第一章--生物物理学概论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,LOGO,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Company Logo,*,单击此处编辑母版标题样式,LOGO,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生物力学,中国医科大学生物物理教研室,杨华哲,生物力学,生物力学,生物力学之发展,生物材料,生物力学之发展,平衡原理,杠杆原理,摩擦力原理,重力原理,反作用原理,运动学原理,什么是生物,力学？,定义：应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。,研究范围：生物整体到系统、器官,(,包括血液、体液、脏器、骨骼等,),，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。,基础：能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。,类型（研究对象的不同）：,固体生物力学：,利用材料力学、弹塑性理论、断裂力学的基本理论和方法，研究生物组织和器官中与之相关的力学问题。,流体生物力学：,研究生物心血管系统、消化呼吸系统、泌尿系统、内分泌以及游泳、飞行等与水动力学、空气动力学、边界层理论和流变学有关的力学问题。,运动生物力学：,用静力学、运动学和动力学的基本原理结合解剖学、生理学研究人体运动的学科。,研究重点：与生理学、医学有关的力学问题。,生物力学,（,biomechanics,）,生物力学,生物力学概念,Biomechanics,传统,固体生物力学,流体生物力学,运动生物力学,骨力学,软组织力学,血流动力学与血液流变学,生物体液的流变性质,气体在体内的运动规律,人体运动力学规律,振动响应,动物泳、爬、飞等力学问题,生物力学,生物力学,生物力学概念,Biomechanics,现代,组织与器官力学,生物动力学,生物热力学,生物力学,骨力学、软组织力学、心脏力学、颅脑力学、肺力学、耳力学、子宫力学等,血液流变学、心脏动力学、动脉中的脉动流和微循环力学、呼吸系统动力学等,生物传质传热理论、耗散结构理论、应用生物控制理等,生物力学基本分析方法,1.,应力,外力（,external force,）,：由系统外的物体对于该系统或它的某一部分所作用的力；,内力（,internal force,）,：当物体受到外力作用时，由于力的传递，在物体的任一部分与相邻部分会产生相互作用力应力（,stress,）：,受力物体截面上（,A,）内力,(,F,）的集度，即单位面积上的内力。当,A 0,时，为某一点的应力,A,F,生物力学基本分析方法,2.,应变,应变,（,Strain,）：,当材料在外力作用下发生形状的改变。,应 变,线应变（,）,：长度在变形前后的改变量,与原长之比,:,L,L,L,切应变（,）：,在切应力的作用下，变长为,a,的正方形变成了菱形，产生的形变：,F,F,a,a,体应变,(V/V),:,在正应力作用下发生体积的应变,V,V,生物力学基本分析方法,2.,应变,应变,率：,如果考虑应变的变化速率，即单位时间内增加或减少的应变；应变率是表征材料快速变形的一种度量，应变对时间的导数。,应变率的分类,：线应变率、切应变率和体应变率,生物力学基本分析方法,3.,本构方程,本构方程,（,constitutive equation,）：阐明应力、应变、应变率之间关系的方程式，它取决于物体的结构。,一弹性体的本构方程。,拉伸和压缩：,剪切变形：,体积变形：,为应力，,E,、,G,、,K,分别为杨氏模量（弹性模量）、刚性模量（剪切模量）和体积模量；,e,，和,v,分别为线应变、切应变和体应变。,二粘性体的本构方程。,牛顿粘滞性定律：,称为粘滞系数，简称粘度,“,倘若我们能按意愿操纵一个个原子，将会出现什么奇迹？”,这次历史性的演讲，不仅预测了纳米技术将会崛起,而且变成了现实。,纳米科学技术（,nanotechnology,）,：,纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。,纳米世界,生物技术,putting together complex three-dimensional,RNA,molecules-nanosize polyhedrons that,could be used to fight disease.The molecules self assemble into the new shapes.,1,生物体的粘弹性,1、弹性,胡克定律,F/A,应力,应变,线应变,dl,/,l,切应变,dx,/,dr,功和应变能：对形变体来说,力作功和物体变形密切相关,单位面积作用力,相对形变(效果),=物体力学性质,生物力学,生物力学概念,Biomechanics,x,r,1,生物体的粘弹性,1、弹性,胡克定律,特点：给力变形；撤力恢复,生物力学,生物力学概念,Biomechanics,2、粘性,特点：给力变形；撤力继续变形,生物力学,Biomechanics,1,生物体的粘弹性,3,粘弹性的特征表现,（1）松弛性,（2）,蠕变性,（3）,滞后性,t,t,t,t,1,生物体的粘弹性,生物力学,Biomechanics,3,粘弹性的特征表现,应力松弛,滞后环,t,项背韧带,腱,平滑肌,项背,韧带,腱,平滑肌,1,生物体的粘弹性,生物力学,Biomechanics,3,粘弹性的特征表现,（1）松弛性,（2）,蠕变性,（3）,滞后性,三个特征都反映出生物体粘性与弹性的辨证关系变化的惯性特点,数学模型：,生物体的粘弹性可以用动力粘度,d,表示,粘性分量,弹性分量,负号表示两种作用是对抗和互补的,1,生物体的粘弹性,生物力学,Biomechanics,生物技术,Kissing a frog wont turn it into a prince except in fairy tales but frogs may be hopping toward a real-world transformation into princely allies in humanitys battle with antibiotic-resistant infections that threaten millions of people worldwide.,纳米载体,药物,染料,控释、缓释,例如：医用敷料方面的应用,1、力与弹性,点,a,对应满足正比关系的最大应力，即,正比极限,。,ab,段应力和应变不再满足正比,关系,但撤外力后材料仍能复原,过,b,撤外力后不再复原,而成塑,性形变,b,对应发生弹性形变的,最大应力,称为,弹性极限,，,c,断,裂点,对应,强度极限,。,2,生物组织的力学性质,2,、泊松比,当细长物体被拉长时，同,时会发生横向线度的相对缩,短。实验表明横向的线应变,与纵向线应变成正比，比例,系数是材料的特征常数，称,为,泊松比,2,生物组织的力学性质,人骨的泊松比,泊松比,Reilly,等(74年),人胫骨,Knels,等(77年),人胫骨,孙家驹等(84年),人胫骨,23,21,31,3212,13,0.58,0.31,0.31,0.58,0.46,0.46,0.488,0.119,0.142,0.622,0.315,0.307,0.32(拉)/0.35(压),0.32(拉)/0.35(压),3,、骨的力学性质,骨的形变包括拉伸、压缩、剪切三种基本形变，但实际情况是复杂的迭加。本质上，弯曲是连续变化的线应变的组合，扭转是连续变化的剪切应变的组合分布。,2,生物组织的力学性质,3,、骨的力学性质,显然，梁的内部应力很小。骨骼的层状结构十分巧妙，最外层为韧性很好的骨膜，再向里为密质骨、疏质骨、骨髓腔，充分地发挥了骨组织的力学效能。,2,生物组织的力学性质,3,、骨的力学性质,长度为,l,的圆柱体在力矩作用下,产生的扭转形变如图。,2,生物组织的力学性质,3,、骨的力学性质,扭转圆柱体剪切应变沿径向的分布及沿轴向的分布如图.,2,生物组织的力学性质,4、骨的外力损伤,尽管骨有优良的力学特,性,但受到过重负载的作用,或外力的突然冲击时,也会,受到损伤.,分析在,拉伸力,作用下骨,的任意截面上的应力分布。,2,生物组织的力学性质,由于骨是粘弹性体,当受到过大拉力作用,易在干骨区出现断裂,;,且由上式分析形成垂直断面,;,受压损伤则多发生在蠕变区,主要由剪切形变起作用,因而受压损伤的断裂面为45的斜面。,2,生物组织的力学性质,4,、骨的外力损伤,弯曲而产生的骨折将会发生特征的,“,Y,”,缺口，并易形成,游离碎骨.由于骨的抗压强度大于抗张强度，骨折在拉伸,一侧（即底侧）开始，下面形成=0的,竖直断裂面，随着未断裂截面积的减小，,应力增大，当受压部分达到抗压限度时，,将沿着45的两个斜截面分开。,2,生物组织的力学性质,3,生物组织的力学测量,1.,粘弹性的测量模型,Maxwell,模型,F,F,k,u,1,u,2,3,生物组织的力学测量,1.,粘弹性的测量模型,Voigt,模型,F,F,F,1,F,2,k,3,生物组织的力学测量,1.,粘弹性的测量模型,Kelvin,模型,F,F,k,0,u,k,u,1,u,2,2.,生物组织的力学性能测试,锤摆式,冲击实验,3,生物组织的力学测量,2.,生物组织的力学性能测试,锤摆式,冲击实验,3,生物组织的力学测量,2.,生物组织的力学性能,拉力实验,3,生物组织的力学测量,