血液流变学 生物物理

NankaiUniversity血液的组成及理化特性血液由红细胞、白细胞、血小板和血浆组成。红细胞、白细胞和血小板共称有形元素。全血稍呈弱碱性，PH值在7.35-7.40之间，比重约为1.056g/cm3（4oc）。有形元素占血液体积的45%强。血浆占血液总体积的55%弱，它是蛋白质、盐类等的水溶液，PH值在7.3-7.5之间，比重约为1.024g/cm3(4oc)。血浆中水占90%以上(重量百分比)，血浆蛋白约占7％，其它有机物和无机物各占1%。NankaiUniversity血液的流变学特性血液是一种悬浮液，有形成分中大部分为红细胞，此外还有少量的白细胞及血小板等，这些成分共同悬浮在血浆中。血浆是一种复杂的水样溶液，主要是高分子化合物，如白蛋白、球蛋白、纤维蛋白元等，溶解在稀盐溶液中。影响血液流变特性的主要是红细胞的特性，它可看作是高度可变形的，中间充满液体的弹性薄壳体。白细胞的变形性、血小板的聚集性、纤维蛋白原浓度等对血液流变特性也有一定的影响。NankaiUniversity血液的组成及理化特性影响血液流变性质的主要是红细胞，它可以看作高度可变形的充液弹性薄壳体。细胞膜很薄，体积约3-7×103μm。细胞质是血红蛋白的水溶液，浓度约为33%，PH=7.4。整个红细胞的比重约为1.098g/cm3（4oc），故血液可看作红细胞与血浆组成的、比重相近的悬浮液。血液具有运输、缓冲、免疫和防御及调节体温的功能。NankaiUniversity血液的组成及理化特性红细胞通透性：红细胞细胞膜对负离子(Cl-,HCO3-)的通透性大于正离子；脂溶性气体O2,CO2自由；Na+-K+泵是维持内外浓度差的重要结构。红细胞膜的重要组成蛋白：收缩蛋白、肌动蛋白、连接蛋白、血型糖蛋白、带３蛋白等，形成网状骨架。NankaiUniversity血液的组成及理化特性对血浆力学性质影响最大的是各种蛋白质。其中白蛋白分子量最小，约69,000，但含量最高，主要作用是调节血浆容量及PH值。球蛋白种类繁多，分子量在35,000-1,000,000之间，它主要参与各种反应。血纤维蛋白原是长链大分子，分子量达l,300,000，但含量最少，在凝血过程中起重要作用。从血浆中把纤维蛋白原去掉，就是血清。NankaiUniversity白细胞的流变特性主要见于毛细血管网和小静脉。病理条件下的趋边（壁）性粘附功能变形性：能动变形非能动变形NankaiUniversity血液的流变学特性血液是非牛顿流体，血浆是牛顿流体。1．切应力-切变率关系的非线性2．血液具有屈服应力τ03．血液的粘弹性4．血液的触变性当红细胞压积在10%—80%之间时，全血粘度与红细胞压积成正相关关系。Fahraeus-Lindqvist效应血浆粘度主要决定于纤维蛋白元的浓度温度对全血及血浆粘度都有很大影响，全血及血浆粘度与温度呈负相关关系。趋轴性NankaiUniversityNankaiUniversity血液非牛顿粘性的推测一．红细胞聚集是低切变率下血液非牛顿行为的主要原因。在静止状态下，红细胞在血将中聚集形成叠连，并形成网络。这种网络具有一定的强度，只有当切应力高于其强度时，网络被破坏，血液才会流动。此即血液屈服应力的由来。当流动切变率较低时，红细胞叠连依然存在。切应力增大时，叠连逐渐裂解，尺寸变小，因而表观粘度亦减小。当切应力达到一定值(约0.2Nm-2，相当于≈50s-1)时，叠连几乎完全裂解为单个红细胞，→100s-1时应力-应变关系逐渐趋于线性，因此红细胞聚集是低切变率下血液非牛顿行为的主要原因。NankaiUniversity血液非牛顿粘性的推测二．红细胞变形是切变率较高时血液流变性质的决定因素一旦血液流动，红细胞及叠连细胞就在流体动力作用下变形。据观察，应力很小（10-8Nm-2）时，叠连细胞像柔性纤维一样弯曲；当应力达到0.1Nm-2时,红细胞就有明显的变形，其变形能力随切变率的增大而增大，并随流线方向排列，致使血流阻力降低，全血粘度下降。当＞100s-1时，红细胞变形和取向达到极限，不再随切变率变化，因此血液粘度将趋于常数。NankaiUniversity血液非牛顿粘性的推测三．红细胞的相对运动血液流动时，红细胞除了和血浆一起运动外，还有相对于血浆的运动，包括移动、转动和布朗运动。这些移动引起红细胞与血浆之间的相互作用，从而影响血液的宏观力学性质。不仅如此，红细胞运动还和红细胞之间的相互作用有关。这一方面表现在每个红细胞的运动都受到其余红细胞流场的影响。而它自身诱导的流场又影响其他红细胞的运动。另一方面也表现在红细胞碰撞时的能量和动量交换取决于碰撞细胞的动量、动量矩和能量，亦和细胞运动的轨迹、相对方位等有关。NankaiUniversity血液非牛顿粘性的推测四．有形元素间的相互作用（1）每个有形元素的诱导流场间的干扰，这是一种远距离作用。（2）有形元素相互碰撞引起的动量、能量交换以及迁移扩散。据估计=20s-1时，碰撞引起的血小板的迁移扩散，比布朗运动所引起的扩散率高两个数量级，这使血小板与管壁碰撞的概率大大增加。（3）范德瓦耳斯引力、表面静电作用及长链大分子的连接作用，这些只有当有形元素间距极小时，才起作用，且与血浆的物理、化学性质有密切关系。NankaiUniversity血液非牛顿粘性的推测五．血浆因素1.血浆蛋白质影响红细胞的聚集能力这有两种作用。一是起搭桥作用，加强聚集能力。这主要是血纤维蛋白原所致，球蛋白次之。二是改变红细胞表面的电特性，血纤维蛋白原、球蛋白等接近于电的中性，它们包围红细胞，削弱红细胞表面之间的静电斥力，促进聚集；而白蛋白带负电，加强排斥作用，削弱聚集。2.血浆渗透压影响红细胞的力学性质红细胞膜两侧的渗透压差，在一定程度上决定了它的形状和尺寸，并影响膜的弹性，从而改变红细胞的变形能力，其作用相当复杂。3.血浆PH值影响按Dintenfass测量，血浆PH值在6.35—7.35范围内,当PH值升高时，其表观粘度降低。NankaiUniversity血液非牛顿粘性的推测NankaiUniversityNankaiUniversity红细胞的流变性质--红细胞的变形性静止时。红细胞为直径8μm的双凹面圆盘形，但受外力时很容易变形。外力除去后又易于恢复原状。在显檄镜下观察毛细血管床，可以发现呈伞状、弹丸状等各种形状的红细胞。NankaiUniversity红细胞的流变性质--红细胞的变形性红细胞的变形性在血液循环中，特别是在微循环中起着重要作用。由于红细胞的这种显著的变形性，使它能够通过比它本身直径还小的毛细血管。脾脏的毛细血管最窄，它的平均直径仅有3μm左右。红细胞的变形性对因动脉硬化血栓形成的非常狭窄的血管中的循坏，也都起着重要的作用。如果红细胞的变形能力降低，则吸引粘度增加，因而血流量亦减少。结果会导致切变率减小，因血液的非牛顿粘性又使血液粘度增加，血流量减少，从而引起恶性循环。NankaiUniversity红细胞的流变性质--红细胞的变形性Fisher等人(1978)发现了红细胞膜的坦克履带式运动。例如，悬浮于高粘度的葡萄糖溶液中的红细胞，在切应力影响下变形成椭球体。随着切应力的增加，其延伸率接近最大值，同时，红细胞作坦克履带式运动，其转动频率随切变率而直线地增加。由于红细胞膜的这种坦克履带式转动，能将所受切应力向细胞内传递，引起红细胞内容物的运动，这样可使O2或CO2分子与血红蛋白更好地混合，促使气体分子与血红蛋白结合，使红细胞能更有效地发挥其输运气体的功能。NankaiUniversity红细胞的流变性质--红细胞的变形性红细胞的表面积与体积的比值是决定红细跑变形性的重要因素。红细胞膜的面积对于体积来说相对过剩，使红细胞能变成各种形态，而不必增加表面积。在表面积和体积不变的情况下，正常红细胞可拉伸至原长的230%。如果要使红细胞膜表面积增加2-3%，就可使红细胞膜破坏。NankaiUniversity红细胞的流变性质--红细胞的变形性红细胞变形性还决定于红细胞膜的粘弹性质，而粘弹特性又与细细膜的成分及其在膜中的结构和排列有关。Blank和Evans等人提出了红细胞膜的物质结构模型。他们认为红细胞膜外层由脂双层形成阻止膜表面积变化的紧密内聚性结构，由于这种结构的液体特性而易于产生变形。膜表面下的骨架蛋白结构使脂双层具有稳定的力学结构，膜表面下的血影蛋白网状结构又使红细胞具有抗高剪切的能力，确保红细胞维持原形或变形后再恢复弹性，而且还要考虑膜内的粘性损耗过程，因为这一过程限制了红细胞变形后的恢复率。NankaiUniversity红细胞的流变性质--红细胞的变形性红细胞细胞质的粘度称为红细胞的内粘度，它是决定红细胞变形性的有一重要因素。内粘度又决定于细胞内血红蛋白的浓度和理化特性。影响红细胞变形性的外部因素，有血液的切变率、毛细血管直径、血细胞的浓度血浆蛋白的成分与含量、血浆的渗透压、温度、PH值、电解质的成分与含量、氧分压和二氧化碳分压、ATP水平以及氧化剂的作用等。不再详述。NankaiUniversity红细胞的聚集性在血液静止或切变率很低时，红细胞会聚集成网络状空间结构，导致血液具有屈服应力。红细胞具有能形成聚集体的性质称为红细胞的聚集性。红细胞的聚集性是血液非牛顿流变性的主要原因。红细胞聚集体的形成和解聚主要取决于血浆蛋白、剪应力和红细胞表面电荷三个因素。NankaiUniversity血小板的流变性血小板是组成血液的最小细胞，它具有聚集、黏附、释放、收缩和吸附等功能。这些功能在止血、凝血和血栓形成过程中起着重要作用，也是血小板主要的流变特性。NankaiUniversity血小板的流变性1．血小板聚集性血小板与血小板之间发生相互粘着、聚集成团的现象称为血小板聚集。血小板的这种特性称为聚集性。聚集性是血小板重要的流变特性。引起血小板的聚集有两大因素：一是剪切作用可诱导血小板聚集；二是许多物质可诱导血小板聚集，如二磷酸腺苷，在高剪切力作用下，红细胞会发生破裂，会释放出二磷酸腺苷，促进血小板黏附和聚集。NankaiUniversity血小板的流变性2．血小板黏附性血小板黏附于异物、血管内皮损伤处或粗糙表面的现象，称为血小板黏附。血小板的这种特性称血小板的黏附性。当血管损伤后，流经此处的血小板被血管内皮下组织激活，黏附于暴露出来的胶原纤维上，形成一个附壁栓子，起到止血作用。NankaiUniversity血小板的流变性3．血小板收缩功能血小板所含微丝和微管的主要化学成分是收缩蛋白，这些蛋白具有收缩性，可使血小板聚集体收缩，凝血块回缩变固，成为坚实的止血栓，堵住血管创口。4．血小板释放反应血小板受刺激后，将其颗粒内容物释放到细胞外的现象。这一过程有助于止血。NankaiUniversityNankaiUniversity血液流变学在临床医学中的应用血液粘度是血液流变学研究的重要环节之一。它是许多相关指标的综合表现。血液粘度不仅与血液的组分、组分的性质、组分之间的相互作用有关，还与血液的流动状态、血液的温度等多种因素有关。作为检测人体血液粘度的医学检测项目，在疾病的诊断治疗和预防等领域发挥了一定的作用。NankaiUniversity血液流变学在临床医学中的应用1．切变率全血粘度随切变率不同而变化，在高切时全血粘度降低，低切时则增高。这是由于高切时血液中红细胞聚集体被解开并发生取向和变形，而低切时红细胞易于聚集所致。国际血液学标准化委员会建议测定全血粘度理想切变率范围在1—200/s。临床应用时可根据仪器的设置选择三个切变率，高切变率（简称高切）在200/s左右，中切可选在40—50/s之间，低切可选在10/s以下。NankaiUniversity血液流变学在临床医学中的应用2．红细胞压积红细胞压积是影响全血粘度的重要因素，全血粘度随HCT的增加而迅速增高，反之则降低。正常情况下白细胞和血小板对全血粘度无明显影响，但当其数量异常增多时，全血粘度会有所增高。3．红细胞聚集性红细胞聚集性大小受血浆