第一章生物物理学概论

第一章生物物理学概论第1页，课件共41页，创作于2023年2月生物力学中国医科大学生物物理教研室杨华哲第2页，课件共41页，创作于2023年2月生物力学第3页，课件共41页，创作于2023年2月生物力学第4页，课件共41页，创作于2023年2月生物力学之起源古代现代1970年:亚历山大的《生物力学》1974年武科布罗多维奇对于动物运动进行了数学模拟→机器人制造技术的发展1967年:第一次国际生物力学学术讨论会1968年:1.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;3.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1973年:正式成立了国际生物力学学会→生物力学学科的正式建立第5页，课件共41页，创作于2023年2月牙缺损牙缺失生物力学之发展生物材料第6页，课件共41页，创作于2023年2月生物力学之发展生物材料第7页，课件共41页，创作于2023年2月生物力学之发展平衡原理杠杆原理摩擦力原理重力原理反作用原理运动学原理第8页，课件共41页，创作于2023年2月什么是生物力学？？？第9页，课件共41页，创作于2023年2月定义：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。研究范围：生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等)，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本构方程。类型（研究对象的不同）：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：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、边界层理论和流变学有关的力学问题。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。生物力学（biomechanics）第10页，课件共41页，创作于2023年2月

生物力学

生物力学概念

Biomechanics

传统固体生物力学流体生物力学运动生物力学骨力学软组织力学血流动力学与血液流变学生物体液的流变性质气体在体内的运动规律人体运动力学规律振动响应动物泳、爬、飞等力学问题生物力学第11页，课件共41页，创作于2023年2月

生物力学

生物力学概念

Biomechanics

现代组织与器官力学生物动力学生物热力学生物力学骨力学、软组织力学、心脏力学、颅脑力学、肺力学、耳力学、子宫力学等血液流变学、心脏动力学、动脉中的脉动流和微循环力学、呼吸系统动力学等生物传质传热理论、耗散结构理论、应用生物控制理等第12页，课件共41页，创作于2023年2月生物力学基本分析方法1.应力外力（externalforce）：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（internalforce）：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（stress）：受力物体截面上（△A）内力(△F）的集度，即单位面积上的内力。当△A0时，为某一点的应力⊿A⊿Fσ第13页，课件共41页，创作于2023年2月生物力学基本分析方法2.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（ε）：长度在变形前后的改变量与原长之比:LL⊿L切应变（γ）：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：FF⊿aa体应变(⊿V/V):在正应力作用下发生体积的应变⊿VV第14页，课件共41页，创作于2023年2月生物力学基本分析方法2.应变应变率：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，应变对时间的导数。应变率的分类：线应变率、切应变率和体应变率第15页，课件共41页，创作于2023年2月生物力学基本分析方法3.本构方程本构方程（constitutiveequation）：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：剪切变形：体积变形：τ为应力，E、G、K分别为杨氏模量（弹性模量）、刚性模量（剪切模量）和体积模量；e，和v分别为线应变、切应变和体应变。二．粘性体的本构方程。牛顿粘滞性定律：η称为粘滞系数，简称粘度第16页，课件共41页，创作于2023年2月“倘若我们能按意愿操纵一个个原子，将会出现什么奇迹？”这次历史性的演讲，不仅预测了纳米技术将会崛起,而且变成了现实。第17页，课件共41页，创作于2023年2月纳米科学技术（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。

第18页，课件共41页，创作于2023年2月纳米世界第19页，课件共41页，创作于2023年2月生物技术puttingtogethercomplexthree-dimensionalRNAmolecules--nanosizepolyhedronsthatcouldbeusedtofightdisease.Themoleculesselfassembleintothenewshapes.第20页，课件共41页，创作于2023年2月§1

生物体的粘弹性1、弹性——胡克定律F/A应力应变线应变dl/l切应变dx/dr功和应变能：对形变体来说,力作功和物体变形密切相关单位面积作用力相对形变(效果)=物体力学性质

生物力学

生物力学概念

Biomechanics

xr第21页，课件共41页，创作于2023年2月§1

生物体的粘弹性1、弹性——胡克定律特点：给力——变形；撤力——恢复

生物力学

生物力学概念

Biomechanics

第22页，课件共41页，创作于2023年2月2、粘性特点：给力——变形；撤力——继续变形

生物力学

Biomechanics

§1

生物体的粘弹性第23页，课件共41页，创作于2023年2月3粘弹性的特征表现（1）松弛性（2）蠕变性（3）滞后性tttt§1

生物体的粘弹性

生物力学

Biomechanics

第24页，课件共41页，创作于2023年2月3粘弹性的特征表现应力松弛滞后环t项背韧带腱平滑肌项背韧带腱平滑肌§1

生物体的粘弹性

生物力学

Biomechanics

第25页，课件共41页，创作于2023年2月3粘弹性的特征表现（1）松弛性（2）蠕变性（3）滞后性三个特征都反映出生物体粘性与弹性的辨证关系——变化的惯性特点数学模型：生物体的粘弹性可以用动力粘度ηd表示粘性分量弹性分量

负号表示两种作用是对抗和互补的§1

生物体的粘弹性

生物力学

Biomechanics

第26页，课件共41页，创作于2023年2月生物技术Kissingafrogwon’tturnitintoaprince—exceptinfairytales―butfrogsmaybehoppingtowardareal-worldtransformationintoprincelyalliesinhumanity’sbattlewithantibiotic-resistantinfectionsthatthreatenmillionsofpeopleworldwide.第27页，课件共41页，创作于2023年2月纳米载体药物染料控释、缓释例如：医用敷料方面的应用第28页，课件共41页，创作于2023年2月1、力与弹性点a对应满足正比关系的最大应力，即正比极限。ab段应力和应变不再满足正比关系,但撤外力后材料仍能复原,过b撤外力后不再复原,而成塑性形变,b对应发生弹性形变的最大应力,称为弹性极限，c断裂点,对应强度极限。

§2生物组织的力学性质

第29页，课件共41页，创作于2023年2月

2、泊松比

当细长物体被拉长时，同时会发生横向线度的相对缩短。实验表明横向的线应变与纵向线应变成正比，比例系数是材料的特征常数，称为泊松比

§2生物组织的力学性质

第30页，课件共41页，创作于2023年2月人骨的泊松比泊松比Reilly等(74年)人胫骨Knels等(77年)人胫骨孙家驹等(84年)人胫骨μ23μ21μ31μ32μ12μ130.580.310.310.580.460.460.4880.1190.1420.6220.3150.3070.32(拉)/0.35(压)0.32(拉)/0.35(压)第31页，课件共41页，创作于2023年2月

3、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。

§2生物组织的力学性质

第32页，课件共41页，创作于2023年2月

3、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。

§2生物组织的力学性质

第33页，课件共41页，创作于2023年2月

3、骨的力学性质

长度为l的圆柱体在力矩作用下产生的扭转形变如图。§2生物组织的力学性质

第34页，课件共41页，创作于2023年2月

3、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的分布如图.§2生物组织的力学性质

第35页，课件共41页，创作于2023年2月

4、骨的外力损伤

尽管骨有优良的力学特性,但受到过重负载的作用或外力的突然冲击时,也会受到损伤.分析在拉伸力作用下骨的任意截面上的应力分布。§2生物组织的力学性质

第36页，课件共41页，创作于2023年2月由于骨是粘