生物力學(xué)與工程

姜宗來教授，醫(yī)學(xué)博士、美國生物醫(yī)學(xué)工程博士后，享受國務(wù)院政府特殊津貼，國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)獲得者。上海交通大學(xué)力學(xué)生物學(xué)研究所所長中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)副理事長全國生物力學(xué)專業(yè)委員會(huì)前任主任委員世界生物力學(xué)理事會(huì)（WCB）理事國際心臟研究會(huì)（ISHR）中國分會(huì)執(zhí)委《中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)》副主編《醫(yī)用生物力學(xué)雜志》副主編從事心血管力學(xué)生物學(xué)研究30余年。生物力學(xué)與工程姜宗來上海交通大學(xué)力學(xué)生物學(xué)研究所物質(zhì)運(yùn)動(dòng)力學(xué)規(guī)律生命現(xiàn)象化學(xué)現(xiàn)象物理現(xiàn)象生物化學(xué)分子生物學(xué)基因組學(xué)

生物力學(xué)學(xué)科定義

生物力學(xué)是研究生命體運(yùn)動(dòng)和變形的學(xué)科，通過生物學(xué)與力學(xué)原理方法的有機(jī)結(jié)合，認(rèn)識生命過程的規(guī)律，解決生命與健康領(lǐng)域的科學(xué)問題。

生物力學(xué)是應(yīng)用于生物學(xué)的力學(xué)。生物力學(xué)探索的是了解生命系統(tǒng)的力學(xué)。絕大多數(shù)生物力學(xué)工作的目的是為了豐富生命系統(tǒng)的基本知識并對其進(jìn)行某種人為干涉。

——馮元楨

(Y.C.Fung)研究生物體的形態(tài)學(xué)、組織結(jié)構(gòu)、材料結(jié)構(gòu)和超微結(jié)構(gòu)，了解研究對象的幾何構(gòu)形；測定生物組織材料的力學(xué)特性，建立本構(gòu)方程；根據(jù)物理學(xué)基本定律（質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒等）和材料本構(gòu)方程，推導(dǎo)控制微分方程或積分方程；了解器官的工作環(huán)境，得到有意義的邊界條件；解析法或數(shù)值法求解邊界值問題；進(jìn)行生理學(xué)實(shí)驗(yàn)，對上述邊界值問題的解進(jìn)行驗(yàn)證，再立方程，重新求解數(shù)學(xué)問題，務(wù)必使理論和實(shí)驗(yàn)相一致；實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)的理論結(jié)果相比較，確定理論中的假設(shè)是否合理，如合理，求得本構(gòu)方程中未定系數(shù)的數(shù)值探討理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用。生物力學(xué)的研究方法

顯然，理論和實(shí)驗(yàn)的相互參照必須反復(fù)進(jìn)行。在一系列研究中，可期望過程收斂，并從定性和定量兩方面對生物問題有所理解?！猋.C.Fung貓肺組織學(xué)軟組織力學(xué)特性二維實(shí)驗(yàn)裝置Y.C.FungY.C.Fung正常大鼠頸動(dòng)脈Y.C.Fung大鼠高血壓脾動(dòng)脈重建血管殘余應(yīng)力理論大鼠缺氧肺動(dòng)脈Y.C.Fung生理變化基因作用力學(xué)分析生物綜合MatchinggeneactivitywithbiomechanicsandphysiologyPNAS,2002,99(5):2603生物工程Two-waystreet“應(yīng)力-生長”理論

包括細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)生長和吸收在內(nèi)的活組織（器官）的重建過程是和組織內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)的。

——Y.C.Fung生物力學(xué)領(lǐng)域的兩大最新進(jìn)展

力學(xué)生物學(xué)

細(xì)胞分子－機(jī)制－發(fā)現(xiàn)生物力學(xué)建模與臨床應(yīng)用

臨床病例－應(yīng)用－發(fā)明2000—基于臨床圖像的個(gè)性化血流動(dòng)力學(xué)仿真

及心血管外科手術(shù)方案優(yōu)化

胸主動(dòng)脈瘤血液動(dòng)力學(xué)無支架有支架

腦動(dòng)脈瘤支架治療血流動(dòng)力學(xué)

主動(dòng)脈弓動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)

IntJHyperthermia,2009CommunNumerMethEng,2008MedEngPhysic,2006JBiolPhysic,2005心血管生物力學(xué)

骨整合的生物力學(xué)空間微重力環(huán)境下骨質(zhì)疏松機(jī)制及對抗

骨固定、腕管、脊椎、膝、足、骨重建

ClinicBiomech,2008ActaAstronaut,2008,2009.MedEngPhysic,2009,SciChinaSerC-LifeSci,

2009

骨關(guān)節(jié)生物力學(xué)

將CAD/CAM、敏捷制造、快速原形等先進(jìn)技術(shù)用于個(gè)體化人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與制造。

個(gè)性化人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

骨質(zhì)疏松性骨折的內(nèi)固定增強(qiáng)研究

硫酸鈣增強(qiáng)骨質(zhì)疏松性骨折內(nèi)固定的增強(qiáng)Biomaterials,2006

JBoneJointSurg,2007

BiochemBiophysResCommun,2007

口腔生物力學(xué)《中華口腔科學(xué)》第2版第12篇“口腔生物力學(xué)”分篇主編,人民衛(wèi)生出版社，2009

下頜髁突關(guān)節(jié)的生物力學(xué)模擬

正畸牙移動(dòng)的生物力學(xué)模擬

牽張成骨的生物力學(xué)

ClinicBiomech,2008

Injury,Int.J.CareInjured,

2009

CommunNumerMethEng,2009

假肢的生物力學(xué)基礎(chǔ)

足部生物力學(xué)及其支撐設(shè)計(jì)康復(fù)醫(yī)學(xué)生物力學(xué)ArchPhysMedRehab,2005JBiomech,2005BiomedMaterialsEng,2006MedEngPhys,2008JRahebResDev,2004ClinBiomech,2005IEETTransNeurSysRehabEng,2006

整體眼變形加卸載曲線眼耳鼻咽喉生物力學(xué)水平半規(guī)管截面示意圖

眼球運(yùn)動(dòng)與前庭系統(tǒng)（功能）

互動(dòng)的生物力學(xué)研究不同旋轉(zhuǎn)速度刺激下內(nèi)耳流場壓強(qiáng)分布

NC(正常)組、SC(自身對照眼)組及LIM(凹透鏡誘導(dǎo)近視眼)組鞏膜成纖維細(xì)胞在恒負(fù)壓350Pa下吸入長度隨時(shí)間的關(guān)系生物材料與仿生力學(xué)蠶絲的多尺度力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系；提出了制備納米生物纖維的新方法。水黽腿的多級結(jié)構(gòu)與力學(xué)模型以水黽、荷葉為例，研究了材料表面浸潤性質(zhì)與表面結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；給出了超輸水的臨界條件并應(yīng)用于材料的仿生制備。Polymer,2005ApplPhysLett,2007J.ExperimentalBiology,2010Nanotechnology,2010Langmuir，2007AdvancedMater，2007PRE，2007Macromolecues,2010力學(xué)生物學(xué)

mechanobiologyShuChien

力學(xué)生物學(xué)（mechanobiology）是研究力學(xué)環(huán)境（刺激）對生物體健康、疾病或損傷的影響，研究生物體的力學(xué)信號感受和響應(yīng)機(jī)制，闡明機(jī)體的力學(xué)過程與生物學(xué)過程如生長、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)，促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與臨床研究的發(fā)展。力

血管重建力學(xué)生物學(xué)機(jī)制生物學(xué)效應(yīng)（血管活性物質(zhì)）心血管力學(xué)生物學(xué)研究

從基因－蛋白－細(xì)胞－器官－整體不同層次上綜合探討血管的“應(yīng)力-生長”關(guān)系，以血管重建（remodeling）為切入點(diǎn)，著眼于力學(xué)環(huán)境對心血管系統(tǒng)作用，闡明力學(xué)因素如何產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)(即血管活性物質(zhì)的變化）而導(dǎo)致血管重建，研究心血管信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和力學(xué)調(diào)控途徑；血管活性多肽的功能及其分子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制；尋找力學(xué)因素對心血管作用潛在的藥物靶標(biāo)或生物標(biāo)記物。細(xì)胞分子水平深入了解心血管活動(dòng)和疾病發(fā)生的本質(zhì)，為尋求防治心血管疾病的新途徑奠定力學(xué)生物學(xué)基礎(chǔ)。心血管力學(xué)生物學(xué)研究生物學(xué)實(shí)驗(yàn)（高通量生物檢測）計(jì)算分析建模（生物信息學(xué)）生物學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證力-血管蛋白質(zhì)組學(xué)（Mechano-proteomics）力學(xué)因素是血管重建（remodeling）的重要因素之一；蛋白質(zhì)組學(xué)是高通量的生物技術(shù)之一。力學(xué)因素通過哪些關(guān)鍵蛋白質(zhì)誘導(dǎo)或調(diào)控血管重建。

提取血管蛋白雙向電泳2DPlatinumSoftware

尋找差異點(diǎn)質(zhì)譜測定肽序列蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)定位及功能檢測新蛋白質(zhì)已知蛋白質(zhì)血管力學(xué)加載蛋白質(zhì)功能驗(yàn)證蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

A:normalshearstress(15dny/cm2)B:lowshearstress(5dny/cm2)2-DEResults

78proteinspotsdifferentlyexpressedbetweenlow-shear-stressandnormal-shear-stressculturedvessels69proteinspotshighlyoronlyexpressedinlow-shear-stress9proteinspotsinnormal-shear-stress基于蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)IPA構(gòu)建的、可能的應(yīng)力誘導(dǎo)血管重建信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)生物信息學(xué)分析質(zhì)譜鑒定蛋白質(zhì)beta-actinFE-3destrintransgelinRhoGDPdissociationinhibitor(GDI)alphaclathrynlightchain(LCA3)pyruvatedehydrogenase(lipoamide)betaMimecanprecursor(Osteoglycin)laminAectodysplasinAreceptor-associatedadapterproteintetratricopeptiderepeatprotein9tropomyosinbetahepatitisAviruscellularreceptor1protein-L-isoaspartate(D-aspartate)O-methyltransferase1annexinA4lysyloxidasePDGF-BB,TGFβ1,LaminA,lysyloxidase(LOX)extracellularsignal-regulatedkinases1/2(ERK1/2)

PDGF-BBandTGFβ1oncross-talkbetweenendothelialandsmoothmusclecellsinvascularremodelinginducedbylowshearstress

PNAS,2011生物學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證低切應(yīng)力誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞合成PDGF-BB和TGFβ1

RNA干擾實(shí)驗(yàn)細(xì)胞聯(lián)合培養(yǎng)平行平板流動(dòng)腔模式圖

低切應(yīng)力首先作用于ECs，增加其合成、釋放PDGF-BB和TGFβ1，而增加的PDGF-BB和TGFβ1具有不同生物功能：

ECs釋放的PDGF-BB可能參與了自身增殖、遷移以及細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子的調(diào)控；同時(shí)，通過旁分泌作用調(diào)節(jié)與其相鄰的VSMCS的PDGF-BB和TGFβ1的合成、細(xì)胞增殖、遷移及細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子激活;ECs釋放的TGFβ1參與了自身增殖、遷移能力的調(diào)控，對與其相鄰的VSMCs無明顯作用;VSMCs合成的PDGF-BB和TGFβ1，通過旁分泌作用反饋調(diào)節(jié)ECs。FunctionofRho-GDIalphainVSMCs張應(yīng)變不同加載幅度調(diào)控平滑肌細(xì)胞遷移、增殖CardiovascRes,2008JCellBiochem,2010Rho-GDIαphospho-Rac1phospho-p38張應(yīng)變平滑肌細(xì)胞遷移平滑肌細(xì)胞增殖Rho-GDIαRNA干擾Rac1RNA干擾Rho-GDIα參與張應(yīng)變調(diào)控平滑肌細(xì)胞遷移、增殖的細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路Rho-GDIα參與切應(yīng)力調(diào)控平滑肌細(xì)胞遷移的細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路低切應(yīng)力Rho-GDIαPhospho-Rac1phospho-Akt平滑肌細(xì)胞遷移Rho-GDIαRNA干擾Rac1RNA干擾Wortmannin內(nèi)皮祖細(xì)胞（endothelialprogenitorcells,EPCs）

骨髓、臍血、血管內(nèi)膜、脂肪組織、脾臟動(dòng)員、遷移、滾動(dòng)、黏附、分化內(nèi)膜修復(fù)、缺血性疾病、組織工程切應(yīng)力(shearstress,SS)MiR-34a對切應(yīng)力誘導(dǎo)的內(nèi)皮祖細(xì)胞分化的調(diào)控及其機(jī)制

JMolCellCardio,2014AdaptedfromAnkeny,etal.AmJPhysiolCellPhysiol,2012;303:C589-C591adhesiveEPCscirculatingEPCs

分化標(biāo)志ECmarkers，arterialECmarkers細(xì)胞功能tubeformation，NO/PGI2,Gu/ZnSOD信號通路integrinβ1/β3,F-actin/Ras,PI3K/Akt/mTORPI3K/Akt/SIRT1/ac-H3K9miRNAs?切應(yīng)力誘導(dǎo)EPCs向ECs分化（前期結(jié)果）切應(yīng)力對EPCs的miR-34a的表達(dá)作用？切應(yīng)力條件下miR-34a的分子靶標(biāo)？miR-34a及其分子靶標(biāo)對EPCs分化的作用？miR-34a是否參與了切應(yīng)力誘導(dǎo)的EPCs分化？miR-34awasinducedbyshearstressinEPCs.

SequencealignmentbetweenmiR-34aanditsputativebindingsitesinthehumanFoxj23‘-UTR.靶基因預(yù)測PicTar(),TargetScan()miRanda()EffectsofmiR-34amimicsonFoxj2expression

EffectsofmiR-34ainhibitoronFoxj2expressionFoxj2wasdecreasedbyshearstressinEPCs.

MiR-34a-Foxj2對EPCs分化的作用？SMCmarkersα-SMAsm22αcalponinsmmhcECmarkersKDRVE-cadherinvWFCD31MiR-34a

mimicsinhibitorFoxj2

overexpressionsiRNAsiRNA/DNA轉(zhuǎn)染分化指標(biāo)檢測EffectsofmiR-34amimicsonECmarkersexpressioninEPCsEffectsofmiR-34amimicsonVSMCmarkersexpressioninEPCs.

EffectsofmiR-34ainhibitoronECmarkersexpressioninEPCs.EffectsofmiR-34ainhibitoronSMCmarkersexpressioninEPCs.

Foxj2overexpressioninEPCs.EffectsofFoxj2overexpressiononECmarkersexpressioninEPCs

EffectsofFoxj2overexpressiononECmarkersexpressioninEPCs.Foxj2siRNAinEPCs.

EffectsofFoxj2siRNAonECmarkersexpressioninEPCs..EffectsofFoxj2siRNAonSMCmarkersexpressioninEPCs.

切應(yīng)力誘導(dǎo)miR-34a的表達(dá)，miR-34a促進(jìn)EPCs向ECs分化；切應(yīng)力抑制Foxj2的表達(dá)，F(xiàn)oxj2抑制EPCs向

ECs的分化；Foxj2是miR-34a的靶基因“應(yīng)力-生長”理論力學(xué)（微）環(huán)境化學(xué)（微）環(huán)境力學(xué)生物學(xué)機(jī)制生物學(xué)效應(yīng)醫(yī)療器械是提高醫(yī)療技術(shù)、服務(wù)人類健康的重要工具，也是衡量一個(gè)國家科技進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化水平的重要指標(biāo)。

生物力學(xué)與醫(yī)療器械植介入醫(yī)療器械占醫(yī)療器械總量的40%《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》國發(fā)〔2012〕65號2012年12月29日2009年11月2011年5月新的重大專項(xiàng)2014年3月需求背景在我國居城鄉(xiāng)居民主要疾病死亡率構(gòu)成中，心腦血管病占首位，約占40%；全國有心腦血管病患者2.9億，并持續(xù)增長。(《中國心血管病報(bào)告2013》，《2013中國衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)年鑒》)。

我國有超過7000萬骨質(zhì)疏松癥患者，近4000萬骨性關(guān)節(jié)炎患者。此外交通事故、運(yùn)動(dòng)損傷等創(chuàng)傷事故頻發(fā)。全國每年骨折治療有案可查的患者就達(dá)3000多萬人次。（《中國骨質(zhì)疏松骨折防治藍(lán)皮書2013》；中華骨傷學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)）植介入醫(yī)療器械的重要性血管介入治療（支架植入術(shù)和血管腔內(nèi)成形術(shù)）以及血管移植（人工血管或自體血管移植，含搭橋術(shù)）是臨床動(dòng)脈粥樣硬化等心腦血管疾病與動(dòng)脈瘤（含動(dòng)脈夾層）的常用治療手段。全世界每年有超過150萬人接受了冠脈血管支架植入術(shù)。我國2000萬心血管疾病患者中每年即需要上百萬套血管支架。骨質(zhì)疏松癥、骨性關(guān)節(jié)炎、交通事故、運(yùn)動(dòng)損傷患者都是骨植入體（人工關(guān)節(jié)、骨固定器械、骨種植體等）的潛在使用者。僅關(guān)節(jié)置換我國每年需要人數(shù)超過50萬(實(shí)際使用30余萬支)。無原始創(chuàng)新、缺核心專利，高端植介入體90%以上依靠進(jìn)口、價(jià)格高昂!現(xiàn)存問題血管支架/血管移植的血栓、增生與再狹窄問題新一代可吸收支架降解和強(qiáng)度控制可靠性與耐久性問題等晚期血栓再狹窄斑塊移植血管急性栓塞骨植入體無菌性脫落與骨溶解應(yīng)力遮擋及周圍骨質(zhì)疏松化

可吸收植入物的降解與強(qiáng)度控制

個(gè)性化植入體的設(shè)計(jì)

可靠性與耐久性問題等髖關(guān)節(jié)假體失效植入體導(dǎo)致骨質(zhì)疏松復(fù)雜力學(xué)環(huán)境對血管疾病的影響

PhysiologicalRreviews,

2011,

IF:26.866Prof.ShuChien美國國家科學(xué)院、工程院、醫(yī)學(xué)科學(xué)院、藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院院士、中科院外籍院士、美國UCSD教授血液流動(dòng)相關(guān)的力對血管形態(tài)和生理起決定性的作用，是動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生的關(guān)鍵因素M.A.Schwartz,NatureReviewsmolecularcellbiology,2009

IF:

39.123流動(dòng)剪切力調(diào)控血管生成PNAS,2014,111(22):7968–797353骨的組分和結(jié)構(gòu)是適應(yīng)于其主要承受載荷的。SeemanandDelmas,TheNewEnglandJournalofMedicine,2006骨微結(jié)構(gòu)與其力學(xué)性能強(qiáng)相關(guān)NatureReviewsRheumatology

2009,5:373–381

力學(xué)載荷對骨結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的維護(hù)有長期效果。JournalofBoneandMineralResearch,2014.力學(xué)刺激影響骨微結(jié)構(gòu)變化Annu.Rev.Biomed.Eng,2006,8:455-498

(5YearIF:14.566)德國解剖學(xué)家Wolff

(1869)

骨植入體必然引起局部生物力學(xué)環(huán)境的改變力學(xué)環(huán)境改變引起周圍骨組織的重改/重建植入體周圍宿主組織內(nèi)應(yīng)力分布不清（材料非線性、各向異性、跨尺度生物力學(xué)建模分析困難、在體測試?yán)щy等）近生理復(fù)雜應(yīng)力對骨細(xì)胞和骨組織的影響不清（缺乏相應(yīng)的力生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和系統(tǒng)）缺乏應(yīng)力與骨組織改重建關(guān)系的定量描述

尚缺乏應(yīng)力影響可降解內(nèi)植物降解和強(qiáng)度控制的定量化研究導(dǎo)致缺乏考慮生物力學(xué)與力學(xué)生物學(xué)因素的植入體設(shè)計(jì)和評價(jià)，影響植入體（包括個(gè)性化和可吸收植入體）的優(yōu)化、應(yīng)用和創(chuàng)新。植介入體必然引起局部生物力學(xué)環(huán)境的改變。力學(xué)環(huán)境改變是引起血管組織重構(gòu)的重要原因。支架周圍生物力學(xué)環(huán)境支架植入影響管壁應(yīng)力及血液流動(dòng)植介入體周圍局部血液流動(dòng)和傳質(zhì)特征不清（非線性脈動(dòng)流、流固耦合、跨尺度血流動(dòng)力學(xué)建模分析困難、在體測試?yán)щy等）近生理復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境對血管內(nèi)皮、平滑肌、心肌等細(xì)胞和血管組織的影響不清（缺乏相應(yīng)的力學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和系統(tǒng)）缺乏應(yīng)力與血管內(nèi)膜增生、狹窄、硬化等改重建關(guān)系的定量描述

尚缺乏應(yīng)力影響可降解內(nèi)植物降解和強(qiáng)度控制的定量化研究導(dǎo)致缺乏考慮生物力學(xué)與力學(xué)生物學(xué)因素的植介入體設(shè)計(jì)和評價(jià)，影響植介入體（包括可吸收和個(gè)性化植介入體）的優(yōu)化和應(yīng)用。

在“植介入體材料對細(xì)胞組織的影響”研究領(lǐng)域開展較多的工作，但在“植介入體與宿主組織相互作用的生物力學(xué)與力學(xué)生物學(xué)”研究領(lǐng)域相對薄弱。缺乏跨組織/細(xì)胞層次植介入體與宿主組織相互作用的生物力學(xué)建模仿真、近生理狀態(tài)下體外模擬實(shí)驗(yàn)研究沒有系統(tǒng)開展植介入體與宿主組織相互作用的“跨細(xì)胞-組織層次”的力-細(xì)胞生物學(xué)、及力-組織改重建關(guān)系的研究缺乏基于植介入體與宿主組織相互作用的生物力學(xué)與力學(xué)生物學(xué)考量的植介入體設(shè)計(jì)和評價(jià)方法關(guān)鍵科學(xué)與核心技術(shù)問題植介入體與宿主組織相互作用的生物力學(xué)與力學(xué)生物學(xué)需要新的跨尺度生物力學(xué)仿真、體外實(shí)驗(yàn)?zāi)M技術(shù)力學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)：可模擬生理復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境核心技術(shù)科學(xué)問題在地球上人體所有系統(tǒng)功能均與地球重力相適應(yīng)肌肉系統(tǒng)骨骼系統(tǒng)循環(huán)系統(tǒng)神經(jīng)系統(tǒng)免疫系統(tǒng)

生物力學(xué)與航空航天工程

載人航天器發(fā)射與返回、艦載機(jī)的起飛與降落、海洋油氣資源的開發(fā)與利用等國家重大生產(chǎn)和科研探索以及災(zāi)害救援中，航天員、飛行員、潛水員及救援人員等處于高G（超重）、高壓及過載等極端力學(xué)環(huán)境中，對人體的各器官系統(tǒng)會(huì)造成極大損傷，嚴(yán)重威脅著人類的健康和安全。

外界信息獲得方式變化體液重新分布耳石反應(yīng)異常航天性貧血太空輻射的影響承重骨/肌肉丟失壓力/觸覺感覺異常腎結(jié)石的潛在危險(xiǎn)性體液頭向分布太空環(huán)境下61航天特殊環(huán)境對人體及行為的影響失重高低溫真空輻射有毒氣體噪聲等動(dòng)脈硬化、靜脈和毛細(xì)血管脆性和通透性增加，心臟工作能力和潛力下降。心血管系統(tǒng)急性缺氧、太空減壓病、氣壓性損傷、胸悶。呼吸系統(tǒng)熱交換能力，體溫調(diào)節(jié)機(jī)制，高低溫耐受能力不同程度下降。熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)骨密度下降2%~23%，肌肉萎縮，力量下降1/3。肌肉骨骼航天員出現(xiàn)錯(cuò)覺，視力降低5%~40%，顏色亮度的感覺下降21.6%~25%，記憶下降。認(rèn)知能力水空氣食物廢物處理溫度空氣壓力濕度空氣流速環(huán)境條件保障物質(zhì)條件保障人類離開賴以生存的地球如何實(shí)現(xiàn)在太空長期生存？現(xiàn)有的攜帶式和物理化學(xué)再生式的生命保障系統(tǒng)均不能滿足長期載人空間活動(dòng)的需求。只有生物再生生命保障技術(shù)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)氧氣、水、食物的循環(huán)再生，為人類提供類似地球生態(tài)環(huán)境的生命保障。建立空間站、月球基地等必須發(fā)展該技術(shù)微生物動(dòng)物溫度空氣壓力濕度空氣流速電磁場放射線重力場植物空間環(huán)境與植物-動(dòng)物-微生物間、生物之間的交互與協(xié)同作用規(guī)律尚不明確，機(jī)制尚不清楚。我國極端缺乏相關(guān)的研究。迫切需要探索空間環(huán)境-生物交互與協(xié)同規(guī)律載人航天器發(fā)射與返回過程中，宇航員承受正加速度可達(dá)到5～8G，負(fù)加速度值為4～5G，而異常情況應(yīng)急返回時(shí)著陸沖擊瞬時(shí)達(dá)30G，在飛船應(yīng)急逃逸過程中航天員將承受8～15G，甚至更高的超重作用；現(xiàn)代高性能戰(zhàn)斗機(jī)，如航母艦載機(jī)起降，飛行員經(jīng)受短期沖擊性高G載荷，第三、四代戰(zhàn)機(jī)產(chǎn)生高達(dá)9～12G的高加速度，持續(xù)時(shí)間45s，造成飛行員頸椎、脊柱以及顳頜關(guān)節(jié)損傷，威脅飛行安全。美軍太平洋艦隊(duì)F/A-18艦載戰(zhàn)斗機(jī)飛行員頸椎疼痛發(fā)生率高達(dá)74%。高G（超重）力學(xué)環(huán)境的影響海洋國土資源維護(hù)、石油與天然氣的勘探及開發(fā)、水下考古、潛水艇遇難時(shí)的救援，使得人類必須直接面臨高壓（靜水壓）環(huán)境。目前，潛水最深可達(dá)534m，實(shí)驗(yàn)室可達(dá)701m；水下（深海）壓力很大，每下降10m，就要多承受1個(gè)大氣壓，靜水壓（1～7.5MPa）可促進(jìn)干細(xì)胞軟骨向分化；有報(bào)道，905名采集貝殼類海洋生物潛水員中有467名潛水員患有骨壞死。高壓力學(xué)環(huán)境的影響各種高強(qiáng)度的軍事行動(dòng)、體育運(yùn)動(dòng)以及災(zāi)害救援等非戰(zhàn)爭軍事行動(dòng)，使得人們處于過載的力學(xué)環(huán)境下；長時(shí)間高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和跛行等產(chǎn)生過度負(fù)荷，可導(dǎo)致應(yīng)力性骨折。我軍應(yīng)力性骨折約占平時(shí)軍事訓(xùn)練傷的16～30%。美軍戰(zhàn)爭狀態(tài)下的訓(xùn)練傷高達(dá)30%；過載下骨組織產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致骨吸收，伴隨編織骨形成，高周期性張應(yīng)變下，成骨細(xì)胞增殖受抑制。過載力學(xué)環(huán)境的影響離心式高G加載機(jī)和直線式高G加載平臺(tái)高壓模擬裝置過載加載平臺(tái)離心式加載平臺(tái)直線式加載平臺(tái)高壓模擬裝置過載加載裝置建立載荷強(qiáng)度與損傷程度、骨形成及骨吸收的關(guān)系；在體骨組織內(nèi)成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞生長、分化和功能狀態(tài)研究；骨組織重建規(guī)律及機(jī)制研究。在體骨組織加載小動(dòng)物跑臺(tái)熒光標(biāo)記基因芯片2D電泳離體骨組織內(nèi)部應(yīng)變分布熒光標(biāo)記納米壓痕數(shù)字圖像應(yīng)變測量跳傘著陸的生物力學(xué)軍事跳傘損傷成因民用跳傘損傷成因損傷部位發(fā)生率頭：2%上肢：5%胸：2%脊柱：11%髖/大腿：5%膝關(guān)節(jié)：18%小腿：11%踝關(guān)節(jié)：36%足：11%Ekeland.Injury.1997;28:219-222JBoneJointSurgBr1987;69:17-9模擬半蹲式跳傘著陸足踝生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究下肢肌電活動(dòng)性分析下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)分析——髖、膝、踝地面反力分析對半蹲式跳傘著陸動(dòng)作進(jìn)行了分析研究著陸運(yùn)動(dòng)中踝關(guān)節(jié)生物力學(xué)雙側(cè)非對稱性HumanMovementScience.2011,30(3):614-623.

模擬半蹲式跳傘著陸踝關(guān)節(jié)

生物力學(xué)性別差異性

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