Experimentelle Untersuchungen über das Konstruktionsprinzip des menschlichen Femur

Summary

• 1. An investigation on the compressive strength of the human femur has shown that this varies considerably in different parts of the bone. Low compressive strengths are determined for the spongy bone in the caput-collum region, and for the cortical hard-bone in the dorsal section of the diaphysis.

• 2. The decreased compressive strength is due to a higher porosity of the bone in these regions.

• 3. Increased porosity is the result of the balance of body weight by the tensile strength of the muscles, i.e. the resultant loading (=resistance to deformation) of the bone is reduced in these regions. According to Roux's Maximum—minimum Law, there is only sufficient inorganic bone material present in the cross-section of a bone, necessary to withstand the stress due to maximum loading, plus a certain safety factor.

• 4. From this point of view, the femoral bone as a whole can be defined as a body of certain overall strength, in spite of having variable compressive strength in definite regions.

• 5. The Havers canals, which have nearly constant cross-section in middle-age, show an obvious size variation, considerable narrowing as well as widening of the lumina, in elderly people. These variations are controlled partly by osteosclerotic and partly by osteoporotic processes. The osteoporotic lumina-widening is interpreted as a compensation process for the control of ossary blood supply.

• 6. In addition, in old age there is a reduction in elasticity and then in compressive strength: These two factors are due to a change in bone fabric and chemistry: the occurrence of the above osteosclerotic and osteoporotic processes, as well as reduction of interlamellar elasticity by an enrichment in the crystallite-cover to the collagen-fibres of Ca, Mg and P. These processes explain the increase in the frequency of fractures of the femur in old age.

• 7. In the head-region of the femur, the Trajectorium rectum mediale (Catel, 1970) shows the characteristic structure of the corticalis, the presence of osteones, in contrast to simple spongy rods. Also, the mineral composition (Ca, P) of the trajectorium is very similar to that of the diaphysal corticalis, whereas the concentration of these two elements in the spongy region is considerably less. These results explain why the compressive strength of the trajectory bundles is about 3.6 times higher than in the region of simple spongy structure.

• 8. On the basis of titrative, X-ray (micro-probe), and diffraction studies, the mineral present in bone of a 71 year old man is definable as hydroxyl-apatite, with a formula: (Ca, Mg, K)₅ [(F, OH)/(PO₄)₃]

• 9. The concentration of Mg in the surface layer of bone in a newly-born is somewhat higher than in later life. The concentrations of Ca, Mg and P rise slightly with increasing age. These three elements are not evenly distributed throughout bone, and possible explanations are discussed.

• 10. In the blood of a healthy baby, in the mineral apatite and in the mineral-matter of the bones, the ratio Ca∶P is constant 2∶1.

• 11. Epitaxial and enzymatic processes which may play a part in the growth of apatite in bone are discussed, as are deviations.

• 12. Tensile stress from the adductor muscles is held to be responsible for the formation of the bone-blade described as linea alba.

Zusammenfassung

• 1. Die Bestimmung der Bruchfestigkeit des menschlichen Femur ergibt, daß diese in verschiedenen Regionen dieses Knochens eine verschiedene Größe hat. Eine Verminderung der Bruchspannung zeigt besonders der spongiöse Leichtbau im Caput-Collum-Bereich sowie der kortikale Hartbau im dorsalen Abschnitt der Diaphyse.

• 2. Die Verminderung der Bruchspannung beruht auf einer Zunahme der Porosität des Knochens in diesen Bezirken (Abnahme des Raumgewichtes).

• 3. Die Erhöhung der Porosität ist eine Folge davon, daß der Druckkraft der Körperlast eine Zugkraft von Muskeln entgegenwirkt, d.h. die Beanspruchungsgröße des Knochens (=Deformationswiderstand) in den genannten Regionen vermindert ist. Nach dem Roux'schen Maximum-Minimumgesetz ist in jedem Knochenquerschnitt aber nur so viel anorganische Knochensubstanz vorhanden, wie für die Gewährleistung einer auch bei maximaler Belastung vorhandenen zulässigen Spannung einschließlich eines Sicherheitsfaktors nötig ist.

• 4. Unter diesem Gesichtspunkt kann der Oberschenkelknochen als Ganzes betrachtet trotz verschiedener Bruchfestigkeit in einzelnen Regionen als ein Körper gleicher Festigkeit definiert werden.

• 5. Die Havers'schen Kanäle, im mittleren Lebensalter von etwa gleichem Querschnitt, zeigen beim alternden Menschen auffallende Größenunterschiede der Lumina: sowohl starke Einengung als auch beträchtliche Erweiterung. Dieser Befund wird mit teils osteosklerotischen, teils osteoporotischen Prozeßen in Zusammenhang gebracht, die osteoporotische Lumenerweiterung als ein Kompensationsvorgang zur Erhaltung der ossären Blutversorgung aufgefaßt.

• 6. Außerdem kommt es im Alter zu einer Abnahme der Elastizität und in weiterer Folge der Bruchfestigkeit; ursächlich werden diese Erscheinungen auf eine Änderung im Gefüge und Chemismus des Knochens zurückgeführt: Auftreten der erwähnten osteosklerotischen und osteoporotischen Vorgänge sowie Herabsetzung der interlamellären Federung infolge einer Anreicherung des Kristallitmantels der Kollagenfasern mit Ca, Mg und P. Diese Vorgänge erklären die Zunahme der Frakturhäufigkeit des Femur im Alter.

• 7. In der Kopfregion des Femur zeigt das Trajectorium rectum mediale (Catel, 1970) — im Gegensatz zu den einfachen Spongiosabälkchen — durch das Auftreten von Osteonen die typischen Strukturmerkmale der Corticalis. Auch die Mineralzusammensetzung (Ca, P) des Trajectoriums entspricht derjenigen der diaphysären Corticalis, während die Konzentration der beiden Elemente im Spongiosabereich bedeutend geringer ist. Diese Feststellungen erklären, warum die Bruchspannung im Bereich des trajectoriellen Bündels etwa 3,6 mal höher ist als im Bereich der einfachen Spongiosastruktur.

• 8. Auf Grund der titrimetrischen, röntgenographischen (Mikrosonde) und diffraktometrischen Untersuchungen ist das im Knochen des 71 jährigen Mannes vorhandene Mineral als ein Hydroxylapatit von der Formel (Ca, Mg, K)₅ [(F, OH)/PO₄)₃] zu definieren.

• 9. Die Konzentration des Mg liegt in der Knochenrinde des Neugeborenen etwas höher als im späteren Leben. Die Konzentration von Ca, Mg und P steigt mit zunehmendem Alter geringfügig an. Diese 3 Elemente sind im Knochen nicht ganz gleichmäßig verteilt, die möglichen Ursachen hierfür werden besprochen.

• 10. Im Blut des gesunden Säuglings, im mineralischen Apatit und in der Mineralsubstanz des Knochens beträgt das Verhältnis Ca∶P übereinstimmend 2∶1.

• 11. Die epitaxischen und enzymatischen Vorgänge, die bei dem Aufbau des Apatits im Knochen eine Rolle spielen können sowie ihre möglichen Störungen werden besprochen.

• 12. Die Entstehung der als Linea alba bezeichneten Knochenleiste wird auf die von der Adduktorenmuskulatur ausgeübten Zugkräfte zurückgeführt.