Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Кукин И.А. 1 Кирпичёв И.В. 1 Маслов Л.Б. 1 Вихрев С.В. 1

---

1 ОБУЗ «Ивановский областной госпиталь для ветеранов войн»

Проведена экспериментальная оценка прочностных характеристик губчатой кости головки бедра, поражённой коксартрозом и асептическим некрозом, не подвергнутой высушиванию и с учётом анизотропных свойств костной ткани. Для эксперимента использовался материал, полученный в результате операции тотального эндопротезирования тазобедренного сустава (головка бедренной кости), который от момента получения и до эксперимента находился в жидкой физиологичной среде. Из полученного материала брались образцы костной ткани, испытание которых проводилось методом сжатия. По полученным результатам рассчитывались модуль Юнга и предел прочности, а также определялся характер деформации (способ разрушения) образца. В результате работы было обнаружено, что при таких заболеваниях тазобедренных суставов, как коксартроз и асептический некроз головки бедренной кости, происходит снижение прочностных характеристик в разной степени для каждого из заболеваний. Кроме того, при коксартрозе происходит изменение анизотропных свойств костной ткани (изменение направления линий напряжённости кости), а при асептическом некрозе головки бедра происходит потеря её анизотропных свойств.

Статья в формате PDF

373 KB

коксартроз

асептический некроз головки бедра

механические свойства

прочность

модуль Юнга

предел прочности

анизотропия

1. Абросимов В.Г. Механические свойства костей, некоторые особенности обмена металлов с биологической средой, анализ конструктивных особенностей имплантов // Вопросы реконструктивной и пластической хирургии. – 2008. – № 3(26). – С. 32–40;

2. Аврунин А.С. Механизм жесткости и прочности кости в норме и при старении организма. Наноуровневая модель // Гений Ортопедии. – 2008. – № 3. – С. 59–66.

3. Акулич Ю.В. Биомеханика адаптационных процессов в костной ткани нижней конечности человека: автореф. дис. ... д-ра физ.-мат. наук. – Саратов, 2011. – 37 c.

4. Арсеньев Д.Г., Зинковский А.В., Маслов Л.Б. Эффективные упругие характеристики анизотропной модели пористого биологического материала, насыщенного жидкостью // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. – 2008. – № 3 (59). – С. 230–236.

5. Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика: учеб. для сред, и высш. учеб, заведений. – М.: Изд-во ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. – 171 c.

6. Путляев В.И. Современные биокерамические материалы // Соросовский образовательный журнал. – 2004. – т. 8, № 1. – С. 44–50.

7. Augat P. The role of cortical bone and its microstructure in bone strength / Augat P., Schorlemmer S. // Age and Ageing. – 2006. – 35-S2: ii27–ii31.

8. Buie H.R. Reduced bone mass accrual in swim-trained prepubertal mice / H.R. Buie, S.K. Boyd // Med Sci Sports Exerc. – 2010 Oct. – № 42 (10). – Р. 1834–42.

9. Dempster W.T. Compact bone as a non-isotropic material / W.T. Dempster, R.T. Liddicoat // Am. J. Anat., 91, 1952.

10. Kristensen E. Microarchitecture, but Not Bone Mechanical Properties, Is Rescued with Growth Hormone Treatment in a Mouse Model of Growth Hormone Deficiency // International Journal of Endocrinology, vol. – 2012, Article ID 294965, 10 p., 2012. doi:10.1155/2012/294965.

11. Martel-Pelletier J. Is osteoarthritis a disease involving only cartilage or other articular tissues? / J. Martel-Pelletier, J.P. Pelletier // Eklem Hastalik Cerrahisi. – 2010. – № 21. – Р. 2–14.

12. Olson S.A. Designing a biomechanics investigation: choosing the right model // J Orthop Trauma. – 2012 Dec. – № 26(12). – Р. 672–7.

13. Van Duijn C.J. Analyses of Trabecular Bone Failure: PhD Thesises. – 2006, Eindhoven, The Netherlands. – 97 p.

14. Wirtz D.C., Schiffers N., Pandorf T., Radermacher K., Weichert D., Forst R. Critical evaluation of known bone material properties to realize anisotropic FE-simulation of the proximal femur / Journal of Biomechanics. – 2000. – Vol. 33. – № 3. – P. 1325–1330.

15. Wolff J. Über die innere Architektur der Knochen und ihre Bedeutung für die Frage vom Knochenwachstum// Archiv für pathologische Anatomie und Physiologie und für.klinische Medizin, Virchows Archiv –1870. – Vol. 50. – P. 389–453.

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

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

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

Таблица 4

Результаты исследования образцов костной ткани при АНГБ

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.

Библиографическая ссылка