生物物质粘度

生物体内体液具有流动性，衡量这种流动性的物理学指标就是粘度。粘度大表明流动性差，反之表明流动性好。
粘度的物理学意义 粘度(η)又称粘滞系数，其定义为对流体产生单位切变率所需要的切变应力，即η=τ/γ，式中τ为切变应力，其单位为dyne/cm²; γ为切变率，单位为1/s。这一关系式可从A和B两平行板间液层运动加以阐明。如A、B两板间距离为x，中间充粘滞液体，固定B板不动，施加一个平行于B板的力F于A板，使之沿力作用方向以速度v滑动。介于A、B板间液体可以分为许多平行的层次，其中附在A板上的液层的速度与A板一样，由于各层间的粘滞力（或内摩擦力）的相互作用，离开A板的液层的速度将逐层地下降，以至到B板上附着的液体层则速度为零。其切变率γ=v/x=dv/dx.如A和B板的面积为S，其切变应力τ=F/S。由η=τ/γ即可以算出η，其数值从宏观上反映了液体的流动行为，在微观上其值取决于液体内分子性质、构型和分子间的相互作用。粘度的单位为g·cm-¹·s^-1或P，百分之一P为cP。分子不大的液体粘度值，不论其切变应力和切变率的变化，其值是恒定不变的，这样的液体称为牛顿型流体；而某些液体如血液、乳液、精液内含较大的颗粒，其粘度依赖切变应力和切变率的变化而变，这类液体称为非牛顿型流体(见“生物流变学”条)。
测定粘度的方法 (1) 毛细管法：本方法系根据Poi-seuille定律进行测定。这一定律为：含义为液体通过一根长度为I、内半径为r的毛细管，流出的体积V，与其半径r的4次方、时间t及其两端压力差△P成正比，而与其长度I及液体粘度η成反比。如将式中V、r和I固定不变，则两液体的粘度比而△P=hρg和 △P₀＝hρ₀g (ρ和ρ0分别代表两种液体的密度，h和g代表液柱高度和重力

图1 毛细管粘度计
(1) Ostwald粘度计 (2) Ubbelohde粘度计

加速度)，如此 通常用水作为比较液体，水在20℃时粘度恰好为1cP，故已知水的粘度，即可以求出另一液体的相应粘度。常用的毛细管粘度计如图1所示。
常用毛细管粘度计可测定的粘度有：
❶比粘度： ηr=ρt/ρ₀t₀(式中ρ0和t₀指溶剂的密度和时间);
❷增比粘度：
❸粘数或还原粘度： ηap/C=式中C为浓度；
❹特性粘度：测定方法系用ηap/C对C作图，外推至C为零求得。
(2) 堕球法： 系根据球体在粘滞液体中运动的Stokes定律F=6πrηv求出： η=2 r²g(ρ球-ρ液)/gv，式中r为球体的半径，ρ球和ρ液示球体和液体的密度，g为重力加速度，v为
球体的下堕速度，v可根据落球所经距离S和所需时间t求得。堕球粘度计如图2所示。

图2 堕球粘度计示意图

用此法测定粘度所需试样大，对生物材料的粘度测定不合适，但在制药和食品工业中，仍有广泛应用。
(3) 回旋法： 其原理是将待测液体置于同轴心的两个圆柱体或锥形体之间，其中之一作主动旋转时，藉液体的粘滞性带动另一静悬圆柱体或圆锥体作被动旋转，根据其所产生力矩的大小即可算出粘度。只要知道圆柱体和圆锥体的几何形状、主动转体的角速度及被动转体的力矩，即可计算出切变应力和切变率，最后可从切变应力和切变率的关系中求得粘度值。按照这种原理制成的粘度计称为回旋粘度计。其最大特点可以测定不同切变速度下的粘度变化，这是反映非牛顿性生物体液的不可缺少工具。根据主动转体和被动转体的几何形状，有椎板型、双圆锥型、双菱型、双圆筒型各种形状的回旋粘度计，其中以锥板型和双圆筒型最为常用。对被动转体的静悬方式上，有金属吊丝和空气轴承式两种。
图3示这一粘度计的基本原理，当内圆筒1以一定转速旋转时，通过在间隙3内液体粘滞力，牵动外圆筒2以一定的角速度旋转。由于外圆筒受空气轴承4托着，故外圆筒以相应转速在转动，并带动下面的圆盘5一起旋转，由于圆盘周缘上划有黑白相间条纹，当转动一格就在传感器6上给出一个脉冲，其转动的状况通过脉冲显示器显示出来。再根据脉冲数转算成为力矩、切变速度和粘度值。图4示230例不同年龄健康人不同切变速度下的血液粘度值。
由表可以看出同一年龄组中，在不同切变速度下，血液粘度的变化为：切变速度低时，粘度值高；反之则低，表明血液粘度的非牛顿型液体的特性。

图3 空气轴承双圆筒型回旋粘度计示意图
1.给定转速的内圆筒(半径为r1) 2.被空气轴承托着的外圆筒(半径为r₂) 3.盛液隙 4.空气轴承 5.圆盘（其边缘有黑白相间条纹） 6.光电传感器，7.脉冲显示器

图4 正常人不同切变速度下的血液粘度变化
M 男性，F 女性

粘度测定在医学与生物学中应用 (1) 疾病的防治：从图4表明健康人的血液粘度也有随着年龄增高的倾向。此外缺血性中风、心肌梗塞、心绞痛、心律失常等冠心病、血栓闭塞性脉管炎、视网膜中央动脉和静脉栓塞、慢支、肺气肿、肺心、红细胞增多症、骨髓瘤以及中医的血瘀证和紫舌质病人以及高血脂、高球蛋白血症、高纤维蛋白原病人均有血液粘度增高的现象。测定血液粘度对这些病的病因、诊断、病情观察和预防均有意义。
(2) 药物疗效评价： 能增进血液循环的药物常使血液粘度下降（如活血化瘀类药物丹参），故血液粘度的测量对这类药物的疗效和作用原理的阐明有意义。
(3) 制药和食品工业中的粘度测定： 药物和食品中有大量的乳浊液和悬浊液，应用粘度测量对其化学结构、浓度、质量和稳定性是良好指标。
(4) 分子生物物理学研究： 粘度测量对生物大分子分子量、分子形状和水化作用是一个简便方法。如特性粘度与分子量有如下关系：[η]=KMα，式中K和α为常数。当被测分子是随机卷曲时，α=0.5～0.8；大分子为刚性棒状时，α=1.8。如烟草花叶病毒(TMV)的RNA的[η]=KM^0.5，因TMV的RNA是任意卷曲的；天然DNA的[η]=KM1.1，而变性DNA的[η]=KM0.7，因为前者接近棒状，故α较大，而后者已变成接近随机卷曲，故α变小。