生物力学-21167485

1、概念概念 生物力学是研究力学环境（刺激）对生物体健生物力学是研究力学环境（刺激）对生物体健康、疾病或损伤的影响，研究生物体的力学信号康、疾病或损伤的影响，研究生物体的力学信号感受和响应机制，阐明机体的力学过程与生物学感受和响应机制，阐明机体的力学过程与生物学过程，如：生长、重建、适应性变化和修复等之过程，如：生长、重建、适应性变化和修复等之间的相互关系，从而发展有疗效的或有诊断意义间的相互关系，从而发展有疗效的或有诊断意义的新技术。的新技术。发展特点发展特点 当前生物力学的发展特点可大致归纳为：内涵扩大（生物医学工程；生物工程），有机融合（生命科学与基础和工程科学），微观深入（细胞-亚细胞-分

2、子层次；定量生物学），以及宏观-微观相结合（组织工程、器官力学；信息整合与系统生物学）。宏观生物力学研究仍为主流，但宏观-微观相结合、微观生物力学研究发展十分迅速。前沿领域前沿领域 当前生物力学发展的前沿领域主要包括： 1）细胞-分子力学； 2）器官-组织力学； 3）骨骼-肌肉-关节力学； 4）生物力学新概念、新技术与新方法等。分子力学分子力学 分子力学（分子力学（molecular mechanics），又），又叫力场方法（叫力场方法（force field method），目），目前广泛地用于计算前广泛地用于计算分子分子的的构象构象和和能量能量。 分子力学从本质上说是能量最小值方法，分子力

3、学从本质上说是能量最小值方法，即在原子间相互作用势的作用下即在原子间相互作用势的作用下 ，通过，通过改变粒子分布的几何位型改变粒子分布的几何位型 ，以能量最小为，以能量最小为判据，从而获得体系的最佳结构。判据，从而获得体系的最佳结构。 分子力学的发展 虽然分子力学的思想和方法在虽然分子力学的思想和方法在40年代就年代就建立起来了，但是直到建立起来了，但是直到50年代以后，随年代以后，随着电子计算机的发展，用分子力学来确着电子计算机的发展，用分子力学来确定和理解分子的结构和性质的研究才越定和理解分子的结构和性质的研究才越来越多。直到这时，才可以说分子力学来越多。直到这时，才可以说分子力学已成为结

4、构化学研究的重要方法之一。已成为结构化学研究的重要方法之一。 近几年来，随着现在技术的发展和应用，近几年来，随着现在技术的发展和应用，特别是计算机技术的发展特别是计算机技术的发展，分子力学方分子力学方法已不仅能处理一般的中小分子，也不法已不仅能处理一般的中小分子，也不仅主要应用于有机化学领域，而且仅主要应用于有机化学领域，而且能处能处理大分子体系理大分子体系。在其他的一些领域，如。在其他的一些领域，如生物化学、药物设计、配位化学生物化学、药物设计、配位化学中，都中，都有了广泛的应用。有了广泛的应用。 分子力学的应用分子力学的应用 分子力学在化学研究分子力学在化学研究中的应用中的应用,包括有机化

5、包括有机化合物的构象分析、化合物的构象分析、化学反应机理、核磁共学反应机理、核磁共振谱分析、生物化学、振谱分析、生物化学、药物分子设计和配位药物分子设计和配位化学诸方面。化学诸方面。器官组织力学器官组织力学器官主要器官主要由器官主要器官主要由软组织软组织构成。各种器官构成。各种器官都有其独特的功能，是生命体内相对独立的都有其独特的功能，是生命体内相对独立的部分，如肺、心、肾、子宫等体内脏器及感部分，如肺、心、肾、子宫等体内脏器及感觉器官如眼、耳、鼻等。觉器官如眼、耳、鼻等。（软）组织软）组织- -（有限单元）器官力学性质及其（有限单元）器官力学性质及其生物学功能；组织工程在功能化细胞、功能生物

6、学功能；组织工程在功能化细胞、功能性生物材料支架、组织性能评测、临床整合性生物材料支架、组织性能评测、临床整合等方面的基础研究，以及力学因素对组织工等方面的基础研究，以及力学因素对组织工程化培养的影响规律；器官工程预研。程化培养的影响规律；器官工程预研。一一 定义定义 器官力学旨在揭示各器官力学旨在揭示各种器官行使其生理功能的种器官行使其生理功能的力学机理，为此必须建立力学机理，为此必须建立器官的本构模型，用以解器官的本构模型，用以解释和预示器官中应力、应释和预示器官中应力、应变及相应的功能变化。变及相应的功能变化。器官力学意义器官力学意义发展阶段发展阶段 哈维在哈维在16151615年根据年

7、根据流体力学中的连续性流体力学中的连续性原理，按逻辑推断了原理，按逻辑推断了血液循环的存在，并血液循环的存在，并由马尔皮基于由马尔皮基于16611661年年发现蛙肺微血管而得发现蛙肺微血管而得到证实到证实； 流体力学中描述直圆管层流运动的泊松流体力学中描述直圆管层流运动的泊松定理，其实验基础是狗主动脉血压的测量；定理，其实验基础是狗主动脉血压的测量；黑尔斯测量了马的动脉血压，为寻求血压和黑尔斯测量了马的动脉血压，为寻求血压和失血的关系，在血液流动中引进了外周阻力失血的关系，在血液流动中引进了外周阻力的概念，同时指出该阻力主要来自组织中的的概念，同时指出该阻力主要来自组织中的微血管；弗兰克提出了

8、心脏的流体力学理论；微血管；弗兰克提出了心脏的流体力学理论；施塔林提出了物质透过膜的传输定律；克罗施塔林提出了物质透过膜的传输定律；克罗格由于对微循环力学的贡献，希尔由于肌肉格由于对微循环力学的贡献，希尔由于肌肉力学的贡献而先后力学的贡献而先后(1920(1920，1922)1922)获诺贝尔生获诺贝尔生理学或医学奖。到了理学或医学奖。到了2020世纪世纪6060年代，生物力年代，生物力学成为一门完整、独立的学科。学成为一门完整、独立的学科。 2020世纪世纪7070年代以来，对骨骼的力学性质年代以来，对骨骼的力学性质已有许多理论与实践研究，如组合杆假设，已有许多理论与实践研究，如组合杆假设，

9、二相假设等，有限元法、断裂力学以及应二相假设等，有限元法、断裂力学以及应力套方法和先测弹力法等检测技术都已应力套方法和先测弹力法等检测技术都已应用于骨力学研究。骨是一种复合材料，它用于骨力学研究。骨是一种复合材料，它的强度不仅与骨的构造也与材料本身相关。的强度不仅与骨的构造也与材料本身相关。骨是骨胶原纤维和无机晶体的组合物，骨骨是骨胶原纤维和无机晶体的组合物，骨板由纵向纤维和环向纤维构成，骨质中的板由纵向纤维和环向纤维构成，骨质中的无机晶体使骨强度大大提高无机晶体使骨强度大大提高。体现了骨。体现了骨以以最少的结构材料来承受最大外力的功能适最少的结构材料来承受最大外力的功能适应性应性。应用应用

10、人体各器官、系统，特别是人体各器官、系统，特别是心脏心脏循环系统和肺脏循环系统和肺脏呼吸呼吸系统的动力学问题系统的动力学问题、生物系统生物系统和环境之间的热力学平衡问题和环境之间的热力学平衡问题、特异功能问题特异功能问题等也是当前研究等也是当前研究的热点。生物力学的研究，不的热点。生物力学的研究，不仅涉及医学、体育运动方面，仅涉及医学、体育运动方面，而且已深入交通安全、宇航、而且已深入交通安全、宇航、军事科学的有关方面。军事科学的有关方面。 心脏是整个循环系统心脏是整个循环系统的动力源。早期的研究的动力源。早期的研究注意整体心脏的原功能。注意整体心脏的原功能。较晚的研究实质上是研较晚的研究实质

11、上是研究肌肉力学的方法，其究肌肉力学的方法，其基本思路是先搞清单根基本思路是先搞清单根心肌的力学特性，然后心肌的力学特性，然后综合得到整个心脏腔室综合得到整个心脏腔室的力学性能的力学性能。 但人类对感觉器官的但人类对感觉器官的了解尚少。研究最多的了解尚少。研究最多的是眼和耳是眼和耳. .对眼球运动和对眼球运动和眼组织的宏观力学性质眼组织的宏观力学性质已有一定认识，但还缺已有一定认识，但还缺乏精确的整体眼器官的乏精确的整体眼器官的本构模型本构模型 。对耳。对耳 ，则，则有了耳蜗和前庭有了耳蜗和前庭 器的流器的流体弹性模型，但尚缺少体弹性模型，但尚缺少完美的细观描述完美的细观描述。骨骼骨骼-肌肉肌

12、肉-关节力学关节力学 神经系统控制肌肉系统，产生对骨骼神经系统控制肌肉系统，产生对骨骼系统的作用力以完成各种机械动作系统的作用力以完成各种机械动作。 在运动生物力学中，神经系统的控制在运动生物力学中，神经系统的控制和反馈过程以简明的控制规律代替和反馈过程以简明的控制规律代替 ， 肌肌肉活动简化为受控的力矩发生器，作为研肉活动简化为受控的力矩发生器，作为研究对象的人体模型可忽略肌肉变形对质量究对象的人体模型可忽略肌肉变形对质量分布的影响，简化为由多个刚性环节组成分布的影响，简化为由多个刚性环节组成的多刚体系统。的多刚体系统。相邻环节之间以关节相连相邻环节之间以关节相连接，在受控的肌力作用下产生围

13、绕关节的接，在受控的肌力作用下产生围绕关节的相对转动，并影响系统的整体运动。相对转动，并影响系统的整体运动。 对于人体运动的研究最早可追溯到对于人体运动的研究最早可追溯到15世纪达芬奇世纪达芬奇在力学和解剖学基础上对人体运动器官的形态和在力学和解剖学基础上对人体运动器官的形态和机能的解释。机能的解释。 18世纪已出现对猫在空中转体现象的实验和理论世纪已出现对猫在空中转体现象的实验和理论研究。运动生物力学作为一门学科是研究。运动生物力学作为一门学科是20世纪世纪60年年代在体育运动、计算技术和实验技术蓬勃发展的代在体育运动、计算技术和实验技术蓬勃发展的推动下形成的。推动下形成的。 70年代中年代

14、中H.哈兹将人体的神经哈兹将人体的神经-肌肉肌肉-骨骼大系统骨骼大系统作为研究对象，利用复杂的数学模型进行数值计作为研究对象，利用复杂的数学模型进行数值计算，以解释最基本的实验现象。算，以解释最基本的实验现象。T.R.凯恩将描述凯恩将描述人体运动的坐标区分为内变量和外变量，前者描人体运动的坐标区分为内变量和外变量，前者描述肢体的相对运动，为可控变量；后者描述人体述肢体的相对运动，为可控变量；后者描述人体的整体运动，由动力学方程确定。的整体运动，由动力学方程确定。这种简化的研这种简化的研究方法有可能将力学原理直接用于人体实际运动究方法有可能将力学原理直接用于人体实际运动的仿真和理论分析。的仿真和

15、理论分析。 在实践中，运动生物力学主要用于在实践中，运动生物力学主要用于确确定各专项体育运动的技术原理，作为定各专项体育运动的技术原理，作为运动会的技术诊断和改进训练方法的运动会的技术诊断和改进训练方法的理论依据理论依据。此外，运动生物力学在。此外，运动生物力学在运运动创伤的防治，运动和康复器械的改动创伤的防治，运动和康复器械的改进，仿生机械如步行机器人的设计等进，仿生机械如步行机器人的设计等方面也有重要作用方面也有重要作用。同时还为运动员。同时还为运动员选材提供了依据。选材提供了依据。肌肉骨骼系统肌肉骨骼系统 基础生物力学基础生物力学内容简介：内容简介：肌肉骨骼系统基础生物力学肌肉骨骼系统基

16、础生物力学(第第3版版)分三篇分三篇18章，深入讨论了肌肉骨骼系统的章，深入讨论了肌肉骨骼系统的组织结构、关节力学及临床应用，包括对组织结构、关节力学及临床应用，包括对肌肉骨骼的发育、组成结构、功能及功能肌肉骨骼的发育、组成结构、功能及功能评定、创伤的力学机制、临床力学结构重评定、创伤的力学机制、临床力学结构重建等相关的最新研究信息。建等相关的最新研究信息。 骨伤科生物骨伤科生物力学研究力学研究 生物力学与骨伤科疾病具有十分密切的生物力学与骨伤科疾病具有十分密切的关系。它是力学、医学、生物学等的边缘关系。它是力学、医学、生物学等的边缘学科，它的发展必然促进临床医学，特别学科，它的发展必然促进临

17、床医学，特别是骨伤科的飞速发展。运用生物力学知识，是骨伤科的飞速发展。运用生物力学知识，认识人体运动系统的结构与功能，深入探认识人体运动系统的结构与功能，深入探讨创伤的发生，发展机制，采用最为合理讨创伤的发生，发展机制，采用最为合理的保护和治疗措施，减少创伤疾患的发生，的保护和治疗措施，减少创伤疾患的发生，提供科学实用的治疗方法，在骨伤科疾病提供科学实用的治疗方法，在骨伤科疾病的病因学、病理学、治疗学等方面都具有的病因学、病理学、治疗学等方面都具有十分重要的意义。十分重要的意义。新概念 新技术与新方法生物力学的新概念生物力学的新概念 新技术新技术 新方法新方法 现代分子和细胞生物学既提出大量新

18、课题，现代分子和细胞生物学既提出大量新课题，又带来了许多新工具，推动着生物力学由宏观又带来了许多新工具，推动着生物力学由宏观向微（细）观深入、并强调宏向微（细）观深入、并强调宏-微（细）观相结微（细）观相结合。实际应用的不断涌现，催生着以解决与应合。实际应用的不断涌现，催生着以解决与应用相关的工程技术问题为目标的新的生物工程用相关的工程技术问题为目标的新的生物工程学。这一新的生物工程学远远超出了基于微生学。这一新的生物工程学远远超出了基于微生物的、以发酵工程为标志的生物技术及以医疗物的、以发酵工程为标志的生物技术及以医疗仪器研发为目标的生物医学仪器这两个传统的仪器研发为目标的生物医学仪器这两个传统的领域。不断寻求新的力学和物理原理与方法，领域。不断寻求新的力学和物理原理与方法，与生命科学及其它基础和工程科学进一步融合，与生命科学及其它基础和工程科学进一步融合，已成为当今生物力学发展的主要特色。已成为当今生物力学发展的主要特色。 新概念新概念仿生力学仿生力学 仿生力学在人类历史上至今天，都一直给人类仿生力学在人类历史上至今天，都一直给人类以启发。鸟类以启发