- •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
3.3.3. Механические свойства ткани кровеносных сосудов.
Кровеносные сосуды состоят из трёх концентрических слоёв: внутреннего (интима), среднего (медия) и наружного (адвентиция).
Механические свойства сосудов определяются главным образом свойствами средней сосудистой оболочки, состоящей из коллагена, эластина и гладких мышечных волокон.
Различия в механических свойствах эластина и коллагена, их роль в деформируемости мягких тканей обсуждалась в предыдущих разделах. Рассмотрим роль гладких мышц.
Клетки гладких мышц (миоциты) могут менять длину, сокращаясь под действием нервных (электрических) или химических стимулов. В результате меняются и механические свойства мышцы. В частности, для нестимулированной мышцы модуль упругости составляет около 104 Па; при её сокращении он возрастает примерно в 10 раз. Именно гладкая мышца реализует активное поведение кровеносных сосудов. В результате её сокращения изменяются диаметр соответствующего сосуда и механические свойства сосудистой стенки в целом, что позволяет регулировать кровотока.
Относительное содержание трёх основных компонентов сосудистой оболочки различно в разных участках сосудистого русла. Содержание эластина к коллагену в кровеносных сосудах, близких к сердцу равно 2:1; оно уменьшается по мере удаления от сердца и, например, в бедренной артерии составляет 1:2. С удалением от сердца увеличивается также содержание гладких мышц, в артериолах они становятся основной составляющей сосудистой стенки.
Таблица 4.
Сосуд |
Предел прочности при растяжении в продольном направлении, МПа |
Максимально допустимое растяжение, |
Модуль упругости Е, МПа |
|
1 = 0,05 МПа |
2 = 0,4 МПа |
|||
Аорта: передняя (вентральная)стенка |
1,1 |
0,455 |
0,84 |
3,9 |
задняя (дорзальная) стенка |
0,7 |
0,42 |
1 |
3,5 |
Артерия: общая сонная |
1,99 |
0,61 |
0,78 |
4,2 |
бедренная |
1,32 |
0,4 |
1 |
5,4 |
Большая подкожная вена ноги |
3,92 |
0,373 |
2,1 |
8,5 |
Следует отметить, что сосудистая стенка практически несжимаема и обладает явно выраженной анизотропией механических свойств. В частности, модули упругости сосудистой стенки различны в осевом (продольном относительно сосуда) и кольцевом направлениях. Их конкретные значения также зависят от участка в сосудистом русле и от напряжений, при которых они определяются.
В табл. 4 приведены данные о прочности, предельных продольных деформациях и продольных модулях упругости некоторых кровеносных сосудов при разных механических напряжениях σ1 и σ2 .
Н а рис. 22 показаны характерные экспериментальные зависимости между продольными напряжениями и деформациями для различных сосудов, отмеченных цифрами. Здесь 1 – подкожная вена; 2, 3 – соответственно подвздошная и бедренная артерии; 4, 5 – задняя и передняя стенки брюшной аорты соответственно; 6, 7 – внутренняя и общая сонные артерии. Несовпадение этих кривых связано в первую очередь с различным содержанием основных компонент (эластина, коллагена и гладких мышц) в данных сосудах. Следует учесть, что экспериментальные исследования проводятся, как правило, в лабораторных условиях на образцах, удалённых из организма (in vitro). При этом функциональное действие гладкой мышцы нарушается, а значит, выявляется только её пассивное механическое поведение. Все приведенные данные получены при статистическом нагружении.
С увеличением скорости деформации сосудистой ткани предел её прочности и величина максимальной деформации max увеличиваются и оказываются больше значений, соответствующих статическому нагружению.
Напомним, что стенки кровеносных сосудов постоянно подвергаются периодическому нагружению переменным пульсирующим давлением. При изменении частоты нагружения в широких пределах проявляются вязкоупругие свойства сосудистой стенки. Однако опыт показывает, что при частоте нагружения 1 – 2 Гц (физиологически разумная частота) она ведет себя почти как упругое тело.