Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 202
Скачиваний: 9
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Ставропольский государственный медицинский университет»
Министерства здравоохранения Российской Федерации
Кафедра физики и математики
Реферат
по дисциплине «Физика»
Тема:
«Механические свойства биологических тканей»
Выполнила:
Абдуллаева Асильханум Тимуровна
Специальность
Лечебное дело
1 курс 108 группа
Проверила: _____________________
Дата проверки___________________
Оценка_____________________
Ставрополь 2022
Содержание:
1. Введение
2. Механические свойства биологических тканей
3. Костная ткань. Структура и ее механические свойства
4. Кожа. Структура и ее механические свойства
5. Мышечная ткань и ее механические свойства
6. Сосудистая ткань. Эластические свойства сосудов
7. Заключение
8. Список использованной литературы
1. Введение
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. Другая разновидность — пассивные механические свойства биологических тел.
Как технический объект биологическая ткань — композиционный материал, он образован объемным сочетанием химически разнородных компонентов. Виды биологических тканей: кожа, мышцы, костная ткань и ткань кровеносных сосудов (сосудистая ткань).
Кожа-это вязкоупругий материал с высокоэластическими свойствами, она хорошо растягивается и удлиняется. Кожа состоит из волокон коллагена (75%), эластина(4%) и основной ткани - матрицы. Эластин в свою очередь растягивается очень сильно (до 200-300%),примерно как резина.
Мышечные ткани обусловливают все виды двигательных процессов внутри организма, а также перемещение организма и его частей в пространстве. Это обеспечивается за счет особых свойств мышечных клеток — возбудимости и сократимости. Во всех клетках мышечных тканей содержатся тончайшие сократительные волоконца — миофибриллы, образованные линейными молекулами белков — актином и миозином. При скольжении их относительно друг друга происходит изменение длины мышечных клеток.
Кость - основной материал опорно-двигательного аппарата. В упрощенном виде можно сказать что 2/3 массы компактной костной ткани (0,5 объема) составляет неорганический материал, минеральное вещество кости. В основном кость состоит из органического материала коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий высокой эластичностью).
Сосудистая ткань. Механические свойства кровеносных сосудов определяется свойствами коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. Содержание этих составляющих сосудистой ткани изменяется по ходу кровеносной системы: отношение эластина к коллагену в сонной артерии 2:1, а в бедренной артерии 1:2.
2. Механические свойства биологических тканей
C точки зрения механики ,биологическая ткань это композиционный материал, образованный сочетанием нескольких разнородных элементов. При этом механические свойства любой биологической ткани отличаются от механических свойств каждого из ее компонентов.
Изменение формы и размеров твердых тел под действием внешних сил называется деформацией. Упругая деформация-исчезающая с прекращением действия внешних сил. Пластическая (остаточная) деформация – сохраняющаяся в теле после прекращения действия внешних сил. Пластичностью называется способность материала получать большие остаточные деформации,не разрушаясь. Вязкостью называется способность твердых тел необратимо поглощать энергию при пластической деформации.
Относительная деформация
-количественная мера , характеризующая степень деформации . Определяется отношением абсолютной деформации к первоначальному размеру:
Напряжением
называется величина, равная отношению внешней силы, действующей на образец к площади этого образца:
Зависимость между относительной деформацией и натяжением называется диаграммой растяжения: 
При описании механических свойств как технических систем , так и биологических используются упругая и вязкая модели, а также их различные соединения.
3. Костная ткань. Структура и ее механические свойства
Кость — основной материал опорно-двигательного аппарата. В упрощенном виде можно считать, что 2/3 массы компактной костной ткани (0,5 объема) составляет неорганический материал, минеральное вещество кости — гидроксилапатит ЗСа
3(РО4)2 • Са(ОН)2. Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов. В остальном кость состоит из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий высокой эластичностью). Кристаллики гидроксилапатита расположены между коллагеновыми волокнами (фибриллами).
Плотность костной ткани 2400 кг/м3. Ее механические свойства зависят от многих факторов, в том числе от возраста, индивидуальных условий роста организма и, конечно, от участка организма.
Композиционное строение кости придает ей нужные механические свойства: твердость, упругость и прочность. Зависимость 
для компактной костной ткани характерный вид(рис.8.18), т. е. подобна аналогичной зависимости для твердого тела; при небольших деформациях выполняется закон Гука. Модуль Юнга около 10 ГПа, предел прочности 100 МПа. Полезно эти данные сопоставить с данными для капрона, армированного стеклом.Примерный вид кривых ползучести компактной костной ткани приведен на рис. 8.19. Участок 0А соответствует быстрой деформации, АВ — ползучести. В момент t1 соответствующий точке В, нагрузка была снята. ВС соответствует быстрой деформации сокращения, CD — обратной ползучести. В результате даже за - длительный период образец кости не восстанавливает своих прежних размеров, сохраняется некоторая остаточная деформация εост.
Э
той зависимости приближенно соответствует модель (рис. 8.20, а), сочетающая последовательное соединение пружины с моделью Кельвина—Фойхта. Временная зависимость относительной деформации показана на рис. 8.20, б. При действии постоянной нагрузки мгновенно растягивается пружина 1 (участок ОА), затем вытягивается поршень (ползучесть АВ), после прекращения нагрузки происходит быстрое сжатие пружины 1 (ВС), а пружинa 2 втягивает поршень в прежнее положение (ползучесть CD). В предложенной модели не предусматривается остаточная деформация.Схематично можно заключить, что минеральное содержимое и кости обеспечивает быструю деформацию, а полимерная часть (коллаген) определяет ползучесть.
Если в кости или в ее механической модели быстро создать постоянную деформацию, то скачкообразно возникает и напряжение (участок ОА на рис. 8.20, в). На модели это означает растяжение пружины 1 и возникновение в ней напряжения. Затем (участок АВ) эта пружина будет сокращаться, вытягивая поршень и растягивая пружину 2, напряжение в системе будет убывать r (релаксация напражения). Однако даже спустя значительное время сохранится остаточное напряжение σост. Для модели это означает, что не возникнет при постоянной деформации такой ситуации, чтобы пружины вернулись в недеформированное состояние.
4. Кожа. Структура и ее механические свойства
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. 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 общий состав кожи входят волокна коллагена, эластина и основной ткани — матрицы. Коллаген составляет 75% сухой массы, а эластин — около 4%. Плотность кожи в норме (область рук, груди) составляет 1100 кг/м3. Эластин растягивается очень сильно (до 200—300%). Коллаген может растягиваться до 10%. Механические характеристики компонентов кожи:
• коллаген — Е = 10—100 МПа, σпр =100 МПа;
• эластин — Е = 0,5 МПа, σпр = 5 МПа.
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. Для количественной оценки степени акустической анизотропии используется коэффициент анизотропии (K), который вычисляется по формуле:
, где Vу— скорость вдоль вертикальной оси, Vx— вдоль горизонтальной оси.Коэффициент анизотропии принимается за положительный
(К+),если Vу > Vx; npи Vу < Vxкоэффициент принимается за отрицательный (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.
Механические свойства кожи зависят также от пола и возраста человека.
5. Мышечная ткань и ее механические свойства
Основная функция мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или силу. Главными биомеханическими показателями, характеризующими деятельность мышцы, являются: а) сила, регистрируемая на ее конце (эту силу называют натяжением или силой тяги мышцы) и б) скорость изменения длины.
При возбуждении мышцы изменяется ее механическое состояние; эти изменения называют сокращением. Оно проявляется в изменении натяжения и длины мышцы, а также других ее механических свойств (упругости, твердости и др.).
Механические свойства мышц сложны и зависят от механических свойств элементов, образующих мышцу (мышечные волокна, соединительные образования и т.п.), и состояния мышцы (возбуждения, утомления и пр.)
Режим работы мышц может быть весьма разнообразным. Различают три основных вида таких режимов: изометрический, изотонический, ауксотонический, когда сокращение мышцы происходит в условиях некоторого предварительного растяжения. Для исследования характеристик сокращения мышц реализуют два искусственных режима.
И
зометрический режим —когда напряжение мышцы происходит в искусственных условиях сохранения ее длины,что достигается с помощью фиксатора. Схема опыта для реализации этого режима показана на рис. а.Изометрический режим: а) схема установки для реализации режима:
Ф — фиксатор длины, М — мышца, Эл — электрод,
ДF — датчик силы; б) временная зависимость развиваемой силы F
одиночного сокращения мышцы при изометрическом режиме сокращения, I — длина мышцы,Р- максимальная сила
После установки длины на электроды (Эл) подается электрический стимул. В возбужденной мышце развивается сила F (напряжение), которая регистрируется датчиком силы (ДF