Механические свойства биологических тканей

Механические свойства биологических  тканей

Рассмотрим важнейшие  механические свойства биологических  тканей, благодаря которым осуществляются разнообразные механические явления 

– такие, как функционирование опорно-двигательного аппарата, процессы деформаций тканей и клеток, распространение  волн упругой деформации, сокращения и расслабление мышц, движение жидких и газообразных биологических сред. Среди этих свойств выделяют:

– упругость – способность  тел возобновлять размеры (форму  или объем) после снятие нагрузок;

– жесткость – способность  материала противодействовать внешней  нагрузкой; эластичность – способность  материала изменять размеры под  действием внешних нагрузок;

– прочность – способность  тел противодействовать разрушению под действием внешних сил;

– пластичность – способность  тел хранить (полностью или частично) изменение размеров после снятия нагрузок;

– хрупкость – способность  материала разрушаться без образования  заметных остаточных деформаций;

– вязкость – динамическое свойство, которое характеризует  способность тела противодействовать изменению его формы при действии тангенциальных напряжений;

– текучесть – динамическое свойство среды, которое характеризует 

способность отдельных его  слоев перемещаться с некоторой  скоростью в пространстве относительно других слоев этой среды.

Механические свойства мышц

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).

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.

Структура кожи и ее механические свойства

До недавнего времени  кожа привлекала недостаточное внимание исследователей. Ситуация стала меняться сравнительно недавно. Последние исследования привели к лучшему пониманию  особенностей этого органа.

Схематическое изображение  разреза нормальной человеческой кожи приведено на рис. 4. В большинстве  областей тела человека толщина кожи составляет несколько миллиметров. Кожа состоит из трех слоев: наружного  – эпидермиса, основного или собственно дермы и подкожной жировой  клетчатки.

Верхний слой – эпидермис /52/ состоит из многослойного ороговевшего эпителия, имеющего толщину от 0,1 до 1,5 мм. В тех участках, где кожа малоподвижна и подвергается значительным механическим воздействиям, эпидермис  значительно толще. На стопах, ладонях  и красной кайме губ толщина  эпидермиса составляет 0,2–0,9 мм. На веках  он очень тонок. Общая площадь  эпидермиса – 1,5–2 м2. Масса – около 0,5 кг. Эпидермис состоит из нескольких слоев клеток. Наружный роговой слой эпидермиса состоит из мертвых клеток (чешуек), богатых белком кератином, которые постоянно слущиваются  с поверхности кожи. Кератин может  составлять 85% всех белков в слое. Ниже находится роговой слой. Из-за плотной  упаковки он имеет значительную прочность  и играет роль механического барьера. Толщина рогового слоя в разных участках кожи различна (обычно, от 10 до 20 мкм). Наибольшей толщины (до 600 мкм) он достигает в  эпидермисе кожи ладоней и подошв. У мужчин роговой слой толще, чем  у женщин. С возрастом этот слой истончается.

Под эпидермисом располагается  дерма, которая обуславливает цвет кожи Дерма распадается на два  слоя: поверхностный, в котором имеются  кровеносные сосуды и нервы, и  более глубокий слой, в котором  находятся белковые волокна, обеспечивающие эластичность кожи. Волокна, в основном, содержат белки коллаген и эластин. Коллагеновые волокна прочны на разрыв и мало эластичны. Модуль упругости  для них более 10х106 Н/м2. Эластиновые  волокна, состоящие из эластина, менее  прочны на разрыв, чем коллагеновые, но значительно более эластичны. Они могут растягиваться до 170% от длины покоя без остаточной деформации. Эластин сходен по механическим свойствам с резиной, имеет модуль упругости такого же порядка: (1–5)*105 Н/м2. Коллагеновые и эластиновые  фибриллы, заключенные в мукополисахаридный гель, представляют более гомогенную по составу структуру, чем эпидермис.

Дерма плавно переходит в  подкожную или жировую клетчатку. Она состоит из переплетающихся  волокон, собранных в рыхлые толстые  пучки, промежутки между которыми заполнены  жировыми клетками. Подкожно-жировой  слой располагается по телу неравномерно. Толщина его зависит от многих факторов: возраста, пола, питания, образа жизни и т.д. Клетчатка служит для защиты тела от травм, от переохлаждения, а также представляет собой питательный  запас организма.

Наличие в коже многих слоев, обладающих своими собственными характеристиками, определяет гетерогенность ее механических свойств. Анизотропия некоторых  механических характеристик обусловливает  различное поглощение механической энергии в каждом из слоев, что  проявляется в особенностях распространения  механических волн на границе раздела  этих слоев, обладающих разными вязко  упругими свойствами.

Слоистое строение кожи затрудняло интерпретацию результатов исследования кожи. Теоретические модели не могли  адекватно объяснить экспериментальные  результаты исследований механических свойств кожи вследствие её сложной  структуры. Аналогичные трудности  возникали и при исследованиях  методом вдавливания.

Попытка обойти возникающие  трудности была предпринята недавно  голландскими учеными при исследовании кожи задней стороны локтя. Они использовали инденторы разных диаметров: 1 мм, 0,5 мм 0,1 мм и 0,02 мм.

Предполагалось, что зависимость  глубины погружения h от прикладываемого  усилия для индентора диаметром 0,02 мм отражает твердость рогового слоя, 0,5 мм – дермы и 1 мм – подкожного слоя. На рис. 6 приведен график зависимости F/R от глубины погружения. Эти зависимости  линейные в полном соответствии с  уравнением (4) и, по-видимому, подтверждают предположения авторов. Упругость  эпидермиса по величине больше упругости  дермы, которая, в свою очередь, больше упругости подкожной клетчатки.

Состояние кожи изменяется как  при возникновении патологии, так  и с возрастом /7, 55–58/. По общему мнению, заметные возрастные изменения проявляются  после 30–40 лет. При этом гистологически найдены следующие признаки: истончение эпидермиса после 60 лет, уменьшение содержания трансэпидермальной воды, уменьшение толщины кожи /57/ утолщение рогового слоя, истончение дермы. В то же время  авторы /17/ путём исследования ультразвуком установили, то толщина кожи остаётся неизменной вплоть до 70 лет. С возрастом, по их мнению, изменяется эластичность кожи, что приводит к уменьшению первоначальной фазы эластических деформаций.

Как уже было указано выше, в работе /69/ в качестве количественного  критерия оценки упругости кожи предложено использовать время возврата какой  либо точки обследуемого участка  кожи к исходной форме после импульсного  деформирования. Это предложение  основано на определении упругости, как свойства тела восстанавливать  свою форму после действия силы. На основе экспериментальных исследований разработанного авторами устройства были сделаны следующие выводы: воспроизводимость  результатов измерений не хуже 10%; упругость кожи практически не зависит  от силы деформирующего воздействия: разброс  параметров лежит в пределах воспроизводимости  результатов измерений.

Типичные результаты измерения  времени возврата деформированного участка кожи лба к исходной форме  с использованием разработанного авторами устройства. Как видно из рис. 7, в  процессе возвращения поверхности  кожи к исходной форме можно выделить две стадии. Первая (быстрая) стадия характеризуется параметром А –  характерным временем возврата кожи к исходной форме. Величина А, по мнению авторов, является основным количественным параметром, характеризующим упругость  кожи. Вторая стадия (медленная) характеризуется  величиной остаточных деформаций (параметр В) и временем окончательного возвращения  поверхности кожи к первоначальной форме. Как следует из графиков, более  молодая кожа (кривая а) характеризуется  большей скоростью возврата к  исходной форме и меньшей величиной  остаточных деформаций. Анализ результатов  измерений показал, что величина относительных колебаний упругости  кожи в зависимости от возраста обследуемого (от 15 до 55 лет) достигал 5-кратного значения. При сравнении упругости кожи в различных областях тела у одного и того же пациента было выявлено, что  параметры А и В варьируют  в пределах ± 10%.

Одно из объяснений возрастных изменений упругости кожи состоит  в предположении, что изменяется состояние сети эластичных волокон  дермы. Другое объяснение – увеличивается  количество сшивок внутри коллагеновых волокон /58/. Наличие сшивок подтверждается увеличением доли нерастворимой  части кожи.

В течении всей жизни человека медленно, но неуловимо проявляются  внешние признаки старения. Эти внешние  признаки, в первую очередь, связаны  с изменениями микрорельефа поверхности  кожи (морщины). Микрорельеф кожи, во многом, определяет как внешний вид  человека, так и тактильное восприятие его другими людьми (зрительное восприятие, приятность на ощупь).

Поэтому неудивителен интерес  к объективному количественному  описанию микрорельефа кожи человека, зависимостей микрорельефа от возраста и изменений его под действием  лекарств и косметических средств.

Термин «микрорельеф»  для кожи аналогичен по своей сути широко используемому в технике  термину «шероховатость». Шероховатость  – это совокупность неровностей  с относительно малыми расстояниями между соседними точками измерений.

В своей основе методы определения  микрорельефа кожи аналогичны методам  определения шероховатостей поверхностей твёрдых тел /70/, хотя и с учетом свойств кожи.

Одним из старых методов является метод слепков. Метод состоит  из следующих стадий: изготовление негативных реплик (отпечатков); получение  с них позитивных копий (слепков) из полимеризующихся мелкодисперсных  химических композиций (обычно на основе эпоксидных смол или полиметилметакрилата); собственно регистрацию позитивной реплики и анализ полученных результатов. Применительно к коже этот метод  подробно разобран в работе /71/. Там  же тщательно описаны достоинства  и недостатки материалов, используемых для изготовления отпечатков и слепков. Запись профиля с позитивной реплики  может выполняться стандартными методами с помощью механических или оптических профилометров (промышленных или разработанных специально для  медицинских целей). В зависимости  от условий могут анализироваться  как отдельные (единичные) профили  поверхностей (глубины и ширины борозд), так и их пространственные характеристики (плотность, ориентация, симметрия). Методики обработки результатов измерений  продолжают совершенствоваться с применением  современной техники (лазерной профилометрии, трёхмерной компьютерной обработкой негатива /72, 73/).