Медицинская физика

Течение крови в артериях в норме является ламинарным, небольшая турбулентность возникает вблизи клапанов. При патологии, когда вязкость бывает меньше нормы, число Рейнольдса может быть выше критического значения, и движение станет турбулентным.

20. Механические свойства твердых тел и биологических тканей

Характерным признаком твердого тела является способность сохранять форму. Твердые тела можно разделить на кристаллические и аморфные.

Отличительным признаком кристаллического состояния служит анизотропия – зависимость физических свойств (механических, тепловых, электрических, оптических) от направления. Причина анизотропии кристаллов заключается в упорядоченном расположении атомов или молекул, из которых они построены, проявляемом в правильной внешней огранке отдельных монокристаллов. Однако, как правило, кристаллические тела встречаются в виде поликристаллов – совокупности множеств сросшихся между собой, беспорядочно ориентированных отдельных маленьких кристаллов (кристаллитов). В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах, и характера сил взаимодействия различают 4 типа кристаллических решеток: ионные, атомные, металлические и молекулярные. Во всех узлах металлической решетки расположены положительные ионы металлов. Между ними хаотически движутся электроны.

Главной особенностью внутреннего строения тел, находящихся в аморфном состоянии, является строгая повторяемость в расположении атомов или групп атомов во всех направлениях вдоль всего тела. Аморфные тела в одинаковых условиях имеют большие, чем кристаллы, удельный объем, энтропию и внутреннюю энергию. Аморфное состояние свойственно веществам самой различной природы. При малом давлении и высокой температуре вещества в этом состоянии весьма подвижны: низкомолекулярные являются жидкостями, высокомолекулярные оказываются в высокоэластическом состоянии. С понижением температуры и ростом давления подвижность аморфных веществ уменьшается, и все они становятся твердыми телами.

Полимерами называют вещества, молекулы которых представляют собой длинные цепи, составленные из большого числа атомов или атомных группировок, соединенных химическими связями. Особенность химического строения полимеров обусловливает и их особые физические свойства. К полимерным материалам относят почти все живые и растительные материалы, такие как шерсть, кожа, рог, волос, шелк, хлопок, натуральный каучук и иные, а также всякого рода синтетические материалы – синтетический каучук, пластмассы, волокна и др.

Большой интерес для медицины представляют тканевые клеи (например, алкил-а-цианокрилаты, п-бутил-а-цинокрилат), быстро полимеризующиеся в пленку, которые используют для закрытия ран без наложения швов.

Жидкими кристаллами называют вещества, которые обладают свойствами и жидкостей, и кристаллов. По своим механическим свойствам эти вещества похожи на жидкости – они текут. По характеру молекулярной упорядоченности различают нематические и смектические жидкие кристаллы. В нематических жидких кристаллах молекулы ориентированы параллельно, но их центры расположены беспорядочно. Смектические кристаллы состоят из параллельных слоев, в которых молекулы упорядочены. Особый класс составляют кристаллы холестерического типа (их строение характерно для соединений, содержащих холестерин).

21. Механические свойства биологических тканей

Под механическими свойствами биологических тканей понимают две их разновидности. Одна связана с процессами биологической подвижности: сокращение мышц животных, рост клеток, движение хромосом в клетках при их делении и др. Эти процессы обусловлены химическими процессами и энергетически обеспечиваются АТФ, их природа рассматривается в курсе биохимии. Условно указанную группу называют активными механическими свойствами биологических систем.

Костная ткань. Кость – основной материал опорно-двигательного аппарата. Две трети массы компактной костной ткани (0,5 объема) составляет неорганический материал, минеральное вещество кости – гидроксилантит 3 Са3(РО) х Са(ОН)2. Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов.

Плотность костной ткани равна 2400 кг/м3, ее механические свойства зависят от многих факторов, в том числе от возраста, индивидуальных условий роста организма и, конечно, от участка организма. Строение кости придает ей нужные механические свойства: твердость, упругость и прочность.

Кожа. Она состоит из волокон коллагена и эластина и основной ткани – матрицы. Коллаген составляет около 75 % сухой массы, а эластин – около 4 %. Эластин растягивается очень сильно (до 200–300 %), примерно как резина. Коллаген может растягиваться до 10 %, что соответствует капроновому волокну.

Таким образом, кожа является вязкоупругим материалом с высокоэластическими свойствами, она хорошо растягивается и удлиняется.