Влияние слоистости костной ткани на морфологию разрушения плоских и трубчатых костей

Утвердилось мнение, что костная ткань по своим свойствам, с точки зрения сопромата и строительной механики, рассматривается как композитный материал (Крюков В.Н.,1976, 1998). Компакта рассматривается как клеточная структура, «зацементированная» в неорганическом матриксе кости. В литературе описывается структура остеона, и для диафизов трубчатых костей дана их четкая ориентировка – вдоль длинной оси кости. Вне всякого сомнения, что ориентированность остеона вдоль прилагаемой («гравитационной») нагрузки обеспечивает максимальную прочность костной ткани к вертикальной нагрузке.

Неоднородность упорядоченной структуры костной ткани наглядно демонстрируется на плоских костях. Строение черепа как слоистой структуры глубоко изучено Сперанским В.С. (1980).

Для изучения строения компактного вещества костей черепа Сперанским В.С. было изучено 110 сводов и 50 оснований черепов людей в возрасте от 5 мес. внутриутробного развития до 96 лет. Производилась декальцинация и обезвоживание костей черепа, затем производилось татуировка компактной пластинки тушью. Возникшие при накалывании линии, систематизировались и затем зарисовывались. Специфическое строение кости названо как феномен расщепления. Механизм образования феномена связывают с направлением биомеханических воздействий на череп под действием мышц (A.Benninghoff, 1925; Катц Л.Я., 1948; Никитюк Б.А., 1964; W.T. Dempster, 1967).

Глубоко изучены и освещены в литературе [1, 2, 3, 4, 5, 6] условия возникновения переломов, описаны условия зарождения, развития трещин (переломов) и завершения разрушения. Вместе с тем, механизм изгиба линий переломов при локально-конструкционных и конструкционных разрушениях черепа либо не описывается, либо имеются туманные ссылки на изменение прочностных свойств кости или не идеальности  (в геометрическом плане) разрушаемой конструкции. Практические наблюдения показывают, что линии переломов черепа внезапно изгибаются (указаны стрелками на рис.1.)., в целом сохраняя общее направление разрушения (в зависимости от прилагаемой нагрузки). Почему трещина распора, имеющая один из основных признаков – отвесность краев начинает «играть», формируя скошенные и нависающие края излома?

Объяснение этому следующее – костная ткань должна рассматриваться не как «однородный» композитный материал (с наличием определенной зернистости, структурной энтропии), а как слоистый композитный материал. Именно слоистость костной ткани формирует «игру» линий трещин и переломов.

Рис. 1.Дугообразнай изгиб опережающих трещины при рубленом повреждении черепа.

Произведем наложение (рис.2.) на фотографию повреждения черепа основных (схематических) направлений линий расщепления (или линий слоистости компакты), используя данные Сперанского В.С. (учитывая возраст, пол, форму черепа). Первую линию расщепления (около стреловидного шва) линия перелома проходит с незначительным изгибом в поперечном направлении. Это может быть объяснено следующими моментами:

• Силы, формирующие деформацию отрыва на данном участке велики настолько, что линия перелома развивается согласно вектору наибольшего напряжения деформации отрыва.
• Поскольку череп принадлежал мужчине в возрасте 46 лет, имеют место признаки инволютивной перестройки (они возникают в 36-40 лет). В области пересечения стреловидного шва линией перелома четко видно, что шов практически полностью облитерирован. То есть, кость, как материал в этой области достаточно однороден.

Рис. 2. Торцевое резание. Наложение направления линий расщепления на опережающую трещину в правой теменной области.

Таким образом, повышенная плотность кости в области облитерированного шва, сниженная слоистость кости, значительный импульс силы, приводят в данном случае к незначительному изгибу линии перелома.

Более интересен следующий участок линии перелома: в зоне правого теменного бугра. Линия перелома дугообразно изгибается и развивается строго параллельно направлению одного из пучков линий расщепления. Таким образом, силы разрушения, взаимодействуют с упругими свойствами кости, и претерпевают изменение. Это проявляется в виде изменения направления трещины. Линия перелома развивается по пути наименьшего сопротивления, вдоль направления слоев остеонов. Здесь необходимо расширить объяснение. Силы, формирующие деформацию отрыва, направлены строго перпендикулярно по отношению к линии отрыва, а костная ткань наиболее устойчива по отношению к силам, приложенным вдоль оси остеона. В результате силы деформации разрыва действуют в направлении наибольшей «слабости» костной ткани, то есть поперечно к линии остеона, а линия перелома развивается вдоль остеона.

Поскольку трещина распора формируется под воздействием деформации растяжения, то края ее считаются «отвесными». При профильном исследовании трещины распора, на протяжении, выявляются некоторые отклонения от поперечного, по отношению к плоскости повреждаемой кости, направления. Тому есть следующее объяснение: линии расщепления (или линий слоистости компакты) на наружной костной пластинке и на внутренней костной пластинке на большинстве участков по направлению не совпадают друг с другом. В результате, энергия разрыва, концентрируясь на вершине трещины, должна «подстраиваться» под слоистость и наружной и внутренней пластинки.

Подобным образом происходит и разрушение трубчатых костей при выраженных, глубоких повреждениях (при расположении кости на упругоподатливой подложке и при угле резания меньшем 90⁰). В процессе резания формируется опережающая трещина, которая постепенно изгибается от первоначального направления, приближаясь к направлению, близкому к направлению продольной оси кости (направление остеонов). Режущая кромка, продвигаясь за опережающей трещиной формирует дугообразную плоскость резания (рис.3.).

Рис. 3. Продольно-торцевое резание. Дугообразная плоскость разруба на бедренной кости.

Выводы

1. Прочностные свойства костной ткани обеспечиваются не только органическим и неорганическим составам кости, на и ее структурой: как микро, так и макро архитектоникой. Соответственно и структура излома или разрушения обеспечивается не только энергией (импульсом), контактной поверхностью травмирующего предмета, и формой разрушаемой конструкции кости. Принципиально важно соответствие направление прилагаемой травмирующей силы с ориентацией прочностных характеристик кости в месте травмы и на отдалении. Совпадение или не совпадения этих направлений обеспечивает не только различную морфологию разрушения, но и собственно объем повреждения.

2. При продольно-торцевом и торцевом резании костей имеют  место два вида разрушения:

• Резание.
• Перелом.

Поскольку, вслед за режущей кромкой на края разруба (или на поля резания) на значительную ширину, обусловленную толщиной резца, начинают воздействовать элементы резца (передняя и задняя грань), по морфологическим свойствам своим относящиеся к «тупым» твердым предметам (поля заточки и щеки топора), на краях разруба следов резания практически не остается. Отклонение угла резания в большую или меньшую сторону уменьшает контакт сопряженных полей разруба и заточки, в результате на этой стороне остаются трассы.