Костная ткань

Кость - основной материал опорно-двигательного аппарата. Так, в скелете человека более 200 костей. Скелет является опорой тела и способствует передвижению (отсюда и произошел термин «опорнодвигательный аппарат»). У взрослого человека скелет весит около 12 кг (18 % общего веса).

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 высокой 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/м³, а ее модуль Юнга Е = 10¹⁰ 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 45 000 Н, а при изгибе - 2500 Н.

Запас механической прочности кости весьма значителен и заметно превышает нагрузки, с которыми она встречается в обычных жизненных условиях. (Живая кость в 5 раз прочнее железобетона.) Бедренная и берцовая кости выдерживают нагрузку в 25-30 раз больше веса нормального человека.

Особенность механического поведения костей состоит в том, что при их деформации проявляется пьезоэлектрический эффект. Если костную полоску, закрепленную на одном конце, изгибать, то в зоне деформации между противоположными сторонами регистрируется определенная разность потенциалов с отрицательным зарядом на вогнутой стороне (рис. 6.14).

Рис. 6.14. Проявление пьезоэффекта при деформации костной полоски

В интервале упругой деформации эта разность потенциалов пропорциональна механическому напряжению.

Кожа

Кожа представляет собой не только совершенный покров тела, но является сложным органом, выполняющим важные функции: поддержание гомеостаза; участие в процессе терморегуляции, регуляцию общего обмена веществ в организме, секреторную функцию (работу сальных и потовых желез), защиту 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. Она - важная анатомо-физиологическая часть целостного организма. Функции кожи зависят от состояния всего организма. При различных заболеваниях, в том числе и внутренних органов, в коже происходят те или иные изменения.

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: эпидермиса, дермы, подкожной клетчатки. Эпидермис покрыт сверху роговым слоем.

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

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 руки, 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.

Кожа является вязкоупругим материалом с высокоэластичными свойствами, она хорошо растягивается и удлиняется.

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, которая проявляется в том, что скорости распространения поверхностной волны во взаимно перпендикулярных направлениях - вдоль вертикальной (У) и горизонтальной (Х) осей тела - различаются. Для количественной оценки степени выраженности акустической анизотропии был использован коэффициент анизотропии К (см. формулу 2.10).

Проявление акустической анизотропии находится в соответствии с ориентацией линий естественного натяжения кожи, так называемых линий Лангера. Ориентация линий Лангера на коже лица и ладони представлена на рис. 6.15.

Ориентации линий Лангера на различных участках кожи и проявление акустической анизотропии показаны на рис. 6.16.

Проявление акустической анизотропии на различных участках кожи представлено в табл. 6.3, где указаны преимущественные соотношения скоростей и коэффициенты акустической анизотропии (данные указаны для лиц 18-30 лет). Доля проявления

Рис. 6.15. Ориентация линий Лангера на коже лица и ладони

соответствующей акустической анизотропии указана для лиц нормального телосложения.

Степень анизотропии кожи при некоторых патологиях сильно изменяется. Например, при псориазе, при атопических дерматитах (особенно в областях сгибательных поверхностей) или в коже верхнего века при прогрессирующей близорукости. Анизотропия кожи лица, особенно в области лба, позволяет оценивать возрастные изменения. Многочисленные исследования в самых различных областях медицины показали, что анизотропия кожи является объективным диагностическим критерием.