血液在低压差下作管形定常层流流动其表观粘度与红细胞可逆性聚集的关系
http://www.100md.com
梁国光.
血液流变学.低切粘度.流态.红细胞聚集.血瘀症.
参见附件(180kb)。
作者：梁国光
单位：梁国光(西安交通大学第一医院中西医结合研究所，西安 710061)
关键词：血液流变学；低切粘度；流态；红细胞聚集；血瘀症
西安医科大学学报000323摘 要：目的 探讨血瘀症的流变学机理。方法 自制流变仪，在压差、管径、流态等方面接近人体静脉血流的仿生条件下，观察红细胞可逆性聚集与低压差粘度的关系。并与旋转式粘度计测量的结果相比较。结果 在管形定常层流流动中，当τW<7.67×10-5N/cm2时，无论是红细胞本身硬化，还是血浆中缺乏使红细胞发生生理性聚集的有效成分，只要红细胞丧失了正常的聚集功能，低压差粘度均明显高于正常。此与旋转式粘度计测量的低切粘度相反。说明低压差粘度与低切粘度之间无正相关性。结论 流态不同(片形、管形)，血液的流变特性不同。在管形定常层流流动中，红细胞丧失了正常的聚集功能是低压差粘度增高的主要原因。它使静脉血回流阻力增大，微循环流出不畅，进而造成血液淤滞。
中图分类号：Q66 文献标识码：B
文章编号：0258-0659(2000)02-0259-05
The study of the relationship between apparent vislosity
and the aggregation of erythrocytes when the blood
performs a tubular steady laminal flow with
small pressure difference
Liang Guoguang
(Institute of Traditional Chinese Medicine Combining with Western Medicine, First Hospital, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710061，China)
ABSTRACT：Objective To probe into the aggregation of blood extravastation. Methods Used self-invented capillary viscometer,the study observed the relationship between the reversible aggregation of erythrocytes and lows shear rate viscosity under the condition that the diameter of the capillary tubes.Fluid states and ΔΡ were close to those of human vein.Then analysized the results which was obtained through the rotational viscometer.Results When τW<7.67 dyn/cm2 ,no matter what the reason was,erythrocytes hardening or lack of constituents that were essential to the aggregation of erythrocytes, as long as erythrocytes lost the aggregation ability,the low shear rate viscosity was obviously higher than that of the normal in the tubular steady laminar flow, which was contrary to the results obtained with the rotational viscometer.The outcome revealed the absence of positive correlation between the viscosity of low shear rates and low ΔP.Conclusion Different fluid states (laminar or tubular)determine different rheological characteristics of blood.The rise of low ΔP viscosity in tubular steady laminar flow is mainly due to the erythrocytes that lacks normal aggegation ability, which increases the flow-back resistance in vein, and deters the out-flow of blood from microcirculation system, therefore, leads to the blood extravastation.
KEY WORDS：hemorheology;low shear rate;fluid states;aggregation of erythrocytes
静脉、小静脉在整个循环系统中是切变率最低[1]，血液粘滞阻力最大，血瘀最好发的部位。因此血液低切粘度应是诊治血瘀症最有参考价值的流变学指标之一。目前国内外普遍认为红细胞聚集是低切粘度增高的主要原因，因而抗红细胞聚集成为治疗血瘀症的重要治则。上述观点是以旋转式粘度计测量的结果为依据[2]。而旋转式粘度计中的流态与生理流态不同，其测量结果能否反映体内情况，作为诊治血瘀症的参考依据?有关研究未见报道。为此作者用自制毛细管粘度计，在压差、管径、流态等方面接近人体静脉血流的仿生条件下，观察了低压差下血液表观粘度与红细胞可逆性聚集的关系，旨在探讨血瘀症的流变学机理。
1 材料与方法
1.1 仪器 自制毛细管粘度计具有恒压、变速功能。它克服了普通毛细管粘度计存在的F-L效应，表面张力、残液挂壁、管径效应及进出口附加阻力等非定常流动因素的干扰。压差能在0≤ΔP≤0.93kPa范围内自主调节，测试管内径可在1～4mm范围内根据需要选择。用样量为0.2ml～1ml。
1.2 材料 正常成人空腹静脉血5ml，肝素抗凝，25℃恒温。样品基本按文献[2]中的方法配制。①正常血样：用自身血浆调配成H=45%的血样0.5ml。②分离血浆0.5ml。③用生理盐水清洗红细胞3次后，再用生理盐水配成H=45%的红细胞悬液0.5ml。该样中红细胞具有变形性，但无聚集性。血沉=0。④用福尔马林固化红细胞，再用自身血浆配成H=45%血样0.5ml。样品中红细胞无变形性，无聚集性。血沉=0。
1.3 方法 ①测血沉：用温氏管、垂直法，在T=25℃条件下观察1h的血沉值。②测流动曲线：取0.2ml样品，压差在0.07kPa≤ΔP≤0.36kPa范围内，由高至低依次调节ΔP，共测13个点，输入计算机，按卡森方程进行线性回归，得卡森方程及线性回归系数γ。
2 实验结果
在压差、管径、流态等方面接近人体静脉系统的仿生条件下，测量上述四个样品压差与粘度的关系。结果见附表。
附表 在管形定常层流流动中红细胞变形性、聚集性对血液表观粘度的影响(T=25℃，d=2mm,H=45%) ηa
(mPa.S)
ΔΡ(kPa)
0.07
0.08
0.10
0.11
0.14
0.18
0.21
0.24
0.27
0.30
0.32
0.33
0.36
血沉
τw(×10-5N/cm2)
3.42
4.27
5.12
5.97
7.67
9.35
11.03
12.68
14.33
15.95
16.76
17.56
19.55
(mm/h)
①血液
22.23
13.88
10.39
8.58
6.66
5.65
5.01
4.60
4.29
4.05
3.96
4.04
4.09
13
②血浆
12.05
6.41
4.61
3.81
2.97
2.53
2.25
2.05
1.96
1.85
1.83
1.82
1.82
-
③生理盐水+正常细胞
109.44
28.82
15.62
10.76
6.93
5.28
4.41
3.87
3.49
3.23
3.13
3.03
2.87
0
④固化红细胞+血浆
80.83
56.34
37.86
31.48
22.44
18.73
16.81
15.41
13.89
13.16
12.91
12.56
12.63
0
4种流体的卡森方程及线性回归系数：
①血液
r=0.999， n=13
②血浆
r=0.998， n=13
③生理盐水+正常红细胞
④固化红细胞+血浆
以上结果与文献[2]中用旋转式粘度计测量的结果进行比较：①正常血液在两种不同流态中，表观粘度随切变率变化的趋势基本相似。均属卡森流体。但在管形定常层流流动中，血液低压差粘度及卡森屈服值更高，卡森粘度更低，非牛顿性更强。②高ΔP时(τw>7.67×10-5N/cm2)，红细胞变形性、血浆粘度及红细胞H值对血液表观粘度的影响在两种不同流态中基本相同，两者之间有正相关性。③低ΔP时(τW<7.67×10-5N/cm2)，当红细胞丧失正常的聚集功能后，其低压差粘度明显高于正常值。此与旋转式粘度计测量的结果相反[2]。④在管形定常层流流动中，血浆具有明显的非牛顿性。在H<45%左右的情况下，血液的屈服值近似等于血浆的屈服值。说明血液的屈服值主要与血浆有关(进一步证明将另文报道)。⑤当τw<3.42×10-5N/cm2时，③号样品的表观粘度明显高于①、④号样品。说明在管形定常层流流动中，管壁附近的血浆层具有润滑作用，对降低血液低压差粘度有重要意义。
3 讨论
②、③、④号样品的测量结果与文献[2]中用旋转式粘度计测量的结果不同。说明在两种不同流态中，血液表观粘度随切变率变化的规律及变化的原因不完全相同。
在旋转式粘度计中，血细胞均匀分布，切变率处处相等，血液表观粘度随切变率变化的原因，目前国内外普遍认为是红细胞在高切下变形，低切下聚集所致。因而，当血浆中无细胞，或少细胞(H<10%)，以及红细胞固化后均为牛顿流体[2]。
在管形定常层流流动中，因力场不均匀，产生两种与上不同的现象：一是屈服应力在轴心形成栓流，二是细胞受轴流现象及管壁效应影响径向分布不均匀。栓流半径、边层细胞压积值及无细胞血浆层的厚度均随ΔP而变化，它们对血液表观粘度的影响不可忽视。对此我们分别讨论如下：(1)为说明栓流对ηa的影响，我们选择无悬浮颗粒的②号样品血浆进行分析。实验表明：血浆具有屈服应力，且符合卡森方程[3]：
(1)
其表观粘度(ηa)为：
(2)
当τc=0时，(1)式变为
,卡森流体变为牛顿流体。当τc≠0时，(2)式中
,此说明屈服应力是使血浆ηa随
上升而下降的原因。若(2)式中的τc、ηc为常数，则ηa随变化的原因可否用栓流半径(r0)随增大而减小来解释。ηa与r0之间的定量关系可从(1)、(2)式中导出：
(3)
(3)式中τc/τ=r0/R,τ=RΔP/2L (R为管径)
从以上关系中看到：当ΔP↑,τ↑，r0↓、ηa↓。当r0小到极限值时，r0/R=常数，从(3)式中看到，此时卡森流体变为牛顿流体。除血浆之外，作者还研究了不含染料颗粒的清漆也是卡森流体。它与血浆的共同特点是具有屈服应力。(2)悬浮液的ηa受轴流现象影响。③号样品的悬浮介质(生理盐水)为牛顿流体。③号样品中ηa随变化的原因与轴流现象有关。高ΔΡ时，当轴向集中力>红细胞之间的分散力时，红细胞被推向轴心，使边层H值减小，ηa下降；ΔΡ下降时，当轴向集中力≤红细胞分散力时，红细胞由轴心扩散到边层，使边层H值上升，ηa增大。④号样品也因同样原因，低压差粘度明显高于正常。由此说明，无论是红细胞本身发生变化(④号样品)，还是悬浮介质中缺乏使红细胞聚集的有效成分(③号样品)，只要红细胞丧失了正常的聚集功能，低压差粘度均明显高于正常。从附表中看到，该现象发生在τ<7.67×10-5N/cm2，正好处于人体静脉血管的τ变化范围内[1，4]，其意义重大。说明红细胞之间分散力增大，以致失去正常的聚集功能，是增大低压差血液表观粘度，增大静脉血液回流阻力使微循环流出不畅，发生血瘀的重要原因。此与旋转式粘度计测量的结果及推论相反[2]。(3)从附表中看到：当τW<7.67×10-5N/cm2时，正常血液的ηa值明显低于血沉为零，红细胞不聚集的③、④号样品。该现象若在片形层流流动中，用普通物理学中的粘度定义是无法解释的。而在管型层流流动中，由于栓流、轴流及管壁效应等的综合作用，使血液中的各微观因素(包括正常的血浆纤维蛋白原、屈服应力、红细胞的变形性及可逆聚集性等)得到最完美的结合，彼此间相互协同，使正常血液表现出最佳力学特性：血浆屈服应力在轴心形成的栓流，实为运送红细胞铺设了一条快速通道。轴流现象把红细胞推入栓流使其进入快通道。因为栓流内=0，则细胞表面的动电电位ζ=0，此为红细胞聚集创造了有利条件，红细胞在栓流内部聚集，血液粘度不但不增大，反而降低。因为红细胞缗钱状聚集与分散的红细胞相比，能大大减少细胞在栓流内所占空间，使栓流内能容纳更多的红细胞以减少边层压积值，以此降低粘度。聚集的红细胞被血浆纤维蛋白原加固，一则保护红细胞免受剪切力损伤，二则防止低压差下红细胞扩散到边层增大静脉血液回流阻力。血浆纤维蛋白原贴衬在管壁内侧，由于纤维蛋白原与红细胞表面均带负电，在静电斥力作用下，管壁附近的无细胞血浆层增厚[5]，这可能是①、④号样品低压差粘度明显低于③号样品的原因。该现象说明，正常的血浆纤维蛋白原也是降低血液粘度，特别是降低低压差粘度不可缺少的重要因素。易变形的红细胞，不仅降低了栓流表面至管壁间滑动液层的内摩擦阻力，还因它比硬化细胞更易向轴心集中，使该区域的红细胞压积值减小而进一步降低了流阻。因此，①号样品的ηc值明显低于④号样品的ηc值。上述过程说明：正常血液只有在管形层流流动中，才能以速度最快、内摩擦阻力最小、耗能最低的最佳方式运输红细胞。换言之，血液只有在血管中流动，只有把血液和血管作为统一的整体来研究血液的流变性，才能真正体现大自然造物的绝妙。如果脱离了生理流态，而用旋转式粘度计研究其普通的物理特性，那么红细胞生理性聚集，正常的血浆纤维蛋白原及屈服应力均成为增大低切粘度的不利因素[2]。并由此得出：在病态情况下(红细胞硬化或血浆纤维蛋白原消失)，血液低切粘度反而优于正常血液粘度这种违反医学生物学规律的错误结论[2]。
作者先前的实验结果表明，红细胞聚集性增大(血沉大于正常)，只要该聚集过程是可逆的(无血小板、无凝血因子参与，解聚力不超过动脉系统中最低切应力范围)，其高、低压差下的粘度均在正常值范围内[6]。反之，在急性坏死性胰腺炎的动物模型中观察到，随着病情加重，血浆纤维蛋白原逐渐减少，直至消失，红细胞变硬，脆性增大，血沉由(10±2)mm/h变为(0～0.5)mm/h。该现象说明，在病态情况下，红细胞逐渐丧失了正常的聚集功能，此时低ΔP粘度明显高于正常，并在多个脏器的组织切片中观察到血瘀现象[7]。以上事实说明，在管形定常层流流动中，红细胞的聚集性与变形性对降低血液粘度同等重要。如果说红细胞变形性能降低高压差粘度，便于微循环的血液灌流。那么红细胞的聚集性则有利于降低低压差粘度，降低静脉血回流阻力，减小微循环流出阻力，防止血液瘀滞。而且，该聚集不会阻塞下游(因为静脉血管的下游有逐渐增粗的趋势)。
血液的流变特性是生物界历经数万年按优胜劣汰的自然淘汰法则进化所得。它的进化过程是：血管的形成在先，红细胞的形态、结构演化在后。红细胞从原初的不易聚集、不易变形的有核球形细胞演变成既易聚集，又易变形的无核双面凹形，无疑是为更好地适应管形层流流动，为在该流态中最大限度地降低流阻，提高红细胞的输运能力。为达此目的，仅有红细胞的变形性还远远不够(如③号样品)还必须有其他因素相互配合，共同完成。根据生物界按最佳力学原理进化的原则，血液在生理流态中进化所获得的每一项力学特性，(包括红细胞的变形性、可逆聚集性，正常的血浆纤维蛋白原及屈服应力等)，对降低血液粘度均有重要意义。
目前国内外普遍认为，旋转式粘度计应作为研究血液流变学的首选仪器。本实验结果表明：对诊疗血瘀症最有参考价值的低ΔP粘度与旋转式粘度计测量的低切粘度之间并无正相关性，而是恰恰相反。该现象不难解释，因为在评价任何生物性状的优劣时，决不能脱离它所处的生存环境。如果把血液在生理流态中进化所获得的力学特性，放到片形层流流动中去评价，这种作法不仅毫无实际意义，甚至是非颠倒。就象把水生动物拿到陆地环境中去评价一样，必然得出鳍不如脚，鳃不如肺的错误结论。
在片形层流流动中，流体的η用η=τ/公式表示。在管形层流流动中，流体的η应该用η=πR4Δp/8QL公式表示。对于牛顿流体，上述两种η值应相等。对于非牛顿流体，实验表明两者不同。那一种更接近生理状态，显然是后者。因为用旋转式粘度计测量的η值，反映不出在生理流态中，栓流、轴流及壁面效应等对血液ηa的综合影响；反映不出ΔP，R，Q与ηa之间的关系，甚至所测η值不能代入泊肃叶公式中估算组织、器官的血液灌流量。而在仿生条件下，用泊肃叶公式得到的ηa值，能克服上述缺点。因此作者认为，把原本用于测量石油、化工原料及食品等普通流体η的旋转式粘度计直接用于医学诊断欠妥。这可能是目前血液流变学临床符合率不高的原因。作者建议，若为医学目的研究血液流变性，最好选用在管径、压差、流态等方面具有仿生功能的流变仪。
本实验结果与旋转式粘度计测量的结果相比，卡森屈服值增大，卡森粘度值减小、血液非牛顿性增强[8]。原因在于流态不同，血液ηa,τc及值的内涵不完全相同。严格讲，两者本无可比性。在管形层流流动中，流体本身的屈服应力，不仅增大了滑动液层之间的内摩擦阻力(栓流至管壁间)，同时它还通过在轴心形成的栓流进一步增大流阻。由栓流产生的“附加流阻”，随ΔP而变化，从(3)式中看到，ΔP愈低，γ0愈大，屈服应力对ηa的影响亦愈大。因此，低ΔP粘度及“表观屈服值”增大(为区别于片形层流流动中流体本身的屈服值，作者建议，把管形层流流动中的屈服应力称为“表观屈服应力”)。“表观屈服应力”是指流体本身的屈服值在栓流作用下被放大后的值。在低ΔP下，血浆的非牛顿性能得到充分展示，栓流作用功不可没。表观屈服应力的实际意义在于：它能较准确地反映在低ΔP的管道系统中，特别是静脉、小静脉中、血液、血浆流变性的真实情况。
从卡森方程(
)中看到，卡森粘度(ηe)与有关。也就是说ηe存在于≠0的滑动液层内。≠0的液层位于管壁与栓流之间。由于轴流现象，使≠0的区域内，细胞压积值减少，因此ηc值减小。综上所述，在管形层流流动中，是栓流作用使卡森屈服值增大，是轴流作用使卡森粘度值减少。由于τe/ηe比值增大，血液的非牛顿性随之增大。在体内静脉系统中的血流受心脏搏动影响最小，可近似地看成管形定常层流流动。本实验条件基本符合上述部位的生理状态。作者经动物实验及多年的临床观察表明，用本实验方法诊断血瘀症，临床符合率明显提高。研究血瘀症发生的流变学机理，对合理制定治疗方案，准确地筛选活血化瘀药物以提高治愈率，具有实际意义。
参考文献：
[1] 陈文杰主编.血液流变学[M].天津：天津科学技术出版社，1987.221～222
[2] 冯元桢著.生物力学[M].北京：科学出版社，1983.24
[3] 梁国光.血浆是非牛顿流体[J].西安医科大学学报，1997，18(2)∶152
[4] 廖福龙.血流与剪切应力对血液、血管及血小板的某些影响[J].中国微循环，1997，1(1)∶10
[5] 冈小天著.生物流变血[M].北京：科技出版社，1980.263
[6] 梁国光.卡森流体表观粘度随切变率上升而下降的原因分析[J].西安医科大学学报，1997，18(4)∶438
[7] 王自法，潘承恩，梁国光，等.急性坏死性胰腺炎血液流变学改变的实验研究[J].中国血液流变学杂志，1999，(2)∶75
[8] 范家骏，赵国欣主编.血液流变学基础与临床[M].西安：陕西科学技术出版社，1995.1～4
(收稿日期：1999-09-24 修回日期：1999-11-20)
作者：梁国光
单位：梁国光(西安交通大学第一医院中西医结合研究所，西安 710061)
关键词：血液流变学；低切粘度；流态；红细胞聚集；血瘀症
西安医科大学学报000323摘 要：目的 探讨血瘀症的流变学机理。方法 自制流变仪，在压差、管径、流态等方面接近人体静脉血流的仿生条件下，观察红细胞可逆性聚集与低压差粘度的关系。并与旋转式粘度计测量的结果相比较。结果 在管形定常层流流动中，当τW<7.67×10-5N/cm2时，无论是红细胞本身硬化，还是血浆中缺乏使红细胞发生生理性聚集的有效成分，只要红细胞丧失了正常的聚集功能，低压差粘度均明显高于正常。此与旋转式粘度计测量的低切粘度相反。说明低压差粘度与低切粘度之间无正相关性。结论 流态不同(片形、管形)，血液的流变特性不同。在管形定常层流流动中，红细胞丧失了正常的聚集功能是低压差粘度增高的主要原因。它使静脉血回流阻力增大，微循环流出不畅，进而造成血液淤滞。
中图分类号：Q66 文献标识码：B
文章编号：0258-0659(2000)02-0259-05
The study of the relationship between apparent vislosity
and the aggregation of erythrocytes when the blood
performs a tubular steady laminal flow with
small pressure difference
Liang Guoguang
(Institute of Traditional Chinese Medicine Combining with Western Medicine, First Hospital, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710061，China)
ABSTRACT：Objective To probe into the aggregation of blood extravastation. Methods Used self-invented capillary viscometer,the study observed the relationship between the reversible aggregation of erythrocytes and lows shear rate viscosity under the condition that the diameter of the capillary tubes.Fluid states and ΔΡ were close to those of human vein.Then analysized the results which was obtained through the rotational viscometer.Results When τW<7.67 dyn/cm2 ,no matter what the reason was,erythrocytes hardening or lack of constituents that were essential to the aggregation of erythrocytes, as long as erythrocytes lost the aggregation ability,the low shear rate viscosity was obviously higher than that of the normal in the tubular steady laminar flow, which was contrary to the results obtained with the rotational viscometer.The outcome revealed the absence of positive correlation between the viscosity of low shear rates and low ΔP.Conclusion Different fluid states (laminar or tubular)determine different rheological characteristics of blood.The rise of low ΔP viscosity in tubular steady laminar flow is mainly due to the erythrocytes that lacks normal aggegation ability, which increases the flow-back resistance in vein, and deters the out-flow of blood from microcirculation system, therefore, leads to the blood extravastation.
KEY WORDS：hemorheology;low shear rate;fluid states;aggregation of erythrocytes
静脉、小静脉在整个循环系统中是切变率最低[1]，血液粘滞阻力最大，血瘀最好发的部位。因此血液低切粘度应是诊治血瘀症最有参考价值的流变学指标之一。目前国内外普遍认为红细胞聚集是低切粘度增高的主要原因，因而抗红细胞聚集成为治疗血瘀症的重要治则。上述观点是以旋转式粘度计测量的结果为依据[2]。而旋转式粘度计中的流态与生理流态不同，其测量结果能否反映体内情况，作为诊治血瘀症的参考依据?有关研究未见报道。为此作者用自制毛细管粘度计，在压差、管径、流态等方面接近人体静脉血流的仿生条件下，观察了低压差下血液表观粘度与红细胞可逆性聚集的关系，旨在探讨血瘀症的流变学机理。
1 材料与方法
1.1 仪器 自制毛细管粘度计具有恒压、变速功能。它克服了普通毛细管粘度计存在的F-L效应，表面张力、残液挂壁、管径效应及进出口附加阻力等非定常流动因素的干扰。压差能在0≤ΔP≤0.93kPa范围内自主调节，测试管内径可在1～4mm范围内根据需要选择。用样量为0.2ml～1ml。
1.2 材料 正常成人空腹静脉血5ml，肝素抗凝，25℃恒温。样品基本按文献[2]中的方法配制。①正常血样：用自身血浆调配成H=45%的血样0.5ml。②分离血浆0.5ml。③用生理盐水清洗红细胞3次后，再用生理盐水配成H=45%的红细胞悬液0.5ml。该样中红细胞具有变形性，但无聚集性。血沉=0。④用福尔马林固化红细胞，再用自身血浆配成H=45%血样0.5ml。样品中红细胞无变形性，无聚集性。血沉=0。
1.3 方法 ①测血沉：用温氏管、垂直法，在T=25℃条件下观察1h的血沉值。②测流动曲线：取0.2ml样品，压差在0.07kPa≤ΔP≤0.36kPa范围内，由高至低依次调节ΔP，共测13个点，输入计算机，按卡森方程进行线性回归，得卡森方程及线性回归系数γ。
2 实验结果
在压差、管径、流态等方面接近人体静脉系统的仿生条件下，测量上述四个样品压差与粘度的关系。结果见附表。
附表 在管形定常层流流动中红细胞变形性、聚集性对血液表观粘度的影响(T=25℃，d=2mm,H=45%) ηa
(mPa.S)
ΔΡ(kPa)
0.07
0.08
0.10
0.11
0.14
0.18
0.21
0.24
0.27
0.30
0.32
0.33
0.36
血沉
τw(×10-5N/cm2)
3.42
4.27
5.12
5.97
7.67
9.35
11.03
12.68
14.33
15.95
16.76
17.56
19.55
(mm/h)
①血液
22.23
13.88
10.39
8.58
6.66
5.65
5.01
4.60
4.29
4.05
3.96
4.04
4.09
13
②血浆
12.05
6.41
4.61
3.81
2.97
2.53
2.25
2.05
1.96
1.85
1.83
1.82
1.82
-
③生理盐水+正常细胞
109.44
28.82
15.62
10.76
6.93
5.28
4.41
3.87
3.49
3.23
3.13
3.03
2.87
0
④固化红细胞+血浆
80.83
56.34
37.86
31.48
22.44
18.73
16.81
15.41
13.89
13.16
12.91
12.56
12.63
0
4种流体的卡森方程及线性回归系数：
①血液
r=0.999， n=13
②血浆
r=0.998， n=13
③生理盐水+正常红细胞
④固化红细胞+血浆
以上结果与文献[2]中用旋转式粘度计测量的结果进行比较：①正常血液在两种不同流态中，表观粘度随切变率变化的趋势基本相似。均属卡森流体。但在管形定常层流流动中，血液低压差粘度及卡森屈服值更高，卡森粘度更低，非牛顿性更强。②高ΔP时(τw>7.67×10-5N/cm2)，红细胞变形性、血浆粘度及红细胞H值对血液表观粘度的影响在两种不同流态中基本相同，两者之间有正相关性。③低ΔP时(τW<7.67×10-5N/cm2)，当红细胞丧失正常的聚集功能后，其低压差粘度明显高于正常值。此与旋转式粘度计测量的结果相反[2]。④在管形定常层流流动中，血浆具有明显的非牛顿性。在H<45%左右的情况下，血液的屈服值近似等于血浆的屈服值。说明血液的屈服值主要与血浆有关(进一步证明将另文报道)。⑤当τw<3.42×10-5N/cm2时，③号样品的表观粘度明显高于①、④号样品。说明在管形定常层流流动中，管壁附近的血浆层具有润滑作用，对降低血液低压差粘度有重要意义。
3 讨论
②、③、④号样品的测量结果与文献[2]中用旋转式粘度计测量的结果不同。说明在两种不同流态中，血液表观粘度随切变率变化的规律及变化的原因不完全相同。
在旋转式粘度计中，血细胞均匀分布，切变率处处相等，血液表观粘度随切变率变化的原因，目前国内外普遍认为是红细胞在高切下变形，低切下聚集所致。因而，当血浆中无细胞，或少细胞(H<10%)，以及红细胞固化后均为牛顿流体[2]。
在管形定常层流流动中，因力场不均匀，产生两种与上不同的现象：一是屈服应力在轴心形成栓流，二是细胞受轴流现象及管壁效应影响径向分布不均匀。栓流半径、边层细胞压积值及无细胞血浆层的厚度均随ΔP而变化，它们对血液表观粘度的影响不可忽视。对此我们分别讨论如下：(1)为说明栓流对ηa的影响，我们选择无悬浮颗粒的②号样品血浆进行分析。实验表明：血浆具有屈服应力，且符合卡森方程[3]：
(1)其表观粘度(ηa)为：
(2)当τc=0时，(1)式变为
,卡森流体变为牛顿流体。当τc≠0时，(2)式中,此说明屈服应力是使血浆ηa随上升而下降的原因。若(2)式中的τc、ηc为常数，则ηa随变化的原因可否用栓流半径(r0)随增大而减小来解释。ηa与r0之间的定量关系可从(1)、(2)式中导出： (3)(3)式中τc/τ=r0/R,τ=RΔP/2L (R为管径)
从以上关系中看到：当ΔP↑,τ↑，r0↓、ηa↓。当r0小到极限值时，r0/R=常数，从(3)式中看到，此时卡森流体变为牛顿流体。除血浆之外，作者还研究了不含染料颗粒的清漆也是卡森流体。它与血浆的共同特点是具有屈服应力。(2)悬浮液的ηa受轴流现象影响。③号样品的悬浮介质(生理盐水)为牛顿流体。③号样品中ηa随
变化的原因与轴流现象有关。高ΔΡ时，当轴向集中力>红细胞之间的分散力时，红细胞被推向轴心，使边层H值减小，ηa下降；ΔΡ下降时，当轴向集中力≤红细胞分散力时，红细胞由轴心扩散到边层，使边层H值上升，ηa增大。④号样品也因同样原因，低压差粘度明显高于正常。由此说明，无论是红细胞本身发生变化(④号样品)，还是悬浮介质中缺乏使红细胞聚集的有效成分(③号样品)，只要红细胞丧失了正常的聚集功能，低压差粘度均明显高于正常。从附表中看到，该现象发生在τ<7.67×10-5N/cm2，正好处于人体静脉血管的τ变化范围内[1，4]，其意义重大。说明红细胞之间分散力增大，以致失去正常的聚集功能，是增大低压差血液表观粘度，增大静脉血液回流阻力使微循环流出不畅，发生血瘀的重要原因。此与旋转式粘度计测量的结果及推论相反[2]。(3)从附表中看到：当τW<7.67×10-5N/cm2时，正常血液的ηa值明显低于血沉为零，红细胞不聚集的③、④号样品。该现象若在片形层流流动中，用普通物理学中的粘度定义是无法解释的。而在管型层流流动中，由于栓流、轴流及管壁效应等的综合作用，使血液中的各微观因素(包括正常的血浆纤维蛋白原、屈服应力、红细胞的变形性及可逆聚集性等)得到最完美的结合，彼此间相互协同，使正常血液表现出最佳力学特性：血浆屈服应力在轴心形成的栓流，实为运送红细胞铺设了一条快速通道。轴流现象把红细胞推入栓流使其进入快通道。因为栓流内=0，则细胞表面的动电电位ζ=0，此为红细胞聚集创造了有利条件，红细胞在栓流内部聚集，血液粘度不但不增大，反而降低。因为红细胞缗钱状聚集与分散的红细胞相比，能大大减少细胞在栓流内所占空间，使栓流内能容纳更多的红细胞以减少边层压积值，以此降低粘度。聚集的红细胞被血浆纤维蛋白原加固，一则保护红细胞免受剪切力损伤，二则防止低压差下红细胞扩散到边层增大静脉血液回流阻力。血浆纤维蛋白原贴衬在管壁内侧，由于纤维蛋白原与红细胞表面均带负电，在静电斥力作用下，管壁附近的无细胞血浆层增厚[5]，这可能是①、④号样品低压差粘度明显低于③号样品的原因。该现象说明，正常的血浆纤维蛋白原也是降低血液粘度，特别是降低低压差粘度不可缺少的重要因素。易变形的红细胞，不仅降低了栓流表面至管壁间滑动液层的内摩擦阻力，还因它比硬化细胞更易向轴心集中，使该区域的红细胞压积值减小而进一步降低了流阻。因此，①号样品的ηc值明显低于④号样品的ηc值。上述过程说明：正常血液只有在管形层流流动中，才能以速度最快、内摩擦阻力最小、耗能最低的最佳方式运输红细胞。换言之，血液只有在血管中流动，只有把血液和血管作为统一的整体来研究血液的流变性，才能真正体现大自然造物的绝妙。如果脱离了生理流态，而用旋转式粘度计研究其普通的物理特性，那么红细胞生理性聚集，正常的血浆纤维蛋白原及屈服应力均成为增大低切粘度的不利因素[2]。并由此得出：在病态情况下(红细胞硬化或血浆纤维蛋白原消失)，血液低切粘度反而优于正常血液粘度这种违反医学生物学规律的错误结论[2]。作者先前的实验结果表明，红细胞聚集性增大(血沉大于正常)，只要该聚集过程是可逆的(无血小板、无凝血因子参与，解聚力不超过动脉系统中最低切应力范围)，其高、低压差下的粘度均在正常值范围内[6]。反之，在急性坏死性胰腺炎的动物模型中观察到，随着病情加重，血浆纤维蛋白原逐渐减少，直至消失，红细胞变硬，脆性增大，血沉由(10±2)mm/h变为(0～0.5)mm/h。该现象说明，在病态情况下，红细胞逐渐丧失了正常的聚集功能，此时低ΔP粘度明显高于正常，并在多个脏器的组织切片中观察到血瘀现象[7]。以上事实说明，在管形定常层流流动中，红细胞的聚集性与变形性对降低血液粘度同等重要。如果说红细胞变形性能降低高压差粘度，便于微循环的血液灌流。那么红细胞的聚集性则有利于降低低压差粘度，降低静脉血回流阻力，减小微循环流出阻力，防止血液瘀滞。而且，该聚集不会阻塞下游(因为静脉血管的下游有逐渐增粗的趋势)。
血液的流变特性是生物界历经数万年按优胜劣汰的自然淘汰法则进化所得。它的进化过程是：血管的形成在先，红细胞的形态、结构演化在后。红细胞从原初的不易聚集、不易变形的有核球形细胞演变成既易聚集，又易变形的无核双面凹形，无疑是为更好地适应管形层流流动，为在该流态中最大限度地降低流阻，提高红细胞的输运能力。为达此目的，仅有红细胞的变形性还远远不够(如③号样品)还必须有其他因素相互配合，共同完成。根据生物界按最佳力学原理进化的原则，血液在生理流态中进化所获得的每一项力学特性，(包括红细胞的变形性、可逆聚集性，正常的血浆纤维蛋白原及屈服应力等)，对降低血液粘度均有重要意义。
目前国内外普遍认为，旋转式粘度计应作为研究血液流变学的首选仪器。本实验结果表明：对诊疗血瘀症最有参考价值的低ΔP粘度与旋转式粘度计测量的低切粘度之间并无正相关性，而是恰恰相反。该现象不难解释，因为在评价任何生物性状的优劣时，决不能脱离它所处的生存环境。如果把血液在生理流态中进化所获得的力学特性，放到片形层流流动中去评价，这种作法不仅毫无实际意义，甚至是非颠倒。就象把水生动物拿到陆地环境中去评价一样，必然得出鳍不如脚，鳃不如肺的错误结论。
在片形层流流动中，流体的η用η=τ/
公式表示。在管形层流流动中，流体的η应该用η=πR4Δp/8QL公式表示。对于牛顿流体，上述两种η值应相等。对于非牛顿流体，实验表明两者不同。那一种更接近生理状态，显然是后者。因为用旋转式粘度计测量的η值，反映不出在生理流态中，栓流、轴流及壁面效应等对血液ηa的综合影响；反映不出ΔP，R，Q与ηa之间的关系，甚至所测η值不能代入泊肃叶公式中估算组织、器官的血液灌流量。而在仿生条件下，用泊肃叶公式得到的ηa值，能克服上述缺点。因此作者认为，把原本用于测量石油、化工原料及食品等普通流体η的旋转式粘度计直接用于医学诊断欠妥。这可能是目前血液流变学临床符合率不高的原因。作者建议，若为医学目的研究血液流变性，最好选用在管径、压差、流态等方面具有仿生功能的流变仪。本实验结果与旋转式粘度计测量的结果相比，卡森屈服值增大，卡森粘度值减小、血液非牛顿性增强[8]。原因在于流态不同，血液ηa,τc及
值的内涵不完全相同。严格讲，两者本无可比性。在管形层流流动中，流体本身的屈服应力，不仅增大了滑动液层之间的内摩擦阻力(栓流至管壁间)，同时它还通过在轴心形成的栓流进一步增大流阻。由栓流产生的“附加流阻”，随ΔP而变化，从(3)式中看到，ΔP愈低，γ0愈大，屈服应力对ηa的影响亦愈大。因此，低ΔP粘度及“表观屈服值”增大(为区别于片形层流流动中流体本身的屈服值，作者建议，把管形层流流动中的屈服应力称为“表观屈服应力”)。“表观屈服应力”是指流体本身的屈服值在栓流作用下被放大后的值。在低ΔP下，血浆的非牛顿性能得到充分展示，栓流作用功不可没。表观屈服应力的实际意义在于：它能较准确地反映在低ΔP的管道系统中，特别是静脉、小静脉中、血液、血浆流变性的真实情况。从卡森方程(
)中看到，卡森粘度(ηe)与有关。也就是说ηe存在于≠0的滑动液层内。≠0的液层位于管壁与栓流之间。由于轴流现象，使≠0的区域内，细胞压积值减少，因此ηc值减小。综上所述，在管形层流流动中，是栓流作用使卡森屈服值增大，是轴流作用使卡森粘度值减少。由于τe/ηe比值增大，血液的非牛顿性随之增大。在体内静脉系统中的血流受心脏搏动影响最小，可近似地看成管形定常层流流动。本实验条件基本符合上述部位的生理状态。作者经动物实验及多年的临床观察表明，用本实验方法诊断血瘀症，临床符合率明显提高。研究血瘀症发生的流变学机理，对合理制定治疗方案，准确地筛选活血化瘀药物以提高治愈率，具有实际意义。参考文献：
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(收稿日期：1999-09-24 修回日期：1999-11-20)
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