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1、第7卷第4期1058年1 2月中国生物医学工程学报CHINEESO JURN ALOFBIOMEIDCALEN GINEERINGVolDe eNo。4198 8毛细血管内红细胞流态 与受力关系的研究李贵山梁妮张英骏(中国医学科学院血液学研究所付维乔孙元光王强天津大学,精密仪器工程 系)驹玉林本文介绍采用显微高速摄 影技术,记录和研究了金黄地 鼠颊囊的毛细血管内红细胞的流 态、流速、变形性等,并对红细胞在毛细血管内的变形过程 与受剪切应力间关系作了初步计算和定量的分析.根据实验结果作者提出了:毛细血管前括约肌的舒缩作用,是导致典型毛细血管内红细胞产生变形的主要原因.作者还认为红细胞通 过括约
2、肌后,进入毛细血管时其形状即刻发生变化,并 形成新的流态,这是红细胞自身的复原趋势和“回弹”过程的结果。一、前.J一., 口血液微循环是人体血液循环的中心环节和 基本功能单位,是血液与组 织进 行物质 交换的场所。红细胞在血液微循环中担负着供给氧气和带走二氧化碳的任务,这种生理功能是红细胞在毛细血管内流动着及变形条件下完成的1。红细胞在内径8微米以下的毛细血管内,变形大,受力强。人体内约有3x10 1“个红细胞,不停地通过约1护根毛 细血管,进 行着物质交换,维持着生命运动“、”。因此 研究活体动物体内单个红 细胞在毛细血管内的流态、流 速、切变率以及变形性与剪切应力间关系,对于 深入地认识体
3、内红细胞运动规律和力学性质,研究微循环机理以及体外模拟和体外检测红细胞变形性等,都是很有意 义的。1蛇1年我们用彩色 显微电视方法,完成了对青蛙、小白 鼠、金黄地鼠的微血管内血液流速、红细胞流态、红细胞变形等的实验观察和初步研究。19 83年我们采用显微高速摄 影 手段,研究了金黄地鼠颊囊部位的毛细血管内红 细胞的动态特性,初步计算了红细胞在直径37微米的毛细血管内的流速、切变率、变形量。分析了单个红 细胞流动时的受力状态,并对红细胞变形的动态过程,提出了几点新的看法。二、实验系统生物显微高速摄影系统由高速摄影机,生物显微镜,电源触发器、锢灯光源、场镜、时间控制器和实验动物组成(图1)。中国科
4、学院科学基金资助的课题本文198 5年12月16日来稿,10 57年4月2 4日修回中国生物医学工程学报7卷电源触发器洲锢灯曰动物显微镜卜时间控制器场镜卜月高速摄影机圈1生物显微高速摄影系统示意图选用的生物显微镜物镜为23倍,摄影目镜为2 0倍,经场镜和高速摄影机光学系统后,毛细血管及红细胞在3 5毫米摄影胶片上放大约2 70倍。摄影目镜中装有网格式测微器,作为测量的标定尺寸,每格为1 2.5微米。三、实验条件及方法用显微电视在体外观测金黄地鼠的红细胞,箕自然状态下的形状为双凹碟形,测量41 0个 红细胞,最小直径为5.6微米,最大直径为8.7微米,平均值为7.0微米,可见金黄地鼠的红细胞的几
5、何形状和尺寸与人体红细胞的形状和尺寸是相近的4。在2 5时测得血浆平均粘度是1.2厘泊,与人体血浆平均粘度相同3,在不 同的剪切应力作用下,用激光衍射仪测得红细胞的衍射图也与人体的相 近5。因此从实验动物上 测定的有关参数,对于分析人体红细胞的流变性等是具有重要参考价值的。选体重约10 0克的金黄地鼠,腹膛麻醉,保持室温为23士2时进行实验。选取7微米以下的毛细血管,观察血管内红细胞的流态,流速、变形等,并进 行摄影。对动物体的照明采用穿透光,锢灯为35 0瓦,用可控硅电源触 发器启动,摄影时电压约为3 2伏、电流约为1 3安。在照明光路上装有隔热玻璃和滤 光片等,防止强光烧灼颊囊膜。实验时采
6、用过的摄影频率为15 0。,10 0 0,7 5。,5 00幅 /秒,时间频闪为每秒100 0次,实验系统的启动、照明、转换、摄影、停机等都采用自动控制的。经17 8次实验,摄录了内径在37微米毛细血管中红细胞的流态、位移、变形量等动态参数。四、实验结果及分析1.测童 毛细血管的内径把摄影胶片放大约1 0倍,按标定值来测量毛细血管内径Dt,列入表1,表中最小内径值为3.3微米,最大值是6.,微米,因此本实验所选取的毛细血管内径D此自然状态下红细胞平均直径D。还小,即D。Dt,在这样流场特征尺度范围内,红细胞是处于物质交换的血管内,研究红细胞在这样血管内的流动特性,对于 深入地探讨血液微循环的机
7、理是很有价值的。2.红细胞在毛细血管中的流态实验表明在内径为7微米以下的毛细血管内,才容易看到单个红细胞 的流态,红细胞在D。Dt的毛细血管中排成单行,呈轴列式流动;一种是单个的红细胞 沿血管轴向流动,可称为单体流 态(图2),这时的红细胞被血浆分隔开,相 互 间有较大的距离,红细胞前端平滑凸起,后端 向内凹陷成弯月状,红 细 咆象弹丸。另 一种流态是单个红细胞首尾紧紧连接,好象串在一起的长链沿血管轴向流动,可称为连体流态(图3)。在上述两种流 态条件下,红细胞与血管壁间都有血浆层存在。石.红细胞 的流速巾国生物医学工程学报7卷变化粗略地用线性关系代替,那 么就可以按图4速度分布示意图,计算红
8、细胞外表面处切变率:当:=R。则uA=。当:=一粤则uB=u。._.du 脚以丫二-石-,二UfU。一UAR。一hc=2Ue一U人_ZUe6一勺,一he式 中有关的参量D。、h c 可以从摄影胶片上测得,对应于不同内径中红 细胞卯速度Uc已算出,代入上式,算出红细胞外表面处的平均切变 率,列 入 表1,其 范围丫=1 6 1 0 4 2秒一。5.红 细 胞的变形性所谓红细胞的变形性,是指在毛细血管内流动的红细胞,在外力作用下,表面积和体积保持不变条件下,沿血管轴向伸展的尺 度或相对伸展量的。通过实验测得的数据列入表1,从表中看出伸展最大长度为1 0.3微米,相对伸展 量为。.47。红细胞变形量
9、大也就增加了红细胞与血管壁间的相对应 面积,可能有利于 红细胞与组织间的物质交换。实验中观察到红细胞大多数是沿血管轴向变形,但也能看到弯折状,扭曲状及奇特的变形。6.红细胞受力分析单个红细胞在毛细 血管 内流动时,承受的外力有体积力和表面力。在实验 条件下,颊囊展开后水平置于显微镜台面 上,认为红细胞悬浮在血浆中,则红细胞所受 的重力与浮力相平衡,由于红细胞在毛细血管 内是很低的雷诺数流动着,则惯性力与粘性力相比较可略去惯性力,又因计算时所取图样是单个红细胞之间的距离大于血管内径,所以不考虑细胞间的相互作用,这时对单个红细胞变形产生作用的力只有表面力了,即粘性剪切应力和红细胞膜内外的压力8。简
10、化模型 图5。公P l一.J c I下下一一了一p = 之上异= 匕= 七、/ T、岁尹加 1一几十下一一!一I,LC圈5红细胞受力状态示意图 P:作用于红细胞外膜面上的均希百 勺血泵庄万了它写红细胞膜内压力和红细胞膜弹性抗力相平衡6的。哥:作用手红细胞外厦窗革板面积上流动坐占性阻力,即粘性剪切应力。P:、P:作用于红细胞前后端面上血浆压力。Lc:红细胞轴向长度 hc:弹丸状红细胞直径把红 细胞看作充液弹性薄壳体,当去掉外力后能迅速恢复为规则的双凹碟形,它在均质血浆(牛顿液)中流 动,因此在红细胞外膜表面与血浆接触面处满足牛顿粘性公式,可计算出红 细胞在血浆中流动时作用于其外膜面上的剪切应力下
11、:du下=刀刁 丁二”Y把计算出的切变率丫代入上式,求得,值列入表剪切应力范围:=0.212.5达因/4期毛细 血管内红细胞流态 与受力关系的研究27 2厘米,这个应力值范围是对应于直径为7.。微米的红细胞,当它进 入3.36.9微米等内径直毛细血管中,流速为0.0 10.2 5毫米/ 秒时,血浆作用于 红细咆外膜面单位面积 上的摩擦阻力,它与推动红细胞作定常流动时,作用于其前后缘压 差相平衡。因此按斯托克斯公式可计算出作用于单个红细胞 前后 缘 间 的压表1实验数据与计算结果差8二_PL国一理瓦c l lDtheLeUeY丫P微米微米微米毫米/秒秒一爵若爵f则P=丫.4Lche见图5、P二P
12、,一PZ,作用于单个红细胞前后缘的压 差(达因/ 厘米2),计算 结 果列入表l。从表I中可以直接看出,叹或P)与毛细血管 内径大小、红细胞的儿何形状 和 血浆 切变 率之间的关系,这是在某些假定条件下的初步计算结果。实际的生理和病理状态 下,体内毛细血管中红细胞的变形与受力间精确的关系,有待进一步解决。从实验反复观察和录相中发现,在等内径直毛细血管中,红细胞流速产生随机变化 时,而红细胞形状 没有可见的变化。当红细胞从流动到 停止,在U。二o,则,r=o,亦即没有外部2 1 829 8。6225。5 731。52 32 38 88 412 82 331 54浦均抓引找1 7创叮曰:,上UO
13、的On自叮n4421226710 37104216。5 3。54. 3 21 2一4阅了勺,奋1,曰J 丹O叹 UR 目勺心山 勺1止芝r,.J月.门口,占一勺勺-左nl 占O八” 八U内Ull 八O U自 nn. . . ” 八”nOon八 U n l l 八UC八 U. 7 0口U托。 U,上任月dn工bO口. 3. .4 4. 4. 4. 3. :4 妇妇招.4 f.4 7.5 1.5 2. .5 4 6 1.8 50。120。066.94.48.00。131 041。259.1 一一一-日.-.-. 口. 曰. . . . . . . 一剪切应力作用时,其形状没有变化。当红细胞产生“倒
14、流”现象,在UcDt的流场内,迅速形成新的流态继续流动。如果红细胞进入等内径直毛细血管中流动,即使流速产生随机变化,其形状仍保持不变。五、小结本实验研究是对于具有括约肌的典型毛细血管中红细胞的流态、变形与受力关 系的探讨,红细胞与毛细血管内径间是D。Dt的范围,在这样流场特征尺度内,单个红细胞流变特性呈现为:(1)红细胞在毛细血管内呈单行轴列式低雷诺数流动,形状象弹丸。红细胞与血管壁间有血浆层存在,其流速与管径比和红细胞前后缘压 差有关,且很不稳定,具有明显的随机248中国生物医学工程学报了卷(Co ntiauedformpage195)to15石daysa nddiedofpneomo ni
15、aa ndgranuloma.AeeordingtoourexPeri-mnetalstudy,weobservedthat:1)s utu r egr a二ulomabei且9lessma rkedti lepr o sthe sisbeingteleseopedintothetra ehe a,2)pr o sthesisbeingen velop-edbr jstr ongfibro ustis su einabout20days,forminganairwaybr aeketdespiteabs eoe eofeiliatedepithelium,3)doub leove rlappi
16、ngr owsofboriz-ootal也attre sss uturesbeingeffe etiv etopr e v e ntairleakage,4)pr osthesiSbeingine apableofgrowingintotraehe aa时f主nal lyfal lingintotraeheallumen,ands)prosthesisbeingoottoxietoti lehost.,.(Continuedfr omPage222)Unfortunately,in一vivomeas ur eme ntofshearingstr e s s15ve rydiffie ult,a ndo nlylim iteddataeanbeavailable.Amethodofe ompotingwallshe aringstressinrigidtubeb了us
