摘要：目的臨床多種肺部疾病如呼吸窘迫綜合征、肺炎、COVID-19和急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)的研究中，對肺內(nèi)液的表面張力進行定量測量具有重要的生理和臨床意義。然而，傳統(tǒng)的測量技術(shù)如薄膜天平和氣泡法，由于小樣本量的限制，在臨床實踐中難以使用。方法設(shè)計并試制了一種基于懸滴法的表面張力測量實驗裝置，詳細(xì)介紹了該裝置的硬件模塊和軟件設(shè)計流程。使用該實驗裝置，初步測量了4例接受機械通氣ARDS患者肺內(nèi)液樣本表面張力，以驗證裝置的可行性。結(jié)果在室溫(25℃)條件下，測得純水和二甲基硅油這兩種測試液體的表面張力分別為72.35±1.00 m N/m和21.38±0.61 m N/m，與相同溫度下相應(yīng)文獻值72.02 m N/m和21.10 m N/m吻合良好;在25℃時，進一步測得機械通氣ARDS患者的肺內(nèi)液樣本表面張力在23.8~53.9 m N/m范圍內(nèi)，在總共48次肺內(nèi)液表面張力測量中，41次測量的Worthington數(shù)大于臨界值0.58，表明了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)論懸滴法具有樣本量小、自動化程度高、無污染等優(yōu)點，可用于臨床ARDS患者肺內(nèi)液表面張力的快速準(zhǔn)確測量。

人體氣道被黏液層所覆蓋，厚度為2——10μm.黏液是一種凝膠狀的糖基化黏蛋白聚合物，它具有復(fù)雜的流變性質(zhì)，如剪切稀化、黏彈性、黏合性等。正常黏液含有97%水和3%固體（黏蛋白、非黏蛋白、鹽、脂質(zhì)和細(xì)胞碎片）。在不同的氣道表面，黏液的特性也存在差異：在15、16級以前，主要是由凝膠層和纖周層組成，黏液分子量和黏度較大；在15、16級以后，產(chǎn)生黏蛋白的杯狀細(xì)胞較少，黏液分子量和黏度較小。這些生理性變化使得氣道襯里從近端非牛頓、黏性的雙層流體過渡到深部含有一定濃度表面活性物質(zhì)的單層牛頓流體。表面活性物質(zhì)由II型上皮細(xì)胞合成并分泌到肺泡腔中，主要存在于遠端氣道和肺泡內(nèi)，通過降低氣液界面的表面張力來減少呼吸作功，同時還具有穩(wěn)定氣道，防止肺水腫的出現(xiàn)等功能。表面活性物質(zhì)由85%磷脂、5%中性脂質(zhì)和10%特異性蛋白質(zhì)組成。

疾病狀態(tài)下，肺內(nèi)液黏度和表面張力會發(fā)生改變。如哮喘、支氣管炎、慢性阻塞性肺病（chronicobstructivepulmonarydisease，COPD）和囊性纖維化（cysticfibrosis，CF）等多種氣道炎性疾病均伴有氣道黏液黏彈性的顯著升高。Levy等研究發(fā)現(xiàn)，支氣管炎或CF患者氣道黏液黏度跨越兩個以上數(shù)量級的范圍（0?16——60Pa·s）。在呼吸窘迫綜合征（acuterespiratorydistresssyndrome，ARDS）患者肺部由于富含蛋白質(zhì)的肺泡水腫液，抑制或破壞表面活性劑的正常功能，導(dǎo)致肺內(nèi)液表面張力升高。Guido等利用捕獲氣泡法測量嬰兒上氣道黏液表面張力，結(jié)果表明，在33周妊娠的嬰兒樣品中，表面張力值超過40mN/m占比為91%，而隨著妊娠周期增加，這一比例明顯減少。

1、肺內(nèi)液流變學(xué)測量的臨床意義

肺內(nèi)液黏度和表面張力等流變學(xué)性質(zhì)對維持正常的肺功能有著重要的影響。黏液流變學(xué)性質(zhì)的改變影響著氣道穩(wěn)定性、肺的防御屏障和黏液纖毛清除等生理功能，同時在避免呼吸機相關(guān)性肺損傷以及新生兒呼吸窘迫綜合征（infantrespiratorydistresssyndrome，IRDS）表面活性劑替代治療上具有重要意義。1?1維持氣道的穩(wěn)定性由Laplace公式可知：若保持表面張力不變，則肺泡壓力隨著半徑減小而增大，這將導(dǎo)致小肺泡內(nèi)的氣體壓縮至與之聯(lián)通的大肺泡中（見圖1）；最終會使大肺泡過度膨脹而破裂，而小肺泡趨于塌陷。

圖1肺泡表面張力的作用

實際上，由于肺泡內(nèi)襯液表面活性物質(zhì)的存在，使表面張力隨著肺泡表面積改變呈動態(tài)變化。Halpern等研究證明，表面張力是表面活性物質(zhì)濃度的遞減函數(shù)，隨著肺泡半徑減小，表面活性物質(zhì)分子更緊密地堆積，從而降低表面張力，削減了較小肺泡排空成較大肺泡的趨勢。肺水腫和IRDS等肺部疾病可能導(dǎo)致小氣道或肺泡關(guān)閉。氣道關(guān)閉主要由半月形氣液界面的形成和順應(yīng)性塌陷導(dǎo)致，一般發(fā)生在小氣道。

一方面，由于半月形氣液界面的形成，不穩(wěn)定的襯里液導(dǎo)致氣道阻塞；另一方面，隨著氣道順應(yīng)性塌陷，氣道壁黏合在一起進而導(dǎo)致了氣道關(guān)閉。Kamm等通過實驗觀察認(rèn)為，順應(yīng)性塌陷很大程度上取決于表面張力對氣道壁壓力負(fù)荷的大小。由于氣道被壓縮，氣液界面的曲率增大會使表面張力變大，進而導(dǎo)致施加在氣道壁上的負(fù)荷增加，最終影響氣道壁的順應(yīng)性。

1.2影響肺的屏障與清除功能

由黏液和纖毛兩部分組成的氣道黏液纖毛清除系統(tǒng)對肺的保護至關(guān)重要。黏液部分由上層的凝膠層和下層的纖周層構(gòu)成。凝膠層含有豐富的黏蛋白和脂質(zhì)等，呈高黏度的非牛頓液體。纖周層由漿細(xì)胞分泌，具有低黏度的特點，為纖毛提供有效的潤滑。黏液纖毛清除系統(tǒng)作為肺的天然防御屏障，通過纖毛的擺動使黏液不斷運向上呼吸道，清除吸入的顆粒、病原體以及可能損害肺部的溶解性化學(xué)物質(zhì)。黏液纖毛清除功能取決于纖毛及黏液兩方面的協(xié)同作用，纖毛結(jié)構(gòu)及其功能的改變和黏液性質(zhì)及其數(shù)量的改變都會對黏液纖毛清除功能產(chǎn)生影響。例如，在慢性支氣管炎患者的小氣道內(nèi)，因為杯狀細(xì)胞增生導(dǎo)致纖毛細(xì)胞減少，氣道分泌液黏度增加，纖毛結(jié)構(gòu)異常；CF患者表現(xiàn)為分泌腺功能紊亂，分泌腺增生，黏液黏度增加，影響?zhàn)ひ赫５牧髯兲匦浴；颊呃w毛結(jié)構(gòu)異常或黏液流變學(xué)特性改變，結(jié)果都會使黏液纖毛清除機制減弱。

1.3避免呼吸機相關(guān)性肺損傷

機械通氣對于呼吸衰竭、麻醉或肺移植患者的支持必不可少，但使用不當(dāng)會導(dǎo)致呼吸機相關(guān)性肺損傷（ventilator?inducedlunginjury，VILI）。VILI是機械通氣期間作用于肺組織結(jié)構(gòu)的各種機械力之間相互作用的結(jié)果。Perlman等利用共聚焦顯微鏡實時地觀察機械通氣時離體灌注大鼠肺泡變形的微力學(xué)機制。在保持肺泡內(nèi)空氣壓力不變的情況下，他們將液體注入相鄰兩肺泡中的一個肺泡，由于液體的注入使肺泡內(nèi)形成新月形氣液界面，肺泡隔的曲率發(fā)生變化，進而改變肺泡隔兩側(cè)的壓力差。結(jié)果表明，即使在肺泡容積為功能殘氣量的情況下，充滿空氣的肺泡也會向相鄰的充滿液體的肺泡凸出。Chen等研究證明，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是充滿液體的肺泡表面張力遠大于充滿空氣的肺泡表面張力，進而影響到肺泡擴張的模式。實驗和理論計算證明，與氣道開放相關(guān)的4個可能造成損傷的周期性應(yīng)力分量（剪切應(yīng)力、壓力、剪切應(yīng)力梯度、壓力梯度）中，壓力梯度是造成細(xì)胞損傷的主導(dǎo)的因素。Chen等利用膠帶撕裂模型，估計對急性肺損傷或者ARDS患者進行機械通氣時肺泡重復(fù)開放過程中伴隨的機械應(yīng)力大小；結(jié)果表明，在肺泡內(nèi)液表面張力和黏度出現(xiàn)病理性增加的情況下，剪切應(yīng)力和壓力梯度可能增加幾個數(shù)量級，足以造成肺上皮細(xì)胞的損傷甚至脫落。

1.4表面活性劑替代治療

表面活性劑替代治療主要用于預(yù)防或治療ARDS，特別是對IRDS的治療。新生兒出生時正常的表面活性劑磷脂含量約為100mg/kg，但在早產(chǎn)兒中，其含量通常會降至25mg/kg以下。預(yù)防或治療ARDS主要是通過開發(fā)功能性表面活性劑來減少表面張力，從而降低呼吸機的使用時間，最小化呼吸機相關(guān)性肺損傷。產(chǎn)后遞送外源性表面活性劑可以顯著降低肺泡液的表面張力，使嬰兒能夠以較低的肺膨脹壓力開始呼吸。在表面活性替代治療期間，液體表面活性劑混合物通過氣管導(dǎo)管噴射到氣管中時，它會在氣道樹中形成向遠端傳播的液體塞。隨著液體塞在氣道壁上沉積形成薄膜，液體體積逐漸減小。當(dāng)液體塞到達氣道的分叉點時，將會發(fā)生分裂。Levy等提出了液體塞在分叉點的分裂模型，并定義進入分叉點后氣道分支的液體體積比為分裂比，其大小取決于液體塞的速度、分叉角、液體表面張力、黏度和密度、氣道幾何形狀、液體塞初始體積等。對液體黏度和表面張力的測量，有利于選擇適合的分裂比和驅(qū)動壓力，從而將表面活性劑液體塞均勻地輸送到整個氣道樹。