Способ подготовки образцов субхондральной костной ткани человека для изучения ее механических характеристик при одноосном сжатии

Изобретение относится к экспериментальной медицине и может быть использовано для определения прочности субхондральной костной ткани околосуставной локализации при одноосном сжатии.

Известна методика определения прочности костей лабораторных животных на изгиб, сжатие и растяжение [Сахно Н.В. Методика определения прочности костей животных с использованием испытательных машин // Сельскохозяйственная биология, 2008, №6, с. 122-125] с использованием испытательных установок УИМ-10 и МИП-1-50035 (Россия). Для исследования кости тщательно препарировали и укладывали горизонтально на опоры испытательной установки. Расстояние между опорами изменяли в зависимости от длины образца. Силовое воздействие направлялось сверху непосредственно по центру диафиза кости перпендикулярно к длинной оси.. Результаты испытаний фиксировали в момент нарушения целостности кости.

Известна методика изготовления образцов костей лабораторных животных в экспериментальном исследовании [Анисимова Н.Ю. и др. Опыт исследования механических свойств трубчатых костей собак// VETPHARMA, 2012, №4, с. 44-48], в котором использовались диафизарные участки костей, имеющие геометрические размеры наиболее близкие к форме прямого цилиндра. Из одной кости получали от 3-х до 5-ти образцов цилиндрической формы высотой 20 мм. Перед началом исследований из костномозгового канала удаляли остатки костного мозга. Испытания на сжатие проводились на универсальной испытательной машине Zwick/Roell z020.

Приведенные выше методики требуют большого количества биологического материала, поэтому их применение для исследования костной ткани человека ограничено. Кроме того, неправильная форма образца, неточность выравнивания его оси по направлению движения пуансона могут искажать результаты определения прочностных свойств трабекулярной костной ткани.

Известна методика исследования механических свойств кости с установленным имплантатом [Матвеев А.Л. и др. Профилактическое металлоармирование проксимального отдела бедра у лиц пожилого возраста при системном остеопорозе. Экспериментальное исследование // Трудный пациент, 2016, №1, Т. 14, с. 37-42]. Исследуемую систему «головка бедренной кости - имплантат» подвергали дозированной нагрузке до полного разрушения на универсальном динамометре INSTRON 5982 двумя различными способами. В первом случае механическое воздействие оказывалось на головку бедренной кости и направлялось вдоль оси диафиза. Во втором случае сила была направлена на область большого вертела перпендикулярно оси диафиза бедренной кости.

В данном случае сложная форма кости позволяет определить ограниченное количество механических характеристик, применимых только для исследуемого образца. Кроме того, в составе образца содержится кортикальная костная ткань, что не позволяет достоверно оценить прочность трабекулярной структуры кости.

Способ подготовки образцов субхондральной костной ткани с установленным костнопластическим материалом приведен в работе под руководством Маланина Д.А. [Маланин Д.А. и др. Физико-механические свойства границы раздела между костной тканью и имплантатами с различными биоактивными покрытиями// Бюллетень Волгоградского научного центра РАМН 2008, №4, с. 47-50]. На первом этапе исследования экспериментальным животным со стороны суставной поверхности формировали каналы в дистальных эпифизах бедренных костей. В каналы путем плотной посадки субхондрально помещали соответствующие им цилиндрические имплантаты длиной 7 мм, диаметром 3,3 мм. Забор биоптатов осуществляли таким образом, чтобы каждый образец на всем протяжении был окружен связанной с ним костной тканью толщиной не менее 1 см. Предварительно биоптаты по периферии заливали эпоксидной смолой и помещали в специальные металлические фиксирующие формы. Испытания проводили на машине «Инстрон 1115» (Англия), скорость растяжения при этом составляла 0,5 мм в минуту. Сдвиговую прочность соединения имплантата и кости определяли с помощью матрицы, диаметр отверстия в которой был на 0,5 мм больше диаметра образца.

Известный способ является трудоемким, требует значительных затрат времени и материалов. При использовании эпоксидной смолы в качестве фиксатора часть нагрузки неизбежно поглощается этим материалом, кроме того в образце на границе костная ткань - эпоксидная смола возникает концентрация напряжений из-за разности упругих свойств этих материалов, что приводит к снижению точности измерения механических свойств костной ткани и не позволяет достоверно оценить прочность трабекулярной структуры кости.

Известен способ определения прочности системы кость-имплантат в условиях остеоинтеграции [Патент РФ 2471248 от 19.07.2011], в котором для исследования вырезают костный сегмент с имплантатом и рассекают кость до поверхности имплантата. Для испытания прочности концы костного сегмента прикрепляют к испытательной машине, путем помещения их в стальные держатели с эпоксидной смолой. После чего на костный сегмент воздействуют нарастающей нагрузкой до его разрыва, что и определяет предельную нагрузку разрыва. Рассечение кости до поверхности имплантата проводят в направлении, перпендикулярном длинной оси кости, нарастающую нагрузку на костный сегмент с имплантатом направляют вдоль длинной оси кости.

Однако при рассечении кости до поверхности имплантата искусственно создается структурный дефект, являющийся концентратором напряжений и снижающий механические свойства образца, что не позволяет при его исследовании достоверно оценить прочность костной ткани. Кроме того для подготовки образца необходим большой объем биологического материала, а проведение исследований его механических свойств технически сложно и длительно по времени.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение количества биологического материала необходимого на проведение исследований, уменьшение трудозатрат на изготовление образцов и сокращение материалоемкости механических испытаний.

Техническая задача - получение достоверных данных о прочности костной ткани при одноосном сжатии, за счет получения образцов с плоскопараллельными поверхностями и достижении полного соответствия оси прикладываемой нагрузки и функциональной оси конечности решается следующим образом.

В способе подготовки образцов субхондральной костной ткани человека для изучения механических характеристик при одноосном сжатии, включающем забор костных фрагментов вместе с суставным хрящом, изготовление цилиндрической заготовки с помощью корончатой фрезы, нарезку на образцы и шлифовку, согласно технического решения, цилиндрические, заготовки изготавливают правильной геометрической формы диаметром 6 мм, в которой ось цилиндра, соответствующая направлению сжатия совпадает с вектором осевой нагрузки кости, цилиндрическую заготовку нарезают на образцы размером 6 мм в высоту, торцы которых шлифуют до достижения плоскопараллельности.

Предложенный способ позволяет получить образцы правильной геометрической формы с полным соответствием оси прикладываемой нагрузки и функциональной оси конечности, с плоскими и строго параллельными друг другу опорными поверхностями, что обеспечивает равномерность распределения напряжений во всем объеме образца и высокую точность измерения механических характеристик изучаемой ткани.

Кроме того, сокращается трудоемкость изготовления образцов и материалоемкость механических испытаний.

Образец изготавливают следующим образом.

При помощи остеотома берут фрагменты трабекулярной костной ткани околосуставной области в форме прямоугольного параллелепипеда вместе с суставным хрящом. Из полученных фрагментов при помощи корончатой алмазной фрезы изготавливают цилиндрические заготовки диметром 6 мм, при этом ось цилиндра, соответствующая направлению сжатия, должна совпадать с вектором осевой нагрузки кости. При сверлении, костный фрагмент полностью погружают в воду для предотвращения его нагрева и, как следствие, повреждения органического матрикса. После сверления, края цилиндрической заготовки отрезают алмазным диском. Во время резки на место реза подается вода. Далее торцы цилиндрической заготовки обрабатывают на алмазном диске с водным охлаждением до достижения плоскопараллельности и нужных размеров. Окончательные размеры образцов - 6 мм в диаметре и 6 мм в высоту. Готовый образец подвергают испытанию на одноосное сжатие, для чего образец устанавливают между пуансонами испытательной машины и подвергают одноосному сжатию и получают достоверные данные о прочности костной ткани. Достоинством способа является также то, что он позволяет реализовать различные режимы измерения: нагружение (изменение силы от нуля до некоторого значения F max), нагружение - разгружение (изменение силы от 0 до F_max и от F_max до 0), циклическое (многоразовое) нагружение - разгружение.

Изготовление образцов предложенным способом позволяет определять различные механические свойства костной ткани и этим расширить применение данного способа, а также более рационально использовать возможности существующего стандартного оборудования и обеспечить высокую точность измерения параметров.

Пример выполнения способа. Морфологические исследования проведены на кафедре оперативной хирургии и топографической анатомии ФГБОУ ВО УГМУ. Для изучения забирались фрагменты трабекулярной костной ткани околосуставной зоны.

Из искомых костных фрагментов при помощи корончатой алмазной фрезы были изготовлены образцы цилиндрической формы диметром 6 мм и высотой 6 мм, при этом ось цилиндра, соответствующая направлению сжатия, совпадала с вектором осевой нагрузки кости. При сверлении, костный фрагмент был полностью погружен в воду для предотвращения его нагрева и, как следствие повреждения органического матрикса. После сверления, края цилиндрической заготовки отрезались алмазным диском. Во время резки, на место реза подавалась вода. Далее, торцы цилиндрической заготовки обрабатывали на алмазном диске с водным охлаждением, до достижения плоскопараллельности торцов и нужных размеров. Окончательно, образцы были 6 мм в диаметре и 6 мм в высоту.

На Фиг. 1 показана методика приготовления образцов костной ткани на примере дистального отдела лучевой кости (фотографии): (а) вид исходного костного фрагмента, (б) костный фрагмент после высверливания образцов при помощи корончатой фрезы, (в) цилиндрическая заготовка с остатком гиалинового хряща и (г) искомый образец для испытаний.

Испытания на одноосное сжатие выполняли на установке Shimadzu AG-X 50kN (Япония) со скоростью нагружения 0,5 мм/мин. На Фиг. 2 представлено фото образца до сжатия между верхним и нижним пуансонами.

В качестве контроля проводились механические испытания образцов трабекулярной костной ткани околосуставной локализации, сопоставимых по размерам с цилиндрическими образцами, но неправильной формы или с недостаточно плоской опорной поверхностью. На Фиг. 3 представлен контрольный образец неправильной формы для определения механических свойств трабекулярной костной ткани. При этом наблюдали увеличение погрешности измерений.

Таким образом, предлагаемый способ подготовки образцов субхондральной костной ткани человека для изучения ее механических характеристик при одноосном сжатии позволяет достоверно оценивать прочность костной ткани. Способ прост в исполнении, не требует больших материальных и временных затрат. Позволяет получать результаты измерений с высокой точностью.