Деформація біологічних тканин

Розглянемо діаграми деформацій тих біологічних тка­нин і органів, які в процесі функціонування підлягають значним навантаженням - наприклад, кісткової, м'язової, сухожилля, стінок судин тощо. Експериментальні дослід­ження виявили, що для більшості цих тканин діаграми роз­тягу або стиснення суттєво відрізняються від діаграми, на­веденої на мал. 1.4. Для біологічних матеріалів, як правило, не виражена зона загальної плинності, хоча ця властивість чітко проявляється у процесі їх функціонування. Руйнуван­ня матеріалу так само відбувається без помітного падіння напруження, яке характерне для зони CD.

Кісткова тканина

Це тканина за своїми механічними властивостями близька до дерева, бетону, деяких металів, тобто матеріалів, що використовуються в будівельних роботах. Не розгля­даючи будову кісткової тканини, відзначимо, що вона до­сить складна за конструкцією і являє собою композитний матеріал, що складається з органічних та неорганічних ре­човин і має анізотропні властивості.

На мал 1.5а наведено діаграми розтягу та стиснення вздовж продольної осі зразків, вирізаних з кістки стегна.

Мал. 1.5. Діаграми деформацій для кістки і колагену.

Як бачимо, у порівнянні зі сталлю, деформація відбу­вається у значних межах - до 10% при стисненні і до 5% при розтязі. При незначних деформаціях (менших за 2%) кістка поводить себе як "гуківське тіло", для якого залеж­ність σ=f(ε) близька до лінійної. Зауважимо, що кістка кра­ще "працює" на стиснення, ніж на розтяг - межа міцності та розміри деформацій при стисненні майже вдвічі перевищу­ють ті, що спостерігаються при розтязі.

Колагенові волокна

Колагенові нитки є важливою конструктивною части­ною з'єднувальної тканини, входять до складу кісток, стінок судин, м'язових оболонок тощо. Ці міцні гнучкі білкові нитки утворені агрегацією потрійних спіралей, які стабілізуються водневими зв'язками, що забезпечує значну міцність ниток при роботі на розрив. Діаграму розтягу ни­ток колагену наведено на мал. 1.5б. За своїм виглядом вона збігається з діаграмою для кісток. Вони мають близькі зна­чення граничних деформацій, але межа міцності у колагену більше ніж на порядок менша за межу міцності кістки.

Еластинові волокна

Еластин являє собою гумоподібний матеріал, відрізня­ється значною розтяжністю та гнучкістю. Ці якості роблять його незамінним компонентом в структурах тих тканин, котрі в процесі функціонування значно змінюють свою форму та розміри (стінки судин, м'язи, покривні оболонки тощо). Гнучкість та розтяжність еластину пов'язані із вла­стивостями його субодиниць - глобул, об'єднаних у сіткову структуру жорсткими хімічними зв'язками (сполуками, що звуться десмозинами). Сітка легко деформується без розри­вів цих зв'язків під впливом зовнішніх навантажень. Жорсткість ниток зростає по мірі розтягу, який супровод­жується витягненням глобул - субодиниць еластину. Саме це і знаходить відображення на діаграмі (мал. 1.6а).

Мал. 1.6. Діаграми розтягу еластину і стінки судини (аорти).