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La biomecánica es el estudio de la estructura, función y movimiento de los aspectos mecánicos de los sistemas biológicos, en cualquier nivel desde organismos completos hasta órganos , células y orgánulos celulares , [1] utilizando los métodos de la mecánica . [2] La biomecánica es una rama de la biofísica .
Hoy en día la mecánica computacional va mucho más allá de la mecánica pura e involucra otras acciones físicas: química, transferencia de calor y masa, estímulos eléctricos y magnéticos y muchas otras.
La palabra "biomecánica" (1899) y la relacionada "biomecánica" (1856) provienen del griego antiguo βίος bios "vida" y μηχανική, mēchanikē "mecánica", para referirse al estudio de los principios mecánicos de los organismos vivos, particularmente su movimiento y estructura. [3]
La mecánica de fluidos biológicos, o mecánica de biofluidos, es el estudio de los flujos de fluidos tanto líquidos como gaseosos dentro o alrededor de los organismos biológicos. Un problema de biofluidos líquidos que se estudia a menudo es el del flujo sanguíneo en el sistema cardiovascular humano. En determinadas circunstancias matemáticas, el flujo sanguíneo se puede modelar mediante las ecuaciones de Navier-Stokes . Se supone que la sangre entera in vivo es un fluido newtoniano incompresible . Sin embargo, esta suposición falla cuando se considera el flujo hacia adelante dentro de las arteriolas . A escala microscópica, los efectos de los glóbulos rojos individuales se vuelven significativos y la sangre entera ya no se puede modelar como un continuo. Cuando el diámetro del vaso sanguíneo es apenas un poco mayor que el diámetro del glóbulo rojo, se produce el efecto Fahraeus-Lindquist y hay una disminución de la tensión de corte de 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 una sola fila. En este caso, se produce el efecto Fahraeus-Lindquist inverso y aumenta la tensión de corte de la pared.
Un ejemplo de un problema de biofluidos gaseosos es el de la respiración humana. Recientemente, se han estudiado los sistemas respiratorios de los insectos en busca de bioinspiración para diseñar 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 de dos superficies que entran en contacto durante el movimiento, es decir, se frotan entre sí, como en la evaluación del cartílago diseñado mediante ingeniería de tejidos. [7]
La biomecánica comparada es la aplicación de la biomecánica a organismos no humanos, ya sea para obtener mayores conocimientos sobre los humanos (como en la antropología física ) o sobre las funciones, la ecología y las adaptaciones de los propios organismos. Las áreas de investigación comunes son la locomoción y la alimentación de los animales , ya que tienen fuertes conexiones con la aptitud del organismo e imponen altas demandas mecánicas. La locomoción animal tiene muchas manifestaciones, entre ellas correr , saltar y volar . La locomoción requiere energía para superar la fricción , la resistencia , la inercia y la gravedad , aunque el factor predominante varía según el entorno. [ cita requerida ]
La biomecánica comparada se superpone fuertemente con muchos otros campos, incluyendo la ecología , la neurobiología , la biología del desarrollo , la etología y la paleontología , hasta el punto de que es común publicar artículos en las revistas de estos otros campos. La biomecánica comparada se aplica a menudo en medicina (con respecto a organismos modelo comunes como ratones y ratas), así como en biomimética , que busca en la naturaleza soluciones a problemas de ingeniería. [ cita requerida ]
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 computacionales y las simulaciones se utilizan para predecir la relación entre parámetros que de otro modo serían difíciles de probar experimentalmente, o se utilizan para diseñar experimentos más relevantes que reduzcan 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 para comprender cómo se diferencian, por ejemplo. [8] En medicina, durante la última década, el método de elementos finitos se ha convertido en una alternativa establecida para 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 sujeto a restricciones éticas. [9] Esto ha llevado al modelado de elementos finitos (u otras técnicas de discretización) al punto de volverse omnipresente en varios campos de la biomecánica, mientras que varios proyectos incluso han adoptado una filosofía de código abierto (por ejemplo, BioSpine) [10] y SOniCS, así como los marcos SOFA, FEniCS y FEBio.
La biomecánica computacional es un ingrediente esencial en la simulación quirúrgica, que se utiliza para la planificación, asistencia y entrenamiento quirúrgicos. En este caso, se utilizan métodos numéricos (discretización) para calcular, lo más rápido posible, la respuesta de un sistema a condiciones de contorno como fuerzas, transferencia de calor y masa, y estímulos eléctricos y magnéticos.
El análisis mecánico de biomateriales y biofluidos se lleva a cabo habitualmente con los conceptos de mecánica de medios continuos . Esta suposición se rompe 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 características mecánicas de estos materiales dependen de fenómenos físicos que ocurren en múltiples niveles, desde el molecular hasta el tisular y el orgánico . [ cita requerida ]
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 con la teoría de la elasticidad lineal . Por otro lado, los tejidos blandos (como la piel , los tendones , los músculos y el cartílago ) suelen sufrir grandes deformaciones y, por lo tanto, su análisis se basa en la teoría de la deformación finita y en simulaciones por ordenador . El interés en la biomecánica del continuo se ve impulsado por 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, que puede modificarse mediante la adaptación y el aprendizaje motor. En los últimos años, se han hecho posibles experimentos neuromecánicos combinando herramientas de captura de movimiento con grabaciones neuronales.
La aplicación de los principios biomecánicos a las plantas, sus órganos y células se ha convertido en el 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, superponiéndose con la mecanobiología . [8]
En la biomecánica deportiva, las leyes de la mecánica se aplican al movimiento humano para obtener una mayor comprensión del rendimiento atlético y también para reducir las lesiones deportivas . Se centra en la aplicación de los principios científicos de la física mecánica para comprender los movimientos de acción de los cuerpos humanos y los implementos deportivos como el bate de cricket, el palo de hockey y la jabalina, etc. Los elementos de ingeniería mecánica (por ejemplo, medidores de tensión ), ingeniería eléctrica (por ejemplo, filtrado digital ), informática (por ejemplo, métodos numéricos ), análisis de la marcha (por ejemplo, plataformas de fuerza ) y neurofisiología clínica (por ejemplo, EMG de superficie ) son métodos comunes utilizados en la biomecánica deportiva. [14]
La biomecánica en el deporte se puede definir como las acciones musculares, articulares y esqueléticas del cuerpo al ejecutar una tarea, habilidad o técnica determinada. La comprensión de la biomecánica relacionada con las habilidades deportivas tiene las mayores implicaciones en el rendimiento deportivo, la rehabilitación y la prevención de lesiones, y el dominio deportivo. Como señaló el doctor Michael Yessis, se podría decir que el mejor deportista es el que ejecuta su habilidad de la mejor manera. [15]
Los temas principales de la biomecánica vascular son 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. [16] El sistema vascular del cuerpo humano es el componente principal que se supone mantiene la presión y permite el flujo sanguíneo y los intercambios químicos. El estudio de las propiedades mecánicas de estos tejidos complejos mejora la posibilidad de comprender mejor las enfermedades cardiovasculares y mejora drásticamente la medicina personalizada.
Los tejidos vasculares son heterogéneos y presentan un comportamiento marcadamente no lineal. Generalmente, su estudio implica geometrías complejas con condiciones de carga y propiedades materiales intrincadas. La descripción correcta de estos mecanismos se basa en el estudio de la fisiología y la interacción biológica. Por lo tanto, es necesario estudiar la mecánica de las paredes y la hemodinámica con su interacción.
También es necesario partir de la premisa de que la pared vascular es una estructura dinámica en continua evolución. Esta evolución sigue directamente el entorno químico y mecánico en el que se encuentran inmersos los tejidos, como la tensión de corte 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 se puede caracterizar utilizando diversos enfoques de espectroscopia de fuerza, como la espectroscopia de fuerza acústica y las pinzas ópticas, y estas mediciones se pueden realizar en condiciones fisiológicas (por ejemplo, la temperatura). [17] Además, se puede estudiar el vínculo entre la mecánica de las células inmunitarias y el inmunometabolismo y la señalización inmunitaria. El término "inmunomecánica" a veces se utiliza indistintamente con mecanobiología de las células inmunitarias o mecanoinmunología celular.
Aristóteles, discípulo de Platón, puede ser considerado el primer biomecánico por su trabajo con la anatomía animal. Aristóteles escribió el primer libro sobre el movimiento de los animales, De motu animalium , o Sobre el movimiento de los animales . [18] Consideraba los cuerpos de los animales como sistemas mecánicos y se planteaba cuestiones como la diferencia fisiológica entre imaginar la realización de una acción y la realización real. [19] En otra obra, Sobre las partes de los animales , proporcionó una descripción precisa de cómo el uréter utiliza la peristalsis para llevar la orina desde los riñones hasta la vejiga . [11] : 2
Con el ascenso del Imperio Romano , la tecnología se hizo más popular que la filosofía y surgió la siguiente biomecánica. Galeno (129 d. C.-210 d. C.), médico de Marco Aurelio , escribió su famosa obra Sobre la función de las partes (sobre el cuerpo humano). Este sería el libro médico estándar del mundo durante los siguientes 1.400 años. [20]
El siguiente gran biomecánico no llegaría hasta la década de 1490, con los estudios de anatomía humana y biomecánica de Leonardo da Vinci . Tenía un gran conocimiento de la ciencia y la mecánica y estudió la anatomía en un contexto mecánico. Analizó las fuerzas y movimientos musculares y estudió las funciones de las articulaciones. Estos estudios podrían considerarse estudios en el ámbito de la biomecánica. Leonardo da Vinci estudió la anatomía en el contexto de la mecánica. Analizó las fuerzas musculares que actúan a lo largo de líneas que conectan orígenes e inserciones, y estudió la función de las articulaciones. Da Vinci también es conocido por imitar algunas características animales en sus máquinas. Por ejemplo, estudió el vuelo de los pájaros para encontrar medios por los cuales los humanos pudieran volar; y debido a que los caballos eran la principal fuente de energía mecánica en ese momento, estudió sus sistemas musculares para diseñar máquinas que se beneficiarían mejor de las fuerzas aplicadas por este animal. [21]
En 1543, el trabajo de Galeno, Sobre la función de las partes, fue cuestionado por Andreas Vesalio a la edad de 29 años. Vesalio publicó su propio trabajo titulado Sobre la estructura del cuerpo humano. En este trabajo, Vesalio corrigió muchos errores cometidos por Galeno, que no serían aceptados globalmente durante muchos siglos. Con la muerte de Copérnico surgió un nuevo deseo de comprender y aprender sobre el mundo que rodea a las personas y cómo funciona. En su lecho de muerte, publicó su trabajo, 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, más tarde, la biomecánica. [20]
Galileo Galilei , el padre de la mecánica y biomecánico a tiempo parcial, nació 21 años después de la muerte de Copérnico . A lo largo de sus años de ciencia, Galileo dio a conocer muchos aspectos biomecánicos. Por ejemplo, descubrió que "la masa de los animales aumenta desproporcionadamente con respecto a su tamaño y, en consecuencia, sus huesos también deben aumentar desproporcionadamente en circunferencia, adaptándose a la capacidad de soportar cargas en lugar de simplemente al tamaño. La resistencia a la flexión de una estructura tubular como un hueso aumenta en relación con su peso al hacerla hueca y aumentar su diámetro. Los animales marinos pueden ser más grandes que los animales terrestres porque la flotabilidad del agua alivia el peso de sus tejidos". [20]
Galileo Galilei se interesó en la resistencia de los huesos y sugirió que los huesos son huecos porque esto proporciona máxima resistencia con 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 . [21]
En el siglo XVII, Descartes sugirió 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 hizo mucho para promover y sostener el estudio biomecánico.
El siguiente gran biomecánico, Giovanni Alfonso Borelli , adoptó la filosofía mecánica de Descartes y estudió la marcha, la carrera, el salto, el vuelo de los pájaros, la natación de los peces e incluso el movimiento del corazón en 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 está impulsada por los músculos y la espiración se debe a la elasticidad del tejido.
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 resisten el movimiento". [20] Influenciado por el trabajo de Galileo, a quien conocía personalmente, tenía una comprensión intuitiva del equilibrio estático en varias articulaciones del cuerpo humano mucho antes de que Newton publicara las leyes del movimiento. [22] Su trabajo a menudo se considera el más importante en la historia de la biomecánica porque hizo tantos descubrimientos nuevos que abrieron el camino para que las generaciones futuras continuaran su trabajo y sus estudios.
Pasaron muchos años desde Borelli hasta que el campo de la biomecánica dio un gran salto. Después de ese tiempo, cada vez más científicos se dedicaron a aprender sobre el cuerpo humano y sus funciones. No hay muchos científicos notables del siglo XIX o XX en biomecánica porque el campo es demasiado amplio ahora para atribuir una cosa a una persona. Sin embargo, el campo continúa creciendo cada año y sigue haciendo avances en el descubrimiento de más cosas sobre el cuerpo humano. Debido a que el campo se volvió tan popular, muchas instituciones y laboratorios se han abierto durante el último siglo y la gente continúa haciendo investigaciones. Con la creación de la Sociedad Americana de Biomecánica en 1977, el campo continúa creciendo y haciendo muchos nuevos descubrimientos. [20]
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 plantearon muchas hipótesis sobre la marcha humana, pero fue Christian Wilhelm Braune quien hizo avanzar significativamente la ciencia utilizando los recientes avances en mecánica de ingeniería. Durante el mismo período, la mecánica de ingeniería de materiales comenzó a florecer en Francia y Alemania bajo las demandas de la Revolución Industrial . Esto llevó al renacimiento de la biomecánica ósea cuando el ingeniero ferroviario Karl Culmann y el anatomista Hermann von Meyer compararon los patrones de estrés en un fémur humano con los de una grúa de forma similar. Inspirado por este hallazgo, Julius Wolff propuso la famosa ley de Wolff de remodelación ósea . [23]
El estudio de la biomecánica abarca desde el funcionamiento interno de una célula hasta el movimiento y desarrollo de las extremidades , pasando por las propiedades mecánicas de los tejidos blandos [ 7] y los huesos . Algunos ejemplos sencillos de investigación en biomecánica incluyen la investigación de las fuerzas que actúan sobre las extremidades, la aerodinámica del vuelo de las aves y los insectos , la hidrodinámica de la natación en los peces y la locomoción en general en todas las formas de vida, desde las células individuales hasta los organismos completos . Con una comprensión cada vez mayor del comportamiento fisiológico de los tejidos vivos, los investigadores pueden avanzar en el campo de la ingeniería de tejidos , así como desarrollar tratamientos mejorados para una amplia gama de patologías, incluido el cáncer. [24] [ cita requerida ]
La biomecánica también se aplica al estudio de los sistemas musculoesqueléticos humanos. En esta investigación se utilizan plataformas de fuerza para estudiar las fuerzas de reacción del cuerpo humano y videografía infrarroja para capturar las trayectorias de los marcadores adheridos al cuerpo humano para estudiar el movimiento humano en 3D. La investigación también aplica la electromiografía para estudiar la activación muscular, investigando las respuestas musculares a las fuerzas y perturbaciones externas. [25]
La biomecánica se utiliza ampliamente en la industria ortopédica para diseñar implantes ortopédicos para articulaciones humanas, piezas dentales, fijaciones externas y otros fines médicos. La biotribología es una parte muy importante de ella. Es un estudio del rendimiento y la función de los biomateriales utilizados para implantes ortopédicos. Desempeña un papel vital para mejorar el diseño y producir biomateriales exitosos para fines médicos y clínicos. Un ejemplo de ello es el cartílago diseñado mediante ingeniería de tejidos. [7] La carga dinámica de las articulaciones considerada como impacto es analizada en detalle por Emanuel Willert. [26]
También está vinculada al campo de la ingeniería , porque a menudo utiliza las ciencias de ingeniería tradicionales para analizar sistemas biológicos . Algunas aplicaciones simples de la mecánica newtoniana y/o las ciencias de los materiales pueden proporcionar aproximaciones correctas a la mecánica de muchos sistemas biológicos . La mecánica aplicada, en particular las disciplinas de ingeniería mecánica como la mecánica de medios continuos , el análisis de mecanismos , el análisis estructural , la cinemática y la dinámica, desempeñan un papel destacado en el estudio de la biomecánica. [27]
Por lo general, los sistemas biológicos son mucho más complejos que los sistemas creados por el hombre. Por ello, los métodos numéricos se aplican en casi todos los estudios biomecánicos. La investigación se realiza en un proceso iterativo de hipótesis y verificación, que incluye varios pasos de modelado , simulación por computadora y mediciones experimentales .
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