Chapitre 1 : Biomécanique
L'étude de la structure, de la fonction et du mouvement des éléments mécaniques des systèmes biologiques, à n'importe quel niveau, des organismes entiers aux organes, cellules et organites cellulaires, à l'aide des outils de la mécanique est appelée biomécanique. La biomécanique peut être appliquée à n'importe quel niveau de systèmes biologiques. Il existe un sous-domaine de la biophysique connu sous le nom de biomécanique.
Aujourd'hui, la mécanique numérique englobe une grande variété de phénomènes physiques, notamment la chimie, le transfert de chaleur et de masse, les interactions électriques et magnétiques, et bien d'autres. Cela va bien au-delà de la mécanique traditionnelle qui était utilisée dans le passé.
Le terme « biomécanique » (1899) et le terme apparenté « biomécanique » (1856) proviennent tous deux des mots grecs anciens ß??? bios, qui signifie « vie », et µ??av???, mechanike, qui signifie « mécanique ». Ces mots sont utilisés pour parler de l'étude des principes mécaniques qui régissent les êtres vivants, y compris leur mouvement et leur structure.
L'étude de l'écoulement des fluides gazeux et liquides à l'intérieur ou autour des organismes vivants est communément appelée mécanique des fluides biologiques. Le sujet de la circulation sanguine dans le système circulatoire humain est un sujet qui est fréquemment étudié dans le domaine des biofluides liquides. Il est possible d'utiliser les équations de Navier-Stokes pour décrire le flux sanguin si certaines conditions mathématiques sont remplies. On pense que le sang total est un liquide newtonien incompressible lorsqu'il est présent dans des organismes vivants. D'autre part, cette hypothèse n'est pas valable si l'on tient compte de l'écoulement direct dans les artérioles. Lorsqu'ils sont vus au niveau microscopique, les impacts des globules rouges individuels deviennent substantiels, et il n'est plus possible de décrire le sang total comme un continuum. Lorsque le diamètre du vaisseau sanguin n'est que légèrement supérieur au diamètre du globule rouge, l'effet Fahraeus-Lindquist se produit et il y a une réduction de la quantité de contrainte de cisaillement de la paroi subie. D'autre part, lorsque la largeur du vaisseau sanguin continue de diminuer, les globules rouges sont forcés de se faufiler à travers le vaisseau, et ils n'ont souvent la capacité de passer qu'en une seule file. Dans ce scénario particulier, l'effet inverse de Fahraeus-Lindquist se produit, ce qui entraîne une augmentation de la contrainte de cisaillement de la paroi.
Un exemple de problème impliquant des biofluides gazeux est le processus de respiration d'un être humain. Au cours des dernières années, les chercheurs ont commencé à s'intéresser au système respiratoire des insectes comme source de bioinspiration pour le développement de dispositifs microfluidiques améliorés.
L'étude de la friction, de l'usure et de la lubrification dans les systèmes biologiques, en particulier en conjonction avec les articulations humaines comme les hanches et les genoux, est appelée biotribologie. Les domaines de la mécanique du contact et de la tribologie sont souvent ceux qui sont utilisés pour étudier ces phénomènes.
L'analyse des dommages subsuperficiels qui se produisent à la suite du contact de deux surfaces pendant le mouvement, également connu sous le nom de frottement l'une contre l'autre, est une partie supplémentaire de la biotribologie. Ce type de dommage se manifeste par exemple dans l'évaluation du cartilage issu de l'ingénierie tissulaire.
La biomécanique de comparaison est l'application de la biomécanique à des organismes non humains. Cela peut être fait dans le but d'acquérir une compréhension plus profonde des humains (comme en anthropologie physique) ou dans le but d'obtenir une meilleure compréhension des fonctions, de l'écologie et des adaptations des organismes eux-mêmes. Les mouvements et l'alimentation des animaux sont des domaines d'investigation courants pour les scientifiques, car les deux processus ont des liens étroits avec la valeur adaptative de l'organisme et imposent des exigences mécaniques considérables à l'organisme. Marcher, courir, sauter et voler ne sont que des exemples des nombreuses façons différentes dont les animaux se déplacent. Pour résister aux forces de friction, de traînée, d'inertie et de gravité, la locomotion nécessite de l'énergie ; Cependant, la nature de l'environnement détermine laquelle de ces forces est la plus dominante.
Dans le domaine de la biomécanique comparée, il existe un chevauchement important avec une grande variété d'autres domaines, notamment l'écologie, les neurosciences, la biologie du développement, l'éthologie et la paléontologie. Ce chevauchement est si important que des études sont fréquemment publiées dans les revues de ces autres domaines. La biomécanique comparative est fréquemment utilisée dans le domaine de la médecine, en particulier en relation avec des organismes modèles courants comme les souris et les rats. De plus, il est utilisé dans le domaine du biomimétisme, qui cherche à trouver des solutions aux défis d'ingénierie en s'inspirant de la nature.
L'application de méthodes informatiques d'ingénierie, telles que la méthode des éléments finis, à l'étude de la mécanique des systèmes biologiques est ce que l'on appelle la biomécanique computationnelle. Afin de prévoir le lien entre des paramètres qui seraient autrement difficiles à tester expérimentalement, des modèles informatiques et des simulations sont utilisés. De plus, ces outils sont utilisés pour concevoir des tests plus pertinents, réduisant ainsi le temps et l'argent nécessaires aux études. Les observations expérimentales de la prolifération des cellules végétales ont été interprétées à l'aide de la modélisation mécanique et de l'analyse par éléments finis. Cela a été fait afin de comprendre comment les cellules végétales se différencient, par exemple. Au cours des dix dernières années, la méthode des éléments finis s'est imposée comme une alternative bien établie à l'évaluation chirurgicale in vivo dans l'industrie pharmaceutique. La capacité de la biomécanique computationnelle à évaluer la réaction endo-anatomique d'une anatomie sans être contrainte par des considérations éthiques est l'un des avantages les plus significatifs de ce domaine d'étude. Pour cette raison, la modélisation par éléments finis (ou d'autres approches de discrétisation) a atteint le point où elle est maintenant largement utilisée dans un certain nombre de domaines différents de la biomécanique. De plus, un certain nombre de projets ont même adopté un état d'esprit open source (par exemple, BioSpine) et SOniCS, en plus des frameworks SOFA, FEniCS et FEBio.
Dans le domaine de la simulation chirurgicale, qui est utilisée à des fins de planification, de soutien et de formation chirurgicales, la biomécanique computationnelle est un composant indispensable. Dans ce scénario, des méthodes numériques, également appelées discrétisation, sont utilisées afin de calculer, dans les plus brefs délais, la réponse d'un système aux conditions limites, qui peuvent inclure des forces, des mouvements de chaleur et de masse, ainsi que des stimulations électriques et magnétiques.
Dans la plupart des cas, les idées de mécanique des milieux continus sont utilisées afin de réaliser l'étude mécanique des biomatériaux et des biofluides. La validité de cette hypothèse est remise en question lorsque les échelles de longueur d'intérêt se rapprochent de l'ordre des caractéristiques microstructurales du matériau. La structure hiérarchique des biomatériaux est l'un des aspects frappants qui les distinguent des autres matériaux. En d'autres termes, les propriétés mécaniques de ces matériaux dépendent de l'apparition de phénomènes physiques à différents niveaux, allant du niveau moléculaire jusqu'aux niveaux des organes et des tissus.
Les tissus durs et les tissus mous sont les deux catégories utilisées pour catégoriser les biomatériaux. Selon la théorie de l'élasticité linéaire, il est possible d'effectuer une analyse de la déformation mécanique des tissus durs tels que le bois, la coquille et l'os. L'examen des tissus mous, en revanche, dépend de la théorie des déformations finies et des simulations informatiques, car les tissus mous, tels que la peau, les tendons, les muscles et le cartilage, subissent généralement des déformations importantes après y avoir été soumis. La nécessité d'augmenter le niveau de réalisme dans le processus de développement de la simulation médicale est ce qui a suscité l'intérêt pour la biomécanique des continuums.
En utilisant une perspective biomécanique, la neuromécanique cherche à mieux comprendre la façon dont le cerveau et le système nerveux collaborent pour exercer un contrôle sur le corps. Pendant les activités motrices, les unités motrices sont responsables de l'activation d'un groupe de muscles afin d'effectuer un certain mouvement. Ce mouvement peut être modifié par le processus d'adaptation motrice et d'apprentissage. Ces dernières années, la combinaison des techniques de capture de mouvement et des enregistrements neuronaux a permis de réaliser des observations et des études neuromécaniques.
Au cours des dernières années, le sous-domaine de la biomécanique végétale a émergé à la suite de l'application de principes biomécaniques aux plantes, aux organes végétaux et à diverses cellules végétales. L'utilisation de la biomécanique pour les plantes englobe un large éventail d'activités,...
