استخوان سالم توانایی تطابق دائم با محیط تحت بار را دارد و بر همین مبنا، امکان انطباق­پذیری با محیط موجود را به سیستم اسکلتی می­دهد. این توانایی، عموماً به دلیل خواص نوسازی[1] و بازسازی[2] استخوان است که بافت قدیمی استخوان را در محیط حداقلی مکانیکی از بین برده و موجب شکل­گیری مجدد آن در محیط حداکثری مکانیکی می­شود(42).

بر طبق تئوری مکانوستات که در سال 1964توسط فرُست مطرح شد، سلول­های استخوانی به عنوان سامانه­های حسگر و مؤثر عمل می­کنند که با حس کردن محیط مکانیکی، موجب انطباق سیستم اسکلتی با محیط شده و تغییرات معنی­داری در جرم، هندسه و خواص مواد استخوان ایجاد می­کنند. چنانچه پیشتر نیز اشاره شد، اگرچه پیشنهاد ولف در خصوص تاثیرپذیری ساختار استخوان از بارهای مکانیکی وارده، با اقبال پژوهشگران مواجه شد، اما وی هیچ اظهار نظری در خصوص تبیین کمی رابطه خود نکرده است. با توجه به قانون ولف و سایر مشاهدات، فرست مطالعات خود را با فرضیات زیر آغاز نمود:

  • مکانیزم بازخوردی در استخوان وجود دارد.
  • این مکانیزم نیروی موجود در استخوان را اندازه­گیری می­کند.
  • استخوان اثر نیرو را به شکل سیگنال خاصی به منظور بازسازی انطباقی تبدیل می­کند.
  • سیستم بازخورد از نوع منفی می­باشد. این بدان معناست که این سیستم نیروهای وارده را برای جلوگیری از شکست کاهش می­دهد.

فرُست، میزان کرنش استخوان را بیش از مقدار تنش آن در فعال­سازی سیستم بازخورد، مؤثر فرض کرد. اگر این فرضیه را بپذیریم، در این صورت حداقل سیگنالی که شروع عملکرد مکانیزم را فرمان می­دهد کرنش خاصی خواهد بود که فرست این مقدار را با پارامتری به نام MES[3] یا حداقل کرنش مؤثر معرفی می­نماید. مطابق این فرضیه، مقادیر کرنش پایینتر از حد MES قادر به فعالسازی استخوان به­منظور انطباق آن با شرایط بارگذاری نخواهد بود.فرست با استفاده از پارامتر MES، سه محدوده کرنش معادل را در استخوان معرفی می­نماید: دسته نخست تمامی مقادیر کرنش کمتر از محدوده MES را شامل می­شود. در نتیجه، این دسته توان فعال­سازی مکانیزم بازخورد را نخواهد داشت.دسته دوم شامل کرنش­های بیش از محدوده مورد اشاره است که طی آن مکانیزم انطباق به­طور معمول فعال می­شود.

دسته سوم مانند دسته دوم تمامی کرنش­های غیرجزئی را در بر می­گیرد که در بین دو دسته اول و دوم جای می­گیرند. استقراء در مقایسه با سایر سیستم­های کنترلی بیولوژیک این­گونه نتیجه می­دهد که MES محدوده­ای از مقادیر را شامل می­شود و قادر نیست عددی دقیق را به عنوان مرز شروع انطباق اعلام نماید. گزارش نتایج آزمایش­های گوناگون صورت گرفته توسط فرست و دیگر پژوهشگران بر روی نمونه­های انسانی، سگ، اسب، خرگوش، گوسفند و خوک منجر به تعیین فاصله 0008/0 تا 002/0 برای MES می­شود(43).

در انطباق­پذیری استخوان، علاوه بر MES در نظرگیری سه عامل اساسی دیگر، بسیار مهم می­باشد:

1- بارگذاری دینامیک نسبت به استاتیک، این پدیده را بیشتر تقویت میکند.

2- فقط بارگذاری با زمان کوتاه جهت فعال­سازی این پدیده لازم است.

3- انطباق سلول­های استخوانی با محیط مکانیکی موجب کاهش حساسیت این سلول­ها به سیگنال­های محیط اعمالی می­شود.

امروزه دریافت شده است که جریانات سیال از بین درزهای استخوانی نیز موجب پدیده انتقال بار مکانیکی می­شوند و سلول­های استخوانی نیروهای خاص از این جریانات را به خوبی حس می­کنند. این یافته­ها، همچنین استئوسیت­ها را به­عنوان کاندیدای اول حسگر مکانیکی در استخوان معرفی می­کنند که به دلیل موقعیت مناسب آنها در ماتریس استخوانی و حساسیت بالای این سلول­ها به عبور جریانات سیال از میان غشاء آنها است (42).

Modeling.3

Remodeling.4

Minimal effective strain.1