3、肺液體表面張力的測量方法

早在1929年，Neergaard等觀察到充滿液體或空氣的肺表現(xiàn)出不同的回縮力，并首次將這種差異歸因于表面張力。JohnClements最早引入Langmuir?Wilhelmy天平對肺液體的表面張力進行定量測量，并進一步對表面活性物質(zhì)成分及作用開展深入地研究。此外，適宜肺液體表面張力的測量方法還有脈動氣泡法、捕獲氣泡法和懸滴法等。

3.1Langmuir?Wilhelmy天平法

Langmuir?Wilhelmy天平法裝置主要由Langmuir槽和Wilhelmy板組成。如圖2所示，測量時測試液置于Langmuir槽中，并將小部分Wilhelmy板浸入液體中得出表面張力：F測量=W板+lγcosθ（3）式中：F測量為傳感器測量的力；W板為Wilhelmy板的自重；l為Wilhelmy板與待測液體接觸面周長；γ為表面張力；θ為Wilhelmy板與待測液體的接觸角（計算時一般取θ=0）。Langmuir?Wilhelmy天平法最初由Clements用于肺表面活性物質(zhì)研究的開創(chuàng)性工作中。該方法所需液體樣本量較大，同時由于實際測量中蛋白質(zhì)附著在Wilhelmy板上，可導(dǎo)致接觸角發(fā)生變化，產(chǎn)生測量誤差。

另外，槽形系統(tǒng)導(dǎo)致膜泄漏（表面活性分子從水/空氣界面擴散到周圍固體）的問題也不容忽視，Goerke等研究證明，14%膜泄漏在Langmuir槽壁上。

圖2Langmuir?Wilhelmy天平法裝置示意圖

3.2脈動氣泡法

脈動氣泡法測量裝置如圖3所示。待測試液置于小體積的樣品室中，樣品室通過垂直毛細管與環(huán)境空氣連通。脈動器活塞的運動在腔室中產(chǎn)生負壓，導(dǎo)致空氣被吸入毛細管形成氣泡。當(dāng)活塞來回移動時，氣泡會產(chǎn)生脈動，從而模擬呼吸動力學(xué)。通過脈動器的預(yù)設(shè)程序改變氣泡半徑R，并且由壓力傳感器記錄氣泡周圍的壓力，根據(jù)拉普拉斯定律Δp=2γ/R計算表面張力。

圖3脈動氣泡法

脈動氣泡法表面張力計已被廣泛用于天然表面活性劑或肺表面活性劑相關(guān)的化合物的研究。其可以通過設(shè)定脈動率與呼吸率相同，從而模擬呼吸動力學(xué)。測試時間較短，一般在5min內(nèi)。但它也存在一些缺點，當(dāng)待測液表面分子最大程度的壓縮在一起時，氣泡不再保持球形，故基于球形氣泡的假設(shè)來計算表面張力會帶來較大的誤差。另外，與Langmuir?Wilhelmy天平法一樣，膜表面泄漏的問題仍然存在。

3.3捕獲氣泡法

為了避免膜泄漏的出現(xiàn)，Schürch等引入了一種防泄漏的捕獲氣泡法表面張力計。在捕獲氣泡法裝置中（見圖4），待測液體充滿樣品室，樣品室頂部鍍有一親水性瓊脂糖凝膠，從底部進樣口引入的氣泡在浮力作用下上升并緊靠瓊脂糖凝膠層，同時氣泡和凝膠層之間由于液體樣品薄層的阻隔，故不會黏附于凝膠層之上。氣泡的體積通過改變樣品室中的壓力來控制。隨著氣泡體積減小，表面積減小，氣泡表面張力下降。氣泡形狀隨表面張力的變化而變化，從球形到橢圓形。對于初始直徑大于5mm氣泡，當(dāng)表面張力趨于0時，氣泡呈薄圓盤狀。測量時，通過推動活塞改變樣品室的壓力來控制氣泡體積，并用視頻記錄氣泡體積變化。最后從視頻圖像中測得氣泡的高度和直徑，利用Malcolm等提出的方法計算氣液界面的表面張力、氣泡體積和表面積。

1-活塞；2-1%瓊脂糖凝膠；3-液體在氣液界面上的氣泡；4-攪拌器；5-樣品室；6-帶進樣口的不銹鋼底座；7-壓緊塞

圖4捕獲氣泡法表面張力計

捕獲氣泡法最大的優(yōu)點在于避免了膜泄漏，同時由于不需要穿透界面測量壓力差，該方法能再現(xiàn)原位實驗中膜的各種特性，適宜于研究肺表面活性劑各成分的作用。但捕獲氣泡法的精度取決于氣泡高度和直徑測量的誤差。

3.4懸滴法

Jyoti等使用軸對稱液滴形狀分析法（axisymmetricdropshapeanalysis，ADSA）研究單層壓縮速率對表面張力?表面積等溫線形狀的影響。懸滴法（見圖5）可認為是ADSA的雛形，其通過Laplace方程應(yīng)用于液滴輪廓來確定懸垂液滴的表面張力和接觸角，懸滴法實質(zhì)上是滴外形法的一種。滴外形法的基本原理是：當(dāng)液滴在管口形成時，液滴形狀與表面張力存在一定的關(guān)系。懸滴法測量表面張力可由下列公式計算：γ=ΔρgD2E/H（4）式中：Δρ為兩相密度差；g為重力加速度；DE為懸滴最大直徑；H為形狀修正系數(shù)（可由DE和DS的值查表得出）。

圖5懸滴法

懸滴法主要優(yōu)點是所需樣本量少，且適用于一些高溫測定或樣品有反應(yīng)活性等實驗困難的場合。隨著光學(xué)技術(shù)和數(shù)字化圖像處理技術(shù)的發(fā)展，懸滴法在肺液體表面張力測量方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

4、結(jié)論

本文主要討論肺內(nèi)液黏度和表面張力測量的臨床意義及測量方法。包括哮喘、慢性阻塞性肺病、慢性支氣管炎、急性ARDS和肺炎等在內(nèi)的諸多肺疾病，常伴有肺內(nèi)液流變學(xué)特性的顯著改變，從而影響肺正常的生理功能。例如，ARDS患者肺泡內(nèi)水腫液的存在破壞了肺表面活性物質(zhì)正常的生理機能，從而導(dǎo)致肺泡表面張力增加，使得小氣道和肺泡坍陷，出現(xiàn)肺通氣的不均一性，肺內(nèi)液黏度和表面張力增加，有可能導(dǎo)致機械通氣時肺組織的過度拉伸損傷和剪切損傷。在ARDS表面活性劑替代治療中，外源性表面活性物質(zhì)能否均勻地輸送到遠端氣道樹，與液體的黏度和表面張力密切相關(guān)。因此，開展肺內(nèi)液流變學(xué)特性的臨床研究，特別是肺液體黏度和表面張力的測定對于許多肺部疾病的診斷和治療具有重要的參考價值。錐板黏度計和磁性微流變儀所需樣品體積在幾微升到幾毫升的數(shù)量級，因此非常適合于肺內(nèi)液黏度的測量；新近出現(xiàn)的粒子追蹤微流變儀技術(shù)，常用來研究氣道黏液黏度變化對納米顆粒藥物傳輸性能的影響。

在肺液體表面張力的測量方面，Langmuir?Wilhelmy天平法和脈動氣泡法在早期肺泡表面張力的測定方面作出了重要的貢獻，但該方法存在嚴重的膜泄漏問題，故不能很好地再現(xiàn)原位肺表面活性劑膜的特點；后來發(fā)展的捕獲氣泡法很好地克服了膜泄漏這一問題，可用于肺泡內(nèi)表面活性劑各成分作用的研究。懸滴法所需樣品量小，結(jié)合新近出現(xiàn)的軸對稱液滴邊緣形狀分析（axisymmetricdropshapeanalysis?profile，ADSA?P）算法和快速發(fā)展的數(shù)據(jù)采集及圖像處理技術(shù)，在未來肺液體表面張力的測量方面有著極為廣闊的應(yīng)用前景