聚-4-甲基-1-戊烯中空纖維膜式人工肺膜組件的氧氣和二氧化碳傳質(zhì)性能研究

臧慧 ,樊文玲 ,李磊*

（1.南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南京，210023；2.南京中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，南京，210023）

人工肺是能通過膜進(jìn)行氣體交換的一種人工器官，具有肺的功能，能夠吸收氧氣和排出二氧化碳［1-2］.1953 年，人工肺首次在心臟手術(shù)中成功應(yīng)用.此后，人工肺成為人們不斷研究探索的領(lǐng)域［3］.迄今，人工肺經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段：生物肺氧合階段［4］、血膜式人工肺階段［5］、鼓泡式人工肺階段［6］和膜式人工肺階段［7］.膜式人工肺又稱為膜式氧合器，目前已被廣泛應(yīng)用于臨床上，用高分子材料制成的微孔膜形成纖維束，作為人體血液和氣體交換的重要場所，用于完成人體的生理氧合過程［8-10］.近年來，中空纖維膜已經(jīng)成為膜式人工肺研究的主要方向，一是因其具有較大的接觸面積，二是具有較好的氧合形態(tài)［11-12］，因此該技術(shù)優(yōu)勢非常明顯.

對于膜式人工肺來說，最關(guān)鍵的部件是膜材料，膜材料的性能決定了氧合器的性能，而膜材料的氧氣和二氧化碳的傳質(zhì)性能是評估氧合器性能的一個(gè)重要因素［13-14］.從膜式人工肺的研究發(fā)展過程來看，重點(diǎn)是膜材料的氧氣傳質(zhì)效率，但是對于人工肺來說，不僅要有氧氣的有效吸收，而且要排出適量的二氧化碳，從而達(dá)到保護(hù)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，同時(shí)進(jìn)行人工肺中氧氣和二氧化碳的傳質(zhì)效果的研究不多.張問等［18］以生理鹽水為介質(zhì)，測試了氧氣和二氧化碳的傳質(zhì)性能，也為后續(xù)的活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的分析評價(jià)奠定了基礎(chǔ).Hormes et al［19］利用CFD（Computational Fluid Dynamics）建立了氧氣和二氧化碳在中空纖維膜里的傳質(zhì)模型，并通過微膜氧合器進(jìn)行了驗(yàn)證.Kaesler et al［20］制作了小型實(shí)驗(yàn)室的氧合器并用豬血進(jìn)行了氣體轉(zhuǎn)移的測試，還利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

本課題組已系統(tǒng)性地完成了模擬液單通氧氣的傳質(zhì)效率測試.本文在此基礎(chǔ)上，對傳質(zhì)裝置進(jìn)行了修改，設(shè)計(jì)了模擬液的驅(qū)氧裝置，可以排出氧氣以及通入二氧化碳，實(shí)現(xiàn)可在膜組件中同時(shí)進(jìn)行氧氣進(jìn)入模擬液和模擬液排出二氧化碳的傳質(zhì)研究.本文以不同的模擬液（去離子水、PBS（Phosphate Buffered Saline）緩沖溶液、甘油-水溶液和亞硫酸鈉水溶液），測試了在不同氣-液流速、不同氣相壓力、不同氣-液比下的氧氣和二氧化碳的傳質(zhì)性能，更好地為臨床應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料PMP（poly-4-methyl-1-pentene）中空纖維膜，實(shí)驗(yàn)室自制；去離子水，實(shí)驗(yàn)室自配；PBS緩沖溶液，實(shí)驗(yàn)室自配，78 v%PBS 緩沖溶液，22 v%去離子水；甘油水溶液，實(shí)驗(yàn)室自配，50 wt%甘油，50 wt%去離子水；亞硫酸鈉水溶液，實(shí)驗(yàn)室自配，0.9 wt%亞硫酸鈉，99.1 wt%去離子水；膜式人工肺組件氧氣和二氧化碳傳質(zhì)性能測試裝置，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，艾生科化工科技有限公司制造；測氧儀，上海雷磁儀器廠；蠕動(dòng)泵，上?？瑺柫黧w科技有限公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 膜式人工肺組件的制備PMP 膜式人工肺膜組件為實(shí)驗(yàn)室自制，其特征參數(shù)如下表所示.

表PMP 膜式人工肺膜組件的特征參數(shù)Table Characteristic parameters of membrane artificial lung membrane modules

1.2.2 膜式人工肺的氧氣和二氧化碳傳質(zhì)性能測試膜式人工肺組件氧氣和二氧化碳傳質(zhì)性能測試裝置如圖1 所示.該裝置包括兩個(gè)部分，其一為氣相部分，鋼瓶內(nèi)氧氣通過氣相流量計(jì)后通入中空纖維膜組件膜絲內(nèi)部，溶解在膜絲外的模擬循環(huán)液內(nèi)，剩余氣體通過管道排出；其二為液相部分，儲(chǔ)液罐內(nèi)模擬液經(jīng)蠕動(dòng)泵送入驅(qū)氧裝置，進(jìn)行脫氧和補(bǔ)充二氧化碳（通入1.5 L·min-1的二氧化碳（20 v%）和氮?dú)猓?0 v%）的混合氣體），經(jīng)過蠕動(dòng)泵和流量計(jì)送入中空纖維膜組件的膜絲外部.

圖1 膜式人工肺膜組件傳質(zhì)性能測試裝置圖Fig.1 Test device for mass transfer performance of membrane-type artificial lung membrane module

本研究實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要如下所述.（1）共選取了四種模擬液，分別為去離子水、PBS 緩沖溶液、甘油-水溶液和亞硫酸鈉水溶液.去離子水為參照模擬液，PBS 緩沖溶液保證鹽平衡，維持環(huán)境pH，甘油-水溶液模擬人體血液黏度，亞硫酸鈉水溶液則通過氧氣和亞硫酸鈉反應(yīng)來代替血紅蛋白對氧氣的運(yùn)輸.（2）維持氣相壓力為0.2 MPa，溫度為37 ℃，氣-液比為5∶1，測試液相流速為50～300 mL·min-1實(shí)驗(yàn)條件下的模擬液中氧氣和二氧化碳的進(jìn)、出口濃度.（3）維持液相流速為200 mL·min-1，溫度為37 ℃，氣-液比為5∶1，測試氣相壓力為0.1～0.3 MPa 條件下的模擬液中氧氣和二氧化碳的進(jìn)、出口濃度.（4）維持液相流速為200 mL·min-1，溫度為37 ℃，氣相壓力為0.2 MPa，測試氣-液比為3～7 的條件下模擬液中氧氣和二氧化碳的進(jìn)、出口濃度.（5）由于二氧化碳對亞硫酸鈉水溶液中亞硫酸根離子濃度的測定有較大影響，實(shí)驗(yàn)中亞硫酸鈉水溶液采取單程流動(dòng)，不進(jìn)入液相循環(huán)系統(tǒng)，不通入二氧化碳，只測試不同氣-液相流速、不同氣相壓力、不同氣-液比下的亞硫酸鈉水溶液中氧氣的進(jìn)、出口濃度.

本實(shí)驗(yàn)中去離子水、PBS 緩沖溶液和甘油水溶液中的氧含量用測氧儀測定，亞硫酸鈉水溶液的氧含量通過碘量法測定亞硫酸鈉濃度獲得，而去離子水、PBS 緩沖溶液和甘油水溶液中的二氧化碳含量則由NaOH 滴定法測定［21］.

傳質(zhì)速率計(jì)算公式如下：

其中，N為傳質(zhì)速率，mL·min-1·m-2；C為濃度，mg·L-1；ν液為液體流速，mL·min-1；ρ為密度，g·L-1；A為膜面積，m2.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同氣-液流速下氧氣和二氧化碳傳質(zhì)速率測定當(dāng)中空纖維膜根數(shù)為200、氣相壓力為0.2 MPa，氣-液比為5∶1 時(shí)，不同氣-液流速下膜組件的氧氣和二氧化碳傳質(zhì)速率測定結(jié)果詳見圖2至圖4.

圖2 不同氣-液流速下氧氣傳質(zhì)速率Fig.2 Oxygen mass transfer rate at different gas-liquid flow rates

圖3 不同氣-液流速下氧氣傳質(zhì)速率（亞硫酸鈉水溶液）Fig.3 Oxygen mass transfer rate at different gas-liquid flow rates (sodium sulfite solution)

圖4 不同氣-液流速下二氧化碳傳質(zhì)速率Fig.4 Carbon dioxide mass transfer rate at different gas-liquid flow rates

從圖2 和圖4 可以看出，氧氣和二氧化碳傳質(zhì)速率最高的是去離子水，在最高流速下分別為57.11 mL·min-1·m-2和103.59 mL·min-1·m-2，然后是PBS 緩沖溶液，在最高流速下分別為47.59 mL·min-1·m-2和72.51 mL·min-1·m-2，最低的是甘油-水溶液，在最高流速下分別為36.49 mL·min-1·m-2和57.04 mL·min-1·m-2.去離子水是除去了離子型雜質(zhì)后的純水，故其溶氧量和溶二氧化碳量也較高.PBS 緩沖溶液為磷酸緩沖鹽溶液，而鹽度對溶氧和溶二氧化碳也有一定的影響［22-23］，故氧氣和二氧化碳的傳質(zhì)效率較去離子水低.甘油-水溶液的黏度較高，是另外兩種溶液的五倍左右，其液相的黏度較大，擴(kuò)散系數(shù)小，故其傳質(zhì)的阻力也較大，傳質(zhì)效率也較低.同時(shí)，從圖2 和圖4 也可以看出氧氣的傳質(zhì)速率增加較快，主要原因是在測試過程中，氧氣通入量隨液體流速有所增加，液相和氣相傳質(zhì)阻力都有所下降，從而氧氣擴(kuò)散加快較多，且氣相流速增加，相同時(shí)間內(nèi)，氣-液接觸量變多，所以增加趨勢較明顯.而二氧化碳的傳質(zhì)速率增加趨勢有所減緩，主要原因是隨著液體流速增加，液相傳質(zhì)阻力降低，使二氧化碳的擴(kuò)散有一定增加，但同時(shí)液體與氧氣的接觸時(shí)間相對減少，所以增加趨勢有所減緩.

從圖3 可以看出亞硫酸鈉水溶液的氧氣傳質(zhì)效率要比其他三個(gè)模擬液高很多，最高流速下達(dá)到238.04 mL·min-1·m-2，主要是因?yàn)閬喠蛩徕c和氧氣會(huì)進(jìn)行氧化反應(yīng)生成硫酸鈉，有化學(xué)反應(yīng)吸收的過程，而其他三種模擬液的傳質(zhì)則僅依靠氧氣濃度差，故亞硫酸鈉水溶液的氧氣傳質(zhì)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他三種模擬液.

2.2 不同氣相壓力下氧氣和二氧化碳傳質(zhì)速率測定當(dāng)液相流速為200 mL·min-1、氣-液比為5∶1時(shí)，不同氣相壓力下膜組件的氧氣和二氧化碳傳質(zhì)速率測定結(jié)果詳見圖5 至圖7.

圖5 不同氣相壓力下氧氣傳質(zhì)速率Fig.5 Oxygen mass transfer rate under different gas pressures

從圖5 和圖6 可以看出，當(dāng)氣相壓力為0.1～0.3 MPa 時(shí)，去離子水、PBS 緩沖溶液、甘油-水溶液和亞硫酸鈉水溶液的氧氣傳輸速率有明顯增加，但隨著壓力的增加，其增加的趨勢有明顯下降.主要原因是氧氣壓力增加，增加了氧氣濃度，所以擴(kuò)散至氣-液兩相界面的氧氣分子更多，從而產(chǎn)生更高的傳質(zhì)推動(dòng)力.而隨著氣相壓力增大，游離的氣泡直徑會(huì)明顯增大，總比表面積會(huì)隨之變小，氧氣和模擬液的接觸面會(huì)減少，因此隨著氣相壓力增加，氧氣傳質(zhì)速率的增幅會(huì)有所下降.

圖6 不同氣相壓力下氧氣傳質(zhì)速率（亞硫酸鈉水溶液）Fig.6 Oxygen mass transfer rate under different gas pressures (sodium sulfite solution)

從圖7 可以看出二氧化碳的傳質(zhì)效率有所下降，這和氧氣的傳質(zhì)理論相似，主要是因?yàn)槎趸嫉膫髻|(zhì)主要依靠的是液膜兩側(cè)的濃度差，而隨著氧氣壓力有所增加，給二氧化碳的傳質(zhì)帶來了阻力，從而導(dǎo)致二氧化碳的傳質(zhì)速率有所下降.

圖7 不同氣相壓力下二氧化碳傳質(zhì)速率Fig.7 Carbon dioxide mass transfer rate under different gas pressure

2.3 不同氣-液比下氧氣和二氧化碳傳質(zhì)速率測定當(dāng)液相流速為200 mL·min-1、氣相壓力為0.2 MPa 時(shí)，不同氣-液比下膜組件的氧氣和二氧化碳傳質(zhì)速率測定結(jié)果詳見圖8～10.

圖8 不同氣-液比下氧氣傳質(zhì)速率Fig.8 Oxygen mass transfer rate at different gas-liquid ratios

從圖8 和圖9 可以看出當(dāng)氣-液比從3∶1 增加到7∶1 時(shí)，去離子水、PBS 緩沖溶液、甘油-水溶液和亞硫酸鈉水溶液的氧氣傳輸速率有明顯的增加.液相流速不變的情況下，只改變氣相流速，氣相流速從600 mL·min-1一直增加到1400 mL·min-1，氣相側(cè)氣膜隨之變小，氣相側(cè)傳質(zhì)阻力下降，傳質(zhì)系數(shù)提高.同時(shí)氧氣通過膜孔進(jìn)入液相側(cè)的量增加，隨著氧氣流速增加，相對時(shí)間內(nèi)，氧氣和液體的接觸量有所增加，所以隨著氣體流速增加，氧氣傳質(zhì)速率有所提高.

圖9 不同氣-液比下氧氣傳質(zhì)速率（亞硫酸鈉溶液）Fig.9 Oxygen mass transfer rate under different gasliquid ratios (sodium sulfite solution)

從圖10 可以看出，氣相側(cè)氧氣速度增加，對二氧化碳的傳質(zhì)效果并無明顯影響，從中也可以推測出，只改變氣相中的氧氣流速而不改變壓力，此時(shí)二氧化碳從液相擴(kuò)散到氣相的阻力不發(fā)生變化，二氧化碳傳質(zhì)效果在氣相流速的變化下，主要依據(jù)濃度差，在這項(xiàng)測試中二氧化碳濃度差不變，所以氧氣流速增加，對二氧化碳的傳質(zhì)效率基本沒有影響.

3 結(jié)論

本文利用四種不同模擬液（去離子水、PBS緩沖溶液、甘油-水溶液和亞硫酸鈉水溶液），通過自制的聚-4-甲基-1-戊烯中空纖維膜式人工肺組件對氧氣進(jìn)入模擬液和二氧化碳離開模擬液的傳質(zhì)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究.研究結(jié)論如下：在氣-液比、氣相壓力一定下，隨著氣-液流速的增加，氧氣和二氧化碳的傳質(zhì)速率都有明顯的增加.在氣-液比、氣-液流速一定下，隨著氣相壓力的增加，氧氣的傳質(zhì)速率剛開始增加速度較為明顯，而后增速有明顯的下降，二氧化碳的傳質(zhì)速率則逐漸降低.在氣-液流速、氣相壓力一定下，氧氣的傳質(zhì)速率呈線性增加，而二氧化碳的傳質(zhì)速率基本保持不變.在不同模擬液下，氧氣傳質(zhì)最快的是亞硫酸鈉水溶液，而后分別是去離子水、PBS 緩沖溶液和甘油-水溶液.二氧化碳的傳質(zhì)效果基本和氧氣保持一致，由快到低分別是去離子水、PBS緩沖溶液和甘油-水溶液.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在去離子水中，在300 mL·min-1流速下，氧氣和二氧化碳傳質(zhì)速率可達(dá)57.11 mL·min-1·m-2和103.59 mL·min-1·m-2.而在亞硫酸鈉水溶液中，氧合效果可達(dá)238.04 mL·min-1·m-2.上述研究結(jié)果充分表明本實(shí)驗(yàn)室自制的聚-4-甲基-1-戊烯中空纖維膜組件具有良好的氧氣吸收和二氧化碳排出功能，有較好的臨床應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值.