На протяжении многих лет механические свойства костной ткани, а также механизмы, лежащие в основе их изменений при различных заболеваниях, представляют значительный научный и медицинский интерес [5, 10, 11]. Знание этих механизмов позволяет детальнее углубиться в процессы патогенеза заболеваний опорно-двигательной системы человека, что открывает новые перспективы в вопросах профилактики и лечения такой патологии, как остеоартроз крупных и мелких суставов, асептический некроз костей и многих других [5, 10, 3]. Кроме того, исследование механических свойств костей необходимо для улучшения качества материалов, применяемых при оперативном лечении травм и заболеваний опорно-двигательного аппарата. Все внутренние фиксаторы и эндопротезы, используемые в остеосинтезе и при ортопедических операциях, должны обладать свойствами, максимально близкими по своим характеристикам человеческим костям [2, 5].
Значительная часть исследований направлена на изучение зависимости механических свойств костной ткани от состояния её на микроструктурном уровне [2, 4, 6, 9, 13]. Учитывая увеличение количества пожилого населения во всем мире, большое внимание уделяется вопросам изменения внутренней структуры кортикальной и губчатой кости в зависимости от возраста и при различных заболеваниях, таких как остеоартроз, ревматоидный артрит, остеопороз и т.п. [3, 10, 15].
Большая часть прямых (разрушающих) исследований, проводимых в области биомеханики костей, используют в качестве материала образцы, взятые у животных. Как правило, это бычьи [15], свиные, мышиные [7, 9], обезьяньи кости и т.д. Часть опытов проводится на биопсийном материале, взятом у человека. Однако чаще всего в таком случае образцы тканей берутся из гребня подвздошной кости, которая не является нагружаемой частью скелета, поэтому полученные в результате подобных исследований данные не в полной мере отражают состояние свойств костей из нагружаемых зон [6]. Также существенным недостатком значительной части аналогичных исследований является то, что материал, используемый в эксперименте, являлся высушенным. Однако известно, что характеристики сухого костного материала существенно отличаются от кости, не подвергавшейся высушиванию. Так, Dempster W.T. и Liddicoat R.T. в 1952 году экспериментально доказали, что высушивание кости увеличивает её прочность и модуль упругости при сжатии и растяжении на 25–30 % [8]. Проводимые в последние годы исследования также подтверждают высокую значимость гидратного слоя костной ткани в механизмах, определяющих механические свойства кости в физиологических условиях [3]. Эти данные показывают необходимость исследования образцов костной ткани, не подвергнутых высушиванию.
В [12] приведен обзор различных источников и отмечено, что здоровая губчатая ткань имеет следующие средние значения механических свойств при сжатии: модуль Юнга вдоль волокон составляет 600–1050 МПа, поперек волокон 375–600 МПа; предел прочности вдоль волокон 16–22 МПа, поперек волокон 7–13 МПа. Однако эти данные достоверны лишь при условии достаточно высокой условной плотности материала. В зарубежной литературе часто используют понятие «apparent density» (условная плотность), в зависимости от которой значения упругих и прочностных характеристик костной ткани рассчитываются математически. Данные о прочности костной ткани, полученные экспериментальным путём, имеются лишь в отношении высушенной компактной кости и относительно модуля Юнга имеют довольно широкий разброс значений в пределах от 427 МПа до 22 ГПа [1, 2, 3], а предела прочности 60–80 МПа [2]. При этом в эксперименте на высушенной компактной кости доказана разница значений поперёк (4,2–9,9 ГПа) и вдоль (8,7–16,5 ГПа) костных трабекул [2]. Это подтверждает данные об анизотропии костной ткани и, как следствие, предполагает аналогичные свойства для губчатой костной ткани, также имеющей в основе строения костную балку, пространственно ориентированную, как и в компактной кости, вдоль линий напряжённости.
Принимая во внимание всё вышесказанное, становится очевидным, что при проведении эксперимента необходимо учитывать анизотропию костной ткани и проводить испытания относительно оси нагрузки (вдоль её и поперёк) данного сегмента кости [1, 2, 15].
Несмотря на это, ряд учёных принимает губчатую костную ткань за изотропный материал [14], что также показывает неоднозначность и недостаточную изученность механических свойств костной ткани в норме и особенно при различных заболеваниях опорно-двигательного аппарата.
Целью настоящей работы явилась экспериментальная оценка прочностных характеристик губчатой кости головки бедра (предел прочности и модуль упругости), пораженной коксартрозом или асептическим некрозом (АНГБ), с учетом ее анизотропных свойств.
Материалы и методы исследования
Для оценки прочностных характеристик губчатой кости мы использовали головки бедренных костей, полученные в результате операции тотального эндопротезирования тазобедренного сустава у пациентов с диагнозами «Идиопатический коксартроз 3 стадии», «Диспластический коксартроз 3 стадии» (по Н.С. Косинской), «АНГБ». Длительность заболеваний составляла в случае коксартроза 8 лет ± 3 года, а в случае АНГБ – 24 ± 6 месяцев.
Исследование выполнялось с соблюдением требований Хельсинской Декларации об экспериментах на материале, изъятом у человека.
Всего было отобрано 17 головок (табл. 1), которые сразу после удаления помещались в физиологический раствор, где находились в среднем 3 часа ± 45 минут, при комнатной температуре.
Головки распиливались фронтально на 2 части. Далее цилиндрической фрезой диаметром 9,5 мм из симметричных участков обеих частей головки вырезались образцы вдоль и поперёк предполагаемого хода костных трабекул (рис. 1).
Всего было получено 93 образца костной ткани (49 – поперёк костных трабекул и 44 – вдоль).
Для исследования они помещались в испытательную машину типа ИР 5057-50, предназначенную для проведения экспериментов на растяжение и сжатие материалов (рис. 2). Нагружение осуществлялось с помощью пресса путём приложения силы вдоль оси образца. Данные фиксировались при помощи блока измерения силы и блока измерения перемещений, что позволило определить величину, на которую возможно деформировать костный фрагмент до появления грубых изменений его структуры, и силу, которую необходимо для этого приложить.
Таблица 1
Характеристика экспериментального материала
|
Заболевания |
Число головок бедра |
Число образцов костной ткани |
Средняя длительность течения заболевания (гг.) |
Среднее время экспозиции в физ.растворе (ч) |
|
Идиопатический коксартроз |
10 |
64 |
8,7 |
3 |
|
Диспластический коксартроз |
3 |
18 |
6 |
2,3 |
|
АНГБ |
4 |
11 |
2 |
3,1 |
Рис. 1. Схема забора образца костной ткани:1 – бедренная кость; 2 – удаление головки бедренной кости (a-линия среза); 3 – уровни забора образцов вдоль (b) и поперёк(c) костных трабекул; 4 – готовый образец
Рис. 2 Схема работы испытательной машины
В ходе исследования были получены следующие данные:
1. Максимальное изменение длины образца в зоне упругих деформаций (ΔL).
2. Значение максимальной нагрузки в зоне упругости (Pупр).
3. Значение максимальной нагрузки, которую способен выдержать образец без разрушения (Pпр).
4. Тип разрушения образца.
Рассмотренный подход позволил провести оценку прочностных характеристик губчатой кости человека с наиболее распространенными заболеваниями тазобедренного сустава c учётом анизотропии кости.
Результаты исследования и их обсуждение
Эксперименты показали, что значения нагрузки, соответствующей пределу упругости и пределу прочности, практически одинаковые. При этом разрушение образцов костной ткани при сжатии во всех случаях сопровождалось образованием трещин под углом 45°, что соответствует характеристикам хрупких материалов. Наблюдаемый характер разрушения, соответствующий характеристикам хрупкого материала, также соответствует данным литературы [2].
Ниже приведены таблицы (табл. 2, 3, 4), отражающие результаты проведённого эксперимента.
Таблица 2
Результаты исследования образцов костной ткани поперек костных трабекул при коксартрозе
|
№ п/п |
L (мм) |
Pупр (Н) |
∆L (мм) |
Е (МПа) |
№ п/п |
L (мм) |
Pупр (Н) |
∆L (мм) |
Е (МПа) |
|
1 |
13,0 |
60 |
1,0 |
11,0 |
23 |
16,3 |
400 |
0,8 |
115,0 |
|
2 |
8,5 |
110 |
1,2 |
11,0 |
24 |
17,2 |
860 |
0,2 |
1044,0 |
|
3 |
11,5 |
690 |
1,0 |
112,0 |
25 |
16,9 |
530 |
0,4 |
316,1 |
|
4 |
14,0 |
750 |
1,0 |
148,2 |
26 |
15,2 |
490 |
0,2 |
525,6 |
|
5 |
13,5 |
450 |
0,6 |
142,9 |
27 |
13,2 |
270 |
0,2 |
251,5 |
|
6 |
10,1 |
530 |
0,7 |
107,9 |
28 |
17,0 |
670 |
0,7 |
229,7 |
|
7 |
14,0 |
340 |
0,8 |
84,0 |
29 |
11,0 |
330 |
0,7 |
73,2 |
|
8 |
16,1 |
430 |
0,8 |
122,1 |
30 |
18,0 |
110 |
0,7 |
39,9 |
|
9 |
14,5 |
150 |
1,4 |
21,9 |
31 |
12,0 |
340 |
1,0 |
57,6 |
|
10 |
16,4 |
160 |
0,2 |
185,2 |
32 |
16,0 |
480 |
0,7 |
154,9 |
|
11 |
16,4 |
610 |
0,1 |
1412,1 |
33 |
11,0 |
20 |
0,2 |
15,5 |
|
12 |
16,1 |
420 |
0,2 |
477,2 |
34 |
17,0 |
190 |
0,5 |
91,2 |
|
13 |
16,7 |
250 |
1,2 |
49,1 |
35 |
13,5 |
80 |
0,8 |
19,1 |
|
14 |
16,9 |
450 |
0,4 |
268,4 |
36 |
9,0 |
220 |
0,4 |
69,9 |
|
15 |
18,5 |
1070 |
0,3 |
931,4 |
37 |
14,0 |
170 |
0,6 |
56,0 |
|
16 |
17,1 |
1520 |
0,2 |
1834,4 |
38 |
12,0 |
40 |
0,4 |
16,9 |
|
17 |
14,8 |
760 |
1,0 |
158,8 |
39 |
12,5 |
72 |
0,7 |
18,1 |
|
18 |
14,8 |
270 |
0,4 |
141,0 |
40 |
14,5 |
430 |
0,6 |
146,7 |
|
19 |
14,8 |
660 |
0,3 |
459,6 |
41 |
14,0 |
880 |
0,5 |
347,8 |
|
20 |
14,8 |
580 |
0,3 |
403,9 |
42 |
15,0 |
300 |
0,5 |
127,0 |
|
21 |
13,0 |
230 |
1,2 |
35,2 |
43 |
12,0 |
590 |
0,7 |
142,8 |
|
22 |
18,0 |
790 |
0,1 |
2007,2 |
44 |
11,0 |
990 |
0,9 |
170,8 |
Образцы, взятые у пациентов с коксартрозом, имели значение модуля упругости поперёк волокон Е = 421 ± 105 МПа больше, чем вдоль Е = 330 ± 88 МПа (p < 0,05). Аналогичная картина просматривается и для показателя предела прочности [σ] = 36,2 ± 4 МПа поперёк волокон и [σ] = 27,7 ± 4 МПа вдоль соответственно (p < 0,05).
Образцы, взятые у пациентов с асептическим некрозом, имели значение предела прочности поперёк ([σ] = 46,9 ± 11,1 МПа) волокон также больше, чем вдоль ([σ] = 34,1 ± 8,3 МПа), а значение модуля упругости приблизительно одинаковым (Е = 140 ± 31 МПа против Е = 155 ± 30 МПа, p < 0,05).
Полученные характеристики губчатой кости во всех образцах отличались от свойств нормальной кости и были различны при коксартрозе и АНГБ. При изучении анизотропных свойств кости мы ожидали получить более высокие прочностные характеристики вдоль оси предполагаемого хода трабекул, однако в результате эксперимента этого не обнаружено. В случае коксартроза данные результаты могли получиться, на наш взгляд, в результате структурной дезорганизации костной ткани и перестройки костной архитектоники. Длительность течения коксартроза во всех случаях превосходила время естественной адаптивной перестройки костной ткани, которая проходила в условиях длительного существования фиксированной сгибательно-приводящей контрактуры. Это, в свою очередь, изменяло нормальное распределение линий напряженности в головке бедра, приближая их к горизонтальной плоскости, одновременно с этим происходила структурная дезорганизация губчатой кости из-за образования кист, формирования экзостозов и прочих процессов естественного течения дегенеративного заболевания.
Таблица 3
Результаты исследования образцов костной ткани вдоль костных трабекул при коксартрозе
|
№ п/п |
L (мм) |
Pупр (Н) |
∆L (мм) |
Е (МПа) |
№ п/п |
L (мм) |
Pупр (Н) |
∆L (мм) |
Е (МПа) |
|
1 |
14,1 |
120 |
0,7 |
34,1 |
20 |
16,9 |
210 |
0,1 |
500,9 |
|
2 |
1,7 |
250 |
0,6 |
10,0 |
21 |
17,2 |
730 |
0,2 |
886,1 |
|
3 |
16,5 |
410 |
0,8 |
119,4 |
22 |
16,9 |
270 |
0,3 |
214,7 |
|
4 |
19,0 |
830 |
0,7 |
318,0 |
23 |
18,0 |
340 |
1,0 |
86,4 |
|
5 |
11,5 |
840 |
0,6 |
227,3 |
24 |
16,0 |
540 |
0,7 |
174,2 |
|
6 |
8,5 |
800 |
0,9 |
106,6 |
25 |
18,0 |
550 |
0,7 |
199,6 |
|
7 |
17,8 |
280 |
0,7 |
100,5 |
26 |
17,0 |
180 |
0,9 |
48,0 |
|
8 |
12,0 |
570 |
0,7 |
137,9 |
27 |
17,5 |
360 |
0,9 |
98,8 |
|
9 |
13,8 |
190 |
0,3 |
123,4 |
28 |
15,5 |
220 |
0,4 |
120,3 |
|
10 |
14,2 |
90 |
0,2 |
90,2 |
29 |
18,0 |
390 |
0,5 |
198,2 |
|
11 |
13,0 |
110 |
1,0 |
20,2 |
30 |
18,5 |
500 |
0,5 |
261,1 |
|
12 |
17,5 |
270 |
0,7 |
95,3 |
31 |
16,0 |
210 |
0,6 |
79,0 |
|
13 |
15,1 |
880 |
0,1 |
1875,6 |
32 |
16,0 |
350 |
0,6 |
131,7 |
|
14 |
16,3 |
180 |
0,2 |
207,1 |
33 |
16,0 |
1360 |
0,6 |
511,9 |
|
15 |
13,1 |
520 |
0,2 |
480,8 |
34 |
18,0 |
1050 |
0,6 |
444,6 |
|
16 |
15,0 |
300 |
0,1 |
635,2 |
35 |
16,0 |
370 |
0,5 |
167,1 |
|
17 |
13,9 |
390 |
0,2 |
382,6 |
36 |
16,0 |
220 |
0,6 |
82,8 |
|
18 |
11,7 |
210 |
0,4 |
86,7 |
37 |
13,0 |
320 |
0,7 |
83,9 |
|
19 |
17,0 |
170 |
0,2 |
204,0 |
38 |
15,0 |
210 |
0,6 |
74,1 |
Таблица 4
Результаты исследования образцов костной ткани при АНГБ
|
поперек |
вдоль |
||||||||
|
№ п/п |
L (мм) |
Pупр (Н) |
∆L (мм) |
Е (МПа) |
№ п/п |
L (мм) |
Pупр (Н) |
∆L (мм) |
Е (МПа) |
|
1 |
14,9 |
620 |
0,6 |
217,3 |
1 |
18,0 |
270 |
0,5 |
137,2 |
|
2 |
10,8 |
1030 |
1,5 |
104,7 |
2 |
17,8 |
190 |
0,8 |
59,7 |
|
3 |
10,0 |
600 |
1,0 |
84,7 |
3 |
12,0 |
950 |
0,7 |
229,9 |
|
4 |
11,5 |
1270 |
0,8 |
257,7 |
4 |
12,8 |
380 |
0,7 |
98,1 |
|
5 |
10,0 |
220 |
0,5 |
62,1 |
5 |
19,0 |
390 |
0,7 |
149,4 |
|
6 |
20,5 |
710 |
0,8 |
256,8 |
|||||
Изменения, обнаруженные при исследовании образцов ткани, поражённой АНГБ, на наш взгляд, возникли в результате разрушения (спрессовывания) костных балок в поражённом участке кости. Такой механизм деструктуризации приводит к потере какой-либо организации костной ткани в данном участке кости, что, в свою очередь, приводит к утрате анизотропных свойств.
Выводы
Таким образом:
1) при исследовании изменения прочностных характеристик губчатой кости головки бедренной кости при коксартрозе и АНГБ обнаружено, что тип разрушения образцов во всех случаях аналогичен типу разрушения хрупкого материала;
2) анизотропные свойства при коксартрозе и АНГБ отличаются друг от друга и от здоровой кости;
3) выявлено снижение прочности костной ткани во всех образцах по сравнению с непоражённой костью;
4) при коксартрозе модуль упругости и предел прочности поперёк волокон превышал значение данного параметра вдоль волокон;
5) при асептическом некрозе головки бедра выявлено отсутствие анизортопности кости.
В ходе дальнейших исследований планируется продолжение оценки прочностных характеристик костной ткани в жидкой среде по описанной методике, а также с вовлечением новых, не разрушающих экспериментальный материал методов.
Рецензенты:
Гильфанов С.И., д.м.н., доцент кафедры травматологии, ортопедии и ВПХ с курсом ИПДО, ГБОУ ВПО «Ярославская государственная медицинская академия» Министерства здравоохранения Российской Федерации, г. Ярославль;
Королева С.В., д.м.н., профессор кафедры гражданской защиты и управления в чрезвычайных ситуациях, ФГБОУ ВПО «Ивановский институт государственной противопожарной службы» Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, г. Иваново.
Работа поступила в редакцию 21.06.2013.