新型膜式呼吸器的设计

新型膜式呼吸器的设计

刘华鹏,刘卿玉,徐冰

山东协和学院 山东济南 250107

摘要：本文设计了一款新型膜式呼吸器，其外形为背包式，方便穿戴。内部使用血红蛋白膜吸附海水中的氧气，通过弱电流电解氧气，供潜水人员呼吸。此膜式呼吸器探讨了新材料和新技术在潜水呼吸器上的应用，对潜水呼吸器的创新设计起到革命性的作用。

关键词：膜式呼吸器；血红蛋白膜；新材料

一、引言

鱼类利用鳃将水中溶解的氧富集到鱼鳔中供自身呼吸，其原理是利用鳃中丰富的鱼血红蛋白结合氧气。利用固定化血红蛋白(Hb)从海水中富集氧气，这是一项新颖的氧载体研究[1]。利用固定化Hb富集氧气，并在一定条件下使它释放氧气，是一项仿生学研究[2]，它的成功将能够满足人类在海底作业，如潜水、潜艇的氧气需要。人类对仿生领域的持续研究将会对未来潜水装备的创新增加新的可能。美国Bonaventura首先发现了固定化Hb的载氧功能，并进行了多年研究，取得了一些专利成果[3]。美国的Aquanautics公司的研究人员对此类氧载体的研究，也取得了一些成果[4]。其在研究中，是采用含托六磷酸盐(IHP)的浓缩血红蛋白溶液来作为氧载体溶液，测定了水到氧载体溶液的吸氧速率和氧载体溶液对呼出空气的氧气释放速率，得到了氧载体溶液的增强因子来估算氧通过膜式氧合器的转移速率。确定了最佳的操作条件，以扩大规模供人类使用。但离实际应用还有一定距离，需要进一步完善实验方法。

膜式呼吸器涉及的最重要的原理就是氧气的传递过程[5]。化工里将所有物质的传输都归结为“传质”。在人造鳃里，可以简单地认为有三个“串联”的传质过程：

1.氧气从水的本体中传输到膜界面；

2.氧气从膜的一侧传输到另一侧；

3.氧气从膜的另一侧界面传递到管道内的富氧液体（或气体）中。

在这三个过程中，最慢的一步决定了整个过程的速度。这个最慢的一步，在鱼和人造鳃中是不一样的[6]。鱼类经过亿万年的进化，优化了鱼鳃鳃丝长度、表面血管的间距等一系列因素，最慢的一步是第二步（氧气的跨膜传输）。但人造鳃里，最慢的一步是第一步，也就是氧气在水中的扩散。水是黏度极大的液体，而且氧气在水中溶解度很低，所以氧气在水中扩散的很慢。如果要改进人造鳃使其达到实用化的程度，首先要优化人造鳃内部管道之间的间距、管道之间交错的角度等问题，使第一步不再成为限速步骤。当然，人造鳃是可以优化到如鱼鳃一般，考虑到人造的氧气交换膜可能有比鱼鳃更高的气体交换速率，人造鳃完全可以比鱼鳃更高效。

二、研究方案

参考以上国外研究方法为基础，制定以下研究方案：

1.提高氧载体的氧解离效率。固定化Hb的P50(血红蛋白结合氧达到50%饱合度时所需要的氧分压，是表明血红蛋白氧亲和性的主要参数)约为40～400Pa，远远低于红血球中Hb的P50(2666~4000Pa)，所以使得氧载体解离氧气的效率太低。选择合适的固定材料，或对Hb进行化学修饰，降低固定化Hb的氧亲和性，使之接近红血球的水平。

2.提高Hb的固定量。根据Bonaventura计算，维持150人呼吸需要约190kg的Hb，按照他的研究工作达到的固定量50~100mg/mL计算，需要固定材料1900~3800L，庞大的体积不利于氧载体的实际应用[3]。选择最佳的固定材料和固定化方法，提高Hb固定量是关键问题。

3.建立优良的循环体系，使氧载体循环地吸氧放氧，具有较高的使用效率和较长的使用寿命。

参照制定的方案进行氧解离效率实验：

（1）血红蛋白膜

此项研究流程见（图1），首先是取聚乙烯醇(PVA)做为固定材料，a曲线是在硼砂--氯化钠溶液中固化成球，将Hb包埋，自由Hb的氧解离效率接近100%，b曲线是戊二醛为交联剂，并将六磷酸肌醇(IP6)与Hb共同包埋，氧解离率约80%，C曲线是戊二醛溶液后交联氧载体氧解离效率为70%，而同样量的戊二醛预交联Hb，氧载体的氧解离率仅为25.5%。聚乙烯醇(PVA)包埋Hb具有较好的载氧和放氧性能，此研究类比膜式氧合器原理，利用聚乙烯醇包埋血红蛋白的聚合物膜提取海水中的氧气，研究表明血红蛋白固定量达0.6g/g，氧解离率为80%，氧气来源充足（图2）。

图1实验流程图

（2）循环系统

我们以往开放式水肺潜水是通过气瓶吸气，空气在人体氧代谢后直接排气到海里，而氧代谢过程中我们只用了气体内约5%～6%的氧气，其余的氧气连同代谢时产生的二氧化碳一齐排放。此呼吸器的设计是一个呼吸半循环回路系统，系统由我们的肺部、气体供应瓶（纯氧和稀释气体）、呼吸气囊、管路、二氧化碳吸付桶、控制部分（电子阀门、氧感应器、电脑等）组成。

（3）工作原理

新型膜式呼吸器结合了很多高科技的技术，采用人工鳃的新技术概念来设计，海水经过海水过滤器，进入聚乙烯醇包埋血红蛋白膜，其迅速把水分子中的氧气过滤提取出来，然后呼吸器中间的内部有一块靠电池供电的微型压缩机，可以把收集到的氧气迅速压缩至微型氧气储罐中，人体所用的氧气是从海水经

聚乙烯醇包埋血红蛋白分离出纯氧的氧气储罐中补充，气体混合球融合氮气和氧气组成混合气体经过空气压缩机最后吸入肺部，呼出的气体通过气体分离设备分离出CO2（二氧化碳）然后排出循环系统，CO2分离器的任务是在半封闭式循环呼吸器中，对潜水员呼出气体中的CO2进行分离，剩余气体再次供潜水员呼吸，气体不断在回路单向循环流动。

三、总结

没有呼吸障碍，人类在海里的活动更加自由。在浅海地带，依靠膜式呼吸器，潜水员可以长时间作业，无须频繁更换氧气瓶，提高作业效率。而在深海，膜式呼吸器配合其他保护装备，人类活动海底将成为可能，方便海底科研、探索与开发。此外，这项技术会催生海底旅游行业蓬勃发展，人们可以戴上膜式呼吸器，在水下参观博物馆、休闲游戏或探险，这将是一种革命性的产品创新，大大提升休闲潜水的体验。

[参考文献]

[1]人工鱼鳃[J].高科技与产业化,2016(05):17.

[2]胡紫霞.连接生物与技术的桥梁—仿生学[J].阅读,2022(38):36-38.

[3]K. Nagase, N. Matsuda, K. Sakai, Optimum control of oxygen affifinity of hemoglobin as an oxygen carrier solution for an artifificial gill, J. Artif. Organs 5 (2002) 44–49.

[4]李雅坤.黑飞龙.膜式人工肺中空纤维膜材料的改善及发展新方向[J].中国组织工程研究，2022.26(16):2608-2612.

[5]沈良.谢为.庞燕婉,钟伟,杜强国,杨玉良.内置式膜式氧合器模型氧合效果的评价[J].复旦学报(自然科学版),2003(06):979-983.

[6]汪继峰.人造腮,把人变成“鱼”[J].科学大众(中学版),2007(06):40-41.

作者简介：

姓名：刘华鹏 民族：汉 籍贯：山东滕州 出生年月：1998.12 学历：本科