應力–生長關係的發現是源於血管壁零應力狀態的研究，是生命過程中的基本關係。
基本介紹
- 中文名：應力–生長關係
- 所屬學科：生物學
解釋
W.魯克斯等早在一百年前就從生物功能適應性原理出發，提出了骨組織結構按力的作用形成的概念。但作為普遍規律，應力–生長關係的發現是源於血管壁零應力狀態的研究。
零應力狀態
內外壓力相等血管壁不變形時，管壁內周向應力為零。這是計算血管壁應力分布的初邊值條件。由此出發，不論什麼模型和本構關係，算出來的血管壁內應力分布均如圖1中第一列所示，應力明顯集中於內壁。這顯然不符合生物學的普遍性原理——適應性原理。馮元楨認為問題出自零應力狀態的假設。
因為這一假設隱含了血管壁內無殘餘應力的前提。為驗證這一想法，他在血管內外壓力相等條件下，沿血管軸向將血管剪開。若血管壁內部應力為零，血管就不會張開(α=0)；若血管壁記憶體在殘餘應力，血管就會張開。當張開角(α)達到一定值(α＝α0≠0)時，血管不再繼續張開，此時血管壁內殘餘應力為零。以此為初邊條件，算出的血管壁內應力確實是均勻的。圖1第二列顯示了不同部位的血管的實際零應力狀態(α＝α0≠0)殘餘應力分布；而第三列則是管內外壓差為100毫米水銀柱時，從實際的零應力狀態(α＝α0)出發算得的血管壁內的壓力分布，特徵是從內壁到外壁應力均勻分布，這是最最佳化的應力分布，符合生物學的適應性原理。
不同部位血管內的殘餘應力都是該部位血管組織發育生長過程中適應外部力學環境的歷史記錄。因而，必然有一個從應力分布改變、局部組織生長活動改變、改變當地應力分布使之趨於最佳化的反覆過程，即血管組織重建。組織重建是一個普遍現象，不僅限於血管組織，骨組織重建早就是骨生物力學的主題之一。現已清楚，組織重建過程中引起的組織內應力的重新分布，源於組織內細胞的生長。
哈利斯實驗
1980年，A.K.哈利斯等將成纖維母細胞置於矽橡膠（約1微米）上，細胞貼壁生長，48小時後在基底膜上形成明顯的褶皺（圖2），表明細胞生長（黏附和增殖）產生了力，從而改變了周圍介質中的應力分布。1981年，他又將兩群成纖維母細胞放置於底膜上，相距約1.5厘米。
二者之間塗布了含有膠原分子的膠。培育96小時後發現膠原分子沿著兩簇細胞生長所形成的力的作用線（褶皺）有序排列，形成新的纖維狀結構。實驗說明，組織內細胞的生長（增殖等）產生的力必然改變組織內的應力分布；而在新的應力場作用下，膠原纖維、彈性纖維等的空間排列將發生相應的改變。這是組織重建的細胞生物力學原理。
馮元楨假說
生理穩態下，組織、器官內的應力分布，將使該組織、器官的功能處於某種最佳化狀態。這一假說是組織工程的基本原理。應力–生長關係揭示了物質世界最簡單的運動形式（以位移為特徵的機械運動）和地球上最高級的物質運動形式（生命運動）之間的內在聯繫；還揭示了影響、調控生物體（從細胞、組織、器官、系統到個體整體）發育、生長過程的一個不同於化學（分子）信號體系、電（磁）信號系統的新的信號體系——力學信號體系。
不同信號體系以及其間的耦合作用，如力學–化學耦合作用、力–電耦合作用等，必然產生多種多樣的生物學效應而影響生命運動。這對發育生物學、組織工程等有重大的基礎意義。應力–生長關係是20世紀生物力學的最重大的發現。它貫穿於生命運動的各個層次，使生物力學成為生命科學的一個不可缺少的組成部分。
