Глава 1. Современное состояние вопроса повреждений рубящими орудиями (по данным литературы)

1.1. Строение костей

Скелет человека, сформированный из костей, играет в первую очередь защитную и поддерживающую роль. В опорно-двигательной системе кость является основным структурным элементом. Структура ее материала является главным фактором, определяющим его механические свойства, и характеризует процесс разрушения. Биологические ткани человеческого организма, в большинстве своем, являются анизотропным материалом, который представлен с химической точки зрения разнородными компонентами. В процессе эволюции формировался каждый тип ткани, состав которой зависел от функционального предназначения.

В компактной костной ткани выделяют неорганический материал, минеральное вещество кости – кристаллы гидроксилаппатита. Другая ее часть представлена органическим материалом волокнистым белком – коллагеном, обладающим большой прочностью и эластичностью, являющимся высокомолекулярным соединением [55, 97, 143].

Кости можно рассматривать как армированный композиционный материал. Можно сказать, что длинные трубчатые кости нижних конечностей пронизаны высокопрочными волокнами в окружных и спиральных перекрещивающихся направлениях.

Кости скелета обладают высокими прочностными свойствами. При различных способах деформирования (нагружения) кость ведет себя по-разному. Прочность на сжатие выше, чем на растяжение или изгиб. Бедренная кость в продольном направлении выдерживает нагрузку 45000Н, а при изгибе – 2500Н. Запас механической прочности кости весьма значителен и заметно превышает нагрузки, с которыми она встречается в обычных жизненных условиях. Прочность кости сравнима с прочностью объектов из меди и железа [78, 79].

Вся архитектоника костной ткани соответствует опорной функции скелета. Ориентация костных перекладин параллельна линиям основных напряжений, что позволяет кости выдерживать большие механические нагрузки, и подчинена силам гравитации, при минимальном весе стремится обеспечить максимальную прочность. Так, например, в головке бедренной кости под каждую нагрузку формируется своя структура – так называемая ферма Митчелла. Все эти фермы связаны между собой и образуют сложную структуру [35].

По мнению ряда авторов одной из важных особенностей конструкции костей скелета является галтельность, т.е. скругление внутренних и внешних углов. Галтельность повышает прочность и снижает внутреннее напряжение в местах резкого перехода [61, 62].

В данном аспекте интересны работы одного из основоположников бионики В.Г. Темнова (1978, 1979, 1980, 1987) , который занимался изучением организации и функционирования организмов живой природы, их формы, структуры, конструкции, механизмов приспособления к изменениям внешней среды, строения на всех уровнях организации для последующего использования готовых решений для создания новых технических систем и конструкций. Автор подчеркивал, что в живой природе возможности оптимизации конструкций несравненно шире, чем в технике, т.к. она находит оптимальные формы, сечения элементов и структуры конструкций организмов через вариабельность и селекцию. В результате естественного отбора из большого количества конструкций остаются лишь те, которые прошли борьбу за существование и отвечают сложившимся условиям. В живой природе динамические структуры конструктивных систем непрерывно разрушаются и снова восстанавливаются, что позволяет живым организмам приспосабливаться, изменяя свои конструкции. Распад и восстановление постоянно компенсируют друг друга. Достаточно незначительно изменить граничные условия, направления и величину силовых воздействий и биосистема начинает перестраиваться, переходит к новой форме равновесия. Формируются биологические конструкции в соответствии с размещением элементов по линиям – траекториям силового поля с максимальными значениями напряжений. В результате конструкции живых организмов достаточно прочны, жестки и устойчивы, т.к. противостоят факторам внешней среды.

В работах Темнова В.Г. сформулированы основные бионические принципы формирования и конструирования. Принцип траекториального строения конструктивных систем, заключающийся в том, что элементы в конструкциях живой природы размещаются в соответствии с геометрией поля перемещений по траекториям главных деформаций, отсюда характер силового поля и структура биологических конструкций определяется видом внешнего воздействия и кинетическими граничными условиями. Траекториальные структуры – это закономерность, т.к. они обеспечивают предельно ограниченным объемом материала высокую прочность конструкциям. Второй принцип – гетерогенного размещения материала, например, плоские кости человека имеют многослойное строение типа «сендвич», что позволяет во много раз повышать устойчивость конструкции по сравнению с устойчивостью отдельных слоев. Третий – принцип полигональных упаковок, он проявляется когда при оптимизации биологических структур их ячейки должны иметь определенные геометрические формы. Это позволяет получить максимально возможный полезный объем при минимальной поверхности ограждения. Принцип резильянса (максимального накопления упругой энергии в конструктивных системах). Конструкции в живых организмах имеют минимальную массу, но при внешних воздействиях накапливают максимальное количество упругой энергии деформации на единицу объема, что снижает вероятность их разрушения при действии нагрузок и позволяет увеличить прочность несущей конструкции. Принцип направленной формы потери устойчивости, заключается в том, что в основе организации устойчивых конструкций биологических систем лежит соответствие их очертаний предельной устойчивой форме из всех возможных форм равновесия. Принцип регулирования параметров напряженно-деформированного состояния конструкций, за счет перестройки геометрических схем к новым видами нагрузок, изменения величин модуля упругости и плотностей материала, что дает возможность обеспечить оптимальный режим работы конструкции во времени. Учеными было установлено, что регулирование параметров напряженно-деформированного состояния является закономерностью, которая обеспечивает их живучесть и работоспособность.

На основе бионических принципов было осуществлено математическое моделирование (методом конечных элементов) пластинчато-стержневых систем с траекториальными структурами и разработаны строительные конструкции нового типа, используемые в строительстве и архитектуре.

Строение костей может служить одним из подтверждений оптимальной конструкции человеческого скелета. Структура длинных костей ближе к суставам переходит из плотной в пористую, за счет чего плавно изменяется жесткость и обеспечивается равномерное распределение напряжений [62, 97].

Так трубчатая кость представляет собой прямую пустотелую трубу или замкнутую оболочку переменной толщины и диаметра, заполненную вязкой жидкостью. В ее расширенных концевых, или эпифизарных отделах преобладает рыхлая (спонгиозная) ткань, а в диафизарном, среднем, отделе – плотная (компактная), толщина которой максимальна в центральной части диафиза и уменьшается в направлении к эпифизам.

У трубчатой кости выделяют тело (диафиз) и концы (эпифизы). Короткие, или губчатые кости состоят из губчатого вещества, покрытого, подобно эпифизам, тонким слоем компактного вещества. Макроскопически в кости выделяют компактное вещество (substantia compacta) и губчатое (substantia spongiosa).

Пластинчатая костная ткань, еще ее называют зрелой, состоит из костных пластинок - ламелл. В состав каждой ламеллы входит кальцинированное межуточное вещество и костное основное межклеточное вещество, которое представлено тонкими пластинками, изогнутыми панелями или цилиндрическими оболочками толщиной 3-7 мкм. Такая костная ткань формирует губчатое и компактное вещество кости. Губчатое вещество располагается в эпифизах длинных трубчатых костей и образует внутреннюю составляющую коротких и плоских костей скелета. Основная масса компактного вещества состоит из остеонов. Компактное вещество образует диафизы длинных трубчатых костей и слоем различной толщины покрывает все остальные (короткие и плоские) кости скелета.

Губчатое вещество – переплетающиеся костные трабекулы, формирующие полости, которые заполнены костным мозгом. Трабекула состоит из костных пластинок, представляющих собой слой костного матрикса, и снаружи окружена одним слоем остеобластов. Ламеллы в балках костного вещества располагаются нормально по отношению к прилагаемой нагрузке. Коллагеновые волокна в пределах костной пластинки ориентированы упорядоченно и лежат под углом, близким к прямому, по отношению к волокнам соседней пластинки, что обеспечивает значительную прочность пластинчатой кости. От поверхности компактной кости трабекулы отходят под углом 26-450. Цель такой ориентации – максимальное рассеивание нагрузки (принцип диссипации энергии) [60, 61, 62].

Совокупность ламелл в компактном веществе формирует кольцевидный участок с центральным отверстием – остеон.

Остеон (рис. 1.1.) или гаверсова система - совокупность 4-20 концентрических костных пластинок. В центре остеона расположен гаверсов канал, заполненный рыхлой волокнистой соединительной тканью с кровеносными сосудами и нервными волокнами. Каналы Фолькмана связывают каналы остеонов между собой, а также с сосудами и нервами надкостницы [35, 68]. Суставной хрящ обеспечивает рост эпифиза кости так же, как эпифизарная пластинка обеспечивает рост диафиза кости в длину. В коротких костях, не имеющих эпифизарных пластинок, именно суставной хрящ обеспечивает рост кости в длину в целом. Рост трубчатых костей в ширину происходит благодаря образованию новых слоев костной ткани (путём аппозиционного роста) остеогенными клетками надкостницы. При этом из вновь образованной кости формируются гаверсовы системы. С внутренней стороны кость резорбируется остеокластами. В итоге стенка диафиза не утолщается, тогда как костномозговая полость увеличивается. По мере завершения роста кости под надкостницей формируются наружные генеральные пластинки [97].

Рис.1.1. Остеон (по Н.П. Омельяненко). А — светооптическая микроскопия (окраска по методу Шморля); Б - электронная микроскопия фрагмента остеона, х120000. 1 - канал остеона; 2 — остеоциты; 3 — костные пластинки; 4 — поперечные и продольные срезы коллагеновых волокон.