Крихкі тіла

Рис. 39

Матеріальні об'єкти, у яких відсутні пластичні властивості, називаються крихкими тілами. При деформації такі тіла поводяться як пружні, а при досягненні внутpішнього напpуження деякої найбільшої величини п вони руйнуються (рис. 39). Величина внутрішнього напруження п характеризує одну з найважливіших механічних властивостей - міцність матеріалів. Крихкі тіла дуже погано витримують імпульсні навантаження - короткочасний вплив зовнішніх сил. Приміром, скло, яке відноситься до крихких тіл, під впливом невеликих зовнішніх сил деформується незворотно. Однак, якщо внутрішнє напруження досягає межі міцності, спостерігається руйнування матеріалу. Крім того, стекло не витримує впливу короткочасних ударів таких зовнішніх сил, які не викликають руйнування при статичному впливі.

Механічні властивості тканин організму

Пружність і міцність кісток значно перевершують відповідні механічні властивості м'яких тканин, що пояснюється їхнім хімічним складом і будовою. Кістки являють собою двофазну систему (композиційний матеріал), що включає органічні речовини білкової природи й кристали мінеральних солей. У середньому кістковий матеріал містить 30% білкового компонента, 60% неорганічних сполук і 10% води. Двофазний матеріал включає кісткові пластинки товщиною від 5 до 10 мкм, між якими розташовуються клітинні елементи: остеобласти, остеоцити й остеокласти.

Основна функція остеобластів - синтез органічних речовин - фібрил колагену й полісахаридів. Остеоцити забезпечують постійний обмін органічних і неорганічних сполук між клітинами й міжклітинною речовиною, що сприяє збереженню стабільної структури кісткової тканини і її механічних властивостей. Остеокласти беруть участь у внутрішньому руйнуванні (резорбції) кістки. У місці взаємодії цих клітин з міжклітинною речовиною спостерігається активний процес його резорбції шляхом утворення порожнин. Таким чином, функціональні можливості кісткових клітин забезпечують не тільки збереження структури, але й перебудову кісткової тканини.

Основну масу мінерального складу утворює гідроксиапатит з хімічною формулою 3Са₃(РО₄)₂Са(ОН)₂. Ця сполука формує кристали з найбільшим розміром 20 нм, причому довгі осі кристалів розташовуються паралельно осі фібрилам колагену. За механічними властивостями мінеральні й білкові компоненти суттєво різняться.

Якщо для колагену модуль пружності рівний Е = 109 Н/м², для кристалів ця величина становить 1011 Н/м². Відповідний модуль пружності для кістки лежить між цими значеннями Е = 1010 Н/м². За допомогою хімічної обробки можна змінити співвідношення мінеральних і органічних сполук. Якщо розчинити й вилучити всі неорганічні сполуки, то речовини, що залишилися, забезпечують збереження форми кістки. Однак при цьому різко зменшується пружність і матеріал поводиться подібно еластичним матеріалам (аналогічно гумі). Напроти, якщо вилучити всі органічні компоненти, зовнішня форма кістки теж зберігається, але кістка стає тендітною з малою міцністю. Тому забезпечення оптимальних механічних властивостей досягається певним співвідношенням мінеральних і органічних речовин. Порушення обміну речовин в організмі, особливо мінеральних сполук, впливає на їхні механічні властивості.

Прийнято розрізняти компактну кістку, у якій структура визначається пластинковою будовою й спонгіозну (губчату) з високою й неоднорідною пористістю. Спонгіозна кістка складається з поперечин (трабекул), що формують складну просторову систему. Трабекули представлені у вигляді циліндричних або пласких елементів з товщиною 0,2 - 0,6 мкм і довжиною 1,6 мкм. Поверхневі ділянки кістки формуються з компактної (найбільш міцної), внутрішні - зі спонгіозної кістки.

Дослідження внутрішньої структури кісткової тканини дозволяє припустити, що трабекули розташовуються уздовж ліній максимальної напруги. На рисунку 36 наведені лінії найбільших напруг у стегновій кістці під впливом на неї навантаження Р. Кісткові балки, що розташовуються уздовж цих ліній забезпечують високий опір деформаціям як при стиску (лінія 1), так і при розтяганні (2). Якщо змінюються напруги в кістках кістяка, відбувається перерозподіл просторового розташування трабекул залежно від величини й напрямку дії зовнішніх сил. Подібний ефект спостерігається при довгій відсутності руху організму (при багатоденному постільному режимі - до 9 місяців), а також при тривалих космічних польотах. Зменшення гравітаційного навантаження супроводжується зниженням змісту мінеральних сполук, погіршенням механічних властивостей і, насамперед, падінням міцності кісток кістяка. При цьому видалення солей кальцію відбувається в тих кістках, які в умовах нормальної гравітації несуть опорне навантаження й містять в основному губчасту речовину - у хребцях.

У процесі старіння організму структура кісткової тканини змінюється в напрямку зменшення органічних і відповідно підвищення відносного змісту мінеральних речовин. Така хімічна трансформація приводить до зниження міцності й підвищенню крихкості кісткового матеріалу. Оскільки крихкі тіла мають малу стійкість до впливу короткочасних імпульсних сил, підвищення крихкості й зниження міцності костей кістяка пояснюють той факт, чому в літніх і старих людей так часто спостерігаються переломи костей при падіннях і ударах. Слід зазначити, що амортизаційні прокладки (покриття із в'язкими властивостями) зменшують руйнівну дія ударів по кістковій тканині в результаті поглинання частини механічної енергії, яка витрачається на подолання в'язких сил. За існуючими оцінками шкіра збільшує енергію, необхідну для руйнування кістки на 37%.

М'які тканини організму: шкіра, м'язи, зв'язки, стінки кровоносних судин, внутрішні органі мають виражені еластичні властивості: суттєво меншою пружністю й міцністю в порівнянні з кістковою тканиною, а також здатністю до великих відносних деформацій - до 200%. Ці тканини містять різні, переважно, органічні компоненти. Найбільш важливе значення для їхніх механічних властивостей мають біополімери колаген і еластин.

Основним опорним елементом усіх сполучних тканин є колаген - фібрилярний високомолекулярний білок. Особливість цього білка проявляється в тому, що він здатний формувати спіралі на всіх рівнях організації від поліпептидного ланцюга до спіральних волокон у колагеновому пучку. Колагенові волокна мають відносно високу міцність на розтягання (50 - 100 Мпа) і значним модулем пружності (до 109 Па).

Еластин складається з ланцюгів амінокислот, сполучених через певні інтервали твердими хімічними зв'язками. Цей білок має виражені пружні властивості і його деформація добре описується законом Гука. Однак модуль пружності еластину нижче, ніж у колагену й досягає 0,6 Мпа.

Кількісні співвідношення й характер взаємодії еластинових і колагенових волокон визначають оптимальний взаємозв'язок міцності й деформації м'яких тканин. Наприклад, в артеріях і паренхімі легені еластин надає пружність тканині. Колагенові волокна тут розташовані хаотично й розпрямляються лише в тому випадку, коли орган розтягується під дією зовнішніх сил.

Механічні властивості м'яких тканин залежать від просторового розташування волокон і клітин. Так наприклад, у сухожиллях і зв'язках колагенові волокна розташовуються уздовж осі. При розслабленні біологічного об'єкта колагенові волокна в сухожиллі перебувають у вигляді спирали, а при передачі зусилля від м'яза до кістки вони розпрямляються. У шкірі колагенові волокна утворюють тривимірну мережу із гніздами ромбічної структури. Тому під впливом на шкіру зовнішніх сил її деформація здійснюється за рахунок зміни форми гнізд колагенової мережі.