✅Механічні властивості біологічних тканин

Структура матеріалу є головним чинником, що визначає його механічні властивості і характер процесу руйнування. Більшість біологічних тканин є анізотропними композиційними (від лат. – Composition – поєднання) матеріалами, утвореними об’ємним поєднанням хімічно різнорідних компонентів.

Склад кожного типу тканини сформувався в процесі еволюції і залежить від функцій, які вона виконує.

Кісткова тканина

Кістка – основний матеріал опорно-рухового апарату. Так, в скелеті людини понад 200 кісток. Скелет є опорою тіла і сприяє пересуванню (звідси і відбувся термін «опорнорухового апарат»). У дорослої людини скелет важить близько 12 кг (18% загальної ваги).

У компактній кістковій тканині половину обсягу становить неорганічний матеріал, мінеральна речовина кістки – гідроксилапатит. Ця речовина представлена у формі мікроскопічних кристаликів. Інша частина обсягу складається з органічного матеріалу, головним чином колагену (високомолекулярна сполука, волокнистий білок, що володіє високою еластичністю). Здатність кістки до пружної деформації реалізується за рахунок мінеральної речовини, а повзучість – за рахунок колагену.

Кость є армованим композиційним матеріалом. Наприклад, кістки нижніх кінцівок армовані високоміцними волокнами в окружних і спіральних перехрещуються напрямках.

Механічні властивості кісткової тканини залежать від багатьох факторів: віку, захворювання, індивідуальних умов зростання. У нормі щільність кісткової тканини 2400 кг/м3, а її модуль Юнга Е = 1010 Па; межа міцності при розтягуванні σпр = 100 МПа, відносна деформація досягає 1%.

При різних способах деформування (навантаження) кістка поводиться по-різному. Міцність на стиск вище, ніж на розтяг або вигин. Так, стегнова кістка в поздовжньому напрямку витримує навантаження 45000 Н, а при вигині – 2500 Н.

Запас механічної міцності кістки досить значний і помітно перевищує навантаження, з якими вона зустрічається у звичайних життєвих умовах.

Жива кістка в 5 разів міцніше залізобетону. Стегнова і гомілкова кістки витримують навантаження у 25-30 разів більше ваги нормальної людини.

Особливість механічної поведінки кісток полягає в тому, що при їх деформації проявляється п’єзоелектричний ефект. Якщо кісткову смужку, закріплену на одному кінці, згинати, то в зоні деформації між протилежними сторонами реєструється певна різниця потенціалів з негативним зарядом на увігнутій стороні.

Шкіра

Шкіра являє собою не тільки досконалий покрив тіла, але є складним органом, який виконує важливі функції: підтримання гомеостазу; участь у процесі терморегуляції, регуляцію загального обміну речовин в організмі, секреторну функцію (роботу сальних і потових залоз), захист від шкідливої ​​дії механічних, фізичних, хімічних, інфекційних агентів. Вона являє собою велике рецепторне поле, що сприймає ззовні і передає в ЦНС цілий ряд відчуттів. Шкіра – межа розділу між тілом і навколишнім середовищем, тому вона володіє значною механічною міцністю.

Шкіра – найбільший орган тіла. Вона – важлива анатомо-фізіологічна частина цілісного організму. Функції шкіри залежать від стану всього організму. При різних захворюваннях, у тому числі і внутрішніх органів, в шкірі відбуваються ті чи інші зміни.

Шкіру часто розглядають як гетерогенну тканину, що складається з трьох накладених один на одного шарів, які тісно пов’язані між собою, але чітко розрізняються по природі, структурі, властивостям:

  • епідермісу;
  • дерми;
  • підшкірної клітковини

Епідерміс покритий зверху роговим шаром.

Функції кожного шару шкіри, в тому числі і механічні, відображають біомеханічну природу компонентів і їх структурну організацію.

До загального складу шкіри входять волокна колагену, еластину і основної тканини – матриці. Колаген складає 75% сухої маси, а еластин – близько 4%. Щільність шкіри в нормі (область руки, грудей) становить 1100 кг/м3. Еластин розтягується дуже сильно (до 200- 300%). Колаген може розтягуватися до 10%. Механічні характеристики компонентів шкіри:

  • колаген – Е = 10-100 МПа, σпр = 100 МПа;
  • еластин – Е = 0,5 МПа, σпр = 5 МПа.

Шкіра є в’язкопружним матеріалом з високоеластичними властивостями, вона добре розтягується і подовжується.

При дослідженні механічних властивостей шкіри за допомогою акустичного аналізатора тканин, що дозволяє оцінювати швидкість поширення акустичних збурень звукового діапазону (5-6 кГц), була виявлена ​​акустична анізотропія шкіри, яка виявляється в тому, що швидкості розповсюдження поверхневої хвилі у взаємно перпендикулярних напрямках – уздовж вертикальної ( У) і горизонтальної (Х) осей тіла – різняться. Для кількісної оцінки ступеня вираженості акустичної анізотропії був використаний коефіцієнт анізотропії К.

Прояв акустичної анізотропії знаходиться відповідно до орієнтації ліній природного натягу шкіри, так званих ліній Лангера.

Прояв акустичної анізотропії на різних ділянках шкіри представлено в таблиці, де вказані переважні співвідношення швидкостей і коефіцієнти акустичної анізотропії (дані наведені для осіб 18-30 років). Частка прояви відповідної акустичної анізотропії вказана для осіб нормальної статури.

Ступінь анізотропії шкіри при деяких патологіях сильно змінюється. Наприклад, при псоріазі, при атопічних дерматитах (особливо в областях згинальних поверхонь) або в шкірі верхньої повіки при прогресуючої короткозорості. Анізотропія шкіри обличчя, особливо в області чола, дозволяє оцінювати вікові зміни. Численні дослідження в самих різних областях медицини показали, що анізотропія шкіри є об’єктивним діагностичним критерієм.

М’язова тканина

М’язова активність – це одне з загальних властивостей високоорганізованих живих організмів. Вся життєдіяльність людини пов’язана з м’язовою активністю. Вона забезпечує роботу  ліній Лангера на різних ділянках шкіри

М’язи різноманітні за формою, розмірами, особливостям прикріплення, величині максимально зусилля, що розвивається. Кількість м’язів перевищує число ланок тіла. Кожна м’яз складається з великої кількості рухових одиниць, кожна з яких управляється через власний мотонейрон. Таким чином, кількість управляючих впливів в м’язовій (нервово-м’язової) системі величезне. Проте ця система володіє дивовижною надійністю і широкими компенсаторні можливості, здатність не тільки багаторазово повторювати одні й ті ж стандартні комплекси рухів, але й виконувати нестандартні довільні рухи.

Діяльність м’язів відбивається в структурах руху. Завдяки цьому відображенню стає можливим, спостерігаючи рух, отримувати інформацію про м’язової регуляції руху та її порушення. Такою можливістю широко користуються при діагностиці захворювань, при розробці спеціальних тестів для контролю рухових навичок у спортсменів.

Незалежно від призначення, особливостей будови і способів регуляції принцип роботи різних м’язів організму однаковий.

До складу м’язів входить сукупність м’язових клітин (волокон), позаклітинна речовина (сполучна тканина), що складається з колагену і еластину. Тому механічні властивості м’язів подібні механічними властивостями полімерів. М’язи за будовою поділяються на два види: гладкі м’язи (кишківник, стінки судин, шлунку, сечового міхура) і скелетні (м’язи серця, м’язи, що кріпляться до кісток і забезпечують рух голови, тулуба, кінцівок).

Середнє значення щільності м’язової тканини – 10-50 кг/м3, а модуль Юнга Е = 105 Па. Поведінка гладких м’язів у багатьох випадках описується моделлю Максвелла (рис. 6.19, в). Вони можуть значно розтягуватися без особливої ​​напруги, що сприяє збільшенню обсягу порожнистих органів, наприклад сечового міхура. М’язи здатні деформуватися на десятки відсотків, чому сприяє розпрямлення молекул колагену.

Механізм поведінки скелетного м’яза відповідає моделі Зінера з відповідними параметрами пружності та в’язкості.

Для дослідження характеристик скорочення м’язів реалізують два штучних режими.

Ізометричний режим – коли напруга м’яза відбувається в штучних умовах збереження її довжини, що досягається за допомогою фіксатора. Ізотонічний режим – коли штучно підтримується сталість напруги м’язи. Наприклад, м’яз піднімає постійний вантаж Р = const, а реєструється зміна її довжини при скороченні.

У процесі життєдіяльності м’язи безперервно підлаштовуються під зовнішнє навантаження. Але збереження напруги в м’язовій тканині вимагає безперервного підведення енергії. Витрата енергії призводить до втоми м’язів. Тільки свідомість або смерть переривають м’язові процеси.

Судинна тканина

Механічні властивості кровоносних судин визначаються, головним чином, властивостями колагену, еластину і гладких м’язових волокон. Зміст цих складових судинної тканини змінюється по ходу кровоносної системи. З віддаленням від серця збільшується частка гладких м’язових волокон, в артеріолах вони вже є основною складовою судинної тканини.

Оскільки стінки кровоносних судин побудовані з високоеластичного матеріалу, то вони здатні до значних оборотних змін розміру при дії на них деформуючої сили. Деформуюча сила створюється надлишковим внутрішнім тиском.

Розглянемо деформацію судини як результат дії тиску зсередини на пружний циліндр. Мається частина циліндричного кровоносної судини довжини L, з товщиною стінок h і внутрішнім радіусом r.

Дві половинки судини взаємодіють між собою по перетинах стінок циліндра. Загальна площа перетину, уздовж якого взаємодіють обидві половинки судини, дорівнює 2hL.

Посилання на основну публікацію