正常的人體體液要占總體重的60%-70%.由于機體的新陳代謝，體液很多時候要與氣體接觸，如血液中溶解的O2和CO2，肺泡中的空氣等.液體與氣體接觸時會在表面產生表面張力，了解表面張力的成因，對于其相關的生物醫學應用具有重要意義。而這些都需要用到表面張力儀，今(jin)天就先來講(jiang)講(jiang)表(biao)面(mian)張力在血液、肺泡(pao)研究分(fen)析中的具體表(biao)現。

1表面(mian)張力

1.1表面(mian)張力定義

在生活中，我們看(kan)到露珠、水滴等都(dou)呈球形，就(jiu)是(shi)因為液體(ti)(ti)表(biao)(biao)面(mian)具(ju)有收縮(suo)的(de)(de)趨勢.使液體(ti)(ti)表(biao)(biao)面(mian)收縮(suo)的(de)(de)力(li)稱為表(biao)(biao)面(mian)張(zhang)力(li).研究表(biao)(biao)明，表(biao)(biao)面(mian)張(zhang)力(li)的(de)(de)方向總是(shi)與周(zhou)界垂(chui)直，大(da)小(xiao)與周(zhou)界長度(du)成正比：

F=αL(1)

式(1)中L為(wei)周(zhou)界長度，單位：m；α為(wei)表(biao)面張力系數，單位：N/m.

1.2表(biao)面張力成因

如圖1所示，表(biao)面張力(li)(li)(li)(li)的(de)產生是(shi)由于(yu)(yu)液體(ti)分(fen)子(zi)(zi)力(li)(li)(li)(li)造成的(de).在(zai)液體(ti)內部，分(fen)子(zi)(zi)間(jian)距(ju)較小，分(fen)子(zi)(zi)力(li)(li)(li)(li)中引力(li)(li)(li)(li)和斥力(li)(li)(li)(li)平衡；但在(zai)液體(ti)表(biao)面由于(yu)(yu)揮發，分(fen)子(zi)(zi)間(jian)距(ju)增大，分(fen)子(zi)(zi)引力(li)(li)(li)(li)大于(yu)(yu)分(fen)子(zi)(zi)斥力(li)(li)(li)(li)，總(zong)體(ti)表(biao)現為引力(li)(li)(li)(li)，從而(er)使得液面向內收縮。

1.3表面(mian)張(zhang)力造成(cheng)的彎液面(mian)附(fu)加壓強

當(dang)液(ye)面(mian)(mian)彎曲(qu)時，會由于表(biao)面(mian)(mian)張力(li)的存在而使得液(ye)面(mian)(mian)具有向內收縮的趨勢，從而使液(ye)面(mian)(mian)內外壓強(qiang)不(bu)相等(deng)，表(biao)面(mian)(mian)張力(li)會產(chan)生一個(ge)指向彎液(ye)面(mian)(mian)內側的附加壓強(qiang)，如圖2所示。

圖(tu)1表面張力成因

圖(tu)2附加壓強(qiang)的產生

下面來(lai)推導附加壓強的(de)大小.對于(yu)球(qiu)形液面，設求(qiu)半(ban)徑R，取球(qiu)面邊(bian)線(xian)上一個微元dl，圓心角(jiao)φ，邊(bian)線(xian)圓半(ban)徑r，如圖3所(suo)示.

圖3附(fu)加壓強推導

將微元dl所受表(biao)面張力分(fen)解為dfx和dfy，由于所有微元受力的水(shui)平方(fang)向dfx相抵消，而(er)dfy方(fang)向相同.由幾何(he)關系：

所以(yi)表面(mian)張力：

由此得附加壓強：

由式(2)可(ke)見，附加(jia)壓(ya)強與液(ye)面的彎曲半徑成反(fan)比.

2表面張力的生物醫學應用

2.1氣(qi)栓(shuan)

液(ye)(ye)體流動(dong)時(shi)會受(shou)到液(ye)(ye)體中氣泡的(de)阻礙(ai)作用.若流管(guan)較細且液(ye)(ye)體中氣泡較多時(shi)可能會因為氣體阻礙(ai)作用嚴重而造(zao)成流管(guan)堵(du)塞，這(zhe)種現象稱氣體栓(shuan)塞，簡稱氣栓(shuan)。

如(ru)圖(tu)4所示，當(dang)流(liu)(liu)(liu)(liu)管(guan)中流(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)不流(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)時，流(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)中的氣(qi)(qi)泡(pao)呈橢球(qiu)狀，兩邊對稱(cheng).但當(dang)流(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)流(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)時會造(zao)成(cheng)(cheng)氣(qi)(qi)泡(pao)的變(bian)(bian)(bian)形，沿流(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)前(qian)進(jin)方向，氣(qi)(qi)泡(pao)前(qian)端(duan)被“拉伸”而變(bian)(bian)(bian)尖，曲率(lv)半徑(jing)變(bian)(bian)(bian)小；而后方被“推壓”而變(bian)(bian)(bian)凸，曲率(lv)半徑(jing)變(bian)(bian)(bian)大.由(2)式可知，前(qian)端(duan)的附(fu)件壓強(qiang)PS前(qian)要比后端(duan)的附(fu)加壓強(qiang)PS后大，從而造(zao)成(cheng)(cheng)流(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)流(liu)(liu)(liu)(liu)動(dong)受阻.當(dang)氣(qi)(qi)泡(pao)較(jiao)多(duo)時阻力隨(sui)著(zhu)增大，就造(zao)成(cheng)(cheng)了氣(qi)(qi)栓(shuan)。

由于氣(qi)(qi)栓(shuan)(shuan)(shuan)會(hui)造(zao)成流體(ti)停(ting)止流動(dong)因而(er)危害性極大.在(zai)臨(lin)床中(zhong)空氣(qi)(qi)造(zao)影(ying)、內科手(shou)術(shu)以(yi)及分娩等都容易形(xing)成氣(qi)(qi)栓(shuan)(shuan)(shuan).一旦產生氣(qi)(qi)栓(shuan)(shuan)(shuan)就要及時治療(liao)，其中(zhong)高壓(ya)療(liao)法是最常用而(er)有(you)(you)(you)效的(de)方法.在(zai)高壓(ya)艙中(zhong)氣(qi)(qi)泡受(shou)到(dao)較大壓(ya)強(qiang)而(er)變小，從而(er)阻力減小，流體(ti)重新(xin)流動(dong).但是出倉時必須要有(you)(you)(you)足夠的(de)緩(huan)沖(chong)時間，否則氣(qi)(qi)泡會(hui)因壓(ya)強(qiang)減小而(er)突然變大，再次形(xing)成氣(qi)(qi)栓(shuan)(shuan)(shuan).潛(qian)水員不能從深水迅速浮(fu)出水面，必須有(you)(you)(you)緩(huan)沖(chong)時間就是這(zhe)個道理.如果迅速浮(fu)出水面，溶解在(zai)血液中(zhong)的(de)氣(qi)(qi)體(ti)(動(dong)脈中(zhong)有(you)(you)(you)溶解氧(yang)，靜脈中(zhong)有(you)(you)(you)溶解的(de)二氧(yang)化碳)就會(hui)因壓(ya)強(qiang)突然減小而(er)體(ti)積膨(peng)脹，形(xing)成氣(qi)(qi)栓(shuan)(shuan)(shuan)造(zao)成危險。

2.2浸(jin)潤與不浸(jin)潤現象

當(dang)液(ye)體(ti)與(yu)固(gu)體(ti)接觸時，附(fu)(fu)著(zhu)(zhu)在(zai)固(gu)體(ti)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)液(ye)體(ti)除(chu)了受到(dao)向內(nei)(nei)收(shou)縮(suo)的(de)液(ye)體(ti)分子(zi)引(yin)力(li)(li)外還受到(dao)向外的(de)固(gu)體(ti)分子(zi)引(yin)力(li)(li)作用.附(fu)(fu)著(zhu)(zhu)層(ceng)在(zai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)處大量分子(zi)所(suo)受向內(nei)(nei)收(shou)縮(suo)的(de)力(li)(li)為表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張力(li)(li)和(he)內(nei)(nei)部液(ye)體(ti)分子(zi)引(yin)力(li)(li)形成內(nei)(nei)聚(ju)力(li)(li)的(de)合(he)力(li)(li)，所(suo)受到(dao)被固(gu)體(ti)吸附(fu)(fu)沿(yan)著(zhu)(zhu)固(gu)體(ti)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)延伸的(de)力(li)(li)稱(cheng)為附(fu)(fu)著(zhu)(zhu)力(li)(li)，當(dang)附(fu)(fu)著(zhu)(zhu)力(li)(li)大于(yu)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張力(li)(li)和(he)內(nei)(nei)聚(ju)力(li)(li)合(he)力(li)(li)時液(ye)體(ti)就(jiu)會(hui)沿(yan)著(zhu)(zhu)固(gu)體(ti)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)延伸，這種現象(xiang)(xiang)稱(cheng)為浸(jin)潤(run)現象(xiang)(xiang).相反地(di)當(dang)附(fu)(fu)著(zhu)(zhu)力(li)(li)小于(yu)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張力(li)(li)和(he)內(nei)(nei)聚(ju)力(li)(li)合(he)力(li)(li)時液(ye)面(mian)(mian)(mian)(mian)就(jiu)會(hui)向內(nei)(nei)收(shou)縮(suo)，這種現象(xiang)(xiang)稱(cheng)為不(bu)浸(jin)潤(run)現象(xiang)(xiang).浸(jin)潤(run)與(yu)不(bu)浸(jin)潤(run)現象(xiang)(xiang)示意圖如圖5所(suo)示。

圖4氣栓的形成

圖(tu)5浸潤(run)與不浸潤(run)現(xian)象

對(dui)于水(shui)(shui)(shui)與固體接觸時，浸(jin)潤現象(xiang)(xiang)也稱為親水(shui)(shui)(shui)性，就是通常所(suo)說的(de)“吸(xi)(xi)水(shui)(shui)(shui)”；而(er)不浸(jin)潤現象(xiang)(xiang)也稱為疏水(shui)(shui)(shui)性，就是“不吸(xi)(xi)水(shui)(shui)(shui)”.臨(lin)床(chuang)中有時需要(yao)用(yong)到浸(jin)潤現象(xiang)(xiang)，比如消毒(du)擦拭用(yong)的(de)棉(mian)(mian)球，止血(xue)用(yong)的(de)繃帶等都(dou)需要(yao)“吸(xi)(xi)水(shui)(shui)(shui)”，因(yin)而(er)采用(yong)了具有較好(hao)親水(shui)(shui)(shui)性的(de)脫(tuo)脂(zhi)藥棉(mian)(mian)材料(liao).但有時浸(jin)潤現象(xiang)(xiang)是不利(li)的(de)，比如外科手術(shu)縫合(he)線，普(pu)通棉(mian)(mian)線會(hui)因(yin)浸(jin)潤現象(xiang)(xiang)而(er)與人(ren)(ren)(ren)體組織黏結(jie)不好(hao)拆線，增加病人(ren)(ren)(ren)痛苦(ku).因(yin)此一(yi)般(ban)采用(yong)表面蠟處理的(de)手術(shu)線，蠟是疏水(shui)(shui)(shui)性材料(liao)，不會(hui)“吸(xi)(xi)水(shui)(shui)(shui)”，因(yin)而(er)不會(hui)與人(ren)(ren)(ren)體組織黏結(jie)，易于拆線，可減輕病人(ren)(ren)(ren)痛苦(ku).

2.3毛細現(xian)象(xiang)

內(nei)徑較小的(de)管(guan)(guan)子一般稱為“毛細管(guan)(guan)”.當(dang)毛細管(guan)(guan)豎(shu)直(zhi)放置時浸(jin)(jin)(jin)潤液(ye)(ye)體(ti)會(hui)沿管(guan)(guan)壁上升(sheng)(sheng)，而不浸(jin)(jin)(jin)潤液(ye)(ye)體(ti)會(hui)沿管(guan)(guan)壁下降.這種浸(jin)(jin)(jin)潤液(ye)(ye)體(ti)在管(guan)(guan)內(nei)液(ye)(ye)面上升(sheng)(sheng)或不浸(jin)(jin)(jin)潤液(ye)(ye)體(ti)在管(guan)(guan)內(nei)液(ye)(ye)面下降的(de)現(xian)象稱為毛細現(xian)象。

毛細(xi)現象是由于(yu)液(ye)(ye)面(mian)表面(mian)張(zhang)力(li)(li)造成(cheng)的.對(dui)于(yu)浸潤液(ye)(ye)體，由于(yu)附著(zhu)力(li)(li)大于(yu)內(nei)聚力(li)(li)和表面(mian)張(zhang)力(li)(li)合力(li)(li)，使得液(ye)(ye)面(mian)被(bei)向上(shang)提(ti)升(sheng)形(xing)成(cheng)凹液(ye)(ye)面(mian)；對(dui)于(yu)不浸潤液(ye)(ye)體，由于(yu)附著(zhu)力(li)(li)小于(yu)內(nei)聚力(li)(li)和表面(mian)張(zhang)力(li)(li)合力(li)(li)，使得液(ye)(ye)面(mian)被(bei)向下擠壓形(xing)成(cheng)凸(tu)液(ye)(ye)面(mian)。

液(ye)面在毛(mao)細(xi)管(guan)中上(shang)升或(huo)下降的高(gao)度與毛(mao)細(xi)管(guan)半徑、液(ye)體密度及表面張(zhang)力(li)系數有關.以浸(jin)潤液(ye)體為例，當(dang)穩(wen)定(ding)時，附著(zhu)力(li)與內聚(ju)力(li)平(ping)衡，被提升液(ye)柱重(zhong)力(li)與表面張(zhang)力(li)二力(li)平(ping)衡.為簡單起見，設液(ye)面為半球狀，則：

表面張力：

F=2πrα

液(ye)柱重力：

G=ρgπr2h

當穩定時二力(li)平衡(heng)，F=G:(3)

可(ke)見，毛細(xi)管(guan)(guan)(guan)內液面上升高度與毛細(xi)管(guan)(guan)(guan)半徑成反比(bi).植(zhi)(zhi)物(wu)成長需要(yao)保證水分的(de)(de)(de)吸(xi)收，所以生長較(jiao)(jiao)(jiao)高的(de)(de)(de)植(zhi)(zhi)物(wu)毛細(xi)管(guan)(guan)(guan)較(jiao)(jiao)(jiao)細(xi)，一般都(dou)比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)密實.另外，毛細(xi)管(guan)(guan)(guan)越細(xi)毛細(xi)現(xian)象越明(ming)顯(xian)，也越能吸(xi)水.醫(yi)學(xue)上可(ke)以用毛細(xi)管(guan)(guan)(guan)直接吸(xi)取病(bing)人血液等少(shao)量試樣.醫(yi)學(xue)上常用的(de)(de)(de)脫脂棉(mian)，是用原棉(mian)經脫脂處理加工制成的(de)(de)(de)，其纖維柔軟細(xi)長，毛細(xi)管(guan)(guan)(guan)較(jiao)(jiao)(jiao)細(xi)，具有很好(hao)的(de)(de)(de)吸(xi)水性.

2.4肺泡的表面(mian)張力

肺(fei)(fei)是(shi)由大(da)約3～5億個(ge)大(da)小(xiao)(xiao)不等的肺(fei)(fei)泡(pao)(pao)構成的，泡(pao)(pao)泡(pao)(pao)相連。附(fu)件壓(ya)(ya)強和液面半徑成反(fan)比.如果表(biao)面張(zhang)力系數保持(chi)不變，則肺(fei)(fei)泡(pao)(pao)越(yue)大(da)附(fu)加壓(ya)(ya)強越(yue)小(xiao)(xiao)，當各個(ge)肺(fei)(fei)泡(pao)(pao)連通時，會使小(xiao)(xiao)的肺(fei)(fei)泡(pao)(pao)因(yin)(yin)壓(ya)(ya)強大(da)而變得更小(xiao)(xiao)，反(fan)而大(da)的肺(fei)(fei)泡(pao)(pao)因(yin)(yin)壓(ya)(ya)強小(xiao)(xiao)而變得更大(da)，這樣肺(fei)(fei)泡(pao)(pao)就會萎縮無法連續工(gong)作。

事實上，肺泡的表(biao)面(mian)有一(yi)層活性(xing)物質在(zai)不停地起作用(yong)，它可以(yi)有效降低表(biao)面(mian)張力系(xi)數(shu).當肺泡較(jiao)(jiao)大(da)(da)時表(biao)面(mian)活性(xing)物質密度(du)較(jiao)(jiao)小，因而表(biao)面(mian)張力系(xi)數(shu)較(jiao)(jiao)大(da)(da)；反之，當肺泡較(jiao)(jiao)小時表(biao)面(mian)活性(xing)物質密度(du)較(jiao)(jiao)大(da)(da)，表(biao)面(mian)張力系(xi)數(shu)就較(jiao)(jiao)小，正是這(zhe)種表(biao)面(mian)活性(xing)物質隨(sui)呼吸而周期性(xing)地調節(jie)作用(yong)保(bao)證了肺泡的正常工作。

肺(fei)泡(pao)(pao)表(biao)面(mian)(mian)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)，是由肺(fei)泡(pao)(pao)Ⅱ型細胞分泌(mi)的一種由多(duo)種脂質(zhi)(zhi)(zhi)和(he)蛋(dan)白質(zhi)(zhi)(zhi)組成的膜基系統.一旦肺(fei)泡(pao)(pao)表(biao)面(mian)(mian)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)代謝發生(sheng)障礙，就會(hui)使肺(fei)泡(pao)(pao)表(biao)面(mian)(mian)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)含量減少，不(bu)能(neng)有效調節(jie)表(biao)面(mian)(mian)張力，造成大(da)量肺(fei)泡(pao)(pao)萎縮、塌(ta)陷.比(bi)如嚴重(zhong)(zhong)急(ji)性(xing)(xing)呼吸(xi)綜(zong)合(he)(he)癥(SARS)、中東呼吸(xi)系統綜(zong)合(he)(he)癥(MERS)以及新冠肺(fei)炎(yan)(COVID-19)等疾病(bing)，都(dou)因(yin)為受(shou)病(bing)毒感染，肺(fei)泡(pao)(pao)表(biao)面(mian)(mian)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)代謝不(bu)正常而數量減少，從而造成呼吸(xi)困難。對于重(zhong)(zhong)癥患者(zhe)，必須借助于呼吸(xi)機完(wan)成呼吸(xi)，才(cai)能(neng)開展治療。

3結語

以上就液體的(de)表面張力及其相關(guan)的(de)生(sheng)物(wu)醫學(xue)應(ying)用進(jin)行了研究(jiu)和介紹，了解液體表面張力成因及相關(guan)的(de)液體表面現象(xiang)，對于我(wo)們在(zai)生(sheng)活生(sheng)產中預防和應(ying)急處理(li)氣(qi)栓等相關(guan)疾病，研究(jiu)親水(shui)(shui)性(xing)(xing)或疏水(shui)(shui)性(xing)(xing)材(cai)料的(de)加工(gong)處理(li)，探索不(bu)同材(cai)料的(de)表面活性(xing)(xing)物(wu)質的(de)性(xing)(xing)質，以及在(zai)農業生(sheng)產、病理(li)研究(jiu)等方面都有重要的(de)指導意義。