Напружено-деформований стан фібрин-кров’яного згустку та окістя в зоні діафізарного перелому за різних умов з’єднання відламків та його вплив на структурну організацію регенерату

Відповідно до поставленої мети ми створили кінцево-елементну модель (КЕМ) стегна з поперечним переломом кістки в середній її третині та відтворили стан, який відповідає стадії утворення фібрин-кров'яного згустку в навколовідламковій зоні. кістка мезенхімальний регенерація

Рис. 1. Модель зламаного стегна з підкісним фібрин-кров'яним згустком у разі фіксації відламків інтрамедулярним блокованим стрижнем (фронтальний переріз)

Загальний вид КЕМ представлений на рис. 1. Зона, заповнена фібрин-кров'яним згустком, має веретеноподібну форму й оточена окістям. Згусток побудований у вигляді комірчастої структури. Комірки розташовані системно, їх розміри збільшуються в напрямку від периферії до центру. Діастаз між відламками також заповнений фібрином. Відомі дослідження [16], в яких встановлені механічні властивості фібрину. Його модуль пружності першого роду (модуль Юнга) може коливатися від 1,6 до 8 МПа, що пояснюється активною та швидкою трансформацією фізичного стану цього біологічного матеріалу. Пружні властивості фібрину зростають з його організацією. Певною мірою ці механічні властивості можна перенести й на фібрин-клітинну бластему, яка утворюється в перший тиждень після перелому.

Механічні властивості елементів моделі наведені в табл. 1.

Розрахунки напружено-деформованого стану (НДС) елементів моделі проводили з використанням комп'ютерної програми SolidWorks за умов трьох варіантів з'єднання відламків:

- апаратом зовнішньої фіксації (АЗФ) виробництва ПП "ОРТОПАК" згідно з методикою [11];

- інтрамедулярним блокованим стрижнем фірми ChM (за нещільного розташування стрижня в кістковомозковому каналі);

- накістковою пластиною із кутовою стабільністю з використанням 8 гвинтів.

Вибрані такі умови навантаження моделі зламаного стегна: осьове навантаження 800 Н стегнової кістки з прикладенням сили на її головку, що приблизно відповідає масі людини (80 кг); поперечне навантаження 200 Н, яке діяло на дистальний кінець стегна в сагітальній та фронтальній площинах. Величина навантаження вибрана через те, що нижня кінцівка має масу приблизно 20 кг, а центр її маси міститься в нижній третині стегна.

Результати та їх обговорення

Отримані результати та концепція впливу НДС фібрину й окістя на формування регенерату Для аналізу стану НДС тканин навколо перелому обрано сагітальну, фронтальну та горизонтальну площини. Остання проходила через щілину перелому і центральну частину веретеноподібного фібрин-кров'яного згустку. Для кількісного порівняння величини напружень за різних умов з'єднання відламків обрані контрольні точки на горизонтальному перерізі згустку з окістям по лініях, які проходять у сагітальній та фронтальній площинах. Точки ставили з інтервалом 1 мм на медіальній, латеральній, передній та задній ділянках згустку (рис. 2). Передумовою для вибору точок у цій зоні була найбільша несприятливість центральної частини регенерату для заповнення кістковою тканиною.

Далі наводимо рисунки сагітального, фронтального і горизонтального перерізів фібрин-кров'яного згустку та графіки, які ілюструють розподіл і рівень напружень у контрольних точках за різних способів з'єднання відламків під час дії осьового та поперечного навантаження на сегмент (рис. 3-6).

Таблиця 1

Модуль пружності Юнга і коефіцієнт Пуассона складових елементів моделі "відламки стегнової кістки - фібрин-кров'яний згусток з окістно-м'язовим футляром - фіксатор"

Слід зауважити, що фібрин, розташований у міжвідламковому просторі як і кістка, під час навантаження конструкції зазнавав максимального напруження, яке програма визначала червоним кольором. У результаті місце перелому на моделі не було видно. Тому фібрин, розташований у міжвідламковій зоні, не показаний.

Як бачимо, розподіл напружень в об'єкті програма визначає в кольоровому спектрі, де синій колір відповідає рівню 0-0,04 МПа, голубий - 0,04-0,08 МПа, зелений - 0,08-0,12 МПа, жовтий - 0,12-0,16 МПа, червоний - 0,16-0,2 МПа

Рис.3.

Величини площі з максимальним напруженням фібрину на сагітальному, фронтальному і горизонтальному перерізах у змодельованих ситуаціях і вище

Таблиця 2

Рівень напруження фібринового згустку (або регенерату) характеризували двома показниками: перший - це рівень напруження в контрольних точках, другий - площа, яку займає максимальний рівень напруження (червоний колір) на конкретному перерізі.

Найбільший рівень напружень був у кісткових відламках і далі ці напруження передаються на згусток. Але ступінь їх поширення на згусток відрізнявся залежно від умов з'єднання відламків і напрямку дії зовнішнього навантаження.

Рис.6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Іншим джерелом напруження було окістя, яке оточувало фібрин-кров'яний згусток. Вказана особливість представлена на графіках напружень фібрину в контрольних точках. Біля кістки величина напруження фібрину була максимальною, у центральній частині веретена зменшувалася і наближаючись до окістя знову збільшувалася. Розрахунки за допомогою КЕМ свідчать, що найбільшим напруження фібрину було в разі з'єднання відламків АЗФ - як за умов вертикального, так і поперечного навантаження. У випадку з'єднання відламків пластиною або інтрамедулярним блокованим стрижнем рівень напружень фібрину як мінімум вдвічі менший. Подібну залежність спостерігали під час порівняння площі фібрину, на яку поширюється максимальний рівень напруження (0,16-0,2 МПа, позначено червоним кольором). Величини площі з максимальним напруженням фібрину на сагітальному, фронтальному і горизонтальному перерізах у всіх змодельованих ситуаціях наведені в табл. 2, з якої видно, що за умов фіксації відламків АЗФ розміри ділянки згустку з максимальним рівнем НДС суттєво перевищують виявлені в разі застосування заглибних пристроїв.

Отже, з отриманих на КЕМ розрахунків, можна зробити такі висновки:

1. За однакового осьового навантаження моделі найменший рівень НДС окісно-фібринового веретена спостерігали в разі фіксації відламків інтраме- дулярним блокованим стрижнем, дещо більший - пластиною і найбільший - АЗФ. Співвідношення НДС становить 1: 2 : 3-4 відповідно.

2. За однакового поперечного навантаження моделі найменший рівень НДС окісно-фібринового веретена відмічений за умов фіксації відламків пластиною, більший - інтрамедулярним блокованим стрижнем і найбільший - АЗФ. Співвідношення НДС становило 1: 6 : 10-12 відповідно. Найбільша різниця в рівнях напруження була після дії на сегмент поперечного навантаження.

Пояснимо походження найбільшої величини напружень фібринового згустку та поширення їх на значно більші ділянки в разі фіксації відламків АЗФ порівняно з іншими способами. У випадку з'єднання відламків АЗФ утворюється конструкція "відламки - апарат", яка здатна пружно деформуватися значно в більших межах, ніж конструкції, які створюються за умов накісткового та інтрамедулярного остеосинтезу. Проведені нами раніше дослідження на фізичній моделі поперечного перелому стегнової кістки фіксованого АЗФ показали, що пружні лінійні переміщення за умов дії поперечного навантаження становлять до 16 мм [8]. На препаратах стегнової кістки з переломом встановлено, що в разі фіксації відламків інтрамедулярним блокованим стрижнем під дією осьового стискання силою 1000 Н виникала поздовжня деформація до (2 ± 0,45) мм, накістковою пластиною - (2,8 ± 0,52) мм [10]. Останнім часом з'явилися розрахункові дані, що за умов накісткового остеосинтезу існують лінійні переміщення між відламками в межах 0,07-0,013 мм [3]. Зі збільшенням переміщень відламків один відносно одного підвищується і НДС фібринового згустку, який оточує ці відламки. Пояснимо це на схемі (рис. 7). Уявимо собі, що відламки з'єднані веретеноподібним фібриновим згустком, а фібринові волокна розташовані подовжньо, що цілком допустимо. Прослідкуємо зміну напруження після кутової деформації волокна АА 1, розташованого в центральній частині згустку і волокна ББ 1 на периферії. У разі кутової деформації сегмента 5° відстань між вказаними точками збільшиться на 2 мм. Але враховуючи різну вихідну довжину волокон, відносне їх подовження буде різним і за графічними розрахунками становитиме АА 1 - 100 %, ББ 1 - 10 %. Відповідно до закона Гука пропорційно зміниться і величина напруження в них. Вказана закономірність чітко простежена в результаті розрахунків на КЕМ. Отже, для досягнення напруження фібрину в периферійній частині "веретена" необхідна відповідна деформація сегмента. Іншими словами, чим більша деформація, тим вище напруження в периферійній зоні згустку.

Цікавими виявилися деякі особливості концентрації напружень фібрин-клітинної бластеми за досліджуваних способів з'єднання відламків. За умов розташування пластини по зовнішній поверхні стегнової кістки під дією осьового навантаження напруження концентруються по внутрішній частині регенерату, що пов'язано з можливістю прогину пластини у фронтальній площині. У сагітальній площині її деформації обмежені і тому дуже низький рівень напружень у регенераті. За умов фіксації відламків стегна інтрамедулярним блокованим стрижнем відмічено рівномірніший розподіл напружень регенерату, але вони мають низький рівень. Це пояснюється рівномірним обмеженням деформацій в усіх площинах. Напруження регенерату за умов з'єднання відламків стегна АЗФ переважно поширюється на його передній і задній сектори, що пов'язано з більшою здатністю до деформування конструкції в сагітальній площині (оскільки стрижні розташовані у фронтальній).

Тепер, коли маємо конкретні та наочні уявлення про розподіл напружень в тканинах, які оточують відламки, розглянемо їх можливий вплив на процес формоутворення регенерату. За нашими даними [9], процес утворення нової кісткової тканини проходить чотири стадії: утворення фібрин-кров'яного згустку в навколовідламковій зоні (перша доба); міграція мезенхімальних клітин у фібриновий матрикс, їх проліферація та диференціація в напрямку кісткового та хрящового диферонів (до 20-30 діб); синтез новоутвореними клітинами остеоїду та хондроїду (1-5 міс.); завершальна адаптаційна перебудова регенерату. Проаналізуємо вплив механічних напружень на формування структури фібрин-клітинної бластеми на перших двох стадіях, які є найбільш динамічними.

Кров, що опинилася за межами свого природ- нього середовища, починає активізуватись і проявляти захисну функцію. Насамперед це фібри- ноутворення, яке не просто зупиняє кровотечу. Як ми помітили, тиск крові, що заповнює навколовідламковий простір, зазвичай утворює веретеноподібний резервуар завдяки можливості відшарованого окістя з м'язами деформуватися за типом мембрани. Такий ефект можна спостерігати, якщо зберігатиметься герметичність крововиливу. Полімеризація фібриногену крові починається на внутрішніх поверхнях відшарованого окістя, де й утворюється найщільніший шар фібринових волокон [9]. В умовах перелому це можна пояснити насамперед біологічною активністю ранової поверхні зі зруйнованим ендотелієм судин. Тобто, процес фібриноутворення після перелому можна розглядати як захисну реакцію, що спрямована на герметизацію ушкодженої зони. Якщо в окісті й виник розрив, то фібрин його "латає", щоб зберегти концентрацію крові в епіцентрі для наступного репаративного процесу. У цьому є біологічна доцільність: із цієї крові формується фібрин-кров'яний згусток - якісно нова субстанція. Вона утворює механічний фібриновий каркас, здатний перебувати в напруженому стані, який одночасно є носієм біологічно активних факторів, вивільнених внаслідок руйнування клітин, зокрема тромбоцитів, і надалі здатних керувати процесом регенерації. Важливо відмітити, що вже на етапі формування згустку більшість фібринових волокон розташовується за напрямками дії внутрішніх сил у цьому середовищі.

Наступна стадія регенерації характеризується динамічними клітинними трансформаціями і має завершитися утворенням диференційованих і адекватно орієнтованих у просторі клітин. Річ у тому, що ці клітини (фібробласти, остеобласти чи хондробласти) мають синтезувати колаген, призначений виконувати функцію протидії деформаціям. Ефективність протидії залежатиме від напрямку розташування його волокон. Встановлено, що напрямок розташування волокон фібрину, а потім і колагену, співпадає з поздовжньою віссю клітини [7] (рис. 8).

Припускаємо, що така позиційна організація клітин обумовлена станом напруження фібрину, а також не виключаємо, що сила, яка виникає в фібрині (або колагені), передається на цитоплазму клітини і стимулює в ній процеси синтезу міжклітинної речовини - опорної субстанції. Причому і напруження, і деформації мають позитивний формоутворювальний вплив саме на перших стадіях процесу зрощення, коли формується клітинно-колагенова структура. Усе це може свідчити про існування природного принципу адекватного формоутворення кісткового регенерату під впливом напружень, щоб в оптимальні терміни відновити опорну функцію кістки.

Рис. 8. Однонаправлене розташування фібрину та фібробластів в регенераті діафізарного перелому плечової кістки на 8-й день після травми

Висновки