Особенности биомеханических качеств опорных структур тканей человека

Рост и развитие организма человека в норме предполагает формирование различных опорных комплексов, построенных на основе соединительной ткани (фиброзная, хрящевая и костный скелет). Образования такого рода выполняют защитную, разграничительную, поддерживающую и трофическую функции. Прочностные характеристики оболочек органов и тканей обеспечиваются преимущественно волокнистыми слоями, построенными на основе коллагена и эластина [1]. Нарушения реализации индивидуальной генетической программы развития средовыми или иными факторами способствуют формированию аномалий органов и тканей и разнообразных дисплазий. Слабость и несовершенное строение опорных структур ухудшают функционирование органов, обусловливают патологические процессы (опущение, грыжи, разрывы оболочек, переломы костей и т. д.). Прочностные особенности твердой мозговой оболочки (ТМО) играют важную роль в формировании эпидуральных и субдуральных гематом в патогенезе родовых травм новорожденных [2] и взрослых людей. По сравнению с костной тканью биомеханические характеристики гибкого скелета человека практически не исследованы в отечественной и зарубежной литературе.

Цель исследования — сравнительное изучение биомеханических параметров двух типов скелета (гибкий и костный) человека.

Изучали образцы ТМО и костную часть ребер взрослых, основной фиброзный слой которых построен на основе коллагена V и I типов [3]. Образцы ТМО и ребра получали в процессе судебно-медицинских вскрытий умерших в региональном бюро Архангельской области. Исследовали 32 образца внутреннего листка ТМО и 17 фрагментов тел ребер жителей Архангельска (мужчин и женщин) 29—89 лет, умерших от причин, не связанных с заболеваниями головного мозга. Образцы тканей фиксировали в растворе формалина в течение 2—3 сут и подвергали механическим испытаниям; 15 образцов ТМО исследовали после стандартной патогистологической обработки и окраски срезов тканей гематоксилином и эозином. Выполняли обзорную микроскопию тканей и морфометрические исследования (измерение толщины ТМО) с помощью окулярной тест-системы.

Механические испытания проводили по методикам, разработанным на кафедре технологии целлюлозно-бумажного производства Архангельского государственного технического университета (АГТУ) и Северного (Арктического) федерального университета (САФУ) для тонких вязкоупругих материалов [4]. На разрывной машине ИТС-101−0,5 (Иваново) с микропроцессорным управлением испытывали 17 фиксированных образов ТМО по определенной методике [4]. Использовали программное обеспечение [5] с получением и математической обработкой зависимостей нагрузка—удлинение. Испытания на растяжение образцов ТМО, шириной 15 мм и расстоянием между зажимами 25 мм проводили с постоянной скоростью 10 мм/мин (см. рисунок).

Механические испытания образцов костного скелета выполнены на испытательном прессе ИТС-201 (Иваново) с микропроцессорным управлением. Изогнутая форма ребра позволяла исследовать костную ткань на величину прогиба (в мл) до момента фиксации перелома. Испытания на сжатие проводили при скорости нагружения 12,5 мм/мин по методике, аналогичной ГОСТу 20682−75. Регистрировали кривую нагрузка—смещение, по которой определяли прочностные (разрушающее усилие, в ньютонах) и эластические характеристики материала (в мл).

В поддержании прочностных характеристик костной ткани важную роль играет неорганический компонент. В лаборатории Центра коллективного пользования научным оборудованием Арктика САФУ атомно-эмиссионным методом исследовали ранее подвергнутые механическим испытаниям 16 образцов костной ткани 5 мужчин и 11 женщин. В костной ткани определили содержание Cu, Pb, Zn, Mn, Fe, Al, Cd, Mg, Ca, K, Cr, Li, Ni, Sr, B, Ba, Bi, Co. Профиль обнаруженных биоэлементов сопоставляли с биологически допустимым уровнем (БДУ) с учетом рекомендаций А.В. Скального [6]. Вариационные ряды обработали статистически с помощью программы Statgraphics Plus v3.0 с применением параметрических и непараметрических критериев для регрессионного моделирования и межгрупповых сравнений.

При обзорной микроскопии образцов ТМО не выявили патологических изменений. В образцах не было очагов воспаления, кровоизлияний и кальциноза. Толщина оболочки составила в среднем 629,7±3,59 мкм и достоверно коррелировала с возрастом умерших людей. Уравнение линейной регрессии при этом соответствовало формуле:

Y₁ = 1010,47±5,84X,

где Y₁ — толщина ТМО (в мкм), X — возраст (годы).

Результаты биомеханических исследований приведены в табл. 1.

Разрушающее усилие образцов костной ткани (294,4±44,92 H) многократно превысило такой же показатель образца ТМО. Прогиб образца до возникновения перелома (6,8±0,48 мм), а значит, и эластичность ткани ребра была достоверно ниже. Показатели костной ткани достоверно (p<0,05) коррелировали между собой, обеспечивая 39,8% обоюдной изменчивости. Сравниваемые биомеханические показатели индивидуально варьировали без учета пола и возраста, что объясняется особенностями внутренней организации производных скелетогенной мезенхимы. В связи с этим, чтобы получить дополнительные сведения о региональных особенностях костного скелета, продолжили изучение профиля биоэлементов в тех же костных образцах (табл. 2).

В костной ткани выявили признаки «техногенного микроэлементоза», который типичен для северо-западного региона страны [7, 8]. Неблагоприятным для прочностных свойств костного скелета следует считать дисбаланс содержания Cu, Al, Ni, и B [6, 8], который усугубляется возрастным остеопорозом с потерей неорганического компонента костной ткани. Следует отметить, что достоверная линейная регрессионная модель возрастной зависимости концентрации биоэлементов в костной ткани подтверждена только для калия.

Y₂ = 1626,35 – 11,094X.

В соответствии с выявленными закономерностями с увеличением возраста в костной ткани достоверно снижалось содержание калия (Y₂). Именно уровень K в образцах (X) достоверно (p<0,05) коррелировал c эластичностью ребра (Y₃ ).

Y₃ = 81,89 + 0,229X.

Как известно, характеристики упругости, деформативности и вязкости интегрально оценивают структуру материала, а характеристики прочности — дефекты структуры [9]. Выявленная изменчивость различия кривых начального модуля упругости по отдельным образцам ТМО может быть обусловлена организацией структур ее волокнообразующих слоев. Можно согласиться с мнением В.П. Вагаповой и А.Е. Стрижакова [9], что значения показателей деформационных свойств снижаются при уменьшении извитости коллагеновых волокон и толщины межпучковых промежутков с увеличением удельной плотности аморфного вещества оболочки. С учетом этого мнения, можно интерпретировать материалы исследований тензиометрических свойств оболочек головного мозга.

Проведенное исследование перспективно для дальнейшего изучения индивидуальной изменчивости органов и тканей с учетом возраста, пола и эффектов влияния на организм человека внешних повреждающих факторов. Сформулированные методические подходы к изучению биомеханических характеристик элементов гибкого и костного скелета человека можно использовать в судебно-медицинской практике для оценки возможного влияния указанных изменений на танатогенез травмы.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.