Рассуждение о морфомеханике. 1.2.18 Механические и физические свойства кости

1.2.18 Механические и физические свойства кости

Плотность сухого коллагена типа I 1.41, гидратированного 1.094, теоретическая плотность гидроксиапатита 3.1, практическая же 3.0 (Ступаков Г.П., Воложин А.И., 1989). При растяжении вдоль осей остеонов, по данным, которые приводит F.G.Evans (1957), прочность кости на разрыв составляет 10⁹ дин/см², а значение модуля Юнга согласно J.W.Smith, R.Walmsley (1959), 10¹¹ дин/см² (Александр Р., 1970). Согласно Rauber (1876) прочность свежей кости при компрессии 12.6-16.8 кг/мм², а на изгиб 9.2-12.4 кг/мм² (Беленький В.Е.,1960). По данным С.М.Перрена (1995) модуль Юнга для кости около 20 ГПа. Прочность губчатой кости на срез находится в пределах 0.6-6.0 Н/мм² (Гаврюшенко Н.С., 1994). В.М.Шаповалова и соавт. (1998) нашли модуль упругости влажной губчатой кости эпифизарных отделов, который составил 26–700 МПа.

Как следует из приведенных в таблице 1 данных, прочность губчатой костной ткани уменьшается с возрастом, причем меньше у женщин, чем у мужчин. 

Таблица 1

Механические свойства губчатой костной ткани (из Березовский В.А., Колотилов Н.Н., 1990)

Возраст / пол	Относительная продольная деформация	Предел прочности Нм-2
Мужчины 25-30 лет	1.38%	12.26
Мужчины 60-74 года	1.29%	6.08
Женщины 25-30 лет	1.34%	9.41
Женщины 60-74 года	1.28%	4.32

 

У взрослых плотность гидратированной губчатой костной ткани в среднем составляет 1.92, а гидратированной кортикальной костной ткани 1.99 (Березовский В.А., Колотилов Н.Н., 1990). По прочности и упругости кость напоминает металл, хотя ее удельный вес 1.93, что всего в 2 раза больше удельного веса воды (Жданов Д.А., 1979). Согласно В.Г.Елисееву (1972) удельный вес костной ткани 1.87. По данным S.C.Cowin (1990) он равен 2.

Упругие и прочностные свойства костной ткани определяются механическими свойствами коллагеновых волокон, кристаллов гидроксиапатита и связующего их вещества (Шаргородский В.С. и соавт., 1989). Кость лишенная минеральных компонентов теряет твердость, но сохраняет упругость и эластичность, а удаление из нее органической составляющей приводит к потере эластичности (Жданов Д.А., 1979).

«Жесткость диафизарного участка кости такова, что аксиальная нагрузка в 1000 Н вызывает укорочение кости лишь на 10 мкм (Млюллер М.Е. и соавт., 1996). Предел прочности при растяжении с возрастом уменьшается, так же как и показатели статического изгиба (Сиваш К.М., 1979). «Костная ткань характеризуется не только высокими механическими, но и ярко выраженными сверхэластическими свойствами» (Плоткин Г.Л., 1993). Согласно данным Carter, Hayes (1976) свойства костной ткани зависят не только от ее компонентов, но и от температуры и вывели соответствующую эмпирическую формулу. Прочность бедренной кости на изгиб 247 МПа, модуль Юнга 13.5 ГПа, минеральный остаток 67%, плотность 2.06×10³ кгм^-3. Механические свойства кости изменяются с возрастом, в первые 40 лет модуль эластичности и прочность на изгиб увеличиваются, также нарастает и минерализация (Currey J., 1984).

«Костная ткань выполняет в организме три важнейшие функции: механическую, защитную и метаболическую» (Рожинская Л.Я., 2000). Аналогичную точку зрения высказывает и S.C.Cowin (1990). Э.В.Руденко (2001) считает, что костная ткань выполняет защитную, метаболическую и кроветворную функцию.

Многочисленными работами по биологии кости H.M.Frost, в 60-х годах прошлого века, показал, что скелет, прежде всего механический орган, а не бассейн кальция (Martin R.B. et al., 1998). Подобного же мнения придерживается и автор этих строк. Думается основное назначение костной ткани состоит в формировании органов опоры и движения, выполнении механических функций, что и обеспечивается ее строением.

Костная ткань является композитным материалом (Ступаков Г.П., Воложин А.И., 1989; Омельяненко Н.П., Бутырина Г.М., 1994), обдающим анизотропными свойствами (Янковский В.Э. и соавт., 1991; Currey J.D., 1984). J.D.Currey (1962), предложил рассматривать костную ткань как двухфазную систему (Слуцкий Л.И., Севастьянова Н.А., 1971). Аналогичной точки зрения придерживаются и другие исследователи, которые как фазы кости рассматривают коллагеновые волокна и кристаллы гидроксиапатита (Образцов И.Ф., Ханин М.А., 1989). В то же время известно, что механические свойства костной ткани определяются свойствами коллагеновых волокон и кристаллов гидроксиапатита, как и связующего их вещества (Шаргородский В.С. и соавт., 1989). В качестве последнего выступают компоненты органического матрикса кости - белки, протеогликаны и гликозаминогликаны, соединяющие между собой клетки с неклеточными элементами, кристаллы с волокнами (Слуцкий Л.И., Севастьянова Н.А., 1986). Об определении механических свойств кости не двумя, а тремя компонентами ранее высказывались Camerson, R.A.Robinson (1958); Sheldon, R.A.Robinson (1961), изучавшие субмикроскопическую морфологию костной ткани (Корж А.А. и соавт., 1972).

Клетки костной ткани, располагаясь в микроскопических полостях – лакунах, находятся друг от друга на относительно больших расстояниях. Они контактируют лишь отростками, формируя щелевые контакты (Бойчук Н.В. и соавт., 1997). Лакуны и канальцы в костном матриксе занимают 8% объема (Ступаков Г.П., Воложин А.И., 1989). Формирование лакун связывают с уменьшением подвижности и синтетической активности остеобластов. Подобные клетки сначала формируют углубление на поверхности трабекулы, а затем создают своего рода крышу, замыкающую микрополость с клеткой внутри* (Докторов А.А., Денисов-Никольский Ю.И., 1983).

Вследствие своей разрозненности клеточные элементы костной ткани непосредственной механической функции не несут. Учитывая вышеприведенные данные, кость следует действительно рассматривать не как двухфазную, а как трехфазную систему. Ее упрочняющими компонентами являются волокна и кристаллы, а связующей – основное вещество. Входящие в состав костной ткани волокна более всего приспособлены к противодействию растягивающим нагрузкам, они практически индифферентны сгибанию и кручению. Будучи инкрустированы кристаллами гидроксиапатита, волокна приобретают дополнительные свойства осевой жесткости при сжатии, а также способность упруго деформироваться под действием изгибающих, сдвигающих и вращающих сил. Обретение новых механических качеств приводит к потере эластичности фибрилл, которые становятся хрупкими.

Ориентация фибрилл и кристаллов определяет соответствующие механические свойства кости такие как прочность, жесткость, твердость в зависимости от направления приложенных сил (Корж А.А. и соавт., 1972). Кристаллические включения оптимально адаптированы к сжимающим и срезающим нагрузкам. Увеличение размеров и концентрация кристаллитов в костной ткани сказывается на преобладании ее жесткости над эластичностью, и хрупкости над пластичностью. Подтверждением тому является увеличение размеров кристаллов костной ткани с возрастом, сочетающееся со снижением ее прочности (Подрушняк Е.П., Новохацкий А.И., 1983) и повышением хрупкости.

По данным А.В.Каплана (1977) обязательным симптомом старения является остеопороз. Вследствие чего истончается компактный слой, рассасывается губчатая ткань, увеличиваются ее ячейки, уменьшается толщина перекладин, снижается упругость и «крепость», увеличивается хрупкость кости.

«Атрофия костной ткани – закономерное явление в старости», костные балки истончаются, что приводит к разрежению губчатого и истончению компактного вещества (Дьяченко В.А., 1954), (Рис.1.24).

Не только изменения кристаллов кости приводит к сдвигам в ее механических свойствах, но и изменения ее волокнистой составляющей. Известно, что у пожилых отмечается общая дегенерация волокнистых структур и в то же время значительно уменьшается прочность кости на растяжение (Каплан А.В., 1977) обусловленная в большей мере наличием в составе кости коллагеновых фибрилл. Р.Р.Абдуллаев, Я.У.Саатов (1985) также отмечали изменение механических свойств костной ткани человека в различные возрастные периоды.

У пожилых лиц в костной ткани происходит изменение состава и перераспределение гликозаминогликанов, соотношения микроэлементов, отмечается массовая гибель костных клеток, увеличиваются кристаллы гидроксиапатита, уменьшается содержание минеральных веществ (Войтович А.В., 1999).

С возрастом отмечается изменения в коллагеновых фибриллах, в частности очаговое исчезновение их поперечной исчерченности (Подрушняк Е.П., Суслов Е.И., 1978). Изменениями со стороны коллагеновых волокон можно отчасти объяснить снижение прочности костной ткани.

Резкое уменьшение общего количества мукополисахаридов у лиц пожилого и старческого возраста отмечали Е.П.Подрушняк, Л.Р.Гонгадзе (1973). Это является одним из доказательств того, что белки и полисахариды являются важной компонентой костной ткани, без которых она становится хрупкой.

При старении наблюдается уменьшение межплоскостных расстояний в кристаллах гидроксиапатита (Подрушняк Е.П., Новохацкий А.И., 1983). С возрастом отмечается увеличение количества коллагена и уменьшение количества кислых мукополисахаридов (Подрушняк Е.П. и соавт., 1980). О постепенном снижении содержания гликозаминогликанов, по мере старения организма, сообщают также И.Ш.Акрамов и соавт. (1982), изучавшие органический матрикс проксимального отдела бедренной кости у пожилых.

Основное вещество кости скрепляет между собой ее упрочняющие компоненты, оно же ограничивает их взаимное смещение. Наличие большого количества основного вещества и уменьшение его вязкости, увеличивает мобильность составляющих любую ткань компонентов, не исключение костная ткань.

Представляя собой гель, основное вещество допускает небольшие перемещения других компонент костной ткани, что обуславливает ее эластичность и в то же время жесткость (Корж А.А. и соавт., 1972). Логично предположить, изменение механических свойств при недостатке отдельных составляющих основного вещества. Доказательство находим опять-таки в работах посвященных изучению особенностей строения костной ткани у лиц пожилого и старческого возраста. В частности, Е.П.Подрушняк и Л.Р.Гонгадзе (1973), обратили внимание на резкое уменьшение общего количества у них гликозаминогликанов и ослаблении связей между костными пластинками и волокнами, связывая, в том числе и с этим высокую частоту переломов упомянутой возрастной группы. По данным В.И.Бахметьева (1993) начиная с 30 летнего возраста, наблюдается хрупкий характер разрушения костной ткани.

Приведенные выше факты и рассуждения свидетельствуют о важной роли каждой из трех компонент кости. Не только качественные характеристики состава костной ткани определяют ее механические свойства, но и количественные - концентрация фаз композитного материала кости.

Механические характеристики кости зависят также от ее микроархитектоники и ориентации в ней волокнистых структур. Именно в соответствии с данными признаками костная ткань подразделяется на зрелую и незрелую. Незрелая кость отличается большей долей клеток, протеогликанов и гликопротеидов, высокой концентрацией кальция. Она представлена двумя типами - сетчатой и грубоволокнистой, в первой из которых волокна расположены в различных направлениях, а в последней они в виде толстых пучков лежат параллельно друг другу (Хэм А., Кормак Д., 1983). Незрелая костная ткань формируется при заживлении переломов. Замечено, что ее прочность непостоянна и увеличивается с течением времени и степени минерализации (Никитенко Е.Т. и соавт., 1975). Одновременно с ростом кристаллов костного регенерата образуются и коллагеновые волокна (Чиркова А.М., Ерофеев С.А., 1994). По всей видимости этим и объясняется низкий модуль упругости первичной костной мозоли 1000–1200 кгс/см², повышающийся при костном сращении (Пуритис Ю.П., Янсон Х.А., 1974).

Незрелая костная ткань, присутствующая у эмбриона и плода, почти вся преобразуется в зрелую – пластинчатую. Ее главное отличие – особая организация межклеточного вещества в виде пластинок, соединенных между собой особым образом. Коллагеновые волокна костных пластинок лежат параллельно друг другу, причем в соседних пластинках, волокна имеют иное, почти перпендикулярное направление (Гистология..., 1972).

Из пластинчатой костной ткани построено компактное и губчатое вещество большинства костей скелета. Компактное вещество образовано остеонами, имеющими форму цилиндров, стенки, которых составляют концентрически расположенными костными пластинками. Между остеонами имеются области пластинчатой костной ткани с неправильным строением – вставочные пластинки. Остеоны и вставочные пластинки отделяются основным веществом костной ткани. Губчатое вещество состоит из взаимосвязанных костных пластинок с отверстиями. Трабекулярное строение обеспечивает большую механическую прочность при относительно небольшой массе, «наиболее толстые и мощные трабекулы располагаются в направлении наибольших механических нагрузок» (Ревелл П.А., 1993).

Диафиз трубчатой кости, это одна из наиболее прочных ее частей, он сформирован компактным веществом. Остеоны диафиза ориентированы параллельно длинной его оси (Гистология..., 1972). В этом же направлении диафиз испытывает наибольшую нагрузку. Таким образом, как губчатое, так и компактное костное вещество хорошо приспособлены к противодействию сжимающим нагрузкам.

---

* Думается, что образование микрополости (лакуны) есть результат стимуляции деятельности костной клетки, которая активизируется при повышении напряжения или его концентрации. Более подробно о физическом «смысле» микрополостей в кости речь пойдет ниже.

««назад || СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ || вперед»»

                                                                     

Автор:

Архипов С.В. – С.В. Архипов-Балтийский является псевдонимом, который использовался до начала 2006 года с целью более точной дифференцировки на научном поле.

Цитирование:

Архипов-Балтийский СВ. Рассуждение о морфомеханике. Норма. В 2 т. Т. 1. Гл. 1-4. - Испр. и доп. изд. Калининград, 2004. [aleph.rsl.ru]

Архипов-Балтийский СВ. Рассуждение о морфомеханике. Норма. В 2 т. Т. 2. Гл. 5-6. - Испр. и доп. изд. Калининград, 2004. [aleph.rsl.ru]

Примечания:

Первая крупная публикация автора, посвященная морфомеханике живых систем, биомеханике пояса нижних конечностей и связки головки бедра, ligamentum capitis femoris (LCF).

Ключевые слова

ligamentum capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, анатомия, морфомеханика, биомеханика

СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Биомеханика и морфомеханика