Компактное вещество костной ткани

Компактное вещество костной ткани является основной составляющей средних (диафизарных) отделов трубчатых костей, подвергающихся в процессе жизнедеятельности наибольшим силовым воздействиям. Для него характерна анизотропия упругих и прочностных свойств при различных видах деформаций, а также нелинейная зависимость между механическим напряжением и величиной деформации.

Анизотропия проявляется в существенной зависимости указанных свойств от направления нагружения, а нелинейность – некоторым снижением модуля упругости материала при повышении механического напряжения (опыты обычно проводятся при статическом нагружении).

При определении анизотропных свойств кости вводят определённую систему координат: ось Ох совмещают с направлением продольной оси кости, а Оy и Оz – с касательным и радиальным направлениями в плоскости, перпендикуляр-ной Ох.

На рис.13 приведены кривые, полученные при деформировании образца воздушно-сухой компактной костной ткани большеберцовой кости человека при растяжении вдоль осей О х (кривая 1), Оу (2) и О z (3). Эти кривые не совпадают между собой, что свидетельствует о различии механических свойств кости в указанных направлениях. Для большеберцовой кости взрослого человека характерные следующие средние значения модулей упругости в этих направлениях: Е₁ =18,35 ГПа, Е₂ =8,5 ГПа, Е₃ =6,9 ГПа, что свидетельствует о существенной анизотропии костной ткани. Причём вдоль продольной оси модуль упругости выше, чем в поперечных направлениях, примерно в 2 раза, тогда как различие в Е₂ и Е₃ невелико.

Модули сдвига G для кости тоже различны в этих направлениях и примерно в 3 - 4 раза меньше модулей упругости, а коэффициенты Пуассона m принимают значения в диапазоне 0,2 – 0,4.

В масштабах одной костной пластинки анизотропия механических свойств обусловлена определённой ориентацией коллаген-минеральных волокон. Макроскопические образцы кости анизотропны из-за упорядоченного расположения остеонов и других структур этого уровня.

Анизотропия разрушающих напряжений больше проявляется при растяжении, чем при сжатии или кручении.

При сжатии кости значение разрушающих напряжений значительно выше, чем при растяжении или кручении. Например, для образцов большеберцовой кости, вырезанных вдоль продольной оси, разрушающие напряжения при сжатии вдоль этой оси в среднем составляют 200 МПа, при растяжении – 12О МПа, при кручении – 90 МПа. Эти цифры иллюстрируют известное врачам-ортопедам положение: сжатие – менее опасный вид нагружения кости, чем растяжение и кручение.

Упругие и прочностные свойства кости неодинаковы в разных направлениях даже для одного и того же её поперечного сечения, поэтому часто используют их усредненные (средние) значения. Для продольного модуля упругости Е это иллюстрирует рис. 14, где схематически изображено поперечное сечение кости, разделенное на 6 зон, и угловые направления, соответствующие серединам этих зон. Величина модуля упругости откладывается по радиусам приведенной на рис.14 диаграммы. Видно, что для разных зон значение модуля упругости Е различно, поэтому кривая, характеризующая изменение модуля упругости по зонам поперечного сечения, существенно отличается от окружности. Указанную неоднородность упругих свойств кости следует учитывать прежде всего при подборе заменителей костной ткани для обеспечения их механической совместимости с естественной тканью. Вязкоупругое поведение костной ткани отчетливо проявляется в зависимости её механических характеристик от скорости деформации.

Например, при сжатии компактного вещества костной ткани человека вдоль продольной оси модуль упругости меняется от 15,1 ГПа при скорости деформации 0,001 с^-1 до 29,6 ГПа при скорости деформации 300с^-1.

Для компактного вещества кости экспериментально зафиксировано явление ползучести с последующим восстановлением после разгрузки (рис. 15). Причём при малых уровнях относительных механических напряжений (s₁/s_{1разруш.}, £ 0,3) деформация полностью исчезает после разгрузки, но при более высоких их значениях имеют место небольшие остаточные деформации.

Предполагают, что отмеченные временные эффекты в кости обусловлены вязкоупругими свойствами полимерных молекул коллагена, неупругостью связующего вещества между костными пластинками и наличием вязкой жидкости в костных канальцах и других полостях.

Механические свойства компактной костной ткани изменяются и с возрастом человека. В детском и юношеском возрасте, когда происходит рост костей, модули упругости и сдвига, а также разрушающие механические напряжения костной ткани возрастают, достигают максимума в возрасте 20–25 лет, а затем постепенно снижаются. Величины разрушающих деформаций изменяются иначе – они максимальны у новорожденных, затем резко снижаются до возраста 20-25 лет, а потом понижаются уже медленно.

Несомненный практический интерес представляет механическое поведение компактной костной ткани и при циклических нагрузках, ведь в обычных физиологических условиях кость чаще всего подвергается воздействию именно периодически изменяющихся нагрузок. При длительных циклических испытаниях важнейшей характеристикой любого материала является усталостная долговечность, которая определяется количеством циклов нагружения ткани до разрушения материала.

В экспериментах по циклическому изгибу образцов компактной костной ткани бедренной кости быка было установлено, что:

· при одном и том же уровне механического напряжения усталостная долговечность остается практически постоянной при частотах нагружения менее 30 Гц;

· с увеличением частоты нагружения выше 30 Гц происходит некоторый рост долговечности;

· с повышением уровня механического напряжения усталостная долговечность всегда снижается независимо от частоты нагружения.

Дата добавления: 2015-05-09