生物固体力学

生物力学的分支学科

生物固体力学是生物力学的一个重要分支，其通过运用固体力学的原理和方法来解决人类和其它生命系统有关的问题。生物固体力学的研究对象主要是构成生命体的各种生物固体，如骨骼、肌肉、血管和软组织等。其研究过程涉及到生理学、医学、生物学等学科的交叉渗透，属于典型的边缘学科。其最终服务于生物医学工程、临床诊断与治疗、生物技术、特殊环境下的人体防护等领域。

生物固体力学按照研究对象的不同大致可分为骨力学、软组织力学和器官力学等三个分支。

骨力学

骨力学研究骨在外界作用（力、电、磁、热等）下的力学性质，研究骨受力后的瞬时效应和远期效应，研究骨发育、生长和吸收的力学机制。骨在正常生理环境下发生的应变很小，其生物学特性对应变敏感。骨是粘弹性材料且各向异性，它的力学性质依赖于施加载荷的应变大小和载荷时间，同时具有蠕变和应力松弛的特性。

软组织力学

软组织是由各种具有特定功能的细胞、弹性纤维、胶原纤维、平滑肌和基质构成的具有一定空间构形的复合体。软组织的力学性质主要取决于其各组分的力学性质，绝大多数具有粘弹性，这种粘弹性主要来源于胶原纤维和平滑肌。

弹性纤维是一种接近线弹性体的生物固体材料，弹性模量较低。胶原纤维是动物体内软组织和硬组织的基本构成元素，胶原纤维在各组织中的构造不同，其力学性能也不相同并且还与所处生命周期有关。胶原纤维有明显的滞后环和应力松弛，很小的应变就会引起很高的应力。平滑肌易于变形，小应力就能造成大变形。不同于一般软组织，平滑肌可以完全松弛，直至应力为零。这意味着由平滑肌构成的内脏几何形状不十分确定，很大程度上依赖于周围的外力作用和环境的约束。

器官力学

器官主要由软组织构成，各器官在功能上既有分工也有合作，但每个器官都有其独特的功能，是生命体内相对独立的部分。器官力学旨在揭示各种器官行使其生理功能的力学机理。其主要涉及以下几方面：对于以机械运动为其功能特征的器官来说，应用生物力学原理来给出它的运动规律；任何器官都受力的作用，都是在一定的应力分布（或应变分布）的状态下实现其功能的，且许多器官在实现其功能时也会改变其原来的应力（应变）状态；人体各器官对于机械刺激的响应、耐受力和损伤机制也是器官力学的一个重要方面。

扩展阅读：

[1]吴文周.生物固体力学进展.太原工业大学学报,1993,24:122-128.

[2]Fung Y C. Biomechanics Mechanical Properties of Living Tissues. Springer Verlag, New York.1993.

[3]陶祖莱.生物力学导论.天津:天津科技翻译出版公司,2000.

[4]姜宗来,樊瑜波.生物力学——从基础到前沿.北京:科学出版社,2010.

[5]Woo, S. L.-Y., Akeson, W. H, et al. A comparison of cortical bone atrophy secondary to fixation with plates with large differences in bending stiffness. J. Bone Joint Surg, 1976, A58,190-195.

[6]Hill A V. The heat of shortening and the dynamic constants of muscle. Proc R Soc B, 1938, 126, 136-195.

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