Общеизвестно, что костная ткань состоит из гексагональных кристаллов гидроксилапатита, заключенных в системы коллагеновых волокон. Элементарной ячейкой кости является остеон, или костная система, представляющая цилиндрическое образование, насчитывающее от 5 до 20 костных пластинок.
Промежутки между остеонами заполнены вставочными пластинками, представляющими остатки из лизированных в процессе развития кости остеонов. Эти образования соединены между собой гиперминерализованными линиями цементации [1]. С позиции учения о сопротивлении материалов костная ткань относится к композитным материалам с анизотропными свойствами, и разрушение ее происходит по тем же законам, что и небиологических объектов [2].
Разрушению образцов всегда предшествует пластическая деформация разной степени выраженности, что сопровождается дислокацией структурных образований. Если величина дислокации приблизится к 0,2 мкм [3], образовавшаяся микротрещина становится фиксированной с тенденцией к росту. В изотропном материале при осесимметричной деформации микротрещины образуются равномерно с тенденцией в направлении деформирования. После прекращения деформации возникшие микротрещины «закрываются» без признаков «внутреннего» разрушения. Далее деформация продолжается за счет увеличения количества трещин, их слияния и образования магистральной трещины, распространяющейся лавинообразно с нарушением целостности объекта.
Костная ткань взрослого человека относится к материалам, обладающим более хрупкими свойствами. При подробных макро- и метрических исследованиях участка сломанной кости не выявляют сколько-нибудь заметных признаков остаточной (пластической) деформации. Если при формировании перелома остаточная деформация не превышает 1%, то это позволяет отнести кость к материалам с хрупкопластическими свойствами [4].
При исследовании костной ткани из кости, подвергшейся подпороговой нагрузке, обнаруживают признаки остаточной деформации в виде большого количества микротрещин в области воздействия. Для их обнаружения использовали метод поверхностной декальцинации отшлифованных костных блоков, выпиленных из зоны деформации, с последующей непосредственной микроскопией с увеличением 28-192 [5]. Этот метод с небольшими модификациями применяется на кафедре при научных практических исследованиях уже около 30 лет. Исследование при подпороговых нагрузках и на сломанных костях описано в работе В.Э. Янковского и соавт. [6]. Обнаруженные трещины развивались на органном уровне (кость) - макротрещины и субмакротрещины, на уровне структурных элементов - микро- и субмикротрещины (внутриостеонные, внеостеонные, чрезостеонные), а на уровне вставочных пластинок - внутрипластинчатые, межпластинчатые, чрезпластинчатые. По ориентации трещины были продольными, косыми, поперечными; по форме разделились на прямолинейные, дугообразные, ломаные и волнистые.
В результате многолетнего изучения сломанной кости и изломов (поверхность перелома) и в соответствии с общепринятой в технике фрактологической терминологией оказалось целесообразным в переломе выделить 3 зоны: 1) зону первичного разрыва, 2) зону распространения, 3) зону долома. С судебно-медицинской точки зрения наиболее важными являются первая и третья, позволяющие определять, где кость подвергалась действию растягивающих напряжений, а где сжатию. Эти участки располагаются на противоположных поверхностях и указывают направление изгиба кости. Зоны первичного разрыва и долома характеризуются определенными и стойкими макроморфологическими признаками, выявляемыми при изучении перелома. На микрошлифах также обнаруживают трещины, свидетельствующие о виде разрушения на микроуровне.
В костной ткани, окружающей зону первичного разрыва, располагающуюся на стороне, противоположной воздействию для прямых переломов, и где костная ткань при деформации подвергается растяжению, преобладают линейные микротрещины поперечной ориентации - внутри- и чрезостеонные (рис. 1).
В механике разрушения такие трещины получили название «трещины отрыва». Они образуются от действия нормальных растягивающих напряжений. При непосредственной микроскопии области первичного разрыва костной ткани нередко на 2-3 мм от плоскости магистральной трещины обнаруживают дополнительную микротрещину, по контуру параллельную магистральной (рис. 2).
Кроме поперечных микротрещин, выявляли, но в меньшем количестве, линейные продольные трещины, располагающиеся поверхностно, под системой генеральных пластинок. Область локализации микротрещин по обе стороны от плоскости перелома при симметричном изгибе составляет 3-6 см.
На противоположной поверхности кости, т.е. в зоне долома, вид и расположение микротрещин зависит прежде всего от характера нагрузки, вызвавшей образование перелома: удар (например, удар бампером движущегося автомобиля) или относительно медленный изгиб (изгиб ноги/руки упавшим твердым предметом - бревном).
При ударе твердым предметом в зоне долома обнаруживались в большем количестве линейные внеостеонные микротрещины (рис. 3).
У края перелома они были небольших размеров, по мере удаления от плоскости перелома их длина и количество увеличивались. Зона распространения этих трещин составляла до 6-8 см по обе стороны от плоскости перелома.
При целенаправленном микроисследовании сломанной кости и обнаружении в области долома такого признака, как «выкрашивание» компактного вещества, исследование шлифа из этого участка обнаруживает «нежную» сеточку перекрещивающихся микротрещин, которые, воздействуя друг на друга, вызывали локальное разрушение костной ткани - контактное дробление. Такая морфологическая картина свидетельствовала о внешнем ударном воздействии.
В случаях «медленного» изгиба главные микроморфологические отличия обнаруживали при исследовании костных шлифов из области долома. Здесь основную массу микротрещин составляли линейные, косые, вне- и внутриостеонные, чресструктурные микротрещины, образующие «сетку» в виде фигур ромбов (рис. 4).
Такое расположение микротрещин свидетельствует о том, что в процессе формирования перелома в зоне сжатия костной ткани, где преобладают касательные напряжения, возникают косые трещины в результате пластической деформации. Эти трещины теоретически должны располагаться под углами 45° и 135° к сжимающим и растягивающим силам. Они образуют сопряженные системы трещин «скалывания», в верхней части их угол в пределах 35-45° к оси сжатия [3]. Именно такой угол имеют костные гребни, образующиеся в зоне долома. Описанная картина микротрещин характерна для зоны долома и может служить патогномоничным признаком диагностики, располагается на участке шириной 6 см по обе стороны от перелома.
Морфологическая картина микротрещин в зоне первичного разрыва кости и в зоне долома позволяет эксперту дифференцировать вид внешнего воздействия - удар или медленный изгиб, вызвавший перелом.
Изучали участки костей (диафизы локтевых костей, передняя поверхность большеберцовых костей), по которым наносили экспериментальные удары твердыми предметами меньшей плотности, чем кость (деревянные предметы, резиновая дубинка), где макропереломы не возникали. При микроскопическом исследовании костных шлифов всегда обнаруживали микротрещины в поверхностных и средних слоях костной ткани. В одном из практических наблюдений при смертельной закрытой черепно-мозговой травме из области одной из ушибленных ран был выделен фрагмент теменной кости и приготовлен шлиф костной ткани. При непосредственной микроскопии в толще костной ткани обнаружили продольные, поперечные, косые микротрещины. Это позволило установить, кроме ушиба мягких тканей, ушиб костной ткани [7, 8].
Многолетнее изучение микрокартины в области перелома показало, что микротрещины, особенно чресструктурные, проходят через каналы кости: каналы остеонов, каналы Фолькмана, содержащие сосуды и анастомозы, и нарушают систему микроциркуляции в области перелома (рис. 5).
Наложение накостного металлоостеосинтеза с фиксацией вблизи перелома вследствие микродеструкции кости может сопровождаться ослаблением фиксаторов вплоть до образования костных секвестров. Это положение подтверждено при лечении переломов нижней челюсти в докторской диссертации В.И. Семенникова [9].