oluşmadan önce ulaşılan birim alan başına yük. Nihai strain (C"): kırık oluşmadan önce kemikte oluşan deformasyon miktarı. Eğri altındaki alan dayanma (toughness) modülüdür. Yield point - akma sınırı, akma dayanımı-, elastik demormasyondan plastik deformasyona geçme noktasıdır.

 

 


Şekil 7:Kollajen ağın stres/strain eğrileri. Kollajenin ısı veya enzimlerle denatürasyonu onu daha zayıf, daha yumuşak ve daha dayanıksız hale getirir.

13.Kemiğin biyomekanik özellikleri

Kemik dokusu biyomekanik olarak biri mineral fazı ve diğeri kollajen ve ara madde olmak üzere iki fazlı (bifazik) bir kompozit malzeme olarak kabul edilebilir. Güçlü ve kırılgan bir materyalin zayıf, ancak daha esnek bir materyal içerdiği bu tür materyaller (fiberglas gibi) içerdikleri her iki maddenin her birinden ayrı ayrı daha güçlüdürler.

Kemik veya herhangi bir başka yapının mekanik özellikleri yük altındaki davranışları incelenerek anlaşılabilir. Yükleme yapının deformasyonuna ya da boyutlarında bir değişime neden olur. Yapının bu deformasyonu ölçülebilir ve yük / deformasyon (stres / strain) eğrisi üzerinde gösterilebilir. Bu eğri inceleyerek yapının gücü, sertliği ve diğer mekanik özellikleri hakkında birçok bilgi edinilebilir (Şekil 6).

Mineral komponent sağlamlık ve sertlik kazandırsa da, kemiğin temel sağlamlığı ve esneme sonrası (post yield) özellikleri Tip I kollajene bağlıdır. Kollajen denatüre olduğunda sağlamlık azalır ve toplam güç %60'a kadar düşer. (Şekil 7). Çatlakların ayrılmasını engelleyen asıl yapının Tip I kollajen olduğu düşünülmektedir. Stres / strain eğrisinin altındaki alan sağlamlık modülü olarak bilinir ve kemiğin sağlamlığının ana determinantıdır (Şekil 6).


 

Şekil 8:


Şekil 9

Şekil 8: Bir miktar esnek malzeme içeren bir yapının yük (load) / deformasyon eğrisi. Elastik aralıkta (A'dan B'ye) bir yük uygulanır ve kaldırılırsa yapıda kalıcı deformasyon meydana gelmez. Yükleme verim (yield) noktasını (B) geçip plastik aralığa (B'den C'ye) ulaşırsa yük kalktığında oluşan deformasyon kalıcıdır. Plastik bölgede D noktasına yüklenir ve daha sonra yük kaldırıldığında oluşan kalıcı deformasyon miktarı A ve D arasındaki mesafe kadardır. Yükleme plastik aralıkta devam ederse kırılma noktasına (ultimate failure point) (C) ulaşılır.

Şekil 9: Yoğunlukları belirgin şekilde farklı olan kortikal ve trabeküler kemiklerin stres / strain eğrileri. Test kompresyon altında yapılmıştır. Şekilde iki kemik yapısı arasındaki mekanik davranış farkı görülmektedir. Trabeküler kemik kortikal kemiğe göre çok daha fazla büyük sağlamlık modülüne (eğri altındaki alan) sahiptir.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a. Tüm kemik: Şekil 8’de uzun kemik gibi bir miktar esnek bir fibröz yapının hipotetik yük / deformasyon eğrisi görülmektedir. Eğrinin başlangıç kısmı olan (düz çizgi) elastik bölge yapının elastikiyetini, yani yük kalktıktan sonra orijinal haline dönme kapasitesini gösterir. Yük uygulandığında deformasyon oluşur ancak kalıcı değildir; kalktığında yapı orijinal şeklini alır. Yüklenme devam ederse yapının en dıştaki lifleri sünmeye (yield) başlar. Bu yield noktası yapının elastik sınırını gösyerir.

Yük bu limiti aştığında yapı plastik davranış gösterir. Burası eğrinin plastik bölgeyi yansıtan ikinci (kavisli) kısmıdır. Yük kalktığında yapı artık orijinal boyutlarına dönemez; bir miktar deformasyonlar kalır. Yüklenme artmaya devam ederse, yapı artık bir noktada yüke dayanamaz (kemik kırılır). Bu nokta eğride dayanma sınırı (ultimate failure point) ile gösterilir.

Stres / strain eğrisine yansıyan üç parametre bir yapının mukavemetini belirler: (1) kırılmadan önce dayanabileceği yük, (2) kırılmadan önce dayanabileceği deformasyon ve (3) kırılmadan önce depolayabileceği enerji.

Eğri üzerindeki nihai kırılma noktası (failure pont, C) yük ve deformasyon açısından gücü veya nihai kuvveti gösterir. Eğrinin altında kalan alan enerji depolama açısından gücü gösterir. Alan ne kadar büyükse yük uygulanırken yapıda biriken enerji o kadar fazladır. Elastik bölgedeki eğimin açısı yapının sertliğini gösterir. Eğim ne kadar dik ise malzeme o kadar serttir. Yük / deformasyon eğrisi bir bütün kemik, bir bütün bağ veya tendon ya da metal implant gibi tüm yapıların mekanik özelliklerini belirlemek için yararlıdır. Bu bilgi kırık davranış ve onarımının, bir yapının fiziksel strese cevabının ve çeşitli tedavi programlarının etkisinin incelenmesine yardımcı olur.

b Kemik materyali: Stres (tansiyon-gerilme, kompresyon - basınç) bir düzlemde birim yüzeye uygulanan yük veya kuvvetin yoğunluğudur. Ölçü birimi olarak genellikle santimetrekare başına newton (N/cm2); metrekare başına newton veya paskal (N/m2, Pa); veya metrekare başına meganewton veya megapaskal (MN / m2, MPa) kullanılır.

Strain eksternal yüklerin bir yapıda neden olduğu deformasyondur (boyut değişikliği). İki temel strain türü vardır; yapının uzunluğunda bir değişime neden olan lineer strain ve yapı içinde, sanal çizgiler arasındaki açısal ilişkilerin değişmesine neden olan shear (makaslama, kesme) strain. Lineer strain, yapıdaki lineer deformasyonun (uzama veya kısalma) yapının orijinal uzunluğuna bölümü (oranı) ile ölçülür. % olarak ifade edilen boyutsuz bir parametredir. Makaslama (shear) strain'i ise ilgili düzlemde yapıya dik seyreden çizgilerdeki açısal değişimin miktarı (γ) ile ölçülür ve radyan cinsinden ifade edilir (bir radyan yaklaşık 57,3°'dir).

Elastik bölgedeki eğrinin eğimi sertliği gösterir. Sertlik elastik bölgede eğrinin bir noktasındaki stres'in strain'e bölünmesi ile bulunur. Bu değere elastisite modülü (Young modülü) denir. Young modülü (E) stres (σ) ve strain (ε) arasındaki ilişkiye bağlıdır: E= σ/ ε.

İki kemik tipinde mekanik özellikler farklıdır. Kortikal kemik kansellöz kemiğe göre daha serttir, daha fazla strese dayanır, ancak kırılmadan önce daha az uzar.

Kansellöz kemik in vitro ortamda kırılmadan %50 kadar uzamaya (strain) dayanabilir. Oysa kortikal kemik, strain %1,5- %2'yi aştığında dayanma noktasını (yield point) aşar ve kırılır. Kansellöz kemik gözenekli yapısından dolayı daha fazla enerji depolaması kapasitesine sahiptir. İki kemik dokusu arasındaki fiziksel fark kemik yoğunluğudur (g/cm3). Şekil 9'da farklı kemik yoğunluklarına sahip kortikal ve trabeküler kemikelerin tipik stres / strain özelliklerini görülmektedir.

Kortikal kemiğin stres-strain eğrisinin elastik kısmı düz değil, hafifçe kavislidir. Yani doğrusal davranış göstermez, yüklenme esnasında bir miktar eğilir.

Tablo 1'de bazı biyomateryalin mekanik özelliklerini göstermektedir.

Tablo 1: Bazı biyomateryallerin mekanik özellikleri

Metaller                                Ultimate Strength (MPa)                 Modulus (GPa)                   Elongation (%)

Co-Cr alaşımı

                Döküm                                  600                                                         220                                          8

                Dövme                                  950                                                         220                                          15

                Paslanmaz çelik                    850                                                         210                                          10

Titanyum                                              900                                                         110                                          15

Polimerler

                Kemik sementi                     20                                                           2.0                                          2–4

Seramikler

                Aluminyum oksit                 300                                                         350                                       <2

Biyolojik malzemeler

                Kortikal kemik                     100–150                                                10–15                                    1–3

                Trabeküler kemik                 8–50                                                                                                   2–4

                Tendon, ligament               20–35                                                   2.0–4.0                                   10–25

Malzemeler, bozulmadan önceki deformasyona bağlı olarak gevrek (kırılgan, bükülemez) veya sünek (yumuşak, bükülebilir) olarak sınıflandırılır. Mesela cam tipik bir gevrek malzeme iken yumuşak bir metal tipik bir sünek malzemedir.

Kemik kırılmadan olmadan önce deforme olur, fakat bu metalden çok daha azdır. Metal ve kemiklerin plastik davranışları arasındaki bu fark sünmedeki (yield) mikromekanik olayların farklılığının sonucudur. Kemikteki yorulma (gerilme altındaki yield) osteonların sement hattında kopmasından ve mikrokırıklardan kaynaklanırken kompresyon sonucu verim (yield) osteonların veya interstisyel lamellerin çatlamasına bağlıdır.

Kemik yaşına (daha genç kemik daha sünektir) ve yüklenme hızına (daha yüksek yükleme hızlarında kemik daha gevrektir) bağlı olarak daha esnek veya kırılgan davranış sergiler.

c. Kemiğin biyomekanik davranışı: Kemiklerin mekanik (kuvvetlerin ve momentlerin etkisi altındaki) davranışları mekanik özelliklerine, geometrik karakteristiklerine, uygulanan yükleme moduna, yükleme yönüne, yükleme hızına ve yükleme sıklığına göre değişir.


Şekil 10: Dört yönde gerilerek (çekilerek) test edilen insan femoral şaft kortikal kemik örneklerinin anizotropik davranışı: longitüdinal (L), kemiğin nötral eksenine göre 30° eğik, 60° eğik ve çapraz (T). Kemikte dayanıklılık modülü açıkça anizotropiktir ve en fazla longitüdinal gerilmede elde edilir.

ı. Anizotropi: Kemik lamel şeklindeki yapılardan oluştuğu için anizotropik davranır. Bu, farklı eksenlerde farklı mekanik özellikler sergilediği anlamına gelir. Çünkü yapısı longitüdinal ve transvers yönlerde farklıdır. Metal gibi izotropik malzemeler ise her yönde aynı mekanik özelliklere sahiptirler.

Şekil 10'da insan femur şaftından alınan kortikal kemik örneklerinin dört yönde gerilerek test edilmesiyle elden edilen dayanıklılık ve sertlik varyasyonları görülmektedir.

Trabeküler kemik kortikal kemiğin yaklaşık% 25'i kadar yoğun (dens), %5-10'u kadar sert (stif) ve 5 katı kadar esnektir (Şekil 9),

İskelet üzerindeki yüklenme kalıpları ve kemiğin mekanik özellikleri arasındaki ilişki son derece karmaşıktır. Ancak kemik gücü ve sertliği günlük yüklerin en çok uygulandığı yönde en fazladır.

d. Kemiğin çeşitli yüklenme modları altındaki davranışları

Bir yapıya çeşitli yönlerde uygulanabilen kuvvet ve momentler gerilme (tension), sıkıştırma (kompresyon), bükme (bending), makaslama (kesme, shear), burulma (torsion) ve kombine yükleme oluşturur (Şekil 11).


Şekil 11: Çeşitli yükleme modlarının şematik prezantasyonu.

ı. Gerilim (çekme, tansiyon, tension): Çekme (tensil yüklenme, tensil stres) esnasında yapı yüzeyinden dışa doğru eşit ve ters yönde bir kuvvet uygulanır. Tensil stres ve strain yapı içinde oluşur. Tensil stres yapının yüzeyinden uzaklaşan birçok küçük kuvvet olarak düşünülebilir. Maksimum tensil stres uygulanan yüke dik bir düzlem üzerinde oluşur. Yapı tensil yüklenme altında uzar ve daralır (incelir).

Tensil kuvvetler genellikle kaslar tarafından uygulanır ve avülsiyon fraktürlerine neden olur. Kırıklar genellikle trabeküler kemik oranının fazla olduğu kemiklerde görülür. Örn. peroneus brevis tendonunun bağlandığı yeredeki 5. metatars tabanı kırıkları ve Aşil tendonunun bağlandığı yerdeki kalkaneus kırıkları.

ıı. Kompresyon (basınç, sıkıştırma): Kompressif yüklenme esnasında yapı yüzeyine doğru eşit ve ters yönde yükler uygulanır. Stres ve strain yapının içerisinde oluşur. Kompressif yükler yapının yüzeyine yönelmiş birçok küçük kuvvet olarak düşünülebilir. Maksimum kompressif stres uygulanan yüke dik bir düzlem üzerinde oluşur. Yapı kompressif yük altında kısalır ve genişler (kalınlaşır). Stres, en fazla kompressif yüklerde absorbe edilir.

Kompresyon fraktürleri klinik olarak kompressif yüklere maruz kalan omurlarda görülür. Bu kırıklar çoğunlukla kemik dokusu osteoporotik olan yaşlılarda görülür.

Eklem çevresindeki kasların anormal dercede kuvvetli kasılması kırıkla sonuçlanan kompressif yüklenemye neden olabilir. Epileptik ataklarda veya elektrokonvulsif tedavi esnasında kalça kırıkları görülebilir.

ııı. Makaslama (kesme, shear): Makaslama yüklenmesi esnasında yapının kesit yüzeyine paralel (dış yüzeyine dik) bir yük uygulanır ve yapının içerisinde makaslama stresi ve strain oluşur. Makaslama stresi uygulanan yüke paralel bir düzlem üzerinde, yapının yüzeyinde etkili birçok küçük kuvvet olarak düşünülebilir. Kesme yüküne maruz kalan bir yapı açısal olarak içten deforme olur; yapı içindeki düzlem yüzeyindeki dik açılar dar açı haline gelir.

Bir yapı tensil veya kompressif yüklenmeye maruz kalırsa makaslama stresi ortaya çıkar. Klinik olarak makaslama kırıkları çoğunlukla kansellöz kemikte görülür. Büyüme plaklarındaki kırılmaların büyük çoğunluğu makaslama kuvvetlerine bağlıdır. En yüksek makaslama stresi, uygulanan kuvvetin açısı 45°'ye eşit olduğunda elde edilir ve normal gerilmenin yarısı kadar olan bir değere sahiptir.


Şekil 12: İki bükülme türü. A.Üç nokta bükme. B. Dört nokta bükme.

 ıv. Bükme (eğme, bending): Bükme işleminde yük, kemiğin bir eksen etrafında bükülmesine neden olacak şekilde uygulanır. Bükülme sırasında kemik gerilim ve kompresyon kombinasyonuna maruz kalır. Nötral eksenin bir tarafında tensil stres ve strain, diğer tarafında kompressif stres ve strain ortaya çıkar; nötral eksende stres ve strain görülmez. Stresin büyüklüğü kemiğin nötral eksenine olan uzaklığı ile orantılıdır. Stres nötral eksenden uzaklaştıkça büyüklüğü artar. Bir kemik yapısı asimetrik ise stresler eşit olarak dağılmayabilir.

Kemik kompressif yüklere daha dayanıklı olduğu için kırık, gerilmenin olduğu dışbükey tarafta olur.

Bükme üç kuvvet ile (üç nokta büküm) veya dört kuvvet ile (dört nokta bükme)  üretilebilir (Şekil ). Her iki tip bükülme sonucunda da,  özellikle uzun kemiklerde kırık oluşabilir. (Şekil 12). Kayakçılarda görülen "tibia ve fibulanın bot (boot top) " kırığı tipik üç nokta bükme kırığıdır. Bu kırık tipi kayakçı kayak çizmesinin üstünde ileri doğru düştüğünde, proksimal tibia üzerinde oluşan bükme momentine bağlıdır.

Dört noktalı bükme bir yapı üzerinde etki eden iki kuvvet çiftinin iki eşit moment üretmesi durumunda gerçekleşir. Bir kuvvet çifti, bir yapıya eşit büyüklüğe sahip ancak karşıt yönlü iki paralel kuvvet uygulandığında oluşturulur. Bükme momentinin büyüklüğü iki kuvvet çifti arasındaki alan boyunca aynı olduğu için yapı en zayıf noktasında kırılır.


Şekil 13: Torsiyon tatbik edilen silindirin kesit alanında makaslama (shear) geriliminin  nötral eksene göre dağılımı görülüyor. Stres silindirin çevresinde en fazla ve nötra eksenin yakınında en azdır.

 v. Burulma (dönme, torsiyon): Burulmada bir yapıya, bir eksen etrafında bükülmesine neden olacak bir yük uygulanır ve yapı içerisinde bir moment (veya tork) oluşur. Yapıya torsiyon yüklendiğinde makaslama stresleri tüm yapı üzerinde dağılır. Bükmede olduğu gibi bu streslerin büyüklüğü nötral eksene olan mesafeyle orantılıdır. Stresler nötral eksenden uzaklaştıkça büyüklükleri artar (Şekil 13).

Torsiyonal yük altında maksimal makaslama stresleri yapının nötral eksenine paralel ve dik düzlemlerde etki eder. Buna ek olarak maksimal tensil ve kopressif stresler yapının nötr eksenine çapraz bir düzlemde etki eder.

Torsiyonal yüklenmede önce kemiğin nötral eksenine paralel bir çatlak oluşması kırılmanın önce makaslamaya bağlı olduğunu düşündürmektedir. İkinci bir çatlak genellikle maksimal tensil stres yönünde oluşur.

vı. Birleşik (kombine) yükleme: Canlı kemik nadiren yalnızca bir modda yüklenir. Çünkü kemikler hem sürekli belirsiz yüklere maruz kalırlar ve hem de geometrik yapıları düzensizdir.

vıı. Kırık: Yetişkin kortikal kemiğin nihai stres (kırık) eşiği anizotropik özelliklerinden dolayı kompressif, tensil ve makaslama yükleri için farklıdır.

Kompresyonda kortikal kemik (~190 MPa), gerilmeye (~130 MPa) ve makaslamaya (~70 MPa) kıyasla daha büyük strese dayanabilir. Elastisite (Young) modülü longitüdinal veya aksiyel yüklenmede ~17.000 MPa, transvers yüklemede ~11.000 MPa'dır.

Trabeküler kemik ~50 MPa kompresya dayanabilirken, sadece 8 MPa gerilme stresine dayanabilir. Elastisite modülü düşüktür (0-400 MPa) ve trabeküler kemiğin yoğunluğuna ve yükleme yönüne bağlıdır.

Klinik biyomekanik sonuçlar kompresyonun stabil bir kırıkla sonuçlanmasına karşın, gerilme veya makaslamaya bağlı kırıkların sonucunun felaket olabileceğini düşündürmektedir.

Kırık sonrası kan damarları ve bağ dokusu periosttan kırık bölgesine göç ederek kırık alanı etrafında kelepçe gibi yoğun lifli bir doku (kallus, woven kemik) oluşturarak o alanı stabilize eder. Kallus, alanı ve polar atalet momentlerini önemli ölçüde arttırarak iyileşme dönemindeki kemiğin bükülme ve burulmaya direncini ve sertliğini arttırır. Kırık iyileşip kemik yavaş yavaş normal kuvvete geri dönerken kallus da kademeli olarak absorbe olur ve kemik mümkün olduğunca normal boyut ve şekline yaklaşır.

e. Kemikte strain oranı bağımsızlığı; Viskoelastsite: Kemik viskoelastik bir malzemedir. Kemiğin biyomekanik davranışı yüklenme hızına (yani, yükün uygulanma ve kalkma hızına) göre değişir. Kemikler daha katıdır ve yükler daha yüksek hızlarda uygulandığında kırılmadan daha fazla yüklere dayanır. Kemik ayrıca, fizyolojik limitlerde olmak koşuluyla yüksek hızlarda kırık öncesi daha fazla enerji depolar.

Canlı kemikte strain önemli ölçüde değişebilir. Yavaş yürümede hesaplanan strain oranı saniyede 0.001 iken yavaş koşmada ise saniyede 0.03'tür. Genel olarak, faaliyetler daha zorlu hale geldiğinde strain oranı artar.

Strain hızındaki değişiklik elastisite (Young) modülünü büyük ölçüde değiştirmektedir (Şekil 14). Kemikler tempolu yürüme esnasında yavaş yürüyüşe kıyasla yaklaşık %30 daha güçlü hale gelirler. Kemik çok yüksek strain hızındaki (saniyede >1) darbelerde daha kırılgan hale gelir.

Şekil 14: Beş strain hızında kortikal kemiğin hıza bağımlılığı görülüyor. Strain hızı arttıkç hem sertlik (modül) hem de güç önemli ölçüde artmaktadır.

Yükleme hızı klinik açıdan önemlidir. Çünkü hem kırık şeklini hem de yumuşak doku hasarını etkiler. Bir kemik kırıldığında depolanan enerji serbest kalır. Düşük yüklenme hızında enerji tek bir çatlak oluşturarak dağılabilir; Kemik parçaları ve yumuşak dokular nispeten bozulmadan kalır, kemik parçaları fazla yerinden oynamaz veya hiç yer değişimi olmaz. Ancak yüksek yüklenme hızında depolanan fazla enerji tek bir çatlaktan yeterince hızlı bir şekilde dağılamaz, kemik parçalanır ve geniş yumuşak doku hasarı oluşur.

Klinik olarak, kemik kırıkları kırılma esnasında serbest kalan enerji miktarına göre üç genel kategoriye girer: düşük enerjili, yüksek enerjili ve çok yüksek enerjili.

Kayak esnasındaki basit torsiyonel kırık düşük enerjili kırılmaya örnektir; trafik kazalarında genellikle yüksek enerjili kırıklar görülür ve çok yüksek hızda mermi atan ateşli silah yaralanmalarında çok yüksek enerjili bir kırılma meydana gelir.

f. Kas aktivitesinin kemikteki stres dağılımına etkileri: Kemiğe bağlanan kasların kasılması kemikteki stres dağılımını değiştirir. Bu kas kontraksiyonu kompressif stres üretir ve kemik üzerindeki tensil stresi kısmen veya tamamen nötralize ederek azaltır veya ortadan kaldırır.

Kas kontraksiyonun etkisi üç noktalı bükülmenin olduğu tibiada gösterilebilir. Öne doğru düşen bir kayakçının tibiası bir bükme momentine maruz kalır. Tibianın önünde yüksek kompressif stres, arkasında yüksek tensil stres oluşur. Triceps suraenın kasılması arka tarafta büyük bir kompressif stres oluşturarak buradaki büyük tensil stresi nötrleştirir ve tibiayı kırılmaya karşı korur. Bu kas kontraksiyonu tibianın ön yüzeyinde daha yüksek kompressif strese neden olabilir ve böylece kemiğin kırılmaya karşı korunmasını sağlar. Yetişkin kemiği genellikle bu strese karşı direnir, ancak zayıf olan immatür kemik kompresyonla kırılabilir.

Kas kontraksiyonu kalça ekleminde de benzer bir etki yaratır. Lokomosyon esnasında femur boynuna bükme momentleri gelir ve üst kortekste tensil stres oluşur. Gluteus medius kasının kasılması kompressif stres doğurarak bu tensil stresi nötralize eder. Kas kontraksiyonu böylece femur boynunun, aksi takdirde mümkün olamayacak kadar yüksek yüklere dayanmasına izin verir.

g. Tekrarlı (repetetif) yüklenmeye bağlı kemik yorgunluğu: Kemiğin dayanma sınırını aşan tek bir yükle veya düşük ağırlıklı bir yükün tekrar tekrar uygulanmasıyla kırık oluşabilir. Tekrarlı yüklenmeden kaynaklanan bir kırılmaya yorulma (fatigue) kırığı veya stres fraktürü denir. Mikro hasara yol açan strain normal strain (400-1.500 µε) ile kırığa neden olan strain (10.000 µε) arasındadır.

Yorulma kırıkları iki ana alt kategoriye ayrılır: Normal kemikte aşırı aktiviteden sonra görülen yorulma (fatigue) tipi stres kırıkarı ile çoğunlukla osteoporozda ve osteomalazide görülen ve normal aktivite ile ortaya çıkar yetersizlik (insufficiency) tipi kırıklar. Bu stres kırıklarının her biri ayrıca iki alt kategoriye ayrılır: gerilme ve kompresyon yorulma kırıkları. Bunlardan en tehlikeli olanı gerilme kırığıdır, osteonların kopmasına bağlı transvers bir çatlak şeklinde görülür. Etkinlik devam ederse kırık ilerler ve nihayet deplase olur. Kompresyon kırıklarında izole kemik alanlarında damarlanmayı bozan oblik çatlaklar oluşur. Kompresyon kırıkları genellikle daha yavaş gelişir ve çoğu kendiliğinden iyileşir.

Kemik tekrarlayan düşük yüklere maruz kaldığında mikro kırıklar oluşabilir. Yük veya deformasyon dayanma sınırına yaklaştığında kemik hızla yorulur ve bir kırık oluşması için gereken tekrar sayısı hızla azalır.

Kemiğin tekrarlı yüklenme ile yorulma süreci sadece yükün miktarından ve tekrar sayısından değil, aynı zamanda yükün belirli bir zaman içindeki uygulama sayısından da (yüklenme sıklığı) etkilenir. Kemik kendini tamir ettiği için yorulma prosesi, remodeling işlemini aştığında yorulma kırığı ortaya çıkabilir. Yani yüklenme çok sık olduğunda kırığı önleyecek yeterli remodeling oluşamaz. Aktivite rutininde yeni bir dengeye ulaşmak için gereken yenilenme zamanı, yaklaşık 3-4 ay arasındaki bir remodeling periyodudur. Aktif kemik remodeling ünite sayısının artması kemiğin geçici olarak kaybolmasına, kemik kütlesinin azalmasına ve kırık riskinin artmasına neden olur.

Etkili bir şekilde kontraksiyonu engelleyen kas yorgunluğu, uzun süreli yorucu fiziksel aktivitelerde yorgunluk kırığına neden olabilir. Kasların enerji depolama ve kemiğe uygulanan stresleri nötralize etme yetenekleri azalmıştır. Stres dağılımının değişmesi kemikte anormal derecede yüksek yüklere neden olur ve kırılmaya yol açabilecek olabilecek yorulma hasarı birikimi meydana gelir.

h. Kemik remodelingi: Kemik mekanik talepleri karşılamak üzere boyutunu, şeklini ve yapısını değiştirerek yeniden şekillenme yeteneğine sahiptir. Stres seviyesine bağlı olarak trabeküler ve / veya kortikal kemiğin artması veya azalmasına Wolff yasası denmektedir.

İskelette yük kas aktivitesi veya yerçekimi ile sağlanabilir. Kemik kütlesi ile vücut ağırlığı arasında pozitif bir korelasyon vardır; vücut ağırlığı arttıkça kemik kütlesi de artar. Aksine ağırlıksız ortamda bulunan astronotlarda kemik kaybı görülür. Bu değişiklikler tamamen reversibl değildir.

Kullanmama veya inaktivite iskelete zarar verir. Yatak istirahatı kemik kütlesinin haftada yaklaşık %1 azalmasına neden olur. Kemik kısmi veya tam immobilizasyonda olağan mekanik zorlamalara maruz kalmaz. Bu da periosteal ve subperiosteal kemiğin rezorpsiyonuna ve kemiğin mekanik özelliklerinde (yani dayanıklılıkve sertliğinde) azalmaya yol açar. Yapılan bi çalışmada rhesus maymunlarında 60 günlük immobilizasyonunun kemiğin dayanma gücünü (kırı keşiği) ve sağlamlığını 3 misli azalttığı gösterilmiştir.

Düşük yoğunluklu ultrason ve düşük magnitüdlü, yüksek frekanslı mekanik uyaranların (vibrasyon gibi)  yaşlı bireylerde ve ayakta duramayanlarda kemik remodelingini hızlandırdığı ve remodeling sürecini desteklediği gösterilmiştir.

i. Kemik geometrisinin biyomekanik davranış üzerine etkisi: Bir kemiğin geometrisi mekanik davranışını büyük ölçüde etkiler. Gerilme ve kompresyonda kırılma noktası ve sertlik kemiğin kesit alanı ile orantılıdır. Alan büyüdükçe kemiğin gücü ve sertliği artar.

Bükülme sırasında hem kesit alanı hem de kemik dokusunun nötral bir eksende dağılması kemiğin mekanik davranışını etkiler. Bükülme esnasındaki bu iki faktörü dikkate alan miktara atalet moment alanı denir. Daha büyük bir atalet momenti kemiğin daha kuvvetli ve daha sert olmasını sağlar.

Bir kemiğin uzunluğu bükülme esnasındaki kuvvetini ve sertlik derecesini etkiler. Kemik ne kadar uzun ise bir kuvvet uygulanmasından kaynaklanan bükülme momentinin büyüklüğü o kadar büyük olur. Uzun kemikler uzunlukları nedeniyle yüksek bükülme momentlerine ve yüksek gerilme ve sıkıştırma gerilmelerine maruz kalır, ancak tüp şekli, onlara her yönde bükülme momentlerine direnme yeteneği kazandırır.

Bu kemiklerin geniş alan atalet momentleri de vardır, çünkü kemik dokularının çoğu nötral eksenden belirli bir mesafede dağıtılır. Periosteal appozisyon -endosteal kemik rezorpsiyonu ve periosteal kemik oluşumu- kortikal kemiğin kalınlaşması ve nötral eksenden daha da uzaklaştırılması ile kemiğin atalet momentini arttıran doğal bir remodeling sürecidir. Östrojen periosteal kemik oluşumunu inhibe ederken endokortikal yüzeyde kemik oluşumunu arttırarak kemiğin iç çapını daraltır. Bu özellikle erkeklerde kemik gücü açısından önemlidir. Menopozdan sonra östrojen eksikliği nedeni ile endosteal remodeling artar; bu da büyük miktarda endokortikal kemik kaybına, dolayısıyla kemik kırılganlığına neden olur.

Torsiyonda kemik kuvvetini ve sertliğini etkileyen faktörler bükülme ile aynıdır: kesit alanı ve kemik dokusunun nötral bir eksende dağılımı. Burulma yüklemesinde bu iki faktörü hesaba katan miktar polar atalet momentidir. Polar atalet momenti ne kadar büyük olursa, kemik o kadar güçlü ve sert olacaktır.

Tibianın proksimal kesiti distal bölümden daha küçük bir kemik alana sahip olmasına rağmen, çok daha yüksek bir polar atalet momentine sahiptir, çünkü kemik dokusunun çoğu nötral eksenden daha uzak bir mesafede dağıtılır. Distal kesit, daha büyük bir kemik alanı olmasına rağmen, çok daha yüksek makaslama stresine maruz kalır, çünkü kemik dokusunun çoğu nötral eksene yakın dağıtılır. Distal kesitteki makaslama stresinin büyüklüğü proksimal kesitten yaklaşık iki kat daha fazladır. Bu nedenle tibia'nın burulma kırıkları sıklıkla distalde görülür.

j. Cerrahi Etkiler: Bazı cerrahi prosedürlerde kemiği özellikle torsiyonda büyük ölçüde zayıflatan defketler oluşur. Bu defketler iki kategoriye ayrılır: uzunluğu kemiğin çapından daha düşük olanlar (stres yükselten) ve uzunluğu kemik çapını aşanlar (açık kesit defektler).

ı. Sres yükselticiler: Cerrahi olarak küçük bir kemik parçasının çıkarılması veya bir vida takılması stres yükseltici etki oluşturur. Bu işlemler kemik kuvvetini azaltır, çünkü yüklenme esnasında uygulanan streslerin kemik boyunca eşit olarak dağılmasını önlerler ve bunun yerine defekte konsantre olmasını sağlarlar. Bir stres yükselticinin zayıflatıcı etkisi özellikle torsiyonal yüklenme altında belirgindir. Bu moddaki yüklemede kemik dayanıklılığındaki toplam azalma % 60'a ulaşabilir.

ıı. Açık kesit defektleri: Açık kesit defekti cerrahi olarak bir kemiğin çapından daha uzun bir parçasının (örn. bir kemik biyopsisi sırasında) çıkarılmasıdır. Kemik kesitinin dış yüzeyi artık kesintili olduğu için yüklere direnme kabiliyeti, özellikle burulma durumunda değişir.

Burulmaya maruz kalmış normal bir kemikte makaslama gerilmesi kemiğin her tarafına dağılır ve torka karşı direnç gösterir. Bir açık kesit defekti olan kemikte ise uygulanan torka sadece kemiğin çevresindeki makaslama stresi direnç gösterir. Makaslama stresi kesintiye rastladığında yön değiştirmeye zorlanır. Stres kemik içi boyunca uygulanan torka paralel seyreder ve yüke direnç gösteren kemik doku miktarı büyük ölçüde azalır. Açık kesit defekti kırık öncesi dayanma sınırını ve depolanan enerjiyi %90 oranında azaltır. Yaklaşık %70 daha az deformasyonla kırık oluşabilir. Yani bir kemik parçasının cerrahi olarak çıkarılması, özellikle de burulma durumunda kemiği büyük ölçüde zayıflatır.

ııı. Kemik depozisyonu ve rezorpsiyonu: Kırık, hızlı iyileşmesi için implantla stabilize edilebilir. Ancak implantın mekanik yüklemenin çoğunu veya tamamını taşıması ve kırık iyileşmesinden sonra kaldığı süre kemik için zararlı olabilir. Plakanın altındaki kemikte mekanik stres ve uyaranın azalması (Wolff yasasına göre) lokalize kemik rezorpsiyonunu teşvik eder ve böylece kemiğin sağlamlığı ve kuvveti azalır.

Plakanın altındaki kemik normalden daha az yük taşır, kısmen rezorbe olur ve diyafiz çapı belirgin şekilde incelir. Kemik çapında azalma özellikle bükülme ve burulma durumunda kemik kuvvetini önemli oranda azaltır (çünkü alan polar atalet momenti azalır). Kemik çapındaki %20'lik bir azalma, burulma mukavemetini %60 oranında azaltabilir. Bu nedenle sert plakaların kırık iyileştikten sonra çıkarılması önerilir.

İmplant bağlanma bölgelerinde artan yüke yanıt olarak kemik yoğunluğundaki artışa ilşave olarak kemik hipertrofisi de gelişebilir.

k. Kemikte yaşlanmaya bağlı dejeneratif değişiklikler

Normal yaşlanma sürecinde kemik yoğunluğu giderek azalır. Longitüdinal trabeküller incelir, transvers trabeküllerin bir kısmı rezorbe olur. Sonuçta trabeküler kemik miktarı belirgin şekilde azalır ve kortikal kemik incelir. Kemik dokusundaki azalma ve kemik boyutlarındaki hafif düşüş kemik sağlamlığını ve sertliğini azaltır.

 

Kollajende çapraz bağların, kemik yoğunluğunun, dayanıklılığın, sertliğin ve sağlamlığın azalması kırılganlığa neden olur. Yaşa bağlı kemik kaybı cinsiyet, yaş, menopoz sonrası östrojen eksikliği, endokrin anormallik, hareketsizlik, kullanmama ve kalsiyum eksikliği gibi çeşitli faktörlere bağlıdır. Birkaç on yılda trabeküler kütle %50 ve kortikal kütlenin % 25 oranında azalabilir.  

Ayrıca bakınız: http://www.fizikoterapi.com/index.php/romatoloji-ders-notlari/ders-9-osteoporoz

 

ativanonline24.com/buy-xanax-online