《TAML》好文推荐：来自清华大学殷雅俊教授团队和中国医学科学院老年医学研究所李宏义教授团队的合作成果

TAML力学快报英文

引用格式

Fundamental kinematics laws of interstitial fluid flows on vascular walls

Yajun Yin（殷雅俊）*，Hongyi Li（李宏义），Gang Peng（彭刚），Xiaobin Yu（余晓彬），Yiya Kong（孔钇雅）

Theoretical and Applied Mechanics Letters 11（2021）100245

doi：10.1016/j.taml.2021.100245

研究背景

经典生理学有论断，人体内的组织液受到组织凝胶束缚，不能自由流动。然而，近50年来，越来越多的实验捕捉到了组织液流动的蛛丝马迹。近十多年来，通过大量试验，李宏义研究发现，动物体血管壁上普遍存在组织液流动。具体地说，流动发生在血管外膜和血管周围疏松结缔组织间隙。更有趣的是，血管壁上组织液流动具有有序性、连续性、持久性、定向性、长程性和向心性（图1），即组织液能够从四肢远端沿血管壁连续不断地流向心脏！这一发现从根本上颠覆了生理学对组织液运动图像的认知，即组织液是静止不动的，即使有流动，也是短程的、局部的和无序的。

近两年来，殷雅俊与李宏义合作，进一步发现并证实：组织液不仅是流动的，而且血管壁上组织液的流动是有规律的，而最基本的规律，就是文章中的组织液流动三大定律。

图1 组织液从四肢远端沿血管壁流向心脏

研究意义

本文研究内容横跨了力学、生理学和医学等学科。组织液虽然是生理学和医学研究的对象，但其流动规律确属力学的研究对象。因此，文章引入了数学力学的研究范式——公理化思想。

生命体内遍布全身的“血管树”都“根”植于心脏。但鲜为人知的是，血管壁上组织液的流动竟然都趋向于“汇”（即心脏）。这表明，心脏既是血管腔内血液流动的动力之源，也是血管壁上组织液流动的动力之源。于是，文章就把组织液流动的“向心性”作为一个普遍存在的客观实在接受下来，并视之为组织液流动的天然属性，赋予其公理的地位，由此演绎出了动脉和静脉上组织液流动的三大定律如下：

第一定律（存在律）：动脉和静脉上都存在两大基本流动，一是管腔内的血液流动，二是管壁上的组织液流动。

第二定律（同向律）：静脉血管壁上，组织液的流动方向与管腔内血液的流动方向，完全相同（图2）。

第三定律（反向律）：动脉血管壁上，组织液的流动方向与管腔内血液的流动方向，完全相反（图2）。

图2 静脉和动脉壁上组织液流动的同向律和反向律

三大定律看似很平淡，但意义非凡：

（1）三大定律为组织液循环的存在性提供了底层逻辑。三大定律在血管树的整体和局部都成立。这意味着，血管树分支上的组织液都向“主干”汇集，并沿“主干”流向心脏。然而，心脏不可能是“蓄水池”，而只可能是“动力泵”和“中转站”。经心脏泵的驱动和中转，组织液汇入血液循环。于是，以血管壁为外回路，以血管腔为内回路，以心脏为动力泵，组织液流动构成完美循环（图3）。也就是说，只要三大定律成立，组织液循环的存在性就成为逻辑的必然。随着组织液循环的确证，可以肯定，生命体上，在血液循环和淋巴循环之外，还并列地存在第三大循环——组织液循环。

图3 以血管壁为外回路、以血管腔为内回路的组织液循环

（2）三大定律为组织液循环运动学奠定了基础，为组织液循环动力学开辟了道路。力学探索大都遵循“运动学→动力学”之路，其中运动学只追究运动的不变性，而不涉及运动的原因。组织液循环研究也不会例外，运动学在先，动力学在后。而组织液循环运动学的核心，就是循环图像的建构。三大定律正好以精细的笔触描绘了血管树上从局部到整体的流动图像。拼接流动图像，就可建构循环图像。

（3）三大定律拓展了力学的新疆界。三大定律刻画的流动，发生在生命体内有机物质空间上，有着独特的驱动机制。可以肯定，奠定在三大定律基础上的力学，注定不同于我们熟知的力学。这意味着，我们有了拓展力学新疆界的好机会。

研究亮点

（1）首次揭示了组织液流动所遵循的不变性。不变性，也就是规律性。生物学家时常调侃：“生物学一般不提供定律”。因为生物的多样性和复杂性使得任何定律都会不断地遇到反例。不同于生物学家的调侃，力学研究者永恒的使命之一就是发现新定律。幸运的是，达成使命的机会确实存在。基于三大定律，我们可以有信心地说：组织液流动研究有规律可循了。

（2）透露出了组织液循环的“曙光”。科学史上，开普勒行星运动三大定律为天体运动论奠定基础，哈维的《心血运动论》为血液循环论奠定基础。可以期待，三大定律能够为我们照亮组织液循环论的摸索之路。

（3）证明了数学力学研究范式在跨学科研究中的有效性。三大定律是公理化思想的产物，而公理化思想的引入是一个大胆的尝试。迄今为止，近千次动物实验结果都严格遵从三大定律，没有出现反例。这表明，在跨学科研究中，公理化思想仍然能够为我们提供行之有效的研究范式。

前期的研究表明，动物体的血管壁上，普遍存在着组织液的流动现象。基于前期的试验，本文致力于达成如下目标：(1) 归纳、综合动、静脉血管壁上组织液流动的基本特征；(2) 将流动特征与公理化思想相结合，提炼出组织液流动的基本公设；(3) 基于公设，建构组织液流动的三大定律（即存在律，同向律，反向律）。三大定律为心脏/血管系统中组织液循环的存在性提供了底层逻辑，为组织液循环的运动学和动力学奠定了理论基础。

In the previous studies, the phenomenon that the interstitial fluid (ISF) can flow along tunica adventitia of the arteries and veins in both human and animal bodies was reported. On the basis of these studies, this paper aims to: (1) summarize the basic properties of the ISF flows in the walls of arteries and veins, (2) combine the basic properties with axiomaticism and abstract the axiom for ISF flows, and (3) propose three fundamental laws of the ISF flow, (i.e., the existence law, the homotropic law and the reverse law). The three laws provide solid theoretical basement for exploring the kinematic patterns of interstitial fluid flow in the cardiovascular system.

关于本刊

Theoretical & Applied Mechanics Letters《力学快报（英文）》是中科院力学研究所和中国力学学会联合主办的开放获取英文学术期刊，何国威院士和黄永刚院士任联合主编。主要报道与理论、计算和实验力学相关的创新性前沿研究，包括但不限于航空航天、海洋工程、能源环境、材料结构、机械与运输工程等领域。目前期刊已被ESCI, Scopus, CSCD, CJCR, DOAJ等数据库收录。2020年Scopus的CiteScore为2.1，位于计算力学类的Q2区。全文免费下载阅读（https://www.sciencedirect.com/journal/theoretical-and-applied-mechanics-letters），欢迎关注和投稿。

E-mail：taml@cstam.org.cn

TEL：010-82543904

继续滑动看下一个