![Исследование механических свойств костной ткани Исследование механических свойств костной ткани](/upload/iblock/67e/8qunchpnshdprtd8w5nr3ypmhx5hsv34/Issledovanie-mekhanicheskikh-svoystv-kostnoy-tkani.jpg)
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
Похожие статьи
Рентген на дому 8 495 22 555 6 8Исследование механических свойств костной ткани
Метод двухэтапного лечения пациентов с тотальными и субтотальными дефектами стопы при нейроостеоартропатии Шарко
Оценка синовита голеностопного сустава при диабетической нейроостеоартропатии в зависимости от воспалительной фазы хронического остеомиелита