Автореферат и диссертация по медицине (14.00.23) на тему:Структурно-функциональная адаптация костной ткани как композита с учетом видовых, возрастных и функциональных особенностей

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР БИОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР

На правах рукописи МАТВЕЙЧУК ИГОРЬ ВАСИЛЬЕВИЧ

Структурно-функциональная адаптация костной ткани как композита с учетом видовых, возрастных и функциональных особенностей

14.00.23 - гистология, цитология, эмбриология

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Научные консультанты:

чл.- корр. РАМН, д.м.н., профессор

Денисов-Никольский Ю.И.

д.б. н., профессор Слесаренко Н.А.

МОСКВА-1998

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................6

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................18

1.1. Основные сведения о структуре и химическом составе кости...........................18

1.2. Современные методы изучения механических свойств биологических минерализованных тканей....................................................................................................24

1.3. Факторы, влияющие на результаты механических испытаний кости как материала...........................................................................................................................28

1.4. Закономерности изменений структуры и биомеханических свойств костей в условиях измененной функциональной нагрузки.......................................................40

1.5. Влияние фиксирующих растворов на прочностные и деформативные характеристики костных образцов......................................................................................42

1.6. Механические свойства посмертно-измененной и ископаемой кости.............44

1.7. Разрушение минерализованных тканей на различных уровнях структурной организации........................................................................................................................46

1.8. типы адаптации костей скелета к изменению функциональных нагрузок.......50

Заключение........................................................................................................................52

ГЛАВА П. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..............................................55

2.1. характеристика исследованного материала.........................................................55

2.2. Особенности подготовки образцов кости для исследований..............................59

2.3. Светомикроскопические исследования................................................................62

2.4. изучение костных образцов с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)..................................................................................................................62

2.5. гравиметрический анализ.........................................................................................63

2.6. Определение индексов кости....................................................................................63

2.7. морфометрический анализ остеонов......................................................................64

2.8. Статистическая обработка результатов исследования........................................66

2.9. Условные обозначения принятых в работе величин..............................................69

ГЛАВА Ш. СОБСТВЕННЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ...............................73

3.1. Способы механической обработки костной ткани и предъявляемые к ним требования..........................................................................................................................73

3.2. Разрушающие механические испытания................................................................83

3.3. Неразрушающие механические испытания............................................................84

3.4. Гистоморфометрический метод оценки степени деминерализации или де-

органификации костных образцов..................................................................................90

3.5. Морфометрические и физико-механические исследования костей с различными уровнями функциональных нагрузок............................................................94

3.6. методика определения композитности костной ткани........................................96

3.7. метод механической полировки образцов губчатой кости.................................98

Заключение....................................................................................................................... 101

ГЛАВА IV. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ХРАНЕНИЯ И ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПОСМЕРТНОГО ПЕРИОДА НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОСТИ.............102

4.1. биомеханические свойства образцов костной ткани при различных способах хранения в течение 1 года..............................................................................................102

4.2. Особенности морфомеханических характеристик костного вещества с посмертным периодом 100 лет.......................................................................................114

4.3. Особенности морфомеханических характеристик костного вещества с посмертным периодом 23000 лет...................................................................................120

Заключение......................................................................................................................123

ГЛАВА V. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ, ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КОМПАКТНОГО ВЕЩЕСТВА КОСТИ КАК КОМПОЗИТА И ФАКТОРЫ ИХ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ..............................................................................................125

5.1. композишостъ костной ткани...............................................................................125

5.2. Морфометрические видоспецифические характеристики костей и микроструктуры их компактного вещества...........................................................................127

5.3. региональные особенности структуры и механических свойств бедренных костей человека и животных.........................................................................................129

5.4. связь формы и размеров костных образцов с их механическими показателями...................................................................................................................138

5.5. Учет фактора анизотропии при проведении механических испытаний кости

как материала......................................................................................... ........................143

5.6. роль масштабного фактора для сравнительного количественного анализа механических показателей кости................................................................................146

5.7. Особенности механического поведения костной ткани при различных

скоростях деформирования (нагружения)...................................................................148

Заключение......................................................................................................................150

ГЛАВА VI. РОЛЬ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ КОСТНОЙ ТКАНИ В РЕАЛИЗАЦИИ ЕЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ....................................................................152

6.1. Механические показатели органической фазы кости........................................152

6.2. Физико-механические свойства минерального компонента костной ткани. 159

6.3. Влияние дегидратации костных образцов на их физико-механические характеристики....................................................................................................................164

Заключение......................................................................................................................167

ГЛАВА VII. МОРФОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОСТНОЙ ТКАНИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ НАГРУЗОК.................................169

7.1. Морфометрические и биомеханические характеристики кости при моделировании измененной функциональной нагрузки....................................................169

7.2. Возрастные изменения морфомеханических параметров и композитности костной ткани..................................................................................................................175

7.3. Биомеханический анализ компактного и губчатого вещества кости............181

7.4. Сравнительная морфомеханическая оценка компактного вещества костей с различным уровнем функциональных нагрузок..........................................................183

Заключение......................................................................................................................185

ГЛАВА VTIL ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ И ФАКТОРЫ ИХ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ..............................................................................................188

8.1 Характеристика системы внутрикостных пространств (СВП) с позиций механики разрушения.....................................................................................................188

8.2. Особенности изменений в системе внутрикостных пространств при различных уровнях функциональных нагрузок..............................................................................194

8.3. Возможности торможения роста трещин в костной ткани.................................201

8.4. Основные факторы, определяющие закономерности разрушения костной ткани..................................................................................................................................203

8.5. Костные поверхности и их связь с пюцессом разрушения................................206

Заключение......................................................................................................................209

ГЛАВА IX. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ..................................211

• ВЫВОДЫ.............................................................................................................................236

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........240

*

♦

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы. Выяснение закономерностей морфогенеза и адаптивных перестроек костной ткани у млекопитающих является одной из фундаментальных проблем современной гистологии и гистомеханики /126, 127, 128, 140/. Особую актуальность ее решение приобретает в настоящее время в связи с возросшим влиянием на организм человека и животных биомеханических стрессоров (гипокинезия, гиподинамия, вибрация и др.) /142, 148/, играющих роль "триггера", инициирующего развитие в костях и суставах (орга-нах-мишенях) при определенных условиях изменений деструктивного генеза /58, 59, 208, 247, 257, 258,259/.

Накоплены обстоятельные сведения в области функциональной морфологии и биохимии костной системы человека и животных /69, 115, 141, 158, 168, 170, 210, 226, 284, 328, 356/, которые свидетельствуют о высокой адаптивной пластичности кости как несущей конструкции и костной ткани как биополимера/63,105,106,155,223,224,237,343, 383,416,450/.

Последние десятилетия характеризуются широким внедрением в практику изучения опорных биологических систем современных методов экспериментальной морфологии /54, 55, 163, 202, 225, 442/, инженерной и медицинской биомеханики /7, 9,20, 89, 92,179,252,272, 288, 474/. Особое внимание уделяется анализу минерализованных тканей - компактного и губчатого вещества костей человека и экспериментальных животных /175,206, 370, 393, 434, 437/. Можно полагать, что такие исследования способствуют совершенствованию традиционных и разработке новых методов диагностики болезней костно-суставной системы и их рациональной коррекции /210, 238, 243, 245, 250,278, 283/. Вместе с тем, они открывают перспективы для создания новых материалов медицинского и технического назначения на основе природных аналогов с целью проведения различных реконструктивно-

восстановительных операций в гуманитарной и ветеринарной хирургии /42, 235,285, 287/.

Особую значимость приобретают подобного рода разработки для внедрения в практику животноводства и звероводства научных принципов, позволяющих осуществлять оценку физиологического состояния и репродуктивных способностей животных, совершенствовать технологию промышленного содержания их в условиях специализированных хозяйств /4, 30, 121,171, 224, 276/. Более того, исследования в данном направлении являются базой для создания высокоэффективных методов переработки животноводческой продукции /271,272 /.

Вместе с тем, многие актуальные проблемы современной остеологии не стали еще предметом детальных морфологических и биомеханических исследований. Так, не выявлена взаимосвязь структуры и композитности с особенностями механического поведения минерализованных тканей. Это обстоятельство ограничивает возможность использования данных биомеханических исследований в качестве объективного критерия оценки структурных изменений кости. Известно /210/, что только гистологический анализ не позволяет выявить тонкие сдвиги структурной организации кости. Здесь крайне необходимы морфомеханические исследования, позволяющие зарегистрировать наличие нарушений соотношения основных фаз кости. Они лежат в основе ряда заболеваний, связанных с дисбалансом остеотропных макро- и микроэлементов при рахите /61/, болезни Кашина-Бека /82, 204/, снижении двигательной активности при старении /381/, в условиях длительного постельного режима /240/, действии факторов космического полета /32, 239, 414/, при нарушении рациона питания /2, 383, 416/. Имеющиеся в литературе сообщения затрагивают лишь отдельные стороны указанной проблемы, не учитывая возрастные изменения, а также уровень функциональных нагрузок. Наряду с этим, до настоящего времени не стандартизирована методика исследования в области

экспериментальной морфологии и биомеханики, что существенно затрудняет корректное сопоставление имеющихся данных, которые носят фрагментарный и противоречивый характер. В литературе имеется точка зрения, согласно которой костная ткань рассматривается в качестве гомогенного изотропного материала в отличие от реальной ее схемы - многокомпонентной анизотропной биологической среды /91/. Отсутствие общепринятых дефиниций не позволило получить детальные сведения о дифференциальных свойствах ее основных фаз и интегральных характеристиках природного композита при различных видах нагружения.

Мало внимания уделено изучению реакции минерализованных тканей на различные физико-химические воздействия и выяснению основных закономерностей изменений, возникающих при этом как в норме, так и при некоторых патологических состояниях организма. Это обусловило недостаточное освещение в литературе результатов фрактографических исследований, что не позволило до настоящего времени сформулировать основные принципы разрушения нормальной и патологически измененной костной ткани на различных уровнях ее структурной организации, что имеет важное значение для профилактики и лечения переломов различной локализации, а также представляет интерес для механики разрушения материалов.

На основании вышеизложенного, есть основания полагать, что для решения рассматриваемой проблемы необходимо проведение дальнейших углубленных системных исследований, включающих совершенствование методической базы, разработку современных способов изготовления и испытания экспериментальных образцов (с учетом факторов биологического и методического характера).

Цель настоящей работы - изучить закономерности структурно-функциональных взаимосвязей костной ткани с учетом ее композиционного построения, видовых, возрастных и функциональных особенностей.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

1. выяснить особенности структуры и механического поведения костной ткани человека и животных различной видовой принадлежности;

2. определить роль основных компонентов костной ткани как композита в реализации ее биомеханических свойств;

3. провести морфометрический анализ внутрикостных пространств у млекопитающих различных таксонов и установить их роль при разрушении;

4. исследовать взаимосвязь структуры, композитности и механических свойств костной ткани в возрастном аспекте;

5. оценить влияние механизма стато-локомоторного акта на морфомеханиче-ские характеристики костной ткани;

6. разработать современные методические подходы для комплексного струк-турно-функционального анализа костной ткани с учетом композитности, видовых и возрастных особенностей.

Научная новизна исследования. На основе анализа данных световой и сканирующей электронной микроскопии, морфометрических, биомеханических, гравиметрических и фрактографических методов представлена комплексная морфомеханическая характеристика костной ткани как композита у животных различных таксономических категорий. Впервые показано, что:

♦ остеонное строение отражает биомеханическое совершенство костной ткани по сравнению с безостеонным пластинчатым строением, обеспечивает высокие механические характеристики в соответствии с уровнем функциональных нагрузок, а также необходимую защитную функцию при микроразрушениях;

♦ установлено, что линейные параметры остеонных систем коррелируют с возрастом и массой животных;

♦ наличие в компактном веществе кости системы внутрикостных пространств (СВП) является отличительной особенностью его как природного биополимера и обусловливает различные морфомеханические проявления в зависимости от величины функциональных нагрузок: при физиологических -СВП выполняет защитную функцию, препятствуя распространению единично возникающих трещин; при нагрузках, превышающих физиологические - является зоной концентрации напряжений, развития магистральных трещин и необратимых разрушений;

♦ биомеханические характеристики костной ткани являются интегральным выражением ее морфомеханического статуса и композитности, коррелируют с величиной физиологических нагрузок и могут служить объективным критерием количественной оценки морфофункционального состояния костной системы на различных уровнях ее структурной организации;

♦ органический и минеральный компоненты костной ткани не являются дискретными, а сохраняют сплошность, непрерывность и характеризуются низкими значениями прочности (около 10 % от таковой для композита); в процессе дегидратации механические показатели минеральной фазы повышаются в 1,5-5 раз;

♦ гетерогенность механических свойств кости в направлении главных осей анизотропии свойственна ей как композиту, основным ее фазам и сохраняется независимо от изменения композитности материала при различных физико-химических воздействиях;

♦ механические характеристики при посмертном аутолизе отличаются стабильностью в условиях кратковременного (до 1 года) хранения материала; при длительном (свыше 100 лет) пребывании его в неконтролируемых условиях значительное снижение механических параметров обусловлено изменением композитности костной ткани в результате разрушения и потери значительной части органической фазы;

♦ возрастная динамика прочности и микротвердости характеризуется 3-х стадийностью