3、肺液体表面张力的测量方法

早在1929年，Neergaard等观察到充满液体或空气的肺表现出不同的回缩力，并首次将这种差异归因于表面张力。JohnClements最早引入Langmuir⁃Wilhelmy天平对肺液体的表面张力进行定量测量，并进一步对表面活性物质成分及作用开展深入地研究。此外，适宜肺液体表面张力的测量方法还有脉动气泡法、捕获气泡法和悬滴法等。

3.1Langmuir⁃Wilhelmy天平法

Langmuir⁃Wilhelmy天平法装置主要由Langmuir槽和Wilhelmy板组成。如图2所示，测量时测试液置于Langmuir槽中，并将小部分Wilhelmy板浸入液体中得出表面张力：F测量=W板+lγcosθ（3）式中：F测量为传感器测量的力；W板为Wilhelmy板的自重；l为Wilhelmy板与待测液体接触面周长；γ为表面张力；θ为Wilhelmy板与待测液体的接触角（计算时一般取θ=0）。Langmuir⁃Wilhelmy天平法最初由Clements用于肺表面活性物质研究的开创性工作中。该方法所需液体样本量较大，同时由于实际测量中蛋白质附着在Wilhelmy板上，可导致接触角发生变化，产生测量误差。

另外，槽形系统导致膜泄漏（表面活性分子从水/空气界面扩散到周围固体）的问题也不容忽视，Goerke等研究证明，14%膜泄漏在Langmuir槽壁上。

图2Langmuir⁃Wilhelmy天平法装置示意图

3.2脉动气泡法

脉动气泡法测量装置如图3所示。待测试液置于小体积的样品室中，样品室通过垂直毛细管与环境空气连通。脉动器活塞的运动在腔室中产生负压，导致空气被吸入毛细管形成气泡。当活塞来回移动时，气泡会产生脉动，从而模拟呼吸动力学。通过脉动器的预设程序改变气泡半径R，并且由压力传感器记录气泡周围的压力，根据拉普拉斯定律Δp=2γ/R计算表面张力。

图3脉动气泡法

脉动气泡法表面张力计已被广泛用于天然表面活性剂或肺表面活性剂相关的化合物的研究。其可以通过设定脉动率与呼吸率相同，从而模拟呼吸动力学。测试时间较短，一般在5min内。但它也存在一些缺点，当待测液表面分子最大程度的压缩在一起时，气泡不再保持球形，故基于球形气泡的假设来计算表面张力会带来较大的误差。另外，与Langmuir⁃Wilhelmy天平法一样，膜表面泄漏的问题仍然存在。

3.3捕获气泡法

为了避免膜泄漏的出现，Schürch等引入了一种防泄漏的捕获气泡法表面张力计。在捕获气泡法装置中（见图4），待测液体充满样品室，样品室顶部镀有一亲水性琼脂糖凝胶，从底部进样口引入的气泡在浮力作用下上升并紧靠琼脂糖凝胶层，同时气泡和凝胶层之间由于液体样品薄层的阻隔，故不会黏附于凝胶层之上。气泡的体积通过改变样品室中的压力来控制。随着气泡体积减小，表面积减小，气泡表面张力下降。气泡形状随表面张力的变化而变化，从球形到椭圆形。对于初始直径大于5mm气泡，当表面张力趋于0时，气泡呈薄圆盘状。测量时，通过推动活塞改变样品室的压力来控制气泡体积，并用视频记录气泡体积变化。最后从视频图像中测得气泡的高度和直径，利用Malcolm等提出的方法计算气液界面的表面张力、气泡体积和表面积。

1-活塞；2-1%琼脂糖凝胶；3-液体在气液界面上的气泡；4-搅拌器；5-样品室；6-带进样口的不锈钢底座；7-压紧塞

图4捕获气泡法表面张力计

捕获气泡法最大的优点在于避免了膜泄漏，同时由于不需要穿透界面测量压力差，该方法能再现原位实验中膜的各种特性，适宜于研究肺表面活性剂各成分的作用。但捕获气泡法的精度取决于气泡高度和直径测量的误差。

3.4悬滴法

Jyoti等使用轴对称液滴形状分析法（axisymmetricdropshapeanalysis，ADSA）研究单层压缩速率对表面张力⁃表面积等温线形状的影响。悬滴法（见图5）可认为是ADSA的雏形，其通过Laplace方程应用于液滴轮廓来确定悬垂液滴的表面张力和接触角，悬滴法实质上是滴外形法的一种。滴外形法的基本原理是：当液滴在管口形成时，液滴形状与表面张力存在一定的关系。悬滴法测量表面张力可由下列公式计算：γ=ΔρgD2E/H（4）式中：Δρ为两相密度差；g为重力加速度；DE为悬滴最大直径；H为形状修正系数（可由DE和DS的值查表得出）。

图5悬滴法

悬滴法主要优点是所需样本量少，且适用于一些高温测定或样品有反应活性等实验困难的场合。随着光学技术和数字化图像处理技术的发展，悬滴法在肺液体表面张力测量方面有着广阔的应用前景。

4、结论

本文主要讨论肺内液黏度和表面张力测量的临床意义及测量方法。包括哮喘、慢性阻塞性肺病、慢性支气管炎、急性ARDS和肺炎等在内的诸多肺疾病，常伴有肺内液流变学特性的显著改变，从而影响肺正常的生理功能。例如，ARDS患者肺泡内水肿液的存在破坏了肺表面活性物质正常的生理机能，从而导致肺泡表面张力增加，使得小气道和肺泡坍陷，出现肺通气的不均一性，肺内液黏度和表面张力增加，有可能导致机械通气时肺组织的过度拉伸损伤和剪切损伤。在ARDS表面活性剂替代治疗中，外源性表面活性物质能否均匀地输送到远端气道树，与液体的黏度和表面张力密切相关。因此，开展肺内液流变学特性的临床研究，特别是肺液体黏度和表面张力的测定对于许多肺部疾病的诊断和治疗具有重要的参考价值。锥板黏度计和磁性微流变仪所需样品体积在几微升到几毫升的数量级，因此非常适合于肺内液黏度的测量；新近出现的粒子追踪微流变仪技术，常用来研究气道黏液黏度变化对纳米颗粒药物传输性能的影响。

在肺液体表面张力的测量方面，Langmuir⁃Wilhelmy天平法和脉动气泡法在早期肺泡表面张力的测定方面作出了重要的贡献，但该方法存在严重的膜泄漏问题，故不能很好地再现原位肺表面活性剂膜的特点；后来发展的捕获气泡法很好地克服了膜泄漏这一问题，可用于肺泡内表面活性剂各成分作用的研究。悬滴法所需样品量小，结合新近出现的轴对称液滴边缘形状分析（axisymmetricdropshapeanalysis⁃profile，ADSA⁃P）算法和快速发展的数据采集及图像处理技术，在未来肺液体表面张力的测量方面有着极为广阔的应用前景