Механические свойства биологических тканей
Виды деформаций
| Рис. 5. |
ОА – участок упругой деформации, которая исчезает сразу после снятия нагрузки. Точка А называется пределом упругости ( ). На участке ОА действует закон Гука. Участок АВ – появление деформации, которая не исчезает после снятия нагрузки это пластическая деформация. Участок ВС – деформация текучести, которая происходит без увеличения напряжения. Напряжение ( ), соответствующее точке B – называется пределом текучести. Участок СД – упрочнение, происходящее за счет накопления дефектов. Точка Д – предел прочности ( ). При этих напряжениях происходит разрушение образца. Предел прочности зависит от материала и от способа его деформирования.
а) Ползучесть ‑ еще один вид деформации ‑ это процесс изменения во времени размеров образца под действием постоянной нагрузки. Этот процесс длится очень долго (рис. 6).
б) Релаксация – это процесс изменения механического напряжения в образце при постоянной относительной деформации (рис. 7).
в) Прочность – способность тел выдерживать без разрушения, приложенную к ним нагрузку. Прочность зависит от вида нагружения (см. табл. 2).
г) Разрушение – макроскопическое нарушение сплошности тела в результате механических или каких-либо иных воздействий.
В разрушении выделяют обычно две стадии: начальную – развитие пор, микротрещин и конечную – разделение тела на две и более частей. Различают хрупкое и вязкое разрушения. Костная ткань разрушается хрупко.
| Рис. 6. | Рис. 7. |
Таблица 2
Прочность при сжатии, растяжении, МПа
| Бедренная кость | Человек | Лошадь |
| Сжатие | ||
| Растяжение |
Таблица 3
Характеристики прочности, МПа
| Вид ткани | Предел прочности на сжатие |
| Сплошная кость | |
| Компактное вещество бедренной кости | 1470–2940 |
| Связки суставов | 10–16 |
| Позвонок | |
| Губчатое вещество бедренной кости | |
| Белковый компонент | 0,1 |
Вид разрушения зависит от многих факторов (структура материала, температура, скорость нагружения, качество поверхности и т.д.) (табл. 3).
| ЛЕКЦИЯ 2 |
Большинство биологических тканей являются анизотропными композитными материалами, образованными объемным сочетанием химически однородных компонентов. Состав каждого типа ткани сформировался в процессе эволюции и зависит от функций, которые она выполняет.
а) Костная ткань – это основной материал опорно-двигательного аппарата. В скелете человека более 200 костей. Скелет это опора тела и он обеспечивает передвижение. В компактной костной ткани половину объема составляет минеральное вещество – гидроксилапатит Ca10(PO4)6(OH)2 в форме микроскопических кристалликов. Другая часть – органика – коллаген (высокомолекулярное соединение ‑ волокнистый белок, обладающий высокой эластичностью). Способность кости к упругой деформации реализуется за счет минерального вещества, а ползучесть ‑ за счет коллагена. Кость является армированным материалом.
Механические свойства костной ткани зависят от многих факторов: возраста, заболеваний, индивидуальных условий роста. В норме плотность костной ткани 2400 кг/м3, модуль Юнга до 1010 Па, предел прочности при растяжении ~ 100 МПа, относительная деформация ~ 1 %. Прочность на сжатие выше, чем на изгиб или растяжение. Бедренная кость выдерживает на сжатие нагрузку 45000 Н, а на изгиб всего 2500 Н, т. е. на сжатие нагрузка в 25‑30 раз больше веса человека.
б) Кожа (линии Лангера). Это самый крупный орган человека, выполняющий важные функции: поддержание гомеостаза, участие в процессе терморегуляции, регуляция обмена веществ, секреторная функция (работа сальных и потовых желез), защита от повреждающего действия механических, физических и химических, инфекционных агентов. Кожа – это обширное рецепторное поле, воспринимающее извне и передающее в ЦНС (центральная нервная система) целый ряд ощущений. Кожа – граница раздела между телом и окружающей средой, поэтому она обладает значительной механической прочностью. Кожу часто рассматривают как гетерогенную ткань, состоящую из трех слоев: эпидермис, дерма, подкожная клетчатка. В общий состав кожи входят коллаген (75 %), эластин (4 %) и основная ткань – матрица. Плотность кожи в норме (1100 кГ/м3). Эластин растягивается на 200‑350 %, коллаген до 10 %. Предел прочности коллагена 100 МПа, эластина 5 МПа.
При исследовании механических свойств кожи с помощью акустического анализатора, позволяющего оценивать скорость распространения акустических сигналов с частотами 5‑6 кГц была выявлена акустическая анизотропия кожи. (Скорости распространения поверхностной волны вдоль осей x и y различны). Проявление акустической анизотропии находится в соответствии с ориентацией линий естественного натяжения кожи (линии Лангера) (рис. 8).
| Рис. 8.Проявление акустической анизотропии и ориентация линий Лангера на различных участках кожи |
– скорости акустических волн вдоль y и x. K+, если и K–, если .
Степень анизотропии кожи при некоторых патологиях сильно изменяется, например, при псориазе, при атопических дерматитах. Анизотропия кожи лица, особенно в области лба, позволяет оценивать возрастные изменения. Анизотропия кожи является объективным диагностическим критерием в различных областях медицины.
в) Мышечная ткань. Вся жизнедеятельность человека связана с мышечной активностью. Она обеспечивает работу отдельных органов и целых систем. Нарушение работы мышц приводит к патологии, а ее прекращение к летальному исходу. Механические свойства мышц подобны механическим свойствам полимеров. Состав мышц: мышечные клетки (волокна) и внеклеточное вещество (коллаген, эластин, соединительная ткань). Мышцы бывают гладкие (кишечник, желудок, сосуды) и скелетные (обеспечивают движение, работу сердца). Плотность мышечной ткани 1050 кГ/м3. Модуль Юнга 105 Па. Гладкие мышцы могут деформироваться на десятки процентов. Этому способствует распрямление молекул коллагена.
г) Сосудистая ткань. Механические свойства кровеносных сосудов определяются главным образом свойствами коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. Содержание этих составляющих сосудистой ткани изменяется по ходу кровеносной системы. С удалением от сердца увеличивается доля гладких мышечных волокон, в артериолах они уже являются основной составляющей.
Стенки кровеносных сосудов построены из высокоэластичного материала, поэтому способны к значительным обратимым изменениям размера при действии на них избыточного внутреннего давления.