生物力学的展与未来趋势.doc

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1、生物力学的发展与未来趋势张秋月（天津理工大学机械工程学院）摘要文章向刚刚接触生物力学的人简单介绍何为生物力学？生物力学的发展历程、生物力学的应用、生物力学未来的发展趋势。并且简单介绍了肌肉骨骼生物力学、心血管生物力学和细胞-分子生物力学的研究方向。关键字：生物力学；发展历程；发展；未来趋势1.什么是生物力学?生物力学是力学与生物学、生理学、医学等多种学科相互结合、相互渗透而形成的一门边缘、交叉学科.它是解释生命及其活动的力学.它从生物个体、组织、器官到细胞和分子等不同层次研究应力与运动、变形、流动及生长的关系。正如现代生物力学创始人

2、冯元桢教授所指出的:“生物力学帮助我们了解生命,启发我们观察自然、设计和制造各种设备以改善我们的生活质量.它是一种有用的工具,一种简单的工具,一种有价值的工具,一种不可缺少的工具,它也是生物学和工程科学一个重要的组成部分”。2、生物力学的发展历程生物力学作为一门独立的分支学科,是在20世纪60年代中叶兴起的。但研究生物力学的历史可以说是很早的。例如，1616年，英国生理学家哈维根据流体力学中的连续性原理，从理论上论证了血液循环的存在；到1661年，马尔皮基在解剖青蛙时，在蛙肺中看到了微循环的存在，证实了哈维的论断；1733年，英国生

3、理学家黑尔斯测量了马的动脉血压，并且寻求血压与失血的关系，解释了心脏泵出的间歇流如何转化成血管中的连续流，并他在血液流动中引进了外周阻力概念，并正确指出：产生这种阻力的主要部位在细血管处。生物力学的兴起,除了促进生命科学的重大发展,特别是分子生物学的突破性成就之外,还促进了生物医学工程的迅速建立和发展。从发展的进程来看60年代中期至70年代是生物力学开创和奠基阶段,其特点是将力学方法和生理学、病理学、解剖学等方法相结合,研究组织和器官层次上的生命现象。80年代至90年代初,生物力学进人细胞范围,从医学、生物医学工程,扩展到生化工程、

4、生物技术、细胞生物学等新的领域[1]。九十年代以来，生物力学研究深入到细胞分子水平，逐渐形成了一个新兴学科“力生物学”。力生物学是研究力学环境（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间的相互关系，从而发展有疗效的或有诊断意义的新技术。3.生物力学的应用和发展自从20世纪60年代现代生物学之父冯元桢的第一部《生物力学》著作及其后的3卷集巨著出版至今,生物力学经历了发展的高潮时期.生物力学国际会议和专门学术刊物均办了起来,科研单位不断兴起

5、,呈现出兴旺发达的局面.其中发展较快的领域包括：肌肉骨骼生物力学、心血管生物力学、细胞-分子生物力学等。3.1肌肉骨骼生物力学骨科生物力学，即是应用生物力学的方法来解决骨科遇到的问题.骨科生物力学将工程原理，特别是机械力学原理应用于临床医学。这个跨工程、医学的学科开始为临床骨科与相关基础研究做贡献。因为工程师般的专业与思考方式，骨科生物力学让一些原本束手无策的问题得以解决。肌肉骨骼模型,骨的适应性改建,软骨组织宏观与微观分析和实验研究,肌肉力量的预测,韧带和肌腱结构关系,功能解剖学等均取得了较多的成果.并且这些研究不断地应用于临床实

6、际中.例如，人工关节置换术的发明与临床应用减轻了退化性关节炎患者的痛苦、骨力学在矫形学中的应用、生物力学对改进医用器械设施的应用[2]。随着计算机技术的不断发展，和各种软件的不断开发使骨科生物力学得到了更好的发展与应用。例如有限元技术在骨科中的应用，包括力学实验仿真和医疗器械的力学性能评价及优化设计等。骨组织生物力学研究及其进展研究的目的在于：建立含下肢骨骼、关节、肌肉与韧带的生物力学系统模型；可用于下肢运动学与动力学分析；建立完整的下肢骨骼有限元模型，用于各种运动状态下的天然骨的应力分析；可植入人工髋、膝关节假体，对“骨一关节一假

7、体”进行应力学分析。骨和关节组织生物力学问题所开展的和临床密切相关的研究工作，如将生物力学、特别是有限元分析手段应用于临床医学中，对假体设计、脊柱侧弯力学矫正、拇外翻的力学机制、唇腭裂、齿科正畸进行的应力分析，使临床医学和生物力学紧密结合成一体，形成临床生物力学新的医学分支等[3]。3.2心血管生物力学人体处于力学环境之中，力学因素影响机体的生命活动过程。心血管系就可以看作是一个以心为中心的力学系统，心即可视为机械泵。血液循环过程包含着血液流动、血细胞和血管的变形、血液和血管的相互作用等，其中均蕴藏着丰富的力学规律。心血管生物力学研

8、究领域最重要的新进展有两个方面:一是心血管力学生物学研究。从基因-蛋白-细胞-器官-整体不同层次上综合探讨血管的“应力-生长”关系，以血管重建为切入点，着眼于力学环境对心血管系统作用，阐明力学因素如何产生生物学效应(即血管活性物质的变