Механические воздействия, которым подвергается человеческий организм, оказывают глубокое влияние на разных уровнях жизнедеятельности, от отдельных молекул до сложных систем. Понимание механических факторов и их биологических последствий имеет решающее значение для расшифровки физиологических и патологических процессов, а также для продвижения инноваций в разработке лекарств и терапевтических подходах к лечению различных заболеваний. Динамические факторы играют решающую роль в формировании жизни, регулируя биологические процессы на молекулярном, клеточном, тканевом, и системном уровнях. Например, нарушения механических процессов сокращения и расслабления сердца тесно связаны с возникновением и прогрессированием сердечно-сосудистых заболеваний, включая сердечную недостаточность и атеросклероз.

Аналогичным образом, механическая микросреда, окружающая клетки, признана критическим фактором для различных клеточных процессов, включая рост, пролиферацию, дифференцировку, старение, апоптоз и даже канцерогенез. Воздействие на эти механические микросреды открыло новые терапевтические стратегии для многих заболеваний. Поэтому изучение механических факторов и их воздействия имеет решающее значение для раскрытия законов жизни, выяснения механизмов заболеваний и продвижения инноваций в разработке лекарств и терапевтических подходах.

Биомеханика, сформировавшаяся как самостоятельная научная дисциплина в 1960-х годах, является примером междисциплинарного подхода, объединяющего принципы биологии, медицины, химии и материаловедения. Термин происходит от древнегреческих слов βίος (жизнь) и μηχανική (механика). Применяя фундаментальные физическо-механические принципы к биологическим системам, этот раздел медицинской науки исследует деформацию и движение живых организмов для выяснения биологических механизмов. В зависимости от классической классификации механики и уникальных характеристик биологических систем, эту дисциплину можно условно разделить на биомеханику жидкостей, твёрдых тел и спортивную. Первая их них исследует поведение потоков жидкостей и газов в живых организмах, используя принципы механики жидкостей и аэродинамики. Вторая изучает механические свойства условно твёрдых (в том числе эластичных) биологических тканей, таких как кости, мышцы и кровеносные сосуды, используя теории механики материалов, упругости, пластичности и процессов разрушительного воздействия. Спортивная биомеханика анализирует движения живых организмов, применяя принципы статики, кинематики и динамики.

Новаторские исследования систематически характеризуют различные свойства и поведение клеток, тканей (например, мышц, костей, кожи и зубов) и органов (мозга, лёгких, печени и глаз); динамику жидкостей и газов, а также реабилитацию после спортивных травм. Эти исследования разработали экспериментальные методы определения биомеханических свойств, устанавливают конститутивные соотношения для узлов организма и выявляют фундаментальные законы, управляющие потоком жидкости внутри организмов и биологических систем. Эти усилия уже предоставили человечеству значительные знания и важную информацию о том, как внешняя среда взаимодействует с живыми системами. Теория состояний нулевого напряжения и анализа остаточного напряжения в биологических тканях стала важным руководством, применимым во многих областях медицины, включая сердечно-сосудистые вмешательства, реабилитацию после травм костей и ортодонтию.

Достижения науки и техники ещё больше ускорили эволюцию биомеханики в область механобиологии. Эта новая область исследует, как механическая среда (стимулы) влияет на здоровье, болезни и травмы на молекулярном и клеточном уровнях, а также изучает, как организм человека воспринимает механические сигналы и реагирует на них. Эта новейшая дисциплина стремится прояснить взаимодействие между механическими факторами и биологическими процессами, такими как рост, ремоделирование, адаптивные изменения и восстановление. Объединяя биомеханику с молекулярной биологией, данный раздел науки способствует разработке диагностических и терапевтических инноваций, тем самым продвигая как биомедицинские исследования, так и клиническое применение.

Сокращение и расслабление сердца способствуют кровотоку, генерируя различные механические силы, включая циклическое растяжение (ритмическое удлинение и расширение стенки сердечно-сосудистой системы), сжатие (осевое укорочение из-за внешней силы), сдвиговое напряжение (параллельное стенкам просвета, вызванное сопротивлением кровотоку) и гидростатическое давление (перпендикулярное стенкам просвета, возникающее в результате давления столба жидкости). Остаточное напряжение возникает из-за внутренней неоднородности материала в ткани, которая является результатом различных факторов, таких как развитие ткани, рост, трансформацию и осмотическое набухание. Эти физиологические и патологические механические стимулы в совокупности называются «механическими напряжениями». Клетки воспринимают их через механосенсоры, запуская внутриклеточные сигнальные сети — процесс, известный как механотрансдукция. Эти биологические сенсоры играют важную роль в сердечно-сосудистой системе, включая развитие тканей, поддержание гомеостаза и прогрессирование заболеваний.

Аномальные механические напряжения способствуют развитию сердечно-сосудистых заболеваний, таких как чрезмерное растяжение при гипертонии, низкое и нарушенное напряжение сдвига при атеросклерозе и повышенная жёсткость при кальцификации. Количественная оценка механических параметров воспроизведения сердечно-сосудистой системы (морфология, свойства материалов и гемодинамика), а также анализ (как биологических, так и патологических процессов) являются основными целями биомеханики сердечно-сосудистой системы. Благодаря развитию вычислительных мощностей современных центров обработки данных, достижения в экспериментальных измерениях, вычислительном моделировании и методах, основанных на данных, значительно углубили понимание учёными этих фундаментальных аспектов.

В области экспериментальных измерений широкий спектр методов, охватывающих органный, тканевой и клеточный уровни, коренным образом продвинул биомеханические исследования не только сердца и сосудов, но и других важных органов. На уровне всего органа магнитно-резонансная томография (МРТ) сердца обеспечивает высокоточную количественную оценку. Например, четырёхмерная (4D) МРТ кровотока, деформации миокарда, движения стенок и объёмных изменений на протяжении сердечного цикла, стала мощным методом, позволяющим напрямую визуализировать трёхмерные проекции кровотока, вихревые структуры, измеряя касательное напряжение на стенках крупных сосудов. Эти измерения сыграли важную роль в выявлении гемодинамических нарушений при врождённых пороках сердца, аневризмах и клапанных расстройствах. На тканевом уровне широко используется двухосное растяжение для характеристики нелинейного, анизотропного поведения всех типов мышц, связок, стенок артерий и др., что позволяет получить важные сведения о важности коллагеновых волокон, деградации эластина и остаточном напряжении.

На ещё более тонких уровнях такие методы, как атомно-силовая микроскопия (АСМ) и микропипеточная аспирация, позволяют проводить механическое исследование отдельных клеток и компонентов внеклеточного матрикса. Эти клеточные анализы помогают выяснить, как механическое поведение клеток изменяется в ответ на сдвиговое напряжение, циклическое растяжение и жёсткость субстрата. Компьютерное моделирование также внесло существенный вклад в развитие биомеханики — например, в сердце электрофизиологическая активация вызывает циклическое сокращение и расслабление стенок миокарда, которые обычно воспроизводятся путём объединения модели активного сокращения с моделью пассивного миокарда.

Современная микромодель, основанная на микроанатомически реалистичном моделировании методом конечных элементов, может имитировать механическое поведение отдельных волокон и воспроизводить макроскопическую функцию органа. Пассивные модели миокарда не только имитируют макроскопическое поведение напряжение-деформация на уровне ткани, но и включают взаимодействие миофибрилл и коллагена. Более того, комплексные модели, включающие как активное сокращение мышц, так и пассивное сокращение миокарда, могут реалистично имитировать структуру сердечной ткани, электрофизиологию и механическую работу сердца.

Будущее биомеханики зависит от её интеграции с новыми технологиями, что делает эту конвергенцию необходимой для развития исследований и клинического применения. Например, с быстрым развитием ИИ механические модели стали мощными инструментами для цифрового моделирования условий «in vivo», а также прогнозирования лежащих в их основе физиологических механизмов. В частности, моделирование гемодинамики с помощью ИИ и машинного обучения предложило мощное решение проблем, связанных со сложными операциями и высокой вычислительной стоимостью, присущими традиционным методам. Эффективность и надёжность этих алгоритмов делают их ценным дополнением к исследованиям сердечно-сосудистой биомеханики, гемодинамики и планирования лечения.