Рассуждение о морфомеханике. 3.14.3 Влияние сил на форму и внутреннюю структуру тканей

  

3.14.3 Влияние сил на форму и внутреннюю структуру тканей

Изучение формы и внутреннего строения костей в связи с действующей на них нагрузкой приводит к мысли об организующем влиянии на костную ткань внутренних сил. Одними из первых обратили внимание на связь ориентации костных трабекул с действующими напряжениями F.O.Ward (1838) и J.Wyman (1857). G.M.Hamphry (1858) заметил, что линии костных балок пересекают друг друга под прямым углом и выходят на поверхность головки бедренной кости по направлению нормальному ее поверхности, то есть, параллельны нормальным напряжениям. Согласно траекториальной теории структуры кости, которую сформулировал K.Culmann (1866), линии трабекул соответствуют траекториям главных напряжений. Среди пионеров, исследовавших связь архитектуры кости, и ее напряженного состояния следует также назвать W.Roux и J.Wolff. Оба автора исследовали костную ткань, как в норме, так и при патологии. В частности J.Wolff (1892) показал, что при изменении внешних сил, действующих на кость, происходит трансформация архитектуры трабекул и внешней формы кости. Более поздние работы, выполненные уже в XX веке, только доказывали и уточняли выдвинутые ранее положения (Образцов И.Ф., Ханин М.А.,1989).

Расположения трабекул костной ткани под влиянием внутренних сил, подобно ориентации металлических опилок в магнитном поле. Костные балки выстраиваются так, что их длинные оси оказываются параллельны векторам внутренних сил и возникающих при этом напряжений, причем не только нормальных, но и касательных. Рассматривая микроанатомическое строение волокнистых тканей, может возникнуть мысли о наличии некого поля, ориентирующего и организующего костные пластинки, волокна соединительной ткани, волокнистых хрящей, фасциальных пластинок, а также миофибриллы, гиалиновые призмы, ячейки жировой ткани и другие элементы ОДА. Представляется, что влияние потоков внутренних сил на ткани всеобъемлюще вне зависимости от типа ткани образующую ту или иную структуру. Действительно, различия в балочной системе костей, ее изменения при тех или иных внешних воздействиях, отличия в толщине кортикального слоя, наличие выступов и вдавлений, явно результат действующих внешних и внутренних сил. Причем, для изменения формы кости, величина силы необязательно должна быть велика. Известно, что даже давление на кость нервов или сосудов, приводит к появлению канавок и борозд. Вместе с тем там, где к кости прикрепляются крупные мышечные группы или проходят мощные сухожилия, влияние на кость более выражено. Внешняя и внутренняя структура кости явно находится в некой зависимости от величины напряжения в ней.

Трабекулы губчатой кости как бы визуализируют в ней потоки внутренних сил. Однако возникает правомерный вопрос почему «материализуются» только главные напряжения, как, например, считают И.Ф.Образцов и М.А.Ханин (1989). В то же время известно наличие костных балок, не совпадающих с векторами главных напряжений, например поперечные трабекулы в проксимальном конце большеберцовой кости. Почему не «проявляются» эпизодические потоки внутренних сил величины, интенсивность которых порой могут быть значительна? От чего зависит плотность расположения костных балок или упаковки волокон в сухожилиях? Как на них влияет знак действующего напряжения? Все перечисленные вопросы настоятельно требуют своего разрешения.

Касательно знака действующего напряжения можно сказать, что реакция кости однотипна - трабекулы выстаиваются вдоль векторов внутренних сил. Костные балки состоят из костных пластинок образованных, в свою очередь, коллагеновыми волокнами, инкрустированными кристаллами апатита. Если инкрустация кристаллами при сжатии оправдана, так как увеличивается их осевая жесткость, то прочность при растяжении увеличивается незначительно. Отсюда можно сделать вывод, что не все известные воззрения на костную ткань правомерны. В частности, можно поставить под сомнение известный принцип, озвученный П.Ф.Лесгафтом в 1881 «…при наибольшей легкости она (костная система*) представляет собой наибольшую крепость» (Лесгафт П.Ф., 1968). Кстати, аналогичные выводы, но несколько позднее сделал W.Roux (1895) сформулировав свой закон максимума-минимума. Согласно этому закону, максимальная прочность кости достигается при минимуме затрат конструкционного материала (Образцов И.Ф., Ханин М.А.,1989). Для увеличения прочности на разрыв того или иного элемента ОДС вполне хватило бы увеличить число не оссифицированных волокон и не «тратить» энергию и массу на синтез кристаллов гидроксиапатита.

Действие растягивающих и сжимающих сил на кость, то есть различных по знаку напряжений, приводит к появлению неодинаковых по виду возмущений на поверхности кости. Растяжение костной ткани, например, за счет натяжения связок и сухожилий, приводит к, своего рода, вспучиванию кости. Появляются различного вида и формы выступы, бугры, отростки, гребни, бугристости. Отмечается зависимость - чем больше приложенное усилие, тем больше размеры костного выступа. Яркий тому пример большой и малый вертелы бедра.

Локальное сжатие кости вызывает появление на ее поверхности углублений. Подобные участки сжатия кости обнаруживаются в дистальных отделах лучевой и большеберцовой костей – следы давления проходящих здесь сухожилий. Необходимо отметить, что для появления на поверхности кости углубления необязательно действие значительной силы. Так известно наличие спиральной канавки на диафизе плечевой кости, связываемой с давлением лучевого нерва, которое не может быть столь же значительным как давление сухожилия. Можно предположить, что величина сжимающей нагрузки не столь значима для изменения формы поверхности как растяжение. Это вносит некоторую неясность в то, какое место принадлежит величинам действующих напряжений в определении формы кости. Однако, в любом случае изменения поверхности кости, ее формы, происходят в направлении приложенной к ней силы. С учетом всего выше сказанного, следует согласиться с И.Ф.Богоявленским (1976) указывавшим, что «форма, размеры, внутренняя структура, рельеф костей взрослых, в основном обусловлены функциональной деятельностью».

Кости, несмотря на их значительную видимую и ощущаемую жесткость и твердость, обладают высокой пластичностью, как в биологическом, так и физическом смысле. Действительно, внешняя форма костей зачастую указывает на их сжатие, растяжение, изгиб и даже скручивание. Представляется, что вполне уместно говорить о наблюдаемом иногда вязком течении костной ткани. Свойство пластичности, вязкого течения вообще, проявляется под влиянием длительно действующей нагрузки и характеризуется сохранением остаточной деформации после ее снятия. Думается, что именно свойство своеобразной «текучести» определяет способность изменения формы костей и их суставных поверхностей. Используя термин «текучесть», мы в большей степени обозначаем явление трансформации тканей, чем происходящее движение костного вещества. Строго говоря, костная ткань неподвижна, все наблюдаемые ее трансформации есть результат процессов синтеза и резорбции. Другое дело, что внешне изменение кости выглядит как ее пластическое деформирование. Мышцы - генерируя силу, принимают в этом процессе прямое, непосредственное участие.

---

* Пояснение наше - А.С.

««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