|
|
11. Твердые ткани
(приводится по тексту:
Регирер С.А. Биомеханика. Обзор. Ин-т механики МГУ. Москва. 1990. - 71c.)
Нет нужды специально разъяснять функцию костей - их роль как несущих и защищающих конструкций общеизвестна. Механические повреждения костей (переломы) достаточно распространены, и нетрудно понять практические истоки интереса биомехаников к кости. Однако, как мы увидим далее,
кость обладает весьма интересными физическими свойствами, изучение которых преследует цели, далеко выходящие за рамки узко-прикладных задач.
Некоторые основы жизни костной ткани остаются загадкой для физиологов и биомехаников. Одна из таких загадок - организация массопереноса в кости, в том числе движения крови и тканевой жидкости, которые обеспечивают надлежащее протекание процессов роста и перестройки.
В этом разделе мы будем рассматривать свойства костной ткани подробно, основываясь на изложенных ранее сведениях о костных клетках (разд.5). Кроме того, мы обсудим свойства
некоторых других твердых тканей.
Форма и строение костей человека и животных отличаются
большим разнообразием. Например, в скелете человека есть
трубчатые (длинные) кости конечностей, плоские кости черепа,
короткие кости - позвонки. Особенности механических свойств
костей, как и соответствующие различия в составе, согласованы
с конкретной физиологической ролью. Например, кости, служащие
для передачи звуковых колебаний (в слуховом аппарате; см.
раздел 14), имеют высокую плотность и степень минерализаций,
большой модуль упругости, чем обеспечивается большая скорость
упругих волн и хорошее их отражение от границ раздела с
другими тканями. Кости конечностей обладают наибольшими
разрушающими напряжениями.
Все типы костей имеют много общих черт, которые далее
рассматриваются на примере компактного вещества трубчатых
костей - одного из наиболее важных объектов исследований в
биомеханике.
Кость есть орган, образованный костной тканью, содержащий
внутри костный мозг, снаружи покрытый надкостницей, а в местах
подвижного соединения с другими костями - хрящом. На
распилах кости можно увидеть два вида костного вещества -
компактное и губчатое, резко различающиеся своей структурой.
В длинной трубчатой кости различают тело -
диафиз и суставные концы - эпифизы, которые утолщены и
покрыты суставным хрящом. На границе диафиза и эпифиза
располагается слой эпифизарного хряща, за счет которого
происходит рост кости в длину и к которому
примыкают метафизы. В эпифизах и прилегающих к нему
участках кости сконцентрировано губчатое вещество. Основная
часть диафиза состоит из компактного вещества (кортекса).
Костный мозг располагается в костномозговой (медуллярной)
полости. Снаружи кость окружена надкостницей или
периостом, a изнутри - эндостом; периост и эндост
представляют собой соединительнотканные оболочки.
Материал кости в области расположения компактного или
губчатого вещества включает в себя кровеносные и
лимфатические сосуды, нервы, костный мозг и т.д. и костную
ткань, в которую все эти структуры погружены. Для большинства
биомеханических задач можно не проводить строгого
разграничения между костной тканью и материалом кости в
целом.
Собственно костная ткань состоит из костных пластинок
(ламелл), образующих пористую структуру. В
некоторых порах (лакунах) находятся костные клетки, по
гаверсовым и фолькмановым каналам проходят кровеносные
сосуды. Все пластинки пронизаны мельчайшей сетью канальцев
(до 10 см), соединяющих лакуны и служащих для питания
"замурованных" в них клеток (в порах находится свободная
жидкость). Поры губчатой кости содержат также костный мозг.
Клетки составляют 1--2% от всего объема костной
ткани (до 20 лакун на 1 мм); остальной объем занят порами
и каналами (для компактной кости пористость составляет 13-18%,
для губчатой она выше), и твердой фазой - органическими
и минеральными составляющими костных пластинок.
Органическая составляющая (4-50%) твердой фазы) в
основном представлена коллагеном, молекулы которого собраны в
волокна, имеющих определенную ориентацию в пределах костной
пластинки. Минеральная составляющая (50-60% твердой фазы)
- преимущественно гидроксиапатит {Ca_{10}(PO_4)(OH)_2},
а также другие соли кальция. Кристаллы гидроксиапатита
размещены между коллагеновыми волокнами.
Форма и расположение костных пластинок в значительной
мере упорядочены. Так, в глубине компактной кости вокруг
гаверсовых каналов образуются остеоны - системы
концентрически расположенных, в 5-20 рядов, костный
пластинок с различной ориентацией коллагеновых
волокон.
Костная ткань, таким образом, в основном состоит из
внеклеточного вещества. Костные клетки поддерживают и обновляют
его состав. Клетки, называемые остеобластами, продуцируют
внеклеточное вещество, тогда как другие клетки - остеокласты -
его разрушают, делая растворимым и доступным для вымывания
циркулирующими в кости жидкостями (см.разд.5).
Потребности практической медицины стимулируют изучение, в
первую очередь, механических свойств кости - упругости,
вязкости и прочности при различных видах нагрузки.
Соответствующие данные находят применение при решении таких,
например, вопросов, как выбор хирургической тактики в скреплении
отломков кости и заживлении перелом, создание протезов и т.п.
Разработка неразрушающих методов измерений, выяснение тонких
механизмов жизнедеятельности кости и создание новых способов
воздействия на кости требуют исследования электрических свойств
кости, в частности, пьезоэлектрического эффекта, присущего ей,
как и всем коллагеновым тканям (в пьезоэлектрических
материалах механические напряжения приводят к возникновению
электрического поля - см.разд. 11).
Распространенность механических повреждений (переломов)
костей столь велика, что уже одним этим вполне оправдывается
интерес биомехаников к костным тканям и вообще к механике костей
как элементов опорно-двигательного аппарата (см.разд.20,21).
Однако костная ткань обладает весьма богатыми физическими
свойствами, изучение которых далеко выходит за рамки прикладных
задач.
Самое примечательное свойство костной ткани, известное
еще физиологам прошлого века --- способность изменять свой
минеральный состав и скорость роста в зависимости от приложенных механических напряжений [5; 17-т. 2, с. 5-37; 26; 72-с. 3-142]. Последние десятилетия принесли многочисленные подтверждения этому на основе медицинских наблюдений, наблюдений в условиях космического полета и специально поставленных экспериментов с количественными измерениями. При обсуждении гипотез о механизмах управления ростом в костной ткани рассматривались и всевозможные электрические эффекты в качестве посредника между механической нагрузкой и собственно ростовыми процессами; другим потенциальным посредником считают движение внеклеточной жидкости в порах кости. Обе гипотезы имеют частичное экспериментальное подтверждение, причем первая из них интенсивно и с успехом используется на практике - в электрической стимуляции заживления переломов [17-т. 2, с. 103-131; 26,139,140]. Существуют попытки построить модель костной ткани с учетом ростовых явлений; некоторые из таких моделей дают качественно удовлетворительные предсказания, но в целом эта важнейшая теоретическая задача еще далека от разрешения (см. разд. 30).
Другой объект из класса твердых тканей, который привлекает внимание (хотя и существенно меньшее) биомехаников - эмаль и дентин, из которых построены зубы [10; 14; 19-с. 32-52].
Сфера практических приложений механики костной ткани очевидна - это травматология и ортопедия; известны также успешные приложения в ветеринарии, животноводстве и звероводстве (см. например [17-т.4,с.184-190]. В отличие от мягких тканей, для костей, зуба и т. п. важно изучение их термоупругих свойств, поскольку, например, тепловое расширение должно быть согласовано с тепловым расширением протеза. Оно имеет значение также и для возникновения болевых ощущений.
Добавим в заключение этого раздела, что единичные, но вполне обстоятельные исследования предпринимались в отношении панцыря черепахи, когтей, рогов, копыт различных животных, раковин моллюсков и других твердых биологических материалов [29].
|
