استخوان چیست؟ – ساختار، تشکیل و انواع آن

اسکلت جانوران از جسم جامد زنده و محکمی است که به عنوان پایه ای برای اعضای دیگر بدن می باشد و استخوان نام دارد. استخوانها را می توان به عنوان منبعی از کلسیم و مواد معدنی دانست که در صورت نیاز بدن، استفاده می شوند. استخوانها نیز مانند غضروف ها دارای بافت همبند بوده و با وجود سبک بودن بسیار محکم می باشند. در کتاب علوم پایه هفتم استخوانها توضیح داده شده اند. برای این که با بافت اسکلت بدنی آشنا شویم با این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشیم.

استخوان چیست

استخوان به عنوان بافت زنده و محکم، پایه و اسکلت بدن محسوب شده و تمام اعضای دیگر بر آن استوار هستند. بافت استخوانی به عنوان بافت اصلی تشکیل دهنده استخوانها و بافت هایی چون رگ های خونی، عصب، مغز استخوان، غضروف و … نیز بافت های دیگر تشکیل دهنده ی آن محسوب می شوند. گلبول های سفید و قرمز خون در استخوانها تولید می شوند. استخوانها به عنوان یک بافت زنده قابلیت رشد کردن، تغذیه کردن و تغییر شکل دادن دارند و حتی می میرند.

در هنگام تولد تعداد استخوانها ۲۷۰ عدد در بدن انسان ها می باشد که به تدریج با افزایش سن و رشد افراد، با اتصال برخی از این استخوانها به هم، تعداد آن ها به ۲۰۶ عدد می رسد. استخوان ران و گوش میانی به ترتیب به عنوان بزرگترین و کوچکترین استخوانهای بدن محسوب می شوند.

عملکرد و نقش استخوان ها در بدن

استخوانها دارای وظایف مهمی در بدن هستند. مهمترین آن ها ساخت یک اسکلت برای شکل دادن به کل بدن و حفاظت از اندام های بدن (جمجمه از مغز و قفسه سینه از قلب و ریه) است. سیستم حرکتی بدن توسط استخوانها و با کمک رباط ها، مفاصل، عضلات و … انجام می شود.

از وظایف دیگر آن ها، ذخیره مواد معدنی چون کلسیم و فسفر است که در صورت نیاز بدن، مورد استفاده قرار می گیرند. مغز استخوانها می توانند اسیدهای چرب را نیز ذخیره کنند. از نقش های دیگری که استخوانها دارند این است که می توانند مانند یک بافر، با جذب و آزاد کردن نمک های بازی، به تنظیم PH خون بپردازند. سم زدایی از وظایف دیگر است که با جذب و نگه داری فلزات سنگین و آزاد کردن آرام آن ها برای دفع از بدن، انجام می شود. ترشح هورمون هایی از استخوان مانند استئوکلسین می تواند به افزایش ترشح انسولین و ذخیره چربی کمک کند. گلبول های سفید، پلاکت ها و گلبول های قرمز نیز در مغز استخوان ساخته می شوند.

ساختار استخوان

استخوانها دارای سلول های متفاوتی هستند که سلول های استخوانی نامیده می شوند. این سلول ها در کنار هم و چسبیده به هم نیستند و در فاصله بین آن ها ماده ی بین سلولی غیر زنده ای به نام ماتریکس وجود دارد. ماتریکس همانند یک ملاتی فضای بین سلول ها را پر کرده و باعث استحکام و سفتی استخوانها می شود. یکی از خواص این ماده ملاتی ماتریکس، تغییرات مداوم آن است که می تواند باعث ترمیم و قدرت دهی به آن شود و توسط سلول های استخوانی کنترل و تنظیم می شود. رگ های خونی که درون استخوانها وجود دارد، با تغذیه و رشد دادن، باعث زنده ماند استخوانها می شوند.

ماده بین سلولی در استخوانها و ماتریکس دارای دو بخش بوده و یک کامپوزیت می باشد. یک جزء پروتئینی الاستیک و انعطاف پذیر که مقاومت استخوانها در برابر کشش را زیاد می کند. بخش دیگر قسمت معدنی است که به دلیل داشتن کلسیم به استخوانها قدرت می دهد که فشار را تحمل کنند. ماده ی پروتئینی از کلاژن و مواد قندی بوده و مواد معدنی از هیدروکسی آپاتیت می باشد. طرز قرار گرفتن مواد معدنی به شکل تیغه های دایره ای متحدالمرکزی است که لاملا نامیده می شوند. کانال توخالی داخل این دایره ها که هاورس نام دارد، دارای اعصاب و عروق می باشد. سیستم هاورسی متشکل از یک مجرای هاورسی و ۵ تا ۶ تیغه استخوانی است.

لاکونا محفظه ای است که هر سلول استخوانی را در بر می گیرد و با ارتباط مجراهای باریک با کانال هاورسی، می تواند مواد غذایی و اکسیژن را به سلول های استخوانی برساند.

انواع سلول های استخوانی

استئوبلاست ها

این سلول های چند هسته ای می توانند استئوئید که از جنس کلاژن هستند را ساخته و با قرار گرفتن مواد معدنی روی استئوئیدها، ماتریکس ساخته می شود. هورمون های ترشح شده از استئوبلاست ها، وسیله ارتباطی آن ها با سلول های دیگر است.

استئوکلاست ها

این سلول های چندهسته ای می توانند با جذب استخوانها و ماتریکس به عنوان سلول های استخوان خوار محسوب می شوند. در واقع وظیفه این سلول ها حذف قسمت های معیوب ماتریکس ها و جایگزین کردن قسمت های سالم در آن هاست.

استئوسیت ها

وظیفه این سلول ها حفاظت از بافت های استخوانی است و تشکیل این سلول ها از استئوبلاست ها می باشد.

انواع استخوان ها

استخوانها از لحاظ ماکروسکوپی به دو دسته استخوانهای متراکم یا کورتیکال و استخوانهای اسفنجی تقسیم می شوند.

استخوانهای فشرده یا کورتیکال

لایه بیرونی استخوانهای بدن از استخوانهای فشرده می باشد که با تخلخل کمی که دارند، به استخوانها ظاهر سفید، محکم و صافی می دهند. این استخوانها دارای ۵ تا ۳۰ درصد تخلخل بوده و بیشتر از ۸۰ درصد اسکلت بدن را تشکیل می دهند. استخوانهای کورتیکال دارای ساختار بسیار محکمی هستند و در آن ها قرار گرفتن سیستم های هاورسی به صورت متراکم و فشرده می باشد.

استخوانهای اسفنجی

استخوانهای اسفنجی بسیار متخلخل بوده و قسمت داخلی استخوانها را تشکیل می دهند و استخوانهای ترابکولار نامیده می شوند. در این استخوانها تیغه های استخوانی به شکل سه بعدی قرار گرفته و بافت چربی، مغز استخوان و عروق فضای بین آن ها را پر می کند. سیستم هاورسی در این بافت وجود ندارد و درصد تخلخل آن بین ۳۰ تا ۹۰ درصد می باشد. تیغه ها در این استخوانها با توجه به نیروهایی که در آن وجود دارد، جهت و امتداد خاصی می گیرند. جهت قرار گرفتن این تیغه ها، توسط سلول ها به گونه ای است که وزن کمتر ولی مقاومت بالا در مقابل نیروهای وارده را داشته باشد.

استخوانها از لحاظ میکروسکوپی به دو دسته بافت شده و یا لایه لایه وجود دارند.

استخوان های بافت شده

در استخوانهای بافت شده قرار گیری الیاف کلاژن به صورت تصادفی بوده و دارای ساختاری ضعیف می باشد که بیشتر در دوره جنینی دیده می شود. شکل گیری این استخوانها بدون ساختار تعیین شده از قبل و خیلی سریع انجام می شود.

استخوانهای لایه لایه

در ساختار استخوانهای لایه لایه یا لاملار، لایه هایی از الیاف کلاژن با الیاف تک لایه دیگر، به موازات هم و روی هم انبار شده اند. چون جهت گیری این الیاف مخالف جهت هم است باعث مقاومت و قوی بودن آن ها در برابر نیروهای پیچشی می شود. ترمیم استخوان شکسته، ابتدا با تشکیل سریع استخوانهای بافت شده و سپس جایگزینی آرام با استخوانهای لاملار، انجام می شود.

آناتومی استخوان

با توجه به وظایف و کارهایی که استخوانهای مختلف در بدن انجام می دهند به پنج دسته استخوانهای دراز، کوتاه، مسطح، نامنظم و کنجدی یا سزاموئیدی تقسیم می شوند.

استخوان های دراز یا بلند

استخوان های دراز یا بلند که دارای طول بیشتری نسبت به عرض خود هستند، دارای یک دیافیز و دو اپی فیز هستند. دیافیز، قسمت وسط استخوانهای بلند و اپی فیز، استخوانهای گرد و سطح مفصلی استخوانهای بلند است. بافت تشکیل دهنده استخوانهای بلند، متراکم بوده و ضخامت آن ها به حدی است که استخوان اسفنجی زیادی داشته باشند و مغز استخوان نیز در مرکز توخالی آن هاست. بیشتر استخوانهای بدن مانند استخوان های ران، بازو، زند زیرین، زند زبرین، درشت نی، نازک نی، کف دست و پا و … از این گروه هستند.

استخوان های کوتاه

استخوانهای کوتاه دارای ساختاری از یک لایه ی نازک استخوان متراکم هستند که داخل آن را بافت استخوانی اسفنجی پر کرده است. مچ دست و پا دارای این نوع از استخوانها هستند.

استخوان های مسطح یا پهن

استخوانهای مسطح یا پهن دارای ساختاری متشکل از دو لایه موازی از بافت استخوانی متراکم است که در بین آن ها یک لایه از بافت استخوانی اسفنجی پر شده است. این استخوان ها خمیده و نازک هستند و استخوان های جناغ سینه و جمجمه از این نوع می باشند.

استخوان های نامنظم

در استخوانهای نامنظم نیز یک لایه از بافت استخوانی فشرده در اطراف بافت استخوانی اسفنجی قرار دارد و دارای شکل های متفاوت و نامنظم زیادی هستند. باسن و ستون فقرات دارای این نوع از استخوانهاست.

استخوان های سزاموئید

استخوانهای کوتاهی که در تاندون ها و برای دور کردن تاندون ها از مفصل قرار دارند، از نوع کنجدی می باشند. فعالیت این نوع از استخوانها در تاندون ها نیروی ماهیچه ها را با افزایش زاویه ی تاندون ها، بیشتر می کند. پاتلا یا کشک زانو و استخوان نخودی از این نوع می باشند.

تشکیل استخوان ها

دو روش برای تشکیل استخوان ها که از هفته هفتم و هشتم بارداری تا زمان تولد کودک انجام می شود، وجود دارد. این دو روش درون غشایی و درون غضروفی هستند. در روش درون غشایی که استخوانها از مزانشیم تشکیل شده و برای تشکیل استخوانهای صاف جمجمه است شامل مراحل افزایش مرکز استخوان سازی، تجمع کلسیم، تشکیل ترابکول ها و توسعه پریوستئوم است. در روش درون غضروفی که تشکیل استخوانها از غضروف و برای استخوانهای بلند است، شامل مراحل افزایش مدل غضروف، رشد مدل غضروف، افزایش مرکز استخوان سازی اولیه، افزودن حفره مدولاری، افزایش مرکز استخوان سازی ثانویه و ساخت غضروف مفصلی است.

آسیب ها و بیماری های استخوان ها

از مهمترین آسیب های استخوان ها می توان به پوکی استخوان اشاره کرد که در آن استحکام استخوانها به تدریج با افزایش سن کم می شود. در نوعی از بیماری استخوانی، خون به سلول های استخوانی کامل نمی رسد و باعث از بین رفتن این سلول ها می شود. این بیماری به نام بافت مردگی بی خونی خوانده می شود. بیماری استخوان شکننده یا اختلال استخوان زایی بیماری ژنتیکی بوده و استخوانهای فرد در طول زندگی بارها دچار شکستگی می شود.

ماده اصلی سازنده استخوان چیست

استخوان بافت همبند معدنی است که توسط فرآیندی به نام استخوان سازی تشکیل می شود. این توسط فعالیت استئوبلاست ها ایجاد می شود که سلول هایی هستند که ماتریکس استخوان را تولید می کنند. پس از ادغام آنها در بافت استخوانی، استئوسیت نامیده می شوند. تمام استخوان ها با هم اسکلتی را تشکیل می دهند که اساس دستگاه حرکتی غیرفعال است. ماهیچه ها و رباط ها به اسکلت می چسبند. تمام سطح استخوان (به استثنای مکان‌هایی که ماهیچه‌ ها/رباط ‌ها به استخوان و سرهای مفصلی که توسط غضروف پوشانده شده‌اند متصل می‌شوند) توسط یک پوشش فیبری پریوستوم، سطوح داخلی توسط اندوستئوم پوشیده شده است. حدود ۲۰۷ استخوان در بدن ما وجود دارد که تعداد آنها با افزایش سن تغییر می کند.

ترکیب مغز استخوان متنوع است و شامل اجزای سلولی مختلفی است که در یک ماتریکس معلق هستند. اجزای سلولی شامل سلول های بنیادی خونساز هستند که منبع همه سلول های خونی هستند و سلول های استرومایی که از رشد و توسعه این سلول ها حمایت می کنند. ماتریکس متشکل از کلاژن، گلیکوزآمینوگلیکان ها و سایر پروتئین ها، یکپارچگی ساختاری مغز استخوان را فراهم می کند. ماتریکس متشکل از کلاژن، گلیکوزآمینوگلیکان ها و سایر پروتئین ها، یکپارچگی ساختاری را برای مغز استخوان فراهم می کند و یک محیط بهینه برای موفقیت فرآیند پیوند سلول های بنیادی ایجاد می کند. ماتریکس استخوان دارای دو جزء اساسی است:

ماده تشکیل دهنده – ۱/۳ جزء آلی که اوسین نیز نامیده می شود. از فیبرهای کلاژن و یک توده آمورف تشکیل شده است که دارای استئوآلبوموئید و استئوموکوئید به عنوان اجزای اصلی آن است.

غیر ساختاری – ۲/۳ کریستال نمک (کلسیم فسفات و هیدروکسی آپاتیت) که در اجزای ساختاری ساخته شده است.