Механика кровообращения - Каро К.
Скачать (прямая ссылка):
Стенки артерий и вен примерно на 70% состоят из воды, которая не является упругим материалом и проявляет упругие свойства только при всестороннем сжатии. Однако остальная часть стенки представляет собой систему переплетенных волокон, которые и обладают упругими свойствами. Упругие свойства стенок сосуда как целого определяются волокнами трех типов — эластическими, коллагеновыми и гладкомышечными. Эластин является резиноподобным материалом, модуль Юнга которого равен примерно 3-105 Н-м~2. График зависимости натяжение — деформация для волокон чистого эластина представлен на рис. 7.4, Л. Коллаген гораздо более жесткий, чем эластин, его модуль Юнга равен примерно 108 Н-м~2. График зависимости напряжение — деформация для коллагена представлен на рис. 7.4, Б. Хотя эластин настолько податлив, что может быть растянут до длины, вдвое большей исходной, напряжение, при котором наступает его разрыв (это напряжение называется пределом прочности при растяжении), составляет менее 5% от аналогичного показателя для коллагена. Модуль Юнга для гладких мышц примерно такой же, как у эластина. Значения его, определяемые в эксперименте, зависят от уровня физиологической активности и могут меняться от значения 1 -105 Н-м-2, характерного для полностью расслабленных гладких мышц, до примерно 2-106 Н-м~2 в активном состоянии. Каково значение модуля Юнга гладких мышц in vivo, сказать трудно, так как степень активности их при этом обычно неизвестна. В крупных артериях (по крайней мере у собак) на долю коллагена и эластина приходится около 50% сухого веса. В грудной аорте соотношение между эластином и коллагеном равно примерно 1,5, в то время как для других артерий этот показатель близок к 0,5, а для вен уменьшается до 0,3. Аналогичные зиаче-
10
_L_
-L-
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
Б см на см
Рис. 7.4. Л. Графики зависимостей натяжения от деформации для пяти свежеприготовленных волокон эластина, находящихся в растворе Рингера — Локка при 37 °С. Для каждого волокна приведены экспериментальные точки (X). линии регрессии (—) и общая для всех волокон линия регрессии (....). По оси ординат отложено натяжение в отдельном волокне, по оси абсцисс — деформация. [Carton, Dainauskas, Clark (1962). Elastic properties of single elastic fibres, p. 549, J. appl. Physiol. 17.1 Б. График зависимости напряжения от деформации для волокон коллагеиа. [Benedict, Walker, Harris, (1968). Stress — strain characteristics and tensile strength of unembalmed human tendon, p. 58, J. Biomech. 1.]
ния характерны и для сосудов человека, хотя переход к преобладанию коллагена над эластином происходит дальше к периферии — в нижней части брюшной аорты.
Содержание гладких мышц в стенке также зависит от положения артерии: чем она дальше к периферии, тем больше приходящаяся на них доля сухого веса стенки. В грудной аорте доля гладких мышц составляет 25%, а в мельчайших артериях и артерио-лах она достигает 60%. Структура вен в принципе аналогична структуре артерий, но стенки их более тонкие и содержат меньше эластина.
Поведение кровеносного сосуда как целого определяется не только упругими свойствами его составляющих, но и геометрическими параметрами. В этом смысле наиболее важными величинами являются внутренний диаметр сосуда d и толщина стенки h, которые, естественно, различны для разных сосудов. Характерные
значения этих параметров для некоторых сосудов, измеренные in vivo у собак (мельчайшие сосуды, измерялись у других млекопитающих), представлены в таблице, помещенной в начале книги. Здесь же приведено большое количество других данных, имеющих отношение к механическим явлениям, которые наблюдаются в системе кровообращения; эти данные будут детально обсуждаться в следующих главах. Как видно из таблицы, величины h и d уменьшаются к периферии. Интересно отметить, однако, что отношение толщины стенки к диаметру в артериях большого круга меняется не очень сильно и составляет величину около 0,07. Этот параметр возрастает в артериолах, стенки которых содержат больше мышц, но снова уменьшается в капиллярах и гораздо ниже в венах и легочных артериях, чем в артериях большого круга, имеющих близкий диаметр.
Перемещения стенок кровеносного сосуда, обусловленные переменными силами, с которыми кровь действует на внутреннюю поверхность сосуда, сильно ограничены механическими воздействиями со стороны ткани, по которой сосуд проходит и к которой он прикреплен. Этот «эффект прикрепления» в большой мере зависит от механических свойств окружающей ткани. Особенно существен он для капилляров: их механические свойства почти полностью обусловлены свойствами окружающей среды, так как сама их стенка состоит лишь из одного слоя эндотелиальных клеток.
Поскольку стенка кровеносного сосуда неоднородна по составу и организована таким образом, что вряд ли является изотропной, к ней нельзя прямо применить классическую теорию упругости и определить единственный модуль Юнга. Однако описать реакцию стенки на различные прикладываемые напряжения все же необходимо, и для этого была бы очень удобна некая величина, аналогичная модулю Юнга. Чтобы найти эту величину, измеряют деформацию стенки как целого в ответ на известное приложенное напряжение и вычисляют значение модуля Юнга, которым обладал бы материал стенки, если бы он был однородным и изотропным. При этом мысленно объединяют в единое целое все составляющие стенки и получают эффективный модуль Юнга.
