Механические свойства биологических тканей

Большинство биологических тканей являются анизотропными композитными материалами, образованными объемным сочетанием химически однородных компонентов. Состав каждого типа ткани сформировался в процессе эволюции и зависит от функций, которые она выполняет.

а) Костная ткань – это основной материал опорно-двигательного аппарата. В скелете человека более 200 костей. Скелет это опора тела и он обеспечивает передвижение. В компактной костной ткани половину объема составляет минеральное вещество – гидроксилапатит Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ в форме микроскопических кристалликов. Другая часть – органика – коллаген (высокомолекулярное соединение ‑ волокнистый белок, обладающий высокой эластичностью). Способность кости к упругой деформации реализуется за счет минерального вещества, а ползучесть ‑ за счет коллагена. Кость является армированным материалом.

Механические свойства костной ткани зависят от многих факторов: возраста, заболеваний, индивидуальных условий роста. В норме плотность костной ткани 2400 кг/м³, модуль Юнга до 10¹⁰ Па, предел прочности при растяжении ~ 100 МПа, относительная деформация ~ 1 %. Прочность на сжатие выше, чем на изгиб или растяжение. Бедренная кость выдерживает на сжатие нагрузку 45000 Н, а на изгиб всего 2500 Н, т. е. на сжатие нагрузка в 25‑30 раз больше веса человека.

б) Кожа (линии Лангера). Это самый крупный орган человека, выполняющий важные функции: поддержание гомеостаза, участие в процессе терморегуляции, регуляция обмена веществ, секреторная функция (работа сальных и потовых желез), защита от повреждающего действия механических, физических и химических, инфекционных агентов. Кожа – это обширное рецепторное поле, воспринимающее извне и передающее в ЦНС (центральная нервная система) целый ряд ощущений. Кожа – граница раздела между телом и окружающей средой, поэтому она обладает значительной механической прочностью. Кожу часто рассматривают как гетерогенную ткань, состоящую из трех слоев: эпидермис, дерма, подкожная клетчатка. В общий состав кожи входят коллаген (75 %), эластин (4 %) и основная ткань – матрица. Плотность кожи в норме (1100 кГ/м³). Эластин растягивается на 200‑350 %, коллаген до 10 %. Предел прочности коллагена 100 МПа, эластина 5 МПа.

При исследовании механических свойств кожи с помощью акустического анализатора, позволяющего оценивать скорость распространения акустических сигналов с частотами 5‑6 кГц была выявлена акустическая анизотропия кожи. (Скорости распространения поверхностной волны вдоль осей x и y различны). Проявление акустической анизотропии находится в соответствии с ориентацией линий естественного натяжения кожи (линии Лангера) (рис. 8).

Рис. 8.Проявление акустической анизотропии и ориентация линий Лангера на различных участках кожи

– скорости акустических волн вдоль y и x. K₊, если и K_–, если .

Степень анизотропии кожи при некоторых патологиях сильно изменяется, например, при псориазе, при атопических дерматитах. Анизотропия кожи лица, особенно в области лба, позволяет оценивать возрастные изменения. Анизотропия кожи является объективным диагностическим критерием в различных областях медицины.

в) Мышечная ткань. Вся жизнедеятельность человека связана с мышечной активностью. Она обеспечивает работу отдельных органов и целых систем. Нарушение работы мышц приводит к патологии, а ее прекращение к летальному исходу. Механические свойства мышц подобны механическим свойствам полимеров. Состав мышц: мышечные клетки (волокна) и внеклеточное вещество (коллаген, эластин, соединительная ткань). Мышцы бывают гладкие (кишечник, желудок, сосуды) и скелетные (обеспечивают движение, работу сердца). Плотность мышечной ткани 1050 кГ/м³. Модуль Юнга 10⁵ Па. Гладкие мышцы могут деформироваться на десятки процентов. Этому способствует распрямление молекул коллагена.

г) Сосудистая ткань. Механические свойства кровеносных сосудов определяются главным образом свойствами коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. Содержание этих составляющих сосудистой ткани изменяется по ходу кровеносной системы. С удалением от сердца увеличивается доля гладких мышечных волокон, в артериолах они уже являются основной составляющей.

Стенки кровеносных сосудов построены из высокоэластичного материала, поэтому способны к значительным обратимым изменениям размера при действии на них избыточного внутреннего давления.

Уравнение Ламе

Найдем механическое напряжение , возникающее в стенке сосуда при избыточном давлении P внутри сосуда. Рассмотрим отрезок цилиндрического кровеносного сосуда длиной L, внутренним радиусом r и толщиной стенок h (рис. 9).

Сосуд растянут давлением. Возьмем произвольное сечение ОО вдоль сосуда. Напряжение растяжения сосуда:

.

Это сила взаимодействия половинок сосуда по площади сечения.

Рис. 9.

Сила F уравновешивает избыточное давление P, которое создает силу:

; ; .

Приравнивая эти силы получим:

или – уравнение Ламе.

Устойчивость различных биологических структур по отношению к различным деформациям следует знать в спортивной, космической медицине. В челюстно-лицевой хирургии, пластической хирургии, косметологии механические свойства тканей определяют объем воздействия и служат объективным критерием для оценки эффективности лечения. В травматологии и ортопедии вопросы механического воздействия на организм являются определяющими.