Элементы биомеханики

Элементы биомеханики

План

1. Деформация и её виды

2. Основные характеристики деформации. Закон Гука для упругой деформации

3. Реологическое моделирование биотканей

4. Механические свойства биотканей

4.1 Механические свойства костной ткани

4.2 Механические свойства ткани кровеносных сосудов

1. Деформация и её виды

деформация биоткань механический костный сосуд

Деформацией называется изменение взаимного расположения точек тела, которое сопровождается изменением его форм и размеров, обусловленное действием внешних сил на тело.

Виды деформации:

1. Упругая – полностью исчезает после прекращения действия внешних сил.

2. Пластическая (остаточная) – остается после прекращения действия внешних сил.

3. Упруго-пластическая – неполное исчезновение деформации.

4. Вязко-упругая – сочетание вязкого течения и эластичности.

В свою очередь упругие деформации бывают следующих видов:

а) деформация растяжения или сжатия происходит под действием сил, действующих в направлении оси тела:

2. Основные характеристики деформации

Деформация растяжения (сжатия) возникает в теле при действии силы, направленной вдоль его оси.

где l_>0> – исходный линейный размер тела.

Δl – удлинение тела

[l] - м

Деформация ε (относительное удлинение) определяется по формуле

ε – безразмерная величина.

Мерой сил, стремящихся вернуть атомы или ионы в первоначальное положение является механическое напряжение σ. При деформации растяжения напряжение σ можно определить отношением внешней силы к площади поперечного сечения тела:

Упругая деформация подчиняется закону Гука:

где Е – модуль нормальной упругости (модуль Юнга – это механическое

напряжение, которое возникает в материале при увеличении

первоначальной длины тела в два раза).

Если живые ткани мало деформируется, то в них целесообразно определять не модуль Юнга, а коэффициент жесткости. Жесткость характеризует способность физической среды сопротивляться образованию деформаций.

Представим экспериментальную кривую растяжения:

ОА – упругая деформация, подчиняющася закону Гука. Точка В – это предел упругости т.е. максимальное напряжение при котором ещё не имеет место деформация, остающаяся в теле после снятия напряжения. ВД – текучесть (напряжение, начиная с которого деформация возрастает без увеличения напряжения).

Упругость, свойственную полимерам называют эластичностью.

Всякий обрзец, подвергнутый сжатию или растяжению вдоль его оси, деформируется так же и в перпендикулярном направлении.

Абсолютное значение отношения поперечной деформации к продольной деформации образца называется коэффициентом поперечной деформации или коэффициентом Пуассона и обозначается:

(безразмерная величина)

Для несжимаемых материалов (вязкотекучие пасты; резины) μ=0,5; для большинства металлов μ≈0,3.

Величина коэффициента Пуассона при растяжении и сжатии одна и та же. Таким образом, определяя коэффициент Пуассона можно судить о сжимаемости материала.

3. Реологическое моделирование биотканей

Реология – это наука о деформациях и текучести вещества.

Упругие и вязкие свойства тел легко моделируются.

Представим некоторые реологические модели.

а) Модель упругого тела – это упругая пружина.

Напряжение, возникающее в пружине, определяется законом Гука:

Если упругие свойства материала одинаковы во всех направлениях, то он называется изотропным, если эти свойства неодинаковы – анизотропным.

б) Модель вязкой жидкости - это жидкость, находящаяся в цилиндре с поршнем, неплотно прилегающим к его стенкам или: - это поршень с отверстиями, который движется в цилиндре с жидкостью.

Для этой модели характерна прямо пропорциональная зависимость между возникающим напряжением σ и скоростью деформации

где η – коэффициент динамической вязкости.

в) Реологическая модель Максвелла представляет собой последовательно соединенные упругий и вязкий элементы.

Работа отдельных элементов зависит от скорости нагрузки общего элемента.

Для упругой деформации выполняется закон Гука:

Откуда

Скорость упругой деформации будет:

(1)

Для вязкой деформации:

тогда скорость вязкой деформации будет:

(2)

Общая скорость вязко-упругой деформации равна сумме скоростей упругой и вязкой деформаций.

(3)

Это есть дифференциальное уравнение модели Максвелла.

Вывод уравнения ползучести биоткани. Если к модели приложить силу, то пружина мгновенно удлиняется, а поршень движется с постоянной скоростью. Таким образом, на данный модели реализуется явление ползучести. Если F=const, то возникающее напряжение σ=const, т.е. тогда из уравнения (3) получим:

, отсюда

- уравнение ползучести биоткани.

Представим график ползучести:

Вывод уравнения релаксации напряжения в биотканях.

Если модель Максвелла растянуть и закрепить, то пружина начнет сокращаться. Со временем будет происходить релаксация, т.е. уменьшение напряжения. Если ε=const, то тогда уравнение (3) примет вид:

Решаем дифференциальное уравнение:

где σ_>0> – начальное напряжение.

Потенцируем:

Откуда

- уравнение релаксации напряжения

Представим график релаксации напряжения.

г) Модель Фойгта представляет собой параллельно соединенные упругий и вязкий элементы. Эта модель характерна для полимеров.

4. Механические свойства биотканей

Под механическими свойствами биотканей понимают две разновидности:

Первая (активная) связана с процессами биологической подвижности: сокращение мышц, рост клеток, движение хромосом в клетках, их деления и т.д. Эти процессы обусловлены химическими процессами и энергетически обеспечиваются АТФ. Другая разновидность - пассивные механические свойства биосистем обусловленные внешними воздействиями.

Биологическая ткань – композиционный материал, образованный объемным сочетанием химически разнородных элементов и обладающий реологическими свойствами, отличающимися от свойств отдельных компонентов биоткани. Основу биотканей составляют коллаген, эластин и связующее вещество.

Механические воздействие на биоткани вызывают в них деформации и напряжения, появляется механическое движение, распространяются волны. Физиологическая реакция на эти факторы зависит от механических свойств биотканей. Знать, как меняются эти реакции и свойства тканей очень важно для профилактики, защиты организма, для применения искусственных тканей и органов, а также для понимания их физиологии и патологии.

В биомеханике все ткани человека подразделяются по плотности и типу пространственной структуры на твердые (кость, эмаль и дентин зубов), мягкие (мышцы, эпителий, эндотелий, соединительная ткань, паренхима), жидкие (кровь, лимфа, ликвор, слюна, сперма).

4.1 Механические свойства костной ткани

Костная ткань – основной материал опорно-двигательной системы. Прочность костной ткани зависит от химического состава, общей структуры, системы внутреннего армирования, количества и прочности компонентов, ориентации основных компонентов по отношению к продольной оси кости, возраста, плотности, индивидуальных условий роста и.т.д.

Компактная костная ткань представляет собой среду с пятью структурными уровнями.

Строение компактной костной ткани по Кнетсу.

№ уровня	Состав уровня
1	Биополимерная молекула трипоколлагена и неорагнические кристаллы (гидроксилопатит 3Са>3>(РО>4>)>2>Са(ОН)>2>)
2	Микрофибриллы коллагена (образованы пятью молекулами трипоколлагена)
3	Волокно (армирующий компонент) состоит из большого количества микрофибрилл и связанные с ними микрокристаллы.
4	Ламеллы (наименьший самостоятельный конструкционный элемент) – это тонкие изогнутые пластинки, состоящие из коллагенно-минеральных веществ, объединённых при помощи вяжущего вещества.
5	Остеоны – образуются вокруг кровеносных сосудов, включающихся в объем кости. Состоят из концентрически расположенных костных ламелл.

Плотность костной ткани 2,4 г/см³. Минеральные компоненты кости составляют 70 % массы кости, а белковые 20 %.

С увеличением возраста в костной ткани протекает ряд изменений. Изменяется химический состав и внутренняя структура, возникает множество вторичных остеонов, образующих новую внутреннюю конструктивную систему. При старении биологическая активность уменьшается, меняется степень минерализации, а также порядок расположения минеральных кристаллов и остенов, уменьшается количество связующего вещества, некоторая чать ткани исчезает и появляются поры.

Обновление костной ткани происходит дискретно – в определенных местах, на ограниченных участках. В течение жизни человека один и тот же участок кости обновляется неоднократно. К 35 годам процесс костеобразования замедляется. Костная масса у вегетарианцев больше, т.к. в растительной пище много солей. Курение и алкоголь уменьшают костную массу. Недостаточное содержание кальция уменьшает прочность костной ткани, что приводит к остеопорозу.

Волокна костной ткани деформируются преимущественно упругим образом, а матрица (остальная часть) – пластически и разрушаются хрупким образом.

Зависимость напряжения от деформации: =f() компактной костной ткани имеет следующий вид (эта зависимость аналогична для твердого тела):

Напряжение σ_>мах> при котором материал разрывается, называется пределом прочности.

Представим предел прочности костной ткани и её компонентов при сжатии и растяжении:

Вид ткани	Сжатие	Растяжение
Прочность [МПа]	Модуль Юнга [МПа]	Прочность [МПа]	Модуль Юнга [МПа]
Компактная кость Минеральный компонент Белковый компонент	147 44 0,1	10200 6400 10	98 5 7	22 400 16600 20

Анализ таблицы: Минеральный и белковый компоненты по отдельности слабые, но в сочетании дают высокую прочность, сравнимую с прочностью металлов. В науке остаётся вопрос: почему имеется различные свойств на растяжение и сжатие.

Реологическая модель Зингера компактной костной ткани и средняя кривая ползучести.

Дифференциальное уравнение, описывающее данную модель имеет вид:

Средняя кривая деформации компактной костной ткани.

Максимальное растяжение, которое может выдержать костной материал составляет 0,01% что соответствует изменению длины кости 1 %.

ОА – мгновенная деформация в продольном направлении (действует постоянная нагрузка мгновенно растягивается пружина 1) АВ – ползучесть (вытягивается поршень). Точка В – прекращение нагрузки. ВС – быстрая деформация (быстрое сжатие пружины 1) СД – обратная ползучесть (пружина 2 втягивает поршень в обратное положение) Точка Д – соответствует остаточной деформации (модель этого не учитывает).

При деформации костной ткани в ней возникает пьезоэлектрический эффект. Если вырезать из кости полоску, закрепить её с одной стороны и подвергнуть деформации изгиба, то на выпуклой стороне появляется "+" заряд, на вогнутой "-" заряд, т.е. появляется разность потенциалов.

Есть основания считать, что генерация пьезоэлектричества имеем место при механических нагрузках костей в организме и возникающие электрические токи могут стимулировать новообразование или рассасывание костной ткани.

4.2 Механические свойства ткани кровеносных сосудов

Прочностные и деформационные свойства стенок кровеносных сосудов и изменение этих свойств (с возрастом) имеет большое значение для медицины.

Кровеносные сосуды состоять из трех концентрических слоёв:

внутренний – интима; средний – средняя сосудистая оболочка; наружный – внешняя сосудистая оболочка.

Механические свойства кровеносных сосудов обуславливаются, главным образом, свойствами средней сосудистой оболочки, состоящий из коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. Представим допускаемые деформации этих элементов:

Элемент	Деформация ε в %	Модуль Юнга (МПа)
Эластин Коллаген Мышечное волокно (при сокращении) Кровеносный сосуд	200-300 до 10 20 5-50	0,1 – 0,6 10 – 100 0,01 – 0,1 0,06 – 0,7

Следует отметить, что гладкие мышечные клетки могут менять свою длину (сокращаться) под действием нервных или химических стимуляторов. Гладкая мышца осуществляет активное поведение кровеносных сосудов, так как в результате её сокращения меняется диаметр кровеносного сосуда и механические свойства сосудистой стенки в целом.

Таким образом, достигается оптимальное распределение и регулирование кровяного потока.

Содержание трёх основных компонентов сосудистой ткани меняется для различных мест стенки. Отношение эластина к коллагену в сосудах ближе к сердцу равно 2:1, но оно убывает с удалением от него и в бедренной артерии оно равно 1:2. С удалением от сердца увеличивается содержание гладких мышечных волокон, и уже в артериоллах они становятся основной составляющей сосудистой ткани.

Установлено, что сосудистая ткань является практически несжимаемой. Кровеносные сосуды обладают криволинейной ортотропией (т.е. их механические свойства в радиальном, осевом и кольцевом направлениях существенно различны).

Механическое поведение сосудов усложняется ещё и тем, что в организме они находятся под влиянием окружающих тканей, растянуты в продольном направлении и их деформации в этом направлении ограничены. В сосудах наблюдаются значительные отклонения механических характеристик для отдельных индивидов от установленных средних значений.

Напряжение, возникающее при деформации в стенке кровеносного сосуда определяется уравнением Ламе.

Вывод уравнения Ламе.

Возьмём часть кровеносного сосуда длиной l и толщиной стенки h.

Представим стенки сосуда вдоль и поперёк:

Две половины цилиндрического сосуда взаимодействуют между собой по сечениям стенок сосуда. Общая площадь сечения взаимодействия будет: 2hl, тогда сила взаимодействия двух половинок:

Эта сила уравновешивается силами давления крови изнутри:

Таким образом, имеем: , откуда

- уравнение Ламе

Таким образом, напряжение, возникающее в стенках кровеносных сосудов зависит от величины давления крови, внутреннего радиуса и от толщины стенок сосуда.