Механические свойства кожи

Механические свойства сухожилий.

Сухожилие по сравнению с другими тканями имеет относительно простую микроструктуру, которая определяется одной доминирующей компонентой – расположенными однонаправленно коллагенновыми волок-нами. Такая структура связана с главной физиологической функцией сухожилия – с необходимостью передавать усилия в одном направлении – от мышцы к кости. В фазе расслабления коллагеновые волокна сухожилий имеют волнообразную форму, а при передаче усилия они распрямляются, почти не деформируясь.

Модуль упругости Е сухожилия, определенный на трупной ткани, например, для сухожилия длинного разгибателя пальца равен 117,7 МПа.

Сухожилие имеет самый высокий предел прочности и наименее растяжимо среди неминерализованных тканей. Механические свойства сухожилий зависят от пола и возраста человека. Максимальную прочность они приобретают к 21 – 25 годам. Достоверных данных о влиянии старения организма ни механические характеристики сухожилий пока нет.

У взрослого человека площадь поверхности кожи составляет 1,5 – 1,6 м². Толщина кожи меняется в пределах от 0,5 до 4 мм. В сутки кожа выделяет 0,5 – 0,6 л воды. Помимо других функций, кожа выполняет и функцию терморегуляции за счёт увеличения или уменьшения теплоотдачи (на её долю приходится около 80 % тепловых потерь). Она растягивается и удлиняется, испытывая большие деформации, обладает анизотропными и нелинейными свойствами.

Кожу часто рассматривают как гетерогенную ткань, состоящую из трёх наложенных друг на друга слоёв, которые тесно связаны между собой, но чётко различаются по природе, структуре и свойствам. Схематическое изображение трёх её основных слоёв – эпидермиса, дермы и подкожной клетчатки представлено на рис. 16. Эпидермис покрыт роговым слоём. Функции каждого слоя отражают биомеханическую природу его компонентов и их структурную организацию.

Дерма в большей степени ответственна за механическую прочность кожи; эпидермис важен, прежде всего, для сохранения воды.

В состав кожи входят волокна коллагена, эластина и основного вещества. Коллаген составляет около 75% сухой массы кожи, эластин –примерно 4 %. Связи между волокнами определяют поведение кожи при деформации. На рис. 17 показана структура дермы до (а) и после (б) растяжения в горизонтальном направлении. Данные получены с помощью сканирующего электронного микроскопа, при увеличении 400^х. Из рисунка видно, что первоначально слабо упорядоченная укладка волокон при растяжении становится упорядоченной и направленной вдоль действующей силы.

Основное вещество кожи оказывает малое сопротивление действию внешних сил. При малых механических напряжениях главную роль играет эластин, при высоких – коллаген. Поэтому с увеличением деформации кожи её упругое сопротивление сначала невелико (что обусловлено деформацией эластина), а затем, при распрямлении коллагеновых волокон, резко возрастает, и это хорошо видно на рис. 18. Здесь показаны кривые «напряжение – деформация», полученные при растяжении лоскута кожи живота в разных направлениях, которые также иллюстрируют анизотропию механических свойств кожи. Кривая 1 соответствует поперечному, а кривая 2 – продольному направлению растягивающей силы по отношению к продольной оси тела*. Видно, что в поперечном направлении упругие свойства выше. Подобная анизотропия механических свойств кожи обусловлена прежде всего упаковкой пучков коллагеновых волокон: большинство из них ориентируются в коже поперек продольной оси тела. Благодаря этому кожная ткань имеет различные модули упругости, разрушающие напряжения и максимальные деформации в поперечном и продольном направлениях. Так предел прочности кожи в поперечном направлении примерно в 1,5 раза больше, чем в продольном, а ее максимальное растяжение, наоборот, приблизительно вдвое больше в продольном направлении (сравните, например, кривые 3 и 5 или 2 и 4 на приведенных ниже рисунках 20 и 21).

В последние годы при исследовании механических свойств кожи непосредственно на живом теле человека активно применяются акустические методы. В частности, с помощью акустического анализатора тканей оценивалась скорость распространения акустических волн звукового диапазона (5 – 6 кГц) в разных направлениях. Проведенные опыты выявили акустическую анизотропию кожи, которая проявляется в том, что скорость распространения поверхностной волны (V) во взаимноперпендикулярных направлениях – вдоль продольной (у) и поперечной (х) осей тела – различна.

Для количественной оценки степени акустической анизотропии используется коэффициент анизотропии (K), который вычисляется по формуле:

, (14)

где V_y – скорость волны вдоль продольной (вертикальной) оси, V_x – вдоль поперечной (горизонтальной).

Коэффициент анизотропии положителен (K⁺), если V_y > V_x, при отрицателен (K^–) при V_y < V_x.

Степень акустической анизотропии кожи достаточно высока. На лице она максимальна для верхнего века и минимальна для середины щеки. В обоих случаях V_y < V_x, т.е. коэффициент анизотропии отрицателен (К^–)

Следует отметить, что механическая и акустическая анизотропия связаны с линиями естественного натяжения кожи, так называемыми линиями Лангера, которые служат ориентиром для выполнения разреза кожи при хирургическом вмешательстве. Разрез вдоль этих линий обуславливает формирование оптимального кожного рубца.

Сопоставление ориентации линий Лангера и вида акустической анизотропии показано на рис. 19.

При некоторых патологиях степень анизотропии кожи сильно возрастает, например, при псориазе, при атопических дерматитах (особенно в областях сгибательных поверхностей), на коже верхнего века при прогрессирующей близорукости.

Механические свойства кожи зависят также от пола и возраста человека.

Возрастные изменения предела прочности кожи и максимального относительного удлинения ее in vitro отражены на рис. 20 и 21. Кожа бралась у людей, принадлежащих к шести возрастным группам. На рисунках эти группы отмечены цифрами по горизонтали: 1 – до одного года; 2 – до 9 лет; 3 – от 17 до 24 лет; 4 – от 25 до 35 лет; 5 – от 36 до 39 лет; 6 – 50 лет и старше. На обоих рисунках зависимость 1 соответствует коже передней области шеи; 2 и 4 – груди; 3 и 5 – области живота (1,2,3 – продольные образцы, 4,5 – поперечные образцы). Все образцы подвергались растяжению на разрывной машине с постоянной скоростью 200 мм/мин при температуре воздуха в помещении 20^оС.

Дата добавления: 2015-05-09