Informatie

Hoe verandert de structuur van pezen als ze sterker worden?


Ik begrijp de basisstructuur van pezen, maar ik vraag me af hoe een pees sterker wordt door inspanning. Worden de collageenvezels meer uitgelijnd/talrijk/dicht/etc.? Wordt de pees naar verwachting dikker naarmate deze sterker wordt? Verandert de cellulaire inhoud van de pezen op de een of andere manier (bijvoorbeeld meer tenocyten of tenocyten van hogere kwaliteit)? Welke andere factoren spelen een rol bij peesversterking?


Anatomie van de knie

Jonathan Cluett, MD, is board-gecertificeerd in orthopedische chirurgie. Hij diende als assistent-teamarts van Chivas USA (Major League Soccer) en de nationale voetbalteams voor heren en dames van de Verenigde Staten.

Miho J. Tanaka, MD, is een gecertificeerde orthopedisch chirurg die gespecialiseerd is in de behandeling van sportmedische blessures.

Het kniegewricht maakt deel uit van de onderste extremiteit. Het is de kruising van de dij en het been en is een scharniergewricht. Een scharniergewricht buigt heen en weer in één vlak (in tegenstelling tot het kogelgewricht van de heup).

Het kniegewricht is vaak gewond, dus als u de anatomie begrijpt, kunt u de omstandigheden begrijpen die problemen veroorzaken, zodat u veilig en voorbereid blijft.


Hoofdstuk 32 Biologie

Beenmerg =
• In veel botten bevinden zich holtes die zacht weefsel bevatten
• Geel beenmerg bestaat voornamelijk uit cellen die vet opslaan
• Rood merg bevat stamcellen die de meeste soorten bloedcellen produceren

Compact bot =
• Onder het periosteum (taaie laag bindweefsel die het bot omringt) bevindt zich een dikke laag compact bot
• Bevat netwerken van buizen waardoor bloedvaten en zenuwen reizen

sponsachtig bot =
• Een minder dicht weefsel
• Gevonden in de uiteinden van lange botten zoals het dijbeen en in het midden van korte, platte botten zoals die in de schedel
• De kleine structuren van het sponsachtige bot zijn zo gerangschikt dat ze veel kracht kunnen dragen
• Rood beenmerg wordt gevonden in de ruimten van sponsachtig bot.
○Rood beenmerg is belangrijk voor de aanmaak van rode bloedcellen
• Geel beenmergopslagvet


Waar zijn bindweefsels van gemaakt?

Net als spieren bevatten bindweefsels veel water. Pezen bestaan ​​bijvoorbeeld voor ongeveer 55-70% uit water. Na het verwijderen van water bestaan ​​echter alle bindweefsels voor een groot deel uit collageen.

Het collageengehalte van de verschillende bindweefsels varieert slechts in geringe mate, en de meeste structuren zijn voornamelijk gemaakt van type I, III en V collageen, hoewel er veel andere typen zijn. Deze verschillende soorten collageen hebben verschillende doelen. Type I collageen vormt zich bijvoorbeeld tot fibrillen en is grotendeels verantwoordelijk voor de mechanische eigenschappen van ligamenten en pezen. Type III collageen is betrokken bij het herstel en de ontwikkeling van collageen. Type V collageen reguleert de vorming van collageenvezels. Veranderingen in de verhoudingen van de verschillende soorten collageen zullen de mechanische eigenschappen van een weefsel beïnvloeden, vanwege de verschillende rollen die elk type collageen speelt.

Naast collageen bevatten de bindweefsels een minderheidsaandeel van niet-collagene materialen, die verschillende rollen spelen. Elastine grenst aan collageenfibrillen en draagt, zoals de naam al aangeeft, bij aan het elastische gedrag van een weefsel. Fibrilline verschaft een structuur voor elastinevezels. Kleine, leucine-rijke proteoglycanen helpen bij het reguleren van collageenfibrillen. Grote proteoglycanen zijn bestand tegen drukbelastingen. Veranderingen in de inhoud van deze niet-collageenachtige materialen zouden logischerwijs een invloed hebben op de mechanische eigenschappen van een weefsel, maar dit is niet breed onderzocht.

Materiële veranderingen in pezen, ligamenten en andere structuren kunnen daarom zowel in relatie tot de inhoud op elk niveau als in relatie tot de organisatie van de structuren binnen elk niveau optreden, en dergelijke veranderingen kunnen de mechanische eigenschappen van de weefsels beïnvloeden. Op het kleinste niveau vormen tropocollageenmoleculen collageenfibrillen, en deze fibrillen zijn chemisch verknoopt door enzymatische en niet-enzymatische bindingen. Er is gesuggereerd dat een toename in de dichtheid van de collageenfibrillen of in het aantal van deze bindingen de peesstijfheid zou kunnen vergroten. Naarmate we hoger in de hiërarchie komen, worden de collageenfibrillen gegroepeerd in vezels en de vezels gegroepeerd in bundels. Zowel vezels als bundels vertonen een variërend plooipatroon (longitudinale golf), dat ook de mechanische eigenschappen van de weefsels kan beïnvloeden.


5 antwoorden 5

De limiet aan menselijke kracht ligt niet in de spieren, de spieren kunnen al meer dan genoeg kracht uitoefenen om ze van het bot te scheuren waarop ze zich bevinden. Spier, vooral menselijke spieren, oefent slechts een klein deel uit van waartoe het in staat is. Bot- en peessterkte zijn belangrijker, maar grootte en hefboomwerking zijn nog belangrijker. Meer snelle spiertrekkingen betekent een grotere onmiddellijke belasting, wat betekent dat je meer pees en een sterkere aanhechting aan het bot nodig hebt om te compenseren. Merk op dat ze ook erg snel moe worden. Je kunt een mens niet sterker maken zonder het uiterlijk van de persoon drastisch te veranderen.

het grotere frame van mannen is een groter voordeel dan pure spiermassa.

Je zou de spierrekrutering kunnen veranderen, waardoor ze sterker kunnen worden, hoewel het nog steeds de pees- en botproblemen heeft, maar het kost je fijne motoriek en een minder verlies van uithoudingsvermogen, in plaats van alleen het enorme verlies van uithoudingsvermogen dat de spierveranderingen met zich mee zullen brengen.

Het is ook vermeldenswaard dat mannen een grotere kracht in het bovenlichaam hebben, maar vrouwen hebben vaak een grotere kracht in het onderlichaam, voor dezelfde lichaamsmassa. Gemiddeld beide of lager maar dat komt meer door het verschil in lichaamsmassa tussen de seksen.

Het is mogelijk om te rommelen met de ontwikkeling en spieren van mensen om spieren sterker te maken met minder massa. Maar dan zou dezelfde behandeling ook gewoon voor mannen kunnen worden gebruikt. Er is geen eigenaardigheid van vrouwelijke biologie waarmee je spieren drastisch kunt vergroten die mannen niet hebben. Een testosteronregiment vanaf de geboorte zou vrouwen misschien evenveel kracht kunnen geven, maar het zou niet voldoen aan de criteria van 'minimaal veranderd uiterlijk'.

Ja, er zijn een paar manieren waarop u dit kunt doen. Hier zijn 3:

Zoals vermeld in uw vraag, kunnen vrouwen, afhankelijk van uw definitie van kracht, al sterker zijn. Dus uw regering zou gewoon een nieuwe culturele definitie van kracht kunnen promoten. Als kracht bijvoorbeeld wordt gedefinieerd door sporten, geeft meer dan 95% van de regels van populaire sporten mannen een voordeel, het kan een paar nieuwe sporten creëren en mensen dwingen deze te spelen.

Als uw regering vrouwen sterker wil maken met hun huidige definitie van kracht, kunt u de ontwikkeling van technologie stimuleren die vrouwen ten goede komt. Dit artikel laat bijvoorbeeld zien hoe vrouwen in het Amerikaanse leger evenveel presteerden als mannen als ze diëten en apparatuur hadden die ontworpen waren voor vrouwen in plaats van mannen. Uw regering zou voor dergelijk onderzoek publieke financiering kunnen verstrekken.

Tot slot, als uw regering geavanceerde biotechnologie zou willen gebruiken, zou ze technologie kunnen gebruiken die bij voorkeur mensen met een kleiner of lichter lichaam ten goede komt, wat het grootste biologische verschil tussen mannen en vrouwen zou zijn. In de natuur zijn kleine organismen door allometrie doorgaans sneller/sterker in verhouding tot hun grootte. Dus misschien kun je met een geavanceerde technologie je lichaam "overklokken" tot de limiet van zijn thermische dissipatie. Op dit moment kun je net zo goed zeggen dat de technologie ernstige veiligheidsproblemen heeft voor mannen. Dan kun je ook bij transgenderpatiënten bespreken hoe het werkte.

Nee. Zelfs als je de spieren van vrouwen zou vervangen door meer snelle spiervezels, zouden mannen nog steeds een aanzienlijk fysiek voordeel hebben ten opzichte van vrouwen, in de vorm van een aanzienlijk hoger fysiek uithoudingsvermogen. Mannen in de uitgangssituatie hebben al een uithoudingsvermogen ten opzichte van vrouwen in de uitgangssituatie, en uw voorgestelde behandeling zou het uithoudingsvermogen van vrouwen nog verder verminderen.

Ja (waarom is dit zo'n moeilijke vraag om te begrijpen voor mensen?).

Chimpansees zijn een goed voorbeeld. Ze hebben een veel hogere sterkte per pond dan mensen. Ze offeren er echter dingen voor op. Deze spieren zijn meer gericht op anaërobe verbranding, wat betekent dat ze sneller vermoeid raken. Deze spieren zijn ook minder precies, wat betekent dat de persoon minder fijne motoriek heeft in vergelijking met "normale" mensen.

Het feit dat chimpansees deze mogelijkheid hebben, doet ook alle genoemde problemen teniet. Zoals "maar spieren kunnen zichzelf al van het bot scheuren". Dus waarom zouden mannen meer spiermassa hebben als je je botten al uit elkaar kunt scheuren? En blijkbaar zijn er oplossingen, anders zouden chimpansees (en grote delen van het dierenrijk) deze opstelling niet gebruiken met grotendeels anaërobe spiergroepen met hoge sterkte in plaats van wat mensen gebruiken. Er zijn dus pezen en opstellingen waar je die kracht kunt gebruiken (alweer, anders zouden mannen met meer spiermassa geen behoefte hebben aan meer spiermassa). Er zijn bottypes en opstellingen die het mogelijk maken om de druk op te nemen. Serieus, we hebben het over het maken van vrouwen net zo sterk als mannen, aangezien mannen hun kracht aankunnen zonder zichzelf uit elkaar te scheuren, en vrouwen ook als je hun bewegingsapparaat dienovereenkomstig zou veranderen!

Voor iedereen die de vraag niet begrijpt: de vraag komt neer op "kan ik vrouwen net zo sterk maken als mannen zonder hun spiermassa te vergroten". Het gaat er niet om iets te maken dat uitsluitend vrouwen sterker kan maken, maar mannen niet. Gewoon de simpele handeling om vrouwen zo sterk te maken zonder extra spiermassa. Ik heb geen idee waarom mensen zouden doorgaan over "maar je zou het ook op mannen kunnen toepassen!" Of "maar het zou je uit elkaar scheuren!".


Waarom worden sommige legeringen sterker bij kamertemperatuur?

Een legering is meestal een metaal waaraan een paar procent van ten minste één ander element is toegevoegd. Sommige aluminiumlegeringen hebben een schijnbaar vreemde eigenschap.

"We weten dat aluminiumlegeringen sterker kunnen worden door ze bij kamertemperatuur te bewaren - dat is geen nieuwe informatie", zegt Adrian Lervik, een natuurkundige aan de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU).

De Duitse metallurg Alfred Wilm ontdekte dit pand al in 1906. Maar waarom gebeurt het? Tot nu toe is het fenomeen slecht begrepen, maar nu hebben Lervik en zijn collega's van NTNU en SINTEF, het grootste onafhankelijke onderzoeksinstituut in Scandinavië, die vraag aangepakt.

Lervik voltooide onlangs zijn doctoraat bij de afdeling Natuurkunde van NTNU. Zijn werk verklaart een belangrijk deel van dit mysterie. Maar eerst wat achtergrondinformatie, want ook Lervik heeft zich in de prehistorie verdiept.

"Aan het einde van de 19e eeuw probeerde Wilm de sterkte van aluminium te vergroten, een licht metaal dat onlangs beschikbaar was gekomen. Hij smolt en goot een aantal verschillende legeringen en testte verschillende koelsnelheden die gebruikelijk zijn in de staalproductie om om de best mogelijke sterkte te bereiken", zegt Lervik.

Op een weekend toen het mooi weer was, besloot Wilm een ​​pauze te nemen van zijn experimenten en in plaats daarvan een vroeg weekend te nemen om langs de rivier de Havel te zeilen.

"Hij keerde maandag terug naar het lab en bleef trekproeven uitvoeren van een legering bestaande uit aluminium, koper en magnesium waarmee hij de week ervoor was begonnen. Hij ontdekte dat de sterkte van de legering in het weekend aanzienlijk was toegenomen.

Deze legering was in die tijd gewoon op kamertemperatuur gebleven. De tijd had het werk gedaan dat allerlei andere koelingsmethoden niet konden doen.

Tegenwoordig wordt dit fenomeen natuurlijke veroudering genoemd.

De Amerikaanse metallurg Paul Merica suggereerde in 1919 dat het fenomeen te wijten moet zijn aan kleine deeltjes van de verschillende elementen die een soort neerslag vormen in de legering. Maar in die tijd waren er geen experimentele methoden die dit konden bewijzen.

"Pas tegen het einde van de jaren dertig kon de methode van röntgendiffractie bewijzen dat de legeringselementen zich ophoopten in kleine clusters op nanoschaal", zegt Lervik.

Zuiver aluminium bestaat uit veel kristallen. Een kristal kan worden gezien als een blok rasterplaten, waarbij in elk vierkant van het raster een atoom zit. De sterkte wordt gemeten in de weerstand van de platen tegen het over elkaar schuiven.

In een legering wordt een klein percentage van de vierkanten ingenomen door andere elementen, waardoor het iets moeilijker wordt voor de platen om over elkaar te schuiven en de sterkte toeneemt.

Zoals Lervik het uitlegt: "Een aggregaat is als een kleine druppel verf in het rasterblok. De legeringselementen hopen zich op en nemen enkele tientallen aangrenzende vierkanten in beslag die zich uitstrekken over meerdere platen. Samen met het aluminium vormen ze een patroon. Deze druppels hebben een andere atomaire structuur dan het aluminium en maken het verschuiven van dislocaties moeilijker voor de platen in het roosterblok."

Aggregaten van legeringselementen staan ​​bekend als "clusters. In technische taal worden ze Guinier-Preston (GP) -zones genoemd naar de twee wetenschappers die ze voor het eerst beschreven. In de jaren zestig werd het mogelijk om GP-zones voor het eerst door een elektronenmicroscoop te zien tijd, maar het heeft tot nu toe geduurd om ze op het niveau van één atoom te bekijken.

"In de afgelopen jaren hebben talloze wetenschappers de samenstelling van aggregaten onderzocht, maar er is weinig werk gedaan om hun nucleaire structuur te begrijpen. In plaats daarvan hebben veel onderzoeken zich gericht op het optimaliseren van legeringen door te experimenteren met verouderingsharding bij verschillende temperaturen en gedurende verschillende tijdsperioden, ’ zegt Lervik.

Verouderingsverharding en het maken van sterke metaalmengsels zijn duidelijk erg belangrijk in een industriële context. Maar heel weinig onderzoekers en mensen in de industrie hebben er veel om gegeven waar de clusters eigenlijk uit bestaan. Ze waren gewoon te klein om te bewijzen.

Lervik en zijn collega's dachten daar anders over.

"Met onze moderne experimentele methoden zijn we erin geslaagd om in 2018 voor het eerst foto's op atomair niveau van de clusters te maken met de transmissie-elektronenmicroscoop in Trondheim", zegt Lervik.

"Hij en zijn team bestudeerden legeringen van aluminium, zink en magnesium. Deze worden steeds belangrijker in de auto- en ruimtevaartindustrie."

Het onderzoeksteam bepaalde ook de chemische samenstelling van de clusters met behulp van het instrument voor atomaire sondetomografie dat onlangs bij NTNU is geïnstalleerd. Het infrastructuurprogramma van de Onderzoeksraad van Noorwegen maakte deze ontdekking mogelijk. Deze investering heeft al bijgedragen aan nieuwe fundamentele inzichten in metalen.

De onderzoekers bestudeerden legeringen van aluminium, zink en magnesium, de zogenaamde 7xxx-serie Al-legeringen. Deze lichte metaallegeringen worden steeds belangrijker in de auto- en ruimtevaartindustrie.

"We vonden clusters met een straal van 1,9 nanometer begraven in het aluminium. Hoewel ze talrijk zijn, zijn ze moeilijk waar te nemen onder een microscoop. We zijn er alleen in geslaagd om de atomaire structuur te identificeren onder speciale experimentele omstandigheden", zegt Lervik.

Dit is een van de redenen waarom niemand dit eerder heeft gedaan. Het uitvoeren van de experimenten is lastig en vereist geavanceerde moderne experimentele apparatuur.

"Hoe lastig dit was, hebben we meerdere keren ervaren. Hoewel we een foto van de clusters hebben kunnen maken en wat informatie over hun samenstelling konden extraheren, duurde het enkele jaren voordat we genoeg begrepen om de nucleaire structuur te kunnen beschrijven", zegt Lervik.

Wat maakt dit werk nu precies zo bijzonder? In het verleden ging men ervan uit dat aggregaten bestaan ​​uit de legeringselementen, aluminium en misschien vacatures (lege vierkanten) die min of meer willekeurig zijn gerangschikt.

"We ontdekten dat we alle clusters die we hebben waargenomen kunnen beschrijven op basis van een unieke geometrische ruimtelijke figuur die een 'afgeknotte kubus-octaëder' wordt genoemd", zegt Lervik.

Hier kan iedereen zonder een achtergrond in natuurkunde of scheikunde de volgende secties doorbladeren of direct naar de middelste kop "Belangrijk voor het begrijpen van warmtebehandeling" springen.

Om de bovenstaande afbeelding te begrijpen, moeten we eerst accepteren dat een aluminiumkristal (vierkant blok) kan worden gevisualiseerd als een stapel kubussen, elk met atomen op de 8 hoeken en 6 zijden.

Deze structuur is een atomair zijgecentreerd kubisch rooster. De geometrische figuur is als een kubus, met een buitenste schil gevormd uit de omringende kubussen. We beschrijven het als drie schelpen rond de middelste kubus: een voor de zijkanten, een voor de hoeken en de buitenste schil. Deze schillen bestaan ​​uit respectievelijk 6 zink-, 8 magnesium- en 24 zinkatomen.

Het midden van het lichaam (kubus) kan een extra atoom bevatten - een 'interstitial' - dat in deze illustratie kan worden beschreven als zijnde gelegen tussen de ruimtes (vierkanten) van aluminium.

Deze enkele figuur verklaart alle grotere clustereenheden verder door hun vermogen om in drie gedefinieerde richtingen te verbinden en uit te breiden. De afbeelding verklaart ook waarnemingen die eerder door anderen zijn gemeld. Deze clustereenheden dragen bij aan verhoogde kracht tijdens veroudering.

Belangrijk voor het begrijpen van warmtebehandeling

"Waarom is dit cool? Het is cool omdat natuurlijke veroudering meestal niet de laatste stap is in de verwerking van een legering voordat deze klaar is voor gebruik", zegt Lervik.

Deze legeringen ondergaan ook een laatste warmtebehandeling bij hogere temperaturen (130-200°C) om grotere precipitaten te vormen met gedefinieerde kristalstructuren. Ze binden de atomaire vlakken (platen) nog strakker aan elkaar en versterken deze aanzienlijk.

"Wij zijn van mening dat het begrijpen van de atomaire structuur van de clusters gevormd door natuurlijke veroudering essentieel is om het proces van vorming van de precipitaten die zoveel van de eigenschappen van het materiaal bepalen, beter te begrijpen. Vormen de precipitaten zich op de clusters of transformeren de clusters in precipitaten tijdens warmtebehandeling? Hoe kan dit worden geoptimaliseerd en gebruikt? Ons verdere werk zal proberen deze vragen te beantwoorden", zegt Lervik.

Referenties: A. Lervik, E. Thronsen, J. Friis, C.D. Marioara, S. Wenner, A. Bendo, K. Matsuda, R. Holmestad, S. J. Andersen. Atoomstructuur van opgeloste stofclusters in Al - Zn - Mg-legeringen. Acta Materialia, Jaargang 205, 15 februari 2021, 116574. https://doi. org/ 10. 1016/ j. actamaat. 2020. 116574

Vrijwaring: AAAS en EurekAlert! zijn niet verantwoordelijk voor de juistheid van persberichten die op EurekAlert! door bijdragende instellingen of voor het gebruik van informatie via het EurekAlert-systeem.


Soorten botten

Bot, of beenweefsel, is een bindweefsel dat het endoskelet vormt. Het bevat gespecialiseerde cellen en een matrix van minerale zouten en collageenvezels.

De minerale zouten omvatten voornamelijk hydroxyapatiet, een mineraal gevormd uit calciumfosfaat. Verkalking is het proces van afzetting van minerale zouten op de collageenvezelmatrix die het weefsel kristalliseert en verhardt. Het proces van verkalking vindt alleen plaats in aanwezigheid van collageenvezels.

De botten van het menselijk skelet worden geclassificeerd op basis van hun vorm: lange botten, korte botten, platte botten, hechtbeenderen, sesambeenderen en onregelmatige botten (Figuur 1).

Figuur 1. Getoond worden verschillende soorten botten: plat, onregelmatig, lang, kort en sesamachtig.

Figuur 2. Het lange bot is aan beide uiteinden bedekt met gewrichtskraakbeen en bevat beenmerg (in deze afbeelding in geel weergegeven) in de mergholte.

lange botten zijn langer dan breed en hebben een schacht en twee uiteinden. De diafyse, of centrale schacht, bevat beenmerg in een mergholte. De afgeronde uiteinden, de epifysen, zijn bedekt met gewrichtskraakbeen en zijn gevuld met rood beenmerg, dat bloedcellen produceert (Figuur 2). De meeste botten van ledematen zijn lange botten, bijvoorbeeld het dijbeen, het scheenbeen, de ellepijp en de straal. Uitzonderingen hierop zijn de patella en de botten van de pols en enkel.

korte botten, of kubusvormige botten, zijn botten die dezelfde breedte en lengte hebben, waardoor ze een kubusachtige vorm krijgen. De botten van de pols (carpals) en enkel (tarsals) zijn bijvoorbeeld korte botten (Figuur 1).

Platte botten zijn dunne en relatief brede botten die worden aangetroffen waar uitgebreide bescherming van organen vereist is of waar brede oppervlakken van spieraanhechting vereist zijn. Voorbeelden van platte botten zijn het borstbeen (borstbeen), ribben, scapulae (schouderbladen) en het dak van de schedel (Figuur 1).

Onregelmatige botten zijn botten met complexe vormen. Deze botten kunnen korte, platte, gekerfde of geribbelde oppervlakken hebben. Voorbeelden van onregelmatige botten zijn de wervels, heupbeenderen en verschillende schedelbeenderen.

Sesambeenderen zijn kleine, platte botten en hebben dezelfde vorm als een sesamzaadje. De patellae zijn sesambeenderen. Sesambeenderen ontwikkelen zich in pezen en kunnen worden gevonden in de buurt van gewrichten op de knieën, handen en voeten.

hechtbeenderen zijn kleine, platte, onregelmatig gevormde botten. Ze kunnen worden gevonden tussen de platte botten van de schedel. Ze variëren in aantal, vorm, grootte en positie.


Compact bot

Compact bot is het dichtere, sterkere van de twee soorten botweefsel (Figuur 6.3.6). Het vormt de buitenste cortex van alle botten en staat in direct contact met het periosteum. In lange botten, als je van het buitenste corticale compacte bot naar de binnenste medullaire holte gaat, gaat het bot over in sponsachtig bot.

Afbeelding 6.3.6 – Schema van compact bot: (a) Deze dwarsdoorsnede van compact bot toont verschillende osteons, de structurele basiseenheid van compact bot. (b) Op deze microfoto van het osteon kun je de concentrische lamellen rond de centrale kanalen zien. LM × 40. (Micrograaf verstrekt door de Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

Afbeelding 6.3.7 Osteon

Als je onder de microscoop naar compact bot kijkt, zie je een zeer georganiseerde opstelling van concentrische cirkels die op boomstammen lijken. Elke groep concentrische cirkels (elke '8220boom'8221) vormt de microscopische structurele eenheid van compact bot, een osteon (dit wordt ook wel een Haversiaans systeem genoemd). Elke ring van het osteon is gemaakt van collageen en verkalkte matrix en wordt a . genoemd lamel (meervoud = lamellen). De collageenvezels van aangrenzende lamellen lopen loodrecht op elkaar, waardoor osteonen torsiekrachten in meerdere richtingen kunnen weerstaan ​​(zie figuur 6.34a). Door het midden van elk osteon lopen is de Centraal kanaal, of het kanaal van Havers, dat bloedvaten, zenuwen en lymfevaten bevat. Deze vaten en zenuwen vertakken zich haaks door a perforerend kanaal, ook bekend als de kanalen van Volkmann, om zich uit te strekken tot het periosteum en het endosteum. Het endosteum bekleedt ook elk centraal kanaal, waardoor osteons in de loop van de tijd kunnen worden verwijderd, opnieuw gemodelleerd en opnieuw opgebouwd.

De osteocyten zitten gevangen in hun holte, gevonden aan de randen van aangrenzende lamellen. Zoals eerder beschreven, verbinden canaliculi met de canaliculi van andere lacunes en uiteindelijk met het centrale kanaal. Met dit systeem kunnen voedingsstoffen naar de osteocyten worden getransporteerd en kunnen afvalstoffen worden verwijderd, ondanks de ondoordringbare verkalkte matrix.


Wat zou er nodig zijn om een ​​toren zo hoog als de ruimte te bouwen?

Het menselijke verlangen om steeds grotere en indrukwekkendere structuren te creëren is onverzadigbaar. De piramides van het oude Egypte, de Chinese muur en de Burj Khalifa in Dubai - nu het hoogste gebouw ter wereld met meer dan 828 meter (2722 voet) - zijn een gevolg van het tot het uiterste drijven van de techniek. Maar enorme gebouwen zijn niet alleen monumenten van menselijke ambitie: ze kunnen ook de sleutel zijn tot de vooruitgang van de mensheid in het ruimtevaarttijdperk.

Er circuleren nu voorstellen voor een vrijstaande toren of '8220ruimtelift'8221 die tot in de geosynchrone baan rond de aarde zou kunnen reiken. Zo'n toren zou een alternatief zijn voor op raketten gebaseerd transport en de hoeveelheid energie die nodig is om de ruimte in te komen drastisch verminderen. Verder kunnen we ons in de ruimte gebaseerde megastructuren voorstellen van vele kilometers groot, aangedreven door zonne-energie, die misschien hele planeten of zelfs sterren omvatten.

In de afgelopen jaren hebben ingenieurs op grotere schaal kunnen bouwen dankzij de sterkte en betrouwbaarheid van stoffen zoals nieuwe staallegeringen. Maar nu we het rijk van megastructuren betreden - die van 1000 km of meer in afmeting - is het handhaven van veiligheid en structurele integriteit een duivelse uitdaging geworden. Dat komt omdat hoe groter iets wordt, hoe meer stress het ervaart vanwege het gewicht en de grootte (“stress” is een maat voor mechanische spanning, zoals wanneer je iets aan een van beide uiteinden uit elkaar trekt of het samenknijpt. 8221 is de maximale spanning die een constructie kan weerstaan ​​voordat deze breekt).

Het blijkt dat biologisch ontwerp, uitgerust met zo'n 3,8 miljard jaar ervaring, kan helpen bij het oplossen van deze puzzel. Vóór het tijdperk van materiaalkunde, ingenieurs had om naar de natuur te kijken voor creatieve trucs om hen te helpen de beperkingen van hun materialen te overwinnen. Klassieke beschavingen, bijvoorbeeld, voerden hun oorlogsmachines uit met gedraaide pezen gemaakt van dierenhuiden, die konden uitstrekken en terugspringen om projectielen naar de vijand te lanceren. Maar toen kwamen er stoffen als staal en beton bij, die achtereenvolgens taaier en lichter werden.

Dit leidde tot een subdiscipline die bekend staat als 'reliability engineering'. Ontwerpers begonnen constructies te maken die veel sterker waren dan de maximaal mogelijke belasting die ze moesten dragen - wat betekende dat de spanning op de materialen binnen een bereik bleef waar de waarschijnlijkheid van breuk was zeer laag. Zodra structuren echter in megastructuren veranderen, blijkt uit berekeningen dat deze risicomijdende benadering een limiet op hun omvang legt. Megastructuren duwen materialen noodzakelijkerwijs tot het uiterste en nemen de luxe weg om comfortabele niveaus van stress te doorstaan.

Maar noch de botten, noch de pezen in ons lichaam genieten van deze luxe. In feite zijn ze vaak samengedrukt en uitgerekt tot ver voorbij het punt waarop hun onderliggende substanties zouden kunnen breken. Toch zijn deze componenten van het menselijk lichaam nog steeds veel 'betrouwbaarder' dan hun pure materiële kracht doet vermoeden. Alleen hardlopen kan bijvoorbeeld de achillespees tot meer dan 75 procent van zijn ultieme treksterkte duwen, terwijl gewichtheffers spanningen kunnen ervaren van meer dan 90 procent van de kracht van hun lumbale wervelkolom, wanneer ze honderden kilo's tillen.

Hoe gaat de biologie om met deze belastingen? Het antwoord is dat ons lichaam voortdurend zijn materialen herstelt en recycleert. In pezen worden collageenvezels zodanig vervangen dat, hoewel sommige beschadigd zijn, de algehele pees veilig is. Deze constante zelfreparatie is efficiënt en goedkoop en kan veranderen op basis van de belasting. Inderdaad, alle structuren en cellen in ons lichaam zijn constant in beweging. Naar schatting wordt elk jaar bijna 98 procent van de atomen in het menselijk lichaam vervangen.

We hebben onlangs dit zelfherstelparadigma toegepast om te zien of het mogelijk is om met beschikbare materialen een betrouwbare ruimtelift te bouwen. Een algemeen voorgesteld ontwerp is voorzien van een 91.000 km lange kabel (genaamd a vastbinden), die zich uitstrekt vanaf de evenaar en in evenwicht wordt gehouden door een contragewicht in de ruimte. De ketting zou bestaan ​​uit bundels parallelle vezels, vergelijkbaar met collageenvezels in pezen of osteonen in botten, maar gemaakt van Kevlar, een materiaal dat wordt aangetroffen in kogelvrije en mesbestendige vesten.

Met behulp van sensoren en kunstmatig intelligente software zou het mogelijk zijn om de hele ketting wiskundig te modelleren om te voorspellen wanneer, waar en hoe de vezels zouden breken. En als ze dat deden, werden ze vervangen door snelle robotklimmers die op en neer patrouilleerden, en de snelheid van onderhoud en reparatie indien nodig aanpasten - de gevoeligheid van biologische processen nabootsend. Ondanks dat we onder zeer hoge stress werken in vergelijking met wat materialen kunnen verdragen, hebben we aangetoond dat deze structuur betrouwbaar zou zijn en geen exorbitante vervangingssnelheden zou vereisen. Bovendien werd de maximale sterkte die het materiaal zou moeten hebben om een ​​betrouwbare structuur te bereiken met maar liefst 44 procent verminderd.

Deze bio-geïnspireerde benadering van techniek kan ook helpen bij structuren hier op aarde, zoals bruggen en wolkenkrabbers. Door onze materialen te 'uitdagen' en systemen uit te rusten met autonome reparatie- en vervangingsmechanismen, kunnen we de huidige beperkingen overschrijden en tegelijkertijd de betrouwbaarheid verbeteren.

Om een ​​idee te krijgen van de voordelen van werken dichter bij de limiet van treksterkte, kijk naar een hangbrug, met stukken staalkabel die in het midden naar beneden zakken. De belangrijkste hindernis bij het vergroten van de overspanning van de brug is dat, naarmate we langere touwen gebruiken, ze zwaarder worden en breken onder hun eigen gewicht. Als het touw wordt uitgerekt tot niet meer dan 50 procent van zijn totale sterkte, is de maximale overspanning ongeveer 4 km, maar wanneer het wordt uitgerekt tot 90 procent van zijn sterkte, neemt de overspanning dramatisch toe tot meer dan 7,5 km. Om ervoor te zorgen dat de kabel veilig is, moeten staalvezels echter worden vervangen in een nauwkeurig afgestemd proces, net als in biologische systemen.

Megastructuren zijn niet langer sciencefiction. Nooit ontmoedigd door de ineenstorting van de Toren van Babel, zoals verteld in het Oude Testament, zijn mensen steeds groter en hoger en sneller blijven bouwen, gevoed door enorme vooruitgang in wetenschap en technologie. Maar volgens de normen van de klassieke betrouwbaarheidstechniek zijn we nog ver weg. In plaats daarvan hebben we een nieuw paradigma nodig, een dat zich niet alleen richt op materiële kracht, maar ook op de inherente reconstructieve capaciteiten van systemen. We moeten niet verder kijken dan de overvloed aan biologisch leven om ons heen en erop vertrouwen dat er veel te leren valt uit de geschiedenis van de evolutie.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op Aeon en is opnieuw gepubliceerd onder Creative Commons.


Hoge hakken geven de beenspieren een nieuwe vorm, veroorzaken pijn wanneer ze niet worden gedragen

Vrouwen die dagelijks hoge hakken dragen, kunnen zich aanmelden voor meer dan een beetje voetpijn. Volgens een nieuwe studie kan het gewoonlijk dragen van hoge hakken leiden tot veranderingen in de kuitspier en pezen.

Zo erg zelfs dat deze vrouwen daadwerkelijk ongemak ervaren als ze zonder stiletto's rondlopen.

Door de gewoonte op de hoge hakken kunnen vezels in de kuitspier verkorten en de achillespees, die de kuitspier met het bot verbindt, verstijven en dikker worden. Hoewel deze opstelling geen problemen oplevert wanneer de hiel omhoog staat, kan het leiden tot ongemak bij het staan ​​of lopen op platvoeten omdat de spieren en pezen buiten hun normale bewegingsbereik worden uitgerekt.

"In zekere zin heeft het systeem zich aangepast aan deze nieuwe positie", zegt onderzoeker Marco Narici van de Manchester Metropolitan University in het Verenigd Koninkrijk. "Als ze hoge hakken dragen, voelen de spieren comfortabeler aan."

De resultaten worden op 16 juli gepubliceerd in het Journal of Experimental Biology.

Spieren meten

Wanneer mensen hoge hakken dragen, worden hun enkels omhoog gebracht en worden hun kuitspieren in een verkorte (samengetrokken) positie gehouden. Wetenschappers weten dat wanneer mensen hun spieren gedurende lange tijd in een verkorte positie plaatsen, zoals in een plastic gipsverband, de spier letterlijk korter wordt, zei Narici.

Narici vroeg zich af of het constant dragen van hoge hakken ook kan leiden tot spierverkorting.

"Ik dacht dat: vrouwen die hoge hakken droegen een experiment voor ons deden zonder het te weten, dus alles wat we moesten doen was ze rekruteren en testen", vertelde hij WordsSideKick.com.

Bovendien is er anekdotisch bewijs uit de jaren vijftig dat secretaresses ongemak ervaarden wanneer ze hun hoge hakken uittrokken en blootsvoets liepen, zei Narici, wat ook suggereerde dat het voortdurend dragen van hoge hakken veranderingen veroorzaakt.

De deelnemers aan de studie waren 11 vrouwen (gemiddelde leeftijd 43) die gedurende twee jaar of langer vijf dagen per week naaldhakken (minstens 2 inch of 5 centimeter hoog) hadden gedragen. Most of the subjects said they felt discomfort when they were standing barefoot. A control group of nine women who did not regularly wear high heels was also included.

Narici and his colleagues first measured the size of the women's calf muscles using magnetic resonance imaging (MRI). However, they didn&rsquot find any differences in muscle volume between the two groups.

Next, they used ultrasound to measure the length of the calf muscle fibers, finding they were 13-percent shorter in high-heel wearers compared with the control group.

Having shorter fibers should affect how the muscle contracts &mdash shorter fibers should generate less force and make walking less efficient in these women. But the researchers couldn't find any differences between the two groups in terms of how the calf muscle contracts.

An examination of the Achilles tendon showed the tendons of high-heel wearers were thicker, and thus stiffer, than those of non-high heel wearers.

The thicker tendons counterbalance the shorter muscle fibers and allow the muscle to behave normally, Narici said. But the combined effect of the thicker tendon and the shorter fibers is the likely reason behind the soreness felt when high-heel wearers ditch their stilettos..

High heels aren't the only footwear risk. A separate study in 2008 found that constantly wearing flip-flops alters how you walk, changing the gait in subtle ways that can lead to problems and pain in the sole, heel and ankle.

Ditch the heels?

Narici doesn't think the results mean women should give up wearing high heels. But he recommends stretching exercises after a day of wearing high heels to prevent the muscle fibers from shortening.

Currently, Narici and his colleagues are investigating whether thicker Achilles tendons make running less efficient.

Narici conducted his work with Robert Csapo of the University of Vienna, Austria, and Olivier Seynnes and Costis Maganaris of Manchester Metropolitan University.

The study was funded by Manchester Metropolitan University and the University of Vienna.


Bekijk de video: Ѓорѓи Крстевски - Посилни од сетекст (December 2021).