Reologiczne właściwości cieczy. Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

Transkrypt

1 Reologiczne właściwości cieczy Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

2 Reologia - podstawy Liczba Debory Podstawowy bezwymiarowy moduł stosowany w reologii, wprowadzający czas do rozważań reologicznych, oraz podający ogólną koncepcję podziału wszystkich ciał występujących w przyrodzie. wartość określa różnicę między płynem a ciałem stałym gdy czas charakterystyczny procesu jest bardzo długi lub też czas charakterystyczny substancji jest bardzo krótki - obserwujemy jej przepływ gdy czas charakterystyczny substancji jest dłuższy od czasu charakterystycznego procesu, to substancja jest ciałem stałym im większa wartość liczby Debory, tym bardziej stałe jest dane ciało im mniejsza jest liczba Debory, tym ciało jest bardziej płynne dzieli wszystkie ciała na trzy kategorie: 1. De >> 1 ciała stałe 2. De << 1 ciecze i gazy 3. De ~ R(1) płyny lepko-sprężyste 2

3 Reologia - podstawy Eksperyment kropli paku Powolne spływanie paku węglowego w temperaturze pokojowej ma na celu udowodnienie, że pak w warunkach standardowych nie jest ciałem stałym lecz cieczą o ogromnej lepkości (ok. 230 miliardów razy większej od wody), wykazującą powolne płynięcie i formowanie kolejnej kropli w ciągu lat. 3

4 Reologia - podstawy Reologia nauka zajmująca się badaniem zależności pomiędzy odkształceniami ciał a siłami wywołującymi te odkształcenia. Rozróżniamy trzy podstawowe rodzaje odkształceń: sprężyste plastyczne przepływ Reologia uwzględnia odkształcenia występujące pod wpływem naprężeń stycznych i normalnych: naprężenia styczne -skierowane zgodnie z kierunkiem przepływu i wynikają z lepkiego oporu płynu. naprężenia normalne - skierowane prostopadle do kierunku ścinania i powodują rozciąganie cieczy. Reologia zatem bada zmianę wzajemnego położenia elementów danej ciał podczas ich przepływu np. zwieszonych w osoczu krwinek względem siebie. 4

5 Reologia - podstawy Ciała rzeczywiste : ciała stałe stabilne uporządkowanie struktury wewnętrznej (sieć krystalograficzna), na działanie sił odkształcających reagują wyłącznie siłą sprężystości, tarcie wewnętrzne pomijamy P Ł Y N Y ciecze mniejsze uporządkowanie cząsteczek, odległości międzycząsteczkowe małe, mogą się przesuwać względem siebie, im większe siły spójności (kohezji) tym większe tarcie wewnętrzne lepkość gazy odległości międzycząsteczkowe większe - mniejsza lepkość. 5

6 Reologia - podstawy Ciała rzeczywiste opisują modele ciał doskonałych: ciało doskonale sprężyste Hooke a liniowy związek między naprężeniem normalnym (rozciągającym) a odkształceniem E E moduł sprężystości ciało doskonale plastyczne Saint - Venanta pod wpływem przyłożonego naprężenia normalnego ulega trwałemu odkształceniu rosnącemu w czasie 6

7 Reologiczne właściwości cieczy Przepływ proces ścinania płynów y- odkształcenie spowodowane przez ścinanie v śc prędkość ścinania 7

8 Reologiczne właściwości cieczy Prędkość ścinania jest funkcją naprężenia stycznego : v śc = f( ) Naprężenie ścinające wywołujące ruch cieczy: gdzie: F- siła styczna powodująca ruch cieczy S- powierzchnia, na którą działa siła F Jeżeli naprężenie ścinające jest proporcjonalne do gradientu prędkości cieczy, wówczas ogólne równanie reologiczne przybiera postać równania Newtona: Ciecze stosujące się do równania Newtona są nazywane cieczami newtonowskimi (ciecze idealnie lepkie). 8

9 Reologiczne właściwości cieczy Współczynnik proporcjonalności - dynamiczna lepkość newtonowska Liczbowo jest on równy sile stycznej działającej na jednostkę powierzchni warstewek cieczy, które znajdują się w jednostkowej od siebie odległości i poruszają się względem siebie z prędkością różniącą się o jednostkę. Współczynnik jest równy jedności, gdy siła 1 N przypadająca na 1 m² powierzchni cieczy spowoduje różnicę prędkości 1 m/s między dwiema warstewkami cieczy odległymi od siebie o 1 m. 9

10 Reologiczne właściwości cieczy Dla płynów newtonowskich tj. czysto lepkich (gazy, woda, oleje roślinne i inne płyny zawierające proste molekuły) krzywa płynięcia jest linią prostą, a lepkość jest stała. f f const 10

11 Reologiczne właściwości cieczy Jednostki lepkości Lepkość wyrażona w jednostkach lepkość bezwzględna Lepkość dynamiczna w układzie CGS - poise (puaz) ciecz ma lepkość 1P, gdy dwie jej warstwy o powierzchni 1 cm 2, oddalone od siebie o 1 cm, poruszają się z prędkością 1 cm/s pod wpływem siły 1 dyny w układzie SI paskalosekunda Pa s 1 Pa s = 10 P 11

12 Reologiczne właściwości cieczy Lepkość kinematyczna ν- stosunek lepkości dynamicznej η do gęstości płynu ρ w układzie CGS stokes St ciecz ma lepkość 1 St, jeżeli jej gęstość jest równa 1 g/cm 3 i do wzajemnego przesunięcia z prędkością 1 cm/s dwóch jej warstw o powierzchni 1 cm 2 trzeba użyć siły 1 dyny. w układzie SI - m 2 /s; 1 m 2 /s = 10 4 St 12

13 Reologiczne właściwości cieczy Lepkość względna - stosunek lepkości dynamicznej badanej cieczy do lepkości cieczy wzorcowej (najczęściej wody): Wielkość bezwymiarowa wyznaczana poprzez porównanie czasu wypływu danej cieczy do czasu wypływu cieczy wzorcowej w ściśle znormalizowanych warunkach pomiaru. Stosuje się jednostki umowne: stopień Englera, E (Polska i większość krajów europejskich) stopień Barbiego, B (Francja) sekunda Redwooda, RI (Wielka Brytania) sekunda Saybolta, SUS (USA). 13

14 Reologiczne właściwości cieczy Wpływ temperatury na lepkość Zależność lepkości od temperatury podaje równanie Arrheniusa Guzmana: gdzie: A stała charakterystyczna dla danej cieczy, zależna od ciężaru cząsteczkowego oraz objętości molowej E - energię aktywacji przepływu lepkiego T temperatura K 14

15 Reologiczne właściwości cieczy Podział cieczy nienewtonowskich Płyny rzeczywiste tworzące strukturę wewnętrzną, np. koloidy, pełna krew nie spełniają prostej proporcjonalności naprężenia stycznego z prędkością ścinania. Lepkość nie jest stała - zależy od prędkości ścinania, 15

16 Reologiczne właściwości cieczy Podział cieczy nienewtonowskich ciecze binghamowskie plastyczne (plastycznolepkie) posiadają granicę płynięcia pod wpływem małych sił (gdy naprężenia ścinające nie przekraczają granicy płynięcia ciecz zachowuje się jak ciało sprężyste po przekroczeniu ciecz przybiera cechy cieczy newtonowskiej (farby olejne, pasta do zębów, majonez, tusz w drukarkach) 16

17 Reologiczne właściwości cieczy Podział cieczy nienewtonowskich ciecze pseudoplastyczne nie posiadają granicy płynięcia w miarę narastania prędkości ścinania, lepkość cieczy zmniejsza się ciecz rozrzedzona ścinaniem (roztwory polimerów, zawiesiny cząstek niesymetrycznych, emulsje, jogurty, śmietana, krew) 17

18 Reologiczne właściwości cieczy Podział cieczy nienewtonowskich ciecze dylatacyjne nie posiadają granicy płynięcia w miarę narastania prędkości ścinania, lepkość cieczy zwiększa się ciecz zagęszczona ścinaniem (stężone zawiesiny, zol PCV, wodna zawiesina skrobi kukurydzianej, mieszanina piasku i wody) 18

19 Reologiczne właściwości cieczy Podział cieczy nienewtonowskich ciecze tiksotropowe pod wpływem ścinania następuje rozpad struktury wewnętrznej po ustaniu ścinania ciecz tiksotropowa odbudowuje pierwotną strukturę wewnętrzną (pętla histerezy) przy stałej prędkości ścinania lepkość cieczy zmniejsza się aż do ustalenia się stanu równowagi ciecz rozrzedzana ścinaniem (przejście żelu w zol, smar, tusz do drukarek, farby, kleiki skrobiowe 19

20 Reologiczne właściwości cieczy Podział cieczy nienewtonowskich ciecze reopeksyjne (antytiksotropowe) zachowują się przeciwstawnie do płynów tiksotropowych pod wpływem ścinania następuje tworzenie struktury wewnętrznej przy stałej prędkości ścinania lepkość cieczy zwiększa się aż do ustalenia się stanu równowagi ciecz zagęszczona ścinaniem (zawiesina gipsu) 20

21 Reologiczne właściwości cieczy Podział cieczy nienewtonowskich ciecze lepko-sprężyste ciecze o bardzo dużej lepkości równocześnie wykazujące pewne własności sprężyste (smoła, żywice, asfalty, stopione polimery) podczas przepływu oprócz naprężeń stycznych występują również naprężenia normalne (niewystępujące w przepływie płynów czysto lepkich), działające w kierunku prostopadłym do kierunku przepływu płynu po usunięciu przyłożonego naprężenia stycznego wywołującego odkształcenie, płyn sprężysto-lepki częściowo powraca do stanu sprzed odkształcenia 21

22 Reologiczne właściwości cieczy ciecze lepko-sprężyste efekt Weissenberga występujący przy mieszaniu cieczy sprężysto-lepkich, siły normalne przewyższają siły odśrodkowe - elementy płynu są wypychane ku górze efekt Barusa -spęcznianie strugi płynu sprężysto-lepkiego wypływającego z kapilary 22

23 Reologiczne właściwości cieczy Podstawowe modele reologiczne opisują krzywe płynięcia w bardzo szerokim zakresie szybkości ścinania stosuje się pięć modeli reologicznych: 1. Newtona 2. Ostwalda-de Waele a 3. Binghama 4. Herschela-Bulkleya 5. Carreau - lepkość płynu przy szybkości ścinania dążącej do zera - lepkość płynu przy szybkości ścinania dążącej do nieskończoności - naprężenie graniczne, granica płynięcia - szybkość ścinania - wskaźnik charakterystyczny płynięcia - współczynnik konsystencji 23

24 Pomiar lepkości płynów uzyskanie krzywej płynięcia za pomocą reometrów - właściwości reologiczne charakteryzują zachowanie płynów w czasie przepływu i tylko w warunkach przepływu mogą zostać zmierzone wyznaczanie lub oszacowywanie lepkości płynów newtonowskich - wiskozymetry (w przestrzeni pomiarowej większości tych urządzeń nie zachodzi żaden przepływ wiskozymetryczny) lepkość za pomocą wiskozymetrów wyznacza się na drodze pomiarów porównawczych, dokonując ich wstępnej kalibracji za pomocą płynu wzorcowego 24

25 Pomiar lepkości płynów Wiskozymetry 1. wiskozymetry wypływowe 2. wiskozymetry przepływowe 3. wiskozymetry z ruchomym elementem pomiarowym Wiskozymetry wypływowe zasada -pomiar czasu grawitacyjnego wypływu cieczy przez kalibrowany otwór znajdujący się w dnie naczynia czas wypływu cieczy z przyrządu jest zależny bezpośrednio od jej lepkości wiskozymetr Englera (stopnie Englera ºE) - porównanie czasu wypływu 200 cm 3 badanej cieczy, z czasem wypływu wody w tej samej temperaturze 25

26 Pomiar lepkości płynów Wiskozymetry przepływowe zasada - pomiar czasu opadania menisku pomiędzy zaznaczonymi na ramieniu lepkościomierza kreskami A i B dla cieczy wzorcowej i badanej z równania Hagena-Poiseuille a objętość płynu V AB, która przepłynie pomiędzy kreskami w czasie t będzie równa objętości płynu, który w tym samym czasie przepłynie przez kapilarę C: Ostwalda Ubbelohde a ponieważ: i to dla cieczy wzorcowej i badanej: po przekształceniach: 26

27 Pomiar lepkości płynów Wiskozymetry z ruchomym elementem pomiarowym zasada - lepkość cieczy określa się na podstawie pomiaru czasu liniowego przemieszczenia się elementu pomiarowego w badanym płynie. Wiskozymetr Hoepplera pomiar czasu opadania odpowiednio dobranej kulki w rurce szklanej pochylonej pod katem wypełnionej badanym płynem i porównanie z czasem opadania danej kulki w płynie wzorcowym standardowo korzysta się ze wzorów pozwalających obliczyć lepkość płynu, znając jego gęstość, gęstość materiału kulki k oraz czas opadania t: - różnica gęstości materiału, z którego została wykonana kulka i gęstości badanej cieczy, - długość odcinka rurki, na którym dokonuje się pomiaru czasu opadania, - stała proporcjonalności 27

28 Pomiar lepkości płynów Wiskozymetr Hoepplera 28

29 Pomiar lepkości płynów Wiskozymetr z obracającym się mieszadłem zasada - pomiar lepkości na podstawie oporów płynu w stosunku do obracającego się w niej elementu pomiarowego stosuje się mieszadła typu łopatkowego lub turbinowego badany płyn jest układem wielofazowym (np. zawiesina, emulsja) i wymaga mieszania w czasie pomiarów w celu utrzymania homogeniczności jego struktury pomiary lepkości mają charakter porównawczy (wymagają wstępnej kalibracji z płynem wzorcowym wykorzystuje się podstawowe zależności związane z poborem mocy w procesach mieszania - wartość momentu skręcającego - częstość obrotowa mieszadła - średnica mieszadła - stała wyznaczona doświadczalnie dla płynu wzorcowego 29

30 Pomiar lepkości płynów Reometry kapilarne zasada - przetłaczanie badanego płynu przez cylindryczne rurki (kapilary) o średnicach od kilku dziesiątych mm do kilku mm podczas izotermicznego przepływu laminarnego przepływ przez kapilarę wymuszony jest przez sprężony gaz doprowadzany do zbiornika lub przez napędzany mechanicznie tłok poruszający się w tym zbiorniku pomiar spadku ciśnienia w kapilarze pozwala na obliczenie naprężenia stycznego w płynie przy ściankach rurki znając objętość płynu wypływającego z kapilary w określonym czasie oblicza się szybkość ścinania przy ściance kapilary - wyznacza się jeden punkt na krzywej płynięcia zmieniając ciśnienie w zbiorniku wyznacza się dalsze punkty krzywej płynięcia 30

31 Pomiar lepkości płynów Przepływ laminarny wszystkie cząstki płynu poruszają się po torach równoległych do siebie (przesuwanie warstw płynu względem siebie) podczas przepływu płynu przez przewód o przekroju kołowym w warunkach jednostajnego przepływu laminarnego profil prędkości ma kształt paraboli; w osi przewodu v = v max 31

32 Pomiar lepkości płynów Przepływ laminarny Przepływ laminarny przez rurkę o promieniu r opisuje wzór Hagena- Poiseuille a: Q strumień objętościowy P różnica ciśnień r promień przewodu L długość przewodu - lepkość po przekształceniu lepkość: 32

33 Pomiar lepkości płynów Przepływ burzliwy - po przekroczeniu wartości v gr zależnej od rodzaju płynu i rodzaju przewodu cząstki płynu wykonują ruchy chaotyczne o różnych kierunkach prędkości. 33

34 Pomiar lepkości płynów Liczba Reynoldsa - kryterium stateczności ruchu płynów pozwala oszacować występujący podczas ruchu płynu stosunek sił czynnych (sił bezwładności) do sił biernych związanych z tarciem wewnętrznym w płynie przejawiającym się w postaci lepkości. d średnica przewodu v średnia prędkość przepływu - gęstość płynu lepkość płynu Re wartości niemianowane Re < 2300 przepływ laminarny Re > 3000 przepływ burzliwy 2300 < Re < 3000 przepływ przejściowy 34

35 Pomiar lepkości płynów Reometry rotacyjne zasada pomiar prędkości kątowej wirującego elementu oraz momentu skręcającego związanego z obrotem tego elementu zmieniając częstość obrotów elementu wirującego zbiera się dane do wykreślenia krzywej płynięcia ścinanie następuje w wyniku obrotów elementu układu pomiarowego najczęściej między dwoma powierzchniami, z których jedna jest ruchoma (w szczelinie między nimi znajduje się badany płyn) układ pomiarowy ma postać wirujących: stożka płytki cylindrów współosiowych 35

36 Pomiar lepkości płynów Układ pomiarowy stożek-płytka - prędkość kątowa M - moment skręcający N - częstość obrotów 36

37 Pomiar lepkości płynów Układ pomiarowy płytka-płytka - prędkość kątowa M - moment skręcający 37

38 Pomiar lepkości płynów Układ pomiarowy współosiowy cylinder Dla płynu newtonowskiego 38

39 Hemoreologia Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

40 Hemoreologia Hemoreologia nauka zajmująca się zagadnieniem płynięcia i deformacji krwi w układzie krwionośnym; dotyczy krwi pełnej, osocza oraz elementów morfotycznych, zwłaszcza erytrocytów. 40

41 Hemoreologia Pod względem fizykochemicznym krew jest wieloskładnikową i wielofazową mieszaniną dyspersyjną, w której: fazą zwartą jest osocze, fazą rozproszoną krwinki czerwone i białe oraz płytki krwi. Największy udział przypada na erytrocyty - charakteryzują się największymi wymiarami (średnica krwinki czerwonej 7,5 0,5 m). Średnia zawartość cząstek morfotycznych (hematokryt) wynosi 40 45%, co pozwala zakwalifikować krew jako układ dyspersyjny o wysokim stężeniu fazy rozproszonej. Faza zwarta - osocze (ok.91% wody) - rozcieńczony roztwór elektrolitów, lipidów i białek, z których najważniejsze to fibrynogen, globuliny, albuminy i lipoproteiny. 41

42 Hemoreologia Krew jest płynem nienewtonowskim rozrzedzonym ścinaniem- pseudoplastycznym i częściowo tiksotropowym. Przy małych prędkościach ścinania krwinki czerwone przy udziale fibrynogenu, tworzą agregaty. Przy większych prędkościach agregaty zostają rozbite, pojawia się osiowa orientacja krwinek i wydłużenie ich kształtu zgodnie z kierunkiem przepływu elongacja (odkształcenie podłużne) 42

43 Hemoreologia Właściwości tiksotropowe krwi związane są z tworzeniem się i rozpadaniem agregatów krwinek czerwonych. Agregacja zależy od: czynników zewnętrznych - stężenia fibrynogenu, ph, temperatury krwi czynników wewnętrznych kształt, właściwości błony komórkowej, odkształcalność, powierzchniowy ładunek elektryczny 43

44 Hemoreologia Agregacja krwinek determinuje lepkość krwi przy małych prędkościach ścinania (< s -1 tworzą się agregaty). Wzrost agregacji stwierdzono m.in.: w przewlekłej chorobie wieńcowej, w ostrych zespołach wieńcowych, przy udarze mózgu, w cukrzycy, u kobiet w okresie menopauzy u osób obciążonych jednocześnie kilkoma czynnikami ryzyka 44

45 Hemoreologia Wpływ fibrynogenu Fibrynogen cechuje się szczególnym powinowactwem do błony komórkowej krwinek czerwonych, przyczyniając się do agregacji erytrocytów. Przy dużych prędkościach ścinania fibrynogen praktycznie nie wpływa na lepkość pozorną krwi (agregaty rozbite, krwinki zorientowane zgodnie z kierunkiem przepływu i wydłużone). Przy małych prędkościach ścinania wzrost fibrynogenu zwiększa lepkość (krwinki tracą wydłużony kształt, następuje rulonizacja) 45

46 Hemoreologia Lepkość krwi Zależność lepkości krwi pełnej od prędkości ścinania 46

47 Hemoreologia Odkształcalność erytrocytów Erytrocyty mają najczęściej kształt dyskocytu - dwuwklęsłego dysku, co zapewnia krwince: większą powierzchnię w stosunku do objętości niż kształt kulisty lepsze warunki wymiany gazowej gwarantuje większą odkształcalność erytrocytu potrzebną przy przechodzeniu przez naczynia włosowate Odkształcalność erytrocytów wynika również ze: sprężystych właściwości błony, która może ulec rozciągnięciu najwyżej o 10-15%, lepkości wewnątrzkomórkowej cytoplazmy, na który ma wpływ wartość średniego stężenia hemoglobiny składu biochemicznego osocza stężenia lipidów (hipercholesterolemia, miażdżyca, nadciśnienie tętnicze i cukrzyca zmniejszają odkształcalność erytrocytów) 47

48 Hemoreologia Lepkość krwi zależność od składników krwi Największy udział: - hematokryt - erytrocyty - lepkość osocza (głównie fibrynogen) 48

49 Hemoreologia Wpływ hematokrytu Przy dużych prędkościach ścinania liniowe zwiększenie hematokrytu powoduje wykładniczy wzrost lepkości krwi: wzrost hematokrytu z 0,2 do 0,4 wzrost lepkości o ok. 100% wzrost z 0,4 do 0,6 wzrost lepkości dwukrotny w stosunku do hematokrytu przy wartości 0,4 Przy małych prędkościach ścinania wzrost hematokrytu powoduje wzrost lepkości w większym stopniu: przy hematokrycie 0,5 lepkość jest 9-krotnie większa niż przy hematokrycie 0,2 49

50 Hemoreologia Wpływ hematokrytu Lepkość skorygowana - dla hematokrytu 45% oblicza się wg wzoru: gdzie: η Sk lepkość skorygowana dla hematokrytu 45% η k - zmierzona lepkość krwi pełnej η o - zmierzona lepkość osocza H - hematokryt próbki badanej U osób zdrowych lepkość skorygowana w temp. 37 C dla prędkości ścinania: 0.05 s cp, a dla 0.5 s cp 50

51 Hemoreologia Lepkość efektywna krwi Hematokryt w obrębie układu krążenia nie jest wielkością stałą. Jego wartość zmniejsza się przy przepływie przez coraz to węższe naczynia spadek lepkości krwi przy przepływie przez kapilary o średnicy poniżej 300 m efektywna lepkość krwi. Zjawisko opisane przez Fåhraeusa i Lindqvista 51

52 Hemoreologia Lepkość efektywna krwi Zjawisko zbierania osocza (sieciowy efekt Fåhraeusa) - warstwa osocza przy ścianie jest szeroka (efekt osiowej akumulacji krwinek), co powoduje zbieranie osocza przez boczne odgałęzienia. W wyniku powtórzenia tego zjawiska następuje dodatkowe obniżenie wartości hematokrytu. 52

53 Hemoreologia Wpływ temperatury na lepkość krwi Lepkość w zakresie temperatur od: 37 C do 27 C zwiększa się liniowo o ok. 2%/1 < 27 C wzrost jest większy Czynnikiem zwiększającym lepkość krwi w niskiej temperaturze jest mniejsza podatność agregatów erytrocytarnych na rozbicie. Zależność lepkości od temperatury ma implikacje kliniczne, np. podczas zabiegów kardiochirurgicznych wykonywanych w hipotermii (dodatkowo krążenie pozaustrojowe zmniejsza odkształcalność krwinek czerwonych, czemu towarzyszy nasilenie syntezy białek ostrej fazy i zwiększenie agregacji erytrocytów) 53

54 Pomiar lepkości krwi Pomiar lepkości osocza dokonuje się w przypadku pacjentów ze skłonnością do nadmiernej lepkości osocza (choroby układu krążenia, udar, demencja, cukrzyca, RZS, toczeń rumieniowaty, białaczka) osocze (faza zwarta) traktuje się jako płyn newtonowski i do pomiaru lepkości wykorzystuje się głównie wiskozymetry kapilarne i reometry (nie wymagają dużych ilości materiału badanego): wiskozymetr Ostwalda pomiar szybki, lecz po każdym pomiarze konieczność dokładnego umycia (średnica wew. kapilary 0,3-0,7 mm, długość i 8-10 cm) reometry rotacyjne pomiar szybki, mała objętość próbki (0,5-2,0 ml), możliwość generowania wysokich prędkości ścinania, precyzyjna stabilizacja temperatury 54

55 D.H. Lee, J.M. Jung, S.Y. Kim, K.T. Kim, Y.I. Cho, Comparison tests for plasma viscosity measurements. International Communications in Heat and Mass Transfer 39 (2012) Pomiar lepkości krwi Pomiar lepkości osocza Porównanie wyników pomiarów lepkości osocza uzyskanych trzema rodzajami lepkościomierzy: wiskozymetru kapilarnego Ostwalda, reometru rotacyjnego Brookfielda (układ stożek-płytka) skaningowego wiskozymetru kapilarnego STCV (zmiany poziomu osocza mierzone co 0,02 s, przy użyciu czujnika LED-CCD - ponad razy) 55

56 Pomiar lepkości krwi Pomiar lepkości krwi pełnej Lepkość krwi podobnie jak ciśnienie krwi wzrasta i spada z jednego ekstremum do drugiego w każdym cyklu sercowym Z tego powodu pomiar lepkości krwi dotyczy dwóch wartości lepkości: lepkości skurczowej krwi (wysoka szybkość ścinania), na którą wpływa hematokryt i lepkość osocza lepkość diastoliczna (niski współczynnik ścinania), na który wpływa agregacja płytek krwi, kompleksy immunologiczne, które mogą zwiększyć agregację RBC, trójglicerydy, cholesterol i inne. Najczęściej w badaniach hemoreologicznych in vitro stosuje się wiskozymetry rotacyjne, jednak potrzeba względnie dużej ilości próbek krwi i dokładnego czyszczenia po każdym pomiarze. 56

57 Pomiar lepkości krwi Pomiar lepkości krwi pełnej Krew do badań w ilości ok. 5 ml pobierana jest na antykoagulant (badanie powinno być wykonane w czasie nie dłuższym niż 6 godzin od momentu pobrania) W reometrach rotacyjnych krew poddawana jest wymuszonemu przepływowi między wirującym stożkiem a cylindrem (lub pomiędzy dwoma wirującymi cylindrami) w temperaturze 37 C, przy malejącej prędkości ścinania w zakresie 100-0,01 s -1 w czasie 5 minut W nowszych typach reometrów mniejsze objętości krwi: od 0,5 do 2 ml, pomiar momentu skręcającego oraz naprężenia stycznego w zakresie wyższych prędkości ścinania 450 s -1 57

58 A novel hand-held viscometer applicable for point-of-care. Wan-Joong Kim, Sanghee Kim, Chul Huh, Bong Kyu Kim, Young Jun Kim Sensors and Actuators B 234 (2016) Pomiar lepkości krwi Pomiar lepkości krwi pełnej nowatorski ręczny wiskozymetr, który można zastosować do pomiaru lepkości krwi w punkcie opieki medycznej proces pomiarowy może być dokonany automatycznie w ciągu kilku minut przy użyciu tylko 40 μl płynu próbki pomiar czasu opadania metalowej kulki (o średnicy 0,8 mm) wewnątrz kapilarnej rurki (średnica 1,05 mm) na długości 30 mm poziom opadającej kulki rejestrowany optycznie za pomocą fotodiody 58

59 A novel hand-held viscometer applicable for point-of-care. Wan-Joong Kim, Sanghee Kim, Chul Huh, Bong Kyu Kim, Young Jun Kim Sensors and Actuators B 234 (2016) Pomiar lepkości krwi 59

60 Pomiar lepkości krwi Pomiar właściwości erytrocytów związanych z ich agregacją i deformacją do badania agregacji i odkształcalności erytrocytów stosuje się laserowo-optyczny rotacyjny analizator krwinek czerwonych LORCA w przestrzeń między układ dwóch cylindrów wprowadza się próbkę 25 L krwi pełnej w dekstranie obroty cylindra wewnętrznego są sterowane komputerowo ze stałą skokową prędkością od 0,30 do 59,97 siły ścinania mierzonej w Pa wiązka laserowa przechodzi przez cylindry, pomiędzy którymi poddawane są sile ścinania erytrocyty, zarówno przy badaniu ich indeksu elongacyjnego, jak i stopnia agregacji wiązka ta pada na sensor, lub mikrokamerę TV, rozproszenie wiązki laserowej zamienione na impulsy są rejestrowane przez komputer w czasie pomiaru na ekranie widoczne są obraz dyfrakcyjny rozciągającej się krwinki, jak i wykres postępującej elongacji 60

61 Pomiar lepkości krwi Równania reologiczne Określają zależności pomiędzy naprężeniem ścinającym, odkształceniem i czasem prędkością ścinania. W hemoreologii wykorzystuje się modele: Cassona: Quemady: Pal a: 61

62 Zaburzenia lepkości a choroby krwi związane z patologiczną liczbą erytrocytów lub ich nieprawidłową budową: erytrocytoza pierwotna i wtórna sferocytoza anemia sierpowata hemoglobinopatie związane z układem biało krwinkowym przebiegające ze wzrostem liczby leukocytów we krwi oraz w chorobach cechujących się znacznym wzrostem stężenia białek wielkocząsteczkowych: hipergammaglobulinemia, gammapatia monoklonalna - szpiczak, makroglobulinemia Waldenströma 62

63 Marek Rajzer i wsp. Znaczenie zjawiska lepkości krwi w patogenezie nadciśnienia tętniczego ww.nt.viamedica.pl, 2007, 11, 1-11 Zaburzenia lepkości krwi a schorzenia układu sercowo-naczyniowego Nadciśnienie tętnicze podwyższona lepkość krwi (różnica istotna począwszy od prędkości ścinania 90 s 1 i narasta dla wyższych prędkości ścinania). wzrost lepkości krwi u pacjentów z nadciśnieniem II i III stopnia związany z podwyższonym hematokrytem i zredukowaną objętością osocza (układ krążenia kompensuje następowy wzrost lepkości krwi wzrostem ciśnienia przepływu) małe i umiarkowane zwiększenie hematokrytu powodowało spadek ciśnienia tętniczego; dalszy wzrost hematokrytu (powyżej 19% w stosunku do wartości wyjściowej) skutkował wzrostem ciśnienia tętniczego podwyższona lepkość zarówno osocza, jak i krwi pełnej u chorych z nadciśnieniem tętniczym związana jest z podwyższonym stężeniem fibrynogenu fibrynogen, oprócz bezpośredniego wpływu na lepkość osocza, odgrywa znaczącą rolę w procesie agregacji erytrocytów, a ta jest pozytywnie skorelowana z ciężkością nadciśnienia tętniczego - wzmożona agregacja i spadek odkształcalności erytrocytów prowadzą do ograniczenia perfuzji i zmniejszenia wymiany tlenowej w mikrokrążeniu. 63

64 Zaburzenia lepkości krwi a schorzenia układu sercowo-naczyniowego Kardiologiczny zespół X rozpoznaje się u chorych z bólami w klatce piersiowej, dodatnimi klinicznie i elektrokardiograficznie testami wysiłkowymi oraz brakiem zwężeń tętnic wieńcowych w koronarografii wykazano znamiennie podwyższone wartości lepkości krwi pełnej i osocza u pacjentów z kardiologicznym zespołem X w porównaniu z grupą kontrolną osób zdrowych występują zaburzenia funkcji śródbłonka, co może upośledzać mechanizmy zmniejszania lepkości krwi stwierdza się podwyższone stężenie fibrynogenu i zaburzenia gospodarki lipidowej możliwe, że hiperlipidemia, zwiększona lepkość krwi i zmniejszona rezerwa wieńcowa są głównymi przyczynami nawracających epizodów niedokrwienia u pacjentów z omawianym zespołem Lepkość krwi w chorobach układu krążenia ze szczególnym uwzględnieniem kardiologicznego zespołu X 64 Libionka A., Figiel W., Maga P., Gackowski A., Rostoff P., Paradowski A., Piwowarska W., Niżankowski R.,Szczeklik A., Folia Cardiol. 2005, tom 12, nr 7,

65 Zaburzenia lepkości krwi a schorzenia układu sercowo-naczyniowego Miażdżyca, choroba niedokrwienna serca, zawał serca wzrost lepkości krwi pełnej zmienione właściwości agregacyjne erytrocytów, zmniejszenie ich odkształcalności zaobserwowano związek podwyższonej lepkości krwi ze stopniem zaawansowania zmian w tętnicach obwodowych i szyjnych oraz podwyższonym ryzykiem sercowo-naczyniowym Udar mózgu niedokrwienny i krwotoczny stan hipowolemii z redukcją objętości osocza u osób starszych, zwłaszcza z podwyższonym hematokrytem (sprzyja udarom niedokrwiennym) podwyższona lepkość krwi wynikająca ze wzrostu lepkości osocza (podwyższone stężenie fibrynogenu), a także wzmożona agregacja erytrocytów i upośledzona odkształcalność krwinek czerwonych nadlepkość w strefie niedokrwionej, spowodowana zwolnionym przepływem, uczestniczy w patogenezie kolejnych mikrozawałów i w rozszerzaniu się martwicy; zwiększona lepkość krwi charakteryzuje wczesny okres (do 3 dni) udaru niedokrwiennego 65

66 Aimee Q Cowan, Daniel J Cho, Robert S Rosenson, Importance of Blood Rheology in the Pathophysiology of Atherothrombosis, Cardiovascular Drugs and Therapy, Jul 2012 Zaburzenia lepkości krwi a schorzenia układu sercowo-naczyniowego Hiperinsulinemia i cukrzyca zwiększona agregacja erytrocytów i innych makromolekuł zmniejszona odkształcalność błon erytrocytów cukrzyca typu 1 - zwiększony hematokryt i agregacja erytrocytów przy prawidłowej lepkości krwi są wczesnym zjawiskiem i zależą od poziomu glikemii cukrzyca typu 2 - wzrost lepkości krwi wiąże się z zaburzeniami metabolicznymi towarzyszącymi insulinooporności Hipertriglicerydemia wzrost całkowitej lepkości związany z wysokim stężeniem triglicerydów Hipercholesterolemia i niskie wartości frakcji HDL wzrost lepkości osocza przy wysokim stężeniu LDL i VLDL zmniejszenie lepkości osocza przy wysokim stężeniu frakcji HDL 66

67 Zaburzenia lepkości krwi a choroby neurologiczne Stwardnienie rozsiane wzrost lepkości krwi - niższa wartość parametru związanego z agregacją erytrocytów, przy równoczesnym wyższym wskaźniku hematokrytu Otępienie naczyniopochodne wzrostu lepkości osocza, przy równoczesnym spadku poziomu fibrynogenu Choroba Alzheimera wzrost lepkości krwi zwiększona agregacja krwinek czerwonych zwiększone stężenie fibrynogenu zmniejszona deformowalność krwinek czerwonych 67 Piotr Kowal, Izabela Niśkiewicz, Anna Marcinkowska-Gapińska, Badania hemoreologiczne w wybranych chorobach neurologicznych, Neuroskop 2011, nr 13

68 Metody oddziaływania na lepkość krwi 1. Działanie na objętość krwi - hemodylucja, wymiana osocza, plazmafereza, blokery wapniowe. 2. Działanie na zlepność erytrocytów - hemodylucja, plazmafereza, wymiana osocza, leki przeciwzapalne, leki zmniejszające stężenie fibrynogenu i białek kaskady krzepnięcia, statyny, inhibitory enzymu konwertującego. 3. Działanie na interakcję między krwią i śródbłonkiem - leki przeciwpłytkowe, ketanseryna, buflomedil, naftidrofuryl, statyny, inhibitory enzymu konwertującego, antagoniści receptora angiotensyny AT1. 4. Działanie na odkształcalność błon erytrocytów - pentoksyfilina, insulina, cinnaryzyna, antagoniści wapnia, statyny i inne leki hipolipemizujace, inhibitory enzymu konwertującego. 68

69 Antônio Alceu dos Santos, José Pedro da Silva, Luciana da Fonseca da Silva, Alexandre Gonçalves de Sousa, Therapeutic options to minimize allogeneic blood transfusions and their adverse effects in cardiac surgery: A systematic review., Rev Bras Cir Cardiovasc 2014;29(4): Metody oddziaływania na lepkość krwi Hemodylucja Zabieg kontrolowanego pobrania określonej objętości krwi pełnej bezpośrednio przed operacją i podaniem płynów infuzyjnych w celu utrzymania objętości krwi i jej rozcieńczenia. Zwykle hematokryt jest obniżany do około 27 30%, ale mogą być konieczne jego niższe wartości. Zgromadzona podczas zabiegu krew może zostać przywrócona do krwiobiegu po zakończeniu operacji. 69

70 Metody oddziaływania na lepkość krwi Plazmafereza metoda oczyszczania osocza krwi z dużych cząstek, takich jak kompleksy immunologiczne krew przechodzi przez filtr usuwający cząstki o masie do 2 MDa w miejsce usuniętego przesączu do krwi dodaje się albuminy zawieszone w roztworze o składzie jonowym i ciśnieniu osmotycznym identycznym z prawidłowym osoczem ze względu na wysokie koszty zabieg stosuje się jedynie w przypadkach zagrażających życiu 70

71 Metody oddziaływania na lepkość krwi Terapeutyczna wymiana osocza (TPE) plazmafereza całkowita - usunięcie całej objętości osocza i przetoczenie tożsamej jego ilości (plasma exchange) z krwi przepływającej przez aparat do terapii pozaustrojowej odseparowywane i usuwane jest osocze, które jest zastępowane płynem substytucyjnym (albuminy, krystaloidy, koloidy) z osoczem następuje usunięcie nieprawidłowych składników osocza: przeciwciała, kompleksy immunologiczne, białko monoklonalne, endotoksyny, leki, lipoproteiny 71

72 Literatura Biomechaniczna przyczyna miażdżycy Jarosław Wasilewski, Tomasz Kiljański Podstawy teoretyczne i metody pomiarowe reologii Marek Dziubiński, Tomasz Kiljański, Jerzy Sęk 72