УПРУГО-ПЛАСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТРАБЕКУЛЯРНОЙ КОСТНОЙ ТКАНИ

  • Глеб Петрович Панфилов Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
  • Михаил Васильевич Гилев Уральский государственный медицинский университет, Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук
  • Мария Юрьевна Измоденова Уральский государственный медицинский университет
  • Дмитрий Викторович Зайцев Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук
Ключевые слова: трабекулярная костная ткань, деформационное поведение, одноосное сжатие, необратимая деформация

Аннотация

Трабекулярная костная ткань представляет собой природный композитный материал с развитой иерархической структурой. Детальное изучение ее механических свойств важно как для понимания механизма возникновения травм, так и для разработки оптимальных конструкций для остеосинтеза, протезирования и замещения костных дефектов. Изучение механического поведения трабекулярной кости при циклической нагрузке является основополагающим для формирования современных подходов к профилактике, а также консервативному и хирургическому лечению переломов, так как в различных участках скелета костная ткань имеет разный запас прочности.

Деформационное поведение при одноосном сжатии исследовалось на 5 цилиндрических образцах, изготовленных из фрагментов трабекулярной костной ткани латерального мыщелка большеберцовой кости человека. Изучено соотношение упругой и необратимой деформаций в трабекулярной костной ткани субхондральной области большеберцовой кости при одноосном сжатии в зависимости от величин прикладываемой нагрузки и общей деформации. Поэтапное нагружение осуществлялось с шагом 0,5 % до 10 % деформации, далее с шагом 1 % до 15 % деформации. Показано, что трабекулярная кость способна как к упругой, так и к пластической деформации. Упругие свойства костной ткани незначительно снижаются только при появлении макроскопических трещин в образце. Благодаря высокой пористости (30–90 %) и органическим компонентам, трабекулярная кость способна значительно деформироваться. Деформация менее ~3 % является упругой и, следовательно, не приводит к необратимым изменениям в трабекулярной костной ткани. При деформациях, превышающих 3 %, происходят необратимые изменения микроструктуры костной ткани, которые приводят к импрессионному перелому костей конечностей.

Биографии авторов

Глеб Петрович Панфилов , Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

магистрант кафедры «Физика конденсированного состояния и наноразмерных систем»

Михаил Васильевич Гилев , Уральский государственный медицинский университет, Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук

кандидат медицинских наук, доцент, доцент кафедры «Оперативная хирургия и топографическая анатомия», заведующий лабораторией «Медицинское материаловедение и биокерамика»

Мария Юрьевна Измоденова , Уральский государственный медицинский университет

студент педиатрического факультета

Дмитрий Викторович Зайцев , Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук

доктор физико-математических наук, доцент кафедры «Физика конденсированного состояния и наноразмерных систем», ведущий научный сотрудник лаборатории «Медицинское материаловедение и биокерамика»

Литература

1. Damm N.B., Morlock M.M., Bishop N.E. Influence of trabecular bone quality and implantation direction on press-fit mechanics // Journal of Orthopaedic Research. 2017. Vol. 35. № 2. P. 224–233.
2. De Bakker C.M.J., Tseng W.J., Li Y., Zhao H., Liu X.S. Clinical Evaluation of Bone Strength and Fracture Risk // Current Osteoporosis Reports. 2017. Vol. 15. № 1. P. 32–42.
3. Georgiou L., Kivell T.L., Pahr D.H., Skinner M.M. Trabecular bone patterning in the hominoid distal femur // PeerJ. 2018. № 7. P. 5156.
4. Chang G., Boone S., Martel D., Rajapakse C.S., Hallyburton R.S., Valko M., Honig S., Regatte R.R. MRI assessment of bone structure and microarchitecture // Journal of Magnetic Resonance Imaging. 2017. Vol. 46. № 2. P. 323–337.
5. Rudäng R., Darelid A., Nilsson M., Mellström D., Ohlsson C., Lorentzon M. X-ray-verified fractures are associated with finite element analysis-derived bone strength and trabecular microstructure in young adult men // Journal of Bone and Mineral Research. 2013. Vol. 28. № 11. P. 2305–2316.
6. De Bakker C.M., Li Y., Zhao H., Leavitt L., Tseng W.J., Lin T., Tong W., Qin L., Liu X.S. Structural Adaptations in the Rat Tibia Bone Induced by Pregnancy and Lactation Confer Protective Effects Against Future Estrogen Deficiency // Journal of Bone and Mineral Research. 2018. Vol. 33. № 12. P. 2165–2176.
7. De Bakker C.M.J., Tseng W.J., Li Y., Zhao H., Altman-Singles A.R., Jeong Y., Robberts J., Han L., Kim D.G., Sherry Liu X. Reproduction Differentially Affects Trabecular Bone Depending on Its Mechanical Versus Metabolic Role // Journal of Biomechanical Engineering. 2017. Vol. 139. № 11. P. 111006.
8. De Bakker C.M., Altman-Singles A.R., Li Y., Tseng W.J., Li C., Liu X.S. Adaptations in the Microarchitecture and Load Distribution of Maternal Cortical and Trabecular Bone in Response to Multiple Reproductive Cycles in Rats // Journal of Bone and Mineral Research. 2017. Vol. 32. № 5. P. 1014–1026.
9. Edd S.N., Omoumi P., Andriacchi T.P., Jolles B.M., Favre J. Modeling knee osteoarthritis pathophysiology using an integrated joint system (IJS): a systematic review of relationships among cartilage thickness, gait mechanics, and subchondral bone mineral density // Osteoarthritis and Cartilage. 2018. Vol. 26. № 11. P. 1425–1437.
10. Hammond M.A., Wallace J.M., Allen M.R., Siegmund T. Mechanics of linear microcracking in trabecular bone // Journal of Biomechanics. 2019. Vol. 83. P. 34–42.
11. Bakalova L.P., Andreasen C.M., Thomsen J.S., Brüel A., Hauge E.M., Kiil B.J., Delaisse J.M., Andersen T.L., Kersh M.E. Intracortical Bone Mechanics Are Related to Pore Morphology and Remodeling in Human Bone // Journal of Bone and Mineral Research. 2018. Vol. 33. № 12. P. 2177–2185.
12. Currey J. The mechanical adaptations of bones. New Jersey: Princeton University Press, 1984. 306 p.
13. Milovanovic P., Djonic D., Hahn M., Amling M., Busse B., Djuric M. Region-dependent patterns of trabecular bone growth in the human proximal femur: A study of 3D bone microarchitecture from early postnatal to late childhood period // American Journal of Physical Anthropology. 2017. Vol. 164. № 2. P. 281–291.
14. Cui W.Q., Won Y.Y., Baek M.H., Lee D.H., Chung Y.S., Hur J.H., Ma Y.Z. Age-and region-dependent changes in three-dimensional microstructural properties of proximal femoral trabeculae // Osteoporosis International. 2008. Vol. 19. № 11. P. 1579–1587.
15. Hsu P.Y., Tsai M.T., Wang S.P., Chen Y.J., Wu J., Hsu J.T. Cortical Bone Morphological and Trabecular Bone Microarchitectural Changes in the Mandible and Femoral Neck of Ovariectomized Rats // PLoS ONE. 2016. Vol. 11. № 4. P. 0154367.
16. Ryan T.M., Krovitz G.E. Trabecular bone ontogeny in the human proximal femur // Journal of Human Evolution. 2006. Vol. 51. № 6. P. 591–602.
17. Аврунин А.С., Докторов А.А. Биологически целесообразные пути профилактики и лечения потери костной массы // Травматология и ортопедия России. 2015. № 4. С. 131–143.
18. Якимов Л.А., Слиняков Л.Ю., Бобров Д.С., Калинский Е.Б., Ляхов Е.В. Биодеградируемые импланты. Становление и развитие. Преимущества и недостатки // Кафедра травматологии и ортопедии. 2017. № 1. С. 44–49.
19. Сидоров С.В. Эластично-стабильный оcтeocинтез в лечении переломов бедренной кости у детей младшего возраста // Детская хирургия. 2012. № 4. С. 19–20.
20. Мищенко О.Н., Копчак А.В., Крищук Н.Г., Скиба И.А., Черногорький Д.М. Имитационное компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния систем «кость–имплантат» при применении имплантатов из циркониевых сплавов // Современная стоматология. 2017. № 2. С. 62–68.
Опубликован
2019-12-30
Выпуск
Раздел
Технические науки