Сегодня: 12.12.2018
PDA | XML | RSS
 
 





Реклама от Google

Биомеханические и материаловедческие свойства костной ткани

Как уже нами было сказано, кость может рассматриваться как двухфазный вязкотекучий композитный материал, в котором одна фаза представлена минералом, а другая - коллагеном и основным веществом. В таких материалах, как, например, стекловолокно или железобетон, твердый компонент окружен менее прочным, но более гибким материалом. При этом общие комбинированные свойства такого композита всегда прочнее, чем у любого из этих веществ, взятых по отдельности (Bassett, 1965).

Эпифизы длинных трубчатых костей состоят из губчатой ткани, переходящей в области суставных поверхностей в хрящевую ткань, и содержат минимальное количество компактного вещества. При этом общая масса костной ткани существенно больше, чем в диафизарной части кости. Такая структура позволяет увеличить площадь, на которую приходится сочленение соседних костей, и уменьшает удельную нагрузку на единицу площади сустава. Как отмечают многие авторы, переход от диафиза к эпифизу соответствует такой фигуре как галтель, что исключает концентрацию напряжения в какой-либо отдельной точке и распределяет, рассеивает силовые напряжения на большую площадь (Nordin, Frankel, 1991; Mow, Wilson, 1991).

Для обеспечения оптимального уровня сжимающего и минимального - растягивающего напряжения, вектор основных нагружающих кость сил должен быть направлен вдоль ее анатомической оси. Удельный вес компактного вещества кости находится в пределах 1,8-2,0 г/см3, прочность на сдвиг составляет от 5,05 до 11,8 кГ/мм2. Модуль Юнга колеблется от 1,38х103 до 1,94х103 кГ/ мм2. Поглощенная энергия при нагрузках составляет для трубчатых костей около 50-60 кГ/мм3, в тоже время как пластическая деформация невелика - 0,16-0,02%. Анализ костной ткани на циклическую усталость свидетельствуют о том, что она способны выдержать 1х106 до 3х106 циклов при амплитуде напряжения 3,5 кг/мм2 (Nordin, Frankel, 1991; Mow, Wilson, 1991).

Опыты по ударному внедрению в кость показали, что максимальное значение секущего модуля составило 1,8x103 кг/ мм2, а разрушающее напряжение равно 27,5 кг/мм2. В то же время, кость - очень динамическая структура. Весь ее плотный слой пронизан каналами и полостями, заполненными клетками-остеобластами, остеокластами и другими элементами, которые составляют около 15% веса компактной кости. В ней постоянно происходят процессы разрушения и восстановления костной ткани, обусловливая динамическое равновесие, активный обмен веществ и перестройку ткани, в соответствии с изменяющимися факторами физической нагрузки (Nordin, Frankel, 1991; Mow, Wilson, 1991).

Механические свойства двух типов костей различны. Кортикальная кость более жесткая, чем губчатая, выдерживает большее напряжение, но меньшую относительную деформацию до разрыва. Губчатая кость in vitro не ломается, пока относительная деформация не превысит 75%. Кортикальная кость разрушается, когда относительная деформация превышает 2%. Благодаря своей пористой структуре губчатая кость имеет большую способность к поглощению энергии (Carter, Hayes, 1976).

Биомеханические характеристики кортикальной и губчатой костей представлены на рисунке. Вариации жесткости отражаются в различных наклонах кривых в области упругости. Испытание кортикальной кости показало, что кость не является по своему поведению линейно упругой, но отчасти течет в зоне упругости.

Биомеханические характеристики (растяжение) кортикальной и трабекулярной костей при нагрузке

Биомеханические характеристики (растяжение) кортикальной и трабекулярной костей при нагрузке


Иными словами, все живые ткани, включая костную, помимо прочности имеют специфическую эластичность и не подчиняются закону Гука. В результате этого они обладают способностью не разрушаться при существенных (более 10%) деформациях в условиях многократных нагружений и восстанавливать исходную форму после устранение нагрузки, в то время как большинство металлических или керамических материалов не выдерживают деформации более 1-2%.

Эластичность живых тканей проявляется в широком диапазоне значений деформаций. При этом в них слабо возрастают или даже остаются постоянными напряжения. Это явление получило название гистерезис (Гюнтер и др., 1992, 1998).

С теоретических позиций, все материалы, используемые в качестве имплантатов в АВФ, должны быть совместимы по биомеханическим параметрам, т.е. их способность к деформации должна приближаться к характеристикам костной ткани. В какой-то мере этим требованиям отвечает ряд полимеров и эластичных материалов с памятью формы. Тем не менее, в реальной практике пока не найдено техническое решение данной проблемы.

Для травматологов и ортопедов наиболее важными свойствами кости являются ее прочность и жесткость.

К сожалению, следует констатировать, что способность к регенерации костной ткани учитывается только в единичных работах при рассмотрении ее биомеханических свойств.

Качество материалов оценивается механическими, физическими и технологическими свойствами.

Первые два характеризуют технические свойства материала, а последнее условие - воздействия на него.

Эти и другие характеристики лучше всего могут быть поняты для кости или любого другого вещества изучением его поведения при воздействии нагрузки, растягивающего напряжения, относительного сжатия или удлинения, определением таких его переметров, как ударная вязкость, твердость, предел прочности при статическом изгибе, предел текучести и ряда других параметров.


Некоторые механические характеристики костной системы (Li, 1993)


Ткань Направление нагрузки Модуль упругости Прочность на растяжение Прочность на сжатие
    (ГПа) (МПа) (МПа)
Бедро Продольное 17,2 121 167
Большеберцовая кость Продольное 18,1 140 159
Малоберцовая кость Продольное 18,6 146 129
Плечевая кость Продольное 17,2 30 132
Лучевая кость Продольное 18,6 149 114
Локтевая кость Продольное 18 148 117
Шейные позвонки Продольное 0,23 3,1 10
Поясничные позвонки Продольное 0,16 3,7 5
Губчатая кость Продольное 0,09 1,2 1,9
Кости черепа Тангенциальное - 25 -
Кости черепа Радиальное - - 97


Однако в реальной жизни провести прямые измерения достаточно сложно.

К результатам, полученным на изолированных костях, нужно относиться с определенными поправками, т.к. при этом, как правило, нарушается структурно-анатомическая целостность и физиологические свойства ткани. Тем не менее, испытания с нагрузкой отдельной кости могут дать важную информацию о ее биомеханических свойствах. Если нагрузка прикладывается к структуре в известном направлении, то деформация этой структуры может быть измерена и нанесена на кривую «нагрузка-деформация». Изучив эту кривую, можно получить много данных о прочности, жесткости и других механических свойствах структуры кости.


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики


Комментировать:
Имя:

Сообщение:


Похожие статьи:

Возрастные особенности опорно-двигательного аппарата человека

Категории: Свойства костной ткани, Структура и клеточные элементы,
Значение опорно-двигательного аппарата. К опорно-двигательному аппарату относятся мышцы и кости. Скелет выполняет опорную, защитную функции, функцию движения, кроветворения и участвует в обмене веществ,..

Строение и виды костной ткани

Категории: Свойства костной ткани, Структура и клеточные элементы,
Костная ткань представляет собой весьма совершенную специализированную разновидность тканей внутренней среды. В этой системе гармонично сочетаются такие противоположные свойства, как механическая..