第一章生物物理学概论

1、LOGO中国医科大学生物物理教研室中国医科大学生物物理教研室生物力学生物力学生物力学生物力学之起源古代古代现代现代1970年年: 亚历山大的亚历山大的生物力学生物力学1974年武科布罗多维奇对于动物运动进年武科布罗多维奇对于动物运动进行了数学模拟行了数学模拟机器人制造技术的发展机器人制造技术的发展1967年年: 第一次国际生物力学学术讨论会第一次国际生物力学学术讨论会1968年年: 1.动物以均匀步法进行运动的理论动物以均匀步法进行运动的理论; 2.陆地脊椎动物运动的一般体系陆地脊椎动物运动的一般体系; 3.人支撑运动体系调控机制的研究人支撑运动体系调控机制的研究; 4.运动生物力学问题的研究

2、运动生物力学问题的研究1973年年: 正式成立了国际生物力学学会正式成立了国际生物力学学会生物生物力学学科的正式建立力学学科的正式建立牙缺损牙缺损牙缺失牙缺失生物力学之发展生物力学之发展生物材料生物材料生物力学之发展生物材料生物材料生物力学之发展平衡原理平衡原理杠杆原理杠杆原理摩擦力原理摩擦力原理重力原理重力原理反作用原理反作用原理运动学原理运动学原理什么是生物什么是生物力学？力学？定义：应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生定义：应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。物物理学分支。研究范围：生物整体到系统、器官研究范围：生物整体到系统、器官(包括血液、体

3、液、脏器、骨骼包括血液、体液、脏器、骨骼等等)，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。基础：能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的基础：能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。本构方程。类型（研究对象的不同）：类型（研究对象的不同）：固体生物力学：固体生物力学：利用材料力学、弹塑性理论、断裂力学的基本理利用材料力学、弹塑性理论、断裂力学的基本理论和方法，研究生物组织和器官中与之相关的力学问题。论和方法，研究生物组织和器官中与之相关的力学问题。流体生物力学：流体生物力学：研究生物心血管系统、消化呼吸系统、

4、泌尿系统、研究生物心血管系统、消化呼吸系统、泌尿系统、内分泌以及游泳、飞行等与水动力学、空气动力学、边界层理论内分泌以及游泳、飞行等与水动力学、空气动力学、边界层理论和流变学有关的力学问题。和流变学有关的力学问题。 运动生物力学：运动生物力学：用静力学、运动学和动力学的基本原理结合解剖用静力学、运动学和动力学的基本原理结合解剖学、生理学研究人体运动的学科。学、生理学研究人体运动的学科。研究重点：与生理学、医学有关的力学问题。研究重点：与生理学、医学有关的力学问题。生物力学生物力学 （biomechanics ） 生物力学生物力学生物力学概念生物力学概念 Biomechanics传统传统固体生物

5、力学固体生物力学流体生物力学流体生物力学运动生物力学运动生物力学骨力学骨力学软组织力学软组织力学血流动力学与血液流变学血流动力学与血液流变学生物体液的流变性质生物体液的流变性质气体在体内的运动规律气体在体内的运动规律人体运动力学规律人体运动力学规律振动响应振动响应动物泳、爬、飞等力学问题动物泳、爬、飞等力学问题生物力学生物力学 生物力学生物力学生物力学概念生物力学概念 Biomechanics现代现代组织与器官力学组织与器官力学生物动力学生物动力学生物热力学生物热力学生物力学生物力学骨力学、软组织力学、心骨力学、软组织力学、心脏力学、颅脑力学、肺力脏力学、颅脑力学、肺力学、耳力学、子宫力学等学

6、、耳力学、子宫力学等血液流变学、心脏动力学、动血液流变学、心脏动力学、动脉中的脉动流和微循环力学、脉中的脉动流和微循环力学、呼吸系统动力学等呼吸系统动力学等生物传质传热理论、耗散结生物传质传热理论、耗散结构理论、应用生物控制理等构理论、应用生物控制理等生物力学基本分析方法生物力学基本分析方法1. 应力应力外力（外力（external force）：由系统外的物体对于该系统或它的某一部分所作用的力；内力（内力（internal force）：当物体受到外力作用时，由于力的传递，在物体的任一部分与相邻部分会产生相互作用力；应力（应力（stress）：）：受力物体截面上（ A）内力( F）的集度，即

7、单位面积上的内力。当 A 0时，为某一点的应力0FFlimijAdAdA AFij生物力学基本分析方法生物力学基本分析方法2. 应变应变应变应变（Strain）：）：当材料在外力作用下发生形状的改变。应 变线应变（线应变（）：长度在变形前后的改变量与原长之比:LL LL=L切应变（切应变（ ）：）：在切应力的作用下，变长为a的正方形变成了菱形，产生的形变：tan/a a FFaa体应变体应变(V/V):在正应力作用下发生体积的应变VV生物力学基本分析方法生物力学基本分析方法2. 应变应变应变应变率：率：如果考虑应变的变化速率，即单位时间内增加或减少的应变；应变率是表征材料快速变形的一种度量，应

8、变对时间的导数。应变率的分类应变率的分类：线应变率、切应变率和体应变率生物力学基本分析方法生物力学基本分析方法3. 本构方程本构方程本构方程本构方程（constitutive equation）：阐明应力、应变、应变率之间关系的方程式，它取决于物体的结构。一弹性体的本构方程。拉伸和压缩： Ee剪切变形：tanGG体积变形：Kv为应力，为应力，E、G、K分别为杨氏模量分别为杨氏模量（弹性模量）、刚性模量（剪切模（弹性模量）、刚性模量（剪切模量）和体积模量；量）和体积模量；e， 和和v分别为线分别为线应变、切应变和体应变。应变、切应变和体应变。二粘性体的本构方程。牛顿粘滞性定律：/ddt 称为粘滞

9、系数，简称粘度称为粘滞系数，简称粘度“倘若我们能按意倘若我们能按意愿操纵一个个原愿操纵一个个原子，将会出现什子，将会出现什么奇迹？么奇迹？”这次历史性的演讲，不仅这次历史性的演讲，不仅预测了纳米技术将会崛起预测了纳米技术将会崛起, , 而而且变成了现实。且变成了现实。 纳米科学技术（nanotechnology）：纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳电

10、子学、纳米材科学、纳机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。 纳米世界纳米世界生物技术putting together complex three-dimensional RNA molecules - nanosize polyhedrons thatcould be used to fight disease. The molecules self assemble into the new shapes.1 生物体的粘弹性生物体的粘弹性1 1、弹性、弹性胡克定律胡克定律 GF/A F/A 应力应力应变应变线应变线应变 dl/l 切应变切应变 dx/dr功和应变能：对形变体

11、来说功和应变能：对形变体来说, 力作功和物体变形密切相关力作功和物体变形密切相关单位面积作用力单位面积作用力相对形变相对形变(效果效果)= 物体力学性质物体力学性质 生物力学生物力学生物力学概念生物力学概念 Biomechanics x r1 生物体的粘弹性生物体的粘弹性1 1、弹性、弹性胡克定律胡克定律kLALACW00特点：给力特点：给力变形；撤力变形；撤力恢复恢复 生物力学生物力学生物力学概念生物力学概念 Biomechanics2 2、粘性、粘性特点：给力特点：给力变形；撤力变形；撤力继续变形继续变形 生物力学生物力学 Biomechanics1 生物体的粘弹性生物体的粘弹性&

12、3 粘弹性的特征表现粘弹性的特征表现（1 1）松弛性）松弛性（2）蠕变性蠕变性（3）滞后性滞后性 tttt 1 生物体的粘弹性生物体的粘弹性 生物力学生物力学 Biomechanics3 粘弹性的特征表现粘弹性的特征表现应力松弛应力松弛滞后环滞后环 t 项背韧带项背韧带腱腱平滑肌平滑肌 项背项背韧带韧带腱腱平滑肌平滑肌1 生物体的粘弹性生物体的粘弹性 生物力学生物力学 Biomechanics3 粘弹性的特征表现粘弹性的特征表现（1 1）松弛性）松弛性（2）蠕变性蠕变性（3）滞后性滞后性三个特征都反映出生物体粘性与弹三个特征都反映出生物体粘性与弹性的辨证关系性的辨证关系变化的惯性特点变化的惯性

13、特点数学模型：数学模型：生物体的粘弹性可以用动力粘度生物体的粘弹性可以用动力粘度d表示表示 id粘性分量粘性分量弹性分量弹性分量 负号表示两种作负号表示两种作用是对抗和互补的用是对抗和互补的1 生物体的粘弹性生物体的粘弹性 生物力学生物力学 Biomechanics生物技术Kissing a frog wont turn it into a prince except in fairy tales but frogs may be hopping toward a real-world transformation into princely allies in humanitys battl

14、e with antibiotic-resistant infections that threaten millions of people worldwide.纳米载体药物药物染料染料控释、缓释控释、缓释例如：医用敷料方面的应用例如：医用敷料方面的应用 1 1、力与弹性、力与弹性 点点a a对应满足正比关系的最大应力，即对应满足正比关系的最大应力，即正比极限正比极限。ab ab 段应力和应变不再满足正比段应力和应变不再满足正比关系关系, ,但撤外力后材料仍能复原但撤外力后材料仍能复原, ,过过b b 撤外力后不再复原撤外力后不再复原, ,而成塑而成塑性形变性形变, ,b b 对应发生弹性形

15、变的对应发生弹性形变的最大应力最大应力, ,称为称为弹性极限弹性极限，c c 断断裂点裂点, ,对应对应强度极限强度极限。 2 2 生物组织的力学性质生物组织的力学性质 2 2、泊松比、泊松比 当细长物体被拉长时，同当细长物体被拉长时，同时会发生横向线度的相对缩时会发生横向线度的相对缩短。实验表明横向的线应变短。实验表明横向的线应变与纵向线应变成正比，比例与纵向线应变成正比，比例系数是材料的特征常数，称系数是材料的特征常数，称为为泊松比泊松比 2 2 生物组织的力学性质生物组织的力学性质1人骨的泊松比人骨的泊松比泊松比泊松比ReillyReilly等等(74(74年年) )人胫骨人胫骨Knel

16、sKnels等等(77(77年年) )人胫骨人胫骨孙家驹等孙家驹等(84(84年年) )人胫骨人胫骨2321313212130.580.310.310.580.460.460.4880.1190.1420.6220.3150.3070.32(拉拉)/0.35(压压)0.32(拉拉)/0.35(压压) 3 3、骨的力学性质、骨的力学性质 骨的形变包括拉伸、压缩、剪切三种基本形变，但实际骨的形变包括拉伸、压缩、剪切三种基本形变，但实际情况是复杂的迭加。本质上，弯曲是连续变化的线应变情况是复杂的迭加。本质上，弯曲是连续变化的线应变的组合，扭转是连续变化的剪切应变的组合分布。的组合，扭转是连续变化的剪

17、切应变的组合分布。 2 2 生物组织的力学性质生物组织的力学性质 3 3、骨的力学性质、骨的力学性质 显然，梁的内部应力很小。骨骼的层状结构十分巧妙，最显然，梁的内部应力很小。骨骼的层状结构十分巧妙，最外层为韧性很好的骨膜，再向里为密质骨、疏质骨、骨外层为韧性很好的骨膜，再向里为密质骨、疏质骨、骨髓腔，充分地发挥了骨组织的力学效能。髓腔，充分地发挥了骨组织的力学效能。 2 2 生物组织的力学性质生物组织的力学性质 3 3、骨的力学性质、骨的力学性质 长度为长度为l的圆柱体在力矩作用下的圆柱体在力矩作用下产生的扭转形变如图。产生的扭转形变如图。2 2 生物组织的力学性质生物组织的力学性质 3 3

18、、骨的力学性质、骨的力学性质 扭转圆柱体剪切应变沿径向的分布及沿轴向扭转圆柱体剪切应变沿径向的分布及沿轴向的分布如图的分布如图. .2 2 生物组织的力学性质生物组织的力学性质 4 4、骨的外力损伤、骨的外力损伤 尽管骨有优良的力学特尽管骨有优良的力学特性性, ,但受到过重负载的作用但受到过重负载的作用或外力的突然冲击时或外力的突然冲击时, ,也会也会受到损伤受到损伤. . 分析在分析在作用下骨作用下骨的任意截面上的应力分布。的任意截面上的应力分布。 2 2 生物组织的力学性质生物组织的力学性质 2sin2sin coscos020SFSFSFSF ， )0(0max，SF max0max21

19、2)4( SF 由于骨是粘弹性体由于骨是粘弹性体, ,当受到过大拉力当受到过大拉力作用作用, ,易在干骨区出现断裂易在干骨区出现断裂; ;且由上式分且由上式分析形成垂直断面析形成垂直断面; ; 受压损伤则多发生在蠕变区受压损伤则多发生在蠕变区, ,主要由主要由剪切形变起作用剪切形变起作用, ,因而受压损伤的断裂因而受压损伤的断裂面为面为4545的斜面。的斜面。 2 2 生物组织的力学性质生物组织的力学性质 4 4、骨的外力损伤、骨的外力损伤 弯曲而产生的骨折将会发生特征的弯曲而产生的骨折将会发生特征的“Y Y”缺口，并易形成缺口，并易形成游离碎骨游离碎骨. .由于骨的抗压强度大于抗张强度，骨折在拉伸由于骨的抗压强度大于抗张强度，骨折在拉伸一侧（即底侧）