관절을 구성하는 뼈 관절연골 섬유연골

신체 움직임을 가능하도록 몸을 구성하는 구조는 다양하다. 두개 또는 그 이상의 뼈들 사이를 연결하거나 중심점을 관절이라 한다.외부의 중력과 내부의 근작용에 의해 발생한 힘을 전달하고 분산시키는 기능을 한다. 관절을 이루는 구성요소를 알아본다.

뼈

뼈(bone)는 신체에 대한 단단한 지지를 제공하고 신체의 근육에 대한 지레 시스템을 제공한다. 성인 골격에 있어 장골의 외측 피질은 두꺼운 치밀피질골로 구성된 골간(shaft)을 갖고 있다. 그러나 장골의 끝은 서로 연결된 해면골의 망상구조를 덮는 얇은 층의 치밀골이 놓여 있다. 척추와 같은 성인의 축골격(axial skeleton)의 뼈들은 해면골의 속을 지지하기 위해 그 속이 꽉 차 있는 치밀골의 바깥쪽 껍질을 갖고 있다. 뼈의 기질에는 인산칼슘 결정체를 함유하고 있으며, 뼈로 하여금 굉장한 압박 부하를 받아들일 수 있게 해준다.치밀골의 구조적 소단위는 골원(osteon) 또는 하버시안계 (haversian system)로서, 주로 I형 교원섬유로 구성되어 있으며, 층판으로 이루어진 독특한 일련의 동심 나선형 구조를 하고 있다. 뼈의 세포들은 골원의 층판들 사이에 위치된 좁은 공간내에 위치한다. 뼈는 매우 작게 변형되기 때문에 혈관은 바깥쪽의 골막면과 안쪽의 내면에서 뼈의 물질로 통과할 수 있다. 그런후 혈관은 하버시안관의 중심에 있는 터널에서 뼈의 장축을 따라 지나가기 위해 방향을 바꾼다. 골막과 골내막의 결합조직은 혈관이 풍부하고 압력과 통증을 감지하기 위한 감각 수용기가 신경지배되고 있다. 뼈는 매우 역동적인 구조이다. 신체 활동을 통해 적용된 힘에 대한 반응과 전신적인 칼슘 균형을 조절하는 호르몬의 영향에 대한 반응으로서 재형성(remodeling)은 끊임없이 일어나고 있다. 큰 규모의 뼈 제거는 골수로부터 생기는 특수화된 세포인 파골세포(osteoclast)에 의해 수행된다. 뼈의 치유를 위한 원시 섬유아세포는 골막과 골내막 그리고 뼈의 혈관에 두루 걸쳐 얽혀 있는 혈관주위 조직으로부터 생긴다. 관절과 관련된 조직들 중에 뼈는 재형성, 회복, 재생에 대해 아주 탁월한 능력을 갖고 있다. 장골의 끝은 관절연골의 체중지지면을 통하여 적용된 여러 방향에서의 압박력을 받게 된다.뼈는 뼈 골간의 장축에 따라 압박이 적용되었을 때 가장 큰 내구력을 보이며, 이것은 빨대에 대해 장축 방향으로 부하를 적용했을 때와 유사한 것이다.  스트레스는 아래에 있는 연골하뼈로 보내지고 이것은 다시 해면골의 망상구조로 가게 된다. 해면골의 망상구조는 간부에 있는 치밀골의 장축 방향으로 힘을 전환시키기 위한 일련의 버팀목으로서의 역할을 한다. 이러한 구조적 정렬은 뼈가 갖는 독특한 구조적 모양의 장점을 가짐으로써 힘의 흡수와 전달을 위해 힘의 방향을 바꾸게 한다.

관절연골

관절연골(articular cartilage)은 관절의 부하 지지면을 형성하고 있는 초자연골의 특수화된 형태이다. 관절면을 이루는 뼈의 끝을 덮고 있는 관절연골의 두께는 압박력이 낮은 부위에서는 1~4mm이고 압박력이 높은 부위에서는 5~7mm이다. 관절연골에는 혈관과 신경과 보통의 초자연골에 있는 연골막(perichondrium)이 없다. 이것은 연골의 반대쪽 면이 이상적인 부하 지지면을 형성할 수 있도록 해준다. 골막과 유사한 연골막은 대부분의 연골을 덮고 있는 결합조직의 한 층이다. 연골막은 밑에 있는 조직을 유지하고 치유하기 위한 원시세포의 신속한 공급과 혈관을 포함하고 있다. 하지만 관절연골에는 연골막이 없기 때문에 이러한 장점은 이용할 수 없다. 다양한 형태의 연골세포들(chondrocytes)은 관절연골의 다른 구역(zone of articular cartilage)이나 층에 있는 무형질 내에 위치한다. 이러한 세포들은 윤활액 내의 영양 물에 의해 영양 공급을 받는다. 영양상태는 간헐적인 관절 부하가 일어나는 동안 관절면 변형에 대한 짜주기 작용(milking action)에 의해 촉진된다. 연골세포는 주로 I형 교원섬유에 둘러싸여 있다. 섬유들은 조직에 대한 구조적 안정성을 증가시키기 위한 망상구조나 골격을 형성하기 위해 배열된다. 석회지대에 있는 가장 안쪽의 섬유들은 연골하 뼈에 단단히 고정된다. 이러한 섬유들은 심부지대(deep zone)에 있는 수직으로 향하고 있는 섬유들과 연결되고, 심부지대의 섬유들은 중간지대(middle zone)의 사선방향으로 뻗어있는 섬유들과 연결되며, 중간지대의 섬유들은 표층접선지대(superficial tangential zone)의 가로로 뻗어있는 섬유들과 최종적으로 연결된다. 화학적으로 서로 연결된 일련의 섬유들은 관절연골의 바로 밑에서 큰 GAG(glycosaminoglycan글리코오스아미노글리칸) 분자들을 잡아주는 그물과 같은 섬유성 구조를 형성한다. GAG는 관절연골의 단단함을 제공해 주는 유일한 요소인 물을 끌어당긴다. 단단함은 부하를 충분히 견디기 위한 연골의 능력을 증가시킨다. 관절연골은 압박력을 연골하뼈로 분배하고 분산시킨다. 또한 관절연골은 관절면들 사이의 마찰을 감소시킨다. 관절연골로 덮여 있고 윤활액으로 젖어 있는 두 관절면들 사이의 마찰 계수는 매우 낮다. 인간의 슬관절을 예를 들면 마찰계수0.005~0.02이다. 이것은 마찰계수가 0.1인 얼음이 얼음 위에서 미끄러지는 것보다 5~20배 정도가 더 낮고 더 미끄럽다. 따라서 정상적인 체중부하 활동에 의한 충격은 골격계의 손상없이 흡수될 수 있는 스트레스로 감소된다. 관절연골에는 연골막이 없기 때문에 치유를 위해 사용되는 연골주위의 원시 섬유아세포가 준비되지 못하는 부정적인 결과를 갖게 된다. 비록 관절연골이 그 기질에 대한 정상적 유지와 보충을 할 능력이 있다 하더라도, 성인의 관절연골에 대한 상당한 손상은 종종 매우 빈약하게 치유되거나 전혀 치유가 되지 않는다.

섬유연골

섬유연골(fibro- cartilage)은 이름처럼 다른 유형의 연골들보다 더 많은 섬유 함유량을 갖고 있다. 기능적으로 이 조직은 불규칙성 결합조직과 관절연골의 특성을 둘 다 공유하고 있다. I형 교원섬유의 조밀한 다발들은 중간정도의 GAG의 수를 갖고 있으며 여러 방향으로 뻗어 있다. 소강 (lacuna)안에 존재하고 있는 둥근 연골세포들은 조밀한 교원섬유의 그물망 안에 둘러싸여 있다. 섬유연골은 추간판, 관절순, 치골결합과 사지에 있는 관절 내에 위치한 판(disc)(슬관절의 반월판)을 형성한다. 이러한 구조는 압박력을 분산시킬 뿐 아니라 관절의 지지와 안정성에도 도움이 된다. 슬관절의 반월판은 방사성 모양으로 펴지면서 압박력을 분산시킨다. 또한 서로 얽혀 있는 조밀한 교원섬유들은 여러 방향에서의 장력과 전단력에 대해 조직이 저항하도록 해 준다. 따라서 섬유연골은 여러 방향에서 가해지는 높은 힘에 노출되기 쉬운 인체의 부위에서 이상적인 충격 흡수의 기능을 수행한다. 슬관절의 반월판과 척주의 추간판이 이러한 기능을 가장 잘 파악할 수 있는 곳이다. 섬유연골을 둘러싸고 있는 연골막은 빈약하게 구성되어 있으며 조직의 주변 가장자리에 위치한 작은 혈관만을 포함하고 있다. 섬유연골은 주로 신경이 없다. 따라서 인대나 관절낭과 인접한 섬유연골의 주변에서 몇몇의 감각신경 수용기가 발견될지라도 섬유연골은 통증이 유발되거나 고유감각기능에 참여 하지 않는다. 성인 섬유연골의 영양 공급은 윤활관절에 있는 윤활액을 통한 영양의 확산에 주로 의존한다. 성인의 추간판과 같은 반관절에 있어 영양은 인접한 골소주에서 함유하고 있는 체액을 통해 확산된다. 반관절의 섬유연골에 있어 영양의 확산과 대사 노폐물의 제거는 간헐적인 체중지지에 의한 짜주기 작용에 의해 도움을 받는다. 이러한 원리는 척추가 오랜 기간 동안 고정된 자세로 유지되고 있을 때 불충분하게 영양공급이 되는 성인의 추간판에서 쉽게 볼 수 있다. 적절한 영양공급이 없다면 추간판은 부분적으로 퇴행하게 되고 그들의 보호기능의 일부를 상실하게 된다.인대(예: 척추)나 관절낭(예: 슬관절)에 붙어있는 섬유연골 구조의 바깥쪽 테두리를 관통하는 직접적인 혈액 공급이 있다. 성인 관절에 있어, 손상된 어떤 섬유연골의 치유는 슬관절 반월판의 바깥쪽 1/3과 추간판의 가장 외층과 같이 혈관화된 섬유연골의 주변부 근처에서 일어난다. 섬유연골 구조의 가장 안쪽 영역은 관절연골과 같아서 미분화된 섬유아세포가 없어서 치유가 미비하거나 일어나지 않는다. 요약하면, 뼈는 뼈 골간의 장축방향에 압박이 적용되었을 때 가장 큰 내구력을 보이며, 관절연골은 압박력을 연골하뼈로 분배하고 분산시키며 관절면들 사이의 마찰을 감소시킨다. 섬유연골에서 영양의 확산과 대사 노폐물의 제거는 부분적인 체중지지에 의한 압박 작용에 의해 도움을 받는다.