BÖLÜM 2 KEMİK. 2.1 Giriş

Transkript

1 BÖLÜM 2 KEMİK 2.1 Giriş İskelet sisteminin amacı iç organları korumak, kasların bağlanması için rijit bağlantı bölgeleri sağlamak, kasların ve vücudun hareket etmesini kolaylaştırmaktır. Kemik, bu görevi yerine getirmesine için eşsiz yapısal ve mekanik özelliklere sahiptir. Kemik, diş minesi ve dentinden sonra vücudun en sert yapısıdır. Vücuttaki en dinamik ve metabolik açıdan etkin dokulardan biridir ve yaşam boyu etkin kalır. Kendi kendini yenileyebilir ve mekanik etkiler karşısında özelliklerini ve biçimin değiştirebilir. Örneğin; kullanılmadığında veya çok kullanıldığında kemik yoğunluğunun değiştiği görülmektedir. Ayrıca kırık tedavisi sırasında kemiğin şeklinin değiştiği de görülebilir. Yani kemik, üzerine etki eden mekanik yüklere karşı adaptasyon gösterir. 2.2 Kemiğin Bileşimi ve Yapısı Kemik dokusu, destekleyici ve koruyucu özelliğine uygun olarak katı formda özel bir bağ dokusudur. Diğer bağlayıcı dokular gibi hücreler, organik bir hücre dışı lif matrisi ve hücrelerin oluşturduğu temel malzemeden meydana gelir. Kemiğin ayırt edici özelliği mineral tuz biçiminde yüksek miktarda inorganik malzeme içermesidir. Kemiğin inorganik bileşeni dokuyu sert ve eğilmez yaparken organik bileşen kemiğe esneklik verir. Normal insan kemiğinin inorganik ve mineral bölümü esas olarak sentetik hidroksiapatit kristaller şeklinde kalsiyum ve fosfattan oluşur. Ağırlığının %10 unu su oluştururken %60 ını oluşturan bu mineraller kemiğe katı yoğunluğunu verir. Ağırlıklı olarak Tip-1 kolajen olan organik matris geri kalan %30 unu oluşturur. Bu malzemelerin hacim açısından oranları yaklaşık %40 mineral, %25 su ve %35 kolajendir. Kemik, vücuttaki başta kalsiyum olmak üzere gerekli mineraller için bir depo görevi yapar. Kemik hücrelerine ev sahipliği yapan ve besinleri kemik dokusuna taşıyan kanal ve boşluklarda az miktarda su bulunmasına rağmen kemikteki suyun çoğu organik matriste, kolajen liflerin arasında ve kemik kristallerini saran kabukta bulunur. Kemik minerali, çeşitli yönlerde dizilmiş olan kolajen liflerin (%90 ağırlıkta Tip-1) içerisine gömülmüştür. Bu kolajen lifler gerilmeye karşı dayanıklıdır. Vücudun evrensel temel yapıtaşı olan kolajen, diğer iskelet yapıların da temel lifli bileşenidir. Mineralli kolajen liflerinin etrafındaki jelatinli temel malzeme esas olarak proteoglikan (PGs) yapısında bulunan glikozamino-glikan (GAG) denilen protein polisakaritlerden oluşur. GAGlar, mineralli kolajen lif tabakları arasında birleştirici bir malzeme görevi yapar ve hücre dışı matrisin yaklaşık %5 ini oluşturur. Mikroskobik düzeyde kemiğin temel yapı birimi osteon veya havers sistemidir (Şekil 2-1). Her osteonun merkezinde kan damarı ve sinir lifleri içeren küçük bir kanal (havers kanalı) vardır. Osteon, merkez kanalın etrafındaki mineralli matrisin iç içe tabakalar şeklinde dizilmesinden oluşur. Tabaka sınırları boyunca küçük boşluklar bulunur ve bu boşluklarda kemik hücreleri (osteosit) yer alır (Şekil 2-1C). 9

2 ŞEKİL 2-1 A. Kemik yapısının şematik gösterimi. B. Havers kanalını çevreleyen tabakalı yapı. C. Tabaka sınırları arasındaki boşluk ve osteosit (kemik hücresi). Osteon içindeki kolajen lifler arasındaki çapraz bağlar sayesinde kemiğin mekanik gerilmeye karşı direncini oldukça artırmaktadır. Bir osteon yaklaşık 200 mikrometre çapındadır. Uzun kemiklerde osteonlar genellikle boydan boya giderler ancak genellikle dallara ayrılıp birbirlerine bağlanırlar. Bu osteon ağı sayesinde osteositler zorlanmaları algılarlar ve birbirlerine sinyal göndererek kemiğin yeniden yapılanmasına olanak sağlarlar. Makroskobik düzeyde, bütün kemikler iki tür kemik dokusunda oluşur: kortikal kemik ve gözenekli kemik (Şekil 2-2). Kortikal kemik dış kabuğu (korteks) oluşturur ve fildişine benzeyen yoğun bir yapıya sahiptir. Bu kabuğun içindeki gözenekli kemik yumuşak dokulu bir yapıdadır ve gözenekler arasındaki boşluk kırmızı ilikle dolar. Gözenekli kemik dokusu da içi içe tabalar şeklinde dizilmiştir ancak havers kanalları bulunmaz. Kemik hücreleri, kırmızı ilik içinden geçen kan damarlarından beslenirler. Kortikal kemik daima gözenekli kemiği sarar ancak her kemikte homojen olmayan kalınlıktadır. Mikroskobik düzeyde ise kemik iki şekilde bulunur: örgülü ve tabakalı kemik. Örgülü kemik olgunlaşmamış kemiktir ve embriyo, yeni doğan vs. kemiklerde görülür. Tabakalı kemik doğumdan bir ay sonra oluşmaya başlar ve etkin bir şekilde örgülü kemiğin yerini alır, bu da kemiğin daha olgun olması anlamına gelir. ŞEKİL 2-2 Üst femur kemiğinin kesit görünüşü. Dışarıda kortikal kemiğin örttüğü gözenekli kemik dokusu. 10

3 Bütün kemikler periosteum diye adlandırılan yoğun bir lifli zarla kaplıdır (Şekil 2-1A). Volkmann kanalları aracılığıyla kortekse geçen sinir lifleri ve kan damarları, dış periosteal tabakanın içine işler ve havers kanallarını bağlayıp gözenekli kemiğe ulaşır. İçerideki kemik yapıcı tabaka, büyüme ve onarım sırasında yeni kemik üretiminden sorumlu kemik hücrelerini içerir (osteoblast). Periosteum, eklem kıkırdağıyla kaplı olan eklem yüzeyleri hariç bütün kemiği kaplar. 2.3 Kemiğin Biyomekanik Özellikleri Biyomekanik olarak kemik dokusu mineral ve kolajen olmak üzere iki fazlı kompozit bir malzeme olarak kabul edilebilir. İşlevsel olarak kemiğin en önemli mekanik özellikleri; dayanımı, sertliği ve tokluğudur. Kemiğin bunun gibi özelliklerini anlamanın en iyi yolu, dışarıdan uygulanacak yükler altındaki davranışını incelemektir. Bir cisme bilinen bir yönde yük uygulandığında, cisim üzerinde meydana gelen deformasyon ölçülebilir ve kuvvetdeformasyon eğrisi üzerinde gösterilebilir. Mukavemet, rijitlik gibi mekanik özellikler, bu eğriyi inceleyerek belirlenebilir. Kemiğin mineral bileşenin kemiğe mukavemet ve rijitlik verse de, esas olarak tokluk ve akma sonrası özelliklerinin kaynağı Tip-1 kolajendir. Yapılan araştırmalar Tip-1 kolajenin, çatlak oluşumunu engellemekte başlıca madde olduğunu göstermektedir. Gerilme-zorlama eğrisinin altında kalan alan olarak tanımlanabilecek kemiğin tokluğu belirleyen en önemli faktör Tip-1 kolajendir (Şekil 2-3A). Uzun bir kemik gibi oldukça lifli bir yapı için varsayıma dayalı bir yük-deformasyon eğrisi Şekil 2.3B de gösterilmiştir. Eğrinin ilk bölümü olan elastik bölge, yapının elastikliğini yani yük kaldırıldıktan sonra orijinal şekline dönme kapasitesini göstermektedir. Yükleme devam ederken yapının en dıştaki lifleri akmaya başlar. Bu akma noktası, yapının elastik sınırını belirtmektedir. Yükleme bu sınırı aştığında yapı plastik davranışı sergiler ve bu da plastik bölge olarak eğrinin ikinci bölümünü göstermektedir. Yükleme kaldırıldığında yapı artık kendi orijinal boyutuna dönmeyecektir ve kalıcı deformasyonlar meydana gelecektir. Yükleme gittikçe artarsa yapı belli bir noktada hasara uğrayacaktır. Bu nokta eğri üzerinde en yüksek hasar noktası olarak belirtilmektedir. ŞEKİL 2-3 A. Kortikal kemik numunesinin gerilme-zorlama eğrisi. B. Lifli, kompozit bir malzemeye ait yükdeformasyon eğrisi. 11

4 Yükleme-bozulma eğrisinde bir yapının dayanımını belirleyen üç parametre vardır: (1) yapının hasardan önce dayanabileceği yük (2) yapının hasardan önce dayanabileceği deformasyon (3) yapının hasardan önce depolayabileceği enerji. Yük veya deformasyon bakımından mukavemet, eğrideki en yüksek hasar noktası olarak tanımlanır. Enerji depolama bakımından ise mukavemet, tüm eğrinin altında kalan alan olarak tanımlanır. Yapının rijitliği, eğrinin elastik bölgedeki eğimidir yani eğri ne kadar dik ise rijitlik o kadar yüksektir. Yük-deformasyon eğrisi ile kemiğin mekanik özellikleri anlaşılır ve böylece kemiğin kırılma davranışı, iyileşmesi, gerilmeye karşı verdiği tepki ve çeşitli tedavi seçeneklerinin etkisini incelemek için oldukça faydalı veriler sağlar Kemik malzemesi Kemik malzemesinin özelliklerini belirlemek için standartlaştırılmış testler yapmak gerekir. Standart testler sayesinde iki veya daha fazla malzemenin mekanik özelliklerinin karşılaştırılması için oldukça yararlıdır. Standart numunelerin kullanılmasıyla daha kesin ölçümler yapılır yani numunenin birim alanı başına düşen yük (gerilme) ve numunenin boyutundaki değişim yüzdesi (zorlama) olarak deformasyon miktarı kesin bir doğrulukta belirlenir. Kemik için gerilme ve zorlama değerleri, standart bir kemik numunesi test edilerek elde edilebilir ve bu değerler ile kemik numunesine ait gerilme-zorlama grafiği çizilebilir (Şekil 2-3A). Bu eğrideki bölgeler yük-deformasyon eğrisi üzerindeki bölgelere benzemektedir. Elastik bölgedeki yüklemeler kalıcı hasara sebep olmaz ancak akma noktasının aşılması halinde bazı hasarlar kalıcı olur. Daha önce de bahsedildiği gibi enerji depolanması açısından malzemenin mukavemetine tokluk modülü denilir ve bütün eğrinin altında kalan alan ile gösterilir (Şekil 2-3B). İki kemik tipinin mekanik özellikleri birbirinden farklıdır. Kortikal kemik, süngerimsi kemikten daha rijittir ve hasardan önce daha yüksek gerilmeye fakat daha düşük zorlamaya dayanır. Deneysel çalışmalarda süngerimsi kemik akma sınırından önce %50 ye kadar zorlamaya maruz kalabilir ancak kortikal kemik için zorlama değeri %1.5 ten %2.0 ye çıktığında çatlar ve kırılır. Gözenekli yapısından dolayı süngerimsi kemik büyük bir enerji depolama kapasitesine sahiptir. İki kemik arasındaki fiziksel fark kemiğin yoğunluğu ile ölçülür. Şekil 2-4 benzer şartlar altında test edilen farklı kemik yoğunluklarına sahip kortikal ve trabeküler kemiğin tipik gerilmezorlama grafiğini göstermektedir. ŞEKİL 2-4 Farklı yoğunluktaki kortikal ve süngerimsi kemik dokuları için gerilme-zorlama eğrisi örneği 12

5 Lineer elastik malzemeler ile karşılaştırıldığında kemik dokusu için elde edilen gerilmezorlama eğrisinin elastik bölgesi düz değil hafifçe kıvrılan bir eğri şeklindedir (Şekil 2-5). Yani kemik lineer elastik davranış sergilemez. Tablo 2.1 karşılaştırma için seçilen malzemelerin mekanik özelliklerini göstermektedir. Hasar öncesindeki deformasyonların miktarına bağlı olarak malzemeler kırılgan ve esnek olarak sınıflandırılır. Cam tipik bir kırılgan malzemedir ve yumuşak metal tipik bir esnek malzemedir. Cam malzemede, akma sınırından hemen sonra hasar meydana gelir. Metal ise hasardan önce uzun bir deformasyon sergiler. Kemik de hasardan önce deformasyon gösterir ancak metal kadar uzun değildir. Kemikte kırılma, birleşme çizgileri ve mikro-çatlaklardaki osteonların ayrılmasıyla meydana gelir. ŞEKİL 2-5 Üç farklı malzemenin şematik gerilme-zorlama eğrileri TABLO 2-1 Bazı Biyomalzemelerin Mekanik Özellikleri Maksimum Elastik Modül Dayanım (MPa) (GPa) Metaller Co-Cr alaşımı Döküm Dövme Paslanmaz çelik Titanyum Uzama (%) Polimerler Kemik çimentosu Seramikler Alümina <2 Biyolojik Malzemeler Kortikal kemik Süngerimsi kemik Tendon, bağ Kemiğin biyomekanik davranışı Kemiğin mekanik davranışını (kuvvet ve momentler etkisindeki davranışı), mekanik özellikleri, geometrik özellikleri, uygulanan yükleme modu, yükün yönü, yükleme hızı ve yükleme frekansı belirler. 13

6 Anizotropi Kemik tıpkı ağaç gibi tabakalar halinde halkalara sahiptir ve bu nedenle anizotropik bir şekilde davranır. Bunun anlamı, farklı eksenlerde yüklendiğinde farklı mekanik özellikler gösterir çünkü yapısı, boyuna ve enine yönde farklıdır. Buna karşın, metal gibi izotropik malzemeler herhangi bir yönde yüklendiğinde aynı özelliklere sahiptir. Şekil 2-6, dört yönde test edilen insan uyluk kemiği gövdesinden elde edilen kortikal kemik numunelerinin mukavemet ve rijitliklerindeki farklılıkları göstermektedir. Her iki parametrenin değerleri de boyuna yönde yüklenen numuneler için en yüksek değerlerdedir. Şekil 2-4, basma ve çekme olmak üzere iki yönde test edilen süngerimsi kemiğin mukavemetini ve rijitliğini göstermektedir. Süngerimsi kemik, kortikal kemiğin yaklaşık %25 i kadar yoğunluğa, %5 - %10 arası rijitliğe sahiptir ve kortikal kemikten beş kat daha az kırılgandır. ŞEKİL 2-6 Dört yönde çekme testi yapılan kortikal kemik dokusu numunelerinin anizotropik davranışı Farklı yükleme modlarında kemiğin davranışı Bir yapıya farklı yönlerde kuvvet ve moment uygulanarak çekme, basma, eğilme, kesme, burulma ve birleşik yükleme elde edilebilir. Vücut içerisinde kemik bütün bu modalara maruz kalmaktadır Çekme Çekme sırasında yapının yüzeyinden dışarı doğru eşit ve zıt yönde yükler uygulanır ve yapının içerisinde çekme gerilmesi ve zorlaması meydana gelir. Yükün uygulandığı düzleme dik doğrultuda maksimum çekme gerilmesi oluşur. Çekme sırasında yapı uzar ve daralır. Klinik açıdan çekme kuvvetlerinin oluşturduğu kırıklar genellikle büyük oranda süngerimsi kemiğe sahip kemiklerde görülür. Buna örnek Şekil 2-7A da, topuk kemiğinin süngerimsi dokusundan geçen bir çekme gerilmesi kırığı görülmektedir. Burada triceps kasındaki aşırı gerilme, kemik üzerinde anormal çekme kuvveti oluşturmuştur Basma Basma yükü esnasında, yapının yüzeyine doğru eşit ve ters yüklemeler uygulanırken yapının içinde basma gerilmesi ve zorlaması meydana gelir. Yükün uygulandığı düzleme dik doğrultuda maksimum basma gerilmesi oluşur. Basma sırasında yapı kısalır ve genişler. Klinik açıdan, basma kırıkları genellikle yüksek basma yüküne maruz kalan omurlarda meydana gelir. 14

7 Bu kırıklar çoğu zaman osteoporotik kemik dokusuna sahip olan yaşlılarda görülür. Şekil 2-7B yüksek basma yüküne maruz bırakılan bir insan omurunda meydana gelen kısalma ve genişlemeyi göstermektedir. Bir eklemde hasara neden olan basma yükü, etrafındaki kasların anormal kasılmaları nedeniyle meydana gelebilir. Bunun bir örneği Şekil 2-7C de gösterilmektedir: elektroşok tedavisi gören bir hastada femur boyun kırığı meydana gelmiştir. Burada kalça eklemi çevresindeki kasların güçlü kasılmaları, asetabuluma karşı femur başında basma yüküne neden olmuştur. ŞEKİL 2-7 A. Topuk kemiği süngerimsi dokusu boyunca meydana gelen çekme kırığı B. L1 omurunda meydana gelen basma kırığı. C. Uyluk boynunda meydana gelen basma kırığı Kesme Kesme yükü sırasında yapının yüzeyine paralel bir yük uygulanır ve yapının içinde kayma gerilmesi ve zorlaması ortaya çıkar. Kesme yüküne maruz kalan bir yapı iç kısmı açısal bir şekilde deforme olur. Ne zaman bir yapı çekme veya basma yüküne maruz kalsa, kayma gerilmesi ortaya çıkar. Klinik açıdan, kayma kırıkları en çok süngerimsi kemikte görülür. Uygulanan kuvvetin açısı 45 ye eşit olduğunda kayma gerilmesi en büyük değeri alır ve maksimum normal gerilmenin yarısı büyüklüğündedir Eğilme Eğilmede yükler, bir yapının bir eksen etrafında eğilmesine sebep olacak şekilde uygulanır. Bir kemik eğilme ile yüklendiğinde basma ve çekmenin bir bileşimine maruz kalır. Çekme gerilmesi ve zorlaması nötr eksenin bir tarafında ve basma gerilmesi ve zorlaması ise diğer tarafında etki eder (Şekil 2-8A). Nötr eksen boyunca gerilme ve zorlama yoktur. Gerilmelerin büyüklüğü kemiğin nötr eksenine olan uzaklıklarıyla orantılıdır. Gerilmeler nötr eksenden ne kadar uzak olursa büyüklükleri o kadar yüksek olur. Bir kemiğin yapısı asimetrik olduğu için gerilimler eşit bir şekilde dağılmayabilir. Eğilme, üç kuvvetle (üç nokta eğme) veya dört kuvvetle (dört nokta eğme) meydana gelebilir (Şekil 2-8B). Özellikle uzun kemiklerdeki her iki tür eğilmenin oluşturduğu kırıklar klinik açıdan gözlemlenir. Kayakçıların sorun yaşadığı bot üstü kırılması tipik bir üç nokta eğme kırılmasıdır. Şekil 2-8C de gösterildiği gibi bu tür kırılmada, kayakçı kayak botunun üstüne doğru düştüğü için tibia nın üst kısmına bir eğilme momenti etki eder. Sabit ayak ve kayak ise eşit bir moment oluşturarak tibia nın alt kısmına 15

8 etki eder. Üst tibia nın öne doğru eğilmesiyle, kemiğin arka kısmında çekme gerilmeleri ve zorlamaları meydana gelirken ön kısmında ise basma gerilmeleri ve zorlamaları meydana gelir. Botun hemen üstünden tibia ve fibula kemikleri kırılmıştır. İki kuvvet çifti bir yapı üzerinde iki eşit moment meydana getirdiğinde dört nokta eğme oluşur. Yapı üzerine aynı büyüklükte fakat zıt yönde kuvvet etki ettiğinde kuvvet çifti oluşur. İki kuvvet çifti arasındaki bölgede eğilme momentinin büyüklüğü aynı olduğundan yapı en zayıf noktasından kırılır (Şekil 2-8D). ŞEKİL 2-8 A. Eğilmeye maruz kemik kesiti. B. Eğilme tipleri. C. Üç nokta eğmenin oluşturduğu kayak botu kırığı. D. Dört nokta eğmenin oluşturduğu uyluk kemiği kırılması Burulma Burulmada yük, yapının bir eksen etrafında burulmasını sağlayacak bir şekilde uygulanır ve yapıda burulma momenti meydana gelir. Bir yapı burulma ile yüklendiğinde kayma gerilmesi bütün yapı üzerinde oluşur. Eğilmede olduğu gibi bu gerilmelerin büyüklüğü nötr eksene olan uzaklıklarıyla orantılıdır (Şekil 2-9A). Gerilmeler nötr eksenden ne kadar uzak olursa büyüklükleri o kadar yüksek olur. Burulma ile yüklenen kemikteki kırığın şekli, kemiğin önce kayma nedeniyle hasara uğradığını gösterir çünkü ilk çatlak kemiğin nötr eksenine paraleldir. İkinci bir çatlak genellikle maksimum çekme gerilme düzlemi boyunca meydana gelir. Bunun gibi bir kırık, köpek femuru ile yapılan burulma deneyi sonucunda Şekil 2-9B de görülmektedir. ŞEKİL 2-9 A. Burulmaya maruz bir silindirin kesiti. B. Köpek femur kemiğinde burulma kırılması 16

9 Bileşik yükleme Her yükleme biçimi ayrı olarak düşünülse de vücut içerisinde kemik nadiren yalnız tek bir yüke maruz kalır. Vücut içerisinde kemiğin maruz kaldığı yükler iki nedenden dolayı karmaşıktır: kemikler sürekli belirsiz yüklere maruz kalır ve geometrik yapıları düzensizdir. Normal ve hızlı yürüme esnasında yetişkin bir insan kaval kemiğinin ön-orta yüzeyindeki zorlamaların vücut içerisinde ölçümü, bu sıradan fizyolojik etkinlikler sırasında meydana gelen yüklerin karmaşıklığını göstermektedir. Carter ın bu zorlanma ölçümlerinden hesaplanan gerilme şekilleri, normal yürümenin topuk basma aşamasında basma gerilmesi, duruş aşamasında çekme gerilmesi ve kalkış aşamasında tekrar basma gerilmesi şeklinde olduğunu göstermiştir (Şekil 2-10). Kayma gerilimi değerleri, yürüyüş çevriminin sonraki aşamalarında nispeten yüksektir ve bu durum burulma gerilmesinin oluştuğu anlamına gelir. Bunun nedeni duruş ve kalkış aşamalarında kaval kemiğinde dışa-dönme hareketi oluşmasıdır. Koşu esnasında gerilim durumu oldukça farklılık gösterir (Şekil 2-10B). Topuk basma aşamasında etkin olan basma gerilmesini, kalkış aşamasında meydana gelen yüksek çekme gerilmesi takip eder. Hareket boyunca kayma gerilmesi düşüktür yani içe ve dışa dönme hareketleri nedeniyle oluşan burulma yükü minimum seviyededir. ŞEKİL 2-10 A. Yürüyüş B. Koşu sırasında kaval kemiğinin ön-yan kısmında meydana gelen gerilmeler Kırık Anizotropik özelliklerinden dolayı kortikal kemik, basma, çekme ve kayma yükleri altında farklı maksimum gerilme değerleri gösterir. Tablo 2-2 de gösterildiği gibi kortikal kemiğin, basma dayanımı (yaklaşık 190 MPa) çekme dayanımından (yaklaşık 130 MPa) daha büyüktür ve çekme dayanımı da kayma dayanımından (yaklaşık 70 MPa) daha büyüktür. Tablo 2-3 de gösterildiği gibi elastisitesi (Young modülü) boyuna yükleme için yaklaşık MPa ve enine yükleme için yaklaşık MPa dır. İnsandaki süngerimsi kemik mukavemet değerleri basma için yaklaşık 50 MPa ve çekme için yaklaşık 8 MPa dır. Süngerimsi kemiğin elastisite modülü 17

10 düşüktür (0-400 MPa) ve yoğunluk ile yükün yönüne bağlıdır. Klinik biyomekanik şu sonuca varmıştır: basma hasarının yönü genellikle kararlı bir kırıkla sonuçlanırken, çekme veya kayma sonucu oluşan kırık yıkıcı sonuçlar doğurabilir. TABLO 2-2 Kortikal kemiğin ortalama anizotropik ve maksimum gerilme özellikleri Boyuna (MPa) Çekme Basma Enine (MPa) Çekme 51 Basma 133 Kayma (MPa) 68 TABLO 2-3 Kortikal kemiğin ortalama anizotropik ve elastik özellikleri Boyuna Modül (MPa) Enine Modül (MPa) Kayma Modülü (MPa) Kemikteki zorlama hızına bağlılık: Viskoelastisite Kemiğin biyomekanik davranışı hangi hızda yüklendiğine göre değişir çünkü kemik viskoelastik bir maddedir. Daha yüksek hızda yükleme yapıldığında kemik daha rijitleşir ve hasar oluşana kadar daha yüksek yüke dayanabilir. Günlük aktiviteler sırasında vücut içerisinde meydana zorlama büyük ölçüde değişkenlik gösterir. Yavaş yürüyüş için hesaplanan zorlama hızı saniyede iken yavaş koşudaki zorlama hızı saniyede 0.03 ü gösterir. Genel olarak daha ağır aktiviteler olduğunda zorlama hızı artar. Şekil 2-11 de kortikal kemiğinin çekme testinde farklı fizyolojik zorlama hızları gösterilmiştir. Görüldüğü gibi, zorlama hızındaki aynı miktardaki değişim maksimum gerilmede (mukavemette), elastisitedekinden (Young modülünden) daha büyük bir değişiklik meydana getirir. Yapılan çalışmalar tempolu yürüyüşün kemiği yavaş yürüyüşe göre %30 daha fazla güçlendirdiğini göstermektedir. ŞEKİL 2-11 Kortikal kemiğin zorlanma hızıyla ilişkisi 18

11 Yükleme hızı klinik açıdan önemlidir çünkü yükleme hızı, hem kırılma şeklini hem de kırıktaki yumuşak doku zedelenme miktarını etkiler. Bir kemik kırıldığında depolanan enerji açığa çıkar. Düşük yükleme hızında enerji tek bir çatlak oluşturarak açığa çıkabilir ve kemik ile yumuşak doku nispeten sağlam kalabilir. Fakat yüksek yükleme hızında depolanan büyük enerji tek bir çatlak ile çıkamaz ve kemik parçalanarak büyük yumuşak doku zedelenmesi meydana gelir. Klinik açıdan kemik kırıkları, kırığın enerjisinden çıkan miktara bağlı olarak üç genel kategoriye ayrılır: düşük enerjili, yüksek enerjili ve çok yüksek enerjili. Düşük enerjili kırığa örnek olarak basit burulma nedenli kayak kırığı gösterilebilir. Yüksek enerjili kırık genellikle otomobil kazalarında meydana gelir ve çok yüksek enerjili kırık ise silah atışındaki çıkış hızından meydana gelir Kas hareketinin, kemikteki gerilme dağılımına etkisi Kemiğe yük uygulandığında kemiğe bağlı kasların kasılmasıyla kemikteki gerilme dağılımı değişir. Kasların kasılmasıyla oluşan basma gerilmeleri, kemikteki çekme gerilmesini azaltır ya da tamamen ortadan kaldırır. Kas kasılmasının etkisi, kaval kemiğinde üç nokta eğme ile gösterilebilir. Kayakçının öne düşmesiyle kaval kemiğinde oluşan eğilme momenti, kemiğin arka kısmında yüksek çekme gerilmesi ve ön kısmında yüksek basma gerilmesi oluşturur (Şekil 2-12A). Triceps kaslarının etkisiyle arka kısımda basma gerilmesi oluşarak bu yüksek çekme gerilmeleri etkisizleştirilir. Bu kasın kasılması kaval kemiğinin ön kısmında yüksek basma gerilmesi oluşturabilir. Yetişkin kemik genellikle bu gerilmeye dayanır fakat gelişmemiş kemik güçsüzdür ve hasar oluşabilir. Kas kasılması kalça ekleminde de benzer bir etki meydana getirir (Şekil 2-12B). Hareket esnasında femur boynuna eğilme momentleri uygulanır ve üst kabukta çekme gerilmeleri meydana gelir. Gluteus medius kasının kasılmasıyla basma gerilmesi oluşarak bu çekme gerilmelerinin etkisizleştirilir. ŞEKİL 2-12 A1. Üç nokta eğme sonucu tibia daki çekme ve basma gerilmelerinin dağılımı. A2. Arka kısımda triceps kasının ürettiği yüksek basma gerilmeleri. B1. Eğilme durumunda femur boynundaki gerilme dağılımı. B.2 Gluteus medius kasının yüksek çekme gerilmelerini etkisizleştirmesi Tekrarlı yüklemede kemiğin yorulması Kemikteki kırıklar, tek bir yük altında kemiğin en yüksek mukavemet sınırının aşılmasıyla veya daha düşük büyüklükteki bir yükün tekrarlı uygulanmasıyla meydana gelir. Tekrarlı yük 19

12 uygulanmasıyla meydana gelen kırığa yorulma kırığı denir. Yorulma kırığı iki ana alt kategoride ayrılır: Yorulma-tipi gerilme kırığı, normal kemikte, aşırı yükleme neticesinde görülürken yetersizlik tipi kırıklar, normal yüklemede görülür ve genellikle osteoporoz (kemik erimesi) ve osteomalasi (kemik yumuşaması) nedeniyle oluşur yani daha çok yaşlılarda görülür. Bu iki tip gerilme kırığının her biri kendi içinde yine iki alt gruba ayrılır: çekme ve basma tipi yorulma kırıkları. Bunların en tehlikelisi osteonlardaki lif ayrılması neticesi oluşan çekme kırıklarıdır ve enine çatlak şeklinde görülür. Basma kırıklarında ise eğik çatlak oluşur ve kemiğin bölmelerini ayırır. Basma kırıkları daha yavaş oluşur ve genellikle kendi kendine iyileşir. Kemik, tekrarlı düşük yüklere tabi tutulduğunda mikro-çatlaklara dayanabilir. Ayrıca kemik üzerinde yapılan deneysel çalışmalar; uygulanan yük veya deformasyon kemiğin akma sınırına yaklaştığında kemiğin hızla yorulmaya uğradığını göstermektedir. Şekil 2-13; kemiğin hacmini ve kütlesini onarırken yükün yoğunluğu ve tekrar sayısıyla olan ilişkisini göstermektedir. Yükleme yoğunluğu/tekrar sayısı eğrisinin üstündeki herhangi bir nokta doku gelişimini arttırırken (ancak kırılma riskini de arttırır), altındaki bir nokta ise doku kaybını tetikler. Canlı kemiğe tekrarlı yük etki ettiğinde yorulma olayı yalnızca yük ve tekrar sayısından değil aynı zamanda yükün belirli bir sürede uygulanma sayısında (yükün frekansı) da etkilenir. Canlı kemik kendi kendisini onardığından dolayı yorulma hızı, onarım hızını geçtiğinde yorulma kırığı meydana gelebilir yani yükün frekansı çok sıksa bu durum hasarı önlemek için gereken onarımı imkânsız hale getirir. ŞEKİL 2-13 Yorulma yalnızca yük ve tekrar sayısından değil aynı zamanda yükün frekansından da etkilenir. Uzun süreli ağır fiziksel aktiviteler neticesinde görülen kas yorulması, kasın etkin olarak kasılamamasına yol açar ve bu durum da yorulma kırığına neden olabilir. Sonuç olarak daha az enerji depolayabilirler ve kemiğin maruz kaldığı gerilmeleri etkisizleştiremez hale gelir. Kemikteki gerilme dağılımındaki değişim, anormal yüklere yol açar ve bu da kırılma hasarını hızlandırır. Basma durumundaki yorulma direnci, çekme durumuna göre daha büyüktür. 20

13 Deneysel olarak yaklaşık 5000 yük tekrar sayısı, 10 mil koşma sırasında atılan adımların sayısına eşittir. 1 milyon çevrim ise yaklaşık 1000 mile karşılık gelir. Toplam 1000 milden daha az bir mesafe, kortikal kemik dokusunda kırığa neden olabilir Kemiğin yeniden yapılanması Kemik, maruz kaldığı mekanik etkiler karşısında boyutunu, şeklini ve yapısını değiştirerek yeniden yapılanma kabiliyetine sahiptir. Maruz kaldığı gerilmeye karşı süngerimsi ve/veya kortikal kemik dokusunun gelişmesi ya da zayıflaması olayı Wolff s kanunu ile özetlenmiştir. İskelet üzerindeki yükler ya kas hareketleri sonucu ya da yer çekimi nedeniyle oluşur. Kemiğin kütlesi ile vücut ağırlığı arasında bir ilişki söz konusudur. Vücut ağırlığı az ise kemiğin kütlesi de azdır. Örneğin uzay yürüyüşüne çıkan birinin kemiklerine daha az yük geleceğinden kemik kütlesi azalır. Kullanmama veya hareketsizlik iskelet üzerinde zararlı etkiler gösterir. Yatak istirahati bir kemik kütlesinde haftada yaklaşık %1 lik azalmaya sebep olur. Kısmi veya tamamen hareketsizlik durumunda kemik olağan mekanik gerilmelere maruz kalmaz bu da periosteal ve periosteal altı kemiğin zayıflamasına ve kemiğin mekanik özelliklerinin (mukavemet, rijitlik vs.) azalmasına yol açar. Mikro hasarlar, kemiğin yeniden yapılanmasının önemli bir parçasıdır. Çünkü kemiğin hangi bölgelerde zayıflama gösterdiğini yani yeniden yapılanmaya ihtiyaç duyduğunu tanımlayan iki önemli olaya neden olurlar. Birincisi kemik hücresi ölümüdür ve diğeri ise kolajen çapraz bağlarının azalmasıdır Kemik geometrisinin, biyomekanik davranışına etkisi Bir kemiğin geometrisi büyük ölçüde mekanik davranışını etkiler. Çekme ve basmada hasara yol açan yük ve rijitlik, kemiğin kesit alanıyla orantılıdır. Alan ne kadar büyükse, kemik o kadar güçlü ve rijittir. Eğilmede, hem kesit alanı ve hem de dönme ekseni etrafındaki kemik dokusunun dağılımı, kemiğin mekanik davranışını etkiler. Bu iki faktör eğilmede alan atalet momenti adı altında dikkate alınır. Daha büyük bir atalet momenti, daha güçlü ve rijit bir kemik anlamına gelir. Bir kemiğin uzunluğu onun eğilme dayanımını ve rijitliğini etkiler. Daha uzun uzun kemikte, uygulanan kuvvet daha büyük bir eğilme momentine neden olur. Boylarından dolayı uzun kemikler yüksek eğilme momentlerine maruz kalırlar ancak tüp şeklindeki yapıları onlara bu momentlere direnebilme kabiliyeti vermektedir. Yine bu kemiklerde kemik dokusunun büyük bir kısmı dönme ekseni dışında olduğundan atalet momentleri de yüksektir. Ayrıca kemiğin yeniden yapılanması sırasında kortikal kemiğin kalınlaşması da atalet momentini arttırır. Burulmada, kemiğin mukavemetini ve rijitliğini etkileyen faktörler eğilmedekilerle aynıdır: kesit alanı ve kemik dokusunun dönme ekseni etrafında dağılması. Burulma yükünde bu iki faktör, polar atalet momenti ile hesaba katılır. Daha büyük polar atalet momenti kemiği daha güçlü ve rijt yapar. Şekil 2-14 te burulmaya maruz bir kaval kemiğinin alt ve üst kısımlarının enine kesitleri gösterilmiştir. Üst kesitin kemik alanı alta göre daha düşük olmasına rağmen çok daha yüksek polar atalet momentine sahiptir çünkü kemik dokusunun büyük bir kısmı dönme 21

14 merkezinden daha uzak bir mesafededir. Alt kesit daha fazla kemik alanına sahip olmasına rağmen çok daha yüksek kayma gerilmesine maruz kalır çünkü kemik dokusunun büyük bölümü dönme merkezine daha yakındır. Kayma gerilmesinin büyüklüğü alt kesitte, üst kesitin yaklaşık olarak iki katıdır. Bu nedenle kaval kemiğindeki burulma kırıkları genellikle alt kısımda meydana gelir. ŞEKİL 2-14 Burulmaya maruz kaval kemiğinin iki kesitindeki kayma gerilme dağılımı. 2.4 Cerrahi Etkiler Bazı cerrahi işlemler kusurlar üreterek özellikle de burulmaya karşı kemiği çok zayıflatır. Bu kusurlar iki kategoriye ayrılır: kemiğin çapından daha kısa boylu olanlar (gerilme arttırıcılar) ve kemiğin çapından daha uzun boyda olanlar (açık bölüm kusurları) Gerilme arttırıcılar Cerrahi olarak kemikten bir parça çıkarıldığında veya bir vida bağlandığında bir gerilme artışı meydana gelir. Kemiğin dayanımı azalır çünkü yükleme sırasında meydana gelen gerilmeler tüm kemiğe yayılmak yerine kusurlu bölgede yığılır. Gerilme artışının zayıflatıcı etkisi özellikle burulma yükü altında göze çarpar, bu yükleme modunda kemik dayanımında %60 azalma meydana gelir. Kemik içerisine yerleştirilen büyük implantlar, kemiğin anizotropik yapısından dolayı kırığa neden olabilir. Örneğin, ameliyat sırasında uyluk kemiği içerisine yerleştirilen temperlenmiş, çimentosuz kalça implatının sap kısmı, çevresel gerilmeler üreterek sonunda kırılmaya sebep olabilir Açık bölüm kusurları Açık bölüm kusuru; kemiğin çapından daha uzun bir kemik parçasının cerrahi olarak çıkarılmasının bir süreksizlik oluşturmasıdır. Kemiğin enine kesitinin dış yüzeyi artık sürekli olmadığından dolayı yüklere özellikle de burulmaya karşı direnme kabiliyeti değişir. Burulmaya maruz kalan normal bir kemikte kayma gerilmesi tüm kesit yüzeyine dağıtılır böylece döndürme momentine karşı koyar. Açık bölüm kusuru olan bir kemiğin ise yalnızca dış yüzeyindeki kayma gerilmeleri, uygulanan dönme momentine direnir. Kesitteki süreksizlikten dolayı kuvvetin yönü değişir (Şekil 2-15). Kemiğin iç kısmı boyunca gerilme, döndürme momentine paralel etki eder ve bu da yüke karşı koyan kemik miktarını büyük ölçüde azaltır. 22

15 ŞEKİL 2-15 Burulma yükü altındaki A. Kapalı ve B. Açık kesitte gerilme dağılımı. 2.5 Yaşlanmanın Kemikteki Bozucu Etkileri Kemik yoğunluğunun giderek azalması, normal yaşlanma olayının bir parçası olarak görülmektedir. Süngerimsi kemik boyuna düzlemde incelir ve enine düzlemde bir kısmı emilir. Sonuç olarak süngerimsi kemik dokusu miktarı azalır ve kortikal kemik dokusu incelir. Kemik kütlesi, yaş ve cinsiyet arasındaki ilişki Şekil 2-16 da gösterilmiştir. Kemik dokusundaki azalma ve kemiğin boyutundaki ufak bir azalma, kemiğin dayanımını ve rijitliğini azaltır. Kolajen çapraz bağlarında, kemik yoğunluğunda, dayanımında, rijitliğinde ve tokluğundaki azalma, kemiğin kırılganlığını artırır. ŞEKİL 2-16 Kemik kütlesi, yaş ve cinsiyet arasındaki ilişki. 23