3、肺液體表面張力的測(cè)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(duì)肺液體的表面張力進(jìn)行定量測(cè)量，并進(jìn)一步對(duì)表面活性物質(zhì)成分及作用開(kāi)展深入地研究。此外，適宜肺液體表面張力的測(cè)量方法還有脈動(dòng)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(cè)量時(shí)測(cè)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(cè)量=W板+lγcosθ（3）式中：F測(cè)量為傳感器測(cè)量的力；W板為Wilhelmy板的自重；l為Wilhelmy板與待測(cè)液體接觸面周長(zhǎng)；γ為表面張力；θ為Wilhelmy板與待測(cè)液體的接觸角（計(jì)算時(shí)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(kāi)創(chuàng)性工作中。該方法所需液體樣本量較大，同時(shí)由于實(shí)際測(cè)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(cè)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(kuò)散到周圍固體）的問(wèn)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(dòng)氣泡法

脈動(dòng)氣泡法測(cè)量裝置如圖3所示。待測(cè)試液置于小體積的樣品室中，樣品室通過(guò)垂直毛細(xì)管與環(huán)境空氣連通。脈動(dòng)器活塞的運(yùn)動(dòng)在腔室中產(chǎn)生負(fù)壓，導(dǎo)致空氣被吸入毛細(xì)管形成氣泡。當(dāng)活塞來(lái)回移動(dòng)時(shí)，氣泡會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)，從而模擬呼吸動(dòng)力學(xué)。通過(guò)脈動(dòng)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(jì)算表面張力。

圖3脈動(dòng)氣泡法

脈動(dòng)氣泡法表面張力計(jì)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(guò)設(shè)定脈動(dòng)率與呼吸率相同，從而模擬呼吸動(dòng)力學(xué)。測(cè)試時(shí)間較短，一般在5min內(nèi)。但它也存在一些缺點(diǎn)，當(dāng)待測(cè)液表面分子最大程度的壓縮在一起時(shí)，氣泡不再保持球形，故基于球形氣泡的假設(shè)來(lái)計(jì)算表面張力會(huì)帶來(lái)較大的誤差。另外，與Langmuir?Wilhelmy天平法一樣，膜表面泄漏的問(wèn)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(jì)。在捕獲氣泡法裝置中（見(jiàn)圖4），待測(cè)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(jìn)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(shí)氣泡和凝膠層之間由于液體樣品薄層的阻隔，故不會(huì)黏附于凝膠層之上。氣泡的體積通過(guò)改變樣品室中的壓力來(lái)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(duì)于初始直徑大于5mm氣泡，當(dāng)表面張力趨于0時(shí)，氣泡呈薄圓盤狀。測(cè)量時(shí)，通過(guò)推動(dòng)活塞改變樣品室的壓力來(lái)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(cè)得氣泡的高度和直徑，利用Malcolm等提出的方法計(jì)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(jìn)樣口的不銹鋼底座；7-壓緊塞

圖4捕獲氣泡法表面張力計(jì)

捕獲氣泡法最大的優(yōu)點(diǎn)在于避免了膜泄漏，同時(shí)由于不需要穿透界面測(cè)量壓力差，該方法能再現(xiàn)原位實(shí)驗(yàn)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(cè)量的誤差。

3.4懸滴法

Jyoti等使用軸對(duì)稱液滴形狀分析法（axisymmetricdropshapeanalysis，ADSA）研究單層壓縮速率對(duì)表面張力?表面積等溫線形狀的影響。懸滴法（見(jiàn)圖5）可認(rèn)為是ADSA的雛形，其通過(guò)Laplace方程應(yīng)用于液滴輪廓來(lái)確定懸垂液滴的表面張力和接觸角，懸滴法實(shí)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(shí)，液滴形狀與表面張力存在一定的關(guān)系。懸滴法測(cè)量表面張力可由下列公式計(jì)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(diǎn)是所需樣本量少，且適用于一些高溫測(cè)定或樣品有反應(yīng)活性等實(shí)驗(yàn)困難的場(chǎng)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(cè)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(cè)量的臨床意義及測(cè)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(jī)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(jī)械通氣時(shí)肺組織的過(guò)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(yuǎn)端氣道樹(shù)，與液體的黏度和表面張力密切相關(guān)。因此，開(kāi)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(cè)定對(duì)于許多肺部疾病的診斷和治療具有重要的參考價(jià)值。錐板黏度計(jì)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(jí)，因此非常適合于肺內(nèi)液黏度的測(cè)量；新近出現(xiàn)的粒子追蹤微流變儀技術(shù)，常用來(lái)研究氣道黏液黏度變化對(duì)納米顆粒藥物傳輸性能的影響。

在肺液體表面張力的測(cè)量方面，Langmuir?Wilhelmy天平法和脈動(dòng)氣泡法在早期肺泡表面張力的測(cè)定方面作出了重要的貢獻(xiàn)，但該方法存在嚴(yán)重的膜泄漏問(wèn)題，故不能很好地再現(xiàn)原位肺表面活性劑膜的特點(diǎn)；后來(lái)發(fā)展的捕獲氣泡法很好地克服了膜泄漏這一問(wèn)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(duì)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(lái)肺液體表面張力的測(cè)量方面有著極為廣闊的應(yīng)用前景