3. Механические свойства тканей.
Механические свойства тканей необходимо учитывать гигиенистам при защите человека от вибраций, в протезировании при замене естественных органов и тканей искусственными, в судебной медицине. В травматологии и ортопедии необходимо знать устойчивость биологических структур по отношению к различным деформациям, в спорте и космонавтике обращают внимание на физические возможности опорно-двигательного аппарата и т.д.
Б
иологические
структуры, такие как мышцы, сухожилия,
кровеносные сосуды, легочная ткань и
др. представляют собой вязкоупругие
или упруговязкие системы. Их свойства
проявляются при действии внешней силы
и можно продемонстрировать сочетанием
упругих и вязких элементов. Упругие и
вязкие свойства тел удобно моделировать.
Это даёт возможность наглядно представить
механические свойства биологических
объектов. Примером модели упругого
элемента является идеально упругая
пружина (рис.3), в которой процесс
деформации происходит мгновенно и
подчиняется закону Гука:
,
(21)
где F– внешняя
сила;S– площадь поперечного
сечения;
- напряжение; Е – модуль упругости,
который численно равен приложенному
напряжению, при котором длина образца
удваивается;
- относительное удлинение; Δl– изменение длины (абсолютное удлинение);l0– исходная длина.
П
римером
чисто вязкого элемента является цилиндр
с вязкой жидкостью и неплотным поршнем
(рис.4). Силу сопротивления среды в этом
случае принимают пропорциональной
скорости перемещения:
.
Для этого
элемента существует зависимость:
,
(22)
г
деt– время действия; η –
вязкость вещества.
Вязкоупругие
свойства различных тканей можно отразить
системами механических моделей,
состоящих из различных комбинаций двух
простых моделей (рис.5). Обращают на себя
внимание две особенности поведения
таких сложных систем. Во-первых, под
действием постоянной силы длина
изменяется не мгновенно, а во времени.
Это явление называется ползучестью.
Наиболее простой системой, сочетающей
упругие и вязкие свойства, является
тело Максвелла (рис.5б). При воздействии
постоянной силой пружина упруго мгновенно
удлиняется до значения определяемого
законом Гука (до Δlу),
а поршень движется с постоянной скоростью
до тех пор, пока действует сила. Так
реализуется на модели ползучесть
материала (
рис.6).
С
другой стороны, при ступенчатом удлинении
возникающее в первый момент максимальное
напряжение σ0, затем уменьшается
по мере укорочения упругих элементов
за счёт удлинения вязких. Это явление
называется релаксацией (расслаблением)
напряжения (рис.7).
При приложении растягивающей силы к гладким мышцам они ведут себя в основном подобно телу Максвелла. Поэтому гладкие мышцы могут значительно растягиваться без особого напряжения. Это способствует большой растяжимости полых органов, содержащих гладкие мышцы, например, мочевого пузыря.
Скелетная мышца в покое по механическому поведению представляет третью модель (рис.5в). при внезапном растяжении этой мышцы на определённую величину напряжение резко возрастает, а затем уменьшается до определённого равновесного уровня. Но в отличие от этой механической модели мышца характеризуется нелинейной зависимостью напряжения от длины. И модуль упругости этой мышцы, в отличие от модели, не будет постоянным, а будет различным при различных нагрузках.
Кости в соответствии с их опорной и защитной функциями резко отличаются по механическим свойствам от мышц и других биоматериалов. Минеральное содержание кости обеспечивает быструю деформацию, а полимерная часть определяет ползучесть. При небольших деформациях для костей справедлив закон Гука. Модуль упругости кости может достигать около ЕК=109Н/м2, что на несколько порядков выше модуля упругости мышц.
Кости характеризуются очень большой механической прочностью. Её механическое разрушение начинается при σ=107-108Н/м2(для тканей стенок крупных артерий разрушение начинается при σ=106Н/м2).
Стенки кровеносных сосудов построены из вязкоэластичного материала (за исключением капилляров). Поэтому крупные сосуды способны к значительным обратимым изменениям размера при действии на их стенку внешней силы.
Упругие свойства и прочность тканей, за исключением костной, в основном определяются эластиновыми и коллагеновыми волокнами и их комплексами. На долю этих волокон, например, в стенках крупных сосудов, приходится около 50% сухой массы. Обладая высоким модулем упругости (эластиновые нити ЕЭЛ=106Н/м2, коллагеновые нити ЕКЛ=107Н/м2) и прочностью, эти волокна предотвращают разрыв сухожилий, стенок кровеносных сосудов и др. тканей.
Прочность костей обусловлена наличием «стекловолокнистых» структур, построенных из коллагена и кристаллов гидроксилапатита.
