Механические свойства кожи и сосудов
21. Механические свойства биологических тканей
Под механическими свойствами биологических тканей понимают две их разновидности. Одна связана с процессами биологической подвижности: сокращение мышц животных, рост клеток, движение хромосом в клетках при их делении и др. Эти процессы обусловлены химическими процессами и энергетически обеспечиваются АТФ, их природа рассматривается в курсе биохимии. Условно указанную группу называют активными механическими свойствами биологических систем.
Костная ткань. Кость – основной материал опорно-двигательного аппарата. Две трети массы компактной костной ткани (0,5 объема) составляет неорганический материал, минеральное вещество кости – гидроксилантит 3 Са3(РО) х Са(ОН)2. Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов.
Плотность костной ткани равна 2400 кг/м3, ее механические свойства зависят от многих факторов, в том числе от возраста, индивидуальных условий роста организма и, конечно, от участка организма. Строение кости придает ей нужные механические свойства: твердость, упругость и прочность.
Кожа. Она состоит из волокон коллагена и эластина и основной ткани – матрицы. Коллаген составляет около 75 % сухой массы, а эластин – около 4 %. Эластин растягивается очень сильно (до 200–300 %), примерно как резина. Коллаген может растягиваться до 10 %, что соответствует капроновому волокну.
Таким образом, кожа является вязкоупругим материалом с высокоэластическими свойствами, она хорошо растягивается и удлиняется.
Мышцы. В состав мышц входит соединительная ткань, состоящая из волокон коллагена и эластина. Поэтому механические свойства мышц подобны механическим свойствам полимеров. Механическое поведение скелетной мышцы следующее: при быстром растяжении мышц на определенную величину напряжение резко возрастает, а затем уменьшается. При большей деформации происходит увеличение межатомных расстояний в молекулах.
Ткань кровеносных сосудов (сосудистая ткань). Механические свойства кровеносных сосудов определяются главным образом свойствами коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. Содержание этих составляющих сосудистой ткани изменяется по ходу кровеносной системы: отношение эластина к коллагену в общей сонной артерии 2: 1, а в бедренной артерии – 1: 2. С удалением от сердца увеличивается доля гладких мышечных волокон, в артериолах они уже являются основной составляющей сосудистой ткани.
При детальном исследовании механических свойств сосудистой ткани различают, каким образом вырезан из сосуда образец (вдоль или поперек сосуда). Можно рассматривать деформацию сосуда в целом как результат действия давления изнутри на упругий цилиндр. Две половины цилиндрического сосуда взаимодействуют между собой по сечениям стенок цилиндра. Общая площадь этого сечения взаимодействия равна 2hl. Если в сосудистой стенке существует механическое напряжение s, то сила взаимодействия двух половинок сосуда равна:
F = s x2hl.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Похожие главы из других книг:
Механические леса
Достигнув этой стадии истории, мы должны вернуться к началу — к закону инерции Галилея. Мы процитируем его еще раз:«Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием
ЛЕКЦИЯ V
КИСЛОРОД СОДЕРЖИТСЯ В ВОЗДУХЕ. ПРИРОДА АТМОСФЕРЫ. ЕЕ СВОЙСТВА. ДРУГИЕ ПРОДУКТЫ ГОРЕНИЯ СВЕЧИ. УГЛЕКИСЛОТА, ЕЕ СВОЙСТВА
Мы уже убедились, что водород и кислород можно получить из воды, полученной нами при горении свечи. Вы знаете, что водород берется из свечи, а
12. Механические колебания
Повторяющиеся движения (или изменения состояния) называют колебаниями (переменный электрический ток, явление маятника, работа сердца и т. п.). Различают:1) свободные, или собственные, колебания – такие колебания, которые происходят в отсутствие
13. Механические водны
Механические волны – это возмущения, распространяющиеся в пространстве и несущие энергию. Различают два вида механических волн: упругие волны и волны на поверхности жидкостей.Упругие волны возникают благодаря связям, существующим между частицами
20. Механические свойства твердых тел и биологических тканей
Характерным признаком твердого тела является способность сохранять форму. Твердые тела можно разделить на кристаллические и аморфные.Отличительным признаком кристаллического состояния служит анизотропия –
29. Физические процессы в биологических мембранах
Важной частью клетки являются биологические мембраны. Они отграничивают клетку от окружающей среды, защищают ее от вредных внешних воздействий, управляют обменом веществ между клеткой и ее окружением, способствуют
36. Электропроводимость биологических тканей и жидкостей при постоянном токе. Электрический разряд в газах
Биологические ткани и органы являются довольно разнородными образованиями с различными электрическими сопротивлениями, которые могут изменяться при действии
39. Свойства магнетиков и магнитные свойства тканей человека
Молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля магнитные моменты. При отсутствии магнитного поля эти моменты расположены хаотически и их намагниченность равна нулю. Степень упорядоченности магнитных
41. Полное сопротивление ((импеданс) тканей организма. Физические основы реографии
Ткани организма проводят не только постоянный, но и пе ременный ток. В организме нет таких систем, которые бы ли бы подобны катушкам индуктивности, поэтому индук тивность его близка к
XIX. МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЕ ОТКРЫТИЯ
Долгое время после Коперника «правоверная» птолемеева система попрежнему преподавалась в университетах и поддерживалась церковью. Например, астроном Местлин (1550–1631), учитель Кеплера, был сторонником учения Коперника (он,
Источник
Хирургическая операция приводит не только к биологическим изменениям в тканях. При разрезе кожи происходит расхождение краев раны, которая приобретает определенную форму, сопротивляется сшиванию ее краев и т. п. Хирург-пластик должен знать все «капризы» ткани и предвидеть ее биологическую и механическую реакцию на вмешательство.
Механические свойства кожи обусловлены главным образом структурой и качественным состоянием дермы. Характер и количество волокнистых структур дермы — эластических и коллагеновых волокон, составляющих основную массу дермы, различны и зависят от их локализации и возраста человека.
Тщательное изучение строения дермы кожи [Dick J., 1947] позволило определить механические особенности кожи. Было показано, что эластическая ткань состоит из субэпидермального слоя тонких волокон и глубокого слоя более длинных и толстых волокон. Поверхностное сплетение располагается обычно вертикально по отношению к эпидермису. Круглые волокна проходят между коллагеновыми волокнами поперечно или продольно по отношению к оси тела, но не косо. Большинство волокон может идти в поверхностных слоях кожи в одном направлении, а более глубоко,—под прямым углом.
К. Holmstrand и соавт. (1961) с помощью метода дифракционной микроскопии установил наличие в дерме двух систем коллагеновых волокон: одни из них идут параллельно линиям складок (морщин), другие — перпендикулярно к ним. Однако преимущественное направление волокон — параллельное складкам.
Большие возможности изучения механических свойств кожи и процесса заживления ран открывает перед исследователями тензометрия — метод количественного анализа механических свойств раны и окружающей нативной кожи, предусматривающий измерение силы натяжения в рубце или коже, вплоть до их разрыва. Для этих целей применяют различные разрывные устройства, передающие давление жидкостей или воздуха ране через рычажную систему. Тензометрия впервые была использована Леонардо да Винчи для определения прочности проволоки, в настоящее время ее используют во всех сферах материального производства для оценки физико-механических свойств материалов или готовых изделий.
В экспериментальную медицину тензометрия была введена Е. Howes и соавт. (1929), которые исследовали прочность раны на разрыв. После опубликования результатов этих исследований данные тензометрии становятся важнейшим объективным критерием оценки заживления ран и влияния на него различных факторов. Параллельное проведение микроскопических исследований в этих случаях позволяет судить и о качественной стороне изучаемых процессов.
В 1965 г. Т. Gibson и соавт. провели исследования по изучению механических свойств человеческой кожи. При приложении нагрузки к полоскам кожи происходило растяжение их в направлении прилагаемых сил и одновременное сокращение под прямым углом к этим силам, т. е. по ширине. Интересными оказались результаты параллельных микроскопических исследований. В дерме определены три слоя волокон: узкий слой тонких волокон, средний слой, составляющий основную массу дермы, и глубокий слой, состоящий из удлиненных волокон, соединяющих кожу с поверхностной фасцией. Наибольшие изменения происходят в среднем слое дермы. В расслабленном состоянии коллагеновые волокна неориентированы и закручены, отделены одно от другого тканевой жидкостью и аморфным межуточным веществом. При значительной нагрузке и фиксированном состоянии происходит ориентация почти всех коллагеновых волокон по линии растяжения. Коллагеновые волокна в дерме при нагрузке располагаются параллельно друг другу. В покое волокна имеют вид случайно ориентированных. При ориентации волокон из них выделяется жидкость.
Эластические волокна служат возвратной пружиной для создания покоя структурной системе. Они формируют вторую сеть вокруг коллагеновых волокон. При растяжении кожи они лежат пучками между коллагеновыми волокнами, точно ориентированные в том же направлении.
В более поздних исследованиях [Rovee D. et al., 1967] было установлено, что в восстановлении прочности тканей раны определенную роль играет не только коллагеновая структура дермы, но и эпидермис. Было обращено внимание также на участие в этом процессе таких субстанций, как клетки, неколлагеновые белки, кератин и мукополисахариды.
Физические свойства кожи (вязкость, напряжение, растяжимость) имеют определенное клиническое значение [Arion H., 1974; Karlan M., 1977]. Так, в клинике известны случаи, когда после многократного натяжения несводящихся краев раны отмечались «ползучесть» кожи и более легкое соединение их. Лоскут кожи, с трудом закрывающий дефект, не отмирает, а выживает вследствие того, что сила его растяжения уменьшается при постоянстве размеров дефектов. Наконец, на практике растяжимость кожи используют при отслоении ее от более плотных подлежащих тканей, ограничивающих ее подвижность.
Крайне важной следует считать связь между растяжимостью кожи и ее строением. При усиленном растяжении кожи коллагеновые волокна становятся более чувствительными к действию ферментов и происходят патологические изменения в богатых коллагеном тканях. Действие некоторых химических веществ (латирогенов, пеницилламина) на поперечные связи в коллагеновых волокнах свидетельствует о влиянии химических процессов на механические свойства тканей. При уменьшении натяжения рубцовой ткани, например с помощью Z-пластики, размягчаются рубцы и снижается выделение продуктов распада коллагена. Однако в настоящее время однозначный вывод о влиянии натяжения на свойства коллагена сделать пока нельзя, это влияние может быть различным в зависимости от строения сети коллагеновых фибрилл, а также от количественного и качественного соотношения коллагена и неколлагеновых компонентов ткани [Слуцкий Л. И., 1971].
Тем не менее представляют интерес экспериментальноклинические данные о влиянии натяжения в ране на рост соединительной ткани и рубца. Так, М. Steams (1940) в эксперименте показала, как под влиянием натяжения утолщаются и меняют ориентацию волокна дермы. Автор сделала вывод о том, что развитие и ориентация соединительной ткани находится под влиянием натяжения.
Более детально формирование коллагеновых волокон и их ориентация в ткани изучены L. Ordman и Т. Gillman (1966), которые показали, что ретикулин в пределах кожного рубца появляется ко 2—3-му дню после операции в виде волокон, ориентированных вертикально по отношению к поверхности. Новообразованные коллагеновые волокна и кровеносные капилляры до 5-го дня ориентируются перпендикулярно к поверхности и не пересекают рубец, а после 6-го дня меняют свою ориентацию — лежат параллельно поверхности и пересекают рубец.
По данным D. Douglas и соавт. (1969), раневой коллаген до 52-го дня отличается от обычного кожного; он тоньше (соответственно 2—10 и 12—30 мкм), не преломляет свет, собран в более тонкие пучки. В связи с этим рубцовая ткань всегда слабее интактной кожи даже на протяжении десятков лет, что может быть объяснено только ориентацией и количеством коллагена, хотя этот факт не всеми признается.
J. Dick (1951) показал, что предел кожного растяжения любой области тела является одинаковым для всех возрастов, но это характерно при небольших нагрузках (примерно тех, что происходят в клинических условиях). При небольших нагрузках важны состояния эластических волокон, при больших — коллагеновых. Поскольку в отличие от старческой кожи эластические волокна у молодых людей хорошо сформированы, правильные по величине и равномерно распространены по всей коже, растяжение такой кожи небольшое.
Источник: И.А.Фришберг, «Косметические операции на лице» 1984
А так же в разделе « МЕХАНИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОЖИ »
- Глава I ЭВОЛЮЦИЯ И ЭСТЕТИЧЕСКИЕ ПРОПОРЦИИ ЛИЦА ЧЕЛОВЕКА
- Глава II ОТБОР ПАЦИЕНТОВ ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ
- Глава III УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ КОСМЕТИЧЕСКОГО ПОСЛЕОПЕРАЦИОННОГО РУБЦА
- РАСПОЛОЖЕНИЕ КОЖНЫХ РАЗРЕЗОВ
- ОСОБЕННОСТИ ШОВНОГО МАТЕРИАЛА И ЕГО ИЗМЕНЕНИЯ В ТКАНИ
- ВЛИЯНИЕ ТИПА ХИРУРГИЧЕСКОГО КОЖНОГО ШВА НА ЗАЖИВЛЕНИЕ РАНЫ
- УДАЛЕНИЕ ШОВНОГО МАТЕРИАЛА
Источник
КАТЕГОРИИ:
Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)
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 400х. 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 Vy – скорость волны вдоль продольной (вертикальной) оси, Vx – вдоль поперечной (горизонтальной).
Коэффициент анизотропии положителен (K+), если Vy > Vx, при отрицателен (K–) при Vy < Vx.
Степень акустической анизотропии кожи достаточно высока. На лице она максимальна для верхнего века и минимальна для середины щеки. В обоих случаях Vy < Vx, 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 20оС.
Дата добавления: 2015-05-09; Просмотров: 3660; Нарушение авторских прав?
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Рекомендуемые страницы:
Читайте также:
Источник