力学与生物学的交叉与融合—— 中国科协举办青年科学家论坛第103次活动
中国科协青年科学家论坛第103 次活动于2006 年4月21-22 日在中国科学院力学研究所举行。本次论坛的主题为“力学与生物学的交叉与融合”。中国科学院力学研究所龙勉研究员和北京航空航天大学樊瑜波教授担任本次论坛的执行主席。
上海交通大学戴尅戎院士和中科院力学所陶祖莱研究员受论坛邀请分别做了题为“骨科工作者能为‘力员工物学’的发展做些什么？”和“生物力学与工程”的特邀报告。戴尅戎院士介绍了在骨科医疗实践中遇到了大量的力学问题，并通过应用简单力学分析在临床中取得了很好的效果，但仍然需要更多的有力学工程背景并受过良好生物训练的学者加入予以推动及深化。陶祖莱研究员回顾了生物力学与工程学科的发展历程，并从科学哲学的高度分析了该学科发展的趋势，着力倡导青年学者在交叉领域勇于探索，实现多学科的真正交叉与融合。
本次论坛共有来自全国各科研院所、大专院校的27位青年科学家进行主题报告和专题报告，同时还吸引了近50名青年学者、研究生和资深专家与会。论坛围绕着“力学与生物学的交叉与融合”这一主题开展学术交流与讨论，反映出如下进展并达成了共识。
一、论坛所反映的主要学术观点和最新研究进展
1.细胞/分子层次的微观生物力学
分子生物力学方面：中科院力学所龙勉研究员针对细胞表面的粘附分子――选择素，利用光镊、原子力、微吸管、生物传感器等试验手段研究了其与配体之间的反应动力学性质，并通过分子动力学模拟对反应过程予以几何刻画，目标是定量地阐明外力对分子间键结合与解离的调控机制。中山大学吴建华教授提出了一个描述接触面荧光恢复（FRAP）实验的扩散—反应偶联数学模型，建议了一种建立在该数学模型基础之上、提取粘附分子二维反应动力学速率及其在稳定接触面内之扩散系数的新方法。中科院力学所赵亚溥研究员试图通过“自下而上”的方法构建分子机器，包括基于F1-ATPase的分子马达和基于光驱动质子泵bR蛋白的微致动器，并针对分子机器在基底上的自组装，通过QM/MM方法模拟了分子马达中有机连接剂同金属基底的相互作用以及生物膜上的粘附。中科院力学所靳刚研究员基于全内反射椭偏光学成像（TIRIE）系统，提出了一种新型微阵列生物传感器，用于实时检测生物分子动态相互作用。中科院力学所霍波副研究员利用光谱学、原子力显微镜、分子动力学模拟等手段研究了蚕丝蛋白单分子折叠及多分子相互作用的机制，试图解释蚕丝纤维成丝过程。清华大学季葆华副教授利用粗粒化的分子动力学模拟方法研究了链刚度、结构域尺度及亲/疏水性质、限制尺度等参数对生物分子自组装过程的影响，发现其组装过程信赖于分子链长度及结构域的大小。北京大学谭文长教授研究了心肌细胞内钙信号传导的微观机理，考虑到胞内基质含有诸如蛋白质等复杂纳米结构的大分子，其双螺旋结构具有分形特征，同时考虑到细胞浆的粘弹性特征，把分数阶算子引入到钙信号在细胞浆内传导的刻画中，提出了钙信号反常扩散的动力学模型，数值结果与实验结果吻合较好，在一定程度上揭示了钙离子在细胞浆内的扩散规律。
细胞生物力学方面：西安交通大学张建保教授对电磁场影响细胞增殖响应的几种方式进行了研究，发现电磁场能够影响成骨细胞的增殖，不同波形的电磁场影响细胞增殖的信号途径是不同的。重庆大学宋关斌教授利用微吸管技术测量了肝肿大细胞与内皮细胞的粘附力，并研究了内皮细胞E-选择素分子的表达及其在粘附过程中的作用，发现E-选择素是此过程中主要的调控粘附分子。四川大学刘肖珩教授在所建立的切应力作用下内皮细胞迁移模型基础之上进行了力学分析，并研究了切应力诱导内皮细胞迁移的力学－化学信号耦合途径。中科院力学所陈少华副研究员建立了一个理论模型来分析周期应变加载下细胞发生取向化的机制。第三军医大学西南医院罗向东教授研究了b1整合素对表皮细胞增殖的影响，发现整合素β1不仅是一个判断表皮干细胞的标志, 同时在表皮干细胞的增殖与分化的调节中也发挥了重要的作用。
2.组织水平的宏观生物力学
口腔及骨生物力学方面：北京航空航天大学樊瑜波教授利用三维有限元应力分析手段，针对口腔正畸、外科和修复领域的几个问题开展了研究，将数值分析结果与相应的实验结果进行了比较，并据此制定治疗方案。香港理工大学张明副教授利用有限元方法详细分析了人体支撑系统的界面载荷传递机制，并根据数值分析结果来设计人工假肢或其它外部支撑装置，使其与人体实现良好配合。北京大学荣起国副教授针对上呼吸道塌陷与睡眠呼吸暂停综合征（OSAS）的关系，试图建立基于上呼吸道真实解剖结构的三维有限元模型、模拟上呼吸道的流-固耦合作用，以便为进一步理解OSAS的病因、改进OSAS的治疗方案奠定基础。重庆大学杨力教授针对前交叉韧带（ACL）不具有功能愈合性反应的问题开展了力员工物学研究，主要探索了力学环境对成纤维韧带细胞生命活动的影响及调控，目标是阐明韧带损伤后的力学过程与生物学过程，如重建，适应性变化，修复机理和基因调控之间的相互关系，从而发展出一个新的方法，以解决此医学难题。上海交通大学汤亭亭教授的研究表明灌注型生物反应器能确保大段磷酸三钙载体内的营养供应和气体交换，促使骨髓间充质干细胞在大段磷酸三钙载体内均匀分布，使其迅速增殖并成骨分化，可在成骨诱导培养条件和流体剪力刺激共同作用下较快的完成大段组织工程化骨的构建并成功用于修复羊胫骨大段骨缺损。
血管生物力学及血液流变学方面：上海交通大学姜宗来教授研究了切应力作用下联合培养的血管内皮细胞与平滑肌细胞（VSMC）形态和功能的影响及其机制，以及张应变对VSMC形态和功能的影响及其机制。北京航空航天大学邓小燕教授研究了动脉系统中的旋动流现象对血小板运动、粘附和物质（LDL）输运的影响及其在临床中的应用。上海交通大学覃开蓉副教授针对血管力员工物学中的问题进行了系统动力学建模。北京工业大学乔爱科副教授开展了血流动力学仿真模拟，针对主动脉及其病变、动脉搭桥术等医学问题进行了数值分析。中科院力学所张星副研究员利用用Navier-Stokes方程与薄膜方程耦合的方法模拟了含部分柔性壁的二维管道流动。北京航空航天大学李德玉教授针对超声造影技术研究中的力学与生物力学问题开展了研究。北京工业大学刘有军教授探讨了动脉邻近部位微波高温治疗的热力学特征。
3.以生物材料为背景的仿生力学
清华大学冯西桥教授对家蚕蚕茧和蚕丝的分级结构和力学性能进行了研究，其实验结果表明蚕茧是基于体内有限物质和环境需要而构建的一个有着良好性能的保护结构，其力学性能沿厚度方向的变化模式可以更好地抵御外界的侵袭，该工作对于材料和结构的分级结构设计和仿生等有一定的参考价值。中科院力学所宋凡研究员利用微压痕试验手段测量了蜻蜓翅膀的力学性质，详细观察了其微观结构，所做的理论分析表明其翅膜的超疏水性来源于其独特的表面微结构。
二、与会者达成的共识及相关建议
与会者经过讨论与交流，对当前生物力学的发展动向及最新进展达成了以下共识：
1.细胞/分子层次生物力学日益成为重要的研究方向。人们已经认识到，为阐明生命现象的基本规律，必须从细胞/分子层次加以研究。细胞生物学、分子生物学及生物化学等学科的发展促进了新实验方法和测试技术的发明，也提出了许多与力学因素相关的科学问题。目前国内生物力学工作者已经能较娴熟地应用这些实验手段，并利用其较好的数学、物理基础对这些科学问题加以研究。借鉴连续介质力学、化学动力学、统计力学甚至量子力学的理论成果，在此领域已经开始形成较独立的理论体系，并开发出了相应的实验技术。面向特殊疾病的医药开发，将使细胞/分子水平的生物力学获得更为持久的动力。
2.组织水平的生物力学与临床医学的结合日益紧密。更多的生物力学领域学者立足于从临床治疗角度提炼科学问题，尽管其研究方法仍属于传统的连续介质力学范畴，但表述研究成果时更多的是采用方便临床诊治的方式。与临床的紧密结合，使此领域的学者得到了大量的研究课题。而有限元技术的发展为组织水平生物力学研究提供了有力的工具，计算机硬件的增强及新软件的开发使针对个人快速地制定治疗方案成为可能，也为国家个体化和社区医疗的改革方向提供了技术保证。
3.仿生力学历史悠久，现代微/纳米技术的发展为该领域提供新的发展机遇。侧重于生物体的微观结构，利用微/纳米尺度的实验手段，仔细测量生物材料的力学性质，阐明微观结构与力学性质的关联成为当前仿生力学研究的主要特点。仍有大量生物的运动方式和力学机制不为人们所认识，对其加以研究将有力地促进仿生机械的发明和开发。同时，基于生物学原理的材料设计将使该领域的研究具有更强的应用背景。
为应对学科发展和国家需求给生物力学带来的机遇与挑战，与会者建议：
1.应认真研讨建立国家生物力学重点实验室的可行性。经过近三十年的发展，我国在生物力学领域取得了长足的发展，在分子-细胞生物力学、肝胆流变学、血液流变学等方面做出了有特色的创新性贡献，培养了一批受到良好力学与生物学交叉的研究队伍，建立北京、上海、西南等多个生物力学研究中心或基地。同时，生物力学作为生物医学工程的基础性学科，已发展了一系列新概念、新方法和新技术，在临床医学工程、生物微系统与生物传感器等方面做出了重要贡献。因此，建立国家生物力学重点实验室的条件已基本成熟。
2.应进一步整合国内生物力学研究力量，开展重大科学问题的合作研究。“七五”期间国家自然科学基金重大项目的组织和完成对发展我国的生物力学学科、对体液流变学及其在肝胆和心血管系统中的应用起到了十分重要的作用。在适当的时候组织国家自然科学基金重大项目和国家973项目，开展在生命系统的力学-生物学、力学-化学耦合规律等方面联合研究，将有助于进一步深化在分子-细胞-组织层次的生物力学基础研究，发展药物设计与评价平台、生物微系统与生物传感器、手术计划数值平台等方面起到重要推动作用。
3.应进一步加强力学与生物学、医学的结合。除了学者自身应加强交叉学科的训练之外，国家也应对具有创新性的研究课题予以更多的支持。
4.应在现有研究队伍基础之上，进一步着力培养研究生及年青学者，使其有兴趣、有能力、有目标地继续从事生物力学研究。
三、本次论坛的特点及专家的反响
本次论坛上报告的研究方向新颖，学科交叉与结合明显，学术讨论热烈而深入，使到会学者与研究生们受益匪浅。参加会议的年青学者所受的交叉学科训练完整而扎实，表现在他们能够从生物与医学角度提出创新性的科学问题，并能够熟练地应用数理方法进行建模、应用计算技术进行数值分析、应用多学科实验手段进行实验验证，最后给出有价值的结论。这样的发展趋势表明，力学已经开始与生物学、医学密切融合，生物力学已经逐渐成为解释生命现象、解决临床医学工程的定量化问题的一个重要学科方向。
