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/мм 2 . Модуль Юнга колеблется от 1,38х10 3 до 1,94х10 3 кГ/ мм 2 . 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 1х10 6 до 3х10 6 циклов при амплитуде напряжения 3,5 кг/мм 2 (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/мм 2 . 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
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 |