應力生長

物體的形狀是由物體內部各微小單元（他們可以是原子、分子或他們的集團）之間的相互作用力來維持的，物體若受到外力作用便會發生形變，這種物體形變在物體內部表現為微小單元間發生相對位移，這些微小位移使得物體內部微小單元之間原有的相互作用力發生了改變，應力就是物體在沒有發生形變之前與發生形變之後物體內部微小單元之間相互作用力的單位改變數。

在我們的自然界中存在的物質分為兩類，即沒有生命的物質，和有生命的物質，有生命的物質是由無生命物質構成的，不管什麼物質只要他發生形變，其內部就會出現應力，對於有生命的物質來說，其內部出現的應力就會對其生長產生影響，這就是應力與生長之間存在的關係。

生長是一個生物學概念，指的是生物組織或材料按照生物學原則，主動獲取物質或能量，有目的的使用這些物質或能量對自己的體積，形態或功能等進行調整的生物化學過程。單個細胞對外界的各種刺激做出反應，這叫應激性，這種反應體現了細胞的代謝或生長。

在生物體內，細胞或者生活在穩定狀態，或者繁殖、移動或死亡，體內組織或增厚或消蝕。從細胞繁殖來說，單細胞繁殖時它的變形很大，而且是單個地活動，當細胞形成一個聚合層，它們就變得平靜和變化緩慢；而在組織中，每個細胞周圍都有相鄰的細胞，因此迴轉的速度通常都很慢。毫無疑問，細胞和組織的變化和生長都是一個分子接著一個分子進行的，這都有生物化學基礎，和生物物理基礎。

生物的生長是一種細胞活動，就基礎而言屬於分子生物學、遺傳學和生物化學，從分子到器官，力學作用扮演了一個重要的角色，因為在這個過程中有很多階段受到應力的影響。

細胞結構符合張力完整性原理，細胞骨架的張力完整性又影響細胞的形狀和功能，因此細胞骨架在細胞應力反應中有重要的作用。細胞感受應力刺激做出反應的前提條件是發生細胞形變，細胞骨架可以將應力傳遞到細胞核，作用於特定的基因從而改變細胞的代謝狀態。

肌動蛋白絲是細胞骨架的主要成分之一，使細胞具有很強的韌性不易變形。當有足夠大的外力作用於細胞時，細胞產生形變，細胞骨架結構整體重排，反過來骨架重排又引起細胞形變。表皮生長因子受體與細胞骨架相連，因此在機械應力作用的途徑上可能有表皮生長因子的作用。整合素是細胞內的一種重要的細胞表面受體，具有機械應力轉導功能，將機械應力信號轉化為化學信號作用。一方面受到刺激將機械刺激傳遞到細胞骨架系統產生更深遠的細胞反應，另一方面將機械刺激傳遞到同在細胞膜上的各種膜表面蛋白，促進一系列的信號級聯反應。另外還有細胞內的酪氨酸激酶受體、應力敏感性離子通道等對應力的反應及機制研究已為人們所認識。

在生物組織中，應力與生長的關係是相互的，也就是說，生物組織中應力的變化會使得其生長隨之改變，這叫做生物的力學順應性；反過來，生物組織的生長也會使得其內部的應力狀態發生改變，改變了的應力狀態又會影響組織的生長。

在生長的生物力學中，生長激素和生長因子是主要角色。腦垂體分泌生長激素，它會加速生長，使所有器官增大並在骨骺閉合後促使骨生長，增加蛋白質的形成，減少碳水化合物的利用，並增加脂肪用於產生能量的活動。

人在跑步時的肌肉、血管等軟組織處於張拉狀態，剪斷後立即收縮。受重力和軟組織牽拉作用，骨骼處於壓縮狀態，這些統稱為預應力狀態。承受強度大，材料最省的預應力結構為張拉整合結構，人體具有最優的張拉整合結構，從骨架到細胞都處於一種最佳化的應力環境中，這是自我設計和調控長成的，稱為生物自適應結構，應力信號協同生物化學信號是它的設計和調控者，應力信號在傳遞過程中引起一系列生化反應，在調控細胞分化、生長和凋亡中起著主導作用。

人體細胞的種子在骨髓中形成，研究表明骨髓間充質幹細胞在一定的應力刺激下能分化為成骨細胞、脂肪細胞、內皮細胞等，應力刺激促使細胞分泌某些蛋白多糖、胞外基質、細胞因子等化學成分，這就是應力對細胞分化的作用。

骨骼的生長是個動態平衡過程。從結構上骨骼內分松質骨和皮質骨，從組織上骨骼由細胞間質和功能細胞組成。研究表明，應力是調控功能細胞的決定性因素，而生物學因素起參與作用，這就是應力對骨骼生長的作用。

從根本上說，生長是一種分子水平上的細胞生物現象。應力和應變使細胞保持某種特殊形態，由於生長是決定於這種狀態以及其它因素，因此它也決定於應力和應變。下面我們用幾個典型的例子來比較詳細地說明一下力與生長之間的關係。

骨生長與應力的關係

人體骨組織的生長發育和骨病康復過程中不斷地發生著塑建和重建以適應周圍的環境。骨只有在不斷地適應承受外力產生應力刺激的力學環境中，才能不斷進行骨結構自身的改建、塑形以適應外部環境的變化。

遺傳的程式、激素的活性及施加到骨上的載荷這三個因素決定了骨的內部結構和外部形態。1892年德國的醫學博士Wolff發表了著名的“骨轉化定律”，即“骨的功能的每一次改變，都按著數學法則，以某一定的方式來改變其內部結構和外部形態”，即骨的外部形態和內部結構反映其功能。至今這一法則已得到了臨床和實驗的支持。

骨的應力適應性又稱骨的功能適應性，具體表現就是，當骨需要增加時，有骨形成增加它們完成其功能的本領；當需要減少時，有骨吸收，降低它們完成其功能的本領，可見骨的生長、發育、萎縮和消退等變化與其承受的應力有密切的關係。活體骨不斷進行著生長、加強和再吸收，這個過程叫骨的重建。骨重建的目標總是使內部結構和外部形態適應於其載荷環境的變化，分為兩種：表面重建和內部重建。表面重建是指在骨表面上發生的骨材料的再吸收或沉積，是一個長期緩慢的過程，一般要延續數月或數年；內部重建是指骨組織內部礦物質含量及孔隙度的變化引起的骨組織體積密度和質量改變，可在很短時間內完成。對人來說，骨受傷重建的時間較短，量級為幾周。

俄羅斯和美國的一項研究表明，10個月以上的太空飛行將導致全身骨量丟失，骨盆和股骨分別下降12%和8.2%，但頭蓋骨由於在失重狀態下血液重新進行了分配，流向頭部增多，血流應力刺激使頭部骨量得到補償，所以其骨量沒有明顯下降。將麻醉狀態下的鼠前臂放到力學實驗機上，按一定波形施加軸向交變載荷，產生周期性軸向壓應力和側向張應力，在一段時間後測量骨質增加率，發現載荷的生理脈動頻率對骨生長有明顯促進作用。

Roux(1895)說：通過實踐功能，使器官適應於它的功能，他假設骨經過增值與退化，本能地適應動物的生活條件，符合最大-最小的最最佳化設計原則。骨的功能活動不但直接決定著骨的形態、尺寸大小和結構方式，而且還使骨的強度、剛度、穩定性始終適應於功能結構的需要。例如切除動物的雙後肢，僅保留雙前肢，一段時間後動物的前肢很快增粗強壯，骨的強度明顯增高；又如胎兒缺乏肢體活動，骨幹基本上保持圓管狀，而嬰兒四肢不停的活動，圓管狀骨逐漸發育成異形結構，直到能直立行走時，圓管狀脛骨發育成了三角形態。Roux（1895）年曾提出松質骨的最優結構應是桁架形式，Pauwels也證實了這一點。以股骨為例，股骨的兩端是松質骨，它的結構單元是骨小梁，軀體的重量通過兩股骨頭和股骨頸傳到股骨幹，無論站立還是運動，股骨頸均承受較大的載荷，這種載荷在股骨頸的外上方為拉應力，內下方為壓應力，股骨頸為了適應這兩種不同形式的載荷，骨小梁就形成了兩種不同的排列形式，方向沿著運動所形成的骨的主應變方向，外側的一組呈彎曲形排列而走向股骨頭，完全符合有最大拉應力（主拉應力）跡線；內側的一組呈直線形排列而走向股骨頭，完全符合最大壓應力（主壓應力）跡線，這種排列形式，使骨小梁處於免受剪應力的有利受力狀態。Kummer（1966）提出了人體股骨端部的三維桁架模型，如圖所示，從松質骨到密質骨形成連續表面，最小單元是骨小梁，它們的排列方向或多或少平行於骨幹軸線方向，這正是骨幹的主應力方向，這樣排列避免了骨小梁承受剪力，最大限度地降低了彎矩，使骨小梁處於承受以軸力為主的十分有利的受力狀態，減輕了結構的重量，顯示了良好的應力-應變狀態。由於骨小梁是松質骨的抗力結構，它的空間分布和密度大小與所承受力的方向和大小有一定的關係，因此分析骨與關節的骨小梁的排列方式可以間接推斷它們所承受的負荷。一般來說，決定骨小梁的特徵有三個基本生物力學原則：1）不承受負荷的骨幾乎沒有明顯的骨小梁分布；2）承受功能負荷的骨的骨小梁排列方向與其承受的壓力主矢量方向平行；3）骨小梁的數量與大小和所承受的壓力大小成正比。

骨幹還以其合理的截面形式、密度分布適應其受力狀態。以股骨中處橫截面為例，從解剖學上分為前後內外四部分，因股骨微向內側彎曲，承受偏心壓縮，最大拉應力出現在截面外側，而最大壓應力出現在截面內側，前後部位為中性層通過的低應力區域，所以在股骨的內、外側，由於應力較高而長的較厚，前後部位應力較低則長的較薄。實際上骨承受的是動載荷，步態改變、髖關節作用力的變化及肌肉力的重新分布等使得骨上出現載荷波動，從而會導致中性軸在橫截面上的波動，前後部位是適應於中性層波動而產生的低應力區域。

軟組織中應力與生長的關係

心、肺、血管和肌肉等軟組織也會隨著應力和應變而改造。下面舉幾個例子來說明這個問題。

1）心臟肥厚

眾所周知，當心臟超載時，它的肌肉細胞增大。通過對比心肌的橫截面積，發現肥厚心臟中的肌肉細胞直徑比正常心肌的直徑大得多。容量負荷過重使心臟室腔體積增加，而壓力負荷過重使心壁厚度增加，心壁既向內也向外增厚，結果就使得心室容積減少。Anversa等超微結構研究發現，壓力負荷過重使心臟肥厚時，心肌細胞結構的體積密度、心室壁的內中外層表面積與體積的比值都均勻一致。Tezuka研究發現肌肉纖維的方向在內心肌層出現了重新排列：在正常心臟心內壁表面的肌肉纖維與基平面夾角是63度，壓力負荷過重時是56度，容量負荷過重時是50度。

2）肺的改造

有研究證實：當將兔子一側肺切除時，剩下的肺會逐漸擴大到整個胸腔，一直生長到重量大約是兩個肺的重量為止。Crystal和Cowan用紐西蘭白兔進行了左肺切除手術，研究右肺中膠原的總含量，發現出生後第一個月和左肺切除後第一個月，右肺中的膠原均呈迅速增加態勢，這種迅速生長證明肺里的應變程度變化與膠原的合成有直接關係。

3）血流增加對血管直徑的影響

大量的研究表明血管壁面剪應力影響著血管的生長。血流增加、流速快的血管內直徑會增大，而血流減小、流速慢的直徑則會縮小。Fry研究粥樣硬化時發現剪下應力與血管內皮細胞變化也呈現這個趨向。當血液在血管中流動時，血壓在血管壁上產生應力，且產生的最大剪下應力比血液在血管內層上造成的剪下應力要大5個數量級。正常血壓時，圓周應力為達因/厘米數量級，縱向應力在同一數量級稍小一些，而徑向應力是較小的數量級。

4）外科手術傷口的癒合

傷口癒合顯示了組織的結構和力學變化。Fung等用外科手術線縫合老鼠動脈，測定癒合過程中血管的強度。發現癒合過程不同階段動脈的極限強度隨時間增加而減小，這是由於癒合過程中縫合線旁邊的血管壁變厚而造成的。動脈的痊癒相當慢，要花十二個月，當然，動脈強度情況決定於縫合線的吸收過程，平滑肌和結締組織的再生，以及在吸收和再生過程中結構的變化，但無論怎樣，足夠的應力是必需的。

5）太空飛行和靜止不動時的肌肉萎縮

在太空飛行的失重狀態下，骨骼肌會出現萎縮，太空人返回地球時下肢體積會縮小，因此太空人在飛行時有必要每天嚴格進行身體鍛鍊，給予組織適當的應力刺激。有研究發現長期靜止不動或者臥床不能行動者，也會出現肌肉萎縮、骨質疏鬆等病症，不能得到很好的應力刺激呈現反生長態勢。將老鼠的四肢固定不動6小時，其肌肉蛋白合成速率下降，而在重新活動6小時後又恢復正常；被動拉伸或者重複刺激可延遲肌肉標本中蛋白質的分解；拉緊而不動的肌肉與處於休息或縮短狀態的不動肌肉之間有明顯的不同，但是均是固定不動的肌肉，因此均會出現萎縮。

臨床套用舉例

應力是控制活體骨重建的力量來源，在骨折臨床處理和矯形方面有著重要作用，對合理設計接觸骨組織的假肢器械特別重要。如在假體上施加一應力於臨近骨組織上，如果這些應力與骨組織所習慣承受的應力不同，則骨就會按新的環境重建，有時重建的骨組織在某種意義上較軟弱，可能導致外科處理的失敗。如臨床使用的加壓鋼板治療骨折，有時會出現已癒合骨的再骨折，因為鋼板和骨是兩種不同的材料，具有不同的彈性模量，長管骨彈性模量約為鋼板彈性模量的十分之一，由力學原理知道，在這樣的情況下，絕大部分的載荷將由鋼板承受，骨只承受很少的一部分力，骨的正常功能被鋼板所代替，因而骨組織未得到應受的應力，骨吸收超過骨形成，從而引起骨質疏鬆，骨強度減弱。

應力對於軟組織的癒合同樣非常重要。在整形外科中，臨床經驗指導外科醫生沿Langer線方向規定刀口方向，可以使縫合線張力最小，保證了瘢痕最不明顯。周期性地施加應力對傷口癒合也很有利，同時應力有助於阻止皮膚移植的攣縮，攣縮使相鄰的健康皮膚產生拉伸，使皮膚和肢體畸變。人體上較高張力部位做皮膚移植時剝下的皮膚攣縮程度較小，而在同一部位沿Langer線方向與其它方向相比為最小。

同時，軟組織擴張術也是一項利用應力與生長關係出現的一種技術，有效地解決了整形外科中許多疑難問題，在生理功能恢復和美容上都取得了很大成功。原理是當人體組織受到內部或外部機械力作用時，可隨之產生變形並達到適應，組織擴張術就是模擬了這種生理過程，以獲得額外組織供手術修復使用。主要用來擴張皮膚，以獲得多餘的正常皮膚來修復缺損或進行器官再造等手術，也有用來擴張神經乾、動靜脈和肌肉等。