گفتار 1
استخوان‌ها و اسکلت
مقدمه‌ای بر اهمیت اندام‌های حرکتی و جایگزینی آن‌ها
ما در زندگی روزمره به‌طور گسترده از اندام‌های حرکتی خود مانند دست‌ها و پاها استفاده می‌کنیم، به‌طوری‌که تصور زندگی بدون آن‌ها دشوار است. با این حال، در صورت آسیب یا نقص عضو، امروزه به کمک پیشرفت‌های علمی و فناوری، می‌توان از اندام‌های مصنوعی بهره برد تا محدودیت‌های حرکتی کاهش یابد.
طراحی این اندام‌ها با بهره‌گیری از دانش ساختار استخوان، ماهیچه و مفاصل، و با استفاده از علوم مواد و الکترونیک انجام می‌شود. برخی از این اندام‌ها به‌قدری عملکرد بالایی دارند که در رقابت‌های پارالمپیک، برای حفظ عدالت، قوانین سخت‌گیرانه‌ای درباره‌ی استفاده از آن‌ها وجود دارد.
اندام‌های حرکتی انسان شامل اجزایی مانند استخوان‌ها، بافت‌های غضروفی، مفاصل و ماهیچه‌ها هستند که در کنار هم امکان حرکت را فراهم می‌سازند. هریک از این بخش‌ها وظیفه‌ای ویژه دارند و ممکن است در معرض آسیب قرار گیرند؛ بنابراین مراقبت و روش‌های پیشگیری از صدمات، مانند تغذیه مناسب برای پیشگیری از پوکی استخوان، اهمیت زیادی دارد.
ساختار کلی اسکلت
اسکلت بدن انسان شامل اجزایی است که در کنار یکدیگر چارچوب پشتیبانی بدن را تشکیل می‌دهند. این ساختار عمدتاً از استخوان‌ها، غضروف‌ها و مفاصل ساخته شده و به دو بخش اصلی تقسیم می‌شود:
1. بخش محوری:
این بخش شامل جمجمه، ستون مهره‌ها و قفسه سینه است و محور بدن را شکل می‌دهد.
از اندام‌های حیاتی مانند مغز و قلب حفاظت می‌کند.
در فعالیت‌هایی مانند شنیدن، جویدن، صحبت کردن و حرکت نیز نقش دارد.
2. بخش جانبی:
شامل استخوان‌های دست و پا است.
نسبت به اسکلت محوری، نقش بیشتری در ایجاد حرکت ایفا می‌کند.
این بخش به اندام‌های حرکتی اجازه می‌دهد تا با کمک ماهیچه‌ها عمل جابجایی و حرکت را انجام دهند.
شکل 1 - اسکلت انسان
مقایسه بخش‌های اسکلت انسان
اسکلت محوری | اسکلت جانبی | |
اجزا | جمجمه، ستون مهره‌ها، قفسه سینه | استخوان‌های دست و پا |
نقش اصلی | تشکیل محور بدن، حفاظت از اندام‌های حیاتی | ایجاد حرکت و جابجایی |
فعالیت‌ها | شنیدن، جویدن، صحبت کردن، حرکت | جابجایی و حرکت با کمک ماهیچه‌ها |
اعمال، انواع و ساختار استخوان‌ها در بدن
اعمال استخوان‌ها
استخوان‌ها فقط وظیفه حفاظت و پشتیبانی اندام‌ها را برعهده ندارند، بلکه نقش‌های گسترده‌تری نیز دارند. مثلا:
استخوان‌های کوچک گوش در شنیدن دقیق مؤثرند.
همکاری استخوان‌ها با ماهیچه‌ها امکان حرکت بدن را فراهم می‌کند.
سایر وظایف مهم استخوان‌ها در جدول ۱ خلاصه شده است:
جدول ۱ - وظایف اسکلت استخوانی در انسان
وظیفه | توضیح |
پشتیبانی | استخوان‌ها با ایجاد چارچوبی مشخص، شکل بدن را تعیین کرده و بستر قرارگیری اندام‌ها را فراهم می‌کنند. |
حرکت | ماهیچه‌های اسکلتی با اتصال به استخوان‌ها و انقباض، باعث انتقال نیرو به آن‌ها و ایجاد حرکت می‌شوند. |
حفاظت از اندام‌های درونی | اسکلت از بخش‌های حساس مانند نخاع، مغز، قلب، شش‌ها و کلیه‌ها محافظت می‌کند. |
تولید یاخته‌های خونی | بسیاری از استخوان‌ها مغز قرمز دارند که یاخته‌های خونی را تولید می‌کند. |
ذخیره مواد معدنی | استخوان‌ها محل ذخیره مهمی برای مواد معدنی مانند کلسیم و فسفات به‌شمار می‌روند. |
کمک به شنیدن و تکلم و اعمال دیگر | استخوان‌های کوچک گوش و استخوان‌های آرواره در شنیدن، جویدن و تکلم نقش مهمی دارند. |
انواع استخوان
استخوان‌های بدن انسان از نظر شکل به چند گروه اصلی تقسیم می‌شوند:
استخوان‌های پهن: این گروه سطحی گسترده دارند و در جاهایی مانند جمجمه، دنده‌ها و کشکک زانو یافت می‌شوند.
استخوان‌های نامنظم: این استخوان‌ها شکل مشخصی ندارند و ظاهر نامنظمی دارند؛ مانند استخوان‌های ستون مهره.
استخوان‌های کوتاه: این استخوان‌ها تقریباً در سه بُعد طول، عرض و ضخامت اندازه‌های مشابهی دارند. نمونه آن‌ها استخوان‌های مچ دست و پا هستند.
استخوان‌های دراز: طول این استخوان‌ها از عرض‌شان بیشتر است. نمونه‌هایی از آن‌ها عبارت‌اند از استخوان ران، بازو، زند زیرین، زند زبرین، درشت‌نی و نازک‌نی.
استخوان‌های بدن از نظر اندازه نیز تفاوت‌های زیادی دارند. از کوچک‌ترین استخوان‌ها در گوش میانی تا بزرگ‌ترین استخوان‌ها مانند لگن، تنوع قابل توجهی در ابعاد استخوان‌ها وجود دارد.
شکل 2 - انواع استخوان: الف) پهن
شکل 2 - انواع استخوان: ب) نامنظم
شکل 2 - انواع استخوان: پ) کوتاه
شکل 2 - انواع استخوان: ت) دراز
ساختار استخوان
هر استخوان از دو نوع بافت اصلی تشکیل شده است:
1. بافت استخوانی فشرده
2. بافت استخوانی اسفنجی
میزان و محل قرارگیری این دو نوع بافت بسته به نوع استخوان متفاوت است:
در استخوان‌های دراز، مانند استخوان ران، بخش تنه عمدتاً از بافت فشرده تشکیل شده است؛ در حالی که در دو سر این استخوان‌ها، تراکم بافت اسفنجی نسبت به سایر نواحی بیشتر است و این بخش‌ها برای قرارگیری مغز استخوان مناسب‌ترند.
بافت استخوانی فشرده در این نواحی به‌صورت واحدهایی به‌نام سامانه هاورس سازمان‌دهی شده است.
ویژگی سامانه هاورس:
این سامانه از استوانه‌هایی هم‌مرکز تشکیل شده که تیغه‌های استخوانی در اطراف مجرای مرکزی آن قرار دارند.
یاخته‌های استخوانی، کلاژن و ماده‌ی زمینه‌ای در این تیغه‌ها قرار گرفته‌اند.
ماده زمینه‌ای از پروتئین‌ها و مواد معدنی ساخته شده است.
مجرای مرکزی شامل اعصاب و رگ‌های خونی است که برای تغذیه و ارتباط بافت استخوانی با محیط بیرون اهمیت دارد.
ساختار در استخوان‌های دراز:
سطح داخلی تنه استخوان دراز معمولاً از بافت اسفنجی تشکیل شده است.
این بخش با لایه‌ای از بافت پیوندی احاطه شده که از طریق مجراهایی، اعصاب و رگ‌های خونی را به درون استخوان وارد می‌کند.
ویژگی‌های بافت اسفنجی:
در انتهای برآمده استخوان‌های دراز، بافت اسفنجی نسبت به بافت فشرده بیشتر است.
ساختار اسفنجی از میله‌ها و صفحاتی از استخوان تشکیل شده است که میان آن‌ها فضاهایی برای رگ‌های خونی و مغز استخوان وجود دارد.
مقایسه بافت استخوانی فشرده و اسفنجی
بافت استخوان | محل غالب | توصیف ساختار | اجزای اصلی |
فشرده | تنه استخوان‌های دراز | سازمان‌دهی به صورت سامانه هاورس (استوانه‌های هم‌مرکز) | تیغه‌های استخوانی (یاخته، کلاژن، ماده زمینه‌ای)، مجرای مرکزی (اعصاب و رگ خونی) |
اسفنجی | انتهای استخوان‌های دراز، سطح داخلی تنه استخوان دراز | میله‌ها و صفحاتی از استخوان با فضاهای خالی | رگ‌های خونی و مغز استخوان در فضاهای بین میله‌ها |
انواع مغز استخوان
در استخوان‌ها دو نوع مغز استخوان دیده می‌شود:
1. مغز استخوان زرد:
عمدتاً از چربی تشکیل شده است.
در مجرای مرکزی استخوان‌های دراز جای دارد.
اطراف آن با ساختارهای اسفنجی پوشیده شده است.
2. مغز استخوان قرمز:
درون بافت اسفنجی استخوان‌ها یافت می‌شود.
بسیاری از استخوان‌ها دارای مغز قرمز هستند.
این مغز وظیفه‌ی تولید یاخته‌های خونی را بر عهده دارد.
نکته: وجود مغز قرمز در استخوان به‌معنای وجود آن در همه‌ی نواحی بافت اسفنجی نیست. همچنین، در شرایطی مانند کم‌خونی شدید، ممکن است مغز زرد به مغز قرمز تغییر یابد، اما این پدیده همیشگی یا قطعی نیست.
شکل 3 - ساختار بخشی از تنۀ یک استخوان دراز و اجزای آن
مقایسه انواع مغز استخوان
نوع مغز استخوان | ترکیب اصلی | محل قرارگیری | وظیفه |
زرد | چربی | مجرای مرکزی استخوان‌های دراز، احاطه شده توسط ساختارهای اسفنجی | (به‌طورعمده) ذخیره چربی (تولید یاخته خونی در شرایط خاص) |
قرمز | - | درون بافت اسفنجی استخوان‌ها | تولید یاخته‌های خونی |
تشکیل و تخریب استخوان
دوران جنینی و آغاز ساخت استخوان‌ها
در مراحل ابتدایی رشد جنینی، استخوان‌ها از بافت‌های نرم و انعطاف‌پذیر ساخته می‌شوند.
به‌مرور زمان و با افزوده شدن تدریجی نمک‌های معدنی مانند کلسیم به ماده زمینه‌ای، این بافت‌ها به ساختاری سخت و مقاوم تبدیل می‌شوند.
رشد و افزایش تراکم استخوان
تا اواخر دوران رشد، یاخته‌های استخوانی همچنان فعال‌اند.
آن‌ها با ترشح ماده زمینه‌ای به افزایش توده استخوانی کمک می‌کنند و در نتیجه، تراکم استخوان‌ها بیشتر می‌شود.
در این مرحله، تشکیل و تخریب استخوان‌ها هم‌زمان و هماهنگ با هم صورت می‌گیرد تا ساختار استخوانی پایدار بماند.
در همه این مراحل، تغییرات استخوانی در حال انجام است.
کاهش توده استخوانی در سنین بالا
با بالا رفتن سن:
فعالیت یاخته‌های استخوانی کاهش می‌یابد.
در نتیجه، توده استخوانی به تدریج کم می‌شود.
مردان در تمام سنین پس از ۲۰ سالگی، به‌طور متوسط تراکم استخوانی بیشتری نسبت به زنان دارند.
شیب کاهش در زنان از حدود ۵۰ سالگی افزایش یافته و در سنین بالاتر بسیار محسوس‌تر از مردان است.
عوامل مؤثر بر تراکم استخوان
استخوان‌ها تحت‌تأثیر عوامل گوناگون محیطی، زیستی و هورمونی قرار دارند. مواردی از جمله فعالیت بدنی منظم، تغذیه، و وضعیت هورمونی بدن می‌توانند باعث افزایش یا کاهش تراکم استخوان شوند.
عواملی که موجب افزایش تراکم استخوان می‌شوند:
فعالیت بدنی منظم و ورزش
وارد آمدن وزن بیشتر بر اندام‌ها (افزایش وزن)
ترشح هورمون‌هایی مانند هورمون رشد، کلسی‌تونین و تستوسترون
عواملی که منجر به کاهش تراکم استخوان می‌شوند:
افزایش سن و کاهش تحرک
محیط بی‌وزنی (مثلاً در فضانوردان)
کمبود ویتامین D یا کلسیم در رژیم غذایی
مصرف نوشابه‌های گازدار، دخانیات و الکل
کاهش ترشح هورمون‌هایی مانند تستوسترون، هورمون رشد و کلسی‌تونین
افزایش ترشح هورمون‌های پاراتیروئیدی (که موجب برداشت کلسیم از استخوان می‌شوند)
شکستگی‌های استخوانی
استخوان‌ها در جریان فعالیت‌های روزمره، ممکن است دچار آسیب‌هایی در مقیاس‌های مختلف شوند:
شکستگی‌های میکروسکوپی: استخوان‌ها به طور پیوسته دچار شکستگی‌های میکروسکوپی می‌شوند. این شکستگی‌ها در جریان حرکات عادی و تکراری بدن رخ می‌دهند و معمولاً به‌طور طبیعی ترمیم می‌شوند.
شکستگی‌های عمده: معمولاً در اثر ضربه یا فشار ناگهانی ایجاد می‌شوند.
فرایند ترمیم: در هنگام شکستگی، یاخته‌های واقع در نزدیکی ناحیه آسیب (که ممکن است بنیادی یا استخوانی باشند) از طریق تقسیم، یاخته‌های استخوانی تولید می‌کنند که باعث ترمیم تدریجی بافت آسیب‌دیده می‌شود.
شکل 4 - الف) شکستگی ناشی از صدمه در سر استخوان ران
شکل 4 - ب) تصویر رادیوگرافی از استخوان شکستۀ ران
پدیده پوکی استخوان
مفهوم و پیامدها
تراکم استخوان از عوامل مهم در استحکام استخوان‌هاست. کاهش تراکم می‌تواند منجر به پوکی استخوان شود. پوکی استخوان زمانی رخ می‌دهد که روند تخریب بافت استخوانی از روند ساخت آن پیشی بگیرد. در این حالت، استخوان‌ها به مرور ضعیف‌تر و شکننده‌تر می‌شوند و احتمال شکستگی‌های جدی افزایش می‌یابد.
سازوکار بروز پوکی استخوان:
کمبود ویتامین D و کلسیم غذا، نوشیدنی‌های الکی و دخانیات با جلوگیری از رسوب کلسیم در استخوان‌ها، باعث بروز پوکی استخوان در مردان و زنان می‌شوند.
اختلال در ترشح بعضی هورمون‌ها و مصرف نوشابه‌های گازدار نیز در کاهش تراکم استخوان نقش دارند.
شکل 5 - مقایسۀ استخوان طبیعی با استخوان دچار پوکی