25.07.2023

Исследование механических свойств костной ткани

Изучение прочностных свойств трабекулярной кости области вертлужной впадины в зависимости от возраста и пола пациентов позволяет создать теоретическую основу для разработки костнозамещающих конструкций

ВВЕДЕНИЕ

При хирургических вмешательствах на тазобедрен­ном суставе актуальной является проблема восстанов­ления дефектов костной ткани в области вертлужной впадины для обеспечения стабильной фиксации тазо­вого компонента эндопротеза и адекватного остеосин­теза при травме [1-4].

Проблема возрастного остеопороза, а также сниже­ние качества кости в результате тяжелых соматических и системных заболеваний соединительной ткани оста­ется актуальной для травматологов-ортопедов. Низкий модуль упругости костной ткани существенно ограни­чивает врача в выборе остеозамещающих материалов, эндопротезов, фиксаторов для остеосинтеза [5-7]. Из­учение усредненных механических показателей проч­ности кости пациентов в зависимости от возраста и пола позволяет создать теоретическую основу для разработки как индивидуальных костнозамещающих конструкций, так и для проектирования производства таких медицин­ских изделий в промышленных масштабах [8, 9].

Точка максимального напряжения является харак­теристикой, определяющей максимальную нагрузку, которую кость способна выдержать без разрушения. Модуль Юнга характеризует жесткость материала при упругой деформации. Чем образец жестче, тем боль­шую нагрузку нужно приложить к нему, чтобы его деформировать. Величина упругой деформации опре­деляет, насколько можно деформировать образец без необратимых изменений в его микроструктуре [10]. Все перечисленные характеристики следует учитывать при разработке материалов (титан, керамика) для за­мещения дефектов трабекулярной (губчатой) костной ткани с целью недопущения перифокальной резорбции кости по причине более высоких значений механиче­ских свойств искусственных материалов в сравнении с костью пациента [11-14].

Цель настоящего исследования - определить ме­ханические характеристики костной ткани надацетабулярной области у лиц разных возрастных групп.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Набор материала осуществлялся на базе патологоа­натомического отделения МАУ ЦГКБ № 24 г. Екатерин­бурга. Исследование одобрено локальным этическим комитетом Уральского государственного медицинского университета (протокол № 9 от 22.10.21). Критерием включения являлся соответствующий задачам иссле­дования возраст, критерием исключения - наличие тяжелой патологии тазобедренного сустава (коксар­троз 3-4 стадии). Исследовался кадаверный материал 60 лиц обоего пола: 20 - молодого возраста (от 18 до 44 лет), 20 - среднего возраста (от 45 до 59 лет) и 20 - пожилого возраста (от 60 до 74 лет). Разделение по воз­расту проводилось по классификации ВОЗ. В исследо­вание был включен материал 13 мужчин и 7 женщин молодого возраста, 11 мужчин и 9 женщин среднего возраста, 9 мужчин и 11 женщин пожилого возраста.

Из надацетабулярной области при помощи остео- тома извлекались фрагменты костной ткани размером примерно 3 ^х 3 ^х 1,5 см. Из данных фрагментов при помощи корончатой фрезы изготавливались по три образца цилиндрической формы диаметром 6 мм и высотой 9 мм. Фрезу ориентировали перпендикуляр­но суставному хрящу. Поверхности сжатия заготовок шлифовали алмазным диском до достижения их пло- скопараллельности. 

Размеры костных цилиндров из­меряли микрометром (погрешность 0,01 мм). Процесс подготовки образцов представлен на рисунке 1.

Все образцы подвергались одноосному сжатию со скоростью нагружения 1мм/мин. Направление при­ложения силы соответствовало физиологической на­грузке кости данной локализации. Эксперимент осу­ществлялся с помощью разрывной/испытательной машины Shimadzu AG-X50kN (Япония). При проведе­нии исследований нижняя площадка испытательной машины остается неподвижной, напряжение создает­ся движением верхней плиты с заданной постоянной скоростью.

Статистический анализ данных проводился в про­грамме Statistica 8.0. Нормальность распределения признаков оценивалась с помощью критерия Колмо­горова-Смирнова. 

Проверка результатов определения модуля упругости, максимального напряжения и упру­гой деформации с использованием данного критерия выявила отсутствие нормальности распределения полученных данных как при изучении материала лиц мужского пола, так и женского. В связи с этим исполь­зовались непараметрические критерии: для определе­ния значимости различий между группами применя­ли критерий Краскела-Уоллиса, попарное сравнение групп проводили с помощью критерия Манна-Уитни.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Данные, полученные при определении механических свойств костной ткани надацетабулярной области групп, представлены в таблице 1.

Сравнение образцов лиц мужского пола молодого, среднего и пожилого возраста по величине упругого модуля, максимального напряжения и упругой дефор­мации не выявило возрастных различий ни по одному из механических показателей.

В материале женщин разных возрастных групп не выявлено значимых различий при определении мак­симального напряжения и модуля упругости. В то же время при множественном сравнении групп были об­наружены существенные различия по величине упру­гой деформации. Проведение дальнейшего парного сравнения групп показало наличие статистически зна­чимых различий по данному показателю в образцах женщин молодого и пожилого возраста.

Под воздействием сжимающих нагрузок не наблю­далось разрушения образца на отдельные фрагменты. Происходило его постепенное расплющивание с умень­шением высоты и увеличением диаметра. При этом снижение высоты происходило неравномерно по всему объему: наиболее значимые изменения произошли в верхней части образца, ближе к поверхности (рис. 2, 3).

В молодой и средней возрастной группе различия между мужской и женской костью по механическим свойствам не выявлены. В пожилом возрасте мужская кость значительно превосходит женскую по жесткости (упругий модуль значимо выше). Костная ткань жен­щин пожилого возраста легче деформируется, но обла­дает большей способностью к восстановлению своей первоначальной формы, чем мужская костная ткань (величина упругой деформации значимо выше).

Деформационная кривая показывает зависимость напряжения в костной ткани от величины деформации. На данном графике, составленном для трабекулярной костной ткани надацетабулярной области при одноос­ном сжатии, наблюдается участок, характеризующий упругие свойства кости (линейный участок). Далее следует значительный участок, где деформация носит необратимый характер. При этом на данном участке происходят незначительные периодические колебания напряжения в кости (рис. 4, 5).

Приведенные выше закономерности в механиче­ском поведении образцов характерны как для мужской кости, так и для женской.

ОБСУЖДЕНИЕ

Поскольку костная ткань неоднородна по своим основным компонентам (органический матрикс и ми­нералы), взаимосвязь между механическими свойства­ми на местном тканевом уровне и общей стойкостью к разрушению трудно поддается количественной оцен­ке [15, 16]. Предполагаемые детерминанты механиче­ского поведения костной ткани включают ориентацию коллагена, профиль сшивки коллагена, степень мине­рализации или соотношение минералов к матрице, свя­занную воду и минеральную структуру. Однако такие свойства как прочность и ударная вязкость, по данным Hart N.H., Nimphius S., Rantalainen T., Ireland A. et al. (2017), зависят от объемных характеристик пористости и способа соединения органических и неорганических компонентов костной ткани между собой [17].

Механические свойства кости на тканевом уровне, по результатам исследований Nyman J.S., Granke M., Singleton R.C. et al. (2016) и Morgan E.F., Unnikrisnan G.U., Hussein A.I. (2018), зависят от уль­траструктурной организации коллагеновых фибрилл типа I, наполненных полукристаллическим карбони­зированным гидроксиапатитом, а не от микроскопиче­ской пористости (каналы Гаверса) [18, 19]. Kokot G., Makuch A., Skalski K. et al. (2018) высказали интерес­ную гипотезу о том, что модуль упругости кости на тканевом уровне и некоторые другие механические параметры определяются генетически и практически не изменяются с возрастом или при остеопорозе [20].

Таким образом, биомеханическое взаимодействие (напряженно-деформированное состояние) костной ткани и имплантата зависит как от структурных пара­метров кости, определяемых возрастом, состоянием здоровья и генетическими особенностями пациента, так и от характеристик материала имплантата, в част­ности, от его модуля упругости. 

Напряжения в костной ткани нелинейно возрастают при увеличении толщи­ны кортикального слоя, его минеральной плотности и при уменьшении модуля упругости имплантата. 

Де­формационная способность биомеханической системы «кость - имплантат» возрастает при уменьшении тол­щины и минеральной насыщенности кортикального слоя, модуля упругости имплантата [21, 22, 23]. Индивидуальный подбор упругого модуля остеозамещаю­щего материала для пациента должен осуществляться в зависимости от анатомической локализации дефекта кости.

При одинаковых параметрах образцов нативной кости механические параметры существенно различа­ются в различных участках как одной и той же кости, например, бедренной, так и в разных сегментах ске­лета [24, 25]. В работах М.В. Гилева и соавторов по­казано, что при механическом воздействии на костные участки плато большеберцовой кости, дистального эпиметафиза лучевой кости и суставных поверхно­стей пяточной кости происходят изменения на всех структурных уровнях ее организации. Различные по интенсивности и вектору приложения силы нагрузки, согласно закону Вольфа, формируют уникальный хи­мический состав и взаимоотношение элементов белко­вой матрицы и кристаллов минералов в составе кости. Микроархитектоника кости в конкретном сегменте опорно-двигательного аппарата определяет характер перелома и вероятность возникновения дефекта кост­ной ткани [26, 27].

При проектировании и отборе остеозамещающих материалов рекомендуется использовать следующие характеристики: модуль упругости, размер пор, предел прочности [28, 29, 30]. Пористая структура импланта­тов с градиентной плотностью позволяет кости вра­стать в него. При использовании материала с похожим на костную ткань человека градиентом структуры, обеспечивающим близкие к параметрам кости механи­ческие свойства, вероятность успешной остеоинтегра­ции повышается. Это объясняется более интенсивным механическим воздействием градиентного имплантата на окружающую кость, чем воздействие однородного материала. При этом механическое напряжение в си­стеме «кость - градиентный имплантат» не превышает физиологические значения, которые возникают в не­поврежденной кости. При описанных выше условиях снижается вероятность возникновения явления экра­нирования напряжения на стыке материала и кости, что способствует предупреждению асептической не­стабильности имплантата [31, 32].

ВЫВОДЫ

1. Механические характеристики костной ткани на- дацетабулярной области колеблются в небольшом диа­пазоне значений.

2. У лиц мужского пола механические характери­стики значимо не изменяются в зависимости от воз­раста. У женщин с возрастом статистически значимо увеличивается величина упругой деформации. Макси­мальное напряжение и упругий модуль у женщин раз­ного возраста изменений не показали.

3. В молодом и среднем возрасте костная ткань мужчин и женщин не отличается по механическим свойствам. В пожилом возрасте у мужчин костная ткань более жесткая, у женщин в пожилом возрасте кость лучше восстанавливает свою форму после на­грузки.

4. Костная ткань надацетабулярной области при сжимающих нагрузках способна к частичному восста­новлению формы после снятия нагрузки. Высокая по­ристость кости обусловливает необратимое изменение ее формы путем послойного уплотнения и разрушения микроструктуры без распада на отдельные фрагменты.

5. Установленные значения модуля упругости, макси­мального напряжения и упругой деформации могут служить ориентирами при подборе остеозамещающих материалов для замещения дефектов костной ткани надацетабулярной области пациентам различных возрастных групп.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Расчетное исследование прочности эндопротеза из материала с градиентной ячеистой структурой / В.Ш. Суфияров, А.В. Орлов, А.А. По­пович, М.О. Чуковенкова, А.В. Соклаков, Д.С. Михалюк // Российский журнал биомеханики. 2021. Т. 25, № 1. С. 64-77.

2. Impaction grafting of the acetabulum with ceramic bone graft substitute mixed with femoral head allograft: high survivorship in 43 patients with a median follow-up of 7 years: a follow-up report / M.R. Whitehouse, PJ. Dacombe, J.C. Webb, A.W. Blom // Acta Orthop. 2013. Vol. 84, No 4. P. 365-370. DOI: 10.3109/17453674.2013.792031.

3. Среднесрочные результаты ревизионного эндопротезирования тазобедренного сустава с использованием ацетабулярных аугментов / А.А. Корыткин, Я.С. Новикова, К.А. Ковалдов, С.Б. Королёв, А.А. Зыкин, С.А. Герасимов, Е.А. Герасимов // Травматология и ортопедия России. 2019. Т. 25, № 1. С. 9-18. DOI: 10.21823/2311-2905-2019-25-1-9-18.

4. The effects of revision total hip arthroplasty on Medicare spending and beneficiary outcomes: implications for the comprehensive care for joint replacement model / L. Koenig, C. Feng, F. He, J.T. Nguyen // J. Arthroplasty. 2018. Vol 33, No 9. P. 2764-2769.e2. DOI: 10.1016/j.arth.2018.05.008.

5. Relating mechanical properties of vertebral trabecular bones to osteoporosis / R. Cesar, J. Bravo-Castillero, R.R. Ramos, C.A.M. Pereira, H. Zanin, J.M.D.A. Rollo // Comput. Methods Biomech. Biomed. Engin. 2020. Vol. 23, No 2. P. 54-68. DOI: 10.1080/10255842.2019.1699542.

6. Medial acetabular wall breach in total hip arthroplasty - is full-weight-bearing possible? / F. Mandelli, S. Tiziani, J. Schmitt, C.M.L. Werner, H.P Simmen, G. Osterhoff // Orthop. Traumatol. Surg. Res. 2018. Vol. 104, No 5. P. 675-679. DOI: 10.1016/j.otsr.2018.04.020.

7. Двухэтапное реэндопротезирование тазобедренного сустава при обширном дефекте костной ткани вертлужной впадины (случай из прак­тики) / В.В. Павлов, И.В. Кирилова, М.В. Ефименко, В.А. Базлов, Т.З. Мамуладзе // Травматология и ортопедия России. 2017. Т. 23, № 4. С. 125-133. DOI: 10.21823/2311-2905-2017-23-4-125-133.

8. Механосенситивность различных клеток: возможная роль в регуляции и реализации эффектов физических методов лечения (обзор) / Ю.П. Потехина, А.И. Филатова, Е.С. Трегубова, Д.Е. Мохов // Современные технологии в медицине. 2020. № 4. С. 77-90.

9. Моделирование микроокружения мезенхимных стволовых клеток как перспективный подход к тканевой инженерии и регенеративной медицине (краткий обзор) / И.А. Хлусов, Л.С. Литвинова, К.А. Юрова, Е.С. Мелащенко, О.Г. Хазиахматова, В.В. Шуплецова, М.Ю. Хлу- сова // Бюллетень сибирской медицины. 2018. Т. 17, № 3. С. 217-229.

10.    Гаврюшенко Н.С., Батраков С.Ю., Баламетов С.Г. Сравнительная характеристика механико-прочностных свойств углеродного нанострук­турного имплантата и нативной кости // Вестник Смоленской государственной медицинской академии. 2020. Т. 19, № 1. С. 108-115.

11.    Micro-CT based finite element modelling and experimental characterization of the compressive mechanical properties of 3-D zirconia scaffolds for bone tissue engineering / E. Askari, I.F. Cengiz, J.L. Alves, B. Henriques, P. Flores, M.C. Fredel, R.L. Reis, J.M. Oliveira, F.S. Silva, J. Mesquita- Guimaraes // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2020. Vol. 102. P. 103516. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2019.103516.

12.    Chahal S., Kumar A., Hussian F.S.J. Development of biomimetic electrospun polymeric biomaterials for bone tissue engineering. A review // J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 2019. Vol. 30, No 14. P. 1308-1355. DOI: 10.1080/09205063.2019.1630699.

13.    Defektadaptierte azetabulare Versorgung mit der Trabecular-Metal-Technologie / G.I. Wassilew, V. Janz, C. Perka, M. Muller // Orthopade. 2017. Vol. 46, No 2. P. 148-157. DOI: 10.1007/s00132-016-3381-3.

14.    Sufiiarov V.S., Borisov E.V. Effect of heat treatment modes on the structure and properties of alloy VT6 after selective laser melting // Metal Science and Heat Treatment. 2019. Vol. 60, No 1-2. P. 745-748. DOI: 10.1007/s11041-019-00350-0.

15.    Dumas M., Terriault P., Brailovski V. Modelling and characterization of a porosity graded lattice structure for additively manufactured biomaterials // Materials and Design. 2017. Vol. 121. P. 383-392. DOI: 10.1016/j.matdes.2017.02.021.

16.    Mechanical basis of bone strength: influence of bone material, bone structure and muscle action / N.H. Hart, S. Nimphius, T. Rantalainen, A. Ireland, A. Siafarikas, R.U. Newton // J. Musculoskelet. Neuronal Interact. 2017. Vol. 17, No 3. P. 114-139.

17.    Tissue-Level Mechanical Properties of Bone Contributing to Fracture Risk / J.S. Nyman, M. Granke, R.C. Singleton, G.M. Pharr // Curr. Osteoporos. Rep. 2016. Vol. 14, No 4. P. 138-150. DOI: 10.1007/s11914-016-0314-3.

18.    Morgan E.F., Unnikrisnan G.U., Hussein A.I. Bone Mechanical Properties in Healthy and Diseased States // Annu. Rev. Biomed. Eng. 2018. Vol. 20. P. 119-143. DOI: 10.1146/annurev-bioeng-062117-121139.

19.    Киченко А.А. Перестройка структуры губчатой костной ткани: математическое моделирование // Российский журнал биомеханики. 2019. Т. 23, № 3. С. 336-358.

20.    Mechanical properties of cancellous tissue in compression test and nanoindentation / G. Kokot, A. Makuch, K. Skalski, J. Banczerowski // Biomed. Mater. Eng. 2018. Vol. 29, No 4. P. 415-426. DOI: 10.3233/BME-180999.

21.    Имитационное компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния систем «кость-имплантат» при применении им­плантатов из циркониевых сплавов / О.Н. Мищенко, А.В. Копчак, Н.Г. Крищук, И.А. Скиба, Д.М. Черногорький // Современная стомато­логия. 2017. № 2. С. 62-68.

22.    Numerical simulation of the inelastic behavior of a structurally graded material / A.V. Orlov, V.S. Sufiiarov, E.V. Borisov, I.A. Polozov, D.V. Masaylo, A.A. Popovich, M.O. Chukovenkova, A.V. Soklakov, D.S. Mikhaluk // Letters on Materials. 2019. Vol. 9, No 1. P. 97-102. DOI: 10.22226/2410- 3535-2019-1-97-102.

23.    3D-printed cellular structures for bone biomimetic implants / S. Limmahakhun, A. Oloyede, K. Sitthiseripratip, Y. Xiao, C. Yan // Additive Manufacturing. 2017. Vol. 15. P. 93-101. DOI: 10.1016/J.ADDMA.2017.03.010.

24.    A cadaver-based biomechanical model of acetabulum reaming for surgical virtual reality training simulators / L. Pelliccia, M. Lorenz, C.E. Heyde, M. Kaluschke, P. Klimant, S. Knopp, S. Schleifenbaum, C. Rotsch, R. Weller, M. Werner, G. Zachmann, D. Zajonz, N. Hammer // Sci. Rep. 2020. Vol. 10, No 1. P. 14545. DOI: 10.1038/s41598-020-71499-5.

25.    Zaytsev D., Gilev M.V., Izmodenova M.Yu. Mechanisms of Fracture of the Trabecular Bone Tissue of Periarticular Localization during a Depressed Fracture // Russian Metallurgy (Metally). 2020. No 4. P. 357-363. DOI: 10.1134/S0036029520040369.

26.    Comparative characteristic of the methods of certification of deformed microstructure of trabecular bone tissue / M.V. Gilev, D.V. Zaitsev, M.Y. Izmodenova, D.V. Kiseleva, V.I. Silaev // Russian Journal of Biomechanics. 2019. Vol. 23, No 2. P. 202-208.

27.    Возможности 3D-визуализации дефектов вертлужной впадины на этапе предоперационного планирования первичного и ревизионного эндопротезирования тазобедренного сустава / М.А. Cадовой, В.В. Павлов, В.А. Базлов, Т.З. Мамуладзе, М.Ф. Ефименко, А.М. Аронов, А.А. Панченко // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2017. № 3. С. 37-42. DOI: 10.32414/0869-8678-2017-3-37-42.

28.    Экспериментальное исследование механических свойств полилактида Н.А. Корж, М.С. Шидловский, В.Б. Макаров, А.А. Заховайко, О.В. Танькут, М.Ю. Карпинский, О.Д. Карпинская, Д.О. Чуприна // Травма. 2019. № 6. С. 5-11.

29.    Автоматизированное проектирование и аддитивные технологии изготовления индивидуальных конструкций для ревизионного эндопро­тезирования тазобедренных суставов / Г.Д. Дмитревич, Н.Г. Рыжов, С.М. Аль Ноумани, Р.М. Тихилов, А.В. Цыбин, П. Н. Вопиловский // SCM-2016: Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям. Saint-Petersburg, 2016.

30.    Segmental acetabular rim defects, bone loss, oversizing, and press fit cup in total hip arthroplasty evaluated with a probabilistic finite element analysis / F. Amirouche, G.F. Solitro, A. Walia, M. Gonzalez, A. Bobko // Int. Orthop. 2017. Vol. 41, No 8. P. 1527-1533. DOI: 10.1007/s00264- 016-3369-y.

31.    Позиционирование индивидуальных вертлужных компонентов при ревизиях тазобедренного сустава: действительно ли они подходят как «ключ к замку»/ А.Н. Коваленко, Р.М. Тихилов, С.С. Билык, И.И. Шубняков, М.А. Черкасов, А.О. Денисов // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2017. № 4. С. 31-37. DOI: 10.32414/0869-8678-2017-4-31-37.

Информация об авторах:

1. Мария Юрьевна Удинцева

2. Дмитрий Викторович Зайцев - доктор физико-математических наук

3. Елена Александровна Волокитина - доктор медицинских наук, профессор

4. Ирина Петровна Антропова - доктор биологических наук

5. Сергей Михайлович Кутепов - доктор медицинских наук, профессор

Теги: трабекулярная костная ткань
234567 Начало активности (дата): 25.07.2023 17:45:00
234567 Кем создан (ID): 989
234567 Ключевые слова:  трабекулярная костная ткань, надацетабулярная область, механические свойства, одноосное сжатие, эндопротезирование тазобедренного сустава
12354567899