SINH CƠ HỌC CỦA XƯƠNG
Khối lượng xương, tức là tổng lượng khoáng trong bộ xương có ý
nghĩa quan trọng. Mối tương quan chặt chẽ giữa khối lượng xương đo được
của các xương trong cơ thể và độ vững chắc của những xương đó đã biết rõ.
Cấu tạo hoặc cấu trúc của xương cũng có tầm quan trọng đối với lực cơ học
và tính đàn hồi.
Xương có thể được coi là vật chất cấu thành bằng hai pha, với chất
khoáng là một pha và chất tạo keo và chất nền là pha kia. Các chất kết hợp
kiểu đó bền chắc hơn từng chất riêng rẽ.
Các quan niệm sinh cơ học cơ bản
Đường cong biến dạng do tải trọng cơ học lên xương được chứng
minh một cách hệ thống ở hình sau:
Hình 4.1.Đường cong biến dạng do tải trọng (nén, kéo căng) với cấu
trúc hình thành bởi vật dẻo nào đó.
Nếu tải trọng đặt vào đoạn đàn hồi của cấu trúc (đoạn A-B trên
đường cong) sau đó được buông ra thì không thấy có biến dạng vĩnh viễn.
Nếu tải được tiếp tục vượt qua điểm uốn (B) và đi vào đoạn dẻo của cấu trúc
(đoạn B-C trên đường cong) và sau đó tải được buông ra thì có biến dạng
vĩnh viễn.
Biến dạng vĩnh viễn xảy ra nếu cấu trúc chịu tải ở điểm D trên vùng
dẻo và sau đó mất tải thì tổng biến dạng đó được biểu diễn bởi khoảng cách
giữa A và D. Nếu tải được tiếp tục trong đoạn dẻo thì đến một điểm hỏng tận
cùng (C).
(Hình vẽ được phép của Nordin và Franked - 1989).
Đoạn khởi đầu là vùng đàn hồi, ở đó vật liệu trở lại hình dạng nguyên
thủy của nó khi chưa có tải. Ở điểm uốn, vật liệu bắt đầu bị hỏng và không
lấy lại được hình dạng nguyên thủy của nó khi chưa có tải. Đó là vùng dẻo.
Miền dưới đường cong biểu diễn năng lượng hấp thụ. Sự vững mạnh của cấu
trúc được xác định bởi:
1. Tải trọng mà cấu trúc chịu đựng được trước khi hỏng.
2. Sự biến dạng nó chịu đựng được trước khi hỏng.
3. Năng lượng nó có thể tích lũy trước khi hỏng.
Thuật ngữ chính xác hơn đối với sự biến dạng do mang tải là nén -
kéo căng. Nén (stress) là tải hoặc lực trên miền đơn vị được triển khai trên
một miền phẳng trong cấu trúc khi đáp ứng với các tải đặt vào từ bên ngoài.
Nó được đo bằng Newton trên mét vuông (N/m2) hoặc bằng Pascal (Pa).
Kéo căng (strain) là sự biến dạng, sự thay đổi về kích thước, triển khai
trên một cấu trúc đáp ứng với sự nén từ bên ngoài. Một sức kéo căng lớn mà
không gây biến dạng vĩnh viễn, có nghĩa là sức kéo đàn hồi cao và đối với
các kiểu xương khác nhau cũng có nghĩa là khả năng lớn hơn để tích lũy
năng lượng.
Cấu trúc xương thay đổi tùy các kiểu xương khác nhau, tức là kiểu
lưới hay kiểu vỏ, và cũng tùy các mặt khác nhau trong cùng một xương. Như
vậy đường cong nén - kéo căng sẽ khác nhau khi một mảnh xương chịu tải
với những phương khác nhau, ví dụ phương nằm ngang, nằm dọc hay nằm
nghiêng (dị hướng). (Hình 4.2)
Hình 4.2. Biến dạng ở mẫu xương vỏ ở trục đùi được kéo theo 4
hướng:
(i) nằm dọc (L); (ii) nghiêng 30° so với trục độ của xương; (iii)
nghiêng 60°; (iv) ngang (T).
(Hình vẽ được phép của Nordin và Fraket - 1989)
Nói chung, xương vững chắc nhất ở phương chịu tải sinh lý bình
thường hay gặp nhất.
Cơ học xương
Khi chịu tải, xương tỏ ra cứng hơn. Điều này có thể bổ sung bằng
trọng lực hay sự kéo của cơ. Sự co các cơ dính vào xương làm thay đổi cách
phân bổ sức nén trên xương. Như vậy xương có thể chịu đựng được sức nén
trên xương. Như vậy xương có thể chịu đựng được sức nén mạnh dưới các
điều kiện có tải hơn là khi không tải.
Điều này giải thích vì sao xương sống nâng nặng không gẫy như về lý
thuyết thí nghiệm in vitro mẫu xương sống chưa nén.
Nếu sức tải nào đó trên một phần của bộ xương vượt quá độ vững
chắc cuối cùng của xương ấy thì xương gẫy. Tải đó có thể gây một chấn
thương mạnh ít hoặc mạnh nhiều, nó nhanh chóng vượt quá sức vững chắc
của xương, hoặc tải có thể duy trì lâu dài hơn, quá tải lắp lại thường xuyên,
gây ra gẫy do nén (hỏng do quá sức).
Tập tính sinh cơ học của xương biến thiên tùy theo mức độ mà xương
phải tải. Nếu mức kéo căng xương tăng lên, thì xương cứng hơn (hấp thụ
nhiều năng lượng hơn trước khi hỏng). Xương tăng vững chắc hơn lên gấp
mấy lần so với sự tăng mức độ kéo căng. Điều này ngược với các mô mềm,
ví dụ dây chằng hay gân kém nhậy cảm với sức kéo căng. Điều này giải