Механические свойства биологических тканей: мышц, костей

Под механическими свойствами биологических тканей понимают две их разновидности. Одна связана с процессами биологической подвижности: сокращение мышц животных, рост клеток, движение хромосом в клетках при их делении и др. Эти процессы обусловлены химическими процессами и энергетически обеспечиваются АТФ, их природа рассматривается в курсе биохимии. Условно указанную группу называют активными механическими свойствами биологических систем. Другая разновидность — пассивные механические свойства биологических тел. Рассмотрим этот вопрос применительно к биологическим тканям.

Как технический объект биологическая ткань — композиционный материал, он образован объемным сочетанием химически разнородных компонентов. Механические свойства биологической ткани отличаются от механических свойств каждого компонента, взятого в отдельности. Методы определения механических свойств биологических тканей аналогичны методам определения этих свойств у технических материалов.

Костная ткань. Кость — основной материал опорно-двигательного аппарата. В упрощенном виде можно считать, что ²/₃ массы компактной костной ткани (0,5 объема) составляет неорганический материал, минеральное вещество кости — гидроксилапатит ЗСа₃(РО₄)₂ • Са(ОН)₂. Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов. В остальном кость состоит из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий высокой эластичностью). Кристаллики гидроксилапатита расположены между коллагеновыми волокнами (фибриллами).

Плотность костной ткани 2400 кг/м³. Ее механические свойства зависят от многих факторов, в том числе от возраста, индивидуальных условий роста организма и, конечно, от участка организма.

Мышцы.В состав мышц входит соединительная ткань, состоящая из волокон коллагена и эластина. Поэтому механические свойства мышц подобны механическим свойствам полимеров.

Гладкие мышцы могут значительно растягиваться без особого напряжения, что способствует увеличению объема полых органов, например мочевого пузыря. У скелетных мышц при быстром растяжении мышц на определенную величину напряжение резко возрастает, а затем уменьшается до s_ост Зависимость s=f(e) для скелетной мышцы нелинейна. Анализ этой зависимости показывает, что примерно до e~ 0,25 в портняжной мышце лягушки механизм деформации обусловлен распрямлением молекул коллагена. При большей деформации происходит увеличение межатомных расстояний в молекулах.

Физико-химические свойства полимеров

 Физические свойства. Полимеры нелетучи, имеют достаточно высокие температурыи размытость интервала фазового перехода. Для большинства полимеров характеристикой такого перехода является так называемая температура размягчения, при которой в процессе нагревания резко возрастает деформируемость полимера. Длякристаллических полимеров с высокой степенью кристалличности температура размягчения  совпадает с температурой плавления. Химические и     физические свойства полимеров зависят от их химического состава (углеводород, сложный эфир, галогенид, лактам и т. д.), а также от мольной массы истроения макромолекул полимера. Различают линейные и разветвленные гомо-(I), со-(II) или тройные (III) полимеры, блок-сополи-меры (IV), привитые сополимеры (V) исополимеры сетчатой  структуры (VI). Благодаря  возможности поворотов элементов цепи вокруг ординарных связей, молекулярные цепи способны принимать в пространстве огромное число изогнутых конфигураций и представляют собой, таким образом, свернутые клубки, которые непрерывно флюктуируют, переходя из одной конфигурации в другую. Физические свойства полимеров, связанные с размерами молекулярных клубков, естественно, зависят от величин,