生物力学的发展与未来趋势

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

2、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

3、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、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

4、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,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

5、、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

6、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

7、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化）而导致血管重建，研究心血管信号转导通路和力学调控途径;血管活性多肽的功能及其分子网络调控机制;寻找力学因素对心血管作用潜在的药物靶标或生物标记物。从细胞分子水平深入了解心血管活动和疾病发生的本质，为寻求防治心血

8、管疾病的新途径奠定力学生物学基础。二是紧密结合临床，以临床病例（影像）为基础的心血管生物力学建模与个体化手术设计研究。应用流体力学理论、系统生物信息和控制理论，结合先进的流场测试和医学影像技术，宏观与微观相结合、动物实验与力学模型及数值模拟相结合，研究人体主要血管的血流动力学及力学因素与血管组织生物效应的关系，心血管系统建模与定量分析相结合，建立精确规范的心血管功能新的无创检测和分析技术，以及个体化治疗方案的生物力学设计体系，为临床心血管疾病的诊断、治疗和预警提供生物力学的解决方案。这些研究不仅对于揭示正常血液循环的生物力学机理，认识血管生长、衰老的自然规律，而且对于阐明心血管疾病的发病机制以

9、及提供诊断、治疗的基本原理都将有重要的理论和实际意义。这些研究可以促进生物力学和带动心血管基础学科的发展，产生重大的理论意义和社会效益4。3.3 细胞-分子生物力学外力如何作用于细胞以及细胞如何感应外力刺激并调控其生物学行为、分子结构如何决定其功能以及分子间相互作用怎样调控细胞粘附与聚集等动力学行为构成了细胞-分子生物力学领域关注的主要问题。在应用研究层面,细胞-分子生物力学的发展具有广阔的应用前景。正常细胞与病理细胞力学特性的差别为疾病诊断拓展了新的思路;力学刺激影响干细胞分化为组织工程和再生医学提供了新的线索;力学信号转导通路的发现使通过干预信号传导达到治疗相关疾病成为了潜在的可能。单分子

10、力学性质及其与微观结构关系为合成新型生物大分子物质开辟了道路;生物大分子相互作用的结构-功能关系研究为药物设计、筛选提供了量化的技术平台。基础与应用的有效结合将会进一步促进细胞-分子生物力学研究的更加迅速发展,为定量化认识细胞与分子生物学过程、改善人类健康发挥更加重要的作用5。4. 生物力学的发展趋势未来生物力学发展提出了进一步的研究课题：(1) 虚拟力学人研究：建立了人体全身的骨骼几何学模型，全身的肌肉模型，构成一个完整的人体全身生物力学系统，用该系统可以仿人体的各种运动行为和操作行为，计算出在一个行为过程中人体各部分的受力和各部分的应力状态，构建一个各个学科领域应用的人体生物力学平台。这一

11、个平台将会在全世界生物力学研究者的共同努力下不断完善、不断深化，仿真的程度不断提高。目前已经有欧洲联合虚拟人，以及我国的虚拟人模型，这些虚拟人的应用研究正在不断的探索研究中。(2) 组合式假体生物力学问题的研究：将现有人工材料假体和组织工程手段相结合，把人工材料假体构成部分降低到恰好满足早期临床功能重建的需求，而把组织工程培养的体外过程移植到体内培养，对于这样一种复合式的人工假体，生物力学起着重要的作用，它不仅需要满足假体早期承载功能，还要创造组织工程化组成部分的应力环境，形成一种专门的设计技术。(3)人体摩擦学研究：进一步研究人体软组织之间的摩擦学行为，包括关节软骨面之间的摩擦力学问题；心脏

12、、肺、胃等体内运动器官和周边静止部分界面的摩擦力学问题；红细胞和微血管壁之间的摩擦力学问题；以及在人体环境下各种内植物的摩擦力学问题，它将是各种植入人体内的人工假体以及组织工程化假体设计中必须掌握的重要知识。(4)临床生物力学研究：随着力学建模和分析手段的不断提高，人们将会越来越深人和精确的利用人体组织生长、病变和力学的关系，通过力学手段进行某些疾病的治疗，不仅会促成临床生物力学分支的发展，还会形成一系列的相关医疗设备和器械。运用生物力学知识和手段进行临床治疗将是未来临床医学的重要方向。(5)通过生物力学手段研究人类演变的过程一一人类从猿到人的演变，一个重要特征是骨骼形态的变化，即骨骼形态由俯姿到立姿的变化，这和人类的劳动生存姿态由俯姿到立姿密切相关，这是一个力学过程。有关应力与骨生长研究的成果将从生物力学角度对这一长期历史演化过程作出力学仿真等。参考文献1陈卫平.现代力学妗展趋势及研究课N.台州师专学报，1997-12(6).2郑诚功.骨科牛物力学研究的发展与现状J.医用牛物力学,2007,22(4):326-327.3杨建鑫，马超，张春林.牛物力学的妗展现状和未来趋势J.临床合理用药2010,3(1):127-128.4姜宗来.心血管力学牛物学研究的新讲展J.医用牛物