第一章--生物物理学概论

医用生物物理学,生物力学,中国医科大学生物物理教研室,杨华哲,生物力学,生物力学,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,生物力学之发展,生物材料,生物力学之发展,生物材料,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,什么是生物力学？,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）,生物力学生物力学概念Biomechanics,传统,生物力学生物力学概念Biomechanics,现代,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,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（）：长度在变形前后的改变量与原长之比:,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：,体应变(V/V):在正应力作用下发生体积的应变,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,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：,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：,称为粘滞系数，简称粘度,“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。,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。,纳米世界,生物技术,puttingtogethercomplexthree-dimensionalRNAmolecules-nanosizepolyhedronsthatcouldbeusedtofightdisease.Themoleculesselfassembleintothenewshapes.,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,x,r,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,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,3粘弹性的特征表现,（1）松弛性,（2）蠕变性,（3）滞后性,1生物体的粘弹性,生物力学Biomechanics,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,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d表示,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,生物技术,Kissingafrogwontturnitintoaprinceexceptinfairytalesbutfrogsmaybehoppingtowardareal-worldtransformationintoprincelyalliesinhumanitysbattlewithantibiotic-resistantinfectionsthatthreatenmillionsofpeopleworldwide.,纳米载体,药物,染料,控释、缓释,例如：医用敷料方面的应用,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,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,人骨的泊松比,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,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,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,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,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,由于骨是粘弹性体,当受到过大拉力作用,易在干骨区出现断裂;且由上式分析形成垂直断面;受压损伤则多发生在蠕变区,主要由剪切形变起作用,因而受压损伤的断裂面为45的斜面。,2生物组织的力学性质,4、骨的外力损伤弯曲而产生的骨折将会发生特征的“Y”缺口，并易形成游离碎骨.由于骨的抗压强度大于抗张强度，骨折在拉伸一侧（即底侧）开始，下面形成=0的竖直断裂面，随着未断裂截面积的减小，应力增大，当受压部分达到抗压限度时，将沿着45的两个斜截面分开。,2生物组织的力学性质,3生物组织的力学测量,