6. Механические свойства биологических тканей

Механические свойства биологических тканей можно разделить на два вида: активные (сокращение мышц животных, рост клеток, движение хромосом в клетках при их делении и т.п.) и пассивные.

Как технический объект биологическая ткань – композиционный материал, он образован объемным сочетанием разнородных компонентов. Поэтому механические свойства биологической ткани отличаются от механических свойств каждого компонента в отдельности.

Рассмотрим пассивные механические свойства на примере костной ткани.

Кость на 0,5 объема состоит из неорганического вещества – гидроксилапатита 3Ca₃(PO₄)₂^.Ca(OH)₂. Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов. В остальном кость состоит из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий высокоэластичностью). Кристаллики гидроксилапатита расположены между коллагеновыми волокнами (фибриллами).

Плотность костной ткани 2400 кг/м³. Композиционное строение кости придает ей нужные механические свойства: твердость, упругость и прочность. Зависимость σ = f (ε) при небольших деформациях имеет характерный вид, выполняется закон Гука. Модуль Юнга около 10 ГПА, предел прочности 100 Мпа.

Примерный вид кривых ползучести:

Участок ОА – быстрая деформация, АВ – ползучесть, ВС – быстрая деформация сокращения, CD – обратная ползучесть. Даже за длительный период образец кости не восстанавливает своих прежних размеров, сохраняется остаточная деформация.

Этой зависимости приближенно соответствует модель, сочетающая последовательное соединение пружины с моделью Кельвина-Фойхта. При действии постоянной нагрузки мгновенно растягивается пружина 1, затем вытягивается поршень, после прекращения нагрузки происходит быстрое сжатие пружины 1, а пружина 2 втягивает поршень в прежнее положение. В такой модели остаточная деформация не предусмотрена.

Схематично можно заключить, что минеральное вещество кости обеспечивает быструю деформацию, а полимерная часть (коллаген) – ползучесть.

Выводы и заключение

На сегодняшней лекции мы познакомились с некоторыми механическими свойствами газов, жидкостей и твердых тел. Более детально этот материал изложен в учебниках А.Н. Ремизова и В.О. Самойлова. При подготовке к практическому занятию необходимо ознакомиться с вопросами для подготовки к занятию и проработать вопросы, не вошедшие в содержание лекции.