1、生物医学工程生物医学工程主讲教师主讲教师 陈陈 俊俊 英英Email:第二章第二章 生物力学生物力学 本部分主要介绍：生物力学概论，分子生物力学，细胞生物力学，组织生物力学，器疗力学，系统力学，人与环境生物力学，以及生物流体力学等。2.1 生物力学概论生物力学概论 2.2 生物力学的力学基础生物力学的力学基础 2.3 活组织的力学性质活组织的力学性质 2.4 肌肉力学基础肌肉力学基础 2.5 血液流变学导论血液流变学导论 2.6 心脏力学心脏力学 2.7 血液循环的力学规律血液循环的力学规律 2.8 呼吸力学呼吸力学 2.9 器官力学的几个方面器官力学的几个方面 2.10 应力和生长应力和生长
2、 2.1 生物力学概论生物力学概论一、历史源流一、历史源流 生物力学兴起于二十世纪生物力学兴起于二十世纪6060年代中、后期。实际年代中、后期。实际上，人们对生命运动的力学问题的研究可以追溯到古上，人们对生命运动的力学问题的研究可以追溯到古希腊亚里士多德时代。希腊亚里士多德时代。伽里略伽里略（15641642）测量心率。（用单摆长度来表征心搏周期）哈维哈维（15781658）测定心室容量，并算出 每小时内心脏搏出的血液的流量。GABorelli（1680年）提出了关于动物肢体 的力学模型。牛顿牛顿（1700年）测定了动脉和静脉的血压。笛卡尔笛卡尔提出一个包括神经活动在内的动物模 型，试图用力学
3、的方法概括生命运动 规律。在发展史上：在发展史上：L.Euler提出了关于脉搏在动脉内传播的基本方程；T.Young建立了关于声带发声的弹性力学理论，（论述了脉搏波传播的速度和动脉血管弹性关系。论述了脉搏波传播的速度和动脉血管弹性关系。）J.Poiseuille观测了血液流过毛细血管时的阻力。S.Hales测量了马的动脉血压和动脉血管的膨胀特性。A.Krogh建立了微循环的力学模型，并获诺贝尔奖。A.V.Hill研究了肌肉收缩规律。18世纪以来世纪以来：直到直到20世纪世纪60年代，生物力学才真正兴起。年代，生物力学才真正兴起。兴起的标志兴起的标志将力学和生物学（生理学、解剖学等）将力学和生物
4、学（生理学、解剖学等）有机结合。有机结合。二、二、生物力学兴起的背景和需要生物力学兴起的背景和需要 （1 1）动脉粥样硬化总发生在动脉弯曲、分枝部位）动脉粥样硬化总发生在动脉弯曲、分枝部位（显然与血流动力因素有关）；（显然与血流动力因素有关）；（2 2）癌肿药物治疗效率不高的根源是病灶部位药物）癌肿药物治疗效率不高的根源是病灶部位药物输运的生理障碍；输运的生理障碍；（3 3）腰背痛等常见病与日常生活工作姿势等相关。）腰背痛等常见病与日常生活工作姿势等相关。生物力学的兴起是以生物力学的兴起是以现代医学的需要现代医学的需要和和生物医学工程的发展生物医学工程的发展为背景的。为背景的。认识疾病的需要，
5、生物医学工程学科发展的需要，例如：认识疾病的需要，生物医学工程学科发展的需要，例如：上述现象，需要了解为什么？上述现象，需要了解为什么？三、三、生物力学所涉及的主题生物力学所涉及的主题 （一）以人（高等哺乳动物）的生命运动为核心的生一）以人（高等哺乳动物）的生命运动为核心的生物力学物力学生物力学的主体生物力学的主体。背景与目标背景与目标：医学、生物医学工程、体育、人-机工效等。该主题包括如下内容。该主题包括如下内容。骨和软骨；骨和软骨；软组织（韧带、腱、皮肤、血管等）；软组织（韧带、腱、皮肤、血管等）；肌肉力学（肌肉力学（骨骨胳机、心肌、平滑肌）；胳机、心肌、平滑肌）；血液流变学（全血、血浆、
6、血细胞、凝血、血栓等）；血液流变学（全血、血浆、血细胞、凝血、血栓等）；血液微流变学；血液微流变学；临床血液流变学；临床血液流变学；体液的粘弹性（关节滑液、粘液等）；体液的粘弹性（关节滑液、粘液等）；人工代用材料。人工代用材料。1.活组织的力学性质活组织的力学性质生物流变学生物流变学 器官、组织的功能、应用和生长（骨重建、零应器官、组织的功能、应用和生长（骨重建、零应力状态和残余应力）；力状态和残余应力）；肺力学；肺力学；心脏力学（人工瓣膜，左心辅助泵）；心脏力学（人工瓣膜，左心辅助泵）；颅脑颅脑脊柱力学；脊柱力学；运动关节力学（人工关节，假肢）运动关节力学（人工关节，假肢）；感觉器官力学（耳
7、蜗力学）。感觉器官力学（耳蜗力学）。2.器官力学器官力学 大血管流体力学；大血管流体力学；微循环力学；微循环力学；毛细血管毛细血管组织间质的物质输运；组织间质的物质输运；淋巴流动；淋巴流动；组织间质液的流动；组织间质液的流动；左心室左心室动脉血液相互作用；动脉血液相互作用；肺血流；肺血流；冠脉血流动力学；冠脉血流动力学；肾脏内部的血循环；肾脏内部的血循环；肝血流；肝血流；脑血流。脑血流。3.循环动力学循环动力学 上呼吸道流体力学；上呼吸道流体力学；气管树内气流的阻力及其分布；气管树内气流的阻力及其分布；末梢支气管内的对流末梢支气管内的对流扩散；扩散；气血交换；气血交换；高频、低潮气量呼吸术。高
8、频、低潮气量呼吸术。4.呼吸力学呼吸力学 蠕动流；蠕动流；可瘪管流动。可瘪管流动。5.泌尿流动泌尿流动 心血管系统动力学；心血管系统动力学；呼吸系统动力学；呼吸系统动力学；体液平衡系统分析。体液平衡系统分析。6.系统动力学系统动力学 体育运动生物力学体育运动生物力学。7.运动生物力学运动生物力学 职业生物力学；职业生物力学；人人-机工效学。机工效学。8.人人-机机-环境系统生物力学环境系统生物力学 细胞膜的力学性质；细胞膜的力学性质；原生质流动；原生质流动；应力对细胞形态、生长、功能的影响。应力对细胞形态、生长、功能的影响。9.细胞力学细胞力学 器官的组织冲击损伤的机理和耐限；器官的组织冲击损
9、伤的机理和耐限；软组织的创伤和愈合；软组织的创伤和愈合；骨折及其愈合。骨折及其愈合。10.创伤力学创伤力学 （二）二）绿色植物生物力学绿色植物生物力学具有很大的吸引力，但具有很大的吸引力，但目前做得不多。目前做得不多。背景与目标背景与目标：农业及农业工程、生存环境工程等。该主题包括如下内容。该主题包括如下内容。2.植物组织和机体的力学性质植物组织和机体的力学性质 3.3.声波对植物生长的影响声波对植物生长的影响4.4.植被流体动力学植被流体动力学5.5.农业工程中的生物力学问题。农业工程中的生物力学问题。蒸腾流和易位流；蒸腾流和易位流；植物的呼吸；植物的呼吸；土壤渗流和根系吸收。土壤渗流和根系
10、吸收。1.绿色植物的生理流动绿色植物的生理流动 （三）三）生物技术和生物化学工程中的流体力学问题生物技术和生物化学工程中的流体力学问题正在崛起。正在崛起。背景与目标背景与目标：从实验室（生物技术）到产业（生物化学工程）的模化、放大，生物反应器的设计和运行的优化，高效的分离，纯化技术，生物处理过程的自动控制和在线检测，空间制药等等。该主题包括如下内容。该主题包括如下内容。1.1.生物反应器内的流动，传质和传热；生物反应器内的流动，传质和传热；2.2.应力对细胞、微生物生长和功能的影响；应力对细胞、微生物生长和功能的影响；3.3.生物制品分离过程中的流体力学问题；生物制品分离过程中的流体力学问题；
11、4.4.流动应力对生物大分子结构和功能的影响。流动应力对生物大分子结构和功能的影响。（四）四）动物的运动动物的运动 背景与目标背景与目标：仿生工程技术，生物学中一些理论问题的定量分析等。该主题包括如下内容。该主题包括如下内容。1.1.鸟类和昆虫的飞行；鸟类和昆虫的飞行；2.2.水生动物的游泳力学（泳动模式的进化和形态演变）；水生动物的游泳力学（泳动模式的进化和形态演变）；3.3.微生物的运动；微生物的运动；4.4.陆生物的运动。陆生物的运动。由上可见，生物力学的内容是非常宽、非常广的。由上可见，生物力学的内容是非常宽、非常广的。2.2 生物力学的力学基础生物力学的力学基础一、运动和力一、运动和
12、力 对于生命现象所涉及的以位移为特征的机械运动，即使是细胞、亚细胞、组织，仍属于牛顿力学牛顿力学的范畴。牛顿第一定律：牛顿第一定律：dtVdmamF0F式中，如果则V不变，匀速直线运动匀速直线运动。牛顿第牛顿第三三定律：定律：作用力和反作用力大小相等，方向相反。牛顿第牛顿第二二定律：定律：0F式中，如果则V改变，加速度运动加速度运动。dtVdmamFJIIJFF二、二、刚体动力学在生物力学中的应用刚体动力学在生物力学中的应用 刚体动力学基本方程：（刚体：系统内部各质点之间的刚体：系统内部各质点之间的距离在运动过程中保持不变）距离在运动过程中保持不变）IeIFma)(IeIIjijFdtdI)(
13、式中：m 质点质量；a 加速度；-惯量矩(i=j)或惯量积(ij)；外力的合力；刚体旋转角速度；质点相对于质心的向量；kIeIF1)(ijI333231232221131211IIIIIIIIIIijI （1）用来研究人在走、跑、跳跃、负重、操作等运动过程中人体整体以及各肢体的运动规律，以改进动作，提高效率如体育运动技术的优化；（2）人在各种姿态、运动、操作等过程中，各肢体、关节的受力情况，是作力学分析（比如应力和应变的分布、应力和组织生长的关系等）的前提，也在卫生保健、人工关节和人造肢体的研制和设计等方面有重要意义。上述刚体动力学基本方程在生物力学中是很有用的。上述刚体动力学基本方程在生物力
14、学中是很有用的。基于上述刚体动力学基本方程的应用，可以帮助建立力基于上述刚体动力学基本方程的应用，可以帮助建立力学模型。但是，模型的建立往往是十分困难的。学模型。但是，模型的建立往往是十分困难的。例如：例如：例1：Nachemson和Elfstrom(1970年)用微型压力传感器测量了一个体重70kg的人，在不同姿态和操作下腰椎了椎间盘上的载荷和受力问题(下页表格)。发现不合理的举重动作，使腰椎的负荷剧增，达正常情况2倍以上，而人在大笑时腰椎所受的力为体重的2倍有余。尽管如此，建立肌肉腱韧带系统作用的脊柱力学模型仍很困难。高性能高性能BioWare Performance系统系统高性能动作分析
15、系统高性能动作分析系统姿态姿态椎间盘载荷椎间盘载荷姿态姿态椎间盘载荷椎间盘载荷仰卧仰卧50kg50kg仰卧起床仰卧起床140kg140kg仰卧牵引仰卧牵引3030kgkg35kg35kg大笑大笑150kg150kg站立站立100kg100kg向前弯腰向前弯腰2020150kg150kg直坐、背不靠直坐、背不靠托托140kg140kg向前弯腰向前弯腰2020,并双手各负并双手各负重重1010kgkg215kg215kg步行步行115kg115kg举重举重2020公斤，背直膝弯公斤，背直膝弯185kg185kg扭转扭转120kg120kg举重举重2020公斤，背弯膝直公斤，背弯膝直390kg390
16、kg侧弯侧弯125kg125kg屈膝蹲起练习屈膝蹲起练习210kg210kg咳嗽咳嗽140kg140kg两足分开屈膝蹲起两足分开屈膝蹲起205kg205kg跳跃跳跃140kg140kg俯身拱腰俯身拱腰180kg180kg例2：J.P.Panl(1970年)测量了水平步行时人的髋关节和膝关节的平均载荷随着步长身高比的变化，发现步行时髋、膝关节所承受的载荷要比人的体重大得多（由于相关肌群的收缩作用）。可见，由于肌肉的收缩作用，在建立力学模型时，复杂性提高了很多。三、三、连续介质力学基本知识连续介质力学基本知识 刚体实质上不存在，在外力作用下，物体形状总会发生变化。连续介质运动的描述：（1）Lagr
17、ange方法：3,2,1 2itxatxuiiii质点速度位移uxi时间加速度tai（2）Euler方法：速度和加速度由2部分组成。（此法常用）速度：当地速度：空间速度变化：加速度：当地加速度：迁移加速度：dttuijjiiidxxudttudutuijijxu四、生物流体力学基础四、生物流体力学基础 例：新陈代谢运动的基本单元是细胞细胞。“嘴”、“肛门”-不断吸取同化作用所需的原料。不断排除异化作用的废物。“肠胃”、“血管”-依靠生物体内不同层次、不同系统的流体运动来维持的。“细胞”-细胞质的运动和通过细胞膜的物质输运，为细胞的代谢活动创造了稳定的内环境。呼吸系统吸O2消化系统摄取营养物质循
18、环系统送到各器官、组织泌尿系统排废物呼吸系统排废气。N.Winner(N.Winner(维纳维纳)说：说：“生命系统维持其稳态的条件是相当苛刻的。生命系统维持其稳态的条件是相当苛刻的。”上述生命运动的维持，是和生物体内部体液的流动密切相关。上述生命运动的维持，是和生物体内部体液的流动密切相关。显然，要了解生命现象的规律，必须掌握流动过程显然，要了解生命现象的规律，必须掌握流动过程的规律，特别是的规律，特别是生命体内体液的流动规律生命体内体液的流动规律。人体重量其它60%是液体36%的体液存在于细胞之中45%为血液11.5%分布于组织细胞间质中（一）生理流动的不同层次（一）生理流动的不同层次 1
19、.细胞和亚细胞层次细胞和亚细胞层次；包括：原生质流动（细胞内各种生化过程）；细胞膜的流动性和力学行为；细胞膜的输运过程；应力对细胞生长、形态、功能和超微结构的影响。2.组织层次组织层次；包括：（1）穿过毛细血管壁的流体运动；（2）组织间质内的流体运动；（3）淋巴流动；（4）组织分泌液的流动。3.循环系统层次循环系统层次；（以心脏为核心以心脏为核心是生物流体力学的研究主题是生物流体力学的研究主题）包括：（1）心脏血液动力学；（2）大血管流体动力学；（3）以微循环为核心的器官血流动力学；（4）微循环流体动力学；（5）心血管系统动力学。4.呼吸系统内的气体运动呼吸系统内的气体运动；包括：（1）呼吸道
20、内的空气流动；（2）小支气管里气体的对流和扩散；（3）肺泡和毛细支气管在气-血界面上的物质交换；（4）呼吸系统动力学。5.泌尿系统内的流动泌尿系统内的流动；包括：（1）毛细血管-肾小球、肾小管之间的流体运动；（2）输尿管内的蠕动流。6.消化系统内的流动消化系统内的流动（胃、肠蠕动等）；7.体液的平衡体液的平衡（酸碱离子浓度等的平衡）。（二）流体力学的基本原理（二）流体力学的基本原理 质量定恒定律：流入的流体=流出的流体动量守恒定律：密度流动加速度压力梯度流体剪应力的空间变化率（散度）单位体积流体所受之重力。能量守恒定律：进口压力任意截面（X）上的压力 密度比重（x处与进口处的高度差）密度（从进
21、口到x处流体内能的变化率）从进口到x处的摩擦损失。三大守恒定律三大守恒定律（应用到流体力学）（应用到流体力学）：2120)(xxVV（三）流体力学的基本方程（三）流体力学的基本方程（1）连续方程连续方程：（2）运动方程运动方程 ：若流体不可压缩且均质，连续性方程为：0332211xuxuxuxujj（上式是简化的方程，实际上获得它是据质量守恒有积分等推导。）（上式是简化的方程，实际上获得它是据质量守恒有积分等推导。）jijijijixfxuutuijif-应力张量 P-流体密度-单位质量流动所受的体积力（该式来自于（该式来自于较复杂的推导，较复杂的推导，包括高等数学、包括高等数学、流体力学等。
22、）流体力学等。）（3）能量方程能量方程 ：E单位质量流体的内能；Q单位时间内单位体积流体从外界接受的热量；k介质热传导系数；T绝对温度。QxTkxxuxEutEjjjiijjj（该式来自于（该式来自于较复杂的推导，较复杂的推导，包括高等数学、包括高等数学、流体力学等。）流体力学等。）上述三个方程中，应用于实际的生理流动问题时太复杂，需简化。上述三个方程中，应用于实际的生理流动问题时太复杂，需简化。如何简化？要结合生物学、生理学和解剖学的知识。如何简化？要结合生物学、生理学和解剖学的知识。所以，生物流体力学有自己独特的方法学体系，而不是流体力学所以，生物流体力学有自己独特的方法学体系，而不是流体
23、力学在生命现象中的简单应用。在生命现象中的简单应用。2.3 活组织的力学性质活组织的力学性质 生物组织一般分为硬组织（骨、牙等）、软组织和体液三大类。一、一、骨的力学性质骨的力学性质 与工程材料相近，可用材料试验机研究其力学性质。可见：（1）干骨变脆（无塑性变形）；（2）骨的应变很小，0.0040.012；（3）在比例极限以下，密质骨可以看作是胡克弹性体：，E为杨氏模量。关于骨的力学性质，很多人都做过实验。所有实验都表明：骨的强度因物种、年龄、性别、骨的部位、载荷方向、应骨的强度因物种、年龄、性别、骨的部位、载荷方向、应变率而异。变率而异。E图手画二、二、软组织的力学性质软组织的力学性质 从内
24、脏到皮肤，大部分属于软组织。以下以举例的方式来说明软组织力学性质的一般特点：例1：例2：图手画图手画A：软组织力学性质的共同性：在生理范围内，各种软组织都有应力应变滞后环、应力松驰和蠕变现象，因而都是粘弹性材料，而且是高度非线性的。小结：小结：B：软组织力学性质的区别：在无损伤条件下的各软组织的最大应变各不相同。超出各自的应变范围，组织将屈服而被破坏。例如：在生理范围内：肠系膜的应变可达100-200%；输尿管可伸长60%；静息心肌可伸长约15%；动脉和静脉血管达60%；肌腱则为2-3%。三、三、血管的力学性质血管的力学性质（一）动脉血管的力学性质 目前：一维拉伸实验和准线性粘弹性本构关系”、
25、“二维拟弹性应力应变关系”有一些实验结果。但尚无规律性结论，因为当选择参数多时，模型任意性大，而选择的参数少时，无明显物理意义，易误入歧途。（二）静脉血管的力学性质 类同于动脉血管的认识。（三）微血管的力学性质 微动脉、微静脉的力学性质极其复杂。目前知之甚少。因具体器官、组织而相异性很大。四、四、关节软骨的力学性质关节软骨的力学性质 关节软骨是由少量细胞，固相基质和间质液（主要是水占75%）组成的。亦是多孔复合材料，（胶原纤维65%+蛋白聚糖25%+糖蛋白10%）。在应力作用下，液体可在基质中流出或流进，因此软骨的力学性质随基质内液体含量的多少而变化。另外，环境化学条件（液体中的离子浓度等）对
26、关节软骨的力学性质也有影响。五、五、生物流体的力学性质生物流体的力学性质 研究最多的是血液血液流变学。2.4 肌肉力学基础肌肉力学基础 已作了多方面的探索，但总的说来没有什么新突破，进展也不尽如人意。参考书中（生物力学导论）介绍了骨骼肌、心肌和平滑肌的力学性质方面的研究结果。自学自学2.5 血液流变学导论血液流变学导论 人血是细胞细胞在电解质和非电解质水溶液中的悬浮液体。红细胞：含量5106个/mm3，比重1.10，58m，双凹饼状。白细胞：含量5000-8000个/mm3，直径大于红细胞，约10m 血小板：含量约2.5-3105个/mm3，24m，铁饼状。一、一、血液的流变特性血液的流变特性
27、 头号杀手：心脑血管疾病和恶性肿瘤，其发生发展都与血液 流变有关。其他：休克、糖尿病、烧伤、血液病等，也有血液流变性质 的改变。1.血浆的粘度血浆的粘度 1963年，Merrill测量血浆粘度，认为是非牛顿流体非牛顿流体。后来发现：是血浆与空气接触的自由表面上血浆蛋白形成薄膜所致。后来发现：是血浆与空气接触的自由表面上血浆蛋白形成薄膜所致。因此，血浆是牛顿流体牛顿流体。但其粘度受温度和血浆成分（尤其血浆中的蛋白质）的影响：)()(exp000btbtttaPC230t温度的影响温度的影响：2.10厘泊;C420aC111b;蛋白质浓度（蛋白质浓度（c.g/ml）的影响）的影响：经验关系：11)
28、1(ckwP式中，2.血液的粘性血液的粘性 当把血液看作均质流体的静态流变行为时，i.分析大血管（图）大血管（图）流动时，血液为牛顿流体；用于进一步评价是合理的；ii.分析人体内的1010根微血管（图）根微血管（图）时，血管直径与红细胞直径同量级，此时，实际上已非均质流体，至少应看作两相流体。因此，血液流变的非牛顿特性，主要来源于红细胞，因此，血液流变的非牛顿特性，主要来源于红细胞，以及它和血液其它组分之间的相互作用。以及它和血液其它组分之间的相互作用。二、二、红细胞的运动和变形红细胞的运动和变形 1.红细胞的几何形状：58m2.红细胞沉降血沉 ，静息时因重力而沉降。红细胞沉降与红细胞聚集伴生
29、。3.红细胞的可变形性 （1）红细胞聚集血浆生物化学性质改变，是血液流变性质的一个重要参数；（2）红细胞可变形性是血液流变性质的另一个重要参数。血浆红细胞图-手画红细胞的功能红细胞的功能：把机体组织细胞代谢活动所必需的O2输送到机体各组织和器官，同时带走代谢的产物CO2，并在肺内排出CO2，吸取O2，从而使生命活动维持。功能的实现功能的实现：红细胞必须穿越机体各组织、器官的毛细血管。（人人体脾脏毛细血管（图）体脾脏毛细血管（图）直径3m）。结果结果：红细胞在通过这些毛细血管时形状必须改变。（观察发现：肠系膜组织的毛细血管里，红细胞从双凹碟形（观察发现：肠系膜组织的毛细血管里，红细胞从双凹碟形变
30、为变为“拖鞋拖鞋”形，局部伸长比达形，局部伸长比达200%200%。）。）红细胞易变形的原因红细胞易变形的原因 它的结构和形态它的结构和形态 结构结构：红细胞无细胞核，由细胞膜和细胞质（主要是血红蛋白）构成。质中的血红蛋白是晶体，且为液晶。因此，红细胞的变形主要决定于细胞膜的力学性质。形态形态：双凹碟形是O2扩散的最佳形状，红细胞膜很薄，弯曲刚度比抗张能力低得多，双凹碟形旋转体的表面具有许多可贴曲面，可以变为种种可贴曲面而不撕裂、不拉伸或折叠。4.红细胞膜的力学性质 取决于膜的微结构（如骨架蛋白，双层脂膜的构造等）以及各组元间的相互作用。5.红细胞聚集 取决于以下四种作用的相互制约和平衡：（1
31、）大分子的桥联作用：血浆中纤维蛋白原、血浆球蛋白作为媒介；（2）静电作用；（3）红细胞变形：（戊二醛固化处理的红细胞在血浆中不会聚集）；（4）流体动力的作用：使红细胞相互接近或接触、变形等，并可能激活细胞膜甚至血红蛋白。白细胞的两种状态：（1）静息状态，无外力作用呈球形，在外力作用下可变形；（2）能动状态，即使无外力白细胞也会自动变形，形成原足。三、三、白细胞的流变行为白细胞的流变行为 白细胞性质：不同于红细胞，它有核、线粒体和其他 细胞器，力学行为更复杂。（一）白细胞的力学性质（一）白细胞的力学性质 1.静息状态下白细胞的粘弹性（弹性系数k，粘性系数）（1）温度变化（9-40C）时，k不变，
32、随T 而减小；（2）pH值变化时（5.4-8.4），pH 可使 ；（3）渗透压增大时，k和均以指数形式增长。（图为用微管吸吮法测量的能动状态下白细胞主体和原足的力学性质）2.能动状态下，白细胞的力学性质 能动状态下，白细胞会自动变形生出原足白细胞会自动变形生出原足，原足呈片状，被细胞膜包围，但足内只有细胞质，无细胞器。白细胞主体和原足的力学性质：图手画白细胞主体：是粘弹性体，有明显蠕变原足：是弹性体，蠕变极小，刚度 比主体细胞大上述区别的原因：原足与主体化学成分不同，原足形成时白细胞的动力学模型应将连续介质力学原理和肌动蛋白等大分子以及Ca+的化学动力学过程结合起来。可见，细胞力学的发展要求把
33、可见，细胞力学的发展要求把力学原理力学原理和和细胞内的细胞内的生化过程生化过程结合起来。结合起来。（二）白细胞在微血管里的流变行为（二）白细胞在微血管里的流变行为 1.在微血管流动中白细胞与红细胞的相互作用白细胞的趋边性。白细胞体积大，刚度大，呈球形，其运动阻力比红细胞大，运动速度低于红细胞，这使得白细胞向管壁偏移，即“趋边性”。2.白细胞的粘附白细胞与血管内皮细胞的相互作用 趋边的白细胞有可能粘附于血管壁，与血管内皮细胞相互作用而形成一个共同接触区。实验表明，白细胞粘附常发生于微静脉血管中。一旦粘附发生，微血管有效通道面积减少，血流阻力将显著增大。3.白细胞在毛细血管里的运动 由于白细胞呈球
34、形，直径大于红细胞，且刚度较大，故白细胞变形而进入毛细血管所需时间约为同样流动条件下红细胞所需时间的1000-2000倍。很小，则很小，所以很大。)(sin221133APAPAP33APsin 白细胞在变形的同时，将毛细血管和进口段扩张成锥形。锥角。图手画 在的作用下，可能如下：（1）在白细胞与毛细血管壁之间形成-血浆润滑层，白细胞与内皮细胞不直接接触，不存在粘附问题。可使用红细胞-管壁相互作用理论，并应用相应的流动阻力规律。（2）白细胞运动速度很低，相应的血浆润滑层厚度太薄，不足以维持其稳定，则血浆润滑层破坏，白细胞与内皮层直接接触而发生粘附。这时毛细血流局部滞止。33AP四、血小板功能行
35、为的流变学问题四、血小板功能行为的流变学问题 （一）血小板的活性与流变学因素 血小板比红细胞、白细胞小得多，正常状态下（静息状态）为两面微凸圆盘。因此：（1）静息状态下，血小板对于血液的流变特性影响甚微。（2）当血小板激活时（比如凝血）血小板的活动性和功能行为对血液的流变特性影响甚巨。Platelet Activation Pathways血小板性质：极敏感的细胞 发生一系列活化反应：环境微小变化在体或离体i.粘附粘附反应血小板粘附于血管壁或其它异物的特性。ii.变形变形反应当血小板从静息状态变为活化状态时，形状将发生急剧变化。iii.释放释放反应活化了的血小板释放出它所含的物质。iiii.聚
36、集聚集反应活化了的血小板能通过相互作用而聚集成团的特性。目前研究的集中点目前研究的集中点粘附变形释放+释放变形PlateletAdrenalineCollagenGPIbvWFGPIIb/IIIa(CD41)ADPEndotheliumGpIIb/IIIa(CD41)P-selectinCD62PFibrinogen聚集变形粘附不同生物材料不同生物材料不同生物材料不同生物材料 实验结果表明，影响血小板聚集反应聚集反应的最重要的流变学因素是流动切变率流动切变率。实验结果表明，影响血小板活性活性的重要因素是血小板受剪应力作用的时间剪应力作用的时间。关于上述“聚集反应聚集反应活化了的血小板能通过相互
37、作用而聚集成团的特性。”的研究进展：血液流动过程中，血小板总是在靠近管壁的区域里运动，真正影响血小板聚集血小板聚集的，是壁面切应力壁面切应力或壁面切变率壁面切变率。例1：壁面切变率时，血小板聚集潜伏期时间随 而延长；壁面切变率时，LDH、ADP、ATP等含量不变；壁面切变率时，LDH、ADP、ATP等有所上升；壁面切变率时，ADP引起的血小板聚集被迅速抑制。可见，切变率既能激发血小板活性，又能损伤与破坏血小板的构造。14.12.0sww1500sw15000sw15000swLDH、ADP、ATPLDH：乳酸脱氢酶 Lactic dehydrogenaseADP：腺苷二磷酸 Adenosine
38、 diphosphateATP：三磷酸腺苷/腺苷三磷酸 Adenosine triphosphate 例2：剪应力时，血浆5HT含量明显上升；剪应力时，血浆LDH活性增大，血小板溶解，血小板数量急剧减少。2Nm7002Nm1500（二）凝血过程中血液的粘弹性 凝血过程凝血过程复杂的多因子（13种因子）综合过程，涉及一系列生化反应和多种物理、化学、生物等作用生化反应和多种物理、化学、生物等作用。I.在多种因子作用下，形成组织促凝血酶原激酶的形成；II.凝血酶原活化变为凝血酶；III.纤维蛋白原在凝血酶的作用下变为纤维蛋白单体，进而经XIII因子和Ca+作用，聚合成为纤维蛋白聚合物，形成网络结构。
39、分三个阶段：Factor F XF IXaF IXF XIaF XISurface ContactCollagenFXII activatorF XIIaF XIIIntrinsic PathwayCa2+Ca2+Ca2+Factor F XF VIIF VIIaF III(Tissue Thromboplastin)Tissue/Cell DefectExtrinsic PathwayCa2+Ca2+FibrinogenFibrinmonomersFibrinpolymersThrombinProthrombin IFactor F XaCa2+Platelet Factor 3Crossl
40、inkedFibrin MeshworkF XIIIaF XIIIF VF VaF VIIIaF VIIIThe Clotting Cascade 因子（凝血酶原凝血酶原）凝血酶凝血酶血小板因子（纤维蛋白原）因子（纤维蛋白原）纤维蛋白纤维蛋白 因子a因子因子Ca+磷脂因子（血浆凝血活酶成分）a 因子aCa+因子（血浆凝血活酶前质）aCa+因子（接触因子）a内源性凝血系统 表面接触因子+组织液Ca+外源性凝血系统组织损伤自动催化凝凝血血系系统统示示意意图图 优化的Ti-Ta-O薄膜与LTIC动物体内埋植后的SEM照片（17天）Ti-Ta-O薄膜 LTIC经兔腹主动脉埋植后的表面改性与未改性血管支
41、架表面形态a、c.Ti-O表面改性(a.10周、c.20周)b、d.未表面改性(b.10周、d.20周)白血球白血球红血球红血球血小板血小板血血 栓栓纤维蛋白纤维蛋白内皮细胞内皮细胞红血球红血球纤维蛋白纤维蛋白血小板血小板血栓及其形成的示意图 a.血管内形成血栓 b.血栓组成 c.LTIC表面的血栓 血液在凝血过程中的粘弹性（来自陶祖莱的研究结果）：图手画 由图可见凝血过程可分为三个阶段：时,剧增，凝血过程开始，时，G线出现拐点。00tt GG 和.均很小，凝血尚未开始。cttt02.趋于0，即接近0tt ctt 022 dtGdGctt 3.dtdGG GG 或GG 和GG 和三个图的区别及
42、影响因素分析如下。三个图的区别及影响因素分析如下。t0凝血起始时间 时间常数，tc凝血过程中与由上升变为下降的转变时间。0expttGG 陶祖莱用下列关系来描述血液在凝血过程中的粘弹性行为：)(210ttctGddtGdd 上图区别：PPP的粘弹性行为取决于纤维蛋白原；PRP与PPP的粘弹性区别取决于血小板的作用；WB与PRP、PPP的区别归因于红细胞的影响。（上图中）其影响表现如下：（1）从粘弹性行为变化方面看出，凝血起始时间（t0）因红细胞存在而推迟了，血小板的数量对于凝血起始时间没多大影响，主要取决于血小板的活性和纤维蛋白原。（2）凝血过程中（反映粘性）的弛豫时间主要决定于纤维蛋白原，血
43、小板的数量对它没有什么影响。但红细胞的存在使显著增大。弹性模量 的弛豫时间却主要是由血小板的含量所决定的。（3）时间常数主要决定于纤维蛋白原。（4）对于血凝体的刚度（）和粘性（）来说，起主导作用的是血小板（数量和活性）。而红细胞的作用似乎是“掺沙子”，它使 和 均有所下降。G 221G GGG G五、血液的本构方程五、血液的本构方程 （一）血液流变学的三个基本事实 1.在准静态（定常流动）下，血液的粘性行为是非线性的，且有屈服应力；2.在动态（非定常流动）条件下，血液是粘弹性流体；3.当红细胞直径（Dc）与流场特征尺度（Dt）相比不是非常小，血液流动的“非连续性效应”就会显示出来。这时，血液流
44、变特性决定于红细胞和边界的相互作用，依赖于血液流动的具体的边界条件。因此，它因具体的器官、组织的具体构造而异。（二）血液粘弹性本构关系的研究现状 1.简单“记忆”流体积分型本构方程0)()(dsstEsfijijdsstDsij)()(20ijjiijxuxuD21其中，式中：应变的历史 偏应力 “记忆”函数 Green应变 应变率张量 流动速度场 应力松弛函数)(stEijij)(sfijEijD)(s2.功能模型3.Oldroyd方程4.Huangs方程 自学 就以上述的血液流动速度场为例，血液流速是一个“较容易”测定的参数了（其它很难测），但仍因不同血管和位置而有很大区别。测定也较难。下
45、面介绍一个测量方法。超声多普勒法是怎样测量血液流动的超声多普勒法是怎样测量血液流动的?1842年德国一位名叫多普勒的数学家。一天，他正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，音调变低。他对这个物理现象感到极大兴趣，并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象，这就是频移现象。因为是多普勒首先提出来的，所以称为多普勒效应多普勒效应。超声多普勒法是怎样测量血液流动的超声多普勒法是怎样测量血液流动的?为了检查心脏、血管的运动状态，了解血液流动速度，可以通过发射超声来实现。由
46、于血管内的血液是流动的物体，所以超声波振源与相对运动的血液间就产生多普勒效应。血管向着超声源运动时，反射波的波长被压缩，因而频率增加。血管离开声源运动时，反射波的波长变长，因而在单位时间里频率减少。反射波频率增加或减少的量，是与血液流动速度成正比，从而就可根据超声波的频移量，测定血液的流速。我们知道血管内血流速度和血液流量，它对心血管的疾病诊断具有一定的价值，特别是对循环过程中供氧情况，闭锁能力，有无紊流，血管粥样硬化等均能提供有价值的诊断信息。2.心脏力学心脏力学 一、心脏的形态一、心脏的形态 四个腔室（左右心房、左右心室）四个瓣膜（二、三尖瓣向下，主肺动脉向上）4根动/静脉管（肺动、静脉，
47、主动脉和上/下腔静脉）二、心脏的构造和功能二、心脏的构造和功能构造和功能见下页图。四个腔室四个腔室（左右心房、左右心室）四个瓣膜四个瓣膜（二、三尖瓣向下，主肺动脉向上）主动脉瓣主动脉瓣三尖瓣三尖瓣二尖瓣二尖瓣肺动脉瓣肺动脉瓣二二三三 由于左心室负由于左心室负荷较高，故二尖荷较高，故二尖瓣、主动脉瓣更瓣、主动脉瓣更易病变易病变。4根动根动/静脉管静脉管（肺动、静脉，主动脉和上/下腔静脉）（一）心电过程（一）心电过程 心肌细胞收缩需要心肌细胞收缩需要电信号电信号，使所有细胞同时收缩。，使所有细胞同时收缩。（主要产生于右心房的窦房结。）（主要产生于右心房的窦房结。）（二）心搏过程（二）心搏过程 心肌
48、受到心电刺激后收缩。心肌受到心电刺激后收缩。要解释：要解释：1.心室射血流动时，流动阻力很小，从而溶血、凝血心室射血流动时，流动阻力很小，从而溶血、凝血以至血栓形成的可能性才小；以至血栓形成的可能性才小；2.充盈过程中心室内的血液流动情况；充盈过程中心室内的血液流动情况；3.心脏及心瓣血液流动模拟的相似问题。心脏及心瓣血液流动模拟的相似问题。三、心脏和心瓣的流体力学问题三、心脏和心瓣的流体力学问题4.心脏瓣膜关闭的流体力学机理心脏瓣膜关闭的流体力学机理健康人的瓣膜是极巧妙健康人的瓣膜是极巧妙的装置，打开时它们对流动的阻力极小，而在很小的压力差的装置，打开时它们对流动的阻力极小，而在很小的压力差
49、下立即关闭，回流量很小，不到下立即关闭，回流量很小，不到5%，为什么？为什么？瓣膜瓣膜胶原纤维构成，其底座和环架也是纤维组织，胶原纤维构成，其底座和环架也是纤维组织，没有肌肉，瓣膜无主动收缩的能力，开闭受流体流动控制。没有肌肉，瓣膜无主动收缩的能力，开闭受流体流动控制。开启开启心室心室/心房压力引起；心房压力引起；关闭关闭在射血后期由于流动减速，产生逆压梯度，使在射血后期由于流动减速，产生逆压梯度，使关闭。关闭。目前在解释上述几个问题时已获得一些进展和较正确的认识。四、心脏的力学模型和泵功能四、心脏的力学模型和泵功能 左心与动脉系统之间，左心系统和右心系统之间。五、心脏与血管系统的相互作用五、
50、心脏与血管系统的相互作用六、人造心脏瓣膜的生物力学问题六、人造心脏瓣膜的生物力学问题自动调节？（运动态/静息态）自学自学2.血液循环的力学规律血液循环的力学规律 一、动脉系统的阻力分布和分枝形态一、动脉系统的阻力分布和分枝形态二、可变形管道内的定常流动二、可变形管道内的定常流动三、动脉血管里的脉动流和脉搏波三、动脉血管里的脉动流和脉搏波四、脉搏波在动脉血管系统里的传播四、脉搏波在动脉血管系统里的传播五、大动脉里的流动五、大动脉里的流动六、静脉血管里的流动六、静脉血管里的流动七、微循环力学七、微循环力学八、肺血流的力学规律八、肺血流的力学规律 自学自学2.呼吸力学呼吸力学 一、呼吸道内的空气流动
