Механические свойства биологических тканей реферат

Обновлено: 05.07.2024

Структура материала является главным фактором, определяющим его механические свойства и характер процесса разрушения. Большинство биологических тканей являются анизотропными композитными материалами, образованными объемным сочетанием химически разнородных компонентов. Состав каждого типа ткани сформировался в процессе эволюции и зависит от функций, которые она выполняет.

Костная ткань

В компактной костной ткани половину объема составляет неорганический материал, минеральное вещество кости — гидроксилапатит. Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов. Другая часть объема состоит из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий большой эластичностью). Способность кости к упругой деформации реализуется за счет минерального вещества, а ползучесть — за счет коллагена.

Кость является армированным композиционным материалом. Например, кости нижних конечностей армированы высокопрочными волокнами в окружных и спиральных перекрещивающихся направлениях.

Механические свойства костной ткани зависят от многих факторов: возраста, заболевания, индивидуальных условий роста. В норме плотность костной ткани 2400 кг/м 3 . Модуль Юнга Е = 10 10 Па, предел прочности при растяжении σ_пр= 100 МПа, относительная деформация достигает 1 %.

При различных способах деформирования (нагружения) кость ведет себя по-разному. Прочность на сжатие выше, чем на растяжение или изгиб. Так, бедренная кость в продольном направлении выдерживает нагрузку 45000 Н, а при изгибе — 2500 Н.

Запас механической прочности кости весьма значителен и заметно превышает нагрузки, с которыми она встречается в обычных жизненных условиях.

Вся архитектоника костной ткани идеально соответствует опорной функции скелета, ориентация костных перекладин параллельна линиям основных напряжений, что позволяет кости выдерживать большие механические нагрузки. Так, например, в головке бедренной кости под каждую нагрузку формируется своя структура — так называемая ферма Мичелла. Все эти фермы связаны между собой и образуют сложную структуру (рис. 11.14).

Рис. 11.14.Схема расположения костных перекладин губчатого вещества в виде фермы Мичелла в верхнем эпифизе бедра

Одной из важных особенностей конструкции костей скелета является галтельность, т. е. скругление внутренних и внешних углов. Галтельность повышает прочность и снижает внутренние напряжения в местах резкого перехода.

Кости обладают различной прочностью в зависимости от функции, которую выполняют. Бедренная кость в вертикальном положении выдерживает нагрузку до 1,5 т, а большая берцовая кость до 1,8 т (это в 25—30 раз больше веса нормального человека).

Установлено, что в соответствии с выполнением физиологических задач по реализации опорных и локомоторных функций согласно распределению силовых нагрузок в костях формируются зоны разной твердости. На рис. 11.15 приведена схема топографии разнотвердостных зон в одном из поперечных сечений большеберцовой кости.

Рис. 11.15.Схема топографии разнотвердостных зон в одном из поперечных сечений большеберцовой кости

Кожа

Кожа представляет собой не только совершенный покров тела, но является сложным органом, выполняющим важные функции: поддержание гомеостаза; участие в процессе терморегуляции, регуляция общего обмена веществ в организме, секреторная функция (работа сальных и потовых желез), защита от повреждающего действия механических, физических, химических, инфекционных агентов. Она представляет собой обширное рецепторное поле, воспринимающее извне и передающее в ЦНС 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 наложенных друг на друга слоев, которые тесно связаны между собой, но четко различаются по природе, структуре, свойствам. Схематическое изображение основных трех слоев — эпидермиса, дермы, подкожной клетчатки представлено на рис. 11.16. Эпидермис покрыт сверху роговым слоем.

Рис. 11.17.Толщина слоев кожи для отдельных участков тела

Функции каждого слоя, в том числе и механические, отражают биомеханическую природу ее компонентов и их структурную организацию.

Соотношение толщины слоев на различных участках тела различно, что показано для некоторых участков на рис. 11.17.

Толщина эпидермиса L и такая механическая характеристика, как модуль упругости Юнга Е, для различных участков сильно отличаются:

лицо, туловище	L = 34—92 мкм	Е=10 4 — 10 6 Па
ладони	L = 500—600 мкм	Е=10 7 Па
подошвы	L = 5000—9000 мкм	Е=10 8 Па

Среднюю толщину эпидермиса часто принято характеризовать его поверхностной плотностью, значения которой для различных участков на теле показано на рис. 11.18.

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/м 3 . 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.

Рис. 11.16.Схематическое изображение слоев кожи

Рис. 11.18.Поверхностная плотность эпидермиса для различных участков тела

Механические свойства кожи в норме изменяются с возрастом. Это показано ниже на примере кожи груди.

Параметр	До 1 года	5—9 лет	25—30 лет
σМПа	2-3	17-20	15—27
ε, %	70-100	130—145	80—140
V_сдвиг м/с	25—35	30-45	40—60

При исследовании механических свойств кожи с помощью акустического анализатора тканей, позволяющего оценивать скорость распространения акустических возмущений звукового диапазона (5—6 кГц) была выявлена акустическая анизотропия кожи. Это проявляется в том, что скорость распространения поверхностной волны (V) во взаимно перпендикулярных направлениях — вдоль вертикальной (У) и горизонтальной (X) осей тела различается.

Для количественной оценки степени выраженности акустической анизотропии был использован коэффициент анизотропии, который вычислялся 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 - ).

Проявление акустической анизотропии на различных участках кожи представлено в табл. 11.5, где указаны преимущественные соотношения скоростей и коэффициенты акустической анизотропии (данные указаны для лиц 18—30 лет). Доля проявления соответствующей акустической анизотропии указана для лиц нормального телосложения.

Таблица 11.5

Романтизм как литературное направление: В России романтизм, как литературное направление, впервые появился .

Опасности нашей повседневной жизни: Опасность — возможность возникновения обстоятельств, при которых.

Организм человека — сложная целостная саморегулирующаяся и самовозобновляющаяся система, состоящая из огромного количества клеток. На уровне клеток происходят все важнейшие процессы; обмен веществ, рост, развитие и размножение. Клетки и неклеточные структуры объединяются в ткани, органы, системы органов и целостный организм.

Файлы: 1 файл

Медицинская и биологическая физика.docx

Кировская Государственная Медицинская Академия

Кафедра физики и медицинской информатики

Реферат на тему:

Выполнила студентка 1 курса

группы С-193 Дробитько Диана

Оглавление

I Биологические ткани организма…………………………………………. стр.3

II Механические свойства биологических тканей…………………………стр.8

1. Кожа. Структура и ее механические свойства ………………………..…стр 9

2. Мышечная ткань и ее механические свойства…………………….……стр.13

3. Сосудистая ткань Эластические свойства сосудов……………………стр.17

Список использованной литературы ……………………………….……. стр.21

I Биологические ткани организма

Ткани— это совокупность клеток и неклеточных структур (неклеточных веществ), сходных по происхождению, строению и выполняемым функциям.

Выделяют 4 основные группы тканей:

Эпителиальные
Мышечные
Соединительные
Нервная

Эпителиальные ткани являются пограничными, так как покрывают организм снаружи и выстилают изнутри полые органы и стенки полостей тела. Особый вид эпителиальной ткани —железистый эпителий — образует большинство желез (щитовидную, потовые, печень и др.), клетки которых вырабатывают тот или иной секрет. Эпителиальные ткани имеют следующие особенности: их клетки тесно прилегают друг к другу, образуя пласт, межклеточного вещества очень мало; клетки обладают способностью к восстановлению (регенерации).

Эпителиальные клетки по форме могут быть плоскими, цилиндрическими, кубическими. По количеству пластов эпителии бывают однослойные и многослойные.

Примеры эпителиев: однослойный плоский выстилает грудную и брюшную полости тела; многослойный плоский образует наружный слой кожи (эпидермис); однослойный цилиндрический выстилает большую часть кишечного тракта; многослойный цилиндрический — полость верхних дыхательных путей); однослойный кубический образует канальцы нефронов почек.

Функции эпителиальных тканей; защитная, секреторная, всасывания.

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.

Различают 3 вида мышечной ткани:

Поперечнополосатая
Гладкая
Сердечная

Поперечнополосатая (скелетная) мышечная ткань построена из множества многоядерных волокноподобных клеток длиной 1—12 см. Наличие миофибрилл со светлыми и темными участками, по-разному преломляющих свет (при рассмотрении их под микроскопом), придает клетке характерную поперечную исчерченность, что и определило название этого вида ткани. Из нее построены все скелетные мышцы, мышцы языка, стенок ротовой полости, глотки, гортани, верхней части пищевода, мимические, диафрагма. Особенности поперечнополосатой мышечной ткани: быстрота и произвольность, потребление большого количества энергии и кислорода, быстрая утомляемость.

Сердечная ткань состоит из поперечно исчерченных одноядерных мышечных клеток, но обладает иными свойствами. Клетки расположены не параллельным пучком, как скелетные, а ветвятся, образуя единую сеть. Благодаря множеству клеточных контактов поступающий нервный импульс передается от одной клетки к другой, обеспечивая одновременное сокращение, а затем расслабление сердечной мышцы, что позволяет ей выполнять насосную функцию.

Гладкая мышечная ткань не имеет поперечной исчерченности, они веретеновидные, одноядерные, их длина около 0,1 мм. Этот вид ткани участвует в образовании стенок трубко-образных внутренних органов и сосудов (пищеварительного тракта, матки, мочевого пузыря, кровеносных и лимфатических сосудов). Особенности гладкой мышечной ткани: непроизвольность и небольшая сила сокращений, способность к длительному тоническому сокращению, меньшая утомляемость, небольшая потребность в энергии и кислороде.

Соединительные ткани (ткани внутренней среды) объединяют группы тканей мезодермального происхождения, очень различных по строению и выполняемым функциям. Виды соединительной ткани: костная, хрящевая, подкожная жировая клетчатка, связки, сухожилия, кровь, лимфа и др. Общей характерной чертой строения этих тканей является рыхлое расположение клеток, отделенных друг от друга хорошо выраженным межклеточным веществом, которое образовано различными волокнами белковой природы (коллагеновыми, эластическими) и основным аморфным веществом.

У каждого вида соединительной ткани особое строение межклеточного вещества, а следовательно, и разные обусловленные им функции. Например, в межклеточном веществе костной ткани располагаются кристаллы солей (преимущественно соли кальция), которые и придают костной ткани особую прочность. Поэтому костная ткань выполняет защитную и опорную функции.

Кровь— разновидность соединительной ткани, у которой межклеточное вещество жидкое (плазма), благодаря чему одной из основных функций крови является транспортная (переносит газы, питательные вещества, гормоны, конечные продукты жизнедеятельности клеток и др.).

Межклеточное вещество рыхлой волокнистой соединительной ткани, находящейся в прослойках между органами, а также соединяющей кожу с мышцами, состоит из аморфного вещества и свободно расположенных в разных направлениях эластических волокон. Благодаря такому строению межклеточного вещества кожа подвижна. Эта ткань выполняет опорную, защитную и питательную функции.

Нервная ткань, из которой построены головной и спинной мозг, нервные узлы и сплетения, периферические нервы, выполняет функции восприятия, переработки, хранения и передачи информации, поступающей как из окружающей среды, так и от органов самого организма. Деятельность нервной системы обеспечивает реакции организма на различные раздражители, регуляцию и координацию работы всех его органов.

Основными свойствами нервных клеток —нейронов, образующих нервную ткань, являются возбудимость и проводимость. Возбудимость — это способность нервной ткани в ответ на раздражение приходить в состояние возбуждения, а проводимость — способность передавать возбуждение в форме нервного импульса другой клетке (нервной, мышечной, железистой). Благодаря этим свойствам нервной ткани осуществляется восприятие, проведение и формирование ответной реакции организма на действие внешних и внутренних раздражителей.

Нервная клетка, или нейрон, состоит из тела и отростков двух видов. Тело нейрона представлено ядром и окружающей его областью цитоплазмы. Это метаболический центр нервной клетки; при его разрушении она погибает. Тела нейронов располагаются преимущественно в головном и спинном мозге, т. е. в центральной нервной системе (ЦНС), где их скопления образуют серое вещество мозга. Скопления тел нервных клеток за пределами ЦНС формируют нервные узлы, или ганглии. Короткие, древовидно ветвящиеся отростки, отходящие от тела нейрона, называются дендритами. Они выполняют функции восприятия раздражения и передачи возбуждения в тело нейрона.

II Механические свойства биологических тканей

Важнейшими механическими свойствами биологических тканей, благодаря которым осуществляются разнообразные механические явления, такие как функционирование опорно-двигательного аппарата, процессы деформаций тканей и клеток, распространение волн упругой деформации, сокращения и расслабление мышц, движение жидких и газообразных биологических сред. Среди этих свойств выделяют:

упругость - способность тел возобновлять размеры (форму или объем) после снятие нагрузок;
жесткость - способность материала противодействовать внешней нагрузкой; эластичность - способность материала изменять размеры под действием внешних нагрузок;
прочность - способность тел противодействовать разрушению под действием внешних сил;
пластичность - способность тел хранить (полностью или частично) изменение размеров после снятия нагрузок;
хрупкость - способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций;
вязкость - динамическое свойство, которое характеризует способность тела противодействовать изменению его формы при действии тангенциальных напряжений;
текучесть - динамическое свойство среды, которое характеризует

способность отдельных его слоев перемещаться с некоторой скоростью в пространстве относительно других слоев этой среды.

1. Кожа. Структура и ее механические свойства

Кожа представляет собой не только совершенный покров тела, но является сложным органом, выполняющим важные функции:

поддержание гомеостаза;
участие в процессе терморегуляции,
регуляция общего обмена веществ в организме,
секреторная функция (работа сальных и потовых желез),
защита от повреждающего действия механических, физических, химических, инфекционных агентов.

Она представляет собой обширное рецепторное поле, воспринимающее извне и передающее в ЦНС целый ряд ощущений. Кожа — граница раздела между телом и окружающей средой, поэтому она обладает значительной механической прочностью.

Кожа — самый крупный орган тела, важная анатомо-физиологическая часть целостного организма. При различных заболеваниях, в том числе и внутренних органов, в коже происходят те или иные изменения. Ее часто рассматривают как гетерогенную ткань, состоящую из трех наложенных друг на друга слоев, которые тесно связаны между собой, но четко различаются по природе, структуре, свойствам. Эпидермис покрыт сверху роговым слоем.

До недавнего времени кожа привлекала недостаточное внимание исследователей. Ситуация стала меняться сравнительно недавно. Последние исследования привели к лучшему пониманию особенностей этого органа. В большинстве областей тела человека толщина кожи составляет несколько миллиметров. Кожа состоит из трех слоев:

наружного — эпидермиса
основного или собственно дермы
подкожной жировой клетчатки

Верхний слой — эпидермис, состоит из многослойного ороговевшего эпителия, имеющего толщину от 0,1 до 1,5 мм. В тех участках , где кожа малоподвижна и подвергается значительным механическим воздействиям, эпидермис значительно толще. На стопах, ладонях и красной кайме губ толщина эпидермиса составляет 0,2-0,9 мм. На веках он очень тонок. Общая площадь эпидермиса — 1,5-2 м2. Масса — около 0,5 кг. Эпидермис состоит из нескольких слоев клеток. Наружный роговой слой эпидермиса состоит из мертвых клеток (чешуек), богатых белком кератином, которые постоянно слущиваются с поверхности кожи. Кератин может составлять 85% всех белков в слое. Ниже находится роговой слой. Из-за плотной упаковки он имеет значительную прочность и играет роль механического барьера. Толщина рогового слоя в разных участках кожи различна (обычно, от 10 до 20 мкм). Наибольшей толщины (до 600 мкм) он достигает в эпидермисе кожи ладоней и подошв. У мужчин роговой слой толще, чем у женщин. С возрастом этот слой истончается.

Механические модели биообъектов. Закон Гука при деформации тканей.
Механические свойства мышц и костей.
Механические свойства стенки кровеносных сосудов.
Механические процессы в легких.
Молекулярные основы упругих свойств биообъектов.

Вложенные файлы: 1 файл

Brimzhanova_Aselya.pptx

СРС
Тема: Пассивные механические свойства биологических тканей

Подготовила: Бримжанова А.С. 134 группа

Проверила: Масликова Е.И.

Кафедра медбиофизики и ОБЖ

Механические модели биообъектов. Закон Гука при деформации тканей.
Механические свойства мышц и костей.
Механические свойства стенки кровеносных сосудов.
Механические процессы в легких.
Молекулярные основы упругих свойств биообъектов.

Под механическими свойствами биологических тканей понимают две их разновидности

Связана с процессами биологической подвижности: сокращение мышц животных, рост клеток, движение хромосом в клетках при их делении и др.

2. Пассивные механические свойства биологических тел

обладают сложной анизотропной структурой, зависящей от функций, для которых они предназначены. Эту удивительную оптимальную структуру можно увидеть в конструкции костей нижних конечностей или в миокарде, которые армированы высокочастотными волокнами в окружных и спиральных перекрещивающихся направлениях. Биологические ткани испытывают обычно большие деформации. Зависимость между силами и удлинениями, соответственно между напряжениями и деформациями, устанавливается экспериментальным образом и имеет нелинейный характер.

свойства биологических тканей

Среди этих свойств выделяют:

упругость – способность тел возобновлять размеры (форму или объем) после снятие нагрузок;

хрупкость – способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций;

пластичность – способность тел хранить (полностью или частично) изменение размеров после снятия нагрузок;

жесткость – способность материала противодействовать внешней нагрузкой; эластичность – способность материала изменять размеры под действием внешних нагрузок;

хрупкость – способность материала разрушаться без образования заметных

вязкость – динамическое свойство, которое характеризует способность тела противодействовать изменению его формы при действии тангенциальных напряжений;

прочность – способность тел противодействовать разрушению под действием внешних сил;

Под действием внешней силы в тканях и органах возникают
деформации и течения

изменение взаимного расположения
материальных точек тела, которое приводит к изменению его формы и размеров.

Упругая деформация (эластичная) – деформация, исчезающая после прекращения действия внешних сил.
Неупругая деформация (пластическая) – деформация, которая сохраняется и после прекращения внешнего воздействия.
Упругопластическая деформация – неполное исчезновение деформации после прекращения внешнего воздействия.

Продольная деформация – деформация, возникающая в стержне при действии силы, направленной вдоль его оси.
Сдвиговая деформация –деформация, возникающая под действием силы, касательно приложенной к одной грани прямоугольного параллелепипеда, превращающая его в косоугольный параллелепипед.

Продольная деформация –изменение длины тела при растяжении и сжатии.

Величина растяжения мышцы пропорциональна величине деформирующей силы.

е - механическое напряжение

l - исходная длина мышцы

Δl - абсолютное удлинение

F - деформирующая сила

Fr - равновесная упругая сила

E - модуль упругости или модуль Юнга

Основная функция мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или силу. Главными биомеханическими показателями, характеризующими деятельность мышцы, являются:

б) сила, регистрируемая на ее конце (эту силу называют натяжением или силой тяги мышцы)

а) скорость изменения длины.

Понять многие из механических свойств мышцы помогает упрощенная модель ее строения – в виде комбинации упругих и сократительных компонентов. Упругие компоненты по механическим свойствам аналогичны пружинам: чтобы их растянуть, нужно приложить силу. Работа силы равна энергии упругой деформации, которая может в следующей фазе движения перейти в механическую работу. Различают:

а) параллельные упругие компонент ы (ПарК) – соединительнотканные образования, составляющие оболочку мышечных волокон и их пучков,

б) последовательные упругие компо ненты (ПосК) – сухожилия мышцы, места перехода миофибрилл в соединительную ткань, а также отдельные участки саркомеров, точная локализация которых в настоящее время неизвестна.

Мышцы имеют волокнистое строение. Под обычным микроскопом без труда наблюдается поперечно-полосатая структура мышечных волокон. Фибриллы имеют оболочку, образованную трубочками и пузырьками саркоплазматического ретикулума. Мышца содержит также митохондрии, расположенные между фибриллами. Миофибрилла в свою очередь состоит из ряда белковых нитей - толстых и тонких. Симметрия их расположения в поперечном сечении гексагональна (рисунок).

Черные линии - это так называемые Z -линии (Z - диски, имеющие вид линий в продольном сечении). Участок миофибриллы между двумя Z-линиями называется саркомером. Толстые нити образованы белком миозином, тонкие - в основном белком актином.

Кость- основной материал опорно- двигательного аппарата.

Кости позвоночного столба и нижних конечностей выполняют, в основном, опорную функцию. Кости черепа, позвоночного столба и грудной клетки выполняют защитные функции соответственно по отношению к мозгу, спинному мозгу, лёгким и сердцу. Двигательная функция осуществляется главным образом конечностями.

Костная ткань представляет собой весьма совершенную специализированную разновидность тканей внутренней среды. В этой системе гармонично сочетаются такие противоположные свойства, как механическая прочность и функциональная пластичность, процессы новообразования и разрушения.
Костная ткань состоит из клеток и межклеточного вещества, которые характеризуются определенной гистоархитектоникой. Основные клетки костной ткани — это остеобласты, остеоциты и остеокласты.

Кость является твердым телом, для которого основными свойствами являются прочность и упругость.

Прочность кости — это способность противостоять внешней разрушающей силе. Количественно прочность определяется пределом прочности и зависит от макро- и микроскопической конструкции и состава костной ткани. Что касается макроскопической конструкции, то каждая кость имеет специфическую форму, позволяющую выдерживать наибольшую нагрузку в определенной части скелета.
Упругость кости — это свойство приобретать исходную форму после прекращения воздействия факторов внешней среды.

Жесткое тело, которое соединяется шарниром с другим телом, называется ЗВЕНОМ

КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ – это подвижная механическая система, состоящая из нескольких неподвижных звеньев

ОДНООСНОЕ ДВУХЗВЕНЬЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Система состоит из двух звеньев А и В, соединенных осью ОО’.

При неподвижном звене В звено А имеет одну степень свободы как тело, вращающееся вокруг неподвижной оси.

Пример: плечелоктевое, фаланговое соединение.

1 степень свободы – сгибание и разгибание.

ДВУОСНОЕ ТРЕХЗВЕНЬЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Система состоит из трех звеньев: А, В и С, соединенных осями ОО’ и LL’. Закрепленное звено В не имеет свободы перемещения, второе звено А – имеет одну степень свободы и третье – С – две степени свободы.

Пример: лучезапястный сустав.

1 степень свободы – сгибание, разгибание.

2 степень свободы – отведение, приведение.

ТРЕХОСНОЕ ЧЕТЫРЕХЗВЕНЬЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Трехосное соединение осуществляет вращение вокруг 3-х взаимно- перпендикулярных осей.

Пример: тазобедренный и плечевой суставы.

1 степень свободы – сгибание, разгибание (в сагиттальной плоскости).

2 степень свободы – отведение, приведение (в фронтальной плоскости).

3 степень свободы – вращение вокруг продольной оси.

Почти все мягкие ткани человека проявляют свойства вязкоупругости и вязкопластичности.

Вязкоупругость — механическое свойство вещества быть как упругим, так и вязким.
Механические свойства биологических тканей имеют индивидуальный характер и зависят от многих параметров - возраста, способа питания, среды и т.п.
Установлено, например, что прочность тканей и органов увеличивается до 20 лет и после этого начинает убывать, а прочность зубов и кожи увеличивается до 50-летнего возраста.

Закон Гука для костной ткани

Зависимость механического напряжения () от относительной деформации () при сжатии диафиза бедренной кости человека.

При исследовании жёсткости в диапазоне малых синусоидальных деформаций напряжение сердечной мышцы удовлетворяет закону Гука. В этом случае модуль упругости зависит от начальной длины мышцы, температуры и вида объекта. В желудочке кролика при 300С и l = 1,14 l0 Е = 2,6 105 Н/м2, при l = 1,23 l0 Е = 5,7 105 Н/м2 и при l = 1,31 l0 Е = 8,9 105 Н/м2. В предсердии значения модуля упругости… Читать ещё >

Механические свойства биологических тканей ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Механические свойства биологических тканей

1. Механические свойства биологических тканей. Вязкоупругие, упруговязкие и вязкопластичные системы. Механические свойства мышц, костей, кровеносных сосудов, легких

1.1 Задачи, объекты и методы биомеханики

1.2 Значение биомеханики для медицины

1.3 Биомеханика опорно-двигательной системы человека. Биомеханические аспекты остеогенеза

1.4 Сочленения и рычаги в опорно-двигательном аппарате человека

1.5 Эргометрия. Механические свойства тканей организма Список использованных источников

На рисунке даны характерные диаграммы экспериментально установленных зависимостей между напряжениями и деформациями в продольном направлении различных артериальных сосудов: 1 — подвздошная артерия, 2 — внутренняя сонная артерия.

1.1 Задачи, объекты и методы биомеханики Биомеханика — раздел биофизики, изучающий механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также физические явления, происходящие в них в процессе жизнедеятельности и перемещения тела в пространстве (при движениях, дыхании, кровообращении).

Опираясь на данные анатомии и используя методы теоретической и прикладной механики, биомеханика исследует деформации структурных элементов тела, движение жидкостей и газов в живом организме, перемещения звеньев тела относительно друг друга и всего тела в пространстве, устойчивость и управляемость движений, и другие вопросы, доступные методам механики.

Биомеханика движений исследует структуру опорно-двигательного аппарата (характер подвижных сочленений, число степеней свободы), кинематику движений (скорость, ускорения, траектории), динамику движений — картину действующих сил. Чаще всего задача биомеханического исследования состоит в том, чтобы по кинематическим характеристикам движения определить картину действующих сил.

Современная биомеханика не ограничивается анализом движений. Сфера приложения биомеханики расширяется, и сейчас она включает в себя изучение дыхательной системы, системы кровообращения, специализированных рецепторов и т. п.

Биомеханика дыхательного аппарата изучает кинематику и динамику дыхательных движений, сопротивление дыханию, обусловленное трением воздуха при движении по гортани, трахее и бронхам (неэластическое сопротивление), сопротивление, связанное с упругостью грудной клетки, эластичностью тканей легких, а также поверхностным натяжением жидкости, тонким слоем покрывающим аловеолы (эластическое сопротивление).

Биомеханика кровообращения изучает реологические свойства крови, сосудистой стенки и периваскулярных тканей, особенности тока крови в ветвящихся сосудах, в сосудах малого диаметра и капиллярах, гидродинамические явления в полостях сердца и магистральных сосудах, возникновение акустических колебаний в сердечно-сосудистой системе, вопросы теплообмена и др.

Начало исследований по биомеханике было положено Леонардо да Винчи. Изучая полет птиц и движения человека, работу скелетных мышц и сердца, механику дыхания и голосообразования, он считал, что функционирование ряда систем организма подчинено законам механики.

Методы биомеханических исследований включают различные приемы регистрации положения и движения тела, измерений силы групп мышц, моментов инерции звеньев тела и др. Для изучения положения тела существуют приборы, позволяющие определять положение общего центра тяжести по отношению к поверхности опоры, величину опорного контура, степень устойчивости тела в пространстве. Для регистрации движений используются различные варианты световой записи.

Циклография заключается в регистрации на неподвижной фотопластинке нескольких избранных точек движущегося тела. Для регистрации движений, траектории которых могут накладываться друг на друга (например, циклические движения), применяют кимоциклографию — регистрацию движений на равномерно движущейся пленке. Система обработки циклограмм (циклограмметрия) позволяет по циклограмме определить амплитуду движения, скорости и ускорения. Большое распространение получили методы электрической регистрации биомеханических параметров движения. С помощью различных датчиков можно непосредственно регистрировать кривые движения в суставах, составляющие опорных реакций и точку приложения их равнодействующей, линейные и угловые скорости и ускорения и др.

При изучении рабочих движений человека используют специальные насадки к рабочему инструменту с датчиками, позволяющими регистрировать величину прилагаемых мышечных моментов в различных плоскостях, силу удара и т. п. При электрической регистрации параметров движения возможен их непосредственный ввод в ЭВМ. Это даёт возможность получения в реальном масштабе времени таких важнейших показателей движения, как моменты сил, действующих в суставе, работа и мощность.

1.2 Значение биомеханики для медицины Результаты биомеханических исследований представляют интерес для физиологии и клинической медицины. На основе этих исследований могут быть составлены биомеханические характеристики органов и систем организма, знание которых является важнейшей предпосылкой для изучения процессов регуляции. Значительный интерес биомеханика представляет для протезирования. Многие характеристики опорно-двигательного аппарата используются при проектировании других технических систем (бионика).

Ряд биомеханических показателей состояния кровообращения (например, баллистокардиография, динамокардиография) и дыхания играет роль важных количественных показателей в диагностике, в определении показаний и противопоказаний к операциям на сердце и лёгких.

1.3 Биомеханика опорно-двигательной системы человека. Биомеханические аспекты остеогенеза Остео — (греч. osteou) — кость.

Генез — (греч. genesis) — часть сложного слова, означающая: связанный с процессом образования, возникновения.

Изучение динамики опорно-двигательной системы человека имеет целью изучить закономерности движения организма в пространстве и во времени и определить эффективность этих движений.

Опорно-двигательная система человека состоит из костей, суставов, связок и мышц. Это основная система, которая оформляет структуру человека и дает ему возможность выполнять основное свойство — двигаться, что играет основную роль в жизни. Движение совершается в местах соединений костей — в суставах. Мышцы обладают основным свойством — сокращаться и приводить таким образом в движение рычаги костей. Поэтому кости и их соединения являются пассивной частью двигательного аппарата, а мышцы — активной.

Вес скелета составляет для мужчин 18%, а для женщин 16% общего веса. Он является местом накопления минеральных солей организма — фосфора, кальция, железа и др. Скелет взрослого человека имеет 206 костей. Любая кость скелета занимает определенное место и положение в человеческом теле, имеет свою форму и строение и выполняет определённые функции.

Соединений в скелете приблизительно 150. Почти половина из них — суставы, самые подвижные соединения скелета. Многочисленные связки скрепляют суставы, обеспечивающие определенную кинематику движения и очень часто ограничивают их диапазон. Существует множество суставов со сложной кинематикой взаимного движения соединяемых костей скелета.

Силы, которые появляются в человеческом теле при движении и в процессе труда, имеют динамический характер. И здесь наблюдается влияние принципа целесообразности в структуре опорно-двигательной системы, где развиты образования, имеющие целью ослабить удары.

Движение твердого тела описывается в прямоугольной системе координат. Произвольное перемещение и поворот тела вокруг произвольной оси можно разложить соответственно на три перемещения по координатным осям и на три поворота вокруг них. Поэтому для полного описания движения жесткого тела нужно 6 величин (то есть 3 поступательных и 3 вращательных).

Независимые друг от друга величины, определяющие состояние данной физической системы, называются степенями свободы этой системы.

Жесткое тело, которое соединяется шарниром с другим телом, называется звеном. Звено имеет ограниченную свободу движения и меньше степеней свободы. Когда звено прикреплено к другому телу, принимаемому за неподвижное, степени свободы определяются возможностями перемещений и поворотов.

Опорно-двигательный механизм человека представляет собой исключительно сложную систему со многими степенями свободы. Когда две кости соединяются между собой суставом, они образуют кинематическую пару, а когда несколько костей соединяются последовательно суставами, они образуют кинематическую цепь.

Общее число степеней свободы равно разности между степенями свободы звеньев, когда они свободны, и числом ограничений (связей) в соединениях. Число степеней свободы определяется по формуле:

n = 6N — i P (i), i = 5,4,3,

Общее число степеней свободы человеческого тела равно около:

6 144 — 5 81 — 4 33 — 3 29 = 240.

В процессе движения тела степени свободы находятся под контролем нервно-мышечного аппарата. Основная задача координации движений состоит в подчинении лишних степеней свободы, одной единой управляющей системе. Трудность этой задачи видна из того, что число степеней свободы больше двухсот.

Динамические модели опорно-двигательного аппарата принадлежат к классу склерономных голономных механических систем, к которым можно применить результаты классической механики. Живые организмы тоже подчиняются принципу сохранения механической энергии.

где Е — механическая энергия, Ек — кинетическая энергия, Еп — потенциальная энергия, Fl — внешние силы, Vl — скорости точек приложения внешних сил, Мk — моменты сил в суставах, k — угловые скорости, соответствующие моментам ["https://westud.ru", 7].

Кинетическая энергия определяется только скоростью движения материальных частиц организма, а потенциальная — положением этих частиц в гравитационном поле. Компоненты механической энергии определяются при помощи циклограммы или другими способами. Ими определяются положения и скорости центра тяжести отдельных звеньев. Выражая механическую энергию через измеренные таким образом величины, получаем:

; (1)

где обозначает суммирование по всем звеньям тела; - масса звена; V — скорость центра тяжести звена; Iik — компоненты тензора моментов инерции относительно осей i, k локальной системы координат с началом в центре тяжести звена; i, k — проекции угловых скоростей звена по тем же осям, g — гравитационное ускорение, Н — высота центра тяжести звена над некоторым гравитационным уровнем.

Первые два члена определяют компоненты кинетической энергии в зависимости от перемещений и поворотов, а третий член — потенциальную энергию. В уравнении (1) фигурируют движения, которые совершаются при помощи сил мышц в связи с трудовыми процессами: при перемещении предметов в пространстве или при некоторых ручных операциях и т. д. Положение тела можно определить при помощи уравнений Лагранжа второго рода, имеющих вид:

(2)

При помощи системы уравнений (2) устанавливается связь между кинематическими и силовыми характеристиками движения живого организма. Эта связь очень сложна, поскольку не всегда нервное возбуждение мышцы, которое увеличивает его тягу, приводит к повороту сустава в направлении действия этой силы.

1) кисть имеет две степени свободы;

2) локтевом суставе — 1 степень свободы;

3) сочленение между плечевой и локтевой и между локтевой и лучевой костями относятся к типу суставов, допускающих только одну степень свободы. Таким образом, предплечье обладает двумя степенями свободы движения относительно плеча;

4) тазобедренный сустав относится к типу шаровидных суставов, допускающих три степени свободы.

1.4 Сочленения и рычаги в опорно-двигательном аппарате человека Опорно-двигательный аппарат человека состоит из сочлененных между собой костей скелета, к которым в определенных точках прикрепляются мышцы. Кости скелета действуют как рычаги, которые имеют точку опоры в сочленениях и приводятся в движение силой тяги, возникающей при сокращении мышц.

Рычагом называется твердое тело, которое может вращаться около неподвижной оси. Различают три вида рычагов:

1) Когда точка опоры лежит между точками приложения действующей силы F и силы сопротивления R.

Условие равновесия рычага Fа = Rb.

Пример: череп, рассматриваемый в сагиттальной плоскости. (Сагиттальный — расположенный в переднезаднем направлении. Сагиттальные плоскости (мнимые) проходят вертикально спереди назад вдоль тела; только срединная сагиттальная плоскость делит его на две симметричные половины). Ось вращения О проходит через сочленение черепа с первым позвонком. R — сила тяжести головы, приложенная в центре тяжести. F — сила тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.

2) Когда точка опоры лежит за точкой приложения силы сопротивления R, а сила F приложена на конце рычага.

Условие равновесия рычага Fa = Rb, но, а > b, следовательно, F > R, то есть рычаг дает выигрыш в силе, но проигрыш в перемеще;

нии и называется рычагом силы.

Пример: действие свода стопы при подъёме на полупальцы. Опорой О служат головки плюсневых костей. R — сила тяжести всего тела, приложена к торанной кости. F — мышечная сила, осуществляющая подъём тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости.

Когда сила F приложена ближе к точке опоры, чем сила R.

Условие равновесия рычага. Fa=Rb, но, а R, то есть рычаг дает проигрыш в силе, но выигрыш в перемещении и называется рычагом скорости.

Пример: кости предплечья. Точка опоры О находится в локтевом суставе. F — сила мышц, сгибающих предплечье, R — сила тяжести поддерживаемого груза, приложенная обычно к кисти, а также сила тяжести самого предплечья.

То есть мышечная сила F, необходимая для преодоления данной силы R сопротивления, должна быть тем больше, чем под мышечным углом к оси рычага она направлена. Поэтому, например, человек удерживает относительно большой груз при согнутом предплечье и значительно меньший — при разогнутом.

Кости опорно-двигательного аппарата соединяются между собой в сочленениях или суставах.

Основной механической характеристикой сустава является число степеней свободы. Различают суставы с 1, 2 и 3 степенями свободы.

Примеры: плечево-локтевой сустав — одна степень свободы;

лучезапястный сустав — две степени свободы;

тазобедренный сустав, лопаточно-плечевое сочленение — три степени свободы (сгибание и разгибание, приведение и отведение, вращение).

1.5 Эргометрия. Механические свойства тканей организма Человек с помощью мышц совершает механическую работу, которая обусловлена силой мышц и развиваемой ими мощностью. Средняя мощность, развиваемая человеком, не занятым специально физическим трудом, весьма невелика и, например, при ходьбе по ровной местности составляет 100−200 вт в зависимости от скорости.

Усталость свидетельствует о том, что мышцы совершают работу, хотя перемещения нет и работа равна нулю. Такую работу называют статической работой мышц.

Исследование работоспособности мышц называется эргометрией, а соответствующие приборы — эргомерами.

Пример: тормозной велосипед (велоэргометр). F — сила трения между лентой и ободом колеса, измеряемая динамометром. Вся работа испытуемого затрачивается на преодоление силы трения.

Когда мышцы совершают работу, в них освобождается химическая энергия, накопленная в процессе метаболизма; она частично превращается в механическую работу, а частично теряется в виде тепла.

Во время работы используемых на велоэргометре можно рассчитать к.п.д. превращения химической энергии в механическую. КПД варьирует в зависимости от скорости вращения педалей и достигает максимальной величины — 22% - при нажимании ногой на педаль через каждые 0,9 (то есть при одном обороте педалей за 1,8 с). С помощью велоэргометра можно измерить не только к.п.д. мускулатуры ног, но и максимальную мощность, которую она способна развить — эта мощность достигает 40 Вт на 1 кг мышечной ткани. На таком уровне она может оставаться лишь короткое время, так как мышцы не могут получать кислород с необходимой для этого скоростью.

Список использованных источников

1. Аккерман Ю. Биофизика: Учебник. — М.: Мир, 1964. — 684 с.

2. Волькенштейн М. В. Общая биофизика: Монография — М.: Наука, 1978. — 599 с.

3. Basic biomechanics of the musculoskeletal system / Ed. By Nordin M., Frankel V. H. — Philadelphia, London: Lea & Febiger, 1989. — 323 p.

4. Биофизика: Учебник / Тарусов Б. Н. , Антонов В. Ф. , Бурлакова Е. В. и др. — М.: Высшая школа, 1968. — 464 с.

5. Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика: Учеб. для мед. спец. Вузов. — М.: Высшая школа, 1999. — 616 с.

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:

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Механические леса

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Читайте также: