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新技术能“筛”氙气,稀缺手术麻醉剂可再用

来源:科技日报 2020-01-14 12:33

 

生病了需要做手术,哪一种麻醉剂最理想?过去,这个问题并没有引起普通人的注意,但是寻找一种副作用小、麻醉效果好的药剂还真是挺有讲究的。

日前,南京工业大学教授顾学红、王学瑞与荷兰代尔夫特理工大学Freek Kapteijn教授合作,开发出一种中空纤维分子筛膜用于现代医疗麻醉氙气在线回用新技术,可以实现氙气的循环使用,节约氙气采购成本99%以上,同时也可大大缓解氙气市场供应紧张的问题。这一成果发表在《德国应用化学》上。

麻醉剂也有供不应求的时候,必须依靠回收再利用满足临床需求。那么,氙气究竟是一种什么样的麻醉剂?科学家又是如何制备,怎样回收再利用呢?

吸入式麻醉剂的“贵族”

氙气,因稀少和昂贵,被麻醉学界称为吸入麻醉药的“贵族”。

氙是一种惰性气体,存在于地球的空气中。氙本身无毒,人吸入后以原形排出,但在高浓度时有窒息作用。氙有麻醉性,它和氧的混合物(20%氙气与80%氧气)能对人体形成麻醉。氙气主要通过抑制中枢神经系统NMDA受体和乙酰胆碱受体而产生麻醉作用。

临床研究发现,氙气麻醉效能强,具有一定的镇痛作用,所需辅助用药极少,特别是麻醉诱导快,苏醒快,不易受生物转化的影响,是已知对心血管影响最小的一种麻醉药,因此氙气是一种理想的麻醉剂。氙气可用于多种手术的麻醉,如普外科、妇科、整形科及骨科手术。

但是,氙气价格昂贵。在临床使用中,如何实现氙气随着病人的呼吸排出体外后,继续收集并循环使用,一直是待解的难题。

临床手术中,病人在被麻醉过程中组织代谢仍正常进行,用作麻醉药剂的氙气,被病人不断地吸进去再呼出来。病人在呼吸氙气的同时,也不断呼出二氧化碳,在这个闭路循环呼吸麻醉器械里,当二氧化碳的浓度积累到一定程度,就会造成二氧化碳中毒。因此二氧化碳和氙气的混合气体必须定时排出,更换新鲜的氙气。

“目前,氙气的唯一可开采性来源是空气,多级深冷精制工艺能耗较高;同时,氙气在空气中的浓度极低,仅为0.087ppm,市场供应量也极为有限。即使全球生产的高纯度氙气都应用于医疗麻醉,可服务的临床病例也不超过80万人次。”论文通讯作者顾学红介绍。

分子筛膜“把门”拦住氙气

“我们的工作,就是要把分子筛膜放到麻醉闭路循环系统里面,将麻醉过程中人体组织代谢产生的二氧化碳及时移走,这样氙气在里面就可以循环使用了,不需要更换新的氙气,从而降低麻醉过程中氙气的用量和麻醉的成本。”论文通讯作者、第一作者王学瑞说。

分子筛膜是一类具有规整孔道结构的硅铝酸盐材料,有效孔径由分子筛的孔道结构决定,是气体分子间精密分离的理想膜材料。南京工业大学等科研院所已成功实现分子筛膜在有机溶剂与水分离中的工业应用,打破了日本和德国等少数国家的技术垄断,填补了我国在该领域的技术空白。

“将分子筛膜用于气体分离,我们已经研究了10年。如何实现分子筛膜气体分离的大规模工业应用,是亟待突破的瓶颈,也是目前学术界和产业界共同关注的焦点问题。”王学瑞介绍,课题组为此研发了中空纤维分子筛膜用于现代医疗麻醉氙气在线回用新技术。

课题组在研究中发现,气体分子在渗透通过分子筛膜时,二氧化碳分子“跑”得更快,它的渗透速度比氙气分子快两个数量级。王学瑞解释说:“二氧化碳分子渗透速率快,最早进入分子筛孔道并吸附,但是二氧化碳分子与分子筛孔道相互作用力相对较弱,很容易被作用力更强的氙气分子‘挤’出去。”

使用该技术,氙气的回收率高达99%以上,过程能耗非常低,因此这种氙气在线回用技术,具有明显的技术优势和经济优势。同时,专家表示,该膜材料可在模拟体系中连续运行300小时以上,性能保持稳定,有望据此开发新型的医疗麻醉器械,服务于我国现代化医疗体系建设。(生物谷Bioon.com)

 

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