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.