Механические свойства биологических
Структура кожи и ее механические свойства
жүктеу/скачать 89 Kb.
|
Механические свойство биологических тканей
Механические свойство биологических тканей
- Бұл бет үшін навигация:
- Эластические свойства сосудов
Структура кожи и ее механические свойстваДо недавнего времени кожа привлекала недостаточное внимание исследователей. Ситуация стала меняться сравнительно недавно. Последние исследования привели к лучшему пониманию особенностей этого органа. Схематическое изображение разреза нормальной человеческой кожи приведено на рис. 4. В большинстве областей тела человека толщина кожи составляет несколько миллиметров. Кожа состоит из трех слоев: наружного – эпидермиса, основного или собственно дермы и подкожной жировой клетчатки. Верхний слой – эпидермис /52/ 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. Под эпидермисом располагается дерма, которая обуславливает цвет кожи Дерма распадается на два слоя: поверхностный, в котором имеются кровеносные сосуды и нервы, и более глубокий слой, в котором находятся белковые волокна, обеспечивающие эластичность кожи. Волокна, в основном, содержат белки коллаген и эластин. Коллагеновые волокна прочны на разрыв и мало эластичны. Модуль упругости для них более 10х106 Н/м2. Эластиновые волокна, состоящие из эластина, менее прочны на разрыв, чем коллагеновые, но значительно более эластичны. Они могут растягиваться до 170% от длины покоя без остаточной деформации. Эластин сходен по механическим свойствам с резиной, имеет модуль упругости такого же порядка: (1–5)*105 Н/м2. Коллагеновые и эластиновые фибриллы, заключенные в мукополисахаридный гель, представляют более гомогенную по составу структуру, чем эпидермис. Дерма плавно переходит в подкожную или жировую клетчатку. Она состоит из переплетающихся волокон, собранных в рыхлые толстые пучки, промежутки между которыми заполнены жировыми клетками. Подкожно-жировой слой располагается по телу неравномерно. Толщина его зависит от многих факторов: возраста, пола, питания, образа жизни и т.д. Клетчатка служит для защиты тела от травм, от переохлаждения, а также представляет собой питательный запас организма. Наличие в коже многих слоев, обладающих своими собственными характеристиками, определяет гетерогенность ее механических свойств. Анизотропия некоторых механических характеристик обусловливает различное поглощение механической энергии в каждом из слоев, что проявляется в особенностях распространения механических волн на границе раздела этих слоев, обладающих разными вязко упругими свойствами. Слоистое строение кожи затрудняло интерпретацию результатов исследования кожи. Теоретические модели не могли адекватно объяснить экспериментальные результаты исследований механических свойств кожи вследствие её сложной структуры. Аналогичные трудности возникали и при исследованиях методом вдавливания. Попытка обойти возникающие трудности была предпринята недавно голландскими учеными при исследовании кожи задней стороны локтя. Они использовали инденторы разных диаметров: 1 мм, 0,5 мм 0,1 мм и 0,02 мм. Предполагалось, что зависимость глубины погружения h от прикладываемого усилия для индентора диаметром 0,02 мм отражает твердость рогового слоя, 0,5 мм – дермы и 1 мм – подкожного слоя. На рис. 6 приведен график зависимости F/R от глубины погружения. Эти зависимости линейные в полном соответствии с уравнением (4) и, по-видимому, подтверждают предположения авторов. Упругость эпидермиса по величине больше упругости дермы, которая, в свою очередь, больше упругости подкожной клетчатки. Состояние кожи изменяется как при возникновении патологии, так и с возрастом /7, 55–58/. По общему мнению, заметные возрастные изменения проявляются после 30–40 лет. При этом гистологически найдены следующие признаки: истончение эпидермиса после 60 лет, уменьшение содержания трансэпидермальной воды, уменьшение толщины кожи /57/ утолщение рогового слоя, истончение дермы. В то же время авторы /17/ путём исследования ультразвуком установили, то толщина кожи остаётся неизменной вплоть до 70 лет. С возрастом, по их мнению, изменяется эластичность кожи, что приводит к уменьшению первоначальной фазы эластических деформаций. Как уже было указано выше, в работе /69/ в качестве количественного критерия оценки упругости кожи предложено использовать время возврата какой либо точки обследуемого участка кожи к исходной форме после импульсного деформирования. Это предложение основано на определении упругости, как свойства тела восстанавливать свою форму после действия силы. На основе экспериментальных исследований разработанного авторами устройства были сделаны следующие выводы: воспроизводимость результатов измерений не хуже 10%; упругость кожи практически не зависит от силы деформирующего воздействия: разброс параметров лежит в пределах воспроизводимости результатов измерений. Типичные результаты измерения времени возврата деформированного участка кожи лба к исходной форме с использованием разработанного авторами устройства. Как видно из рис. 7, в процессе возвращения поверхности кожи к исходной форме можно выделить две стадии. Первая (быстрая) стадия характеризуется параметром А – характерным временем возврата кожи к исходной форме. Величина А, по мнению авторов, является основным количественным параметром, характеризующим упругость кожи. Вторая стадия (медленная) характеризуется величиной остаточных деформаций (параметр В) и временем окончательного возвращения поверхности кожи к первоначальной форме. Как следует из графиков, более молодая кожа (кривая а) характеризуется большей скоростью возврата к исходной форме и меньшей величиной остаточных деформаций. Анализ результатов измерений показал, что величина относительных колебаний упругости кожи в зависимости от возраста обследуемого (от 15 до 55 лет) достигал 5-кратного значения. При сравнении упругости кожи в различных областях тела у одного и того же пациента было выявлено, что параметры А и В варьируют в пределах ± 10%. Одно из объяснений возрастных изменений упругости кожи состоит в предположении, что изменяется состояние сети эластичных волокон дермы. Другое объяснение – увеличивается количество сшивок внутри коллагеновых волокон /58/. Наличие сшивок подтверждается увеличением доли нерастворимой части кожи. В течении всей жизни человека медленно, но неуловимо проявляются внешние признаки старения. Эти внешние признаки, в первую очередь, связаны с изменениями микрорельефа поверхности кожи (морщины). Микрорельеф кожи, во многом, определяет как внешний вид человека, так и тактильное восприятие его другими людьми (зрительное восприятие, приятность на ощупь). Поэтому неудивителен интерес к объективному количественному описанию микрорельефа кожи человека, зависимостей микрорельефа от возраста и изменений его под действием лекарств и косметических средств. Термин «микрорельеф» для кожи аналогичен по своей сути широко используемому в технике термину «шероховатость». Шероховатость – это совокупность неровностей с относительно малыми расстояниями между соседними точками измерений. В своей основе методы определения микрорельефа кожи аналогичны методам определения шероховатостей поверхностей твёрдых тел /70/, хотя и с учетом свойств кожи. Одним из старых методов является метод слепков. Метод состоит из следующих стадий: изготовление негативных реплик (отпечатков); получение с них позитивных копий (слепков) из полимеризующихся мелкодисперсных химических композиций (обычно на основе эпоксидных смол или полиметилметакрилата); собственно регистрацию позитивной реплики и анализ полученных результатов. Применительно к коже этот метод подробно разобран в работе /71/. Там же тщательно описаны достоинства и недостатки материалов, используемых для изготовления отпечатков и слепков. Запись профиля с позитивной реплики может выполняться стандартными методами с помощью механических или оптических профилометров (промышленных или разработанных специально для медицинских целей). В зависимости от условий могут анализироваться как отдельные (единичные) профили поверхностей (глубины и ширины борозд), так и их пространственные характеристики (плотность, ориентация, симметрия). Методики обработки результатов измерений продолжают совершенствоваться с применением современной техники (лазерной профилометрии, трёхмерной компьютерной обработкой негатива /72, 73/). К числу недостатков этого метода следует отнести многоэтапный процесс измерения и наличие погрешностей при контакте материалов с кожей на этапе создания негативной реплики. В значительной мере этих недостатков лишены ставшие популярные оптико-электронные методы изучения микрорельефа кожи /69/. В работе /69/ для измерения микрорельефа использовался оптический щуп. Последний представлял собой оптико-электронный прибор, позволяющий измерять рельеф исследуемой поверхности оптическим излучением. Регистрация информации о рельефе поверхности исследуемого участка кожи осуществлялся поточечно посредством механического сканирования. Разработанное устройство было использовано для изучения возрастных изменений кожи. Результаты отдельных измерений приведен на рис. 8. Из рисунка видно, что средняя величина рельефа поверхности колеблется в пределах 10–30 мкм как вдоль морщины, так и поперёк. Эластические свойства сосудовКак указывалось ранее, артерии и вены вносят лишь незначительный вклад в общее сопротивление кровотоку, который осуществляется через сосудистое русло. Поэтому мы обычно не придаем большого значения тому влиянию, которое оказывает изменение их диаметра на кровоток через системные органы. В то же время эластические свойства артерий и вен являются весьма важным фактором, влияющим на деятельность сердечно-сосудистой системы, так как эти сосуды могут функционировать как резервуары, и в них могут быть накоплены существенные количества крови. Эластические свойства сосудов или отделов сосудистой системы часто характеризуются такой величиной, как растяжимость (С), которая отражает, насколько изменяется их объем (Д V) в ответ на определенное изменение трансмурального давления (АР): Трансмуральное давление представляет собой разность между внутренним и внешним давлением на сосудистую стенку. Эластические свойства вен важны для их функции по депонированию крови. Как видно по кривым зависимости давления от объема на рис. 7–7, вены более растяжимы, чем артерии. Так как вены столь растяжимы, что даже небольшие изменения периферического венозного давления могут вызвать перемещение существенного объема циркулирующей крови в периферический венозный пул или из него. Переход в вертикаль – нос положение тела, например, увеличивает венозное давление в нижних конечностях и способствует накоплению крови (создание пула) в этих сосудах, что соответствует перемещению из точки А в точку В на рис. 7–7. К счастью, данный процесс может быть уравновешен активным сужением вен. Пунктирная линия на рис. 7–7 отражает взаимозависимость между венозным давлением и объемом, которая отмечается при сужении вен в результате сокращения гладкой мускулатуры вен. В суженных венах объем крови может соответствовать норме (точка С) или даже быть ниже нормы (точка D), несмотря на более высокое, чем венозное давление. Сужение периферических вен само по себе способно повышать периферическое венозное давление и перемещать кровь из венозного резервуара. Эластические свойства артерий позволяют им функционировать в качестве резервуара в промежутке между сокращениями сердца. Артерии играют важную роль в превращении пульсирующего потока крови, изгоняемого из сердца, в постоянный поток через сосудистое русло системных органов. С этой точки зрения, артерии выполняют функцию буфера. В начале фазы быстрого изгнания объем артериальной крови увеличивается, так как кровь поступает в 1 аорту быстрее, чем она проходит в просвет системных артериол. Таким образом, часть той работы, которую сердце выполняет при выбросе крови, уходит на растяжение эластических стенок артерий. Ближе к концу систолы и на протяжении диастолы, артериальный объем уменьшается, поскольку кровоток, выходящий из артерий, превышает кровоток, поступающий в аорту. Находящаяся в растянутом состоянии артериальная стенка сокращается и при этом утрачивает накопленную потенциальную энергию. Данная энергия, перешедшая из одной формы в другую, и обеспечивает работу по продвижению крови через периферическое сосудистое русло во время диастолы. Если бы артерии представляли собой жесткие трубки, не способные аккумулировать энергию за счет эластического растяжения, артериальное давлением немедленно падало бы до нуля при окончании процесса каждого сердечного выброса. жүктеу/скачать 89 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|