Модуль упругости характеризует: Модуль упругости (Модуль Юнга): понятие, формулы, как определить

alexxlab | 24.03.2023 | 0 | Разное

Содержание

Модуль упругости

01 марта 2011

общее название нескольких физических величин, характеризующих способность твёрдого тела упруго деформироваться при приложении к ним силы. В области упругой деформации модуль упругости тела определяется производной зависимости напряжения от деформации, то есть тангенсом угла наклона диаграммы напряжений-деформаций):

где λ — модуль упругости; p — напряжение, вызываемое в образце действующей силой; — упругая деформация образца, вызванная напряжением. Если напряжение измеряется в паскалях, то, поскольку деформация является безразмерной величиной, единицей измерения λ также будет паскаль. Альтернативным определением является определение, что модуль упругости — это напряжение, достаточное для того, чтобы вызвать увеличение длины образца в два раза. Такое определение не является точным для большинства материалов, потому что это значение намного больше чем предел текучести материала или значения, при котором удлинение становится нелинейным, однако оно может оказаться более интуитивным.

Разнообразие способов, которыми могут быть изменены напряжения и деформации, включая различные направления действия силы, позволяют определить множество типов модулей упругости. Здесь даны три основных модуля:

  • Модуль Юнга характеризует сопротивление материала растяжению/сжатию при упругой деформации, или свойство объекта деформироваться вдоль оси при воздействии силы вдоль этой оси; определяется как отношение напряжения к удлинению. Часто модуль Юнга называют просто модулем упругости.
  • Модуль сдвига или модуль жесткости характеризует способность материала сопротивляться изменению формы при сохранении его объёма; он определяется как отношение напряжения сдвига к деформации сдвига, определяемой как изменение прямого угла между плоскостями, по которым действуют касательные напряжения). Модуль сдвига является одной из составляющих явления вязкости.
  • Модуль объёмной упругости или Модуль объёмного сжатия характеризует способность объекта изменять свой объём под воздействием всестороннего нормального напряжения, одинакового по всем направлениям. Он равен отношению величины объёмного напряжения к величине относительного объёмного сжатия. В отличие от двух предыдущих величин, модуль объёмной упругости невязкой жидкости отличен от нуля.

Существуют и другие модули упругости: коэффициент Пуассона, параметры Ламе.

Гомогенные и изотропные материалы, обладающие линейными упругими свойствами, полностью описываются двумя модулями упругости, представляющими собой пару любых модулей. Если дана пара модулей упругости, все другие модули могут быть получены по формулам, представленным в таблице ниже.

В невязких течениях не существует сдвигового напряжения, поэтому сдвиговый модуль всегда равен нулю. Это влечёт также и равенство нулю модуля Юнга.

Формулы преобразования
Упругие свойства гомогенных изотропных линейно-упругих материалов уникально определяются любыми двумя модулями упругости. Таким образом, имея два модуля, остальные можно вычислить по следующим формулам:

Модули упругости для некоторых веществ:

Материал
Е, МПа
Е, кгс/см²
Алюминий70000713 800
Вода203020300
Дерево10000102 000
Кость30000305 900
Медь1000001 020 000
Резина*10102
Сталь2000002 039 000
Стекло70000713 800

Просмотров: 3901

Модуль сдвига
Молоток Физделя >>>

Чему равен модуль упругости стали

Основной главной задачей инженерного проектирования служит выбор оптимального сечения профиля и материала конструкции. Нужно найти именно тот размер, который обеспечит сохранение формы системы при минимальной возможной массе под влиянием нагрузки. К примеру, какую именно сталь следует применять в качестве пролётной балки сооружения? Материал может использоваться нерационально, усложнится монтаж и утяжелится конструкция, увеличатся финансовые затраты. На этот вопрос ответит такое понятие как модуль упругости стали. Он же позволит на самой ранней стадии избежать появления этих проблем.

Общее понятие

Модуль упругости (также известный как модуль Юнга) – один из показателей механических свойств материала, который характеризует его сопротивляемость деформации растяжения. Другими словами, его значение показывает пластичность материала. Чем больше модуль упругости, тем менее будет растягиваться какой-либо стержень при прочих равных условиях (величина нагрузки, площадь сечения и прочее).

В теории упругости модуль Юнга обозначается буквой Е. Является составной частью закона Гука (закона о деформации упругих тел). Связывает напряжение, возникающее в материале, и его деформацию.

Согласно международной стандартной системе единиц измеряется в МПа. Но на практике инженеры предпочитают использовать размерность кгс/см2.

Определение модуля упругости осуществляется опытным путем в научных лабораториях. Суть данного способа заключается в разрыве на специальном оборудовании гантелеобразных образцов материала. Узнав напряжение и удлинение, при котором произошло разрушение образца, делят данные переменные друг на друга, тем самым получая модуль Юнга.

Отметим сразу, что таким методом определяются модули упругости пластичных материалов: сталь, медь и прочее. Хрупкие материалы – чугун, бетон – сжимают до появления трещин.

Дополнительные характеристики механических свойств

Модуль упругости дает возможность предугадать поведение материла только при работе на сжатие или растяжение. При наличии таких видов нагрузок как смятие, срез, изгиб и прочее потребуется введение дополнительных параметров:

  • Жесткость есть произведение модуля упругости на площадь поперечного сечения профиля. По величине жесткости можно судить о пластичности уже не материала, а узла конструкции в целом. Измеряется в килограммах силы.
  • Относительное продольное удлинение показывает отношение абсолютного удлинения образца к общей длине образца. Например, к стержню длиной 100 мм приложили определенную силу. Как результат, он уменьшился в размере на 5 мм. Деля его удлинение (5 мм) на первоначальную длину (100 мм) получаем относительное удлинение 0,05. Переменная является безразмерной величиной. В некоторых случаях для удобства восприятия переводится в проценты.
  • Относительное поперечное удлинение рассчитывается аналогично вышепредставленному пункту, но вместо длины здесь рассматривается диаметр стержня. Опыты показывают, что для большинства материалов поперечное удлинение в 3-4 раза меньше, чем продольное.
  • Коэффициент Пуансона есть отношение относительной продольной деформации к относительной поперечной деформации. Данный параметр позволяет полностью описать изменение формы под воздействием нагрузки.
  • Модуль сдвига характеризует упругие свойства при воздействии на образец касательных напряжений, т. е. в случае, когда вектор силы направлен под 90 градусов к поверхности тела. Примерами таких нагрузок является работа заклепок на срез, гвоздей на смятие и прочее. По большому счету, модуль сдвига связан с таким понятием как вязкость материла.
  • Модуль объемной упругости характеризуется изменением объема материала для равномерного разностороннего приложения нагрузки. Является отношением объемного давления к объемной деформации сжатия. Примером такой работы служит опущенный в воду образец, на который по всей его площади воздействует давление жидкости.

Читать также: Устройство и принцип действия микрометра

Помимо вышесказанного необходимо упомянуть, что некоторые типы материалов имеют различные механические свойства в зависимости от направления нагрузки. Такие материалы характеризуются как анизотропные. Яркими примерами служит древесина, слоистые пластмассы, некоторые виды камня, ткани и прочее.

У изотропных материалов механические свойства и упругая деформация одинаковы в любом направлении. К ним относят металлы (сталь, чугун, медь, алюминий и прочее), неслоистые пластмассы, естественные камни, бетон, каучук.

Этапы изменения структуры

При строительстве необходимо учитывать деформацию от приложенной нагрузки. В процессе эксплуатации бетонная структура деформируется в два этапа:

  1. Первый этап — краткосрочное изменение структуры. На этой стадии бетон сохраняет свою целостность и может восстанавливать исходное состояние. При этом во время растяжения, сжатия и изгибания возникает упругая деформация без необратимых разрушений.
  2. Второй этап — разрушения необратимого типа, которые происходят в результате внезапной и сильной нагрузки. Во время пластичной деформации появляются трещины, вследствие которых начинается постепенное разрушение бетонных конструкций.

Помимо деформации от приложенной нагрузки существует такое понятие, как коэффициент упругости. Такой показатель просто необходим для людей, занимающихся расчетом прочности бетонных зданий.

Значение модуля упругости

Необходимо заметить, что модуль Юнга не является постоянной величиной. Даже для одного и того же материала он может колебаться в зависимости от точек приложения силы.

Некоторые упруго – пластичные материалы обладают более или менее постоянным модулем упругости при работе как на сжатие, так и на растяжение: медь, алюминий, сталь. В других случаях упругость может изменяться исходя из формы профиля.

Вот примеры значений модуля Юнга (в миллионах кгссм2) некоторых материалов:

  • Чугун белый – 1,15.
  • Чугун серый -1,16.
  • Латунь – 1,01.
  • Бронза – 1,00.
  • Кирпичная каменная кладка – 0,03.
  • Гранитная каменная кладка – 0,09.
  • Бетон – 0,02.
  • Древесина вдоль волокон – 0,1.
  • Древесина поперек волокон – 0,005.
  • Алюминий – 0,7.

Рассмотрим разницу в показаниях между модулями упругости для сталей в зависимости от марки:

  • Стали конструкционные высокого качества (20, 45) – 2,01.
  • Стали обычного качества (Ст.3, Ст.6) – 2,00.
  • Стали низколегированные (30ХГСА, 40Х) – 2,05.
  • Стали нержавеющие (12Х18Н10Т) – 2,1.
  • Стали штамповые (9ХМФ) – 2,03.
  • Стали пружинные (60С2) – 2,03.
  • Стали подшипниковые (ШХ15) – 2,1.

Также значение модуля упругости для сталей изменяется исходя из вида проката:

  • Проволока высокой прочности – 2,1.
  • Плетенный канат – 1,9.
  • Трос с металлическим сердечником – 1,95.

Как видим, отклонения между сталями в значениях модулей упругой деформации имеют небольшую величину. Поэтому в большинстве инженерных расчетов можно пренебречь погрешностями и брать значение Е=2,0.

расчетные сопротивления строительных материалов

При расчете строительных конструкций нужно знать расчетное сопротивление и модуль упругости для того или иного материала. Здесь представлены данные по основным строительным материалам.

Таблица 1. Модули упругости для основных строительных материалов

МатериалМодуль упругости Е, МПа
Чугун белый, серый(1,15. 1,60) · 10 5
Чугун ковкий1,55 · 10 5
Сталь углеродистая(2,0. 2,1) · 10 5
Сталь легированная(2,1. 2,2) · 10 5
Медь прокатная1,1 · 10 5
Медь холоднотянутая1,3 · 10 3
Медь литая0,84 · 10 5
Бронза фосфористая катанная1,15 · 10 5
Бронза марганцевая катанная1,1 · 10 5
Бронза алюминиевая литая1,05 · 10 5
Латунь холоднотянутая(0,91. 0,99) · 10 5
Латунь корабельная катанная1,0 · 10 5
Алюминий катанный0,69 · 10 5
Проволока алюминиевая тянутая0,7 · 10 5
Дюралюминий катанный0,71 · 10 5
Цинк катанный0,84 · 10 5
Свинец0,17 · 10 5
Лед0,1 · 10 5
Стекло0,56 · 10 5
Гранит0,49 · 10 5
Известь0,42 · 10 5
Мрамор0,56 · 10 5
Песчаник0,18 · 10 5
Каменная кладка из гранита(0,09. 0,1) · 10 5
Каменная кладка из кирпича(0,027. 0,030) · 10 5
Бетон (см. таблицу 2)
Древесина вдоль волокон(0,1. 0,12) · 10 5
Древесина поперек волокон(0,005. 0,01) · 10 5
Каучук0,00008 · 10 5
Текстолит(0,06. 0,1) · 10 5
Гетинакс(0,1. 0,17) · 10 5
Бакелит(2. 3) · 10 3
Целлулоид(14,3. 27,5) · 10 2

Читать также: Холодильник бирюса не отключается постоянно работает

Нормативные данные для рассчетов железобетонных конструкций

Таблица 2. Модули упругости бетона (согласно СП 52-101-2003)

Значения начального модуля упругости бетона при сжатии и растяжении Eb, МПа · 10 -3 , при классе бетона по прочности на сжатие
B10B15B20B25B30B35B40B45B50B55B60
19,024,027,530,032,534,536,037,038,039,039,5

Таблица 2. 1 Модули упругости бетона согласно СНиП 2.03.01-84*(1996)

Примечания: 1. Над чертой указаны значения в МПа, под чертой – в кгс/см&sup2. 2. Для легкого, ячеистого и поризованного бетонов при промежуточных значениях плотности бетона начальные модули упругости принимают по линейной интерполяции. 3. Для ячеистого бетона неавтоклавного твердения значения Еb принимают как для бетона автоклавного твердения с умножением на коэффициент 0,8. 4. Для напрягающего бетона значения Еb принимают как для тяжелого бетона с умножением на коэффициент a

= 0,56 + 0,006В.

Таблица 3. Нормативные значения сопротивления бетона (согласно СП 52-101-2003)

Таблица 4. Расчетные значения сопротивления бетона сжатию (согласно СП 52-101-2003)

Таблица 4.1 Расчетные значения сопротивления бетона сжатию согласно СНиП 2.03.01-84*(1996)

Таблица 5. Расчетные значения сопротивления бетона растяжению (согласно СП 52-101-2003)

Таблица 6. Нормативные сопротивления для арматуры (согласно СП 52-101-2003)

Таблица 6.1 Нормативные сопротивления для арматуры класса А согласно СНиП 2.03.01-84* (1996)

Таблица 6.2 Нормативные сопротивления для арматуры классов В и К согласно СНиП 2.03.01-84* (1996)

Таблица 7. Расчетные сопротивления для арматуры (согласно СП 52-101-2003)

Таблица 7.1 Расчетные сопротивления для арматуры класса А согласно СНиП 2.03.01-84* (1996)

Таблица 7.2 Расчетные сопротивления для арматуры классов В и К согласно СНиП 2.03.01-84* (1996)

Нормативные данные для расчетов металлических контрукций

Таблица 8. Нормативные и расчетные сопротивления при растяжении, сжатии и изгибе (согласно СНиП II-23-81 (1990)) листового, широкополосного универсального и фасонного проката по ГОСТ 27772-88 для стальных конструкций зданий и сооружений

Примечания: 1. За толщину фасонного проката следует принимать толщину полки (минимальная его толщина 4 мм). 2. За нормативное сопротивление приняты нормативные значения предела текучести и временного сопротивления по ГОСТ 27772-88. 3. Значения расчетных сопротивлений получены делением нормативных сопротивлений на коэффициенты надежности по материалу, с округлением до 5 МПа (50 кгс/см²).

Таблица 9. Марки стали, заменяемые сталями по ГОСТ 27772-88 (согласно СНиП II-23-81 (1990))

Примечания: 1. Стали С345 и С375 категорий 1, 2, 3, 4 по ГОСТ 27772-88 заменяют стали категорий соответственно 6, 7 и 9, 12, 13 и 15 по ГОСТ 19281-73* и ГОСТ 19282-73*. 2. Стали С345К, С390, С390К, С440, С590, С590К по ГОСТ 27772-88 заменяют соответствующие марки стали категорий 1-15 по ГОСТ 19281-73* и ГОСТ 19282-73*, указанные в настоящей таблице. 3. Замена сталей по ГОСТ 27772-88 сталями, поставляемыми по другим государственным общесоюзным стандартам и техническим условиям, не предусмотрена.

Читать также: Как лучше сверлить плитку

Коэффициент запаса прочности

Для количественного выражения запаса прочности при конструировании применяют коэффициент запаса прочности. Он характеризует способность изделия к перегрузкам выше номинальных. Для бытовых изделий он невелик, но для ответственных узлов и деталей, могущих при разрушении представлять опасность для жизни и здоровья человека, его делают многократным.

Точный расчет прочностных характеристик позволяет создать достаточный для безопасности запас прочности и одновременно не перетяжелить конструкцию, ухудшая ее эксплуатационные характеристики. Для таких расчетов используются сложные математические методы и совершенное программное обеспечение. Наиболее важные конструкции обсчитывают на суперкомпьютерах.

GloMeca #2 – Модуль упругости на уровне кожи

КОНТЕКСТ

Кожа состоит из различных слоев (эпидермис, дерма, гиподерма) и регулярно подвергается всем видам стресса . Поскольку эти слои имеют разный состав и толщину, каждый из них имеет определенную механическую роль .

Устойчивость кожи к стрессу  в основном обусловлена ​​эластиновыми и коллагеновыми волокнами.

Кожа состоит из коллагена 14 типов и 3 эластина , это разнообразие затрудняет понимание поведения кожи.

Реакция кожи на стресс характеризуется кривой напряжения-деформации , и ее эволюция коррелирует с ролью каждой группы волокон.

Определяется константой, связывающей силу вдавливания с ожидаемой деформацией очень эластичного объекта, такого как кожа, модуль упругости равен , выраженный в Паскалях (Па).

Модуль упругости обычно измеряется в биомеханике для точной характеристики механических свойств кожи. В этом контексте биомеханика использует жесткость ткани для исследования структурных свойств.

Почему жесткость? Жесткость измеряется благодаря константе жесткости (k), которая равна основная мера для оценки сопротивления кожи упругой деформации

. Поэтому чем больше кожный образец жесткий, тем больше мы должны приложить важную деформацию, чтобы получить значительное отклонение от исходного положения.

Рисунок 2: Исследование жесткости кожи.

Тогда константа жесткости определяется как:

  • (A) площадь поперечного сечения
  • (л) это длина элемента
  • (E) — модуль упругости

ПОЧЕМУ

АСМ?

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) позволяет нам охарактеризовать упругие свойства биологических образцов, таких как кожа, до и после обработки активными ингредиентами или готовыми продуктами. Кантилевер со сферическим наконечником с радиусом кривизны в несколько мкм (кривая силы вдавливания) используется для измерения константы жесткости (k) в контакте с образцом кожи.

Модуль упругости определяется с помощью модели Герца, основанной на контакте образца со сферой.

Модуль упругости рассчитывается по формуле где :

  • (F) – сила, действующая на объект под напряжением
  • (E) — модуль Юнга (модуль упругости)
  • (R) — радиус кривизны наконечника АСМ
  • (δ) представляет собой предел прочности при растяжении или вдавливание, примененное к образцу
  • (v) — коэффициент Пуассона * (здесь 0,3)

 

Эти данные позволяют эффективно измерять способность кожи сопротивляться упругой деформации. Это отличный инструмент, чтобы подчеркнуть влияние активных ингредиентов или рецептурных продуктов на жесткость кожи.

 

ЛЕКСИЧЕСКИЙ

  • Деформация: изменение размера или формы объекта.
  • Упругая деформация : временное изменение длины, объема или формы упругого вещества под действием напряжения.
  • Эластин :
    высокоэластичный белок, присутствующий в соединительной ткани, который помогает коже возвращаться в исходное положение, когда ее протыкают или защемляют.
  • Коллаген : наиболее распространенная структурная группа белков. Их основные функции заключаются в том, чтобы обеспечить в том числе и коже структуру и силу противостоять внешним воздействиям.
  • Жесткость (или жесткость): степень, в которой объект сопротивляется деформации в ответ на приложенную силу (измеряется в Н/м).
  • Коэффициент Пуассона : описывает расширение или сжатие материала в направлениях, перпендикулярных направлению нагрузки.

НИЧЕГО НЕ ПРОПУСТИТЕ

Следите за другими нашими новостями

Новости

Месяц осведомленности о раке поджелудочной железы подходит к концу, и что может быть лучше, чем закончить его хорошим чтением о воздействии табака на кожу? Если вы курите или даже планируете бросить, уверяем вас, эта статья поможет вам принять решение бросить курить

Подробнее

29 ноября 2022

Новости

Температура падает с каждым днем ​​все больше и больше, и мы часто забываем, что наша кожа нуждается в защите от этих климатических изменений. Если вы хотите, чтобы ваша кожа выглядела идеально этой зимой, не забудьте прочитать эту статью!

Подробнее

18 ноября 2022

Новости

Меньше значит больше становится все более и более источником вдохновения на многих рынках по всему миру. На этот раз мы говорим о рынке косметики и о том, как простота и многофункциональность стали важным фактом, который следует учитывать при создании формул их продуктов.

Подробнее

19 октября 2022 г.

Характеристики и модуль Юнга коллагеновых фибрилл из расширенной кожи с использованием анизотропного самонадувающегося расширителя тканей с регулируемой скоростью – Полный текст – Фармакология и физиология кожи 2016, Vol. 29, № 2

Механические свойства расширенной ткани кожи отличаются от нормальной кожи, что в основном зависит от структурно-функциональной целостности дермальных коллагеновых фибрилл. В настоящем исследовании оценивались механические свойства и топография поверхности расширенных и нерастянутых коллагеновых фибрилл кожи. Самонадувающиеся анизотропные расширители ткани с регулируемой скоростью помещали под кожу передних конечностей овец. Тканевые расширители постепенно увеличивались в высоту и достигали равновесия через 2 недели. Их оставляли на месте еще на 2 недели перед эксплантацией. Образцы расширенной и нормальной кожи были хирургическим путем взяты у овец (n = 5). Модуль Юнга и топографию поверхности коллагеновых фибрилл измеряли с помощью атомно-силового микроскопа. Топографическое сканирование поверхности показало организованные иерархические структурные уровни: молекулы коллагена, фибриллы и волокна. Не было обнаружено существенной разницы для рисунка D-полос: 63,5 ± 2,6 нм (нормальная кожа) и 63,7 ± 2,7 нм (расширенная кожа). Фибриллы из расширенных тканей состояли из рыхло упакованных коллагеновых фибрилл, и ширина фибрилл была значительно уже по сравнению с фибриллами из нормальной кожи: 153,9.± 25,3 и 106,7 ± 28,5 нм соответственно. Модуль Юнга коллагеновых фибрилл в растянутой и нормальной коже не был статистически значимым: 46,5 ± 19,4 и 35,2 ± 27,0 МПа соответственно. В заключение, анизотропный самонадувающийся тканевый экспандер с регулируемой скоростью продуцировал рыхло упакованную коллагеновую сеть, а фибриллы демонстрировали такие же характеристики D-полос, что и в контрольной группе на модели овец. Однако фибриллы из расширенной кожи были значительно уже. Жесткость фибрилл расширенной кожи была выше, но статистически не отличалась.

Введение

Расширение тканей кожи — это процедура, которая позволяет сформировать дополнительную ткань для использования в хирургической реконструкции. Самонадувающиеся тканевые экспандеры преодолевают ограничения, связанные с обычным силиконовым баллонным экспандером, который требует периодической инъекции физиологического раствора в баллон для медленного растяжения покрывающей его кожи и стимуляции роста [1]. Этот гидрогелевый экспандер поглощает жидкость организма, что приводит к постепенному набуханию устройства до определенного объема и размеров, растягивая прилежащую кожу и стимулируя рост [2,3]. Подобные устройства также использовались при хирургической реконструкции ожогов, рубцов [4,5] и расщелин неба [6]. Совсем недавно были введены анизотропные самонадувающиеся гидрогелевые расширители, в которых можно было контролировать направление расширения [2,3].

Механические свойства кожи зависят от структурных элементов трех основных слоев: эпидермиса, дермы и гиподермы. Каждый слой обладает различными свойствами, чтобы кожа могла выполнять свои физиологические функции. Однако исследования показали, что центральная роль дермального коллагена заключается в поддержании эластичности кожной ткани [7]. Эластичность дермы напрямую связана с расположением ее составляющих. Коллаген типов I и III в основном образуется в дермальном слое кожи. Коллаген состоит из определенных последовательностей аминокислот, образующих три переплетенные полипептидные цепи. Три полипептидные цепи скручены вместе, образуя спирали коллагена, известные как молекулы коллагена. Эти пучки молекул образуют нити коллагеновых фибрилл, которые собираются, чтобы стать коллагеновыми волокнами [8]. Фибриллы имеют цилиндрическую форму: диаметр в диапазоне 10-500 нм с периодическим полосчатым узором около 67 нм, известным как D-полосатость [9].]. Hodge и Petruska [10] впервые объяснили различные паттерны фибрилл через появление темных и ярких полос в их модели молекулы коллагена, названных областями разрыва и перекрытия соответственно. D-полосатость измеряется от длины перекрытия до области зазора.

Из-за особого иерархического уровня структуры коллагена было проведено множество экспериментов для изучения взаимосвязи между этими структурами и механическими свойствами ткани. Предыдущие исследования показали, что механическое поведение ткани зависит от коллагеновых фибрилл [11,12,13,14,15]. Информация о механических свойствах коллагена необходима не только для объяснения макроскопической биофизики различных тканей, но также может способствовать пониманию микроскопической структуры самих коллагеновых фибрилл.

Структурные свойства коллагеновых фибрилл широко изучались с помощью рентгеновской дифракции [11,12,16,17,18]. В последние годы были успешно проведены многочисленные исследования структурных и механических свойств биологических образцов на ультраструктурном уровне с использованием многофотонной визуализации генерации второй гармоники [19,20] и атомно-силовой микроскопии (АСМ) [15,21,22,23]. ,24,25,26,27,28,29,30]. Многофотонная микроскопия с генерацией второй гармоники — это метод визуализации, который позволяет изучать живую ткань in vivo, например анализ ткани кожи, без необходимости окрашивания и фиксации. При исследовании дермального коллагена этот метод использует интенсивность сигнала второй гармоники, генерируемого лазером, для получения изображений коллагеновых волокон, что позволяет качественно и количественно оценить их ориентацию, тип и распределение [19].,20].

Появление АСМ позволяет исследователям просматривать топографию поверхности образцов коллагена с высоким разрешением, исследуя силы взаимодействия между острым наконечником и поверхностью образца. Топография изображается путем постукивания по параллельным линиям на поверхности образца острым наконечником, закрепленным на конце кантилевера. Силовая спектроскопия является одним из режимов, доступных в АСМ для проведения механических испытаний, и этот режим выполняется после остановки изображения путем приближения и отвода кончика кантилевера от образца во время измерения взаимодействия между наконечником и образцом (прогиб кантилевера). 31].

Расширитель ткани широко используется в клинической практике для получения дополнительной ткани. Тем не менее, качество полученной расширенной ткани остается основной областью исследований [32,33,34]. В предыдущих исследованиях сообщалось о механических свойствах объемно расширенной ткани [35,36,37,38,39]. Однако, поскольку механическое поведение кожи зависит от коллагеновых фибрилл, это исследование было направлено на оценку топографии поверхности расширенной кожи и модуля Юнга ее коллагеновых фибрилл при использовании анизотропного самонадувающегося расширителя ткани с регулируемой скоростью.

Материалы и методы

Протокол животных

Этическое одобрение животных было получено от Институционального комитета по уходу и использованию животных (IACUC) Университета Путра Малайзия, Малайзия (R031/2013). В этом исследовании использовали взрослых самцов овец Дорпер (2 года) со средним весом 40 кг; 10 овец были отнесены поровну к контрольной и расширенной шкурным группам. Все хирургические манипуляции проводились под общей анестезией. Овцам вводили 10% кетамин (Pharmaniaga, Малайзия), а глубокую анестезию поддерживали 5% изофлураном (Piramal, Индия).

В этом исследовании использовались анизотропные самонадувающиеся тканевые экспандеры с регулируемой скоростью (Oxtex Ltd., Оксфорд, Великобритания) диаметром 20 мм и толщиной 3 мм. Экспандеры были изготовлены специально для этого исследования и предназначены для расширения с контролируемой скоростью в одном направлении в течение 2 недель. Операционное поле тщательно промывали 0,015% растворами хлоргексидина глюконата и 0,15% растворами цетримида (Baxter Healthcare Ltd., Великобритания). Подкожный карман формировали путем тупой диссекции без натяжения на расстоянии 5 мм от места разреза. Затем расширитель вставили и имплантировали в предварительно сформированный карман в дорсолатеральной области задней конечности (рис. 1а). Операционную рану ушивали узловыми швами викрил 5-0 (Ethicon Inc., Johnson & Johnson, Великобритания). Кроме того, три других шва были завязаны позади расширителя, чтобы предотвратить его смещение и закрыть мертвое пространство. Были сделаны базовые фотографии (рис. 1b) и рентгенограммы (рис. 2) расширенной группы кожи. За овцами наблюдали, и высоту имплантированного расширителя ткани измеряли и записывали ежедневно в течение 4 недель до эвтаназии.

Рис. 1

Нормальная кожа дорсолатеральной области передней конечности ( a ) и расширенная кожа ( b ).

Рис. 2

Рентгеновское изображение расширенной ткани кожи с желтым кружком (цвет только в онлайн-версии), иллюстрирующим положение расширителя ткани под кожей конечности.

Эвтаназию проводили пентобарбиталом. Растянутую кожу удаляли хирургическим путем (рис. 3а, б), быстро замораживали и хранили при -20°С. Толщину влажной кожи измеряли с помощью цифрового штангенциркуля (Mitutoyo, Япония) и готовили образцы для АСМ.

Рис. 3

a Деформированная расширенная кожа. b Расширение кожи при эксплантации.

АСМ-визуализация

Образец был срезан до толщины 50 мкм с помощью криостата (Leica, Германия), помещен на предметное стекло и промыт деионизированной водой при комнатной температуре перед визуализацией. Визуализацию и силовую спектроскопию выполняли с помощью АСМ NanoWizard® 3 (JPK Instruments, Германия) на ретикулярном слое дермы, так как этот слой состоит из плотно упакованных коллагеновых волокон. Кроме того, тестирование на ретикулярном слое вместо папиллярного снижает вероятность ошибочного постукивания по области эпидермиса. Первоначально образец наблюдали под микроскопом (TopViewOptics; JPK Instruments), прикрепленным к АСМ, и соответствующим образом регулировали для определения интересующей области, а кантилевер помещали непосредственно над этой областью. Для согласованной визуализации образцов при визуализации с постоянной силой 10 нН в воздухе использовался кантилевер контактного режима с резонансной частотой 13 кГц и жесткостью пружины 0,2 Н/м с радиусом кончика 0,01 нм. Во время визуализации наблюдались два окна канала: канал высоты соответствует топографии образца, а канал сигнала ошибки предназначен для прямого наблюдения за коллагеновыми фибриллами. Максимальная площадь сканирования в направлениях x и y составляла 10 × 10 мкм, а максимальная высота (диапазон z) — 7,5 мкм.

Атомно-силовая спектроскопия

Первоначально кантилевер был откалиброван путем проведения силовой спектроскопии на чистом предметном стекле с использованием режима диспетчера калибровки (NanoWizard®; программное обеспечение для обработки данных JPK SPM (JPK Instruments). Линейный наклон области контакта от силы кривая затем подгонялась для определения чувствительности Фактическая жесткость кантилевера была определена с использованием метода теплового шума Силовая спектроскопия была проведена на коллагеновых фибриллах, идентифицированных по топографическому сканированию путем создания 10 точек на областях перекрытия фибрилл. Для каждой точки строились кривые для измерения модуля Юнга. Максимальную нагрузку регулировали в соответствии с шероховатостью фибриллы, чтобы глубина вдавливания была достаточно малой, чтобы избежать влияния нижележащего субстрата.

Обработка данных

Все изображения и данные силовой спектроскопии были обработаны с использованием программного обеспечения для обработки данных JPK SPM (JPK Instruments). Изображения были отфильтрованы для получения более качественных изображений, а данные силовой спектроскопии были обработаны для расчета модуля Юнга (E) .

Измерение D-диапазона и ширины коллагеновых фибрилл

Характеристики D-диапазона определяли путем измерения длины промежутков и областей перекрытия коллагеновых фибрилл [15]. Поверхности сначала визуализировали в области сканирования 10 × 10 мкм, чтобы идентифицировать рисунок коллагеновых фибрилл, а затем повторно сканировали с более высоким разрешением с областью сканирования 5 × 5 мкм. D-полосатость и ширину коллагеновых фибрилл измеряли, как описано Janko et al. [28]. D-полосу измеряли вдоль продольной оси коллагеновых фибрилл, а расстояние между долинами трех волн полной ширины из профиля поперечного сечения измеряли и делили на три для получения D-полосы. Ширину одиночных коллагеновых фибрилл измеряли перпендикулярно продольной оси фибрилл. По профилю поперечного сечения измеряли ширину фибрилл в пересчете на длину одной волны.

Определение модуля Юнга

Модуль Юнга был получен путем подгонки области контакта силовой кривой с использованием модели Герца. Модель аппроксимирует образец как анизотропное и линейно-упругое твердое тело. Кроме того, предполагалось, что индентор не деформируется и отсутствуют дополнительные взаимодействия между образцом и острием. Консоль подчиняется закону Гука, F = kx , где F — сила, действующая на образец, k — жесткость кантилевера и k .0243 x – это его отклонение. Учитывая использование в этом эксперименте параболоидного наконечника 0,01 нм, модуль Юнга для каждой кривой был рассчитан по следующему уравнению:

, где соответствующие значения прогиба кантилевера и z-пьезоудлинения в точке контакта, E — модуль Юнга, v — коэффициент Пуассона и R — радиус наконечника.

Все изображения и данные силовой спектроскопии были обработаны с использованием программного обеспечения JPK SPM Data Processing (JPK Instruments).

Статистический анализ

Собранные данные были проанализированы с использованием критерия Стьюдента (версия SPSS 22.0) с доверительным интервалом 95%. Нормальное распределение наборов данных было подтверждено с помощью теста Шапиро-Уилка.

Результаты

Степень набухания расширителя тканей

На рис. 4 показана степень набухания расширителя тканей, регистрируемая ежедневно в течение 4 недель. На графике видно, что тканевый расширитель постепенно увеличивался в высоту и достиг равновесия через 2 недели. Рисунок 1b и эти результаты подтвердили, что расширитель ведет себя анизотропно с регулируемой скоростью, как это предусмотрено производителем. После достижения равновесия расширители тканей оставляли на месте еще на 2 недели перед эксплантацией.

Рис. 4

Коэффициент набухания расширителя тканей в зависимости от количества дней.

Топография поверхности

Коллагеновые фибриллы, по-видимому, были уложены в корзинчатую структуру для обеих групп, как показано на рисунке 5. Кроме того, было замечено, что сети коллагена перекрывают друг друга. Нормальная кожа состоит из плотно упакованных коллагеновых фибрилл, которые накладываются друг на друга. Напротив, расширенная кожа состоит из рыхлой сети коллагеновых фибрилл.

Рис. 5

Типичные АСМ-изображения нормальной ( a ) и расширенной ( b ) кожи.

D-полосатость коллагеновых фибрилл

В таблице 1 приведены средние значения и стандартное отклонение D-полосатости, измеренные для более чем 50 коллагеновых фибрилл для обеих групп. Для расширенных образцов кожи (рис. 6) топографический анализ вдоль продольной оси (линия AB) коллагеновых фибрилл показал среднее значение D-полосы 63,7 ± 2,7 нм, в то время как картина D-полосы нормальной кожи составила 63,5 ± 2,6 нм. Значимой разницы между группами не наблюдалось.

Таблица 1

D-полоса, ширина и модуль Юнга коллагеновых фибрилл, взятых из нормальной и расширенной кожи 3 мкм). b Типичный профиль фибрилл, измеренный по линиям AB и CD.

Ширина коллагеновых фибрилл

Для расширенного образца кожи ширина, измеренная по линии CD (рис. 6), дала среднюю ширину 106,7 ± 28,5 нм. Для сравнения, средняя ширина коллагеновых фибрилл в нормальной коже составляет 153,9 мм.± 25,3 нм. Ширина коллагеновых фибрилл в обеих группах статистически не различалась (p < 0,05; табл. 1).

Атомно-силовая спектроскопия

Для силовой спектроскопии нормальной и расширенной кожи было построено более 60 кривых. На рис. 7 представлены отпечатки по одной точке для каждого из образцов нормальной и расширенной кожи для определения модуля Юнга в режиме «подхода». Модуль Юнга коллагеновых фибрилл для нормальной кожи составил 35,2 ± 27,0 МПа, а для расширенной кожи — 46,5 ± 19 МПа..4 МПа (таблица 1). Однако существенной разницы между группами не было.

Рис. 7

Типичная кривая сила-расстояние, записанная в одной точке для нормальной и расширенной кожи. Определение модуля Юнга проводилось в режиме «сближения».

Обсуждение

Из качественных и количественных данных видно, что имплантированный тканевый экспандер растягивал кожу и, следовательно, коллагеновые фибриллы. Считается, что растяжение фибрилл обусловлено вязкоупругими свойствами коллагеновых фибрилл [16,27,29].]. Когда применяется стресс, перестройка структурных волокон коллагена может происходить тремя различными способами: распрямление самих молекул коллагена, скольжение молекул коллагена друг относительно друга или вытеснение молекул воды из фибрилл, что приводит к реорганизации воды. сеть. Фрацль и др. [17] сообщили, что увеличение D-полос происходит при более высокой деформации из-за растяжения тройных спиралей коллагена.

Изначально в биологическом равновесии кожа находится в состоянии покоящегося напряжения [40]. Кроме того, коллагеновые фибриллы располагаются плотным и извитым узором. По мере того, как тканевый расширитель постепенно надувается и растягивает кожу, фибриллы начинают перестраиваться параллельно друг другу, чтобы противостоять деформации. По мере того как коллагеновые фибриллы пытаются выровняться и стать более прямыми, напряжение покоя увеличивается. В результате он становится более жестким и имеет более высокий модуль Юнга [40]. Было обнаружено, что модуль Юнга коллагеновых фибрилл находится в диапазоне 0,1–11,5 ГПа [14, 27, 30], что согласуется с данными настоящего исследования, хотя и ближе к нижнему пределу. Основные различия могут быть связаны с тем фактом, что в настоящем исследовании использовалась техника наноиндентирования, которая представляет собой модуль Юнга поверхности, а не объемную одномерную жесткость на растяжение вдоль оси коллагеновых фибрилл, как сообщает Graham et al. [27] и Эппелл и соавт. [14]. Кроме того, разница между нынешними значениями и предыдущими результатами также может быть связана с разным происхождением тестируемого коллагена.

Одним из ограничивающих факторов в этом исследовании является большое стандартное отклонение модуля Юнга для обеих групп. Этого следует ожидать от образцов биологических тканей, во-первых, потому что между самими овцами могут возникать различия. В период расширения некоторые овцы могут быть более активными, чем другие. Таким образом, существует небольшая вероятность того, что действия могут повлиять на характеристики кожи. Действия, вероятно, вызывают различную чувствительность кожи к условиям теста, например, некоторые ткани становятся более жесткими, чем другие. Увеличение количества овец, вероятно, может уменьшить стандартное отклонение. Однако при использовании млекопитающих высших видов используемое количество всегда является ограничивающим фактором.

Во-вторых, вариабельность между отдельными коллагеновыми фибриллами может быть сопутствующим фактором, как предположили Wenger et al. [30]. Кроме того, они также сообщили, что механические свойства коллагеновых фибрилл зависят от направления силы, используемой во время тестирования: либо перпендикулярно, либо аксиально по отношению к фибриллам. Однако о значении модуля Юнга не сообщается. В настоящей работе сила дважды прикладывалась перпендикулярно коллагеновым фибриллам в 10 различных точках вдавливания. Большое стандартное отклонение, вероятно, можно устранить, увеличив количество и частоту точек отступа. В-третьих, при выборе фибрилл одинакового размера возникают трудности из-за их сложного расположения сети, поэтому иногда сложно получить четкий профиль. Поэтому были выбраны фибриллы разного диаметра, что приводило к большим вариациям модуля Юнга. Свенссон и др. [41] предположили, что более крупные фибриллы создают более высокий модуль.

Расширение ткани зависит от вязкоупругости кожи, чтобы увеличить площадь поверхности в ответ на внутренние и внешние силы [42]. Предыдущие исследования предполагали, что увеличение площади поверхности ткани после расширения является результатом образования новой ткани в результате явления, называемого механической ползучести [43,44,45]. Это явление дополнительно подтверждается Wilhelmi et al. [46], которые предположили, что механическая ползучесть обусловлена ​​удлинением кожи за пределы ее естественного растяжения, например, в технике предварительного наложения швов. Кроме того, они также предположили, что расширение ткани является следствием биологического ползучести, образования новой ткани из-за постоянной хронической силы растяжения. Основываясь на степени набухания расширителя ткани с течением времени (рис. 4), мы предположили, что механическое сползание происходило в течение первых 2 недель после имплантации, поскольку кожа постепенно растягивалась с постоянной силой с течением времени. На этом этапе механическая ползучести увеличивает площадь поверхности кожи из-за вязкоупругой природы кожи без образования новой ткани. Напротив, при достижении равновесия (период поддержания) кожа, скорее всего, восстановит свои биомеханические свойства. Это предложение также поддерживают Zeng et al. [38]. Образование новой ткани в этот период может восстановить биомеханические свойства кожи. Однако для подтверждения этой гипотезы необходимы гистологические исследования.

Сообщается, что хирургические операции вызывают воспалительную реакцию и генерируют огромное количество свободных радикалов, которые могут повредить коллагеновые волокна, как сообщают несколько авторов [47,48]. В настоящем исследовании надрез был сделан на расстоянии 5 см от области имплантации. Эта процедура была проведена для уменьшения воспаления в области имплантации. Это также было сделано, чтобы уменьшить любое влияние на текущий синтез и разрушение коллагена, ремоделирование внеклеточного матрикса вокруг разреза во время процесса заживления, что может быть искажающим фактором в результатах исследования [49].]. Этот метод также сводит к минимуму натяжение раны, вызванное расширением ткани, что может привести к несостоятельности швов и расхождению раны.

Заключение

Анизотропный самонадувающийся расширитель тканей с регулируемой скоростью успешно расширил кожные ткани на модели овцы. Это новое устройство расширялось ортотропно, и его влияние на коллагеновые фибриллы показало, что D-образная полоса существенно не изменилась по сравнению с контрольной группой. Было замечено, что коллагеновые фибриллы выровнены в направлении основного окрашивания, и фибриллы были значительно уже. Увеличение жесткости фибрилл после растяжения не было статистически значимым.

Благодарности

Это исследование было поддержано грантом Министерства образования Малайзии (UM.C/625/1/HIR/MOHE/DENT/21). Авторы также хотели бы поблагодарить Oxtex Ltd. за предоставление последнего поколения анизотропных самонадувающихся расширителей тканей с регулируемой скоростью.

Заявление о раскрытии информации

Все авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов при проведении исследования.

Авторское право: Все права защищены. Никакая часть данной публикации не может быть переведена на другие языки, воспроизведена или использована в любой форме и любыми средствами, электронными или механическими, включая фотокопирование, запись, микрокопирование или любую систему хранения и поиска информации, без письменного разрешения издателя. .
Дозировка препарата: авторы и издатель приложили все усилия, чтобы гарантировать, что выбор препарата и дозировка, указанные в этом тексте, соответствуют текущим рекомендациям и практике на момент публикации. Тем не менее, в связи с продолжающимися исследованиями, изменениями в правительственных постановлениях и постоянным потоком информации, касающейся лекарственной терапии и реакций на лекарства, читателю настоятельно рекомендуется проверять вкладыш в упаковке для каждого лекарства на предмет любых изменений в показаниях и дозировке, а также для дополнительных предупреждений. и меры предосторожности. Это особенно важно, когда рекомендуемый агент является новым и/или редко используемым лекарственным средством.
Отказ от ответственности: заявления, мнения и данные, содержащиеся в этой публикации, принадлежат исключительно отдельным авторам и участникам, а не издателям и редакторам. Появление рекламы и/или ссылок на продукты в публикации не является гарантией, одобрением или одобрением рекламируемых продуктов или услуг или их эффективности, качества или безопасности.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *