CapÃtulo 1 : Biomecánica
El estudio de la estructura, función y movimiento de los elementos mecánicos de los sistemas biológicos, a cualquier nivel, desde organismos completos hasta órganos, células y orgánulos celulares, utilizando las herramientas de la mecánica se conoce como biomecánica. La biomecánica se puede aplicar a cualquier nivel de sistemas biológicos. Existe un subcampo de la biofísica conocido como biomecánica.
Hoy en día, la mecánica computacional abarca una amplia variedad de fenómenos físicos, incluida la química, la transferencia de calor y masa, las interacciones eléctricas y magnéticas, y muchos más. Va mucho más allá de la mecánica tradicional que se utilizaba en el pasado.
Tanto el término "biomecánica" (1899) como el término relacionado "biomecánico" (1856) se originan de las palabras griegas antiguas ß??? bios, que significa "vida", y µ??av???, mechanike, que significa "mecánica". Estas palabras se utilizan para hablar del estudio de los principios mecánicos que rigen a los seres vivos, incluido su movimiento y estructura.
El estudio del flujo de fluidos gaseosos y líquidos dentro o alrededor de los organismos vivos se conoce comúnmente como mecánica de biofluidos, que también se conoce como mecánica biológica de fluidos. El tema del flujo sanguíneo en el sistema circulatorio humano es uno que se investiga con frecuencia en el campo de los biofluidos líquidos. Es posible utilizar las ecuaciones de Navier-Stokes para describir el flujo sanguíneo si se cumplen ciertas condiciones matemáticas. Se cree que la sangre entera es un fluido newtoniano incompresible cuando está presente en organismos vivos. Por otro lado, esta suposición no es válida cuando se tiene en cuenta el flujo directo dentro de las arteriolas. Cuando se observa a nivel microscópico, los impactos de los glóbulos rojos individuales se vuelven sustanciales y ya no es posible representar la sangre completa como un continuo. Cuando el diámetro del vaso sanguíneo es solo marginalmente mayor que el diámetro del glóbulo rojo, se produce el efecto Fahraeus-Lindquist y hay una reducción en la cantidad de tensión de cizallamiento de la pared que se experimenta. Por otro lado, cuando el ancho del vaso sanguíneo continúa disminuyendo, los glóbulos rojos se ven obligados a pasar a través del vaso y, con frecuencia, solo tienen la capacidad de pasar en una sola fila. Dentro de este escenario particular, se produce el efecto inverso de Fahraeus-Lindquist, lo que resulta en un aumento en el esfuerzo cortante de la pared.
Un ejemplo de un problema que involucra biofluidos gaseosos es el proceso de respiración de un ser humano. En los últimos años, los investigadores han comenzado a mirar el sistema respiratorio de los insectos como una fuente de bioinspiración para el desarrollo de dispositivos microfluídicos mejorados.
El estudio de la fricción, el desgaste y la lubricación en los sistemas biológicos, particularmente en conjunción con las articulaciones humanas como las caderas y las rodillas, se conoce como biotribología. Los campos de la mecánica de contacto y la tribología son a menudo los que se utilizan para investigar estos fenómenos.
El análisis del daño subsuperficial que se produce como resultado de que dos superficies entren en contacto entre sí durante el movimiento, también conocido como roce entre sí, es una parte adicional de la biotribología. Este tipo de daño se manifiesta, por ejemplo, en la evaluación del cartílago modificado con tejidos.
La biomecánica comparativa es la aplicación de la biomecánica a organismos no humanos. Esto se puede hacer con el propósito de obtener una comprensión más profunda de los seres humanos (como en la antropología física) o con el propósito de obtener una mejor comprensión de las funciones, la ecología y las adaptaciones de los propios organismos. El movimiento y la alimentación de los animales son áreas comunes de investigación por parte de los científicos porque ambos procesos tienen fuertes vínculos con la aptitud del organismo y plantean considerables demandas mecánicas al organismo. Caminar, correr, saltar y volar son solo ejemplos de las diferentes formas en que los animales se mueven. Para resistir las fuerzas de fricción, arrastre, inercia y gravedad, la locomoción requiere energía; Sin embargo, la naturaleza del entorno determina cuál de estas fuerzas es más dominante.
En el tema de la biomecánica comparada, hay una cantidad significativa de superposición con una amplia variedad de otros campos, como la ecología, la neurociencia, la biología del desarrollo, la etología y la paleontología. Esta superposición es tan significativa que los estudios se publican con frecuencia en las revistas de estos otros campos diferentes. La biomecánica comparativa se utiliza con frecuencia en el campo de la medicina, específicamente en relación con organismos modelo comunes como ratones y ratas. Además, se utiliza en el campo de la biomimética, que busca encontrar soluciones a los desafíos de ingeniería buscando inspiración en la naturaleza.
La aplicación de métodos computacionales de ingeniería, como el método de elementos finitos, al estudio de la mecánica de sistemas biológicos es lo que se conoce como biomecánica computacional. Con el fin de pronosticar el vínculo entre parámetros que de otro modo serían difíciles de probar experimentalmente, se utilizan modelos computacionales y simulaciones. Además, estas herramientas se utilizan para diseñar pruebas que sean más relevantes, lo que reduce la cantidad de tiempo y dinero necesarios para los estudios. Las observaciones experimentales de la proliferación de células vegetales se han interpretado mediante el uso de modelos mecánicos y análisis de elementos finitos. Esto se ha hecho con el fin de comprender cómo se diferencian las células vegetales, por ejemplo. En el transcurso de los últimos diez años, el método de elementos finitos se ha convertido en una alternativa consolidada a la evaluación quirúrgica in vivo en la industria farmacéutica. La capacidad de la biomecánica computacional para evaluar la reacción endoanatómica de una anatomía sin estar limitada por consideraciones éticas es una de las ventajas más significativas de este campo de estudio. Debido a esto, el modelado de elementos finitos (u otros enfoques de discretización) ha alcanzado el punto en que ahora se usa ampliamente en varias áreas diferentes de la biomecánica. Además, varios proyectos incluso han adoptado una mentalidad de código abierto (por ejemplo, BioSpine) y SOniCS, además de los frameworks SOFA, FEniCS y FEBio.
En el campo de la simulación quirúrgica, que se utiliza con fines de planificación, apoyo y capacitación quirúrgica, la biomecánica computacional es un componente indispensable. En este escenario, los métodos numéricos, también conocidos como discretización, se utilizan para calcular, en el menor tiempo posible, la respuesta de un sistema a las condiciones de contorno, que pueden incluir fuerzas, calor y movimiento de masa, así como estimulación eléctrica y magnética.
En la mayoría de los casos, se utilizan las ideas de la mecánica del continuo para llevar a cabo el estudio mecánico de biomateriales y biofluidos. La validez de esta suposición se pone en duda cuando las escalas de longitud de interés se acercan al orden de las características microestructurales del material. La estructura jerárquica de los biomateriales es uno de los aspectos llamativos que los distinguen de otros materiales. Para decirlo de otra manera, las propiedades mecánicas de estos materiales dependen de la ocurrencia de fenómenos físicos en varios niveles, que van desde el nivel molecular hasta los niveles de órganos y tejidos.
Los tejidos duros y los tejidos blandos son las dos categorías que se utilizan para categorizar los biomateriales. De acuerdo con la teoría de la elasticidad lineal, es posible realizar un análisis de la deformación mecánica de tejidos duros como la madera, la concha y el hueso. El examen de los tejidos blandos, por otro lado, depende de la teoría de la deformación finita y de las simulaciones por ordenador porque los tejidos blandos, como la piel, los tendones, los músculos y los cartílagos, suelen experimentar deformaciones significativas después de ser sometidos a ellos. La necesidad de aumentar el nivel de realismo en el proceso de desarrollo de la simulación médica es lo que ha despertado el interés por la biomecánica de continuos.
Utilizando una perspectiva biomecánica, la neuromecánica busca obtener una comprensión más profunda de las formas en que el cerebro y el sistema nervioso colaboran para ejercer control sobre el cuerpo. Durante las actividades motoras, las unidades motoras se encargan de activar un grupo de músculos con el fin de llevar a cabo un determinado movimiento. Este movimiento puede ser alterado a través del proceso de adaptación motora y aprendizaje. En los últimos años, la combinación de técnicas de captura de movimiento y grabaciones neuronales ha permitido realizar observaciones y estudios neuromecánicos.
En los últimos años, el subcampo de la biomecánica vegetal ha surgido como resultado de la aplicación de principios biomecánicos a plantas, órganos vegetales y diversas células vegetales. El uso de la biomecánica para plantas abarca una amplia gama de actividades, incluida la investigación de la resistencia de los cultivos al estrés ambiental, la investigación del desarrollo y la morfogénesis a escala celular y tisular, y la utilización de la mecanobiología.
El estudio de la biomecánica deportiva implica la aplicación de los principios de la mecánica al...
