為了解生物力學(xué)研究的基礎(chǔ)與前沿發(fā)展趨勢(shì)，交流最新研究成果，促進(jìn)我國(guó)生物力學(xué)領(lǐng)域的青年學(xué)者成長(zhǎng)，培養(yǎng)學(xué)科后備人才，由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)數(shù)理科學(xué)部主辦、上海交通大學(xué)承辦的“生物力學(xué)高級(jí)講習(xí)班”在上海舉辦。編者組織參與講習(xí)班講學(xué)的部分專家以講習(xí)班的講稿為基礎(chǔ)撰寫了這本專著。作者們結(jié)合自己多年研究實(shí)踐，詳細(xì)介紹了我國(guó)生物力學(xué)學(xué)科領(lǐng)域在心血管、骨關(guān)節(jié)、正畸、修復(fù)、康復(fù)工程、腫瘤以及眼科等方面的研究成果。這些生物力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和前沿進(jìn)展將對(duì)已從事或?qū)⒁獜氖律锪W(xué)研究的年輕學(xué)者是極好的參考。
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生物力學(xué)是應(yīng)用于生物學(xué)的力學(xué)�！ ∩锪W(xué)探索的了解生命系統(tǒng)的力學(xué)�！ 〗^大多數(shù)生物力學(xué)工作的目的是為了豐富生命系統(tǒng)的基本知識(shí)并對(duì)其進(jìn)行某種人為干涉。 ——Y.C.Fung（馮元楨）
生物力學(xué)是研究生命體運(yùn)動(dòng)和變形的學(xué)科，主要通過(guò)生物學(xué)與力學(xué)原理方法的有機(jī)結(jié)合，認(rèn)識(shí)生命過(guò)程的規(guī)律，解決生命與健康領(lǐng)域的科學(xué)問(wèn)題。20世紀(jì)70年代末，在現(xiàn)代生物力學(xué)的創(chuàng)始人馮元楨（YC Fung）先生的大力推動(dòng)和熱情關(guān)懷下，生物力學(xué)作為一門新興的交叉學(xué)科在我國(guó)起步。
20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)一批力學(xué)、物理學(xué)、醫(yī)學(xué)以及生物學(xué)工作者加入到生物力學(xué)研究行列中，建立了我國(guó)的生物力學(xué)基地和研究團(tuán)隊(duì)。研究領(lǐng)域主要有：1.生物流變學(xué)：主要涉及膽道（肝臟）流變學(xué)、血液流變學(xué)、細(xì)胞流變學(xué)以及活血化瘀的流變學(xué)效應(yīng)等；2.心血管生物力學(xué)與血流動(dòng)力學(xué)：主要涉及心臟力學(xué)、心瓣力學(xué)與人工心瓣、血管力學(xué)特性、血流分析與模擬、脈搏波傳播以及臨床心血管工程等；3.骨關(guān)節(jié)生物力學(xué)：主要涉及顱腦損傷力學(xué)、骨折愈合力學(xué)以及骨應(yīng)力遮擋效應(yīng)、人工關(guān)節(jié)、顳頜骨/關(guān)節(jié)力學(xué)、口腔正畸、修復(fù)、種植體力學(xué)等。此外，還包括了呼吸力學(xué)、軟組織力學(xué)、藥代動(dòng)力學(xué)等方面的研究。這些工作的開(kāi)展、積累和成果為我國(guó)生物力學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。
近10年來(lái)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生物力學(xué)研究逐漸深入到細(xì)胞分子水平，形成了新的研究領(lǐng)域——力學(xué)生物學(xué)。力學(xué)生物學(xué)是研究力學(xué)環(huán)境（刺激）對(duì)生物體健康、疾病或損傷的影響，研究生物體的力學(xué)信號(hào)感受和響應(yīng)機(jī)制，闡明機(jī)體的力學(xué)過(guò)程與生物學(xué)過(guò)程如生長(zhǎng)、重建、適應(yīng)性變化和修復(fù)等之間的相互關(guān)系，從而發(fā)展有療效的或有診斷意義的新技術(shù)。我國(guó)力學(xué)生物學(xué)研究起步較好，目前在細(xì)胞分子力學(xué)、血管力學(xué)生物學(xué)、骨力學(xué)生物學(xué)以及組織工程等方面取得了一批具有國(guó)際水平的成果，而且正在逐漸深入發(fā)展。此外，我國(guó)生物力學(xué)還在發(fā)展醫(yī)學(xué)工程的新概念和新方法，提供新的臨床診治儀器和裝備，促進(jìn)新藥設(shè)計(jì)、篩選與開(kāi)發(fā)等方面做出了重要貢獻(xiàn)。
為了解生物力學(xué)研究的基礎(chǔ)與前沿發(fā)展趨勢(shì)，交流最新研究成果，促進(jìn)我國(guó)生物力學(xué)領(lǐng)域的青年學(xué)者成長(zhǎng)，培養(yǎng)學(xué)科后備人才，由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)數(shù)理科學(xué)部主辦、上海交通大學(xué)承辦的“生物力學(xué)高級(jí)講習(xí)班”于2008年7月在上海舉辦。講習(xí)班邀請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院外籍院士、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、國(guó)家工程院、國(guó)家醫(yī)學(xué)科學(xué)院和國(guó)家藝術(shù)與科學(xué)院院士錢煦（Shu Chien）教授，中國(guó)工程院俞夢(mèng)孫院士和戴魁戎院士等十余位國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者蒞臨講學(xué)。我們組織參與講習(xí)班講學(xué)的部分專家以講習(xí)班的講稿為基礎(chǔ)撰寫了這本專著。
姜宗來(lái)，醫(yī)學(xué)博士，美國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程博士后。享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。上海交通大學(xué)力學(xué)生物學(xué)與醫(yī)學(xué)工程研究所所長(zhǎng)、中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)生物力學(xué)專業(yè)委員會(huì)主任，中國(guó)生物物理學(xué)會(huì)生物力學(xué)與生物流變學(xué)專業(yè)委員會(huì)副主任、世界生物力學(xué)理事會(huì)理事、國(guó)際心臟研究會(huì)（ISHR）中國(guó)分會(huì)執(zhí)委、《醫(yī)用生物力學(xué)雜志》副主編、《生物物理學(xué)報(bào)》和《生物醫(yī)學(xué)工程雜志》編委等。長(zhǎng)期從事心血管力學(xué)生物學(xué)研究，主持了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等科研項(xiàng)目20余項(xiàng)；指導(dǎo)博士后、博士生，碩士生50余人；主編和參編出版了18部專著和教材；在國(guó)內(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇；獲國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、軍隊(duì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、國(guó)家衛(wèi)生部科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)、國(guó)家專利1項(xiàng)。
樊瑜波，教授，工學(xué)博士，北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院院長(zhǎng)。國(guó)家杰出青年基金、教育部跨世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃獲得者。現(xiàn)任中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、世界生物力學(xué)理事會(huì)理事、世界華人生物醫(yī)學(xué)工程協(xié)會(huì)執(zhí)委會(huì)執(zhí)委。中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)生物力學(xué)專業(yè)委員會(huì)副主任、國(guó)家康復(fù)輔具中心理事、《醫(yī)用生物力學(xué)》和《生物醫(yī)學(xué)工程雜志》副主編、《中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)》、《力學(xué)掌報(bào)》、《航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程》和《計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)》編委等。從事生物力學(xué)，組織工程和康復(fù)工程等領(lǐng)域的研究，主持承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等20余項(xiàng)科研課題、指導(dǎo)博士后、博士生，碩士生40余人；主編和參編出版了2部專著和教材；在國(guó)內(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇.獲省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)4項(xiàng)，國(guó)家專利10余項(xiàng)。
目錄
前言
第1章 生物力學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ) 1
1.1 力的基本概念 1
1.2 剛體力學(xué) 4
1.3 固體力學(xué) 9
1.4 流體力學(xué) 18
1.5 流變力學(xué) 39
1.6 物質(zhì)傳輸 56
參考文獻(xiàn) 60
第2章 生物材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù) 61
2.1 材料的基本力學(xué)參數(shù) 61
2.2 力學(xué)測(cè)試的基本方法 63
2.3 接觸式力學(xué)測(cè)量方法 65
2.4 非接觸的力學(xué)測(cè)量方法 72
參考文獻(xiàn) 87
第3章 生物力學(xué)建模及應(yīng)用 89
3.1 引言 89
3.2 口腔與肌骨系統(tǒng)生物力學(xué)建模與應(yīng)用 90
3.3 血液循環(huán)系統(tǒng)的模擬 104
參考文獻(xiàn) 133
第4章 分子生物力學(xué)研究技術(shù)與方法 136
4.1 引言 136
4.2 微管操控技術(shù) 136
4.3 原子力顯微技術(shù) 141
4.4 光鑷操控技術(shù) 145
4.5 平行流室技術(shù) 149
4.6 力致分子動(dòng)力學(xué)模擬 151
4.7 結(jié)束語(yǔ) 154
參考文獻(xiàn) 154
第5章 血管力學(xué)生物學(xué)研究方法與技術(shù) 156
5.1 引言 156
5.2 在體血管應(yīng)力變化實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型 156
5.3 體外血管應(yīng)力加載模型 161
5.4 體外培養(yǎng)細(xì)胞應(yīng)力加載模型 164
5.5 血管力學(xué)生物學(xué)研究中的高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù) 172
參考文獻(xiàn) 181
第6章 動(dòng)脈系統(tǒng)的血流動(dòng)力學(xué) 183
6.1 引言 183
6.2 血流動(dòng)力學(xué)的研究方法 184
6.3 血液的流變性質(zhì) 184
6.4 動(dòng)脈系統(tǒng)和血管 185
6.5 流體力學(xué)的基本方程 189
6.6 平直血管內(nèi)的層流定常流動(dòng) 192
6.7 彈性膨脹管中的定常層流流動(dòng) 198
6.8 流動(dòng)的動(dòng)力相似性、NR、Womersley數(shù)和邊界層 200
6.9 血管中波的傳播 206
6.10 動(dòng)脈系統(tǒng)中典型的血液流動(dòng) 212
6.11 動(dòng)脈粥樣硬化局部性現(xiàn)象及其血流動(dòng)力學(xué)成因 215
參考文獻(xiàn) 227
第7章 力學(xué)生物學(xué)及其在血管領(lǐng)域的研究 230
7.1 引言 230
7.2 低切應(yīng)力與在體動(dòng)脈重建 232
7.3 低切應(yīng)力誘導(dǎo)血管重建的差異蛋白質(zhì)組學(xué) 238
7.4 切應(yīng)力對(duì)與內(nèi)皮細(xì)胞聯(lián)合培養(yǎng)的血管平滑肌細(xì)胞遷移的影響 242
7.5 周期性張應(yīng)變頻率對(duì)血管平滑肌細(xì)胞排列和分化的影響 246
7.6 結(jié)束語(yǔ) 261
參考文獻(xiàn) 261
第8章 血液流變學(xué)及其臨床應(yīng)用 263
8.1 引言 263
8.2 血液流變學(xué)基本概念 264
8.3 血液的黏度、黏彈特性參數(shù)和觸變特性參數(shù) 268
8.4 血細(xì)胞流變學(xué) 279
8.5 內(nèi)皮細(xì)胞生物流變學(xué)研究 287
參考文獻(xiàn) 295
第9章 骨生物力學(xué)與力學(xué)生物學(xué) 297
9.1 引言 297
9.2 骨組織的力學(xué)性質(zhì) 298
9.3 骨力學(xué)生物學(xué) 305
9.4 骨組織工程中的生物力學(xué) 316
參考文獻(xiàn) 321
第10章 生物力學(xué)與康復(fù)工程 323
10.1 引言 323
10.2 力載荷對(duì)皮膚及皮下軟組織的影響及損傷 323
10.3 假肢的生物力學(xué)基礎(chǔ) 327
10.4 足部生物力學(xué)及其支撐的設(shè)計(jì) 332
10.5 數(shù)字腳與鞋的設(shè)計(jì) 334
參考文獻(xiàn) 334
第11章 眼生物力學(xué)與臨床 336
11.1 眼的解剖結(jié)構(gòu) 336
11.2 晶狀體 337
11.3 角膜及近視眼手術(shù) 338
11.4 眼后房壁、鞏膜及后鞏膜加固術(shù) 347
11.5 眼球的運(yùn)動(dòng)模型及斜視的治療 351
參考文獻(xiàn) 363
第12章 腫瘤生長(zhǎng)及化學(xué)治療藥物傳遞的生物力學(xué) 366
12.1 引言 366
12.2 腫瘤血管生成 369
12.3 實(shí)體腫瘤血管化后生長(zhǎng)期 382
12.4 實(shí)體腫瘤血流動(dòng)力學(xué) 387
12.5 實(shí)體腫瘤化療藥物傳輸 396
參考文獻(xiàn) 408
人對(duì)力的認(rèn)識(shí)最早來(lái)自肌肉緊張?jiān)斐傻母杏X(jué)：手指用力可以掰開(kāi)瓜果（變形），腿部用力可以推動(dòng)石塊（運(yùn)動(dòng)）。后來(lái)把力定義為使物體變形和運(yùn)動(dòng)（或改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）的一種機(jī)械作用。通常把前一種作用稱為力的變形效應(yīng)；由于變形發(fā)生在物體內(nèi)部，又稱為內(nèi)效應(yīng)。把后一種作用稱為力的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，由于是物體的外在表現(xiàn)，故又稱為外效應(yīng)。
在人體內(nèi)廣泛存在力對(duì)介質(zhì)、組織和器官的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)。如心臟的收縮力驅(qū)動(dòng)血液在血管內(nèi)流動(dòng)并輸運(yùn)到全身；胸部的肋間外肌和膈肌的收縮力引起空氣流人呼吸道和肺，肋問(wèn)內(nèi)肌的收縮力引起呼吸道呼氣；食管、胃、腸道的蠕動(dòng)引起的交替性收縮力和舒張力促使食物的運(yùn)送、廢物的排出；骨骼肌的收縮力導(dǎo)致骨骼以關(guān)節(jié)為支點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)等都是力的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的例子。
在人體內(nèi)也廣泛存在力對(duì)組織、細(xì)胞的變形效應(yīng)。如腿部的靜脈因血液的重力作用發(fā)生擴(kuò)張變形，手上爆出的青筋在高舉時(shí)因血壓降低而塌陷。動(dòng)脈血管管壁內(nèi)沿軸向和周向的彈性纖維處于張拉狀態(tài)。將動(dòng)脈沿橫截面剪斷，動(dòng)脈立即發(fā)生軸向收縮；取一段動(dòng)脈沿一側(cè)剖開(kāi)，動(dòng)脈壁順周向收縮，形成張開(kāi)角等。在活體中組織細(xì)胞的變形效應(yīng)絕不僅僅局限在形態(tài)變化的層面上，而是要導(dǎo)致復(fù)雜的生理、生化作用。隨著生物力學(xué)研究的深入，對(duì)力引起組織和細(xì)胞變形及其生物學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)不斷深化。早在1884年wolff就建立了“骨是依照作用于它的應(yīng)力和應(yīng)變而發(fā)生變化”的觀點(diǎn)。近期的研究已證實(shí)，骨細(xì)胞受力和變形可促使鈣離子濃度改變、分泌的原膠原蛋白聚合成膠原纖維、羥磷灰石晶體溶解度變化等一系列生化反應(yīng)，導(dǎo)致骨細(xì)胞生長(zhǎng)或吸收。電子顯微鏡觀察到細(xì)胞內(nèi)具有由微絲、微管和中間絲等構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)，連接細(xì)胞膜和細(xì)胞核共同構(gòu)成細(xì)胞的網(wǎng)狀承載結(jié)構(gòu)，承受張力和變形，保持著細(xì)胞擴(kuò)展。同時(shí)這些支承結(jié)構(gòu)還提供了在分子水平上的力與生物化學(xué)的信號(hào)傳遞途徑。改變細(xì)胞承載結(jié)構(gòu)的幾何形狀和力學(xué)關(guān)系可能會(huì)影響一些特定的生化反應(yīng)，改變被激活的基因，因而改變所制造的蛋白質(zhì)。研究表明，當(dāng)動(dòng)脈壁內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞承受異常的血流剪切作用，承受異常的血壓和血管纖維張拉作用后，都可能引起包括細(xì)胞膜受體、信號(hào)蛋白激酶、細(xì)胞因子和細(xì)胞外基質(zhì)等活性物質(zhì)的變化，導(dǎo)致細(xì)胞去分化、遷移、肥大、增殖和凋亡等血管重建活動(dòng)。這些活動(dòng)與包括動(dòng)脈粥樣硬化在內(nèi)的心血管病的發(fā)生和發(fā)展機(jī)制有密切關(guān)系。
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