生物力學：生物固體力學、生物流體力學和運動生物力學

生物力學(biomechanics)是應用力學的原理和方法對生物體中的力學問題定量研究的生物物理學分支。其研究范圍從生物整體到系統(tǒng)、器官(包括血液、體液、臟器、骨骼等),從鳥飛、魚游、鞭毛和纖毛運動到植物體液的輸運等。

生物力學的基礎是能量守恒、動量定律、質(zhì)量守恒三定律并加上描寫物性的本構(gòu)方程。生物力學研究的重點是與生理學、醫(yī)學有關的力學問題。依研究對象的不同可分為生物流體力學、生物固體力學和運動生物力學等。

在科學的發(fā)展過程中,生物學和力學相互促進和發(fā)展著。哈維在1615年根據(jù)流體力學中的連續(xù)性原理,按邏輯推斷了血液循環(huán)的存在,并由馬爾皮基于1661年發(fā)現(xiàn)蛙肺微血管而得到證實;材料力學中著名的楊氏模量是楊為建立聲帶發(fā)音的彈性力學理論而提出的;流體力學中描述直圓管層流運動的泊松定理,其實驗基礎是狗主動脈血壓的測量;黑爾斯測量了馬的動脈血壓,為尋求血壓和失血的關系,在血液流動中引進了外周阻力的概念,同時指出該阻力主要來自組織中的微血管;弗蘭克提出了心臟的流體力學理論;施塔林提出了物質(zhì)透過膜的傳輸定律;克羅格由于對微循環(huán)力學的貢獻,希爾由于肌肉力學的貢獻而先后(1920年,1922年)獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。到了20世紀60年代,生物力學成為一門完整、獨立的學科。生物力學有三個分支:生物固體力學,生物流體力學和運動生物力學。

生物固體力學是利用材料力學、彈塑性理論、斷裂力學的基本理論和方法,研究生物組織和器官中與之相關的力學問題。在近似分析中,人與動物骨頭的壓縮、拉伸、斷裂的強度理論及其狀態(tài)參數(shù)都可應用材料力學的標準公式。但是,無論在形態(tài)還是力學性質(zhì)上,骨頭都是各向異性的。

20世紀70年代以來,對骨骼的力學性質(zhì)已有許多理論與實踐研究,如組合桿假設和二相假設等,有限元法、斷裂力學以及應力法和光測彈力法等檢測技術(shù)都已應用于骨力學研究。骨是一種復合材料,它的強度不僅與骨的構(gòu)造也與材料本身相關。骨是骨膠原纖維和無機晶體的組合物,骨板由縱向纖維和環(huán)向纖維構(gòu)成,骨質(zhì)中的無機晶體使骨強度大大提高。體現(xiàn)了骨以最少的結(jié)構(gòu)材料來承受最大外力的功能適應性。

木材和昆蟲表皮都是纖維嵌入其他材料中構(gòu)成的復合材料,它與由很細的玻璃纖維嵌在合成樹脂中構(gòu)成的玻璃鋼的力學性質(zhì)類似。動物與植物是由多糖、蛋白質(zhì)類脂等構(gòu)成的高聚物,應用橡膠和塑料的高聚物理論可得出蛋白質(zhì)和多糖的力學性質(zhì)。粘彈性及彈性變形、彈性模量等知識不僅可用于由氨基酸組成的蛋白質(zhì),也可用來分析有關細胞的力學性質(zhì)。如細胞分裂時微絲的作用力,肌絲的工作方式和工作原理及細胞膜的力學性質(zhì)等。

生物固體力學以構(gòu)成生命體的各種生物固體,如骨、軟骨、肌肉、血管、皮膚及各種器官等為研究對象,利用連續(xù)介質(zhì)力學、多相介質(zhì)力學、斷裂力學、損傷力學和流變學等力學基本原理,結(jié)合生理學、醫(yī)學和生物學來研究生物體特別是人體的功能、生長、消亡及運動的規(guī)律的生物力學分支 。

生物固體力學大體上可分為3個分支 ,即骨力學、軟組織力學和器官力學。

研究骨組織和骨骼結(jié)構(gòu)在外界作用(力、電、磁、熱等)下的力學性態(tài),研究骨受力后的瞬時效應和遠期效應,以及活骨發(fā)育、生長、吸收和消亡的力學機制。骨是各向異性的,但一般認為骨可以視作橫觀各向同性體?，F(xiàn)在對各類骨的宏觀、細觀力學性質(zhì)及本構(gòu)關系已有相當多的成果,但對其動力特性,特別是高應變率下的損傷機理還很不清楚?；罟堑闹亟W是骨力學的核心。早在1884年,沃爾夫就提出了一個重要的假設,通常稱為沃爾夫定律:骨在需要的地方就生長,不需要的地方就吸收。即骨的生長、吸收、重建都與骨的受力狀態(tài)有關。這個重要的思想指出了力學與生命的聯(lián)系,因此,在沃爾夫之后,人們一直為這一論斷尋求理論的和實驗的驗證。已開始研究骨細胞是怎樣接受力學信息及作出相應響應的機理。骨中應力對骨折愈合有重要作用。關節(jié)力學的研究已有很多臨床應用成果。

馮元楨于1989年證明,活的軟組織是非線性贗彈性的 ,即其應力-應變關系是非線性的,其粘彈性是贗彈性的,它或許有明顯的滯后環(huán),但相當穩(wěn)定,對應變率的變化也不敏感。在實驗的基礎上,他給出了有普遍意義的軟組織的本構(gòu)方程。但對特殊狀態(tài)下生物組織的本構(gòu)關系尚知之甚少,如對高應變率下軟組織的損傷機理尚不了解。馮元楨提出的血管的應力-生長定律,為研究軟組織的生長與應力的關系奠定了基礎?；罱M織中的應力和應變狀態(tài)隨時間變化,這就給確定活組織的“瞬時狀態(tài)”帶來極大困難。因此,尋找確定活組織的零應力狀態(tài)和殘余應力的新理論,是軟組織力學研究的一個重要方向。

器官主要由軟組織構(gòu)成。各種器官都有其獨特的功能,是生命體內(nèi)相對獨立的部分,如肺、心、腎、子宮等體內(nèi)臟器及感覺器官如眼、耳、鼻等。器官力學旨在揭示各種器官行使其生理功能的力學機理,為此必須建立器官的本構(gòu)模型,用以解釋和預示器官中應力、應變及相應的功能變化。子宮有獨特的變形能力。在孕期的末期,子宮及宮頸中大部分是結(jié)締組織,使子宮有良好的順應性。1975年已提出了一個軸對稱的薄壁梨形的子宮力學模型,建立了應變、曲率半徑、位移及體積間的關系。肺的早期研究多限于觀察壓力-體積關系,近年來才力圖了解肺組織作為一種材料的力學特性,盡管已有相當多的成果,但由于各種實驗大都要傷及組織,整肺的試驗又要利用不盡合理的形態(tài)模型,故設計更精巧的實驗是必要的。心臟是整個循環(huán)系統(tǒng)的動力源。早期的研究注意整體心臟的原功能。較晚的研究實質(zhì)上是研究肌肉力學的方法,其基本思路是先搞清單根心肌的力學特性,然后綜合得到整個心臟腔室的力學性能。人類對感覺器官的了解尚少。研究最多的是眼和耳。對眼球運動和眼組織的宏觀力學性質(zhì)已有一定認識,但還缺乏精確的整體眼器官的本構(gòu)模型。對耳朵,則有了耳蝸和前庭器的流體彈性模型,但尚缺少完美的細觀描述。

生物流體力學研究生物心血管系統(tǒng)、消化呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、內(nèi)分泌以及游泳、飛行等與水動力學、空氣動力學、邊界層理論和流變學有關的力學問題。

人和動物體內(nèi)血液的流動、植物體液的輸運等與流體力學中的層流、湍流、滲流和兩相流等流動形式相近。在分析血液力學性質(zhì)時,血液在大血管流動的情況下,可將血液看作均質(zhì)流體。由于微血管直徑與紅細胞直徑相當在微循環(huán)分析時,則可將血液看作兩相流體。當然,血管越細,血液的非牛頓特性越顯著。

人體內(nèi)血液的流動大都屬于層流,在血液流動很快或血管很粗的部位容易產(chǎn)生湍流。在主動脈中,以峰值速度運動的血液勉強處于層流狀態(tài),但在許多情況下會轉(zhuǎn)變成湍流。尿道中的尿流往往是湍流。而通過毛細血管壁的物質(zhì)交換則是一種滲流。對于血液流動這樣的內(nèi)流,因心臟的搏動血液流動具有波動性,又因血管富有彈性故流動邊界呈不固定型。因此,體內(nèi)血液的流動狀態(tài)是比較復雜的。

對于外流,流體力學的知識也用于動物游泳的研究。如魚的體型呈流線型,且易撓曲,可通過興波自我推進。水洞實驗表明,在魚游動時的流體邊界層內(nèi),速度梯度很大,因而克服流體的粘性阻力的功率也大。小生物和單細胞的游動,也是外流問題。鞭毛的波動和纖毛的拍打推動細胞表面的流體,使細胞向前運動。精子用鞭毛游動,水的慣性可以忽略,其水動力正比于精子的相對游動速度。原生動物在液體中運動,其所受阻力可以根據(jù)計算流場中小顆粒的阻力公式(斯托克斯定律)得出。

此外,空氣動力學的原理與方法常用來研究動物的飛行。飛機和飛行動物飛行功率由兩部分組成:零升力功率和誘導功率。前者用來克服邊界層內(nèi)的空氣粘性阻力;后者用來向下壓縮空氣,以提供大小等于飛機或飛行動物重量的升力。鳥在空中可以通過前后拍翅來調(diào)節(jié)滑翔角度,這與滑翔機襟翼調(diào)節(jié)的作用一樣。風洞已用于研究飛行動物的飛行特性,如禿鷲、蝙蝠的滑行性能與模型滑翔機非常相似。

運動生物力學是用靜力學、運動學和動力學的基本原理結(jié)合解剖學、生理學研究人體運動的學科。用理論力學的原理和方法研究生物是個開展得比較早、比較深入的領域。

在人體運動中,應用運動學和動力學的基本原理、方程去分析計算運動員跑、跳、投擲等多種運動項目的極限能力,其結(jié)果與奧林匹克運動會的記錄非常相近。在創(chuàng)傷生物力學方面,以動力學的觀點應用有限元法,計算頭部和頸部受沖擊時的頻率響應并建立創(chuàng)傷模型,從而改進頭部和頸部的防護并可加快創(chuàng)傷的治療。

人體各器官、系統(tǒng),特別是心臟—循環(huán)系統(tǒng)和肺臟—呼吸系統(tǒng)的動力學問題、生物系統(tǒng)和環(huán)境之間的熱力學平衡問題、特異功能問題等也是當前研究的熱點。生物力學的研究,不僅涉及醫(yī)學、體育運動方面,而且已深入交通安全、宇航、軍事科學的有關方面。

中國的生物力學研究,有相當一部分與中國傳統(tǒng)醫(yī)學結(jié)合。因而在骨骼力學、脈搏波、無損檢測、推拿、氣功、生物軟組織等項目的研究中已形成自己的特色。

進行生物力學的研究首先要了解生物材料的幾何特點,進而測定組織或材料的力學性質(zhì),確定本構(gòu)方程、導出主要微分方程和積分方程、確定邊界條件并求解。對于上述邊界問題的解,需用生理實驗去驗證。若有必要,還需另立數(shù)學模型求解,以期理論與實驗相一致。

其次作為實驗對象的生物材料,有在體和離體之分。在體生物材料一般處于受力狀態(tài)(如血管、肌肉),一旦游離出來,則處于自由狀態(tài),即非生理狀態(tài)(如血管、肌肉一旦游離,當即明顯收縮變短)。兩種狀態(tài)材料的實驗結(jié)果差異較大。

生物力學的研究要同時從力學和組織學、生理學、醫(yī)學等兩大方面進行研究,即將宏觀力學性質(zhì)和微觀組織結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來,因而要求多學科的聯(lián)合研究或研究人員具有多學科的知識。