Рассуждение о морфомеханике. 1.2.19 Морфомеханика костной ткани

1.2.19 Морфомеханика костной ткани

Кость — это высоко динамическая ткань, непрерывно приспосабливающаяся к физиологической и механической среде изменениями своего состава и микроскопической архитектуры. Более того, кости способны ощущать механические нагрузки, изменяющие их структуру (Martin R.B. et al., 1998). Так замечено, что в губчатой костной ткани «…самые толстые трабекулы располагаются по силовым направлениям механических нагрузок», а в остеонах компактной кости пластинки образующие остеоны располагаются по ходу действующей силы (Рис.1.25). Компактная костная ткань формирует диафизы трубчатых костей и «…окружая губчатую костную ткань, придает ей структурную целостность» (Руденко Э.В., 2001).

Костные пластинки образуют неоднородную анизотропную пространственную структуру костей. Они практически постоянно находятся под влиянием внешних нагрузок, вызывающих в костях появление потоков внутренних сил, выражающихся напряжениями. Математическое моделирование напряженного состояния костей демонстрирует наличие в них строго определенных по знаку (растяжении, сжатие) и направлению напряжений. Исследованиями W.C.Hayes et al. (1982) показано, что общая ориентация трабекул костей соответствует траекториям главных напряжений. Однако зависимость расположения трабекул от действующих напряжений была обнаружена еще в прошлом веке и отражена в работах F.O.Ward (1838), J.Wyman (1857), G.M.Humphry (1858), K.Culmann (1866), W.Roux (1885), G.Wolff (1870, 1892). Последним из перечисленных авторов было даже сформулировано положение о трансформации архитектуры трабекул под влиянием сил, действующих на кость (Образцов И.Ф., Ханин М.А., 1989). Трансформация трабекул происходит путем их ремоделирования, что обеспечивается клетками костной ткани (Рис.1.26).

Современные исследования показали, что не только губчатая кость способна к перестройке, под влиянием нагрузок, но и компактная (Бойчук Н.В. и соавт., 1997). Вставочные пластинки, являющиеся остатками «старых» остеонов, и есть доказательство протекающей перестройки компактной кости, изменения ориентации и положения остеонов (Рис.1.27). Внешняя форма костей также подвержена изменению под влиянием внешних нагрузок, в качестве иллюстрации можно привести расчеты, которые выполнил F.Pauwels (1965) по отношению к локтевой кости (Образцов И.Ф., Ханин М.А., 1989). Кроме формы и микроархитектоники кости, под влиянием механических сил, происходит также изменение ее химического состава (Корж А.А. и соавт., 1972).

Костная ткань, составляя основную часть скелета, выполняет, прежде всего, механическую функцию. В соответствии с особенностями анатомии и условиями функционирования, кости подвергаются действию различных видов нагрузок - сжимающих, растягивающих, скручивающих, изгибающих и срезающих. Исходя из внешней формы кости, до некоторой степени, можно судить о преобладании того или иного вида нагрузок в конкретной области кости. В частности, тела позвонков преимущественно сжаты и имеют форму цилиндров, шейка бедра изогнута, будучи ассиметрично нагружена параллельно оси диафиза, лопатка прижата к грудной клетке и как бы распластана прикрепленными к ней мышцами.

В соответствии с величинами и направлениями действующих нагрузок, кость имеет особенности своего внутреннего устройства. Диафизы костей преимущественно нагружены вдоль своей длинной оси, в этом же направлении действует основная сжимающая и/или растягивающая нагрузка, в соответствии с этим диафизы имеют вид полых стержней из компактной костной ткани.

Таранная кость сжата, но направление сжимающей силы не постоянно, например, в акте ходьбы, что отражается на ее «конструкции», имеющий вид тела сложной формы, армированного в разных плоскостях. Лопатка плотно прижата к грудной клетке и растягиваема почти во всех направлениях мощными мышечными группами, по данной причине означенная кость плоская и построена из прочной компактной ткани.

Однако высокие значения воздействующих сил не вызывают в костях существенных деформаций. По данным И.В.Кинетиса и соавт. (1980), при средней функциональной активности человека относительное изменение объема костной ткани под действием сжатия – растяжения составляет 0.04%, а при максимальных нагрузках достигает 0.1% (Стецула В.И. и соавт., 1983). Причина этого в особых механических характеристиках костной ткани. Удельная прочность губчатой костной ткани тел позвонков у людей молодого возраста 38.81–1.97 кгс/см², а у пожилых 23.23–1.08 кгс/см² (Подрушняк Е.П., Новохацкий А.И., 1983), что существенно меньше удельной прочности компактной кости. Прочностные характеристики костной ткани находятся в зависимости от направления действующей нагрузки. По данным Reilly et al. (1974), Reilly, Burstein (1975), при продольном сжатии, прочность кости была меньше, чем при поперечном, а при растяжении в этих же направлениях, наоборот (Martin R.B. et al., 1998). Исследования указанных авторов иллюстрируют общеизвестную анизотропию костной ткани. Так как строение кости отвечает характеристикам действующих в них внутренних сил, можно с определенной долей уверенности судить об их величинах по тому, какой вид пластинчатой костной ткани компактная или губчатая расположена в рассматриваемой области.

Подводя итог обсуждению отличительных особенностей костной ткани, следует указать на то, что, несмотря на постоянство формы костей на протяжении всей жизни, их внутренняя структура очень динамична и изменчива под влиянием внешних сил. Порождаемые ими в костях внутренних сил, наряду с некоторыми другими факторами, выступают в роли организаторов их формы и строения. Видимое постоянство формы из данного типа тканей обманчиво, поистине «все течет, все меняется» и кость не исключение.

««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