CC BY
96
УДК 621:620.1.05 (031)
В.О. Маланчук, А.В. Копчак, М.С.Шидловський
ЗМ1НА МЕХАН1ЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ К1СТКОВО1 ТКАНИНИ УЛАМК1В НИЖНЬО1 ЩЕЛЕПИ ПРИ ТРАВМАТИЧНОМУ
ПЕРЕЛОМ1
Нацiональний медичний ушверситет iM. О.О. Богомольця
Xipypri4He лiкування травматичних переломiв нижньо!' щелепи -актуальна проблема xipypri4HOi стоматологи та щелепно-лицево!' xipyprii. Методики проведення остеосинтезу постшно вдосконалюються, при цьому найбшьш перспективними вважають операцп, що вiдповiдають концепцп фyнкцiонально-стабiльноrо остеосинтезу. Ця концепщя передбачае досягнення анатомiчно точно! репозицп кiсткових фpаrментiв, 1'х стабшьну фiксацiю, мiнiмальнy iнвазивнiсть втручання та ранне функцюнальне навантаження на уражену юстку. За дотримання цих принцитв, на думку автоpiв, створюються оптимальш умови для зрощення пеpеломiв у якомога коротший теpмiн i вщпадае необхiднiсть у тpивалiй iммобiлiзацil уражено!' щелепи [1,2].
Найбiльш проблематичним при цьому виявилося досягнення фшсаци, здатно!' утримати кiстковi фрагменти в правильному положенш за будь-яких умов жувального навантаження. Для цього було запропоновано як системи, здатш сприймати велик навантаження без незворотних дефоpмацiй i руйнування (компpесiйнi та pеконстpyктивнi пластини з бжортикальною фiксацiею), так i системи, здатнi пеpеpозподiляти навантаження за рахунок свое!' форми i розташування (монокоpтикальнi мiнiпластини за Champy та Lodde) [2]. 1хню здатнiсть пpотидiяти жувальному навантаженню було вивчено i пiдтвеpджено iз застосуванням
традицшних методiв бiомеханiки (натурнi експерименти, методи фотопружносп, математичне моделювання тощо) [3]. Однак досвщ клiнiчного застосування вщомих систем для фiксацii к1сткових уламюв свiдчить, що частота вторинного змщення уламкiв та порушень консолiдацii шсля проведення остеосинтезу сягае 10-12% [1, 2]. Наюсш пластини не завжди здатш утримати уламки в правильному положенш в 3-х площинах. Особливо проблематичними з цiei точки виявляються застарiлi та уламковi переломи, а також переломи з дефектом юстки.
Надшшсть фiксацii к1сткових уламюв при переломi визначаеться, з одного боку, техшчними характеристиками i розташуванням фiксуючого пристрою, а з шшого - властивостями кiстковоi тканини уламюв, з якою вiн мае утворити единий комплекс iз високими жорстюстю i мiцнiстю [3, 2]. Саме властивост кiстковоi тканини нерiдко стають вирiшальним чинником, що визначае прогноз хiрургiчного втручання.
Численнi патоморфологiчнi дослщження свiдчать, що к1сткова тканина уламюв у посттравматичний перiод зазнае значних змш. При травмi в юстковш тканинi, наближенiй до перелому, розвиваються iшемiя, дистрофiя й остеонекроз iз подальшою резорбцiею i перебудовою юнщв уламк1в. Цей процес здатний охоплювати значнi дiлянки уражено!' щелепи i проходить певнi фази, кожна з яких характеризуеться рiзною iнтенсивнiстю i спiввiдношенням процесiв резорбцii та новоутворення юстково! тканини. М1неральна насиченiсть юстково! тканини уламкiв при цьому може суттево змшюватись [4,5,6].
Зазначенi процеси, що призводять до глибоких структурних змiн ураженоi кiстки, ймовiрно здатш впливати на и механiчнi властивост та бути однiею з причин, що зумовлюють неспроможшсть елементiв фжсацп утримати уламки в правильному положенш. При фжсацп перелому нак1сною пластиною в реальних умовах шурупи часто розмщують в
ушкодженш юстковш тканинi, яка перебувае в процес iнтенсивноi перебудови. Отже, жорстюсть системи кiстка-фiксуючий пристрiй буде змшюватися залежно вiд особливостей перебiгу бюлопчно-детермiнованих процесiв у кiстковiй тканиш уламкiв. Утiм, у абсолютнiй бшьшосп бiомеханiчних дослiджень (як експериментальних, так i математичних) посттравматичнi змiни кiстковоi тканини уламк1в не враховують, що може призводити до невiдповiдностi розрахункових даних отриманих у натурних i модельних експериментах, та клiнiчного досвщу [3,7, 8].
Слiд зазначити, що, незважаючи на те, що структурш змши в кiсткових уламках при переломi досить добре вивченi, характер змш iхнiх механiчних властивостей залишаеться недослiдженим, тому оцiнка взаемозв'язкiв мiж особливостями перебiгу бiологiчних процесiв i механiчними властивостями е переважно гшотетичною.
Метою дослiдження було вивчити змши мехашчних властивостей кiстковоi тканини уламюв при переломах нижньоi щелепи та встановити iхнiй взаемозв'язок iз характером i давнiстю травми.
Матерiали i методи дослiдження. Матерiалом дослiдження було 50 зразюв кортикально!' i губчасто!' к1стки, отриманих при проведеннi оперативних втручань на нижнiй щелепi. Вж хворих становив вiд 15 до 60 роюв (у середньому 30,5 роюв). Чоловiки серед загальноi юлькост склали 70%. 20 зразк1в було отримано з неушкоджених щелеп при проведенш кiстково-пластичних операцiй, дентальнiй iмплантацii, заборi кiсткових трансплантатiв, видаленнi ретенованих зубiв тощо. Iншi 30 зразюв становили собою фрагменти юсткових уламюв, видаленi в пацiентiв iз травматичними переломами нижньо!' щелепи. Строки шсля травми становили вiд 6 дiб до 3 мiсяцiв. Уламковi переломи були наявш в 50% хворих. Розподш зразкiв кiстковоi тканини за локашзащею був таким: ментальний вщдш - 12%, тiло нижньо!' щелепи - 28%, кут i гшка нижньо!'
щелепи - 60%. Розмiри i форма отриманих фрагментiв к1стки визначалися техшчними особливостями проведення оперативного втручання i варiювали значною мiрою. Довжина зразюв коливалась вiд 2,85 до 10 мм. Шсля антисептично! обробки отримаш фрагменти зволожували в iзотонiчному розчиш хлориду натрiю i заморожували при температурi вiд -4 до -7°С у закритих пластикових контейнерах [8]. Перед проведенням дослiдження фрагменти шддавали механiчнiй обробцi, надаючи !м правильно! геометрично! форми у виглядi прямокутного паралелешпеда або цилiндра. Останнi формували за допомогою сталевого кiсткового трепана з внутршшм дiаметром 3 мм. Для досягнення паралельност торцiв цилшдра або граней паралелепiпеда проводили 3-4 послщовш операцп шлiфування на спещально розробленому шлiфувальному пристро! з постшним охолодженням фiзiологiчним розчином. Кожен виготовлений зразок фотографували, зважували на анал^ичних вагах, вимiрювали його лiнiйнi розмiри штангенциркулем iз цифровою iндикацieю та обчислювали густину юстково! тканини.
Для визначення мехашчних властивостей зразка проводили його компресшне навантаження в ушверсальнш випробувальнiй машинi TIRATEST-2151. Швидк1сть деформування приймали рiвною 0,5 мм/хв. Для вивчення ступеня мехашчно! ашзотропп юстково! тканини навантаження зразк1в прямокутно! форми проводили в 3-х взаемно перпендикулярних площинах iз зусиллям, що не виходило за межi пружного дiапазону та подальшим вимiрюванням залишкових деформацш. Цилiндричнi зразки навантажували лише вздовж 1хньо1 вертикально! осi.
По закiнченнi дослiдження отриману iнформацiю фiксували у виглядi дiаграми деформування в координатах зусилля-деформащя. Модуль Юнга кiстково! тканини обчислювали як тангенс нахилу лшшно! дiлянки дiаграми деформування в координатах напруження - вщносна деформацiя зразка юстки. Для вивчення граничних напружень (межа мщносп, межа
пропорцшносп) додaтково проводили дослiди з нaвaнтaженням до повного pyйнyвaння зpaзкa. Ми ввaжaли, що гpaнично допустимим зшченням нaпpyження для к1стково!' ткaнини при ïï взaeмодiï з фiксyючими пристроями e межa пpопоpцiйностi, оск1льки при перевищенш цieï величини в юстковш ткaнинi виникaють незвоpотнi дефоpмaцiï, нерщко зyмовленi pyйнyвaнням окpемиx кiстковиx структур m мiкpоpiвнi. В yмовax in vivo це буде призводити до a^ma^i' пpоцесiв pезоpбцiï тa перебудови к1стки.
Для вивчення стaтистичниx зв'язюв мiж окремими фiзико-меxaнiчними xapaктеpистикaми кiстковоï ткaнини було зaстосовaно коефiцieнт кореляцп Пipсонa. До стaтистичного aнaлiзy зaлyчaли всю сyкyпнiсть отpимaниx дaниx.
Результати. 3a pезyльтaтaми дослiджень було встaновлено, що неyшкодженa коpтикaльнa кiсткa мaлa густину вiд 1,68 до 2,16 г/см . 3a сво1ми меxaнiчними влaстивостями вонa xapaктеpизyвaлaся виpaженою меxaнiчною aнiзотpопieю (оpтотpопieю) тa неодноpiднiстю, зi знaчними iндивiдyaльними i топогpaфiчними вapiaцiями. Мaксимaльнa жоpсткiсть бyлa визнaченa в шпрямку, що вiдповiдaв оpieнтaцiï бшьшосп остеонiв. Знaчення модуля Юнгa E1 y цьому нaпpямкy в piзниx зpaзкax стaновило вiд 65GG до 155GG МП (в середньому 1G298 МП). У площинax, пеpпендикyляpниx шпрямку мaксимaльноï жоpсткостi, знaчення модуля Юнга зменшyвaлось: спiввiдношення Е1:Е2 в середньому стaновило 1,65, a Е2:Е3 - 1,17. Розбiжностi в середньому зшченш модуля пpyжностi для piзниx aнaтомiчниx зон нижньоï щелепи виявили, що в д^нщ пiдбоpiддя тa Ma жорстк1сть коpтикaльного шapy бyлa дещо нижчою, нiж y дiлянцi кyтa i гiлки щелепи (в середньому ш 7%), однaк зa тaкоï кiлькостi спостережень цi pозбiжностi виявилися стaтистично невipогiдними. Межa пpопоpцiйностi коpтикaльноï к1стки мaйже в yсix спостеpеженняx пеpевищyвaлa 1GG МПa, що в цшому вiдповiдae дaним, отpимaним y шшж дослiдженняx [7, 9].
Губчаста юсткова тканина характеризувалася меншою густиною, бшьшою ашзотрошею !, на вщмшу вщ кортикального шару, сильно вираженою просторовою неоднорщшстю. Густина губчастого шару
3 3
становила 0,91-1,3 г/см3 (у середньому 1,1 г/см). Значення модуля пружност губчасто! юстки коливалось у межах 116-1290 МПа (в середньому становило 564 МПа). Сшввщношення Е1:Е2 1 Е2:Е3 становило в середньому 1,73 1 1,97 вщповщно. Максимальна неоднорщшсть губчастого шару була визначена в д1лянщ тша нижньо! шелепи в напрямку вщ кортикально! пластинки до нижньощелепного каналу. В центральних, наближених до каналу д1лянках, жорсткiсть у окремих випадках була майже в 7 раз1в меншою, шж у б1лякортикальних шарах. Натомють у дшянщ гшки губчаста юстка була однорщшшою за структурою 1 мехашчними властивостями. Шд д1ею навантаження в губчастш к1стц1 швидко розвивалися пластичн1 деформацИ, пов'язан1 головним чином 1з руйнуванням приповерхневих структур. Межа пропорцшност1 коливалась у межах вщ 3 до 30 МПа (на д1лянках ущ1льнення губчасто! кiстки) 1 в середньому становила 13,8МПа.
При перелом! юсткова тканина уламюв зазнавала структурно! дезорган!зац!!', пов'язано! з мехашчною травмою та !нтенсивною резорбц!ею в посттравматичний пер!од. Це в!дображалось у зменшенш !! густини, жорсткост!, меж! мщност! та пропорц!йност! (табл.1). Зменшення густини к!стково! тканини, зумовлене головним чином втратою м!нерального компонента, було виражено р!зною м!рою, але в середньому не перевищувало 7%. Натомють середне значення модуля пружност! кортикально! кiстки (Е1) зменшувалось у 2,4 разу в пор!внянш з контрольною групою. Межа пропорц!йност! в ушх спостереженнях була менше 100 МПа ! в середньому становила 55МПа. Зменшення жорсткост! та м!цност! ушкоджено! к!стки було б!льш виразне в юсткових уламках, що втратили зв'язок з ок!стям, та в тзш строки п!сля травми. Так, середне
значення модуля Юнга кортикально! к1стки в строк вщ 15 дiб до 3 мiсяцiв було на 28% нижчим, шж у бшьш раннi строки. Вiрогiдних вiдмiнностей у ступеш механiчноi анiзотропii кортикально! юстки не було виявлено.
Таблиця 1
Змша фiзико-механiчних характеристик юстково! тканини нижньо!
щелепи при переломi
Неушкодже на ККТ Неушкоджен а ГКТ ККТ уламюв при переломi ГКТ уламюв при переломi
Модуль Юнга (МПа) 10298+1000 564+121 4599+574 193+57
Межа пропорцiйнос т1 (МПа) 126+12 13,8+6 55,9+6,9 5,93+1,3
Густина (г/см3) 1,91+0,04 1,11+0,06 1,79+0,06 0,95+0,03
Примаки: ККТ - кортикальна к1сткова тканина;
ГКТ - губчаста юсткова тканина.
У губчастш кiстковiй тканинi змши були ще виразнiшi: середне значення модуля Юнга зменшувалось у 2,9 разу, а межа мщносл та пропорцшност - майже у 2,5 рази. Анашз механiчних властивостей губчасто! кiстки в суглобових голiвках, видалених при проведеннi оперативних втручань iз приводу застарiлих переломiв виросткового вщростка iз вивихом, пiдтвердив, що процес перебудови в разi порушення кровопостачання охоплюе значш масиви губчасто! юстки, причому змши мехашчних властивостей iз часом стають виразнiшими.
Статистичний aнaлiз пiдтвердив, що мiж окремими фiзико-меxaнiчними xaрaктеристикaми к1стково!' т^нини e вiрогiднi стaтистичнi зв'язки. Ta^ сильнi зв'язки 6ули виявленi мiж ïï густиною i жорстк1стю (r=0,71, p<0,05), густиною i мiцнiстю (r=0,84, p<0,05), жорстк1стю i мiцнiстю (r=0,84, p<0,05).
Обговорення. У нaшомy дослщженш зa допомогою aнaлiзy бiопсiйного мaтерiaлy, отримaного у xвориx iз трaвмaтичними переломaми нижньо!' щелепи, було встaновлено, що меxaнiчнi влaстивостi кiстковоï т^нини yлaмкiв нижньо!' щелепи зaзнaють зшчнж змiн, що полягaють головним чином у зменшенш ïï жорсткостi тa мiцностi. Цi змiни бiльше вирaженi в гyбчaстiй кiстковiй ткaнини i з чaсом поглиблюються.
Вiдомо, що меxaнiчнi влaстивостi к1стки, ïï здaтнiсть сприймaти i перерозподiляти нaвaнтaження визнaчaються мiжклiтинним к1стковим мaтриксом [7, 10]. Зм^ меxaнiчниx влaстивостей кiстковоï тонини yлaмкiв при переломi зyмовленa його структурною дезоргaнiзaцieю тa втрaтою мiнерaльного компонентa.
Первиннi змiни, як1 вини^ють у кiстковiй ткaнинi, пов'язaнi iз безпосередньою дieю трaвмyючого aгентa i певною мiрою - з ушкодженням кiнцiв yлaмкiв, що пов'язaне з ïx рyxомiстю в перiод, який передyвaв тимчaсовiй aбо постiйнiй iммобiлiзaцiï [1, 4]. Стрyктyрнi змiни полягають в yтвореннi щiлин, трiщин, порожнистж дефектiв у товщi к1стки, переломax i зминaннi окремиx остеонiв i трaбекyл, розшaрyвaннi тa взaeмномy змщенш кiстковиx плaстинок (лaмел) тощо.
Згодом кiстковa ткaнинa yлaмкiв зaзнae iнтенсивноï резорбцiï тa перебудови. Цей процес визнaчaeться ступенем iшемiчниx i не^от^нт змiн кiстковоï ткaнини yлaмкiв i тюно пов'язaний iз ревaскyляризaцieю ушкодженж зон тa перебiгом репaрaтивноï регенерaцiï в дiлянцi перелому [5, 6]. Процес резорбцп кiстковоï ткaнини m почaтковиx стaдiяx випереджae ïï утворення i дозрiвaння [5, 10], що призводить до зменшення
мшерально! насиченост юстково! тканини уламкiв i як наслiдок -зменшення 1хньо1 густини, що i було встановлено в нашому дослiдженнi.
Однак значне зменшення жорсткост та мiцностi юстково! тканини виникало навiть за невеликого зменшення 11 густини. Змiни мехашчних властивостей кiстки зумовленi не лише абсолютним зниженням умiсту кальцiю в юсткових уламках, а й топографiчними характеристиками процесiв перебудови. Резорбцiя, що виникае в ушкодженiй кiстковiй тканиш, призводить до руйнування структури юсткового матриксу на певних дiлянках, за рахунок чого юстка втрачае здатшсть сприймати навантаження як цiлiсна штегральна система.
У бiльш пiзнi строки шсля травми вплив бiологiчних процешв на механiчнi властивостi кiстки стае визначальним. Зменшення жорсткостi та мщност кiстки, пов'язане з 11 перебудовою, може бути виразнiшим i охоплювати бiльшi зони, нiж тi, що зазнали мехашчного ушкодження на мiкрорiвнi пiд безпосередньою дiею травмуючого агента.
Отже, жорстюсть i мiцнiсть юстково! тканини залежать вiд таких чинниюв: 1) первинного структурно-функцiонального стану юстково! тканини пацiента; 2) ступеня травматичного ушкодження юстково! тканини уламкiв при переломi та в раннiй посттравматичний перiод до застосування iммобiлiзацil; 3) переб^у процесiв репаративно! регенерацп, реваскуляризацп i перебудови юстково! тканини; 4) шших локальних i системних чинниюв (приеднання шфекцп, особливостi проведення оперативного втручання тощо). Змiни механiчних властивостей юстково! тканини уламк1в при переломi значно перевищують дiапазон iндивiдуальних i топографiчних варiацiй. 1гнорування цього факту при проведенш бiомеханiчних дослiджень i плануваннi оперативних втручань може призводити до незадовшьних клiнiчних результатiв, особливо у випадках поеднання несприятливих системних (структурно-
функцюнальний стан юстково!' тканини) i локальних (тяжк1сть травми) чинник1в.
Висновки
1. Мехашчш властивостi кiстковоi тканини уламюв нижньо!' щелепи при травматичному переломi вiрогiдно вiдрiзняються вiд показниюв неушкодженоi кiстковоi тканини.
2. Змши фiзико-механiчних властивостей кортикальноi та губчасто!' кiстки при травматичних ушкодженнях полягають у зменшеннi ii густини в середньому на 7 i 14% вщповщно, жорсткостi в 2,4 та 2,9 разу, межi мiцностi та пропорцшност в 2,3-2,5 рази.
3. Зазначеш змiни пов'язанi як i3 безпосереднiм механiчним ушкодженням кiсткових структур, так i з процесами посттравматично!' резорбцii та перебудови к1стки. Вони виразн^ при застарiлих переломах щелепи (в строк бшьше 15 дiб) i у вiльних уламках, що втратили зв'язок з ок1стям.
Л^ература
1. Швырков МБ. Неогнестрельные переломы челюстей / М.Б. Швырков, ВВ. Афанасьев, В.С. Стародубцев. - М.: Медицина, 1999.- 336 с.
2. Maxillofacial trauma and esthetic facial reconstruction / edited by P.W. Booth, B.L. Eppley, R. Schmelzeisen.- Churchill Livingstone, 2003.- 662 p.
3.Матрос-Таранец И.Н. Биомеханические исследования в экспериментальной стоматологии/ И.Н. Матрос-Таранец.- Донецк, 1998.122 с.
4.Григоровский В. В. Посттравматические поражения костей : патоморфология и патогенез : дис. ... доктора мед. наук : 14.03.02 / В. В. Григоровский. - К., 2001. - 312 с.
5. Корж А.А. Репаративная регенерация кости / А.А. Корж, A.M. Белоус, Е.Я. Панков.-М.: Медицина, 1972. -232 с.
6. Оноприенко Г.А. Васкуляризация костей при переломах и дефектах / Г.А. Оноприенко. -М.: Медицина, 1995.-224 с.
7. Зациорский В.М. Биомеханика двигательного аппарата человека / В.М. Зациорский, А.С. Арунин, В.Н. Селуянов. - М., 1981.-143 с.
8. Schwartz-Dabney C.L. Variations in cortical material properties throughout the human dentate mandible / C.L. Schwartz-Dabney, P.C. Dechow //American journal of physical anthropology. - 2003.- Vol.120.- P.252-277.
9. Arendts F.J. Mechanical characteristics of the human mandible and study of in vivo behavior of compact bone tissue, a contribution to the description of biomechanics of the mandible-II / Arendts F.J., Sigolotto C. // Biomed. Tech. - 1990.- Vol.35 (6).- Р.123-130.
10. Поворознюк В. В. Костная система и заболевания пародонта / В. В. Поворознюк, И. П. Мазур. - К., 2003. - 446 с.
Стаття надшила 16.10.2009 р.
Резюме
Проведено изучение механических свойств костной ткани нижней челюсти в норме и при ее травматических повреждениях путем компрессионной нагрузки образцов губчатой и кортикальной кости, полученных при проведении оперативных вмешательств. При механическом анализе определяли плотность, модуль Юнга, предел прочности и пропорциональности, а также степень анизотропии основных механических констант костной ткани и изучали корелляционные связи между этими показателями. Установлено, что механические свойства костной ткани отломков нижней челюсти при травматическом переломе достоверно отличались от показателей неповрежденной кости. Изменения физико-механических свойств кортикальной и губчатой кости проявлялись в существенном снижении ее плотности, жесткости, предела прочности и пропорциональности. Эти изменения были связаны как с
непосредственным механическим повреждением костных структур, так и с процессами посттравматической резорбции и перестройки кости.
Ключевые слова: биомеханика, нижняя челюсть, травматические переломы, костная ткань, механические свойства.
Summary
The study of the mechanical properties of the mandible bone tissue has been performed. The compression test has been used to analyze the specimens of intact or injured cortical and spongious bone, obtained during surgical interventions. The bone density, Young's modulus and ultimate stress have been estimated with the help of mechanical analysis as well as the level of the mechanical anisotropy and correlations between the mechanical indexes. It has been found out, that mechanical properties of the bone tissue in fragments of an injured mandible were significantly different from the intact bone. The changes of mechanical properties of the cortical and spongious bone included the significant decrease in its density, stiffness and strength. These changes have been associated with the direct mechanical injury of the bone structures as well as with the posttraumatic bone resorbtion and remodeling.
Key words: biomechanics, mandible, traumatic fractures, bone tissue, mechanical properties.
