УДК 636.7+636.8:616.71:616-001.5

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ КОСТЕЙ ЖИВОТНЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ МАШИН

Н.В. САХНО

Предложена методика определения прочности костей на изгиб с помощью испытательных машин разной конструкции. Использовали имеющиеся установки промышленного производства без их адаптации. Для расчета предела прочности костей на изгиб применили формулу, позволяющую количественно описать равномерное распределение прилагаемой нагрузки к поперечному сечению трубчатых костей. С использованием описанной методики сравнили показатели устойчивости костей на изгиб, сжатие и растяжение у лабораторных животных.

Ключевые слова: остеосинтез, трубчатые кости, биомеханические свойства кости.

 

В настоящее время имеются данные о том, что прочность костей зависит от вида, возраста, пола, а также условий содержания животного (1, 2). Кроме того, у лактирующих коров выявлены суточные морфометрические изменения костей (3), что также, по нашему мнению, может влиять на их устойчивость к травмированию. Результаты определения прочности костей у животных разных видов вариабельны и до конца не систематизированы. Это, в частности, обусловлено трудоемкостью исследований костной ткани.

Существует методика определения силы внешнего травматического воздействия, для которой расчетная и экспериментальная сила удара различаются незначительно (не более ошибки электротензометрического измерения силы в эксперименте). Однако для проведения исследований по этой методике требуется дорогостоящее и труднодоступное оборудование (4).

Данные о повреждении костных структур представлены в достаточном объеме на примере поперечного сдавливания трубчатых костей и при сжатии плоских костей (5). В то же время нарушение целостности кости возникает чаще при прямом приложении травмирующей силы, провоцирующей сгибательное воздействие на кость (6). При этом приведенные данные о механическом повреждении трубчатых костей под воздействием изгибающей силы в поперечном направлении и под острым углом (5) характеризуют лишь биомеханику компенсаторной перестройки костной ткани, предшествующей возникновению переломов.

Следует также отметить, что при использовании трупного материала для исследования механических свойств кости неизбежно возникают ошибки, поскольку живая кость обладает иными характеристиками и неодинаково реагирует на нагрузки разной интенсивности.

Целью нашей работы была разработка методики определения предельной устойчивости трубчатых костей при нагрузке на изгиб для изучения биомеханических свойств костной ткани и выбора оптимального способа иммобилизации отломков костей в зависимости от характера перелома.

Описание методики. Поскольку в организме независимо от места и угла приложения травмирующей силы вся кость принимает нагрузку, то нами были адаптированы условия испытаний предела прочности костей на изгиб. Расстояние между опорами, на которые укладывали кость перед нагрузкой, составляло 2/3 ее длины. Оставшейся части кости было достаточно для обеспечения относительного покоя в заданном положении до воздействия травмирующей силы, а также исключения соскальзывания с опор при изгибании во время приложения силы. При этом отсутствие фиксации концов кости позволяло принимать прилагаемую нагрузку и перераспределять по всему испытуемому образцу (кости). Условия испытаний были максимально приближены к возникающим при действии травмирующей силы, формирующей переломы по типу сгибания, так как силовое воздействие было плавным с ускорением 20 МПа/с.

Для определения биомеханических свойств костной ткани использовали испытательные установки УИМ-10 и МИП-1-50035 (Россия) с разным диапазоном измерения допустимого усилия (градуировка шкалы в килограммах и Ньютонах — соответственно 0-1000 кг/0-9800 Н и 0-100 кг/0-980 Н), применяемые при определении предела прочности металлических изделий. Измерения проводили в центральной лаборатории ООО «Завод им. Медведева — Машиностроение» (г. Орел). Объектом эксперимента служила группа беспородных собак (n = 5) обоего пола в возрасте от 1 до 6 лет массой 12-25 кг, сформированная методом случайной выборки, и кошек в возрасте 2 лет массой 2,5-3,5 кг обоего пола (n = 6), погибших по разным причинам (патология костной ткани исключена). У собак под общей анестезией провели остеотомию правой большеберцовой кости под углом 12° к длинной оси (косой перелом) и иммобилизировали отломки посредством двух циркулярно наложенных на диафиз кости стягивающих полос авторской конструкции (7) (левая большеберцовая кость служила контролем). После операции животным был назначен курс общей послеоперационной терапии, которая включала препараты, необходимые для реабилитации организма после остеосинтеза: официнальные растворы димедрола, анальгина, аскорбиновой кислоты, линкомицина, кальция глюканата и тетравита. На 180-е сут животных подвергали эвтаназии и отбирали образцы для испытания. Все опыты и эвтаназию экспериментальных животных выполняли в соответствии с требованиями приказа МЗ СССР № 755 от 12 августа 1977 года «О мерах по дальнейшему совершенствованию организованных форм работы с использованием экспериментальных животных».

Исследуемые кости тщательно препарировали от мышц, сухожилий, связок и жировой ткани. К определению прочности приступали не позже 12-16 ч после эвтаназии. Кости укладывали горизонтально на опоры испытательной установки УИМ-10. Расстояние между опорами изменяли в зависимости от длины образца. Силовое воздействие было направлено сверху непосредственно по центру диафиза кости перпендикулярно к длинной оси, что максимально приближает воздействие к условиям, возникающим при незначительной кинетической энергии травмирующего агента, и дает возможность объективно оценить предельно допустимую нагрузку.

Результаты испытаний фиксировали в момент нарушения целостности кости. Образцы, полученные от собак, испытывали на установке УИМ-10, от кошек (во избежание погрешности измерений) — МИП-1-50035.

Нарушение целостности как интактных костей, так и костей после консолидации отломков происходило в средней трети диафиза. Поэтому условия испытаний позволяли определить прочность регенерата после косых переломов с соответствующей локализацией, что необходимо для оценки сроков и качества перестройки костной ткани при восстановлении биомеханических свойств. На основании определения морфометрических показателей в месте повреждения костей рассчитывали предел прочности на изгиб.

Как известно, максимальное нормальное напряжение при плоском поперечном изгибе определяется отношением максимального изгибающего момента в рассматриваемом сечении к моменту сопротивления сечения относительно оси x (8):

где Fmax — максимальная нагрузка в момент излома кости; L — расстояние между опорами, на которых расположена исследуемая кость; D — наружный диаметр диафиза кости в месте перелома; d — внутренний диаметр диафиза кости в месте перелома.

Предел прочности на изгиб свежих костей животных соответствовал условному напряжению при наибольшей нагрузке, предшествующей их разрушению. Известно, что кость как материал с относительно низкой эластичностью, обладающий небольшим модулем упругости, в момент деформации прогибается незначительно (5).

На 1-е сут после эвтаназии у собак прочность трупной кости, находившейся при комнатной температуре и влажности воздуха практически не изменялась. По истечении 2-3 нед хранения трупной кости в таких же условиях ее прочность может увеличиться (отмечалось повышение упругости на 5 %). В этом случае исследуемая большая берцовая кость по реакции при нагрузке на изгиб приближалась к свежей малой берцовой кости, предел прочности которой можно оценить, лишь значительно сократив расстояние между опорами, что вносит погрешность в определение. В дальнейшем на фоне интенсивной потери влаги кость, освобожденная от мягких тканей, становится хрупкой. Можно заключить, что в живом организме прочность костей максимизируется благодаря содержащейся в них влаге, необходимой для метаболических процессов.

Сравнивая прочность интактных (контроль) и травмированных (опыт) больших берцовых костей собак на 180-е сут после остеосинтеза не установили достоверных различий. При этом  нагрузка,  вызвавшая перелом костей после остеосинтеза, как правило, была выше контроля, однако рассчитанная прочность — ниже. Для длины кости, расстояния между опорами,  диаметра  диафиза и костномозгового канала на месте перелома кости, величины нагрузки, вызвавшей перелом, и расчетной прочности показатели (контроль/опыт, M±m) составляли соответственно 179,00±5,10/172,20±5,70; 119,34±3,40/119,46±3,81; 12,20±0,66/14,20±1,16; 5,20±0,49/5,80±0,37 мм; 117,20±18,00/154,00±17,69 кг; 20,49±2,06/17,31±1,89 кг/мм2 и 200,84±20,17/169,66±18,55 МПа.

Возможная причина выявленного снижения прочности ранее травмированных костей — уменьшение диаметра костномозгового канала за счет эндостальной костной мозоли при увеличении диаметра диафиза вследствие формирования периостальной. То есть компактный слой диафиза в этих костях все еще был толще относительно интактных и выдерживал более высокую нагрузку, что в расчете на 1 мм2 его поверхности (согласно приведенной выше формуле) давало несколько бoльшие значения устойчивости на изгиб.

Следует также отметить высокую устойчивость костей голени (большой и малой берцовой) к нагрузкам. Как указывалось выше, предел прочности малой берцовой кости при нагрузке на изгиб оценить практически невозможно из-за ее высокой деформационной способности. Кости голени представляют собой промежуточное звено в тазовой конечности и испытывают довольно значительные функциональные нагрузки. То есть прочность кости зависит от расположения в скелете и естественных нагрузок.

При анализе прочности длинных трубчатых костей скелета у разных видов животных оказалось, что предел прочности на изгиб отдельных костей периферического скелета кошек превышает исследуемый показатель у собак в 1,3-1,7 раза. Для длины кости, расстояния между опорами, диаметра диафиза и костномозгового канала на месте перелома кости, величины нагрузки, вызвавшей перелом, и расчетной прочности показатели (интактная большая берцовая кость/интактная плечевая кость, M±m) составляли соответственно 113,00±1,64/94,17±1,01 мм (Р ≤0,05); 75,32±0,89/62,80±0,68 мм (Р ≤ 0,05); 7,30±0,42/7,20±0,48; 3,20±0,10/3,60±0,07 мм (Р ≤ 0,05); 66,00±1,52/58,80±0,89 кг (Р ≤ 0,05) и 36,59±6,81/27,12±4,92 кг/мм2.

Отметим, что у кошек компактный слой диафиза большой берцовой кости был в среднем в 2,03 раза тоньше, чем у собак, а диаметр диафиза значительно снижал объем кости, противодействующий нагрузке.

Более высокая устойчивость костей у кошек, вероятно, связана с большей нагрузкой в процессе эволюции (несмотря на относительно небольшую массу большинства представителей кошачьих): прыжками, падениями с высоты, способностью животных приземляться на конечности независимо от положения тела в момент падения и т.д.

Таким образом, методика адаптации условий испытаний предела прочности костей на изгиб на установках, используемых при контроле качества промышленных изделий, позволяет оценить биомеханические свойства кости у разных видов животных. Оказалось, что предел прочности костей у интактных и ранее травмированных собак (после остеосинтеза) достоверно не различался. Это позволяет сделать заключение о стабильности использованного способа иммобилизации отломков при косых переломах, обеспечивающего формирование к 6 мес после остеосинтеза регенерата, равноценного по прочности интактной кости.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Е л и с е е в  А.П. Анатомия и физиология сельскохозяйственных животных. М., 1991.
2. Х р у с т а л е в а  И.В. Задачи морфологии животных в связи с проблемами в животноводстве. В сб.: Функциональная морфология и патология аппарата движения сельскохозяйственных животных. М., 1984: 3-6.
3. С а м о т а е в  А.А.,  Д е д у ш е в  С.В. Суточные морфометрические изменения у коров. Ветеринария, 2002: 39-43.
4. К о р с а к о в  С.А. Оценка влияния головного убора при черепно-мозговой травме. Медицина и право. http://www.med-pravo.ru/SudMed/ SpecLiterature/Head-dress.htm.
5. Ч е р в а н е в  В.А.,  П а л ь ц е в  С.С. Переломы костей и их лечение у мелких домашних животных. Воронеж, 2006: 8-23.
6. К р а с н о в  А.Ф.,  А р ш и н  В.М.,  Ц е й т л и н  М.Д. Справочник по травматологии. М., 1984: 225, 240-244.
7. С а х н о  Н.В. Патент РФ на полезную модель № 42167. Фиксатор отломков трубчатых костей при косых и винтообразных переломах у собак и кошек. Бюл. № 33. Опубл. 27.11.2004.
8. С и д о р о в  В.Н. Лекции по сопротивлению материалов и теории упругости. М., 2002.

 

METHOD OF DETERMINATION OF BONE STRENGTH IN ANIMALS WITH USE OF TESTING MACHINE

N.V. Sakhno

The technique for determination of bone strength on the bend with the help of industrial test-ing machines (without adaptation) of different construction was proposed. For the calculation of bone bending strength the author uses the formula which permits to describe the uniform distribution of a load to cross-section of tubular bones. With the application of this method the parameters of bones strength on the bend, the pressure and the stretching in laboratorial animals have been compared.

Key words: osteosynthesis, the tubular bones, biomechanical qualities of the bone.

ФГОУ ВПО Орловский государственный
аграрный университет
,
302019 г. Орел, ул. Генерала Родина, 69,
e-mail: sahnoorelsau@mail.ru

Поступила в редакцию 17 апреля 2007 года

 

Оформление электронного оттиска

назад в начало