有没有一种液体可以使哺乳动物在里面呼吸?

题主提到的这类状况正在医学钻研中被称作「液体呼吸」(Liquid breathing)「液体通气」(Liquid ventilation),即一种令底本失常呼吸氛围的生物体正在某种富氧液体中完成机体气体替换历程(吸引氧气排挤二氧化碳)的特别呼吸模式。完成这一历程需求富氧液体具有一系列特别的性子,例如对与呼吸相干气体(O₂ 与 CO₂)的较年夜消融度,适宜的液体密度、粘度、蒸汽压与脂质消融度,而且必需对生物体呈惰性无毒。

钻研发明,一全体氟碳化合物(Perfluorocarbon,简称 PFC;下文均用简称)能够餍足上述的请求。正在体温前提 37 ℃ 及一个年夜气压的前提下,因为较弱的份子间互相感化,此类化合物对 O₂ 和 CO₂ 的消融度可分手高达 33–66 mL / 100 mL PFC 及 140–166 mL / 100 mL PFC,这超过了失常血液能够照顾的 O₂ 和 CO₂ 量;

这些化合物的密度要显然年夜于水(1 g/mL)及正凡是人类血液(1.05-1.06 g/mL)的密度,到达 1.58–2.0 g/mL,与水夹杂时会发作明显的分层征象且位于上层;

一项同时展示了 PFC 供氧威力和与水密度悬殊的试验。密度较低的水层位于上层,个中的金鱼无奈穿过界限进入密度较年夜且粘稠的 PFC 上层;位于上层的小白鼠肺部则被 PFC 满盈,神秘地正在液体中自正在「呼吸」
动机更加明显的分层试验:水层中的螃蟹「飘荡」正在 PFC 层上

分比方氟碳化合物的黏度与蒸汽压变迁至关年夜。其黏度值从 0.8 到 8 cP(厘泊,黏度单元)没有等,作为对照,水正在 37 ℃ 时的年度约为 0.7 cP,太高的液体黏度会使氟碳化合物正在无机体中的吸入与排挤历程变患上难题;这些化合物的蒸汽压值变迁则更加显然,局限可年夜至 0.2 - 400 妹妹Hg。这两项物感性子上的微小悬殊也使正在分比方医学应用落选用适宜的 PFC 变患上至关重要。

现正在重要有三种氟碳化合物被应用于生物医学钻研中,它们分手是:

  • FC-75,份子式 C₈F₁₆O。重要正在电子工业消费中作为惰性冷却剂运用。
  • 全氟溴烷(Perflubron 或 perfluorooctyl bromide),份子式为 C₈BrF₁₇。此物资同时也是一种应用于核磁共振 / CT / 超声波成像中的造影剂,作此用处时运用商品名「Imagent」。
  • 全氟萘烷(Perfluorodecalin),份子式为 C₁₀BrF₁₈。该物资正在生物与临床医学钻研中诱发了钻研者们最年夜的趣味,已被用于加强细胞培植历程中的氧气运送,而且是两种「野生血液」产品「Fluosol」(上世纪 80 年月由 Green Cross 公司开辟)与「Perftoran」(俄罗斯开辟)中的重要身分之一。
三种氟碳化合物的构造式与 IUPAC 定名

增补:野生血液(Artificial blood),或称「血液代替品」(Blood substitute),是基于减缓与处理用血缓和、血源传染(HIV、丙肝等沾染病)、免疫抑止(血型没有立室)和某些宗教要素(例如,依据教规「耶和华见证会」信徒就弗成输血)而开辟的生物成品,现正在重要囊括基于血红卵白的氧气载体(Haemoglobin-based oxygen carriers,HBOC)和基于 PFC 的氧气载体(Perfluorocarbon-based oxygen carriers,PFBOC)两年夜范例(此外,现已有基于干细胞消费野生血液这一新研发路径)。野生血液现正在依旧存正在较多题目,因而尚未有失去医疗界宽泛接收的产品。


液体呼吸被觉患上具有多种潜伏用处,重要囊括应用于医疗、潜水和将来的太空游览中。

现正在液体呼吸正在医疗层面最有远景的一个应用偏偏向是儿科畛域中对早产儿的就诊,早正在上世纪 90 年月,同盟制药(Alliance Pharma)就开辟了基于 PFC 的呼吸液用于正压机器通气(Mechanical ventilation),资助有支气管肺发育没有良等疾病的早产儿减缓症状。

应用于肺性能没有全早产儿的液体通气医治法子示用意

因为液体呼吸需求使液体贯注添补肺部并间接与肺泡打仗,也有专家觉患上蕴含药物纳米晶体的 PFC 悬浮液可成为一种肺部给药新路径。

正在 1996 年,Mike Darwin 博士和 Steven B. Harris 博士还曾经提出,应用冷却后的 PFC 对遭逢重年夜心脏内伤或颅脑损害的病患实行液体呼吸,藉此正在术中倏地倏地升高病人体温,起到升高人体根基代谢、守护构造器官的感化。试验已证明此计划可令年夜型植物到达 0.5 ℃/min 的高效体温冷却速度。无非出于各种缘故,此计划尚未有应用于人体的临床试验报道。

现正在发展的心脏移植手术中,就需求通过冷却体外轮回的血液来令患者降温,到达升高代谢速度、升高构造损害的目标,为移植手术争夺光阴

正在潜水畛域,只管现正在已失去宽泛应用的特别夹杂呼吸气体,如氧氦氮夹杂气(Trimix)和氦氮夹杂气(Heliox)可有用减低潜水员罹患减压病(Decompression sickness,DCS;因为过快的压力变迁,致使人体构造与血液中正在较低压力前提下饱和的气体倏地开释形成,囊括一系列危急的症状:氮麻醉、氧中毒、氛围栓塞、肺爆裂、肺陷落、枢纽疼痛、瘫痪,以致殒命)的危险,但这类保障没有是相对的,而且这些夹杂气各自也存正在未必的固出缺点,存储这些呼吸气体的刚性容器(气瓶)正在潜水运动中异样显患上轻便且体积重年夜。

轻便的气瓶与没有甚灵便的潜水装
危急的减压病与气体栓塞

有学者觉患上,运用基于 PFC 的液体呼吸接替传统的气瓶能够有用处理这一题目。这没有仅能够缩小以至间接肃清潜水员正在减压舱中急速减压的需求,同时因为呼吸液是液体,因而可用柔性容器而非传统的刚性容器停止照顾(即用软袋接替轻便的收缩钢瓶),年夜年夜普及职员潜水运动时的灵便水平。

无非 PFC 的高黏度特点为这项理论应用带来了很年夜的阻碍,因难堪以确保正在没无机器通气辅佐的状况下让「呼吸」PFC 液体的潜水员获取充足的通宇量以制止「酸中毒」(体内累积的 CO₂ 无奈实时带出致使血液 pH 敏捷回升的危急状况)。推算潜水员需求按 5 L/min 的流畅速度(按密度是水的 1.5 倍盘算,约至对于每一分钟让亲近 3 瓶 1.25L 装可乐的液体流过肺部)来「呼吸」PFC 液体才可餍足人体静息代谢的需求,这无比难题或能够说没有年夜能够,而且显然这已齐全没有思考潜水员的舒过度了。

无关液体呼吸的一项具有科幻色调的应用愿景是将其运用正在将来的太空游览中。

因为液体难被收缩的特点,可使力匀称地散布于淹没正在密度与构造相反的液体中的人体的身材四周,守护人体免受极其减速度的影响(>10G)。实践上,要是令宇航员的肺部齐全由密度相似于水的呼吸液添补并总体淹没添补此液体的「缓冲舱室」中,以至可将减速度守护局限扩年夜到 20G 之上。

作为对照,「阿波罗」工作中土星五号运载火箭到达的最年夜减速度未高出 4G
一般减速度到达 5G 即可令一般人丢失知觉,通太高 G 练习的古代航行员一般可正在短光阴内经受高达 9G 减速度,但若没有倏地升高则能够诱发永久残疾以至殒命

该设计早正在 1975 年由 Joe Haldeman 所著的典范科幻小说《永久的战役》(The Forever War,1976 年雨果奖患上主)中被说起。小说中液体呼吸与淹没缓冲是星际战役中一项至关重要的手艺,其可许可太空战机驾驶员以高达 50G 的减速度实行超灵活战争。

年夜刘所著的《三体》系列小说中说起的「深海减速液」也是此手艺的一项应用设计,书中形容进入「深海状况」的搭客可平安搭乘正在全推动功率状况下具有 120G 恐惧减速度的飞船。

《三体》原著中对「深海减速液」与「深海状况」的形容片断

另一个与液体呼吸相干的无比无名的科幻作品例子出自庵野秀明执导的动画作品《新世纪福音战士》(Neon Genesis Evangelion,EVA)。片中配角们驾驶被称作「EVA」的生物根基机甲时需求待正在名为「插入栓」的驾驶舱容器内,舱中后续会满盈名为「LCL」的虚拟橙色液体,其密度、通明性和粘度均亲近氛围,可间接向驾驶员供氧并缓冲机甲运动带来的所有震动,同气节驾驶员与形成机甲根基的生物体间完成「肉体同步」停止控制。

插入栓与个中的橙色「LCL」添补液

只管这些设计听起来都无比美没有雅,无非照样需求泼一些冷水。基于现有的钻研,约莫极难找到一种密度适宜的液体呼吸介质(PFC 密度已达水的 1.5-2 倍);而且人体的分比方构造间自身就存正在密度悬殊,纵然胜利应用液体呼吸和淹没缓冲手艺,依旧会存正在一个减速度的守护下限(否则能够致使构造解体和骨血剥离),有限普及减速度是没有能够的


 

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