Механические свойства биологических тканей. Рис. 5. Зависимость от выглядит следующим образом (рис

Виды деформаций

Рис. 5.

Зависимость от выглядит следующим образом (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

Для количественной оценки степени акустической анизотропии используют коэффициент анизотропии:

– 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.