文彬 鄧鑫

生物力學(xué)成為一門獨立學(xué)科，雖然在20世紀(jì)60年代才出現(xiàn)，但它所涉的內(nèi)容，卻是古老的話題。伽利略利用擺長模擬人的脈搏率，用與脈搏合拍的擺長來表達脈搏率，希爾因肌肉力學(xué)的研究成就獲得諾貝爾獎等，這些科研成果的取得均與力學(xué)模型密切相關(guān)。近年生命工程學(xué)(基因材料學(xué)、組織工程學(xué)，電子信息學(xué)等)廣泛應(yīng)用于生物力學(xué)、科學(xué)、可靠的生物力學(xué)模型在醫(yī)學(xué)研究應(yīng)用等領(lǐng)域獲得了更加廣闊的發(fā)展前景，推動生物醫(yī)學(xué)工程邁向新高度。

一、生物固體力學(xué)研究走向微觀化

生物力學(xué)在醫(yī)學(xué)研究的誕生尤側(cè)重生物固體力學(xué)研究，該領(lǐng)域目前仍備受關(guān)注。骨關(guān)節(jié)組織是人體最大的固態(tài)物質(zhì)，研究力學(xué)改變對骨關(guān)節(jié)生長、發(fā)育、重建的影響意義重大，我國在該領(lǐng)域取得了豐碩的成果。Wang等［1］應(yīng)用CT計算機三維重建技術(shù)，分析了中國南方正常人群的下肢力線，為定制型人工膝關(guān)節(jié)假體模型的安裝和設(shè)計提供了理論依據(jù)。Guo等［2］通過建立精細(xì)的腕管三維有限元應(yīng)力分析模型，分析了腕橫韌帶的生物力學(xué)特性，通過計算分析腕管松解術(shù)對腕骨運動的影響，為腕管綜合征的臨床手術(shù)、術(shù)后康復(fù)等提供了相關(guān)可靠的實驗數(shù)據(jù)。目前生物力學(xué)已成為口腔正畸醫(yī)學(xué)的重要理論及臨床技術(shù)基礎(chǔ)，近年三維有限元分析及計算機輔助設(shè)計與制造(CAD/CAM)技術(shù)得以在口腔微種植支抗的定位中發(fā)展，預(yù)示口腔正畸學(xué)走向微觀化，廣泛應(yīng)用于隱形矯治器制造，為臨床應(yīng)用微種植釘支抗移動牙齒提供了可靠實驗依據(jù)，使得正畸治療進入一個更加舒適、美觀、快捷、有效、安全的時代［3，4］。此外眼部的微觀力學(xué)研究也得到進一步發(fā)展，Huang等［5］通過研究眼部力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)蝕變的膠原蛋白在房水流出過程中會改變周圍器官組織及增加房水流出阻力，導(dǎo)致眼內(nèi)壓(IOP)的波動，結(jié)果發(fā)現(xiàn)膠原蛋白的突變在原始青光眼的發(fā)病中扮演重要角色。

二、微觀生物力學(xué)模型的構(gòu)建是近期研究焦點

1．生物流體力學(xué)研究經(jīng)久未衰:生物流體力學(xué)的研究可追溯到17世紀(jì)，英國生理學(xué)家哈維根據(jù)流體力學(xué)中的續(xù)性原理，從理論上論證了血液循環(huán)的存在。生理學(xué)家黑爾斯測量了馬的動脈血壓，解釋了心臟泵出的間歇流如何轉(zhuǎn)化成血管中的連續(xù)流，引進了外周阻力概念。當(dāng)前血液流變學(xué)的發(fā)展特點，即從原來側(cè)重血液黏度與血漿黏度的觀點轉(zhuǎn)為重視血液、血流與血管壁的相互作用等微觀生物力學(xué)［6，7］?；诖藯罱鹩械龋?］通過三維重構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)了真實人體主動脈弓模型的血流動力學(xué)數(shù)值模擬分析，運用計算流體力學(xué)研究方法獲得了主動脈弓內(nèi)血流在心動周期內(nèi)不同時刻的壁面壓力、流線分布、壁面切應(yīng)力等血流動力學(xué)參數(shù)，最終確立的三維模型為進一步研究血流動力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。流體剪切力對血管壁的形態(tài)及功能結(jié)構(gòu)具有重要影響已經(jīng)得到較多證實［9，10］。因此，構(gòu)建此方面的力學(xué)模型，將對研究血管的重朔及血管生物反應(yīng)器起著重要作用。黃艷等［11］通過研究流體剪切應(yīng)力與心肌細(xì)胞裂解液聯(lián)合應(yīng)用對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞心肌向分化的影響，結(jié)果表明剪切應(yīng)力與心肌細(xì)胞裂解液聯(lián)合應(yīng)用可誘導(dǎo)BMSCs分化為心肌樣細(xì)胞，為科研和臨床應(yīng)用提供種子細(xì)胞，有助于今后生物反應(yīng)器的合理設(shè)計。姜宗來［12］通過對高血壓和低切應(yīng)力誘導(dǎo)下的血管重建研究也取得了巨大碩果，得出低切應(yīng)力可能通過抑制Rho－GDI alpha在平滑肌細(xì)胞(VSMCs)的表達，促進VSMCs遷移和凋亡，從而誘導(dǎo)血管重建。通過對流體力學(xué)的微觀研究，從更深層次上揭示正常生理活動及疾病的發(fā)病機制，為研究微循環(huán)系統(tǒng)疾病開拓新的思路。

2．細(xì)胞力學(xué)－信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制成為當(dāng)前微觀力學(xué)研究核心:細(xì)胞是生命活動的基本單元，研究細(xì)胞力學(xué)行為，核心研究細(xì)胞感受力學(xué)刺激(細(xì)胞黏附、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制和變形)，并且將力學(xué)刺激傳遞和轉(zhuǎn)化為化學(xué)信號和生物學(xué)效應(yīng)，使之適應(yīng)環(huán)境改變成為近期研究的焦點［13］。Gautam 等［14］研究發(fā)現(xiàn)跨膜蛋白整合素在細(xì)胞黏附斑內(nèi)是一種對力敏感的蛋白，較細(xì)微的力學(xué)失衡均會導(dǎo)致蛋白構(gòu)型改變，通過影響自身活性和親和力，從而改變細(xì)胞－細(xì)胞、細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)之間的黏附行為。Hu等［15］研究了細(xì)胞間的間隙連接和ATP在鈣傳遞過程中的作用，運用微模式化及流動腔對細(xì)胞施加流體剪切力的方法，結(jié)果胞間間隙連接并非胞間鈣傳遞的必需路徑，此類模型的研究成果加深了對細(xì)胞鈣響應(yīng)及信號傳遞的理解?；诹W(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方式，有報道在力學(xué)環(huán)境改變下，離子通道蛋白構(gòu)型也隨之改變，最終影響到細(xì)胞力敏感離子通道及離子通道對離子的傳導(dǎo)率，最終使離子順利通過離子通道，實現(xiàn)力信號向化學(xué)信號的轉(zhuǎn)化，進而完成生物力學(xué)行為［16］。

三、構(gòu)建生理特性的力學(xué)模型是今后發(fā)展方向

微觀生物力學(xué)模型的發(fā)展為生物力學(xué)的發(fā)展帶來了新契機，但單細(xì)胞、單基因的微觀力學(xué)研究仍是主導(dǎo)，較少綜合考慮機體生理狀況及力學(xué)環(huán)境的影響。因此建立宏觀表征和微觀過程相統(tǒng)一，綜合考慮社會、心理、環(huán)境因素的整體－系統(tǒng)動力模型，考察其功能狀態(tài)成為今后發(fā)展的任務(wù)。骨科移植技術(shù)在此領(lǐng)域處于前沿，目前復(fù)合骨移植替代物在動物實驗及臨床中已得到廣泛應(yīng)用［17，18］。雖然與自體骨皮質(zhì)移植物仍存在一定差距，目前沒有哪種復(fù)合骨移植替代物可以完全將骨生長因子、促成骨細(xì)胞、移植骨支架和骨的生物力學(xué)作用融合，但復(fù)合骨移植替代物模型在構(gòu)建過程中考慮了移植骨的誘導(dǎo)性(形成新骨的能力)，骨傳導(dǎo)性(新骨的支架)，成骨作用(成骨細(xì)胞來源)等正常骨的生理特性，復(fù)合骨移植替代物所存在缺陷正慢慢得到解決，相信今后定能構(gòu)建出合乎人體骨性特征、生物相容性好及生物力學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的復(fù)合骨替代物。國際上數(shù)字化虛擬模型人的建立正成為世界強國研究焦點，其將生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究的精細(xì)定量化與力學(xué)的模型數(shù)字化有機結(jié)合，構(gòu)建完整的人體生物力學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以模仿人體的各種運動行為和操作行為，當(dāng)前國際研究已經(jīng)從物理人階段步入了生理人階段，其較好的融入了部分人體生理特性的元素，建立了具有特定生理功能的數(shù)字化人模型［19］。這個模擬平臺將會不斷完善、成熟，成為國內(nèi)外發(fā)展的方向標(biāo)。近年來所開展的的不同應(yīng)力對骨髓間質(zhì)干細(xì)胞心肌向、骨向分化的力學(xué)模型正是利用組織工程反應(yīng)器、細(xì)胞力學(xué)實驗技術(shù)及一系列細(xì)胞力學(xué)實驗系統(tǒng)，模擬近生理脈動流及動脈組織為主的生理力學(xué)環(huán)境，研制了可提供近生理力學(xué)環(huán)境的心肌組織工程反應(yīng)器及動－靜態(tài)壓縮－剪切灌注的軟骨組織工程反應(yīng)器的力學(xué)模型［20］。這些力學(xué)模型研究的一個趨勢化正是沿著建立一個可具人體生理特性的智能型空間生物艙平臺發(fā)展，而且這方面的研究必將成為世界研究趨勢。

四、力學(xué)模型不足及解決方案

生物力學(xué)模型終究是探討生物體的力學(xué)性質(zhì)與其功能特點之間的關(guān)系。人作為一個特殊生命體，易受組織代謝及所生存的力學(xué)環(huán)境諸多因素調(diào)控。而細(xì)胞生長于多種胞外基質(zhì)包繞的微環(huán)境中，研究表明細(xì)胞微環(huán)境的力學(xué)性質(zhì)對細(xì)胞的結(jié)構(gòu)或功能都具有較大的影響［21］。因此模型的構(gòu)建仍存在眾多不足之處，而且不同時期，不同生理、病理狀態(tài)下，生物力學(xué)模型也將發(fā)生改變，甚至在研究結(jié)果上會產(chǎn)生相互矛盾的結(jié)論。我們要克服這種缺陷，就要在構(gòu)建具有生物活性的力學(xué)模型中，模型參數(shù)的確定均要遵循力學(xué)的基本規(guī)律及生理規(guī)律，在特定的力學(xué)環(huán)境中進行多次實驗、反復(fù)觀察、仔細(xì)分析，抓住問題的本質(zhì)，做出正確的優(yōu)化設(shè)計方案，用趨向人體生理狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)去驗證生物力學(xué)模型。

當(dāng)前力學(xué)對機體的調(diào)控機制尚未完全明確，而且力學(xué)建模仍處于探索階段，也沒有一套完整的理論和成熟的技術(shù)路線，但生物組織器官的生長、重建與力學(xué)環(huán)境改變密切相關(guān)已得到公認(rèn)，創(chuàng)建具有生理特性的力學(xué)模型正得到國內(nèi)外極大的關(guān)注，給我們揭示生命現(xiàn)象的奧秘，了解人體生長、發(fā)育、正常生理活動及各種疾病的病因及發(fā)病機制提供重要的指導(dǎo)意義。

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