生物流變學

Rheology由美國化學家E. C. Bingham(1929)命名，是研究物質變形和流動的學問。rheo的語源是由希臘語“rheos”（流動）得來。希臘哲學家Heraclitus的名言“萬物皆轉”（Panta Rei）中的rei與rheo同義。

生物流變學是研究生物學領域內有形成分變形與流動規律的科學。包括了細胞到臟器尺度的廣泛領域。隨著分子解析，納米技術的導入等，細胞的流變學特性分析在不斷進步。

1 血液流變學

研究血液作為一種非牛頓型流體所具有的流動和凝固特性以及血液的有形成分，主要是紅細胞的粘彈性及其變形功能。

血液循環的生理意義是運輸氧、養分和代謝物質，以維持生物體內環境的恆常性，保持機能正常。血液循環的驅動力是由心臟壓縮引起的壓力。但即使在同樣壓力下，血液流動會受其自身的流體力學特性影響而變化。研究血液及其有形成分變形與流動規律的科學稱為血液流變學（hemorheology）。

1-1 血液的組成成分

血液由紅細胞（RBC），白細胞（WBC），血小板（PLT）和血漿組成。紅細胞、白細胞和血小板是血液的有形成分，紅細胞占血液全體的40-45%（紅細胞壓積HCT），白細胞和血小板在血液中所占容積很小，基本可以忽略。

紅細胞是直徑約為8的雙凹面形餅狀細胞。表面積約為120-140，要比同容積（85-105）的球體表面積大約為30-40%，這種較大的表面積/容積比有利於向組織進行有效的氧輸送。紅細胞在循環血中的壽命為120天。由骨髓生成的新鮮紅細胞直徑較大，中間的凹陷維持較好。而老化的紅細胞中間凹陷程度會減小，中間增厚有變成球形的傾向。

白細胞呈球形，細胞表面有微細的皺紋。直徑為9-12，比紅細胞大，白細胞包括淋巴球、顆粒球和單球，其中淋巴球較小。白細胞大小、內部構造（細胞骨架）以及與內皮細胞的相互作用都會影響微循環的血液流動。血小板是血液有形成分中最小的，直徑2-3。血小板內部包含複雜的子器官和收縮蛋白質，當受到外部刺激時這些物質會激活使其力學性質發生改變。

血漿約占血液總體積的55%，由水、血漿蛋白、無機鹽、非蛋含氮化合物和不含氮化合物組成。對血漿力學性質影響最大的是血漿蛋白、球蛋白、纖維蛋白原。

1-2 血液粘度

血液粘度受到各種細胞成分的物理化學性質和數量、血漿成分及其濃度、細胞成分和血漿成分的相互作用、血液所處物理化學環境的影響。同樣的血液，在不同條件下，它的粘度也可能不同。對於牛頓流體，切變率和切應力的關係曲線是一條通過原點的直線，直線斜率為該液體粘度，為一常量。粘度隨切應力和切變率變化的流體稱為非牛頓流體，流動曲線不是直線。對於非牛頓流體，切應力和切變率的比值被稱為表觀粘度。它隨切變率和切應力而變化，不是常數。

粘度單位如果用厘米，克，秒(Centimeter-Gram-Second, CGS)單位來表示的話應為，稱為，。如果換算成國際單位，壓力用表示，。

血液粘度會隨切變率而變化。高切變率領域血液粘度隨紅細胞變形增大而降低。低切變率領域血液粘度隨紅細胞聚集而上升。這種表觀粘度隨切變率增加而降低的現象稱為shear thinning(剪下稀釋)。

影響血液粘度的因素包括①紅細胞數量（或紅細胞壓積） ②血漿粘度 ③紅細胞變形現象 ④紅細胞的聚合現象。這其中③④是影響血液粘度以及切變率依存性的主要因素。

① 隨著紅細胞壓積增加，血液粘度會增加；當紅細胞壓積超過50%時粘度呈指數函式增加。

② 血漿的粘度為1.2-1.3，它依賴於蛋白質種類和濃度。血漿一般可認為是牛頓流體，但一定條件下也會表現為非牛頓流體特性。

③ 紅細胞變形現象是指高切變率領域紅細胞的被動變形現象。由於紅細胞變形，流線受到的擾亂變小，使得流動阻抗減小，從而使血液粘度減小。但是，當紅細胞變硬時，流線受到的攪亂變大，粘度會上升。

④ 紅細胞的集合現象是指在低切變率領域由於紅細胞和高分子血漿蛋白質相互作用，使各個紅細胞集合在一體的狀態。形成集合體後，流線受到較大的擾亂使流動阻抗增加，血液粘度上升。因此，當除去高分子蛋白質使紅細胞不產生聚集時（紅細胞與生理鹽水的懸浮液），粘度就會下降。紅細胞變形依存於剪下力的大小，而紅細胞集合是在緩慢流動經歷了一定時間之後產生的現象。對於人體動脈、毛細血管和靜脈領域，切變率不同，血液粘度也有很大的不同。

1-3 血液粘度的測定

粘度計可分為毛細管粘度計和迴轉粘度計。血液粘度隨溫度、紅細胞壓積、剪變率以及保存狀態而變化，因此，測定血液粘度時必須在新鮮、一定壓積、溫度和不同切變率下進行。

毛細管粘度計（Ostwand粘度計）的基本原理是Poiseuille公式。對於兩種粘度為和的流體，流過毛細管相同的流體體積所需時間分別為和，壓力差為，。根據Poiseuille法則，，。當兩流體的密度，流體的粘度已知，測出流體流過毛細管的時間，，即可求出。

迴轉粘度計包括錐-板粘度計、圓錐-圓錐粘度計和共軸圓筒型粘度計（Couette粘度計）。對於錐-板粘度計，若測出了旋轉平板角速度和扭矩，就可以獲得該流體粘度。

1-4 心血管疾病判斷與血液流變學

研究表明，高血壓、冠心病、周圍血管疾病等各種血管疾病的血液流變學機制極其相似，而特定臨床歷程或症候的表現可能是遺傳因素加各種外部環境因素（應激等）的結果。

根據流行病學調查，冠心病危險因子與血液流變學密切相關。目前普遍認為吸菸是獨立的缺血性心腦血管疾病的危險因子。隨著吸菸者吸菸量的增加，血漿和血液粘度增加。

應激反應（寒冷、濕熱、高溫、受驚、噪聲、焦慮、精神緊張、急性病等）能引起血液流變學異常改變，表現為全血黏度、血漿黏度增高，脂質過氧化增強，細胞膜磷脂雙層、膜骨架蛋白損傷，紅細胞變形能力下降，血小板激活形成血小板聚集等。

高脂血症時，一方面通過損傷血管內皮細胞造成血小板調節因子平衡紊亂，另一方面直接誘導活化血小板，使血小板黏附、聚集增強。

高血壓病的血流動力學異常主要以外周阻力增高為基本特徵。高血壓病的血液流變特性改變包括：各切變率下的全血黏度、血漿黏度、紅細胞聚集性及血液的屈服應力明顯升高，而紅細胞變形能力沒有顯著改變。

1-5 圓管內的血液流動

研究表明，高血壓、冠心病、周圍血管疾病等各種血管疾病的血液流變學機制極其相似，而特定臨床歷程或症候的表現可可能是遺傳因素加各種外部環境因素（應激等）的結果。

根據Poiseuille法則，液體流量。這一法則用於微循環雖然有些牽強，但作為定性判斷卻非常方便。對於Newton流體，圓管內流速呈拋物線分布；對於血液，紅細胞在管中心聚集，沿管中心流動形成團，管內流速分布趨於平坦。根據經驗，內徑15以上的圓管內，紅細胞與血流平均速度之比約為1.6。隨著管徑減小，這一比例也會下降。

2 白細胞流變學

微循環觀察中，在細動脈中幾乎看不到白細胞，在毛細血管網和細靜脈中可以看到少許流動的白細胞，白細胞流動且具有趨邊性。在血流緩慢時白細胞接近壁面流動，隨著流速增加，白細胞逐漸向軸心移動。生理狀態下，白細胞比紅細胞大，應該更靠近軸心的區域運動。如果白細胞黏附增強，或紅細胞形成聚集體時，將迫使白細胞向血管邊緣移動，增加白細胞與血管壁接觸的機會。因此，白細胞的分布與其周圍紅細胞的狀態有著密切關係。

白細胞具有黏附功能。白細胞在血液循環中通常以被動狀態存在。白細胞的軸流速度明顯低於紅細胞，這種細胞速度差使白細胞被擠向血管壁，並與內皮細胞發生黏附。白細胞與血管壁的黏附作用可以引起白細胞的沿壁滾動，流速減慢。白細胞黏附功能增加除誘導血管收縮外，還可與內皮細胞間的黏附分子相互作用，形成小栓子，阻塞微血管和導致微循環障礙。

白細胞變形能力是指白細胞通過比自身直徑還小的毛細血管時發生被動變形的能力。白細胞的變形分為兩類：①能動變形，指白細胞依靠自身的能量產生變形的方式。如白細胞穿過血管壁，吞噬異物等的變形。②非能動變形，指白細胞在外力作用下的變形，如：白細胞通過狹窄微血管時的變形。白細胞升高對微血流、毛細血管內皮細胞有重要影響，在臨床上，缺血性腦血管病、動脈粥樣硬化以及肺損傷等都會使白細胞流變學特性產生不同程度的變化。

3 血小板流變學

血小板是血液中最小的細胞成分，在機體正常的止血和凝血過程中起重要作用。這與血小板的黏附、聚集和釋放功能密切相關。

正常狀態下血小板呈兩面微凸的圓盤狀，平均直徑。血小板主要分為表面結構、細胞骨架、細胞器與內容物以及特殊膜系統四部分。表面結構主要由細胞外衣和細胞膜組成，表面小的凹陷是開放管道系統的開口。血小板細胞骨架有微管、微絲和膜下細絲等三種結構，這些結構在維持血小板形態、釋放和收縮中起重要作用。血小板細胞器主要包括緻密顆粒（顆粒）、顆粒、溶酶體顆粒三種貯存顆粒，血小板被激活時，可以釋放不同活性物質。

血小板黏附功能是指血小板黏附於血管內皮下層或其他異物表面的特性。參與血小板黏附的成分有：膠原和微纖維、血小板膜糖蛋白GPIb, Von Willebrand因子（VWF）。血小板的黏附是GPIb-VWF-內皮下層組織成分間相互作用的過程。

血小板聚集可分為兩個時相，第一時相發生迅速，但聚集後還可解聚。低濃度ADP（二磷酸腺苷）或腎上腺素均可引起第一相聚集。第二時相發生較緩慢，一旦發生後即不能解聚，為不可逆聚集。血小板釋放的內源性ADP可引起第二相聚集。

血小板的釋放反應是指在誘導劑作用下，血小板將其貯存顆粒內容物通過開放管道系統釋放到血小板外的過程。血小板釋放的活性物質，一方面反饋加速血小板的活化，另一方面參與凝血反應，完成血小板的止血功能。

生理狀態下血小板沿著靠近血管壁的流層流動，並不黏附到正常的血管內皮細胞。剪下作用可以直接激活血小板，引起包括形態、功能及生化等的變化。引起血小板活化的剪下力範圍在5~15，較低的剪下力（5 ）可使血小板失去正常的盤狀外形而發生腫脹，變成球形並伸出偽足，促進血小板進一步聚集。在一定條件下，血小板黏附率隨剪下率增高而增加。

人體生理性平均剪下力水平在動脈達到2 ~ 3 (全血剪下率在500~700)。病理水平（如狹窄冠脈中）可高達35 以上。

病理性狹窄可直接導致受壓動脈內血小板發生剪下力誘導聚集。升高的壁面剪下力可以使血小板黏附到暴露的動脈粥樣硬化血管內皮細胞脫落區的內皮下層（如斑塊破潰處），然後伴隨廣泛的血小板聚集。

與剪下力誘導的血小板聚集最相關的臨床流行病情況是冠脈、頸動脈和外周動脈發生的慢性粥樣硬化斑塊占位導致動脈狹窄。有證據表明，干擾剪下力誘導的血小板反應對這些疾病有益並能改善預後。

4 內皮細胞流變學

內皮細胞的基本功能包括抗凝特性的維持、管腔直徑的生理調控、血管通透性的調節，同時還與急性炎症、傷口癒合、動脈硬化灶等心血管疾病的病理後果有關。在所有這些反應中，流體力學因素通過直接作用在內皮細胞上的剪下力和牽拉力來影響細胞生理，或者通過間接調控內皮細胞表面的化學物質或激動劑的局部濃度來影響這些分子與內皮細胞受體的結合。

內皮細胞在血流調節方面起著樞紐作用，部分原因是處於靜息狀態的內皮細胞具有產生活性抗血栓表面的能力，可以促進血漿的轉運和細胞成分通過整個血管簇。而各種干擾如炎症區和高剪下力卻會使內皮細胞的這種能力遭到破壞，並誘發內皮細胞產生一個促血栓和抗纖維蛋白溶解的微環境。

了解內皮細胞是如何辨別出血液流動產生的作用力並將其轉換為內皮細胞的生物反應機制是目前內皮細胞流變學研究的熱點。內皮細胞形狀的維持必須有一種張力狀態，這種張力是細胞骨架與其他區域的細胞相互作用，特別是在與細胞外基質黏附點、核和相鄰細胞的相互作用產生的。當流動產生的外力作用於細胞時，細胞內部張力改變達到與外力平衡。因此，內皮細胞總處於張力狀態並對張力的變化產生反應。流動產生的張力變化導致了內皮細胞形狀和功能的變化。由剪下力直接導致的內皮細胞力轉導可能通過以下途徑實現：①細胞表面的感受體的局部轉移②剪下力通過細胞骨架傳遞使力分布於整個細胞③力在遠離剪下力施加處的力轉導點進行轉導。這幾種途徑可能緊密聯繫在一起，也可能是幾種途徑的聯合作用。

在剪下力誘導的內皮細胞信號轉導中，離子通道的作用占有重要地位。內皮細胞離子通道的一個重要作用是直接調節Ca內流通路或通過調節K和Cl通道來間接控制Ca內流，使細胞膜電位保持足夠負，為Ca持續內流提供驅動力。

離子通道可被激動劑或機械力激活而引發鈣內流。膜電位主要由K，Cl及一些非選擇性陽離子通道來控制，它可調節血管不同功能狀態下細胞內及細胞間的信號轉導，尤其能改變跨膜鈣內流的驅動力。離子通道決定了內皮細胞的機械感受特性，後者可調控內皮細胞對血流動力學的反應並參與細胞分裂、血管發生、創傷修復等過程的容積調控。

機械性刺激或剪下力信號在內皮細胞中傳導的另一可能路徑是受體在機械性刺激下產生一系列生化反應，信號從胞漿側細胞膜上的分子至第二信使，然後激活蛋白激酶，然後激活細胞內液中的轉錄因子，最後調控細胞核中的基因轉錄。研究信號傳導途徑中細胞及分子生物學的機理屬於內皮細胞基因調控流變學的範疇。

5 腫瘤細胞流變學

腫瘤作為一種惡性疾病，已成為人類生命的第二號殺手，其惡性表現之一是它的侵襲轉移性，這是引起腫瘤晚期惡化、導致死亡的直接原因。腫瘤細胞離開原瘤灶組織而侵犯了臨近組織，並在該處繼續繁殖生長，這一過程稱為侵襲。腫瘤細胞由原發瘤部位脫離，侵犯周圍組織進而侵入淋巴管、血管或體腔，部分瘤細胞被淋巴流、血流帶到另一遠離部位或器官，在該處與宿主組織相互作用後，形成與原發瘤同樣類型的繼發瘤，繼續存活和繁殖生長，這個過程稱為轉移。

惡性腫瘤常見的轉移途徑主要有淋巴道轉移，血道轉移和種植性轉移，通常腫瘤經血道轉移需經歷浸潤性生長→侵蝕基底膜→穿透內皮細胞→血道輸運→靶器官微血管附著→穿出內皮及在靶組織形成轉移灶等，因此，腫瘤轉移是一個多階段連續的過程，存在複雜的流變學機制。

微流體裝置是研究腫瘤細胞變形、黏附、轉移的有力工具，它可以為研究單個或多個細胞轉移提供所需的微米量級的三維機械和化學環境。

6 食品流變學

食品流變學以彈性力學和流體力學為基礎，套用線性粘彈性理論研究食品在小變形範圍內的粘彈性質及其變化規律，測量食品在特定形變情況下具有明確物理意義的流變回響。食品流變學的研究對象是食品及其原料的力學性質。食品流變學的傳統測量方法包括塑性流體的屈服應力測量、食品的靜態粘彈性和動態粘彈性測量。塑性流體的屈服應力測量包括：直接測定法、流動曲線法、Casson法以及Bowles法。食品的靜態粘彈性測量包括應力鬆弛測量和蠕變測量。食品的動態粘彈性測量方法包括：縱向振動法和剪下振動法。近年，計算機模擬和仿真技術、超音波技術的發展為闡明食品混合過程的流變學行為、聚合體的力學特性提供了有用的手段。

7. 血液流變學的研究方法

傳統的血液流變學研究方法包括微管吸吮技術、多孔介質膜的細胞分離技術、細胞懸浮液的粘度測量以及雷射衍射等。微機電技術（MEMS）的發展，為血液流變學的研究提供了有力工具。採用微晶片、高速攝影和共聚集、粒子流速成像技術（PIV），人們在體外觀測到了紅細胞的降落傘、子彈頭等變形形狀。

近年，研究者也發展了許多模擬微循環血液流動的計算方法。例如：IBM-FEM，IBM-LBM，Particle-based method等。在這些模擬方法中，紅細胞被用具有彎曲和拉伸剛度的彈簧格線來描述。紅細胞形狀通過體積和表面積守恆來約束。流體和細胞膜的相互作用採用浸入邊界法描述。這些方法較好地再現了正常及病理狀態下紅細胞在狹窄、分叉管道的運動變形以及聚集以黏附等特性，為分析血液流變特性提供了理論幫助。

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