Biofísica: Ramas

ramas de la biofisica

Biomecánica

Se dedica el estudio de la estructura y función de los sistemas biológicos como los seres humanos, animales, plantas, órganos y células por medio de los métodos de la mecánica. Este nombre se origina en 1856 proveniente del antiguo griego donde se refería al estudio de los principios mecánicos de organismos vivos, particularmente su movimiento y estructura.

La biomecánica está estrechamente relacionada con la ingeniería, ya que a menudo utiliza ciencias de esta, para analizar sistemas biológicos. Algunas aplicaciones simples de la mecánica newtoniana o ciencias de los materiales pueden proporcionar aproximaciones correctas a los mecánicos de muchos sistemas biológicos. Mecánica aplicada, en particular ingeniería disciplinas como la mecánica de medios continuos, mecanismo análisis, análisis estructural, cinemática y dinámica desempeñan un papel prominente en el estudio de la biomecánica.

Generalmente los sistemas biológicos son mucho más complejos que los sistemas construidos por el hombre. Diversos métodos numéricos se aplican por lo tanto, en casi todos los estudios biomecánicos. La investigación se realiza en un proceso iterativo de hipótesis y verificación, incluyendo varios pasos de modelado, simulación y las mediciones experimentales.

Subcampos de la biomecánica

  • Dinámica de cuerpos blandos.
  • Kinesiología (cinética + fisiología).
  • Locomoción animal y análisis de la marcha.
  • Biomecánica músculo-esquelético y ortopédica.
  • Biomecánica cardiovascular.
  • Ergonomía.
  • Ingeniería de factores humanos y biomecánica ocupacional.
  • Implante(medicina), aparatos ortopédicos y prótesis.
  • Rehabilitación.
  • Biomecánica deportiva.
  • Alometría.
  • Biomecánica de la lesión.

Biomecánica deportiva

En biomecánica deportiva, las leyes de la mecánica se aplican al movimiento humano para obtener un mayor conocimiento del rendimiento deportivo y para reducir lesiones deportivas. Se centra en la aplicación de los principios científicos de la física mecánica para entender los movimientos de acción de los cuerpos humanos y deportes como cricketbat, palo de hockey y lanzamiento de jabalina etc... Elementos de ingeniería mecánica (por ejemplo, galgas extensométricas), ingeniería eléctrica (por ejemplo, el filtrado digital), informática (p. ej., métodos numéricos), análisis de la marcha (por ejemplo, plataformas de fuerza) y neurofisiología clínica (por ejemplo, superficie EMG) son métodos comunes utilizados en la biomecánica deportiva.

La biomecánica en el deporte puede indicar las acciones musculares, conjuntas y esqueléticas del cuerpo durante la ejecución de una tarea dada, habilidad o técnica. Su correcta comprensión relacionada con la habilidad en los deportes tiene las mayores implicaciones en: prevención del rendimiento, rehabilitación y lesiones, junto con el dominio del deporte. Según lo observado por el doctor Michael Yessis, uno podría decir que el mejor atleta es aquel que ejecuta su habilidad.

Biomecánica de serie continua

El análisis mecánico de biomateriales y biofluidos generalmente es llevado adelante con los conceptos de mecánica de medios continuos. Este supuesto se rompe cuando la longitud de escala de enfoque de interés la orden de los micro detalles estructurales 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 nivel de órganos y tejidos.

Los biomateriales se clasifican en dos grupos, los tejidos duros y blandos. Deformación mecánica de los tejidos duros (como madera, concha y hueso) puede analizarse con la teoría de la elasticidad lineal. Por otra parte, los tejidos blandos (como piel, tendón, músculo y cartílago) generalmente someterse a grandes deformaciones y por lo tanto su análisis depende de las simulaciones finitas, tensión, teoría y equipo. El interés en la biomecánica continua es estimulado por la necesidad de realismo en el desarrollo de la simulación médica.

Biomecánica de fluidos

La mecánica de fluidos biológica o mecánica de biofluidos, es el estudio de gas y líquido fluyendo en o alrededor de organismos biológicos. Un problema a menudo estudiado por esta es el de flujo de sangre en el sistema cardiovascular humano. Bajo ciertas circunstancias matemáticas, el flujo de sangre puede ser modelado por las ecuaciones de Navier-Stokes

En la escala microscópica, los efectos de los glóbulos rojos se convierten en significativos y sangre ya no puede modelarse como un continuo. Cuando el diámetro del vaso sanguíneo es ligeramente mayor que el diámetro del efecto Fahraeus – Lindquist de eritrocitos ocurre y hay una disminución de la tensión de esquileo de la pared. Sin embargo, a medida que el diámetro del vaso sanguíneo disminuye aún más, los glóbulos rojos tienen que exprimir a través de la nave y a menudo sólo puede pasar en solo archivo. En este caso, se produce el efecto de Fahraeus-Lindquist inverso y la tensión de esquileo de la pared aumenta.

Un ejemplo de un problema de biofluidos gaseoso es el de la respiración humana. Recientemente, el sistema respiratorio en insectos ha sido estudiado para diseñar dispositivos microfluídicos mejorados.

Biotribologia

Los principales aspectos de la mecánica de contacto y la tribología se relacionan con fricción, desgaste y lubricación. Cuando las dos superficies en contacto durante el movimiento es decir, frotar uno contra el otro, efectos de fricción, el desgaste y la lubricación están muy importantes a analizar para determinar el rendimiento del material. Biotribologia es un estudio de la fricción, desgaste y lubricación de los sistemas biológicos especialmente humanos articulaciones como caderas y rodillas. Por ejemplo, los componentes femorales y tibiales de implante de rodilla habitualmente frotan uno contra el otro durante la actividad diaria como caminar o subir escaleras. Si el rendimiento del componente tibial necesita ser analizada, los principios de la biotribologia se utilizan para determinar el rendimiento de desgaste de los efectos del implante y la lubricación del líquido sinovial. Además, la teoría de la mecánica de contacto también se convierte en muy importante para el análisis de desgaste. Aspectos adicionales de biotribologia también pueden incluir análisis de subsuelo de daños por dos superficies de entrar en contacto durante el movimiento, es decir frotando cara a cara, como en la evaluación del cartílago de la ingeniería tisular.

Biomecánica comparativa

Es la aplicación de la biomecánica para los organismos no humanos, ya sea utilizado para obtener mayor información en los seres humanos (como enla antropología física) o en las funciones, ecología y adaptaciones de los organismos ellos mismos. Las áreas comunes de investigación son locomoción animal y alimentación, ya que tiene conexiones fuertes a la aptitud del organismo e imponen altas exigencias mecánicas. La locomoción animal, tiene múltiples manifestaciones, como correr, saltar y volar. Dicha locomoción requiere energía para superar la fricción, inercia y gravedad, aunque predomina el factor que varía con el medio ambiente.

La biomecánica comparativa trabaja fuertemente con muchos otros campos, como ecología, neurobiología, biología del desarrollo, etología, paleontología, en la medida comúnmente se publican artículos en los diarios de estos otros campos. La biomecánica comparativa se aplica a menudo en medicina (con respecto a organismos modelos tales como ratones y ratas), así como en la biomimética, que mira a la naturaleza de soluciones a problemas de ingeniería.

Biomecánica de las plantas

La aplicación de los principios biomecánicos para plantas y órganos de la planta se ha convertido en el subcampo de la biomecánica de la planta.

Biomecánica computacional

En la última década el método de elementos finitos se ha convertido en una alternativa establecida para la evaluación quirúrgica en vivo. La principal ventaja de la biomecánica computacional radica en su capacidad para determinar la respuesta endo-anatómica de una anatomía, sin estar sujeto a restricciones éticas. Esto la ha llevado hasta el punto de convertirse en omnipresente en varios campos de la biomecánica mientras varios proyectos incluso han adoptado una filosofía de código abierto.

Aplicaciones de la biomecánica

El estudio de las gamas de la biomecánica desde el funcionamiento interno de una célula al movimiento y al desarrollo de las extremidades, para las propiedades mecánicas de los tejidos blandos y los huesos. Algunos ejemplos simples de la investigación de la biomecánica incluyen la investigación de las fuerzas que actúan sobre extremidades, la aerodinámica del vuelo de aves e insectos, la hidrodinámica de la natación en los peces y locomoción en general a través de todas las formas de vida, de células individuales a organismos enteros. La biomecánica de los seres humanos es una parte fundamental de la kinesiología. Desarrollar una mayor comprensión del comportamiento fisiológico de los tejidos vivos, los investigadores son capaces de avanzar en el campo de la ingeniería de tejidos, así como desarrollar mejores tratamientos para una amplia gama de patologías.

La biomecánica se aplica también al estudio de los sistemas músculo-esqueléticos humanos. Este tipo de investigación utiliza plataformas de fuerza para estudiar las fuerzas de reacción de suelo humano y videografía, infrarrojos para capturar las trayectorias de los marcadores atados al cuerpo humano para estudiar el movimiento humano en 3D. La investigación también aplica a la electromiografía (EMG) sistema para estudiar la activación muscular. Por esto, es posible investigar las respuestas musculares a las fuerzas externas como las perturbaciones.

La biomecánica es ampliamente utilizada en la industria ortopédica para el diseño de los implantes ortopédicos para las articulaciones humanas, piezas dentales, fijaciones externas y otros propósitos médicos. También la biotribologia es una parte muy importante de ella. Es un estudio de la actuación y función de los biomateriales utilizados para implantes ortopédicos. Juega un papel vital para mejorar el diseño y producir éxito biomateriales para fines médicos y clínicos.

Bioelectricidad

Es el estudio de la interacción entre campos electromagnéticos y entidades biológicas. Las áreas de estudio incluyen electricidad o campos electromagnéticos producidos por las células vivas, tejidos u organismos, incluyendo bacterias bioluminiscentes; por ejemplo, el potencial de la membrana de la célula y las corrientes eléctricas que fluyen en los nervios y músculos, como resultado de los potenciales de acción. Otros incluyen navegación animal utilizando el campo geomagnético; efectos potenciales de las fuentes artificiales de campos electromagnéticos como los teléfonos móviles y el desarrollo de nuevas terapias para tratar diversas afecciones. El término también puede referirse a la capacidad de las células vivas, tejidos y organismos para producir campos eléctricos y la respuesta de células a campos electromagnéticos.

Fenómenos biológicos

Eventos eléctricos de breve duración llamados potenciales de acción se presentan en varios tipos de células animales que se llaman células excitables, una categoría de células son las neuronas, las células del músculo, y células endocrinas, así como en algunas células de la planta. Estos potenciales de acción se utilizan para facilitar la comunicación celular y activar procesos intracelulares. Los fenómenos fisiológicos de los potenciales de acción son posibles porque los canales voltaje-bloqueados del ion permiten el reclinación potencial causada por gradiente electroquímico a ambos lados de una membrana de la célula para resolver.

El bioelectromagnetismo se estudia principalmente a través de las técnicas de electrofisiología. A finales del siglo XVIII, el médico italiano y físico Luigi Galvani registró por primera vez el fenómeno mientras que la disección de una rana en una mesa donde él había estado llevando a cabo experimentos con electricidad estática. Galvani acuñó la electricidad animal de término para describir el fenómeno, mientras que los contemporáneos etiquetados como galvanismo. Galvani y contemporáneos consideran la activación muscular resultante de una sustancia en los nervios o fluido eléctrico.

Algunos animales generalmente acuáticos, como los tiburones, tienen sensores bioeléctricos agudos proporciona un sentido conocido como electrorrecepción, mientras que las aves migratorias navegación en parte por la orientación con respecto al campomagnético de la tierra. En una aplicación extrema del electromagnetismo la anguila eléctrica es capaz de generar un campo eléctrico fuera de su cuerpo utilizada para la caza y autodefensa a través de un órgano eléctrico dedicado.

Efectos térmicos

La mayoría de las moléculas en el cuerpo humano interactúan débilmente con los campos electromagnéticos en las bandas de radiofrecuencia o frecuencia extremadamente baja. Una interacción es la absorción de energía de los campos, que puede causar calentamiento de tejidos; campos más intensos producen mayor calentamiento. Esto puede conducir a efectos biológicos que van desde la relajación muscular (como el producido por un aparato de diatermia) hasta quemaduras. Muchas naciones y organismos reguladores como la Comisión Internacional sobre protección contra las radiaciones no ionizantes han establecido pautas de seguridad para limitar la exposición a los CEM a un nivel no-térmicos. Esto puede definirse como cualquier calefacción sólo hasta el punto donde el exceso de calor pueda ser disipado, o como un aumento fijo de temperatura no detectable con instrumentos actuales como 0.1° C. Sin embargo, han demostrado efectos biológicos para estar presente en estas exposiciones no-termales; Se han propuesto varios mecanismos para explicar éstos y puede haber varios mecanismos subyacentes a los diferentes fenómenos observados. Efectos biológicos de campos electromagnéticos débiles son objeto de estudio en magnetobiologia.

Efectos sobre la salud

Mientras que los efectos sobre la salud de extremadamente baja frecuencia (de un ende) eléctrico y campos magnéticos (0 a 300 Hz) generados por líneas eléctricas y las frecuencias de radio y microondas (RF) (10 MHz - 300 GHz) emitidas por antenas de radio y las redes inalámbricas han sido bien estudiados, la gama intermedia (IR) cada vez más utilizada en las telecomunicaciones modernas (300 Hz a 10 MHz) se ha estudiado mucho menos efectos directos.

Bioacústica

Es una ciencia multidisciplinaria que combina la biología y la acústica. Generalmente se refiere a la investigación de producción de sonido, dispersión y recepción en los animales (seres humanos incluidos). Se trata de bases neurofisiológicas y anatómicas de la producción de sonido y detección y relación de las señales acústicas al medio de que dispersa a través. Los resultados proporcionan pistas sobre la evolución de mecanismos acústicos y de eso, la evolución de los animales que los emplean.

En acústica submarina y pesca acústica el término se utiliza también para significar el efecto de plantas y animales en sonido propagado bajo el agua, generalmente en referencia a la utilización de tecnología de sonar para la estimación de la biomasa.

Historia de la bioacustica

Durante mucho tiempo los seres humanos y animales han empleado sonidos para reconocer y encontrar. La bioacústica como disciplina científica fue creada por el biólogo esloveno Ivan Regen que comenzó sistemáticamente para el estudio de sonidos de insectos. En 1925 él utilizó un dispositivo de sonido para jugar en un dueto con un insecto. Más tarde puso un grillo macho detrás de un micrófono y los grillos hembra delante de un altavoz. Lashembras no se estaban moviendo hacia el sino hacia el altavoz. La contribución más importante de en el campo aparte del descubrimiento que insectos también detectan sonidos aerotransportados fue el descubrimiento de la función del órgano timpánico.

Relativamente crudos dispositivos electromecánicos en el tiempo (como fonógrafos) permitidos sólo para la evaluación cruda de las propiedades de la señal. Mediciones más precisas fueron posibles en la segunda mitad del siglo XX por los avances en la electrónica y la utilización de dispositivos como osciloscopios y registradores digitales.

Los más recientes avances en la preocupación de bioacústica las relaciones entre los animales y su entorno acústico y el impacto de ruido antropogénico. Técnicas bioacústicas recientemente han sido propuestas como un método no invasivo para estimar la biodiversidad.

Métodos de la bioacústica

Hidrófono: Escuchar es uno de los principales métodos utilizados en la investigación bioacoustica. Poco se sabe acerca de los procesos neurofisiológicos que juegan un papel en la producción, detección e interpretación de sonidos en los animales, por lo que el comportamiento de los animales y las señales se utilizan para aumentar la comprensión en estos procesos.

Señales acústicas: Espectrograma (arriba) y el oscilograma (abajo) de las llamadas de la ballena jorobadaUn observador experimentado puede utilizar sonidos de animales para reconocer una especie animal "cantar", su ubicación y condición en la naturaleza. Investigación de sonidos de animales también incluye la grabación de la señal con el equipo de grabación electrónica. Debido a la amplia gama de propiedades de la señal y propagan a través de los medios de comunicación, equipos especializados pueden ser necesarios en lugar del micrófono generalmente, como un hidrófono (para sonidos bajo el agua), detectores de ultrasonidos (sonidos de muy alta frecuencia) o infrasonido (sonidos de muy baja frecuencia), o un vibrómetro láser (transmitidas por sustrato señales vibracionales). Lascomputadoras se utilizan para el almacenamiento y análisis de sonidos grabados. Software especializado de edición de sonido se utiliza para describir y clasificar las señales según su intensidad, frecuencia, duración y otros parámetros.

Colecciones animales sonoras son administradas por los museos de historia natural y otras instituciones, son una herramienta importante para la investigación sistemática de señales. Muchos efectivos métodos automatizados que implican procesamiento de la señal, minería de datos y técnicas se han desarrollado para detectar y clasificar las señales bioacústicas.

Producción de sonido, detección y uso en animales: Los científicos en el campo de la bioacústica están interesados en anatomía y neurofisiología de los órganos involucrados en la producción de sonido y detección, incluyendo su forma, acción muscular y la actividad de redes neuronales implicadas. De especial interés es la codificación de señales con los potenciales de acción en el último.

Pero puesto que los métodos utilizados para la investigación neurofisiológica aún son bastante complejos y la comprensión de los procesos relevantes es incompleto, también se utilizan métodos más triviales. Especialmente útil es la observación de las respuestas conductuales a las señales acústicas. Una tal respuesta es fonotaxis de movimiento direccional hacia la fuente de señal. Mediante la observación de respuesta definido bien las señales en un ambiente controlado, podemos ganar la penetración en función de la señal, sensibilidad de los aparatos de audición, ruido filtrado de capacidad, etc…

Estimación de biomasa: La estimación de la biomasa es un método de detección y cuantificación de peces y otros organismos marinos usando tecnología del sonar. Como el pulso de sonido viaja a través del agua se encuentra con objetos que son de diferente densidad que el medio ambiente, como los peces, que reflejan el sonido detrás hacia la fuente sonora. Estos ecos proporcionan información sobre el tamaño de los peces, la ubicación y la abundancia. Loscomponentes básicos de la función de hardware ecosonda científica es transmitir el sonido, recibir, filtrar y amplificar, registrar y analizar los ecos.

Bioenergética

Bioenergética es un campo en bioquímica que se refiere a flujo de energía a través de los sistemas vivos. Esta es un área activa de investigación biológica que incluye el estudio de la transformación de la energía en los organismos vivos y el estudio de miles de diferentes procesos celulares como respiración celular y los muchos otros procesos metabólicos que pueden conducir a la producción y utilización de la energía en formas como la molécula de ATP.

En sí, la bioenergética es la parte de bioquímica relacionado con la energía involucrada en la fabricación y rotura de enlaces químicos en las moléculas se encuentran en organismos biológicos. También puede definirse como el estudio de las relaciones de energía y transformaciones de energía en los organismos vivos.

Crecimiento, desarrollo y metabolismo son algunos de los fenómenos centrales en el estudio de organismos biológicos. El papel de la energía es fundamental para tales procesos biológicos. La capacidad para aprovechar la energía de una variedad de vías metabólicas es una propiedad de todos los organismos vivos. La vida depende de las transformaciones de energía; organismos vivos sobreviven debido a intercambio de energía dentro y fuera.

En un organismo vivo, los enlaces químicos se rompen y como parte del intercambio y transformación de la energía. La energía está disponible para el trabajo (como trabajo mecánico) o para otros procesos (tales como síntesis química y los procesos anabólicos en el crecimiento), cuando los enlaces débiles se rompen y se hacen lazos más fuertes. La producción de bonos más fuerte permite la liberación de energía utilizable.

Los organismos vivos obtienen energía de los materiales orgánicos e inorgánicos. Por ejemplo, litótrofas pueden oxidar minerales como nitratos o las formas de azufre, como sulfuro de hidrógeno para producir ATP, azufre elemental y sulfitos. En la fotosíntesis, los autótrofos pueden producir ATP utilizando la energía de la luz. Heterótrofos deben consumir compuestos orgánicos. Éstos son sobre todo hidratos de carbono, grasas y proteínas. La cantidad de energía obtenida realmente por el organismo es menor que la cantidad presente en el alimento; hay pérdidas en la digestión, el metabolismo y la termogénesis.

Los materiales generalmente se combinan con el oxígeno para liberar energía, aunque algunos pueden también oxidar anaeróbicamente por distintos microorganismos. Los bonos con las moléculas de nutrientes juntos y en particular los bonos que mantiene las moléculas de oxígeno libre juntos son relativamente débiles en comparación con los enlaces químicos con dióxido de carbono y el agua juntos. La utilización de estos materiales es una forma de combustión lenta. Por esta razón el contenido de energía de los alimentos puede estimarse con una bomba calorimétrica. Los materiales se oxidan lentamente bastante que los organismos no producen realmente fuego. La oxidación libera energía porque se han formado lazos más fuertes. Esta energía neta puede evolucionar como calor o algunos de los cuales pueden utilizarse por el organismo para otros fines, como romper otros bonos para hacer química.

Los organismos vivos producen ATP de fuentes de energía por fosforilación oxidativa. Los enlaces de fosfato terminal de ATP son relativamente débiles en comparación con los bonos más fuerte que se forma cuando el ATP se descompone a monofosfato de adenosina y fosfato y luego disuelto en agua. Aquí es la energía de hidratación que produce liberación de energía. Existencias de un organismo de ATP se utilizan como una batería para almacenar energía en las células, para el metabolismo intermedio. Utilización de la energía química de tal cambio de enlace molecular alimenta procesos biológicos en cada organismo biológico.

Biofotónica

La biofotónica denota una combinación de biología y la fotónica, con que la ciencia y la tecnología de generación, manipulación y detección de fotones, unidades de quantum de luz fotónica. La fotónica está relacionada con la electrónica y fotones. Estos fotones desempeñan un papel central en las tecnologías de la información tales como fibra óptica, que los electrones de manera hacen en electrónica.

Esta también puede ser descrita como el "desarrollo y aplicación de técnicas ópticas, especialmente la proyección de imagen, para el estudio de moléculas biológicas ,las células y tejidos". Uno de los principales beneficios del uso de técnicas ópticas que componen biofotónica es que conservan la integridad de las células biológicas que están siendo examinadas.

La biofotónica se ha convertido, por tanto, en el plazo general establecido para todas las técnicas que se ocupan de la interacción de elementos biológicos y fotones. Esto se refierea la emisión, detección, absorción, reflexión, modificación y creación de radiación de biomoléculas, células, tejidos, organismos y biomateriales. Áreas de aplicación son ciencias de la vida, medicina, agricultura y ciencias ambientales. Similar a la diferenciación entre"eléctrico" y "electrónica" puede hacer una diferencia entre las aplicaciones, que utilizan luz principalmente para transferir energía por medio de luz (como terapia o cirugía) y las aplicaciones que excitan la materia a través de la luz y la transferencia de información hacia el operador (como diagnostico). En la mayoría de los casos el término biofotónica se conoce sólo el segundo caso.

Aplicaciones de la biofotónica

La biofotónica puede utilizarse para el estudio de materiales biológicos o materiales con características similares al material biológico, es decir, material de difusión, a escala microscópica o macroscópica. En la escala microscópica los usos comunes incluyen la microscopia y la tomografía de coherencia óptica. En la escala macroscópica, la luz es difusa y aplicaciones comúnmente tratan de la proyección de imagen óptica difusa y tomografía (DOI y punto).

En microscopia, el desarrollo y perfeccionamiento del microscopio con focal, el microscopio de fluorescencia y al microscopio de fluorescencia de reflexión interna total pertenecen al campo de la biofotónica.

Los ejemplares que son imágenes con técnicas microscópicas también pueden ser manipulados por pinzas ópticas y láser micro-bisturís, que son aún más aplicaciones en el campo de la biofotónica.