Упругие и гиперупругие свойства ногтевой пластины человека

DOI: https://doi.org/10.29296/24999490-2024-04-05

С.А. Муслов(1), Р.Ш. Гветадзе(1), С.Д. Арутюнов(1), П.Ю. Сухочев2, А.Э. Соловьева3
1-ФГБОУ ВО «Российский университет медицины» Министерства здравоохранения России,
Российская Федерация, 127473, Москва, ул. Делегатская, д. 20, стр. 1;
2-ФГБОУ ВО «Московский государственный университет
им. М.В.Ломоносова» Правительства Российской Федерации,
Российская Федерация, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1;
3-«Подологический центр», 129281, Москва, ул. Менжинского, 32, корп. 2

Введение. Как известно, изменения ногтя как придатка кожи могут быть обусловлены генетически, вызваны травмами, заболеваниями, приемом лекарств или воздействием вредных веществ. Установка частичных или полных протезов может потребоваться при любых формах нарушения роста ногтевой платины (ониходистрофии). Протезирование может выступать как средство маскировки ногтевых аномалий. Во всех этих случаях необходимы знания механических свойств как замещающих материалов, так и самой ногтевой платины. Однако последние изучены неполно, отсутствуют детальные знания об упругих и гиперупругих характеристиках биоматериала. Цель исследования. Механические свойства ногтевой пластины (НП) человека сопоставлены с упругими и гиперупругими моделями (ГУМ) механики сплошных сред (больших деформаций). Методы. Использовали опытные σ-ε кривые, полученные из данных литературы. Применяли систему компьютерной алгебры Mathcad 15.0 и многофункциональный пакет конечно-элементного анализа ANSYS 2022 R2. Результаты. Рассчитаны параметры линейной и 6 ГУМ и определены их соответствие исходным данным. Среди ГУМ для описания механических свойств НП лучше всего подходят 5-параметрическая модель Муни–Ривлина и полиномиальная модель 2-го порядка. Эти модели имеют наибольший коэффициент корреляции R=0,98 и следующие статистические показатели SD=0,005 ГПа, δmax=0,011 ГПа, δ=12,93%. Наибольшие расхождения опытных и модельных данных продемонстрировали модель Огдена НП 1-го порядка (R=0,84) и самая простая из гиперупругих неогуковская модель (R=0,86). Исследована устойчивость гиперупругих моделей (знак dσ/dε) при малых деформациях. Заключение. Полученные результаты могут быть полезны для специалистов-подологов, занимающихся разработкой методов восстановления НП с помощью искусственных замещающих материалов и рекомендуются для применения в тканевой инженерии ногтя.
Ключевые слова: 
ногтевая пластина, упругие и гиперупругие модели, биомеханика и биоинженерия
Для цитирования: 
Муслов С.А., Гветадзе Р.Ш., Арутюнов С.Д., Сухочев П.Ю., Соловьева А.Э. Упругие и гиперупругие свойства ногтевой пластины человека. Молекулярная медицина, 2024; (4): 32-37https://doi.org/10.29296/24999490-2024-04-05
Список литературы: 
  1. Hamrick M.W. Functional and adaptive significance of primate pads and claws: evidence from New World anthropoids. Am. J. of Physical Anthropology. 1998; 106: 113–27. https://doi.org/10.1002/(sici)1096-8644(199806)106:2<113::aid-ajpa2>3.0.co;2-r
  2. Farren L., Shayler S., Ennos A.R. The fracture properties and mechanical design of human fingernails. Journal of Experimental Biology. 2004; 207: 735–41. https://doi.org/10.1242/jeb.00814
  3. Farran L., Ennos A.R., Starkie M., Eichhorn S.J. Tensile and shear properties of fingernails as a function of a changing humidity environment. J. Biomech. 2009; 42 (9): 1230–5. doi: 10.1016/j.jbiomech.2009.03.020. Epub 2009 Apr 19. PMID: 19380141.
  4. Zhenxing H., Gaosheng L., Huimin X., Tao H., Pengwan Ch., Fenglei H. Measurement of Young’s modulus and Poisson’s ratio of Human Hair using Optical techniques. Article in Proceedings of SPIE. The International Society for Optical Engineering. 2009; 10. DOI: 10.1117/12.851415
  5. Yamada H. Strength of Biological Materials. Baltimore. 1970; 297. https://doi.org/10.1126/science.171.3966.57-a
  6. Fung Y.C. Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues, Second Edition 2nd Edition. Springer; 2nd edition. 1993; 586. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-2257-4
  7. Муслов С.А., Перцов С.С., Арутюнов С.Д. Физико-механические свойства биологических тканей. Под ред. академика РАН О.О. Янушевича. М.: Практическая медицина, 2023; 456. [Muslov S.A., Pertsov S.S., Arutyunov S.D. Physico-mechanical properties of biological tissues. Ed. Academician of the Russian Academy of Sciences O.O. Yanushevich. M.: Prakticheskaya meditsina, 2023; 456 (in Russian)]
  8. Шмурак М.И., Кучумов А.Г., Воронова Н.О. Анализ гиперупругих моделей для описания поведения мягких тканей организма человека. 2017 Master’s J. 2017; 1: 230–43. [Shmurak M.I., Kuchumov A.G., Voronova N.O. Analysis of hyperelastic models to describe the behavior of soft tissues of the human body. 2017 Master’s J. 2017; 1: 230–43 (in Russian)]
  9. Kumar N., Rao V.V., Hyperelastic Mooney-Rivlin model: Determination and physical interpretation of material constants, MIT Int. J. of Mechanical Engineering. 2016; 6 (1): 43–6.
  10. Муслов С., Арутюнов С., Перцов С., Караков К. Анализ механических свойств волос человека с помощью гиперупругих моделей Муни–Ривлина. Современные вопросы биомедицины. 2023; 7 (2). DOI: 10.51871/2588-0500_2023_07_02_ [Muslov S., Arutyunov S., Pertsov S., Karakov K. Analysis of the mechanical properties of human hair using Mooney-Rivlin hyperelastic models. Sovremennyye voprosy biomeditsiny. 2023; 7 (2). DOI: 10.51871/2588-0500_2023_07_02_(in Russian)]
  11. Hill R. General theory of uniqueness and stability in elastic-plastic solids. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 1958; 6 (3): 236–49. DOI: 10.1016/0022-5096(58)90029-2.
  12. Drucker D.C. A definition of a stable inelastic material. J. of Applied Mechanics. 1959; 26 (1): 101–95. DOI:10.1115/1.4011929.