人工肺是能通过膜进行气体交换的一种人工器官，具有肺的功能，能够吸收氧气和排出二氧化碳［1-2］.1953年，人工肺首次在心脏手术中成功应用.此后，人工肺成为人们不断研究探索的领域［3］.迄今，人工肺经历了四个发展阶段：生物肺氧合阶段［4］、血膜式人工肺阶段［5］、鼓泡式人工肺阶段［6］和膜式人工肺阶段［7］.膜式人工肺又称为膜式氧合器，目前已被广泛应用于临床上，用高分子材料制成的微孔膜形成纤维束，作为人体血液和气体交换的重要场所，用于完成人体的生理氧合过程［8-10］.近年来，中空纤维膜已经成为膜式人工肺研究的主要方向，一是因其具有较大的接触面积，二是具有较好的氧合形态［11-12］，因此该技术优势非常明显.
对于膜式人工肺来说，最关键的部件是膜材料，膜材料的性能决定了氧合器的性能，而膜材料的氧气和二氧化碳的传质性能是评估氧合器性能的一个重要因素［13-14］.从膜式人工肺的研究发展过程来看，重点是膜材料的氧气传质效率，但是对于人工肺来说，不仅要有氧气的有效吸收，而且要排出适量的二氧化碳，从而达到保护肺部的效果，所以二氧化碳的排出效率也是重要的考察因素之一［15-17］.目前，同时进行人工肺中氧气和二氧化碳的传质效果的研究不多.张问等［18］以生理盐水为介质，测试了氧气和二氧化碳的传质性能，也为后续的活体动物实验的分析评价奠定了基础.Hormes et al［19］利用CFD （Computational Fluid Dynamics）建立了氧气和二氧化碳在中空纤维膜里的传质模型，并通过微膜氧合器进行了验证.Kaesler et al［20］制作了小型实验室的氧合器并用猪血进行了气体转移的测试，还利用数学模型进行了实验验证.
本课题组已系统性地完成了模拟液单通氧气的传质效率测试.本文在此基础上，对传质装置进行了修改，设计了模拟液的驱氧装置，可以排出氧气以及通入二氧化碳，实现可在膜组件中同时进行氧气进入模拟液和模拟液排出二氧化碳的传质研究.本文以不同的模拟液（去离子水、PBS（Phosphate Buffered Saline）缓冲溶液、甘油⁃水溶液和亚硫酸钠水溶液），测试了在不同气⁃液流速、不同气相压力、不同气⁃液比下的氧气和二氧化碳的传质性能，更好地为临床应用提供理论基础.
1 实验部分
1.1 原料
PMP （poly⁃4⁃methyl⁃1⁃pentene）中空纤维膜，实验室自制；去离子水，实验室自配；PBS缓冲溶液，实验室自配，78 v%PBS缓冲溶液，22 v%去离子水；甘油水溶液，实验室自配，50 wt%甘油，50 wt%去离子水；亚硫酸钠水溶液，实验室自配，0.9 wt%亚硫酸钠，99.1 wt%去离子水；膜式人工肺组件氧气和二氧化碳传质性能测试装置，实验室设计，艾生科化工科技有限公司制造；测氧仪，上海雷磁仪器厂；蠕动泵，上海卡默尔流体科技有限公司.
1.2 实验步骤
1.2.1 膜式人工肺组件的制备
PMP膜式人工肺膜组件为实验室自制，其特征参数如下表所示.
表 PMP膜式人工肺膜组件的特征参数
Table
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 膜组件内径(cm) | 3 |
| 膜组件及中空纤维膜长度(cm) | 20 |
| 中空纤维膜外径(μm) | 972 |
| 中空纤维膜内径(μm) | 440 |
| 中空纤维膜根数(根) | 200 |
| 孔隙率 | 64.6% |
| 出（入）液口内径Dl (cm) | 1 |
| 出（入）气口内径Dg (cm) | 1 |
1.2.2 膜式人工肺的氧气和二氧化碳传质性能测试
膜式人工肺组件氧气和二氧化碳传质性能测试装置如图1所示.该装置包括两个部分，其一为气相部分，钢瓶内氧气通过气相流量计后通入中空纤维膜组件膜丝内部，溶解在膜丝外的模拟循环液内，剩余气体通过管道排出；其二为液相部分，储液罐内模拟液经蠕动泵送入驱氧装置，进行脱氧和补充二氧化碳（通入1.5 L·min-1的二氧化碳（20 v%）和氮气（80 v%）的混合气体），经过蠕动泵和流量计送入中空纤维膜组件的膜丝外部.
图1
图1
膜式人工肺膜组件传质性能测试装置图
1⁃氧气钢瓶；2⁃氧气缓冲罐；3⁃储液罐；4⁃中空纤维膜；5⁃驱氧装置；6⁃氮气、二氧化碳缓冲罐；7⁃氮气钢瓶；8⁃二氧化碳钢瓶
Fig.1
Test device for mass transfer performance of membrane⁃type artificial lung membrane module
本研究实验内容主要如下所述.（1）共选取了四种模拟液，分别为去离子水、PBS缓冲溶液、甘油⁃水溶液和亚硫酸钠水溶液.去离子水为参照模拟液，PBS缓冲溶液保证盐平衡，维持环境pH，甘油⁃水溶液模拟人体血液黏度，亚硫酸钠水溶液则通过氧气和亚硫酸钠反应来代替血红蛋白对氧气的运输.（2）维持气相压力为0.2 MPa，温度为37 ℃，气⁃液比为5∶1，测试液相流速为50~300 mL·min-1实验条件下的模拟液中氧气和二氧化碳的进、出口浓度.（3）维持液相流速为200 mL·min-1，温度为37 ℃，气⁃液比为5∶1，测试气相压力为0.1~0.3 MPa条件下的模拟液中氧气和二氧化碳的进、出口浓度.（4）维持液相流速为200 mL·min-1，温度为37 ℃，气相压力为0.2 MPa，测试气⁃液比为3~7的条件下模拟液中氧气和二氧化碳的进、出口浓度.（5）由于二氧化碳对亚硫酸钠水溶液中亚硫酸根离子浓度的测定有较大影响，实验中亚硫酸钠水溶液采取单程流动，不进入液相循环系统，不通入二氧化碳，只测试不同气⁃液相流速、不同气相压力、不同气⁃液比下的亚硫酸钠水溶液中氧气的进、出口浓度.
本实验中去离子水、PBS缓冲溶液和甘油水溶液中的氧含量用测氧仪测定，亚硫酸钠水溶液的氧含量通过碘量法测定亚硫酸钠浓度获得，而去离子水、PBS缓冲溶液和甘油水溶液中的二氧化碳含量则由NaOH滴定法测定［21］.
传质速率计算公式如下：
其中，N为传质速率，mL·min-1·m-2；C为浓度，mg·L-1；
2 结果与讨论
2.1 不同气⁃液流速下氧气和二氧化碳传质速率测定
图2
图2
不同气⁃液流速下氧气传质速率
Fig.2
Oxygen mass transfer rate at different gas⁃liquid flow rates
图3
图3
不同气⁃液流速下氧气传质速率（亚硫酸钠水溶液）
Fig.3
Oxygen mass transfer rate at different gas⁃liquid flow rates (sodium sulfite solution)
图4
图4
不同气⁃液流速下二氧化碳传质速率
Fig.4
Carbon dioxide mass transfer rate at different gas⁃liquid flow rates
从图2和图4可以看出，氧气和二氧化碳传质速率最高的是去离子水，在最高流速下分别为57.11 mL·min-1·m-2和103.59 mL·min-1·m-2，然后是PBS缓冲溶液，在最高流速下分别为47.59 mL·min-1·m-2和72.51 mL·min-1·m-2，最低的是甘油⁃水溶液，在最高流速下分别为36.49 mL·min-1·m-2和57.04 mL·min-1·m-2.去离子水是除去了离子型杂质后的纯水，故其溶氧量和溶二氧化碳量也较高.PBS缓冲溶液为磷酸缓冲盐溶液，而盐度对溶氧和溶二氧化碳也有一定的影响［22-23］，故氧气和二氧化碳的传质效率较去离子水低.甘油⁃水溶液的黏度较高，是另外两种溶液的五倍左右，其液相的黏度较大，扩散系数小，故其传质的阻力也较大，传质效率也较低.同时，从图2和图4也可以看出氧气的传质速率增加较快，主要原因是在测试过程中，氧气通入量随液体流速有所增加，液相和气相传质阻力都有所下降，从而氧气扩散加快较多，且气相流速增加，相同时间内，气⁃液接触量变多，所以增加趋势较明显.而二氧化碳的传质速率增加趋势有所减缓，主要原因是随着液体流速增加，液相传质阻力降低，使二氧化碳的扩散有一定增加，但同时液体与氧气的接触时间相对减少，所以增加趋势有所减缓.
从图3可以看出亚硫酸钠水溶液的氧气传质效率要比其他三个模拟液高很多，最高流速下达到238.04 mL·min-1·m-2，主要是因为亚硫酸钠和氧气会进行氧化反应生成硫酸钠，有化学反应吸收的过程，而其他三种模拟液的传质则仅依靠氧气浓度差，故亚硫酸钠水溶液的氧气传质效率远远高于其他三种模拟液.
2.2 不同气相压力下氧气和二氧化碳传质速率测定
图5
图5
不同气相压力下氧气传质速率
Fig.5
Oxygen mass transfer rate under different gas pressures
图6
图6
不同气相压力下氧气传质速率（亚硫酸钠水溶液）
Fig.6
Oxygen mass transfer rate under different gas pressures (sodium sulfite solution)
图7
图7
不同气相压力下二氧化碳传质速率
Fig.7
Carbon dioxide mass transfer rate under different gas pressure
从图7可以看出二氧化碳的传质效率有所下降，这和氧气的传质理论相似，主要是因为二氧化碳的传质主要依靠的是液膜两侧的浓度差，而随着氧气压力有所增加，给二氧化碳的传质带来了阻力，从而导致二氧化碳的传质速率有所下降.
2.3 不同气⁃液比下氧气和二氧化碳传质速率测定
图8
图8
不同气⁃液比下氧气传质速率
Fig.8
Oxygen mass transfer rate at different gas⁃liquid ratios
图9
图9
不同气⁃液比下氧气传质速率（亚硫酸钠溶液）
Fig.9
Oxygen mass transfer rate under different gas⁃liquid ratios (sodium sulfite solution)
图10
图10
不同气⁃液比下二氧化碳传质速率
Fig.10
Carbon dioxide mass transfer rate at different gas⁃liquid ratios
从图10可以看出，气相侧氧气速度增加，对二氧化碳的传质效果并无明显影响，从中也可以推测出，只改变气相中的氧气流速而不改变压力，此时二氧化碳从液相扩散到气相的阻力不发生变化，二氧化碳传质效果在气相流速的变化下，主要依据浓度差，在这项测试中二氧化碳浓度差不变，所以氧气流速增加，对二氧化碳的传质效率基本没有影响.
3 结论
本文利用四种不同模拟液（去离子水、PBS缓冲溶液、甘油⁃水溶液和亚硫酸钠水溶液），通过自制的聚⁃4⁃甲基⁃1⁃戊烯中空纤维膜式人工肺组件对氧气进入模拟液和二氧化碳离开模拟液的传质性能进行系统研究.研究结论如下：在气⁃液比、气相压力一定下，随着气⁃液流速的增加，氧气和二氧化碳的传质速率都有明显的增加.在气⁃液比、气⁃液流速一定下，随着气相压力的增加，氧气的传质速率刚开始增加速度较为明显，而后增速有明显的下降，二氧化碳的传质速率则逐渐降低.在气⁃液流速、气相压力一定下，氧气的传质速率呈线性增加，而二氧化碳的传质速率基本保持不变.在不同模拟液下，氧气传质最快的是亚硫酸钠水溶液，而后分别是去离子水、PBS缓冲溶液和甘油⁃水溶液.二氧化碳的传质效果基本和氧气保持一致，由快到低分别是去离子水、PBS缓冲溶液和甘油⁃水溶液.根据实验结果可知，在去离子水中，在300 mL·min-1流速下，氧气和二氧化碳传质速率可达57.11 mL·min-1·m-2和103.59 mL·min-1·m-2.而在亚硫酸钠水溶液中，氧合效果可达238.04 mL·min-1·m-2.上述研究结果充分表明本实验室自制的聚⁃4⁃甲基⁃1⁃戊烯中空纤维膜组件具有良好的氧气吸收和二氧化碳排出功能，有较好的临床应用前景和商业价值.
参考文献
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Coating⁃techniques to improve the hemocompatibility of artificial devices used for extracorporeal circulation
Pulmonary support using venovenous bypass and a biological oxygenator
Development of an intravenous membrane oxygenator：enhanced intravenous gas exchange through convective mixing of blood around hollow fiber membranes
小型鼓泡型人工肺的研制
Development of small bubbling artificial lung
Two⁃dimensional finite element model for oxygen transfer in cross⁃flow hollow fiber membrane artificial lungs
Dissipative particle dynamics study and experimental verification on the pore morphologies and diffusivity of the poly (4⁃methyl⁃1⁃pentene)⁃diluent system via thermally induced phase separation：The effect of diluent and polymer concentration
聚甲基戊烯膜式人工肺的氧气传质测试及模型计算
聚⁃4⁃甲基⁃1⁃戊烯中空纤维膜式人工肺组件的氧气传质性能的研究
Study on oxygen mass transfer performance of poly⁃4⁃methyl⁃1⁃pentene hollow fiber membrane artificial lung components
新型膜式人工脏器的研究进展
Research progress of new membrane artificial organs
.
基于多孔介质模型的膜式氧合器内部流场分析
Internal flow field analysis of membrane oxygenator based on porous media model
Kinetics of CO2 exchange with carbonic anhydrase immobilized on fiber membranes in artificial lungs
Mass and momentum transfer in hollow fibre blood oxygenators
Effect of hematocrit on the CO2 removal rate of artificial lungs
血管内置入型人工肺的传质计算与in vitro模拟实验对比分析
Mass transfer calculation of vascular implanted artificial lung and comparative analysis of in vitro simulation experiment
A validated CFD model to predict O2 and CO2 transfer within hollow fiber membrane oxygenators
How computational modeling can help to predict gas transfer in artificial lungs early during development
含盐度对溶解氧的影响
Effect of salinity on dissolved oxygen
