Медицина / 8. Морфология

К. мед. н. Кутя С.А., студент Столоногов А.О., студент Лискевич Р.В.

ГУ «Крымский государственный медицинский университет имени С.И. Георгиевского», Украина

Устройство для определения механической прочности костей мелких биообъектов

Общеизвестно, что основной функцией костей в организме человека и животных является обеспечение необходимых прочностных характеристик особи как целого и отдельных органов при действии статических и динамических нагрузок. Поэтому целью научных исследований, посвященных изучению влияния различных факторов на структурно-функциональное состояние костной системы, в конечном итоге, должно быть определение их механико-пластических свойств.

Определение основных механических свойств костей, таких как предел прочности, модуль упругости и т.д., может быть выполнено на различных испытательных установках. Для их измерения нами сконструировано простое устройство, позволяющее испытывать целые кости мелких биологических объектов как на изгиб, так и на сжатие (рис. 1).

Рис. 1. Схема устройства для испытания костей на изгиб и сжатие (описание в тексте).

Данное устройство сконструировано на основе измерителя часового типа ИЧ-1 - 2, с помощью которого определяется величина деформации твердого тела при дозированной весовой нагрузке (в нашем случае плечевой кости, если проводится испытание ее прочности на изгиб, и позвонков крыс - на сжатие). Емкость для размещения эталонов массы - 1 находится непосредственно над исследуемой костью, что исключает разного характера рычаги и шарнирные конструкции, благодаря чему вся масса нагрузки передается непосредственно на кость по вертикальной оси, путем соединения емкости с измерителем часового типа - 2 с помощью верхней части оси последнего. В свою очередь измеритель часового типа ИЧ-1 - 2 закреплен на платформе - 3 с помощью стойки индикатора - 4. Горизонтальный уровень данной платформы регулируется перемещением гаек - 5 на опорных осях, установленных в четырех точках. К нижней части оси измерителя часового типа ИЧ-1 - 2 крепится одна из насадок в зависимости от того в каком режиме необходимо осуществить деформацию биообъекта (на изгиб используется остроконечная насадка - 7, а на сжатие образца – тупоконечная - 8). Исследуемый образец устанавливается на рабочую поверхность - 9 (в режиме «на сжатие»), плотно закрепленной на нижней пластине с помощью двух стоек – 10. Опорные оси проходят насквозь все три пластины, фиксируясь неподвижно с верхней и нижней пластиной гайками, а со средней пластиной - подвижно, для регуляции уровня данной платформы, что является неотъемлемой частью устройства из-за специфических особенностей каждого исследуемого образца - 11. Увеличенный вес опорной металлической пластины, с прикрепленной к ней рабочей поверхностью, обеспечивает смещение центра тяжести вниз, что придает большую стойкость всей конструкции.

Испытание костей производится следующим образом. Испытуемый образец - 11 устанавливается на рабочую поверхность – 9 (при испытании на сжатие), которую помещают между стойками – 10 или укладывается на них (при необходимости создания деформации на изгиб). Завинчивается соответствующая насадка (с плоской поверхностью нагружения для исследования на сжатие и в виде гильотины с толщиной нагружающей поверхности 1 мм при изгибе), шкала измерителя часового типа устанавливается на 0 мкм. После чего с определенной частотой помещают эталоны массы в емкость, отмечая их количество при деформации кости на 1 мкм. Нагружение производится до момента разрушения кости.

После чего производится построение диаграммы нагружения, с помощью которой осуществляется расчет ряда показателей, отражающих биомеханические свойства костей.

Рекомендованными являются следующие параметры: при исследовании на изгиб - модуль упругости, предел прочности, удельная стрела прогиба, работа разрушения (Ковешников В.Г., Лузин В.И., 2003); при исследовании на сжатие - показатели, которые характеризуют кость как конструкцию: предел упругой деформации, энергия упругой деформации, жесткость; показатели, которые характеризуют кость как материал: предел прочности, относительная упругая деформация, модуль упругости, удельная энергия упругой деформации (Ступаков Г.П. и др., 1987).