Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\ARCHIWUM-lata-78-71\MTS74_t12z1_4\mts74_t12z3.pdf


M E C H AN I K A
TEORETYCZNA
I  STOSOWANA

3,  U  (1974)

STRU KTU RA  I  WŁ ASN OŚ CI  M E C H AN I C Z N E  TKANEK  ORG AN ICZN YCH
(WP R OWAD Z EN I E)

KAZIMIERZ  P I E K A R S K I  (WATERLOO,  CAN ADA)*

Od  Tł umacza**

Artykuł   niniejszy  stan owi  drugą   czę ść  opracowan ia  pt.  W ł asnoś ci biomaterialów i  tka-
nek  organicznych —  wprowadzenie  w problematykę   zgodnoś ci biomaterialów i  tkanek  przy-
gotowanego  przez  Au t o ra  w  zwią zku  z  cyklem  wykł adów  w  Instytucie  Podstawowych
P roblem ów  Techn iki  P AN   w  pierwszym  pół roczu  1973  r.

P ublikowan a  czę ść  zawiera  podstawowe  wiadomoś ci  dotyczą ce  m ikrostruktury  tkanek
i ich wł asnoś ci  m echan iczn ych, w powią zaniu  z zadan iem , jakie  dany  typ  tkan ki  peł ni  w  or-
ganizmie.  Om awia  się   oddzielnie  cechy  tkan ek  twardych  (gł ównie  koś ci)  oraz  tkan ek
m ię kkich  (gł ównie n a  przykł adzie  kolagen u).

Artykuł   zam yka  zwię zły  zarys  m echan izm u  reakcji  ż ywych  tkan ek  n a  czynniki  obce
wprowadzan e  do  organ izm u  w  celu  rekon strukcji  tkan ki  uszkodzonej.

Wprowadzen ie  powyż szej  tem atyki  n a  ł amy  M E C H AN I K I  TE OR E TYC Z N E J I STO-
SOWAN E J  wią że  się  z koniecznoś cią   rozwoju  biom echan iki, jako  istotnie waż nej  i potrzeb-
nej  gał ę zi  m echan iki  stosowan ej.  W  tym  celu  konieczne jest  pozn an ie  ukł adów  tkanek  od
strony  ich  funkcji  m echan iczn ych  w  organizm ie.  Szczególnie  zaś  istotnym  problemem jest
współ dział anie  ż ywej  tkan ki  ze  sztucznym i  ukł adam i  mechanicznymi  wprowadzonymi  do
organizmu  jako  protezy,  wkł adki,  sztuczne  naczynia  krwionoś ne  etc.

1.  Wł asnoś ci  fizyczne  tkanek  twardych

U kł ad  kostn y  stanowi  rusztowan ie  (szkielet)  cał ego  ustroju,  tworzą c  oparcie  dla  niego,
okreś lając  jego wielkość i kształ t. P oszczególne  koś ci ja ko  elementy  tej  struktury  przenoszą
róż ne  obcią ż enia;  pracują   gł ównie  n a  ś ciskanie,  skrę canie  i  zginanie.  D zię ki  wzglę dnie
mał ej  odkształ calnoś ci,  chron ią   wiele  organ ów,  podatn ych  na  zranienia  przed  uszkodze-
niem.  P rojektują c  ukł ad  m echaniczny  chcemy,  by- był   on  maksymalnie  efektywny  przy
m in im aln ym  cię ż arze  wł asnym ,  zuż yciu  m ateriał ów  etc.  U kł ad  kostny  speł nia  tak  ogólnie
sformuł owane  kryterium .  D o piero n iedawn o  stwierdzono,  że substancje  porowate  o porach
wypeł nionych  cieczą   należą   do  ciał ,  które  pochł aniają   maksymalne  iloś ci  energii.  Koś ci
czaszki  chronią   mózgowie  przed  uderzen iam i  i  wstrzą sami  na  tej  wł aś nie  zasadzie.  Ciecze
zawarte  w  koś ciach  peł nią ,  oczywiś cie,  jeszcze  in n e  funkcje:  jak  od  dawna  wiadomo  prze-
noszą   one  ś rodki  odż ywcze  do  elementów  kom órkowych  «zamurowanych»  w  koś ci  i  usu-
wają   z  nich  produkty  zbę dn e.  M ię ś nie,  ś cię gna,  wią zadła  przytwierdzone  do  koś ci  prze-

*  Biomedical  Engineering  Research  G roup,  U niversity  of  Waterloo.
**  Tł um.  A.  D ragon



214  K.  PIEKARSKI

noszą   naprę ż enia  rozcią gają ce,  przekazują c  jako  oddział ywania  obcią ż enia  ś ciskają ce  n a

koś ć.
Kość skł ada się  z  dość  ś cisł ej,  twardej  masy,  zwanej  istotą   zbitą   (substantia  compactd)

i  z  czę ś ci  zwanej  istotą   gą bczastą   {substantia spongiosa). N a  powierzchni  koś ci  znajdujemy
n a  ogół   substancję   zbitą ,  wewną trz  wię kszoś ci  koś ci  —  substancję   gą bczastą.  T rzon  koś ci
dł ugiej  jest  zbudowany  wył ą cznie  z  masy  zbitej,  oba  jej  koń ce  są   podszyte  tylko  cienką
warstwą   istoty  zbitej,  n atom iast wnę trze  tworzy  istota  gą bczasta.

Rys.  1.1.  Rozkł ad materiał u  zwartego  w  koś ci  udowej

I stota  gą bczasta,  sł uż ą ca  gł ównie  do  pochł an ian ia energii,  przen osi  także  n aprę ż en ia
ś ciskają ce.  Wytrzymał ość  n a  ś ciskanie  substancji  gą bczastej  jest  niż sza  od  wytrzymał oś ci
czę ś ci  zwartej  {substantia  compactd),  dlatego  kość  gą bczasta  musi  być  grubsza.  K oń ce
koś ci  dł ugiej, których  istotnym zadaniem jest  absorpcja  energii, przekazują   również n aprę -
ż enia  ś ciskają ce  na  trzon  koś ci:  ze  wzglę du  jedn ak  n a  pierwszą   funkcję ,  zbudowan e  są
z masy  gą bczastej.

F aktem  istotnym z pun ktu widzenia  mechaniki koś ci jest  rozkł ad m ateriał u n a dł ugoś ci
koś ci.  Koś ci  dł ugie są   cień sze  w  ś rodku,  zachowują c  t ę   samą   wytrzymał ość  co  w  pozosta-
ł ych  przekrojach.  Wynika  to  ze  wspomnianej  wyż ej  wł asnoś ci, że  trzon  koś ci  dł ugiej  two-
rzy  masa  zbita.  W  ogólnoś ci  rozkł ad  materiał u  noś nego w  koś ciach  dł ugich, n a  przykł ad,
w  koś ci  udowej  jest  taki,  że  naprę ż enia  ś ciskają ce  są   jedn akowe  w  każ dym  przekroju
(rys.  1.1).  Przy  tym,  dzię ki  niniejszej  wysokoś ci  przekroju  w  ś rodkowej  czę ś ci  koś ci  mniej-
sze  są   tam  odkształ cenia przy  zginaniu,  roś nie  wię c  zdoln ość  koś ci  do  przenoszenia  m o-
m entu  zginają cego  przy  redukcji  zagroż enia  kruchego  zniszczenia.

Z  wiekiem  zawartość  m ateriał u zbitego  {substantia compactd)  obniża  się .  Ś cianki  koś ci
dł ugich robią   się  cień sze, maleje  noś ność koś ci. Proces ten jest kom pensowany  przez  wzrost
zewnę trznej  ś rednicy  koś ci,  co  zwię ksza  ich  sztywność  jako  prę towych  elementów  kon -
strukcyjnych.  Powoduje  to  jedn ak  wzrost  odkształ ceń  zewnę trznych  wł ókien  prę tów
przy  zginaniu,  a  ponieważ  kość jest  materiał em czuł ym na  wielkość  odkształ ceń, starzen iu
się   koś ci  towarzyszy  spadek  odpornoś ci  n a  zniszczenie  kruche.

Interesują ce  jest  zbadanie  kształ tu  przekroju  poprzecznego  koś ci.  W  zastosowaniach
inż ynierskich  czę sto  stosuje  się   przekroje  zł oż one,  również  typu  skrzynkowego,  puste
w  ś rodku.  Kształ t takich  przekrojów  zależy  od  tego, jakim  obcią ż eniom  bę dzie  poddan y
element  konstrukcyjny.  N a  przykł ad,  przekrój  cylindryczny  jest  najbardziej  odpowiedn i
przy  skrę caniu  prę tów;  przy  zginaniu  optymalny jest  przekrój  kwadratowy  (pusty  w  ś rod-
k u !) —  przy  wektorach  naprę ż eń  od  zginania  równoległ ych  do  ś cianek.  Kształ t  trzon u



Rys.  1.2a.  Przekrój  poprzeczny  trzonu  koś ci  korowej.  Mikroskop  optyczny  X  400

fttj  mmmmm
.   .   '  ...   :

ij  Rys.  1.2b.  Trzon  koś ci  korowej  rozszcze-
piony  podł uż nie. M ikroskop  elektronowy

(skanningowy)  X  4000

[215]



216  K .  P I E KAR SKI

koś ci  udowej jest  trójką tny,  z  zaokrą glonymi  wierzchoł kam i, przy  czym jeden wierzchoł ek
jest  skierowany  do tył u. Jest to kształ t przekroju  bę dą cy  z  pu n kt u widzenia  wytrzymał oś ci
optymalnym  kompromisem  mię dzy  wspomnianymi  wyż ej  przekrojam i,  ze  wzglę du  n a
konieczność przenoszenia  naprę ż eń od  skrę cania  i  od  zginania.

Mikrostruktura  koś ci  dł ugich. Rysunki  1.2a  i  1.2b  obrazują  m ikrostrukturę  t rzo n u  koś ci

dł ugiej.

N a  rys.  1.2a  pokazan o  przekrój  poprzeczny  koś ci,  wypolerowany  tak,  jak  poleruje

się  metale, w  celu  zbadan ia ich struktury;  zdję cie  przedstawia  obraz  widziany  przez m ikro-

skop  optyczny —  kontrastowy,  powię kszają cy  400  razy.

Widać  wyraź nie,  że  nawet  istota  zbita  trzon u  koś ci  nie  posiada  rzeczywiś cie  zwartej,

jedn orodn ej  struktury.  Brzeg zewnę trzny  zwany  okostną  nie  zawiera  naczyń  krwion oś n ych

w kanał ach  H aversa, jak  to m a miejsce  wewną trz  masy  zwartej,  a wobec tego jego wł asnoś ci

są  także  inne.
M asa zwarta  (zbita) zbudowana jest z  blaszek  kostnych  mają cych  róż ny  kształ t i  ukł ad.

Blaszki  kostne  tworzą ce  zewnę trzną  (okostn ą)  i  wewnę trzną  warstwę  koś ci  zbitej,  tzw.
blaszki  podstawowe  zewnę trzne i wewnę trzne  mają  przebieg  cią gł y.

Blaszki  poł oż one  mię dzy  blaszkami  podstawowymi  mają  kształ t  walców  uł oż on ych
koncentrycznie wokół  wspomnianych już kan ał ów H aversa, w  których  przebiegają  naczynia
krwionoś ne  i  limfatyczne.  Kan ał   H aversa  z  koncentrycznie  uł oż onymi —  blaszkam i  ko-
stnymi  (od  kilku  do  kilkudziesię ciu  warstw)  tworzy  ukł ad  H aversa,  zwany  też  osteon em .
Rys.  1.2a  pokazuje  koń ce  osteonów,  które  wyrastają  jakby  pon ad  pozostał y  m ateriał
kostny  leż ą cy  mię dzy  osteonami. Są  to  tzw.  blaszki  mię dzy ukł adowe  o  kształ cie i uł oż eniu
bardzo róż norodnym.

Odporność osteonów n a ś cieranie jest wię ksza niż odporn ość m ateriał u  znajdują cego  się
mię dzy  ukł adami H aversa;  materiał   osteonów  cechuje  też  wyż sza  wytrzymał oś ć.

Wykazano,  że  propagują ce  się  pę knię cia  i  szczeliny  omijają  osteony,  a  jeś li  kierun ek
naprę ż eń  rozcią gają cych  jest  równoległ y  do  osi  osteonów  (oś  dł uga  osteon u  przebiega
równolegle  do  osi  dł ugiej  koś ci)  t o  są  one  wycią gane  z  otaczają cych  je  blaszek  mię dzy-
ukł adowych.

W  cał ej  masie  kostnej  rozmieszczone  są  kom órki  kostn e,  mieszczą ce  się  w  niewielkich
pun ktach  o  kształ cie  elipsoidalnym.  Kanał y  H aversa  poł ą czone są  siecią  cienkich  kan ali-
ków  (o ś rednicy  okoł o  1 j£) z  tymi jam kam i,  w  celu  umoż liwienia  krą ż enia  substancji  od-
ż ywczych.

Fazy  materiał owe w koś ci.  M asa  zwarta  (zbita)  nie  jest  m ateriał em jed n o ro d n ym ;  nie-
zależ nie  od  szeregu  niecią gł oś ci,  sam  szkielet  materiał owy  zbudowany  jest  z  substancji
o  bardzo  zróż nicowanych  wł asnoś ciach.  Skł adniki  wywierają ce  wpł yw  n a  cechy  me-
chaniczne koś ci  m oż na podzielić n a  nastę pują ce  grupy:

1.  F aza  minerał ów krystalicznych  —  hydroxyapatyt.
2.  F aza  minerał ów  bezpostaciowych  —  m ateriał   zł oż ony,  zbliż ony  do  hydroxyapa-

tytu.

3.  F aza  krystaliczna  materiał ów organicznych —  kolagen .





218  •   K,  P I E K AR SK I

RYSKEWITCH   [8]  przyjmuje,  że  wytrzymał ość  maleje  ze  wzrostem  porowatoś ci  wedł ug

wzoru

(1.1)  a  =   e r o e xp ( - «F ),

gdzie  n  przyjmuje  wartoś ci  od  4  do  7,  a  V jest  obję toś ciowym  współ czynnikiem  porowa-
toś ci.  COBLE  i  KIN G ERY  [13]  badali  zmianę   m oduł u  sprę ż ystoś ci  w  zależ noś ci  od  porowa-
toś ci.  Podają   oni nastę pują cą   zależ ność

(1.2)  E  =  E
o
{l  +  l,9V+0,9V

2
).

Pory.  P ory  ż ywej  koś ci  wypeł nione  są   substancjami  organ iczn ym i:  stanowią   ukł ad
odż ywczy  kom órek  kostnych  (osteocytów) jako  kan ał y  H aversa  poł ą czone z jam kam i  sie-
cią   kanalików.  Wedł ug  F ROSTA  [9]  zajmują   one  13,3%  obję toś ci  ciał a  ludzkiego.  Jedn ak
obję tość  cieczy,  którą   m oż na  usuną ć  z  koś ci  wskazuje  n a  porowatość  wyż szą   —  rzę du
18%.  Trzeba  sobie  przy  tym  zdać  sprawę ,  że  nie  da  się   usun ą ć  cał kowicie  cieczy  z  porów
kostnych.  W  pł ynach  kostnych  znajdują   się   bowiem  jon y  substancji  m ineralnych  i  orga-
nicznych  oraz  duże  iloś ci  róż nych  czą steczek  biał ka, które  nie  muszą   zostać wyparte  w  ca-
ł oś ci  z  cieczą , w której  się   znajdują .  Tak  wię c  porowatość  rzeczywista  jest  wyż sza  od  18%,
ale  dokł adn a liczba  nie został a jeszcze  ustalon a.

N a  podstawie  powyż szych  oszacowań  m oż na  w  przybliż eniu  podać  param etry  me-
chaniczne  hydroxyapatytu  (przy  rozcią ganiu)  a

r
  =   1380  kG / c m 2 ; E  —  5,2 x  105  kG / c m 2.

D okł adn e  param etry  wytrzymał oś ciowe  hydroxyapatytu  powin n y  zostać  wyznaczone,
jeś li  nie  chcemy  operować  zbyt  grubymi  przybliż eniami.  D la  naszych  celów  przyjmiemy
orientacyjną   wartość  m oduł u  sprę ż ystoś ci  E  =  9 x  105  kG / cm 2.

Faza  organiczna.  Kolagen  w  99%  tworzy  fazę   organiczną   koś ci.  Jest  on  pro du kt em

polimeryzacji  aminokwasów,  gł ównie  hydroxylizyny  i  hydroxyproliny.

Pojedyncza  czą steczka  polipeptydu  m a  kształ t  spirali  lewoskrę tnej,  ł ań cuch  czą stecz-
kowy  z  kolei  tworzy  prawoskrę tną   superspiralę .  Trzy  spirale  wyż szego  rzę du  two-
rzą   elementarną   jedn ostkę   strukturalną  —  wł ókienko  kolagen u.  Wł ókien ka  kolagen u 1)
rosną   tworzą c  stał ą   strukturę   przypominają cą   strukturę   fazy  m in eraln ej.

Tablica  1.1. Wytrzymał ość  i  moduł   sprę ż ystoś ci  koś ci  z  usunię tym
materiał em  organicznym

Autor  badań

Sweeney  [5]
Mack  [4]

Rozcią ganie

[ k G ]  r  kG  "]
o

r  r h  E\   rL c m 2  J  L c m 2 J

88
76  2,2 x  105

Ś ciskanie

r  kG   T  r  kG  T
a

c
  \ —-   ;  E  —

T
\

L cm 2  J  L cm 2  J

477  9, 8x10*
610  8,7x10*

Wł asnoś ci  mechaniczne  (statyczne)  kolagen u  oszacowano  n a  podstawie  eksperymen-
tów  prowadzonych  n a  ś cię gnach.  N iż ej  podaje  się   trzy  param et ry:

u  Wł asnoś ci  kolagenu  są   omówione  bardziej  szczegół owo  w  dalszej  czę ś ci  pracy  dotyczą cej  tkanki
mię kkiej  (przyp.  tł um.)



STRUKTURA  TKANEK  ORGANICZNYCH   219

Wytrzymał ość  gran iczn a  n a  rozcią ganie  570 -  760 kG / cm 2,
C ał kowite wydł uż enie  (m aksym aln e)  20 -  30%
M oduł   sprę ż ystoś ci  (mierzony  w  najbardziej  strom ej  czę ś ci  krzywej)  18 000 kG / cm 2.

M ateriał   wykazuje  wł asnoś ci  reologiczne.  W  doś wiadczeniach,  w  których  wymuszano
stał e  odkształ cenie obserwowan o  asymptotyczną   relaksację   obcią ż enia  do  pewnej  wartoś ci
poś redniej  mię dzy  zerem  a  wartoś cią   począ tkową.

P róba  obcią ż enia  i  odcią ż enia  wykazuje,  że  odkształ cenia  są   odwracalne  cał kowicie,
jedyn ie  przy  bardzo  m ał ych n aprę ż en iach. Już przy  obcią ż eniach wię kszych  niż  1% granicz-
nej  wytrzymał oś ci  ś cię gna  wystę pują   odkształ cenia  trwał e.  Odkształ cenia  odwracalne  re-
alizują   się   z opóź n ien iem.

Własnoś ci  koś ci  jako  materiału złoż onego.  D o  wyraż en ia  moduł u  sprę ż ystoś ci  koś ci  przez

moduł y  skł adników  najbardziej  odpowiedn i  wydaje  się   być  model  H IRSOH A  [10]

n  T  „

t
m
 Ł

o

Przyjmują c  dla  uproszczen ia,  że  obję toś ciowe  zawartoś ci  faz  mineralnej  i  organicznej  są
równ e,  otrzym am y, że wartość  m oduł u  koś ci jest E  =   2,17  •   10s  kG / cm 2.
Wartość  ta jest  poprawn a,  potwierdzon a  przez  doś wiadczenia  przeprowadzone  w  warun-
kach  mał ych prę dkoś ci  odkształ cen ia.

I n n e podejś cie  do  koś ci jako  m ateriał u  zł oż onego zakł ada, że kość jest  materiał em  dwu-
fazowym  z  fazą   stał ą   i  ciekł ą .  Przyjmuje  się  jednocześ nie, że  m ateriał   organiczny  znajdują -
cy  się   w  koś ci  wraz  z  pł ynami  reprezentuje  fazę   ciekł ą .  Rzeczywiś cie,  znaczna odkształ -
calność  fazy  organicznej  powoduje,  że  jej  udział   w  noś noś ci  materiał u zł oż onego  (koś ci)
nie jest  duż y,  chyba  że  szkielet  m ineralny  koś ci  stwarza  ograniczenia  wielkoś ci  przemie-
szczeń  m ateriał u  organ iczn ego.  Takie  zachowan ie  jest  bliż sze  mechanice  zoli,  ż eli  i  cie-
czy  niż  ciał om  stał ym.

P rzy  duż ych  prę dkoś ciach  deformacji  faza  organiczna  (podobnie jak  ciecz w  materiale
dwufazowym)  przejmuje  ciś nienie  hydrostatyczn e, n atom iast przy  niewielkich prę dkoś ciach
deformacji  nastę puje  jej  przepł yw  z  partii  korowej  do  naczyń  krwionoś nych  (jest  dość
czasu,  by  to  m ogł o  n astą pić ); towarzyszy  tem u  redystrybucja  naprę ż eń,  które  przejmuje
prawie  w  cał oś ci szkielet  m in eraln y.  F aza  organiczna  zachowuje  się  jak  ciecz  lepka.

Z akł adają c,  że  podejś cie  powyż sze  jest  sł uszne  (tzn., że  opis  ten jest  bliski  rzeczywiste-
m u  zachowaniu  się   faz  koś ci  p o d  obcią ż eniem), m oż na  ocenić wyniki  badań  M AC KA  do-
tyczą ce  m oduł u  sprę ż ystoś ci  porowatego  hydroxyapatytu  jako  prawidł owe  (por. tabl.  1.1).
Są   one zbliż one  do  wyników  bad ań  n a  koś ciach  przy  niewielkich  szybkoś ciach  deformacji.
Z godn ość  ta  potwierdza  zarysowan y  wyż ej  m echanizm  dwufazowy.

Z aobserwowan o  [11, 12] wzrost  m oduł u  sprę ż ystoś ci  ze wzrostem  prę dkoś ci  deformacji,
co  tł umaczy  się   efektem  wzrostu  ciś nienia  hydrostatycznego  w  pł ynach  i  materiale  orga-
nicznym  (w  ogólnoś ci  udział em fazy  «ciekł ej»  w  przenoszeniu  obcią ż eń ).

Aby  iloś ciowo  opisać  wpł yw  szybkoś ci  deformacji  na  przyrost  moduł u  sprę ż ystoś ci
należy  uczynić  dalsze  zał oż en ia.  N ie  są   bowiem  zn an e  wartoś ci  moduł u  sprę ż ystoś ci
obję toś ciowej  pł ynów,  ż eli,  roztworów  i  czę ś ci  organicznych  zawartych  w  koś ci.  Wzrost
ciś nienia  hydrostatyczn ego  w  cieczy  zawartej  w  porach  ciał a  stał ego  zależy  od  ws"pół czyn-



220  K .  P I E KAR SKI

nika  P oissona  ciał a  stał ego —  w  tym  przypadku  fazy  mineralnej  koś ci;  jego  dokł adn a

wartość  również  nie jest  zn an a.

D la  celów  dość  grubego  oszacowania  m oż na  n p.  przyją ć,  że  m oduł   sprę ż ystoś ci  obję -
toś ciowej  wszystkich  substancji,  które  zaliczamy  do  fazy  ciekł ej  jest  równy  m oduł owi
wody,  K  =  27 000  kG / cm 2, współ czynnik  P oissona  fazy  m ineralnej jest  v  =  0,4,  a  zawar-
toś ci  obję toś ciowe  fazy  mineralnej  i  organicznej  są   odpowiednio  równe  04,  i  0,6.  M oż na
wykazać,  że  przy  tych  zał oż eniach  noś ność  m ateriał u  zł oż onego,  porowatego  bę dzie
o  ok.  4% wyż sza  w  przypadku  porów  wypeł nionych  cieczą   (pł ynami rzeczywistymi  i  ma-
teriał em  organicznym)  w  porównaniu  z  materiał em o porach  pustych.  Wzrostowi  noś noś ci
towarzyszy  wzrost  m oduł u  sprę ż ystoś ci,  co  wykazano  eksperym entalnie.

W n i o sk i .  Studium  m ikrostruktury  i  wł asnoś ci  koś ci  m a  znaczenie  dla  zrozum ien ia
natury  i  zachowania  się   ż ywych  koś ci  w  organizmie.  Kość  nie  jest  m ateriał em jedn orod-
n ym ;  czę sto  próbki  do  badań  pobran e  z  tego  samego  miejsca  w  ciele  dają   zn aczn e  roz-
rzuty  danych  dotyczą cych  cech  mechanicznych.  D latego  param etry  opisują ce  wytrzy-
mał oś ć,  odkształ calność  etc.  materiał ów  konstrukcyjnych  wytworzonych  przez  czł owieka
są   daleko  bardziej  precyzyjne  niż analogiczne  dane  dla  koś ci.

N iemniej  badania  dotyczą ce  mechaniki  koś ci  są   potrzebn e,  otwierają   one  czę sto  pole
do  dalszych  hipotez  i  wniosków,  cennych  dla  gł ę bszego  zrozum ien ia  struktury  i  funkcji
tkan ki.  Takie  znaczenie  mają   na  przykł ad  badan ia  typów  deformacji  koś ci.  F akt , że  tkan -
ka  kostna jest  materiał em czuł ym n a wielkość  odkształ ceń wskazuje  n a cią gł ość  (spójnoś ć)
rozkł adu  szkieletu  mineralnego  w  koś ci, choć  sugestie  biologów  są   odmienne. Z achowan ie
koś ci  w  pewnym  wzglę dzie  jest  bardzo  podobn e  do  pracy  belek  wykonanych  z  polim eru,
zbrojonych  wł óknami, w  których  o  zniszczeniu  m ateriał u zł oż onego  decyduje  najwię ksze,
moż liwe  odkształ cenie  wł ókien.  Z  kolei  wł asnoś ci  lepkosprę ż yste  dowodzą   istnienia  me-
chanizmu tł umią cego,  zwią zanego  z  ruchem pł ynów zawartych  w  koś ci  (cieczy,  ż eli  i zoli).
M echanizm  tego  rodzaju  pozwala  n a  doskonał ą   absorpcję   en ergii;  m ikrostruktura  koś ci
może  wię c  sł uż yć  jako  model  dla  technologów  projektują cych  podobn e  ukł ady.

Problemem  nie zwią zanym  z mechaniką  jest mechanizm krą ż enia  substancji  odż ywczych
w  koś ciach,  w  szczególnoś ci  odż ywianie  kom órek  kostnych.  N iemniej  badan ie  deformacji
koś ci  i  odpowiadają cego  im  ruchu  pł ynów  sugeruje  istnienie  ś cisł ej  zależ noś ci  m echan izm u
ruchu  i  odż ywiania.

Istnienie  odkształ ceń  opóź nionych  przy  obcią ż eniach  cyklicznych  wskazuje  n a  przy-
kł ad  n a  fakt,  że  pł yny  są   wypierane  z  czę ś ci  korowej  do  naczyń  krwionoś nych.  Odwrotn e
zjawisko  towarzyszy  odcią ż eniu  lepko sprę ż ystemu:  odkształ cenia  odwracalne  (lepko-
sprę ż yste)  są   efektem  wyciskania  cieczy  z  powrotem  do  koś ci  korowej.  Ciecz  t a  zawiera
ś wieże  substancje  odż ywcze,  rozprowadzan e  nastę pnie  do  kom órek  kostn ych.

2.  Wł asn oś ci  fizyczne  t kan ki  m ię kkiej

N ajbardziej  podstawową   cechą   ż ywej  tkan ki  jest  trwają cy  n ieustan n ie  proces  odna-
wiania  się   i  adaptacji.  Ż adna  sztuczna  synteza  nie  jest  w  stanie  odtworzyć  cał oś ci  tych
przemian  w  ich  peł nej  dynamice  i zł oż onoś ci.



STRUKTURA TKANEK ORGANICZNYCH 221

W  biom echanice  organ izm u  waż ną   rolę   speł nia  tkan ka  ł ą czna,  do  której  zaliczamy
wielką   grupę   tkan ek,  róż n ią cych  się   nieraz  znacznie  budową   i  czynnoś ciami.  Łą czy  je
jed n ak  wspólne  poch odzen ie  z  tzw.  tkan ki  zarodkowej  (jnezenchyma)  i  wspólne  funkcje
odż ywcze  i  m echan iczn e. T kan ka  ł ą czna wytwarza  substancję   mię dzykomórkową,  w  której
obok  masy  bezpostaciowej  znajdują   się   elementy  wł ókniste  (w  tym  wł ókna  kolagenowe)
speł niają ce  waż ną   rolę   w  m echan ice  ustroju.  T kan ka  szkieletowa  (kość  i  chrzą stka)  jest
grupą   tkan ek  należ ą cą   d o  tkan ki ł ą cznej.

T kan ka  ł ą czna  reaguje  n a  obcią ż enia  m ech an iczn e:  orientacja  wł ókien  kształ tuje  się
ja ko  reakcja  tkan ki  n a  sił y  rozcią gają ce.  Skóra  staje  się   szorstka  i gruba  n a  skutek  powta-
rzan ych  wielokrotn ie  bodź ców,  m .in .  m echanicznych.  D zię ki  systematycznym  ć wiczeniom
wzrasta  wielkość  mię ś ni  (tkan ka  mię ś niowa  stanowi  odrę bny  rodzaj  tkan ki,  obok  tkanki
n abł on kowej,  ł ą cznej i  nerwowej).

N arzą dy  ż ywego  organ izm u  stanowią   ukł ady  o  wysokim  stopniu  zł oż onoś ci  struktury
i  funkcji.  Takie  zjawiska,  ja k  n a  przykł ad  zn aczn e  rozszerzenie  macicy  i  ś cian  brzucha
towarzyszą ce  rozwojowi  cią ży  obrazują   ja k  trudn o przenosić pewne dane dotyczą ce wł asnoś-
ci  m echanicznych  m ateriał ów  n a  tkan ki  funkcjonują ce  w  ż ywym  ciele.  Jednak  potrzeby
zastę powan ia  chorych  lub  zuż ytych  tkan ek  przez  materiał y  syntetyczne  wymagają   zba-
dan ia  samych  t kan ek  i  orzeczenia,  które  materiał y  syntetyczne  mają   wł aś ciwoś ci  (n p. wł aś-
ciwoś ci  mechaniczne)  najbardziej  zbliż one  do  m ateriał u  n aturaln ego.  N iektóre  wł asnoś ci

Czą steczki wolnych

aminokwasów
M - C- C- O-M

GLICYNA

M   O
I  u

H- N- C- C- O-H

A  PROLINA
n  H

M  i  O
I  t  II
M- C- C- O-H

Łań cuch  czą steczkowy -   X- GLY- PRO- HYPRO- GLY- X-

Spirala z Jednym łań cuchem

czą steczkowym

Powię kszenie  17 500000 X

Spirala  drugiego  rzę du  nawinię ta

na  pojedynczy  tań cuch

Powię kszenie  17500000 X

Spirala  złoż ona z  trzech

łań cuchów  czą steczkowych

Powię kszenie  17 500 000 x

Włókienko  kolagenu

Powię kszenie 120000X'

Rys.  2.1.  Schemat  struktury  kolagenu  (za  G rossem,  1961)



222  K.- PIEKARSKI

tkan ki  mię kkiej  omówimy  n a  przykł adzie kolagenu,  który jest jedn ym  z jej  podstawowych

skł adników.

Budowa  kolagenu.  Jak  już  wspom niano  wyż ej,  kolagen  jest  produktem  polimeryzacji
aminokwasów,  gł ównie  hydroxyproliny  i  hydroxylizyny  (rys.  2.1).  P ojedyncza  czą steczka
polipeptydu  posiada  kształ t  lewoskrę tnej  spirali,  z  kolei  ł ań cuch  polim eru  tworzy  spiralę
wyż szego  rzę du,  prawoskrę tną.  Trzy  takie  spirale  skrę cone  w  jedną   tworzą   podsta-
wową   jednostkę   strukturalną   kolagenu,  zwaną   prokolagen em  [1].  Wł ókien ko  kolagenu
skł ada  się   z  podł uż nie uszeregowanych  jedn ostek  prokolagen u.  U ł oż enie  to  cechuje  okre-
sowość  wynikają ca  ze  zmiennego  rozł oż enia ł adun ków  elektronowych  po  dł ugoś ci (dł u-
gość  okresu  jest  równa  640 -  700  A).  Wł asność  tę   m oż na  sprawdzić  doś wiadczalnie  przez
strą cenie  wł ókienek  kolagenu  w  kwasie  octowym  lub  przez  analizę ,  przy  pom ocy  prom ie-
ni  X  [2].

Pewna  regularność  i  symetria  struktury  kolagenu  w  peł ni  usprawiedliwiają   stosowność
terminologii  zwykle  uż ywanej  dla  ciał   o  budowie  krystalicznej,  do  opisu  n p.  wł asnoś ci
czę ś ci  organicznych  koś ci  (w  wię kszoś ci  materiał em organicznym  jest  tu  kolagen ).  Trzeba
stwierdzić,  że  rozkł ad  wł ókienek  w  m ateriale  nie  jest  jedn ak  cał kowicie  symetryczny.
N ajgrubsze  wł ókna  stanowią ce  pewnego  rodzaju  «krę gosł up»  cał ej  struktury,  przebiegają
w  okreś lonym  kierunku  i  są   odpowiedzialne  za  an izotropowe wł asnoś ci  m ateriał u.  Cień sze
i  delikatniejsze  wł ókna tworzą   siatkę , która  przenika  i ł ą czy gł ówne gał ę zie i posiada  mniej
uporzą dkowaną   strukturę  kierunkową .  N ie ma specjalnych  ograniczeń n a dł ugość wł ókien ;
siatka  wł ókien jest  cią gła  tak,  że  p o  usunię ciu  z  koś ci  fazy  nieorganicznej  (mineralnej)
kość  zachowuje  nadal  swój  pierwotny  kształ t.

LITTLE  [3] wykazał   istnienie  wł ókien kolagenu  o przekroju  zbliż onym  do  ru ry;  prowa-
dził   on  obserwacje  pojedynczych  wł ókien  pod  m ikroskopem  elektronowym ,  stereosko-
powym.  Zmienność  gruboś ci  wł ókien  kolagenu  przypisuje  się   wł aś ciwoś ciom  m ukopoli-
sacharydów  bezpostaciowych,  które  stanowią   spoiwo  dł a  wł ókienek  kolagen u.

Odkształcalność  kolagenu.  Wiadom o,  że  wł aś ciwoś ci  sprę ż yste  ciał   krystalicznych  spo-
wodowane  są   dział aniem  sił   mię dzyatomowych  bliskiego  zasię gu.  M oż na  wykazać,  że
m oduł   sprę ż ystoś ci  otrzymuje  się  wychodzą c  z  nastę pują cej  relacji:

(2  1)  f-   ^  - - #   u
du  du

gdzie  0(n)  jest  energią   wią zania,  w jest  przemieszczeniem,  z a ś /—  oznacza  sił ę  m ię dzyato-

mową .

Powyż sze  dowodzi, że czynnikiem  podstawowym  jest  zm ienność  energii. P rzy braku  ob-
cią ż eń "zewnę trznych  atomy  w  sieci  krystalicznej  zajmują   pozycję   odpowiadają cą   m in im um
energii;  przył oż enie  obcią ż enia  powoduje  przemieszczenie  atom ów,  co  odpowiada  pod-
wyż szonemu  stanowi  energetycznemu,  odcią ż enie  zaś  oznacza  powrót  do  stanu  pierwot-
nego,  tzn.  stanu  minimalnej  energii,  przez  przemieszczenie  do  poł oż en ia  począ tkowego.

D awniejsze  teorie,  które  wyjaś niały  sprę ż ystość  gumy  w  oparciu  o  wł aś ciwoś ci  mole-
kularne  zakł adał y,  że  kształ t czą steczki  jest  podobn y  do  kształ tu  sprę ż yny.



STRUKTURA, TKANEK ORGANICZNYCH 223

Tymczasem  ch arakter  zwoju  czą steczkowego  dł ugich  czą steczek  zależy  od  ich  mor-
fologii.  N a  przykł ad  skł ad  chemiczny  kauczuku  n aturaln ego  i  gutaperki  jest  identyczny;
czą steczki  te  róż nią   się   tylko  pozycją   zajmowaną   przez jeden  atom wodoru.  Ta  niewielka
zm ian a  struktury  m a  podstawowe  zn aczen ie:  kauczuk  n aturaln y jest  mię kki  i  podatn y na
zn aczn e  wydł uż enia,  a  gutaperka  jest  m ateriał em twardym  i  kruchym .

Czą steczka  kauczuku  n aturaln ego  (podobn ie jak  czą steczka  kolagenu)  wykazuje  asy-
m etrię  rozkł adu atom ów  (wię cej  atom ów  z jedn ej  stron y) i  dzię ki  temu tendencję  do zwija-
n ia  się   w  zwoje  spiraln e.  St ru kt u ra  spiraln a  wyjaś nia  jakoś ciowy  charakter krzywej  naprę -

[cal/ ctn
3
]

• i, s

1 , 0

0,5

4  6  8  10

W ydł uż enie [%]
Rys.  2.2.  Zmiana energii  i  entropii  w  trakcie de-
formacji  (rozcią gania)  ś cię gna  zwierzę cego  przy

pH   =   7  i  35°C  (H ali,  1952)

0 , 3

0,2

- 0,05

[cal/ cm
3
]

- 20

10
W gdł uż enie[%]

Rys.  2.3.  Zmiana energii  i  entropii  w  trakcie de-
formacji  (rozcią gania)  ś cię gna  zwierzę cego  przy

pH   =   1,75  i  35°C  (H ali,  1952)

ż enie- odkształ cenie  cał ej  rodzin y  elastom erów,  ale  trudn o  n a  tej  podstawie  sformuł ować
kom pletn ą   i  spójną   teorię .  Z  jedn ej  strony  obserwuje  się   wzrost  moduł u  sprę ż ystoś ci
elastom eru  ze  wzrostem  tem peratury,  z  drugiej  zaś  strony  współ czynnik  rozszerzalnoś ci
termicznej jest d o d at n i d o pewnej  wartoś ci  wydł uż enia, zaś p o jej  przekroczeniu —  ujemny.
Tę   rzeczywistą   sprzeczność  in terpretuje  się   analizują c  zmianę   entropii w procesie tj.  zmianę
stopn ia uporzą dkowan ia  struktury  czą steczkowej.  Kauczuk odróż nia od innych, podobnych
m ateriał ów,  fakt,  że  przy  rozcią gan iu  wzrasta  stopień  uporzą dkowania  i  symetria  jego
czą steczek.  W  in n ych  m ateriał ach obserwuje  się   wzrost  entropii  (a wię c  redukcję   regular-
noś ci  i  symetrii  struktur  czą steczkowych)  zarówn o  przy  ś ciskaniu, jak  i  przy  rozcią ganiu.
Z arówn o  struktura  m olekularn a  wł ókienek  kolagenu,  jak  i  wł asnoś ci termodynamiczne
są   zbliż one  do  wł asnoś ci  gum y  kauczuku.  KAR R E R  [4] wykazał   podobień stwo  termodyna-
miczne  badają c  pracę  mię ś ni.  H AL L  [5] przeprowadził  serię   doś wiadczeń  i  podał  zmienność
energii  i  en tropii  towarzyszą cą   odkształ cen iom  ś cię gien  zwierzę cych.  R ezultaty  uzyskane
przez  H ALLA  p o d an e  są   n a  rys.  2.2.  D an e  H ALLA  dotyczą ce  doś wiadczeń przeprowadzo-
n ych  w  tem peraturze  35°C  i  w  ś rodowisku  o  wartoś ci  czynnika  p H  =  7  nie  potwierdzają
podobień stwa  kolagen u  w  ś cię gnach  do  gumy.  N atom iast  te  same  eksperymenty  powtó-
rzon e  przy  p H   =   1,75,  kiedy  wł ókn a kolagen u  doznał y skrócenia  o  2:5% wykazał y,  że roz-
cią ganiu  ś cię gien  aż  do  dł ugoś ci  odpowiadają cej  dł ugoś ci  n aturaln ej  przy  p H  =  7  towa-
rzyszył   spadek  en tropii, a wię c  zachowan ie  się   kolagen u  był o podobn e do  gumy  (rys.  4.3).
Obserwowano  też  efekt  pę czn ien ia  w  roztworze  kwasu  octowego.  Oznaczał  on  cofnię cie



224 K.  PIEKARSKI

się   do  stanu  mniejszego  uporzą dkowan ia  struktury  czą steczkowej,  D alsze  rozcią ganie
przynosił o uporzą dkowanie tej  struktury  (a wię c spadek  entropii) aż  do  osią gnię cia  wspom-
nianej  dł ugoś ci  (odpowiadają cej  p H  =  7).  Rozcią ganie  powyż ej  tej  dł ugoś ci  dał o  efekt
jak  w  pierwszym  doś wiadczeniu:  wzrost  energii  i en tropii.

Pę cznienie  czą steczek  biał ka pochodzą cego  ze  ś cię gien  szczurów  i  myszy  obserwowali
również  LLOYD   i  G ARROTT  [6].

Przy  dział aniu kwasu  nastę puje  reakcja  kolagenu  z  jon am i  wodorowym i,  co  powoduje
rozbicie  niektórych  wią zań  chemicznych.  Rozbicie  tych  poł ą czeń  pozwala  n a  uwolnienie
się   ł ań cuchów kolagenu  z  wię zów  strukturaln ych  i  wzrost  en tropii.  Rozcią ganie  wł ókien
wyję tych  z kwasu, zgrubiał ych i wybrzuszonych  n a  skutek  powyż szych  procesów,  z powro-
tem  porzą dkuje  strukturę , czemu towarzyszy  spadek  en tropii.

Mechaniczne  (statyczne) własnoś ci kolagenu.  P omiary  bezpoś rednie  wytrzymał oś ci  kolagen u
są   trudn e  do  zrealizowania  z  przyczyn  technicznych  (wł ókna  są   zbyt  cienkie,  aby  m ogł a
je  uchwycić  maszyna  wytrzymał oś ciowa).  Badania  wykon an o  n a  ś cię gnach,  których
gł ównym  skł adnikiem jest  kolagen.  Rezultaty  uzyskane  przez  róż n ych  autorów  podaje
tablica 2.1.

Tablica  2.1. N iektóre  dane  dotyczą ce

H ali  (1951)
Viidik  (1966)
Piekarski

(1967)

G ę stość Q
(g/ cm3)

1,08

Wytrzymał ość
a,  (kG / mm 2)

4,5—6,0

4,4

kolagenu  w ś cię gnach

Wydł uż enie
«(%)

25

30

M oduł
sprę ż ystoś ci

E  (kG / mm 2)

151

56

Charakterystyczne  krzywe  naprę ż enie- odkształ cenie dla  ś cię gna  zwierzę cego  pokazan o
n a  rys.  2.4.  Jak  widać,  zależ ność  mię dzy  naprę ż eniem  a  odkształ ceniem jest  nieliniowa
(wykres  dotyczy  rozcią gania).  M oduł   sprę ż ystoś ci  podan y  w  tablicy  został   wyznaczony

Rys.  2.4.  Krzywa  naprę ż enie —  odkształ -
cenie  ś cię gna

z  czę ś ci  krzywej,  najbardziej  bliskiej  zależ noś ci  liniowej  (mniej  wię cej  dla  odkształ ceń
10 -  20%).  D oś wiadczenia  dla  róż nych  prę dkoś ci  deformacji  nie  przyniosł y  specjalnych
efektów,  choć  materiał   m a  w  istocie  wł asnoś ci  reologiczne.  Być  może  znaczny  rozrzut
wyników  doś wiadczeń  zatuszował   wpł yw  róż nych  prę dkoś ci  odkształ cenia.  Wpł yw  tem-



ST R U K T U R A  TKAN EK  O R G AN I C Z N YC H   225

peratury  też  nie jest  dokł adn ie zn an y,  chociaż  H AL L  [7]  podał ,  że  pod  wpł ywem  zmiany
tem peratury  od  20°C  d o  35°C  (por. rys.  2.5)  nastą piła zm iana  szybkoś ci  peł zania ś cię gna.
I n n e  wł asn oś ci:  odkształ cen ia opóź n ione przy  odcią ż aniu, relaksacja  naprę ż eń potwierdza-
ją   lepkosprę ż yste  wł asnoś ci  ś cię gien  i  podobień stwo  do  polimerów  termoplastycznych.

N a  rys.  2.6  po kazan o  typowe  krzywe  doś wiadczalne  dla  ś cię gien.  W  ś cię gnach  wystę -
pują   równ ież  pewne  odkształ cen ia  plastyczne.  I ch  mechanizm  polega  n a  wzajemnym
prześ lizgu  ł ań cuchów czą steczkowych  wzglę dem  siebie,  podobn ie jak  to  m a  miejsce  w  gu-

Czas  Czas

R ys.  2.5.  Wpł yw  zm ian y  t e m p e r a t u r y  n a  peł zan ie  R ys.  2.6.  K rzywa  relaksacji  i  odcią ż en ia  ś cię gna

ko lagen u  ( H a li,  1951)

m ach.  Obserwuje  się   też  rzeczywiste  pł ynię cie plastyczne w  czę ś ci  bezpostaciowej materiał u
organicznego  (am inokwasy  i  m ukopolisacharydy).  Bezpostaciowy  materiał   organiczny
otacza  i  przen ika  wł ókn a  kolagen u.  D okł adn y  m echan izm  deformacji  plastycznych  nie
został  jeszcze dobrze  zbadan y.

Pewne  kontrowersje  budzą   wł asnoś ci  elektryczne  kolagenu.  N iektórzy  n p.  BASSETT  [8],
BECKER  [9]  i  F U K U D A  [10]  przypisują   m u  efekty  piezoelektryczne.  AN D ERSON   i  ERIKSSON   [11],

szczegół owo  badali  kolagen  p o d  t ym  ką tem  stwierdzają c,  że  jedynie  kolagen  suchy  m a
wł asnoś ci  piezoelektryczne.  Kolagen  wilgotny  zmienia  typ  symetrii  krystalicznej  i  traci
wł aś ciwoś ci  piezoelektryczne.

3.  Zgodność  biomatcriał ów  i  tkanek

Jak  już  stwierdzon o,  zgodn ość  biom ateriał u zastosowanego  do  implantacji  z  organiz-
m em  jest  sprawą   podstawową ;  stan owi  jedn o  z  najważ niejszych  kryteriów  przydatnoś ci
protezy.  Trzeba  z  naciskiem  podkreś lić,  że  każ dy  m ateriał   obcy,  nie  wytworzony  w  spo-
sób  n aturaln y  przez  organ izm ,  wywoł uje  zespół   zł oż onych  reakcji,  w  rezultacie  których
może  zostać  odrzucon y.

Celem  niniejszych  rozważ ań  nie  jest  przedstawienie  cał ego  dorobku  immunologii
i  in n ych  n au k  m edycznych  opisują cych  róż ne  reakcje  organizm u.  N iemniej podan ie pod-
stawowych  m echan izm ów  reakcji  ż ywych  tkan ek  n a  czynniki  obce  może  okazać  się   przy-
datn e  dla  projektan ta  biom ech an izm ów.  C hodzi tutaj  o m aksym alne  uwraż liwienie  czytel-
n ika  n a  ten  problem ;  nie  tylko  bowiem  wł asnoś ci  mechaniczne, chemiczne, elektryczne,
dotyczą ce  prom ien iowan ia  etc.  m uszą   być  przedm iotem  wnikliwej  analizy,  ale  nawet
kształ t  im plan tytu  i  in n e  cechy  fizyczne  są   waż ne,  ze  wzglę du  n a  kon takt  z  tkanką .
Wedł ug  H U L BE R T A  i  in n ych  [1]  reakcje  organ izm u  m oż na  podzielić  n a  osiem  typów,
dział ają cych  osobn o  lu b  czasem  ł ą czn ie.



226  K.  PIEKARSKI

Fagocytoza.  F agocytoza  stanowi  zwykle  pierwszą   podstawową   reakcję   n a  obecność
substancji  obcych.  Polega  on a  n a  mobilizacji  i  dział aniu  fagocytów  (kom órek  ż ernych),
które  niszczą   obce  kom órki  i  tkan ki  oraz  m ikroorganizm y,  które  przedostają   się   do  n a-
rzą dów.  F agocyty  mogą   się   poruszać  samodzielnie  ruchem  peł zakowatym  i  wę drować
poprzez  tkan ki  (np.  przez  ś ciany  naczyń  krwionoś nych),  mogą   też  być  tran sportowan e
przez  krew  do miejsc,  gdzie  znajdują   się   drobn oustroje  lub  in n e zbę dne ciał a, n p .  produkty
wydalane  przez  tkan ki,  tkan ki  obum arł e  etc.  C iał a  te  zostają   przez  fagocyty  wchł onię te
i  unieszkodliwione.  D o  fagocytów  należą   biał e  ciał ka  krwi  i  n iektóre  kom órki  tkan ki
ł ą cznej.  Jeś li  kom órki  fagocytu  nie  mogą   strawić  pewnych  substancji,  wówczas  izolują
je  od  otaczają cej  zdrowej  tkan ki.  D obrym  miejscem  obserwacji  kom órek  ż ernych  są   rany,
skaleczenia  i  inne zakaż one  miejsca  w  ciele.

R uch  kom órek  fagocytowych  w  kierunku  danej  substancji  jest  czę ś cią   chem otaktyzm u.
C hemotaktyzm dodatn i  oznacza  ruch  do  bodź ca  chem iczn ego:  ruch  przeciwny  nazywa  się
chemotaktyzmem  ujemnym.  N iektóre  materiał y,  n a  przykł ad  wę giel,  krzem  n ie  przycią -
gają   ani  nie  odpychają   fagocytów.  Jedn ak  wchodzą c  w  ko n t akt  z  nim i  są   przez  nie wchł a^
n ian e. W  przypadku,  gdy  im plantyt  wykonany  jest  z  m ateriał u chem otaktycznie  ujemnego
{odrzucają cego  kom órki  ż erne), w  otoczeniu  im plan tytu  może  powstać  infekcja,  n a  skutek
niepowstrzymanego  rozwoju  flory  bakteryjnej.  H am owan a  jest  też  w  tym  wypadku  re-
generacja  tkan ki  po  przejś ciu  stanu  zapalnego.

Także zastosowanie  materiał u o cechach chem otaktycznych silnie  dodatn ich , grom adzą c
n adm iar  kom órek  ż ernych,  może  niekiedy  przeszkadzać  w  n orm aln ej  regeneracji.

F agocytoza  jest  zbyt  sł abym  mechanizmem  obron n ym , jeś li  substancje  obce  wystę pują
"W  zbyt  duż ych  iloś ciach;  w  tych  przypadkach  organ izm  mobilizuje  in n e  ś rodki  neutrali-
zacji  ciał   zbę dnych.

Ropnie i  wrzody. Wystą pienie  ro pn i  oznacza  intensywną   akcję   wydalan ia  ciał   szkodli-
wych  przez  organizm.  Obserwuje  się   lokalne  n agrom adzen ie  duż ej  iloś ci  ropy  —•  ż ół tawej
cieczy  zł oż onej  z  surowicy,  biał ych  ciał ek  krwi,  bakterii  i  odpadów  tkan kowych.

Zwykle  ropnie  wystę pują   w  bardziej  zbitych  tkan kach ,  gdzie  dział anie  krwi  jest  nie-
dostateczne,  aby  szybko  usuną ć  wydzieliny  i  uszkodzone  kom órki.  P o  pewn ym  czasie
wrz:ody  i  ropn ie  zostają   otoczone  przez  bł on ę   ł ą czn otkan kową,  kt ó ra  zabezpiecza  ż ywą
i  zdrową   tkan kę   przed  rozprzestrzenianiem  się   ogniska  ropn ego.  R opień  rozprzestrzen ia
się   w  kierunku  powierzchni  tkan ki  lub  n arzą du,  rozpraszają c  swą   zawartoś ć.  Wystą pienie
ogniska  ropnego  w  pobliżu  protezy  stwarza  moż liwoś ci  dalszego  podraż n ien ia,  zwł aszcza
gdy  im plantyt  jest  w  ruch u.  Regeneracja  tkan ki  ulega  wówczas  przedł uż en iu.

Nowotwory. W  niektórych  przypadkach  im plantacja  m oże  spowodować  reakcję   n owo-
tworową .  M ogą   ją   spowodować  pewne  niekorzystne  reakcje  chemiczne  albo  dł ugotrwał e
dział anie  mechaniczne  draż nią ce  tkan kę   i  wywoł ują ce  intensywny  m echan izm  obron y.
N iektórzy  badacze  są   zdan ia,  że  nowotwory  powstają   wtedy,  gdy  im plan tyty  wykon an e
z  polimerów,  metali  i  szkł a  mają   postać  nieprzepuszczalnych,  peł nych pł ytek, blaszek  etc.

Z astosowanie  ukł adów  perforowanych  zmniejsza  prawdopodobień stwo  reakcji  nowo-
tworowej.  D latego  zaleca  się   róż ne  m ateriał y  gą bczaste,  wł ókniste  etc.



STRU KTU RA  TKANEK  ORGANICZNYCH   227

Istnieje  też  opin ia,  że  kształ t  im plan tytu  jest  waż niejszym  czynnikiem  niż  skł ad  che-
miczny  biom ateriał u  [2]. Opin ia t a  nie jest jedn ak  podzielana  powszechnie.  N iemniej  trzeba
zwrócić  uwagę ,  aby  im plan tyt  zawierał   jak  najmniej  ostrych  zakoń czeń,  krawę dzi  i  miał
kształ t  pozwalają cy  n a  dobre  przyleganie  do  ciał a,  szkieletu  etc.

Stany  zapalne.  Stan  zapaln y  poznajemy  po  rozszerzeniu  naczyń  krwionoś nych,  nad-
m iarze  pł ynów  w  tkan ce  i  wzroś cie  liczby  biał ych  ciał ek  krwi.  Reakcja  tego  typu  jest
zwykle  intensywna  i  dł ugotrwał a.  Wywoł uje  niekiedy  ból  i  powoduje  utratę   sprawnoś ci
przez  tkan ki,  nieraz  n ieodwracaln ą .  Stany  zapaln e  m oż na  rozpatrywać  raczej  jako  pro-
cesy  patologiczn e  niż  reakcje  odrzucan ia  ciał   obcych.

Rany  i  skaleczenia.  N o rm aln y  proces  gojenia  się   ran  skł ada  się   z  faz  począ tkowego,

a  potem  ostrego  stan u  zapaln ego,  po  którym  nastę puje  intensywny  wzrost  zdrowej  tkanki.
P o  wykon an iu  wycię cia,  nacię cia  lub  innej  operacji  n a  tkance,  w  celu  dokon an ia  im-

plan tacji,  kfew  z  uszkodzon ej  tkan ki  spł ywa  do  wycię cia  i  do  protezy, jeś li  t a  jest  dość
porowata.  N astę puje  krzepnię cie  krwi.

P roces  krzepn ię cia  krwi  jest  skom plikowany.  Jego  istota  polega  na  przemianie  fibry-
n ogen u, znajdują cego  się  w  osoczu w stanie zolu, n a wł óknistą  w stanie ż elu f ibrynę , w  której
gę sto  splecionych  wł ókn ach wię zną   ciał ka krwi  ham ują c  jej  wypł yw  z  rany.  Równocześ nie
siatka  t a  pozwala  n a  przepł yw  n iektórych  substancji  chemicznych  przez  powierzchnię .

Powłoki  izolują ce.  Badan ia  wykazał y,  że  im plan tyt  bywa  czę sto  izolowany  od  ż ywych
tkan ek  przy  pom ocy  wł óknistej,  odporn ej  powł oki  tworzą cej  rodzaj  cysty  (pę cherza),
zbudowanej  z  duż ych,  spł aszczonych  kom órek.  P ę cherz  ten  spowija  m ateriał ;  jedynie
zn aczn e  ruchy  im plan tytu  mogą   spowodować  jego  uszkodzenie  i  ewentualne  infekcje  lub  '
stany  zapalne.

Trucizny.  Trucizny  wywoł ują   bardzo  silne  reakcje  obron n e.  Sł owo  «trucizna»  oznacza
substancję   poch odzen ia  zewnę trznego,  która  może  wywoł ać  schorzenie  lub  ś mierć  przez
wejś cie  w  reakcję   chemiczną   z  protoplazm ą ,  podstawową   formą   materii  ż ywej.  P roto-
plazm a jest  szarawą ,  pół przeź roczystą,  pół ciekł ą   substancją   o  zł oż onym skł adzie chemicz-
n ym .  Z achodzą   w  niej  podstawowe  dla  ż ycia  przem ian y  fizyczne,  elektryczne,  chemiczne
etc.  D ział an ie  trucizn y  zależy  od  nastę pują cych  cech:

1.  Stę ż enia  trucizn y,
2.  Wraż liwoś ci  tkan ek.
3.  Sposobu  dział an ia czyn n ika  trują cego.

Trucizn y  wchodzą   przeważ n ie  w  skł ad  substancji,  które  dostają   się   do  organizmu
drogam i  oddechowym i  albo  przez  przewód  pokarm owy;  nie jest  to  jedn ak  reguł ą .  Sub-
stancje  takie  mogą   równ ież  przedostać  się   do  organizm u  przez  ł ugowanie  róż nych  do-
datków  wchodzą cych  w  skł ad  im plan tytu; n p . plastyfikatorów  dodawanych  do  polimerów.

Są   w  uż yciu  term in y  takie, ja k  trucizn a,  toksyn a.  N azwę   «toksyna»  rezerwujemy  jako
zbiorowe  okreś lenie  dla  n ie  dość  jeszcze  zbadan ych  jadów  organicznych  (biał kowych),
wytwarzanych  przez  bakterie,  wyż sze  roś liny  i  zwierzę ta.

2  M ech an ika  Teoretyczn a  3/ 74



228  K .  P I E KAR SKI

Pewne organy są  szczególnie wraż liwe n a trucizny, m.in. wą troba,  nerki i pł uca  (ze wzglę -
du  na  funkcje  filtracyjne),  również  serce,  tkan ka  nerwowa  i  szpik  kostn y  są   wraż liwsze
od  innych  tkanek.  Szczególnie  podatn e n a  dział anie trucizn  są   enzymy.

Sole  i  glukoza  są   toksyczne,  kiedy  wystę pują   w  znacznych  stę ż eniach,  n atom iast
metale takie, jak  arsen, oł ów, rtę ć i cyjanki  — nawet w  niewielkich  iloś ciach,  zwł aszcza jako
skł adniki  nietrwał ych  soli  i  tlenków.  M niej  trują ce  od  wyż ej  wymienionych  m etali  są :
beryl, fosfor,  bizmut, chrom , kobalt, kadm  i  uran , jeszcze m n iej: ż elazo, miedź, cyna, cynk,
srebro,  wanad  i  aluminium.  Substancje  um iarkowan ie  toksyczne,  w  których  wystę pują
jedn ak  wolne  jony,  ł atwo  przedostają ce  się   do  tkan ki,  nie  powinny  być  uż ywane  do  im-
plantacji.

Są   substancje  powodują ce  uszkodzenia  lokalne  n a  powierzchni  kon taktu  z  tkan ką .
I n n e dział ają   n a zasadzie  absorpcji.  Objawy  n iektórych zatruć mogą   być  t ru dn e do  zauwa-
ż enia.  Jeś li  objawy  zatrucia  zlokalizowane  są   w  otoczeniu  im plan tytu,  mogą   one  być  nie
do  odróż nienia od podraż nienia tkan ki  spowodowanego  przez  in n e  czynniki  (n p. mecha-
niczne,  stany  zapalne  etc.).

Czyste  polimery  n a  ogół   nie  szkodzą   tkan kom .  N atom iast  n iektóre  dodatki  uż ywane
do  poprawy  pewnych  wł aś ciwoś ci  polimerów  są   przeważ nie  wysoce  toksyczne.  F osforan
arylowy,  czasem  stosowany  jako  plastyfikator  do  polistyrenu  i  polichlorku  winylu, dział a
toksycznie  na system  nerwowy  [5]. Szczególnie  ostroż nie należy  dozować  dodatki  ulegają ce
ł ugowaniu.

Tkan ki  n a  ogół   dobrze  przyjmują   polimery  wieloczą steczkowe,  gorzej  zaś  polimery
0  niskim  cię ż arze  czą steczkowym.  R eduktory  przeważ nie  mają   wł asnoś ci  toksyczne,
niemniej  polietylen  nie  wykazuje  niezgodnoś ci  z  tkan kam i.  Trują ce  są   n atom iast  ż ywice
epoksydowe,  fenolowe  i  aminowe.

Uodpornienie organizmu.  M echanizm  immunologiczny  jest  najbardziej  zł oż on ym  mecha-
nizmem  reakcji  obronnej  organizmu.  Stosunkowo  najlepiej  pozn an y  jest  system  wy-
twarzania  przeciwciał   (antytoksyn).  C hronią   one  organ izm  trwale  lub  czasowo  przed
okreś lonymi  zakaż eniami  bakteriologicznymi  lub  wirusowymi.  M oż na  wzm óc  produkcję
przeciwciał  przez wprowadzenie  do  organizmu  an tygen ów:  są   to  zwią zki  chemiczne (gł ów-
nie  biał kowe) wystę pują ce  w  tkan kach  i jadach  zwierzą t  i  n iektórych  roś lin;  także  w  ciał -
kach  krwi  i  bakteriach.  Wchodzą   one  w  reakcje  z  przeciwciał ami,  w  pewnym  stopniu
neutralizują c  ich dział anie.

W n i o sk i .  P odsumowują c  m oż na  stwierdzić,  że  wszystkie  substancje,  n ie  wytwo-
rzone  samorzutnie przez  organizm,  mają   pewne  dział ania niekorzystne  dla  tkan ki  i  w  róż-
nym  stopniu mobilizują   reakcje  obron n e.

P rojektan t  im plan tytu  winien  dobrać  m ateriał ,  który  speł nia  w  sposób  optym aln y
ż ą dane  funkcje  przy  minimalnym  dział aniu niszczą cym  n a  t kan ki.  N ależy  zwrócić  uwagę
na  kształ t  im plantytu  i  dokł adn ość jego  wbudowan ia  w  organizm  ludzki.

Celem  powyż szych  rozważ ań  był o  postawienie  problem u  zgodnoś ci  biom ateriał ów
1 tkan ek  organicznych,  aby  w  praktyce  stosowanie  wszelkich  biom echanizm ów przyn osił o
efekty  pozytywne  w  sensie  przystosowania  organizmu  i przy  m in im um cierpień  pacjentów.



STRUKTURA  TKANEK  ORGANICZNYCH   229

Literatura  cytowana  w  tekś cie

Ido  czę ś ci 1J:
1.  K.  PIEKARSKI,  Fracture of  bone, J.  Appl.  Phys.  41,  (1970)  215.
2.  M . I .  KAY,  R. A.  YON G   and  A. S.  POSN ER,  Crystal structure of  hydroxyapatite,  N ature, 204,  (1964),

1050—1052.
3.  A. ASCEN ZI,  E.  BON U CCI and  D . S.  BIOCCIARELLI,  An electron  microscope  study of osteon  calcification,

J.  U ltrastr.  Res.,  12,  (1965),  287—303.
4.  R . W.  M AC K,  Bone  a  natural  two  phase  material, Technical  memorandum, San  F rancisco, U niv. of

California,  Biomechanics  Lab.,  36 str., 1964.
5.  A. W.  SWEENEY  et al.,  Mechanical properties of bone and  its  constituents,  ASME  65- WA/ HUF7,  N .Y.

ASM E,  (1965).
6.  J.  BHIMASENACHER,  Elastic  constants of apatite. P roc.  Tndian  Acad.  Scien.,  A22,  A  (1945),  209.
7.  J. D .  CU RREY,  T hree analogies to explain the  mechanical properties  of bone,  Bio- Rheology,  2,  (1964),

1—10.
8.  E.  RYSKEWITCH ,  Compression  strength of porous sintered alumina and zirconia,  J. Am.  Ceram.  So c ,

36  (2),  (1953),  65—68.
9.  H . M .  F ROST,  Specific  surface  and  specific  volume of  normal  human  lamellar  bow,  Henry  F ord.

H osp.  M ed.  Bull.,  10  (1962)  35—41.
10.  K.  PIEKARSKI,  Analysis  of  bone  as a  composite material, I n t. J.  Eng.  S c , (1973).
11.  E. D .  SED LIN , Rheological model for  cortical bone, Acta  Orthop. Scan.  Suppl., 83 (1965).
12.  J. H .  M CELH AN EY  and E. F .  BYARS,  Dynamic  response of  biological  materials,  ASME  Rep.,  1965.
13.  R. L.  COBLE  and  W.  D .  KIN G ERY,  Effect  of  porosity on physical properties  of sintered alumina,  J, Am.

Ceram.  So c ,  39 (11) (1956)  377—385.

[do  czę ś ci 2]:
1.  J.  G ROSS,  SC. Am.  204,  (1961),  121—130.
2.  M . J.  G LIMCH ER,  Rev.  of  M od.  Phys.,  31,  2,  (1959),  359—393.
3.  K.  LITTLE,  M. KELLY  and  A.  COU RTS,  Bone  and  Joint  Surg.,  44B,  (1962),  503—519.
4.  E.  KARRER,  Phys.  Rev.,  39  (1932), 857.
5.  R. H .  H ALL,  J.  Soc.  Lether  Tr. Chem., 36  (1952),  137—148.
6.  D . J .  LLOYD   and  M. BARROD ,  SOC. D yers  and  Col.,  Symp.  on F ibrous  Proteins, str.  24—29,  1964.
7.  R. H .  H ALL,  SOC. J.  Leather  Tr.  Chem., 35  (1951),  195—210.
8.  C A .  L.  BASSETT,  SC .  Am.,  213  (1965)  18—25.
9.  R. O.  BECKER  and C. H .  BACH MAN ,  Clin.  Orthop., 43,  (1964),  251—253.

10.  E. F U KU D A  and  YASU D A,  Jap.  J.  Appl.  Phys.,  3,  (1964),  117—121.
11,  J. C,  AN DERSON   and C. ERIKSSON ,  N ature, 218,  (1968),  166—168.

[do  czę ś ci 3J:
1.  S. F .  H U LBERT,  S. J.  M ORRISON   and  J. J.  KLAWITTER,  Problems Associated  with Determining  Compati-

bility of Biomaterials.  P roc. Symposium — Workshop  on  Research  Techniques  in Biomaterials  Evalua-
tion,  Clemson  U niversity,  S.  Carolina,  M arch  1971.

2.  E.  T.  OPPEN H EIMER, M .  WILLH ITE, I .  DAN ISHEFSKI and  A.  P . STOU T, Observations of the Effects of Powdered

Polymers  in the Carcinogenic  Process, Cancer  Res., 21  (1961), 132.
3.  W.  C.  H EU PER,  Carcinogenic  Studies  on  W ater  Soluble  Polymers, P athol.  Microbiol.,  24,  (1961) 77.
4.  W.  C.  H EU PER, Experimental  Production  of Cancer by means of implanted Polyurethane  Plastic,  Am. J.

of  Clin.  P athol., 34 (1960) 328.
5.  D . F .  WILLIAMS,  T he  Reactions  of  T issue  to  Materials,  Biom.  Eng.  (1971), 152.

U N I VER SI TY  O F   WAT E R LO O ,  CAN AD A

Praca został a  zł oż ona  w Redakcji  dnia 25 stycznia 1974 r.

2 *