Механические свойства биологических тканей

Под эпидермисом  располагается дерма, которая обуславливает цвет кожи Дерма распадается на два слоя: поверхностный, в котором имеются кровеносные сосуды и нервы, и более глубокий слой, в котором находятся белковые волокна, обеспечивающие эластичность кожи. Волокна, в основном, содержат белки коллаген и эластин. Коллагеновые волокна прочны на разрыв и мало эластичны. Модуль упругости для них более 10х106 Н/м2. Эластиновые волокна, состоящие из эластина, менее прочны на разрыв, чем коллагеновые, но значительно более эластичны. Они могут растягиваться до 170% от длины покоя без остаточной деформации. Эластин сходен по механическим свойствам с резиной, имеет модуль упругости такого же порядка: (1-5)*105 Н/м2. Коллагеновые и эластиновые фибриллы, заключенные в мукополисахаридный гель, представляют более гомогенную по составу структуру, чем эпидермис.

Дерма плавно переходит  в подкожную или жировую клетчатку. Она состоит из переплетающихся волокон, собранных в рыхлые толстые пучки, промежутки между которыми заполнены жировыми клетками. Подкожно-жировой слой располагается по телу неравномерно. Толщина его зависит от многих факторов: возраста, пола, питания, образа жизни и т.д. Клетчатка служит для защиты тела от травм, от переохлаждения, а также представляет собой питательный запас организма.

Кожа человека может значительно изменять длину  без каких-либо повреждений благодаря  характеру переплетения коллагеновых волокон, которые сами мало растяжимы. В работе расположение коллагеновых пучков моделируется в виде ромбов, что делает возможным растяжение до тех пор, пока пучки не переориентируются параллельно друг другу. Вследствие этого кожа имеет повышенный предел прочности при растяжении: разрыв наступает при относительной деформации 0,5-0,9, в зависимости от возраста. В работе коллагеновые волокна представляются в виде первично свитых, спиралевидных волокон, которые выпрямляются вдоль оси нагрузки. Хаотическими переплетениями, как волокон коллагена, так и эластиновых волокон в коже объясняется возможность развития в коже больших деформаций.

Наличие в коже многих слоев, обладающих своими собственными характеристиками, определяет гетерогенность ее механических свойств. Анизотропия  некоторых механических характеристик  обусловливает различное поглощение механической энергии в каждом из слоев, что проявляется в особенностях распространения механических волн на границе раздела этих слоев, обладающих разными вязко упругими свойствами.

Как отмечалось выше, слоистое строение кожи затрудняло интерпретацию результатов исследования кожи. Теоретические модели не могли  адекватно объяснить экспериментальные  результаты исследований механических свойств кожи вследствие её сложной структуры. Аналогичные трудности возникали и при исследованиях методом вдавливания.

Состояние кожи изменяется как при возникновении  патологии, так и с возрастом. По общему мнению, заметные возрастные изменения проявляются после 30-40 лет. При этом гистологически найдены следующие признаки: истончение эпидермиса после 60 лет, уменьшение содержания трансэпидермальной воды, уменьшение толщины кожи утолщение рогового слоя, истончение дермы. В то же время авторы путём исследования ультразвуком установили, то толщина кожи остаётся неизменной вплоть до 70 лет. С возрастом, по их мнению, изменяется эластичность кожи, что приводит к уменьшению первоначальной фазы эластических деформаций.

Как уже было указано выше, в работе в качестве количественного критерия оценки упругости  кожи предложено использовать время  возврата какой либо точки обследуемого участка кожи к исходной форме после импульсного деформирования. Это предложение основано на определении упругости, как свойства тела восстанавливать свою форму после действия силы. На основе экспериментальных исследований разработанного авторами устройства были сделаны следующие выводы: воспроизводимость результатов измерений не хуже 10%; упругость кожи практически не зависит от силы деформирующего воздействия: разброс параметров лежит в пределах воспроизводимости результатов измерений. 
 
 
 
 

2. Мышечная ткань  и ее механические  свойства 

Мышечная активность — это одно из общих свойств  высокоорганизованных живых организмов. Вся жизнедеятельность человека связана с мышечной активностью. Она обеспечивает работу отдельных  органов и целых систем: работу опорно-двигательного аппарата, легких, сосудистую активность, желудочно-кишечного  тракта, сократительную способность  сердца и т. д. Нарушение работы мышц может привести к патологии, а  ее прекращение — даже к летальному исходу (например, смерть при электротравме от удушья в результате парализации дыхательных мышц).

Мышцы разнообразны по форме, размерам, особенностям прикрепления, величине максимально развиваемого усилия. Количество мышц превышает  число звеньев тела. Мышца состоит  из большого числа двигательных единиц, каждая из которых управляется через  собственный мотонейрон. Таким образом, количество управляющих воздействий в мышечной (нервно-мышечной) системе огромно. Тем не менее эта система обладает удивительной надежностью и широкими компесаторными возможностями, способностью не только многократно повторять одни и те же стандартные комплексы движений, но и выполнять нестандартные произвольные движения. Помимо способности организовывать и активно заучивать необходимые движения, эта система обеспечивает приспособляемость к быстро меняющимся условиям окружающей и внутренней среды организма, изменяя применительно к этим условиям привычные действия.

Основная функция  мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или  силу. Главными биомеханическими показателями, характеризующими деятельность мышцы, являются: а) сила, регистрируемая на ее конце (эту силу называют натяжением или силой тяги мышцы) и б) скорость изменения длины. 

При возбуждении  мышцы изменяется ее механическое состояние; эти изменения называют сокращением. Оно проявляется в изменении  натяжения и длины мышцы, а  также других ее механических свойств (упругости, твердости и др.).

Механические  свойства мышц сложны и зависят от механических свойств элементов, образующих мышцу (мышечные волокна, соединительные образования и т.п.), и состояния  мышцы (возбуждения, утомления и  пр.).

Понять многие из механических свойств мышцы помогает упрощенная модель ее строения - в виде комбинации упругих и сократительных компонентов. Упругие компоненты по механическим свойствам аналогичны пружинам: чтобы их растянуть, нужно  приложить силу. Работа силы равна  энергии упругой деформации, которая  может в следующей фазе движения перейти в механическую работу. Различают:

а) параллельные упругие компоненты (ПарК) - соединительнотканные образования, составляющие оболочку мышечных волокон и их пучков

б) последовательные упругие компоненты (ПосК) - сухожилия мышцы, места перехода миофибрилл в соединительную ткань, а также отдельные участки саркомеров, точная локализация которых в настоящее время неизвестна.

Сократительные (контрактильные) компоненты соответствуют тем участкам саркомеров мышцы, где актиновые и миозиновые миофиламенты перекрывают друг друга. В этих участках при возбуждении мышцы происходит механическое взаимодействие между актиновыми и миозиновыми филаментами, приводящее к изменению натяжения и длины мышцы.

Поскольку каждая миофибрилла состоит из большого числа (n) последовательно расположенных  саркомеров, то величина и скорость изменения длины миофибриллы в п раз больше, чем у одного саркомера. Сила, развиваемая каждым из них, одинакова и равна силе, регистрируемой на конце миофибриллы (подобно тому, как равны силы в каждом из звеньев цепи, к концам которой приложены растягивающие силы). Эти же самые n саркомеров, соединенные параллельно (что соответствует большему числу миофибрилл), дали бы кратное увеличение в силе, но при этом скорость изменения длины мышцы была бы той же, что и скорость одного саркомера. Поэтому при прочих равных условиях увеличение физиологического поперечника мышцы привело бы к увеличению ее силы, но не изменило бы скорости укорочения, и наоборот, увеличение длины мышцы сказалось бы положительно на скорости сокращения, но не повлияло бы на ее силу.

Покоящаяся мышца  обладает упругими свойствами: если к  ее концу приложена внешняя сила, мышца растягивается (ее длина увеличивается), а после снятия внешней нагрузки восстанавливает свою исходную длину. Зависимость между величиной  нагрузки и удлинением мышцы непропорциональна (не подчиняется закону Гука)

Сначала мышца  растягивается легко, а затем  даже для небольшого удлинения надо прикладывать все большую силу (иногда мышцу в этом отношении сравнивают с вязаными вещами: если растягивать, скажем, трикотажный шарф, то вначале  он легко изменяет свою длину, а затем  становится практически нерастяжимым).

Если мышцу  растягивать повторно через небольшие  интервалы Времени, то ее длина увеличится больше, чем при однократном «содействии. Это свойство мышц широко используется в практике при выполнении упражнений на гибкость (пружинистые движения, повторные махи и т.п.).

Длина, которую  стремится принять мышца, будучи освобожденной от всякой нагрузки, называется равновесной (или свободной). При такой длине мышцы ее упругие  силы равны нулю. В живом организме  длина мышцы всегда несколько больше равновесной и поэтому даже расслабленные мышцы сохраняют некоторое натяжение.

Для мышц характерно также такое свойство, как релаксация - снижение силы упругой деформации с течением времени. При отталкивании в прыжках с места сразу  после быстрого приседания прыжок будет  выше, чем при отталкивании после  паузы в низшей точке подседа: после паузы упругие силы, возникшие  при быстром приседании, вследствие релаксации не используются. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Сосудистая ткань. Эластические свойства сосудов

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 сосудистой ткани.

Так как стенки кровеносных сосудов построены  из высокоэластического материала, то они способны к значительным обратимым  изменениям размера при действии на них деформирующей силы. Деформирующая  сила создается внутренним давлением.

Артерии и вены вносят лишь незначительный вклад в общее сопротивление кровотоку, который осуществляется через сосудистое русло. Поэтому мы обычно не придаем большого значения тому влиянию, которое оказывает изменение их диаметра на кровоток через системные органы. В то же время эластические свойства артерий и вен являются весьма важным фактором, влияющим на деятельность сердечно-сосудистой системы, так как эти сосуды могут функционировать как резервуары, и в них могут быть накоплены существенные количества крови.

Эластические  свойства сосудов или отделов  сосудистой системы часто характеризуются  такой величиной, как растяжимость, которая отражает, насколько изменяется их объем в ответ на определенное изменение Трансмуральное давление представляет собой разность между внутренним и внешним давлением на сосудистую стенку.

Эластические  свойства вен важны для их функции  по депонированию крови. Вены более растяжимы, чем артерии. Так как вены столь растяжимы, что даже небольшие изменения периферического венозного давления могут вызвать перемещение существенного объема циркулирующей крови в периферический венозный пул или из него. Переход в вертикаль - нос положение тела, например, увеличивает венозное давление в нижних конечностях и способствует накоплению крови (создание пула) в этих сосудах.

Эластические  свойства артерий позволяют им функционировать  в качестве резервуара в промежутке между сокращениями сердца. Артерии  играют важную роль в превращении  пульсирующего потока крови, изгоняемого  из сердца, в постоянный поток через  сосудистое русло системных органов. С этой точки зрения, артерии выполняют  функцию буфера. В начале фазы быстрого изгнания объем артериальной крови  увеличивается, так как кровь  поступает в 1 аорту быстрее, чем  она проходит в просвет системных артериол. Таким образом, часть той работы, которую сердце выполняет при выбросе крови, уходит на растяжение эластических стенок артерий. Ближе к концу систолы и на протяжении диастолы, артериальный объем уменьшается, поскольку кровоток, выходящий из артерий, превышает кровоток, поступающий в аорту. Находящаяся в растянутом состоянии артериальная стенка сокращается и при этом утрачивает накопленную потенциальную энергию. Данная энергия, перешедшая из одной формы в другую, и обеспечивает работу по продвижению крови через периферическое сосудистое русло во время диастолы. Если бы артерии представляли собой жесткие трубки, не способные аккумулировать энергию за счет эластического растяжения, артериальное давлением немедленно падало бы до нуля при окончании процесса каждого сердечного выброса. 
 
 

4. Костная ткань

Кость — основной материал опорно-двигательного аппарата. Так, в скелете человека более 200 костей. Скелет является опорой тела и  способствует передвижению. У взрослого человека скелет весит около 12 кг (18% общего веса).

В компактной костной  ткани половину объема составляет неорганический материал, минеральное вещество кости  — гидроксилапатит. Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов. Другая часть объема состоит из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий большой эластичностью). Способность  кости к упругой деформации реализуется  за счет минерального вещества, а ползучесть — за счет коллагена.