铝合金橱柜材料:浅谈生物组织的几个物理特性

浅谈生物组织的几个物理特性

1、生物组织的力学特性

生物组织的力学特性首先表现在它既有弹性又有一定的粘性，也就是说，其

应力、应变不是线弹性关系，也不是弹塑性的非线性关系。生物组织的应力是应变、应变率及粘度等变量的复杂函数，所以生物组织应是粘弹性体或流变体。

生物组织的粘弹特性，必然使应力滞后于应变，对于一定的循环外部作用，所谓的滞后角会逐渐变小，这一现象表明不可恢复的应变积累会逐渐增加，从而导致生物组织原有的弹性等力学性能下降或劣化，这即是疲劳及疲劳导致生物组织的损伤。这种应变积累的损伤，对于无机材料或离体的生物组织而言将是不可逆的，但是对于有生命的在体组织，则由于新陈代谢的生命过程，这种损伤规律将是非常复杂，譬如损伤可以是不可逆的老化，也可能会得到一定补偿，或者不超过一定限度的损伤，会经长时间之后逐渐得到某种恢复，因此就不能用无机物损伤的规律去加以描述机体的损伤。

不同的生物组织有着不同粘弹特性，有着不同的密度，所以不同的组织具有不同的储能机制，对外界的机械作用会有不同的频率响应。这在王唯工的“气的乐章”一书中有所阐述。

由于各组织的密度大体相同，并接近于水的密度，所以不同的生物组织对机械作用—力学信息的传递有相似的传播速度。但是由于不同组织存在不同的粘度，所以在机械作用的传递过程中，其幅度应该按负指数规律衰减。反之，通过对这一衰减指数的测试，便可了解不同生物组织的流变特性。

任何一个生物组织的物质分布都是不均匀、不连续，并且是各向异性的，即使是同一生物组织，也是不同的部位有不同的宏观结构以及不同的显微织构，所以在结构上往往有内外层次之分，以及表现出层状分布的组织结构。在这些不同层次的结构中，其力学性能，如弹性、粘性、密度、热胀系数以及内应力的大小均不相同。正是由于不同生物组织有着不同的力学特性，有着不同的层次结构，所以通过高应力、高应变速率或高温下的热应力，可使不同组织按其自然尺度实现分割、剥离。也正是存在着不同层状结构的组织，才使得力学作用（信息）有不同的传递方式。然而，有些传递方式却难以用传统的规律加以解释，例如对于有保护、屏蔽作用的表皮及生物膜等组织，虽然结构致密，有较高的强度和韧性，但是却对外界机械作用非常敏感，并且如同隧道一样，能将某种力学信息传递到与其不相连接的其它组织，或者可使某种物质，如离子态的小分子顺利通过这种组织屏障。

力学模型是人们对生物组织和人体的最早和较为合理的认识与解释，所以十八世纪的哲学家会将人体喻为机器。但是，这毕竟是过于简单的模型，因为许多生物组织的力学现象并不完全遵循力学规律，例如神经组织对机械作用的传递速度远高于声速，并且机械信号的量度不仅很少有衰减，甚至有时还能得以放大。更令人匪夷所思的是人体存在的穴位，这种近于空洞般的结构，能量、物质与信息是如何通过对这一特殊生物结构的刺激与触发，实现组织之间的传递与交换等等就难以用传统空间的力学规律去解释了。

2、生物组织的力化学特性与应用

自1980年正式定义力化学概念以来，力化学研究的深度与广度有了长足的

发展，特别是表现在由无机材料的领域转向合成的高分子领域。近十多年来，在生物材料领域中的力化学研究与应用进展迅速，例如将应力引发化学反应的概念与理论，以及将高应力、高应变等近代力学手段用于对生物材料的膜结构进行适度的破坏，从而对有效成分进行提取、对生物大分子进行降解、改性与活化、对亚微米的生物材料进行分散、组装等。

对于有生命的机体及其组织，很少见运用力化学的手段进行研究与应用，目前只限于对猪、羊等动物在高应变率的冲击波作用下，研究其内脏等组织的破坏。近年来也有人开始研究如何运用力化学手段，对微生物的生命活动进行研究，例如在低应力作用下促进微生物的新陈代谢，而在高应力作用下，就能有效地破坏微生物的组织结构，从而对某些产品可实现抑菌、灭菌的目的。但是将力化学应用于人体还极为少见。其实在人体的组织中，力化学的研究领域十分广阔，并且大有可为。

生物组织的基本化学组成为氨基酸、糖、脂肪等有机元素以及无机元素，并且由这些基本成分构成生物大分子，形成了多重的化学结构，如蛋白质、多糖、核酸等，在这些大分子之间以及这些大分子与无机元素之间，形成了更为复杂的配位结构并组成各种生物组织，这些生物组织又形成了高度有序、高度协调的有生命的机体。

机体的生命特征在于生物分子结构具有很高的化学势，这种化学势使其有较高的化学反应活性，这是机体及组织具有生命的前提。机体生命特征还表现在各组织的生物分子不间断地进行生化反应，这种生化反应的过程也就是生命存在的过程。

生物组织所产生的各种生化反应都离不开酶、激素、神经递质以及金属离子等特殊物质的参与，尽管这些物质对生化反应而言其数量极微小，但是，离开这些物质就不会完成各种生化反应。如果这些物质过少或相对过多，也同样不利于生化反应的正常进行，从而影响机体各部分的运动和整体的协调。

上述这些具有高度生理活性的物质，是由某些特殊的组织，如腺体、突触以及某种特殊的细胞等所产生的。而这些物质的生成、分泌与释放是需要某种机械的刺激，或者说是需要应力的触发才得以实现的。机械刺激、应力触发在机体中无处不在，如各种组织的自律搏动和蠕动，各组织之间的相对运动、各种物质的体内循环以及神经传导对突触的刺激等等，都可以触发及生成这些高活性物质，并产生相应的生化反应。

如果说上述这种应力触发的生化反应只是发生在机体内的微观环境中，而

通过机体的外部，施加以抚摸、打击、按摩、针刺（灸）等宏观、微小的应力，同样会在机体内产生一定的化学反应、生成一定的化学物质。所以说，几乎所有的生化反应，或直接、或间接地与应力触发相关，即机体以及各生物组织中，存在着应力触发生化反应的机制。

应力触发的生化反应与应力引发的化学反应，其本质都是力化学反应，只是由于生物分子是具有高度活性的结构，所以对于机体中的生化反应，只需要以较小的应力，或以较小能量的力学信号，如神经冲动等便可以迅速引发生化反应而已。

提出机体组织的应力触发的力化学模型，其重要意义不仅仅在于揭示生物组织的生化反应更易于为应力所引发，或者说揭示了在机体的生理、生命现象中普遍存在着力化学的机制，而更为重要的是如何运用应力触发生化反应的机制，去促进人体的生理平衡。

最后用Silberberg的一段文字作为这一小节的结束语：

“生命过程的最显著特征，很可能在于这些过程涉及有机体形状的变化和各种相对运动，不只活体系统内各部分之间有各种相对运动，而且活体系统相对其周围有生命与无生命的环境也有各种相对运动，活体系统的所有结构特点与构造特点，以及在系统内发生的各种化学过程，大都是为了达到上述的最终目的而设计的”。

“在活体系统中，除了适当水平的流体静压力之外还存在力学应力，这种应力不只能建立压力梯度，而且还能产生必需的化学势”。

“所谓生命，就是依靠系统自身所产生的力而赋于它变形与流动的能力”。

3、生物组织的力—电—化学模型及其特性

对于生物分子、细胞乃至生物组织，都具有电极性，但是在正常情况下，只

有生物分子、细胞能显现出这种电极性，而一般生物组织在正常情况下，它的正负电极性是处于动态平衡中，只有当组织在外部电磁场作用下，或在外力作用下，或处于某种损伤以及某种病理状态下，电的正负极性才失去平衡并显现出明显的电极性变化，例如生物组织的损伤面会与无机材料的断裂面一样富集有负的电荷。

无论是细胞、基因，还是生物组织又都具有压电性，即在应力作用下可使其发生极化，产生极化电位和极化电流。生物组织如肌肉、骨骼、皮肤、韧带、血浆等都有明显的压电性，尤其是肌腱的压电常数超过了理想压电元件材料—水晶的压电常数。反之，任何具有压电特性的材料如果具有一定的电位，必然产生相应的应力。例如细胞膜的正常电位为10⁷V/m，则细胞膜向内产生的应力有10⁴Pa ，如果细胞膜的电位或应力发生改变，就会导致膜的正常生理功能的改变。获得一定电位（应力、应变）的生物组织，就一定产生相应的应力、应变（电位），可见，机体组织是具有明显的力—电耦合的系统。

机体组织中的生化反应与任何化学反应一样，都是失去电子和获得电子的过程，或者说，生化反应是电子运动的体现。又由机体的力化学原理可知，无论是持续的应力、或交变应力，或冲击波应力，都会产生相应的生化反应。而力化学反应的实质又是孤电子—自由基反应过程。由此可见，机体组织是力—电—生化反应系统。

我们可以进一步对上述模型作这样的理解：当机体接受某种机械或电磁作用时，则机体组织产生的触发应力与激励的生物电位几乎同时发生，并且对引发的化学反应也几乎同时作出相应的贡献。一般说机械信号的传递速度远低于电信号的速度，但是，对于有极化特性和压电特性的生物组织而言，其传播速度是一致的，只是有相位的差异而已。所以，在机体组织中发生的任何生化反应，可以说，在应力触发的同时，也有生物电位的激励。

这一模型与特性的存在，不仅对机体的某些生理、生命现象可作出更为合理的解释，而且可根据这一模型作出进一步有意义的研究工作。

上世纪八十年代研制的人体电场治疗仪，其原理就是建立在生物组织的电极性以及组织病灶部位富集负电荷这一基础上。此外，通过将带有正电荷的精氨酸或壳聚糖，直接用于机体的创面，可中和其上富集的负电荷，从而使创伤得到迅速恢复。利用生物组织及生物大分子具有电极性这一特点，可在生产中得到许多应用，例如利用生物大分子的电极性和静电引力，可对工业废水或生活污水进行絮凝；利用交变电磁场，可使生物大分子絮凝物充分极化，从而快速沉淀实现分离；通过对生物大分子的反复极化，可以实现断键、降解、活化等。

利用皮肤及细胞膜的压电特性，通过某些物理手段使之产生开闭效应，从而可使药物透过屏障以充分发挥其作用；通过某些物理场对有极性的药物进行活化，可使药物分子充分在体内发挥作用等。

在传统的中医外治中，通过对身体某些部位进行的按摩、刮痧、针灸等，其中除机械刺激外，同时有生物电的激励，并且这些作用在生物组织中必然产生一定的生化反应。如果在这些外治中，再加入一定的药物，则上述作用不仅有利于药物的透入，并且有利于机械刺激、生物电和药物分子综合作用的发挥，从而使机体迅速得以调整达到平衡的效果。

事实上，按摩、刮痧、针灸的复杂作用机制，还远不止如上的解释。以针灸为例，当刺入皮肤的银针，在极性的生物组织中，就相当于在电解液中插入一根银质的电极。银在电解质中会有非常高的单极电位，如Ag²⁺+e=Ag⁺+1.98伏，而Cu²⁺+2e=Cu+0.337伏，可见，银在电解质中交换电子的能力约为铜的6倍。这说明银针在生物组织中会产生明显的电位，由此会产生相应的生物电化学反应。当然我们的祖先不会事先了解上述的定量关系后再选择银作为针灸的材料，这只能说是长期临床实践的选择。

严格说，人体也是可以发射和吸收电磁能量的系统。插入组织的银针，无论从材质或形状而言，都是与外部电磁场进行能量交换的最理想的元件。由于人体组织的固有频率很低，所以容易与低周的机械波或低周的电磁波相耦合。如果通过银针施以机械振动或施以低周的电压，都会在组织中附加一相应的生物电位以及附加一相应的生物电化学反应。

某些理论指出，人体的肢端，尤其细长的手指可作为辐射或接收电磁波的生物天线。显然，插入机体的银针，在与电磁波的耦合中要比手指更为敏感。虽然已有通过银针天线的作用进行治疗的例子，但是能收集到的这种事例太少，并且几乎无人对此进行过认真的研究。

总之，生物组织的应力—电—生化反应的模型及特性，不仅能加深我们对生物组织的认识，并且这一模型也许会为我们展现出新的研究领域。

                                    傅维椿060507