生物固体力学

　　生物固体力学（biosolid mechanics），生物力学的一个分支，以构成生命体的各种生物固体，如骨、软骨、肌肉、血管、皮肤及各种器官等为研究对象，利用连续介质力学、多相介质力学、断裂力学、损伤力学和流变学等力学基本原理，结合生理学、医学和生物学来研究生物体特别是人体的功能、生长、消亡及运动的规律的生物力学分支。生物固体力学大体上可分为3个分支，即骨力学、软组织力学和器官力学。

　　骨力学　研究骨组织和骨骼结构在外界作用（力、电、磁、热等）下的力学性态，研究骨受力后的瞬时效应和远期效应，以及活骨发育、生长、吸收和消亡的力学机制。骨是各向异性的，但一般认为骨可以视作横观各向同性体。现在对各类骨的宏观、细观力学性质及本构关系已有相当多的成果，但对其动力特性，特别是高应变率(见应变)下的损伤机理还很不清楚。活骨的重建力学是骨力学的核心。早在1884年，J.沃尔夫就提出了一个重要的假说，通常称为沃尔夫定律：骨在需要的地方就生长，不需要的地方就吸收。即骨的生长、吸收、重建都与骨的受力状态有关。这个重要的思想指出了力学与生命的联系，因此，在沃尔夫之后，人们一直为这一论断寻求理论的和实验的验证。已开始研究骨细胞是怎样接受力学信息及作出相应响应的机理。骨中应力对骨折愈合有重要作用。关节力学的研究已有很多临床应用成果。

　　软组织力学　冯元桢于1989年证明，活的软组织是非线性赝弹性的，即其应力-应变关系是非线性的，其粘弹性是赝弹性的，它或许有明显的滞后环，但相当稳定，对应变率的变化也不敏感。在实验的基础上，他给出了有普遍意义的软组织的本构方程。但对特殊状态下生物组织的本构关系尚知之甚少，如对高应变率下软组织的损伤机理尚不了解。冯元桢提出的血管的应力-生长定律，为研究软组织的生长与应力的关系奠定了基础。活组织中的应力和应变状态随时间变化，这就给确定活组织的“瞬时状态”带来极大困难。因此，寻找确定活组织的零应力状态和残余应力的新理论，是软组织力学研究的一个重要方向。

　　器官力学　器官主要由软组织构成。各种器官都有其独特的功能，是生命体内相对独立的部分，如肺、心、肾、子宫等体内脏器及感觉器官如眼、耳、鼻等。器官力学旨在揭示各种器官行使其生理功能的力学机理，为此必须建立器官的本构模型，用以解释和预示器官中应力、应变及相应的功能变化。子宫有独特的变形能力。在孕期的末期，子宫及宫颈中大部分是结缔组织，使子宫有良好的顺应性。1975年已提出了一个轴对称的薄壁梨形的子宫力学模型，建立了应变、曲率半径、位移及体积间的关系。肺的早期研究多限于观察压力-体积关系，近年来才力图了解肺组织作为一种材料的力学特性，尽管已有相当多的成果，但由于各种实验大都要伤及组织，整肺的试验又要利用不尽合理的形态模型，故设计更精巧的实验是必要的。心脏是整个循环系统的动力源。早期的研究注意整体心脏的原功能。较晚的研究实质上是研究肌肉力学的方法，其基本思路是先搞清单根心肌的力学特性，然后综合得到整个心脏腔室的力学性能。人类对感觉器官的了解尚少。研究最多的是眼和耳。对眼球运动和眼组织的宏观力学性质已有一定认识，但还缺乏精确的整体眼器官的本构模型。对耳，则有了耳蜗和前庭器的流体弹性模型，但尚缺少完美的细观描述。