Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Глава 9. БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОСТЕЙ СКЕЛЕТА. Свешников К.А.
Hарушения структуры кости и переломы и происходят только в том случае, когда кость поглощает значительное количество энергии. Мягкие ткани абсорбируют ее намного больше, но не разрушаются, так как более податливые.
Нами изучены механические свойства образцов костей, взятых у людей, погибших в автомобильных катастрофах. Возраст этих практически здоровых людей составлял 16–70 лет. Образцы представляли собой прямолинейные призмы длиной 31 мм, шириной 4 мм и глубиной около 3 мм. Их тщательно освобождали от периоста. Затем погружали в физраствор, замораживали и хранили при температуре –15 °С до обследования. Механические свойства испытаны у 82 образцов лучевой кости мужчин и женщин (1 и 3 см от лучезапястного сустава), 90 образцов бедренной кости, 96 – тел позвонков. Минеральную плотность костей (МПК) определяли методом двухфотонной абсорбциометрии. Вначале образцы нагружали со скоростью 6 мм в мин до величины 600 N. Эта нагрузка была меньше предела прочности каждого образца. Затем производили нагружение со скоростью 48 мм в мин. Испытание продолжалось несколько секунд. В 40 лет величина нагрузки составляла 5,5 кN, а в 90 лет – 2,5 кN. С возрастом статическая прочность уменьшалась однонаправленно с МПК. Эластичность при испытании на разрыв не зависела от возраста и МПК.
В возрасте 90 лет, по сравнению с 16 годами, абсорбция энергии удара кортикальным слоем бедренной кости уменьшалась в 2,8 раза. Это обусловлено снижением МПК.
Модуль эластичности и прочности на растяжение начинали медленно уменьшаться после 45 лет. На сгибание прочность возрастает до 30 лет, а затем снижается, как и способность кости поглощать энергию. Она выражалась на единицу объема или площади. У лиц до 30 лет поглощенная энергия составляла 2,6•104 Дж/м2, а в 90 лет ее величина уменьшалась в 2,5 раза.
Число полостей, указывающих на порозность кости, в различных возрастных группах мужчин составляло: в 18–45 лет – 4 %, затем медленно увеличивалось и в 90 лет достигало 13 %. В связи с этим различна и поглощенная энергия удара: у детей до 10 лет – 2,5•104 Дж/м2, а с 13 лет – 0,9•104 Дж/м2. У женщин кость более порозная, а это ведет к уменьшению объема, в котором поглощается энергия, и, следовательно, разрушение кости происходит при меньшей величине поглощенной энергии. Энергия абсорбции меньше у очень молодых и очень старых людей. Изменение энергии удара на 40 % зависит от МПК. Высокая минерализация уменьшает способность образца к поглощению энергии. Из этого вывод: большая МПК уменьшает способность кости переносить пластическую упругую деформацию. Наряду с этим следует указать, что МПК также приводит к увеличению максимума давления и оба эффекта как бы компенсируют друг друга. Поэтому суммарная величина абсорбированной энергии не изменяется.
Сухой вес кости в в 30–40 лет – 65,3 %, в 90 лет – 62,5 %. Это указывает на увеличение порозности кости. Удельный вес (плотность) кости в 20–25 лет составляет 1,98 кг/м3, в 50 лет – 2,10 кг/м3. Затем он очень медленно снижается. Причина этого проста – в молодые годы нарастает МПК.
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 происходило, а у женщин продолжало снижаться до 7,5 раз.
У 28 практически здоровых женщин в возрасте 40–90 лет проведено изучение механических свойств лучевых костей [80, 212]. Кости были взяты для исследований после смерти, тщательно освобождены от периоста. Измерения сделаны на расстоянии 1 см от лучезапястного сустава. До исследования механических свойств образцы держали в замороженном виде при температуре –15 °С. Вначале их нагружали со скоростью 5 мм в мин до величины 600 N. Эта нагрузка была ниже предела прочности каждого образца. Затем производили нагружение 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 кN, а 90 лет – 2,6 кN. 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 3 и 90 годами абсорбция энергии удара кортикальным слоем бедренной кости уменьшалась в 3 раза. Это обусловлено снижением минеральной плотности. Модуль эластичности и прочности на растяжение начинают медленно уменьшаться после 45 лет. При сгибании возрастает до 30 лет, а затем снижается [168] и способность кости поглощать энергию.
Проводилось исследование образцов из бедренных костей (24 мужчины и 15 женщин). До гибели у этих людей не было изменений в костях. Образцы замораживали в физрастворе. Они представляли собой прямолинейные призмы длинной 32 мм, шириной 3 мм и глубиной около 2 мм. Поглощенная энергия выражалась на единицу объема (Jm3) или площади (Jm2). У лиц до 30 лет поглощенная энергия составляла 2,8•104 Jm2, а к 90 годам ее величина уменьшалась в 2,8 раза [168, 169].
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 увеличивалось и в 90 лет достигало 12 %. В связи с этим различна и поглощенная энергия удара: у детей до 10 лет – 2–6 104 Jm2, а с 13 лет – 0,9•104 Jm2. У женщин кость более порозная [168, 169], 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 МПК. 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 в виду, что содержание минералов также приводит к увеличению максимума давления и оба эффекта как бы компенсируют друг друга и это не сказывается на суммарной величине абсорбированной энергии.
Сухой вес кости в 3 года составляет 60,5 %, в 30–40 лет – 66,5, в 90 лет – 62,5 %. Это происходит вследствие увеличения порозности кости. Удельный вес (плотность) кости в 3 года составляет 1,92 кг/м3, в 50 лет – 2,10 кг/м3. Затем очень медленно снижалась. Причина этого проста – в молодые годы нарастает содержание минеральных веществ.
В течение последних 20 лет ряд исследователей пытался судить о возрастных изменениях минералов во всем скелете косвенно путем определения МПК в лучевой кости, содержащей в диафизе 96 % компактного вещества и поэтому отражающей изменения МПК во всем скелете. Коэффициент корреляции между весом минералов в золе и при измерении на денситометре оказался достаточно высоким [56, 57]. Аналогичен он и между содержанием минералов в осевом скелете и в пяточной кости [329, 372]. Однако точно определить возрастные изменения минеральных веществ позволил лишь метод двухфотонной абсорбциометрии, в частности, удалось выявить разный процент снижения минералов в ребрах, костях таза и позвоночнике. Он позволил также установить прямую зависимость механической прочности кости от содержания в нейминеральных веществ. Так в достаточно подробных исследованиях [208] показано, что при величине МПК в L1, равной 2,90 ± 0,16 г/см, предел прочности этого позвонка составляет 3260 ± 221 H, в L2 при плотности минералов 3,350,14 г/см – 3760 ± 280 Н, в L3 – 3,55 ± 0,18 г/см – 4109 ± 347 Н, L4 – 3,90 ± 0,27 г/см – 4807 ± 347 Н. Коэффициент корреляции между содержанием минералов и пределом прочности составлял 0,82–0,90. Поэтому считают, что содержание МПК может быть использовано для непрямого определения предельной величины их компрессионной прочности [208, 209].
Исследованиями [234, 236] показано, что механическая прочность трабекулярной кости позвонка в 14–19 лет составляет у мужчин 85,5 ± 6,5 Н/мм2, у женщин 77,8 ± 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 прочности не происходит, а у женщин продолжает снижаться до 8,0 раз [208, 209].
До внедрения в практику метода двуфотонной абсорбциометрии определение МПК всего скелета 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 выявляются первые признаки уменьшения костной массы. В 50–60 лет основной причиной быстрого снижения минералов у женщин является изменение концентрации половых гормонов и ослабление двигательной активности и слабости мышц.
Суммарная масса минералов в скелете негров выше, чем у белых. Статистически достоверное уменьшение МПК у 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 количество МПК в месте приложения усилия (позвоночник, нижняя треть голени – у балерин) может увеличиваться до 20 % [334].
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 величины МПК скелета представляется особенно важным для оценки общей убыли минералов.