液体表面张力的生物医学应用

杨清志，徐宏

(亳州职业技术学院 智能工程系，安徽 亳州 236800)

正常的人体体液要占总体重的60%-70%.由于机体的新陈代谢，体液很多时候要与气体接触，如血液中溶解的O2和CO2，肺泡中的空气等.液体与气体接触时会在表面产生表面张力，了解表面张力的成因，对于其相关的生物医学应用具有重要意义[1-2].

1 表面张力

1.1 表面张力定义

在生活中，我们看到露珠、水滴等都呈球形，就是因为液体表面具有收缩的趋势.使液体表面收缩的力称为表面张力.研究表明，表面张力的方向总是与周界垂直，大小与周界长度成正比：

F=αL

(1)

式(1)中L为周界长度，单位：m；α为表面张力系数，单位：N/m.

1.2 表面张力成因

如图1所示，表面张力的产生是由于液体分子力造成的.在液体内部，分子间距较小，分子力中引力和斥力平衡；但在液体表面由于挥发，分子间距增大，分子引力大于分子斥力，总体表现为引力，从而使得液面向内收缩.

1.3 表面张力造成的弯液面附加压强

当液面弯曲时，会由于表面张力的存在而使得液面具有向内收缩的趋势，从而使液面内外压强不相等，表面张力会产生一个指向弯液面内侧的附加压强，如图2所示[3].

图1 表面张力成因

图2 附加压强的产生

下面来推导附加压强的大小.对于球形液面，设求半径R，取球面边线上一个微元dl，圆心角φ，边线圆半径r，如图3所示.

图3 附加压强推导

将微元dl所受表面张力分解为dfx和dfy，由于所有微元受力的水平方向dfx相抵消，而dfy方向相同.由几何关系：

所以表面张力：

由此得附加压强：

(2)

由式(2)可见，附加压强与液面的弯曲半径成反比.

2 表面张力的生物医学应用

2.1 气 栓

液体流动时会受到液体中气泡的阻碍作用.若流管较细且液体中气泡较多时可能会因为气体阻碍作用严重而造成流管堵塞，这种现象称气体栓塞，简称气栓[4].

如图4所示，当流管中流体不流动时，流体中的气泡呈椭球状，两边对称.但当流体流动时会造成气泡的变形，沿流体前进方向，气泡前端被“拉伸”而变尖，曲率半径变小；而后方被“推压”而变凸，曲率半径变大.由(2)式可知，前端的附件压强PS前要比后端的附加压强PS后大，从而造成流体流动受阻.当气泡较多时阻力随着增大，就造成了气栓.

由于气栓会造成流体停止流动因而危害性极大.在临床中空气造影、内科手术以及分娩等都容易形成气栓.一旦产生气栓就要及时治疗，其中高压疗法是最常用而有效的方法.在高压舱中气泡受到较大压强而变小，从而阻力减小，流体重新流动.但是出仓时必须要有足够的缓冲时间，否则气泡会因压强减小而突然变大，再次形成气栓.潜水员不能从深水迅速浮出水面，必须有缓冲时间就是这个道理.如果迅速浮出水面，溶解在血液中的气体(动脉中有溶解氧，静脉中有溶解的二氧化碳)就会因压强突然减小而体积膨胀，形成气栓造成危险.

2.2 浸润与不浸润现象

当液体与固体接触时，附着在固体表面的液体除了受到向内收缩的液体分子引力外还受到向外的固体分子引力作用.附着层在表面处大量分子所受向内收缩的力为表面张力和内部液体分子引力形成内聚力的合力，所受到被固体吸附沿着固体表面延伸的力称为附着力，当附着力大于表面张力和内聚力合力时液体就会沿着固体表面延伸，这种现象称为浸润现象.相反地当附着力小于表面张力和内聚力合力时液面就会向内收缩，这种现象称为不浸润现象.浸润与不浸润现象示意图如图5所示.

图4 气栓的形成

图5 浸润与不浸润现象

对于水与固体接触时，浸润现象也称为亲水性，就是通常所说的“吸水”；而不浸润现象也称为疏水性，就是 “不吸水”.临床中有时需要用到浸润现象，比如消毒擦拭用的棉球，止血用的绷带等都需要“吸水”，因而采用了具有较好亲水性的脱脂药棉材料.但有时浸润现象是不利的，比如外科手术缝合线，普通棉线会因浸润现象而与人体组织黏结不好拆线，增加病人痛苦.因此一般采用表面蜡处理的手术线，蜡是疏水性材料，不会“吸水”，因而不会与人体组织黏结，易于拆线，可减轻病人痛苦.

2.3 毛细现象

内径较小的管子一般称为“毛细管”.当毛细管竖直放置时浸润液体会沿管壁上升，而不浸润液体会沿管壁下降.这种浸润液体在管内液面上升或不浸润液体在管内液面下降的现象称为毛细现象.

毛细现象是由于液面表面张力造成的.对于浸润液体，由于附着力大于内聚力和表面张力合力，使得液面被向上提升形成凹液面；对于不浸润液体，由于附着力小于内聚力和表面张力合力，使得液面被向下挤压形成凸液面.

液面在毛细管中上升或下降的高度与毛细管半径、液体密度及表面张力系数有关.以浸润液体为例，当稳定时，附着力与内聚力平衡，被提升液柱重力与表面张力二力平衡.为简单起见，设液面为半球状，则：

表面张力：

F=2πrα

液柱重力：

G=ρgπr2h

当稳定时二力平衡，F=G:

(3)

可见，毛细管内液面上升高度与毛细管半径成反比.植物成长需要保证水分的吸收，所以生长较高的植物毛细管较细，一般都比较密实.另外，毛细管越细毛细现象越明显，也越能吸水.医学上可以用毛细管直接吸取病人血液等少量试样.医学上常用的脱脂棉，是用原棉经脱脂处理加工制成的，其纤维柔软细长，毛细管较细，具有很好的吸水性.

2.4 肺泡的表面张力

肺是由大约3～5亿个大小不等的肺泡构成的，泡泡相连[5].由于肺泡内外都是气体，有两层液面，因此由(2)式，其附加压强为：

(4)

显然，附件压强和液面半径成反比.如果表面张力系数保持不变，则肺泡越大附加压强越小，当各个肺泡连通时，会使小的肺泡因压强大而变得更小，反而大的肺泡因压强小而变得更大，这样肺泡就会萎缩无法连续工作.

事实上，肺泡的表面有一层活性物质在不停地起作用，它可以有效降低表面张力系数.当肺泡较大时表面活性物质密度较小，因而表面张力系数较大；反之，当肺泡较小时表面活性物质密度较大，表面张力系数就较小，正是这种表面活性物质随呼吸而周期性地调节作用保证了肺泡的正常工作.

肺泡表面活性物质，是由肺泡Ⅱ型细胞分泌的一种由多种脂质和蛋白质组成的膜基系统.一旦肺泡表面活性物质代谢发生障碍，就会使肺泡表面活性物质含量减少，不能有效调节表面张力，造成大量肺泡萎缩、塌陷.比如严重急性呼吸综合症(SARS)、中东呼吸系统综合症(MERS)以及新冠肺炎(COVID-19)等疾病，都因为受病毒感染，肺泡表面活性物质代谢不正常而数量减少，从而造成呼吸困难[6-7].对于重症患者，必须借助于呼吸机完成呼吸，才能开展治疗.

3 结 语

以上就液体的表面张力及其相关的生物医学应用进行了研究和介绍.了解液体表面张力成因及相关的液体表面现象，对于我们在生活生产中预防和应急处理气栓等相关疾病，研究亲水性或疏水性材料的加工处理，探索不同材料的表面活性物质的性质，以及在农业生产、病理研究等方面都有重要的指导意义.