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新技術能“篩”氙氣,稀缺手術麻醉劑可再用

文章來源:科學網發布日期:2020-01-15瀏覽次數:4

生病了需要做手術,哪一種麻醉劑最理想?過去,這個問題并沒有引起普通人的注意,但是尋找一種副作用小、麻醉效果好的藥劑還真是挺有講究的。

 

日前,南京工業大學教授顧學紅、王學瑞與荷蘭代爾夫特理工大學Freek Kapteijn教授合作,開發出一種中空纖維分子篩膜用于現代醫療麻醉氙氣在線回用新技術,可以實現氙氣的循環使用,節約氙氣采購成本99%以上,同時也可大大緩解氙氣市場供應緊張的問題。這一成果發表在《德國應用化學》上。

 

麻醉劑也有供不應求的時候,必須依靠回收再利用滿足臨床需求。那么,氙氣究竟是一種什么樣的麻醉劑?科學家又是如何制備,怎樣回收再利用呢?

 

吸入式麻醉劑的“貴族”

 

氙氣,因稀少和昂貴,被麻醉學界稱為吸入麻醉藥的“貴族”。

 

氙是一種惰性氣體,存在于地球的空氣中。氙本身無毒,人吸入后以原形排出,但在高濃度時有窒息作用。氙有麻醉性,它和氧的混合物(20%氙氣與80%氧氣)能對人體形成麻醉。氙氣主要通過抑制中樞神經系統NMDA受體和乙酰膽堿受體而產生麻醉作用。

 

臨床研究發現,氙氣麻醉效能強,具有一定的鎮痛作用,所需輔助用藥極少,特別是麻醉誘導快,蘇醒快,不易受生物轉化的影響,是已知對心血管影響最小的一種麻醉藥,因此氙氣是一種理想的麻醉劑。氙氣可用于多種手術的麻醉,如普外科、婦科、整形科及骨科手術。

 

但是,氙氣價格昂貴。在臨床使用中,如何實現氙氣隨著病人的呼吸排出體外后,繼續收集并循環使用,一直是待解的難題。

 

臨床手術中,病人在被麻醉過程中組織代謝仍正常進行,用作麻醉藥劑的氙氣,被病人不斷地吸進去再呼出來。病人在呼吸氙氣的同時,也不斷呼出二氧化碳,在這個閉路循環呼吸麻醉器械里,當二氧化碳的濃度積累到一定程度,就會造成二氧化碳中毒。因此二氧化碳和氙氣的混合氣體必須定時排出,更換新鮮的氙氣。

 

“目前,氙氣的唯一可開采性來源是空氣,多級深冷精制工藝能耗較高;同時,氙氣在空氣中的濃度極低,僅為0.087ppm,市場供應量也極為有限。即使全球生產的高純度氙氣都應用于醫療麻醉,可服務的臨床病例也不超過80萬人次。”論文通訊作者顧學紅介紹。

 

分子篩膜“把門”攔住氙氣

 

“我們的工作,就是要把分子篩膜放到麻醉閉路循環系統里面,將麻醉過程中人體組織代謝產生的二氧化碳及時移走,這樣氙氣在里面就可以循環使用了,不需要更換新的氙氣,從而降低麻醉過程中氙氣的用量和麻醉的成本。”論文通訊作者、第一作者王學瑞說。

 

分子篩膜是一類具有規整孔道結構的硅鋁酸鹽材料,有效孔徑由分子篩的孔道結構決定,是氣體分子間精密分離的理想膜材料。南京工業大學等科研院所已成功實現分子篩膜在有機溶劑與水分離中的工業應用,打破了日本和德國等少數國家的技術壟斷,填補了我國在該領域的技術空白。

 

“將分子篩膜用于氣體分離,我們已經研究了10年。如何實現分子篩膜氣體分離的大規模工業應用,是亟待突破的瓶頸,也是目前學術界和產業界共同關注的焦點問題。”王學瑞介紹,課題組為此研發了中空纖維分子篩膜用于現代醫療麻醉氙氣在線回用新技術。

 

課題組在研究中發現,氣體分子在滲透通過分子篩膜時,二氧化碳分子“跑”得更快,它的滲透速度比氙氣分子快兩個數量級。王學瑞解釋說:“二氧化碳分子滲透速率快,最早進入分子篩孔道并吸附,但是二氧化碳分子與分子篩孔道相互作用力相對較弱,很容易被作用力更強的氙氣分子‘擠’出去。”

 

使用該技術,氙氣的回收率高達99%以上,過程能耗非常低,因此這種氙氣在線回用技術,具有明顯的技術優勢和經濟優勢。同時,專家表示,該膜材料可在模擬體系中連續運行300小時以上,性能保持穩定,有望據此開發新型的醫療麻醉器械,服務于我國現代化醫療體系建設。

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