Kemik Fizyolojisi ve Biyomekanik Özellikleri

Kemiklerin Fizyolojik Görevleri ve Genel Yapısı

Kemikler, insan vücudunda hem mekanik hem de fizyolojik işlevleri olan son derece uzmanlaşmış yapılardır. Bu yapıların temel görevleri arasında iç organların korunması, vücuda fiziksel destek sağlanması ve kaslarla birlikte çalışarak harekete izin verilmesi yer alır. Fizyolojik açıdan ise kemikler, hematopoez (kan hücresi yapımı) ve kalsiyum homeostazının (kalsiyum dengesinin) sürdürülmesinde kritik rollere sahiptir. Ayrıca büyüme faktörleri ve sitokinler için bir depo görevi görürler. Kemikler sadece destek yapısı değil, aynı zamanda endokrin fonksiyonlara sahip aktif dokulardır ve asit-baz dengesinin korunmasında tampon madde sağlayarak önemli bir görev üstlenirler.

Kemiğin yapısı makroskobik olarak kortikal (kompakt) ve trabeküler (süngerimsi) kemik olmak üzere iki kısma ayrılır. Kortikal kemik, yoğun ve sağlam bir yapıya sahip olup uzun kemiklerin gövdelerinde, pelvis, kafatası ve diğer yassı kemiklerin dış yüzeylerinde bulunur. Trabeküler kemik ise süngerimsi bir görünümdedir ve uzun kemiklerin uç kısımlarında, vertebralarda (omurlarda), kafatası, pelvis ve diğer yassı kemiklerin iç kısımlarında yer alır. Trabeküler kemik, tüm iskelet ağırlığının sadece yüzde yirmisini ($\%20$) oluşturmasına rağmen, kortikal kemiğe kıyasla metabolik değişim için beş kat daha fazla yüzey alanına sahiptir.

Kemiklerin Mikroskobik Organizasyonu ve Zarlar

Kortikal kemiğin yapısında bir iç ve bir dış yüzey bulunur. Kemiğin dış kortikal yüzeyini çevreleyen bağ dokusu yapısındaki zara periosteum adı verilir. Periosteum; kan damarları, sinir lifleri, osteoblastlar ve osteoklastlar yönünden zengindir. Bu zar kemiği korur, besler ve kemik oluşumuna (osteogenez) yardımcı olur. Kemiğin iç yüzeyini (hem kortikal hem trabeküler) ve kemik içindeki kan damarı kanallarını (Volkmann kanalları) kaplayan membranöz yapıya ise endosteum denir.

Kemiğin mikroskobik yapısında, boyuna paralel uzanan kanallara Havers kanalları denir. Bu kanalların içinde osteositlerin ihtiyaç duyduğu kan damarları, lenf damarları ve sinirler bulunur. Kemiğin en temel yapı birimi olan osteon, Havers kanalı ile bu kanalın çevresindeki lameller ve bu lameller üzerindeki lakuna adı verilen boşluklara yerleşmiş osteositlerden oluşur. Her bir osteon, birbirinden ara lameller ile ayrılır.

Kemik Hücreleri ve Hücresel Etkileşimler

Kemik dokusunda dört temel hücre tipi görev almaktadır. Osteoblastlar, kemik matriksini sentezleyen ve salgılayan hücrelerdir; aynı zamanda osteoklastların farklılaşmasını ve oluşumunu düzenlerler. Osteositler, kemik hücrelerinin dörte doksanı ile dörte doksan beşi ($\%90 - \%95$) arasını oluşturur ve osteoblastların farklılaşmasıyla oluşarak kemik yapısını ve metabolizmasını desteklerler. Kemik astar hücreleri (bone lining cells), yine osteoblastlardan köken alır, kemik yüzeyini kaplar ve mineralize doku ile kan arasında bir bariyer görevi görürler. Osteoklastlar ise kemik rezorpsiyonundan (yıkımından) sorumludur. Büyüme ve gelişme sırasında kemik şeklinin korunması için periosteum ve endosteumda bolca bulunurlar.

Osteoklast farklılaşması karmaşık bir sinyalizasyon sürecidir. Parathormon ($PTH$) ve $RANKL$ (NF-B aktivasyon reseptörü ligandı), osteoklastların farklılaşmasını hızlandırarak kemik rezorpsiyonunu artırır. Buna karşılık osteoprotegerin ($OPG$), $RANKL$ ile yarışarak onu inhibe eder ve kemik rezorpsiyonunu baskılar. Bu süreçte $M-CSF$ (makrofaj koloni uyarıcı faktör) ve onun reseptörü $C-FMS$, monositlerin preosteoklastlara dönüşümünde rol oynar. Aktif hale gelen çok çekirdekli osteoklastlar, hidrolitik enzimler salgılayarak kemiği rezorbe eder ve kalsiyum ile fosfatın kana karışmasını sağlarlar.

Kemik Oluşumu: İntramembranöz ve Endokondral Kemikleşme

Kemikler yaşam boyunca uzunlamasına ve enine büyüme, modelleme (reshaping) ve yeniden şekillendirme (remodeling) süreçlerinden geçer. Sağlıklı bir kemik yapımı (ossifikasyon) iki yolla gerçekleşir. İntramembranöz kemikleşme, mezenkimal kök hücrelerin doğrudan kemik dokusuna dönüştüğü fetal bir süreçtir. Bu süreç kafatası yassı kemikleri, mandibula (alt çene), maksilla (üst çene) ve klavikulaların (köprücük kemiği) oluşumunda görülür. Ayrıca açık kırıkların metal plak ve vidalarla tedavisi sırasında da bu yöntem aktiftir.

Endokondral kemikleşme ise kemik oluşumu için bir kıkırdak modelinin öncü görevi gördüğü süreçtir. Femur, tibia ve humerus gibi uzun kemiklerde ve vücuttaki kemiklerin çoğunda bu yöntem görülür. Uzun kemiklerin boyuna büyümesinde ve alçılı tedavi edilen kırıkların doğal iyileşmesinde etkilidir. Bu süreç beş adımda gerçekleşir: kıkırdak modelinin geliştirilmesi, büyümesi, birincil kemikleşme merkezinin gelişimi, ikincil kemikleşme merkezinin gelişimi ve son olarak eklem kıkırdağı ile epifiz plağının oluşumu.

Kemik Modelleme ve Yeniden Şekillenme (Remodeling)

Kemik modellemesi, mekanik kuvvetlere yanıt olarak kemiğin genel şeklinin değişmesi ve dış etkilere uyum sağlaması sürecidir. Bu süreçte osteblastlar ve osteoklastlar kemik yüzeylerine madde ekler veya çıkarır. Yetişkinlerde modelleme, yeniden şekillenmeye göre daha az görülür. Yeniden şekillenme (remodeling) ise yaşam boyu süren dinamik bir süreçtir. Eski kemiğin osteoklastlarca yıkıldığı (rezorpsiyon) ve yerine osteoblastlarca yeni kemiğin yapıldığı (osteogenez) bu döngüde osteositler, makrofajlar ve T hücreleri de rol alır. Bu süreç sadece büyüme ve kırık iyileşmesinde değil, normal aktivite sırasında oluşan mikrohasarların birikmesini önlemek için de sürekli gerçekleşir.

Kemiğin Biyomekanik Özellikleri

Kemik, vücudun en sert yapılarından biri olup kırılgan ve viskoelastik bir malzemedir. Yapısındaki kalsiyum mineralleri sertlik ve yüksek basınç dayanımı sağlarken, kollajen proteinleri kemiğe sağlamlık, elastiklik ve yüksek gerilme dayanımı kazandırır. Kemik anizotropik bir malzemedir; yani mekanik özellikleri yükün uygulandığı yöne göre değişiklik gösterir. Basma kuvvetlerine karşı çok güçlü olan kemik, kesme (shear) kuvvetlerine karşı daha zayıf bir direnç gösterir. Yaşlanma ile kemik daha sertleşir ancak uzayabilme kabiliyeti azalır.

Yük-Deformasyon İlişkisi ve Kırık Mekaniği

Kemiğe yük uygulandığında bir deformasyon meydana gelir. Yük ile deformasyon arasındaki ilişki elastik bölgede lineerdir; burada yük kaldırıldığında kemik eski şekline döner. Ancak akma noktası (elastik limit) aşıldığında plastik bölgeye geçilir. Plastik bölgede oluşan mikrohasarlar kalıcıdır ve yük kaldırılsa bile kemik eski formuna kavuşamaz. Kemik, elastik bölgedeki yükün yaklaşık 6 katını plastik bölgede karşılayabilir, ancak yetersizlik noktasına ulaşıldığında kırık meydana gelir. Yük-deformasyon eğrisinin elastik bölgedeki eğimi kemiğin sertliğini belirtir.

Kırık, kemiğin yük taşıma kapasitesinin aşılması sonucu oluşan yapısal bir yetersizliktir. Kemiğin mukavemeti yaşa ve cinsiyete göre değişir. Örneğin insan femurunda eğilme direnci $160\,MPa$, torsiyon kayma mukavemeti $54.1\,MPa$ ve torsiyon elastiklik modülü $3.2\,GPa$ olarak ölçülmüştür. Kırık oluşumu sadece kuvvetin büyüklüğüyle değil, yönü ve uygulama hızıyla da ilgilidir. Kemiğe yük bindiren cismin kinetik enerjisi $E = \frac{1}{2} mv^2$ formülüyle hesaplanır. Hızdaki ($v$) küçük bir artış, enerjide büyük artışa neden olur; bu yüzden ani yüklenmelerde kemik daha fazla enerji absorbe etmek zorunda kalır ve kırılma anında bu enerji boşalarak daha fazla parçalanma ve deplasmana yol açar.

Kırık İyileşme Dönemleri

Kırık iyileşmesi birbirini izleyen üç evreden oluşur. İnflamasyon dönemi iyileşme sürecinin $\%10$'unu oluşturur; ilk 48 saatte hematom (kan birikimi) şekillenir. Tamir dönemi sürecin $\%40$'ını kapsar ve bu evrede kemikleşme için ortamda yeterli oksijen bulunması şarttır; aksi halde kaynama gecikir. Yeniden şekillenme (remodelizasyon) dönemi ise sürecin $\%70$'ini kapsayan en uzun evredir ve ortalama 1 yıl sürer. Bu dönemde iyileşen bölge lameller kemiğe dönüşür. İyileşmede mekanik faktörler, kan dolaşımı, endokrin durum ve biyoelektrik etkiler hayati önem taşır.

Kemiğin Fiziksel Yapısı ve Enerji Değişimleri

Kemiğin üçte biri ($1/3$) organik, üçte ikisi ($2/3$) ise inorganik maddelerden oluşur. İnorganik kısım esas olarak hidroksiapatit kristallerinden (kalsiyum ve fosfat tuzu), organik kısım ise kolajen liflerden oluşur. Kemik bir amorf katıdır, yani saf kristal değildir. Kemiğin sıkışma dayanıklılığı granit kadar yüksekken, germe dayanıklılığı çeliğin yaklaşık dörtte biri ($1/4$) kadardır. Kıkırdak ve kemik, içlerinde gömülü sinir ve damarlar bulundurduğu için heterojen katılar olarak sınıflandırılır.

Bazı kristal katıların fiziksel özellikleri şu şekildedir: Oksijenin erime noktası $-218.8\,^\circ C$ ve erime ısısı $0.106\,kCal/mol$ iken, Sodyum Klorürün erime noktası $800.0\,^\circ C$ ve erime ısısı $7.220\,kCal/mol$'dür. Kuvarts ($SiO_2$) ise $1470.0\,^\circ C$'de erir ve erime ısısı $3.400\,kCal/mol$ olarak belirlenmiştir.

Wolff Yasası ve Piezoelektrik Özellikler

Wolff Yasası'na göre kemik, üzerine uygulanan mekanik etkilere direnç gösterecek şekilde farklı büyümelerle cevap verir; yani basınç olan bölgelerde kemik gelişirken, basınç olmayan bölgelerde erime (rezorpsiyon) gözlenir. Bu süreçte piezoelektrik olayı etkilidir. Kemik üzerine yük bindiğinde elektriksel kutuplaşma meydana gelir; zorlanan (basınç altındaki) taraf negatif yüklenir. Bu negatif yüklenme kemik yapımını ve iyileşme sürecini uyarır. Günümüzde doğru akım ($DC$) uygulamasının kemik iyileşmesini hızlandırdığı bilinmektedir.

Kemiğin diğer elektriksel özellikleri arasında piroelektrik (ısı etkisiyle elektriklenme) ve ferroelektrik (spontan elektrik dipol hareketleri) özellikler bulunur. Ayrıca kemik, kolajen ve apatit arasındaki akım hareketlerinden kaynaklanan, ancak insan gözüyle görülmeyen bir ışık üretir (biyofloresans). Yapılan deneylerde (Fukada ve Yusada), taze köpek femuru yüklendiğinde uçlar arasında potansiyel fark oluştuğu ve bu etkinin hidroksiapatitten ziyade kolajen liflerinden kaynaklandığı saptanmıştır. Ayrıca elektrik alanı uygulandığında kolajen liflerinin katoda doğru yönelerek bantlar oluşturduğu, alan kaldırıldığında ise bu oluşumun gerçekleşmediği gözlenmiştir. Steinberg ve arkadaşları da oluşan elektriksel potansiyelin uygulanan kuvvetle doğru orantılı olduğunu kanıtlamışlardır.

Sorular ve Tartışma

• Soru: Kemiğin biyofloresans özelliği nedir?

• Cevap: Kemik, kolajen ve apatit arasındaki akım hareketlerine bağlı olarak ışık üretme özelliğine sahiptir; ancak bu ışık insan gözüyle algılanamaz.

• Soru: Kemiğin anizotropik olması ne anlama gelir?

• Cevap: Malzemenin mekanik özelliklerinin (dayanım, elastisite) yükün uygulandığı yöne göre değişmesi, her yönde aynı davranmamasıdır.

• Soru: Piezoelektrik etkide basınç gören taraf nasıl yüklenir?

• Cevap: Bir kemik basınç etkisinde kaldığında, zorlanan (konkav/çukur) taraf negatif yüklenir.