生物力学从基础到前沿pdf

2019年5月23日13:59:2694K1

生物力学从基础到前沿内容简介

《生物力学-从基础到前沿》介绍了生物力学的力学基础、生物力学研究的技术方法、力学生物学、细胞分子生物力学和血液流变学的概念、研究方法和最新的研究前沿进展等。《生物力学-从基础到前沿》作者们结合自己的研究实践，还详细介绍了我国生物力学研究在心血管、骨关节、正畸修复、康复工程、肿瘤以及眼科等方面的新成果。

生物力学从基础到前沿目录

前言

第1章生物力学基础

1.1 力的基本概念

1.2 刚体力学

1.3 固体力学

1.4 流体力学

1.5 流变力学

1.6 物质传输

参考文献

第2章生物材料力学实验技术

2.1 材料的基本力学参数

2.2 力学测试的基本方法

2.3 接触式力学测量方法

2.4 非接触的力学测量方法

参考文献

第3章生物力学建模及应用

3.1 引言

3.2 口腔与肌骨系统生物力学建模与应用

3.3 血液循环系统的模拟

参考文献

第4章分子生物力掌研究技术与方法

4.1 引言

4.2 微管操控技术

4.3 原子力显微技术

4.4 光镊操控技术

4.5 平行流室技术

4.6 力致分子动力学模拟

4.7 结束语

参考文献

第5章血管力学生物学研究方法与技术

5.1 引言

5.2 在体血管应力变化实验动物模型

5.3 体外血管应力加载模型

5.4 体外培养细胞应力加载模型

5.5 血管力学生物学研究中的高通量实验技术

参考文献

第6章动脉系统的血流动力学

6.1 引言

6.2 血流动力学的研究方法

6.3 血液的流变性质

6.4 动脉系统和血管

6.5 流体力学的基本方程

6.6 平直血管内的层流定常流动

6.7 弹性膨胀管中的定常层流流动

6.8 流动的动力相似性、NR、Womersley数和边界层

6.9 血管中波的传播

6.10 动脉系统中典型的血液流动

6.11 动脉粥样硬化局部性现象及其血流动力学成因

参考文献

第7章力学生物及其在血管领域的研究

7.1 引言

7.2 低切应力与在体动脉重建

7.3 低切应力诱导血管重建的差异蛋白质组学

7.4 切应力对与内皮细胞联合培养的血管平滑肌细胞迁移的影响

7.5 周期性张应变频率对血管平滑肌细胞排列和分化的影响

7.6 结束语

参考文献

第8章血液流变学及其临床应用

8.1 引言

8.2 血液流变学基本概念

8.3 血液的黏度、黏弹特性参数和触变特性参数

8.4 血细胞流变学

8.5 内皮细胞生物流变学研究

参考文献

第9章量生物力学与力学生物学

9.1 引言

9.2 骨组织的力学性质

9.3 骨力学生物学

9.4 骨组织工程中的生物力学

参考文献

第10章生物力学与康复工程

10.1 引言

10.2 力载荷对皮肤及皮下软组织的影响及损伤

10.3 假肢的生物力学基础

10.4 足部生物力学及其支撑的设计

10.5 数字脚与鞋的设计

参考文献

第11章眼生物力学与临床

11.1 眼的解剖结构

11.2 晶状体

11.3 角膜及近视眼手术

11.4 眼后房壁、巩膜及后巩膜加固术

11.5 眼球的运动模型及斜视的治疗

参考文献

第12章肿瘤生长及化学治疗药物传递的生物力学

12.1 引言

12.2 肿瘤血管生成

12.3 实体肿瘤血管化后生长期

12.4 实体肿瘤血流动力学

12.5 实体肿瘤化疗药物传输

参考文献

生物力学从基础到前沿精彩文摘

第1章生物力学的力学基础

1.1 力的基本概念

1.1.1 力的效应

人对力的认识最早来自肌肉紧张造成的感觉：手指用力可以掰开瓜果（变形），腿部用力可以推动石块（运动）。后来把力定义为使物体变形和运动（或改变运动状态）的一种机械作用。通常把前一种作用称为力的变形效应；由于变形发生在物体内部，又称为内效应。把后一种作用称为力的运动效应，由于是物体的外在表现，故又称为外效应。

在人体内广泛存在力对介质、组织和器官的运动效应。如心脏的收缩力驱动血液在血管内流动并输运到全身；胸部的肋间外肌和膈肌的收缩力引起空气流入呼吸道和肺，肋间内肌的收缩力引起呼吸道呼气；食管、胃、肠道的蠕动引起的交替性收缩力和舒张力促使食物的运送、废物的排出；骨骼肌的收缩力导致骨骼以关节为支点的运动等都是力的运动效应的例子。

在人体内也广泛存在力对组织、细胞的变形效应。如腿部的静脉因血液的重力作用发生扩变形，手上爆出的青筋在高举时因血压降低而塌陷。动脉血管管壁内沿轴向和周向的弹性纤维处于张拉状态。将动脉沿横截面剪断，动脉立即发生轴向收缩；取一段动脉沿一侧剖开，动脉壁顺周向收缩，形成张开角等。在活体中组织细胞的变形效应绝不仅仅局限在形态变化的层面上，而是要导致复杂的生理、生化作用。随着生物力学研究的深入，对力引起组织和细胞变形及其生物学反应的认识不断深化。早在1884年Wolff就建立了“骨是依照作用于它的应力和应变而发生变化”的观点。近期的研究已证实，骨细胞受力和变形可促使钙离子浓度改变、分泌的原胶原蛋白聚合成胶原纤维、羟磷灰石晶体溶解度变化等一系列生化反应，导致骨细胞生长或吸收。电子显微镜观察到细胞内具有由微丝、微管和中间丝等构成的骨架结构，连接细胞膜和细胞核共同构成细胞的网状承载结构，承受张力和变形，保持着细胞扩展。同时这些支承结构还提供了在分子水平上的力与生物化学的信号传递途径。改变细胞承载结构的几何形状和力学关系可能会影响一些特定的生化反应，改变被激活的基因，因而改变所制造的蛋白质。研究表明，当动脉壁内皮细胞、平滑肌细胞承受异常的血流剪切作用，承受异常的血压和血管纤维张拉作用后，都可能引起包括细胞膜受体、信号蛋白激酶、细胞因子和细胞外基质等活性物质的变化，导致细胞去分化、迁移、肥大、增殖和凋亡等血管重建活动。这些活动与包括动脉粥样硬化在内的心血管病的发生和发展机制有密切关系。

冯元祯先生提出，应力与生长关系的理论就是指生物体内应力应变与细胞生长的关系。活的正常生物体内所有细胞都在应力场的作用下处于一种生理应变状态。不同组织或器官的细胞的生理、生化状态如何适应其应力应变状态，应力应变状态的异常改变如何影响细胞生理、生化状态的改变，这是生物力学中最具生命力的研究课题之一。

1.1.2 体积力与表面力

能穿越空间作用到物体上的力称为长程力，如万有引力（重力）、电磁力、惯性力等。长程力大小取决于物体的局部性质，如密度（对重力）、电磁强度（对电磁力）、加速度（对惯性力）。重力和惯性力通常与物体的体积或质量成正比，因此又称为体积力或质量力。在直角坐标系（x，y，z）中，单位质量介质的质量力用矢量f=（fx，fy，fz）表示。单位体积介质的体积力为pf，p为介质的密度。

必须通过物体接触面（分子效应）传递的力称为短程力，如表面摩擦力、壁面剪切力、压力等。由于短程力大小取决于接触面的表面状况，因此又称为表面力。表面力通常用单位面积上的力表示，称为应力，如正应力（或法向应力）、切应力、压强等。

1.1.3 力的三要素

为定量描述力的作用，引进力的三要素：大小、方向、作用点。力的大小可用单位计量。在国际单位制中力的单位是牛[顿]（N）。力的方向是力作用的方位和指向。力的作用点是力作用的部位。通过力的作用点、与力的方向一致的直线称为力的作用线。

图1-1 力的三要素

在几何上矢量也具有这三要素，因此通常可用矢量来表示力，称为力矢，用粗体字F（或带箭头的F）表示。在几何上力矢F用一段末端有箭头的线段（AB）表示，如图1-1所示。线段的长短代表力的大小，箭头（B）的方向代表力作用方向，线段起始点（A）为作用点。

1.1.4 集中力与分布力

当力作用的部位很小时，可以看作一点，称这种力为集中力。如用秤称重物时，重物通过绳索作用在秤钩上的力可处理为集中力。集中力可用一个矢量表示。

当力作用的部位较大时，要考虑作用在空间和面上的分布情况，称这种力为分布力。分布力包括体积力分布和表面力分布。质量力分布密度f=（fx，fy，fz）就是一种体积力分布。

1.1.5 应力

描述一物体或材料的强度仅用受力的大小是不够的，还要说明受力面积的大小，因此引入应力概念。

应力定义为作用于单位面积上的表面力。设一杆件沿轴向受拉力F，杆的横截面面积为A，作用在截面上的法向平均拉应力可表为（1-1）应力也是矢量，方向与F相同。应力的单位是N/m2，用符号Pa表示，称为帕斯卡，简称帕。在有的欧美文献中还用dyn/cm2（达因/平方厘米），它们的关系是1Pa=10dyn/cm2。当作用面积取缩小为一点的极限值时，形成该点邻域内的局部拉应力，定义为（1-2）如无说明，应力均指局部应力。

图1-2 应力

一般意义上的应力用pn表示，相对于作用面（外法线单位矢n）可沿任意方向，如图1-2所示。通常将应力pn分解为与作用面垂直的和相切的2个方向分量。垂直应力分量称为法向应力分量（σ），又称正应力。正应力指向平面时称为压应力，否则为拉应力。切向应力分量（τ）简称切应力或剪应力。

1.1.6 刚体和变形体

为了将物体受力变形和运动的特点分类进行研究，在力学中按受力后是否变形把研究对象分为刚体和变形体两种类型。按变形的不同规律，变形体又分为固体、流体和流变体3种类型。

刚体是受力后不变形的物体。由于实际物体在受力后不可能没有一点变形，因此刚体是忽略了力的内效应的一种理想模型。如果只关心物体的整体运动状况，且内部变形不影响整体运动时，即可将物体简化为刚体。如研究体操运动规律时，主要关注四肢和躯干相对位置的变化和协调。常将头部、四肢和躯干都简化为刚体，用一个多刚体组合系统的运动来描述人体的运动。研究刚体运动规律的学科称为刚体力学。

固体是在受力后发生有限变形、力消失后变形恢复或部分恢复的物体。力的大小通常与固体变形的大小成正相关。研究固体变形和运动规律的学科称为固体力学（或材料力学）。

流体是在受力后可发生无限变形、力消失后变形不恢复的物质（因没有固定形状，流体不适宜被称为物体）。力的大小通常与流体变形的速率成正相关。研究流体流动规律的学科称为流体力学。

既有固体的特性又有流体的特性的物体称为流变体。研究流变体变形和流动规律的学科称为流变力学。几乎所有的生物材料都具有流变体特性，但某些生物材料的主要特性仍可用固体力学（如骨骼）或流体力学（如血液）的方法作研究，然后用流变力学方法作进一步深入研究。

1.1.7 外力与内力

物体与物体之间的作用力称为外力。内力是反映变形体内效应的概念。当变形体受到外力作用而发生变形时，产生“附加内力”，简称为内力。

设一根等截面变形体杆件一端用销子固定，另一端受拉力F。拉力在沿杆件传递时引起局部变形，产生内应力。如某部分的材料较软，受拉后截面变小，该截面上的应力与未变小的截面上的应力不同。这说明物体的内力（大小与分布）与外力和材料变形都有关。

1.2 刚体力学

无论研究固体的平衡还是运动都需要刚体力学知识。对变形小的固体，先把物体当作刚体，用刚体力学的方法求解作用在物体上的外力或约束反力，然后再用变形体力学的方法研究它的变形和内应力等。

刚体是一种理想模型。刚体内任何一点与周围相临点的相对位置始终保持不变（不变形）；可以承受和传递外力但不产生内应力。为了简化表达，这里仅讨论平面问题。

1.2.1 力偶

一对相互平行、大小相等、方向相反的力组成力偶，记为（F，F′），其中F=-F′。2个力的作用线所在平面称为力偶作用面。2个力的作用线之间的距离称为力偶臂d。力的大小与力偶臂的乘积称为力偶矩T，表达式为（1-3）式中，±号表示2个力所形成的转动方向，称为力偶的转向，逆时针时取正，否则取负。力偶的单位是N m。

图1-3 力偶

就对物体的运动效应来看，单个力形成对物体的移动效应，力偶则形成对物体的转动效应。决定力偶转动效应的三要素为：①力偶矩的大小；②力偶的转向；③力偶作用面的空间方位。在保持这3个要素不变的条件下，力偶移到任何位置都不改变对物体的转动效应。

力偶也可以用一个矢量T来表示，称为力偶矢，如图1-3所示。力偶矢的方向与力偶作用面垂直，力偶矢的大小等于力偶矩大小，力偶矢的指向按右手法则决定（4个手指表示转向时，大拇指方向即为力偶矢指向）。

1.2.2 力矩

力矩是为了表示单个力对物体的转动效应引入的概念，可分为力对点的矩和力对轴的矩。在图1-4中，在与z轴垂直的平面上力F对O点（z轴）的力矩定义为（1-4）式中，h为O点到力F的垂直距离，又称力臂。力矩以使物体绕O点（z轴）做逆时针转动时取正，否则取负。O点（z轴）称为矩心。从定义可知，当力的作用线通过矩心时力矩为零。力矩的单位是N m。

图1-4 力矩

虽然都对物体引起转动效应，与力偶不同的是，力矩的转动效应具有定点性质。如选定矩心为O点，当力的大小、方向保持不变时，移动力的位置将改变对O点的力臂，甚至转动方向，使力矩的大小、正负号都可能改变。

1.2.3 约束

一个物体受到另一个物体的阻碍而使其运动受到一定限制时，称该物体受到了约束。如人体骨骼的运动受到关节的约束，只能绕关节转动。若限制运动的条件是几何性质的，称为几何约束；若速度也受到限制，则称为运动约束。

当研究一个物体受力时，其他物体通过约束施加的力称为约束反力。

常见的约束有：

（1）固定约束。既不能移动也不能转动的约束称为固定约束（约束反力为一个力加一个力偶）。

（2）铰链约束。两个物体用销钉连接即形成铰链约束（约束反力通过销钉中心）。铰链约束允许两个物体分别绕销钉转动，如关节对骨骼的约束。

（3）铰链支座约束。若把销钉固定在一支承面上，对套在销钉上的物体构成铰链支座约束（约束反力通过销钉中心）。如在单杠运动中，运动员手握单杠形成铰链支座约束。

（4）辊轴支座约束。铰链支座并不固定在支承面，而可以在一支承平面上滑动（约束反力垂直支承平面），如图1-5所示。

图1-5 辊轴支座约束

（5）光滑面约束。物体直接放在一光滑面上，只限制其法向运动，不限制其切向运动（约束反力沿光滑面法线方向），如图1-6所示。