Механические свойства костной ткани

Костная ткань – основной материал опорно-двигательной системы. Прочность костной ткани зависит от химического состава, общей структуры, системы внутреннего армирования, количества и прочности компонентов, ориентации основных компонентов по отношению к продольной оси кости, возраста, плотности, индивидуальных условий роста и т.д.

Компактная костная ткань представляет собой среду с пятью структурными уровнями.

Строение компактной костной ткани по Кнетсу.

№ уровня	Состав уровня
1	Биополимерная молекула трипоколлагена и неорганические кристаллы гидроксилопатита.
2	Микрофибриллы коллагена (они образованы пятью молекулами трипоколлагена).
3	Волокно (армирующий компонент) - состоит из большого количества микрофибрилл и связанных с ними микрокристаллов.
4	Ламеллы (наименьший самостоятельный конструкционный элемент) – это тонкие изогнутые пластинки, состоящие из коллагенно-минеральных веществ, объединённых при помощи вяжущего вещества.
5	Остеоны – образуются вокруг кровеносных сосудов, включающихся в объем кости. Состоят из концентрически расположенных костных ламелл.

 

Плотность костной ткани»2,4 г/см³. Минеральные компоненты кости составляют»70 % массы кости, а белковые»20 %.

С увеличением возраста в костной ткани протекает ряд изменений. Изменяется химический состав и внутренняя структура, возникает множество вторичных остеонов, образующих новую внутреннюю конструктивную систему. При старении биологическая активность уменьшается, меняется степень минерализации, а также порядок расположения минеральных кристаллов и остеонов, уменьшается количество связующего вещества, некоторая часть ткани исчезает и появляются поры.

Обновление костной ткани происходит дискретно – в определенных местах, на ограниченных участках. В течение жизни человека один и тот же участок кости обновляется неоднократно. К 35 годам процесс костеобразования замедляется. Костная масса у вегетарианцев больше, т.к. в растительной пище много солей. Курение и алкоголь уменьшают костную массу. Недостаточное содержание кальция уменьшает прочность костной ткани, что приводит к остеопорозу.

Волокна костной ткани деформируются преимущественно упругим образом, а матрица (остальная часть) – пластически и разрушаются хрупким образом.

εмах

σмах

ε

σ

Зависимость напряжения от деформации: компактной костной ткани имеет следующий вид (эта зависимость аналогична для твердого тела).

Напряжение , при котором материал разрывается, называется пределом прочности.

 

Представим предел прочности костной ткани и её компонентов при сжатии и растяжении.

Вид ткани	Сжатие		Растяжение
	Прочность [ МПа ]	Модуль Юнга [ МПа ]	Прочность [ МПа ]	Модуль Юнга [ МПа ]
Компактная кость	147	10200	98	22 400
Минеральный компонент	44	6400	5	16600
Белковый компонент	0,1	10	7	20

 

Анализ таблицы. Минеральный и белковый компоненты по отдельности слабые, но в сочетании они дают высокую прочность, сравнимую с прочностью металлов. В науке остаётся вопрос: почему имеется различие свойств на растяжение и сжатие.