2025年大學《物理學》專業(yè)題庫——生物力學在醫(yī)藥健康中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述細胞粘彈性的一般特征，并說明為什么血液被視為非牛頓流體。二、解釋Womersley數(shù)的物理意義，并說明它為何能反映血管彎曲程度對流場結構的影響。三、當骨骼受到單向拉伸時，描述其應力-應變曲線可能呈現(xiàn)的階段特征，并簡述各階段對應的力學行為和組織生理意義。四、說明剪切應力在血小板激活和動脈粥樣硬化斑塊形成過程中可能扮演的角色。五、簡述體外細胞拉伸刺激如何影響細胞行為，并舉例說明這種技術在組織工程或疾病研究中的應用。六、在設計和評估人工心臟瓣膜時，需要考慮哪些關鍵的生物力學性能指標？并分別解釋其生理學意義。七、生物組織（如軟組織）的粘彈性可以用多種模型來描述。簡述Kelvin-Voigt模型和Maxwell模型的數(shù)學表達式及其物理圖像，并說明它們各自的適用范圍。八、解釋壓電效應在生物醫(yī)學領域的應用前景，并舉例說明至少兩種不同的應用場景。九、流體力學生物學研究表明，血液在微血管中的流動狀態(tài)與血管堵塞（如血栓形成）密切相關。請闡述層流和湍流的區(qū)別，并解釋為何湍流狀態(tài)可能更有利于血栓的形成。十、在設計用于測量脈搏波的傳感器時，需要考慮哪些生物力學和物理因素？請列舉至少三項，并簡述其重要性。十一、組織工程旨在構建具有特定功能的組織替代物。從生物力學的角度，簡述在構建人工組織時，如何設計生物支架材料的力學性能以滿足細胞生長和組織的再生的需求。十二、物理因子治療（如低強度激光療法、超聲波治療）被用于多種疾病的治療。請選擇一種具體的物理因子治療方法，簡述其作用機制，并從生物力學的角度解釋其治療效果的可能原理。試卷答案一、細胞粘彈性的一般特征表現(xiàn)為既具有彈性（變形后能恢復原狀）又具有粘性（變形速度與應力成正比）。其應力-應變關系通常是非線性的，且往往滯后于應力變化，表現(xiàn)出應力松弛和應變強化現(xiàn)象。血液被視為非牛頓流體，因為它在低剪切率時表現(xiàn)出屈服應力（需要一定應力才能開始流動），且其粘度隨剪切率、溫度和血細胞比容的變化而變化，不符合牛頓流體粘度為常數(shù)的特點。二、Womersley數(shù)的物理意義是無量綱的雷諾數(shù)與管道彎曲程度的組合參數(shù)，用于描述層流在彎曲管道中由于慣性力與粘性力之比以及管道幾何形狀（曲率半徑）的影響。它反映了慣性力與粘性力對于流場結構（特別是近壁面處的速度邊界層）的相對重要性。Womersley數(shù)越大，慣性力相對粘性力的影響越顯著，通常意味著更明顯的二次流或渦流結構，這對于理解彎曲血管中的血流動力學至關重要。三、骨骼受單向拉伸時的應力-應變曲線通常可分為四個階段：彈性階段（應力與應變成正比，符合胡克定律，組織結構基本未發(fā)生不可逆改變）、屈服階段（應力達到屈服點后，微小變形迅速增大，組織內部發(fā)生塑性形變和微結構調整）、強化階段（應力繼續(xù)增加，組織通過機制如膠原纖維重組等方式抵抗變形，應變持續(xù)增大但速率減慢）和破壞階段（應力達到最大強度點后，組織發(fā)生斷裂）。各階段反映了骨骼從可恢復變形到發(fā)生永久性損傷直至最終斷裂的完整過程。四、剪切應力在血小板激活和動脈粥樣硬化斑塊形成過程中扮演重要角色。當血管內皮受損或斑塊表面不穩(wěn)定時，血流產生的剪切應力（特別是低切應力或切應力波動）可以刺激血管內皮細胞釋放趨化因子，招募單核細胞進入損傷區(qū)域。單核細胞轉化為巨噬細胞，吞噬脂質形成泡沫細胞，進而發(fā)展成粥樣硬化斑塊。此外，特定的剪切應力條件（如低切應力）可以直接激活血小板，使其粘附、聚集，形成血栓，堵塞血管或促進斑塊不穩(wěn)定。五、體外細胞拉伸刺激通過模擬細胞在體內的機械微環(huán)境（如肌肉收縮時肌腱對肌肉的牽拉、細胞遷移時的基質收縮）來影響細胞行為。它可以改變細胞內外的力學信號（如整合素介導的細胞外基質信號、細胞骨架張力），激活下游信號通路（如MAPK、PI3K/Akt），從而調控細胞的增殖、分化、凋亡、遷移能力以及基因表達譜。該技術在組織工程中用于促進細胞增殖和構建具有特定力學特性的組織；在疾病研究中可用于模擬力學相關的疾病過程（如癌癥metastasis）或測試藥物對細胞力學響應的影響。六、設計和評估人工心臟瓣膜時需要考慮的關鍵生物力學性能指標包括：①血流動力學性能（如跨瓣壓差、流量系數(shù)、血流動力學舒適度，避免產生渦流和湍流導致能耗增加和血栓形成）；②機械Durability（如疲勞壽命、抗磨損性能，確保瓣膜能在生理條件下長期穩(wěn)定工作）；③生物相容性（如材料不會引起過度炎癥反應、血栓形成或瓣膜鈣化）；④尺寸和形狀（需與天然瓣膜匹配，確保合適的開啟和關閉角度及面積）；⑤開啟和關閉功能（如足夠的開放角度、有效的關閉能力，防止反流）。這些指標直接關系到瓣膜的功能、安全性及患者的長期預后。七、Kelvin-Voigt模型的數(shù)學表達式通常為σ=Eε+η(dε/dt)，其中σ是應力，ε是應變，E是彈性模量，η是粘度系數(shù)（或稱損耗模量）。其物理圖像是一個彈簧（彈性元件）和一個阻尼器（粘性元件）并聯(lián)，組織同時表現(xiàn)出彈性和粘性。Maxwell模型的數(shù)學表達式為σ=(Eη)/(E+η)·(dε/dt)，其中E是彈性模量，η是粘度系數(shù)。其物理圖像是一個彈簧（彈性元件）和一個阻尼器（粘性元件）串聯(lián)，組織首先發(fā)生瞬時彈性變形，然后變形隨時間指數(shù)增長直至達到最終值。Kelvin-Voigt模型適用于描述應力松弛較慢或同時存在較大形變的組織（如某些軟組織），Maxwell模型更適用于描述蠕變過程或應力松弛較快的組織。八、壓電效應是指某些晶體材料在受到機械應力作用時，其內部會產生表面電荷分離，從而在材料表面形成電勢差的物理現(xiàn)象。其應用前景廣闊，在生物醫(yī)學領域，可利用壓電效應將機械能轉換為電能，用于自驅動微型醫(yī)療傳感器（如測量血壓、血糖、組織應變）、超聲換能器（如壓電陶瓷超聲探頭，將電信號轉換為聲波或反之）、以及開發(fā)能響應機械刺激產生生物效應的智能藥物輸送系統(tǒng)或組織工程支架。此外，逆向壓電效應也可用于驅動微納米機器人或實現(xiàn)微流控操作。九、層流是指流體分層穩(wěn)定流動，各層之間只有平行于層面的剪切應力，流體內部摩擦較小，能量損耗較低。湍流是指流體流動混亂無序，出現(xiàn)漩渦和脈動，流體內部摩擦較大，能量損耗較高。動脈粥樣硬化斑塊通常形成在血管彎曲處、分叉處或狹窄處，這些部位常伴有血流速度變化和切應力梯度增大，容易產生從層流到湍流的轉換區(qū)域或持續(xù)的湍流狀態(tài)。湍流狀態(tài)下，血液中的脂質和血小板更容易從血管壁分離并沉積在受損區(qū)域，同時湍流引起的氧化應激和炎癥反應也加速了斑塊的進展和不穩(wěn)定。十、設計用于測量脈搏波的傳感器時，需要考慮的生物力學和物理因素包括：①壓力傳感器的靈敏度和線性度（需能準確測量動脈壁擴張引起的微弱壓力變化）；②傳感器與組織的接觸面積和壓力傳遞特性（確保傳感器能有效感應到動脈脈搏的機械振動或壓力波動，同時避免對血管造成損傷）；③動態(tài)響應特性（脈搏波信號頻率較高，傳感器需具有足夠快的響應速度，以準確捕捉波形的細節(jié)）；④生物相容性和封裝（傳感器材料需無毒無害，封裝設計需適應人體佩戴或植入環(huán)境，并保證信號傳輸質量）。十一、從生物力學的角度，設計用于組織工程的人工支架材料時，需要考慮其力學性能以滿足細胞生長和組織再生的需求。首先，支架應提供足夠的機械強度和剛度，以抵抗生理載荷，維持臨時或長期的支撐結構，防止在構建過程中或植入體內后發(fā)生過度變形或坍塌。其次，支架應具有適當?shù)目紫督Y構和滲透性，允許細胞遷移、營養(yǎng)物質的輸送和代謝廢物的排出，同時孔隙大小和形狀需有利于細胞粘附、增殖和形成組織結構。此外，支架還應具備一定的可降解性，能夠在組織再生完成后逐漸被身體吸收，最終留下功能性的再生組織。有時還需要賦予支架仿生力學特性，如模擬天然組織的各向異性或梯度力學環(huán)境，以更精確地引導細胞行為和組織形成。十二、選擇低強度激光療法（Low-LevelLaserTherapy,LLLT）為例。其作用機制主要是利用特定波長和功率密度的激光照射生物組織，通過光生物調節(jié)作用產生生物學效應?？赡艿纳锪W解釋原理包括：①刺激細胞能量代謝：激光光子被細胞吸收后，可能激活線粒體，增加ATP產生，為細胞修復提供能量；②調節(jié)細胞功能：激光可能影響細胞