Capitolo 1 : Biomeccanica

Lo studio della struttura, della funzione e del movimento degli elementi meccanici dei sistemi biologici, a qualsiasi livello, dagli organismi interi agli organi, alle cellule e agli organelli cellulari, utilizzando gli strumenti della meccanica è indicato come biomeccanica. La biomeccanica può essere applicata a qualsiasi livello dei sistemi biologici. Esiste un sottocampo della biofisica noto come biomeccanica.

Oggi, la meccanica computazionale comprende un'ampia varietà di fenomeni fisici, tra cui la chimica, il trasferimento di calore e di massa, le interazioni elettriche e magnetiche e molti altri. Va ben oltre le meccaniche tradizionali che venivano utilizzate in passato.

Sia il termine "biomeccanica" (1899) che il termine correlato "biomeccanico" (1856) derivano dalle parole greche antiche ß??? bios, che significa "vita", e µ??av???, mechanike, che significa "meccanica". Queste parole sono usate per parlare dello studio dei principi meccanici che governano le creature viventi, compreso il loro movimento e la loro struttura.

Lo studio del flusso di gas e fluidi liquidi all'interno o intorno agli organismi viventi è comunemente indicato come meccanica dei biofluidi, nota anche come meccanica dei fluidi biologici. Il tema del flusso sanguigno nel sistema circolatorio umano è uno di quelli che viene frequentemente studiato nel campo dei biofluidi liquidi. È possibile utilizzare le equazioni di Navier-Stokes per descrivere il flusso sanguigno se vengono soddisfatte determinate condizioni matematiche. Si pensa che il sangue intero sia un fluido newtoniano incomprimibile quando è presente in organismi viventi. D'altra parte, questa ipotesi non è valida quando si prende in considerazione il flusso in avanti all'interno delle arteriole. Se osservati a livello microscopico, gli impatti dei singoli globuli rossi diventano sostanziali e non è più possibile rappresentare il sangue intero come un continuum. Quando il diametro del vaso sanguigno è solo marginalmente maggiore del diametro del globulo rosso, si verifica l'effetto Fahraeus-Lindquist e si verifica una riduzione della quantità di stress da taglio della parete che si verifica. D'altra parte, quando la larghezza del vaso sanguigno continua a diminuire, i globuli rossi sono costretti a spremere attraverso il vaso e spesso hanno la capacità di passare attraverso in una sola fila. All'interno di questo particolare scenario, si verifica l'effetto Inverso di Fahraeus-Lindquist, con conseguente aumento della sollecitazione di taglio della parete.

Un esempio di problema che coinvolge i biofluidi gassosi è il processo di respirazione di un essere umano. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno iniziato a guardare ai sistemi respiratori degli insetti come fonte di bioispirazione per lo sviluppo di dispositivi microfluidici potenziati.

Lo studio dell'attrito, dell'usura e della lubrificazione nei sistemi biologici, in particolare in combinazione con le articolazioni umane come le anche e le ginocchia, è indicato come biotribologia. I campi della meccanica del contatto e della tribologia sono spesso quelli che vengono utilizzati per indagare questi fenomeni.

L'analisi del danno sotterraneo che si verifica a seguito del contatto tra due superfici durante il movimento, noto anche come sfregamento l'uno contro l'altro, è una parte aggiuntiva della biotribologia. Questo tipo di danno si manifesta, ad esempio, nella valutazione della cartilagine di ingegneria tissutale.

La biomeccanica comparativa è l'applicazione della biomeccanica agli organismi non umani. Questo può essere fatto con lo scopo di acquisire una comprensione più profonda degli esseri umani (come nell'antropologia fisica) o allo scopo di ottenere una migliore comprensione delle funzioni, dell'ecologia e degli adattamenti degli organismi stessi. Il movimento e l'alimentazione degli animali sono aree comuni di indagine da parte degli scienziati perché entrambi i processi hanno forti legami con la fitness dell'organismo e pongono notevoli sollecitazioni meccaniche sull'organismo. Camminare, correre, saltare e volare sono solo esempi dei molti modi diversi in cui gli animali si muovono. Per resistere alle forze di attrito, resistenza, inerzia e gravità, la locomozione richiede energia; Tuttavia, la natura dell'ambiente determina quale di queste forze è più dominante.

Nell'ambito della biomeccanica comparata, c'è una quantità significativa di sovrapposizioni con un'ampia varietà di altri campi, tra cui l'ecologia, le neuroscienze, la biologia dello sviluppo, l'etologia e la paleontologia. Questa sovrapposizione è così significativa che gli studi sono frequentemente pubblicati su riviste di questi altri campi diversi. La biomeccanica comparativa è spesso utilizzata nel campo della medicina, in particolare in relazione a organismi modello comuni come topi e ratti. Inoltre, viene utilizzato nel campo della biomimetica, che cerca di trovare soluzioni alle sfide ingegneristiche guardando alla natura per l'ispirazione.

L'applicazione dei metodi computazionali ingegneristici, come il metodo degli elementi finiti, allo studio della meccanica dei sistemi biologici è ciò che è noto come biomeccanica computazionale. Al fine di prevedere il legame tra parametri che altrimenti sarebbero difficili da testare sperimentalmente, vengono utilizzati modelli computazionali e simulazioni. Inoltre, questi strumenti vengono utilizzati per progettare test più pertinenti, riducendo così la quantità di tempo e denaro necessari per gli studi. Le osservazioni sperimentali della proliferazione delle cellule vegetali sono state interpretate attraverso l'uso della modellazione meccanica e dell'analisi degli elementi finiti. Questo è stato fatto per ottenere una comprensione di come le cellule vegetali si differenziano, per esempio. Nel corso degli ultimi dieci anni, il metodo degli elementi finiti si è affermato come un'alternativa consolidata alla valutazione chirurgica in vivo nell'industria farmaceutica. La capacità della biomeccanica computazionale di valutare la reazione endo-anatomica di un'anatomia senza essere vincolata da considerazioni etiche è uno dei vantaggi più significativi di questo campo di studio. Per questo motivo, la modellazione agli elementi finiti (o altri approcci di discretizzazione) ha raggiunto il punto in cui è ora ampiamente utilizzata in una serie di diverse aree della biomeccanica. Inoltre, un certo numero di progetti ha persino adottato una mentalità open source (ad esempio, BioSpine) e SOniCS, oltre ai framework SOFA, FEniCS e FEBio.

Nel campo della simulazione chirurgica, che viene utilizzata ai fini della pianificazione, del supporto e della formazione chirurgica, la biomeccanica computazionale è una componente indispensabile. In questo scenario, vengono utilizzati metodi numerici, noti anche come discretizzazione, al fine di calcolare, nel più breve tempo possibile, la risposta di un sistema alle condizioni al contorno, che possono includere forze, calore e movimento di massa, nonché stimolazione elettrica e magnetica.

Nella maggior parte dei casi, le idee della meccanica del continuo vengono utilizzate per effettuare lo studio meccanico di biomateriali e biofluidi. La validità di questa ipotesi viene messa in discussione quando le scale di lunghezza di interesse si avvicinano all'ordine delle caratteristiche microstrutturali del materiale. La struttura gerarchica dei biomateriali è uno degli aspetti sorprendenti che li distinguono dagli altri materiali. In altre parole, le proprietà meccaniche di questi materiali dipendono dal verificarsi di fenomeni fisici a vari livelli, che vanno dal livello molecolare fino ai livelli degli organi e dei tessuti.

I tessuti duri e i tessuti molli sono le due categorie utilizzate per classificare i biomateriali. Secondo la teoria dell'elasticità lineare, è possibile condurre un'analisi della deformazione meccanica di tessuti duri come legno, conchiglia e osso. L'esame dei tessuti molli, d'altra parte, dipende dalla teoria della deformazione finita e dalle simulazioni al computer perché i tessuti molli, come la pelle, i tendini, i muscoli e la cartilagine, in genere subiscono deformazioni significative dopo essere stati sottoposti ad essi. La necessità di aumentare il livello di realismo nel processo di sviluppo della simulazione medica è ciò che ha suscitato l'interesse per la biomeccanica del continuo.

Utilizzando una prospettiva biomeccanica, la neuromeccanica cerca di ottenere una comprensione più profonda dei modi in cui il cervello e il sistema nervoso collaborano per esercitare il controllo sul corpo. Durante le attività motorie, le unità motorie sono responsabili dell'attivazione di un gruppo di muscoli per eseguire un determinato movimento. Questo movimento può essere modificato attraverso il processo di adattamento motorio e di apprendimento. Negli ultimi anni, la combinazione di tecniche di motion capture e registrazioni neurali ha reso possibile condurre osservazioni e studi neuromeccanici.

Negli ultimi anni, il sottocampo della biomeccanica vegetale è emerso come risultato dell'applicazione di principi biomeccanici alle piante, agli organi vegetali e a varie cellule vegetali. L'uso della biomeccanica per le piante comprende una vasta gamma di attività, tra cui lo studio della resistenza delle colture agli stress ambientali, la ricerca dello sviluppo e della morfogenesi a scala cellulare e tissutale e l'utilizzo della meccanobiologia.

Lo studio della biomeccanica sportiva comporta l'applicazione dei principi della meccanica al movimento umano al fine di raggiungere gli obiettivi di acquisire una comprensione più profonda delle prestazioni atletiche e ridurre il numero di infortuni che si verificano durante lo sport. Si...