第十一章血液的流变性

1、第十一章第十一章 血液的流变性血液的流变性第一节第一节 血液的流变特性血液的流变特性一、速度梯度与剪变率一、速度梯度与剪变率（一）速度梯度（一）速度梯度1.概念：在流体中某处，速度正在其垂直方向上的变化率称为该处的速度梯度。如果在X方向的微小距离X上，流速增量为V，则速度梯度为V /X。单位：s-1（1/秒）dxdvxvx0lim2.物理意义物理意义描述速度随空间变化程度的描述速度随空间变化程度的物理量。空间某点附近流速不物理量。空间某点附近流速不同，该处就存在速度梯度同，该处就存在速度梯度。微分学中（1）库厄特流动： 是一种特殊的流动方式。流体的流动形态是定常流动，且速度是从0自下而上正比例

2、地增加到V0。3.库厄特流动及速度梯度（2）库厄特流动的速度梯度 由图可见在位置x和x+x上，流速分别为v和v+v，由于流速是正比例增加的，所以其速度梯度为： v/x=V0/l 可见库厄特流动的速度梯度是定值，处处相等。（二）剪变率（二）剪变率 剪变率概念：剪变率是指剪应变随时间的变化率。（三）剪变率与速度梯度的关系（三）剪变率与速度梯度的关系 在定常流动中，任一处的剪变率与该处的速度梯度相等。二、牛顿流体与非牛顿流体二、牛顿流体与非牛顿流体（一）牛顿流体（一）牛顿流体 1.牛顿流体概念 是指符合牛顿粘性定律的液体。任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体。指在受力后极易变形，且切

3、应力与变形速率成正比的低粘性流体。 水、酒精、汽油、血浆、血清等，都是牛顿流体，即粘度水、酒精、汽油、血浆、血清等，都是牛顿流体，即粘度不随剪切率变化。不随剪切率变化。 2.牛顿流体粘度与剪切率的关系 粘度是度量流体粘滞性的物理量，它反映流体流动时的内摩擦力大小。在一定的温度下，牛顿流体的剪应力与剪切率呈线性关系，粘度不随流动状态变化，即与剪切率变化无关。由此可见，在液体层流中，剪应力与剪切率的比值是固定的，剪应力趋于0时，剪应力亦趋于0。（二）非牛顿流体（二）非牛顿流体1.概念 凡不符合牛顿粘性定律的液体都称为非牛顿流体。2.非牛顿流体粘度与剪切率的关系 非牛顿流体是剪应力和剪切变形速率之间

4、不满足线性关系的流体。 自然界中存在着大量非牛顿流体，例如油脂、油漆、牛奶、牙膏、动物血液、泥浆等。 三、泊肃叶定律三、泊肃叶定律 泊肃叶泊肃叶 (Jean-Lous-Marie Poiseuille 1799-1869) 泊肃叶泊肃叶 (Jean-Lous-Marie Poiseuille 1799-1869)简介简介 法国生理学家。他长期研究血液在血管内的流动。在法国生理学家。他长期研究血液在血管内的流动。在求学时代即已发明血压计用以测量狗主动脉的血压。他求学时代即已发明血压计用以测量狗主动脉的血压。他发表过一系列关于血液在动脉和静脉内流动的论文（最发表过一系列关于血液在动脉和静脉内流动的

5、论文（最早一篇发表于早一篇发表于18191819年）。其中年）。其中1840-18411840-1841年发表的论文年发表的论文小管径内液体流动的实验研究小管径内液体流动的实验研究对流体力学的发展起对流体力学的发展起了重要作用。他在文中指出，了重要作用。他在文中指出，流量与单位长度上的压流量与单位长度上的压力降与管径的四次方成正比。力降与管径的四次方成正比。此定律后称为泊肃叶此定律后称为泊肃叶定律。由于德国工程师定律。由于德国工程师G.H.L.G.H.L.哈根在哈根在18391839年曾得到同样年曾得到同样的结果，的结果，. .奥斯特瓦尔德在奥斯特瓦尔德在19251925年建议称该定律为哈根年

6、建议称该定律为哈根- -泊肃叶定律。泊肃叶定律。（二）（二）泊肃叶流动泊肃叶流动概念：概念：牛顿流体在水平均匀圆管牛顿流体在水平均匀圆管中做层流，过管轴的任一平面上，中做层流，过管轴的任一平面上，各层的流速呈抛物线分布。各层的流速呈抛物线分布。泊肃叶流动泊肃叶流动的速度分布的速度分布r0rv 流体要流动，必须有外力抵消内流体要流动，必须有外力抵消内摩擦力，即管子两端摩擦力，即管子两端L L存在压强差存在压强差(p)(p)。plrQ840适用条件：适用条件：牛顿流体，流体作定常流动，均匀的水平圆管。牛顿流体，流体作定常流动，均匀的水平圆管。plrQ840 泊肃叶定律应用泊肃叶定律应用 它是设计竖

7、直毛细粘度它是设计竖直毛细粘度计的理论依据。计的理论依据。第二节第二节 血液的粘度血液的粘度 一、几种血液粘度的定义一、几种血液粘度的定义为了从不同的角度更准确地描述流体的粘性，人们定义了多种粘度。（一）定义 1.动力粘度动力粘度 即粘度系数、粘度、绝对粘度、牛顿粘度，是量度牛顿流体粘性大小的物理量。单位：pa.s 常用mpa.s。 每一个剪变率对应一个粘度，称为每一个剪变率对应一个粘度，称为表观粘度。表观粘度。2 表观粘度表观粘度 牛顿流体的粘度牛顿流体的粘度 非牛顿流体的粘度非牛顿流体的粘度3.还原粘度还原粘度 还原粘度是建立在单位红细胞压积的基础上，其大小的差异主要来自红细胞的流变性质，

8、如聚集性，变形性。还原粘度大小主要表征红细胞的流变性。（后面介绍）4.血液的相对粘度血液的相对粘度 是全血粘度与血浆粘度之比。5.比粘度比粘度 某液体的粘度与标准参照液粘度之比。当前医院用毛细管粘度计测定的血液粘度基本上都是比粘度。（二）影响血液粘度的主要因素（二）影响血液粘度的主要因素1.红细胞压积（HCT） 血液粘度随红细胞压积的增加而增高，反之则降低。2.红细胞聚集 红细胞聚集主要影响低剪切下血液粘度。红细胞聚集增多时，低剪切下血液表观粘度增高。 （1）血浆大分子桥联作用；）血浆大分子桥联作用； （2）细胞表面静电排斥力；）细胞表面静电排斥力； （3）流场剪切应力；）流场剪切应力； 流场

9、剪切率降低：致血液接近于不流动时， 造成液体内摩擦阻力增加，出现聚集体。 流场剪切率增大：当流场剪切率或剪切应力增大到足以克服血浆中大分子桥联力，则红细胞不易聚集在一起。若红细胞聚集，说明红细胞表面电荷减少，则红细胞电泳时间减慢，而粘度也可以上升。3.红细胞变形红细胞变形 红细胞在外部流体剪切应力作用下很容易被拉成椭圆形，并随流动方向取向，而且这些变形和取向的程度随剪切率增加而增加，从而导致血液阻力降低。红细胞变形性能力降低或丧失，红细红细胞变形性能力降低或丧失，红细胞就不能通过比自己小的微血管，这时红细胞在胞就不能通过比自己小的微血管，这时红细胞在微血管中流动时的粘度也就增加。微血管中流动时

10、的粘度也就增加。 4.血浆粘度血浆粘度 血浆蛋白既是影响血浆粘度的主要因素，也是影响血液粘度的重要因素。血浆蛋白对血浆粘度血浆蛋白对血浆粘度的影响决定于血浆蛋白的含量，分子的形状和大的影响决定于血浆蛋白的含量，分子的形状和大小，蛋白的含量愈高，血浆粘度愈高。小，蛋白的含量愈高，血浆粘度愈高。5.温度的影响温度的影响 温度升高使体液粘度降低，温度下降使体液粘温度升高使体液粘度降低，温度下降使体液粘度增高。度增高。 温度对血液粘度相当重要，在临床医学中有很重要的意义。如，有些外科手术常在低温下进行，内科常有高烧和中暑病人，外周血管病、巨球蛋白血症、红细胞增多症等病人的四肢受冷会引起严重症状，所以研

11、究温度对血液粘度的影响。但血液情况十分复杂，温度升高将导致红细胞聚集增高，于是使血液低剪切率粘度升高， 6.pH及渗透压及渗透压 pH和渗透压对血液粘度的影响，主要是因为它们引起红细胞聚集性和变形性的改变。 pH降可使红细胞膜变硬，细胞变形下降。低渗状态可使红细胞球形化，变形性降低。高渗条件可使细胞内水分外流，细胞内粘度升高。因而这些因素都可使低剪切率下低剪切率下粘度降低，高剪切率下粘度升高。粘度降低，高剪切率下粘度升高。7.剪切率剪切率 非牛顿流体的粘度，随剪切应力或剪切率的变化而变化。 在高剪切率时全血粘度低，而在低剪切率时，全血粘度则在高剪切率时全血粘度低，而在低剪切率时，全血粘度则增高

12、。增高。 这是因为低剪切时，红细胞易于发生聚集，高剪切率时红细胞聚集被冲开，又处于分散状态。剪切率主要是影响红细胞的聚集与变形，而血液粘度与红细胞聚集和变形密切相关 。8.管壁及血管口径管壁及血管口径 血管壁平滑血液流动快，血管壁粗糙则血液流动变慢。血管口径小，血液粘度会随口径减小而变小。9.其他其他 吸烟者红细胞压积增加，纤维蛋白原升高，使红细胞内粘度增加。红细胞刚性增加，红细胞聚集增加，并使血小板聚集增加，从而使全血粘度增高。 饮酒（特别是大量饮酒）可以使血液粘滞。 应激反应可导致交感神经过分兴奋，儿茶酚胺产生过剩，可增加血小板聚集使血液粘滞诸因素升高。二二 应变与应力应变与应力 形变现象

13、形变现象水随形变，变则生，不变则死，水随形变，变则生，不变则死， 我们之所以能走路，能奔跑，我们之所以能走路，能奔跑，就是因为脚掌发生了形变。就是因为脚掌发生了形变。 脸部发生形变，才展现出丰富的表情。脸部发生形变，才展现出丰富的表情。人脸造型与人脸表情动画研究就人脸造型与人脸表情动画研究就是研究脸部各块的形变规律。是研究脸部各块的形变规律。 物体在外力的作用下，其形物体在外力的作用下，其形 状和大小发生改变。状和大小发生改变。 2 2 分类分类； （1）根据形态分为）根据形态分为 拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转1 1 形变的概念形变的概念拉伸拉伸压缩压缩弯曲弯曲剪切

14、剪切扭转扭转 弹性形变弹性形变：形变不超过一定限度，：形变不超过一定限度，撤去外力后，物体能够完全恢复原状的撤去外力后，物体能够完全恢复原状的形变。形变。 塑性形变塑性形变：形变超过一定限度，：形变超过一定限度，撤去外力后，物体不能够完全恢复原状撤去外力后，物体不能够完全恢复原状的形变。的形变。 （2）根据状态分类）根据状态分类1.1.应变的应变的概念：物体发生形变时，变化的概念：物体发生形变时，变化的 相对量。相对量。 物理意义：描述形变的程度。物理意义：描述形变的程度。2.2.应变的分类应变的分类0ll二、应变二、应变线应变线应变体应变体应变切应变切应变（1）线应变）线应变0l0llF F

15、 物体上两互相垂直的微物体上两互相垂直的微小线段，在其形变后其小线段，在其形变后其角度的改变值。角度的改变值。A AtgO A （2）体应变）体应变（3）切应变）切应变0VV FF 应变特点：没单位的纯数应变特点：没单位的纯数, ,与原来的长度、体积或形状与原来的长度、体积或形状都没关系。都没关系。0V0VV（三）应力（三）应力 1. 1.应力的概念：应力是物体内单位面积上的内应力的概念：应力是物体内单位面积上的内力（分子力）。力（分子力）。应力等于形变时的内力与内力作用面应力等于形变时的内力与内力作用面积之比。积之比。 单位单位N/m2N/m2（牛顿（牛顿/ /米米2 2）包括：张应力、压应

16、力（包括：张应力、压应力（P P）、剪应力。）、剪应力。 应力形变时的内力应力形变时的内力/ /内力作用面积内力作用面积2.2.应力的物理意义应力的物理意义 应力具有局部特征，可以表示相应位置应力具有局部特征，可以表示相应位置上的受力强度，它的物理意义反映了物体发上的受力强度，它的物理意义反映了物体发生形变时的内力分布情况。生形变时的内力分布情况。 应变与应力的关系应变与应力的关系 一一对应关系，即什么样的应变产生什一一对应关系，即什么样的应变产生什么样的应力。张应力、压应力么样的应力。张应力、压应力（P P） 、剪应力。、剪应力。3.3.应力与形变的关系应力与形变的关系一般来说，同一个弹性体

17、，应力越大，形变越一般来说，同一个弹性体，应力越大，形变越大。大。第二节第二节 物体的粘弹性物体的粘弹性一、物体的弹性一、物体的弹性受外力后变形，且有恢复原状的反弹力；受外力后变形，且有恢复原状的反弹力；在在极限范围内，外力消失后会恢复原状；极限范围内，外力消失后会恢复原状；在极限在极限范围内，伸长或压缩的程度与所加外力的大小有范围内，伸长或压缩的程度与所加外力的大小有一定的关系。一定的关系。（一）物体的弹性的特点：（一）物体的弹性的特点：E（二）物体的弹性遵从的规律（二）物体的弹性遵从的规律胡克定律：应力不超过一定极限，应力与应变成正比。 E二、物体的粘性二、物体的粘性研究对象：所有流体研究

18、对象：所有流体如果物体内存在内摩擦力（粘滞力），即如果物体内存在内摩擦力（粘滞力），即剪应力，量度物体粘性程度的物理量就是剪应力，量度物体粘性程度的物理量就是粘度。粘度。 流体流动时，为什么会具有粘性？流体流动时，为什么会具有粘性？由于相邻两层流体互相接触，流速不同而产生。（二）影响内摩擦力的因素（二）影响内摩擦力的因素1.粘度：粘度：不同流体粘度不同，粘度大，内摩擦力大，反之，内摩擦力小。2.温度温度：液体温度升高粘度降低；气体温度升高粘度增大。3.压强：压强：高压下，液体、气体粘度都增大 （三）粘性与弹性的区别：粘性与弹性的区别： 1. 1.只有在流体各层相对运动时，才只有在流体各层相对运

19、动时，才表现出粘性，而弹性是瞬时的响应；表现出粘性，而弹性是瞬时的响应； 2. 2.弹性体在外力消失后恢复原状，而弹性体在外力消失后恢复原状，而粘性流体会流掉，不能恢复原状；粘性流体会流掉，不能恢复原状； 3.3.弹性能可储存起来做功，而粘性则弹性能可储存起来做功，而粘性则把能量耗散变热。把能量耗散变热。（一）概述：（一）概述： 生物流体因为要克服生物流体因为要克服内摩擦力，所以具有粘弹性内摩擦力，所以具有粘弹性。 既具有流体的性质，也具有固体的性质。既具有流体的性质，也具有固体的性质。任一点任一时刻的应力状态，不仅取决于当任一点任一时刻的应力状态，不仅取决于当时当地的应变，而且与应变的历史过

20、程有关，时当地的应变，而且与应变的历史过程有关，即材料是具有即材料是具有“记忆记忆”的。的。 粘弹体的特点：粘弹体的特点：比如蛋清、唾液、比如蛋清、唾液、生物材料中的液体固体（关节液、软骨、皮肤等）。生物材料中的液体固体（关节液、软骨、皮肤等）。三、物体的粘弹性三、物体的粘弹性 粘弹性流体有粘弹性流体有沿旋转棒向上爬的沿旋转棒向上爬的倾向。如果把粘弹倾向。如果把粘弹性流体放入容器，性流体放入容器，它会沿容器壁向上它会沿容器壁向上爬升。爬升。 关于粘弹性流体的一些有趣的现象关于粘弹性流体的一些有趣的现象 对于粘弹性流体，由对于粘弹性流体，由于拉伸粘度随着变形速率于拉伸粘度随着变形速率增加而增加，

21、这个比值可增加而增加，这个比值可达到达到 101010103 3量级。因此量级。因此在伸长流动中会产生开口在伸长流动中会产生开口虹吸现象。如果把管子一虹吸现象。如果把管子一端插入粘弹性流体，由于端插入粘弹性流体，由于虹吸作用，流体经管道流虹吸作用，流体经管道流出。如果把插入流体中的出。如果把插入流体中的管端提出液面管端提出液面, ,流体仍然会流体仍然会被吸引上来。被吸引上来。 粘弹性流体从管内自由流出时，通常可粘弹性流体从管内自由流出时，通常可以看到射流膨胀现象以看到射流膨胀现象, ,这种现象称为挤出物膨这种现象称为挤出物膨胀（如图）。例如，聚苯乙烯在胀（如图）。例如，聚苯乙烯在1751752

22、00200条条件下较快挤出时件下较快挤出时, ,直径膨胀达直径膨胀达2.82.8倍。以上现象倍。以上现象都是由于粘弹性流体受剪切时产生法向应力差都是由于粘弹性流体受剪切时产生法向应力差的结果。的结果。 （二）粘弹体的特点粘弹体的特点时间时间应力应力应变应变时间时间（1 1）. .应力松弛：应力松弛：当粘当粘弹体突然发生应变时，弹体突然发生应变时，若保持应变恒定，则应若保持应变恒定，则应力将随时间的增加而缓力将随时间的增加而缓慢减小，这种现象称为慢减小，这种现象称为应力松弛。应力松弛。如：血管、血液如：血管、血液应力应力时间时间（2 2）. .蠕变：蠕变：当粘弹体当粘弹体突然发生应变时，若保突然

23、发生应变时，若保持应力恒定，则应变将持应力恒定，则应变将随时间的增加而增大。随时间的增加而增大。如：关节、软骨如：关节、软骨时间时间应变应变（3 3）. .应力滞后：应力滞后：对粘弹对粘弹体进行加载和减载实验，体进行加载和减载实验，可测得加载时的应力可测得加载时的应力- -应应变曲线与减载时的应力变曲线与减载时的应力- -应变曲线不重合。且在任应变曲线不重合。且在任一应变下，加载时的应力一应变下，加载时的应力比减载时的应力大，形成比减载时的应力大，形成应力滞后环。应力滞后环。应力应力应变应变如：血液、红细胞如：血液、红细胞（4 4）. .延迟弹性：延迟弹性：对弹性体对弹性体，应变对应力的响应不能即，应变对应力的响应不能即时达到平衡，应变滞后应力时达到平衡，应变滞后应力；恒定应力下，应变随时间；恒定应力下，应变随时间逐