生物力学课程——生物力学绪论新.ppt

生物医学工程主要研究范畴 肌肉力学 骨骼力学 心脏力学 血管力学 血液循环力学 血液流变学 力学生物学的概念和内涵与生物力学不同主要表现在： 力学生物学将力学研究重心从力学移到生物学，侧重于研究机械力如何调控组织的形态和结构，即研究组织如何通过细胞对力学刺激产生反馈，维持形态结构，并适应环境。 生物力学，侧重于研究生物体中力的作用机制。 以骨的研究为例：如果为了研究多大的应力作用于骨骼后将导致其骨折，则属于生物力学研究范畴。而如果为了研究骨的形态结构如何随作用于骨的应力而变化，则属于力学生物学研究范畴。 力 敏感离子通道 G蛋白 酪氨酸激酶 整合素受体 细胞骨架 使细胞感受体内外力学刺激 将力学刺激信号转化为细胞 生物化学信号 力相关敏感基因表达， 合成各种酶类等活性物质， 激活信号网络级联反应 一系列复杂的生理病理活动 因此，力学生物学通过研究生物体的力学信号感受和响应机制，将侧重点从力学移到生物学，弥补了生物力学研究中难以推断力学环境对生物体生物学影响和作用的不足。 三. 生物力学研究内容 按传统力学的分类方法，生物力学分为以下几方面： 1．生物材料力学 2．生物流体力学 3．生物固体力学 4．运动生物力学 5．生物热力学 1．生物材料力学 生物材料力学是研究组成生物体的材料 所具有的力学性质。 生物材料包括: 生物硬组织 （骨、软骨、牙齿、甲壳等）， 生物软组织 （肌肉、皮肤、血管、生物膜） 体液（血液、淋巴液、唾液等）。 生物材料是生物的基本组成部分，研究其力学性质就要给出生物材料的本构方程，即应力和应变关系或应力和应变率的关系。 由于生物材料一般并不简单地服从以虎克定律为基础的弹性力学规律，也不单单服从以牛顿粘性定律为基础的流体力学规律，研究研究生物材料的本构关系是以实验为前提的，进行实验最大的困难在于很难取得活体情况下测量的数据，尤其是软组织和体液，一旦离开了活体其性能就发生很大变化，但在体测量难度很高，因而目前的各项研究工作常常因缺少活体组织本构方程的资料而受到局限。 研究生物材料的另一方面的困难是它们不同于一般的工程材料，而往往是具有多相，非均匀，各向异性等特征。 此外不同生理状态下生物材料的力学性质差异很大，其本身还参与代谢活动，这些都是生物力学所面临的新问题。尽管如此，力学工作者仍在进行不懈的努力，想方设法获取尽可能接近活体的资料，初步建立了一些半经验的本构方程。 2．生物流体力学 生物流体力学研究各种体液在生物体中的流动规律以及生物体在其他流体介质(如空气．水等)中的运动规律。包括外流与内流，内流有血液循环系统，呼吸系统，淋巴系统，泌尿系统等等。 其中尤以心血管系统的流体力学最为引入注目。因为，不仅血液循环系统对维持人的生命有着重要的作用，而且世界上心血管疾病的发病率和死亡率最高，因而这方面的研究工作引起了普遍的重视。 就心血管系统而言，其包含的研究内容也是极为丰富的。 根据研究对象的不同可以分成动脉中的血液流动，静脉中的血液流动，微循环动力学，心脏动力学等等。 由于人体的血管系统高度枝化 几何形状极为复杂 血液在其中流动为周期性的脉动流 血管壁的非线性粘弹性 血液的非牛顿性 脉博波的传播和反射等等 研究工作的复杂性和高难度是可想而知的。 3．生物固体力学 生物固体力学是从力学的角度来研究各种组织器官乃至整个系统的形状，结构及其功能之间的关系。例如对骨，软骨，关节和骨骼系统的研究，对牙齿，牙床结构的力学分析等等。它关系到创伤的治疗和防护，矫形，移植以及人造材料的研制与应用，尤其是骨骼和关节力学的研究已成为当前生物力学最活跃的分支。 4．运动生物力学 运动生物力学这一分支的出现是与体育运动，宇航事业以及运动仿生技术的发展密切相关的。运动生物力学是研究生物体运动原理的一门学问。例如人体的正常运动是适应于地球引力场的，运用力学的原理分析运动的过程就可以在体育运动中采取合理的训练方法，设计新颖而科学的动作，充分发挥运动员的潜力，不断提高体育运动的水平。 5．生物热力学 生命就意味着不断的新陈代谢。生物体被认为是一个非平衡态的热力学开放系统。生物体内部以及生物体与周围环境之间不停地进行着物质和能量的交换。生物热力学就是试图应用热力学的观点来阐述生命现象，以及生命是如何通过物质的输运和能量补充与消耗而得以维持的。 四 . 生物力学