Об определении механических свойств губчатой кости на основе экспериментов по одноосному сжатию

539.3

губчатая кость; одноосное сжатие; модуль упругости; минеральная плотность кости; пористость; коэффициент Пуассона; анизотропия; позвонки; биомеханика

Работа посвящена определению механических свойств губчатой кости по данным экспериментов на одноосное сжатие и разработке подходов, обеспечивающих сопоставимость и воспроизводимость получаемых характеристик. Актуальность исследования связана с необходимостью корректной оценки эффективного модуля упругости и других механических параметров губчатой кости для задач биомеханики, математического моделирования и интерпретации данных лучевой диагностики. В докладе рассматриваются серии экспериментов, выполненных на образцах губчатой кости крупного рогатого скота из позвонков и области коленного сустава, а также на образцах губчатой кости детских позвонков. Испытания проводились в условиях одноосного сжатия с использованием универсальных испытательных машин; для части серий дополнительно оценивались минеральная плотность кости, пористость и коэффициент Пуассона. Одним из центральных вопросов исследования являлась разработка требований к геометрии образцов для испытаний на сжатие. Показано, что величина эффективного модуля упругости существенно зависит от соотношения высоты и поперечного размера образца, тогда как при достижении определённого диапазона относительной высоты оценка модуля стабилизируется. Отдельно исследовано влияние способа нагружения, включая испытания без заглушек, а также с пластиковыми и алюминиевыми заглушками. Установлено, что при соблюдении геометрических требований различия, обусловленные способом передачи нагрузки, не являются определяющими. Для различных направлений вырезки образцов получены значения эффективного модуля упругости, минеральной плотности и коэффициента Пуассона, что позволило оценить анизотропию механического отклика губчатой кости. Построены зависимости между модулем упругости и минеральной плотностью, а также между модулем упругости и пористостью; показано, что эти зависимости могут быть использованы для расчётной оценки механических характеристик по структурным параметрам. Также рассмотрен вопрос межлабораторной надёжности экспериментов по одноосному сжатию, и продемонстрирована согласованность результатов, полученных в разных лабораториях. Для губчатой кости детских позвонков получены зависимости между нормализованным эффективным модулем упругости и рентгеновской плотностью, представляющие интерес для клинических и расчётных приложений. Полученные результаты могут быть использованы при построении биомеханических моделей костных структур и при разработке методик оценки свойств костной ткани по данным визуализации.

Работа выполнена при поддержке Благотворительного фонда Владимира Потанина (проекты № ГК24-000076, ПР24-000188) и государственного задания, проект FSRR-2023-0009.

Поступила: 10.03.2026; Принята: 19.05.2026; Опубликована: 01.07.2026

208-212