在交叉和融合中发展的生物力学

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在交叉和融合中发展的生物力学

转自科研中国SciEi.com

摘要  本文在对生物力学简要介绍的基础上，着重讨论了生物力学及其他学科的交叉和融合，并大胆地预测了学科发展的前景。文章最后对力学生物学做了简要介绍，讨论了其中几个关键技术问题。
关键词  生物力学  生物医学工程  交叉  发展  力学生物学  

1.概述
生物力学( Biomechanics)是解释生命及其活动的力学，是力学与医学、生物学等学科相互结合、相互渗透、融合而形成的一门新兴交叉学科。生物力学与生物医学工程的关系就像与力学与其他自然科学的关系一样，它是生物医学工程学的理论基础之一，也是生物医学工程最重要的应用基础之一。如果没有生物力学，则很多生物学的、医学的现象就不可能解释，很多生物学的、医学的问题就难以解决。当然，在共同解决同一生物学或医学问题过程中，生物力学的理论和技术要求也极大地促进了生物医学工程学其他分支的发展。正是在这种没有边界的合作中，生物力学才逐渐完善并发展起来。[1][2]
力学是近代自然科学中最先发展起来的，理论体系最完备的学科。它的发展和在各领域应用引领了整个自然科学的革命。与此同时，由于本身的复杂性和特殊性，生物学和医学仍然具有很大的经验性。生物力学本身是将成熟的力学原理应用于医学和生物学，为医学和生物学的理论化和精确化提供服务的一门学科。自产生伊始，交叉性和融合性就作为这门学科的本质而存在，这个本质也奠定了生物力学的地位。

2.生物力学与其他学科的交叉和融合
2.1 生物材料学与生物力学唇齿相依
生物材料学(Biomaterial)是研究和人体机体相适应的，以诊断治疗或替换体内组织、器官或增进其功能的材料的一门学科。力学特性是生物材料的基本性质，任何人工的生物材料在与生物体的接触中必须满足一定的力学要求，并保证与生物体的力学相容性。生物材料力学的研究对象就是生物材料所具有的力学特性，狭义的生物材料可以只看作是组成生物体的材料，是生命的基本组成部分。研究其力学性能就要给出生物材料的本构方程。由于生物材料一般并不简单地服从以胡克定律为基础的弹性力学规律，也不单单服从以牛顿粘性定律为基础的流体力学规律，其应力不仅与应变有关，还与流动因素有关，这种研究物质变形的科学为流变学（Rheology）,与生物有关的流变学称为生物流变学（Biorheology）。从某种学科分类角度，生物流体力学和生物固体力学都是对生物材料的力学特性的概括和总结。[3]
组织工程学的产生为我们指引了新一代生物材料的方向——组织工程产品。有鉴于组织工程的特殊地位，本文将另外涉及。
2．2 医学成像和图像处理技术在生物力学研究方法中的重要应用
医学成像把生物体中的有关信息以图像的形式提取并显示出来，目前超声成像，CT、磁共振成像，放射性提素成像等已在临床上广泛应用。医学图像处理是对已获得的图像进行分析、识别、分割、解释和分类，包括进行三维重建与显示等。工程上广泛使用的有限元法也是生物力学重要的研究手段之一。有限元模型的建立是进行有限元网格划分和计算的基础，由于生物组织本身难于直接测量的特点，必须借助医学图像来建立模型。目前的方法大多是采用自动或交互式人机对话方式获得CT断层影像的轮廓数据，进而进行三维重建。鉴于国内大多数医院CT机都不具备图像轮廓数据的输出功能，一些学者则采用胶片扫描方法获取CT图像数据，并在扫描CT片时通过设定对比度、亮度等参数来区别不同组织。还有学者研究开发了基于医学图像通讯标准（DICOM）存储格式的图像处理软件。此类软件不仅可以直接读入CT机输出的通用图像数据文件，存储在计算机中；而且还可采用直方图修正法来改善图像质量，采用高斯滤波进行图像平滑以减少噪声，同时又采用Sobel梯度算子检测边缘。[4]
2.3 硕果累累的的运动生物力学之花
运动生物力学（Sport Biomechanics）是研究人体运动力学规律的科学，它以体育动作为核心，运用生物学和力学的理论与方法，研究人体运动器系的生物力学特性和人体运动动作规律，并根据影响人体运动的内部和外部条件，寻求人体运动技术的合理性和最佳化。它是体育学、力学和生物学的学科交叉，但并不是学科的简单的、机械的叠加。运动生物力学是生物力学的一个分支,又是体育科学中最具有科技含量的学科之一， 从它是形成发展来看, 是在近几十年内由普通生物力学的成就而产生的。1972年，在美国宾夕法尼亚大学第四届国际生物力学大会上，运动生物力学从生物力学中独立出来。1980 年我国在成立体育科学学会的同时, 成立了运动生物力学学会, 进一步标志了运动生物力学从生物力学中独立, 而成为一门正式学科。但是运动生物力学与生物医学工程学科有着与生俱来的千丝万缕的联系。[5]
运动生物力学的任务大致可分为以下几点： （1）人体结构与运动功能之间的相互关系；（2）人体技术动作的规律；（3） 运动技术的最佳化；（4） 研究、设计改进运动器械；（5）运动损伤的原因和处理措施；（6）为体育选材提供生物力学参数。另外，运动生物力学研究除继续对竞技体育进行研究外，还应向青少年、老年人、残疾人的体育运动、军事技术动作以及与人体有关的一些设备，向非奥运项目延伸将是运动生物力学研究的重要发展方向。这客观上就需要与老年病学、康复医学、军事学科，甚至社会科学相交叉合作。可以设想，运动生物力学对艺术领域的渗透，可能有助于舞蹈、杂技、电影特技等方面的发展，对时尚的极限运动也有指导作用。[6]
2.4 仿生学是生命科学对工程技术的反哺
仿生学（Bionics）是研究生物系统的结构、性状、原理和行为，为工程技术提供提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学，是一门生命科学、物质科学、数学与力学、信息科学、工程技术及系统科学等学科交叉的新理论。
生物力学仿生学是仿生学中重要的一个分支。生物力学仿生学之目的是创造模拟人或动物肌肉的器官。例如按照昆虫飞行原理制造“扑翅机”已经飞上天空。原苏联南极探测队模仿企鹅特殊运动方式制造雪地汽车, 在深雪上行驶速度每小时五十公里。不光是现代动物就是古生物学所研究的现已绝灭了的动物, 也能作为生物原型的模型,而且后者的构造往往更加简单。原苏联按照古代恐龙牙齿配置了二重“钻头”, 使钻探速度提高一倍半到两倍。[7]
仿生学与传统的力学、机构学、机械设计、传感技术, 以及电气液压驱动、自动控制工程和人工智能等学科领域相结合，构成了当今蓬勃发展的机器人学。
2.5 医学发展的新领域——航天医学或太空医学
航天医学或太空医学是在航空医学的基础上逐渐发展起来的，其主要任务是研究和解决人在航天中的安全、健康和保持工作能力有关的医学问题，它涉及基础医学、临床医学和预防医学的许多学科，与心理学、工效学、医用电子工程、生物力学、生命保障和防护救生工程等密切联系，是一门综合性应用学科。千百年来全世界的医学成就, 是在特定的地球表面引力场、地理、地质、气象、水文、生态以及诸多地表因素综合影响下形成和发展起来的。外太空则与地表完全不同。在航天发射和在太空飞行过程中, 会遇到超重、失重、高温、低温、高压、低压、真空、高能粒子辐射、宇宙背景辐射、太阳风、质子流、紫外线、X 射线、γ射线以及各种波长和频率的电磁辐射等等。这些特殊时空环境条件将会对人体构成致命的伤害。医学必须与其他许多学科的最新成就相融合形成多学科综合体才能解决宇宙飞行员进入太空, 在太空行走、太空作业甚至着陆于其他星球时所遇到的极其复杂的航天医学问题。[8]
飞船从发射到返回的全过程,航天员将不同程度地受到振动、噪声、加速度(冲击、过载和旋转) 等力学因素的作用。这些力学因素不仅可能影响航天员的工作效率,超过一定范围后还会影响到乘员的健康与安全。例如，长时间的失重状态对宇航员各生理系统产生明显的影响。由于脱离地球引力场, 宇航员的血液和体液分布将发生改变。宇航员脊柱承受大气压力减弱及重力消失,椎间盘发生膨胀,脊柱被拉长,腰围缩小,导致身高增加。地球引力控制着骨骼肌所产生的机械力, 一旦脱离地球引力, 这些抗地球引力的骨骼肌将逐渐萎缩。在失重状态下,肌肉运动自主性降低。在舱内运动受到限制。在失重状态下, 另一个严重问题是钙质和矿物质流失以及骨质疏松。生物力学在处理这些问题过程中有不可取代的作用。[9]
值得一提的是，医学在太空中的实践可能最终导致人类对生命本质的进一步认识。反应在细胞生物力学方面，已经可以肯定地说，失重带来的种种效应是在细胞水平上产生的。法国一个研究小组发现，重力对于细胞结构的形成至关重要。发育中的细胞只有在重力的作用下才能将细胞中的微管形成平行的或圆形的细胞支架，正是细胞的支架使细胞得以保持自己的形状。所以正是重力的方向导致了细胞的样式和结构的存在，也许还在地球生命的形成过程中发挥了重要作用。[10]
2.6 让技术人性化的科学——人机工程学（Ergonomics）
人机工程学是研究人、机及环境之间相互作用的学科,通常指在研究如何使设计的机械设备系统或人机系统或人机环境系统最大限度地适合人类的形态、生理和心理特征,以求达到安全、舒适、高效生产和工作的目的。该学科在其自身发展过程中,逐步打破了各学科之间的界限,并有机地融合了各相关学科的理论,不断地完善了自身的基本概念、理论体系、研究方法以及技术标准和规范,从而形成了一门应用研究范围都极为广泛的综合性学科。人机工程学研究的内容主要集中在: ①人类的特性。人体能力和特性如持续体力劳动能力、身体尺寸、力量、劳动姿势及反应、理解、决定和学习等精神方面特性和能力。②人和机器的关系。显示、控制、信息流动和自动化过程中的人机界面。③环境条件。热、照明、噪声、湿度、振动及其他影响舒适的因素。④劳动方面。疲劳、紧张、错误和事故、安全、人和劳动的协调、耐受力、产量及效率。[11][12]
生物力学在人机工程学中有重要应用，与生理学和工程学科共同构筑了人机工程学的学科基础。引领该学科发展的是古老的机械科学，这门学科本身存在着大量的力学问题，当这些传统的力学问题与人体发生作用时，对生物力学的考虑是必然的。例如在机械操作过程中必须考虑手的生理特征和运动特征，人的肢体受生理和习惯的制约，其运动的速度和准确性都不同。肢体的用力与人的姿势、着力点、用力方向、施力方式和人的疲劳程度有关，研究人的用力范围是为了在人有效的施力范围内，充分发挥人的潜力而不致疲劳，为确定操纵力的大小及操纵器的形状和安放位置，操纵方式提供设计依据。另外，工作中机器的噪声、振动等因素对劳动者造成的损伤，涉及职业病学等，也有不同层次的生物力学问题。人机工程学与航天技术等学科的结合，构成了航天医学的框架，已有论述。
2.7 生物力学在中医工程的中的作用
中国的生物力学研究，有相当一部分与中国传统医学结合。因而在骨骼力学、脉搏波、无损检测、推拿、气功、生物软组织等项目的研究中已形成自己的特色。中医工程学是现代生物医学工程学的一个重要分支，其定义和内涵，与生物医学工程学甚相类似。然而，中医工程学又具有它本身的特点。祖国传统医学博大精深，在走向现代化的过程中，生物力学起了重要的推动作用。中医很注重物理疗法，在针灸、推拿、火罐等传统疗法中包含了大量的生物力学问题。近年来很多专家致力于用现代科学解释中医的合理性，并寻求新的替代疗法，取得了很多进展。有专家提出生物力学模型研究中医推拿摆动类手法的血液流变学机理，用具有轴向运动狭窄动脉管内动脉流研究这种手法，线化Navier-Stokes方程组的解显示血流速发生了变化，平均血流量增加。[13]也有学者将标本固定于生物力学材料实验机(MTS) 应用计算机定量控制,同时使用ABAQUS6.1有限元软件建立腰椎L4～5有限元模型,分别模拟斜扳手法、坐位旋转和牵扳手法进行研究，取得了很好的效果。[14]另外，由于中医正骨的独特疗效，对其中的生物力学问题分析也已经展开。
2.8 生物力学在农业科学研究中的应用
食品物性学最早起源于对食品粘弹性的研究，在食品物性学中，发展最早的是食品力学方面的研究，食品力学的中心是食品流变学，食品流变学的基础是流体力学和粘弹性理论。这些都是生物力学的题中之义。[15]物理刺激对植物的生长产生的影响开始引起人们的注意，其中环境应力对植物的生长和次生代谢的影响尤为重要。因为植物次生代谢的产物是某些药物和化工原料的重要来源，进一步的研究有着广阔的应用前景。[16]再者，可以植物根系最大抗拉强度代表根系材料的受力潜能，探讨植物根系网的固土性能，可作为评判根系网的固土刚性的一个有效指标，为利用生物软措施代替或部分代替工程措施的作用，固土护坡防止土壤侵蚀及滑坡崩岗的灾害治理提供了力学理论依据。[17]可以预测的是，对力学与植物形态的变化的研究与园艺学、美学的结合将触发该领域的革命。
重力与植物生长关系问题最早可追溯到达尔文时代，当代对微重力和模拟微重力对植物生长发育的影响的研究是空间生命科学的一部分。采用空间飞行器及地基模拟回旋器对微重力和模拟微重力条件影响下的植物个体生长发育的研究，着重了微重力和模拟微重力对植物内在生理生化特性的变化的影响，研究表明植物对微重力的应激反应首先是引起细胞内钙分布、浓度发生变化，并且以钙作为第二信使介导相关酶活性发生变化。今后的研究应着重于相关基因的差异表达及微重力改善陈种萌发活力、次生代谢产物积累、原生质融合等方面的机理及应用模式研究。[18]
2.9 生物传热传质学和生物热力学及其他
生物传热传质学和生物热力学是工程热物理学横向发展的产物，也是生物医学工程发展的客观要求。它们与生物力学交相辉映，协同发展，有着相似的研究方法，有着共同的研究对象，所以存在千丝万缕的内在联系。与之相关的学科还包括生物能力学、热生物学、生物控制论、生物声学等。各学科研究成果的抽象也为哲学的发展提供了基础，增进了人类对宇宙和自身的认识。[19]
可以认为，古生物学的研究恰当的引入生物力学，将有助于研究生物的进化和环境的演变，甚至有助于揭开人类演变之谜。因为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。另外，对生物组织材料力学性能的认识已经有了一定的基础，随着组织工程研究的发展和工业对高性能材料的需求，生物医学工程产业可能会对工业提供部分耐磨性优良，强度高，具有自组织性和自修复性的材料，甚至可以预言生物机器的研制。这将进一步挑战人类伦理极限，由此而带来的技术的、社会的效应暂时难以预测。


3 生物力学发展的新阶段——力学生物学（mechanobiology）
生物体的结构和功能决定了其力学特性，而力学特性也能反过来调节生物体的结构和功能，使它发生适应性的改变。上世纪九十年代以来，生物力学研究深入到细胞水平，应力-生长关系以及细胞力学行为如粘附与运动等成了研究的焦点，逐渐形成了一个新兴的交叉学科“力学生物学”。力学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。生物医学工程的一些新生领域，如组织工程、生物功能材料、生物芯片、新型生物传感器等，也为力学生物学的发展提供了新机会、新导向。由于其中关系错综复杂，本文仅讨论其中三个典型问题，以期起到抛砖引玉的作用。
3.1 DNA分子手术中的纳米生物力学问题
DNA分子手术是指以机械方法和力学原理为基础，利用纳米操纵技术（如原子力显微镜技术），希望达到对单个DNA分子进行定位的切割、移动、折叠、修饰、缝合、导入等，能够实现自然或者常规分子生物学方法无法实现的操作。最近几年，利用原子力显微镜操纵纳米颗粒、纳米碳管的技术日渐成熟。但是，针对生物分子的纳米操纵，还存在诸多问题。一方面，由于生物分子与AFM针尖的相互作用比较复杂，使得精确可控的操纵比较困难。另一方面，由于缺乏对生物分子力学性质的研究基础，使得操纵时力学量的控制与选择比较困难。其中，DNA分子在外力作用下如何相变、断裂以及折叠，是一个纳米生物力学问题，也是DNA分子手术技术中的核心基础科学问题。[20][21]
3.2组织工程中的生物力学问题
组织工程（Tissue Engineering ）是近十年来兴起的一个新的前沿领域，是应用工程科学和生命科学的原理和方法，来解释正常的和病理的哺乳动物的组织和器官的结构功能关系，并且发展具有生物活性的人工代替物来恢复、维持或提高组织器官的功能。组织工程的科学内涵有三个紧密结合的部分：（1）.对哺乳动物组织器官正常的和病理的结构功能关系定量的认识；（2）.在可控可重复条件下通过哺乳动物特定细胞的体外培养形成具有活性的生物替代物；（3）.离体培养组织或生物替代物植入后和机体组织的相互作用和整合。[22][23]
生物力学都是组织工程的不可或缺的基础，主要体现在组织工程研究中必然遇到的问题：（1）组织器官在体力学环境应力分布等的分析和在体力学环境外模拟调控；（2 ）应力与细胞发育增殖分化的关系；（3 ）细胞与材料表面之间的mechano-chemical effects；（4 ）细胞黏附、变形和运动的力学规律及生物学图式形成和变化的动力学规律；（5） 离体培养组织植入体内后和机体组织的相互作用；（6） 细胞和组织三维培养系统的流动和传质规律；（7 ）离体培养组织的力学性能及其和自然组织性能的比较。等等。[24]
3.3 力学生物学研究的细胞力学加载技术
由于人体细胞的尺度在十几至几十个微米之间, 而细胞膜的厚度仅有几个纳米至几十个纳米，因此, 常规的宏观力学加载方法和实验技术无法直接使用。 但对于细胞力学来讲, 其研究的关键则是取决于细胞的加载和实验技术。所以寻找合适的细胞加载方法和细胞变形及相关的生物学测量手段将是细胞力学所面临的首要问题。
不同的细胞在研究过程中所需要的应力形式不同，加载的方式也不同。对单细胞加载的典型方式是微管吸吮技术和探压技术，其中前者应用比较成熟。由于试验条件的限制，多数研究的是对细胞群体进行加载。在对多细胞进行力学加载的试验中，适宜产生剪切应力的加载方式是流变学加载，其中又以流动小室加载技术应用最广。适宜产生正应力的加载方式是基底应变加载技术。将这两种加载技术配合起来使用，可以模拟大多数人体细胞实际受力情况。[25]
细胞力学实验技术在力学生物学研究中占有十分重要的地位, 但就目前情况来看, 细胞力学实验技术还远远不能满足研究发展的需要。一个明显的例子就是, 不同的实验技术所获得的实验结果可比性较差。 这除了说明细胞本身力学性能的复杂性以外, 对于实验技术而言无论是实验手段、方法、原理都有待进一步去研究。 还需要借助于声、光、电、磁等其它学科的技术, 对原有的实验技术加以改进和完善。特别是针对细胞的大变形, 主动变形以及在细胞加载过程中, 如何实时精确地测量细胞的应力、应变以及细胞的力学信号转导机理等将是细胞力学实验技术下一步要做的工作。
4 总结
现代科学一方面不断分化，产生新的学科，另一方面学科间不断交叉融合，碰撞出理性的火花。生物力学本质上是学科分化和交叉的产物。伴随着科学的发展，尤其是生命科学的突飞猛进和各领域的科学问题层层展开，生物力学将继续向纵深挺进和横向拓展。我们很容易定义生物力学的中心，却很难寻找到它的边界，任何人为为其发展设置障碍的做法都是不明智的。

   
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