Механічні властивості біологічних тканин

Механічнівластивості біологічних тканин

Розглянемонайважливіші механічні властивості біологічних тканин, завдяки яким здійснюютьсярізноманітні механічні явища

- такі, як функціонуванняопорно-рухового апарату, процеси деформацій тканин і клітин,поширення хвиль пружної деформації, скорочення і розслаблення м'язів,рух рідких і газоподібних біологічних середовищ. Серед цих властивостей виділяють:

- пружність- Здатність тіл відновлювати розміри (форму чи об'єм) після зняття навантажень;

- жорсткість- Здатність матеріалу протидіяти зовнішнім навантаженням; еластичність -здатність матеріалу змінювати розміри під дією зовнішніх навантажень;

- міцність- Здатність тіл протидіяти руйнуванню під дією зовнішніх сил;

- пластичність- Здатність тіл зберігати (повністю або частково) зміну розмірів післязняття навантажень;

- крихкість- Здатність матеріалу руйнуватися без утворення помітних залишковихдеформацій;

- в'язкість- Динамічна властивість, яке характеризує здатність тіла протидіятизміни його форми при дії тангенціальних напружень;

- плинність- Динамічна властивість середовища, яке характеризує

здатність окремихйого верств переміщатися з деякою швидкістю у просторі відносно іншихшарів цього середовища.

Механічнівластивості м'язів

Основнафункція м'язів полягає в перетворенні хімічної енергії в механічну роботуабо силу. Головними біомеханічними показниками, що характеризують діяльністьм'язи, є: а) сила, реєстрована на її кінці (цю силу називаютьнатягом або силою тяги м'яза) і б) швидкість зміни довжини.

Припорушенні м'язи змінюється її механічний стан; ці зміни називаютьскороченням. Воно проявляється у зміні натягу і довжини м'язи, а такожінших її механічних властивостей (пружності, твердості та ін.)

Механічнівластивості м'язів складні і залежать від механічних властивостей елементів, що утворюютьм'яз (м'язові волокна, з'єднувальні освіти і т.п.), і стану м'язи (збудження,стомлення і пр.).

Зрозумітибагато з механічних властивостей м'яза допомагає спрощена модель її будови - ввигляді комбінації пружних і скорочувальних компонентів. Пружні компоненти помеханічними властивостями аналогічні пружинам: щоб їх розтягнути, потрібно докластисилу. Робота сили дорівнює енергії пружної деформації, яка може в наступнійфазі руху перейти в механічну роботу. Розрізняють: а) паралельні пружнікомпоненти (парк) - сполучнотканинні освіти, складові оболонкум'язових волокон і їх пучків, і б) послідовні пружні компоненти (ПОСК) -сухожилля м'язи, місця переходу міофібрил в сполучну тканину, а такожокремі ділянки саркомеров, точна локалізація яких в даний часневідома.

Скорочувальні(Контрактильні) компоненти відповідають тим ділянкам саркомеров м'язи, деАктинові і міозіновие міофіламенти перекривають один одного. У цих ділянках припорушенні м'язи відбувається механічне взаємодія між Актинові іміозіновимі філаментах, що приводить до зміни натягу і довжини м'яза.

Оскількикожна міофібрил складається з великого числа (n) послідовно розташованихсаркомеров, то величина і швидкість зміни довжини міофібрили в п разів більше,ніж у одного саркомера. Сила, що розвивається кожним з них, однакова і дорівнюєсилі, реєстрованої на кінці міофібрили (подібно до того, як дорівнюють сили вкожному з ланок ланцюга, до кінців якої прикладені розтягуючі сили). Ці жсамі n саркомеров, з'єднані паралельно (що відповідає більшому числуміофібрил), дали б кратне збільшення в силі, але при цьому швидкість змінидовжини м'яза була б тією ж, що і швидкість одного саркомера. Тому за іншихрівних умов збільшення фізіологічного поперечника м'яза призвело б дозбільшення її сили, але не змінило б швидкості укорочення, і навпаки,збільшення довжини м'язи позначилося б позитивно на швидкості скорочення, але невплинуло б на її силу.

спочиваючоїм'яз має пружними властивостями: якщо до її кінця прикладена зовнішня сила,м'яз розтягується (її довжина збільшується), а після зняття зовнішнього навантаженнявідновлює свою вихідну довжину. Залежність між величиною навантаження іподовженням м'язи непропорційна (не підкоряється закону Гука)

Спочаткум'яз розтягується легко, а потім навіть для невеликого подовження требаприкладати все більшої сили (іноді м'яз в цьому відношенні порівнюють зв'язаними речами: якщо розтягувати, скажімо, трикотажний шарф, то спочатку вінлегко змінює свою довжину, а потім стає практично нерастяжима).

Якщом'яз розтягувати повторно через невеликі інтервали Часу, то її довжиназбільшиться більше, ніж при одноразовому В«сприянні. Це властивість м'язів широковикористовується в практиці при виконанні вправ на гнучкість (пружинистіруху, повторні махи і т.п.).

Довжина,яку прагне прийняти м'яз, будучи звільненою від усякої навантаження,називається рівноважної (або вільної). При такій довжині м'язи її пружні силидорівнюють нулю. У живому організмі довжина м'яза завжди трохи більше рівноважної ітому навіть розслаблені м'язи зберігають деякий натяг.

Длям'язів характерно також така властивість, як релаксація - зниження сили пружноїдеформації з плином часу. При відштовхуванні в стрибках з місця одразу післяшвидкого присідання стрибок буде вище, ніж при відштовхуванні після паузи внижчій точці подседа: після паузи пружні сили, що виникли при швидкомуприсіданні, внаслідок релаксації не використовуються.

Структура шкіри та її механічні властивості

До недавнього часу шкіра приваблювала недостатня увагадослідників. Ситуація почала змінюватися порівняно недавно. Останнідослідження привели до кращого розуміння особливостей цього органу.

Схематичне зображення розрізу нормальної людськоїшкіри наведено на рис. 4. У більшості областей тіла людинитовщина шкіри складає декілька міліметрів. Шкіра складається з трьох шарів:зовнішнього - епідермісу, основного або власне дерми і підшкірної жировоїклітковини.

Верхній шар - епідерміс/52/складається з багатошаровогоороговілого епітелію, що має товщину від 0,1 до 1,5 мм. У тих ділянках,де шкіра малорухливі і піддається значним механічним впливам,епідерміс значно товщі. На стопах, долонях і червоній облямівці губ товщинаепідермісу становить 0,2-0,9 мм. На століттях він дуже тонкий. Загальна площаепідермісу - 1,5-2 м 2 . Маса - близько 0,5 кг. Епідерміс складається з кількох шарів клітин. Зовнішній роговий шар епідермісу складається змертвих клітин (лусочок), багатих білком кератином, які постійнозлущуються з поверхні шкіри. Кератин може становити 85% всіх білків вшарі. Нижче знаходиться роговий шар. Через щільної упаковки він має значнуміцність та відіграє роль механічного бар'єру. Товщина рогового шару в різнихділянках шкіри різна (зазвичай, від 10 до 20 мкм). Найбільшої товщини (до 600мкм) він досягає в епідермісі шкіри долонь і підошов. У чоловіків роговий шартовще, ніж у жінок. З віком цей шар стоншується.

Під епідермісом розташовується дерма, яка обумовлюєколір шкіри Дерма розпадається на два шари: поверхневий, в якому єкровоносні судини і нерви, і більш глибокий шар, в якому знаходяться білковіволокна, що забезпечують еластичність шкіри. Волокна, в основному, містять білкиколаген та еластин. Колагенові волокна міцні на розрив і мало еластичні.Модуль пружності для них більш 10х10 6 Н/м 2 . еластиновихволокна, що складаються з еластину, менш міцні на розрив, ніж колагенові, алезначно більш еластичні. Вони можуть розтягуватися до 170% від довжини спокою беззалишкової деформації. Еластин подібний по механічних властивостях з гумою,має модуль пружності такого ж порядку: (1-5) * 10 5 Н/м 2 .Колагенові і еластинових фібрили, укладені в мукополісахарідний гель,представляють більш гомогенну за складом структуру, ніж епідерміс.

Дерма плавно переходить у підшкірну або жирову клітковину. Вонаскладається з переплітаються во...локон, зібраних в пухкі товсті пучки,проміжки між якими заповнені жировими клітинами. Підшкірно-жировий шаррозташовується по тілу нерівномірно. Товщина його залежить від багатьох факторів:віку, статі, харчування, способу життя і т.д. Клітковина служить для захисту тілавід травм, від переохолодження, а також являє собою поживний запасорганізму.

Наявність в шкірі багатьох шарів, що володіють своїми власнимихарактеристиками, визначає гетерогенність її механічних властивостей.Анізотропія деяких механічних характеристик обумовлює різнепоглинання механічної енергії в кожному з шарів, що проявляється вособливості поширення механічних хвиль на межі розділу цих шарів,володіють різними в'язко пружними властивостями.

шарувату будову шкіри ускладнювало інтерпретацію результатівдослідження шкіри. Теоретичні моделі не могли адекватно пояснитиекспериментальні результати досліджень механічних властивостей шкіри внаслідокїї складної структури. Аналогічні труднощі виникали і при дослідженняхметодом вдавлювання.

Спроба обійти виникаючі труднощі була зроблена недавноголландськими вченими при дослідженні шкіри задньої сторони ліктя. Вонивикористовували індентора різних діаметрів: 1 мм, 0,5 мм 0,1 мм і0,02 мм.

Передбачалося, що залежність глибини занурення h від прикладаєтьсязусилля для індентора діаметром 0,02 мм відображає твердість рогового шару,0,5 мм - дерми і 1 мм - підшкірного шару. На рис. 6наведено графік залежності F/R від глибини занурення. Ці залежності лінійні в повномуВідповідно до рівняння (4) і, по-видимому, підтверджують припущенняавторів. Пружність епідермісу за величиною більше пружності дерми, яка, всвою чергу, більше пружності підшкірної клітковини.

Стан шкіри змінюється як при виникненні патології,так і з віком/7, 55-58 /. На загальну думку, помітні вікові змінипроявляються після 30-40 років. При цьому гістологічно знайдені наступніознаки: витончення епідермісу після 60 років, зменшення вмістутрансепідермальній води, зменшення товщини шкіри/57/потовщення рогового шару,витончення дерми. У той же час автори/17/шляхом дослідження ультразвукомвстановили, то товщина шкіри залишається незмінною аж до 70 років. З віком,на їхню думку, змінюється еластичність шкіри, що призводить до зменшенняпервісної фази еластичних деформацій.

Як вже було зазначено вище, в роботі/69/в якостікількісного критерію оцінки пружності шкіри запропоновано використовувати часповернення якої або точки обстежуваного ділянки шкіри до вихідної форми післяімпульсного деформування. Ця пропозиція грунтується на визначенні пружності,як властивості тіла відновлювати свою форму після дії сили. На основіекспериментальних досліджень розробленого авторами пристрої були зробленінаступні висновки: відтворюваність результатів вимірів не гірше 10%;пружність шкіри практично не залежить від сили деформуючого впливу:розкид параметрів лежить в межах відтворюваності результатів вимірювань.

Типові результати вимірювання часу поверненнядеформованої ділянки шкіри чола до вихідної формі з використаннямрозробленого авторами пристрою. Як видно з рис. 7, в процесіповернення поверхні шкіри до вихідної форми можна виділити дві стадії. Перша(Швидка) стадія характеризується параметром А - характерним часом поверненняшкіри до вихідної форми. Величина А, на думку авторів, є основнимкількісним параметром, що характеризує пружність шкіри. Друга стадія(Повільна) характеризується величиною залишкових деформацій (параметр В) ічасом остаточного повернення поверхні шкіри до первісної форми.Як випливає з графіків, більш молода шкіра (крива а) характеризуєтьсябільшою швидкістю повернення до вихідної форми і меншою величиною залишковихдеформацій. Аналіз результатів вимірювань показав, що величина відноснихколивань пружності шкіри в залежності від віку обстежуваного (від 15 до 55років) досягав 5-кратного значення. При порівнянні пружності шкіри в різнихобластях тіла в одного і того ж пацієнта було виявлено, що параметри А і Вваріюють у межах В± 10%.

Одне з пояснень вікових змін пружності шкіриполягає в припущенні, що змінюється стан мережі еластичних волокондерми. Інше пояснення - збільшується кількість зшивок всередині колагеновихволокон/58 /. Наявність зшивок підтверджується збільшенням частки нерозчинноїчастини шкіри.

У перебігу всього життя людини повільно, але невловимовиявляються зовнішні ознаки старіння. Ці зовнішні ознаки, в першу чергу,пов'язані зі змінами мікрорельєфу поверхні шкіри (зморшки). Мікрорельєфшкіри, багато в чому, визначає як зовнішній вигляд людини, так і тактильнесприйняття його іншими людьми (зорове сприйняття, приємність на дотик).

Тому недивний інтерес до об'єктивного кількісногоопису мікрорельєфу шкіри людини, залежностей мікрорельєфу від віку ізмін його під дією ліків і косметичних засобів.

Термін В«мікрорельєфВ» для шкіри аналогічний за своєю суттю широковикористовуваному в техніці терміну В«шорсткістьВ». Шорсткість - цесукупність нерівностей з відносно малими відстанями між сусіднімиточками вимірювань.

У своїй основі методи визначення мікрорельєфу шкірианалогічні методам визначення шорсткостей поверхонь твердих тіл/70 /,хоча і з урахуванням властивостей шкіри.

Одним із старих методів є метод зліпків. Метод полягаєз наступних стадій: виготовлення негативних реплік (відбитків); отримання зних позитивних копій (зліпків) з полімеризується дрібнодисперсних хімічнихкомпозицій (зазвичай на основі епоксидних смол або поліметилметакрилату);власне реєстрацію позитивної репліки і аналіз отриманих результатів.Стосовно до шкірі цей метод докладно розібраний в роботі/71 /. Там жеретельно описані переваги і недоліки матеріалів, використовуваних длявиготовлення відбитків і зліпків. Запис профілю з позитивною репліки можевиконуватися стандартними методами за допомогою механічних або оптичнихпрофілометра (промислових або розроблених спеціально для медичнихцілей). В залежності від умов можуть аналізуватися як окремі(Одиничні) профілі поверхонь (глибини і ширини борозен), так і їхпросторові характеристики (щільність, орієнтація, симетрія). Методикиобробки результатів вимірювань продовжують вдосконалюватися із застосуваннямсучасної техніки (лазерної профілометра, тривимірної комп'ютерної обробкоюнегативу/72, 73 /).

До недоліків цього методу слід віднести багатоетапнийпроцес вимірювання та наявність похибок при контакті матеріалів зі шкірою на етапістворення негативної репліки.

В значній мірі цих недоліків позбавлені сталипопулярні оптико-електронні методи вивчення мікрорельєфу шкіри/69 /. В роботі/ 69/для вимірювання мікрорельєфу використовувався оптичний щуп. Останнійявляв собою оптико-електронний прилад, що дозволяє вимірювати рельєфдосліджуваної поверхні оптичним випромінюванням. Реєстрація інформації про рельєфповерхні досліджуваної ділянки шкіри здійснювався поточечно допомогоюмеханічного сканування. Розроблений пристрій було використано длявивчення вікових змін шкіри. Результати окремих вимірів наведено на рис. 8.З малюнка видно, що середня величина рельєфу поверхні коливається вмежах 10-30 мкм як уздовж зморшки, так і впоперек.

Еластичні властивості судин

Яквказувалося раніше, артерії та вени вносять лише незначний внесок у загальнуопір кровотоку, який здійснюється через судинне русло. Томуми зазвичай не надаємо великого значення тому впливу, яке надає змінаїх діаметра на кровотік через системні органи. У той же час еластичнівластивості артерій і вен є досить важливим фактором, що впливає на діяльністьсерцево-судинної системи, так як ці судини можуть функціонувати якрезервуари, і в них можуть бути накопичені істотні кількості крові.

Еластичнівластивості судин або відділів судинної системи часто характеризуються такоюзавбільшки, як розтяжність (С), яка відображає, наскільки змінюєтьсяїх обсяг (Д V) у відповідь на певну зміну трансмурального тиску (АР):

трансмуральноготиск представляє с...обою різницю між внутрішнім і зовнішнім тиском насудинну стінку.

Еластичнівластивості вен важливі для їхньої функції по депонуванню крові. Як видно по кривихзалежності тиску від об'єму на рис. 7-7, вени більш розтяжним, ніжартерії. Так як вени настільки розтяжним, що навіть невеликі змінипериферичного венозного тиску можуть викликати переміщення істотногооб'єму циркулюючої крові в периферичний венозний пул або з нього. Перехід ввертикаль - ніс положення тіла, наприклад, збільшує венозний тиск у

Доенергію.

Вперше

В

Обсяг

Відносна1.Осмотичний тискосмотичного тиску.ТакийВоност.Внаслідок малих розмірів і високоїгідрофільності вони володіють вираженою здатністю притягати до себе воду, за

Кислотно-основневодневих і гідроксильних іонів.водню.іонів. Це пов'язано

ВВсполук сприяє споживання білкової їжі.ПідтриманняУ капілярах тканин у кров надходитьвелика кількість кислих продуктів розпаду. Одночасно в тканинних капілярахВВона представленаНадлишок

Фосфатна

Білковапостійному рівні.

Підтримання

Згортання

Основні

В

Визначення

В

Дляьнеевикористовувати ротаційні віскозиметри. У них досліджувана рідина поміщається взазор між двома обертовими циліндрами. При цьому вимірюють кут поворотувнутрішнього циліндра, визначають кутову швидкість, а потім в'язкість.Перевагою такого методу є можливість визначати не тільки значенняв'язкості, але і її залежність від швидкості зсуву. Слід пам'ятати, що в'язкістькрові, визначена за допомогою візкозіметра, іноді суттєво відрізняється відв'язкості крові в організмі.