《生物力学》课件CHP6-2血液流变学

1、 第三节 血细胞的流变性 研究进展：红细胞的研究最为深入血小板的研究次之白细胞的研究最少研究内容： 血细胞的结构血细胞的流变性质测定血细胞流变性的方法影响血细胞流变性的因素血细胞流变性的生理、病理意义 一 红细胞的流变性二 血小板的流变性三 白细胞的流变性红细胞的流变性 二、红细胞的变形性三、红细胞的聚集性一、红细胞的基本结构红细胞的功能与特性(1)红细胞（erythrocyte）是血液中数量最多的一种血细胞，其重要功能为运送氧气与二氧化碳。红细胞运输的氧约为溶解于血浆的70倍；在红细胞参与下，血液运输二氧化碳的能力约为直接溶解于血浆的18倍。正常红细胞呈双凹圆碟形，平均直径约8m，周边稍厚。

2、这种细胞表面积与体积之比大，气体可通过的面积也较大；由细胞中心到大部分表面的距离较短，因此气体进出红细胞的扩散距离也较短。这种形状也有利于红细胞的变形。红细胞在全身血管中循环运行，常要挤过口径比它小的毛细血管和血窦间隙，这时红细胞将发生卷曲变形，在通过后又恢复原状。红细胞的功能与特性（2）红细胞保持双凹圆盘形需要消耗能量。红细胞消耗葡萄糖，通过糖酵解和磷酸戊糖旁路产生能量 。红细胞膜是以脂质双分子层为骨架的半透膜。氧和二氧化碳等脂溶性气体可以自由通过，尿素也可以自由透入。在电解质中，负离子（如CI-、HCO3-）一般较易通过红细胞膜，而正离子却很难通过。 红细胞的功能与特性（3）红细胞寿命为1

3、20天，每天约需更新0.8%（相当于每分钟更新1.6108个）幼红细胞发育成熟阶段需要合成DNA的辅酶维生素B12与叶酸合成血红蛋白需要铁为原料，每毫升血含铁1mg，每天需要20-25mg铁用于红细胞生成，但只需要从食物中补充1mg，其余部分来自人体铁的再利用促红细胞生成素（Erythropoietin,EPO）能促进红系祖细胞，并加速这些细胞增值，刺激红细胞的生成。雄激素、甲状腺素、生长激素可以增加强EPO的作用，雌激素则抑制红细胞生成。 一、红细胞的基本结构电镜下的红细胞 红细胞从显微镜下可以看到，血细胞中数量最多的是红细胞。（一）、红细胞的体积： 体积约占全血液体积的40-45% 体积约

4、占全体血细胞体积的95%（二）、红细胞的形状： 红细胞呈两面凹的圆饼状。 成熟的红细胞没有细胞核，富含血红蛋白。红细胞的流变性 *血红蛋白是一种含铁的蛋白质，呈红色。它在氧含量高的地方容易与氧结合，在氧含量低的地方又容易与氧分离。血红蛋白的这一特性，使红细胞具有运输氧的功能。 关于红细胞的一些数据红细胞的流变性介绍：有尾两栖类哺乳动物（蜥蜴）最大直径15.6617.06微米特点：较大的表面积与体积的比（三）红细胞模型：内部充液（血红蛋白溶液）的可以聚集在一起（红细胞聚集性）的有大变形（红细胞变形性）的具有粘弹性（性能）的薄壳（红细胞膜）颗粒。红细胞的流变性 由细胞膜及内溶液组成。（成熟人的红细

5、胞无细胞核，未成人和成熟的非哺乳类动物有细胞核）（1）红细胞膜：（包裹在外）组成：蛋白质（占50%，主要有膜血影蛋白、肌动蛋白和锚蛋白）脂类（占42%，主要有磷脂、糖脂和胆固醇）糖类（占8%）结构：脂质双分子层：磷脂 胆固醇 糖脂 膜骨架组成： 膜内层长链蛋白膜血影蛋白、肌动蛋白和锚蛋白 膜上球蛋白（四）、红细胞的结构红细胞的流变性这种结构对红细胞的流变性起着非常重要的作用。怎样体现？作用：脂质双分子层具有流动性（决定红细胞的变形）膜骨架具有对层的稳定支撑作用（决定红细胞的形状和变形）红细胞的流变性（2）红细胞的内溶液：（胞浆）平均为33g.dl-1。正常人体的血红蛋白溶液的粘度为6-7mPa

6、s之间。称为内粘度红细胞的流变性血红蛋白（MCH）（Hb)溶液 正常人体的血红蛋白溶液的浓度为27-37g.dl-1之间。借助于显微镜或激光衍射仪观察二、红细胞的变形性红细胞在流场中很容易变形红细胞的流变性(Deformabilty)（一）决定红细胞变形性的内在因素 红细胞膜的力学性质红细胞内液粘度红细胞的几何形状原因有三方面红细胞可以适应各种流动条件，甚至可以通过比其直径还小很多的毛细血管，红细胞的变形、取向与形状是保持良好循环的基础红细胞变形大小与外加切应力等（外部因素）及固有的可变形性能（内部因素）有关红细胞的流变性 1、红细胞膜的力学性质：（膜的流动性和膜的粘弹性）（1）红细胞膜的流动

7、性：是它重要力学特性，可直接影响红细胞的变形性，膜的流动性越强，红细胞的变形性也越好红细胞膜上的磷脂可处于凝胶相或溶胶相两种相态。凝胶相：（晶胶相）磷脂的脂肪酸链排列整齐且致密脂质双分子层流动性小溶胶相：（液晶相）磷脂的脂肪酸链排列整齐但疏松脂质双分子层流动性大红细胞的流变性 正常体温下红细胞膜上的脂质大多数处于溶胶相、流动特点：由于红细胞膜的相态红细胞膜具有类似于液体般的流动性红细胞膜围绕其内液做坦克履带式的转动。切变率越大转动频率越高红细胞的流变性 、流动作用：由于红细胞膜的坦克履带式运动充分发挥运输氧气的功能红细胞膜可以把其所受的切应力传给细胞内液，引起内液运动，促进O2和CO2分子与血

8、红蛋白结合，使红细胞更有效的发挥其输运气体的能力。有利于红细胞经受较大的剪应力而不易破裂。有利于红细胞的变形。红细胞的流变性 、影响因素：膜的流动性这一特性决定于膜的组成成分、结构、组成物质的状态据报道红细胞膜的微粘度越大，膜的流动性越差。脂质双分子层中胆固醇与磷脂的比值越高膜的流动性越差脂质双分子层表面的膜骨架蛋白及其他成分之间的相互作用也可改变红细胞膜的流动性红细胞的流变性 （2）红细胞膜的粘弹性：红细胞的流变性膜内层长链蛋白与膜上的跨膜球蛋白将流动的脂质双分子层联系在一起，使红细胞既保持一定的形状，又具有很好的流动性。粘弹性粘弹性是它的又一重要力学特性。膜的粘弹性变化，红细胞膜的变形性也

9、要改变。（膜的粘度越大，变形性越差）（膜的硬度越大，变形性越差） 粘弹性特点：红细胞膜对外力的反应：决定于作用力的大小和时间。当外力小，作用时间短（t100s ）时，膜似弹性体可发生大的弹性变形； 即外力撤销后能恢复初始状态。 就是说膜物质不发生重新排列当外力大，作用时间长（t5-10min）时，膜似粘弹性体可发生蠕变产生流动； 即外力撤销后不能恢复初始状态。 就是说膜物质发生重新排列红细胞的流变性膜骨架结构支持双分子层才使细胞膜具有粘弹性 粘弹性量：弹性切变模量模量越大可变形性越小。膜的切变模量来源于膜骨架蛋白膜骨架的（弹性）性能：（用二胺氧化处理红细胞，使膜骨架蛋白发生氧化交联，致使红细胞

10、膜刚度增加，红细胞变形性下降）表面粘性系数粘度越大可变形性越小。膜的表面粘性来源于脂质双分子层膜的（粘性）性能：（脂质双分子层）红细胞的流变性 影响因素：粘弹性这一力学特性决定于膜的成分，以及这些成分在膜中的结构和排列。据报道膜中卵磷脂含量减少则表面粘性系数增大红细胞膜可变形性小膜中胆固醇与磷脂的比值增加则表面粘性系数增大红细胞膜可变形性小红细胞的流变性 膜中ATP含量减少则钙离子的浓度增加，细胞膜变硬，弹性模量增大红细胞膜可变形性小膜中钙离子与镁离子含量的比值增加，细胞膜变硬，弹性模量增大红细胞膜可变形性小红细胞的流变性脂肪酸链的长度与不饱和程度也将影响红细胞的变形性钙离子浓度对红细胞变形性

11、的影响：钙离子激活细胞膜上的钾通道，使胞内钾与水外流，细胞由双凹圆盘形变为了棘状球形，表面积/体积减小、内粘度增加。胞内钙离子增加能够引起细胞膜磷脂成分的不对称丢失，减弱膜的变形性。Ca2+引起膜蛋白的水解、聚集、交叉连接等结构改变使红细胞膜机械特性发生变化 2、红细胞内液粘度：内粘度是指红细胞内液血红蛋白溶液的粘度它是影响红细胞可变形性的又一重要因素。内液粘度升高，红细胞的可变形性降低。而内液粘度受 平均血红蛋白浓度 的影响。 血红蛋白物理化学性质 红细胞的流变性内粘度可以使用红细胞变形指数TK值表示： （1）内液粘度与平均血红蛋白浓度的关系：血红蛋白的浓度在27-37g.dl-1时，对内液

12、粘度的影响不大（6-7mPaS)；当血红蛋白的浓度超过37g.dl-1时，红细胞的内液粘度随血红蛋白浓度的升高而指数规律增长。这时对红细胞的可变形性影响很大；成为影响红细胞变形性的决定性因素。红细胞的流变性当细胞内、外粘度比大于50时，红细胞将丧失其变形性（2）血红蛋白的物理化学性质：溶解度、稳定性、氧饱和度、氧分压、PH值等.溶解度和稳定性血红蛋白的溶解度降低或血红蛋白不稳定发生聚合及沉淀时能使红细胞内粘度升高，变形性降低。氧饱和度（红细胞中每克血红蛋白能结合氧的最大值称为氧饱和度。正常值1.34ml/g）小于1.34ml/g时，与氧结合的少血红蛋白活度小红细胞的硬度大变形性差。大于1.34

13、ml/g时，与氧结合的多血红蛋白活度大红细胞的硬度小，变形性优。红细胞的流变性总之：凡是引起红细胞内液粘度升高的，红细胞的变形性都将降低；凡是引起红细胞内液粘度下降的，红细胞的变形性都将增加。氧分压（能结合和不能结合全体氧的压强值。正常值12133.33Pa）小于12133.33Pa时红细胞的硬度大，变形性降低。大于12133.33Pa时红细胞的硬度小，变形性增加。PH值（正常值6.6）小于6.6时内粘度增加，变形性降低。大于6.6时内粘度降低，变形性升高。红细胞的流变性3、红细胞的几何形状（1）红细胞的变形性与体积、表面积有关 表面积 体积 比值红细胞 135 94m3 1.5同体积的圆球

14、100 94m3 1.1红细胞这样过剩的表面积可经历各种变形；红细胞这样的比值为极易变形提供了保障。红细胞的流变性 （2）球形指数：其中V 、A分别表示体积和表面积球形指数越大的物体，变形性越差。其值在01之间，正常红细胞的球形指数约为0.7。同体积圆球的球形指数约为1红细胞的流变性（二）影响红细胞变形的外在因素：因为红细胞都生活在其他血细胞和血浆组成的外环境之中，外环境的变化必然会影响红细胞变形。主要有以下几种：红细胞的流变性剪切作用介质粘度血管内径红细胞浓度其它（pH值、渗透压）1、流场中的剪变率：在一定范围内，RBC的变形程度随剪应力的增大而增大。超过一定值，其变形十分缓慢。（如图）红细

15、胞的流变性2、毛细血管的直径：因为大部分毛细管的直径小于红细胞的直径，因此红细胞通过毛细管时必须变形。(红细胞能通过的最小管径是2.9m) 直径越小，RBC变形程度越大。红细胞的流变性3、血细胞浓度：因为血细胞浓度增加，从定向流线上看可引起细胞之间局部切变率的增加，变形程度增大。血细胞浓度增加，红细胞的变形程度也增加。红细胞的流变性 4、介质粘度：相同剪变率下，红细胞的变形程度受介质粘度的影响。介质粘度愈高，红细胞变形程度愈大，即长轴愈长。红细胞的流变性 5、PH值： 外环境的PH值是影响红细胞变形因素原因：PH值变化可改变膜物质的性质（1）PH值的下降可以使红细胞膜硬度增加，变形性降低。（2

16、）PH值的下降可以使红细胞的球形化，球形指数增大，变形性降低。红细胞的流变性PH=6.6明显降低 6、渗透压：红细胞所处介质的渗透压可影响红细胞的变形性。在低渗透压介质中：水分由介质流入细胞内，会出现两种情况使红细胞膨胀球形化，球形指数增高变形性降低同时水分进入细胞内，可降低内液血红蛋白的浓度，使内液粘度降低变形性增加。总之球形指数的作用超过内液粘度的作用，红细胞的变形性降低。红细胞的流变性 在高渗透压介质中：水分由细胞内流出，会出现两种情况使红细胞皱缩，球形指数降低变形性增强同时水分流出细胞，使内液血红蛋白的浓度增加，内液粘度增大变形性下降。总之球形指数的作用小于内液粘度的作用，红细胞的变形

17、性降低。红细胞的流变性 *还有在不同渗透压介质中离子浓度不同，使血浆蛋白与红细胞表面之间静电斥力不同使血浆蛋白在红细胞表面的吸附不同，导致红细胞膜的硬度不同变形性不同以上三种因素综合作用决定红细胞在渗透压不同的介质中的变形性。红细胞的流变性 在等渗状态在低渗状态 在高渗状态 红细胞的流变性（三）红细胞变形的生理意义：红细胞变形性是影响全血宏观流变特性的主要因素之一。在血液的流动、红细胞的寿命、微循环的有效灌注方面起着决定性的作用。红细胞的流变性1、红细胞的可变形性是影响血液流动的主要因素：在大血管中血液的流动主要取决于红细胞的压积在小血管中血液的流动主要取决于红细胞的变形例如：血细胞压积45%

18、时，血液仍可处于流动状态 刚性颗粒悬浮液浓度45%时，呈混凝土样无流动说明变形性在流动中是多么重要啊！红细胞的流变性那么变形性在流动中是如何影响粘度的呢？实验：（如图）在高切时，红细胞要变性，血液的粘度必须下降红细胞的流变性看出：硬化的红细胞粘度随切变率的增加而不变正常的红细胞粘度随切变率的增加而降低区别：变形性的有无得出：硬化的红细胞在高切变率时不能变形正常的红细胞在高切变率时能变形导致血液的表观粘度下降 解释分析：（如图）样品：（体积相同）正常红细胞 硬化红细胞 刚性小球 流场：一去一回分析：扫出空间最小 扫出空间最大 扫出空间较大 对流场干扰小 对流场干扰最大 对流场干扰较大 内摩擦力小

19、 内摩擦力最大 内摩擦力较大 能量耗损小 能量耗损最大 能量耗损较大图红细胞的流变性结论：红细胞变形性能差能量损耗大血液表观粘度升高血流阻增大组织和器官的血流灌注量减少。红细胞的流变性红细胞变形性能优能量损耗小血液表观粘度降低血流阻减小组织和器官的血流灌注量充足。2、红细胞的可变形性是体内红细胞寿命的重要决定因素：红细胞的流变性红细胞的可变形性不仅影响它从骨髓到循环血液的释放过程；而且决定它从血液循环中被清除过程脾脏等网状内皮系统是体内高效滤过器，可以滤掉老化、病态的红细胞。3、红细胞的可变形性是微循环有效灌注的必要条件：红细胞的流变性红细胞的可变形性是红细胞轴向集中、临界毛细管半径的重要决定

20、因素。红细胞轴向集中：定义：在管壁附近的红细胞受到一垂直于管壁而指向轴心的力，使红细胞向轴心方向移动。理论：Magnus归纳能量耗散极小值定理、Magnus效应、伯努利原理红细胞的流变性实验：变形与硬化的红细胞意义：A)有轴向集中，可逃逸血管壁处高切流区的影响，减少损伤。B)变形好临界半径小，利于F-L正效应的存在，血液的粘度大幅度降低。C）由血浆层，利于调节微循环中血细胞的分布，使侧枝比积降低，粘度下降。红细胞的流变性临界半径：定义：F-L效应的分界点。 2.5-3.5微米理论：如果红细胞变形性差临界半径大出现F-L逆效应管径大影响灌注量变形性好坏是影响临界半径的重要因素希望F-L正效应存在，血液的粘度大幅度降低。意味着：逆转将在较大的毛细管甚至细动脉、细静脉中发生。归纳下框图红细胞的流变性红细胞的变形性膜的力学性质内粘度几何结构流动性和粘弹性血红蛋白浓度和物化性质表面积和体积 三、红细胞的聚集性红细胞的流变性研究内容：红细胞聚集性的影响因素红细胞聚集性的测量方法红细