1.3.1.2 Сила, напряжение, деформация, жесткость
Сила (N)5, действующая на материал, приводит к состоянию внутреннего напряжения. Единицей напряжения (сигма), сила/площадь является Ньютон/метр в квадрате (N/m2). Под воздействием сил материал деформируется. Степень деформации, деформация (епсилон знак равно дельта L/L), не выражается в единицах и может быть определена в процентном отношении к исходным размерам (рис. 1.7). Взаимоотношение между действующей силой и результирующей деформацией называется жесткость: чем меньше жесткость, тем больше деформация. Термин ригидность часто используется в медицинской литературе в качестве синонима к слову жесткость.
Все три элемента — сила, напряжение и жесткость — могут быть разделены на статический (постоянный) и динамический (изменяющийся во времени) компоненты6 (рис. 1.7с).
1.3.1.3 Общие аспекты нагрузки
Нагрузка действует на материал или приспособление и может состоять из нескольких (до трех) сил и трех моментов.
Типы механической нагрузки.
Нагрузка может изменяться или не изменяться во времени (второе предпочтительнее). Постоянно действующая нагрузка, не изменяющаяся во времени, называется статической*. Нагрузка, действующая с изменяющимся ускорением, называется динамической. Компрессия, создаваемая имплантатом, наложенным в условиях напряжения, является статической. Силы, вызванные функцией конечности (например, locomotio, передвижение человека в пространстве), являются динамическими, или функциональными, силами.
5 Силу выражают в Ньютонах: 10N ~1 кр ~2,21bf. Момент силы выражают в Ньютонах на метр: 10Nm –lkp cm-ft lb/1,37.
6 В технических науках термины статический и динамический используют для уточнения равновесия ситуации.
7 Состояние напряжения может быть определено с помощью метода сечений. Для того, чтобы представить баланс сил, необходимо силу приложить к поверхности «мысленного среза». Величина силы, действующей на единицу площади поперечного сечения, соответствует величине внутреннего напряжения (стресса) (о).
* Более подходящим был бы термин «неподвижный».
Рис. 1.7 Сила, напряжение и деформация.
А Приложенная извне сила (F) приводит к деформации (SL) тела и состоянию внутреннего напряжения F/A (а = сила / площадь). Предел разрушения характеризуется пределом прочности, а также деформацией (удлинением до разрушения)7.
B Механические свойства определенного материала можно охарактеризовать при помощи диаграммы напряжение/деформация. Указана взаимозависимость напряжения и деформации. Предел разрушения можно описать при помощи прочности (предел напряжения а так же при помощи предельной деформации(Епж1=деформацня до разрушения).
С Три компонента сил и три компонента моментов .характеризующие нагрузку на приспособления.
Действие вышеназванных сил или моментов в области перелома не равномерно. Наиболее важными являются:
Статическая сила, создаваемая имплантатом. Она является, как правило, стабилизирующей.
Динамическая сила — результат функции конечности (является, как правило, дестабилизирующей).
Площадь поверхности контакта, на которую воздействуют силы.
Таким образом, в различных местах перелома могут существовать различные механические условия (рис. 1.8а, б). В одной и той же области перелома в соответствии с различными механическими условиями наблюдаются неодинаковые типы заживления перелома (рис. 1.8с).
Простой механический анализ показывает, что использование стягивающей проволоки (рис. 1.8.а), описанное Pairwels (1954) и применение стягивающей пластины, описанное Mtiller с соавт. (1963), без стягивающего шурупа, приводит к меняющимся во времени условиям.
Различные механические условия:
В непосредственной близости от пластины действует высокая сила сжатия. Она иногда может превысить прочность кортикального слоя кости и привести к необратимым деформациям, например, локальным микропереломам. (Rahn et al. 1971).
Участок кости, расположенный немного дальше от пластины, подвергается высокой статической нагрузке, но в пределах границ прочности кости, и с небольшим компонентом динамической нагрузки (стабильное состояние).
Еще чуть дальше от пластины определяется динамическое равновесие между уменьшающимися стабилизирующими статическими силами и увеличивающимися дестабилизирующими динамическими силами. Это приводит к нарушению непрерывного контакта.
С противоположной пластине стороны щель перелома может оставаться открытой в течение длительного времени. Ширина зазора зависит от непостоянных (динамических) сил, которые могут превышать компрессирующие стабилизирующие силы.
Механические силы, которые преобладают непосредственно на поверхности перелома,не могут быть описаны одним лишь термином, так как в различных местах (или в различное время в одном и том же месте) могут одновременно существовать несколько изменяющихся условий.
Реакция кости может также изменяться в пределах одного и того же перелома (рис. 1.8с). Существуют различные типы сращения:
1. Внутреннее ремоделирование, или «контактное заживление», нагруженных зон плотного контакта. Особенно интересно отметить, что в местах, которые подверглись локальной перегрузке, но которые оставались стабильно фиксированными, наблюдается прямое внутреннее ре моделирование (перестройка), как это было продемостри-ровано Rahn (см. выше).
Внутреннее ремоделирование, или «контактное заживление» интактных контактирующих зон (см. стр. 70).
Рис. 1.8 Различные механические условия и типы заживления в пределах одной и той же поверхности перелома.
А Различные условия в пределах одной поверхности перелома в различное время наблюдения (стягивание проволокой локтевого отростка, см. стр.16 и 44). Преднагрузка, создаваемая проволокой, показана черными треугольниками (статическая компрессия); изменяющаяся во время функции нагрузка (натяжение трехглавой мышцей и связанное с ним сдавление сустава, создающее дополнительную компрессию поверхности перелома) показана светлыми стрелками.
B Различные условия в пределах поверхности перелома в различное время наблюдения: пластина, выполняющая функцию стягивания при переломе диафиза без межфрагментарной компрессии (путем предварительного сгибания пластины или наложения межфрагментарного стягивающего шурупа) значительно увеличивает риск возникновения замедленного сращения. Поэтому необходимо избегать использования лишь пластин, без стягивающих шурупов или без предварительного сгибания.
С Различные типы заживления в пределах одного перелома. Этот гистологический срез (публикуется с любезного согласия J. Craig) показывает в пределах одной области перелома все стадии заживления - от прямого до замедленного. В зоне А определяется прямое заживление кости, в зоне В непрямое заживление кости, и в зоне С - замедленное заживление.
Рассасывание по поверхности перелома и непрямое сращения (см. стр. 68).
Замедленная консолидация. Щель по линии перелома будет, возможно, заполняться посредством непрямого образования костной ткани (см. стр. 70).
Нагрузка приводит к деформации интактной кости и/или обеспечивает различную степень ее стабильности. Статическое сжатие, как правило, стабилизирует, в то время как динамически приложенные силы растяжения или сдвига имеют тенденцию к дестабилизации поверхности перелома. Как подчеркнуто выше, эффект этих сил зависит от их относительных величин, направления и продолжительности действия. Целью хирурга является использование достаточной статической компрессии для поддержания стабильности при наличии любых противодействующих динамических сил, которые могут оказывать влияние на сломанную кость. Малые зоны локальных перегрузок не должны быть основополагающим фактором, поскольку кость в целом способна противостоять высоким нагрузкам. Чрезмерная перегрузка несросшегося перелома, стабилизированного способами внутренней фиксации, приводит к его механическому разрушению. (Французский термин „debricolage" (см. Словарь стр. 109) представляется наиболее точным для описания ситуации, когда фрагменты перелома, которые были предварительно фиксированы вместе, просто разваливаются. При этом биологическая реакция не играет никакой роли. В основе могут быть две вероятные причины: конструкция может быть слишком слаба или нагрузка безмерно велика.)
Нагрузка, приложенная к кости или имплантату (например, аксиальное растяжение), приводит ковнутренним напряжениям внутри материала. С увеличением нагрузки напряжение увеличивается, однако оно уменьшается с увеличением размеров нагружаемой поверхности10. Увеличение напряжения может достичь критического уровня прочности материала и он может разрушиться. В таком случае важнейшее условие возникновения перелома описывается термином прочность (например, предельная прочность на растяжение).
Приложенная нагрузка приводит к напряжениям внутри материала, и, таким образом, безусловно приводит к его деформации. Деформация (рис. 1.9, 1.10) выражается как другой эффект силы, ускорение, здесь не учитывается.
Напряжение выражают отношением силы на единицу площади: Ньютон на метр в квадрате (N/m2)
( ~ 1 кр/mm2= 10x10'N/m2= 10 МРа).
Рис. 1.9 Значительная деформация при малой щели перелома.
Деформация клеток и тканей является чрезвычайно важной. Она зависит не только от степени смещения (8L) фрагментов (нестабильность), но также (что более важно ) и от изначальной ширины щели перелома (L). При очень малом размере щели перелома (например, менее 0.1мм) незначительное смещение (0.1 мм) может привести к очень сильной деформации (более 100%) любого отдельно взятого элемента ткани, например — клетки.
А Небольшое смещение S цт (микрометров) при малой щели между фрагментами (здесь - около одного клеточного слоя толщиной, около 10 цт) приводят к возникновению деформации в 50%.
B При несколько большем смещении (10 цт) в малой щели достигается величина предела устойчивости к деформации клетки. Изменение ширины щели от 10 до 20 цт не видно невооруженным глазом (т.е. хирург не видит подобной нестабильности).
Рис. 1.10 Малая деформация при больших щелях перелома.
Деформация отдельного тканевого элемента (т.е. клетки) в пределах восстановительной ткани внутри щели перелома (и ткани, прилежащей к ней) может уменьшиться при расширении щели (от 10 микрометров на рис. 1.9 .а до 40 МкМ на рис.1.10 за счет рассасывания костной поверхности) и/или при уменьшении общего смещения за счет нескольких последовательно расположенных щелях перелома. Оба описанных состояния обычно имеют место при многооскольчатых переломах.
а Небольшое смещение (5 МкМ, как и на рис. 1.9.а) при изначально широкой щели (40 МкМ) приводят к деформации (около 12%), к которой плотная фиброзная ткань устойчива.
Ь Несколько большее смещение (10 МкМ, как на рис.1.9.b) при изначально широкой щели (40 МкМ) приводит к деформации (около 25%), к которой толерантна грануляционная ткань.
Таблица 1.1. Уровни критических напряжений восстановливающихся тканей.
Предельное растяжение до разрыва различных тканей
Грануляционная ткань - 100%
Плотная соединительная ткань - 20%
Хрящ - 10%
Губчатая кость - 2%
Пластинчатая кость - 2%
Данные, взятые из Yamada and Evans (1970), показывают, что критическое удлинение (до разрыва) пластинчатой кости не велико. Для замены отсутствующих данных о грануляционной ткани были взяты показатели для паренхимы.
Если несущая нагрузку поверхность велика, то критический уровень нагрузки в области перелома лучше выражать термином напряжение (напряжение меньше или равно, прочности). В тех случаях, когда несущая нагрузку поверхность мала, и в связи с этим роль ткани в стабилизации минимальна, то критический уровень лучше выражать термином деформация (предел устойчивости к деформации). Первое состояние определяется нагрузкой, второе — деформацией. Хотя обе характеристики представляют собой различные аспекты одного и того же состояния, важнейшие механические условия дифференциации ткани в процессе заживления перелома и несращения гораздо легче понять, используя четкую концепцию деформации.
Разрушение кости.
Переломы первоначально неповрежденного диафиза кости возникают, как правило, в связи с единовременным воздействием запредельного напряжения. Разрушения первоначально мелких костных мостиков в зоне сращения перелома лучше оценивать как результат одномоментной запредельной деформации, так как потенциально воздействующая на область перелома сила существенно превышает прочность ткани. Единственным объективным тестом в таком случае является предельно допустимая деформация, ограниченная размерами щели между поверхностями перелома.
Разрушение имплантата.
Что касается имплантата, то к его разрушению может привести наличие двух условий: единовременная запредельная перегрузка и многократно повторяющиеся малые перегрузки («усталость»). Почему же под воздействием определенных условий более толстая пластина, как оказывается, ломается быстрее, чем тонкая?
Когда имплантат, перекрывающий обширный дефект, подвергается все более возрастающей нагрузке (например, при увеличении нагрузки весом), то вполне вероятно, что вызванное ею напряжение превысить предельный уровень прочности и имплантат разрушится. Эту легко понятную ситуацию можно назвать „разрушенем от запредельной нагрузки".
Существует и другая ситуация в интенсивно нагруженной области перелома, при которой возникает рассасывание поверхностей перелома с расширением щели и увеличением деформации имплантата вплоть до критического уровня — „разрушение от запредельных деформаций". При достаточной нагрузке разрушение, например, пластины зависит от ширины щели и толщины пластины. Более толстая пластина ломается при меньшем угле сгибания вследствие того, что поверхность пластины подвергается большей деформации при одинаковом угле сгибания. Оценка возможной ситуации разрушения имплантата чрезвычайно важна, поскольку при внутренней фиксации часто преобладают „состояния вызванные деформацией" .
1.3.1.4 Физиологическая нагрузка
Сверхнагрузки вызывают одновременно три типа деформации: (1) обратимые (упругие); (2) в виде периодически открывающейся и закрывающейся щели в зоне перелома; (3) в виде постоянно открытой, не меняющей свой размер, щели перелома. В качестве примера подобной ситуации со сложной нагрузкой можно привести наложение стягивающей т. петли (серкляжа) на сломанный локтевой отросток или надколенник (рис. 1. 8а) (см. стр. 19 и стр.44). Hertel (1984) показал, что напряжение, возникающее в обычной пластине, возрастает в 14 раз, если отверстие пластины оказывается над серединой открытой щели перелома. Если, кроме того, отверстие в пластине над переломом оставить без шурупа пустым, то есть не фиксировать пластину к кости в этом месте, то данная часть пластины подвергается в 0,3 раза большей нагрузке. Наличие или отсутствие шурупов в отверстиях пластины не имеет большого значения в тех случаях, когда костные фрагменты хорошо адаптированы, а кость может, в связи с этим, противостоять нагрузке.