血液流变物理

生物物理学第七章血液流变物理第一节流变物理概述第二节血液的流变性质第三节红细胞的流变性质第四节临床血液流变学生物物理学血液流变学1勾股定理2微生物的存在3三大运动定律4物质的结构5血液循环6电流7物种进化8基因9热力学四大定律10光的波粒二象性塔米姆·安萨利著作（10GreatScientificDiscoveries）《人类最伟大的十个科学发现》生物物理学血液流变学血液流变学发展简史一、国外发展简况几个重要事件17世纪，英国解剖学家、医生威廉·哈维（WilliamHarvey）1628年出版了《心血运动论》。1661年，意大利解剖学家、科学家马尔比基（MarcelloMalpighi）首次观察到毛细血管。生物物理学血液流变学最早的关于血液流变的现象：荷兰人(LeeuWenhok)1675年红细胞变形现象血液流变学的物理学理论基础：1687年牛顿粘滞定律1842年泊肃叶定律但是对红细胞可变形性及其意义的深人研究仅有二三十年的历史。生物物理学血液流变学流变学（Rheology）概念的提出1920年美国的物理化学家宾汉(Bingham)提出的。1929年美国最早成立流变学学会。1948年科普利（Copley）首次提出“生物流变学”(Biorheology)。1951年在美国物理学会第25届年会上，Copley首次提出“血液流变学”(Hemorheology)。1961年锥板旋转粘度计生物物理学血液流变学现代CAP1000+/CAP2000+高剪切锥板粘度计生物物理学血液流变学1966年第一届国际血液流变学会在冰岛召开,同时成立国际血液流变学学会；1969年在第二届国际血液流变学会更名为“国际生物流变学学会”。国际生物流变学学会主办的两种学术刊物：生物流变学(Biorheology)，1962年创刊。临床血液流变学(CiinicalHemorheology)1981年,作为国际生物流变学会机关杂志《生物流变学》(Biorheology)的姐妹刊物——《临床血液流变学》(ClinicalHemorheology)杂志创刊出版。生物物理学血液流变学1972年召开第一届国际生物流变学学术会议.1975年、1978年、1981年、1983年、1986年、1989年……先后召开多届国际生物流变学会议。2005年5月31至6月3日，第十二届国际生物流变学大会暨第五届国际临床血液流变学大会在我国重庆大学召开。生物物理学血液流变学二、国内发展简况起步很晚1964年李志山、陈文杰首次报告了人体手指甲襞微循环观察结果。发展很快原因有三：70年代初，一些高等院校、科研所投入大量的人力和物力对血液流变学进行研究。生物物理学血液流变学70年代后期，我国的一些专家学者翻译外国专著，同时邀请国外学者来讲学，举办讲座，极大推动血液流变学的发展。80年代许多高校的研究生、本科生都开设了血液流变学课程；临床应用也逐渐得到普及。1991年《中国血液流变学》杂志和《微循环学》杂志创刊。1993年《微循环技术》杂志创刊等等。这些都促进我国血液流变学的迅猛发展。生物物理学7.1流变物理的基本概念流变学(rheology):系指研究物体在外力作用下发生变形和流动的科学，它是一门介于力学、化学、物理与工程科学之间的交叉学科。1929年由Bingham（宾汉）和Crawford（克劳福德）提出。生物流变学（biorheology）血液流变学（hemorheology）：研究血液及其有形成分的流动性与形变规律的流变学科。生物物理学所有流体在流动时具有黏滞性，因此会有能量的损耗。当能量损耗必须计时，将其作黏滞流体处理。一、牛顿黏滞定律层流：当流体流速较小时，保持分层流动，各流层之间只作相对滑动，彼此不相混合。流体的这种运动称为层流。湍流：当黏滞流体流速较大时，容易产生径向流动（垂直于管轴方向的速度分量），各流层相互掺合，整个流体作无规则运动，称为湍流。7.1.1牛顿黏滞定律生物物理学着色甘油无色甘油流体作层流时，各层之间有相对滑动，沿管轴流动速度最大，距轴越远流速越小，在管壁上甘油附着，流速为零。生物物理学在流动的黏滞流体中，如果相邻的流体质量元速度不同，它们之间存在着阻碍它们相对运动的力，称为黏滞阻力。1687年，牛顿发现作层流的黏滞流体中，流层间的黏滞阻力这种黏滞流体称为牛顿流体。其中比例系数称为黏滞系数，xyv+dvv△s△sff´dy生物物理学大小取决于流体的性质，并和温度有关，一般液：气：压强对的影响不显著。生物物理学7.1.2牛顿流体和非牛顿流体η是常数，遵循牛顿粘性定律的流体为牛顿型流体，如：水、血浆；不遵循牛顿粘性定律的流体叫非牛顿流体，如：血液生物物理学流体流动时，内摩擦力的存在，引起能量损耗。流体作湍流时，阻力大流量小，能量耗损增加。7.1.3层流与湍流流体是作层流还是作湍流与一个无量纲的数的大小有关，其称为雷诺数。在管道中流动的流体，只要雷诺数相同，它们的流动状态就比较类似。流体的流动状态由雷诺数决定。流体由层流向湍流过渡的雷诺数，叫做临界雷诺数，记作Re。对于圆形管道生物物理学7.2.1血液的组成血量：人体内血浆和血细胞的总和。约占体重的7%-8%,体重为60kg的人，血量约5L。7.2血液的流变性质生物物理学血浆水（90%-92%）血浆蛋白（6.5%-8.5%）小分子物质（2%）白蛋白球蛋白纤维蛋白原α1-球蛋白α2-球蛋白β-球蛋白γ-球蛋白男性血液的比重为1.0517、女性为1.052。血液略呈碱性，PH值为7.35—7.40;37℃时血浆总渗透压约为7.699×105帕，即5.776mmHg，合7.6大气压，但胶体渗透压却只有22—30mmHg。血浆生物物理学红细胞约占血细胞的95％。红细胞中血红蛋白约占35％。红细胞计数男性约为5×106／mm3，女性约为4.5×106／mm3。红细胞比重1.089—1.097，较血浆比重1.024为大，所以血液静置时，红细胞易沉降，沉降率的升高往往与各种疾病有关。白细胞包括中性、嗜酸与嗜碱性粒细胞。大小约为红细胞的5／4，粒细胞占白细胞总数的60一70％，还有一类是单核细胞，只占4％左右。正常人每1mm3血液中约有6000一8500个白细胞，由于数量少使白细胞的压积超过红细胞压积的0.9％。血小板体积小，直径只有2—3μm，是园盘状与椭球状。在人体lmm3血液中约有10万一30万个，血小板含量不超过红细胞压积的0.3％。血细胞和血小板生物物理学7.2.2血液黏度的实验研究黏度是血液的重要力学性质，也是血液流变学研究的重要内容之一，血液黏度对于机体的生理和病理变化均具有重要意义。生物物理学血液具有非牛顿流体的流变性质，主要表现在以下几个方面：一、压力——流量曲线2048612105101520血浆血液p/cmHgQ(μl/s)生物物理学二、切变率与黏度曲线生物物理学1.红细胞压积（红细胞比容）：如前所述，在血细胞中，红细胞约占细胞总数的95％。血液黏度与红细胞压积有密切的关系。在同样的切变率下，全血和红细胞悬浮液的黏度都随红细胞压积的增高而增大。影响血液黏度的因素生物物理学2.红细胞的变形性：静息状态下，正常红细胞呈双凹圆盘形，直径约为7—8μm，较大的表面积与体积比决定了红细胞在不增加表面积的情况下，就可发生相当大的变形。另一方面在一定的切变串范围内，还会发生红细胞主截面的法线方向趋于流场涡旋方向的取向效应，使黏度随切变率升高而减少。生物物理学三、红细胞的聚集：红细胞的聚集是低切变率下影响血液黏度的主要因素。在静息状态下，红细胞在血浆中聚集形成叠连，并形成某种空间网状结构。当切应力达到一定值时，就会克服屈服应力，从而破坏红细胞的空间网络结构使血液流动，但红细胞的叠连依然存在。随着切应力的逐渐增加，叠连逐渐裂解，尺度变小。当切应力达到0.2N·m-2时，叠连几乎全部裂解为单个红细胞。这一过程在宏观上表现为表观黏度随切变率的增高而迅速下降。生物物理学四、血浆黏度：血浆黏度的大小决定于血浆蛋白的含量、分子的形状及大小。蛋白的分子量越大、含量越高，则血浆黏度越大。链状蛋白分子比球形蛋白分子的影响大，纤维蛋白原对血液黏度的影响最大。血浆蛋白一方面影响血液的黏度，另一方面，它还影响着红细胞的聚集。血纤维蛋白原、球蛋白对红细胞有桥连作用及降低红细胞腥表面电荷之间的静电斥力的作用，促进聚集；而白蛋白带负电，加强排斥作用，削弱聚集。生物物理学五、渗透压和pH值：渗透压和pH值对血液黏度的影响，主要因为它们会引起红细胞的聚集和红细胞变形性的改变。pH值降低，可使红细胞膜变硬，红细胞的变形能力下降。低渗可使细胞外水分内沉，体积增大，表面积与体积比减小，变形性降低；高渗使红细胞内的水分外流，细胞内黏度增高，也导致红细胞的变形性降低。而红细胞变形性的降低，使得红细胞之间不易形成结合紧密的叠连，从而影响了红细胞的聚集。生物物理学六、温度：一般液体的黏度随温度的升高而降低，但血液的情况非常复杂。温度对其黏度的影响有赖于红细胞的聚集、变形及血浆黏度等多因累对温度变化的反应。血浆黏度一般随温度的升高而降低。温度对红细胞聚集的影响，一般认为，温度增高，将导致红细胞的聚集增高，从而使低切变率下血液的黏度升高。温度对红细胞变形性的影响较为复杂，37℃左右，红细胞有最佳变形性，温度的过高和过低，都将对红细胞的变形性产生显著影响。在49℃时，红细胞将丧失变形能力。由温度引起的红细胞变形性不同程度的下降，会导致血液黏度不同程度的升高。生物物理学七、管径：全血黏度还与它流过的管子的口径有关。当管子的口径下降到小于1mm时，血液的表现黏度随管子口径的减少而降低。这一现象称为Fahraeus-Lindqvist效应。生物物理学八、管壁效应:Corpley等人的研究指出，当用毛细管黏度计测量血液的表观黏度时，若在玻璃毛细管的内表面涂一层薄薄的纤维蛋白，则所测得的表观黏度低于用毛细管测得的值。对于壁面效应有以下三种解释：(1)滑移模型(2)静电模型(3)表面化学观点。生物物理学九、抗凝剂：血液非常容易凝固，所以采血时必须加入适量、适当的抗凝剂。抗凝剂有两大类，第一类如柠檬酸盐、草酸盐等，它们会引起红细胞收缩。第二类如肝素、乙烯二氨基四醋酸等，对红细胞的大小及形状等均无影响。所以，第一类抗凝剂会增加黏度，而第二类则对黏度不产生任何影响。生物物理学影响血液黏度的诸因素及其相互之间的关系血浆蛋白血浆黏度渗透压、pH值RBC聚集管壁管径红细胞压积RBC表面电荷RBC变形抗凝剂全血黏度温度切变率生物物理学7.2.3血液的触变性和粘弹性触变性的概念：凝胶被摇振后液化，当其静止后又恢复成凝胶，这种现象称为触变性。触变流体的特征：(1)当有机械扰动施加于该系统，能引起等温结构的改变；(2)机械扰动撤除后一定时间，此系统恢复其原有的结构状态；(3)流体的流动曲线具有滞后环。生物物理学血液触变性产生的原因血液由血细胞与血浆组成。在低剪切率或静止状态下，红细胞之间会发生桥联(bridging)，聚集成钱串状(rouleaux)，小的钱串状有2—3个红细胞叠在一起。大的钱串状可由几十个红细脑聚集而成，并且钱串状与钱串状还能相互交联形成三维网络结构，此结构的形成，使红细胞有效体积增大，造成了全血表观粘度的增加，当血液受到较大程度剪切时，钱串状结构将被解聚，剪切率越高，解聚程度越大，所测表观粘度就越低；当剪切停止时，解聚的红细胞又重新聚集成钱串状。此过程可用下式来表示：钱串状红细胞单个红细脑剪切应力剪切停止生物物理学黏弹性的概念：物体同时具有黏性和弹性。黏弹性的特点：(1)当物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力将随时间的增加而下降，这种现象称为应力松弛。(2)若令应力保持一定，物体的应变随时间的增加而增大，这种现象称为蠕变。(3)对物体作周期性的加载和卸载，则加载卸载时的应力——应变曲线不重合，这种现象称为滞后。生物物理学红细胞是血液中最多的一种血细胞。红细胞的主要生理功能是运输氧气和二氧化碳。红细胞生理功能的实现必须依赖正常的红细胞形态和