第一章生物物理學(xué)概論

第一章生物物理學(xué)概論第一頁，共四十一頁，2022年，8月28日生物力學(xué)中國醫(yī)科大學(xué)生物物理教研室楊華哲第二頁，共四十一頁，2022年，8月28日生物力學(xué)第三頁，共四十一頁，2022年，8月28日生物力學(xué)第四頁，共四十一頁，2022年，8月28日生物力學(xué)之起源古代現(xiàn)代1970年:亞歷山大的《生物力學(xué)》1974年武科布羅多維奇對于動物運動進行了數(shù)學(xué)模擬→機器人制造技術(shù)的發(fā)展1967年:第一次國際生物力學(xué)學(xué)術(shù)討論會1968年:1.動物以均勻步法進行運動的理論;2.陸地脊椎動物運動的一般體系;3.人支撐運動體系調(diào)控機制的研究;4.運動生物力學(xué)問題的研究1973年:正式成立了國際生物力學(xué)學(xué)會→生物力學(xué)學(xué)科的正式建立第五頁，共四十一頁，2022年，8月28日牙缺損牙缺失生物力學(xué)之發(fā)展生物材料第六頁，共四十一頁，2022年，8月28日生物力學(xué)之發(fā)展生物材料第七頁，共四十一頁，2022年，8月28日生物力學(xué)之發(fā)展平衡原理杠桿原理摩擦力原理重力原理反作用原理運動學(xué)原理第八頁，共四十一頁，2022年，8月28日什么是生物力學(xué)？？？第九頁，共四十一頁，2022年，8月28日定義：應(yīng)用力學(xué)原理和方法對生物體中的力學(xué)問題定量研究的生物物理學(xué)分支。研究范圍：生物整體到系統(tǒng)、器官(包括血液、體液、臟器、骨骼等)，從鳥飛、魚游、鞭毛和纖毛運動到植物體液的輸運等。基礎(chǔ)：能量守恒、動量定律、質(zhì)量守恒三定律并加上描寫物性的本構(gòu)方程。類型（研究對象的不同）：固體生物力學(xué)：利用材料力學(xué)、彈塑性理論、斷裂力學(xué)的基本理論和方法，研究生物組織和器官中與之相關(guān)的力學(xué)問題。流體生物力學(xué)：研究生物心血管系統(tǒng)、消化呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、內(nèi)分泌以及游泳、飛行等與水動力學(xué)、空氣動力學(xué)、邊界層理論和流變學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題。運動生物力學(xué)：用靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的基本原理結(jié)合解剖學(xué)、生理學(xué)研究人體運動的學(xué)科。研究重點：與生理學(xué)、醫(yī)學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題。生物力學(xué)（biomechanics）第十頁，共四十一頁，2022年，8月28日

生物力學(xué)

生物力學(xué)概念

Biomechanics

傳統(tǒng)固體生物力學(xué)流體生物力學(xué)運動生物力學(xué)骨力學(xué)軟組織力學(xué)血流動力學(xué)與血液流變學(xué)生物體液的流變性質(zhì)氣體在體內(nèi)的運動規(guī)律人體運動力學(xué)規(guī)律振動響應(yīng)動物泳、爬、飛等力學(xué)問題生物力學(xué)第十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日

生物力學(xué)

生物力學(xué)概念

Biomechanics

現(xiàn)代組織與器官力學(xué)生物動力學(xué)生物熱力學(xué)生物力學(xué)骨力學(xué)、軟組織力學(xué)、心臟力學(xué)、顱腦力學(xué)、肺力學(xué)、耳力學(xué)、子宮力學(xué)等血液流變學(xué)、心臟動力學(xué)、動脈中的脈動流和微循環(huán)力學(xué)、呼吸系統(tǒng)動力學(xué)等生物傳質(zhì)傳熱理論、耗散結(jié)構(gòu)理論、應(yīng)用生物控制理等第十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日生物力學(xué)基本分析方法1.應(yīng)力外力（externalforce）：由系統(tǒng)外的物體對于該系統(tǒng)或它的某一部分所作用的力；內(nèi)力（internalforce）：當(dāng)物體受到外力作用時，由于力的傳遞，在物體的任一部分與相鄰部分會產(chǎn)生相互作用力；應(yīng)力（stress）：受力物體截面上（△A）內(nèi)力(△F）的集度，即單位面積上的內(nèi)力。當(dāng)△A0時，為某一點的應(yīng)力⊿A⊿Fσ第十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日生物力學(xué)基本分析方法2.應(yīng)變應(yīng)變（Strain）：當(dāng)材料在外力作用下發(fā)生形狀的改變。應(yīng)變線應(yīng)變（ε）：長度在變形前后的改變量與原長之比:LL⊿L切應(yīng)變（γ）：在切應(yīng)力的作用下，變長為a的正方形變成了菱形，產(chǎn)生的形變：FF⊿aa體應(yīng)變(⊿V/V):在正應(yīng)力作用下發(fā)生體積的應(yīng)變⊿VV第十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日生物力學(xué)基本分析方法2.應(yīng)變應(yīng)變率：如果考慮應(yīng)變的變化速率，即單位時間內(nèi)增加或減少的應(yīng)變；應(yīng)變率是表征材料快速變形的一種度量，應(yīng)變對時間的導(dǎo)數(shù)。應(yīng)變率的分類：線應(yīng)變率、切應(yīng)變率和體應(yīng)變率第十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日生物力學(xué)基本分析方法3.本構(gòu)方程本構(gòu)方程（constitutiveequation）：闡明應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率之間關(guān)系的方程式，它取決于物體的結(jié)構(gòu)。一．彈性體的本構(gòu)方程。拉伸和壓縮：剪切變形：體積變形：τ為應(yīng)力，E、G、K分別為楊氏模量（彈性模量）、剛性模量（剪切模量）和體積模量；e，和v分別為線應(yīng)變、切應(yīng)變和體應(yīng)變。二．粘性體的本構(gòu)方程。牛頓粘滯性定律：η稱為粘滯系數(shù)，簡稱粘度第十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日“倘若我們能按意愿操縱一個個原子，將會出現(xiàn)什么奇跡？”這次歷史性的演講，不僅預(yù)測了納米技術(shù)將會崛起,而且變成了現(xiàn)實。第十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日納米科學(xué)技術(shù)（nanotechnology）：納米科學(xué)技術(shù)是用單個原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。納米科學(xué)技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)（混沌物理、量子力學(xué)、介觀物理、分子生物學(xué)）和現(xiàn)代技術(shù)（計算機技術(shù)、微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)、核分析技術(shù)）結(jié)合的產(chǎn)物，納米科學(xué)技術(shù)又將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)，例如納電子學(xué)、納米材科學(xué)、納機械學(xué)等。納米科學(xué)技術(shù)被認為是世紀之交出現(xiàn)的一項高科技。

第十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日納米世界第十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日生物技術(shù)puttingtogethercomplexthree-dimensionalRNAmolecules--nanosizepolyhedronsthatcouldbeusedtofightdisease.Themoleculesselfassembleintothenewshapes.第二十頁，共四十一頁，2022年，8月28日§1

生物體的粘彈性1、彈性——胡克定律F/A應(yīng)力應(yīng)變線應(yīng)變dl/l切應(yīng)變dx/dr功和應(yīng)變能：對形變體來說,力作功和物體變形密切相關(guān)單位面積作用力相對形變(效果)=物體力學(xué)性質(zhì)

生物力學(xué)

生物力學(xué)概念

Biomechanics

xr第二十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日§1

生物體的粘彈性1、彈性——胡克定律特點：給力——變形；撤力——恢復(fù)

生物力學(xué)

生物力學(xué)概念

Biomechanics

第二十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日2、粘性特點：給力——變形；撤力——繼續(xù)變形

生物力學(xué)

Biomechanics

§1

生物體的粘彈性第二十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日3粘彈性的特征表現(xiàn)（1）松弛性（2）蠕變性（3）滯后性tttt§1

生物體的粘彈性

生物力學(xué)

Biomechanics

第二十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日3粘彈性的特征表現(xiàn)應(yīng)力松弛滯后環(huán)t項背韌帶腱平滑肌項背韌帶腱平滑肌§1

生物體的粘彈性

生物力學(xué)

Biomechanics

第二十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日3粘彈性的特征表現(xiàn)（1）松弛性（2）蠕變性（3）滯后性三個特征都反映出生物體粘性與彈性的辨證關(guān)系——變化的慣性特點數(shù)學(xué)模型：生物體的粘彈性可以用動力粘度ηd表示粘性分量彈性分量

負號表示兩種作用是對抗和互補的§1

生物體的粘彈性

生物力學(xué)

Biomechanics

第二十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日生物技術(shù)Kissingafrogwon’tturnitintoaprince—exceptinfairytales―butfrogsmaybehoppingtowardareal-worldtransformationintoprincelyalliesinhumanity’sbattlewithantibiotic-resistantinfectionsthatthreatenmillionsofpeopleworldwide.第二十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日納米載體藥物染料控釋、緩釋例如：醫(yī)用敷料方面的應(yīng)用第二十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日1、力與彈性點a對應(yīng)滿足正比關(guān)系的最大應(yīng)力，即正比極限。ab段應(yīng)力和應(yīng)變不再滿足正比關(guān)系,但撤外力后材料仍能復(fù)原,過b撤外力后不再復(fù)原,而成塑性形變,b對應(yīng)發(fā)生彈性形變的最大應(yīng)力,稱為彈性極限，c斷裂點,對應(yīng)強度極限。

§2生物組織的力學(xué)性質(zhì)

第二十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日

2、泊松比

當(dāng)細長物體被拉長時，同時會發(fā)生橫向線度的相對縮短。實驗表明橫向的線應(yīng)變與縱向線應(yīng)變成正比，比例系數(shù)是材料的特征常數(shù)，稱為泊松比

§2生物組織的力學(xué)性質(zhì)

第三十頁，共四十一頁，2022年，8月28日人骨的泊松比泊松比Reilly等(74年)人脛骨Knels等(77年)人脛骨孫家駒等(84年)人脛骨μ23μ21μ31μ32μ12μ130.580.310.310.580.460.460.4880.1190.1420.6220.3150.3070.32(拉)/0.35(壓)0.32(拉)/0.35(壓)第三十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日

3、骨的力學(xué)性質(zhì)骨的形變包括拉伸、壓縮、剪切三種基本形變，但實際情況是復(fù)雜的迭加。本質(zhì)上，彎曲是連續(xù)變化的線應(yīng)變的組合，扭轉(zhuǎn)是連續(xù)變化的剪切應(yīng)變的組合分布。

§2生物組織的力學(xué)性質(zhì)

第三十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日

3、骨的力學(xué)性質(zhì)顯然，梁的內(nèi)部應(yīng)力很小。骨骼的層狀結(jié)構(gòu)十分巧妙，最外層為韌性很好的骨膜，再向里為密質(zhì)骨、疏質(zhì)骨、骨髓腔，充分地發(fā)揮了骨組織的力學(xué)效能。

§2生物組織的力學(xué)性質(zhì)

第三十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日

3、骨的力學(xué)性質(zhì)

長度為l的圓柱體在力矩作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)形變?nèi)鐖D。§2生物組織的力學(xué)性質(zhì)

第三十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日

3、骨的力學(xué)性質(zhì)

扭轉(zhuǎn)圓柱體剪切應(yīng)變沿徑向的分布及沿軸向的分布如圖.§2生物組織的力學(xué)性質(zhì)

第三十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日

4、骨的外力損傷

盡管骨有優(yōu)良的力學(xué)特性,但受到過重負載的作用或外力的突然沖擊時,也會受到損傷.分析在拉伸力作用下骨的任意截面上的應(yīng)力分布?！?生物組織的力學(xué)性質(zhì)

第三十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日由于骨是粘彈性體