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(jìn)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(shí)踐中難以使用。方法設(shè)計(jì)并試制了一種基于懸滴法的表面張力測量實(shí)驗(yàn)裝置，詳細(xì)介紹了該裝置的硬件模塊和軟件設(shè)計(jì)流程。使用該實(shí)驗(yàn)裝置，初步測量了4例接受機(jī)械通氣ARDS患者肺內(nèi)液樣本表面張力，以驗(yàn)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(xiàn)值72.02 m N/m和21.10 m N/m吻合良好;在25℃時(shí)，進(jìn)一步測得機(jī)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(dòng)化程度高、無污染等優(yōu)點(diǎn)，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(yuǎn)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(shí)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(huì)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(gè)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(shí)在避免呼吸機(jī)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(huì)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(shí)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(dòng)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(jìn)而導(dǎo)致了氣道關(guān)閉。Kamm等通過實(shí)驗(yàn)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(huì)使表面張力變大，進(jìn)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(hù)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(diǎn)，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(dòng)使黏液不斷運(yùn)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(huì)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?yàn)楸瓲罴?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(huì)使黏液纖毛清除機(jī)制減弱。

1.3避免呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷

機(jī)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(huì)導(dǎo)致呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷（ventilator?inducedlunginjury，VILI）。VILI是機(jī)械通氣期間作用于肺組織結(jié)構(gòu)的各種機(jī)械力之間相互作用的結(jié)果。Perlman等利用共聚焦顯微鏡實(shí)時(shí)地觀察機(jī)械通氣時(shí)離體灌注大鼠肺泡變形的微力學(xué)機(jī)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(gè)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(jìn)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(huì)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(yuǎn)大于充滿空氣的肺泡表面張力，進(jìn)而影響到肺泡擴(kuò)張的模式。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算證明，與氣道開放相關(guān)的4個(gè)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(jì)對急性肺損傷或者ARDS患者進(jìn)行機(jī)械通氣時(shí)肺泡重復(fù)開放過程中伴隨的機(jī)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(gè)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(shí)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(huì)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(jī)的使用時(shí)間，最小化呼吸機(jī)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(shí)，它會(huì)在氣道樹中形成向遠(yuǎn)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(dá)氣道的分叉點(diǎn)時(shí)，將會(huì)發(fā)生分裂。Levy等提出了液體塞在分叉點(diǎn)的分裂模型，并定義進(jìn)入分叉點(diǎn)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(dòng)壓力，從而將表面活性劑液體塞均勻地輸送到整個(gè)氣道樹。