Вопрос 21 Строение и функции хряща

Суставный хрящ - это пористый, проницаемый, деформируемый ма­териал, выстилающий поверхности сочленений костей, входящий в стен­ки дыхательных путей и в состав межпозвонковнх дисков.

При нагрузке-разгрузке хрящ поглощает и выделяет жидкость. Суставный хрящ может менять свой размера и форму при кратковремен­ных и длительных нагрузках. После разгрузки способен возвращаться в исходное состояние без остаточной деформаций.

Реологические свойства хряща хорошо описываются уравнением :

Ag-o + а = B(s + X_ps)

С точки зрения механики хрящ - это двухфазный материал, содер­жащий жидкую (0,6-0,8% по массе) составляющую - и твердую (35% кол­лагена + др. вещества }. В норме хрящ не содержит кровеносных сосудов, нервных окончаний, лимфы. Клетки хряща - хондроциты - про­дуцируют коллаген и промежуточные вещества.

Структура хряща :

1. Поверхностный слой - пучки волокон коллагена с й 350 А, лежащие касательно; с поперечными перемычками. В глубине слоя рас­положены полости, в которых находятся хондроциты;

2. Средний слой - слой беспорядочно ориентированных волокон с

d 300-SCC А, погруженных в связующем веществе. Клетки расположены з нем хаотично;

3. Глубинный слой - волокна с а ~ 400-800 А, лежащие более редко, чем в среднем слое и соединенные с костью якореподобными соединениями;

4. Сеть волокон коллагена -ь соли Са. Далее лежит кость.

Проницаемость хряща : жидкость проникает в щели между волокна­ми коллагена и связующим веществом.

В хряще развиваются, 5 основном, напряжения сдвига. 3 экспери­ментах изучают, например, сдвиговую периодическую деформацию

i' = TfjSin wt, под действием которой в хряще-развиваются напряжения

сдвига т. = Zq sin (wt-кр}. В результате рассчитываются модуль сдвига

и некоторые другие характеристики.

Моделирование хряща : это пористая среда, состоящая из твердой матрицы (I фаза) и изолированных пор нерегулярной формы и ориента­ции, заполненных жидкостью (II фаза). В кубическом образце с длиной

_ ! /q

ребра ju число пор п на длину L : n-LN , N - среднее число пор з единице объема (пористость). В кубе число пор Ny=NqL³%³. % - сред­ний размер пор, q - постоянная измерения объема пор. В сечении 3

О /о. 9

число пор N_q=N % SW, W - постоянная измерения площади пор. Для

гонкого слоя материала модуль Юнга £_PJIoq

S-S_TT

-¹ , где S_v - площадь

=Е

пор в сечении. Е- - модуль Юнга твердой составляющей. При малых де-

?/Я 9/Я

Формациях £<<1 .модель дает Е_СЛ0Я=Е(1-Кр(У_у/7)~'"), k=Wq_ . Данные

экспериментов подтверждают характер измерений упругих свойств : ?

Е_слоя=-а(Vy/'V) ⁺Ь, а и b - постоянные.

Вопрос 22

3.2 Биомеханика синовиального сустава

Синовиальный сустав. - это сочленение двух и более костей, между которыми находится щелевидная суставная полость, заполненная синовиальной жидкостью. В некоторых суставах (коленном) между сус­тавными поверхностями костей вклиниваются хрящевые пластины - мени­ски (рис. 28а).

hiF

синовиальнаяжидкость; 4 - суставная сумка;

Рис.28

-.кость; 2 - хрящ

Движение сустава происходит легко за счет малой силы трения скольжения (смазка синовиальной жидкостью >. Синовиальная жидкость выделяется синовиальным слоем суставной сумки. В коленном суставе около 1-2 мл синовиальной жидкости. Она представляет собой диализат плазмы крови + муксдслисахарида (гйалуроновая кислота). Вязкость синовии - г, ^л' ю-15 Из. Зта неньютоновская жидкость (в норме, а при патологиях может Сыть ньютоновской) выполняет функции смазки. При нагрузке сустава ;сдавливании слоя синовии) ее вязкость резко воз­растает за счет проникновения молекул воды в поры хряща и это при­водит к значительному снижению скорости сближения поверхностей кос­тей и не дает им сойтись. При патологиях свойства синовии могут си­льно меняться, что приводит к соприкасанию, значительному трению и в конечном счете износу поверхностей костей (ревматический артрит и другие патологии;.

Моделирование сустава чрезвычайно важно, поскольку даже с сов­ременной месронзмерйтельной техникой проникнуть в полость сустава крайне трудно.

Модели сустава :

5. Двухфазная среда = твердая составляющая - хрящ, из полупро­ницаемого материала (I) + жидкость(II);

6. Две пористые фазы с разными коэффициентами- проницаемости + •тонкая пленка жидкости;

7. -З-слойная среда : I - анизотропная среда - пористый хрящ с жидкостью, II - изотропная среда (слои хряща с беспорядочно ориен­тированными волокнами), III - полубесконечная изотропная упругая среда - кость.

Каждый из подходов имеет свои преимущества. Выбирая модель, можно рассмотреть задачу о сближении двух дисков площади S под дей­ствием внешних сил ? (рис.286). Между дисками находится слой жид­кости с т] — г)(Ср), где Ср - концентрация белка в синовии. При С^С*

жидкость переходит в гель (резко возрастает вязкость). Скорость фильтрации жидкости т> определяется давлением в жидкости р-р(F) как

v_f--k« (р(?)-573 ). Решение задачи позволяет определять развиваемые в

суставе напряжения при заданной вязкости жидкости, предельно допус­тимые для нормальной работы сустава значения а, г, л многое другое.