表面張力，是物理化學(xué)的重要研究內(nèi)容。一個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(xiàn)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(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。

浸潤與不浸潤現(xiàn)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(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，當附著力大于表面張力和內(nèi)聚力合力時液體就會沿著固體表面延伸，這種現(xiàn)象稱為浸潤現(xiàn)象。相反地當附著力小于表面張力和內(nèi)聚力合力時液面就會向內(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。

對于水與固體接觸時，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。但有時浸潤現(xiàn)象是不利的，比如外科手術(shù)縫合線，普通棉線會因浸潤現(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“吸水”，因而不會與人體組織黏結(jié)，易于拆線，可減輕病人痛苦。

毛細現(xiàn)象

內(nèi)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(nèi)液面上升或不浸潤液體在管內(nèi)液面下降的現(xiàn)象稱為毛細現(xiàn)象。

毛細現(xiàn)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(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(shù)有關(guān)。以浸潤液體為例，當穩(wěn)定時，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

當穩(wěn)定時二力平衡，F(xiàn)=G:(3)

可見，毛細管內(nèi)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(xiàn)象越明顯，也越能吸水。醫(yī)學(xué)上可以用毛細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，其纖維柔軟細長，毛細管較細，具有很好的吸水性。

肺泡的表面張力

肺是由大約3～5億個大小不等的肺泡構(gòu)成的，泡泡相連。顯然，附件壓強和液面半徑成反比。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(xù)工作。

事實上，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)。當肺泡較大時表面活性物質(zhì)密度較小，因而表面張力系數(shù)較大；反之，當肺泡較小時表面活性物質(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，都因為受病毒感染，肺泡表面活性物質(zhì)代謝不正常而數(shù)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。

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，對于我們在生活生產(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。