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杂志俱乐部2016年3月主题:新时代力学与医学相遇
绍兴曲
浙江大学工程力学系
介绍
力学和医学是两个“经典”的科学分支，但似乎是互不相干的。力学描述的是物理身体在受力或位移时的机械行为(即运动、变形等)，而医学是与健康和疾病相关的科学和实践。作为机万博体育平台械师，我们为力学的理论和方法感到自豪，因为它们为人类文明做出了许多贡献，从民用基础设施到机器甚至电子产品。然而，力学在医学中的作用不容忽视，如描述生物体内各组成部分的力学行为，直接或间接地辅助临床和内科手术。近年来，科学技术的快速发展使得力学与医学的联系越来越紧密，医学与力学的联系也越来越紧密。
组织和器官的力学行为
与骨骼和牙齿断裂、血管血流、心脏跳动等相关的力学问题在我们的社会中得到了广泛的研究。近年来，用于组织和器官修复和再生的生物材料吸引了力学、高分子、生物医学等领域的研究人员。水凝胶柔软湿润，是一种典型的生物医学应用软质生物材料，如药物递送、细胞外基质、组织工程基质等[1]。水凝胶作为人工软组织(软骨、肌肉、肌腱、韧带)的唯一候选材料[2]。水凝胶作为软组织的力学性能要求具有高韧性、低摩擦、一定强度和高变形性。为了克服传统水凝胶的脆性和弱点，人们发现并开发了具有增强强度和韧性的双网水凝胶，其中在膨胀的非均相网络中加入了高相对分子质量的中性聚合物[3]。在力学知识的辅助下，开发出了离子和共价交联网络的高拉伸和高韧性双网络水凝胶[4]。一种设计水凝胶与非多孔坚硬表面的坚韧结合的策略被实现，以模拟生物体内肌腱、软骨与骨的坚韧结合界面[5]。
先进医疗设备中的力学
在现代临床医学中，医疗器械是预防、诊断、治疗、监测或减轻疾病或损伤所必需的。在过去的十年中，许多力学研究小组与其他学科的人合作，成功地开发了柔性和/或可拉伸的电子产品，用于现代临床医学，如柔性高密度脑电极阵列[6]，电子传感器和执行器网[7]，与心脏集成的超柔性压电装置作为能量收集器[8]，介电弹性体蠕动泵[9]，采用自底向上方法的纳米材料的可穿戴心电图电极[10]、电子硬脑膜[11]、注射器注射电子器件[12]、可生物吸收的脑用硅电子传感器[13]等。机械知识应用于设计特殊结构，以及确定电子元件的适当位置。
挑战与机遇
新技术的进步为力学在医学中发挥更重要的作用铺平了道路，从疾病的诊断和治疗到疾病的预防和恢复。此外，力学可以作为工程与医学跨学科研究的桥梁，这可能会促进力学的复兴。
1.描述和发展更准确的生物组织和器官的本构模型。在现代临床医学中，组织或器官的变形与病理信号之间的定量关系是疾病诊断所必需的。因此，组织或器官受到外界刺激(如压力)的变形响应应该被准确预测，从而导致新的本构关系的发展。
2.探讨病理机制。许多组织器官的损伤和衰竭与其强度和韧性密切相关，并且发生在复杂的环境中。建立适当的力学模型是揭示相关病理机制的必要条件，有助于疾病的预防和治疗。
3.设计新颖的医疗设备。现代临床医学需要更多的智能医疗器械，包括支架、脑电极、医疗传感器、血压计、医疗机器人等。例如，除了生物相容性和坚固性外，支架还要求从植入时的柔性状态平稳过渡到手术后的坚固状态，并符合流体动力学。基于力学理论和方法的分析、计算和实验研究将对新型医疗器械的设计做出重大贡献。
参考文献
1.A. S. Hoffman，“水凝胶在生物医学上的应用”，先进药物递送评论，43,3-12,2002。
2.龚金平，“为什么双网状水凝胶如此坚韧”，《软物质》，6,2583-2590,2010。
3.龚建平，陈志强，陈志强，“高机械强度的双网状水凝胶”，高分子材料学报，15,1155-1158,2003。
4.孙建勇，赵晓辉，李文凯，等，“高弹性水凝胶的制备及性能研究”，自然科学进展，48(1)，133-136。
5.张涛，林世涛，张辉，等，“水凝胶在非多孔材料表面的粘接”，自然材料，15,190-196,2016。
6.J. Viventi, d.h. Kim, L. Vigeland等，“柔性、可折叠、主动多路复用、高密度电极阵列在体内的脑活动映射，”自然神经科学，14,1599-U138, 2011。
7.D. H. Kim, R. Ghaffari, N. S. Lu等，“基于电子传感器和致动器网络的大范围复杂几何心脏制图和治疗”，美国国家科学院学报，109,19910-19915,2012。
8.吕宝伟，陈勇，欧大鹏，等，“基于心脏的超柔性压电装置采集生物力学能量”，科学通报，5，(6)，2015。
9.毛国勇，黄晓青，刘建军，等，“基于有限变形的介质弹性体蠕动泵模块”，智能材料与结构，24(7):5026,2015。
10.朱毅，黄海燕，王晓明，“可穿戴式纳米银线干电极的电生理传感技术”，中国机械工程，2015,31(1):1 - 7。
11.陈晓明，陈晓明，陈晓明，等，“电子硬脑膜长期多模态神经接口的研究”，《科学》，2015年第4期，159-163页。
12.刘军，傅廷明，程志刚，等，“注射用电子注射器”，自然科学与技术，10,629-636,2015。
13.姜世康，黄世文，李建军，等，“生物可吸收硅电子传感器在大脑中的应用”，自然科学学报，2016,31(3):71-79。
这篇文章很笼统。
这篇文章很笼统。欢迎对具体方向提出意见和讨论。
绍兴，谢谢分享
绍兴，感谢分享这一领域力学的观点。我从这篇文章中学到了很多。
本,谢谢!
本,谢谢!
这真是一个神奇的地方!
谢谢你发起这个讨论!我认为药物设计也是一个有趣的医学相关话题
我们的机械师能做出很大贡献。从某种意义上说，药物设计就是要在药物中找到一些构型
设计具有全局最小能量的空间。这意味着一些能量最小化的方法很好
在力学中发展起来的理论也可以用于药物设计。当然，药物设计问题中涉及的总能量函数是一个高度非线性的，最重要的是一个高度非凸的广义坐标函数。
因此，寻找全局最优是非常困难的，理论上是一个np困难问题。但这方面的任何进展
方向也将非常有助于解决许多复杂的力学问题，例如，后屈曲分析，裂纹扩展，损伤演化，也可以视为能量最小化过程。
亲爱的徐果:
亲爱的徐果:
谢谢你指出药物设计。你能提供更多关于这个领域的细节和参考资料吗?
由于Bafty
徐，药物设计协助
徐，能量最小化辅助的药物设计是一个非常鼓舞人心的话题!我们期待这一领域的出版物尽快出版。
感谢你发起这个鼓舞人心的讨论!
亲爱的绍兴,
非常感谢您精彩的介绍和鼓舞人心的讨论。将力学和医学结合起来解决我们今天面临的巨大挑战有很大的机会。在此，我想分享我们最近在开发一种新型释污导尿管方面的研究[1]。导尿管相关性尿路感染是医院获得性感染的最常见原因，在美国每年使用的Foley导尿管超过3000万。导管插入人体后容易形成生物膜，并可在短时间内被生物膜堵塞。目前可用的策略，如杀死细菌或延迟细菌附着，以减少相关感染，但在长期预防生物膜形成方面并不成功。
本文基于力学理论和方法，提出了一种新型的按需去除生物膜的导尿管设计和优化方案。导尿管利用4个壁内膨胀管，压力驱动，在弹性尿管中产生区域选择性应变，从而去除覆盖的生物膜(图1)。结果表明，该导管原型能够按需去除超过80%的神奇假单胞杆菌和大肠杆菌混合群落生物膜，并且能够在长期使用中反复去除生物膜。另外，由于与目前的行业标准和材料兼容，根据我们与供应商的估计，每根导管的成本只会增加50美分。这种新的污垢释放导管提供了一种有效的、非生物的、非抗生素的去除生物膜的方法。
最好的
Changyong
[1]赵晓鹏，曹志强，赵晓鹏，赵晓鹏，曹志强，赵晓鹏。中国生物医学工程学报，第7期，2016。
长勇，干得好!
长勇，干得好!传统的材料力学关注的是“硬”材料的强度和延展性。近年来，研究人员在工作中越来越关注生物膜等“软”材料的功能。医学新技术的进步是惊人的，它揭示了更多与健康和疾病有关的问题，这些问题可以由力学和其他学科的人来解决。您是否愿意分享您与医学相关领域的同事合作的经验?
一个有趣的想法!
这是一个有趣的想法。事实上，生物力学是很有前途的。
本,谢谢!任何其他
本,谢谢!关于你在生物力学方面的工作还有什么意见或建议吗?
谢谢你这么有趣
谢谢这个有趣的帖子。事实上，正如绍兴所指出的，力学可能在医学中发挥重要作用。关于第一点组织和器官的力学行为绍兴讨论，除了基础性的认识，也可能有重要的应用机会。例如，如果一些重要的生理参数(例如，水化水平)可以与机械性能(热导率，弹性模量)相关联，那么后者的非侵入性测量可能提供一种简单而直接的方法来确定前者。
关于第二点先进医疗设备中的力学“绍兴提到，我完全同意他的观点，但我想强调的是，这需要与包括材料科学、电气工程、生物医学工程，当然还有医学在内的科学家和工程师密切合作。
永刚，你的评论和
永刚，你的意见和建议太棒了!
非常有趣的话题
绍兴，谢谢你引导我们讨论这个非常有趣的话题。也谢谢你，永刚，指出了机会。我们最近在这两个方面做了一些工作。
在第一点“组织和器官的机械行为”上，我们开发了一种应变传感器，可以监测与人体关节运动相关的大应变。该传感器具有良好的线性和可重复性。使用这种传感器，我们可以监测各种各样的人体运动，从手指运动到髌骨反射，再到走路、跑步和跳跃。由于传感器的柔软性，它可以用于测量组织和器官的机械行为。
关于第二点“先进医疗设备中的力学”，我们最近与生物医学工程小组合作开发了一种拉伸触发药物输送方法。发现拉伸应变显著促进药物传递。通过肌肉、肌腱和骨关节的日常运动来持续释放，从而可以以方便的方式实现。简单的分析认为，促进药物传递的原因是扩散表面积的扩大和泊松比对药物的压缩，但这需要做更多的工作。
非常有趣的话题
姚S.，朱Y.，”使用由银纳米线制成的印刷可拉伸导体的可穿戴多功能传感器[j]，中国科学:自然科学版，2014，(2)。
迪杰，姚世生，叶勇，于杰，崔正祥，T. Ghosh，朱旸，顾正宙，可穿戴弹性体薄膜中含有治疗库的拉伸触发药物递送[j]，化学工程学报，第9期，9407-9415(2015)。
在力学和生物学的交汇处有很大的空间
感谢绍兴的这篇激动人心的文章。事实上，力学和生物学的交汇处有很大的空间。一些机械师，包括万博体育平台Subra Suresh (CMU)， Gang Bao (Rice)， Jimmy Hsia (CMU)， Taher Saif (UIUC)等，在他们职业生涯的不同阶段都深入研究了这个领域，都取得了巨大的成功。正如Yonggang所评论的那样，这些问题通常需要不同学科的协调投入才能完成一个完整的故事，因此更具挑战性。
近年来，我的小组在这方面做了一些尝试。除了在理解纳米颗粒的细胞摄取(尺寸选择、形状敏感和微环境调节)方面的一些早期工作外，我们正在缓慢地向多细胞结构力学和病理学力学方向发展。例如，我们最近解释了为什么红细胞在疟疾感染的无性阶段变得非常僵硬;
张勇*，黄春杰*，金世祥，Golkaram M.*， Dixon M. W. A, Tilley L.，李军，张素林-苏雷什·S。◊纳米旋钮对疟疾寄生虫感染的人红细胞的多重硬化效应美国国家科学院院刊生态学报，12,6068-6073，(2015)。
为什么红细胞在疟疾感染的性行为阶段表现出可逆的僵硬，准备通过蚊子再次传播疾病?
梅根·k·迪尔恩利#，朱氏秋庄#，张瑶#——奥利弗·洛克#、黄长金、Nectarios Klonis、Jeff Yeoman、Shannon Kenny、Mohit Arora、James Osborne、Rajesh Chandramohanadas†，张素琳†，马修·w·a·迪克森†还有莉安·蒂利†．可逆性宿主细胞重塑是疟原虫性血阶段可变形性变化的基础。美国国家科学院院刊．2016年出版。
苏琳，非常感谢你的
苏琳，非常感谢你的评论!你在这里发表的作品非常鼓舞人心。
应力金属植入体的体内粗糙度演化
绍兴,
这是一个很好的话题，很抱歉回复晚了。最近我正在研究表面粗糙度引起的植入物相关感染，这是一个涉及力学和医疗器械的病例，最近的一篇论文发表在固体力学与物理学报，出版。
标题:应力金属植入体的体内表面粗糙度演变
摘要:植入体相关感染是由细菌粘附在生物材料表面引起的，是一个严重的医学问题;在这个过程中，表面粗糙度是一个重要的性质。医用植入装置的表面纳米形貌可以通过改变其表面形貌来控制细菌附着的程度;为此，引入了一个模型，以方便分析纳米级光滑表面受机械载荷和体内腐蚀的影响。在纳米尺度上，粗糙的表面促进了摩擦，从而降低了细菌的流动性;这种无根的环境促进了生物膜的生长。本文推导了面内应力作用下金属植入体表面粗糙度演化的控制方程，并预测了在不同应力水平下连续机械加载6小时内体内粗糙度的变化。本文为医用植入装置表面纳米形貌研究提供了分析工具和理论依据。
——亨利。