Меню

Механические свойства костной ткани кожи и мышц

Механические свойства биологических тканей

Под механическими свойствами биологических тканей понимают две их разновидности. Одна связана с процессами биологической подвижности: сокращение мышц животных, рост клеток, движение хромосом в клетках при их делении и др. Эти процессы обусловлены химическими процессами и энергетически обеспечиваются АТФ, их природа рассматривается в курсе биохимии. Условно указанную группу называют активными механическими свойствами биологических систем. Другая разновидность — пассивные механические свойства биологических тел. Рассмотрим этот вопрос применительно к биологическим тканям.

Как технический объект биологическая ткань — композиционный материал, он образован объемным сочетанием химически разнородных компонентов. Механические свойства биологической ткани отличаются от механических свойств каждого компонента, взятого в отдельности. Методы определения механических свойств биологических тканей аналогичны методам определения этих свойств у технических материалов.

Костная ткань.Кость — основной материал опорно-двигательного аппарата. В упрощенном виде можно считать, что 2 /3 массы компактной костной ткани (0,5 объема) составляет неорганический материал, минеральное вещество кости — гидроксилапатит ЗСа3(РО4)2 • Са(ОН)2. Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов. В остальном кость состоит из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий высокой эластичностью). Кристаллики гидроксилапатита расположены между коллагеновыми волокнами (фибриллами).

Композиционное строение кости придает ей нужные механические свойства: твердость, упругость и прочность. Зависимость для компактной костной ткани имеет характерный вид, показанный на рис. а,

а) б)

т.е. подобна аналогичной зависимости для твердого тела; при небольших деформациях выполняется закон Гука. Модуль Юнга около 10 ГПа, предел прочности 100 МПа. Заметно хорошее соответствие с данными для капрона, армированного стеклом.

Примерный вид кривых ползучести компактной костной ткани приведен на рис. б). Участок соответствует быстрой деформации, АВ — ползучести. В момент tv соответствующий точке В, нагрузка была снята. ВС соответствует быстрой деформации сокращения, CD — обратной ползучести. В результате даже за длительный период образец кости не восстанавливает своих прежних размеров, сохраняется некоторая остаточная деформация eост.

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

Если в кости или в ее механической модели быстро создать постоянную деформацию, то скачкообразно возникает и напряжение.

Кожа.Она состоит из волокон коллагена и эластина (так же как и коллаген, волокнистый белок) и основной ткани — матрицы. Коллаген составляет около 75% сухой массы, а эластин — около 4%. Примерные данные по механическим свойствам приведены в табл.

Эластин растягивается очень сильно (до 200—300%), примерно как резина. Коллаген может растягиваться до 10%, что соответствует капроновому волокну.

Материал Модуль упругости, МПа Предел прочности, МПа
Коллаген Эластин 10—100 0,1—0,6

Из сказанного ясно, что кожа является вязкоупругим материалом с высокоэластическими свойствами, она хорошо растягивается и удлиняется.

Мышцы.В состав мышц входит соединительная ткань, состоящая из волокон коллагена и эластина. Поэтому механические свойства мышц подобны механическим свойствам полимеров.

Гладкие мышцы могут значительно растягиваться без особого напряжения, что способствует увеличению объема полых органов, например мочевого пузыря. У скелетных мышц при быстром растяжении мышц на определенную величину напряжение резко возрастает, а затем уменьшается до sост Зависимость s=f(e) для скелетной мышцы нелинейна. Анализ этой зависимости показывает, что примерно до e

0,25 в портняжной мышце лягушки механизм деформации обусловлен распрямлением молекул коллагена. При большей деформации происходит увеличение межатомных расстояний в молекулах.

Источник

Механические свойства костной ткани кожи и мышц

Механические свойства костной ткани кожи и мышц

Механические свойства костной ткани

Кость является твердым телом, для которого основными свойствами являются прочность и упругость.

Прочность кости — это способность противостоять внешней разрушающей силе. Количественно прочность определяется пределом прочности и зависит от макро- и микроскопической конструкции и состава костной ткани. Что касается макроскопической конструкции, то каждая кость имеет специфическую форму, позволяющую выдерживать наибольшую нагрузку в определенной части скелета.

Читайте также:  Препараты повышающие силу мышц

Внутренняя конструкция кости, как уже было показано ранее, также сложная. Остеон, или гаверсова система, — это полая цилиндрическая трубка, стенки которой построены из множества пластин. Известно, что в архитектурных сооружениях полые колонны (трубчатые) имеют большую прочность на единицу массы, чем цельные. Следовательно, уже только остеонная конструкция кости предусматривает высокую степень прочности кости. Группы остеонов, располагаясь по линиям наибольших нагрузок, формируют костные перекладины губчатого вещества и костные пластинки компактного вещества. Необходимо учитывать, что в местах наибольших нагрузок костные перекладины располагаются дугообразно (арочно). Арочные системы, наряду с трубчатыми, относятся к числу наиболее прочных. Арочный принцип строения перекладин губчатого вещества характерен для проксимального эпифиза бедренной кости, для губчатого вещества пяточной кости и т. д.

На прочность существенно влияет и состав кости. При декальцинации кость легко изгибается, сжимается и скручивается, при повышении содержания кальция она становится хрупкой.

Изменение трубчатой структуры кости (как макро-, так и микроскопической) снижает ее механическую прочность. Например, после срастания переломов трубчатое строение нарушается, прочность костей существенно уменьшается.

Упругость кости — это свойство приобретать исходную форму после прекращения воздействия факторов внешней среды. Упругость кости равна упругости твердых пород дерева. Она так же, как и прочность, зависит от макро- и микроскопической конструкции и химического состава кости.

Таким образом, механические свойства кости — прочность и упругость — обусловлены оптимальной комбинацией содержащихся в ней органических и неорганических веществ.

Источник

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОСТНОЙ ТКАНИ

Биологические конструкции имеют сложную структуру и форму. Их механические свойства зависят от индивидуальных особенностей организма, возраста, функционального состояния, внешних факторов и в значительной степени определяются напряженно- деформированным состоянием, так как биологическая система адаптируется к внешним воздействиям.

В биомеханике принять выделять следующие разделы:

1. Биомеханика биологических материалов и систем.

Этот раздел биомеханики изучает особенности строения, деформационные и прочностные свойства, а также разрушение различных тканей и систем.

2. Биомеханика управления и регулирования биологических систем. Исследует механические процессы в биологических системах.

3. Биомеханика заменителей биологических тканей.

Вопросы создания искусственных материалов, заменяющих биологические ткани и системы (искусственное сердце, почки, системы искусственного кровообращения и тому подобное) решает данный раздел биомеханики.

4. Медицинская биомеханика

Связана с восстановлением трудоспособности людей. Пока наибольшее развитие получило восстановление опорно- двигательной системы.

Биологическая ткань представляет собой сложную композиционную структуру с анизотропными свойствами, которые отличны от свойств отдельных компонентов и зависят от функции ткани. Основу биотканей составляют эластин, коллаген и связующее вещество.

Эластин – упругий белок. Это типичный эластомер: он очень сильно растягивается (выдерживает относительное удлинение, достигающее 200-300 %), обладает ярко выраженными нелинейными механическими свойствами и переменным модулем упругости, значение которого изменяется от 105 Па до 6 105 Па.

Каждый из указанных биополимеров действует в составе структуры более высокого порядка. Количественное соотношение и способ взаимодействия эластиновых и коллагеновых волокон определяют прочностные и деформационные свойства биологической ткани.

Изучать механические свойства биологических тканей значительно сложнее, чем свойства традиционных материалов. Кроме механических факторов (форма и размеры образца, температура и влажность, скорость деформации, вид испытания) при испытании биологических образцов необходимо учитывать и биологические функции (расу, пол, возраст, степень активности физиологических функций, вид и степень патологических изменений).

Например, прочность тканей и органов увеличивается до 20 лет, а после этого начинает убывать. Прочность кожи из зубов растет до 50 лет.

Некоторые биологические материалы, например, компактная костная ткань, обладают пьезоэлектрическими свойствами. Переменное механическое нагружение создает в них электрическое поле.

Ряд биоконструкций являются саморегулирущимися системами. Так, в тех участках кости, на которые приходится наибольшая нагрузка, откладывается дополнительное костное вещество, снижающее концентрацию напряжений.

Под влиянием механических воздействий в биологических тканях возникают механические движения, распространяются волны, возникают деформации и напряжения, отражающие поведение биологической системы в целом. Поэтому, как правило, экспериментальные исследования образцов, удаленных из организма (in vitro), позволяют судить только о пассивном механическом поведении, а не о функциональном действии ткани в организме (in vivo).

Читайте также:  Сколько нужно есть яиц для роста мышц девушкам

Многообразие биологических материалов и конструкций обусловлено многообразием биологических объектов и различием уровней организации (клетка, орган, ткань). Например, клетку можно рассматривать как самостоятельную конструкцию и как совокупность структурных элементов субклеточного уровня. Биологическая ткань является материалом, образующим орган, и в то же время сложно организованной конструкцией. Условно выделяют конструкции из твердых (кости) и мягких (сосуды, кожа, мышцы, нервные ткани) биологических материалов.

Механические свойства костной ткани.

Пример- подъем тяжести кистью при сгибании в локтевом суставе. В этом случае кости предплечья работают на изгиб.

Рассмотрим несколько профилей сечения и выясним при каком из них балка способна выдержать заданный груз, имея наименьший вес.

Природа и процесс эволюции использовала способ полой трубчатой структуры, что привело к уменьшению массы человека при сохранении прочности их скелета. Наиболее отчетливо это проявляется у птиц. В 1679 году итальянский физик Дж. Борели отметил, что тело птицы непропорционально легче, чем у человека или у любого другого четвероногого, так как кости у птиц пористые, полые с истонченной до предела стенкой. Например, у птиц фрегата, имеющих размах крыльев около 2 метров, скелет имеет массу всего 110 грамм. Изучение отношения внутреннего диаметра поперечного сечения к внешнему длинной трубчатой кости бедра показали, что примерно равно 0.5-0.6, что дает приблизительно на 25 % уменьшить массу скелета при сохранении той же прочности.

Приведем значения прочности различных материалов, испытанных на сжатие и растяжение, а также их модули Юнга.

Из таблицы видно, что кость уступает по своей прочности только стали и оказывается гораздо прочнее гранита и бетона.

Прочность кости является результатом сочетания твердости и эластичности, обусловленных наличием в ее составе химических веществ

Например, структура длинных костей ближе к суставам переходит из плотной в пористую, за счет чего плавно изменяется жесткость и обеспечивается равномерное распределение напряжений.

Выделяют пять структурных уровней компактной костной ткани.

Первый уровень составляет биополимерная макромолекула тропоколлагена, построенная из трех левых спиральных полипептидных цепочек, которые образуют правую спираль инеорганические кристаллы.

Второй структурный уровень из микрофибрилл коллагена, образуемых 5 молекулами тропоколлагена.

Третий структурный уровень- это волокно, состоящее из большого количества микрофибрилл и связанных с ними микрокристаллов. Между отдельными кристаллами образуются связи в продольном и поперечном направлениях.

Четвертый структурный уровень образуется из ламелл- тонких изогнутых пластинок, представляющих наименьший самостоятельный конструкционный элемент компактной костной ткани. Коллагеноминеральные композиции, объединенные при помощи вяжущего вещества, служат материалом этих пластинок.

Пятый структурный уровень представлен остеоном- конструкционным элементом, который образуется вокруг кровеносных сосудов, включающихся в объем кости при ее образовании. Остеон формируется из концентрически расположенных костных ламелл.

С увеличением возраста костная ткань претерпевает ряд изменений, которые затрагивают ее химический состав и внутреннюю структуру. Например, возникает множество вторичных остеонов, образующих новую внутреннюю конструктивную систему. Старение снижает биологическую активность костной ткани, меняет степень минерализации, а также порядок расположения минеральных кристаллов и остеонов, уменьшает количество связующего вещества, некоторая часть ткани исчезает, а появляются поры.

Путем экспериментов in vivo и in vitro установлено, что для костной ткани самым опасным является напряжение растяжения. Хотя прочность кости на растяжение приблизительно равна прочности чугуна.

Зависимость между напряжением σ и деформацией ε при исследовании на растяжение- сжатие одномерных образцов выражается уравнением.

Прочность костной ткани при растяжении меняется от 150 до 170 МПа в зависимости от зоны поперечного сечения, с которой взят экспериментальный образец. Она определяется прочностью отдельных компонентов- гидроксилапатита (от 600 до 700 МПа) и коллагена (от 50 до 100 МПа).

Читайте также:  Какие мышцы можно совмещать при тренировке

Волокна костной ткани претерпевают преимущественно упругие деформации, а матрица (остальная часть) – пластические деформации и хрупкое разрешение. Модуль упругости определяется по формуле

где Ea – начальный модуль упругости армирующих волокон, V=Va + Vm – общий объем, состоящий из объемов арматуры Va и матрицы Vm, Gm- модуль сдвига матрицы.

Прочность костей при сжатии высока. Так, несущая способность бедренной кости в продольном направлении составляет 45 000 Н для мужчин и 39 000 Н для женщин.

Несущая способность костей при изгибании значительно меньше. Например, бедренная кость выдерживает нагрузку на изгиб до 2 500 Н.

Прочность при кручении наиболее высока в 25-35 лет (105.4 МПа) и после этого постепенно убывает, снижаясь к 75-89 годам в среднем до 90 МПа. Это объясняется главным образом увеличением пористости. Установлено, что старение не влияет на пористость в продольном направлении. С увеличением возраста от 50 до 75 лет она не меняется и составляет около 28.5%. Но в окружном направлении пористость увеличивается в среднем на 39.8% с 50 до 75 лет. Известно, что регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов- кости предплечья.

Спонгиозная костная ткань., составляющая около 20 % массы скелета,образуе5т позвонки, концевые отделы трубчатых костей, внутренний слой ребер и лопаток.

Первичная спонгиозная ткань состоит из минеральных ламелл. Она образуется при перестройке хрящевой ткани.

Пространственная структура вторичной спонгиозной ткани формируется из трабекул (костных балочек), которые образованы из тонких костных ламелл цилиндрической или плоской формы. Значения механических характеристик спонгиозной ткани, приводимые в литературе, имеют очень большой разброс: для модуля упругости при сжатии этот разброс составляеть 26-600 МПа, для разрушающей деформации при сжатии 1.25-24 %, для разрушающего напряжения при сжатии- 3.7-11.4 МПа.

Плотность костной ткани 2 400 кгм3. Ее механические свойства зависят от многих факторов, в том числе от возраста, индивидуальных условий роста организма, от участка организма.

Модуль Юнга около 10 ГПа, предел прочности 100 МПа.

Используя данные из таблицы, можно рассчитать, что максимальный вес груза, который может удерживать плечевая кость (в средней части ее площадь поперечного сечения около 3.3 см2), находясь в вертикальном положении и работая на сжатие, близок к 60 кН.

Иллюстрацией прочности костей человека может служить разбивание голой рукой кирпича или бетона в практике восточных единоборств. Хорошо натренированный каратист может в течение нескольких миллисекунд передавать в ударе мощность в несколько киловатт.

Прочность кости такова, что она способна разбивать такие предметы, как дубовые или бетонные бруски, не ломаясь сама.

Оценим энергию, необходимую для разрушения бруска. Используем формулу для упругой энергии в виде

Максимальное напряжение, которое выдерживает материал, модуль Юнга. Бетонный кирпич обычно имеет размер 0.4 02. 0.05 м. Используем данные из таблицы, получаем величину энергии 0.55 Дж. Скорость движения руки каратиста 12 мс, а ее масса 0.7 кг. Поэтому энергия, которую передает рука каратиста в момент удара – 50 Дж. Таким образом, рука каратиста обладает вполне достаточным запасом энергии, чтобы разрушить брусок из бетона.

Зависимость σ= f (ε) для компактной костной ткани имеет вид

то есть подобна аналогичной зависимости для твердого тела, при небольших деформациях выполняется закон Гука.

Примерный вид кривой ползучести представлен на рис

Для этой зависимости можно предложить следующую примерную модель. При действии постоянной нагрузки мгновенно растягивается пружина 1 (участок ОА), затем вытягивается поршень (релаксация АВ), после прекращения нагрузки происходит быстрое сжатие пружины 1 (ВС), а пружина 2 втягивает поршень в прежнее положение (обратная релаксация СД).

Можно заключить, что минеральное содержимое кости обеспечивает быструю деформацию, а полимерная часть (коллаген) определяет ползучесть.

Источник

Adblock
detector