Механические свойства тканей организма

Упругость и прочность костей значительно превосходят соответствующие механические свойства мягких тканей, что объясняется их химическим составом и строением. Кости представляют собой двухфазную систему (композиционыйматериал), включающую органические вещества белковой природы и кристаллы минеральных солей. В среднем костный материал содержит 30% белкового компонента, 60% неорганических соединений и 10% воды. Двухфазный материал включает костные пластинки толщиной от 5 до 10 мкм, между которыми располагаются клеточные элементы: остеобласты, остеоциты и остеокласты.

Основная функция остеобластов - синтез органических веществ - фибрилл коллагена и полисахаридов. Остеоциты обеспечивают постоянный обмен органических и неорганических соединений между клетками и межклеточным веществом, что способствует сохранению стабильной структуры костной ткани и ее механических свойств. Остеокласты участвуют во внутреннем разрушении (резорбции) кости. В месте взаимодействия этих клеток с межклеточным веществом наблюдается активный процесс его резорбции путем образования полостей. Таким образом, функциональные возможности костных клеток обеспечивают не только сохранение структуры, но и перестройку костной ткани.

Основную массу минерального состава образует гидроксиапатит с химической формулой 3Са₃ (РО₄)₂´Са(ОН)₂. Это соединение формирует кристаллы с наибольшим размером 20 нм, причем длинные оси кристаллов располагаются параллельно оси фибриллам коллагена. По механическим свойствам минеральные и белковые компоненты существенно различаются.

Если для коллагена модуль упругости равен Е = 10⁹ Н/м², для кристаллов эта величина составляет 10¹¹ Н/м². Соответствующий модуль упругости для кости лежит между этими значениями Е = 10¹⁰ Н/м². С помощью химической обработки можно изменить соотношение минеральных и органических соединений. Если растворить и удалить все неорганические соединения, то оставшиеся вещества обеспечивают сохранение формы кости. Однако при этом резко уменьшается упругость и материал ведет себя подобно эластичным материалам (аналогично резине). Напротив, если удалить все органические компоненты, внешняя форма кости тоже сохраняется, но кость становится хрупкой с малой прочностью. Поэтому обеспечение оптимальных механических свойств достигается определенным соотношением минеральных и органических веществ. Нарушение обмена веществ в организме, особенно минеральных соединений, оказывает выраженное влияние на их механические свойства.

Принято различать компактную кость, в которой структура определяется пластиночным строением и спонгиозную (губчатую) с высокой и неоднородной пористостью. Спонгиозная кость состоит из перекладин (трабекул), формирующих сложную пространственную систему. Трабекулы представлены в виде цилиндрических или плоских элементов с толщиной 0,2 - 0,6 мкм и длиной 1,6 мкм. Поверхностные участки кости формируются из компактной (наиболее прочной), внутренние - из спонгиозной кости.

Исследование внутренней структуры костной ткани позволяет заключить, что трабекулы располагаются вдоль линий максимального напряжения. На рисунке 36 приведены линии наибольших напряжений в бедренной кости при воздействии на нее нагрузки Р. Костные балки, располагающиеся вдоль этих линий обеспечивают высокое сопротивление деформациям как при сжатии (линия 1), так и при растяжении (2). Если изменяются напряжения в костях скелета, происходит перераспределение пространственного расположения трабекул в зависимости от величины и направления действия внешних сил. Подобный эффект наблюдается при обездвиживании организма (при многодневном постельном режиме - до 9 месяцев), а также при продолжительных космических полетах. Уменьшение гравитационной нагрузки сопровождается снижением содержания минеральных соединений, ухудшением механических свойств и, прежде всего, падением прочности костей скелета. При этом удаление солей кальция происходит в тех костях, которые в условиях нормальной гравитации несут опорную нагрузку и содержат в основном губчатое вещество - в позвонках.

В процессе старения организма структура костной ткани изменяется в направлении уменьшения органических и соответственно повышения относительного содержания минеральных веществ. Такая химическая трансформация приводит к снижению прочности и повышению хрупкости костного материала. Поскольку хрупкие тела обладают малой устойчивостью к воздействию кратковременных импульсных сил, повышение хрупкости и снижение прочности костей скелета объясняют тот факт, почему у пожилых и старых людей так часто наблюдаются переломы костей при падениях и ударах. Следует отметить, что амортизационные прокладки (покрытия с вязкими свойствами) уменьшают разрушительное действие ударов по костной ткани в результате поглощения части механической энергии, которая расходуется на преодоление вязких сил. По существующим оценкам кожа увеличивает энергию, необходимую для разрушения кости на 37%.

Мягкие ткани организма: кожа, мышцы, связки, стенки кровеносных сосудов, внутренние органы обладают выраженными эластичными свойствами: существенно меньшей упругостью и прочностью по сравнению с костной тканью, а также способностью к большим относительным деформациям - до 200%. Эти ткани содержат различные, преимущественно, органические компоненты. Наиболее важное значение для их механических свойств имеют биополимеры коллаген и эластин.

Основным опорных элементом всех соединительных тканей является коллаген - фибриллярный высокомолекулярный белок. Особенность этого белка проявляется в том, что он способен формировать спирали на всех уровнях организации от полипептидной цепи до спиральных волокон в коллагеновом пучке. Коллагеновые волокна обладают относительно высокой прочностью на растяжение (50 - 100 МПа) и значительным модулем упругости (до 10⁹ Па).

Эластин состоит из цепей аминокислот, соединенных через определенные интервалы жесткими химическими связями. Этот белок обладает выраженными упругими свойствами и его деформация хорошо описывается законом Гука. Однако модуль упругости эластина ниже чем у коллагена и достигает 0,6 МПа.

Количественные соотношения и характер взаимодействия эластиновых и коллагеновых волокон определяют оптимальную взаимосвязь прочности и деформации мягких тканей. Например, в артериях и паренхиме легкого эластин придает упругость ткани. Коллагеновые волокна здесь расположены хаотично и распрямляются лишь в том случае, когда орган растягивается под действием внешних сил.

Механические свойства мягких тканей зависят от пространственного расположения волокон и клеток. Так например, в сухожилиях и связках коллагеновые волокна располагаются вдоль оси. При расслаблении биологического объекта коллагеновые волокна в сухожилии находятся в виде спирали, а при передаче усилия от мышцы к кости они распрямляются. В коже коллагеновые волокна образуют трехмерную сеть с ячейками ромбической структуры. Поэтому при воздействии на кожу внешних сил ее деформация осуществляется за счет изменения формы ячеек коллагеновой сети.

Дата добавления: 2014-01-15