1.3 Особенности механических свойств полимеров.

В связи с особым химическим строением полимеры имеют благоприятные механические свойства, сочетающие большую прочность с высокой эластичностью и значительной вязкостью. Под вязкостью понимается способность тела сопротивляться деформации в процессе ее установления. Вязкость проявляется при динамическом приложении нагрузки и обуславливает постепенность нарастания деформации.

Между упругими свойствами кристаллических тел и полимерных материалов существует огромная и принципиальная разница; так сталь разрывается при растяжении ее на 0.3%, а мягкие резины можно растягивать до 300%. Это объясняется различным механизмом упругости кристаллов и полимеров. При деформации кристаллических тел силы упругости определяются изменением межатомных расстояний, т.е. упругость твердых тел, с точки зрения термодинамики, связана с изменением внутренней энергии кристалла.

В отличие от кристаллов, структура полимеров нерегулярна. Длинные молекулярные цепи полимеров гибкие, по-разному изогнуты, тесно переплетены между собой. Некоторые из них находятся в тепловом хаотическом движении, так что их форма и длина все время изменяются. При приложении нагрузки к полимерному образцу, его молекулярные цепи раскручиваются и распрямляются в соответствующем направлении, и длина образца увеличивается. После снятия нагрузки, вследствие хаотического теплового движения, длина каждой молекулы восстанавливается и образец укорачивается. Упругость, свойственную полимерам, называют высокой эластичностью (или высокоэластичностью). Сочетание вязкого течения и высокой эластичности позволяют называть деформацию, характерную для полимеров, вязко-упругой; а полимеры – вязко-упругими веществами.

Механические свойства полимеров позволяют применять некоторые из них в медицине. Тефлон, капрон, лавсан, милар, силастиковый полимер обладают высокой химической стойкостью, вследствие чего их используют при изготовлении протезов внутренних частей организма (кровеносных сосудов, клапанов сердца, сухожилий, вживляемых глазных линз и т.д.). Из полимеров типа полиэтилена, поливинилхлорида и др., легко обрабатываемых давлением, изготавливают различные медицинские инструменты и приспособления. Жидкий полимер, раствор поливинил-пирролидина, используется в качестве заменителя плазмы крови.

Контрольные вопросы

1. Какие тела называются твердыми? Каковы особенности их строения?

2. Какие материалы называются аморфными?

3. Каковы особенности строения полимеров?

4. Что называется деформацией? Перечислите виды деформации.

5. Что такое механическое напряжение? Запишите закон Юнга.

6. Какой физический смысл имеет модуль Юнга?

II. Биореология.

Биореология – это область реологии, изучающая текучесть и деформацию биотканей.

2.1 Механические свойства костной ткани.

Костная ткань является основным материалом опорно-двигательного аппарата. Установлено, что большая часть компактной костной ткани (0.5 объема) составляет неорганический материал – гидроксилапатит (3 Са₃(РО₄)₂Са(ОН)₂); он представлен в форме микроскопических кристалликов. Остальная часть - органический материал, коллаген. Коллаген – волокнистый белок, обладающий высокой прочностью, а также эластичностью. Кристаллики гидроксилапатита расположены между коллагеновыми волокнами, образуя “стекловолокнистую структуру”. Прочность гидроксилапатита составляет 600700МПа, коллагена – 50100МПа (прочность стали для сравнения – 500 МПа).

Композиционное строение костной ткани придает ей высокие механические свойства: органическая основа – упругость, пропитывающие ее соли – твердость, а вместе – большую прочность. При небольших деформациях для костей справедлив закон Гука. В зависимости от типа кости ее механическое разрушение начинается при достижении напряжения 10⁷10⁸Н/м². Модуль упругости кости составляет Е=10⁹Н/м², что значительно превышает значение модуля упругости мышц и других биотканей. Механические свойства костной ткани зависят от многих факторов: возраста, индивидуальных условий роста, участка организма. Возраст оказывает существенное влияние на прочность костной ткани, т.к. появляются изменения ее химического состава, уменьшается биологическая активность, изменяется степень минерализации, увеличивается пористость.

Как показывает эксперимент, из всех видов деформации самым опасным для костной ткани является деформация растяжения. Прочность костей на сжатие высокая. Так, несущая способность бедренной кости в продольном направлении выше 45кН для мужчин и 39кН – для женщин. Выдерживаемая нагрузка при изгибе значительно ниже; у той же кости – 2.5кН.

Строение отдельных костей приспособлено к приходящимся на них нагрузкам; так длинные кости конечностей, подвергающиеся в основном изгибу, имеют трубчатое строение. Это обеспечивает наиболее экономичное использование костного вещества. Концы трубчатых костей, например, бедра, построены из губчатого вещества, которое состоит из тонких костных пластинок. Они образуют сводчатую структуру, приспособленную для передачи нагрузки от опоры в тазобедренном суставе к трубчатой части кости.

Рис. 2.1

При деформации костной ткани появляется пьезоэлектрический эффект: если костную полоску изгибать, то в зоне деформации между ее противоположными сторонами регистрируется разность потенциалов с минусом на вогнутой стороне (рис.2.1). В диапазоне упругой деформации эта разность потенциалов пропорциональна механическому напряжению, т.е. ₊_-.

Считают, что генерация пьезоэлектричества имеет место при механических нагрузках на кости в организме, и возникающие электрические токи могут стимулировать новообразование или рассасывание костной ткани.