§ 3. Механические свойства биологических тканей

Важность изучения и понимания механических свойств биологических тканей обусловлена:

– потребностью совершенствования средств защиты человека от неблагоприятных силовых воздействий и методов лечения травм;

– необходимостью решения задач протезирования органов и тканей;

– необходимостью создания новых долговечных материалов, близких по свойствам к биотканям;

– необходимостью изучения механизмов, обусловливающих процессы роста и развития биологических тканей.

Биологические ткани принято делить на жидкие (кровь, лимфа, слизистые жидкости, синовиальная жидкость и т.д.), мягкие и твёрдые. Однако следует отметить, что разделение не жидких деформируемых тел биологической природы на мягкие и твердые ткани весьма условно. В основу принимаемого ниже деления положен принцип, совмещающий в себе и механические, и биологические аспекты, а именно: к мягким тканям здесь относятся те, для которых упругие (обратимые) деформации могут быть велики (десятки и сотни процентов). Они действительно достигают таких значений в определенных естественных ситуациях. С этой точки зрения к мягким тканям, безусловно, относятся кожа, мышечная ткань, ткани легкого и мозга, стенки кровеносных сосудов, дыхательных путей, некоторые другие, а к твёрдым – кость и зуб. Промежуточное положение занимают суставной хрящ и сухожилие. Первый для определённости здесь отнесен к твёрдым тканям, второе – к мягким.

В данном разделе рассматриваются только пассивно деформирующиеся ткани, а мышцы, способные к активной деформации, рассматриваются в следующем разделе.

3.1. Механические свойства костной ткани

В теле человека внешние силы чаще всего вызывают сжатие, растяжение и изгиб соответствующих элементов.

Несмотря на существование различных типов костей в теле человека и животных (длинные трубчатые кости конечностей, плоские кости черепа, короткие кости – позвонки), для всех них характерны общие свойства, которые далее будут рассмотрены на примере компактной и губчатой (спонгиозной) составляющих трубчатых костей.

Напомним, что костная ткань – один из видов соединительной ткани, состоящей из трех видов клеток и обизвествленного межклеточного матрикса. Клетки составляют  1–2% от всего её объема, остальную часть занимают поры и каналы (пористость компактной костной ткани составляет 13–18%, губчатой – больше), твердая фаза – органические и минеральные составляющие костных пластинок (ламелл). На долю органической составляющей приходится 40-50% твердой фазы (она представлена коллагеном). Минеральной – 50-60%. Последняя представлена преимущественно кристаллами гидроксилапатита Са₁₀ (РО₄)₆ (ОН)₂ и других солей кальция.

В пределах пластинки коллаген - минеральные волокна ориен-тированы в определенном направлении и соединены связующим веществом, которым обычно являются мукополисахариды.

Вокруг кровеносных сосудов (гаверсовых каналов) в костной ткани образуются остеоны. Они состоят из концентрически расположенных в 5–20 рядов костных ламелл с различной ориентацией коллаген-минеральных волокон.

Механические свойства кости определяются главным образом составом твёрдой фазы и свойствами её компонент. Экспериментально можно практически полностью удалить из кости органическую или минеральную составляющую. При этом форма и размеры образца не меняются, но механические свойства разительно отличаться от свойств нормальной кости. Так, кость, лишённая органических веществ, необычайно хрупка, а деминерализованная кость приобретает резиноподобные свойства. Это означает, что костная ткань является прочным конструкционным композитным материалом лишь при определённом сочетании входящих в неё компонентов.

В статических условиях модули упругости коллагена Е_к и гидроксилапатита Е_г равны соответственно Е_к ~ 10⁹ Н/м² = 10⁹ Па и Е_г ~ 10¹¹ Н/м² = 10¹¹ Па, а компактной ткани кости Е_комп ~ 10¹⁰ Па. Для сравнения приведем модули упругости стали и титана: Е_стали  210¹⁰ Па, Е_титана  10¹¹Па. (напомним, что , 1МПа (мегапаскаль) = 10⁶ Па, 1 ГПа (гигапаскаль) = 10⁹ Па).

Полагают, что хотя гидроксилапатит и не соединен жёстко с коллагеновыми волокнами, он все-таки существенно ограничивает перемещения и деформации последних. В табл. 1 указаны некоторые механические свойства костей, различающихся содержанием минерального компонента.

Таблица 1.

Тип кости	Предел прочности при изгибе (МПа)	Модуль упругости Е (ГПа)	Содержание минеральных компонентов, %	Плотность , кг/м3
Бедренная кость коровы	247	13,5	66,7	2060
Стенка среднего уха кита	33	31,3	86,4	2470