生物流體的力學(xué)性質(zhì)課件

1、生物醫(yī)學(xué)工程主講教師 陳 俊 英Email:第二章 生物力學(xué) 本部分主要介紹：生物力學(xué)概論，分子生物力學(xué)，細(xì)胞生物力學(xué)，組織生物力學(xué)，器療力學(xué)，系統(tǒng)力學(xué)，人與環(huán)境生物力學(xué)，以及生物流體力學(xué)等。 2.1 生物力學(xué)概論 2.2 生物力學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ) 2.3 活組織的力學(xué)性質(zhì) 2.4 肌肉力學(xué)基礎(chǔ) 2.5 血液流變學(xué)導(dǎo)論 2.6 心臟力學(xué) 2.7 血液循環(huán)的力學(xué)規(guī)律 2.8 呼吸力學(xué) 2.9 器官力學(xué)的幾個(gè)方面 2.10 應(yīng)力和生長 2.1 生物力學(xué)概論一、歷史源流 生物力學(xué)興起于二十世紀(jì)60年代中、后期。實(shí)際上，人們對生命運(yùn)動(dòng)的力學(xué)問題的研究可以追溯到古希臘亞里士多德時(shí)代。伽里略（15641642）

2、測量心率。 （用單擺長度來表征心搏周期）哈維（15781658）測定心室容量，并算出 每小時(shí)內(nèi)心臟搏出的血液的流量。GABorelli（1680年）提出了關(guān)于動(dòng)物肢體 的力學(xué)模型。牛頓（1700年）測定了動(dòng)脈和靜脈的血壓。笛卡爾提出一個(gè)包括神經(jīng)活動(dòng)在內(nèi)的動(dòng)物模 型，試圖用力學(xué)的方法概括生命運(yùn)動(dòng) 規(guī)律。在發(fā)展史上：L.Euler提出了關(guān)于脈搏在動(dòng)脈內(nèi)傳播的基本方程；T.Young建立了關(guān)于聲帶發(fā)聲的彈性力學(xué)理論， （論述了脈搏波傳播的速度和動(dòng)脈血管彈性關(guān)系。）J.Poiseuille觀測了血液流過毛細(xì)血管時(shí)的阻力。S.Hales測量了馬的動(dòng)脈血壓和動(dòng)脈血管的膨脹特性。A.Krogh建立了微循環(huán)的

3、力學(xué)模型，并獲諾貝爾獎(jiǎng)。A.V.Hill研究了肌肉收縮規(guī)律。 18世紀(jì)以來：直到20世紀(jì)60年代，生物力學(xué)才真正興起。 興起的標(biāo)志將力學(xué)和生物學(xué)（生理學(xué)、解剖學(xué)等） 有機(jī)結(jié)合。二、生物力學(xué)興起的背景和需要 （1）動(dòng)脈粥樣硬化總發(fā)生在動(dòng)脈彎曲、分枝部位（顯然與血流動(dòng)力因素有關(guān)）； （2）癌腫藥物治療效率不高的根源是病灶部位藥物輸運(yùn)的生理障礙； （3）腰背痛等常見病與日常生活工作姿勢等相關(guān)。 生物力學(xué)的興起是以現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的需要和生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展為背景的。認(rèn)識疾病的需要，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的需要，例如：上述現(xiàn)象，需要了解為什么？三、生物力學(xué)所涉及的主題 （一）以人（高等哺乳動(dòng)物）的生命運(yùn)動(dòng)為核心的

4、生物力學(xué)生物力學(xué)的主體。背景與目標(biāo)：醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、體育、人-機(jī)工效等。該主題包括如下內(nèi)容。 骨和軟骨； 軟組織（韌帶、腱、皮膚、血管等）； 肌肉力學(xué)（骨胳機(jī)、心肌、平滑?。?血液流變學(xué)（全血、血漿、血細(xì)胞、凝血、血栓等）； 血液微流變學(xué)； 臨床血液流變學(xué)； 體液的粘彈性（關(guān)節(jié)滑液、粘液等）； 人工代用材料。1. 活組織的力學(xué)性質(zhì)生物流變學(xué) 器官、組織的功能、應(yīng)用和生長（骨重建、零應(yīng)力狀態(tài)和殘余應(yīng)力）； 肺力學(xué)； 心臟力學(xué)（人工瓣膜，左心輔助泵）； 顱腦脊柱力學(xué)； 運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)力學(xué)（人工關(guān)節(jié)，假肢） ； 感覺器官力學(xué)（耳蝸力學(xué)）。2. 器官力學(xué) 大血管流體力學(xué)； 微循環(huán)力學(xué)； 毛細(xì)血管組織間

5、質(zhì)的物質(zhì)輸運(yùn)； 淋巴流動(dòng)； 組織間質(zhì)液的流動(dòng)； 左心室動(dòng)脈血液相互作用； 肺血流； 冠脈血流動(dòng)力學(xué)； 腎臟內(nèi)部的血循環(huán)； 肝血流； 腦血流。3. 循環(huán)動(dòng)力學(xué) 上呼吸道流體力學(xué)； 氣管樹內(nèi)氣流的阻力及其分布； 末梢支氣管內(nèi)的對流擴(kuò)散； 氣血交換； 高頻、低潮氣量呼吸術(shù)。4. 呼吸力學(xué) 蠕動(dòng)流； 可癟管流動(dòng)。5. 泌尿流動(dòng) 心血管系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)； 呼吸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)； 體液平衡系統(tǒng)分析。 6. 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 體育運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。 7. 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué) 職業(yè)生物力學(xué)； 人-機(jī)工效學(xué)。 8.人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)生物力學(xué) 細(xì)胞膜的力學(xué)性質(zhì)； 原生質(zhì)流動(dòng)； 應(yīng)力對細(xì)胞形態(tài)、生長、功能的影響。 9. 細(xì)胞力學(xué) 器官的組織沖擊

6、損傷的機(jī)理和耐限； 軟組織的創(chuàng)傷和愈合； 骨折及其愈合。10.創(chuàng)傷力學(xué) （二）綠色植物生物力學(xué)具有很大的吸引力，但目前做得不多。 背景與目標(biāo)：農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)工程、生存環(huán)境工程等。 該主題包括如下內(nèi)容。2. 植物組織和機(jī)體的力學(xué)性質(zhì) 3. 聲波對植物生長的影響4. 植被流體動(dòng)力學(xué)5. 農(nóng)業(yè)工程中的生物力學(xué)問題。 蒸騰流和易位流； 植物的呼吸； 土壤滲流和根系吸收。1. 綠色植物的生理流動(dòng) （三）生物技術(shù)和生物化學(xué)工程中的流體力學(xué)問題正在崛起。 背景與目標(biāo)：從實(shí)驗(yàn)室（生物技術(shù)）到產(chǎn)業(yè)（生物化學(xué)工程）的?；?、放大，生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行的優(yōu)化，高效的分離，純化技術(shù)，生物處理過程的自動(dòng)控制和在線檢測，空間

7、制藥等等。 該主題包括如下內(nèi)容。1. 生物反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)，傳質(zhì)和傳熱；2. 應(yīng)力對細(xì)胞、微生物生長和功能的影響；3. 生物制品分離過程中的流體力學(xué)問題；4. 流動(dòng)應(yīng)力對生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的影響。 （四）動(dòng)物的運(yùn)動(dòng) 背景與目標(biāo)：仿生工程技術(shù)，生物學(xué)中一些理論問題的定量分析等。 該主題包括如下內(nèi)容。1. 鳥類和昆蟲的飛行；2. 水生動(dòng)物的游泳力學(xué)（泳動(dòng)模式的進(jìn)化和形態(tài)演變）；3. 微生物的運(yùn)動(dòng)；4. 陸生物的運(yùn)動(dòng)。 由上可見，生物力學(xué)的內(nèi)容是非常寬、非常廣的。2.2 生物力學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)一、運(yùn)動(dòng)和力 對于生命現(xiàn)象所涉及的以位移為特征的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，即使是細(xì)胞、亞細(xì)胞、組織，仍屬于牛頓力學(xué)的范疇。 牛頓

8、第一定律： 式中，如果則V不變，勻速直線運(yùn)動(dòng)。牛頓第三定律： 作用力和反作用力大小相等，方向相反。 牛頓第二定律： 式中，如果則V改變，加速度運(yùn)動(dòng)。二、剛體動(dòng)力學(xué)在生物力學(xué)中的應(yīng)用 剛體動(dòng)力學(xué)基本方程： （剛體：系統(tǒng)內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的距離在運(yùn)動(dòng)過程中保持不變） 式中： m 質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量； a 加速度； -慣量矩(i=j)或慣量積(ij)； 外力的合力； 剛體旋轉(zhuǎn)角速度； 質(zhì)點(diǎn)相對于質(zhì)心的向量； （1）用來研究人在走、跑、跳躍、負(fù)重、操作等運(yùn)動(dòng)過程中人體整體以及各肢體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以改進(jìn)動(dòng)作，提高效率如體育運(yùn)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)化； （2）人在各種姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)、操作等過程中，各肢體、關(guān)節(jié)的受力情況，是作力學(xué)分析（比

9、如應(yīng)力和應(yīng)變的分布、應(yīng)力和組織生長的關(guān)系等）的前提，也在衛(wèi)生保健、人工關(guān)節(jié)和人造肢體的研制和設(shè)計(jì)等方面有重要意義。 上述剛體動(dòng)力學(xué)基本方程在生物力學(xué)中是很有用的。 基于上述剛體動(dòng)力學(xué)基本方程的應(yīng)用，可以幫助建立力學(xué)模型。但是，模型的建立往往是十分困難的。例如： 例1：Nachemson和Elfstrom(1970年)用微型壓力傳感器測量了一個(gè)體重70kg的人，在不同姿態(tài)和操作下腰椎了椎間盤上的載荷和受力問題(下頁表格)。發(fā)現(xiàn)不合理的舉重動(dòng)作，使腰椎的負(fù)荷劇增，達(dá)正常情況2倍以上，而人在大笑時(shí)腰椎所受的力為體重的2倍有余。盡管如此，建立肌肉腱韌帶系統(tǒng)作用的脊柱力學(xué)模型仍很困難。 高性能BioWa

10、re Performance系統(tǒng)高性能動(dòng)作分析系統(tǒng)姿態(tài)椎間盤載荷姿態(tài)椎間盤載荷仰臥50kg仰臥起床140kg仰臥牽引30kg35kg大笑150kg站立100kg向前彎腰20150kg直坐、背不靠托140kg向前彎腰20,并雙手各負(fù)重10kg215kg步行115kg舉重20公斤，背直膝彎185kg扭轉(zhuǎn)120kg舉重20公斤，背彎膝直390kg側(cè)彎125kg屈膝蹲起練習(xí)210kg咳嗽140kg兩足分開屈膝蹲起205kg跳躍140kg俯身拱腰180kg例2： J.P.Panl(1970年)測量了水平步行時(shí)人的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的平均載荷隨著步長身高比的變化，發(fā)現(xiàn)步行時(shí)髖、膝關(guān)節(jié)所承受的載荷要比人的體重大

11、得多（由于相關(guān)肌群的收縮作用）。可見，由于肌肉的收縮作用，在建立力學(xué)模型時(shí)，復(fù)雜性提高了很多。三、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基本知識 剛體實(shí)質(zhì)上不存在，在外力作用下，物體形狀總會(huì)發(fā)生變化。 連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的描述： （1）Lagrange方法： （2）Euler方法： 速度和加速度由2部分組成。（此法常用）速度： 當(dāng)?shù)厮俣龋?空間速度變化： 加速度： 當(dāng)?shù)丶铀俣龋?遷移加速度： 四、生物流體力學(xué)基礎(chǔ) 例：新陳代謝運(yùn)動(dòng)的基本單元是細(xì)胞。 “嘴”、“肛門”-不斷吸取同化作用所需的原料。不斷排除異化作用的廢物?！澳c胃”、“血管”-依靠生物體內(nèi)不同層次、不同系統(tǒng)的流體運(yùn)動(dòng)來維持的?！凹?xì)胞”-細(xì)胞質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和通過細(xì)胞膜的物

12、質(zhì)輸運(yùn)，為細(xì)胞的代謝活動(dòng)創(chuàng)造了穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。 呼吸系統(tǒng)吸O2消化系統(tǒng)攝取營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)送到各器官、組織泌尿系統(tǒng)排廢物呼吸系統(tǒng)排廢氣。N.Winner(維納)說：“生命系統(tǒng)維持其穩(wěn)態(tài)的條件是相當(dāng)苛刻的。”上述生命運(yùn)動(dòng)的維持，是和生物體內(nèi)部體液的流動(dòng)密切相關(guān)。 顯然，要了解生命現(xiàn)象的規(guī)律，必須掌握流動(dòng)過程的規(guī)律，特別是生命體內(nèi)體液的流動(dòng)規(guī)律。人體重量其它60%是液體36%的體液存在于細(xì)胞之中45%為血液11.5%分布于組織細(xì)胞間質(zhì)中（一）生理流動(dòng)的不同層次 1. 細(xì)胞和亞細(xì)胞層次；包括：原生質(zhì)流動(dòng)（細(xì)胞內(nèi)各種生化過程）； 細(xì)胞膜的流動(dòng)性和力學(xué)行為； 細(xì)胞膜的輸運(yùn)過程； 應(yīng)力對細(xì)胞生長、形態(tài)、功能

13、和超微結(jié)構(gòu)的影響。2. 組織層次；包括：（1）穿過毛細(xì)血管壁的流體運(yùn)動(dòng)； （2）組織間質(zhì)內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)； （3）淋巴流動(dòng)； （4）組織分泌液的流動(dòng)。3. 循環(huán)系統(tǒng)層次；（以心臟為核心是生物流體力學(xué)的研究主題） 包括：（1）心臟血液動(dòng)力學(xué)； （2）大血管流體動(dòng)力學(xué)； （3）以微循環(huán)為核心的器官血流動(dòng)力學(xué)； （4）微循環(huán)流體動(dòng)力學(xué)； （5）心血管系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。 4. 呼吸系統(tǒng)內(nèi)的氣體運(yùn)動(dòng)； 包括：（1）呼吸道內(nèi)的空氣流動(dòng)； （2）小支氣管里氣體的對流和擴(kuò)散； （3）肺泡和毛細(xì)支氣管在氣-血界面上的物質(zhì)交換； （4）呼吸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。5. 泌尿系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)； 包括：（1）毛細(xì)血管-腎小球、腎小管之間的流體

14、運(yùn)動(dòng)； （2）輸尿管內(nèi)的蠕動(dòng)流。6. 消化系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)（胃、腸蠕動(dòng)等）；7. 體液的平衡（酸堿離子濃度等的平衡）。 （二）流體力學(xué)的基本原理 質(zhì)量定恒定律： 流入的流體=流出的流體動(dòng)量守恒定律： 密度流動(dòng)加速度壓力梯度流體剪應(yīng)力的空間變化率（散度）單位體積流體所受之重力。能量守恒定律： 進(jìn)口壓力任意截面（X）上的壓力 密度比重（x處與進(jìn)口處的高度差）密度（從進(jìn)口到x處流體內(nèi)能的變化率）從進(jìn)口到x處的摩擦損失。 三大守恒定律（應(yīng)用到流體力學(xué)）：（三）流體力學(xué)的基本方程 （1）連續(xù)方程： （2）運(yùn)動(dòng)方程 ： 若流體不可壓縮且均質(zhì)，連續(xù)性方程為：（上式是簡化的方程，實(shí)際上獲得它是據(jù)質(zhì)量守恒有積分等推

15、導(dǎo)。） -應(yīng)力張量 P -流體密度 -單位質(zhì)量流動(dòng)所受的體積力 （該式來自于較復(fù)雜的推導(dǎo)，包括高等數(shù)學(xué)、流體力學(xué)等。） （3）能量方程 ： E單位質(zhì)量流體的內(nèi)能； Q單位時(shí)間內(nèi)單位體積流體從外界接受的熱量； k介質(zhì)熱傳導(dǎo)系數(shù)； T絕對溫度。 （該式來自于較復(fù)雜的推導(dǎo)，包括高等數(shù)學(xué)、流體力學(xué)等。） 上述三個(gè)方程中，應(yīng)用于實(shí)際的生理流動(dòng)問題時(shí)太復(fù)雜，需簡化。 如何簡化？要結(jié)合生物學(xué)、生理學(xué)和解剖學(xué)的知識。 所以，生物流體力學(xué)有自己獨(dú)特的方法學(xué)體系，而不是流體力學(xué)在生命現(xiàn)象中的簡單應(yīng)用。2.3 活組織的力學(xué)性質(zhì) 生物組織一般分為硬組織（骨、牙等）、軟組織和體液三大類。 一、骨的力學(xué)性質(zhì) 與工程材料相

16、近，可用材料試驗(yàn)機(jī)研究其力學(xué)性質(zhì)。 可見：（1）干骨變脆（無塑性變形）；（2）骨的應(yīng)變很小，0.0040.012；（3）在比例極限以下，密質(zhì)骨可以看作是胡克彈性體： ，E為楊氏模量。 關(guān)于骨的力學(xué)性質(zhì)，很多人都做過實(shí)驗(yàn)。所有實(shí)驗(yàn)都表明： 骨的強(qiáng)度因物種、年齡、性別、骨的部位、載荷方向、應(yīng)變率而異。 圖手畫二、軟組織的力學(xué)性質(zhì) 從內(nèi)臟到皮膚，大部分屬于軟組織。以下以舉例的方式來說明軟組織力學(xué)性質(zhì)的一般特點(diǎn)： 例1：例2：圖手畫圖手畫A：軟組織力學(xué)性質(zhì)的共同性： 在生理范圍內(nèi)，各種軟組織都有應(yīng)力應(yīng)變滯后環(huán)、應(yīng)力松馳和蠕變現(xiàn)象，因而都是粘彈性材料，而且是高度非線性的。小結(jié)：B：軟組織力學(xué)性質(zhì)的區(qū)別：

17、 在無損傷條件下的各軟組織的最大應(yīng)變各不相同。超出各自的應(yīng)變范圍，組織將屈服而被破壞。例如： 在生理范圍內(nèi)：腸系膜的應(yīng)變可達(dá)100-200%； 輸尿管可伸長60%； 靜息心肌可伸長約15%； 動(dòng)脈和靜脈血管達(dá)60%； 肌腱則為2-3%。 三、血管的力學(xué)性質(zhì) （一）動(dòng)脈血管的力學(xué)性質(zhì) 目前：一維拉伸實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)線性粘彈性本構(gòu)關(guān)系”、“二維擬彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系”有一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但尚無規(guī)律性結(jié)論，因?yàn)楫?dāng)選擇參數(shù)多時(shí)，模型任意性大，而選擇的參數(shù)少時(shí)，無明顯物理意義，易誤入歧途。（二）靜脈血管的力學(xué)性質(zhì) 類同于動(dòng)脈血管的認(rèn)識。（三）微血管的力學(xué)性質(zhì) 微動(dòng)脈、微靜脈的力學(xué)性質(zhì)極其復(fù)雜。目前知之甚少。因具體器官、

18、組織而相異性很大。四、關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)性質(zhì) 關(guān)節(jié)軟骨是由少量細(xì)胞，固相基質(zhì)和間質(zhì)液（主要是水占75%）組成的。 亦是多孔復(fù)合材料，（膠原纖維65%+蛋白聚糖25%+糖蛋白10%）。 在應(yīng)力作用下，液體可在基質(zhì)中流出或流進(jìn)，因此軟骨的力學(xué)性質(zhì)隨基質(zhì)內(nèi)液體含量的多少而變化。另外，環(huán)境化學(xué)條件（液體中的離子濃度等）對關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)性質(zhì)也有影響。五、生物流體的力學(xué)性質(zhì) 研究最多的是血液血液流變學(xué)。 2.4 肌肉力學(xué)基礎(chǔ) 已作了多方面的探索，但總的說來沒有什么新突破，進(jìn)展也不盡如人意。參考書中（生物力學(xué)導(dǎo)論）介紹了骨骼肌、心肌和平滑肌的力學(xué)性質(zhì)方面的研究結(jié)果。 自學(xué)2.5 血液流變學(xué)導(dǎo)論 人血是細(xì)胞在電解

19、質(zhì)和非電解質(zhì)水溶液中的懸浮液體。 紅細(xì)胞：含量5106個(gè)/mm3，比重1.10，58m， 雙凹餅狀。 白細(xì)胞：含量5000-8000個(gè)/mm3 ，直徑大于紅細(xì)胞， 約10m 血小板：含量約2.5-3105個(gè)/mm3 ，24m，鐵餅狀。一、血液的流變特性 頭號殺手：心腦血管疾病和惡性腫瘤，其發(fā)生發(fā)展都與血液 流變有關(guān)。其他：休克、糖尿病、燒傷、血液病等，也有血液流變性質(zhì) 的改變。 1. 血漿的粘度 1963年，Merrill測量血漿粘度，認(rèn)為是非牛頓流體。 后來發(fā)現(xiàn)：是血漿與空氣接觸的自由表面上血漿蛋白形成薄膜所致。 因此，血漿是牛頓流體。但其粘度受溫度和血漿成分（尤其血漿中的蛋白質(zhì)）的影響：溫

20、度的影響：厘泊; ; 蛋白質(zhì)濃度（c.g/ml）的影響：經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： 式中，2. 血液的粘性 當(dāng)把血液看作均質(zhì)流體的靜態(tài)流變行為時(shí)， i. 分析大血管（圖）流動(dòng)時(shí)，血液為牛頓流體；用于進(jìn)一步評價(jià)是合理的； ii. 分析人體內(nèi)的1010根微血管（圖）時(shí)，血管直徑與紅細(xì)胞直徑同量級，此時(shí)，實(shí)際上已非均質(zhì)流體，至少應(yīng)看作兩相流體。 因此，血液流變的非牛頓特性，主要來源于紅細(xì)胞，以及它和血液其它組分之間的相互作用。 二、紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)和變形 1. 紅細(xì)胞的幾何形狀：58m2. 紅細(xì)胞沉降血沉 ，靜息時(shí)因重力而沉降。 紅細(xì)胞沉降與紅細(xì)胞聚集伴生。3. 紅細(xì)胞的可變形性 （1）紅細(xì)胞聚集血漿生物化學(xué)性質(zhì)改變，

21、是血液流變性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)； （2）紅細(xì)胞可變形性是血液流變性質(zhì)的另一個(gè)重要參數(shù)。 圖-手畫紅細(xì)胞的功能： 把機(jī)體組織細(xì)胞代謝活動(dòng)所必需的O2輸送到機(jī)體各組織和器官，同時(shí)帶走代謝的產(chǎn)物CO2，并在肺內(nèi)排出CO2，吸取O2，從而使生命活動(dòng)維持。功能的實(shí)現(xiàn)： 紅細(xì)胞必須穿越機(jī)體各組織、器官的毛細(xì)血管。（人體脾臟毛細(xì)血管（圖）直徑3m）。 結(jié)果： 紅細(xì)胞在通過這些毛細(xì)血管時(shí)形狀必須改變。 （觀察發(fā)現(xiàn)：腸系膜組織的毛細(xì)血管里，紅細(xì)胞從雙凹碟形變?yōu)椤巴闲毙危植可扉L比達(dá)200%。） 紅細(xì)胞易變形的原因 它的結(jié)構(gòu)和形態(tài) 結(jié)構(gòu)：紅細(xì)胞無細(xì)胞核，由細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)（主要是血紅蛋白）構(gòu)成。質(zhì)中的血紅蛋白是晶體

22、，且為液晶。因此，紅細(xì)胞的變形主要決定于細(xì)胞膜的力學(xué)性質(zhì)。 形態(tài)：雙凹碟形是O2擴(kuò)散的最佳形狀，紅細(xì)胞膜很薄，彎曲剛度比抗張能力低得多，雙凹碟形旋轉(zhuǎn)體的表面具有許多可貼曲面，可以變?yōu)榉N種可貼曲面而不撕裂、不拉伸或折疊。 4. 紅細(xì)胞膜的力學(xué)性質(zhì) 取決于膜的微結(jié)構(gòu)（如骨架蛋白，雙層脂膜的構(gòu)造等）以及各組元間的相互作用。5. 紅細(xì)胞聚集 取決于以下四種作用的相互制約和平衡： （1）大分子的橋聯(lián)作用：血漿中纖維蛋白原、血漿球蛋白作為媒介； （2）靜電作用； （3）紅細(xì)胞變形：（戊二醛固化處理的紅細(xì)胞在血漿中不會(huì)聚集）； （4）流體動(dòng)力的作用：使紅細(xì)胞相互接近或接觸、變形等，并可能激活細(xì)胞膜甚至血紅蛋

23、白。 白細(xì)胞的兩種狀態(tài)： （1）靜息狀態(tài)，無外力作用呈球形，在外力作用下可變形； （2）能動(dòng)狀態(tài)，即使無外力白細(xì)胞也會(huì)自動(dòng)變形，形成原足。三、白細(xì)胞的流變行為 白細(xì)胞性質(zhì)：不同于紅細(xì)胞，它有核、線粒體和其他 細(xì)胞器，力學(xué)行為更復(fù)雜。（一）白細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì) 1. 靜息狀態(tài)下白細(xì)胞的粘彈性（彈性系數(shù)k，粘性系數(shù)） （1）溫度變化（9-40C）時(shí)，k不變，隨T而減?。?（2）pH值變化時(shí)（5.4-8.4），pH 可使 ； （3）滲透壓增大時(shí)，k和均以指數(shù)形式增長。 （圖為用微管吸吮法測量的能動(dòng)狀態(tài)下白細(xì)胞主體和原足的力學(xué)性質(zhì)）2. 能動(dòng)狀態(tài)下，白細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì) 能動(dòng)狀態(tài)下，白細(xì)胞會(huì)自動(dòng)變形生出原足，

24、原足呈片狀，被細(xì)胞膜包圍，但足內(nèi)只有細(xì)胞質(zhì)，無細(xì)胞器。白細(xì)胞主體和原足的力學(xué)性質(zhì)：圖手畫白細(xì)胞主體：是粘彈性體，有明顯蠕變原足：是彈性體，蠕變極小，剛度 比主體細(xì)胞大上述區(qū)別的原因： 原足與主體化學(xué)成分不同，原足形成時(shí)白細(xì)胞的動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)將連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理和肌動(dòng)蛋白等大分子以及Ca+的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程結(jié)合起來。 可見，細(xì)胞力學(xué)的發(fā)展要求把力學(xué)原理和細(xì)胞內(nèi)的生化過程結(jié)合起來。 （二）白細(xì)胞在微血管里的流變行為 1. 在微血管流動(dòng)中白細(xì)胞與紅細(xì)胞的相互作用白細(xì)胞的趨邊性。 白細(xì)胞體積大，剛度大，呈球形，其運(yùn)動(dòng)阻力比紅細(xì)胞大，運(yùn)動(dòng)速度低于紅細(xì)胞，這使得白細(xì)胞向管壁偏移，即“趨邊性”。 2. 白細(xì)胞的粘

25、附白細(xì)胞與血管內(nèi)皮細(xì)胞的相互作用 趨邊的白細(xì)胞有可能粘附于血管壁，與血管內(nèi)皮細(xì)胞相互作用而形成一個(gè)共同接觸區(qū)。實(shí)驗(yàn)表明，白細(xì)胞粘附常發(fā)生于微靜脈血管中。一旦粘附發(fā)生，微血管有效通道面積減少，血流阻力將顯著增大。3. 白細(xì)胞在毛細(xì)血管里的運(yùn)動(dòng) 由于白細(xì)胞呈球形，直徑大于紅細(xì)胞，且剛度較大，故白細(xì)胞變形而進(jìn)入毛細(xì)血管所需時(shí)間約為同樣流動(dòng)條件下紅細(xì)胞所需時(shí)間的1000-2000倍。很小，則很小，所以很大。 白細(xì)胞在變形的同時(shí)，將毛細(xì)血管和進(jìn)口段擴(kuò)張成錐形。錐角。圖手畫 在的作用下，可能如下： （1）在白細(xì)胞與毛細(xì)血管壁之間形成-血漿潤滑層，白細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞不直接接觸，不存在粘附問題。可使用紅細(xì)胞-管

26、壁相互作用理論，并應(yīng)用相應(yīng)的流動(dòng)阻力規(guī)律。 （2）白細(xì)胞運(yùn)動(dòng)速度很低，相應(yīng)的血漿潤滑層厚度太薄，不足以維持其穩(wěn)定，則血漿潤滑層破壞，白細(xì)胞與內(nèi)皮層直接接觸而發(fā)生粘附。這時(shí)毛細(xì)血流局部滯止。 四、血小板功能行為的流變學(xué)問題 （一）血小板的活性與流變學(xué)因素 血小板比紅細(xì)胞、白細(xì)胞小得多，正常狀態(tài)下（靜息狀態(tài)）為兩面微凸圓盤。因此： （1）靜息狀態(tài)下，血小板對于血液的流變特性影響甚微。 （2）當(dāng)血小板激活時(shí)（比如凝血）血小板的活動(dòng)性和功能行為對血液的流變特性影響甚巨。 Platelet Activation Pathways血小板性質(zhì)： 極敏感的細(xì)胞 發(fā)生一系列活化反應(yīng)： i. 粘附反應(yīng)血小板粘附于

27、血管壁或其它異物的特性。ii. 變形反應(yīng)當(dāng)血小板從靜息狀態(tài)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)時(shí)，形狀將發(fā)生急劇變化。iii. 釋放反應(yīng)活化了的血小板釋放出它所含的物質(zhì)。iiii. 聚集反應(yīng)活化了的血小板能通過相互作用而聚集成團(tuán)的特性。目前研究的集中點(diǎn)粘附變形釋放+釋放變形PlateletAdrenalineCollagenGPIbvWFGPIIb/IIIa (CD41)ADPEndotheliumGpIIb/IIIa (CD41)P-selectinCD62PFibrinogenPlatelet Activation Pathways聚集變形粘附不同生物材料不同生物材料不同生物材料 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影響血小板聚集反應(yīng)

28、的最重要的流變學(xué)因素是流動(dòng)切變率。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影響血小板活性的重要因素是血小板受剪應(yīng)力作用的時(shí)間。 關(guān)于上述“聚集反應(yīng)活化了的血小板能通過相互作用而聚集成團(tuán)的特性?！钡难芯窟M(jìn)展： 血液流動(dòng)過程中，血小板總是在靠近管壁的區(qū)域里運(yùn)動(dòng)，真正影響血小板聚集的，是壁面切應(yīng)力或壁面切變率。 例1：壁面切變率時(shí)，血小板聚集潛伏期時(shí)間隨 而延長； 壁面切變率時(shí)，LDH、ADP、ATP等含量不變； 壁面切變率時(shí)，LDH、ADP、ATP等有所上升； 壁面切變率時(shí)，ADP引起的血小板聚集被迅速抑制。 可見，切變率既能激發(fā)血小板活性，又能損傷與破壞血小板的構(gòu)造。LDH、ADP、ATPLDH：乳酸脫氫酶 Lacti

29、c dehydrogenaseADP：腺苷二磷酸 Adenosine diphosphateATP：三磷酸腺苷/腺苷三磷酸 Adenosine triphosphate 例2：剪應(yīng)力時(shí)，血漿5HT含量明顯上升； 剪應(yīng)力時(shí)，血漿LDH活性增大，血小板溶解，血小板數(shù)量急劇減少。 （二）凝血過程中血液的粘彈性 凝血過程復(fù)雜的多因子（13種因子）綜合過程，涉及一系列生化反應(yīng)和多種物理、化學(xué)、生物等作用。I. 在多種因子作用下，形成組織促凝血酶原激酶的形成；II. 凝血酶原活化變?yōu)槟?；III. 纖維蛋白原在凝血酶的作用下變?yōu)槔w維蛋白單體，進(jìn)而經(jīng)XIII因子和Ca+作用，聚合成為纖維蛋白聚合物，形成網(wǎng)

30、絡(luò)結(jié)構(gòu)。 分三個(gè)階段：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 3

31、CrosslinkedFibrin MeshworkF XIIIaF XIIIF VF VaF VIIIaF VIIIThe Clotting Cascade 因子（凝血酶原）凝血酶血小板因子（纖維蛋白原）纖維蛋白 因子a因子因子Ca+磷脂因子（血漿凝血活酶成分）a 因子aCa+因子（血漿凝血活酶前質(zhì)）aCa+ 因子（接觸因子）a內(nèi)源性凝血系統(tǒng) 表面接觸因子 + 組織液Ca+外源性凝血系統(tǒng)組織損傷自動(dòng)催化凝血系統(tǒng)示意圖 優(yōu)化的Ti-Ta-O薄膜與LTIC動(dòng)物體內(nèi)埋植后的SEM照片（17天） Ti-Ta-O薄膜 LTICabcd經(jīng)兔腹主動(dòng)脈埋植后的表面改性與未改性血管支架表面形態(tài)a、c. Ti-

32、O表面改性 (a.10周、c. 20周) b、d. 未表面改性 (b.10周、d. 20周) 白血球紅血球血小板血 栓纖維蛋白內(nèi)皮細(xì)胞a紅血球纖維蛋白b血小板c血栓及其形成的示意圖 a. 血管內(nèi)形成血栓 b.血栓組成 c. LTIC表面的血栓 血液在凝血過程中的粘彈性（來自陶祖萊的研究結(jié)果）：圖手畫 由圖可見凝血過程可分為三個(gè)階段：時(shí), 劇增，凝血過程開始， 時(shí)，G線出現(xiàn)拐點(diǎn)。.均很小，凝血尚未開始。2.趨于0，即接近3.三個(gè)圖的區(qū)別及影響因素分析如下。 t0凝血起始時(shí)間 時(shí)間常數(shù)， tc凝血過程中與由上升變?yōu)橄陆档霓D(zhuǎn)變時(shí)間。 陶祖萊用下列關(guān)系來描述血液在凝血過程中的粘彈性行為：上圖區(qū)別： P

33、PP的粘彈性行為取決于纖維蛋白原； PRP與PPP的粘彈性區(qū)別取決于血小板的作用； WB與PRP、PPP的區(qū)別歸因于紅細(xì)胞的影響。 （上圖中）其影響表現(xiàn)如下： （1）從粘彈性行為變化方面看出，凝血起始時(shí)間（t0）因紅細(xì)胞存在而推遲了，血小板的數(shù)量對于凝血起始時(shí)間沒多大影響，主要取決于血小板的活性和纖維蛋白原。 （2）凝血過程中（反映粘性）的弛豫時(shí)間主要決定于纖維蛋白原，血小板的數(shù)量對它沒有什么影響。但紅細(xì)胞的存在使顯著增大。彈性模量 的弛豫時(shí)間卻主要是由血小板的含量所決定的。 （3）時(shí)間常數(shù)主要決定于纖維蛋白原。 （4）對于血凝體的剛度（）和粘性（）來說，起主導(dǎo)作用的是血小板（數(shù)量和活性）。而

34、紅細(xì)胞的作用似乎是“摻沙子”，它使 和 均有所下降。五、血液的本構(gòu)方程 （一）血液流變學(xué)的三個(gè)基本事實(shí) 1. 在準(zhǔn)靜態(tài)（定常流動(dòng)）下，血液的粘性行為是非線性的，且有屈服應(yīng)力； 2. 在動(dòng)態(tài)（非定常流動(dòng)）條件下，血液是粘彈性流體； 3. 當(dāng)紅細(xì)胞直徑（Dc）與流場特征尺度（Dt）相比不是非常小，血液流動(dòng)的“非連續(xù)性效應(yīng)”就會(huì)顯示出來。這時(shí)，血液流變特性決定于紅細(xì)胞和邊界的相互作用，依賴于血液流動(dòng)的具體的邊界條件。因此，它因具體的器官、組織的具體構(gòu)造而異。 （二）血液粘彈性本構(gòu)關(guān)系的研究現(xiàn)狀 1. 簡單“記憶”流體積分型本構(gòu)方程其中，式中： 應(yīng)變的歷史 偏應(yīng)力 “記憶”函數(shù) Green應(yīng)變 應(yīng)變率

35、張量 流動(dòng)速度場 應(yīng)力松弛函數(shù)2. 功能模型3. Oldroyd方程4. Huangs方程 自學(xué) 就以上述的血液流動(dòng)速度場為例，血液流速是一個(gè)“較容易”測定的參數(shù)了（其它很難測），但仍因不同血管和位置而有很大區(qū)別。測定也較難。 下面介紹一個(gè)測量方法。超聲多普勒法是怎樣測量血液流動(dòng)的?1842年德國一位名叫多普勒的數(shù)學(xué)家。一天，他正路過鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過，他發(fā)現(xiàn)火車從遠(yuǎn)而近時(shí)汽笛聲變響，音調(diào)變尖，而火車從近而遠(yuǎn)時(shí)汽笛聲變?nèi)酰粽{(diào)變低。他對這個(gè)物理現(xiàn)象感到極大興趣，并進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)這是由于振源與觀察者之間存在著相對運(yùn)動(dòng)，使觀察者聽到的聲音頻率不同于振源頻率的現(xiàn)象，這就是頻移現(xiàn)象

36、。因?yàn)槭嵌嗥绽帐紫忍岢鰜淼?，所以稱為多普勒效應(yīng)。超聲多普勒法是怎樣測量血液流動(dòng)的? 為了檢查心臟、血管的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，了解血液流動(dòng)速度，可以通過發(fā)射超聲來實(shí)現(xiàn)。由于血管內(nèi)的血液是流動(dòng)的物體，所以超聲波振源與相對運(yùn)動(dòng)的血液間就產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。血管向著超聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射波的波長被壓縮，因而頻率增加。血管離開聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射波的波長變長，因而在單位時(shí)間里頻率減少。反射波頻率增加或減少的量，是與血液流動(dòng)速度成正比，從而就可根據(jù)超聲波的頻移量，測定血液的流速。 我們知道血管內(nèi)血流速度和血液流量，它對心血管的疾病診斷具有一定的價(jià)值，特別是對循環(huán)過程中供氧情況，閉鎖能力，有無紊流，血管粥樣硬化等均能提供有價(jià)值的

37、診斷信息。2. 心臟力學(xué) 一、心臟的形態(tài) 四個(gè)腔室（左右心房、左右心室） 四個(gè)瓣膜（二、三尖瓣向下，主肺動(dòng)脈向上） 4根動(dòng)/靜脈管（肺動(dòng)、靜脈，主動(dòng)脈和上/下腔靜脈）二、心臟的構(gòu)造和功能構(gòu)造和功能見下頁圖。四個(gè)腔室（左右心房、左右心室）四個(gè)瓣膜（二、三尖瓣向下，主肺動(dòng)脈向上）主動(dòng)脈瓣三尖瓣二尖瓣肺動(dòng)脈瓣二三 由于左心室負(fù)荷較高，故二尖瓣、主動(dòng)脈瓣更易病變。4根動(dòng)/靜脈管（肺動(dòng)、靜脈，主動(dòng)脈和上/下腔靜脈）（一）心電過程 心肌細(xì)胞收縮需要電信號，使所有細(xì)胞同時(shí)收縮。 （主要產(chǎn)生于右心房的竇房結(jié)。）（二）心搏過程 心肌受到心電刺激后收縮。要解釋： 1. 心室射血流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)阻力很小，從而溶血、凝血

38、以至血栓形成的可能性才??； 2. 充盈過程中心室內(nèi)的血液流動(dòng)情況； 3. 心臟及心瓣血液流動(dòng)模擬的相似問題。三、心臟和心瓣的流體力學(xué)問題4. 心臟瓣膜關(guān)閉的流體力學(xué)機(jī)理健康人的瓣膜是極巧妙的裝置，打開時(shí)它們對流動(dòng)的阻力極小，而在很小的壓力差下立即關(guān)閉，回流量很小，不到5%，為什么？ 瓣膜膠原纖維構(gòu)成，其底座和環(huán)架也是纖維組織，沒有肌肉，瓣膜無主動(dòng)收縮的能力，開閉受流體流動(dòng)控制。 開啟心室/心房壓力引起； 關(guān)閉在射血后期由于流動(dòng)減速，產(chǎn)生逆壓梯度，使關(guān)閉。目前在解釋上述幾個(gè)問題時(shí)已獲得一些進(jìn)展和較正確的認(rèn)識。四、心臟的力學(xué)模型和泵功能 左心與動(dòng)脈系統(tǒng)之間，左心系統(tǒng)和右心系統(tǒng)之間。五、心臟與血管系

39、統(tǒng)的相互作用六、人造心臟瓣膜的生物力學(xué)問題自動(dòng)調(diào)節(jié)？（運(yùn)動(dòng)態(tài)/靜息態(tài)）自學(xué)2. 血液循環(huán)的力學(xué)規(guī)律 一、動(dòng)脈系統(tǒng)的阻力分布和分枝形態(tài)二、可變形管道內(nèi)的定常流動(dòng)三、動(dòng)脈血管里的脈動(dòng)流和脈搏波四、脈搏波在動(dòng)脈血管系統(tǒng)里的傳播五、大動(dòng)脈里的流動(dòng)六、靜脈血管里的流動(dòng)七、微循環(huán)力學(xué)八、肺血流的力學(xué)規(guī)律 自學(xué)2. 呼吸力學(xué) 一、呼吸道內(nèi)的空氣流動(dòng) 呼氣結(jié)束呼吸肌放松肺彈性平衡肺內(nèi)氣體靜止（無宏觀遷移），(此時(shí)，肺內(nèi)空氣容量稱為功能余積（FRC），約為肺總體積的一半。)eg1:身高為1.7m的人，F(xiàn)RC610-3 m3 呼吸肌收縮胸腔體積增大肺膨脹口鼻吸空氣（外部空氣和胸膜空隙的壓差，由肺彈性復(fù)力及血管系統(tǒng)

40、氣流阻力平衡） 呼吸肌放松肺體積縮小廢氣排出 eg2:平靜呼吸，一次吸入氣量0.4510-3 m3 人肺交換膜面積約70m2，構(gòu)成3108個(gè)肺泡，肺泡間為肺毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)。肺毛細(xì)血流呈片狀，厚約7m，而交換膜厚約23m.。 Weibel(1963年)對5個(gè)正常人肺的呼吸道系統(tǒng)的幾何形態(tài)做了系統(tǒng)測量，表明： （1）從大氣管開始（當(dāng)作0級），整個(gè)氣管系統(tǒng)，都是一分為二，兩兩分支的； （2）016級只起氣體運(yùn)輸作用，可看作導(dǎo)管，第16級為末梢支氣管； （3）1723級，氣管壁周圍都附著有肺泡，為呼吸區(qū)，第23級終端為肺泡。?呼氣吸氣實(shí)現(xiàn)O2CO2 （一）呼吸道的阻力 呼氣流的阻力規(guī)律不同于吸氣流，因?yàn)?/p>

41、二者流動(dòng)方向相反。 （1）呼氣流每級支氣管的流動(dòng)阻力： PV阻力/粘性壓力降 流體密度 u0流速 l氣管長 d氣管直徑 Re雷諾數(shù)， （2）吸氣時(shí)的流動(dòng)阻力PV阻力 流量平均速度L氣管長Q總流量（二）上呼吸道里的流動(dòng) 上呼吸道鼻、口、喉、氣管 形狀復(fù)雜，因?yàn)橐m應(yīng)多種功用(空氣調(diào)節(jié)裝置-濕化，凈化空氣，嗅覺，味覺等） 多處隆起 出現(xiàn)湍流、射流等，呼氣與吸氣時(shí)雷諾數(shù)Re區(qū)別較大。 （三）呼吸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為 （了解/自學(xué)）二、支氣管里的對流擴(kuò)散 新空氣陳肺氣，如何進(jìn)行，換氣效率？ V平均流速擴(kuò)散特征尺度（長度）D擴(kuò)散系數(shù) 對流-擴(kuò)散過程的控制參數(shù) i. ，對流作用與擴(kuò)散作用相比可以忽略不計(jì) 例

42、在終端肺泡里，氣體宏觀運(yùn)動(dòng)速度趨于0，對流很小，可看作純擴(kuò)散。ii. ，擴(kuò)散作用可以不考慮 例 在大支氣管，流速高，氣體組元輸運(yùn)為主（對流）iii. 對于17-22級支氣管，兩者的作用相當(dāng)，即對流和擴(kuò)散 兩種機(jī)制同時(shí)起作用。三、肺泡內(nèi)氣體的擴(kuò)散 在細(xì)支氣管、肺泡管、肺泡與血液進(jìn)行交換的區(qū)域中，流動(dòng)不起作用，O2、CO2和N2在肺泡中主要是以分子擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)。 末梢細(xì)支氣管處氣體所充盈的空間：175cm3 肺泡處氣體所充盈的空間：4800cm3在肺泡壁處，薄膜兩側(cè)CO2、O2存在濃度差，氣體與血液在此迅速地進(jìn)行交換。O2、CO2濃度大幅變化新鮮空氣靜脈血液O2分壓10040CO2分壓046N2分壓610624總壓710mmHg710mmHg肺膜吸氣過程中肺泡膜兩側(cè)的氣體分壓 擴(kuò) 散四、肺泡和毛細(xì)血流之間的氣體交換 肺泡與毛細(xì)血管壁之間有一薄層水樣組織液。 整個(gè)氣體交換過程包括下列步驟： （1）通過肺泡膜的氣體（純）擴(kuò)散； （2）間隙液薄層內(nèi)的氣體擴(kuò)散； （3）通過肺毛細(xì)血管壁的氣體交換； （4）肺毛細(xì)血管內(nèi)氣體在血漿中的對流擴(kuò)散； （5）通過紅細(xì)胞膜的擴(kuò)散； （6）紅細(xì)胞內(nèi)