关于生物力学介绍

[拼音]：shengwu lixue

[外文]：biomechanics

根据已经确立的力学原理来研究生物中的力学问题的学科。从鸟飞、鱼游到鞭毛虫和变形虫的运动，从人的整体到各部分器官（包括血液和红细胞）的运动以及植物体液的输运等都是生物力学的研究内容。

生物力学一词虽然在20世纪60年代才出现，但它所涉及的一些内容，却是古老的课题。例如，1582年前后伽利略得出摆长与周期的定量关系，并利用摆来测定人的脉搏率，用与脉搏合拍的摆长来表达脉搏率。1616年，英国生理学家W.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，M.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。G.A.博雷利在《论动物的运动》一书中讨论了鸟飞、鱼游和心脏以及肠的运动。L.欧拉在1775年写了一篇关于波在动脉中传播的论文。H.兰姆在1898年预言动脉中存在高频波，现已得到证实。英国生理学家S.黑尔斯测量了马的动脉血压，并寻求血压与失血的关系。他解释了心脏泵出的间歇流如何转化成血管中的连续流。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。J.-L.-M.泊肃叶确立了血液流动过程中压降、流量和阻力的关系。O.夫兰克解释了心脏的力学问题。E.H.斯塔林提出了透过膜的传质定律，并解释了人体中水的平衡问题。A.克罗格由于在微循环力学方面的贡献获得1920年诺贝尔奖金，A.V.希尔因肌肉力学的工作获得1922年诺贝尔奖金。他们的工作为60年代开始的生物力学的系统研究打下基础。

60年代初，一批工程科学家同生理学家合作，对生物学、生理学和医学的有关问题，用工程的观点和方法，进行了较为深入的研究。其中有些课题的研究逐渐发展成为生物力学的分支学科，如以研究生物材料的力学性能为主要内容的生物流变学。它一般将生物材料分为体液、硬组织和软组织，肌肉则属较为特殊的一类。体液中以血液为研究的重点，主要研究血液的粘性和影响粘性的因素(如管径、有形成分和红细胞)以及流动中红细胞在管系支管中的比积分配问题，红细胞本身的力学性质，红细胞之间的相互作用，红细胞与管壁的作用等。对于软组织，则以研究它的流变性质，建立本构关系为主，因为本构关系不单是进一步分析它的力学问题的基础，而且具有临床意义。对于硬组织，除了研究它的流变性质外，对骨骼的消长与应力的关系也进行了大量研究。

各个系统，特别是循环系统和呼吸系统的动力学问题，是人们长期研究的对象。循环系统动力学主要研究血液在心脏、动脉、微血管床、静脉中流动以及心脏、心瓣的力学问题。一方面研究其管系中的流动，另一方面则着重分析局部的流态，如在管弯、管叉、驻点处的流态，这是因为动脉粥样化的形成和恶化被认为与局部流态有关。呼吸系统动力学主要研究在呼吸过程中气道内气体的流动和肺循环中血液的流动，以及气血间气体的交换。

所有这些工作，包括生物材料的流变性质和动力学的研究，不仅有助于对人体生理、病理过程的了解，而且还能为人工脏器的设计和制造提供科学依据。生物力学还研究植物体液的输运（见植物体内的流动）。

环境对生理的影响也是生物力学的一个研究内容。众所周知，氧对生物体的发育有很大影响，在缺氧环境下生物体发育较慢，在富氧环境下发育较快。即使在短期内，环境的影响也是明显的。实验表明：在含10％的氧气、压力为一个大气压（1大气压=101325帕）的环境中的幼鼠，即使只生活24小时，在直径为15～30微米的肺小动脉壁下，也会出现大量的纤维细胞。若延续4～7天，纤维细胞则会过渡为典型的平滑肌细胞，这无疑会影响肺循环中血液的流动。又如处于高加速度状态中的人，其血液的惯性会有明显的改变，悬垂器官会偏离原位，从而改变体内血液的流动状态。

在设计水中航行的工具时，经常需要考虑最佳外形、最佳推进方式和最佳 *** 纵方式。由于自然选择，具有这些优点的水生物较易生存下来。因此，研究某些水生物的运动可以得到一些值得借鉴的知识。例如，海豚是一种较高级的动物，它具有高效率的推进机制和很好的外形，特别是它的皮肤，分为两层，其间充满了d性纤维和脂肪组织，具有特殊的减阻特性，在高速游动时能够保持层流边界层状态，这是因为它的皮肤对边界层中压力梯度变化十分敏感，能作适当的d性变形以降低逆压梯度，因而在高速游动时，表皮能产生波状运动以抑制湍流的出现。又如纤毛虫的运动是通过纤毛的特殊运动实现的，在人的呼吸道内也保持有这种低级生物的运动方式，即利用纤毛排除呼吸道内的某些异物。总之，研究大自然中生物运动的意义是很明显的。

生物力学与其他力学分支最重要的差别是：研究的对象是生物体。因此，在研究生物力学问题时，实验对象所处的环境十分重要。作为实验对象，一般有在体(in vivo)和离体(in vitro)之分，而实验的结果也相应地出现差异。活体状态的生物材料，即自然状态下的生物材料，一般说来是处于受力状态的。但被游离出来以后，处于所谓自由状态，就不同于在体状态了。例如血管一离体，长度会明显缩短；肺在离体后就会萎缩。在体实验分为麻醉状态和非麻醉状态两种情况。至于离体实验，在对象游离出来后，根据要求可以按整体正位进行实验，或进一步加工成试件进行实验。不同的实验条件和加工条件，对实验结果的影响很大。这正是生物力学研究的特点。

参考书目

1. 冯元桢著：《生物力学》，科学出版社，北京，1983。