Механические свойства суставного хряща

Механические свойства суставного хряща.

 Суставной  хрящ представляет собой высокоспециализированную  ткань, которая выполняет в организме  две важнейшие функции - обеспечивает  скольжение суставных поверхностей, а также равномерно распределяет  нагрузку при воздействии механических  факторов, снижая тем самым травмирующий  эффект при движении. Хрящ не  имеет нервных окончаний, сосудов. Его питание осуществляется пассивно из синовиальной жидкости.  Сбалансированная работа костно-мышечных структур сустава (активная и пассивная протекция) создает условия для поддержания хряща в нормальном функциональном состоянии.

Механические свойства хрящей, сухожилий и связок значительно отличаются от свойств кости, так как они не минерализованы, и пропорции клеток, волокон, матрицы и воды у них разные. Плотность клеток в хряще самая низкая во всем теле. Гиалиновым хрящом покрыта суставная поверхность эпифизов. Он обеспечивает подгонку соприкасающихся суставных поверхностей, амортизацию, уменьшает трение сочленяющихся суставных поверхностей. Толщина хряща зависит от функциональной нагрузки на него и в различных суставах колеблется от 1 до 7 мм.

Механические свойства хряща зависят от особенностей матрикса.

  Суставной хрящ покрывает концевые  поверхности трубчатых костей. Он  представляет собой пористый  материал с низким модулем упругости и во время действия нагрузок выделяет, а при разгрузке поглощает синовиальную жидкость. Его размеры и форма могут изменяться вследствие как кратковременных, так длительных силовых воздействий, причём после разгрузки исходное состояние суставного хряща полностью восстанавливается, что обеспечивает конгруэнтность (от лат. congruentis – соответствующий, совпадающий)  суставных поверхностей. 

В хряще различают жидкую и твёрдую фазы. Жидкая фаза составляет 60 – 80 % его массы. В оставшейся твёрдой фазе содержится около 40 % хондроцитов, заключенных в обширный внеклеточный матрикс : 25 % протеогликанов и 35 % коллагеновых волокон и 65-80 % внутренней воды. Синовиальная жидкость выполняет функцию смазки сустава и обеспечивает питание хряща.                       

        С точки зрения механики материалов суставной хрящ является вязкоупругим анизотропным материалом с неоднородными механическими свойствами по суставной поверхности. Хрящ обладает двумя функциональными особенностями:

во-первых, под действием нагрузки он деформируется легче чем кость (отношение их жёсткостей равно 1:10), благодаря чему хрящ распределяет нагрузки на всю суставную поверхность кости и снижает этим концентрацию в ней механических напряжений;

во-вторых, хрящ обеспечивает чрезвычайно низкий коэффициент трения в суставе (от 0,005 до 0,012).

При нормальном функционировании сустава нагрузка на суставной хрящ колеблется от нуля до значений, в 3-4 раза превышающих вес тела, при этом по краям контактной поверхности могут развиваться достаточно большие деформации растяжения. Следует отметить, что локальная деструкция суставного хряща не восстанавливается и поэтому является опасным повреждением, которое в дальнейшем может привести к дегенерации всего сустава.

Анизотропия механических свойств хряща проявляется в существенном различии разрушающих растягивающих напряжений вдоль и поперек направления коллагеновых волокон. Так,  для наружного слоя хряща мыщелков бедренной кости они равны соответственно 25,5 и 9,8 МПа, т.е. отличаются в 2,5 раза. 

Модуль упругости Е суставного хряща, определенный в эксперименте на сжатие, составляет 25-50Мпа, модуль сдвига G -0,4-4 Мпа, причем при дегенеративных изменениях в хряще модуль сдвига увеличивается.

Коэффициент Пуассона хряща равен приблизительно 0,5, поэтому его  можно рассматривать как несжимаемый материал.

Большой практический интерес представляет исследование усталостной долговечности хряща, ведь человек делает в среднем около 2 млн шагов в год и тем самым подвергает данную ткань постоянному циклическому напряжению. Установлено, что при циклических нагружениях усталостная долговечность хряща снижается при возрастании уровня механических напряжений в нем, а также с увеличением возраста.

В физиологических условиях анаболические и катаболические процессы, происходящие в хрящевой ткани, сбалансированы, вследствие чего хрящ сохраняет свою целостность и способность к медленной регенерации в течение жизни. При остеоартрозе данный баланс нарушается, начинают превалировать катаболические процессы. Истинная причина, обусловливающая запуск этого процесса, до настоящего времени неясна. Предполагается, что основным фактором развития болезни является несоответствие между механической нагрузкой, приходящейся на суставную поверхность хряща, и его возможностями сопротивляться данной нагрузке. 

                                                                                                     Таблица 2.1

Вещество	Модуль упругости,  МПа	Предел  прочности на растяжение или сжатие,  МПа	Коэффициент Пуассона
Компактное вещество кости	7000 - 18000	120 - 200	0,2 - 0,4
Губчатое вещество кости	26 - 600	3,7 - 11,4	-
Суставной хрящ	23 - 50	10 - 25	0,5

 

 

          В табл. 2.1 приведены основные механические свойства компактного и губчатого вещества бедренной кости и суставного хряща человека. Широкий диапазон изменений параметров вызван анизотропией свойств этих тканей и разными видами и направлениями их нагружения.