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表面張力的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的具體應(yīng)用

來源:商丘師范學(xué)院學(xué)報(bào) 瀏覽 309 次 發(fā)布時間:2024-10-15

表面張力,是物理化學(xué)的重要研究內(nèi)容。一個相的表面分子與相內(nèi)部的分子在性質(zhì)上存在差異,這種差異導(dǎo)致氣液、氣固、液固等各種不同相界面上會發(fā)生一系列表面現(xiàn)象,而分析、解釋這些現(xiàn)象的重要工具,就是表面能和表面張力。因此表面張力的相關(guān)知識在化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、氣象學(xué)和地質(zhì)學(xué)等學(xué)科具有重要的意義和廣泛的應(yīng)用,下文便是表面張力的生物醫(yī)學(xué)具體應(yīng)用。


表面張力的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用


氣栓


液體流動時會受到液體中氣泡的阻礙作用。若流管較細(xì)且液體中氣泡較多時可能會因?yàn)闅怏w阻礙作用嚴(yán)重而造成流管堵塞,這種現(xiàn)象稱氣體栓塞,簡稱氣栓。


如圖4所示,當(dāng)流管中流體不流動時,流體中的氣泡呈橢球狀,兩邊對稱。但當(dāng)流體流動時會造成氣泡的變形,沿流體前進(jìn)方向,氣泡前端被“拉伸”而變尖,曲率半徑變?。欢蠓奖弧巴茐骸倍兺?,曲率半徑變大。由(2)式可知,前端的附件壓強(qiáng)PS前要比后端的附加壓強(qiáng)PS后大,從而造成流體流動受阻。當(dāng)氣泡較多時阻力隨著增大,就造成了氣栓。


由于氣栓會造成流體停止流動因而危害性極大。在臨床中空氣造影、內(nèi)科手術(shù)以及分娩等都容易形成氣栓。一旦產(chǎn)生氣栓就要及時治療,其中高壓療法是最常用而有效的方法。在高壓艙中氣泡受到較大壓強(qiáng)而變小,從而阻力減小,流體重新流動。但是出倉時必須要有足夠的緩沖時間,否則氣泡會因壓強(qiáng)減小而突然變大,再次形成氣栓。潛水員不能從深水迅速浮出水面,必須有緩沖時間就是這個道理。如果迅速浮出水面,溶解在血液中的氣體(動脈中有溶解氧,靜脈中有溶解的二氧化碳)就會因壓強(qiáng)突然減小而體積膨脹,形成氣栓造成危險。


浸潤與不浸潤現(xiàn)象


當(dāng)液體與固體接觸時,附著在固體表面的液體除了受到向內(nèi)收縮的液體分子引力外還受到向外的固體分子引力作用。附著層在表面處大量分子所受向內(nèi)收縮的力為表面張力和內(nèi)部液體分子引力形成內(nèi)聚力的合力,所受到被固體吸附沿著固體表面延伸的力稱為附著力,當(dāng)附著力大于表面張力和內(nèi)聚力合力時液體就會沿著固體表面延伸,這種現(xiàn)象稱為浸潤現(xiàn)象。相反地當(dāng)附著力小于表面張力和內(nèi)聚力合力時液面就會向內(nèi)收縮,這種現(xiàn)象稱為不浸潤現(xiàn)象。浸潤與不浸潤現(xiàn)象示意圖如下圖所示。

對于水與固體接觸時,浸潤現(xiàn)象也稱為親水性,就是通常所說的“吸水”;而不浸潤現(xiàn)象也稱為疏水性,就是“不吸水”。臨床中有時需要用到浸潤現(xiàn)象,比如消毒擦拭用的棉球,止血用的繃帶等都需要“吸水”,因而采用了具有較好親水性的脫脂藥棉材料。但有時浸潤現(xiàn)象是不利的,比如外科手術(shù)縫合線,普通棉線會因浸潤現(xiàn)象而與人體組織黏結(jié)不好拆線,增加病人痛苦。因此一般采用表面蠟處理的手術(shù)線,蠟是疏水性材料,不會“吸水”,因而不會與人體組織黏結(jié),易于拆線,可減輕病人痛苦。


毛細(xì)現(xiàn)象


內(nèi)徑較小的管子一般稱為“毛細(xì)管”。當(dāng)毛細(xì)管豎直放置時浸潤液體會沿管壁上升,而不浸潤液體會沿管壁下降。這種浸潤液體在管內(nèi)液面上升或不浸潤液體在管內(nèi)液面下降的現(xiàn)象稱為毛細(xì)現(xiàn)象。


毛細(xì)現(xiàn)象是由于液面表面張力造成的。對于浸潤液體,由于附著力大于內(nèi)聚力和表面張力合力,使得液面被向上提升形成凹液面;對于不浸潤液體,由于附著力小于內(nèi)聚力和表面張力合力,使得液面被向下擠壓形成凸液面。


液面在毛細(xì)管中上升或下降的高度與毛細(xì)管半徑、液體密度及表面張力系數(shù)有關(guān)。以浸潤液體為例,當(dāng)穩(wěn)定時,附著力與內(nèi)聚力平衡,被提升液柱重力與表面張力二力平衡。為簡單起見,設(shè)液面為半球狀,則:


表面張力:


F=2πrα


液柱重力:


G=ρgπr2h


當(dāng)穩(wěn)定時二力平衡,F(xiàn)=G:(3)


可見,毛細(xì)管內(nèi)液面上升高度與毛細(xì)管半徑成反比。植物成長需要保證水分的吸收,所以生長較高的植物毛細(xì)管較細(xì),一般都比較密實(shí)。另外,毛細(xì)管越細(xì)毛細(xì)現(xiàn)象越明顯,也越能吸水。醫(yī)學(xué)上可以用毛細(xì)管直接吸取病人血液等少量試樣。醫(yī)學(xué)上常用的脫脂棉,是用原棉經(jīng)脫脂處理加工制成的,其纖維柔軟細(xì)長,毛細(xì)管較細(xì),具有很好的吸水性。


肺泡的表面張力


肺是由大約3~5億個大小不等的肺泡構(gòu)成的,泡泡相連。顯然,附件壓強(qiáng)和液面半徑成反比。如果表面張力系數(shù)保持不變,則肺泡越大附加壓強(qiáng)越小,當(dāng)各個肺泡連通時,會使小的肺泡因壓強(qiáng)大而變得更小,反而大的肺泡因壓強(qiáng)小而變得更大,這樣肺泡就會萎縮無法連續(xù)工作。


事實(shí)上,肺泡的表面有一層活性物質(zhì)在不停地起作用,它可以有效降低表面張力系數(shù)。當(dāng)肺泡較大時表面活性物質(zhì)密度較小,因而表面張力系數(shù)較大;反之,當(dāng)肺泡較小時表面活性物質(zhì)密度較大,表面張力系數(shù)就較小,正是這種表面活性物質(zhì)隨呼吸而周期性地調(diào)節(jié)作用保證了肺泡的正常工作。


肺泡表面活性物質(zhì),是由肺泡Ⅱ型細(xì)胞分泌的一種由多種脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的膜基系統(tǒng)。一旦肺泡表面活性物質(zhì)代謝發(fā)生障礙,就會使肺泡表面活性物質(zhì)含量減少,不能有效調(diào)節(jié)表面張力,造成大量肺泡萎縮、塌陷。比如嚴(yán)重急性呼吸綜合癥(SARS)、中東呼吸系統(tǒng)綜合癥(MERS)以及新冠肺炎(COVID-19)等疾病,都因?yàn)槭懿《靖腥?,肺泡表面活性物質(zhì)代謝不正常而數(shù)量減少,從而造成呼吸困難。對于重癥患者,必須借助于呼吸機(jī)完成呼吸,才能開展治療。


結(jié)語


以上就液體的表面張力及其相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了研究和介紹。了解液體表面張力成因及相關(guān)的液體表面現(xiàn)象,對于我們在生活生產(chǎn)中預(yù)防和應(yīng)急處理氣栓等相關(guān)疾病,研究親水性或疏水性材料的加工處理,探索不同材料的表面活性物質(zhì)的性質(zhì),以及在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、病理研究等方面都有重要的指導(dǎo)意義。