Мягкие ткани

Ткань в организме, которая не затвердела в результате окостенения

Микрофотография сухожилия . Окраска гематоксилином и эозином .

Мягкая ткань соединяет и окружает или поддерживает внутренние органы и кости и включает мышцы , сухожилия , связки , жир , фиброзную ткань , лимфатические и кровеносные сосуды , фасции и синовиальные оболочки . ^{[1] [2]}  Мягкая ткань — это ткань в организме, которая не затвердевает в результате процессов окостенения или кальцификации , например, кости и зубы . ^[1]

Иногда ее определяют тем, чем она не является, например, как «неэпителиальную, внескелетную мезенхиму, исключающую ретикулоэндотелиальную систему и глию ». ^[3]

Состав

Характерными веществами внутри внеклеточного матрикса мягких тканей являются коллаген , эластин и основное вещество . Обычно мягкие ткани очень гидратированы из-за основного вещества. Фибробласты являются наиболее распространенными клетками, ответственными за производство волокон мягких тканей и основного вещества. Разновидности фибробластов, такие как хондробласты , также могут производить эти вещества. ^[4]

Механические характеристики

При небольших деформациях эластин придает жесткость ткани и сохраняет большую часть энергии деформации . Коллагеновые волокна сравнительно нерастяжимы и обычно рыхлые (волнистые, извитые). С увеличением деформации ткани коллаген постепенно растягивается в направлении деформации. При натяжении эти волокна вызывают сильный рост жесткости ткани. Поведение композита аналогично нейлоновому чулку , резинка которого выполняет роль эластина, как нейлон выполняет роль коллагена. В мягких тканях коллаген ограничивает деформацию и защищает ткани от травм.

Мягкие ткани человека сильно деформируются, и их механические свойства значительно различаются от человека к человеку. Результаты испытаний на удар показали, что жесткость и сопротивление демпфированию тканей испытуемого коррелируют с массой, скоростью и размером ударяющего объекта. Такие свойства могут быть полезны для судебно-медицинского расследования, когда были вызваны ушибы. ^[5] Когда твердый объект ударяет по мягким тканям человека, энергия удара будет поглощаться тканями, чтобы уменьшить эффект удара или уровень боли; субъекты с большей толщиной мягких тканей, как правило, поглощали удары с меньшим отвращением. ^[6]

График зависимости лагранжева напряжения (T) от коэффициента растяжения (λ) предварительно подготовленной мягкой ткани.

Мягкие ткани имеют потенциал подвергаться большим деформациям и все еще возвращаться к исходной конфигурации при разгрузке, т. е. они являются гиперэластичными материалами , и их кривая напряжения-деформации нелинейна . Мягкие ткани также являются вязкоупругими , несжимаемыми и обычно анизотропными . Некоторые вязкоупругие свойства, наблюдаемые в мягких тканях, это: релаксация , ползучесть и гистерезис . ^{[7] [8] Для описания механического отклика мягких тканей использовались несколько методов. Эти методы включают: гиперэластичные макроскопические модели} , основанные на энергии деформации, математические подгонки, где используются нелинейные конститутивные уравнения, и структурно-основанные модели, где отклик линейного упругого материала изменяется его геометрическими характеристиками. ^[9]

Псевдоэластичность

Несмотря на то, что мягкие ткани обладают вязкоупругими свойствами, т.е. напряжение как функция скорости деформации, его можно аппроксимировать гиперупругой моделью после предварительной подготовки к шаблону нагрузки. После нескольких циклов нагрузки и разгрузки материала механический отклик становится независимым от скорости деформации.

${\displaystyle \mathbf {S} =\mathbf {S} (\mathbf {E} ,{\dot {\mathbf {E} }})\quad \rightarrow \quad \mathbf {S} =\mathbf {S} (\mathbf {E} )}$

Несмотря на независимость скорости деформации, предварительно обработанные мягкие ткани все еще имеют гистерезис, поэтому механический отклик может быть смоделирован как гиперэластичный с различными материальными константами при нагрузке и разгрузке. При этом методе теория упругости используется для моделирования неупругого материала. Фунг назвал эту модель псевдоупругой, чтобы указать, что материал не является истинно эластичным. ^[8]

Остаточное напряжение

В физиологическом состоянии мягкие ткани обычно имеют остаточное напряжение , которое может быть снято при иссечении ткани . Физиологи и гистологи должны знать об этом факте, чтобы избежать ошибок при анализе иссеченных тканей. Эта ретракция обычно вызывает визуальный артефакт . ^[8]

Грибоэластичный материал

Фунг разработал конститутивное уравнение для предварительно обработанных мягких тканей, которое

${\displaystyle W={\frac {1}{2}}\left[q+c\left(e^{Q}-1\right)\right]}$

с

${\displaystyle q=a_{ijkl}E_{ij}E_{kl}\qquad Q=b_{ijkl}E_{ij}E_{kl}}$

квадратичные формы деформаций Грина-Лагранжа и , а также материальные константы. ^[8] — функция энергии деформации на единицу объема, которая представляет собой механическую энергию деформации при данной температуре. ${\displaystyle E_{ij}}$ ${\displaystyle a_{ijkl}}$ ${\displaystyle b_{ijkl}}$ ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle W}$

Изотропное упрощение

Модель Фунга, упрощенная с изотропной гипотезой (одинаковые механические свойства во всех направлениях). Это записано относительно главных растяжений ( ): ${\displaystyle \lambda _{i}}$

${\displaystyle W={\frac {1}{2}}\left[a(\lambda _{1}^{2}+\lambda _{2}^{2}+\lambda _{3}^{2}-3)+b\left(e^{c(\lambda _{1}^{2}+\lambda _{2}^{2}+\lambda _{3}^{2}-3)}-1\right)\right]}$,

где a, b и c — константы.

Упрощение для малых и больших участков

При малых деформациях экспоненциальный член очень мал и поэтому им можно пренебречь.

${\displaystyle W={\frac {1}{2}}a_{ijkl}E_{ij}E_{kl}}$

С другой стороны, линейный член незначителен, если анализ основан только на больших деформациях.

${\displaystyle W={\frac {1}{2}}c\left(e^{b_{ijkl}E_{ij}E_{kl}}-1\right)}$

Мягкоэластичный материал

${\displaystyle W=-{\frac {\mu J_{m}}{2}}\ln \left(1-\left({\frac {\lambda _{1}^{2}+\lambda _{2}^{2}+\lambda _{3}^{2}-3}{J_{m}}}\right)\right)}$

где - модуль сдвига для бесконечно малых деформаций, а - параметр жесткости, связанный с предельной растяжимостью цепи. ^[10] Эта конститутивная модель не может быть растянута при одноосном растяжении сверх максимального растяжения , которое является положительным корнем ${\displaystyle \mu >0}$ ${\displaystyle J_{m}>0}$ ${\displaystyle J_{m}}$

${\displaystyle \lambda _{m}^{2}+2\lambda _{m}-J_{m}-3=1}$

Ремоделирование и рост

Мягкие ткани обладают потенциалом к ​​росту и ремоделированию, реагируя на химические и механические долгосрочные изменения. Скорость, с которой фибробласты вырабатывают тропоколлаген, пропорциональна этим стимулам. Заболевания, травмы и изменения уровня механической нагрузки могут вызывать ремоделирование. ^{[11] [12]} Примером этого явления является утолщение рук фермера. Ремоделирование соединительных тканей хорошо известно в костях по закону Вольфа ( ремоделирование костей ). Механобиология — это наука, изучающая связь между стрессом и ростом на клеточном уровне. ^[7]

Рост и ремоделирование играют важную роль в возникновении некоторых распространенных заболеваний мягких тканей, таких как артериальный стеноз и аневризмы ^{[13] [14]} и любой фиброз мягких тканей . Другим примером ремоделирования тканей является утолщение сердечной мышцы в ответ на рост кровяного давления, определяемого артериальной стенкой.

Методы визуализации

Существуют определенные вопросы, которые следует учитывать при выборе метода визуализации для визуализации компонентов мягкотканого внеклеточного матрикса (ВКМ). Точность анализа изображения зависит от свойств и качества исходных данных, и, следовательно, выбор метода визуализации должен основываться на таких вопросах, как:

1. Наличие оптимального разрешения для интересующих компонентов;
2. Достижение высокой контрастности этих компонентов;
3. Поддержание низкого количества артефактов;
4. Возможность получения объемных данных;
5. Поддержание низкого объема данных;
6. Создание простой и воспроизводимой установки для анализа тканей.

Толщина коллагеновых волокон составляет приблизительно 1-2 мкм. Таким образом, разрешение метода визуализации должно составлять приблизительно 0,5 мкм. Некоторые методы позволяют получать данные об объеме напрямую, в то время как другие требуют нарезки образца. В обоих случаях извлекаемый объем должен иметь возможность следовать пучкам волокон по всему объему. Высокая контрастность облегчает сегментацию , особенно при наличии цветовой информации. Кроме того, необходимо также учитывать необходимость фиксации . Было показано, что фиксация мягких тканей в формалине вызывает усадку, изменяя структуру исходной ткани. Некоторые типичные значения сокращения для различных фиксаций: формалин (5% - 10%), спирт (10%), буэн (<5%). ^[15]

Методы визуализации, используемые в визуализации ECM , и их свойства. ^{[15] [16]}

Клиническое значение

Заболевания мягких тканей — это медицинские состояния, поражающие мягкие ткани. Повреждения мягких тканей — одни из самых хронически болезненных и сложных для лечения состояний, поскольку очень трудно увидеть, что происходит под кожей с мягкими соединительными тканями, фасциями, суставами, мышцами и сухожилиями. ^{[ необходима цитата ]}

Специалисты по костно-мышечной системе, мануальные терапевты, нейромышечные физиологи и неврологи специализируются на лечении травм и заболеваний мягких тканей тела. Эти специализированные врачи часто разрабатывают инновационные способы манипуляции мягкими тканями для ускорения естественного заживления и облегчения таинственной боли, которая часто сопровождает травмы мягких тканей. Эта область знаний стала известна как терапия мягких тканей и быстро расширяется, поскольку технологии продолжают улучшать способность этих специалистов определять проблемные области. ^{[ необходима цитата ]}

Новый перспективный метод лечения ран и повреждений мягких тканей – это использование тромбоцитарного фактора роста . ^[17]

Существует близкое совпадение между термином «мягкотканное расстройство» и ревматизмом . Иногда для описания этих состояний используется термин «мягкотканное ревматическое расстройство». ^[18]

Саркомы мягких тканей — это многочисленные виды рака , которые могут развиваться в мягких тканях.

Смотрите также

• Биоматериал
• Биомеханика
• Закон Дэвиса
• Реология

Ссылки

1. "Мягкие ткани" . Получено 13 июля 2020 г.
2. "Мягкие ткани". Словари NCI . в Национальном институте рака .
3. Скиннер Х. Б. (2006). Текущая диагностика и лечение в ортопедии . Стэмфорд, Коннектикут: Lange Medical Books/McGraw Hill. стр. 346. ISBN 0-07-143833-5.
4. Жункейра LC, Карнейро Дж, Грацл М (2005). Гистология . Гейдельберг: Springer Medizin Verlag. п. 479. ИСБН 3-540-21965-X.
5. Амар М., Алкхаледи К., Кочран Д. (2014). «Оценка механических свойств мягких тканей, подверженных динамическому воздействию». Журнал инженерных исследований . 2 (4): 87–101. doi : 10.7603/s40632-014-0026-8 .
6. Alkhaledi K, Cochran D, Riley M, Stentz T, Bashford G, Meyer G (август 2011 г.). «Психофизические эффекты физического воздействия на мягкие ткани человека». Труды 29-й ежегодной европейской конференции по когнитивной эргономике . стр. 269–270. doi :10.1145/2074712.2074774. ISBN 9781450310291. S2CID  34428866.
7. Humphrey JD (2003). «Континуальная биомеханика мягких биологических тканей». Труды Лондонского королевского общества A. 459 ( 2029): 3–46. Bibcode : 2003RSPSA.459....3H. doi : 10.1098/rspa.2002.1060. S2CID  108637580.
8. Fung YC (1993). Биомеханика: Механические свойства живых тканей . Нью-Йорк: Springer-Verlag. С. 568. ISBN 0-387-97947-6.
9. Sherman VR, Yang W, Meyers MA (декабрь 2015 г.). «Материаловедение коллагена». Журнал механического поведения биомедицинских материалов . 52 : 22–50. doi : 10.1016/j.jmbbm.2015.05.023 . PMID  26144973.
10. Gent AN (1996). «Новое определяющее соотношение для резины». Rubber Chem. Technol . 69 : 59–61. doi : 10.5254/1.3538357.
11. Saini K, Cho S, Dooling LJ, Discher DE (январь 2020 г.). «Натяжение фибрилл подавляет их ферментативную деградацию — молекулярный механизм «используй или потеряй»». Matrix Biology . Matrix Biomechanics. 85–86: 34–46. doi :10.1016/j.matbio.2019.06.001. PMC 6906264 . PMID  31201857. 
12. Topol H, Demirkoparan H, Pence TJ (01.09.2021). "Fibrillar Collagen: A Review of the Mechanical Modeling of Strain-Mediated Enzymatic Turnover". Applied Mechanics Reviews . 73 (5): 050802. Bibcode : 2021ApMRv..73e0802T. doi : 10.1115/1.4052752. ISSN  0003-6900. S2CID  244582251.
13. Хамфри Дж. Д. (2008). «Сосудистая адаптация и механический гомеостаз на тканевом, клеточном и субклеточном уровнях». Биохимия и биофизика клеток . 50 (2). Springer-Verlag: 53–78. doi :10.1007/s12013-007-9002-3. PMID  18209957. S2CID  25942366.
14. Хольцапфель GA, Огден RW (2010). «Конститутивное моделирование артерий». Труды Лондонского королевского общества A. 466 ( 2118). Королевское общество: 1551–1597. Bibcode : 2010RSPSA.466.1551H. doi : 10.1098/rspa.2010.0058 .
15. Elbischger PJ, Bischof H, Holzapfel GA, Regitnig P (2005). «Анализ компьютерного зрения пучков коллагеновых волокон в адвентиции кровеносных сосудов человека». Исследования в области медицинских технологий и информатики . 113 : 97–129. PMID  15923739.
16. Georgakoudi I, Rice WL, Hronik-Tupaj M, Kaplan DL (декабрь 2008 г.). «Оптическая спектроскопия и визуализация для неинвазивной оценки инженерных тканей». Тканевая инженерия. Часть B, Обзоры . 14 (4): 321–340. doi : 10.1089/ten.teb.2008.0248. PMC 2817652. PMID  18844604. 
17. Rozman P, Bolta Z (декабрь 2007 г.). «Использование факторов роста тромбоцитов при лечении ран и повреждений мягких тканей». Acta Dermatovenerologica Alpina, Pannonica, et Adriatica . 16 (4): 156–165. PMID  18204746.
18. Meleger AL (июнь 2022 г.). Isaac Z, Case SM (ред.). «Обзор ревматических заболеваний мягких тканей». UpToDate .

Внешние ссылки

• Медиафайлы по теме Мягкие ткани на Wikimedia Commons