Пассивные механические свойства биологических тканей

  
 
СРС 
Тема: Пассивные механические свойства биологических тканей

 

Подготовила: Бримжанова А.С. 134 группа

Проверила: Масликова  Е.И.

 

АО «Медицинский университет Астана»

Кафедра медбиофизики и ОБЖ

 

Астана, 2014 г.г.

План:

 

• Механические модели биообъектов. Закон Гука при деформации тканей.
• Механические свойства мышц и костей.
• Механические свойства стенки кровеносных сосудов.
• Механические процессы в легких.
• Молекулярные основы упругих свойств биообъектов.

Под механическими свойствами биологических тканей понимают две их разновидности

 

1. Связана с процессами биологической подвижности: сокращение мышц животных, рост клеток, движение хромосом в клетках при их делении и др.

 

2. Пассивные механические свойства  биологических тел 

Биологические ткани-

 

• обладают сложной анизотропной структурой, зависящей от функций, для которых они предназначены. Эту удивительную оптимальную структуру можно увидеть в конструкции костей нижних конечностей или в миокарде, которые армированы высокочастотными волокнами в окружных и спиральных перекрещивающихся направлениях. Биологические ткани испытывают обычно большие деформации. Зависимость между силами и удлинениями, соответственно между напряжениями и деформациями, устанавливается экспериментальным образом и имеет нелинейный характер.

 

упругость

 

хрупкость

 

жесткость

 

прочность

 

пластичность

 

Текучесть

 

 вязкость

 

свойства биологических тканей

Среди этих свойств выделяют: 

 

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

 

 

хрупкость – способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций; 

 

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

 

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

 

хрупкость – способность материала разрушаться без образования заметных

 

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

 

прочность – способность тел противодействовать разрушению под действием внешних сил;

 

Под действием внешней силы в тканях и органах возникают  
деформации  и течения  
 
 
 

Деформация тела –  
 
изменение взаимного расположения  
материальных точек тела, которое приводит к изменению его формы и размеров.  
 

Виды деформации

 

1. Упругая деформация (эластичная) – деформация, исчезающая после прекращения действия внешних сил.
2. Неупругая деформация (пластическая) – деформация, которая сохраняется и после прекращения внешнего воздействия.
3. Упругопластическая деформация – неполное исчезновение деформации после прекращения внешнего воздействия.

Виды деформации

 

4. Продольная деформация – деформация, возникающая в стержне  при действии силы, направленной вдоль его оси.
5. Сдвиговая деформация –деформация, возникающая под действием силы, касательно приложенной к одной грани прямоугольного параллелепипеда, превращающая его в косоугольный параллелепипед.

Продольная деформация –изменение длины тела при растяжении и сжатии.

 

   |Fr| = |F|

Величина растяжения мышцы пропорциональна величине деформирующей силы.

 

где

 е - механическое напряжение

  - относительная деформация

l  - исходная длина мышцы

Δl  - абсолютное удлинение

F - деформирующая сила

Fr - равновесная упругая сила

E - модуль упругости или модуль     Юнга

 

 

е=E

=Δl/l

е=Fr/s=F/s

F/S=E.Δl /l ,

кости

 

кожа

 

мышцы

Мышцы

 

• Основная функция мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или силу. Главными биомеханическими показателями, характеризующими деятельность мышцы, являются:

 

б) сила, регистрируемая на ее конце (эту силу называют натяжением или силой тяги мышцы)

 

а) скорость изменения длины. 

Свойства мышц

 

• 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,

 

 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.

Мышцы имеют волокнистое строение. Под обычным микроскопом без труда наблюдается поперечно-полосатая структура мышечных волокон. Фибриллы имеют оболочку, образованную трубочками и пузырьками саркоплазматического ретикулума. Мышца содержит также митохондрии, расположенные между фибриллами. Миофибрилла в свою очередь состоит из ряда белковых нитей - толстых и тонких. Симметрия их расположения в поперечном сечении гексагональна (рисунок).

 

 

Черные линии - это так называемые Z -линии (Z - диски, имеющие вид линий в продольном сечении). Участок миофибриллы между двумя Z-линиями называется саркомером. Толстые нити образованы белком миозином, тонкие - в основном белком актином.

Костная ткань

 

• Кость- основной материал опорно- двигательного аппарата.

 

Кости позвоночного столба и нижних конечностей выполняют, в основном, опорную функцию. Кости черепа, позвоночного столба и грудной клетки выполняют защитные функции соответственно по отношению к мозгу, спинному мозгу, лёгким и сердцу. Двигательная функция осуществляется главным образом конечностями.

 

• Костная ткань представляет собой весьма совершенную специализированную разновидность тканей внутренней среды. В этой системе гармонично сочетаются такие противоположные свойства, как механическая прочность и функциональная пластичность, процессы новообразования и разрушения.
• Костная ткань состоит из клеток и межклеточного вещества, которые характеризуются определенной гистоархитектоникой. Основные клетки костной ткани — это остеобласты, остеоциты и остеокласты.

Кость является твердым телом, для которого основными свойствами являются прочность и упругость.

 

• Прочность кости — это способность противостоять внешней разрушающей силе. Количественно прочность определяется пределом прочности и зависит от макро- и микроскопической конструкции и состава костной ткани. Что касается макроскопической конструкции, то каждая кость имеет специфическую форму, позволяющую выдерживать наибольшую нагрузку в определенной части скелета.
• Упругость кости — это свойство приобретать исходную форму после прекращения воздействия факторов внешней среды.

Жесткое тело, которое соединяется шарниром с другим телом, называется    ЗВЕНОМ

КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ – это подвижная механическая система, состоящая из нескольких неподвижных звеньев

ОДНООСНОЕ ДВУХЗВЕНЬЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ

 

А

 

В

 

О

 

О’

 

Система состоит из двух звеньев А и В, соединенных осью ОО’.

При неподвижном звене В звено А имеет одну степень свободы как тело, вращающееся вокруг неподвижной оси.

Пример: плечелоктевое, фаланговое соединение.

1 степень свободы – сгибание  и разгибание.

ДВУОСНОЕ ТРЕХЗВЕНЬЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ

 

С

 

А

 

В

 

L

 

L’

 

О

 

О’

 

Система состоит из трех звеньев: А, В и С, соединенных осями ОО’ и LL’. Закрепленное звено В не имеет свободы перемещения, второе звено А – имеет одну степень свободы и третье – С – две степени свободы.

Пример: лучезапястный сустав.

1 степень свободы – сгибание, разгибание.

2 степень свободы – отведение, приведение.

ТРЕХОСНОЕ ЧЕТЫРЕХЗВЕНЬЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ

 

С

 

А

 

В

 

D

 

L

 

L’

 

О

 

О’

 

N

 

N’

 

Трехосное соединение осуществляет вращение вокруг 3-х взаимно- перпендикулярных осей.

Пример: тазобедренный и плечевой суставы.

1 степень свободы – сгибание, разгибание (в сагиттальной плоскости).

2 степень свободы – отведение, приведение (в фронтальной плоскости).

3 степень свободы – вращение  вокруг продольной оси.

• Почти все мягкие ткани человека проявляют свойства вязкоупругости и вязкопластичности.

 

• Вязкоупругость — механическое свойство вещества быть как упругим, так и вязким. 
• Механические свойства биологических тканей имеют индивидуальный характер и зависят от многих параметров - возраста, способа питания, среды и т.п. 
• Установлено, например, что прочность тканей и органов увеличивается до 20 лет и после этого начинает убывать, а прочность зубов и кожи увеличивается до 50-летнего возраста.

Закон Гука для костной ткани 
 
Зависимость механического напряжения ()  от относительной деформации () при сжатии диафиза бедренной кости человека.

Скелетные мышцы определяют  
3 вида механических явлений:

 

1. Поддержание позы
2. Перемещение тела в пространстве
3. Движение частей тела относительно друг друга

 

Структура кожи и ее механические свойства  

Кожа

 

• Кожа как биологическая ткань является сложным композитным образованием, состоящем из многих слоёв, обладающих разными вязко-упругими свойствами, граница между слоями неровная. Натяжение этих слоев и их толщины совершенно различны. Кроме того, на разных участках тела различны характеристики подкожной клетчатки и тканей, лежащих под ними.

 

• Для того чтобы разобраться с поведением акустических волн в таких слоистых средах, были разработаны математические модели и проведены испытания на модельных объектах. Предполагалось, что основными факторами, влияющими на скорость распространения акустических волн, могут быть твердости и толщины слоёв, а также соотношение между ними. Самая простая, двухслойная модель кожи, представляла собою диск из полиуретановой резины в форме клина, который был помещен на диск большего диаметра. В качестве нижнего слоя использовали резину с твердостью 70 ед. по Шору или стекло.