Научная статья на тему 'Біомеханічні властивості інтактної та травмованої кістки'

Біомеханічні властивості інтактної та травмованої кістки Текст научной статьи по специальности «Клиническая медицина»

CC BY
248
44
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТРАВМОВАНА КіСТКА / РОЗРИВ / СТИСК

Аннотация научной статьи по клинической медицине, автор научной работы — Сікора В. З., Бумейстер В. І., Погорєлов М. В., Ткач Г. Ф., Кореньков О. В.

В роботі проведені дослідження характеристик міцності інтактної і травмованої кістки. Встановлено, що травма призводить до зниження міцності параметрів, відновлення яких відбувається поступово, відповідно стадій репаративного процесу.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по клинической медицине , автор научной работы — Сікора В. З., Бумейстер В. І., Погорєлов М. В., Ткач Г. Ф., Кореньков О. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Біомеханічні властивості інтактної та травмованої кістки»

СТАН КОМПЕНСАТОРНИХ ПРОЦЕСІВ В ЄДИНІЙ НИРЦІ ТА РІВЕНЬ ПЕРЕКИСНОГО ОКИСЛЕННЯ ЛІПІДІВ І БІЛКІВ ПРИ ВВЕДЕННІ В ОРГАНІЗМ ЕТАНОЛУ В ЕКСПЕРИМЕНТІ Сатаєва Т. П., Лазарєв К.Л., Захарова А.Н., Житова В.А.

Вивчена дія етанолу на стан тканин єдиної нирки, що залишилася після нефректомії, протягом трьох місяців після операції. Експеримент проведений на 60 білих щурах. Використані гістологічні, морфометричні і математичні методи дослідження. Встановлено, що введення в організм піддослідних тварин розчину етанолу порушувало мікроціркуляторні процеси в тканинах єдиної нирки з розвитком дистрофічних процесів в епітеліоцитах звитих канальців у всі терміни спостереження і склерозування строми у віддалені терміни. Вказані процеси уповільнили темпи розвитку і рівень компенсаторної гіпертрофії відділів нефрону нирки, що залишилася після нефректомії. Показники ПОЛ і ОМБ у сироватці крові значно перевищували відповідні їх значення в контролі (одностороння нефектомія).

Ключові слова: алкоголь, нирка, гіпертрофія, прооксидантно-антиоксидантна система, щури.

COMPENSATORY PROCESSES IN THE SINGLE KIDNEY AND THE LEVEL OF FATS AND ALBUMENS’ PEROXYDATION WHILE INTRODUCTING OF ETHANOL TO THE ORGANISM IN AN EXPERIMENT Sataeva T. P., Lazarev K.L., Zakharova A.N., Zhitova V.A.

The action of ethanol is studied on the state of tissues of the sigle kidney, left after nephrectomy, during three months after an operation. An experiment was conducted on 60 white rats. The histological, morphometric and mathematical methods of research were used. It is set that introduction to the organism of experimental animals of solution of ethanol has violated microcirculation processes tissues of the sigle kidney with the development of dystrophy processes in epitheliocytes of the coiled tubulis in all of terms of supervision and the fibrosis in remote terms. The indicated processes slowed the rates of development and level of the compensatory hypertrophy of departments of nephron of a single kidney. Indexes POF and OMA in the wheys of blood considerably exceeded their proper values in control (one-sided nephectomy).

Keywords: alcohol, kidney, hypertrophy,

oxydant-antioxydant system, rats.

УДК [611.71 +616.71 -001.5]-018.4:539.3/4

БІОМЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ІНТАКТНОЇ ТА ТРАВМОВАНОЇ КІСТКИ

їЛ

ЬВҐ//////

V/////A

Фундаментальною властивістю кісткової тканини є її тривкість, яка забезпечує цілісність кісток при різних видах фізичних навантажень. Із біомеханічних позицій кістка - це матеріал, що працює в основному на стиск-розтягнення та на згин. Крім того, в скелеті бажане поєднання тривкості з низькою масою. Тому задача пошуку максимальної тривкості при двох режимах роботи доволі важка. Причина високої тривкості кісток пояснюється їх композиційною будовою, тобто поєднанням в їх структурі різних речовин (еластичного колагену та міцного апатиту кальцію), що забезпечує одночасно високу тривкість та еластичність. Макроскопічна будова довгих кісток скелету з наявністю кістковомозкового каналу також є еволюційним кроком для підвищення міцності. Під час деформації відбувається стискання верхніх шарів та розтягнення нижніх відділів кістки, в той час як матеріал в середній частині не отримує навантаження, а тільки збільшує масу органа. Розвиток довгих кісток в процесі еволюції призвів до зменшення маси тіла людини на 25% при збереженні тривкості скелета.

Відновлення кісткової тканини після перелому відбувається протягом тривалого часу та повинне завершитися повним відновленням структури та функції органа і, в першу чергу, його тривкісних показників. Розуміння механічних властивостей кістки в різні строки репаративного остеогенезу дозволить розробити оптимальні підходи до лікування переломів з використанням функціональних методів та дозованого фізичного навантаження, направленого на збільшення тривкісних характеристик.

Метою роботи було визначення показників тривкості на стиск та розтягнення великогомілкових кісток щурів в нормі та в різні періоди репаративного остеогенезу.

Матеріал та методи дослідження. В експерименті було задіяно 50 лабораторних щурів-самців 5-місячного віку. Першу серію склали 10 щурів, у яких проводили визначення

тривкісних показників нетравмованих кісток. Другій серії (40 щурів) в умовах стерильної операційної наносився дірчастий дефект із медіальної поверхні тіла середньої третини великогомілкової кістки. Місце нанесення травми було відібрано з урахуванням найменшого травматизму м'язів та магістральних судин, які відсутні в цій ділянці. Дефект наносився стоматологічним бором діаметром 2 мм під наркотановим інгаляційним наркозом з використанням наркозного апарату власної конструкції. Операційну рану зашивали, тварин виводили з наркозу та утримували в стаціонарних умовах віварію. Щурів виводили з експерименту через 3, 10, 15, 24 та 45 днів після нанесення травми. Виділяли великогомілкові кістки та проводили визначення їх тривкісних властивостей.

Для визначення залежності між силою тривкості на розтягнення та тривкості на стиснення використовували спеціальний прилад (рис. 1), за допомогою якої ми змогли побачити силу, при якій кістка розривається і стискається.

Рис.1. Прилад для визначення тривкості кістки на розрив та стискання.

При цьому ми припускатимемо, що в даній кістці всі плоскі перетини, нормальні до осі кістки після деформації, залишаються плоскими. Ця гіпотеза носить назву гіпотези плоских перетинів. Приймаючи цю гіпотезу, тим самим припускаємо, що всі повздовжні елементи кістки розтягуються абсолютно однаково. Для того, щоб отримати загальну характеристику для кісток, незалежно від їх розмірів і відповідно до наших зразків, ми вимірюватимемо напругу кожного зразка. Напруга, що рівна відношенню найбільшого розтягуючого зусилля до первинної площі поперечного перетину зразка, називається межею міцності. Після досягнення межі міцності поступово починає утворюватися місцеве звуження зразка, зване шийкою. Оскільки з появою шийки поперечний перетин у цьому місці робиться все меншим, деформація зразка відбувається при навантаженні, яке зменшується. Межа міцності є дуже важливою характеристикою міцності матеріалів, і особливо важливе значення вона має для матеріалів, які отримують порівняно невеликі деформації при руйнуванні.

Напруга у момент розриву зразка менша, ніж межа міцності. Це пояснюється тим, що напруга залежить від первинної площі поперечного перетину зразка. Насправді, у момент розриву зразка в матеріалі буде найбільша напруга, оскільки площа перетину у цей момент сягає мінімуму. Цю напругу називають справжньою межею міцності. У нашому експерименті ми визначали, як змінюється сила, при якій руйнується зразок, залежно від площі поперечного перетину кістки. Пластичний матеріал не має межі міцності на стиснення. Крихкий матеріал, наприклад чавун, руйнується і при стисненні з невеликою відносною деформацією. У представлених дослідах поряд із точністю вимірювання діючих сил необхідно точно виміряти положення центру мас у перетині і площу перетину. Для вимірювань застосували ряд сучасних технологій, що включали електроніку і векторну комп'ютерну графіку.

Вимірювання проводили за наступним алгоритмом: штангенциркулем проводили виміри зруйнованого зразка в перетині руйнування або, по можливості, до перетину максимально наближеного до нього, при чому виміри проводили в двох взаємно перпендикулярних напрямках (один із розмірів повинен бути максимальним розміром у даному перетині). Перетин вимірювання є перпендикулярним вісі кістки, оскільки в першому досліді навантаження було прикладене в площині, що знаходилася на 900 по відношенню до вісі, а в другому і третьому відповідно до вісі (рис. 2).

Отже, після вимірювання ми отримували реальні розміри X і У. Проводили фотографування перетину зразка, при цьому матричний сенсор фотоапарата

розташовували в площині 900 по відношенню до вісі зруйнованого зразка. На отриманому зображенні визначили контур зруйнованої ділянки в програмному забезпеченні компанії Аськон - Компас 3D. Потім проводили вимір вже отриманого контуру в Компас 3D і вираховували числові значення розмірів Хф иУф.

УМОВНА ВІСЬ КІСТКИ

ПОВЕРХНЯ УТВОРЕНА ПРИ ПОШКОДЖЕННІ КІСТКИ

Рисунок 2. Схема вимірювання об'єкту штангенциркулем.

В подальшому виводили пропорційний коефіцієнт між реальними розмірами і розмірами отриманими на попередньому етапі і масштабували зображення на цей коефіцієнт, таким чином визначали реальні розміри вже векторного перетину. Останнім кроком було проведення вимірювань площі перетинів положень центрів тяжкості і моментів інерцій вбудованими функціями Компас 3D. Цифрові результати обробляли статистично на персональному комп'ютері з використанням пакету статистичних програм.

Результати дослідження та їх обговорення. Показники тривкості на розтягнення кісток інтактних щурів свідчать про їх високі біомеханічні властивості (табл. 1), що за своїми параметрами перевищують міцність таких інженерних матеріалів як граніт та бетон. Поряд із цим кісткова тканина має високий показник модуля пружності, що свідчить про поєднання жорсткості та еластичності біологічного композиту. Механічна травма призводить до різкого зменшення сили, що руйнує кісткову структуру. Як видно з таблиці 1, повздовжня сила, яка прикладена для повного розриву кістки, складає через 5 днів 5,73 кг, що при майже ідентичному поперечному перетині призводить до зменшення межі тривкості з 7,11 кг/мм2 до 2,89 кг/мм2, тобто майже в 3 рази. Відповідно до цього знижуються показники жорсткості поперечного перетину та модуля Юнга. Значне зростання тривкості досліджуваних кісток розпочинається через 15 днів після нанесення дефекту, що відповідає закінченню утворення органічного матриксу та початку інтенсивної мінералізації місця травми. Через 24 та 45 днів після перелому межа тривкості зростає на 20% у порівнянні з попередніми термінами, і в останній строк спостереження на 16,46% менша ніж аналогічний показних інтактних тварин.

Таким чином, за наявності гістологічного відновлення структури кістки через 45 днів, її тривкість залишається меншою, ніж у нетравмованої тканини, що може пояснюватися незавершеним ремоделюваням, яке закінчується через 12-18 місяців під впливом діючих реальних фізичних навантажень.

Таблиця 1

Показники тривкості на розтягнення великогомілкових кісток у нормі та в різні терміни __________________________________репаративної регенерації___________________________________

Показник Контроль 3 дні 10 днів 15 днів 24 дні 45 днів

Повздовжня сила (Р), кг 14,3 5,73 7,16 8,95 10,4 12

Плаща поперечного перетину ^),мм2 2,01 1,98 2,08 2,03 2,01 2,02

Довжина ^), мм 31,85 31,84 31,86 31,88 31,87 31,89

Абсолютна повздовжня деформація ^),мм 0,07 0,06 0,07 0,07 0,07 0,07

Межа тривкості, кг/ мм2 7,11 2,89 3,44 4,40 5,17 5,94

Відносна повздовжня деформація 0,0021 0,0018 0,0021 0,002196 0,0021 0,0021

Модуль Юнга (Е) 3237,06 1535,7 1566,7 2007,924 2355,7 2706,3

Жорсткість поперечного перетину 6,50 3,04 3,25 4,07 4,73 5,46

Результати вивчення тривкості на стиснення (табл. 2) показали більш високі тривкісні характеристики кісткової тканини при даному навантаженні, що може пояснюватись постійно діючими вертикальними силами, які обумовлюють специфічну будову тканини, стійкої для даного виду навантаження. Високі показники межі тривкості зумовлюють зростання модуля пружності Юнга у порівнянні з розтягненням.

Механічний дефект кістки зменшує межу тривкості з 21,80 кг/мм2 до 7,86кг/мм2, що призводить до зниження модуля Юнга та жорсткості поперечного перетину у 2,5 рази. На відміну від розтягнення, показники тривкості на стиснення зростають вже через 10 днів після травми на 64% та збільшуються на 20% - через 14 та 24 доби, що пояснюється більшою значимістю органічної складової у формуванні стійкості до стискання. Через 45 днів після перелому межа тривкості на стиснення залишається меншою за інтактні показники на 12,21%, внаслідок незавершеного ремоделювання кісткового матриксу.

Таблиця 2

Показники тривкості на стиснення великогомілкових кісток в нормі та в різні терміни

репаративної регенерації

Показник Контроль 3 дні 10 днів 15 днів 24 дні 45 днів

Повздовжня сила (Р), кг 41 14,7 25,3 29 32 36

Плаща поперечного перетину ^), мм2 1,88 1,87 1,96 1,92 1,9 1,88

Довжина ^), мм 31,85 31,84 31,86 31,88 31,87 31,89

Абсолютна повздовжня деформація ^), мм 0,11 0,09 0,09 0,1 0,11 0,11

Межа тривкості, кг/ мм2 21,80 7,86 12,90 15,10 16,84 19,14

Відносна повздовжня деформація 0,0034 0,0028 0,0028 0,0031 0,0034 0,0034

Модуль Юнга (Е) 6314,5 2781,03 4569,49 4815,20 4879,6 555 1 , 4

Жорсткість поперечного перетину 11,87 5,20 8,95 9,24 9,27 10,43

Кісткова тканина являє собою матеріал, що характеризується високими тривкісними характеристиками та одночасно має значні еластичні властивості. Механічна травма призводить до значного зниження тривкості кістки, відновлення якої відбувається поступово, відповідно до стадій репаративного процесу. Максимальний ріст механічних властивостей відбувається у 2 та 3 стадіях регенерації, але показники тривкості залишаються меншими за інтактні навіть у 5 стадії, що вказує на необхідність застосування заходів, направлених на прискорення процесів ремоделювання кісткової тканини.

Перспективи подальших досліджень. В подальшому планується провести наступну серію дослідів, метою яких буде корекція морфофункціональних змін у посттравматичному регенераті великогомілкової кістки.

1. Бруско А. Т. Функциональная перестройка костей и ее клиническое значение / А. Т. Бруско, Г. В. Гайко // - Луганск, Луганский государственный медицинский университет.-2005.-212с.

2. Корж Н.А. Репаративная регенерация кости: современный взгляд на проблему. Локальные факторы, влияющие на заживление перелома / Н. А. Корж, Л. Д. Горидова, К. К. Романенко // Ортопедия, травматология и протезирование. - 2006. - №2.-С. 99-105.

3. Корж Н. А. В. Репаративная регенерация кости: современный взгляд на проблему. Стадии регенерации / Н. А. Корж, Н. В. Дедух // Ортопедия, травматология и протезирование. - 2006. - №1. - С. 76-84.

4. Пичхадзе И. М. Биомеханическая концепция фиксации отломков переломов длинных костей// Современные технологии в травматологии и ортопедии: Мат. наун.конф., посвященной 75-летию со дня рождения проф. К.М.Сиваша.-Москва,1999.-С.9-10.

5. Рожинская Л .Я. Системный остеопороз: Практическое руководство.-Издание 2-е, перераб. и доп.-М.: Издатель Мокеев,2000.-196 с.,ил.

6. Уровни организации минерального матрикса костной ткани и механизмы, определяющие параметры их формирования / Аврунин А. С., Тихилов Р. М., Аболин А. Б., Щербак И. Г // Морфология. - 2005. - Т. 127, №2. - С. 78-82.

7. Фрост Н. М. Эволюция взглядов на остеопороз (обзор за 1998 год) / Фрост Н. М. // Остеопороз и остеопатии.- 2000.- № 1.- С.2-8.

8. Buckwalter J. Bone biology (Part II Formation, form, modeling, remodeling and regulation of cell function) / Buckwalter J., Glimcher M., Cooper R. // J. Bone Jt. Surg. - 1995. - Vol. 77, №8. - P. 1289-1306.

9. Bone strength: compact bone more important than trabecular structure // Lunar News.- 2000 (Winter).-P. 19-20.

10. Estimation of the architectural properties of cortical bone using peripheral quantitative computed tomography/ Hasegawa Y., Schneider P., Reiners C., [et al.] // Osteoporos. Int.-2000.-Vol.11 .-P.36-42.

11. Indices of mechanical strength of the distal radius in healthy women and women with Colles fracture / Pludowski P., Bienkowska R., Talajko A., Lorenc R.S. // Pol. MerkuriuczLek.-1998.-Vol.5, N 28.-P. 208-210.

12. Martin J. C. M. Radial bone mineral density and estimated rates of changes in normal Scottish Women: assessment by peripheral quantitative computed tomography / Martin J. C., Reid D. M. // Calcif. Tissue Int.-1999.-Vol.64.- P. 126-132.

13. Tsurusaki K. Differential effects of menopause and metabolic disease on trabecular and cortical bone assessed by peripheral quantitative computed tomography (pQCT) / Tsurusaki K., Ito M., Hayashi K. // Br. J. Radiol.- 2000.- Vol.73, N 865.- P.14-22.

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИНТАКТНОЙ И ТРАВМИРОВАННОЙ КОСТИ Сикора В.З., Бумейстер В.И., Погорєлов М.В., Ткач Г.Ф., Кореньков А.В.

В работе проведены исследования прочностных характеристик интактной и

травмированной кости. Установлено, что травма приводит к снижению прочностых параметров, восстановление которых происходит постепенно, соответственно стадиям репаративного процесса.

Ключевые слова: травмированная кость, разрыв, сжатие.

BIOMECHANICAL CHARACTERISTIC OF THE CONTROL AND TRAUMATIC BONE Sikora V.Z., Bumeister V.I., Pogorelov M.V., Tkach G.F., Korenkov A.V.

In the work investigated firm characteristic of the control and traumatic bone. Looking at the results it was established, the trauma lower firm index, reinstatement is going on gradually, accordingly to the stages of the reparative process.

Key words: traumatic bone, pressing,

rupture.

УДК 611. 778

ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ КОЖИ ВОЛОСИСТОГО ОТДЕЛА ГОЛОВЫ МУЖЧИН

Несмотря на то, что кожа волосистого отдела головы человека является в медицине объектом многоцелевых интересов, особенно в плане проблемы облысения /различного происхождения/, имеющиеся в литературе данные о ее нормальном строении оказываются, на удивление, мало подкрепленными иллюстративными материалами и недостаточно информативными в некоторых существенных деталях [1, 2, 4]. Так, например, полностью отсутствуют необходимые данные о строении сетчатого слоя дермы в ее широком охвате. Совсем не уделено внимание особенности дислокации в толще кожи волосяных фолликулов. Сплошь и рядом вместо микрофотографий приводятся произвольные зарисовки.

Целью работы было представить в наглядной форме более полные данные о строении кожи волосистого отдела головы мужчин, что продиктовано планируемым изучением тех изменений, которые происходят в ней при андрогенной алопеции.

Материал и методы исследования. Объектом исследования являлась кожа волосистого отдела головы мужчин, умерших в возрасте 40-50 лет, без заметных признаков облысения. Сразу после иссечения лоскуты промывали в теплом физиологическом растворе и фиксировали в 10% нейтральном формалине, затем рассекали на отдельные кусочки, размером 1х1 см., которые, после отмывки от фиксатора, подвергали дегидратации в спиртах с плавным переходом в ацетон. Следующим этапом являлась пропитка тканей эпоксидной смолой эпон - 812, в соответствии с методами подготовки материала для трансмиссионной электронной микроскопии. После этого препараты помещали в чистую смесь эпоксидной смолы. Из полимеризованных блоков готовили пластинчатые шлифы, которые окрашивали 1% раствором метиленового синего на 1% растворе буры, или 0,1% раствором толуидинового синего на фосфатном буфере.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.