МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра Прикладной механики и инженерной графики

доклад

по дисциплине «Конструкционные и биоматериалы»

Тема: Биомеханическая совместимость материалов

Студент
Преподаватель

Санкт-Петербург

2024

содержание

	Введение	3
1.	Введение в биомеханику	4
1.1.	Основы биомеханики	5
1.2.	Биомеханика матералов и живых тканей	6
2.	Биомеханические свойства материалов	10
2.1.	Основы биомеханики имплантов	10
2.2.	Биомеханические свойства титана и его сплавов	13
2.3	Основы биомеханики керамических материалов и изделий	15
2.4	Основы биомеханики полимеров	17
	Заключение	19
	Список использованных источников	20

Введение

Проблема биомеханической совместимости материалов имеет огромное значение в современной медицине, поскольку выбор правильных материалов для создания медицинских имплантатов и устройств напрямую влияет на успешность хирургических вмешательств и реабилитацию пациентов. Изучение взаимодействия материалов с биологическими тканями и органами играет ключевую роль в обеспечении долговечности и эффективности медицинских изделий. В данной работе мы рассмотрим основные аспекты биомеханической совместимости материалов, методы ее изучения, основные принципы выбора материалов для конкретных медицинских задач и перспективы развития в этой области.

1. Введение в биомеханику

1.1. Основы биомеханики

Биомеханика – раздел биофизики, изучающий механические аспекты строения и функционирования биологических систем и их взаимодействия с окружающей средой. Обычно термин «биомеханика» применяют к учению о движениях человека и животных. В середине XX века исследования в области биомеханики существенным образом расширились.

Уровни изучения биомеханики: биологические молекулы, клетки, ткани, органы, системы органов, а также целые организмы и их сообщества.

Задачи биомеханики:

1. Применение результатов исследований для развития механики, биологии и медицины, в том числе для целей диагностики, для создания заменителей тканей и органов, для разработки методов влияния на процессы в живых объектах, для создания методов анализа и коррекции естественных, трудовых и спортивных движений, для разработки методов защиты человека от неблагоприятных воздействий механических факторов.

2. Определение механических параметров биологических объектов и биоматериалов, в частности, для последующего их воссоздания методами биоинженерии.

3. Изучение реакции клеток, тканей, органов, систем органов и организма человека в целом на внешние механические воздействия (вибрацию, удар, акустическое излучение, перегрузки или невесомость).

4. Исследование механических ответов биологических структур на немеханические воздействия, например изменение гидравлического сопротивления сосудов в результате действия химического вещества на их гладкую мускулатуру.

5. Изучение механических факторов, вызывающих развитие патологического процесса, и механических проявлений этого процесса (например, образования атеросклеротических бляшек вследствие изменения условий движения крови) в целях развития и совершенствования физических методов диагностики заболеваний (ультразвук, электронная микроскопия, атомная силовая микроскопия и т. д.).

Методы биомеханики:

1) использование классических методов теоретической и прикладной механики (например, измерение скорости движения жидкостей и газов в организме, создание физических моделей) в сочетании с известными методами, применяемыми в биологии и медицине (например, плетизмография, ультразвуковая диагностика);

2) разработка основ новых методов диагностики и наблюдения за состоянием биологических объектов – таких, например, как определение радиационных нарушений в структуре молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) по вязкости ее растворов, совершенствование ультразвукового зондирования сердца и сосудов, компьютерная томография и т. д.;

3) создание математических моделей, позволяющих вычислять недоступные прямому измерению (например, во время операции) биомеханические параметры.

Фундаментальные и прикладные области биомеханических исследований:

1. Изучение механических свойств и структуры биологических макромолекул, клеток, биологических жидкостей, мягких и твердых тканей (биореология), отдельных органов и систем.

2. Изучение движения биологических жидкостей, тепло- и массопереноса, напряжений и деформаций в клетках, тканях и органах.

3. Изучение механики движения клетки и субклеточных структур (мембран, цитоскелета, цитоплазмы, ресничек и т.п.), включая митотические движения, фагоцитоз, везикулярный транспорт.

4. Изучение механики опорно-двигательной системы, плавания, полета и наземного движения животных, механики целенаправленных движений человека, движения совокупностей живых организмов, двигательной активности растений.

5. Изучение механических основ и проявлений регуляции (управления) в биологических объектах.

6. Разработка на основе методов механики средств для исследования свойств и явлений в живых системах, для направленного воздействия на них и их защиты от влияния внешних факторов.

7. Изучение механических основ и проявлений процессов роста, развития и адаптации биологических объектов.

8. Создание заменителей (имплантатов и протезов) органов и тканей.

Достижения биомеханики довольно успешно реализуются в целом ряде биомедицинских областей, таких как, например, биоинженерия, травматология и ортопедия при создании имплантатов и эндопротезов, поскольку механические параметры костной ткани как твердого физического тела наиболее всего изучены и воспроизводимы.