ĐẶC ĐIỂM SINH CƠ HỌC CỦA XƯƠNG

Cập nhật lần cuối vào 15/08/2023

Bài viết trình bày các đặc điểm sinh học (cấu tạo, chức năng) và sinh cơ học (lực, sự thay đổi khi tác động lực) của mô xương.

MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC CỦA XƯƠNG

Chức năng của mô xương

Các xương tạo nên khung xương (skeleton), chiếm khoảng 20% trọng lượng cơ thể.

Mô xương thực hiện nhiều chức năng, bao gồm:

• nâng đỡ,
• là các vị trí gắn (gân, cơ, dây chằng),
• đòn bẩy,
• bảo vệ (não, các cơ quan),
• dự trữ chứa đựng (mỡ, khoáng chất), và
• tạo các tế bào máu.

Thành phần của mô xương

Mô xương là một vật liệu với các đặc tính lý tưởng cho các chức năng nâng đỡ và vận động. Xương nhẹ nhưng có sức chịu căng và đè ép cao, và một mức đàn hồi đáng kể. Xương cũng là một vật liệu rất năng động trong đó các chất khoáng thường xuyên thay đổi. Mỗi ngày ở khung xương người lớn có đến nửa gam canxi đi vào hoặc đi ra. Mô xương liên tục thay đổi về cấu trúc và hình dạng.

Mô xương là mô mạnh và là một trong những cấu trúc cứng nhất của cơ thể vì nó kết hợp các thành phần vô cơ và hữu cơ. Xương bao gồm một chất nền (matrix) kết hợp giữa các muối vô cơ và collagen (hữu cơ). Các khoáng chất, bao gồm canxi và phosphate (Calcium carbonate và Calcium phosphate), cùng với các sợi collagen, chiếm khoảng 60% to 70% mô xương. Nước chiếm khoảng 25% to 30% trọng lượng của mô xương. Collagen đem lại cho xương khả năng mềm dẻo và sức chịu lực căng, trong khi khoáng chất làm xương cứng và chịu lực ép.

Các tế bào xương gồm 2 loại, tạo cốt bào và hủy cốt bào. Hủy cốt bào phân rã xương và chuyển muối canxi thành dạng hòa tan để đi vào máu, trong khi tạo cốt bào tạo nên các sợi hữu cơ để cho muối canxi lắng đọng. Sự cân bằng hoạt động của hai loại tế bào duy trì khối xương không đổi.

Cấu trúc đại thể của xương

Xương bao gồm hai loại mô: xương vỏ (cứng) ở ngoài và xương xốp ở trong (hình 2-1).

Xương vỏ

Xương vỏ (thường gọi là xương đặc) chiếm 80% khung xương. Xương vỏ nhìn có vẻ cứng, nhưng nhìn kỹ sẽ thấy nhiều lối cho thần kinh và mạch máu đi qua. Lớp ngoài của xương rất đặc và cứng hơn.

Xương vỏ gồm những hệ thống ống rỗng gọi là lamellae được đặt lồng bên trong ống khác. Lamellae gồm các sợi collagen, tất cả chạy theo một hướng. Các sợi collagen của lamellae kế cận luôn luôn chạy theo các hướng khác nhau. Nhiều lamellae tạo nên một osteon hay hệ thống Havers. Osteon là các cấu trúc như cột trụ có hướng song song với các lực tác động lên xương. Sự sắp xếp những cột trụ chịu lực này và đậm độ của xương vỏ làm cho hệ xương cứng và mạnh.

Xương vỏ có thể hấp thụ được các lực căng nếu các sợi collagen song song với lực tải. Thường thì collagen được xắp xếp theo các lớp chạy theo hướng dọc, vòng và chéo. Điều này cho phép chịu các lực căng ở các hướng khác nhau bởi vì càng nhiều lớp thì xương càng mạnh và cứng. Xương vỏ dày hơn ở cạnh các xương dài (chịu được nhiều sức mạnh), mỏng hơn ở hai đầu xương dài, các xương ngắn, nhỏ.

Hình 1. Cắt dọc đầu gần xương đùi cho thấy xương vỏ và xương xốp. Chú ý đường cong ở bè xương, làm tăng khả năng chịu lực.

Xương xốp

Mô xương bên trong xương vỏ là xương xốp. Xương xốp được thấy ở hai đầu xương dài, trong thân đốt sống, và ở xương chậu, xương vai. Cấu trúc xương xốp yếu hơn và không cứng bằng xương vỏ. Xương xốp không đậm đặc như xương vỏ vì nó có nhiều khoảng trống. Các mảnh xương dẹt, nhỏ tạo nên các khoảng trống là các bè xương, thích ứng với hướng của lực tác động lên xương và cung cấp sức mạnh cho xương mà không tăng thêm nhiều trọng lượng. Collagen chạy dọc theo trục của bè xương và làm cho xương xốp có sức chống lại lực căng và ép.

Sự rỗ nhiều của xương xốp giúp nó có khả năng dự trữ năng lượng cao, do đó loại xương này trở thành thành phần chính hấp thụ năng lượng và phân bố lực khi lực tải tác động vào cấu trúc xương. Loại xương này có hoạt tính chuyển hóa cao hơn và đáp ứng hơn với kích thích so với xương vỏ. Xương xốp không mạnh bằng xương vỏ, và do đó người già có tỷ lệ gãy xương xốp cao. Điều này là do giảm khả năng chịu lực ép bởi vì xương bị mất chất khoáng (loãng xương).

XEM VIDEO:

Sự tạo xương

Xương là một vật liệu có tính thích nghi cao, rất nhạy cảm với không dùng, bất động, hoặc các hoạt động mạnh và chịu lực tải lớn. Xuyên suốt cuộc đời, xương liên tục được tối ưu với vai trò chịu lực tải qua sự tái cấu trúc thích ứng chức năng. Điều này đặc biệt quan trọng với các xương chi để tăng khả năng chịu tải. Mô xương tự sửa chữa và có thể thay đổi các đặc tính và cấu trúc của nó để đáp ứng với yêu cầu cơ học. Điều này được Wolff mô tả trong thuyết phát triển xương, được gọi là định luật Wolff: mỗi thay đổi trong hình dạng và chức năng hoặc của chỉ chức năng của xương được theo sau bởi những thay đổi xác định về cấu trúc bên trong và những thay đổi tương ứng ở hình dạng bên ngoài, theo các luật toán học.

Sự tạo xương (cốt hóa) là một quá trình phức tạp và không được trình bày chi tiết ở tài liệu này. Xương luôn luôn được tạo nên bởi sự thay thế một số mô trước đó. Ở bào thai, hầu hết các mô trước đó là sụn hyaline. Sự cốt hóa là sự hình thành xương bởi hoạt động của các tạo cốt bào và hủy cốt bào. Trong bào thai, sụn từ từ được thay thế bởi quá trình này và vào lúc sinh, nhiều xương đã được cốt hóa một phần.

Các xương dài phát triển từ lúc sinh đến lúc thanh thiếu niên qua hoạt động ở sụn liên hợp (bản sụn tăng trưởng). Quá trình tạo xương ở sụn liên hợp thường hoàn tất vào khoảng 25 tuổi.

Sự cấu trúc xương (modeling) xảy ra trong khi phát triển để tạo xương mới với sự hấp thu xương và sự tạo xương xảy ra ở các vị trí khác nhau làm thay đổi hình dạng và kích thước xương. Trong xương đang phát triển, các đặc tính của xương chịu ảnh hưởng bởi nhu cầu phát triển về kích thước và các thay đổi của lực căng và lực ép tác động lên xương. Trong quá trình tái hấp thu xương, mô xương cũ bị phân hủy và tiêu hóa bởi cơ thể. Quá trình này không giống nhau ở các xương và ngay cả trên cùng một xương. Ví dụ, trong khi xương ở đầu xa xương đùi được thay thế mỗi 5-6 tháng, xương ở thân được thay thế chậm hơn.

Mô xương luôn luôn trải qua quá trình tái cấu trúc (remodelling) trong đó cơ chất xương thường xuyên được di chuyển thay thế. Độ dày và sức mạnh của xương phải liên tục được duy trì, và điều này được thực hiện bằng cách thay thế xương cũ bằng xương mới. Sau khi qua giai đoạn phát triển, tốc độ lắng đọng và tái hấp thu xương là bằng nhau, giữ cho khối xương toàn bộ tương đối không đổi. Tuy vậy, thông qua tập luyện, ta có thể gia tăng khối xương ngay cả khi không còn thời thanh niên. Sự lắng đọng xương nhiều hơn tái hấp thu khi cần nhiều sức mạnh hơn hay khi xảy ra chấn thương.

Quá trình tái xây dựng liên tục này tiếp tục đến tuổi 40, khi hoạt động tạo cốt bào chậm lại và xương trở nên dễ gãy. Sự tái cấu trúc có hai hiệu quả chính: chỉnh lại hình dạng của khung xương để đáp ứng với các lực trọng lực, cơ và lực bên ngoài, và duy trì nồng độ canxi máu cho các chức năng sinh lý bình thường.

* Tác dụng của hoạt động và bất động lên sự tạo xương

+ Tác động của hoạt động thể lực lên sự tạo xương

Xương cần các lực cơ học để phát triển và mạnh lên. Vì thế, hoạt động thể lực là một thành phần quan trọng của sự phát triển và duy trì sự toàn vẹn và sức mạnh khung xương. Sự co cơ trong hoạt động chủ động cùng với lực bên ngoài tạo lực ép lớn lên xương. Không phải vận động nào cũng có hiệu quả như nhau, các lực quá tải phải tác động vào xương để kích thích và thích ứng lực, và sự thích ứng liên tục đòi hỏi quá tải liên tục.

Nói chung, lực tải động thì tốt cho sự hình thành xương hơn lực tải tĩnh, lực tải ở tần số cao thì hiệu quả hơn. Lực tải xương lập lại trong các hoạt động quen thuộc có ít vai trò trong duy trì khối xương và có thể làm giảm khả năng tạo xương vì mô xương bị mất nhạy cảm. Hoạt động mạnh từng đợt thời gian ngắn có hiệu quả hơn hoạt động liên tục trong việc kích thích gia tăng khối xương.

Tác động của hoạt động thể lực lên gia tăng khối xương thay đổi theo lứa tuổi: trong một khung xương đang phát triển, các lực tác động lên xương kích thích nhiều hơn xương đã trưởng thành. Ở người già với khối xương thấp, tập luyện chỉ có hiệu quả tương đối lên tạo xương. Mục đích là đạt tối đa đậm độ khoáng hóa xương trong ba mươi năm đầu tiên và sau đó giảm thiểu sự suy giảm sau tuổi 40. Khối xương đạt mức tối đa giữa tuổi 18-35 và sau đó giảm khoảng 0,5% sau tuổi 40.

+ Tác dụng của bất động lên xương

Giảm hoạt động có thể gây mất xương một lượng đáng kể. Khi bị giảm tải như cố định phẫu thuật, nằm giường, khối xương bị hấp thụ, dẫn đến khối lượng xương giảm và xương mỏng đi do hoạt động của hủy cốt bào, làm giảm lượng canxi xương, giảm sức mạnh và trọng lượng xương. Hệ xương cảm nhận sự thay đổi lực tải và thích nghi để chịu tải hiệu quả nhất với ít khối xương nhất. Trong tình trạng không trọng lượng, các phi hành gia bị giảm hoạt động và mất tác động của trọng lượng cơ thể làm khối xương mất khá nhiều trong thời gian tương đối ngắn.

CÁC LỰC TÁC ĐỘNG LÊN XƯƠNG

Hệ xương chịu một số lực khi xương chịu tải ở các hướng khác nhau. Các lực được tạo ra khi mang trọng lượng, trọng lực, các lực của cơ, các lực bên ngoài. Bên trong, các lực tải có thể tác động lên xương qua khớp thông qua các chổ nối dây chằng hoặc gân cơ, và các lực tải này thường dưới mức gãy xương. Bên ngoài, xương chịu nhiều lực từ môi trường mà không có hạn chế về độ lớn hoặc hướng nào.

Có 5 loại lực tạo tải lên xương đó là sức ép, căng, xé, gập, và xoắn. Những lực này được mô tả ở hình 2.

Hình 2. Các lực tác động lên xương. A. Lực ép gây làm ngắn và bè rộng. B. Lực kéo căng gây làm hẹp và dài ra. C và D. Lực xé và xoắn vặn tạo biến dạng góc. E. Lực gập có thể gây tất cả các thay đổi kết hợp.

Lực nén ép (compression)

Lực đè ép cần cho sự phát triển của xương.

Nếu lực ép quá lớn nhiều hơn giới hạn chịu đựng của cấu trúc, nó có thể gây tổn thương xương và gây gãy do nén ép. Ví dụ: đau do đè ép xương bánh chè-đùi, gãy xẹp đốt sống ngực – thắt lưng…

Lực kéo căng (traction)

Khi cơ tạo lực căng đến xương qua gân, collagen trong mô xương tự sắp xếp theo hướng (dọc) với lực kéo căng của gân.

Gãy xương thường xảy ra ở vị trí bám của cơ. Các lực căng cũng có thể gây bong dây chằng kèm mảnh xương, thường xảy ra ở trẻ em (bong điểm bám)

Lực căng thường là nguyên nhân gây tổn thương gân và dây chằng. Ví dụ tổn thương dây chằng ngoài cổ chân do chẹo chân.

Lực xé (shearing)

Lực xé là nguyên nhân của một số bệnh lý đĩa đệm, như trượt đốt sống ra trước.

Ví dụ của gãy xương do lực xé: ở lồi cầu xương đùi và mâm chày. Cơ chế tổn thương của hai loại này thường là do căng quá mức của gối thông qua bàn chân bị cố định và lực tác động vào bên trong hoặc ngoài đùi hoặc cẳng chân. Ở người lớn, lực xé này có thể gây gãy xương và/hoặc tổn thương dây chằng. Ở trẻ em, lực xé có thể gãy xương sụn liên hợp .

Lực gập

Các lực tải gây gập có thể được tạo ra bởi nhiều lực tác dụng vào các vị trí khác nhau của xương. Thường những tình huống này được gọi là lực ép 3 điểm hay 4 điểm. Xương thường bị gãy ở điểm giữa các lực đối diện.

Ví dụ ở Hình 4 gãy xương đùi do lực gập:

Lực xoắn vặn

Gãy xương do lực xoắn vặn có thể xảy ra ở xương cánh tay khi ném vật không đúng kỹ thuật gây xoắn vặn ở cánh tay và ở chi dưới khi bàn chân chạm đất và cơ thể thay đổi hướng. Hậu quả là gãy xoắn vặn. Ví dụ Hình 5. Các lực xoắn vặn ở chân cũng là nguyên nhân của tổn thương sụn khớp gối và dây chằng, xảy ra khi bàn chân giữ chặt trong lúc xoay thân.

Lực kết hợp

Lực căng, nén ép, xé, gập, và xoắn vặn là các kiểu lực tải đơn giản. Cơ thể thường chịu các lực kết hợp của các lực tải kể trên.

CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA XƯƠNG

Các đặc tính cơ học của xương khá phức tạp và thay đổi theo các thành phần của chúng. Sức mạnh, sự cứng và năng lượng của xương phụ thuộc cả vào thành phần vật liệu và các đặc tính cấu trúc của xương. Ngoài ra, các đặc tính cơ học cũng thay đổi theo tuổi tác, giới tính và vị trí của xương, như xương cánh tay khác với xương chày. Những yếu tố khác góp phần vào sự thay đổi này là hướng lực tải tác động lên xương, tốc độ áp dụng lực, loại lực.

Xương phải có khả năng chịu đựng được cùng một lúc với nhiều loại lực. Ở tư thế tĩnh, xương kháng lại trọng lực, nâng đỡ trọng lượng cơ thể, và hấp thụ hoạt động cơ tạo ra để duy trì tư thế tĩnh. Khi vận động như chạy, các lực tăng gấp nhiều lần và trở thành đa hướng.

Sức mạnh và tính cứng của xương

Xương cần phải cứng nhưng vẫn phải mềm dẻo và mạnh nhưng vẫn nhẹ. Sức mạnh cần để chịu tải, và nhẹ cần để vận động. Sức mạnh ở xương chịu trọng lượng là khả năng chống lại bị gập. Mềm dẻo cần để hấp thu các lực tác động cao, và đặc tính đàn hồi của xương cho phép nó hấp thụ năng lượng bằng cách thay đổi hình dạng (mà không bị gãy vỡ) và trở về chiều dài bình thường của nó.

Hành vi của bất kỳ vật liệu nào khi bị chịu lực tải được xác định bởi sức mạnh và tính cứng của nó. Khi một lực bên ngoài tác động vào xương, một phản ứng bên trong xảy ra. Sức mạnh có thể được đánh giá bằng đánh giá mối liên hệ giữa lực tải bên ngoài và mức biến dạng (phản ứng bên trong) xảy ra ở vật liệu. Điều này được thể hiện ở đường cong lực tải-biến dạng (hình 6).

Lúc bắt đầu chịu tải, xương có đáp ứng đàn hồi tuyến tính. Khi tác động lực tải, đầu tiên xương biến dạng thông qua thay đổi chiều dài hoặc hình dạng góc. Xương biến dạng không quá 3%. Đây được xem là vùng đàn hồi của đường cong lực tải-biến dạng bởi vì khi lấy đi lực tải, xương phục hồi và trở về hình dạng hoặc chiều dài ban đầu. Nếu tiếp tục tác động lực tải, mô xương đạt đến điểm tới hạn (giới hạn đàn hồi), và sau đó các sợi bên ngoài bắt đầu bị rách và tách cầu nối. Giai đoạn này được gọi là vùng dẻo của đường cong lực tải-biến dạng. Mô xương bắt đầu biến dạng vĩnh viễn và cuối cùng là gãy xương nếu tiếp tục tác động lực tải lên vùng dẻo. Như thế, khi lực tải bị lấy đi, mô xương không trở lại chiều dài ban đầu của nó mà vẫn bị biến dạng. Mặc dù xương có thể có đáp ứng dẻo, lực tải bình thường vẫn nằm trong vùng đàn hồi. Xương đáp ứng chủ yếu như là một vật liệu giòn dễ vỡ, khoảng từ biến dạng dẻo đến gãy rất nhỏ.

Sức mạnh (bền) của xương (hoặc các vật liệu khác) được định nghĩa bởi điểm suy yếu (=gãy xương) hoặc lực tải chịu được trước khi suy yếu. Khả năng chịu lực tải của xương phụ thuộc vào nó có đủ khối lượng với đầy đủ các đặc tính về vật liệu cũng như sự sắp xếp sợi có khả năng kháng lại lực tải ở các hướng khác nhau hay không. Sự suy yếu của xương có thể do hoặc là một sự kiện chấn thương duy nhất (dẫn đến gãy xương) hoặc tích tụ các vi chấn thương (mỏi xương). Sức mạnh của xương phụ thuộc mức khoáng hóa của mô xương: hàm lượng khóang mô càng cao thì vật liệu càng cứng và mạnh hơn. Tuy nhiên nếu xương bị khoáng hóa quá mức, nó trở nên giòn và không chịu được nhiều lực tải. Sức mạnh chịu lực ép của xương vỏ lớn hơn bê tông, gỗ, hoặc thủy tinh. Sức mạnh xương xốp thấp hơn xương vỏ, nhưng nó có thể chịu đựng biến dạng nhiều hơn trước khi suy.

Tính cứng, hay là suất Young của vật liệu, được xác định bởi độ dốc của đường cong lực tải-biến dạng trong vùng đáp ứng đàn hồi và được định nghĩa là tỉ lệ giữa lực tải và biến dạng trong vùng đàn hồi của đường cong. Kim loại là vật liệu vừa có độ cứng cao vừa dễ uốn, và khi lực tải vượt quá điểm tới hạn, nó có đặc tính dễ uốn nắn và chịu biến dạng dẻo lớn trước khi suy gãy. Thủy tinh là vật liệu giòn, cứng nhưng dễ vỡ, không có vùng dẻo. Xương không cứng như gương hoặc kim loại, và không như những vật liệu trên, nó không đáp ứng một cách tuyến tính bởi vì nó biến dạng một cách không đồng nhất trong giai đoạn tải. Xương có mức cứng thấp hơn kim loại và thủy tinh nhiều và gãy sau biến dạng dẻo rất nhỏ (hình 7).

Các đặc tính không đẳng hướng (Anisotropic Characteristics)

Mô xương là một vật liệu không đẳng hướng, nghĩa là hành vi của xương thay đổi tùy theo hướng tác dụng tải. Sự khác nhau của các đặc tính của xương xốp và xương vỏ góp phần vào tính không đẳng hướng của xương. Vai trò của xương xốp và xương vỏ đến sức mạnh nói chung thay đổi tùy vị trí giải phẫu bởi vì thành phần các xương này ở các vị trí đó khác nhau. Xương xốp giúp chống lại lực gập, và xương vỏ giúp chống lại lực đè ép nhiều hơn. Cho dù các đặc tính của xương phụ thuộc vào hướng, nói chung, mô xương dài có thể chịu được lực lớn nhất theo hướng dọc và ít nhất theo hướng ngang bề mặt.

Các đặc tính keo-đàn hồi (Viscoelastic Characteristics)

Xương có đặc tính keo-đàn hồi, nghĩa là đáp ứng của nó phụ thuộc vào tốc độ và thời gian của lực tải. Với lực tốc độ cao, xương cứng hơn và chắc hơn vì nó có thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn nếu lực tải càng nhanh. Điều này thường thấy ở các hoàn cảnh chịu tác động cao như khi ngã hoặc tai nạn giao thông. Hình 8 cho thấy một xương chịu tải chậm bị gãy ở lực tải khoảng bằng một nửa lực gây gãy ở tốc độ nhanh.

Mô xương là một vật liệu keo- đàn hồi mà các đặc tính cơ học bị ảnh hưởng bởi tốc độ biến dạng. Các đặc tính dễ uốn nắn của xương là do thành phần collagen của nó. Thành phần collagen làm cho xương chịu được các lực căng. Xương cũng dễ vỡ, và sức mạnh của nó phụ thuộc vào cơ chế lực tải. Tính giòn của xương là do các thành phần khoáng của xương, giúp xương chịu được lực đè ép.

Hình 8 Xương có đặc tính keo-đàn hồi vì nó đáp ứng khác nhau khi chịu tải ở các tốc độ khác nhau. A. khi bị tải nhanh, xương cứng hơn và có thể chịu tải lớn hơn trước khi bị gãy. B. khi bị tải chậm, xương không cứng và mạnh bằng, bị gãy với lực thấp hơn.