Механические свойства костной и мышечной ткани

К вопросу о механических свойствах костной ткани

Механические свойства костной и мышечной ткани

Лайуни Рида бен Шедли

Национальный университет физического воспитания и спорта Украины

Аннотация. В статье приводятся обобщенные литературные данные касающиеся механических свойств костной ткани.

Ключевые слова: костная ткань, механика, организм человека.

Анотацiя. Лайунi Рiда Бен Шедлi. До питання про бiомеханiчнi властивостi кiстковоi тканини. Устаттi наводяться узагальненi лiтературнi данi, якi торкаються механiчних властивостей кiстковоi тканини.

Ключовi слова: кiсткова тканина, механiка, органiзм людини.

Annotation. Ridha Liayouni.To a question on mechanical charecteristics osteal fabric. The generalized literary data touching mechanical characteristics of an osteal fabric are given in article.

Keywords: osteal fabric, mechanics, organism of the man.

Активное взаимодействие организма с внешней средой и опосредованное участие в этом всех его многочисленных систем и органов обеспечивается через опорно-двигательный аппарат.

Основной же компонент аппарата движений – мышца – отличается от таких систем, прежде всего тем, что она непосредственно преобразует химическую энергию в механическую, достигая довольно высокого коэффициента полезного действия в условиях нормальной температуры тела человека.

Основной структурно-функциональной единицей скелета человека является кость. В организме человека каждая кость-это живой, пластичный орган. Она имеет свою морфологическую структуру, функционирует как часть целостного организма и состоит из нескольких тканей.

Основной тканью в кости является костная ткань; кроме неё имеются плотная соединительная ткань, образующая, например, оболочку кости, которая покрывает её сосуды снаружи, рыхлая соединительная ткань, одевающая сосуды, хрящевая ткань, покрывающая концы костей или образующая зоны роста, ретикулярная ткань, являющаяся основой костного мозга, и элементы нервной ткани – нервы нервные окончания. Каждая кость имеет определенную форму, величину, строение и находиться в связи с соседними костями. В состав скелета входит 206 костей – 85 парных и 36 непарных. Кости составляют примерно 18% веса тела.

Выделяют пять структурных уровней компактной костной ткани.

Первый уровень составляет биополимерная макромолекула тропоколлагена, построенная из трёх левых спиральных полипептидных цепочек, которые образуют правую спираль, и неорганические кристаллы.

Второй структурный уровень состоит из микрофибрилл коллагена, образуемых пятью молекулами тропоколлагена.

Третий структурный уровень – это волокно, состоящее из большого количества миофибрилл и связанных с ними микрокристаллов. Между отдельными кристаллами образуются связи в продольном и поперечном направлениях. Эта совокупность органических и неорганических веществ является армирующим компонентом костной ткани.

Четвёртый структурный уровень образуется из ламелл – тонких изогнутых пластинок, представляющих наименьший самостоятельный конструктрукционный элемент компактной костной ткани. Коллагеноминеральные композиции, объединённые при помощи вяжущего вещества, служат материалом для пластинок.

Пятый структурный уровень представлен остеоном или гаверсовой системой – конструкционным элементом, который образуется вокруг кровеносных сосудов, включающихся в объём кости при её образовании. Остеон формируется из концентрически расположенных костных ламелл вокруг гаверсового канала, в котором проходят сосуды и нервы.

Остеоны располагаются не беспорядочно, а соответственно функциональной нагрузке, воздействующей на кость.

Из остеонов формируются перекладины костного вещества или балки, которые в свою очередь образуют компактное вещество (если перекладины лежат плотно) или губчатое вещество (если перекладины лежат рыхло).

Распределение компактного и губчатого вещества зависит от условий функционирования кости. Губчатое вещество располагается там, где при большом объеме кости требуется сохранить её легкость и прочность. В трубчатых костях остеоны располагаются параллельно длине кости.

Функция костной ткани многообразна. Первая и наиболее важная функция опоры для мягких тканей, подавляющее большинство которых располагается в области костных образований и прикрепляется к костям. Мышцы, проходят над местами соединения костей, и производят смещение одной кости в отношении другой или перемещение всего тела относительно поверхности Земли.

Тем самым кости как опорные образования (в основном, рычаги) принимают участие в выполнении всех движений, совершаемых человеком. Кости также формируют полости (черепная, спинномозговая, тазовая и грудная) для защиты внутренних органов. В кости находится красный костный мозг, который выполняет функцию кроветворения.

Кости осуществляют функцию депо для минеральных веществ и микроэлементов.

В состав живой кости взрослого человека, по данным Гладышевой (1984), входит воды 50 %, жира 15,75%, оссеина (коллагеновых волокон), органического вещества 12,4%, неорганических веществ 21,85%. А по данным Энока (1998) вода составляет около 20% сырой массы кости, остеоколлагеновые волокна, – около 35%, соли – 45%. Неорганические вещества представлены различными солями.

Больше всего в кости содержится фосфата извести – 60% , карбоната извести- 5,9%, сульфата магния- 1,4%. Кроме того, в костях имеются представители почти всех земных элементов. Минеральные соли легко растворяются в слабом растворе соляной или азотной кислоты. Этот процесс называется декальцинацией. Костная ткань может выдержать довольно большие нагрузки на сжатие, растяжение, удар.

По данным многих специалистов, костная ткань на сжатие приблизительно в пять раз прочнее железобетона, по сопротивлению на разрыв она несколько превышает сопротивление дуба, ее прочность примерно соответствует при этом прочности чугуна. В частности, бедренная кость может выдерживать в среднем до 3т. на сжатие, большеберцовая кость – даже до 4 т.

На растяжение компактное вещество кости выдерживает нагрузку 10-12 кг на 1 мм2, а на сжатие -12-16 кг. Так, чтобы раздробить бедренную кость давлением, нужно приблизительно 3 тыс. кг, большеберцовую кость – не менее 4 тыс. кг. Оссеин кости выдерживает нагрузку на растяжение 1,5 кг на 1 мм2, на сжатие – 2,5 кг. Несущая способность костей при изгибе значительно меньше.

Например, бедренная кость выдерживает нагрузку на изгиб до 2,5 * 103 Н.

Прочность костной ткани обеспечивается сложным сочетанием важнейших ее химических компонентов – органических, неорганических соединений и воды. В зависимости от питания, условий жизни и ряда других факторов в кости меняется процентное соотношение этих компонентов и ее прочность.

В костях детей относительно больше, чем в костях взрослых, оссеина, они более эластичны, меньше подвержены переломам, но под влиянием чрезмерных нагрузок легче деформируются. Кости, выдерживающие большую нагрузку, богаче известью, чем кости, менее нагруженные.

При недостатке в пище ребенка витамина D в костях плохо откладываются соли извести, сроки окостенения нарушаются, а недостаток витамина А может привести к утолщению костей, запустению каналов в костной ткани.

Процессы, которым подвергается кость, включают развитие, укрепление и резорбцию. Они имеют собирательное название – ремоделирование, или реконструкция. Полный цикл ремоделирования (замены всех структур) костей конечности взрослого человека составляет около 10-20 лет.

Ремоделирование представляет собой равновесие между абсорбцией кости (остеокластами) и её образованием (остеобластами). Оно постоянно изменяется и зависит от таких факторов, как физическая активность, возраст и заболевания.

Физические нагрузки являются основным фактором, определяющим увеличение костной массы у людей. Среди компонентов нагрузки, способствующих увеличению плотности минералов кости, основным является величина отягощения.

Конроем (1996) экспериментально установлено, что адаптация костной массы юных штангистов на 30-50% (в зависимости от анатомического участка и индивидуальных особенностей спортсмена) зависит от силы, развиваемой при выполнении упражнений.

Montoye et al., (1980) обнаружены различия в минеральном составе, плотности и массе костей доминирующих конечностей по сравнению с не доминирующими.

Проявляется это в том, что кости доминирующих конечностей, имеют большую массу, ширину и плотность минералов.

В целом следует отметить, что повышение уровня плотностей костей отмечается в тех участках скелета, которые подвергаются наиболее интенсивным механическим воздействиям.

Плотность костей в значительной мере определяется квалификацией спортсменов, спецификой тренировочной и соревновательной деятельности в различных видах спорта.

У спортсменов высокого класса отмечается повышенная плотность костей по сравнению со спортсменами низкой квалификации и особенно лицами, не занимающимися спортом.

Представители скоростно-силовых видов спорта, вольной и греко-римской борьбы имеют достоверно более высокие показатели плотности костей по сравнению со спортсменами, специализирующимися в циклических, игровых и сложнокоординационных видах спорта.

По данным Michel et al., (1989) на снижение плотности костей приводят большие объёмы работы на выносливость.

Особенно низкая плотность костей отмечается у пловцов на длинные дистанции, что обусловлено не только большим объёмом работы аэробного характера, спецификой отбора пловцов, способных показать высокие результаты на стайерских дистанциях, но и спецификой водной среды, резко снижающей нагрузки на опорно-двигательный аппарат.

С другой стороны, главная проблема, с которой сталкиваются космонавты во время продолжительного пребывания в космосе, – потеря костной ткани (Zernicke, Vailis, Salem, 1990). Условия гипогравитации приводят к деминерализации костей, чрезмерной потере солей скелетом (Anderson, Cohn, 1985; Morey, 1979).

В результате этого кости становятся менее прочными и во время значительной физической нагрузки (например, во время выполнения работ вне космического корабля) могут ломаться. Кроме того, при возвращении на Землю затрудняется процесс восстановления костей.

Вследствие этого становится особо актуальной разработка программ физических упражнений, которые позволили бы свести к минимуму потери костной ткани у космонавтов.

Кости как органы представлены у человека в виде единой функциональной системы, относящейся к пассивному двигательному аппарату. По форме и виду соединений костей можно представить объем движений и тем самым судить о функциональных особенностях аппарата движений.

Литература

1. Алтер М.Ф. Наука о гибкости. – К.: Олимпийская литература, 2001. – 421с.

2. Белинцев Б.М. Физические основы биологического формообразования. – М.: Наука, 1991.-252с.

3. Энока P.M. Основы кинезиологии. – К.: Олимпийская литература, 1998. С. 40- 60.

Поступила в редакцию 28.05.2002г.

Источник: http://sportfiction.ru/articles/k-voprosu-o-mekhanicheskikh-svoystvakh-kostnoy-tkani/

Механические свойства костной ткани 2

Механические свойства костной и мышечной ткани

Несмотря на существование различных типов костей в теле человека и животных  (это  длинные трубчатые кости конечностей,  плоские кости черепа,  короткие кости – позвонки),  для всех них характерны общие черты, которые далее будут рассмотрены, главным образом, на примере компактной и частично  губчатой (спонгиозной)  тканей  трубчатых костей,

Напомним, что костная ткань один из  видов  соединительной  ткани, состоящей  из  трех  видов  клеток и обизвествленного межклеточного матрикса.

Клетки составляют » 1-2%  от всего объема костной ткани, остальной объем  занят  порами  и  каналами  (для  компактной  костной  ткани пористость  составляет 13-18%,  для  губчатой  она выше) и твердой фазой  –  органическими  и   минеральными   составляющими   костных пластинок.

Органическая составляющая  (40-50%  твердой   фазы)   представлена коллагеном.   Минеральная  составляющая  (50-60%  твердой  фазы)  – преимущественно кристаллы гидроксилапатита Са10 (РО4 ) 6 (ОН)2  и других солей кальция.

В пределах пластинки коллаген – минеральные волокна  ориентированы в   определенном   направлении  и  соединены  связующим  веществом.

Механические свойства кости определяются главным образом, составом твердой  фазы  и  свойствами  ее  компонент.  В экспериментах можно практически полностью удалить из кости органическую или минеральную составляющую.

  Форма  и  размеры  образца при этом не меняются,  но механические  свойства  будут  разительно  отличаться  от   свойств нормальной   кости.  Так,  кость,  лишенная  органических  веществ, необычайно   хрупка,   а   деминерализованная   кость   приобретает резиноподобные свойства.

  Это означает,  что костная ткань является прочным   конструкционным   композитным   материалом    лишь    при определенном  сочетании входящих в нее компонентов.

В статических    условиях    модули    упругости    коллагена    и гидроксилапатита  составляют  Ес  ~  109   Н/м2   и  Еh ~ 1011  Н/м2, соответственно,  для компактной ткани кости  Е  ~  1010    Н/м2   (для сравнения  Е  стали »  2×1010  Н/м2 ,  Е титана » 1011 Н/м2 ).

  Полагают, что хотя гидроксилапатит  и  не  соединен  жестко  с  коллагеновыми волокнами,  он  все-таки  существенно  ограничивает  перемещения  и деформации последних.

Таблица 1 иллюстрирует некоторые механические свойства костей, отличающихся содержанием минерального компонента.

                                                                                                                        Таблица.1.

Тип костиПредел прочности при изгибе (МПа) Е(ГПа)минеральных компонентов,%Плотность r,кг/м3
Бедренная костькоровы24713,566,72060
Стенка среднегоуха кита3331,386,42470

2.1. Компактное вещество костной ткани

При различных    видах    деформации компактное вещество костной ткани,

формирующее среднюю часть трубчатых костей, характеризуется нелинейной  зависимостью  напряжение-деформация  и анизотропией упругих и прочностных свойств.

Анизотропия проявляется существенной зависимостью этих свойств от  направления  нагружения, нелинейность –  понижением  модуля упругости материала с повышением уровня напряжения,  опыты   обычно   проводятся   при   статическом нагружении.

Для  определения  свойств  кости как анизотропной среды вводится координатная  система  ось х1,  которая   совмещается   с направлением  продольной  оси  кости,  а   х2  и х3  – с касательным и радиальным направлениями  в плоскости,  перпендикулярной   х1 . На рис.

2 даны кривые   деформирования  образца  воздушно-сухой  компактной костной ткани большеберцовой кости человека  при  растяжении  вдоль осей  х1  (кривая 1), х2  (2), х3  (3).  Видно, что кривые 1, 2, 3 не совпадают.

Приведем значение   средних   (почему  средних,  показано  ниже)  по поперечному сечению большеберцовой кости взрослого человека модулей упругости  для  выбранных направлений, характеризующих анизотропию ткани:Е1=18,35ГПа, Е2 =8,5 ГПа,   Е3 =6,9 ГПа.   Эти   значения соответствуют линейной части графиков подобных показанным на рис.2. Вдоль продольной  оси  модуль  упругости  выше,  чем  в  поперечных направлениях примерно в 2 раза, различие в Е2  и Е3  невелико.

Модули сдвига  примерно в 3-4 раза меньше модулей упругости,  но они так же различны, коэффициенты Пуассона лежат в диапазоне 0,4-0,2.

Анизотропия разрушающих    напряжений   больше   проявляется   при растяжении, чем при сжатии или кручении.

Очевидно, что  в  масштабах  одной  костной  пластинки анизотропия механических свойств обусловлена  ориентацией  коллаген-минеральных волокон.   Макроскопические   образцы   кости   анизотропны   из-за упорядоченного  расположения  остеонов  и  других  структур   этого уровня.

Значение разрушающих напряжений при сжатии значительно  выше,   чем при растяжении или кручении.

  Например, для образцов большеберцовой кости,  вырезанных вдоль продольной оси,  они составляют в  среднем 200 МПа при сжатии вдоль оси,  12О МПа – при растяжении,  90 МПа – при кручении.

  Эти цифры  иллюстрируют  известное  врачам-ортопедам положение:  сжатие –  менее опасный вид нагружения, чем растяжение и кручение.

Распределение всех  характеристик упругих и прочностных свойств по отдельным зонам поперечного сечения кости  неоднородно  (отсюда  их средние значения), причем по зонам меняются не только их абсолютные величины,  но  и  соотношение  с  другими  параметрами.  Для  модулей упругости это   иллюстрируется   рис.3.

Указанную неоднородность,  прежде всего,  необходимо учитывать при подборе  заменителей костной ткани для обеспечения их  механической совместимости с  естественной  тканью.

Вязкоупругое поведение   костной   ткани   четко   проявляется   в зависимости ее механических характеристик от  скорости  деформации. Так, например, при сжатии вдоль  продольной  оси   компактного  вещества  костной ткани человека модуль упругости меняется от 15,1 ГПа

при скорости  деформации  0,001 с-1 до 29,6 ГПа при скорости деформации 300 с-1.   Для   компактного   вещества   кости    экспериментально фиксируется  явление ползучести с последующим восстановлением после разгрузки   (рис.4).

   Причем   при   малых   уровнях    напряжения (s1/s1 разруш., £ 0,3,  на  рис.4  указаны  значения  этих  отношений) деформация после разгрузки полностью исчезает,  при  более  высоких значениях s1 /s1разруш.

  имеют место небольшие остаточные деформации.

После достижения   некоторого   уровня   напряжения   в  плоскости s, e образуется гистерезисная петля.

Отмеченные временные   эффекты   в   кости,   видимо,   связаны  с собственными вязкоупругими свойствами полимерных молекул коллагена, с неупругостью  межклеточного матрикса и с наличием вязкой жидкости в костных   канальцах.

Механические свойства компактной костной ткани человека изменяются с  возрастом.

В  детском и юношеском возрасте,   когда продолжается рост  костей,   модули  упругости  и  сдвига,  а  также  разрушающие напряжения  костной    ткани    возрастают,   а   после   достижения 20-25-летнего    возраста   эти   показатели   начинают   постепенно понижаться.  Разрушающие  деформации  меняются  иначе  – максимум  у новорожденных, затем резкое понижение  этих  показателей  (до  20-25 лет), и далее плавное понижение.

При длительных циклических испытаниях  важнейшей  характеристикой любого   материала   является   усталостная  долговечность,  которая определяется количеством циклов нагружения ткани до разрушения  материала. Приведенные  ниже  данные  относятся к деформации изгиба компактной костной ткани бедренной кости быка.

Было установлено, что повышение уровня  напряжения  приводит  к  нелинейному  понижению усталостной долговечности независимо от частоты нагружения.

  При равном  уровне напряжения  увеличение  частоты  нагружения  выше  30 Гц приводит к некоторому росту долговечности,  при частотах  меньше  30  Гц  этот параметр остается практически постоянным.

2.2. Губчатое (спонгиозное) вещество костной ткани. Эта ткань в основном образует позвонки и концевые отделы трубчатых костей. Она составляет, примерно, 20% общей массы скелета взрослого человека,  и ее  строение  зависит  от  функционального назначения кости.

Приводимые ниже  данные   относятся   к   наиболее   исследованной спонгиозной костной ткани трубчатых костей.

Из технической  статики  известно,  что  максимально   облегченная, но достаточно прочная  структура  должна  представлять  собой  решетчатую  конструкцию  из стержней, следующих траекториям действия напряжений. Уже давно было обнаружено,  что  траектории растягивающих и сжимающих напряжений в кости находят отражение в ее губчатой структуре,т.е.

в расположении костных  балочек  (трабекул).  При  анализе  траекторий  по которым расположены  трабекулы  в  системе  функционально   взаимосвязанных костей,  оказывается,  что  кривые  продолжаются  с  одной кости на другую через суставы.

  Причем  эта  ситуация  не  запрограммирована  генетически,  а  возникает  как  ответ  на  нагружение  скелета  в процессе морфогенеза.

По разным  литературным  источникам значения модуля упругости влажной спонгиозной ткани варьируются от 26 до 600  МПа,  но они всегда ниже  этих  показателей для компактной  ткани.

  Для   головки   бедренной   кости   разрушающие напряжения  при сжатии составляют  3,7 – 11,4 МПа  Такой разброс цифр, по-видимому, связан с сильной зависимостью этих величин   от   локализации   исследуемого  образца  в  кости  и  от направления нагружения относительно системы трабекул.

Характерно, что у лиц пожилого и старческого возрастов,  которые в прошлом занимались тяжелым физическим трудом, значение разрушающего напряжения   спонгиозной   ткани   несколько   ниже,  чем  у  людей умственного труда.

  У более молодых людей (25-40 лет)  имеет  место обратное  явление.

  Очевидно,  наличие  длительных  перегрузок выше  физиологического   уровня,   вызывает   с   увеличением    возраста необратимые   изменения   структуры   и,  следовательно,  понижение сопротивляемости разрушению.

Источник: https://studizba.com/lectures/2-biologicheskie-discipliny/127-mehanicheskie-svoystva-kostnoy-tkani/1831-mehanicheskie-svoystva-kostnoy-tkani-2.html

Научная электронная библиотека Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Механические свойства костной и мышечной ткани

Она ломается и разрушается, если поглощает слишком много энергии. Мягкие ткани абсорбируют намного больше энергии, но не разрушаются, так как более податливые.

Нас, прежде всего, интересовал вопрос о биомеханических свойств кости с учетом ее анизотропии – неодинаковых механических свойств относительно продольной оси диафиза. Такая работа весьма важна, так как могут произойти дальнейшие нарушения целостности кости.

Испытывали на сжатие образцы компактной костной ткани, выпиленные из средней трети диафиза бедренной кости мужчин, в продольном (0°) и поперечном (90°) направлениях в трех возрастных группах – 20–30, 40–50 и 70–80 лет. Образцы хранили в физиологическом растворе в замороженном состоянии.

Минеральную плотность (МПК) образцов определяли на анализаторе минералов. В группе 40–50 лет МПК составляла 1,71 ± 0,09 г/см2, а в 70–80 лет – 1,58 ± 0,09 г/см2.

Параметрами биомеханических свойств служили предел прочности, модуль упругости, предел пропорциональности, относительные упругая деформация и разрушения.

Учитывая, что кость является биологическим материалом, модуль упругости, предел пропорциональности и относительную упругую деформацию рассматривали как физиологические критерии, характеризующие скрытое деформационное состояние микроструктур кости до возникновения необратимых изменений, а предел прочности и относительную деформацию разрушения – как критерий перегрузки, так как выше предела пропорциональности появляются необратимые структурных изменения – фаза пластических деформаций. За счет их костная ткань приспосабливается к внешним воздействиям, изменяет структуру, форму и размер.

Анализ полученных данных показал, что снижение МПК в возрастной группе 70–80 лет на 8 ± 0,2 %, по сравнению с группой
40–50 лет, может приводить к серьезным изменениям как прочностных, так и деформационных свойств кости.

В наибольшей мере изменялись модуль упругости (на 20 и 30 % соответственно для 0 и 90°) и относительная деформация разрушения (36 и 45 % для 0 и 90°).

Предел прочности снижался на 15 и 18,6 % (для 0 и 90°), а относительная упругая деформация – на 10 и 16 %.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что снижение МПК в кости после 70 лет приводит к глубоким изменениям
механических свойств костной ткани.

Снижение модуля упругости, предела пропорциональности и относительной упругой деформации свидетельствует о том, что область функциональных нагрузок (0о) на кость снижается.

Существует непосредственная зависимость между модулем упругости, характеризующим жесткость материала, и пределом прочности. Однако, в указанных возрастных группах снижение модуля упругости и предела прочности не было прямопропорциональным.

Можно предположить, что изменение биомеханических свойств кости с возрастом связано не только со снижением МПК, но и качественным изменением коллагена, костного связующего вещества – мукополисахаридов и структурными изменениями в кости.

В процессе исследований определялась также поглощенная костью энергия и выражалась на единицу объема (Jm–3) или площади (Jm–2). У лиц до 30 лет поглощенная энергия составляла 2,8∙104 Jm–2, а к 90 годам ее величина уменьшалась в 2,8 раза.

Из рассмотренных материалов вытекает такое заключение: наибольшие изменения биомеханических свойств возникали на поперечном направлении. Они указывали на то, что кость теряет способность противостоять действию нефункциональных нагрузок, что может быть причиной спонтанных переломов.

Проведено также изучение механических свойств лучевых костей у 28 до гибели практически здоровых женщин в возрасте 40–80 лет. Кости были тщательно освобождены от периоста. минеральных веществ определено методом двуфотонной абсорбциометрии. Измерения сделаны на расстоянии 1 см от лучезапястного сустава.

До исследования механических свойств образцы держали в замороженном виде при температуре –15 °С. Нагружение производили со скоростью 50 мм в мин. Испытание продолжалось несколько секунд. С возрастом статическая прочность уменьшалась однонаправленно с величиной минеральных веществ. В 40 лет величина нагрузки составляла 5,6 кН, а 90 лет – 2,6.

Эластичность при испытании на разрыв не зависела от возраста и количества минералов.

Изучены также механические свойства лучевой кости у 37 людей уже на расстоянии 3 см от лучезапястного сустава. Перед исследованием образцы выдерживали в физиологическом растворе (0,9 %) 24 часа, что приближало их к состоянию ин виво. Между 16 и 90 годами абсорбция энергии удара кортикальным слоем бедренной кости уменьшалась в 3 раза. Это обусловлено снижением минерализации.

В позвоночнике при величине МПК в L1, равной 0,680 ± 0,037 г/см2,
предел прочности составляет 3195 ± 221 H, в L2 при МПК 0,736 ± 0,035 г/см2 – 3642 ± 259 Н, в L3 – 0,789 ± 0,036 г/см2 – 4022 ± 326 Н, L4 – 0,962 ± 0,039 г/см2 – 4749 ± 331 Н. Механическая прочность трабекулярной кости позвонка в 20–25 лет составляет у мужчин 85,5 ± 6,5 Н/мм2, у женщин – 77,8 ± 4,7 Н/мм2.

В 46–50 лет эта величина уменьшается у мужчин в 1,8 раза, у женщин – в 2,0 раза. В 56–60 лет прочность более быстрыми темпами уменьшается у женщин (в 4,7 раза) по сравнению с мужчинами (3,2 раза). Дальнейшие глубокие изменения происходят в 61–70 лет: у женщин прочность снижается в 6 раз, у мужчин – в 3,6 раза.

У мужчин в 71–80 лет дальнейшего снижения не происходит, а у женщин продолжает снижаться до 7,5 раз.

Обсуждение материалов. В течение последних 20 лет ряд исследователей пытался судить о возрастных изменениях во всем скелете косвенно путем определения плотности минералов в лучевой кости, содержащей в диафизе 96 % компактного вещества и поэтому, как полагали, отражающей изменения МПК во всем скелете. Аналогичен он между содержанием МПК в осевом скелете и в пяточной кости
[5, 6].

При исследовании в пользу такого суждения было то, что коэффициент корреляции между весом минералов в золе и при измерении на денситометре оказался достаточно высоким [3, 4]. Сухой вес кости в 3 года составляет 60,5 %, в 30–40 лет – 66,5, в 90 лет – 62,5 %. Это указывает на увеличение порозности кости. Удельный вес (плотность) кости в 3 года составляет 1,92 кг/м–3, в 50 лет – 2,10.

Затем очень медленно снижается. Причина этого проста – в молодые годы нарастает содержание минеральных веществ. Удалось установить также прямую зависимость механической прочности кости от содержания в ней МПК. Коэффициент корреляции между содержанием минералов и пределом прочности составлял 0,82–0,90. Поэтому считают, что по содержанию минералов можно косвенно судить о прочности кости.

Однако точно определить возрастные сдвиги позволил лишь метод двуфотонной абсорбциометрии, в частности, удалось выявить разный процент возрастного снижения МПК в ребрах, костях таза и позвоночнике. Метод может быть использовано для непрямого определения предельной величины их компрессионной прочности [9].

Исследованиями [10] показано, что механическая прочность трабекулярной кости позвонка в 14–19 лет составляет у мужчин 85,5 ± 6,5 Н/мм2, у женщин 77 ± 4,7 Н/мм2. В 40–49 лет эта величина уменьшается у мужчин в 1,8 раза, у женщин – в 2,0 раза.

В 50–59 лет прочность быстрыми темпами уменьшается у женщин (в 4,7 раза) по сравнению с мужчинами (3,2 раза). Дальнейшие глубокие изменения происходят в 60–69 лет: у женщин прочность снижается в 6 раз, у мужчин – в 3,6 раза.

У мужчин в 70–79 лет дальнейшего снижения не происходит, а у женщин продолжает снижаться до 8,0 раз [10].

До внедрения в практику метода двуфотонной абсорбциометрии определение суммарной величины минералов во всем скелете было возможно только с помощью метода нейтронно-активационного анализа. Эта аппаратура технически сложная, поэтому исследования проводились всего лишь в нескольких научных центрах мира.

Результаты проведенных нами исследований показали, что быстрее (в 21–25 лет) минерализация скелета завершается у женщин и у них раньше (в 41–45 лет) выявляются первые признаки уменьшения костной массы.

В 50–60 лет основной причиной быстрого снижения минералов у женщин является изменение половой функции и ослабление двигательной активности.

У мужчин максимальная суммарная величина минеральных веществ отмечена в 31–35 лет и остается на таком уровне до 55 лет.

Суммарная масса минералов в скелете негров выше, чем у белых людей. Статистически достоверное уменьшение МПКу обоих полов выявляется в возрасте 70 лет, причем у женщин суммарная величина минералов снижается в это время на 17 %, у мужчин – на 9 %.

В этих условиях большое значение придается занятию физкультурой, так как отсутствие механической нагрузки на скелет служит одной из причин резорбции кости.

При систематическом занятии спортом МПК в месте приложения усилия (позвоночник, нижняя треть голени – у балерин) может увеличиваться до 20 %.

Наиболее выраженное снижение МПК возникает в 80 лет в осевом скелете, особенно в позвоночнике. Следствием старческого остеопороза являются переломы, иногда неоднократные в течение одного и того же года. Поэтому определение абсолютной МП в скелете представляется особенно важным для оценки общей убыли МПК.

Модуль эластичности и прочности на растяжение начинают медленно уменьшаться после 45 лет. При сгибании показатель максимален до 30 лет, а затем снижается и способность кости поглощать энергию.

Интересные наблюдения сделаны о числе полостей указывающих на порозность кости, в различных возрастных группах мужчин. У детей 3 лет их число составляет 9 %, в возрасте 18–45 лет – 3 %, затем медленно увеличивается и в 90 лет достигает 12 %. В связи с этим различна и поглощенная энергия удара: у детей до 10 лет – 2–6∙104 Jm–2, а с 13 лет – 0,9∙104 Jm–2.

У женщин кость более порозная [11, 12], а это ведет к уменьшению объема, в котором поглощается энергия. Поэтому снижается ударная энергия, в частности, в кортикальном слое бедренной кости. Энергия абсорбции ниже у очень молодых и очень старых людей. Изменение энергии удара на 40 % зависит от содержания минералов.

Высокая минерализация уменьшает способность образца к поглощению энергии. Из этого вывод: большое содержание минералов уменьшает способность кости переносить пластическую упругую деформацию.

Наряду с этим следует иметь ввиду, что содержание минералов также приводит к увеличению максимума давления и оба эффекта как бы компенсируют друг друга, но это не сказывается на суммарной величине абсорбированной энергии.

Источник: https://monographies.ru/en/book/section?id=7835

Механические свойства биологических тканей

Механические свойства костной и мышечной ткани

Большинство биологических тканей являются анизотропными композитными материалами, образованными объемным сочетанием химически однородных компонентов. Состав каждого типа ткани сформировался в процессе эволюции и зависит от функций, которые она выполняет.

а) Костная ткань – это основной материал опорно-двигательного аппарата. В скелете человека более 200 костей. Скелет это опора тела и он обеспечивает передвижение.

В компактной костной ткани половину объема составляет минеральное вещество – гидроксилапатит Ca10(PO4)6(OH)2 в форме микроскопических кристалликов. Другая часть – органика – коллаген (высокомолекулярное соединение ‑ волокнистый белок, обладающий высокой эластичностью).

Способность кости к упругой деформации реализуется за счет минерального вещества, а ползучесть ‑ за счет коллагена. Кость является армированным материалом.

Механические свойства костной ткани зависят от многих факторов: возраста, заболеваний, индивидуальных условий роста.

В норме плотность костной ткани 2400 кг/м3, модуль Юнга до 1010 Па, предел прочности при растяжении ~ 100 МПа, относительная деформация ~ 1 %. Прочность на сжатие выше, чем на изгиб или растяжение.

Бедренная кость выдерживает на сжатие нагрузку 45000 Н, а на изгиб всего 2500 Н, т. е. на сжатие нагрузка в 25‑30 раз больше веса человека.

б) Кожа (линии Лангера).

Это самый крупный орган человека, выполняющий важные функции: поддержание гомеостаза, участие в процессе терморегуляции, регуляция обмена веществ, секреторная функция (работа сальных и потовых желез), защита от повреждающего действия механических, физических и химических, инфекционных агентов.

Кожа – это обширное рецепторное поле, воспринимающее извне и передающее в ЦНС (центральная нервная система) целый ряд ощущений. Кожа – граница раздела между телом и окружающей средой, поэтому она обладает значительной механической прочностью.

Кожу часто рассматривают как гетерогенную ткань, состоящую из трех слоев: эпидермис, дерма, подкожная клетчатка. В общий состав кожи входят коллаген (75 %), эластин (4 %) и основная ткань – матрица. Плотность кожи в норме (1100 кГ/м3). Эластин растягивается на 200‑350 %, коллаген до 10 %. Предел прочности коллагена 100 МПа, эластина 5 МПа.

При исследовании механических свойств кожи с помощью акустического анализатора, позволяющего оценивать скорость распространения акустических сигналов с частотами 5‑6 кГц была выявлена акустическая анизотропия кожи.

(Скорости распространения поверхностной волны вдоль осей x и y различны). Проявление акустической анизотропии находится в соответствии с ориентацией линий естественного натяжения кожи (линии Лангера) (рис.

8).

Рис. 8.Проявление акустической анизотропии и ориентация линий Лангера на различных участках кожи

Для количественной оценки степени акустической анизотропии используют коэффициент анизотропии:

– скорости акустических волн вдоль y и x. K+, если и K–, если .

Степень анизотропии кожи при некоторых патологиях сильно изменяется, например, при псориазе, при атопических дерматитах. Анизотропия кожи лица, особенно в области лба, позволяет оценивать возрастные изменения. Анизотропия кожи является объективным диагностическим критерием в различных областях медицины.

в) Мышечная ткань. Вся жизнедеятельность человека связана с мышечной активностью. Она обеспечивает работу отдельных органов и целых систем. Нарушение работы мышц приводит к патологии, а ее прекращение к летальному исходу. Механические свойства мышц подобны механическим свойствам полимеров.

Состав мышц: мышечные клетки (волокна) и внеклеточное вещество (коллаген, эластин, соединительная ткань). Мышцы бывают гладкие (кишечник, желудок, сосуды) и скелетные (обеспечивают движение, работу сердца). Плотность мышечной ткани 1050 кГ/м3. Модуль Юнга 105 Па. Гладкие мышцы могут деформироваться на десятки процентов.

Этому способствует распрямление молекул коллагена.

г) Сосудистая ткань. Механические свойства кровеносных сосудов определяются главным образом свойствами коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. этих составляющих сосудистой ткани изменяется по ходу кровеносной системы. С удалением от сердца увеличивается доля гладких мышечных волокон, в артериолах они уже являются основной составляющей.

Стенки кровеносных сосудов построены из высокоэластичного материала, поэтому способны к значительным обратимым изменениям размера при действии на них избыточного внутреннего давления.

Уравнение Ламе

Найдем механическое напряжение , возникающее в стенке сосуда при избыточном давлении P внутри сосуда. Рассмотрим отрезок цилиндрического кровеносного сосуда длиной L, внутренним радиусом r и толщиной стенок h (рис. 9).

Сосуд растянут давлением. Возьмем произвольное сечение ОО вдоль сосуда. Напряжение растяжения сосуда:

.

Это сила взаимодействия половинок сосуда по площади сечения.

Рис. 9.

Сила F уравновешивает избыточное давление P, которое создает силу:

; ; .

Приравнивая эти силы получим:

или – уравнение Ламе.

Устойчивость различных биологических структур по отношению к различным деформациям следует знать в спортивной, космической медицине.

В челюстно-лицевой хирургии, пластической хирургии, косметологии механические свойства тканей определяют объем воздействия и служат объективным критерием для оценки эффективности лечения.

В травматологии и ортопедии вопросы механического воздействия на организм являются определяющими.

Предыдущая12345678910111213141516Следующая

Дата добавления: 2016-05-16; просмотров: 935; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/8-14115.html

Механические свойства костной и мышечной ткани

Механические свойства костной и мышечной ткани
Только у нас: Введите до 31.03.2020 промокод бонус2020 в поле купон при оформлении заказа и получите скидку 25% на всё!

Механические свойства кости определяются главным образом составом твёрдой фазы и свойствами её компонент. Экспериментально можно практически полностью удалить из кости органическую или минеральную составляющую.

При этом форма и размеры образца не меняются, но механические свойства разительно отличаться от свойств нормальной кости. Так, кость, лишённая органических веществ, необычайно хрупка, а деминерализованная кость приобретает резиноподобные свойства.

Это означает, что костная ткань является прочным конструкционным композитным материалом лишь при определённом сочетании входящих в неё компонентов.

Механические свойства костной ткани;

Механические свойства биологических тканей

Важность изучения и понимания механических свойств биологических тканей обусловлена:

– потребностью совершенствования средств защиты человека от неблагоприятных силовых воздействий и методов лечения травм;

– необходимостью решения задач протезирования органов и тканей;

– необходимостью создания новых долговечных материалов, близких по свойствам к биотканям;

– необходимостью изучения механизмов, обусловливающих процессы роста и развития биологических тканей.

Биологические ткани принято делить на жидкие (кровь, лимфа, слизистые жидкости, синовиальная жидкость и т.д.), мягкие и твёрдые. Однако следует отметить, что разделение не жидких деформируемых тел биологической природы на мягкие и твердые ткани весьма условно.

В основу принимаемого ниже деления положен принцип, совмещающий в себе и механические, и биологические аспекты, а именно: к мягким тканям здесь относятся те, для которых упругие (обратимые) деформации могут быть велики (десятки и сотни процентов).

Они действительно достигают таких значений в определенных естественных ситуациях. С этой точки зрения к мягким тканям, безусловно, относятся кожа, мышечная ткань, ткани легкого и мозга, стенки кровеносных сосудов, дыхательных путей, некоторые другие, а к твёрдым – кость и зуб.

Промежуточное положение занимают суставной хрящ и сухожилие. Первый для определённости здесь отнесен к твёрдым тканям, второе – к мягким.

В данном разделе рассматриваются только пассивно деформирующиеся ткани, а мышцы, способные к активной деформации, рассматриваются в следующем разделе.

В теле человека внешние силы чаще всего вызывают сжатие, растяжение и изгиб соответствующих элементов.

Несмотря на существование различных типов костей в теле человека и животных (длинные трубчатые кости конечностей, плоские кости черепа, короткие кости – позвонки), для всех них характерны общие свойства, которые далее будут рассмотрены на примере компактной и губчатой (спонгиозной) составляющих трубчатых костей.

Напомним, что костная ткань – один из видов соединительной ткани, состоящей из трех видов клеток и обизвествленного межклеточного матрикса.

Клетки составляют » 1–2% от всего её объема, остальную часть занимают поры и каналы (пористость компактной костной ткани составляет 13–18%, губчатой – больше), твердая фаза – органические и минеральные составляющие костных пластинок (ламелл).

На долю органической составляющей приходится 40-50% твердой фазы (она представлена коллагеном). Минеральной – 50-60%. Последняя представлена преимущественно кристаллами гидроксилапатита Са10 (РО4)6 (ОН)2 и других солей кальция.

В пределах пластинки коллаген — минеральные волокна ориен-тированы в определенном направлении и соединены связующим веществом, которым обычно являются мукополисахариды.

Вокруг кровеносных сосудов (гаверсовых каналов) в костной ткани образуются остеоны. Они состоят из концентрически расположенных в 5–20 рядов костных ламелл с различной ориентацией коллаген-минеральных волокон.

Механические свойства кости определяются главным образом составом твёрдой фазы и свойствами её компонент. Экспериментально можно практически полностью удалить из кости органическую или минеральную составляющую.

При этом форма и размеры образца не меняются, но механические свойства разительно отличаться от свойств нормальной кости. Так, кость, лишённая органических веществ, необычайно хрупка, а деминерализованная кость приобретает резиноподобные свойства.

Это означает, что костная ткань является прочным конструкционным композитным материалом лишь при определённом сочетании входящих в неё компонентов.

В статических условиях модули упругости коллагена Ек и гидроксилапатита Ег равны соответственно Ек

10 9 Н/м 2 = 10 9 Па и Ег

10 11 Н/м 2 = 10 11 Па, а компактной ткани кости Екомп

10 10 Па. Для сравнения приведем модули упругости стали и титана: Естали » 2×10 10 Па, Етитана » 10 11 Па. (напомним, что , 1МПа (мегапаскаль) = 10 6 Па, 1 ГПа (гигапаскаль) = 10 9 Па).

Полагают, что хотя гидроксилапатит и не соединен жёстко с коллагеновыми волокнами, он все-таки существенно ограничивает перемещения и деформации последних. В табл. 1 указаны некоторые механические свойства костей, различающихся содержанием минерального компонента.

studopedia.su

Ссылки по теме:

Стимулировать выработку коллагена в организме ; Что имеется в клетках костной ткани ; Разрушается костная ткань в десне ; Общее строение хрящевой и костной ткани ;

Только у нас: Введите до 31.03.2020 промокод бонус2020 в поле купон при оформлении заказа и получите скидку 25% на всё!

Источник: https://zdorovie-ok.ru/mehanicheskie-svojstva-kostnoj-i-myshechnoj-tkani/

Лечение Костей
Добавить комментарий