Kostní tkáň je specializovaným typem opěrného pojiva s mineralizovanou mezibuněčnou hmotou.
Osteoblasty jsou buňky schopné produkovat mezibuněčnou hmotu kostní tkáně – vlákna a amorfní hmotu – a účastní se její mineralizace.
Osteocyty jsou původní osteoblasty, které jsou již uzavřeny v základní hmotě a nejsou schopny významnější tvorby mezibuněčné hmoty.
Osteoblasty produkují kolagenní vlákna a beztvarou proteoglykanovou mezibuněčnou hmotu. Produkcí enzymů (alkalické fosfatázy) se podílejí na mineralizaci kostní tkáně. Osteocyty se spíše účastní uvolňování minerálů z kostní tkáně, a jsou proto součástí regulačních mechanizmů udržujících hladinu vápníku v tělních tekutinách, především v krevní plazmě.
Mezibuněčná kostní hmota je – jako u všech pojivových tkání – tvořena svazky kolagenních vláken tmelených základní amorfní hmotou. Tato proteoglykanová hmota je mineralizována. Minerální složkou kostí, která může dosáhnout až 65 % váhy kosti, tvoří submikroskopické krystality fosforečnanu vápenatého, prostorově uspořádaného jako hydroxyapatit.
Krystalitové jehlice jsou vázány na kolagenní vlákna v místech, kde jsou mezery mezi jednotlivými tropokolagenovými molekulami. Obsah minerálů je u různých kostí různý a stupeň mineralizace je rozdílný i v rámci stavby jedné kosti. Obecně platí, že méně mineralizovány jsou kostní trámce než kostní lamely, a proto i kosti s převahou trámčiny (např. obratle) mají celkově nižší obsah minerálních látek.
Amorfní mezibuněčné hmoty je v kostní tkáni poměrně málo – z 90 % ji tvoří kolagen a zbytek představují proteoglykany.
Kostní tkáň existuje v lidském těle jako: lamelární kost (vrstevnatá kost), a fibrilární kost (vláknitá kost).V dalším textu se omezíme na popis lamelární kosti.
Lamelární kost tvoří převážnou část skeletu, zvláště dlouhé a ploché kosti končetin. Na makroskopickém řezu typickou lamelární kostí rozlišujeme: kompaktní, plášťovou vrstvu kosti (tzv. kompaktu) a část spongiózní neboli houbovitou (tzv. spongiózu).
Kompakta je tvořena buď koncentricky uspořádanými lamelami nebo destičkovými lamelami, orientovanými rovnoběžně dlouhou osou kosti. Komplex až dvaceti soustředných lamel s centrálním kanálkem se nazývá osteon neboli Haverský systém.
Osteon je stavební a cirkulační jednotkou kostní kompakty. Úprava kolagenních vláken v lamelách osteonu a jejich rozdílný stupeň mineralizace jsou základem pevnosti kompakty v tahu, tlaku i v ohybu. Také biomechanické vlastnosti kostní kompakty (viz dále) jsou přímým důsledkem této úpravy. Výhodných mechanických vlastností dosahuje kompakta i zásluhou specifické úpravy cirkulace, která na jedné straně dovoluje vysoký stupeň látkové výměny a na druhé straně nevede k zeslabení poměrně rigidních struktur osteonů.
Možnost oboustranné látkové výměny mezi krví a kostními buňkami je tak zajištěna cestou: kapiláry v centrálním Haversově kanálku => kostní kanálky => osteoblasty (cyty) => mezibuněčná kostní hmota. Prostřednictvím této komunikace se uskutečňuje jak mineralizace kostní tkáně, tak se touto cestou transportují vápenaté a hořečnaté ionty uvolňované z kompakty do krevního oběhu. Tkáňová (extracelulární) tekutina cirkulující lakunami a kostními kanálky je totiž v kontaktu s obrovskou plochou anorganických krystalitů. Udává se, že u člověka vážícího 70 kg je tkáňová tekutina v kontaktu s minerály na ploše 1500–5000 m2!
Spongiózní kost je všude tam, kde není vytvořena souvislá a jednotná dřeňová dutina (kostní hlavice). Je také pod plášťovou vrstvou kompakty.
Spongióza je složena z trámců (trabekul) a plotének uspořádaných do prostorové struktury, jejíž tvar je výsledkem působení mechanických sil na kost. Stavba trámců a plotének je prakticky stejná jako stavba lamel osteonů. U silnějších trámců se dokonce formují pravé Haversovy osteony, tj. trámce složené z koncentricky uspořádaných lamel. V trámcích jsou drobné prohlubně s osteoblasty a kostními kanálky.
Směr průběhu a uspořádání kostních trámců a plotének odpovídá tzv. trajektoriím, tj. liniím spojujícím místa největšího tlakového zatížení kosti.
Uspořádání průběhu trámců a lamel spongiózy v kosti říkáme kostní architektonika. Každá kost má specifickou a typickou architektoniku, která ale není neměnná. Při porušení kostního tvaru, např. při kostní zlomenině a následném odlišném tlakovém zatěžování zhojené, ale deformované kosti, se trámce přestavují a vzniká architektonická úprava trámců typická pro nové tlakové zatížení.
Wolffův zákon: zevní tvar, vnitřní struktura i funkční zatížení kosti jsou ve vzájemné harmonii. Při jakékoliv změně dochází k přestavbě kosti jejímž cílem je dosažení původní harmonie.
Maximální pevnosti kosti je dosaženo s minimální spotřebou materiálu. Kost je přitom velmi pevná – pevnost kompakty dlouhých kostí je srovnávána s mosazí, litinou nebo kujným železem (100 – 200 MPa).
O biomechanických vlastnostech izolovaných kostí bylo získáno obrovské množství údajů. Bylo zjištěno, že diafýza (kompakta) dlouhých kostí snáší obrovské statické zatížení působící ve směru její osy: humerus „unese" hmotnost asi 600 kg; femur 760 kg, ale tibie až 1350 kg. Byla zjištěna menší – asi poloviční pevnost diafýz při zatížení v příčném směru, a prokázána nejmenší pevnost kompakty dlouhých kostí ve zkrutu. (Např. fibula praská již při zatížení 6 kg.)
Je také nepochybné, že kosti jsou v tahu ještě odolnější než při tlakovém zatížení.
Tato a mnohá další čísla jsou sice instruktivní, ale jejich praktické využití je problematické. Měření prováděná na izolovaných vzorcích kosti v naprosto arteficiálním prostředí. Nemohou vypovídat o biologických vlastnostech kostí zapojených v systému celého skeletu, a o chování kostí v průběhu působení dynamických a různě směrovaných sil, kterým jsou kosti vystaveny při pohybu, růstu, ale i v průběhu úrazových dějů. Omezíme se proto pouze na několik pravidel, podle kterých se staticky a dynamicky namáhaná kost řídí.
Z biomechanického hlediska není kost homogenní útvar.
Kompakta je složena z trubic, které ideálně splňují základní požadavek pevnosti s minimální spotřebou stavebního materiálu. Jamky v lamelách vzhledem ke svému oválnému tvaru nesnižují významněji pevnost, stejně jako kostní kanálky paprsčitě prorážející stěny lamel.
Mezi vrstvenými lamelami je málo kolagenu a mezibuněčná hmota je vysoce mineralizována. Pouze zcela ojedinělá jsou kolagenní vlákna pronikající z jedné lamely do druhé. Chybění vláken mezi lamelami je snad důvodem nízké odolnosti kompakty ve zkrutu.
Obecně platí, že distribuce minerálů v kompaktě není stejná. Mezi klasickými Haversovými osteony i mezi vmezeřenými lamelami jsou místa méně mineralizované (méně tvrdé) kosti, která z mechanického hlediska snad plní funkci určitých absorberů kinetické energie působící na kompaktu. Jak již bylo uvedeno, kompakta diafýzy je velmi odolná na působení statického tlaku působícího v dlouhé ose kosti (trubicový systém lamel!). Ještě pevnější – až o 60 % je kompakta v tahu.
U většiny dlouhých kostí je kompakta nejtlustší uprostřed délky diafýzy. Zde také nejlépe odolává pomalé torzi, ohnutí kostí. Na horizontálně (příčně) působící síly není ale kostní diafýza rezistentní – chybí jí „prostorově“ odolná" struktura kostní spongiózy.
Trámce spongiózy v diafýze totiž buď chybějí, nebo jsou velmi primitivně vytvořeny pouze na dutinové ploše kompakty.
Dynamické zatížení kostní kompakty je závislé na rychlosti pohybu, s jejíž dvojmocí zatížení stoupá. (Proto i velmi malý, ale rychlý náraz působí zlomeninu!)
Spongiózu kloubních konců kostí tvoří vzájemně se křížící trámce – typická struktura vznikající na základě prostorově komplikovaně směrovaného tlaku a zároveň struktura na tento tlak také maximálně odolná. Trámce připomínají svým tvarem a uspořádáním lomené gotické oblouky podpírající klenby. Probíhají v silokřivkách odpovídajících místům tlaku a tahu, kterým je daná kost vystavena.
Spongióza není z biomechanického hlediska pouze souborem trámců kostní tkáně. Prostory mezi trámci jsou vyplněny tukovými buňkami, buňkami kostní dřeně, cévami, nervy a mezibuněčnou tekutinou. Tukové buňky velmi dobře adherují k povrchu trámců. Celý systém buněk a cév spongiózy lze chápat jako elastický, hydraulický systém chránící kostní trámce. Do systému přitéká krev z cév, které jsou uvnitř kosti, a odtéká oběma směry - do žil dřeně i mimo kostní tkáň – do žilního systému okostice. Hydraulické vlastnosti kostní spongiózy se projevují při jakémkoliv zatížení pohybového systému zvýšením hydrostatického tlaku v dutinách spongiózy. Zátěž je tak zčásti absorbována a rigidní kostní trámce jsou zatíženy až „v druhém sledu".
Hydraulický systém spongiózy můžeme chápat i jako „shock absorber“ kosti a stimulátor růstu, remodelace nebo obnovy kosti. (Viz dále.)
Dřeňové dutiny diafýz, prostůrky spongiózy a širší Haversovy kanálky vyplňuje kostní dřeň.
