Biomecánica

La mecánica de fluidos biológicos, o biomecánica de fluidos, estudia el flujo de gases y líquidos dentro o alrededor de los organismos biológicos. Un problema frecuentemente estudiado en biomecánica de fluidos líquidos es el flujo sanguíneo en el sistema cardiovascular humano. El flujo sanguíneo se puede modelar mediante las ecuaciones de Navier-Stokes . In vivo, se supone que la sangre total es un fluido newtoniano incompresible . Esta suposición falla al considerar el flujo hacia adelante dentro de las arteriolas . A escalas microscópicas, los efectos de los glóbulos rojos individuales se vuelven significativos, y la sangre total no puede modelarse como un continuo. Cuando el diámetro del vaso sanguíneo es ligeramente mayor que el diámetro del glóbulo rojo, se produce el efecto Fahraeus-Lindquist y disminuye la tensión de corte en la pared . Sin embargo, a medida que el diámetro del vaso sanguíneo disminuye aún más, los glóbulos rojos tienen que pasar a través del vaso y, a menudo, solo pueden pasar en fila india. En este caso, se produce el efecto Fahraeus-Lindquist inverso y aumenta la tensión de corte en la pared.

Un ejemplo de problema relacionado con los biofluidos gaseosos es la respiración humana. Se han estudiado los sistemas respiratorios de los insectos como fuente de inspiración para el diseño de dispositivos microfluídicos mejorados. ^{[ 4 ]}

La biotribología es el estudio de la fricción , el desgaste y la lubricación de los sistemas biológicos, especialmente las articulaciones humanas como las caderas y las rodillas. ^{[ 5 ] [ 6 ]} En general, estos procesos se estudian en el contexto de la mecánica de contacto y la tribología .

Otros aspectos de la biotribología incluyen el análisis del daño subsuperficial resultante del contacto entre dos superficies durante el movimiento, es decir, el roce entre ellas, como en la evaluación del cartílago de ingeniería tisular. ^{[ 7 ]}

La biomecánica comparada es la aplicación de la biomecánica a organismos no humanos, ya sea para comprender mejor a los humanos (como en la antropología física ) o las funciones, la ecología y las adaptaciones de los propios organismos. Las áreas comunes de investigación son la locomoción y la alimentación animal , ya que están estrechamente relacionadas con la aptitud del organismo e imponen altas exigencias mecánicas. La locomoción animal se manifiesta de muchas maneras, como correr , saltar y volar . La locomoción requiere energía para superar la fricción , la resistencia del aire , la inercia y la gravedad , aunque el factor que predomina varía según el entorno.

La biomecánica comparada se solapa con muchos otros campos, como la ecología , la neurobiología , la biología del desarrollo , la etología y la paleontología . Se aplica con frecuencia en medicina (en relación con organismos modelo comunes como ratones y ratas), así como en biomimética , que busca en la naturaleza soluciones a problemas de ingeniería.

La biomecánica computacional es la aplicación de herramientas computacionales de ingeniería, como el método de elementos finitos, para estudiar la mecánica de los sistemas biológicos. Los modelos y simulaciones computacionales se utilizan para predecir la relación entre parámetros que, de otro modo, serían difíciles de probar experimentalmente, o para diseñar experimentos más relevantes, reduciendo el tiempo y los costos de los experimentos. El modelado mecánico mediante análisis de elementos finitos se ha utilizado para interpretar la observación experimental del crecimiento de células vegetales y comprender cómo se diferencian, por ejemplo. ^{[ 8 ]} En medicina, durante la última década, el método de elementos finitos se ha consolidado como una alternativa a la evaluación quirúrgica in vivo . Una de las principales ventajas de la biomecánica computacional radica en su capacidad para determinar la respuesta endoanatómica de una anatomía, sin estar sujeta a restricciones éticas. ^{[ 9 ]} Esto ha llevado al modelado de elementos finitos (u otras técnicas de discretización) a ser omnipresente en varios campos de la biomecánica, mientras que varios proyectos incluso han adoptado una filosofía de código abierto (por ejemplo, BioSpine). ^{[ 10 ]}

La biomecánica computacional es un componente esencial en la simulación quirúrgica, la cual se utiliza para la planificación, asistencia y entrenamiento en cirugía. En este caso, se emplean métodos numéricos (de discretización) para calcular, con la mayor rapidez posible, la respuesta de un sistema a condiciones límite como fuerzas, transferencia de calor y masa, y estímulos eléctricos y magnéticos.

El análisis mecánico de biomateriales y biofluidos se suele realizar con los conceptos de la mecánica de medios continuos . Sin embargo, esta suposición deja de ser válida cuando las escalas de longitud de interés se aproximan al orden de los detalles microestructurales del material. Una de las características más notables de los biomateriales es su estructura jerárquica . En otras palabras, las propiedades mecánicas de estos materiales dependen de fenómenos físicos que ocurren en múltiples niveles, desde el molecular hasta el tisular y orgánico .

Los biomateriales se clasifican en dos grupos: tejidos duros y blandos . La deformación mecánica de los tejidos duros (como la madera , la concha y el hueso ) puede analizarse mediante la teoría de la elasticidad lineal . Por otro lado, los tejidos blandos (como la piel , el tendón , el músculo y el cartílago ) suelen sufrir grandes deformaciones, por lo que su análisis se basa en la teoría de la deformación finita y en simulaciones por ordenador . El interés por la biomecánica del continuo surge de la necesidad de realismo en el desarrollo de la simulación médica. ^{[ 11 ] : 568}

La neuromecánica utiliza un enfoque biomecánico para comprender mejor cómo interactúan el cerebro y el sistema nervioso para controlar el cuerpo. Durante las tareas motoras, las unidades motoras activan un conjunto de músculos para realizar un movimiento específico, el cual puede modificarse mediante la adaptación y el aprendizaje motor. En los últimos años, los experimentos neuromecánicos se han visto facilitados por la combinación de herramientas de captura de movimiento con registros neuronales.

La aplicación de principios biomecánicos a plantas, órganos y células vegetales ha dado lugar al subcampo de la biomecánica vegetal. ^{[ 12 ]} La aplicación de la biomecánica a las plantas abarca desde el estudio de la resiliencia de los cultivos al estrés ambiental ^{[ 13 ]} hasta el desarrollo y la morfogénesis a escala celular y tisular, solapándose con la mecanobiología . ^{[ 8 ]}

En la biomecánica deportiva, las leyes de la mecánica se aplican al movimiento humano para comprender mejor el rendimiento atlético y reducir las lesiones deportivas . Se centra en la aplicación de los principios científicos de la física mecánica para comprender los movimientos de acción del cuerpo humano y de implementos deportivos como el bate de críquet, el palo de hockey y la jabalina, entre otros. Elementos de la ingeniería mecánica (p. ej., galgas extensométricas ), la ingeniería eléctrica (p. ej., filtrado digital ), la informática (p. ej., métodos numéricos ), el análisis de la marcha (p. ej., plataformas de fuerza ) y la neurofisiología clínica (p. ej., electromiografía de superficie ) son métodos comunes utilizados en la biomecánica deportiva. ^{[ 14 ]}

La biomecánica deportiva se define como el estudio de las acciones musculares, articulares y esqueléticas del cuerpo durante la ejecución de una tarea, habilidad o técnica. Comprender la biomecánica aplicada a las habilidades deportivas tiene un gran impacto en el rendimiento deportivo, la rehabilitación, la prevención de lesiones y el dominio de la disciplina.

El tema principal de la biomecánica vascular es la descripción del comportamiento mecánico de los tejidos vasculares.

Es bien sabido que las enfermedades cardiovasculares son la principal causa de muerte en todo el mundo. ^{[ 15 ]} El sistema vascular del cuerpo humano es el componente principal encargado de mantener la presión y permitir el flujo sanguíneo y los intercambios químicos. El estudio de las propiedades mecánicas de estos tejidos complejos mejora la comprensión de las enfermedades cardiovasculares y optimiza drásticamente la medicina personalizada.

Los tejidos vasculares son heterogéneos y presentan un comportamiento marcadamente no lineal. Generalmente, su estudio implica geometrías complejas, condiciones de carga intrincadas y propiedades de los materiales específicas. La descripción precisa de estos mecanismos se basa en el estudio de la fisiología y la interacción biológica. Por lo tanto, es necesario estudiar la mecánica de la pared vascular y la hemodinámica, así como su interacción.

También es necesario partir de la premisa de que la pared vascular es una estructura dinámica en continua evolución. Esta evolución depende directamente del entorno químico y mecánico en el que se encuentran inmersos los tejidos, como la tensión de cizallamiento de la pared o la señalización bioquímica.

El campo emergente de la inmunomecánica se centra en la caracterización de las propiedades mecánicas de las células inmunitarias y su relevancia funcional. La mecánica de las células inmunitarias puede caracterizarse mediante diversas técnicas de espectroscopia de fuerza, como la espectroscopia de fuerza acústica y las pinzas ópticas, y estas mediciones pueden realizarse en condiciones fisiológicas (por ejemplo, a temperatura ambiente). ^{[ 16 ]} Además, se puede estudiar la relación entre la mecánica de las células inmunitarias, el inmunometabolismo y la señalización inmunitaria. El término «inmunomecánica» se utiliza a veces indistintamente con mecanobiología celular o mecanoinmunología celular.

• Alometría
• Análisis de la locomoción y la marcha animal
• Biotribología
• Mecánica de biofluidos
• Biomecánica cardiovascular
• Biomecánica comparada
• Biomecánica computacional
• Ergonomía
• Biomecánica forense
• Ingeniería de factores humanos y biomecánica ocupacional
• Biomecánica de las lesiones
• Implantes (medicina) , ortesis y prótesis
• Cinestesia
• Kinesiología (cinética + fisiología)
• Biomecánica musculoesquelética y ortopédica
• Rehabilitación
• dinámica de cuerpos blandos
• Biomecánica deportiva

Aristóteles puede considerarse el primer biomecánico debido a su trabajo con la anatomía animal, escribiendo el primer libro sobre el movimiento de los animales, De Motu Animalium , o Sobre el movimiento de los animales . ^{[ 17 ]} Consideraba los cuerpos de los animales como sistemas mecánicos y abordó cuestiones como la diferencia fisiológica entre imaginar la realización de una acción y su ejecución real. ^{[ 18 ]} En otra obra, Sobre las partes de los animales , proporcionó una descripción precisa de cómo el uréter utiliza la peristalsis para transportar la orina desde los riñones hasta la vejiga . ^{[ 11 ] : 2}

Con el auge del Imperio Romano , la tecnología se popularizó más que la filosofía y surgió la siguiente corriente biomecánica. Galeno (129-210 d. C.), médico de Marco Aurelio , escribió su famosa obra Sobre la función de las partes (sobre el cuerpo humano). Esta obra se convertiría en el libro de medicina de referencia mundial durante los siguientes 1400 años. ^{[ 19 ]}

El siguiente gran biomecánico no surgiría hasta la década de 1490, con los estudios de anatomía humana y biomecánica de Leonardo da Vinci . Poseía un profundo conocimiento de la ciencia y la mecánica, y estudió la anatomía desde una perspectiva mecánica. Analizó las fuerzas y los movimientos musculares, así como las funciones articulares. Estos estudios pueden considerarse dentro del ámbito de la biomecánica. Leonardo da Vinci estudió la anatomía desde la perspectiva de la mecánica. Analizó las fuerzas musculares como si actuaran a lo largo de líneas que conectan orígenes e inserciones, y estudió la función articular. Da Vinci también es conocido por imitar algunas características animales en sus máquinas. Por ejemplo, estudió el vuelo de las aves para encontrar la manera de que los humanos pudieran volar; y dado que los caballos eran la principal fuente de energía mecánica en aquella época, estudió sus sistemas musculares para diseñar máquinas que aprovecharan mejor las fuerzas aplicadas por este animal. ^{[ 20 ]}

En 1543, Andreas Vesalio, a la edad de 29 años , cuestionó la obra de Galeno, Sobre la función de las partes. Vesalio publicó su propia obra, titulada Sobre la estructura del cuerpo humano. En ella, Vesalio corrigió muchos errores cometidos por Galeno, que no serían aceptados universalmente hasta muchos siglos después. Con la muerte de Copérnico surgió un nuevo deseo de comprender y aprender sobre el mundo que nos rodea y su funcionamiento. En su lecho de muerte, publicó su obra Sobre las revoluciones de las esferas celestes. Esta obra no solo revolucionó la ciencia y la física, sino también el desarrollo de la mecánica y, posteriormente, de la biomecánica. ^{[ 19 ]}

Galileo Galilei , padre de la mecánica y biomecánico aficionado, nació 21 años después de la muerte de Copérnico . A lo largo de su trayectoria científica, Galileo dio a conocer numerosos aspectos biomecánicos. Por ejemplo, descubrió que  «la masa de los animales aumenta desproporcionadamente a su tamaño, y, en consecuencia, sus huesos también deben aumentar desproporcionadamente de grosor, adaptándose a la carga en lugar de al simple tamaño. La resistencia a la flexión de una estructura tubular como un hueso aumenta en relación con su peso al hacerlo hueco y aumentar su diámetro. Los animales marinos pueden ser más grandes que los terrestres porque la flotabilidad del agua alivia el peso de sus tejidos». ^{[ 19 ]}

Galileo Galilei estaba interesado en la resistencia de los huesos y sugirió que estos son huecos porque esto proporciona la máxima resistencia con el mínimo peso. Observó que la masa ósea de los animales aumentaba desproporcionadamente con respecto a su tamaño. En consecuencia, los huesos también deben aumentar desproporcionadamente en circunferencia, en lugar de simplemente en tamaño. Esto se debe a que la resistencia a la flexión de una estructura tubular (como un hueso) es mucho más eficiente en relación con su peso. Mason sugiere que esta idea fue una de las primeras comprensiones de los principios de la optimización biológica . ^{[ 20 ]}

En el siglo XVII, Descartes propuso un sistema filosófico según el cual todos los sistemas vivos, incluido el cuerpo humano (pero no el alma), son simplemente máquinas regidas por las mismas leyes mecánicas, una idea que contribuyó en gran medida a promover y sostener el estudio de la biomecánica.

El siguiente gran biomecánico, Giovanni Alfonso Borelli , adoptó la filosofía mecánica de Descartes y estudió la marcha, la carrera, el salto, el vuelo de las aves, la natación de los peces e incluso el movimiento del corazón como pistón dentro de un marco mecánico. Pudo determinar la posición del centro de gravedad humano , calcular y medir los volúmenes de aire inspirado y espirado, y demostró que la inspiración es impulsada por los músculos y la espiración se debe a la elasticidad de los tejidos.

Borelli fue el primero en comprender que «las palancas del sistema muscular magnifican el movimiento en lugar de la fuerza, de modo que los músculos deben producir fuerzas mucho mayores que las que se oponen al movimiento». ^{[ 19 ]} Influenciado por la obra de Galileo, a quien conoció personalmente, comprendió intuitivamente el equilibrio estático en diversas articulaciones del cuerpo humano mucho antes de que Newton publicara las leyes del movimiento. ^{[ 21 ]} Su obra suele considerarse la más importante en la historia de la biomecánica, ya que realizó numerosos descubrimientos que allanaron el camino para que las futuras generaciones continuaran su trabajo y sus estudios.

Pasaron muchos años después de Borelli antes de que el campo de la biomecánica experimentara avances significativos. A partir de entonces, cada vez más científicos se dedicaron a estudiar el cuerpo humano y sus funciones. No existen muchos científicos destacados de los siglos XIX o XX en biomecánica, ya que el campo es demasiado extenso como para atribuir un logro a una sola persona. Sin embargo, el campo continúa creciendo año tras año y sigue avanzando en el conocimiento del cuerpo humano. Gracias a su popularidad, se han abierto numerosas instituciones y laboratorios durante el último siglo, y la investigación continúa. Con la creación de la Sociedad Americana de Biomecánica en 1977, el campo sigue creciendo y realizando muchos descubrimientos nuevos. ^{[ 19 ]}

En el siglo XIX, Étienne-Jules Marey utilizó la cinematografía para investigar científicamente la locomoción . Abrió el campo del análisis del movimiento moderno al ser el primero en correlacionar las fuerzas de reacción del suelo con el movimiento. En Alemania, los hermanos Ernst Heinrich Weber y Wilhelm Eduard Weber formularon numerosas hipótesis sobre la marcha humana, pero fue Christian Wilhelm Braune quien impulsó significativamente la ciencia utilizando los avances recientes en mecánica de la ingeniería. Durante el mismo período, la mecánica de los materiales comenzó a florecer en Francia y Alemania bajo las exigencias de la Revolución Industrial . Esto condujo al renacimiento de la biomecánica ósea cuando el ingeniero ferroviario Karl Culmann y el anatomista Hermann von Meyer compararon los patrones de tensión en un fémur humano con los de una grúa de forma similar. Inspirado por este hallazgo, Julius Wolff propuso la famosa ley de Wolff sobre la remodelación ósea . ^{[ 22 ]}