Под механическими свойствами биологических тканей понимают две их разновидности. Одна связана с процессами биологической подвижности: сокращение мышц животных, рост клеток, движение хромосом в клетках при их делении и др. Эти процессы обусловлены химическими процессами и энергетически обеспечиваются АТФ, их природа рассматривается в курсе биохимии. Условно указанную группу называют активными механическими свойствами биологических систем.
Костная ткань. Кость – основной материал опорно-двигательного аппарата. Две трети массы компактной костной ткани (0,5 объема) составляет неорганический материал, минеральное вещество кости – гидроксилантит 3 Са3(РО) х Са(ОН)2. Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов.
Плотность костной ткани равна 2400 кг/м3, ее механические свойства зависят от многих факторов, в том числе от возраста, индивидуальных условий роста организма и, конечно, от участка организма. Строение кости придает ей нужные механические свойства: твердость, упругость и прочность.
Кожа. Она состоит из волокон коллагена и эластина и основной ткани – матрицы. Коллаген составляет около 75 % сухой массы, а эластин – около 4 %. Эластин растягивается очень сильно (до 200–300 %), примерно как резина. Коллаген может растягиваться до 10 %, что соответствует капроновому волокну.
Таким образом, кожа является вязкоупругим материалом с высокоэластическими свойствами, она хорошо растягивается и удлиняется.
Мышцы. В состав мышц входит соединительная ткань, состоящая из волокон коллагена и эластина. Поэтому механические свойства мышц подобны механическим свойствам полимеров. Механическое поведение скелетной мышцы следующее: при быстром растяжении мышц на определенную величину напряжение резко возрастает, а затем уменьшается. При большей деформации происходит увеличение межатомных расстояний в молекулах.
Ткань кровеносных сосудов (сосудистая ткань). Механические свойства кровеносных сосудов определяются главным образом свойствами коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. Содержание этих составляющих сосудистой ткани изменяется по ходу кровеносной системы: отношение эластина к коллагену в общей сонной артерии 2: 1, а в бедренной артерии – 1: 2. С удалением от сердца увеличивается доля гладких мышечных волокон, в артериолах они уже являются основной составляющей сосудистой ткани.
При детальном исследовании механических свойств сосудистой ткани различают, каким образом вырезан из сосуда образец (вдоль или поперек сосуда). Можно рассматривать деформацию сосуда в целом как результат действия давления изнутри на упругий цилиндр. Две половины цилиндрического сосуда взаимодействуют между собой по сечениям стенок цилиндра. Общая площадь этого сечения взаимодействия равна 2hl. Если в сосудистой стенке существует механическое напряжение s, то сила взаимодействия двух половинок сосуда равна:
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Читайте также
Механические леса
Механические леса Достигнув этой стадии истории, мы должны вернуться к началу — к закону инерции Галилея. Мы процитируем его еще раз:«Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием
ЛЕКЦИЯ V КИСЛОРОД СОДЕРЖИТСЯ В ВОЗДУХЕ. ПРИРОДА АТМОСФЕРЫ. ЕЕ СВОЙСТВА. ДРУГИЕ ПРОДУКТЫ ГОРЕНИЯ СВЕЧИ. УГЛЕКИСЛОТА, ЕЕ СВОЙСТВА
ЛЕКЦИЯ V КИСЛОРОД СОДЕРЖИТСЯ В ВОЗДУХЕ. ПРИРОДА АТМОСФЕРЫ. ЕЕ СВОЙСТВА. ДРУГИЕ ПРОДУКТЫ ГОРЕНИЯ СВЕЧИ. УГЛЕКИСЛОТА, ЕЕ СВОЙСТВА Мы уже убедились, что водород и кислород можно получить из воды, полученной нами при горении свечи. Вы знаете, что водород берется из свечи, а
12. Механические колебания
12. Механические колебания Повторяющиеся движения (или изменения состояния) называют колебаниями (переменный электрический ток, явление маятника, работа сердца и т. п.). Различают:1) свободные, или собственные, колебания – такие колебания, которые происходят в отсутствие
13. Механические водны
13. Механические водны Механические волны – это возмущения, распространяющиеся в пространстве и несущие энергию. Различают два вида механических волн: упругие волны и волны на поверхности жидкостей.Упругие волны возникают благодаря связям, существующим между частицами
20. Механические свойства твердых тел и биологических тканей
20. Механические свойства твердых тел и биологических тканей Характерным признаком твердого тела является способность сохранять форму. Твердые тела можно разделить на кристаллические и аморфные.Отличительным признаком кристаллического состояния служит анизотропия –
29. Физические процессы в биологических мембранах
29. Физические процессы в биологических мембранах Важной частью клетки являются биологические мембраны. Они отграничивают клетку от окружающей среды, защищают ее от вредных внешних воздействий, управляют обменом веществ между клеткой и ее окружением, способствуют
36. Электропроводимость биологических тканей и жидкостей при постоянном токе. Электрический разряд в газах
36. Электропроводимость биологических тканей и жидкостей при постоянном токе. Электрический разряд в газах Биологические ткани и органы являются довольно разнородными образованиями с различными электрическими сопротивлениями, которые могут изменяться при действии
39. Свойства магнетиков и магнитные свойства тканей человека
39. Свойства магнетиков и магнитные свойства тканей человека Молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля магнитные моменты. При отсутствии магнитного поля эти моменты расположены хаотически и их намагниченность равна нулю. Степень упорядоченности магнитных
41. Полное сопротивление ((импеданс) тканей организма. Физические основы реографии
41. Полное сопротивление ((импеданс) тканей организма. Физические основы реографии Ткани организма проводят не только постоянный, но и пе ременный ток. В организме нет таких систем, которые бы ли бы подобны катушкам индуктивности, поэтому индук тивность его близка к
Читайте также: Стул diamante мягкое сидение бук 42x42x85см коричневый ткань крекс милк
XIX. МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЕ ОТКРЫТИЯ
XIX. МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЕ ОТКРЫТИЯ Долгое время после Коперника «правоверная» птолемеева система попрежнему преподавалась в университетах и поддерживалась церковью. Например, астроном Местлин (1550–1631), учитель Кеплера, был сторонником учения Коперника (он,
Механические свойства биологических тканей
Под механическими свойствами биологических тканей понимают две их разновидности. Одна связана с процессами биологической подвижности: сокращение мышц животных, рост клеток, движение хромосом в клетках при их делении и др. Эти процессы обусловлены химическими процессами и энергетически обеспечиваются АТФ, их природа рассматривается в курсе биохимии. Условно указанную группу называют активными механическими свойствами биологических систем. Другая разновидность — пассивные механические свойства биологических тел. Рассмотрим этот вопрос применительно к биологическим тканям.
Как технический объект биологическая ткань — композиционный материал, он образован объемным сочетанием химически разнородных компонентов. Механические свойства биологической ткани отличаются от механических свойств каждого компонента, взятого в отдельности. Методы определения механических свойств биологических тканей аналогичны методам определения этих свойств у технических материалов.
Костная ткань.Кость — основной материал опорно-двигательного аппарата. В упрощенном виде можно считать, что 2 /3 массы компактной костной ткани (0,5 объема) составляет неорганический материал, минеральное вещество кости — гидроксилапатит ЗСа3(РО4)2 • Са(ОН)2. Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов. В остальном кость состоит из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий высокой эластичностью). Кристаллики гидроксилапатита расположены между коллагеновыми волокнами (фибриллами).
Плотность костной ткани 2400 кг/м 3 . Ее механические свойства зависят от многих факторов, в том числе от возраста, индивидуальных условий роста организма и, конечно, от участка организма.
Композиционное строение кости придает ей нужные механические свойства: твердость, упругость и прочность. Зависимость для компактной костной ткани имеет характерный вид, показанный на рис. а,
а) б)
т.е. подобна аналогичной зависимости для твердого тела; при небольших деформациях выполняется закон Гука. Модуль Юнга около 10 ГПа, предел прочности 100 МПа. Заметно хорошее соответствие с данными для капрона, армированного стеклом.
Примерный вид кривых ползучести компактной костной ткани приведен на рис. б). Участок 0А соответствует быстрой деформации, АВ — ползучести. В момент tv соответствующий точке В, нагрузка была снята. ВС соответствует быстрой деформации сокращения, CD — обратной ползучести. В результате даже за длительный период образец кости не восстанавливает своих прежних размеров, сохраняется некоторая остаточная деформация eост.
Схематично можно заключить, что минеральное содержимое кости обеспечивает быструю деформацию, а полимерная часть (коллаген) определяет ползучесть.
Если в кости или в ее механической модели быстро создать постоянную деформацию, то скачкообразно возникает и напряжение.
Кожа.Она состоит из волокон коллагена и эластина (так же как и коллаген, волокнистый белок) и основной ткани — матрицы. Коллаген составляет около 75% сухой массы, а эластин — около 4%. Примерные данные по механическим свойствам приведены в табл.
Эластин растягивается очень сильно (до 200—300%), примерно как резина. Коллаген может растягиваться до 10%, что соответствует капроновому волокну.
| Материал | Модуль упругости, МПа | Предел прочности, МПа |
| Коллаген Эластин | 10—100 0,1—0,6 |
Из сказанного ясно, что кожа является вязкоупругим материалом с высокоэластическими свойствами, она хорошо растягивается и удлиняется.
Мышцы.В состав мышц входит соединительная ткань, состоящая из волокон коллагена и эластина. Поэтому механические свойства мышц подобны механическим свойствам полимеров.
Гладкие мышцы могут значительно растягиваться без особого напряжения, что способствует увеличению объема полых органов, например мочевого пузыря. У скелетных мышц при быстром растяжении мышц на определенную величину напряжение резко возрастает, а затем уменьшается до sост Зависимость s=f(e) для скелетной мышцы нелинейна. Анализ этой зависимости показывает, что примерно до e
0,25 в портняжной мышце лягушки механизм деформации обусловлен распрямлением молекул коллагена. При большей деформации происходит увеличение межатомных расстояний в молекулах.
Пассивные механические свойства биологических тканей
Механические модели биообъектов. Закон Гука при деформации тканей, сущность модели Максвелла. Механические свойства мышц и костей: растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Эластические свойства сосудов и вен. Молекулярные основы упругих свойств биообъектов.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
АО «Медицинский университет Астана»
Кафедра медицинской биофизики и основ безопасности жизнедеятельности
Тема: «Пассивные механические свойства биологических тканей»
1. Механические модели биообъектов. Закон Гука при деформации тканей
2. Механические свойства мышц и костей
3. Механические свойства стенки кровеносных сосудов
4. Механические процессы в легких
5. Молекулярные основы упругих свойств биообъектов
1. Механические модели биообъектов. Закон Гука при деформации тканей
Под механическими свойствами биотканей понимают две разновидности:
Первая (активная) связана с процессами биологической подвижности: сокращение мышц, рост клеток, движение хромосом в клетках, их деления и т.д. Эти процессы обусловлены химическими процессами и энергетически обеспечиваются АТФ. Другая разновидность — пассивные механические свойства биосистем обусловленные внешними воздействиями.
Читайте также: Плотная ткань для окна
Биологическая ткань — композиционный материал, образованный объемным сочетанием химически разнородных элементов и обладающий реологическими свойствами, отличающимися от свойств отдельных компонентов биоткани. Основу биотканей составляют коллаген, эластин и связующее вещество.
Механические воздействие на биоткани вызывают в них деформации и напряжения, появляется механическое движение, распространяются волны. Физиологическая реакция на эти факторы зависит от механических свойств биотканей. Знать, как меняются эти реакции и свойства тканей очень важно для профилактики, защиты организма, для применения искусственных тканей и органов, а также для понимания их физиологии и патологии.
В биомеханике все ткани человека подразделяются по плотности и типу пространственной структуры на твердые (кость, эмаль и дентин зубов), мягкие (мышцы, эпителий, эндотелий, соединительная ткань, паренхима), жидкие (кровь, лимфа, ликвор, слюна, сперма).
Упругие и вязкие свойства тел удобно моделировать. В качестве модели упругого тела можно выбрать пружину, Малая деформация которой соответствует закону Гука:
где з — коэффициент вязкости, — скорость вязкой деформации.
Моделью вязкого тела является поршень с отверстиями, движущийся в цилиндре с вязкой жидкостью.
Вязкоупругие свойства тел моделируются системами, состоящими из различных комбинаций двух простых моделей: пружина и поршень.
Наиболее простой системой, сочетающей упругие и вязкие свойства, является модель Максвелла, в которой последовательно соединены упругий и вязкий элемент. При воздействии постоянной силой пружина упруго мгновенно удлиняется до значения, определяемого законом Гука, а поршень движется с постоянной скоростью до тех пор, пока действует сила (напряжение). Так реализуется на модели ползучесть материала (деформация тела под действием постоянной нагрузки):
где Е — модуль Юнга, у — деформация, еупр — упругая часть общей деформации в модели Максвелла.
Также используется модель Кельвина — Фойхта, состоящая из параллельно соединенных пружины и поршня, нечто вроде амортизатора в автомашине.
Если создать в такой системе напряжение, приложив постоянную силу, то деформация системы будет возрастать:
у = уупр + увязк или у = Eу + з
В рамках модели Кельвина — Фойхта деформация экспоненциально возрастает со временем. При снятии нагрузки деформация начнет экспоненциально убывать.
В полимерах реализуются разные виды деформации: упругая обратимая (модель — пружина), вязкоупругая обратимая (модель Кельвина — Фойхта) и необратимая вязкая (модель — поршень). Сочетание этих 3 элементов позволяет создавать модели, наиболее полно отражающие механические свойства тел и, в частности, биологических объектов.
2. Механические свойства мышц и костей
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, и 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).
Читайте также: Стирка тканей с пропиткой
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.
Костная ткань. Кость — основной материал опорно-двигательного аппарата
Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Так кости черепа и грудной клетки защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную функцию.
Выделяют 4 вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение.
Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Самая массивная кость — большеберцовая (основная кость бедра) выдерживает силу сжатия в 16-18 кН.
Менее прочны кости на изгиб и кручение. Однако регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов — кости предплечья и т.п.
3. Механические свойства стенки кровеносных сосудов
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 трансмурального давления.
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.
К счастью, данный процесс может быть уравновешен активным сужением вен. В суженных венах объем крови может соответствовать норме или даже быть ниже нормы, несмотря на более высокое, чем венозное давление. Сужение периферических вен само по себе способно повышать периферическое венозное давление и перемещать кровь из венозного резервуара.
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. Механические процессы в легких
биообъект мышца гук закон
Вдох совершается в результате увеличения объема грудной полости, происходящем при подъеме ребер и опускании диафрагмы. Увеличение объема грудной полости приводит к уменьшению давления в плевральной полости; в результате увеличения разности давления между давлением воздуха и давлением плевральной полости легкие расправляются.
При выдохе расслабляются мышцы, под давлением перепада давления легкие сжимаются.
Атмосферное давление (р) на грудную клетку уравновешивается давлением плевральной полости и эластичной тягой грудной клетки: