Co je Biomechanika?
Biomechanika se snaží o pochopení funkce lidského těla, jako mechanického systému. Propojuje poznatky z biologie, fyziky, medicíny, mechaniky a strojírenství. Její aplikace jsou rozsáhlé a zahrnují oblasti od výroby umělých orgánů, nastavení optimální rehabilitace až po zlepšení sportovních výkonů, nastavení vhodné ergonomie nebo filmový a herní průmysl. ...
Historie
Mezi průkopníky světové svalově-kosterní a kardiovaskulární biomechaniky se řadí také biomechanici z Fakulty strojní na ČVUT v Praze. Již od 80 let minulého stolení odbor biomechaniky spolupracuje s významnými českými i mezinárodními partnery, včetně nemocnic a pracovišť lékařských fakult, výzkumných institucí, výrobců implantátů i dalších univerzit. V rámci výzkumných projektů na Fakultě strojní ČVUT v Praze se dlouhodobě věnujeme především vývoji nových implantátů a náhrad. Pro návrh implantátu, který nahradí poškozený kloub, kost nebo cévu je nutno především porozumět funkci jednotlivých anatomických struktur a tkání. Tvrdé tkáně, typicky kosti, a měkké tkáně, jako jsou cévy, šlachy, vazy nebo kůže, se podrobují různým mechanickým zkouškám, které simulují tělní prostředí a dávají nám poznat vlastnosti, které využíváme pro jejich nahrazení při poškození. Experiment je pak kombinován s počítačovými simulacemi, které umožní kromě jiného studovat životnost náhrad. Před implantací náhrady pacient virtuálně udělá miliony kroků nebo jiných pohybů, při čemž se ověří bezpečnost celé konstrukce. Kromě návrhu implantátů poskytuje biomechanika porozumění pohybům člověka a detailní analýzu chůze, běhu, skoků, včetně studia svalové síly a koordinace. Přispívá tak ke zlepšení rehabilitace pacientů, ke zlepšení výkonnosti sportovců nebo k odhalení vnitřních úrazů a k prevenci. Speciální oblastí je forenzní biomechanika, jenž prostřednictvím biomechanických analýz pomáhá odhalit viníky trestných činů.
Čím se zabýváme?
Kardiovaskulární biomechanika
Kardiovaskulární biomechanika je obor biomechaniky zaměřený na mechanické vlastnosti a funkce kardiovaskulárního systému – tedy srdce, cév a krevního oběhu. Studuje, jak mechanické síly, jako je tlak krve a napětí v cévách, ovlivňují zdraví a funkci těchto tkání. Klíčové oblasti zahrnují mechaniku srdce (způsob, jakým srdeční sval pumpuje krev), mechaniku cév (vlastnosti cév pod tlakem krve) a hemodynamiku (proudění krve a jeho vliv na cévy). Tyto poznatky pomáhají lépe porozumět vzniku onemocnění, jako jsou srdeční selhání, vysoký krevní tlak či arterioskleróza, a přispívají k vývoji zdravotnických prostředků, jako jsou srdeční chlopně nebo stenty. Interakce mechanických a biologických faktorů v cévách a srdci mohou vyvolat změny ve tkáních – například zvýšený tlak může ztlušťovat cévní stěny, což může vést k dalšímu zvyšování krevního tlaku a vzniku nemocí. Tento obor tak hraje klíčovou roli v medicíně, neboť napomáhá pochopení nemocí srdce a cév a vývoji účinnějších léčebných metod a pomůcek.
Mechanika buněk
Mechanika buněk je obor, který se zabývá studiem mechanických vlastností buněk a tkání, včetně jejich pružnosti, tuhosti, viskozity a odolnosti vůči mechanickému namáhání. Tento obor kombinuje principy fyziky, biologie a inženýrství k pochopení, jak buňky reagují na mechanické podněty z okolního prostředí a jak tyto podněty ovlivňují jejich funkci, tvar a strukturu. Mechanika buněk je klíčová pro pochopení základních biologických procesů, jako je buněčná migrace, dělení, diferenciace a komunikace mezi buňkami. Studium mechaniky buněk má důležité aplikace v medicíně, zejména při výzkumu nemocí, které souvisejí s abnormální mechanikou buněk, jako jsou rakovina, arterioskleróza a různé degenerativní onemocnění tkání. V rámci tkáňového inženýrství a regenerativní medicíny umožňuje mechanika buněk vývoj nových metod pro regeneraci poškozených tkání nebo orgánů prostřednictvím využití buněčných vlastností a reakcí na mechanické podněty.
Tvrdé tkáně a biomateriály
Biomechanika tvrdých tkání se zabývá mechanickými vlastnostmi kostí a zubů, které jsou strukturálně pevné a odolné, aby mohly vykonávat svou funkci při podpoře těla a přenosu sil. Tvrdé tkáně, jako je kostní tkáň, mají jedinečnou mikrostrukturu, která jim umožňuje být dostatečně pevné, aby unesly váhu těla, a zároveň dostatečně flexibilní, aby absorbovaly nárazy. Tento obor se zaměřuje na analýzu mechanických vlastností těchto tkání, jako jsou pevnost v tlaku, pružnost a únava materiálu, a na pochopení toho, jak se tvrdé tkáně přizpůsobují zátěži a jak se mění s věkem nebo v důsledku nemocí, jako je osteoporóza. V oblasti biomateriálů se biomechanika tvrdých tkání zabývá vývojem materiálů, které napodobují vlastnosti kostí a zubů pro použití v implantátech a protézách. Biomateriály, jako je titaniová slitina, keramika a kompozity, musí být biokompatibilní, aby nedráždily tkáně a byly dlouhodobě stabilní v lidském těle. Výzkum v této oblasti se soustředí na optimalizaci vlastností biomateriálů tak, aby jejich mechanická odolnost a životnost odpovídala potřebám tvrdých tkání. Biomateriály se tak stávají základem pro vývoj nových typů kostních implantátů, zubních náhrad a dalších náhradních struktur, které umožňují obnovit funkci poškozených nebo ztracených tkání a významně přispívají ke kvalitě života pacientů.
Nanoindentace
Nanoindentace je experimentální technika používaná k měření mechanických vlastností materiálů na velmi malé, nanoskopické škále. Umožňuje zjišťovat tvrdost a elasticitu materiálů tím, že velmi tvrdý a ostrý hrot (tzv. indentor), obvykle z diamantu, zatlačí do povrchu zkoumaného vzorku s extrémně malou silou a hloubkou. Pomocí nanoindentačních přístrojů lze přesně kontrolovat sílu a hloubku vtlačení a následně analyzovat reakci materiálu, jako jsou deformace a odpor. Tato metoda je velmi užitečná při výzkumu tenkých vrstev, biomateriálů, nanokompozitů nebo jakýchkoliv mikro- a nanostruktur, kde běžné metody testování mechanických vlastností selhávají kvůli příliš velkým rozměrům měřicích sond. Nanoindentace najde využití v materiálových vědách, mikroelektronice, biomechanice i při vývoji nových nanomateriálů, kde umožňuje přesně charakterizovat mechanické chování materiálů na miniaturní úrovni.
Muskuloskeletární biomechanika
Biomechanika muskuloskeletárního systému se zabývá studiem mechanických vlastností a funkcí svalů, kostí, šlach, vazů a kloubů, které společně tvoří podpůrný a pohybový systém těla. Tento systém umožňuje tělu pohyb, stabilitu a udržování postury díky koordinované spolupráci pevných struktur (kostí) a měkkých tkání (svalů, šlach, vazů). Z biomechanického hlediska muskuloskeletární systém funguje jako systém pák, kde kosti představují páky, klouby působí jako otočné body a svaly generují síly potřebné pro pohyb. Biomechanika muskuloskeletárního systému zkoumá, jak jsou síly přenášeny v rámci tohoto systému, jaké mechanické zatížení snášejí jednotlivé struktury při různých aktivitách a jak se tělo adaptuje na různé druhy zátěže. Analyzuje například, jak svalová síla a rovnováha působí na klouby během chůze nebo běhu, jak různé typy pohybu ovlivňují rozložení tlaků v kloubních chrupavkách a jak šlachy přenášejí sílu mezi svaly a kostmi. Tento obor je klíčový pro porozumění příčinám úrazů, návrhu rehabilitačních technik a vývoji podpůrných zařízení, jako jsou ortézy a protézy, které pomáhají obnovit nebo podpořit přirozený pohybový vzorec a stabilitu těla.
Výpočty, simulace a MKP
Oblast výpočtů a simulací pomocí metody konečných prvků (MKP) je v biomechanice zásadním nástrojem pro analýzu a predikci chování biologických struktur pod různými mechanickými zatíženími. MKP je numerická metoda, která rozkládá složité geometrie, jako jsou kosti, svaly nebo kloubní chrupavky, na menší, jednodušší prvky (konečné prvky), ve kterých lze přesněji vypočítat mechanické reakce. V biomechanice se tato metoda používá ke studiu, jak tkáně reagují na mechanické síly, což je užitečné při zkoumání zátěže, které podléhají, a při hodnocení rizika poškození tkání. Pomocí MKP lze simulovat například rozložení napětí a deformací v kostech při různých druzích pohybu, jako je běh nebo skok, či analyzovat, jak zubní implantát ovlivňuje čelistní kost. MKP se také využívá při návrhu a optimalizaci biomateriálů a implantátů, kde umožňuje přesnou simulaci jejich chování v těle ještě před chirurgickým zákrokem. Díky vysoké přesnosti a flexibilitě této metody lze detailně modelovat i anatomicky složité struktury a predikovat jejich chování při zatížení nebo při degenerativních změnách, což přispívá k lepšímu porozumění biomechanických procesů a podpoře personalizované medicíny.
3D tisk
3D tisk v biomechanice představuje revoluční technologii, která umožňuje rychlou a přesnou výrobu struktur pro medicínské účely, od prototypů až po funkční implantáty. Tato technologie, známá také jako aditivní výroba, přináší nové možnosti zejména v oblasti rapid prototyping a personalizovaných implantátů. V oblasti rapid prototypingu se 3D tisk využívá k výrobě přesných modelů lidských tkání a orgánů podle dat z CT nebo MRI snímků. Lékaři a biomechanici tak mohou například vytvořit realistický model zlomené kosti nebo komplikované cévní struktury, což jim pomáhá v plánování a simulaci chirurgických zákroků. Tím se snižuje riziko komplikací a zvyšuje přesnost zákroku. Tyto modely jsou také cenným nástrojem pro vzdělávání a trénink lékařů i pro komunikaci s pacienty. V oblasti výroby implantátů umožňuje 3D tisk vývoj personalizovaných implantátů, které dokonale odpovídají anatomii konkrétního pacienta. Díky schopnosti pracovat s různými biomateriály, včetně kovových slitin, keramiky a biokompatibilních polymerů, lze vytvářet trvalé implantáty pro ortopedii (náhrady kloubů, kostní destičky) i zubní lékařství. 3D tisk navíc podporuje vznik porézních struktur, které napodobují přirozenou kostní tkáň, což zlepšuje integraci implantátu a podporuje růst okolní tkáně. Tato technologie významně přispívá k individualizaci léčby, kratší rekonvalescenci a vyšší kvalitě života pacientů.
Biotribologie
Biotribologie je vědní obor, který se zaměřuje na studium tření, opotřebení a mazání biologických systémů, zejména kloubů a dalších měkkých tkání, které se při pohybu dostávají do vzájemného kontaktu. Tento obor kombinuje principy mechaniky, materiálových věd a biologie, aby pochopil, jak se biologické povrchy chovají za přítomnosti různých sil a maziv, jako je synoviální tekutina v kloubech. V biotribologii je velká pozornost věnována například kloubům, kde je minimalizace tření klíčová pro efektivní a bezbolestný pohyb. Synoviální tekutina, která se nachází v kloubní dutině, působí jako přirozené mazivo a snižuje tření mezi kloubními chrupavkami. Biotribologie tak přispívá nejen k pochopení přirozených biologických procesů, ale i k vývoji umělých náhrad kloubů, kde je důležité napodobit co nejvěrněji přirozené podmínky. V praxi se znalosti biotribologie využívají při vývoji ortopedických implantátů, kde cílem je minimalizovat opotřebení a prodloužit životnost náhrad. Obor má významné dopady i na výzkum a léčbu degenerativních onemocnění, jako je artróza, a na vývoj biomateriálů a povrchových úprav, které zlepšují mechanické vlastnosti implantátů.
Experimentální biomechanika
Experimentální biomechanika se zabývá testováním a analýzou mechanických vlastností biologických i syntetických materiálů, které napodobují nebo nahrazují biologické tkáně. Tato oblast zahrnuje široké spektrum experimentálních metod zaměřených na studium mechaniky tvrdých tkání (kostí, zubů), měkkých tkání (svalů, šlach, kůže), cév a kloubních povrchů, aby se zjistilo, jak tyto tkáně reagují na různá mechanická zatížení. Hlavním cílem je pochopit, jak se materiály chovají při působení sil a jak tyto vlastnosti ovlivňují jejich funkci v lidském těle. V experimentální biomechanice tvrdých tkání se například zkoumá pevnost a odolnost kostí při tlakových, tahových a ohybových testech, aby se zjistilo, jak snášejí námahu a jak se mění jejich vlastnosti při různých podmínkách, jako je stárnutí nebo osteoporóza. Měkké tkáně, jako jsou svaly a šlachy, jsou podrobovány testům pružnosti a tahu, aby se určila jejich schopnost natahování a pružné obnovy, což je důležité při návrhu rehabilitačních postupů a sportovních tréninků. U cév se zkoumá zejména odolnost proti tlaku a jejich pružnost, což je klíčové pro porozumění chorobám, jako je arterioskleróza. Otěr a tření jsou pak klíčové parametry v oblasti biotribologie, kdy se studují kloubní povrchy a jejich opotřebení při pohybu, což má dopady na vývoj dlouhotrvajících a funkčních kloubních náhrad. Tyto experimentální techniky poskytují detailní údaje o chování biologických tkání a materiálů pro zdravotnické aplikace, čímž přispívají k pokroku v medicíně, ortopedii a protetice.