- •От авторов
- •§ 1. Кинематика и динамика движений.
- •§ 2. Механические свойства упругих сред
- •2.1. Физические характеристики воздействия механических нагрузок на вещество и механические свойства деформируемых тел
- •2.2. Особенности механических свойств биотканей.
- •§ 3. Механические свойства биологических тканей
- •3.1. Механические свойства костной ткани
- •3.1.1. Компактное вещество костной ткани
- •3.1.2. Губчатое (спонгиозное) вещество костной ткани.
- •3.1.3. Функциональная адаптация кости.
- •3.2. Механические свойства хрящевой ткани (суставного хряща).
- •3.3. Механические свойства мягких биологических тканей.
- •3.3.1. Механические свойства сухожилий.
- •3.3.2. Механические свойства кожи.
- •3.3.3. Механические свойства ткани кровеносных сосудов.
- •§ 4. Особенности структуры и биомеханики мышечной ткани.
- •§ 5. Материалы к семинару по биомеханике
- •5.1. Контрольные вопросы.
- •5.2. Задачи.
- •Литература.
- •Антонов в.Ф. И др. Биофизика, м., Владос, 2000.
- •§ 1. Кинематика и динамика движений. 4
- •§ 2. Механические свойства упругих сред 10
- •§ 3. Механические свойства биологических тканей 22
- •§ 4. Особенности структуры и биомеханики мышечной ткани. 42
- •§ 5. Материалы к семинару по биомеханике 50
- •Элементы биомеханики
3.2. Механические свойства хрящевой ткани (суставного хряща).
Суставной хрящ в суставах покрывает концевые поверхности трубчатых костей. Он представляет собой пористый, легкопроницаемый материал с низким модулем упругости и во время действия нагрузок выделяет, а при разгрузке поглощает синовиальную жидкость. Его размеры и форма могут изменяться вследствие как кратковременных, так длительных силовых воздействий, причём после разгрузки исходное состояние суставного хряща полностью восстанавливается, что обеспечивает конгруэнтность суставных поверхностей.
В хряще различают жидкую и твёрдую фазы. Жидкая фаза составляет 60 – 80 % его массы. В твёрдой фазе содержится около 40 % хондроцитов, 25% протеогликанов и 35 % коллагеновых волокон. Синовиальная жидкость выполняет функцию смазки сустава и обеспечивает питание хряща. Полагают, что прочность хряща обеспечивается коллагеном, а его способность к восстановлению формы и структуры после деформации связана с протеогликанами.
С точки зрения механики материалов суставной хрящ является вязкоупругим анизотропным материалом с неоднородными механическими свойствами по суставной поверхности. Он обладает двумя функциональными особенностями: во-первых, под действием нагрузки он деформируется легче чем кость (отношение их жёсткостей равно 1:10), благодаря чему хрящ снижает концентрацию механических напряжений в костях; во-вторых, хрящ обеспечивает низкий коэффициент трения в суставе (от 0,005 до 0,012).
Следует отметить, что локальная деструкция суставного хряща не восстанавливается и поэтому является опасным повреждением, которое в дальнейшем может привести к дегенерации всего сустава. При нормальном функционировании сустава нагрузка на суставной хрящ колеблется от нуля до значений, в 3 – 4 раза превышающих вес тела. По краям контактной поверхности при этом могут развиваться достаточно большие деформации растяжения.
Анизотропия механических свойств хряща проявляется в существенном различии разрушающих растягивающих напряжений вдоль и поперек направления коллагеновых волокон. Так, для наружного слоя хряща мыщелков бедренной кости они равны соответственно 25,5 и 9,8 МПа.
Модуль упругости Е суставного хряща, определённый в эксперименте на вдавливание, меняется в пределах от 23 до 50 МПа. Модуль сдвига G – от 0,4 до 4 МПа, причём при дегенеративных изменениях в хряще модуль сдвига увеличивается.
Коэффициент Пуассона хряща равен приблизительно 0,5. Следовательно, эту ткань можно рассматривать как несжимаемый материал.
Большой практический интерес представляет исследование усталостной долговечности хряща, ведь человек делает в среднем около 2 млн. шагов в год и тем самым подвергает данную ткань постоянному циклическому нагруженню. Установлено, что при циклических нагружениях усталостная долговечность хряща значительно снижается при возрастании уровня механических напряжений в нем, а также с увеличением его возраста.
3.3. Механические свойства мягких биологических тканей.
Мягкие биологические ткани (кожа, мышцы, стенки кровеносных сосудов и дыхательных путей, лепестки клапанов сердца, сухожилия, связки и т.д.) по механическим свойствам и характеру деформирования существенно отличаются от твердых тканей (костей). Большинство из них имеет общие черты в механическом поведении: они способны к большим деформациям – до 200 %, несжимаемы и анизотропны. Это обусловлено в первую очередь их строением. В их состав входят клетки, коллагеновые и эластиновые волокна и основное вещество. Каждая компонента имеет свою ультраструктуру, которая определяет её механические, биологические и иммунологические свойства.
Коллагеновые волокна, диаметр которых варьируется от 0,2 до 12 мкм, представляют собой пучки фибрилл с диаметром от 20 до 40 нм (в зависимости от вида млекопитающего и ткани).
Эластин по свойствам подобен эластомерам. Эластиновые структуры в мягких биологических тканях встречаются в двух морфологически различных формах: волокон (кожа, вены, хрящи) и мембран (артерии).
Сравнительная характеристика упругих свойств эластиновых и коллагеновых волокон представлена в табл. 2, приведенные цифры взяты из [4,5], из таблицы следует, что коллагеновые волокна испытывают относительно небольшие деформации, но обладают гораздо большей по сравнению с эластином прочностью и отличаются от него значительно более высоким модулем упругости.
Таблица 2
Вещество |
Модуль упругости, МПа |
Предел прочности при растяжении, МПа |
Удлинение при разрыве, % |
Эластиновые волокна |
0,6 |
1 |
200 |
Коллаген |
1000 |
50-100 |
50 |
Характер взаимодействия и количественные соотношения эластиновых и коллагеновых волокон в ткани определяют оптимальное соотношение прочностных и деформационных свойств мягких биологических тканей.
Например, в артериях и паренхиме лёгкого эластин придаёт упругость тканям. Коллагеновые волокна в этих тканях располагаются хаотично волнообразно и распрямляются лишь тогда, когда артерия или паренхима существенно растягиваются под действием внутреннего давления.
Состав основного вещества зависит от вида ткани, но его основными компонентами являются мукополисахариды и тканевая жидкость. С механической точки зрения основное вещество, имеющее малый модуль упругости, выполняет 3 основные функции: перераспределяет нагрузку от одного волокна к другому, эффективно изолирует индивидуальные волокна, предотвращая распространение разрывов, и уменьшает эффект трения вследствие скольжения волокон при их распрямлении.
Механические свойства мягких тканей зависят от того, как взаимно организованы волокна, клетки и основное вещество в структуре этих тканей.
Для некоторых тканей значения характерных показателей приведены в табл. 3 [4].
Таблица 3.
Ткань |
Предел прочности при растяжении, МПа |
Удлинение при разрыве, % |
Сухожилие |
53 |
9,7 |
Кожа |
7,6 |
78 |
Аорта (в продольном направлении) |
0,07 |
81 |
Мышца сердца |
0,11 |
63,8 |