Механічні властивості біологічних тканин

Під механічними властивостями біологічних тканин розуміють два їх різновиди. Один пов'язаний з процесами біологічної рухливості: скорочення м'язів тварин, ріст кліток, рух хромосом у клітинах при їх поділі та ін Ці процеси обумовлені хімічними процесами і енергетично забезпечуються АТФ, їх природа розглядається в курсі біохімії. Умовно зазначену групу називають активними механічними властивостями біологічних систем. Інший різновид - пасивні механічні властивості біологічних тіл. Розглянемо це питання стосовно до біологічних тканин.

Як технічний об'єкт біологічна тканина - композиційний матеріал, він утворений об'ємним поєднанням хімічно різнорідних компонентів. Механічні властивості біологічної тканини відрізняються від механічних властивостей кожного компонента, взятого окремо. Методи визначення механічних властивостей біологічних тканин аналогічні методам визначення цих властивостей у технічних матеріалів.

Кісткова тканина.

Кость - основний матеріал опорно-рухового апарату. У спрощеному вигляді можна вважати, що 2/3 маси компактної кісткової тканини (0,5 об'єму) становить неорганічний матеріал, мінеральна речовина кістки – гідроксилапатит ЗСа₃(Р0₄)₂ • Са(ОН)₂. Ця речовина представлена у формі мікроскопічних кристаликів. В іншому кістка складається з органічного матеріалу, головним чином колагену (високомолекулярна сполука, волокнистий білок, що володіє високоеластичністю). Кристалики гідроксилапатиту розташовані між колагеновими волокнами (фибриллами).

Щільність кісткової тканини 2400 кг/м³. Її механічні властивості залежать від багатьох факторів, у тому числі від віку, індивідуальних умов росту організму і, звичайно, від ділянки організму.

Композиційна будова кістки надає їй потрібні механічні властивості: твердість, пружність і міцність. При невеликих деформаціях виконується закон Гука. Модуль Юнга близько 10 ГПа, межа міцності 100 МПа.

Примірний вид кривих повзучості компактної кісткової тканини наведено на рис. Ділянка 0А відповідає швидкій деформації, АВ - повзучості. У момент t_р, який відповідає точці В, навантаження було знято. ВС відповідає швидкій деформації скорочення, СD - зворотній повзучості. У результаті навіть за тривалий період зразок кістки не відновлює своїх колишніх розмірів, зберігається деяка залишкова деформація e_ост.

Схематично можна зробити висновок, що мінеральний вміст кістки забезпечує швидку деформацію, а полімерна частина (колаген) визначає повзучість.

Шкіра.

Вона складається з волокон колагену, еластину (так само як і колаген, волокнистий білок) і основної тканини - матриці. Колаген складає близько 75% сухої маси, а еластин - близько 4%. Механічні властивості наведені в таблиці.

Матеріал	Модуль пружності, МПа	Межа міцності, МПа
Колаген Еластин	10—100 0,1—0,6

Еластин розтягується дуже сильно (до 200-300%), приблизно як гума. Колаген може розтягуватися до 10%, що відповідає капроновому волокну.

Шкіра є в'язкопружним матеріалом з високоеластичними властивостями, вона добре розтягується і подовжується.

М'язи.

До складу м'язів входить сполучна тканина, що складається з волокон колагену і еластину. Тому механічні властивості м'язів подібні механічними властивостями полімерів.

Гладкі м'язи можуть значно розтягуватися без особливої напруги, що сприяє збільшенню обсягу порожнистих органів, наприклад сечового міхура.

Скелетний м'яз при швидкому розтягуванні на певну величину напруга різко зростає, а потім зменшується до e_ост.

Залежність s = f(e) для скелетного м'яза нелінійна. Механізм деформації зумовлений розпрямленням молекул колагену. При більшій деформації відбувається збільшення міжатомних відстаней в молекулах.