Механические свойства биологических тканей

биологический кость прочность перелом.

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

Костная ткань. Кость — основной материал опорно-двигательного аппарата. Так в скелете человека более 200 костей. Скелет является опорой тела и способствует передвижению. У взрослого человека скелет весит около 12 кг (18% общего веса).

В компактной костной ткани половину объёма составляет неорганический материал, минеральное вещество кости — гидроксилапатит, Са₁₀(РО_{4 )6(ОН)2. Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов. Другая часть объёма состоит из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий большой эластичностью). Способность кости к упругой деформации реализуется за счёт минерального вещества, а ползучесть за счёт коллагена.}

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

Механические свойства костной ткани зависят от многих факторов: возраста, заболевания. Индивидуальных условий роста. В норме плотность костной ткани 2400 кг /м 3. При различных способах деформирования кость ведёт себя по-разному. Прочность на сжатие выше, чем на растяжение или изгиб. Так, бедренная кость в продольном направлении выдерживает нагрузку 45 000Н, а при изгибе — 25 000Н.

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.

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 твёрдости.

Однако кость по прочности уступает только твёрдым сортам стали и оказывается гораздо прочнее ставших образцами прочности гранита и бетона. На композитную природу кости указывает низкое значение её модуля Юнга по сравнению с однородными материалами, обладающими такой же прочностью. Средняя часть плечевой кости человека имеет площадь поперечного сечения около 3,3 см². Легко доказать, что максимальный вес груза, который может удерживать эта кость, находясь в вертикальном положении и работая на сжатие, близок к 60 000Н. В от же время максимальная сила, которую может выдержать та же кость, если она работает на изгиб, а сила приложена к свободному концу кости перпендикулярно оси, близка к 5500Н.