Николаев Г.А., Лощилов В.И. - Ультразвуковая технология в хирургии, страница 4

Показано, что после устранения нагружения и выдерживания образца в ненапряженном состоянии возможны два случая. 1. Если деформация имела место в состоянии упругопластическом, то остаточная деформация после разгрузки сохраняет свою величину с течением времени. 2. Если материал принадлежал к категории упруго- вязких, то остаточная деформация при выдерживанин имеет тенденцию к уменьшению.

И. В. Киетс 1321 изучал изменения свойств больше- берцовых и бедренных костей от ряда факторов. При этом он обращал внимание па гетерогенность свойств, апизотропию. Изучались механические свойства костных тканей в поперечном сечении большеберцовой кости. Рассматривались изменения свойств в функции от того, в каком направлении вырезались испытуемые образцы: вдоль оси диафиза, по касательной в поперечном сечении или по радиальному направлению в поперечном сечении.

Свойства указанных костей по различным направлениям отличаются между собой, Установлено, что модуль упругости при сжатии образцов, вырезанных вдоль оси Е„меняется в пределах 150 000 — 225 000 кгс/смз. Модуль упругости растет с увеличением скорости деформирования. Модуль упругости при сжатии образцов, вырезанных по касательной в круглом сечении Е~ н Е, по радиусу, соответственно составляет около 507о от величины Е,.

При растяжении большеберцовых костей Е, имеют максимальную величину в средней трети диафиза, а наименьший в нижней трети. Наибольшее значение Е, при сжатии имеет место также в средней трети диафнза, наименьшее — в верхней трети, В бедренных костях существует изменение модуля упругости по длине кости аналогично большеберцовой. Показано, что значительное число переломов костей голени человека происходит в результате крутящего момента М,р. Модуль упругости при сдвиге, сопутствующему кручению, значительно меньше модуля упругости при растяжении и сжатии, он равен 55000 —:32000 кгс/смз.

Нередко допускают, что модуль упругости сдвига О в большеберцовой и бедренных костях при кручения существенным образом не зависит от положения испытуемого образца по длине кости. Коэффициенты поперечного сокращения образцов большеберцовых и бедренных костей, вызванного продольной деформацией, по всем направлениям составляют 0,25 —:0,50. Зависимость между напряжением и деформацией рассматриваемых костных тканей не является строго линейной даже при небольших напряжениях.

Нелинейный характер усиливается с возрастанием величины напряжения. Разрушающее напряжение в большеберцовых и бедренных костях наиболее подробно изучено в образцах, вырезанных вдоль оси кости. Разрушающее напряжение при растяжении указанных костей в образцах, вырезанных вдоль оси, изменяется в пределах 800 —:1400 кгс/см'.

При сжатии разрушающее напряжение указанных образцов значительно выше — 1100 —: —:3200 кгс/ем~. Значительные колебания в цифрах объясняются влиянием скоростей нагружений и степенью влажности испытуемых объектов. Влажные образцы разрушаются при напряжениях на 15 —:20с/з меньших, нежели образцы, высушенные на воздухе. Эксперименты подтвердили так ке, что увеличение скорости деформирования способствует повышению величины разрушающих напряжений. Характеристики прочности не остаются постоянными и по длине костей.

В большеберцовых костях при растяжении разрушающее напряжение имеет наибольшую величину в средней трети диафнза, а наименьшую в дистальных отделах. Однако разница эта невелика. Разрушающее напряжение при сжатии в этих костях в большой мере зависит от расположения образца объекта.

Наибольшая прочность имеет место в средней трети длины диафиза. Разрушающие напряжения в образцах, вырезанных по направленяю,касательных и радиусов, меньше, чем в образцах, вырезанных по направлению оси. При сжатии они значительно выше, нежели при растяжении, и составляла не менее 1500 кгс/смз. По результатам исследований группы ученых, сте;, пень апизотропии прочностных свойств при испытании / на растяжение образцов, вырезанных по оси, по каса', тельной и по радиусу о.: о~. 'а,=1:О, 15:0,17.

йэ 19 При сжатии различие прочностных свойств образцов, вырезанных по трем указанным направлениям, значительно меньше. Величины разрушающих деформаций образцов выражаются в процентах к их первоначальным длинам. Величины разрушающих деформаций б даже у образцов однородного типа изменяются в широких пределах: 5=0,7 — 0,3«/» при растяжении; 6=0,8 — 5% при сжатии, По объему кости распределение разрушающих деформаций образцов очень неравномерно. В большеберцовой кости при растяжении наибольшая величина разрушающей деформации имеет место в средней трети диафиза, наименьшая в прокоимальной трети. При сжатии наибольшая величина деформации имеет место также в средней трети, а наименьшая — в дистальной. Разрушающие деформации в берцовых костях в направлениях по касательной и по радиусу при растяжении и сжатии оказываются существенно выше, чем разрушающие деформации образцов, вырезанные в продольном направлении.

Разрушающие напряжения в костях в значительной степени зависят от рода усилий. Например, при испытании образцов большеберцовой кости, вырезанной вдоль оси, разрушающее напряжение при изгибающем моменте достигало 1600 — 2500 кгс/ем~. Разрушающее же напряжение при кручения аналогичных образцов составляло 410 — 740 кгс/см'. Наибольшая прочность имела место у образцов средней трети диафиза. Разрушающая сдвиговая деформация, определяемая углом, изучалась мало. В образцах, вырезанных из бедренных костей при сдвиге, разрушающие деформации составляли 0,02 — 0,3 рад.

Процесс трещинообразования костей имеет большое значение для хирургов, однако его изучение до настоящего времени было недостаточным. Опытным путем показано, что при внецеятренном сжатии и значительном эксцентриситете приложенного усилия разрушение происходит в растягивающей зоне. При кручении характер разрушения зависит в большой степени от скорости нагружения. При медленном нагружении разрушения локализуются в большинстве случаев в средней трети кости, при быстром определен- 20 ная локализация отсутствует. От трещины, вызванной сдвигом, излом носит спиральный характер и начинается с наружной поверхности кости. В результате исследований было показано, что при сжатии образцов кубической формы разрушение наступает вследствие разрушения сдвига на косых плоскостях.

При сжатии удлиненных образцов имеет место образование значительной деформации в радиальных направлениях, которые являются источником образования продольных трещин. Существует «критическая» форма деформации, требующая для разрушения максимальной энергии. При растяжении образцов разрушение часто происходит под влиянием касательных напряжений т по косым плоскостям. При поперечном изгибе разрушение образцов происходит под действием растягивающих напряжений а. Многочисленные исследования показывают, что механические свойства костных тканей в большой степени ~ зависят от группы не только механических, но и биологических факторов. К последним следует отнести ) возраст человека, его пол, профессию, причины смерти ~ человека, длительность хранения кости.

Разумеется, ' большое значение имеет отдел кост~. 1-1иже приводятся данные о влиянии возрастных параметров на механические свойства большеберцовых костей на образцах, взятых у умерших лиц мужского пола разных возрастов. Исследования проводились под воздействием усилий, вызванных крутящими моментами.

При изменении возраста от 40 до 80 лет прочность большеберцовых костей уменьшается на 25%, а деформации при разрушении сокращаются в еще большей степени. Модуль упругости большеберцовых костей в диафизе понижался у 60-летних по сравнению с 30-летними на 21»/«, у 30-летних он составлял 220000 кгс/смз. Лналогичное изменение имеет и модуль сдвига О. У 30-летних О=55 600 кгс/см», у новорожденных— 12 000 кгс/см.~ Принято считать, что важным фактором в формировании механических свойств костей является расположение коллагеновых структур. Помимо коллагеновых, в:костях имеются неколлагеиовые белки, масса которых на несколько процентов меньше, но которая также оказывает, хотя и меньшее, влияние на свойства костей.

Рис. 4. Главные оск акнвотронвв большеберцовой кости. т-.а — роепреневенне конон оо вонам. Механические свойства костных тканей изучались в шести зонах на образцах, вырезанных, как указано на рис. 4, вдоль всех трех главных осей апизотропии. Плотность коллагена составляет 1,33 г/см', компактность костного слоя — 1,8 г/смв, Установлено, что с возрастом увеличивается отношение количества пеколлагеновых белков к коллагеновым. С возрастом повышается плотность костной ткани„ уве.пичивается мннерализация кости. Повышение плотности способствует увеличению прочности в образцах, вырезанных по всем направлениям: параллельному оси кости, радиальному, по касательной.

Пониженная прочность костей при кручении в младенческом возрасте объясняется несовершенством приспособительных биохимических реакций; повышение прочности в молодом и зрелом возрасте объясняется улучшением биохимических структурных реакций !72]. Низкая прочность имеет место в старости в результате накопления неколлагеновых белков и понижения средней плотности. Показано, что механические свойства костей зависят также и от расы и пола индивидуума.

Например, предел прочности при растяжении ткани большеберцовой кости у японцев составляет в среднем 14,3 кгс/мм', в то время как у американцев — 8,5 кгс/мм'. Разрушающие напряжения образцов большеберцовой кости на 5,8о/ь, а модуль упругости на 30%' у мужчин больше, чем у женщин. Напротив, деформации при разрушении, т. е. пластические свойства, выше у женщин, нежели у мужчин„и соответственно равны.

2 и 1,57о. Так как химический состав кости существенно ме. няется с возрастом, то И. В. Кпетс высказывает предположение, что это понижение свойств является следствием структурных превращений кости. Обращает внимание и то обстоятельство, что плотные ткани бедренной кости у мужчин с возрастом повышаются, а у женщин несколько снижаются, и при этом разность плотности соответственно с возрастом: растет. Исследования показали, что обработка костей консервирующей жидкостью и,повышает прочность, что существенно отличается от живых и «мертвых» костей.

Высыхание кости приводит к повышению разрушающего сопротивления и уменьшению деформации при разрыве. Уменьшение температуры до — 58'С вызывает понижение величины разрушающей деформации, увеличение температуры до 90'С вызывает ее увеличение. Ьольшое влияние на механические свойства имеет топография отдела костей, а также та зона, из которой был взят образец.

Предел прочности оь бедренной кости достигал при сжатии 1700 кгс/смт, а лучевой — 1!00 кгс/см'. В то же время при растяжении, напротив, ~в бедренных костях оь оказывался на 25е/о ниже, чем в лучевых. В средней части диафиза предел прочности при растяжении и сжатии выше, чем в концевых отделах кости. 1-!аиболее прочна костная ткань наружной зоны, наименее прочна задней зоны. Напротив, при растяжении, по-видимому, наиболее прочна задняя зона, а нанменее прочна передняя.