正常的人體體液要占總體重的60%-70%.由于機體的新陳代謝，體液很多時候要與氣體接觸，如血液中溶解的O2和CO2，肺泡中的空氣等.液體與氣體接觸時會在表面產生表面張力，了解表面張力的成因，對于其相關的生物醫學應用具有重要意義。而這些都需要用到表面張力儀，今天就先來講講表面張力在血液、肺泡研究分析中的具體表現。

1表面張力

1.1表面張力定義

在生活中，我們看到露珠、水滴等都呈球形，就是因為液體表面具有收縮的趨勢.使液體表面收縮的力稱為表面張力.研究表明，表面張力的方向總是與周界垂直，大小與周界長度成正比：

F=αL(1)

式(1)中L為周界長度，單位：m；α為表面張力系數，單位：N/m.

1.2表面張力成因

如圖1所示，表面張力的產生是由于液體分子力造成的.在液體內部，分子間距較小，分子力中引力和斥力平衡；但在液體表面由于揮發，分子間距增大，分子引力大于分子斥力，總體表現為引力，從而使得液面向內收縮。

1.3表面張力造成的彎液面附加壓強

當液面彎曲時，會由于表面張力的存在而使得液面具有向內收縮的趨勢，從而使液面內外壓強不相等，表面張力會產生一個指向彎液面內側的附加壓強，如圖2所示。

圖1表面張力成因

圖2附加壓強的產生

下面來推導附加壓強的大小.對于球形液面，設求半徑R，取球面邊線上一個微元dl，圓心角φ，邊線圓半徑r，如圖3所示.

圖3附加壓強推導

將微元dl所受表面張力分解為dfx和dfy，由于所有微元受力的水平方向dfx相抵消，而dfy方向相同.由幾何關系：

所以表面張力：

由此得附加壓強：

由式(2)可見，附加壓強與液面的彎曲半徑成反比.

2表面張力的生物醫學應用

2.1氣栓

液體流動時會受到液體中氣泡的阻礙作用.若流管較細且液體中氣泡較多時可能會因為氣體阻礙作用嚴重而造成流管堵塞，這種現象稱氣體栓塞，簡稱氣栓。

如圖4所示，當流管中流體不流動時，流體中的氣泡呈橢球狀，兩邊對稱.但當流體流動時會造成氣泡的變形，沿流體前進方向，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PS前要比后端的附加壓強PS后大，從而造成流體流動受阻.當氣泡較多時阻力隨著增大，就造成了氣栓。

由于氣栓會造成流體停止流動因而危害性極大.在臨床中空氣造影、內科手術以及分娩等都容易形成氣栓.一旦產生氣栓就要及時治療，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而變小，從而阻力減小，流體重新流動.但是出倉時必須要有足夠的緩沖時間，否則氣泡會因壓強減小而突然變大，再次形成氣栓.潛水員不能從深水迅速浮出水面，必須有緩沖時間就是這個道理.如果迅速浮出水面，溶解在血液中的氣體(動脈中有溶解氧，靜脈中有溶解的二氧化碳)就會因壓強突然減小而體積膨脹，形成氣栓造成危險。

2.2浸潤與不浸潤現象

當液體與固體接觸時，附著在固體表面的液體除了受到向內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收縮的力為表面張力和內部液體分子引力形成內聚力的合力，所受到被固體吸附沿著固體表面延伸的力稱為附著力，當附著力大于表面張力和內聚力合力時液體就會沿著固體表面延伸，這種現象稱為浸潤現象.相反地當附著力小于表面張力和內聚力合力時液面就會向內收縮，這種現象稱為不浸潤現象.浸潤與不浸潤現象示意圖如圖5所示。

圖4氣栓的形成

圖5浸潤與不浸潤現象

對于水與固體接觸時，浸潤現象也稱為親水性，就是通常所說的“吸水”；而不浸潤現象也稱為疏水性，就是“不吸水”.臨床中有時需要用到浸潤現象，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.但有時浸潤現象是不利的，比如外科手術縫合線，普通棉線會因浸潤現象而與人體組織黏結不好拆線，增加病人痛苦.因此一般采用表面蠟處理的手術線，蠟是疏水性材料，不會“吸水”，因而不會與人體組織黏結，易于拆線，可減輕病人痛苦.

2.3毛細現象

內徑較小的管子一般稱為“毛細管”.當毛細管豎直放置時浸潤液體會沿管壁上升，而不浸潤液體會沿管壁下降.這種浸潤液體在管內液面上升或不浸潤液體在管內液面下降的現象稱為毛細現象。

毛細現象是由于液面表面張力造成的.對于浸潤液體，由于附著力大于內聚力和表面張力合力，使得液面被向上提升形成凹液面；對于不浸潤液體，由于附著力小于內聚力和表面張力合力，使得液面被向下擠壓形成凸液面。

液面在毛細管中上升或下降的高度與毛細管半徑、液體密度及表面張力系數有關.以浸潤液體為例，當穩定時，附著力與內聚力平衡，被提升液柱重力與表面張力二力平衡.為簡單起見，設液面為半球狀，則：

表面張力：

F=2πrα

液柱重力：

G=ρgπr2h

當穩定時二力平衡，F=G:(3)

可見，毛細管內液面上升高度與毛細管半徑成反比.植物成長需要保證水分的吸收，所以生長較高的植物毛細管較細，一般都比較密實.另外，毛細管越細毛細現象越明顯，也越能吸水.醫學上可以用毛細管直接吸取病人血液等少量試樣.醫學上常用的脫脂棉，是用原棉經脫脂處理加工制成的，其纖維柔軟細長，毛細管較細，具有很好的吸水性.

2.4肺泡的表面張力

肺是由大約3～5億個大小不等的肺泡構成的，泡泡相連。附件壓強和液面半徑成反比.如果表面張力系數保持不變，則肺泡越大附加壓強越小，當各個肺泡連通時，會使小的肺泡因壓強大而變得更小，反而大的肺泡因壓強小而變得更大，這樣肺泡就會萎縮無法連續工作。

事實上，肺泡的表面有一層活性物質在不停地起作用，它可以有效降低表面張力系數.當肺泡較大時表面活性物質密度較小，因而表面張力系數較大；反之，當肺泡較小時表面活性物質密度較大，表面張力系數就較小，正是這種表面活性物質隨呼吸而周期性地調節作用保證了肺泡的正常工作。

肺泡表面活性物質，是由肺泡Ⅱ型細胞分泌的一種由多種脂質和蛋白質組成的膜基系統.一旦肺泡表面活性物質代謝發生障礙，就會使肺泡表面活性物質含量減少，不能有效調節表面張力，造成大量肺泡萎縮、塌陷.比如嚴重急性呼吸綜合癥(SARS)、中東呼吸系統綜合癥(MERS)以及新冠肺炎(COVID-19)等疾病，都因為受病毒感染，肺泡表面活性物質代謝不正常而數量減少，從而造成呼吸困難。對于重癥患者，必須借助于呼吸機完成呼吸，才能開展治療。

3結語

以上就液體的表面張力及其相關的生物醫學應用進行了研究和介紹，了解液體表面張力成因及相關的液體表面現象，對于我們在生活生產中預防和應急處理氣栓等相關疾病，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的性質，以及在農業生產、病理研究等方面都有重要的指導意義。