应力生长
1、背景介绍
物体的形状是由物体内部各微小单元（他们可以是原子、分子或他们的集团）之间的相互作用力来维持的，物体若受到外力作用便会发生形变，这种物体形变在物体内部表现为微小单元间发生相对位移，这些微小位移使得物体内部微小单元之间原有的相互作用力发生了改变，应力就是物体在没有发生形变之前与发生形变之后物体内部微小单元之间相互作用力的单位改变量。
在我们的自然界中存在的物质分为两类，即没有生命的物质，和有生命的物质，有生命的物质是由无生命物质构成的，不管什么物质只要他发生形变，其内部就会出现应力，对于有生命的物质来说，其内部出现的应力就会对其生长产生影响，这就是应力与生长之间存在的关系。
生长是一个生物学概念，指的是生物组织或材料按照生物学原则，主动获取物质或能量，有目的的使用这些物质或能量对自己的体积，形态或功能等进行调整的生物化学过程。单个细胞对外界的各种刺激做出反应，这叫应激性，这种反应体现了细胞的代谢或生长。
在生物体内，细胞或者生活在稳定状态，或者繁殖、移动或死亡，体内组织或增厚或消蚀。从细胞繁殖来说，单细胞繁殖时它的变形很大，而且是单个地活动，当细胞形成一个聚合层，它们就变得平静和变化缓慢；而在组织中，每个细胞周围都有相邻的细胞，因此回转的速度通常都很慢。毫无疑问，细胞和组织的变化和生长都是一个分子接着一个分子进行的，这都有生物化学基础，和生物物理基础。
生物的生长是一种细胞活动，就基础而言属于分子生物学、遗传学和生物化学，从分子到器官，力学作用扮演了一个重要的角色，因为在这个过程中有很多阶段受到应力的影响。
细胞结构符合张力完整性原理，细胞骨架的张力完整性又影响细胞的形状和功能，因此细胞骨架在细胞应力反应中有重要的作用。细胞感受应力刺激做出反应的前提条件是发生细胞形变，细胞骨架可以将应力传递到细胞核，作用于特定的基因从而改变细胞的代谢状态。
肌动蛋白丝是细胞骨架的主要成分之一，使细胞具有很强的韧性不易变形。当有足够大的外力作用于细胞时，细胞产生形变，细胞骨架结构整体重排，反过来骨架重排又引起细胞形变。表皮生长因子受体与细胞骨架相连，因此在机械应力作用的途径上可能有表皮生长因子的作用。整合素是细胞内的一种重要的细胞表面受体，具有机械应力转导功能，将机械应力信号转化为化学信号作用。一方面受到刺激将机械刺激传递到细胞骨架系统产生更深远的细胞反应，另一方面将机械刺激传递到同在细胞膜上的各种膜表面蛋白，促进一系列的信号级联反应。另外还有细胞内的酪氨酸激酶受体、应力敏感性离子通道等对应力的反应及机制研究已为人们所认识。
在生物组织中，应力与生长的关系是相互的，也就是说，生物组织中应力的变化会使得其生长随之改变，这叫做生物的力学顺应性；反过来，生物组织的生长也会使得其内部的应力状态发生改变，改变了的应力状态又会影响组织的生长。
在生长的生物力学中，生长激素和生长因子是主要角色。脑垂体分泌生长激素，它会加速生长，使所有器官增大并在骨骺闭合后促使骨生长，增加蛋白质的形成，减少碳水化合物的利用，并增加脂肪用于产生能量的活动。
人在跑步时的肌肉、血管等软组织处于张拉状态，剪断后立即收缩。受重力和软组织牵拉作用，骨骼处于压缩状态，这些统称为预应力状态。承受强度大，材料最省的预应力结构为张拉整合结构，人体具有最优的张拉整合结构，从骨架到细胞都处于一种优化的应力环境中，这是自我设计和调控长成的，称为生物自适应结构，应力信号协同生物化学信号是它的设计和调控者，应力信号在传递过程中引起一系列生化反应，在调控细胞分化、生长和凋亡中起着主导作用。
人体细胞的种子在骨髓中形成，研究表明骨髓间充质干细胞在一定的应力刺激下能分化为成骨细胞、脂肪细胞、内皮细胞等，应力刺激促使细胞分泌某些蛋白多糖、胞外基质、细胞因子等化学成分，这就是应力对细胞分化的作用。
骨骼的生长是个动态平衡过程。从结构上骨骼内分松质骨和皮质骨，从组织上骨骼由细胞间质和功能细胞组成。研究表明，应力是调控功能细胞的决定性因素，而生物学因素起参与作用，这就是应力对骨骼生长的作用。
从根本上说，生长是一种分子水平上的细胞生物现象。应力和应变使细胞保持某种特殊形态，由于生长是决定于这种状态以及其它因素，因此它也决定于应力和应变。下面我们用几个典型的例子来比较详细地说明一下力与生长之间的关系。
2、骨生长与应力
人体骨组织的生长发育和骨病康复过程中不断地发生着塑建和重建以适应周围的环境。骨只有在不断地适应承受外力产生应力刺激的力学环境中，才能不断进行骨结构自身的改建、塑形以适应外部环境的变化。
遗传的程序、激素的活性及施加到骨上的载荷这三个因素决定了骨的内部结构和外部形态。1892年德国的医学博士Wolff发表了著名的“骨转化定律”，即“骨的功能的每一次改变，都按着数学法则，以某一定的方式来改变其内部结构和外部形态”，即骨的外部形态和内部结构反映其功能。至今这一法则已得到了临床和实验的支持。
骨的应力适应性又称骨的功能适应性，具体表现就是，当骨需要增加时，有骨形成增加它们完成其功能的本领；当需要减少时，有骨吸收，降低它们完成其功能的本领，可见骨的生长、发育、萎缩和消退等变化与其承受的应力有密切的关系。活体骨不断进行着生长、加强和再吸收，这个过程叫骨的重建。骨重建的目标总是使内部结构和外部形态适应于其载荷环境的变化，分为两种：表面重建和内部重建。表面重建是指在骨表面上发生的骨材料的再吸收或沉积，是一个长期缓慢的过程，一般要延续数月或数年；内部重建是指骨组织内部矿物质含量及孔隙度的变化引起的骨组织体积密度和质量改变，可在很短时间内完成。对人来说，骨受伤重建的时间较短，量级为几周。
俄罗斯和美国的一项研究表明，10个月以上的太空飞行将导致全身骨量丢失，骨盆和股骨分别下降12%和8.2%，但头盖骨由于在失重状态下血液重新进行了分配，流向头部增多，血流应力刺激使头部骨量得到补偿，所以其骨量没有明显下降。将麻醉状态下的鼠前臂放到力学实验机上，按一定波形施加轴向交变载荷，产生周期性轴向压应力和侧向张应力，在一段时间后测量骨质增加率，发现载荷的生理脉动频率对骨生长有明显促进作用。
Roux(1895)说：通过实践功能，使器官适应于它的功能，他假设骨经过增值与退化，本能地适应动物的生活条件，符合最大-最小的最优化设计原则。骨的功能活动不但直接决定着骨的形态、尺寸大小和结构方式，而且还使骨的强度、刚度、稳定性始终适应于功能结构的需要。例如切除动物的双后肢，仅保留双前肢，一段时间后动物的前肢很快增粗强壮，骨的强度明显增高；又如胎儿缺乏肢体活动，骨干基本上保持圆管状，而婴儿四肢不停的活动，圆管状骨逐渐发育成异形结构，直到能直立行走时，圆管状胫骨发育成了三角形态。Roux（1895）年曾提出松质骨的最优结构应是桁架形式，Pauwels也证实了这一点。以股骨为例，股骨的两端是松质骨，它的结构单元是骨小梁，躯体的重量通过两股骨头和股骨颈传到股骨干，无论站立还是运动，股骨颈均承受较大的载荷，这种载荷在股骨颈的外上方为拉应力，内下方为压应力，股骨颈为了适应这两种不同形式的载荷，骨小梁就形成了两种不同的排列形式，方向沿着运动所形成的骨的主应变方向，外侧的一组呈弯曲形排列而走向股骨头，完全符合有最大拉应力（主拉应力）迹线；内侧的一组呈直线形排列而走向股骨头，完全符合最大压应力（主压应力）迹线，这种排列形式，使骨小梁处于免受剪应力的有利受力状态。Kummer（1966）提出了人体股骨端部的三维桁架模型，如图所示，从松质骨到密质骨形成连续表面，最小单元是骨小梁，它们的排列方向或多或少平行于骨干轴线方向，这正是骨干的主应力方向，这样排列避免了骨小梁承受剪力，最大限度地降低了弯矩，使骨小梁处于承受以轴力为主的十分有利的受力状态，减轻了结构的重量，显示了良好的应力-应变状态。由于骨小梁是松质骨的抗力结构，它的空间分布和密度大小与所承受力的方向和大小有一定的关系，因此分析骨与关节的骨小梁的排列方式可以间接推断它们所承受的负荷。一般来说，决定骨小梁的特征有三个基本生物力学原则：1）不承受负荷的骨几乎没有明显的骨小梁分布；2）承受功能负荷的骨的骨小梁排列方向与其承受的压力主矢量方向平行；3）骨小梁的数量与大小和所承受的压力大小成正比。
骨干还以其合理的截面形式、密度分布适应其受力状态。以股骨中处横截面为例，从解剖学上分为前后内外四部分，因股骨微向内侧弯曲，承受偏心压缩，最大拉应力出现在截面外侧，而最大压应力出现在截面内侧，前后部位为中性层通过的低应力区域，所以在股骨的内、外侧，由于应力较高而长的较厚，前后部位应力较低则长的较薄。实际上骨承受的是动载荷，步态改变、髋关节作用力的变化及肌肉力的重新分布等使得骨上出现载荷波动，从而会导致中性轴在横截面上的波动，前后部位是适应于中性层波动而产生的低应力区域。
3、软组织应力与生长
心、肺、血管和肌肉等软组织也会随着应力和应变而改造。下面举几个例子来说明这个问题。
1、心脏肥厚
众所周知，当心脏超载时，它的肌肉细胞增大。通过对比心肌的横截面积，发现肥厚心脏中的肌肉细胞直径比正常心肌的直径大得多。容量负荷过重使心脏室腔体积增加，而压力负荷过重使心壁厚度增加，心壁既向内也向外增厚，结果就使得心室容积减少。Anversa等超微结构研究发现，压力负荷过重使心脏肥厚时，心肌细胞结构的体积密度、心室壁的内中外层表面积与体积的比值都均匀一致。Tezuka研究发现肌肉纤维的方向在内心肌层出现了重新排列：在正常心脏心内壁表面的肌肉纤维与基平面夹角是63度，压力负荷过重时是56度，容量负荷过重时是50度。
2、肺的改造
有研究证实：当将兔子一侧肺切除时，剩下的肺会逐渐扩大到整个胸腔，一直生长到重量大约是两个肺的重量为止。Crystal和Cowan用新西兰白兔进行了左肺切除手术，研究右肺中胶原的总含量，发现出生后第一个月和左肺切除后第一个月，右肺中的胶原均呈迅速增加态势，这种迅速生长证明肺里的应变程度变化与胶原的合成有直接关系。
3、血流增加对血管直径的影响
大量的研究表明血管壁面剪应力影响着血管的生长。血流增加、流速快的血管内直径会增大，而血流减小、流速慢的直径则会缩小。Fry研究粥样硬化时发现剪切应力与血管内皮细胞变化也呈现这个趋向。当血液在血管中流动时，血压在血管壁上产生应力，且产生的最大剪切应力比血液在血管内层上造成的剪切应力要大5个数量级。正常血压时，圆周应力为达因/厘米数量级，纵向应力在同一数量级稍小一些，而径向应力是较小的数量级。
4、外科手术伤口的愈合
伤口愈合显示了组织的结构和力学变化。Fung等用外科手术线缝合老鼠动脉，测定愈合过程中血管的强度。发现愈合过程不同阶段动脉的极限强度随时间增加而减小，这是由于愈合过程中缝合线旁边的血管壁变厚而造成的。动脉的痊愈相当慢，要花十二个月，当然，动脉强度情况决定于缝合线的吸收过程，平滑肌和结缔组织的再生，以及在吸收和再生过程中结构的变化，但无论怎样，足够的应力是必需的。
5、太空飞行和静止不动时的肌肉萎缩
在太空飞行的失重状态下，骨骼肌会出现萎缩，宇航员返回地球时下肢体积会缩小，因此宇航员在飞行时有必要每天严格进行身体锻炼，给予组织适当的应力刺激。有研究发现长期静止不动或者卧床不能行动者，也会出现肌肉萎缩、骨质疏松等病症，不能得到很好的应力刺激呈现反生长态势。将老鼠的四肢固定不动6小时，其肌肉蛋白合成速率下降，而在重新活动6小时后又恢复正常；被动拉伸或者重复刺激可延迟肌肉标本中蛋白质的分解；拉紧而不动的肌肉与处于休息或缩短状态的不动肌肉之间有明显的不同，但是均是固定不动的肌肉，因此均会出现萎缩。
4、临床举例
应力是控制活体骨重建的力量来源，在骨折临床处理和矫形方面有着重要作用，对合理设计接触骨组织的假肢器械特别重要。如在假体上施加一应力于临近骨组织上，如果这些应力与骨组织所习惯承受的应力不同，则骨就会按新的环境重建，有时重建的骨组织在某种意义上较软弱，可能导致外科处理的失败。如临床使用的加压钢板治疗骨折，有时会出现已愈合骨的再骨折，因为钢板和骨是两种不同的材料，具有不同的弹性模量，长管骨弹性模量约为钢板弹性模量的十分之一，由力学原理知道，在这样的情况下，绝大部分的载荷将由钢板承受，骨只承受很少的一部分力，骨的正常功能被钢板所代替，因而骨组织未得到应受的应力，骨吸收超过骨形成，从而引起骨质疏松，骨强度减弱。
应力对于软组织的愈合同样非常重要。在整形外科中，临床经验指导外科医生沿Langer线方向规定刀口方向，可以使缝合线张力最小，保证了瘢痕最不明显。周期性地施加应力对伤口愈合也很有利，同时应力有助于阻止皮肤移植的挛缩，挛缩使相邻的健康皮肤产生拉伸，使皮肤和肢体畸变。人体上较高张力部位做皮肤移植时剥下的皮肤挛缩程度较小，而在同一部位沿Langer线方向与其它方向相比为最小。
同时，软组织扩张术也是一项利用应力与生长关系出现的一种技术，有效地解决了整形外科中许多疑难问题，在生理功能恢复和美容上都取得了很大成功。原理是当人体组织受到内部或外部机械力作用时，可随之产生变形并达到适应，组织扩张术就是模拟了这种生理过程，以获得额外组织供手术修复使用。主要用来扩张皮肤，以获得多余的正常皮肤来修复缺损或进行器官再造等手术，也有用来扩张神经干、动静脉和肌肉等。