Особенности разрушений костной ткани при различных способах внешнего воздействия
библиографическое описание:
Особенности разрушений костной ткани при различных способах внешнего воздействия / Бахметьев В.И., Кислов М.А. — .
Проведено исследование морфологии разрушения компактного слоя длинных трубчатых костей в эксперименте при ударной и компрессионной нагрузках.
МЕТОДЫ
Для этого проводили эксперименты (в количестве 50) по разрушению образцов нативных большеберцовых костей трупов мужского пола в возрасте 46-54 лет.
Костные образцы, размерами 120х5х5мм., разрушали при ударе настольным копром МК-05 и методом кратковременно давления на учебном прессе с гидравлическим приводом ( рис. 1)
УДАРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
Так, при ударе отмечается косопродольное направление разрушения, общий вид его поверхности шероховатый за счет формирования рубцов и осколков, образующихся в результате разнонаправленности концентрации напряжений в костной ткани и скола гаверсовых пластин остеонов (рис.2, рис.3).
 |
 |
| Рис.2 зона разрыва при ударе (увел. Х200) Рубцовая текстура излома | Рис.3 зона сдвига при ударе (увел. Х200) Отломки (1), продольно-вытянутые гребни (2) и языки скола (3) на изломе |
Зона разрыва занимает от 1/3 до 1/8 толщины кости, поверхность перелома имеет крупнобугристый характер, что связано с концентрацией микротрещин на этом участке, которые ориентированных под острым углом (около 45 градусов) относительно общего направления разрушения (рис 2). Отмечается четкое разделение границы перехода разрыва в сдвиг.
В зоне сдвига, вследствие стремительности разрушения, выявляются сколы гаверсовых пластин остеонов с образованием осколков (рис.3-1). Текстура здесь представлена гребнями, параллельными друг другу (рис.3-2). По ходу действующей сдвиговой деформации практически полностью разрушаются стенки остеонов, на месте которых выявляются микротрещины в виде острых углов, вершинами направленных навстречу хода разрушению («языки скола») (рис. 3-3).
Концентрация напряжений костной ткани при ударной нагрузке больше происходит в зоне сдвига, где определяются хаотично расположенные микротрещины, как между остеонами (рис.4-1), так и в их стенках (рис.4-2).
 |
| Рис.4 зона сдвига при ударе (увел. Х200) Эффект «негатив». Микротрещины между остеонами (1) и в стенках остеонов (2) |
Определяется четкое разделение границы зон сдвига и долома, поверхность разрушения на этих участках относительно гладкая и представлена мелкоячеистой (сетчатой) текстурой (рис.5-1). В месте разъединения кости вклинение отломков слабо выражено, контур разъединения – мелковолнистый (рис. 5-2).
 |
| Рис 5. зона долома при ударе (увел. Х200) «мелкоячеистый» узор (1) и волнистый контур в месте разъединения кости (2) |
ПОВРЕЖДЕНИЯ, ПРИЧИНЕННЫЕ МЕТОДОМ ДАВЛЕНИЯ
При исследовании образцов, поврежденных методом давления определяется принципиально иной характер разрушения.
Общая траектория разрушения поперечная с формированием сглаженного рельефа поверхности. Текстура излома на всем протяжении мелкобугристая и переход зоны разрыва в сдвиг выражен нечетко.
Распространение зоны разрыва занимает до 1/2 толщины кости. Разрушение принимает хаотичный характер, обходя на своем пути остеоны. Подтверждением этого факта являются микротрещины, которые концентрируются вокруг остеонов (рис.6).
 |
| Рис.6 зона разрыва при давлении (увел. Х200) Концентрация микротрещин вокруг остеонов (указано стрелками) |
В зоне сдвига вследствие скачкообразного характера разрушения образуется «подрытие» гаверсовых пластин остеонов (рис.7-1) с образованием мелких осколков («костная пыль») (рис.7-2). Так же, как и в зоне разрыва, при сдвиговом участии разрушений, концентрация микроразрушений костной ткани более выражена вокруг остеонов гаверсовых каналов (рис.8).
 |
 |
| Рис.7 зона сдвига при давлении (увел. Х200) «подрытие» гаверсовых пластин (1), «костная пыль» (2) | Рис.8 зона сдвига при давлении (увел. Х200) Эффект «негатив» Концентрация микроразрушений остеонов (указано стрелками) |
Медленный изгиб формирует слабовыраженный переход разрушения на границе сдвига и долома. За счет глубокого вклинения в зоне долома образуется «подрытие» и козырькоподобный выступ, а также зубчатый контур в месте разъединения кости (рис.9-1). Текстура в зоне долома представлена мозаикой микротрещин в виде «шевронного узора» — «ветви дерева» [4] (рис.9-2).
 |
| Рис 9. зона долома при давлении (увел. Х200) «шевронный» узор на фоне рубца (2) и зубчатый контур в месте разъединения кости (1) |
Дифференциально-диагностические признаки повреждений костей при различных способах внешнего воздействия.
При разрыве костной ткани
При переломах костей наблюдаются прямые и непрямые повреждения тканей, так как разрываются связанные с костью соединительные, мышечные ткани, кровеносные сосуды и нервы. В область перелома изливается кровь, которая свертывается, образуя сгусток. На некотором расстоянии от места перелома кости остеоциты в поврежденных остеонах гибнут и часть костной ткани отмирает. Регенерация происходит путем образования новой костной ткани между отломками и вокруг них.
В процессе формирования регенерата различают наружную (периостальную), межотломковую (интермедиарную) и внутреннюю (эндостальную) его части.
Источником развития периостальной части регенерата служат остеогенные клетки надкостницы. Интермедиарная часть образуется за счет остеогенных элементов, сохранившихся в каналах остеонов. Источником эндостального остеогистогенеза являются остеогенные клетки в составе эндоста и костного мозга. Кроме детерминированных остеогенных клеток в формировании костного регенерата принимают участие камбиальные (адвентициальные) клетки, сопровождающие растущие сосуды, которые могут дифференцироваться в остеобласты.
В наружных частях регенерата за счет пролиферации эндотелиоцитов идет рост сосудов, но медленный. Это отражается на дифференцировке остеогенных клеток: в отсутствие капилляров (и кислорода) остеогенные клетки превращаются в хондроциты, в результате чего в наружных частях регенерата образуется хрящ. Если капилляры прорастают в регенерат быстро, то в присутствии кислорода из остеогенных клеток сразу возникает ретикулофиброзная костная ткань.
По мере перестройки регенерата хрящ замещается костью губчатого типа. Костные перекладины вблизи от костных отломков прочно скрепляются с ними и между собой. В губчатой костной ткани между перекладинами образуются полости (туннели) за счет резорбции мертвых участков кости остеокластами. В образующиеся полости (туннели) врастают капилляры и остеобласты. Выстилающие изнутри эти полости остеобласты путем аппозиционного роста образуют слоистую структуру стенок. За счет заполняющейся изнутри концентрическими слоями костной ткани стенки полостей становятся толще, а просвет суживается.
Таким образом возникают остеоны (гаверсовы системы). Внутри остеонов имеется один или два кровеносных сосуда, доставляющих питательные вещества для остеоцитов, окруженных пятью-шестью концентрически лежащими костными пластинками. Процесс внутренней перестройки регенерата в области перелома кости с превращением ретикулофиброзной костной ткани в пластинчатую продолжается долго, иногда несколько месяцев. Однако в конце концов в результате этого сложного процесса в месте перелома кости, как правило, происходит полное восстановление конфигурации архитектоники кости. Тесное соприкосновение и жесткая фиксация отломков кости способствуют более быстрому процессу регенерации.
Регенерация при огнестрельном повреждении кости имеет ряд особенностей. Огнестрельный снаряд при ударе о кость вызывает в последней возникновение трещин и множества осколков, что замедляет процесс регенерации. В экспериментальных и клинических работах показано, что сохранившие жизнеспособность остеогенные клетки костных осколков способны к пролиферации, дифференциации и формированию ретикулофиброзной костной ткани, являясь источником посттравматической регенерации костной ткани.
Непременным участником регенерации являются макрофаги костномозгового происхождения — остеокласты. Последние участвуют в ремоделировании костной ткани.
При разрыве костной ткани
Журнал: Судебно-медицинская экспертиза. 2014;57(2): 17-19
Янковский В. Э. Микроразрушение кости. Судебно-медицинская экспертиза. 2014;57(2):17-19.
Iankovskiĭ V. Microdestruction of the bone. Sudebno-Meditsinskaya Ekspertisa. 2014;57(2):17-19. (In Russ.).
Цель работы — выявление микротрещин в объеме костной ткани, окружающей перелом, и в деформированной кости при субкритических нагрузках. Изучали участки деформации кости и концевые участки отломков сломанных костей, из которых выпиливали костные блоки в продольном направлении из зон первичного разрыва костной ткани и зон долома в количестве более 300 штук. В костной ткани деформированных участков костей и в костной ткани отломков всегда обнаруживали микротрещины, соизмеримые со структурными образованиями кости. Эти трещины были застывшими следами предшествующей перелому деформации, свидетельствовали о значительном объеме разрушенной кости, а в ряде случаев указывали на вид внешнего воздействия твердого предмета — удар или медленный изгиб.
Общеизвестно, что костная ткань состоит из гексагональных кристаллов гидроксилапатита, заключенных в системы коллагеновых волокон. Элементарной ячейкой кости является остеон, или костная система, представляющая цилиндрическое образование, насчитывающее от 5 до 20 костных пластинок.
Промежутки между остеонами заполнены вставочными пластинками, представляющими остатки из лизированных в процессе развития кости остеонов. Эти образования соединены между собой гиперминерализованными линиями цементации [1]. С позиции учения о сопротивлении материалов костная ткань относится к композитным материалам с анизотропными свойствами, и разрушение ее происходит по тем же законам, что и небиологических объектов [2].
Разрушению образцов всегда предшествует пластическая деформация разной степени выраженности, что сопровождается дислокацией структурных образований. Если величина дислокации приблизится к 0,2 мкм [3], образовавшаяся микротрещина становится фиксированной с тенденцией к росту. В изотропном материале при осесимметричной деформации микротрещины образуются равномерно с тенденцией в направлении деформирования. После прекращения деформации возникшие микротрещины «закрываются» без признаков «внутреннего» разрушения. Далее деформация продолжается за счет увеличения количества трещин, их слияния и образования магистральной трещины, распространяющейся лавинообразно с нарушением целостности объекта.
Костная ткань взрослого человека относится к материалам, обладающим более хрупкими свойствами. При подробных макро- и метрических исследованиях участка сломанной кости не выявляют сколько-нибудь заметных признаков остаточной (пластической) деформации. Если при формировании перелома остаточная деформация не превышает 1%, то это позволяет отнести кость к материалам с хрупкопластическими свойствами [4].
При исследовании костной ткани из кости, подвергшейся подпороговой нагрузке, обнаруживают признаки остаточной деформации в виде большого количества микротрещин в области воздействия. Для их обнаружения использовали метод поверхностной декальцинации отшлифованных костных блоков, выпиленных из зоны деформации, с последующей непосредственной микроскопией с увеличением 28-192 [5]. Этот метод с небольшими модификациями применяется на кафедре при научных практических исследованиях уже около 30 лет. Исследование при подпороговых нагрузках и на сломанных костях описано в работе В.Э. Янковского и соавт. [6]. Обнаруженные трещины развивались на органном уровне (кость) — макротрещины и субмакротрещины, на уровне структурных элементов — микро- и субмикротрещины (внутриостеонные, внеостеонные, чрезостеонные), а на уровне вставочных пластинок — внутрипластинчатые, межпластинчатые, чрезпластинчатые. По ориентации трещины были продольными, косыми, поперечными; по форме разделились на прямолинейные, дугообразные, ломаные и волнистые.
В результате многолетнего изучения сломанной кости и изломов (поверхность перелома) и в соответствии с общепринятой в технике фрактологической терминологией оказалось целесообразным в переломе выделить 3 зоны: 1) зону первичного разрыва, 2) зону распространения, 3) зону долома. С судебно-медицинской точки зрения наиболее важными являются первая и третья, позволяющие определять, где кость подвергалась действию растягивающих напряжений, а где сжатию. Эти участки располагаются на противоположных поверхностях и указывают направление изгиба кости. Зоны первичного разрыва и долома характеризуются определенными и стойкими макроморфологическими признаками, выявляемыми при изучении перелома. На микрошлифах также обнаруживают трещины, свидетельствующие о виде разрушения на микроуровне.
В костной ткани, окружающей зону первичного разрыва, располагающуюся на стороне, противоположной воздействию для прямых переломов, и где костная ткань при деформации подвергается растяжению, преобладают линейные микротрещины поперечной ориентации — внутри- и чрезостеонные (рис. 1). Рисунок 1. Рис. 1. Продольный срез бедренной кости. Поперечный изгиб, зона разрыва, чрезостеонная поперечная микротрещина («Биолам», ув. 192).
В механике разрушения такие трещины получили название «трещины отрыва». Они образуются от действия нормальных растягивающих напряжений. При непосредственной микроскопии области первичного разрыва костной ткани нередко на 2-3 мм от плоскости магистральной трещины обнаруживают дополнительную микротрещину, по контуру параллельную магистральной (рис. 2). Рисунок 2. Рис. 2. Дополнительная микротрещина, возникшая в зоне первичного разрыва кости (стереомикроскоп МБС-10, ув. 16).
Кроме поперечных микротрещин, выявляли, но в меньшем количестве, линейные продольные трещины, располагающиеся поверхностно, под системой генеральных пластинок. Область локализации микротрещин по обе стороны от плоскости перелома при симметричном изгибе составляет 3-6 см.
На противоположной поверхности кости, т.е. в зоне долома, вид и расположение микротрещин зависит прежде всего от характера нагрузки, вызвавшей образование перелома: удар (например, удар бампером движущегося автомобиля) или относительно медленный изгиб (изгиб ноги/руки упавшим твердым предметом — бревном).
При ударе твердым предметом в зоне долома обнаруживались в большем количестве линейные внеостеонные микротрещины (рис. 3). Рисунок 3. Рис. 3. Бедренная кость. Продольный срез. Динамическая нагрузка. Зона долома. Продольная микротрещина (указано стрелками). «Биолам», ув. 192.
У края перелома они были небольших размеров, по мере удаления от плоскости перелома их длина и количество увеличивались. Зона распространения этих трещин составляла до 6-8 см по обе стороны от плоскости перелома.
При целенаправленном микроисследовании сломанной кости и обнаружении в области долома такого признака, как «выкрашивание» компактного вещества, исследование шлифа из этого участка обнаруживает «нежную» сеточку перекрещивающихся микротрещин, которые, воздействуя друг на друга, вызывали локальное разрушение костной ткани — контактное дробление. Такая морфологическая картина свидетельствовала о внешнем ударном воздействии.
В случаях «медленного» изгиба главные микроморфологические отличия обнаруживали при исследовании костных шлифов из области долома. Здесь основную массу микротрещин составляли линейные, косые, вне- и внутриостеонные, чресструктурные микротрещины, образующие «сетку» в виде фигур ромбов (рис. 4). Рисунок 4. Рис. 4. Продольный срез диафиза большеберцовой кости. Статическое нагружение. Множественные косые микротрещины, образующие «сетку». «Биолам», ув. 80.
Такое расположение микротрещин свидетельствует о том, что в процессе формирования перелома в зоне сжатия костной ткани, где преобладают касательные напряжения, возникают косые трещины в результате пластической деформации. Эти трещины теоретически должны располагаться под углами 45° и 135° к сжимающим и растягивающим силам. Они образуют сопряженные системы трещин «скалывания», в верхней части их угол в пределах 35-45° к оси сжатия [3]. Именно такой угол имеют костные гребни, образующиеся в зоне долома. Описанная картина микротрещин характерна для зоны долома и может служить патогномоничным признаком диагностики, располагается на участке шириной 6 см по обе стороны от перелома.
Морфологическая картина микротрещин в зоне первичного разрыва кости и в зоне долома позволяет эксперту дифференцировать вид внешнего воздействия — удар или медленный изгиб, вызвавший перелом.
Изучали участки костей (диафизы локтевых костей, передняя поверхность большеберцовых костей), по которым наносили экспериментальные удары твердыми предметами меньшей плотности, чем кость (деревянные предметы, резиновая дубинка), где макропереломы не возникали. При микроскопическом исследовании костных шлифов всегда обнаруживали микротрещины в поверхностных и средних слоях костной ткани. В одном из практических наблюдений при смертельной закрытой черепно-мозговой травме из области одной из ушибленных ран был выделен фрагмент теменной кости и приготовлен шлиф костной ткани. При непосредственной микроскопии в толще костной ткани обнаружили продольные, поперечные, косые микротрещины. Это позволило установить, кроме ушиба мягких тканей, ушиб костной ткани [7, 8].
Многолетнее изучение микрокартины в области перелома показало, что микротрещины, особенно чресструктурные, проходят через каналы кости: каналы остеонов, каналы Фолькмана, содержащие сосуды и анастомозы, и нарушают систему микроциркуляции в области перелома (рис. 5).
Наложение накостного металлоостеосинтеза с фиксацией вблизи перелома вследствие микродеструкции кости может сопровождаться ослаблением фиксаторов вплоть до образования костных секвестров. Это положение подтверждено при лечении переломов нижней челюсти в докторской диссертации В.И. Семенникова [9].
