Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Медицина arrow Биомеханика. Основные понятия. Эндопротезирование тканей и органов

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ ЭНДОПРОТЕЗОВ ТКАНЕЙ И ОРГАНОВ

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

Биологическая ткань (биоткань) - система клеток и межклеточных структур, объединенных общей функцией, строением и происхождением. Биоткань представляет собой сложную композиционную структуру с анизотропными свойствами, которые отличны от свойств ее отдельных компонентов и зависят от функции ткани.

Орган - комплекс тканей, объединенных общей функцией, структурной организацией и развитием. Несколько органов, выполняющих определенную функцию, носят название системы органов.

Функциональная система - динамическая саморегулирующаяся система, состоящая из различно локализованных структур и протекающих в них физиологических процессов, все составные компоненты которой содействуют достижению определенного результата, полезного для системы и организма в целом [1].

Выделяют следующие основные функциональные системы: опорная, пищеварительная, дыхательная, транспортная (сердечнососудистая), выделительная, половая, нервная, эндокринная, система регуляции химического состава.

Клетка - одна из сравнительно элементарных подсистем функциональной системы, является структурно неоднородной и состоит, в свою очередь, из ряда подсистем. Специализация клетки - выполнение определенных функций и способность к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию.

Конструктивной основой большинства биотканей являются коллаген, эластин и связующие вещества.

Эластин представляет собой упругий белок (0деф = 200...300%), имеет ярко выраженное нелинейное механическое поведение с переменным модулем упругости (Е - 1 • 105 ... 6 • 105 Па).

Чистый коллаген - группа волокнистых белков (0 < 10 %) с нелинейными свойствами {Е- 1 • 107... 1 • 108 Па).

Коллаген является основным компонентом сухожилий, связок, дермы. Каждый биополимер действует в структуре более высокого порядка. Количественное соотношение эластиновых и коллагеновых волокон определяет оптимальное соотношение деформативных и прочностных свойств биоткани (например: соединительная и эпителиальная ткань).

Соединительная ткань обеспечивает соединение между частями и органами организма и содержит большое количество межклеточного вещества. Соединительная ткань выполняет опорную, трофическую (питательную) и защитную функции.

В состав межклеточного вещества соединительной ткани входят коллагеновые, эластиновые волокна и аморфное вещество (наслоенные друг на друга гомогенные пластины), в которые «впаяны» волокна. Между волокнами располагаются отдельные клетки, часто соединенные своими отростками.

В зависимости от типа клеток и структуры выделяют несколько видов соединительной ткани: простая волокнистая, неоформленная, ретикулярная, жировая [5].

Простая волокнистая соединительная ткань обеспечивает соединение структур организма. Из соединительной ткани этого типа состоят плевральная оболочка грудной клетки, связки, соединяющие кости, сухожилия, обеспечивающие присоединение мышц к костям.

Связки представляют собой ткань в виде пучка (тяжа) или пластины, соединяющую кости либо входящую в состав удерживающего аппарата (системы) внутренних органов.

Механические свойства связок суставов (в скобках указан возраст; 0 - величина относительной деформации; ав - предел прочности):

СН (надколенник): 0 = 124 %(до 20лет)- - • 135 %(2о^олещ ав =

= 7,55 МПа(40-70лет)-• .21,38 МПа(15_2олет);

БМБС (боковая малоберцовая связка): 0 = 124 %(4j_66 лет)... 138 %(15-20 лег); ав — 11,67 МПа(21_4олет)-•• 13,44 МПа^о-болет)!

БББС (боковая большеберцовая связка): 0 = 130 %(21_4олет)---

135 %<41-бблст); <*„ = 16,96 МПа(2о-41 ЛСТ)...22,16 МПа(41_66леХ);

ДС (дельтовидная связка): 0 = 113 %(41-бблет)---128 %(26—4i лет); ов = = 0,392 МПа;

БЛС (боковая лучевая связка): 0 = 142 %(41_бблст)---160 %(2o_4i ЛСТ); ов = 2,55 МПа (2q_4i лех)... 11,67 МПа(4]_бблех),

БЛоС (боковая локтевая связка): 0 = 108 %(41_66леТ)...123 %(20_41лет); ов = 0,63 МПа(2о_41 ЛСХ)...3,14 МПа(41_66лет) [5].

В неоформленной соединительной ткани волокна межклеточного вещества расположены без определенного порядка. Различают два типа структуры неоформленной соединительной ткани: рыхлую и плотную. Рыхлая - заполняет промежутки между органами и сопровождает кровеносные сосуды. Плотная - составляет основу кожи, надхрящницу и надкостницу (см. таблицу) [5].

Механические свойства ткани надкостницы большеберцовой кости

Возраст/Параметры

а, МПа

0, %

До 5 лет

6,77... 7,06

31...55

25-73

2,55...5,88

53...88

Ретикулярная ткань является основой кроветворных органов (селезенка, лимфатические узлы, красный костный мозг). Ткань представляет собой сетевидную структуру, состоящую из клеток, контактирующих между собой цитоплазматическими отростками. Она образует широкопетлистую либо узкопетлистую протоплазматическую сеть, в узловых точках которой располагаются ядра. В протоплазме ткани находятся ретикулярные волокна - тонкие, плотные, ветвящиеся нити, устойчивые к воздействию кислот, щелочей и переваривающему действию ферментов.

Жировая ткань состоит из жировых клеток. Почти всю жировую клетку занимает нейтральный жир. Вокруг этой клетки находится тонкий ободок протоплазмы, а ядро оттеснено к периферии. Жировая ткань имеет большое значение как энергетический, пластический и теплоизоляционный материал в организме человека.

Эпителиальные ткани (покровные, железистые) развиваются из разных зародышевых листков и значительно различаются по структуре. Между эпителиальными клетками находятся тончайшие прослойки бесструктурного вещества.

Покровные ткани состоят из тесно сомкнутых клеток и образуют пласты между органом и внешней средой или выстилают внутренние полые органы.

Покровный эпителий имеет две поверхности, отличающиеся по свойствам: базальную (связанную с соединительной тканью) и свободную.

Железистые эпителиальные клетки образуют большинство желез организма.

Все мягкие ткани в организме проявляют свойство релаксации напряжений - происходящее во времени самопроизвольное уменьшение механических напряжений, не сопровождающееся изменением деформации.

Костная ткань в организме образует кости - органы эндоскелета, входящего в состав опорной (опорно-двигательной) функциональной системы.

Выделяют пять структурных уровней компактной костной ткани (см. рисунок).

  • 1- й уровень составляют биополимерная макромолекула тропокол- лагена и неорганические кристаллы. Диаметр (поперечный размер) структурного образования первого уровня составляет 1,2... 1,5 нм (рисунок а).
  • 2- й уровень состоит из микрофибрилл коллагена, образуемых пятью молекулами тропоколлагена. Диаметр (поперечный размер) структурного образования второго уровня составляет 3,5 нм (рисунок б).
  • 3- й уровень представляет собой волокно, состоящее из большого количества микрофибрилл и связанных с ними микрокристаллов. Между отдельными кристаллами образуются связи в продольном и поперечном направлениях. Диаметр (поперечный размер) структурного образования третьего уровня составляет 100...200 нм. Совокупность данного уровня является армирующим компонентом костной ткани (рисунок в).
  • 4- й уровень - это ламелла - тонкая изогнутая пластинка, представляющая наименьший самостоятельный конструкционный элемент компактной костной ткани. Диаметр (поперечный размер) структурного образования четвертого уровня составляет 4.. .7 мкм (рисунок г).
  • 5- й уровень представляет собой остеон - конструкционный элемент, который образуется вокруг кровеносных сосудов, включающихся в объем кости при ее образовании (из концентрически расположенных ламелл). Диаметр (поперечный размер) структурного образования четвертого уровня составляет 0,25 мм (рисунок д).

С увеличением возраста костная ткань претерпевает ряд изменений химического состава и внутренней структуры, что приводит к образованию вторичных остеонов, образующих новую внутреннюю конструктивную систему. Старение снижает биологическую активность костной ткани, меняет степень минерализации, порядок расположения минеральных кристаллов и остеонов, уменьшает количество связывающего вещества, некоторая часть ткани исчезает, появляются поры.

Структурные уровни компактной костной ткани

Для костной ткани самым опасным является напряжение растяжения (о = 150... 170МПа), что определяется прочностью отдельных компонентов: гидроксилапатита (о = 600...700МПа) и коллагена (о = = 50... 100 МПа). Предел прочности для костной ткани при изгибе составляет о <10 МПа; при сжатии в продольном направлении g = = 140 МПажен. ..160 МПамуж.

В настоящее время практически все органы (за исключением мозга и желудка) могут протезироваться искусственными аналогами, позволяющими в необходимой мере восполнить утраченные функции. При разработке конструкции и подборе материала для эндопротеза, а также при подготовке и проведении хирургического вмешательства используются результаты математического и компьютерного моделирования замещаемых участков органов [5, 6, 10,14].

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 
Популярные страницы