Глава 5-Механические и динамические свойства мягких тканей

Усилие

Рис. 5.6. Диаграмма жесткости суставов с выпрямлением влево, сгибанием вправо и вертикальным усилием (вращательный момент) (Wright, Johns, 1960)

нагрузки и разгрузки (рис. 5.6).Вращение сустава начинается в среднем положении (О) и продолжается до полного сгибания (А). После этого происходит выпрямление (А, В, С) и сгибание (С, D, А). Очевидно, что эластичная жесткость (наклон) нелинейная и что имеет место гистерезис. Как считает Фрост (1967), когда эластичная ткань подвергается нагрузке-разгрузке, кривая нагрузки-деформации оказывается идентичной во время обеих фаз. Если же мы имеем дело с упруговязким материалом, кривые оказываются неидентичными. Если нагрузка прекращается до недостаточности ткани и осуществляется тест разгрузки, ниспадающая кривая понижающейся нагрузки не совпадает с восходящей кривой, несмотря

на отсутствие остаточной деформации в конце. Участок между нагрузочной и разгрузочной кривой отражает потерю энергии (конвертируемую в тепло).

Как и пластичность, гистерезис играет важную роль в различных терапевтических процедурах. Заслуживают внимания два момента, отмеченные Гардом (1988). Во-первых, гистерезис — желаемый эффект процедур, вызывающих положительную деформацию, направленную на достижение более благоприятного положения. Если бы ткани после начальной и отрицательной деформации оставались упругими, то изменения состояния не произошло бы. Следовательно, не произошла бы благоприятная деформация. Во-вторых, не следует забывать, что гистерезис является также частью патологического деформирующего цикла, обусловленного макротравмой или повторяющейся микротравмой.

Мягкие ткани

Ткани можно разделить на две категории: жесткие и мягкие. К первым относятся кости, а также зубы, ногти и волосы. К мягким тканям относятся сухожилия, связки, мышцы, кожа и большинство других тканей (Mathews, Stacy и Hoover, 1964). Мягкие ткани разделяют на две группы: сократительные и несократительные.

Свойства мягких тканей. Мягкие ткани отличаются своими физическими и механическими характеристиками (рис. 5.7). Как сократительные, так и несократительные ткани являются растяжимыми и эластич-

79

I

Наука о гибкости

30г ными, однако первые являются

А Фасция

В Сухожилие

С Склера

D Роговица

Е Кожа

F Аорта

G Задняя часть связки

еще и сжимаемыми. Сокращаемость представляет собой способность мышцы укорачиваться и производить напряжение вдоль своей длины. Растяжимость — это способность мышечной ткани растягиваться в ответ на приложенную извне силу. Чем меньше силы, производимые в мышце, тем больше степень растяжения.

30 40 50 Нагрузка, %

Рис. 5.7. Кривые нагрузки-деформации для

различных соединительных тканей (Soden,

Kershaw, 1974)

Взаимосвязь между механическими свойствами мягких тканей и растягиванием. Чем выше жесткость мягкой ткани, тем большую силу следует приложить, чтобы вызвать ее удлинение. Ткань, имеющая малую степень жесткости, не способна противостоять растягивающему усилию в той же мере, что и ткань с высокой степенью жесткости, и поэтому для производства такой же деформации требуется значительно меньшая сила, а мягкие ткани с более высокой степенью жесткости менее подвержены травмам (включая разрывы связочной ткани и сократительной, или мышцы).

Мягкие ткани не являются совершенно эластичными. Если превышен предел эластичности, то после прекращения действия силы они не способны восстановить свою исходную длину. Разница между исходной и новой длиной называется количеством потерянной эластичности. Эта разница коррелирует с минимальным повреждением ткани. Следовательно, в случае незначительного растяжения мягкие ткани не восстанавливают исходную длину после устранения чрезмерной нагрузки, что ведет к постоянной нестабильности сустава.

Возникает естественный вопрос: надо ли для развития гибкости растягиваться до предела эластичности или следует только слегка превышать его? Большинство авторитетов рекомендуют растягиваться до появления чувства дискомфорта или напряжения, но не боли. Однако в чем заключается разница между дискомфортом и болью? Значение этих понятий в медицине (и других дисциплинах) можно интерпретировать по-разному, в зависимости от того, кто осуществляет интерпретацию (de Jong, 1980). В 1979 г. была создана Международная ассоциация по изучению боли с целью разработать общеприемлемое определения понятия «боль», а также систему классификации болевых синдромов. Было дано определение боли и названы еще 18 общих терминов (de Jong, 1980, Merskey, 1979). Нас интересуют только три:

80

Глава 5 ■ Механические и динамические свойства мягких тканей

Боль — неприятные ощущения, связанные с действительным или возможным повреждением ткани или охарактеризованные как подобное повреждение.

Болевой порог — наименьшая интенсивность стимула, при которой человек испытывает боль.

Уровень болевой толерантности — наибольшая интенсивность стимула, вызывающая боль, которую готов перенести человек.

Исходя из этих определений, большинство специалистов делают вывод, что растягиваться следует по меньшей мере до болевого порога. Но так как эти три определения основаны на субъективных факторах, тренеры не могут установить уровень болевого порога у своих подопечных. Такого понятия, как «средний человек», не существует, каждый человек уникален в своих ощущениях и восприятиях, которые к тому же постоянно изменяются.

Особое внимание необходимо обратить на следующее. У лиц, проходящих реабилитацию и восстанавливающих поврежденные ткани, еще до возникновения боли может быть достигнуто состояние, при котором возможен разрыв этих тканей. Поэтому при воздействии на них следует соблюдать особую осторожность.

Кроме того, возникает еще один вопрос: находится ли точка дискомфорта ниже, на уровне или выше предела эластичности? Согласно результатам исследований вид силы, ее продолжительность, а также температура ткани во время и после растягивания определяют, является ли удлинение постоянным и обратимым.

Соотношение длина-напряжение и нагрузка-деформация. Длина мягкой ткани зависит от отношения внутренней силы, развиваемой тканью, ко внешней силе, обусловленной сопротивлением развитию внутренней силы или нагрузкой. Если внутренняя сила превышает внешнюю, ткань сокращается. Если же внешняя сила превышает внутреннюю, ткань удлиняется.

Нагрузка-расслабление и крип при пассивном напряжении. Живые ткани характеризуются наличием зависимых от времени механических свойств. К ним относятся нагрузка-расслабление и крип. Если находящуюся в состоянии покоя мышцу внезапно растянуть и постоянно удерживать достигнутую длину, то через некоторое время произойдет медленное снижение напряжения. Это поведение называют нагрузка-расслабление (рис. 5.8, а). С другой стороны, удлинение, которое происходит при воздействии постоянной силы или нагрузки, называется крип (рис. 5.8, б).

Каким же образом эти зависимые от времени механические свойства действуют на мышечные клетки и соединительные ткани. Несомненный интерес представляют следующие вопросы:

• Как передается растягивающая сила через саркомер и структуры различных соединительных тканей?

• Как влияет растягивающая сила на сарколемму, саркоплазму и цитос-келет саркомера?

• Где и через какие структуры саркомера осуществляется явление крип и нагрузка-расслабление?

6,,

81

Наука о гибкости

• Каково взаимоотношение (если таковое существует) между крипом и нагрузкой-расслаблением в саркомере и градиентами давления, потоком жидкости и потенциалами течения структур различных соединительных тканей?

Рис. 5.8. Реакция тканей на усилие: нагрузка-расслабление имеет место при снижении усилия в случае, если длина ткани сохраняется постоянной (а); крип представляет собой удлинение, имеющее место при действии постоянной силы в течение периода времени (б)

Молекулярный механизм эластичной реакции соединительной ткани. Соединительные ткани представляют собой сложные материалы, которые, соединяясь, образуют длинные гибкие цепочки. Двумя важнейшими переменными, влияющими на жесткость (или эластичность) соединительных тканей, являются расстояние между поперечными соединениями и температура. Представим, например, длинную гибкую молекулу, состоящую из определенного числа сегментов. Количество сегментов обозначим буквой п. Каждый сегмент имеет определенную длину, обозначенную буквой а. Допустим, что каждый сегмент является жестким, тогда как суставы между сегментами — гибкими. Также допустим, что молекулы сегментов свободно передвигаются.

Все молекулы двигаются сравнительно хаотично. Однако при снижении температуры их движение становится не таким свободным. При достижении температуры абсолютного нуля (-273° С) движение прекращается. Вследствие хаотичного движения молекул в определенный момент расстояние от одного конца сегмента до другого может иметь значение от О (если концы соприкасаются) до па (если молекулы вытянуты). Наиболее вероятная длина молекулы равна п^1/2а.

В «нормальном» состоянии молекулярные цепочки сети продолжают двигаться. Расстояние между концами конкретной цепочки изменяется, однако среднее расстояние в образце, содержащем много цепочек, всегда будетп^1/2а.

Рассмотрим рис. 5.9. Допустим, что на соединительную ткань действует внешняя растягивающая сила (5.9, а). Сетка подвергнется деформации (рис. 5.9, б), и цепочки расположатся в направлении растяжения. Следовательно, цепочки, расположенные в направлении растягивающей силы (например, АВ), будут иметь среднюю длину больше п"²а. Цепочки же, расположенные поперек направления растяжения (ВС), будут иметь среднюю длину меньше п"²а. В результате этого расположение уже не является хаотичным. После устранения действия силы цепочки снова принима-

82

Глава 5 ■ Механические и динамические свойства мягких тканей

Рис. 5.9. Диаграмма резинового полимера. Синусоидой показаны молекулы полимера, точками — поперечные соединения (Alexander, 1988)

ют хаотичную конфигурацию. Таким образом, соединительная ткань восстанавливает свою исходную форму; она эластично возвращается к исходному уровню.

Р.М.Александер (1988) пишет:

«Теория, созданная на основании этих идей, позволяет определить величину силы, необходимую для уравновешивания деформированной сети и, следовательно, модуля упругости. Модуль сдвига G и модуль Юнга Е можно получить из уравнения

G=NkT=E/3,

где N — количество цепочек на единицу объема материала; к — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура. Особую роль играет число цепочек. Если имеется большее число поперечных соединений, разделяющих молекулы на множество более коротких цепочек, жесткость материала увеличивается. Кроме того, модуль пропорционален абсолютной температуре, поскольку энергия, связанная со скручиванием (сплетением) молекул, увеличивается при повышении температуры. Также по мере повышения температуры увеличивается давление газа при постоянном объеме, так как при этом увеличивается количество кинетической энергии молекул».

Данные исследований, касающиеся растягивания соединительной ткани. При воздействии растягивающей силы на соединительную ткань или мышцу ее длина увеличивается, а площадь поперечного сечения (ширина) уменьшается. Существуют ли такие виды сил или состояний, при которых прилагаемая сила может обеспечить оптимальное изменение соединительной ткани? Сапега с коллегами (1981) отмечают следующее:

«При непрерывном воздействии растягивающих сил на модель организованной соединительной ткани (сухожилие) время, в течение которого происходит необходимое растягивание ткани, обратно пропорционально прилагаемым силам (C.G.Warren,

83

Наука о гибкости

Lehmann, Koblanski, 1971,1976). Таким образом, при использовании метода растягивания с небольшой силой требуется больше времени, чтобы достичь такой же степени удлинения, как при использовании метода растягивания с большой силой. Однако процент удлинения ткани, который имеет место после устранения растягивающего усилия, оказывается выше при использовании продолжительного метода с небольшой силой (C.G.Warren и др., 1971, 1976). Кратковременное растягивание с большой силой способствует восстанавливающейся деформации эластичной ткани, тогда как продолжительное растягивание с небольшой силой —; остаточной, пластической деформации (С. G. Warren и др., 1971, 1976; Labon, 1962). Результаты лабораторных исследований показывают, что при постоянном удлинении структур соединительной ткани имеет место определенное механическое ослабление, хотя разрыв и не происходит (C.G.Warren и др., 1971, 1976). Степень ослабления зависит от способа растягивания ткани, а также от степени растяжения.

Температура существенно влияет на механическое поведение соединительной ткани в условиях растягивающего напряжения. При повышении температуры ткани степень жесткости уменьшается, а степень растяжимости увеличивается (Laban, 1962; Rigby, 1964). Если температура сухожилия превышает 103°Ф, количество постоянного удлинения в результате данного количества исходного растягивания увеличивается (Laban, 1962; Lehmann, Masock, Warren u Koblanski, 1970). При температуре около 104° Ф происходит термальное изменение микроструктуры коллагена, которое значительно усиливает расслабление вязкости после нагрузки коллагеновои ткани, что обеспечивает более высокую пластическую деформацию при растягивании (Mason и Rigby, 1963). Механизм, лежащий в основе этого термального изменения, пока не известен, однако предполагают, что происходит частичная дестабилизация межмолекулярной связи, усиливающая вязкие свойства текучести коллагеновои ткани (Rigby, 1964).

Если соединительную ткань растягивают при повышенной температуре, условия, в которых ткань может охладиться, в значительной мере могут повлиять на качество удлинения, которое остается после устранения действия растягивающего напряжения. После растяжения разогретой ткани сохраняющаяся растягивающая сила во время охлаждения ткани значительно увеличивает относительную пропорцию пластической деформации по сравнению с разгрузкой ткани при все еще повышенной температуре (Lehmann и др., 1970). Охлаждение ткани до устранения напряжения позволяет коллагеновои микроструктуре больше рестабилизироваться к ее новой длине (Lehmann и др., 1970).

84