Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
3.3. Механические свойства костей скелета
Она ломается и разрушается, если поглощает слишком много энергии. Мягкие ткани абсорбируют намного больше энергии, но не разрушаются, так как более податливые. Нас, прежде всего, интересовал вопрос о биомеханических свойств кости с учетом ее анизотропии – неодинаковых механических свойств относительно продольной оси диафиза. Такая работа весьма важна, так как могут произойти дальнейшие нарушения целостности кости. Испытывали на сжатие образцы компактной костной ткани, выпиленные из средней трети диафиза бедренной кости мужчин, в продольном (0°) и поперечном (90°) направлениях в трех возрастных группах – 20–30, 40–50 и 70–80 лет. Образцы хранили в физиологическом растворе в замороженном состоянии. Минеральную плотность (МПК) образцов определяли на анализаторе минералов. В группе 40–50 лет МПК составляла 1,71 ± 0,09 г/см2, а в 70–80 лет – 1,58 ± 0,09 г/см2.
Параметрами биомеханических свойств служили предел прочности, модуль упругости, предел пропорциональности, относительные упругая деформация и разрушения. Учитывая, что кость является биологическим материалом, модуль упругости, предел пропорциональности и относительную упругую деформацию рассматривали как физиологические критерии, характеризующие скрытое деформационное состояние микроструктур кости до возникновения необратимых изменений, а предел прочности и относительную деформацию разрушения – как критерий перегрузки, так как выше предела пропорциональности появляются необратимые структурных изменения – фаза пластических деформаций. За счет их костная ткань приспосабливается к внешним воздействиям, изменяет структуру, форму и размер.
Анализ полученных данных показал, что снижение МПК в возрастной группе 70–80 лет на 8 ± 0,2 %, по сравнению с группой
40–50 лет, может приводить к серьезным изменениям как прочностных, так и деформационных свойств кости. В наибольшей мере изменялись модуль упругости (на 20 и 30 % соответственно для 0 и 90°) и относительная деформация разрушения (36 и 45 % для 0 и 90°). Предел прочности снижался на 15 и 18,6 % (для 0 и 90°), а относительная упругая деформация – на 10 и 16 %.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что снижение МПК в кости после 70 лет приводит к глубоким изменениям
механических свойств костной ткани. Снижение модуля упругости, предела пропорциональности и относительной упругой деформации свидетельствует о том, что область функциональных нагрузок (0о) на кость снижается. Существует непосредственная зависимость между модулем упругости, характеризующим жесткость материала, и пределом прочности. Однако, в указанных возрастных группах снижение модуля упругости и предела прочности не было прямопропорциональным. Можно предположить, что изменение биомеханических свойств кости с возрастом связано не только со снижением МПК, но и качественным изменением коллагена, костного связующего вещества – мукополисахаридов и структурными изменениями в кости.
В процессе исследований определялась также поглощенная костью энергия и выражалась на единицу объема (Jm–3) или площади (Jm–2). У лиц до 30 лет поглощенная энергия составляла 2,8∙104 Jm–2, а к 90 годам ее величина уменьшалась в 2,8 раза.
Из рассмотренных материалов вытекает такое заключение: наибольшие изменения биомеханических свойств возникали на поперечном направлении. Они указывали на то, что кость теряет способность противостоять действию нефункциональных нагрузок, что может быть причиной спонтанных переломов.
Проведено также изучение механических свойств лучевых костей у 28 до гибели практически здоровых женщин в возрасте 40–80 лет. Кости были тщательно освобождены от периоста. Содержание минеральных веществ определено методом двуфотонной абсорбциометрии. Измерения сделаны на расстоянии 1 см от лучезапястного сустава. До исследования механических свойств образцы держали в замороженном виде при температуре –15 °С. Нагружение производили со скоростью 50 мм в мин. Испытание продолжалось несколько секунд. С возрастом статическая прочность уменьшалась однонаправленно с величиной минеральных веществ. В 40 лет величина нагрузки составляла 5,6 кН, а 90 лет – 2,6. Эластичность при испытании на разрыв не зависела от возраста и количества минералов.
Изучены также механические свойства лучевой кости у 37 людей уже на расстоянии 3 см от лучезапястного сустава. Перед исследованием образцы выдерживали в физиологическом растворе (0,9 %) 24 часа, что приближало их к состоянию ин виво. Между 16 и 90 годами абсорбция энергии удара кортикальным слоем бедренной кости уменьшалась в 3 раза. Это обусловлено снижением минерализации.
В позвоночнике при величине МПК в L1, равной 0,680 ± 0,037 г/см2,
предел прочности составляет 3195 ± 221 H, в L2 при МПК 0,736 ± 0,035 г/см2 – 3642 ± 259 Н, в L3 – 0,789 ± 0,036 г/см2 – 4022 ± 326 Н, L4 – 0,962 ± 0,039 г/см2 – 4749 ± 331 Н. Механическая прочность трабекулярной кости позвонка в 20–25 лет составляет у мужчин 85,5 ± 6,5 Н/мм2, у женщин – 77,8 ± 4,7 Н/мм2. В 46–50 лет эта величина уменьшается у мужчин в 1,8 раза, у женщин – в 2,0 раза. В 56–60 лет прочность более быстрыми темпами уменьшается у женщин (в 4,7 раза) по сравнению с мужчинами (3,2 раза). Дальнейшие глубокие изменения происходят в 61–70 лет: у женщин прочность снижается в 6 раз, у мужчин – в 3,6 раза. У мужчин в 71–80 лет дальнейшего снижения не происходит, а у женщин продолжает снижаться до 7,5 раз.
Обсуждение материалов. В течение последних 20 лет ряд исследователей пытался судить о возрастных изменениях во всем скелете косвенно путем определения плотности минералов в лучевой кости, содержащей в диафизе 96 % компактного вещества и поэтому, как полагали, отражающей изменения МПК во всем скелете. Аналогичен он между содержанием МПК в осевом скелете и в пяточной кости
[5, 6]. При исследовании в пользу такого суждения было то, что коэффициент корреляции между весом минералов в золе и при измерении на денситометре оказался достаточно высоким [3, 4]. Сухой вес кости в 3 года составляет 60,5 %, в 30–40 лет – 66,5, в 90 лет – 62,5 %. Это указывает на увеличение порозности кости. Удельный вес (плотность) кости в 3 года составляет 1,92 кг/м–3, в 50 лет – 2,10. Затем очень медленно снижается. Причина этого проста – в молодые годы нарастает содержание минеральных веществ. Удалось установить также прямую зависимость механической прочности кости от содержания в ней МПК. Коэффициент корреляции между содержанием минералов и пределом прочности составлял 0,82–0,90. Поэтому считают, что по содержанию минералов можно косвенно судить о прочности кости.
Однако точно определить возрастные сдвиги позволил лишь метод двуфотонной абсорбциометрии, в частности, удалось выявить разный процент возрастного снижения МПК в ребрах, костях таза и позвоночнике. Метод может быть использовано для непрямого определения предельной величины их компрессионной прочности [9].
Исследованиями [10] показано, что механическая прочность трабекулярной кости позвонка в 14–19 лет составляет у мужчин 85,5 ± 6,5 Н/мм2, у женщин 77 ± 4,7 Н/мм2. В 40–49 лет эта величина уменьшается у мужчин в 1,8 раза, у женщин – в 2,0 раза. В 50–59 лет прочность быстрыми темпами уменьшается у женщин (в 4,7 раза) по сравнению с мужчинами (3,2 раза). Дальнейшие глубокие изменения происходят в 60–69 лет: у женщин прочность снижается в 6 раз, у мужчин – в 3,6 раза. У мужчин в 70–79 лет дальнейшего снижения не происходит, а у женщин продолжает снижаться до 8,0 раз [10].
До внедрения в практику метода двуфотонной абсорбциометрии определение суммарной величины минералов во всем скелете было возможно только с помощью метода нейтронно-активационного анализа. Эта аппаратура технически сложная, поэтому исследования проводились всего лишь в нескольких научных центрах мира.
Результаты проведенных нами исследований показали, что быстрее (в 21–25 лет) минерализация скелета завершается у женщин и у них раньше (в 41–45 лет) выявляются первые признаки уменьшения костной массы. В 50–60 лет основной причиной быстрого снижения минералов у женщин является изменение половой функции и ослабление двигательной активности. У мужчин максимальная суммарная величина минеральных веществ отмечена в 31–35 лет и остается на таком уровне до 55 лет.
Суммарная масса минералов в скелете негров выше, чем у белых людей. Статистически достоверное уменьшение МПКу обоих полов выявляется в возрасте 70 лет, причем у женщин суммарная величина минералов снижается в это время на 17 %, у мужчин – на 9 %. В этих условиях большое значение придается занятию физкультурой, так как отсутствие механической нагрузки на скелет служит одной из причин резорбции кости. При систематическом занятии спортом МПК в месте приложения усилия (позвоночник, нижняя треть голени – у балерин) может увеличиваться до 20 %.
Наиболее выраженное снижение МПК возникает в 80 лет в осевом скелете, особенно в позвоночнике. Следствием старческого остеопороза являются переломы, иногда неоднократные в течение одного и того же года. Поэтому определение абсолютной МП в скелете представляется особенно важным для оценки общей убыли МПК.
Модуль эластичности и прочности на растяжение начинают медленно уменьшаться после 45 лет. При сгибании показатель максимален до 30 лет, а затем снижается и способность кости поглощать энергию.
Интересные наблюдения сделаны о числе полостей указывающих на порозность кости, в различных возрастных группах мужчин. У детей 3 лет их число составляет 9 %, в возрасте 18–45 лет – 3 %, затем медленно увеличивается и в 90 лет достигает 12 %. В связи с этим различна и поглощенная энергия удара: у детей до 10 лет – 2–6∙104 Jm–2, а с 13 лет – 0,9∙104 Jm–2. У женщин кость более порозная [11, 12], а это ведет к уменьшению объема, в котором поглощается энергия. Поэтому снижается ударная энергия, в частности, в кортикальном слое бедренной кости. Энергия абсорбции ниже у очень молодых и очень старых людей. Изменение энергии удара на 40 % зависит от содержания минералов. Высокая минерализация уменьшает способность образца к поглощению энергии. Из этого вывод: большое содержание минералов уменьшает способность кости переносить пластическую упругую деформацию. Наряду с этим следует иметь ввиду, что содержание минералов также приводит к увеличению максимума давления и оба эффекта как бы компенсируют друг друга, но это не сказывается на суммарной величине абсорбированной энергии.