第 22 章.骨骼系统
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1. 概述
2. 骨骼的结构和形成
3. 骨骼的机械连接
4. 骨骼的机械特性
5. 骨病与治疗
1.概述
⑴ 功能
① 身体支撑
② 保护内脏器官
③ 提供运动和肌肉附着的链接
④ 矿物质储存：钙、磷储存
⑤ 骨髓中的血细胞生成
⑵ 骨骼的分类
① 静水骨骼：当肌肉压缩充满不可压缩液体的腔体时在体内形成。
○ 示例：腔肠动物（海葵）、鱿鱼和章鱼（喷射推进）、蚯蚓运动
○ 蚯蚓运动：
○ 第一第一。头尾节的纵向肌收缩，环行肌松弛，使头、尾节短而粗；它们的刚毛固定在地面上。其余的节段，纵向肌放松，环肌收缩，变得又长又细。
○ 第二第二。头部圆形肌肉的收缩将头部向前推。头部后面和后面的节段变厚，接触地面并固定，防止蠕虫向后滑动。
○ 第三第。前节再次增厚并锚定在新位置，而后节从地面升起并向前拉。
② 外骨骼：形成身体外部的硬壳，附有肌肉。
○ 例如：软体动物、节肢动物。
③ 内骨骼：支撑身体的内部结构，肌肉附着并作用于其上。
○ 示例：人体骨骼
⑶ 人体骨骼（内骨骼）
① 组成
○ 总共206块骨头
○ 主要骨骼：脊柱、头骨、胸腔。
○ 附肢骨骼：关节、肩部、四肢骨。
图 1. 人体骨骼
② 脊柱（脊柱）
○ 脊柱的分类
○ 颈椎：颈椎，7块椎骨。
○ 胸椎：胸椎，12块椎骨。
○ 腰椎：下背部椎骨，5块椎骨。
○ 骶骨：靠近臀部的椎骨，有5块椎骨。
○ 尾骨：靠近尾骨的椎骨，有4-5块椎骨。
○ 功能段：脊柱的功能单位。
图 2. 功能部分的结构
○ 功能节前部：由椎体、椎间盘、纵韧带组成。
○ 功能段后部：由椎弓、椎间关节、各突起、各韧带组成。
○ 椎间盘：物理缓冲作用。盘承受约1.5倍其外部载荷。圆盘承受的负载朝尾端增加。
○ 韧带（不包括黄韧带）：胶原蛋白含量高，限制脊柱伸长。
○ 黄韧带：高弹性。始终处于紧张状态。在脊柱伸展过程中引起收缩。
○ 疾病 1： 椎间盘突出：椎骨之间的椎间盘破裂的情况。可能会压迫脊髓并引起疼痛。
○ 颈椎间盘突出：颈椎突出。
○ 腰椎间盘突出：腰椎突出。» ○ 疾病 2： 椎管狭窄：神经在脊髓中通过的通道变窄。引起疼痛和其他神经系统症状。
○ 通常比椎间盘突出更严重。与椎间盘突出相反，椎管狭窄通常不在保险范围内。
③ 骨骼结构的性别差异
○ 性激素影响骨骼和肌肉的发育。在青春期，身体表现的性别差异变得明显。
○ 女性青春期提前，因此在此期间身材较高。
○ 青春期开始得越晚，生长持续时间就越长。
○ 平均来说，男性的四肢比女性长，导致身高相差15厘米。
○ 男性的手臂和腿较长，杠杆作用和力量更大。
○ 女性的重心较低，因此具有更好的平衡能力（例如艺术体操）。
○ Q 角
○ 定义：股骨和胫骨之间形成的角度（载荷方向）。
○ 男Q角：12°，女Q角：16°。
○ 女性的 Q 角较大，落地时可能会导致膝盖受伤。
图 3. Q 角
2.骨骼的结构和形成
⑴ 骨骼的组成部分
① 与正常组织相比，无机矿物质含量丰富。
② 水占骨重的5-8%。
○ 85%的水分布在有机成分、胶原纤维、基质、骨晶体的水化层中。
○ 15%的水分布在骨管和骨腔中。
③有机成分占干骨重量的33%，占骨体积的50%。
○ 功能：赋予骨骼柔韧性和弹性。
○ 主要由胶原蛋白组成。
○ 胶原蛋白（胶原纤维、I型胶原蛋白）：90%。抗张力能力较差。
○ 非晶质基质：10%。
○ 成骨不全症（脆骨综合症）：胶原蛋白突变和缺乏。
④ 无机矿物质占干骨重量的67%，占骨体积的25%。
○ 功能：提供骨骼硬度。
○ 无机矿物质中85%是磷酸钙。 15%是碳酸钙。
○ 钙占干骨重量的39%：体内钙的99%（其余部分在牙齿中）。
○ 磷酸盐占干骨重量的17%：体内磷的90%。
○ 碳酸盐占干骨重量的9.7%：体内碳酸盐的80%。
○ 钠占干骨重的0.7%：体内钠的35%。
○ 镁占干骨重量的0.4%：占体内镁的50%。
○ 钾占干骨重量的0.2%：体内钾的4%。
⑤ 补钙
○ 99%的钙分布在牙齿和骨骼中。
○ 骨骼中的钙含量在出生后第一年就被替换了100%，儿童时期约为10%，成年后每年替换2-4%。
○ 成年期钙的合成和分解增加。
○ 40-50 岁期间，由于分解比合成增加，骨质流失加速。
⑵ 骨骼结构
① 骨骼由致密骨和松质骨组成。
○ 致密骨（皮质骨、致密骨）：骨的外层。
○ 形成致密、坚韧的骨骼外表面。
○ 强度：100-150 MPa。
○ 松质骨（小梁骨）：骨头的内部部分。
○ 多孔，内部结构呈蜂窝状。
○ 强度：8-50 MPa。
○ 骨膜
○ 致密纤维膜。由与血管相连的福克曼运河穿过。作为神经纤维的通道。»> ○ 内层：又称形成层或成骨层。成骨细胞排列松散。血管丰富。发生活跃的骨形成。
○ 中层：含有未分化骨祖细胞的区域。
○ 外层：由不规则排列的胶原蛋白和弹性纤维组成的厚层致密结缔组织。也称为纤维层。
○ 夏皮纤维：从骨膜深入延伸到皮质骨的纤维束。
○ 骨内膜
○ 覆盖骨腔壁和松质骨表面的薄层细胞结缔组织。
○ 主要由骨祖细胞（骨内细胞）组成，是成骨细胞的前体细胞。
○ 仅存在于长骨中。
○ 围绕髓腔，即骨骼的中心部分。
图 4. 骨骼结构
② 致密骨的成分
○ 致密骨由无数骨块组成。
③ Osteon（哈佛系统）：树木年轮的形状
图 5. Osteon 的结构
○ 骨的尺寸：直径200μm。
○ 哈弗管：骨的中央管。
○ 血管 → 福克曼管 → 哈弗氏管 → 骨小管 → 骨陷窝 ⥇ 骨水泥线。
○ 福克曼管：从外层穿透骨膜，进入皮质骨，水平穿过。
○ 神经纤维分布。
○ 片层：同心圆的无机结构。
○ 骨缺损：沿着薄片边界的空间。每个骨腔都含有一个骨细胞。
○ 骨小管：从骨小管腔垂直延伸到每个板层的通道。连接哈弗系统的途径。
○ 骨水泥线：骨骨的最外层。
○ 骨小管和胶原纤维不能通过。骨骼微观结构的最薄弱点。
○ 由GAG（糖胺聚糖）组成。
○ 间质板层：位于骨之间。尽管外观不同，但它们的成分与骨相似。
④ 松质骨的成分
○ 存在骨板和骨陷窝。
○ 松质骨中没有哈弗系统。
○ 松质骨之间的空间充满了红骨髓，可提供营养。
○ 骨髓：在骨骼内产生血细胞。
⑤ 骨骼内的细胞
图 6. 成骨细胞和其他
○ 营养物质和气体交换：通过血管和福克曼管运输。
○ 成分 1： 破骨细胞
○ 分解骨骼（骨细胞）并将钙释放到血液中。
○ 直径：20-100 μm。
○ 白细胞内的一种单核巨噬细胞。
○ 单核破骨细胞转变为多核破骨细胞（约50个巨核）并粘附在骨表面，分泌溶酶体酶以促进骨吸收。
○ 成分 2： 成骨细胞
○ 形成骨骼（骨细胞）并从血液中去除钙。
○ 也称为骨形成细胞。
○ 合成并分泌骨基质，并将钙、镁等矿物质沉积到基质上。骨组织发生矿化。
○ 成分 3： 骨细胞（骨细胞）：分裂能力有限 ×
○ 位于骨腔内。
○ 骨细胞通过小管连接，并通过间隙连接交换小分子。
○ 成分 4： 成骨细胞：分裂能力 ○» ○ 成分 5： 血管、神经纤维
○ 成分 6： 甲状旁腺激素：刺激骨吸收。
○ 成分 7： 来自甲状腺的降钙素：促进骨形成。
○ 成分 8： 血钙：参与血液凝固、肌肉收缩、产生动作电位、酶活性。
⑥ 软骨
○ 软骨没有血管、淋巴管或神经供应，细胞密度低。
○ 细胞成分中水占30%。
○ 对于关节润滑很重要。
○ 由于 II 型胶原蛋白的分泌，软骨会被番红-O 染色。
○ 软骨组织中硫酸盐的吸收率被用作骨骼生长的指标。
○ 生长因子：
○ 胰岛素样生长因子 (IGF)
○ 转化生长因子-β (TGF-β)
○ 碱性成纤维细胞生长因子 (b-FGF)
○ 骨形态发生蛋白 (BMP)
○ 血小板衍生生长因子 (PDGF)
⑦ 骨骼重塑
○ 定义：随着破骨细胞响应外部条件分解骨骼，以及成骨细胞创建骨骼，骨骼的结构不断变化。
○ 骨骼经历持续的重塑过程。
○ 沃尔夫定律（也称为沃尔夫定律）
○ 定义：指骨重塑过程中的力学变化。
○ 由朱利叶斯·沃尔夫 (Julius Wolff) (1836-1902) 提出。
○ 摘要：骨骼越用越强。
○ 对骨骼的强烈物理影响会导致强度和刚度增加，作为一种补偿机制。
○ 由于身体新陈代谢降低，对骨骼的物理影响较弱，会导致力量和硬度下降。
○ 强度和刚度与骨密度、厚度等有关。
⑶ 骨骼生长
① 骨骼发育阶段的分类
○ 编织骨
○ 见于肿瘤、佩吉特骨病、胎儿骨骼、生长中的骨骼、骨折的骨骼以及骨折后的骨形成区域。
○ 佩吉特骨病：骨质疏松症后常见的骨病，由于破骨细胞过度活动导致骨骼生长异常和疼痛。
○ 板层骨
○ 出生第一年后开始形成。
○ 代替编织骨作为成熟的骨组织。
② 第一第一。胚胎发育阶段：所有骨骼均由软骨组成。
③ 第二第二。骨形成阶段
○ 初级骨化中心在软骨中心内发育，开始骨化过程。
○ 骨分化标记物：碱性磷酸盐（体外；7 ~ 10 天）→ 骨桥蛋白 → 骨连接蛋白 → 骨钙素（体外；3 周）
④ 第三第。二次骨化中心形成
○ 当初级骨化中心进行足够的骨化时，骨的末端会出现新的骨形成中心（次级骨化中心）。
○ 骨传导：将骨细胞传导到邻近区域。
○ 骨诱导：自身诱导骨组织形成的能力。
⑤ 第 4。骨骺（生长）板闭合
○ 在激素影响下，成骨细胞前体细胞的增殖速度比成软骨细胞快，导致两个骨化中心之间的骨骺生长板闭合→纵向生长停止。
○ 激素：生长激素、甲状腺激素、性激素。
○ 骨骺生长板：两个骨化中心之间的软骨区域。
○ 骨骺（生长）板的结构
○ 结构1. 静止区：静止的干状软骨细胞。
○ 结构2. 增殖区：分裂细胞柱扩大骨长度。
○ 结构3. 肥大区：软骨细胞增大，分泌基质，然后死亡。
○ 结构4. 骨化：钙化的骨组织取代软骨。» ○ 形态发生素和生长板
○ PTHrP（甲状旁腺激素相关蛋白）：促进静息区的形成；赋予软骨细胞增殖能力；防止过早肥大（通过抑制 GDF5 和 BMP 的过度激活）。
○ IHH（印度刺猬）：由肥大软骨细胞产生；增加静息区 PTHrP 表达；有助于平衡增殖和分化。
○ GDF5（生长分化因子 5）：有助于软骨形成； BMP 家族的成员；在软骨膜和周围生长板中表达；作用于增殖的软骨细胞以促进生长。
○ BMP（骨形态发生蛋白）：过度激活时，会导致过早肥大。
图 7. 骨骼生长
⑥ 第 5。骨老化：骨密度、长度和厚度减少。
○ 骨密度
○ 在生长过程中增加，在 25 岁左右达到顶峰。
○ 70岁时，可能会低至峰值的60%。
图 8. 骨骼老化
○ 钙吸收率
○ 婴儿期最高：60%。
○ 青春期前：28%。
○ 青春期后：34%。
○ 成年女性：25%。
○ 怀孕最后2-3个月：钙吸收率暂时增加。
○ 更年期、钙摄入量低、维生素D缺乏、节食、缺乏运动加速骨骼老化。
3。骨骼的机械连接
⑴ 关节：骨骼之间的连接
① 不可动关节
○ 纤维接头
○ 由胶原蛋白和弹性纤维组成；三种类型：韧带联合（韧带关节）、缝合和嵌合（钉和插座）。
○ 缝合线的代表性例子是颅骨（头骨）缝合线。
○ 软骨关节
○ 1 型： 软骨联合（原发性软骨关节）— 联合由透明软骨形成。
○ 2 型： 联合 — 纤维软骨结合。
○ 由于脊柱活动受限，有时被归类为双关节病。
② 可动关节：典型关节
○ 细分为滑膜关节、平面关节、铰链关节、枢轴关节、椭球关节（髁状关节）、鞍状关节、球窝关节。
○ 滑膜关节：对向关节软骨+滑液+关节囊。
○ 球窝关节：绕三个轴运动的关节。
○ 示例：肩部（肱骨与肩胛骨相交处）、髋部（股骨与骨盆相交处）；也称为球状/子叶状关节。
○ 铰链关节：绕一个轴运动的关节。
○ 示例：肘部的肱尺部分；膝关节。
○ 枢轴关节：可以绕其长轴旋转的关节。
○ 示例：肘部的近端桡尺关节；寰枢关节处的颈部旋转。
③ 滑膜关节（关节软骨）：代表可动关节
○ 被认为是异质材料：间质流体形式（不可压缩、不可混溶）+固体形式（多孔、可渗透）。
○ 相对关节面之间的间隔约为 100 nm。
图 9. 软骨组织的结构
○ 结构1：浅层区
○ 最顶层
○ 软骨细胞呈椭圆形排列，长轴平行于表面。
○ 胶原纤维平行于表面取向。
○ 蛋白多糖浓度最低。
○ 结构2：中区
○ 软骨细胞呈圆形。»> ○ 与浅层区域相比，较大的胶原纤维束排列整齐。
○ 结构3：深区
○ 软骨细胞呈球形并呈放射状排列。
○ 大胶原纤维束垂直于关节面排列。
○ 最高浓度的蛋白多糖。
○ 含水量最低。
○ 结构 4： 钙化区
○ 最深层
○ 分为软骨下骨和透明软骨。
○ 核浓缩小软骨细胞分化
○ 用 H&E（苏木精和伊红）染色显示为深蓝色线。
○ 成分 1. 胶原蛋白
○ 人体内含量最丰富的蛋白质。
○ 原胶原蛋白：胶原蛋白的基本单位。
○ 原胶原α链 → 三条组装成三螺旋 → 螺旋聚集成带状原纤维。
○ 高抗拉力。
○ 低抗压性：蛋白聚糖提供大部分抗压性。
○ 成分 2. 蛋白聚糖
○ 由核心蛋白和附加的多条糖胺聚糖 (GAG) 链组成的大糖蛋白。
○ 压缩 → 蛋白多糖变形并排出间质液 → 固定电荷密度上升，阻力增加。
○ 唐南渗透膨胀压：压缩→聚集蛋白聚糖聚集，负电荷密度增加→水分被吸入，组织膨胀（水肿）。
④ 关节炎
图 9. 关节炎
○ 骨关节炎（退行性关节炎）：与年龄相关的关节软骨损失和滑液粘度降低；通过注射透明质酸（透明质酸）进行治疗。
○ 类风湿性关节炎：一种针对关节组织的自身免疫性疾病，引起滑膜炎症、软骨损伤及相关变化。
⑵ 骨骼和肌肉连接
① 韧带：连接骨头与骨头。
○ 胶原纤维并非完全平行，对各个方向的负载有一定的耐受力。
○ 弹性蛋白几乎不存在。
② 肌腱：连接肌肉和骨骼，实现运动。
○ 起始于中轴骨骼，附着于周边骨骼。
○ 胶原纤维排列有序、平行，可承受单向拉伸载荷。拉伸强度50兆帕。
○ 胶原蛋白含量为80%。弹性蛋白几乎不存在。血管相对稀疏。
○ 腱旁组织：血管化。形成保护套。
○ Epitenon：无血管。含有肌腱细胞并促进肌腱在滑液中滑动。
③韧带和肌腱的血液供应很少，导致伤口愈合缓慢。
图 11. 韧带和肌腱
4.骨骼的机械特性
⑴ 骨骼的各向异性
① 强度：纵向 > 横向
② 刚度：纵向 > 横向
③ 延展性：纵向 > 横向
⑵ 疲劳载荷
图 12. 疲劳载荷
⑶ 骨折类型
① 致密骨对屈服应力的抵抗能力依次为压缩（170 MPa）、拉伸（130 MPa）、剪切（70 MPa）载荷。
②压缩性骨折
○ 骨屈服发生在骨间间隙内。
○ 骨骼的受压能力强于受拉能力。
○ 稳定断裂：通常是干净、无移位的裂纹（细线）。» ○ 最常见于椎骨。
③ 拉伸断裂
○ 骨水泥线和骨间脱粘导致的骨产量。
○ 在松质骨（小梁）丰富的地方，拉伸载荷骨折很常见。
○ 不稳定骨折。
④ 剪切断裂
○ 在松质骨（小梁）丰富的地方，剪切载荷骨折很常见。
○ 不稳定骨折。
⑷【其他力学性能】(https://jb243.github.io/pages/1739)
5.骨骼疾病和治疗
⑴ 骨骼疾病
① 骨折
②骨质疏松：钙化减少，骨质疏松。
⑵ 骨骼治疗
① 骨再生
○ 间充质干细胞
○ 脚手架
○ 内皮细胞
○ 生长因子 (BMP)：通常为 BMP2、BMP4。
② 软骨再生方法
○ 干细胞移植后的分化
○ 骨软骨移植法
○ 关节面整形手术
○ 软骨细胞移植方法
③ 骨髓刺激微骨折手术
○ 在骨头上打孔导致出血。
○ 血液中的干细胞可再生软骨。
○ 骨髓来源的干细胞优于脂肪来源的干细胞。
输入：2015.07.26 10:43