Механические свойства мягких биологических тканей

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.

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
Коллаген		50-100

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		9,7
Кожа	7,6
Аорта (в продольном направлении)	0,07
Мышца сердца	0,11	63,8

Дата добавления: 2015-05-09