физика. реферат физика. Механические свойства биологических тканей

• Название: Механические свойства биологических тканей
• Анкор: физика
• Дата: 14.05.2023
• Размер: 195.19 Kb.
• Имя файла: реферат физика.docx
• Тип: Реферат; #1129790

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 ЗСа₃(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 ε_ост.

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 σ_ост. 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, σ_пр =100 МПа;

• эластин — Е = 0,5 МПа, σ_пр = 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 V_у— скорость вдоль вертикальной оси, V_x— вдоль горизонтальной оси.

Коэффициент анизотропии принимается за положительный (К⁺),если V_у > V_x; npи V_у < V_xкоэффициент 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,

Д_F — 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 (Д_F). Максимальная сила Р₀, которую может развивать мышца, зависит от ее начальной длины и области перекрытия актиновых и миозиновых нитей, в которой могут замыкаться мостики: при начальной длине саркомера 2,2 мкм в сокращении участвуют все мостики.

Если длина мышцы больше, то и количество мостиков в мышце больше, поэтому и возникающая сила будет больше. На рис. б большей длине мышцы (l₁ > l₂) соответствует большая сила (Р₀₁ > Р₀₂).

Изотонический режим — когда искусственно поддерживается постоянство напряжения мышцы. Например, мышца поднимает постоянный груз Р = const, а регистрируется изменение ее длины при сокращении.

Схема опыта для реализации этого режима показана на рис. а.

Изотонический режим:

а) схема установки для реализации режима: Р — нагрузка, Д, — датчик изменения

длины; б) временная зависимость изменения длины мышцы ∆l одиночного

сокращения мышцы , Р — нагрузка

При этом режиме к незакрепленному концу мышцы подвешивается груз Р, а на электроды подается электрический импульс. Регистрируется сокращение мышцы, т. е. изменение ее длины ∆l со временем. В изотоническом режиме мышца быстро сокращается до определенной длины, а затем расслабляется. Вид зависимости ∆l (t) для двух различных нагрузок показан на рис. б. При изотоническом режиме имеет место следующее: чем больше груз Р, тем меньше укорочение мышцы и короче время удержания груза. При некоторой нагрузке Р = Р₀мышца совсем перестанет поднимать груз. Это значение Р₀ и будет максимальной силой изометрического сокращения для данной мышцы.

При увеличении нагрузки угол наклона восходящей части кривой изотонического сокращения уменьшается: α₂ < α₂ рис.б. Это означает, что скорость укорочения с ростом нагрузки падает.

Уравнения Хилла

 Между нагрузкой (Р) и скоростью укорочения мышцы (v) при изотоническом сокращении существует зависимость, выражаемая уравнением Хилла:

, или

где а — постоянная, имеющая размерность силы; Р_о— постоянная, соответствующая максимальной силе, развиваемой в изотоническом режиме (максимальный груз, который удерживает мышца без ее удлинения); b — константа, имеющая размерность скорости.

Анализ уравнения показывает, что в зависимости от нагрузки Р поведение мышцы, т. е. ее сокращение, проявляется по-разному.

Развитие наибольшей мощности и эффективности сокращения достигается при усилиях 0,3—0,4 от максимальной изометрической нагрузки Р₀ для данной мышцы. Это используют, например, спортсмены-велогонщики: при переходе с равнины на горный участок нагрузка на мышцы возрастает и спортсмен переключает скорость на низшую передачу, тем самым уменьшая P, приближая ее к Р_опт.

6.Сосудистая ткань. Эластические свойства сосудов

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.

П ри детальном исследовании механических свойств сосудис­той ткани различают, каким образом вырезан из сосуда образец (вдоль или поперек сосуда). Можно, однако, рассматривать де­формацию сосуда в целом как результат действия давления из­нутри на упругий цилиндр.

Рассмотрим цилиндрическую часть кровеносного сосуда дли­ной l, толщиной h и радиусом внутренней части r. Сечения вдоль и поперек оси цилиндра показаны на рис. 8.22, а, б. Две половины цилиндрического сосуда взаимодействуют между собой по сечени­ям стенок цилиндра (заштрихованные области на рис. 8.22, а). Общая площадь этого «сечения взаимодействия» равна 2hl. Если в сосудистой стенке существует механическое напряжение а, то си­ла взаимодействия двух половинок сосуда равна

Эта сила уравновешивается силами давления на цилиндр изнутри (они показаны стрелками на рис. 8.22, б). Силы направлены под разными углами к горизонтальной плоскости (на рисунке). Для того чтобы найти их равнодействующую, следует просуммировать горизонтальные проекции. Однако проще найти равнодействую­щую силу, если умножить давление на проекцию площади полу­цилиндра на вертикальную плоскость ОО'. Эта проекция равна 2rl. Тогда выражение для силы через давление имеет вид

(3) Приравнивая (2) и (3) , получаем σ • 2hl = р • 2rl, откуда

Это уравнение Ламе.

Эластические свойства сосудов или отделов сосудистой системы часто характеризуются такой величиной, как растяжимость (С), которая отражает, насколько изменяется их объем (Д V) в ответ на определенное изменение трансмурального давления(АР):
 Трансмуральное давление представляет собой разность между внутренним и внешним давлением на сосудистую стенку.
Эластические свойства вен важны для их функции по депонированию крови. Так как вены столь растяжимы, что даже небольшие изменения периферического венозного давления могут вызвать перемещение существенного объема циркулирующей крови в периферический венозный пул или из него. Переход в вертикаль – нос положение тела, например, увеличивает венозное давление в нижних конечностях и способствует накоплению крови (создание пула) в этих сосудах. К счастью, данный процесс может быть уравновешен активным сужением вен. В суженных венах объем крови может соответствовать норме (точка С) или даже быть ниже нормы (точка D), несмотря на более высокое, чем венозное давление. Сужение периферических вен само по себе способно повышать периферическое венозное давление и перемещать кровь из венозного резервуара.
Эластические свойства артерий позволяют им функционировать в качестве резервуара в промежутке между сокращениями сердца. Артерии играют важную роль в превращении пульсирующего потока крови, изгоняемого из сердца, в постоянный поток через сосудистое русло системных органов. С этой точки зрения, артерии выполняют функцию буфера. В начале фазы быстрого изгнания объем артериальной крови увеличивается, так как кровь поступает в 1 аорту быстрее, чем она проходит в просвет системных артериол. Таким образом, часть той работы, которую сердце выполняет при выбросе крови, уходит на растяжение эластических стенок артерий. Ближе к концу систолы и на протяжении диастолы, артериальный объем уменьшается, поскольку кровоток, выходящий из артерий, превышает кровоток, поступающий в аорту. Находящаяся в растянутом состоянии артериальная стенка сокращается и при этом утрачивает накопленную потенциальную энергию. Данная энергия, перешедшая из одной формы в другую, и обеспечивает работу по продвижению крови через периферическое сосудистое русло во время диастолы. Если бы артерии представляли собой жесткие трубки, не способные аккумулировать энергию за счет эластического растяжения, артериальное давлением немедленно падало бы до нуля при окончании процесса каждого сердечного выброса.

7. Заключение

Для начала хотелось бы сказать о роли различных типов биологических тканей в организме человека. Эпителиальные ткани образуют покровы животных (людей), выстилают полости тела и внутренних органов.. Выполняет защитную, секреторную, газообменную, высасывающую и некоторые другие функции. Защищают тело от ударов, переохлаждений, пере греха и повреждений.

Соединительные ткани состоят из небольшого числа клеток, разбросанных в массе межклеточного вещества, и выполняют опорную, поддерживающую, защитную и связываю щурю функции. Кровь - своеобразная соединительная ткань.

Мышечные ткани придают форму телу, поддерживают и защищают внутренние органы. Скелет образует структурную основу тела и в значительной мере определяет его форму и размер. Роль костей не ограничивается функцией опоры. Входящие в состав их тканей минеральные соли--одни из важнейших элементов обменных процессов. В костях находится также один из основных органов кроветворения -- костный мозг.

Следовательно нам, как будущим врачам, чья работа напрямую будет связана в человеческим организмом, а вследствие и с его биологическими тканями, необходимо знать как структуру, функции так и свойства тканей с физической точки зрения.

8. Список литературы

А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко «Медицинская и биологическая физика» М. 2010.

Г. Ильич, В. Лещенко «Медицинская и биологическая физика». М. 2009.

Лекция по Медицинской и Биологической Физике 

Ресурсы сети Интернет

http://ru.wikipedia.org

http://www.medikalsite.ru