为了解生物力学研究的基础与前沿发展趋势，交流最新研究成果，促进我国生物力学领域的青年学者成长，培养学科后备人才，由国家自然科学基金委员会数理科学部主办、上海交通大学承办的“生物力学高级讲习班”在上海举办。编者组织参与讲习班讲学的部分专家以讲习班的讲稿为基础撰写了这本专著。作者们结合自己多年研究实践，详细介绍了我国生物力学学科领域在心血管、骨关节、正畸、修复、康复工程、肿瘤以及眼科等方面的研究成果。这些生物力学的基础知识和前沿进展将对已从事或将要从事生物力学研究的年轻学者是极好的参考。
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生物力学是应用于生物学的力学。 生物力学探索的了解生命系统的力学。 绝大多数生物力学工作的目的是为了丰富生命系统的基本知识并对其进行某种人为干涉。 ——Y.C.Fung（冯元桢）
生物力学是研究生命体运动和变形的学科，主要通过生物学与力学原理方法的有机结合，认识生命过程的规律，解决生命与健康领域的科学问题。20世纪70年代末，在现代生物力学的创始人冯元桢（YC Fung）先生的大力推动和热情关怀下，生物力学作为一门新兴的交叉学科在我国起步。
20世纪80年代以来，我国一批力学、物理学、医学以及生物学工作者加入到生物力学研究行列中，建立了我国的生物力学基地和研究团队。研究领域主要有：1.生物流变学：主要涉及胆道（肝脏）流变学、血液流变学、细胞流变学以及活血化瘀的流变学效应等；2.心血管生物力学与血流动力学：主要涉及心脏力学、心瓣力学与人工心瓣、血管力学特性、血流分析与模拟、脉搏波传播以及临床心血管工程等；3.骨关节生物力学：主要涉及颅脑损伤力学、骨折愈合力学以及骨应力遮挡效应、人工关节、颞颌骨/关节力学、口腔正畸、修复、种植体力学等。此外，还包括了呼吸力学、软组织力学、药代动力学等方面的研究。这些工作的开展、积累和成果为我国生物力学的发展做出了重要贡献。
近10年来，随着现代科学技术的发展，生物力学研究逐渐深入到细胞分子水平，形成了新的研究领域——力学生物学。力学生物学是研究力学环境（刺激）对生物体健康、疾病或损伤的影响，研究生物体的力学信号感受和响应机制，阐明机体的力学过程与生物学过程如生长、重建、适应性变化和修复等之间的相互关系，从而发展有疗效的或有诊断意义的新技术。我国力学生物学研究起步较好，目前在细胞分子力学、血管力学生物学、骨力学生物学以及组织工程等方面取得了一批具有国际水平的成果，而且正在逐渐深入发展。此外，我国生物力学还在发展医学工程的新概念和新方法，提供新的临床诊治仪器和装备，促进新药设计、筛选与开发等方面做出了重要贡献。
为了解生物力学研究的基础与前沿发展趋势，交流最新研究成果，促进我国生物力学领域的青年学者成长，培养学科后备人才，由国家自然科学基金委员会数理科学部主办、上海交通大学承办的“生物力学高级讲习班”于2008年7月在上海举办。讲习班邀请中国科学院外籍院士、美国国家科学院、国家工程院、国家医学科学院和国家艺术与科学院院士钱煦（Shu Chien）教授，中国工程院俞梦孙院士和戴魁戎院士等十余位国内外专家学者莅临讲学。我们组织参与讲习班讲学的部分专家以讲习班的讲稿为基础撰写了这本专著。
姜宗来，医学博士，美国生物医学工程博士后。享受国务院政府特殊津贴。上海交通大学力学生物学与医学工程研究所所长、中国生物医学工程学会副理事长、中国力学学会中国生物医学工程学会生物力学专业委员会主任，中国生物物理学会生物力学与生物流变学专业委员会副主任、世界生物力学理事会理事、国际心脏研究会（ISHR）中国分会执委、《医用生物力学杂志》副主编、《生物物理学报》和《生物医学工程杂志》编委等。长期从事心血管力学生物学研究，主持了国家自然科学基金重点项目等科研项目20余项；指导博士后、博士生，硕士生50余人；主编和参编出版了18部专著和教材；在国内外发表学术论文100余篇；获国家科技进步三等奖、军队科技进步二等奖、国家卫生部科技进步三等奖各1项、国家专利1项。
樊瑜波，教授，工学博士，北京航空航天大学生物与医学工程学院院长。国家杰出青年基金、教育部跨世纪优秀人才支持计划获得者。现任中国生物医学工程学会理事长、世界生物力学理事会理事、世界华人生物医学工程协会执委会执委。中国力学学会中国生物医学工程学会生物力学专业委员会副主任、国家康复辅具中心理事、《医用生物力学》和《生物医学工程杂志》副主编、《中国生物医学工程学报》、《力学掌报》、《航天医学与医学工程》和《计算力学学报》编委等。从事生物力学，组织工程和康复工程等领域的研究，主持承担了国家自然科学基金重点项目等20余项科研课题、指导博士后、博士生，硕士生40余人；主编和参编出版了2部专著和教材；在国内外发表学术论文200余篇.获省部级科技奖励4项，国家专利10余项。
目录
前言
第1章 生物力学的力学基础 1
1.1 力的基本概念 1
1.2 刚体力学 4
1.3 固体力学 9
1.4 流体力学 18
1.5 流变力学 39
1.6 物质传输 56
参考文献 60
第2章 生物材料力学实验技术 61
2.1 材料的基本力学参数 61
2.2 力学测试的基本方法 63
2.3 接触式力学测量方法 65
2.4 非接触的力学测量方法 72
参考文献 87
第3章 生物力学建模及应用 89
3.1 引言 89
3.2 口腔与肌骨系统生物力学建模与应用 90
3.3 血液循环系统的模拟 104
参考文献 133
第4章 分子生物力学研究技术与方法 136
4.1 引言 136
4.2 微管操控技术 136
4.3 原子力显微技术 141
4.4 光镊操控技术 145
4.5 平行流室技术 149
4.6 力致分子动力学模拟 151
4.7 结束语 154
参考文献 154
第5章 血管力学生物学研究方法与技术 156
5.1 引言 156
5.2 在体血管应力变化实验动物模型 156
5.3 体外血管应力加载模型 161
5.4 体外培养细胞应力加载模型 164
5.5 血管力学生物学研究中的高通量实验技术 172
参考文献 181
第6章 动脉系统的血流动力学 183
6.1 引言 183
6.2 血流动力学的研究方法 184
6.3 血液的流变性质 184
6.4 动脉系统和血管 185
6.5 流体力学的基本方程 189
6.6 平直血管内的层流定常流动 192
6.7 弹性膨胀管中的定常层流流动 198
6.8 流动的动力相似性、NR、Womersley数和边界层 200
6.9 血管中波的传播 206
6.10 动脉系统中典型的血液流动 212
6.11 动脉粥样硬化局部性现象及其血流动力学成因 215
参考文献 227
第7章 力学生物学及其在血管领域的研究 230
7.1 引言 230
7.2 低切应力与在体动脉重建 232
7.3 低切应力诱导血管重建的差异蛋白质组学 238
7.4 切应力对与内皮细胞联合培养的血管平滑肌细胞迁移的影响 242
7.5 周期性张应变频率对血管平滑肌细胞排列和分化的影响 246
7.6 结束语 261
参考文献 261
第8章 血液流变学及其临床应用 263
8.1 引言 263
8.2 血液流变学基本概念 264
8.3 血液的黏度、黏弹特性参数和触变特性参数 268
8.4 血细胞流变学 279
8.5 内皮细胞生物流变学研究 287
参考文献 295
第9章 骨生物力学与力学生物学 297
9.1 引言 297
9.2 骨组织的力学性质 298
9.3 骨力学生物学 305
9.4 骨组织工程中的生物力学 316
参考文献 321
第10章 生物力学与康复工程 323
10.1 引言 323
10.2 力载荷对皮肤及皮下软组织的影响及损伤 323
10.3 假肢的生物力学基础 327
10.4 足部生物力学及其支撑的设计 332
10.5 数字脚与鞋的设计 334
参考文献 334
第11章 眼生物力学与临床 336
11.1 眼的解剖结构 336
11.2 晶状体 337
11.3 角膜及近视眼手术 338
11.4 眼后房壁、巩膜及后巩膜加固术 347
11.5 眼球的运动模型及斜视的治疗 351
参考文献 363
第12章 肿瘤生长及化学治疗药物传递的生物力学 366
12.1 引言 366
12.2 肿瘤血管生成 369
12.3 实体肿瘤血管化后生长期 382
12.4 实体肿瘤血流动力学 387
12.5 实体肿瘤化疗药物传输 396
参考文献 408
人对力的认识最早来自肌肉紧张造成的感觉：手指用力可以掰开瓜果（变形），腿部用力可以推动石块（运动）。后来把力定义为使物体变形和运动（或改变运动状态）的一种机械作用。通常把前一种作用称为力的变形效应；由于变形发生在物体内部，又称为内效应。把后一种作用称为力的运动效应，由于是物体的外在表现，故又称为外效应。
在人体内广泛存在力对介质、组织和器官的运动效应。如心脏的收缩力驱动血液在血管内流动并输运到全身；胸部的肋间外肌和膈肌的收缩力引起空气流人呼吸道和肺，肋问内肌的收缩力引起呼吸道呼气；食管、胃、肠道的蠕动引起的交替性收缩力和舒张力促使食物的运送、废物的排出；骨骼肌的收缩力导致骨骼以关节为支点的运动等都是力的运动效应的例子。
在人体内也广泛存在力对组织、细胞的变形效应。如腿部的静脉因血液的重力作用发生扩张变形，手上爆出的青筋在高举时因血压降低而塌陷。动脉血管管壁内沿轴向和周向的弹性纤维处于张拉状态。将动脉沿横截面剪断，动脉立即发生轴向收缩；取一段动脉沿一侧剖开，动脉壁顺周向收缩，形成张开角等。在活体中组织细胞的变形效应绝不仅仅局限在形态变化的层面上，而是要导致复杂的生理、生化作用。随着生物力学研究的深入，对力引起组织和细胞变形及其生物学反应的认识不断深化。早在1884年wolff就建立了“骨是依照作用于它的应力和应变而发生变化”的观点。近期的研究已证实，骨细胞受力和变形可促使钙离子浓度改变、分泌的原胶原蛋白聚合成胶原纤维、羟磷灰石晶体溶解度变化等一系列生化反应，导致骨细胞生长或吸收。电子显微镜观察到细胞内具有由微丝、微管和中间丝等构成的骨架结构，连接细胞膜和细胞核共同构成细胞的网状承载结构，承受张力和变形，保持着细胞扩展。同时这些支承结构还提供了在分子水平上的力与生物化学的信号传递途径。改变细胞承载结构的几何形状和力学关系可能会影响一些特定的生化反应，改变被激活的基因，因而改变所制造的蛋白质。研究表明，当动脉壁内皮细胞、平滑肌细胞承受异常的血流剪切作用，承受异常的血压和血管纤维张拉作用后，都可能引起包括细胞膜受体、信号蛋白激酶、细胞因子和细胞外基质等活性物质的变化，导致细胞去分化、迁移、肥大、增殖和凋亡等血管重建活动。这些活动与包括动脉粥样硬化在内的心血管病的发生和发展机制有密切关系。
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