Опыт исследования механических свойств трубчатых костей собак

ОРТОПЕДИЯ

ОПЫТ ИССЛЕДОВАНИЯ

МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТРУБЧАТЫХ КОСТЕЙ СОБАК

Н.Ю. Анисимова1, М.В. Киселевский1, А.Н Копылов1, А.В Максимкин2, Е.А. Корнюшенков13, Д.Е. Митрушкин13,

ФГБУ «Российский онкологический научный центр им. Н.Н. Блохина» РАМН Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва Ветеринарная клиника «Биоконтроль»

Аннотация

В работе описаны методики подготовки образцов костей и проведения их испытаний на сжатие, представлены результаты и анализ механических параметров плечевой и лучевой костей взрослых собак на сжатие с кратким разъяснением основных определяемых механических свойств. Прочностные свойства двух видов костных тканей практически идентичны: предел прочности соответствует в среднем 93 МПа, предел текучести - 80 МПа, а модуль упругости - 1900 МПа. Относительная деформация, к моменту разрушения тестируемых образцов соответствовала 6-6,7 %. По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что лучевая и плечевая кости обладают очень близкими механическими свойствами, с той разницей, что при критических нагрузках лучевая кость проявляет несколько большую сопротивляемость.

Введение

Необходимость замещения костной ткани является чрезвычайно актуальной проблемой всей медицины и онкологии в частности. Несмотря на природную способность кости к регенерации, в ряде случаев (при об-

ширных травмах, резекциях костей при онкологических заболеваниях) естественной регенерации оказывается недостаточно для восстановления повреждения. В этом случае возникает необходимость в реконструктивных хирургических вмешательствах с использованием им-плантов как синтетического, так и биологического происхождения.

Главной функцией костей является обеспечение механической опоры для тела, поэтому создаваемые импланты должны иметь, прежде всего, адекватные механические характеристики. Механические свойства костей человека описаны в целом ряде работ, описывающих особенности костной ткани, в зависимости от локализации в организме, а также возрастных и патофизиологических особенностей, тогда как исследований аналогичных характеристик трубчатых костей животных и, в частности, собак очень немного [1,2,3]. По свидетельству Е. Donnelly, к настоящему времени не опубликовано детальных данных, описывающих степень анизотропии и эластический модуль упругости костей собак [4]. Последний параметр особенно важен для моделирования тазобедренного сустава.

Основными параметрами, которые необходимо учитывать при

оценке механических характеристик костной ткани являются: предел текучести, модуль упругости и деформация, которые зависят от направления и места приложения нагрузки [5]. Подобные исследования представляют определенные трудности, поскольку данные различных исследователей получены с использованием различного оборудования и методических подходов. К настоящему времени не выработан четкий перечень критериев, характеризующих механические свойства биологических тканей и условий методов стандартизации их оценки. В этой связи сравнение результатов, полученных различными исследователями представляет значительные трудности.

В настоящей работе описан наш опыт исследования механических свойств плечевых и лучевых костей собак на сжатие с использованием современного высокотехнологичного специализированного оборудования. При подборе технических условий данных исследований был использован как опыт изучения свойств синтетических материалов, так и биологических тканей.

Материалы и методы

Забор материала. Для исследования использовались лучевые и

Рис. 1. Типовой образец для проведения испытаний.

плечевые кости взрослых собак (п=5), подвергнутых эвтаназии вследствие получения травм, несовместимых с жизнью. Средний возраст животных - 9 ± 1,2 года. Забор костей для исследования проводили сразу после диагностирования смерти животных, после чего кости очищали от мягких тканей.

Рис. 2. Рабочая часть универсальной рабочей машины 7ш1ек/Рое!! с установленным образцом.

Подготовка образцов. Для исследования использовались диафизар-ные участки костей, имеющие геометрические размеры наиболее близкие к форме прямого цилиндра. Из одной кости получали от 3-х до 5-ти образцов цилиндрической формы высотой 20 мм. Таким образом, каждая кость была охарактеризована по результатам 3-5 измерений. Перед началом исследований из костно-мозгового канала удаляли остатки костного мозга. На рис. 1 представлена фотография образца, подготовленного к проведению механических испытаний.

Методика проведения испытаний. Испытания на сжатие проводились на универсальной испытательной машине Zwick/Roell 7020. На рисунке 2 представлена фотография рабочей части испытательной машины с установленным образцом. Нижняя плита является неподвижной, а сжимающее напряжение создаётся за счёт движения верхней плиты. В процессе проведения испытания образец испытывает нагрузку, направленную вдоль своей оси, при скорости нагружения 10 мм/мин до момента разрушения кости.

В процессе проведения всего испытания записывается диаграмма сжатия в координатах «напряжения-деформация», на основании которой осуществляется расчет ряда показателей, отражающих биомеханические свойства костей. На рисунке 3 приведена типичная деформационная кривая сжатия с обозна-

ченными на ней основными определяемыми механическими характеристиками. В результате проведения испытаний были получены следующие характеристики костной ткани: предел прочности, предел текучести, модуль упругости и относительная деформация. Модуль упругости определялся на участке деформационной кривой от 10 до 30 МПа.

Обработку первичных данных и статистический анализ проводили с использованием специализированной аналитической программы test-Хреї! II. Результаты механических испытаний на сжатие двух видов костей представлены как среднее арифметическое ± среднеквадратичное отклонение.

Результаты и обсуждение

Механические свойства костных тканей были проанализированы в соответствии с общепринятыми требованиями исследования свойств материалов [5]. Следует учитывать, что при испытании материалов обычно используются образцы правильной геометрической формы, не имеющие элементов жесткости по объему (как имеет место в реальности для кости), с постоянным модулем Юнга, что позволяет точно определять механические свойства. Однако кость является природным объектом, сечение и геометрия которой различна по её длине, что определило относительно большое среднеквадратичное отклонение полученных значений при статистиче-

Рис. 3. Деформационная кривая костной ткани, где оъ - предел прочности, °Ъ,2 - предел текучести,

Е - модуль упругости.

A)

Б)

В)

Рис. 4. Механические свойства на сжатие лучевой и плечевой кости

ском анализе первичных данных. В соответствии с рекомендациями, изложенными в работе В.Е Чернилев-ского с соавт. [6], при проведении расчетов было принято, что образец трубчатой кости можно рассматривать как трубу кольцевого сечения с внутренним диаметром с1, постоянным модулем Юнга и плотностью материала по объему.

Результаты механических испытаний образцов лучевых и плечевых костей на сжатие, представлены на рисунке 3.

Предел прочности - это максимальная нагрузка, которую может выдержать образец до его полного разрушения. Согласно представленным данным, предел прочности исследованных образцов трубчатых костей соответствует в среднем 93 МПа (рис. 4 А).

Предел текучести определяется как напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация ткани образца. При превышении предела текучести упругая деформация, исчезающая после снятия напряжения, переходит в пластическую (геометрия тела полностью не восстанавливается после снятия напряжения). Следовательно, физиологическим смыслом данного критерия является оценка максимального напряжения при

сжатии, которое не приводит к появлению в материале образца необратимых изменений его структуры. С точки зрения физиологии, согласно мнению А.Н. Чуйко, предел текучести идентичен понятию травмирующего напряжения, воздействующего на кость [7]. Полученные нами данные свидетельствуют, что для исследованных образцов предел текучести соответствовал в среднем 80 МПа (рис. 4 Б).

Модуль упругости (модуль Юнга) характеризует свойство материала сопротивляться нагрузке в области упругой деформации и вычисляется как отношение напряжения к деформации на деформационной кривой, рисунок 3) на определённом участке кривой. Чем круче идёт кривая нагружения, тем выше модуль и жёстче материал. Согласно полученным нами данным модуль упругости исследованных образцов, на участке от 10 до 30 МПа, в среднем соответствовал 1900 МПа (рис.4 В). С ростом деформации кривая нагружения отклоняется от закона Гука, поэтому на разных участках нагружения модуль упругости различный. На рисунке 5 приведены для сравнения две деформационные кривые лучевой и плечевой костей. Из этих кривых видно, что с ростом напря-

жения модуль упругости начинает сильно разниться между собой для двух видов костей. Лучевая кость при приближении к пределу прочности показывает лучшую сопротивляемость нагрузке, чем плечевая кость.

В целом, в ходе наших исследований не было выявлено достоверных отличий по определяемым критериям, характеризующим свойства плечевой и лучевой костей собак (р>0,05). Полученные данные свидетельствуют о том, что лучевая кость несет на себе основную функцию обеспечения прочности области предплечья при нагрузке, направленной вдоль оси кости, тогда как роль локтевой кости при выполнении данной функции, вероятно, вторична.

Как отмечено в ранее опубликованных работах [8], в результате того, что все живые ткани, включая костную, имеют специфическую эластичность, они обладают способностью не разрушаться при существенных деформациях (более 10%) при многократном нагружении и восстанавливать свою исходную форму после снятия нагрузки, в то время как большинство металлических и керамических материалов не выдерживают деформации более 1-2%. Полученные нами данные сви-

детельствуют о том, что для обоих исследованных типов костей относительная деформация, к моменту разрушения образца, лежит в диапазоне от 6 до 6,7 %.

На рисунке 6 представлены фотографии костей после испытаний. Анализ вида излома конструкции тестируемых образцов свидетельствует о преобладании хрупкого характера разрушения трубчатых костей при сжатии. Об этом свидетельствует отсутствие признаков пластической деформации и кристаллический вид излома фрагментов образцов. Приведенные фотографии демонстрируют принципиальный характер разрушения кости в том случае, когда продольная осевая нагрузка достигает предела прочности.

Известно, что собака в качестве модели для ортопедических исследований является одним из наиболее часто используемых крупных животных: по данным J.G. Neyt et а1., L.Martini et а1, У.^ МШп. от 9% до 11% исследований в этой области было проведено на собаках с 1970 по 2001 г.г. [9,10]. По результатам сравнительных исследований физических свойств костей, проведенных на людях, собаках, свиньях, коровах и курицах, было установлено, что наибольшее сходство с человеком по содержанию минералов, гидро-ксипролина, белков и ^-1 (инсулиноподобного фактора роста) имеют собаки [11,12]. Однако, несмотря на схожий органический состав, кости собак имеют гораздо более высокую минеральную плотность, чем человеческие. Кроме того, имеются значительные различия в микроструктуре. Кость взрослого человека имеет вторичную остеонную структуру, - остеоны более чем 100 мкм, содержит кровеносные сосуды и связывающие линии, формирующие связь с прилежащими пластинами, а у кости собаки - смешанная структура, включающую в себя преимущественно остеонную кость в центре кортикальной кости, с так называемой плексиформной костью в

местах контакта с периостом и эндо-остом, что обеспечивает сравнительно лучшую механическую поддержку [13,14].

Следует отметить, что с теоретических позиций синтетические материалы, используемые в качестве основы имплантатов для замещения дефектов костей, должны по своим свойствам приближаться к упругим и механическим свойствам костной ткани. Модуль упругости большинства конструкционных сплавов (110-230 ГПа) значительно выше, чем у кости, а тем более хрящевых структур [15]. При совместной работе кость-имплантат происходит неравномерное распределение деформаций и напряжений, которые максимальны, как правило, в местах крепления имплантата к кости, что вызывает опасность их разрушения. Поэтому проводятся попытки использования сплавов с низким модулем упругости (80-70 ГПа) или изменения конструкций имплантатов, вводя в них различные вырезы в стремлении снизить жесткость имплантата. Однако при этом повышается риск его разрушения вследствие концентрации напряжений при нагружении.

По мнению Карлова А.В. и Шахова В.П. в какой-то мере этим требованиям отвечает ряд полимеров и материалов с памятью формы [16]. Поскольку, по мнению этих авторов, кость может рассматриваться как двухфазный вязкотекучий композитный материал, в котором одна

фаза представлена минералом, а другая - коллагеном и основным веществом, то, вероятно наиболее перспективным можно считать разработку синтетических композитных материалов. В частности, значительный интерес представляют работы, проводимые в НИТУ «МИСИС» по синтезу композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), который обладает высокой биоинертностью к живым тканям, высокими механическими свойствами, низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью [17,18]. Имплантаты на основе СВМПЭ могут использоваться в качестве ацетабулярного компонента в эндопротезировании тазобедренных суставов [19] и в качестве каркаса (пористой основы) имплантата для замещения дефектов костной ткани [20,21]. Также значительный интерес представляют сплавы на основе нике-лида титана или, по-другому, s «нитинол» [22]. При определенной температуре, которая может быть равна температуре человеческого тела, эти сплавы проявляют сверх-упругое поведение, а деформации до 12%, возникающие при нагружении, устраняются при разгрузке материала. При этом механическое поведение сплавов приближается к поведению костных структур [23].

Таким образом, в результате выполнения настоящей работы был исследован один из важнейших аспектов изучения механических

Рис. 5. Деформационные кривые двух видов костей при сжатии.

Красным цетом выделена лучевая кость, зелёным -плечевая кость.

Рис. 5. Образцы лучевой (А) и плечевой кости (Б) после испытаний

свойств костной ткани - прочность на сжатие. Полученные данные могут стать необходимым ориентиром для скрининга перспективных синтетических материалов и методов обработки тканей естественного происхождения. Кроме того, изучение механических особенностей костей необходимо для лучшего понимания механики переломов, изменений, происходящих при таких патологиях как остеарт-роз и остеонекроз, а также является основой для компьютерного моделирования.

Литература

1. Kemp T. J., Bachus K.N., Nairn J. A., Carrier

D. R. Functional trade-offs in the limb bones of dogs selected for running versus fighting// J Exp Biology 2005; 208:3475-3482.

2. Pressel T., Bouguecha A.,Vogt U., Meyer-Lindenberg A., Behrens B., Nolte I., Wind-hagen H. Mechanical properties of femoral trabecular bone in dogs// Biomed Eng Online 2005; 4:17.

3. Pearce A., Richards R., Milz S., Schneider

E., Pearce S., Pearce A. et al. Animal models for implant biomaterial research in bone: a review // European Cells and Materials 2007 ; 13:1-10.

4. Donnelly E., Chen D., Boskey A., Baker S., Meulen M. Contribution of mineral to bone

structural behavior and tissue mechanical properties // Calcif Tissue Int. 2010; 87(5): 450-460.

5. Currey J Measurement of the Mechanical Properties of Bone : a recent history //Clin Orthop Relat Res 2009; 467:1948-1954

6. Чернилевский В.Е., Донцов В.И., Плуш-ков М.В. Методы оценки возрастного ос-теопороза у старых мышей// Доклады МОИП, Т.41. Секция геронтологии, 2008 г, С.142-144

7. Чуйко А.Н. Еще раз о биомеханике па-родонта. Часть I Пародонтология, 2007. N

3. С.54-60.

8. Wald M., Magland J., Rajapakse C., Bha-gat Y., Wehrli F. Predicting trabecular bone elastic properties from measures of bone volume fraction and fabric on the basis of micromagnetic resonance images //Маg-netic Resonance in Medicine, 2011, DOI: 10.1002/mrm.23253.

9. Martini L., Fini M., Giavaresi G., Giardino R. Sheep model in orthopedic research: a literature review.// Comp Med 2001; 51: 292-299.

10. Neyt J., Buckwalter J., Carroll N. Use of animal models in musculoskeletal research// Iowa Orthop J 1998; 18:118-123.

11. Aerssens J., Boonen S., Joly J., Deque-ker J. Variations in trabecular bone composition with anatomical site and age: potential implications for bone qualityas-sessment// J Endocrinol 1997; 155: 411421.

12. Aerssens J., Boonen S., Lowet G., De-queker J. Interspecies differences in bone composition, density, andquality: potential implications for in vivo bone research //Endocrinology 1998; 139: 663-670.

13. Kuhn J., Goldstein S., Ciarelli M., Matthews L. The limitations of canine trabecular bone as a model for human: a biomechanical study// J Biomech 1989 ;22: 95-107.

14. Wang X., Mabrey J., Agrawal C. An interspecies comparison of bone fracture properties// Biomed Mater Eng 1998; 8: 1-9.

15. Пюнтер В.Э., Итин В.И., Монасевич Л.А и др. Эффекты памяти формы и их применение в медицине. Новосибирск: Наука, 1992. 742 с.

16. Карлов А.В., Шахов В.П. Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики. Томск: STT, 2001. 480 с.

17. Xiong L., Xiong D., Jin J. Study on tribo-logical properties of irradiated crosslinking UHMWPE nano-composite// Journal of bionic engineering, 2009; 6: 7-13.

18. Wang A., Stark C., Dumbleton J., Wear mechanisms of UHMWPE in total joint replacements// Proc. Inst. Mech. End. 1996; 210:141-155.

19. Максимкин А.В., Калошкин С.Д., Чер-дынцев В.В., Сенатов Ф.С., Данилов В.Д. Структура и свойства наполненного дисперсным гидрокси- апатитом сверхвысокомолекулярного полиэтилена // Мате- риаловедение. 2011. № 11. С. 13 - 21.

20. King R.S., Hanes M.D. Medical implant or medical implant part comprising porous UHMWPE and process for producing the same. // Patent US 7781526.

21. Pal K., Bag S., Pal S. Development of porous ultra high molecular weight polyethylene scaffolds for the fabrication of orbital implant. // J. Porous Mater. 2008;15: 5359.

22. Пюнтер В.Э., Дамбаев П.Ц., Сысолятин П.П. и др. Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1998, 487 с.

23. Ильин А.А., Коллеров М.Ю., Давыдов

Е.А. Биологически и механически совместимые имплантаты из никелида титана для лечения позвоночно-спиналь- ных травм и дегенеративно-дистрофических заболеваний // www.implants.ru /texn-inf/2-st.shtml.