表面張力，是物理化學(xué)的重要研究內(nèi)容。一個(gè)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(huì)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(shí)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(dòng)時(shí)會(huì)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(shí)可能會(huì)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(dòng)時(shí)，流體中的氣泡呈橢球狀，兩邊對(duì)稱。但當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)會(huì)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，曲率半徑變小；而后方被“推壓”而變凸，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(dòng)受阻。當(dāng)氣泡較多時(shí)阻力隨著增大，就造成了氣栓。

由于氣栓會(huì)造成流體停止流動(dòng)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(shí)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(dòng)。但是出倉時(shí)必須要有足夠的緩沖時(shí)間，否則氣泡會(huì)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(shí)間就是這個(gè)道理。如果迅速浮出水面，溶解在血液中的氣體(動(dòng)脈中有溶解氧，靜脈中有溶解的二氧化碳)就會(huì)因壓強(qiáng)突然減小而體積膨脹，形成氣栓造成危險(xiǎn)。

浸潤與不浸潤現(xiàn)象

當(dāng)液體與固體接觸時(shí)，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(shí)液體就會(huì)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(shí)液面就會(huì)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(duì)于水與固體接觸時(shí)，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(shí)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(shí)浸潤現(xiàn)象是不利的，比如外科手術(shù)縫合線，普通棉線會(huì)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(huì)“吸水”，因而不會(huì)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(shí)浸潤液體會(huì)沿管壁上升，而不浸潤液體會(huì)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(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)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(gè)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(gè)肺泡連通時(shí)，會(huì)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(huì)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(shí)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(shí)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(huì)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《靖腥荆闻荼砻婊钚晕镔|(zhì)代謝不正常而數(shù)量減少，從而造成呼吸困難。對(duì)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(duì)于我們?cè)谏钌a(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。