Биологическая ткань — это система клеток и межклеточного вещества, объединенных общей функцией, строением и происхождением. Она представляет собой сложную композиционную структуру (от лат. composition — сочетание) с анизотропными свойствами, которые отличны от свойств ее отдельных компонентов и зависят от функции ткани.
Важность изучения и понимания механических свойств биологических тканей обусловлена:
- потребностью совершенствования средств защиты человека от неблагоприятных силовых воздействий;
- потребностью разработки и совершенствования методов лечения, основанных на механических воздействиях (физиотерапия, кинезитерапия, массаж, остеопатическая коррекция и т.д.);
- необходимостью решения задач протезирования органов и тканей;
- необходимостью создания новых долговечных материалов, близких по свойствам к биотканям;
- необходимостью изучения механизмов, обусловливающих процессы роста и развития биологических тканей.
Биологические ткани подразделяются на четыре основных группы: эпителиальную, мышечную, соединительную, нервную. Наиболее распространенной в организме (табл. 4.1) и многообразной по своему строению и биомеханическим свойствам является соединительная ткань. Она присутствует во всех органах, обеспечивая их нормальную структуру и функционирование. Именно поэтому биомеханические свойства органов в большой степени зависят от качества и количества соединительной ткани в их составе.
Таблица 4.1. Средняя масса органов человека с учетом удельной массы соединительной ткани в них (по А.А. Алексееву, Н.В. Заворотинской, 2008)
| Орган или ткань | Масса, г | Удельная масса соединительной ткани, % |
| Все тело | 70 000 | 85 |
| Мышцы скелетные | 28 000 | 60 |
| Кожа | 2600 | 90 |
| Подкожная жировая клетчатка | 7500 | 100 |
| Костная ткань | 5000 | 100 |
| Костный мозг | 2500 | 100 |
| Хрящевая ткань | 1100 | 100 |
| Околосуставная (периартикулярная) ткань | 900 | 100 |
| Кровь | 5500 | 100 |
| Желудочно-кишечный тракт | 2200 | 70 |
| Печень | 1800 | 60 |
| Легкие | 1000 | 90 |
| Почки | 310 | 95 |
| Сердце | 330 | 85 |
| Селезенка | 180 | 100 |
| Мочевой пузырь | 45 | 75 |
| Щитовидная железа | 20 | 35 |
В биомеханике все ткани тела человека подразделяют по плотности и типу пространственной структуры на твердые (кость, эмаль и дентин зубов), мягкие (мышцы, эпителий, эндотелий, соединительная ткань, паренхима органов), жидкие (кровь, лимфа, ликвор, слюна, сперма и др.). Однако следует отметить, что разделение нежидких деформируемых тел биологической природы на мягкие и твердые ткани весьма условно. В основу принимаемого деления положен принцип, совмещающий в себе и механические, и биологические аспекты, а именно: к мягким тканям обычно относятся те, для которых упругие (обратимые) деформации могут быть велики (десятки и сотни процентов). Они действительно достигают таких значений в определенных естественных ситуациях. С этой точки зрения к мягким тканям, безусловно, относятся кожа, мышечная ткань, ткани легкого и мозга, стенки кровеносных сосудов, дыхательных путей, кишечника и другие, а к твердым — кость и зуб. Промежуточное положение занимают суставной хрящ и сухожилие. Первый для определенности обычно относят к твердым тканям, второе — к мягким.
В этой главе рассмотрим общие механические свойства мягких биологических тканей, которые составляют основу тела человека и преобладают по массе. Большинство из них имеет общие черты в механическом поведении: они способны к большим деформациям — до 200%, несжимаемы и анизотропны. Это обусловлено в первую очередь их строением. В их состав входят клетки, коллагеновые и эластиновые волокна и основное вещество, строение и свойства которых будут подробно рассмотрены ниже.