Главная | Обратная связь

Понятия и реологические свойства упругих, вязких, пластичных тел применительно к биологическим тканям.

Механические свойства биологических тканей

Биологическая ткань – композиционный материал, образованный объемным сочетанием химически разнородных элементов и обладающий реологическими свойствами, отличающимися от свойств отдельных компонентов биологической ткани. Основу биологических тканей составляют коллаген, эластин и связующее вещество.

Механические воздействие на биологические ткани вызывают в них деформации и напряжения, появляется механическое движение. Физиологическая реакция на эти факторы зависит от механических свойств тканей. Знать, как меняются эти реакции и свойства тканей очень важно для профилактики, защиты организма, для применения искусственных тканей и органов, а также для понимания их физиологии и патологии.

В биомеханике все ткани человека подразделяются на твердые (кость, эмаль и дентин зубов), мягкие (мышцы, эпителий, эндотелий, соединительная ткань, паренхима), жидкие (кровь, лимфа, ликвор, слюна, сперма).

Механические свойства костной ткани

Костная ткань – основной материал опорно-двигательной системы.

Можно считать, что 2/3 массы компактной костной ткани составляет неорганический материал – гидроксилапатит. Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов. Другая часть объема состоит из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий высокой эластичностью). Способность кости к упругой деформации реализуется за счет минерального вещества, а ползучесть - за счет коллагена.

Прочность костной ткани зависит от химического состава, общей структуры, возраста, плотности, индивидуальных условий роста и т.д.

Волокна костной ткани деформируются преимущественно упругим образом, а матрица (остальная часть) – пластически и разрушаются хрупким образом.

Максимальное растяжение, которое может выдержать костной материал составляет »0,01% что соответствует изменению длины кости »1 %.

Механические свойства кожи.

Кожу часто рассматривают как гетерогенную ткань, состоящую из трех наложенных друг на друга слоев, которые тесно связаны между собой, но четко различаются по природе, структуре, свойствам: эпидермиса, дермы, подкожной клетчатки. Функции каждого слоя кожи, в том числе и механические, отражают биомеханическую природу компонентов и их структурную организацию.

В общий состав кожи входят волокна коллагена, эластина и основной ткани - матрицы. Коллаген составляет 75 % сухой массы, а эластин - около 4 %. Эластин растягивается очень сильно (до 200- 300 %). Коллаген может растягиваться до 10 %.

Следовательно, Кожа является вязкоупругим материалом с высокоэластичными свойствами, она хорошо растягивается и удлиняется.

Механические свойства мышц.

Мышцы обеспечивают работу отдельных органов и целых систем: работу опорно-двигательного аппарата, легких, сосудистую активность, желудочно-кишечного тракта, сократительную способность сердца и т.д. Нарушение работы мышц может приводить к патологии, а ее прекращение - даже к летальному исходу (например, смерть при электротравме от удушья в результате парализации дыхательных мышц).

Мышцы разнообразны по форме, размерам, особенностям прикрепления, величине максимально развиваемого усилия

Независимо от назначения, особенностей строения и способов регуляции принцип работы различных мышц организма одинаков.

В состав мышц входит совокупность мышечных клеток (волокон), внеклеточное вещество (соединительная ткань), состоящее из коллагена и эластина. Поэтому механические свойства мышц подобны механическим свойствам полимеров. Мышцы по строению делятся на два вида: гладкие мышцы (кишечник, стенки сосудов, желудка, мочевого пузыря) и скелетные (мышцы сердца, мышцы, крепящиеся к костям и обеспечивающие движение головы, туловища, конечностей).

Поведение гладких мышц во многих случаях описывается моделью Максвелла (рис. 6.19, в). Они могут значительно растягиваться без особого напряжения, что способствует увеличению объема полых органов, например мочевого пузыря. Мышцы способны деформироваться на десятки процентов, чему способствует распрямление молекул коллагена.

Механизм поведения скелетной мышцы соответствует модели Зинера (рис. 6.19, д)

 

Механические свойства ткани кровеносных сосудов

Прочностные и деформационные свойства стенок кровеносных сосудов и изменение этих свойств (с возрастом) имеет большое значение для медицины.

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 сосудистой ткани.

Так как стенки кровеносных сосудов построены из высокоэластичного материала, то они способны к значительным обратимым изменениям размера при действии на них деформирующей силы. Деформирующая сила создается избыточным внутренним давлением.

Рассмотрим деформацию сосуда как результат действия давления изнутри на упругий цилиндр. Имеется часть цилиндрического кровеносного сосуда длины L, с толщиной стенок h и внутренним радиусом r. Сечения вдоль и поперек оси цилиндра показаны на рис. 6.17.

Напряжение, возникающее при деформации в стенке кровеносного сосуда определяется уравнением Ламе.

- уравнение Ламе

 

Таким образом, напряжение, возникающее в стенках кровеносных сосудов, зависит от величины давления крови, внутреннего радиуса и от толщины стенок сосуда.

В капиллярах ( ) напряжение отсутствует ( ).