3. Механические свойства тканей.

Механические свойства тканей необходимо учитывать гигиенистам при защите человека от вибраций, в протезировании при замене естественных органов и тканей искусственными, в судебной медицине. В травматологии и ортопедии необходимо знать устойчивость биологических структур по отношению к различным деформациям, в спорте и космонавтике обращают внимание на физические возможности опорно-двигательного аппарата и т.д.

Биологические структуры, такие как мышцы, сухожилия, кровеносные сосуды, легочная ткань и др. представляют собой вязкоупругие или упруговязкие системы. Их свойства проявляются при действии внешней силы и можно продемонстрировать сочетанием упругих и вязких элементов. Упругие и вязкие свойства тел удобно моделировать. Это даёт возможность наглядно представить механические свойства биологических объектов. Примером модели упругого элемента является идеально упругая пружина (рис.3), в которой процесс деформации происходит мгновенно и подчиняется закону Гука:

, (21)

где F– внешняя сила;S– площадь поперечного сечения;- напряжение; Е – модуль упругости, который численно равен приложенному напряжению, при котором длина образца удваивается;- относительное удлинение; Δl– изменение длины (абсолютное удлинение);l₀– исходная длина.

Примером чисто вязкого элемента является цилиндр с вязкой жидкостью и неплотным поршнем (рис.4). Силу сопротивления среды в этом случае принимают пропорциональной скорости перемещения:.

Для этого элемента существует зависимость: , (22)

гдеt– время действия; η – вязкость вещества.

Вязкоупругие свойства различных тканей можно отразить системами механических моделей, состоящих из различных комбинаций двух простых моделей (рис.5). Обращают на себя внимание две особенности поведения таких сложных систем. Во-первых, под действием постоянной силы длина изменяется не мгновенно, а во времени. Это явление называется ползучестью. Наиболее простой системой, сочетающей упругие и вязкие свойства, является тело Максвелла (рис.5б). При воздействии постоянной силой пружина упруго мгновенно удлиняется до значения определяемого законом Гука (до Δl_у), а поршень движется с постоянной скоростью до тех пор, пока действует сила. Так реализуется на модели ползучесть материала (рис.6).

Сдругой стороны, при ступенчатом удлинении возникающее в первый момент максимальное напряжение σ₀, затем уменьшается по мере укорочения упругих элементов за счёт удлинения вязких. Это явление называется релаксацией (расслаблением) напряжения (рис.7).

При приложении растягивающей силы к гладким мышцам они ведут себя в основном подобно телу Максвелла. Поэтому гладкие мышцы могут значительно растягиваться без особого напряжения. Это способствует большой растяжимости полых органов, содержащих гладкие мышцы, например, мочевого пузыря.

Скелетная мышца в покое по механическому поведению представляет третью модель (рис.5в). при внезапном растяжении этой мышцы на определённую величину напряжение резко возрастает, а затем уменьшается до определённого равновесного уровня. Но в отличие от этой механической модели мышца характеризуется нелинейной зависимостью напряжения от длины. И модуль упругости этой мышцы, в отличие от модели, не будет постоянным, а будет различным при различных нагрузках.

Кости в соответствии с их опорной и защитной функциями резко отличаются по механическим свойствам от мышц и других биоматериалов. Минеральное содержание кости обеспечивает быструю деформацию, а полимерная часть определяет ползучесть. При небольших деформациях для костей справедлив закон Гука. Модуль упругости кости может достигать около Е_К=10⁹Н/м², что на несколько порядков выше модуля упругости мышц.

Кости характеризуются очень большой механической прочностью. Её механическое разрушение начинается при σ=10⁷-10⁸Н/м²(для тканей стенок крупных артерий разрушение начинается при σ=10⁶Н/м²).

Стенки кровеносных сосудов построены из вязкоэластичного материала (за исключением капилляров). Поэтому крупные сосуды способны к значительным обратимым изменениям размера при действии на их стенку внешней силы.

Упругие свойства и прочность тканей, за исключением костной, в основном определяются эластиновыми и коллагеновыми волокнами и их комплексами. На долю этих волокон, например, в стенках крупных сосудов, приходится около 50% сухой массы. Обладая высоким модулем упругости (эластиновые нити Е_ЭЛ=10⁶Н/м², коллагеновые нити Е_КЛ=10⁷Н/м²) и прочностью, эти волокна предотвращают разрыв сухожилий, стенок кровеносных сосудов и др. тканей.

Прочность костей обусловлена наличием «стекловолокнистых» структур, построенных из коллагена и кристаллов гидроксилапатита.