包含納米管和人工肺的氣體交換儀的制作方法
【專利摘要】通過使血液穿過納米管束中間的空隙，O2和CO2可以實(shí)現(xiàn)與該血液進(jìn)行交換，其中該納米管的端部對氣流流動(dòng)通道是開放。該束中的空隙被設(shè)置成能形成流動(dòng)通道，該流動(dòng)通道大到足夠使紅細(xì)胞流過該流動(dòng)通道。該束中的納米管的間距既足夠近以使得該紅細(xì)胞保留在該流動(dòng)通道中，還足夠遠(yuǎn)以使得血漿流過該束中毗鄰的納米管之間的空間，且該束中的納米管在它們的壁內(nèi)具有缺陷以允許O2分子和CO2分子通過缺陷擴(kuò)散。該缺陷存在足夠的數(shù)量和總面積以有效地向該血液輸送O2和從該血液帶走CO2。其它可替換實(shí)施例可用于血液以外的流體。
【專利說明】包含納米管和人工肺的氣體交換儀
[0001]相關(guān)申請交叉引用
[0002]本申請要求2011年9月23日提交的申請?zhí)枮?1/538，417的美國臨時(shí)申請的權(quán)益，其內(nèi)容在此通過引用并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]肺的主要功能是在周圍的空氣和血液之間進(jìn)行氣體交換。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，O2從環(huán)境中轉(zhuǎn)移進(jìn)入血液，而CO2從人體排出。
[0004]在正常的正在休息的人體內(nèi)，這個(gè)過程關(guān)聯(lián)于大約200-250立方厘米/分鐘的O2輸入和大約相同量的CO2輸出。該交換通過0.5-1微米厚的生物膜的50-100平方米的表面積來實(shí)現(xiàn)，該生物膜從肺血中分離出肺泡氣。此過程關(guān)聯(lián)于類似體積的血液和空氣的約5升/分鐘的流動(dòng)。在給定的流速下血液與膜“接觸”，在此過程中，擴(kuò)散發(fā)生的時(shí)間周期是1/3-1/5 秒。
[0005]在自然系統(tǒng)如肺中，氣體交換通過擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)，該擴(kuò)散穿過分離兩間隔室的薄生物膜地發(fā)生:在肺泡中的氣體和包含在肺毛細(xì)管血液中的氣體。在肺泡隔室中的氣體保持著與周圍空氣或通過呼吸運(yùn)動(dòng)使空氣或氣體出入肺產(chǎn)生的氣體相近的組分。氣體交換通過穿過交換膜上的表面積的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)，該表面積非常大-約50-100平方米。使氣體擴(kuò)散而進(jìn)出血液的驅(qū)動(dòng)力通過流經(jīng)肺毛細(xì)血管的大量血液流動(dòng)來維持。
[0006]在過去十年中，碳納米管變得可從市場購買，且最近由其它材料(如硅)構(gòu)成的納米管結(jié)構(gòu)也開始能得到。這些惰性圓柱形結(jié)構(gòu)具有約1-20納米的直徑以及由單層六角形碳原子網(wǎng)格35組成的壁，如圖1所示。它們的長度值可以達(dá)到厘米范圍。在過去十年中，納米管主要因其同時(shí)具有熱導(dǎo)和電導(dǎo)且具有極高的機(jī)械強(qiáng)度而被廣泛地研究。
[0007]完美的碳納米管是牢固的、柔性的、彈性的，且流體包括氣體都無法滲透。然而實(shí)際上，如圖2所示，制備的納米管在其壁31處具有缺陷30。這些缺陷會(huì)起到類似孔的作用，使得氣體可以從中透過。這些缺陷可以具有，例如，結(jié)晶性質(zhì)或原子空位的形式，等等。另一種納米管缺陷是Stone-Wales (Sff)缺陷，該缺陷通過鍵的重排產(chǎn)生五邊形和七邊形對。另外，這樣的洞或孔能夠被有意地引入，例如利用原子力顯微鏡系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的一方面涉及一種氣體交換單元，該氣體交換單元用于處理包括紅細(xì)胞和血漿的血液。該氣體交換單元包括不漏流體的外殼，該外殼具有前面、背面、內(nèi)部和外部，該前面有用于輸入該血液的輸入口，該背面有用于輸出該血液的輸出口。該氣體交換單兀也包括一束在該前面和該背面之間起作用的納米管，每根該納米管具有前端和后端，以及該束納米管具有從該前面上的輸入口延伸至該背面上的輸出口的束中間的空隙。該空隙被設(shè)置成能形成流體通道，其大到足夠使該紅細(xì)胞從該輸入口流到該輸出口。該束中的納米管之間的間距既足夠近以使得該紅細(xì)胞保留在該流動(dòng)通道中，還足夠遠(yuǎn)以使得該血漿流過在該束中毗鄰的納米管之間的空間。該納米管被設(shè)置成與該前面和該背面相關(guān)，以允許O2分子從該外殼的外部擴(kuò)散進(jìn)入該納米管，并允許CO2分子從該納米管擴(kuò)散出到達(dá)該外殼的外部。該束中的該納米管在它們的壁內(nèi)具有缺陷以允許O2分子和CO2分子通過缺陷擴(kuò)散，且該缺陷存在足夠的數(shù)量和總面積以使該氣體交換單元能夠有效地向該血液輸送O2和從該血液帶走CO2。
[0009]在一些較佳實(shí)施例中，該納米管為直徑在5到20納米之間的碳納米管，該前面和該背面距離在0.3到3厘米之間，該束中的納米管，在空隙之外，堆積的密度為每平方微米至少100根納米管，該流動(dòng)通道橫截面積在250到2500平方微米之間。
[0010]在一些較佳實(shí)施例中，該前面具有多個(gè)添加的用于輸入該血液的輸入口，該背面具有多個(gè)添加的用于輸出該血液的輸出口，且該納米管束具有多個(gè)添加的空隙，該多個(gè)添加的空隙從對應(yīng)的各添加的輸入口延 伸至對應(yīng)的各添加的輸出口。該添加的空隙被設(shè)置成能形成添加的流動(dòng)通道，其大到足夠使該紅細(xì)胞從該流動(dòng)通道中流過。
[0011 ] 本發(fā)明的另一方面涉及一種氣體交換儀，該氣體交換儀用于處理包含紅細(xì)胞和血衆(zhòng)的血液。該氣體交換儀包括至少八個(gè)氣體交換單元，且每個(gè)該氣體交換單元包括不漏流體的外殼，該外殼具有前面、背面、內(nèi)部和外部，該前面有用于輸入該血液的輸入口，該背面有用于輸出該血液的輸出口。每個(gè)該氣體交換單元也包括一束在該前面和該背面之間起作用的納米管，每根該納米管具有前端和后端，以及該束納米管具有從該前面上的輸入口延伸至該背面上的輸出口的束中間的空隙。該空隙被設(shè)置成能形成流動(dòng)通道，其大到足夠使該紅細(xì)胞從該輸入口流到該輸出口。該束中的納米管之間的間距既足夠近以使得該紅細(xì)胞保留在該流動(dòng)通道中，還足夠遠(yuǎn)以使得該血漿流過在該束中毗鄰的納米管之間的空間。該納米管被設(shè)置成與該前面和該背面相關(guān)，以允許O2分子從該外殼的外部擴(kuò)散進(jìn)入該納米管，并以允許CO2分子從該納米管擴(kuò)散出至該外殼的外部。該束中的納米管在它們的壁內(nèi)具有缺陷以允許O2分子和CO2分子通過缺陷擴(kuò)散，且該缺陷存在足夠的數(shù)量和總面積以使該氣體交換單元能夠有效地向該血液輸送O2和從該血液帶走co2。該氣體交換儀還包括多條被設(shè)置成與該氣體交換單元相關(guān)的氣體流動(dòng)通道，以允許O2分子從該氣體流動(dòng)通道擴(kuò)散進(jìn)入該氣體交換單元中的該納米管及以允許CO2分子從該氣體交換單元中的該納米管擴(kuò)散出至該氣體流動(dòng)通道。該氣體交換儀還包括至少四架流動(dòng)連接橋，每架該流動(dòng)連接橋被設(shè)置成將該血液從該多個(gè)氣體交換單元的其中一個(gè)單元的輸出口傳送至該多個(gè)氣體交換單元的其中另一個(gè)單元的輸入口，且該流動(dòng)連接橋橫跨該氣體流動(dòng)通道。
[0012]在一些較佳實(shí)施例中，在每個(gè)該氣體交換單元中，該納米管為直徑在5到20納米之間的碳納米管，該前面和該背面距離在0.3到3厘米之間，該束中的納米管，在空隙之外，堆積的密度為每平方微米至少100根納米管，該流動(dòng)通道橫截面積在250到2500平方微米之間。在一些較佳實(shí)施例中，該氣體交換儀包括泵，該泵被設(shè)置成經(jīng)由該氣體流動(dòng)通道泵送空氣、純氧氣和含氧空氣中的至少一種氣體。
[0013]本發(fā)明的另一方面涉及一種使O2和CO2與包含紅細(xì)胞和血漿的血液進(jìn)行交換的方法。該方法包括使該血液穿過納米管束內(nèi)的空隙的步驟。該空隙被設(shè)置成能形成流動(dòng)通道，其大到足夠使該紅細(xì)胞從該輸入口流到該輸出口，且該束中的納米管的間距既足夠近以使得該紅細(xì)胞保留在該流動(dòng)通道中，還足夠遠(yuǎn)以使得該血漿流過在該束中毗鄰的納米管之間的空間。該束中的納米管在它們的壁內(nèi)具有缺陷以允許O2分子和CO2分子通過缺陷擴(kuò)散。這個(gè)方法也包括以下步驟:使O2從氣體流動(dòng)通道擴(kuò)散進(jìn)入該納米管，使O2通過該缺陷從該納米管擴(kuò)散進(jìn)入該血液，使CO2通過該缺陷從該血液擴(kuò)散進(jìn)入該納米管，及使CO2從該納米管擴(kuò)散進(jìn)入該氣體流動(dòng)通道。該缺陷存在足夠的數(shù)量和總面積以有效地向該血液輸送02和從該血液帶走CO2。
[0014]在一些較佳實(shí)施例中，該納米管為直徑在5到20納米之間的碳納米管，該束帶中的納米管，在空隙之外，堆積的密度為每平方微米至少100根納米管，該流動(dòng)通道橫截面積在250到2500平方微米之間。
[0015]本發(fā)明的另一方面涉及一種氣體交換儀，該氣體交換儀包括至少八個(gè)氣體交換單元。每個(gè)該氣體交換單元包括不漏流體的外殼，該外殼具有前面、背面、內(nèi)部和外部，該前面有用于輸入液體的輸入口，該背面有用于輸出該液體的輸出口。每個(gè)該氣體交換單兀也包括多根在該前面和該背面起作用的納米管，每根該納米管具有前端和后端。該納米管被設(shè)置成與該前面和該背面相關(guān)，以允許氣體分子從該外殼的外部擴(kuò)散進(jìn)入該納米管，并以允許氣體分子從該納米管擴(kuò)散出至該外殼的外部，且該納米管在它們的壁內(nèi)具有缺陷以允許氣體分子通過缺陷擴(kuò)散。該缺陷存在足夠的數(shù)量和總面積以使該氣體交換單元能夠有效地向?qū)⒃摎怏w傳送至該液體。該氣體交換儀也包括多條被設(shè)置成與該氣體交換單元相關(guān)的氣體流動(dòng)通道，以允許氣體分子從該氣體流動(dòng)通道擴(kuò)散進(jìn)入該氣體交換單元中的該納米管，還包括至少四架流動(dòng)連接橋。每架該流動(dòng)連接橋被設(shè)置成將液體從該多個(gè)氣體交換單元的其中一個(gè)單元的輸出口傳送至該多個(gè)氣體交換單元的其中另一個(gè)單元的輸入口，且該流動(dòng)連接橋橫跨該氣體流動(dòng)通道。
[0016]在一些較佳實(shí)施例中，該納米管為直徑在5到20納米之間的碳納米管，該前面和該背面距離在0.3 到3厘米之間，且該納米管堆積的密度為每平方微米至少100根納米管。在一些較佳實(shí)施例中，該氣體交換儀也包括泵，該泵被設(shè)置成經(jīng)由該氣體流動(dòng)通道泵送氣體。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1描述了常規(guī)的碳納米管；
[0018]圖2描述了其壁內(nèi)具有孔的常規(guī)的碳納米管；
[0019]圖3A描述了模擬人肺功能的氣體交換系統(tǒng)；
[0020]圖3B和3C分別描述了圖3A的氣體交換系統(tǒng)內(nèi)的基本單元的優(yōu)選結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和透視圖；
[0021]圖4A是血液和氣流流過該氣體交換系統(tǒng)的基本單元的示意圖；
[0022]圖4B是圖4A中沿著剖面線B-B所取的剖視圖；
[0023]圖5A是納米管束中間的血液流動(dòng)通道的透視圖；
[0024]圖5B是圖5A的血液流動(dòng)通道側(cè)視示意圖；
[0025]圖5C描述了含有串聯(lián)和并聯(lián)的120個(gè)基本單元的實(shí)施例；
[0026]圖6是氣體交換系統(tǒng)的基本單元更詳細(xì)的視圖；
[0027]圖7A和7B分別是外部和內(nèi)部氣體交換系統(tǒng)的示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明的一些較佳實(shí)施例涉及一種氣體交換儀(“GE”)，該氣體交換儀用來形成人造肺以有效地在腔室例如人類(或動(dòng)物)血液和環(huán)境空氣或一些其它氣體之間進(jìn)行氣體交換(02和0)2)。該GE系統(tǒng)最好是基于取向平行的納米管陣列。納米管的超小直徑、它們的氣體滲透性(當(dāng)有缺陷存在時(shí))、它們巨大的表面積與體積之比，以及它們的惰性化學(xué)性質(zhì)在此文中都是可取的特性。
[0029]該系統(tǒng)依賴于穿過該納米管壁的擴(kuò)散。為了發(fā)生擴(kuò)散，利用合適的手段通過在該納米管壁內(nèi)引入缺陷而產(chǎn)生孔，如上所述。較佳地，該缺陷中心至少有IO7分之一，在一些較佳實(shí)施例中，該缺陷中心在IO6分之一數(shù)量級。對于該納米管壁內(nèi)的該缺陷來說合適的孔徑為I納米的數(shù)量級。
[0030]圖3A描述了模擬人肺功能的氣體交換系統(tǒng)。氣體交換較佳在大量基本單元中執(zhí)行，各基本單元較佳既有并聯(lián)連接又有串聯(lián)連接，如圖5C所示，描述了基本單元3的3X4X10陣列。在圖5C繪示的設(shè)置中，十二個(gè)基本單元3并聯(lián)在一起，十二個(gè)并聯(lián)的基本單元3模塊被重復(fù)串聯(lián)了十次。
[0031]圖3B和3C分別描述了這些基本單元其中一個(gè)單元的優(yōu)選結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和透視圖。并聯(lián)的納米管2陣列跨越該兩面平行的壁或支撐件1，以使每個(gè)包含大量納米管2的基本單元從一個(gè)支撐件I到其它的支撐件I平行地發(fā)揮作用。獲得這種并聯(lián)的碳納米管結(jié)構(gòu)的方法在文獻(xiàn)“J.Li，C.Papadopoulos和J.M.Xua，用于電子應(yīng)用的高度有序的碳納米管陣列，應(yīng)用物理快報(bào)(1999 ) ; 75，367-369 ”中被描述，該文獻(xiàn)通過引用并入本文。
[0032]納米管2，具有“2r”的直徑(如圖4所示)，且它們的對應(yīng)的開口在支撐件1，較佳以矩陣的模式排布，中心與中心的距離為“a”，也示出在圖4B中。例如直徑為2r=10納米的納米管可以以矩陣形式排布，這樣它們的中心距離a=20納米。在可替換的實(shí)施例中，可以使用具有其它的直徑(例如5-20納米)的納米管，距離為，例如，納米管直徑的兩倍或三倍。
[0033]回到圖3B，在基本單元中的支撐件I之間的距離較佳是0.3-3厘米，這取決于納米管的長度，因?yàn)榧{米管跨越支撐件I之間的間隙。這種長度的納米管是可以得到的。選擇這根納米管長度范圍是要使沿著該納米管擴(kuò)散的氣體能夠足夠迅速地將氧氣和CO2濃度維持在所需水平。在一些較佳實(shí)施例中，所用的納米管在I厘米的數(shù)量級。納米管較佳是通過對應(yīng)的開孔貫穿該支撐件1，以使該納米管的端部開放，即，與相鄰的基本單元的支撐件I之間的空間連通。這里所提的這些空間如圖3B所示的氣體流動(dòng)通道4，及氣體流動(dòng)F3。
[0034]納米管的矩陣模式被空隙破壞，這里所指的空隙如最佳示出于圖4-5的血液流動(dòng)通道5，不包含納米管。血液流動(dòng)通道5較佳是圓柱形，但在可替換實(shí)施例中也能夠具有其它的橫截面。對于血液流動(dòng)通道5合適的橫截面是在250到2500平方微米之間。當(dāng)用圓柱形空隙時(shí)，合適的直徑2R大約為20微米。在一些實(shí)施例中,各空隙較佳按矩陣分布,例如,各中心的距離約為A=40微米。
[0035]制作基本單元的一較佳方式是制作從前支撐件I跨越到后支撐件I的并聯(lián)納米管陣列，然后添加不漏流體的底板、頂板及側(cè)壁(未示出)以形成不漏流體的外殼。這個(gè)外殼的合適尺寸為邊長一厘米的立方體。在這點(diǎn)上，該前面和該背面之間的整個(gè)空間中都被填入矩陣排列的納米管。然后，通過從該前面貫穿到該后面地鉆孔，在該納米管矩陣中形成空隙，從而引出一條或多條血液流動(dòng)通道5。每個(gè)基本單元中最少存在一條血液流動(dòng)通道5，但是在每個(gè)基本單元中也可以制作不止一條血液流動(dòng)通道5。
[0036] 以這種方式制作基本單元時(shí)，每個(gè)基本單元將在該前面具有輸入口，在該背面具有輸出口。血液通過該輸入口進(jìn)入基本單元，穿過血液流動(dòng)通道5行進(jìn)至該輸出口。要注意的是血液流動(dòng)通道5的邊界是該納米管形成的虛擬邊界7，最佳示出于圖5A，5B和6。因?yàn)榕c血液流動(dòng)通道5平行的納米管2堆積得非常緊密(例如20納米的中心距離)，比紅細(xì)胞15的直徑(5微米數(shù)量級)小，因此血液中的紅細(xì)胞15不能離開血液流動(dòng)通道5。然而，該血漿(液體)能夠滲透并在納米管2之間的空間內(nèi)流動(dòng)，這里所指的是血漿流動(dòng)區(qū)域8。換句話說，該束中的納米管2既間隔足夠近，以使得紅細(xì)胞15被限制在血液流動(dòng)通道5中，又足夠遠(yuǎn)以允許該血漿流過該束中毗鄰的納米管之間的空間。讓納米管阻止該血細(xì)胞離開血液流動(dòng)通道5而允許適當(dāng)?shù)臍怏w交換的合適的間距為每平方微米至少100根納米管。
[0037]可選地，為了有助于潤濕過程，在利用系統(tǒng)處理現(xiàn)場病人血液之前，首先要通過壓力迫使水、電解質(zhì)或血漿占據(jù)這些空間。
[0038]在具有多個(gè)串聯(lián)連接的基本單元3的實(shí)施例中，該血液必須從給定的基本單元3轉(zhuǎn)移到下一個(gè)串聯(lián)連接的單元。這可以通過用流動(dòng)連接橋6連接兩毗鄰的基本單元的血液流動(dòng)通道5來實(shí)現(xiàn)(最佳示出于圖3B、4A和6)，以形成連續(xù)的流動(dòng)路徑。特別是，流動(dòng)連接橋6會(huì)將一個(gè)基本單元的輸出口連接至下一個(gè)串聯(lián)的基本單元的輸入口(對于串聯(lián)連接而言)。較佳地，該基本單元是對齊的，這樣就可以用直的流動(dòng)連接橋6。可以利用合適的膠黏劑將流動(dòng)連接橋6連接至該輸入口和輸出口。
[0039]在一些較佳實(shí)施例中，流動(dòng)連接橋6是能夠兼容血液流動(dòng)(即血流通過它們時(shí)不會(huì)被破壞及凝結(jié))的壁很薄的管12和12’。利用合適的材料，例如聚四氟乙烯，或用肝素或肝素類似物等包覆管段，可以實(shí)現(xiàn)這種兼容性。至于血液與該納米管在虛擬邊界7處的接觸，因?yàn)樵摷{米管是惰性的和生物相容的，且與納米管接觸幾乎是無摩擦的，所以可以預(yù)計(jì)該血細(xì)胞不會(huì)受到生物 性損壞。
[0040]該系統(tǒng)基于氣體交換運(yùn)行，該氣體交換通過三個(gè)分開的流體流動(dòng)通道(F1-F3)和三個(gè)氣體擴(kuò)散過程發(fā)生區(qū)域(D1-D3)維持，如示意圖4A所描述的以及更詳細(xì)的見圖6。
[0041]該三種流動(dòng)最佳示出于圖6:(1)血液流動(dòng)通道5及流動(dòng)連接橋6中的血液流動(dòng)Fl ; (2)血漿流區(qū)域8中納米管2周圍的血漿流動(dòng)F2 ;以及(3)氣體流動(dòng)通道4中的氣體流動(dòng)F3。
[0042]該GE氣體交換主要通過氣體擴(kuò)散、在三個(gè)不同過程中實(shí)現(xiàn):(I)沿著納米管2的中空內(nèi)部，納米管2在其兩端開口至相對大的氣體流動(dòng)通道4，標(biāo)記為Dl ；(2)橫穿納米管2的壁的非常大的表面積，納米管2包含所需的氣體(穿過圖2示出的缺陷30)，標(biāo)記為D2 ；以及(3)橫穿血漿流動(dòng)區(qū)域8中的血漿和血液流動(dòng)通道5之間的虛擬邊界7，標(biāo)記為D3。該納米管內(nèi)的所需氣體組分通過從流動(dòng)氣體隔室至該納米管開放的端口的擴(kuò)散來維持。
[0043]在這個(gè)實(shí)例中，該氣體交換功能如下:從整個(gè)身體收集的靜脈血液正常會(huì)通過右心室泵送進(jìn)入肺。此血液，整體或部分被改道至該GE的輸入端，在該處，該整體或部分血液流過流動(dòng)路徑Fl (該血液中的紅細(xì)胞部分和一部分血漿)和F2 (余下的血漿)。另外，空氣、含氧空氣或氧氣被泵送入氣體流動(dòng)通道4，在該處，空氣、含氧空氣或氧氣沿著路徑F3流動(dòng)?？梢岳萌魏魏线m的能夠維持充足的流量(例如6升/分鐘)的常規(guī)空氣泵進(jìn)行泵送。
[0044]第一個(gè)擴(kuò)散過程(D1，如圖6所示)是從氣體流動(dòng)通道4 (該處，足夠的氣體流動(dòng)使氣體濃度保持為常數(shù))流過納米管2的開口端，該開口端開口進(jìn)入氣體流動(dòng)通道4。此過程遵照被稱為“溢出”的公知的擴(kuò)散過程，“溢出”即從相對較大的容器(這里指氣體流動(dòng)通道4)經(jīng)由對應(yīng)于納米管開口端的“針孔”擴(kuò)散出來。經(jīng)過針孔的質(zhì)量傳輸M由下式給出:
[0045]M=0.25*P* (8m/ π *R*T) °' 5*A*t
[0046]式中:P為壓強(qiáng)(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，m為分子量，R為氣體常數(shù)(爾格/度)8.3*107，T為溫度(開爾文)300°，A為面積(平方厘米)，以及t為時(shí)間(秒)。
[0047]假設(shè)質(zhì)量流量為每平方厘米面積通過100%的02，則M=14.1克/秒或0.44摩爾/秒，即969位方厘米/秒,或581640立方厘米/分鐘。
[0048]進(jìn)一步假設(shè)一個(gè)實(shí)例，其中該納米管直徑為10納米；納米管中心距離為40納米；該納米管截面積為(0.5*10_6)2=π*0.25*10_12=0.79*10_12平方厘米；以及每平方厘米納米管的數(shù)量為6.25*1010根，結(jié)果每I平方厘米基本單元的納米管總截面積為4.92*10_2平方厘米，且I平方厘米的基本單元中O2進(jìn)入納米管的流量為5.8*105*4.9*10_2，這達(dá)到了
2.8*10位方厘米/分鐘。盡管有氣體穿過該納米管表面發(fā)生的擴(kuò)散(D2)，但是這個(gè)巨大的流量(實(shí)際也適用于20%的O2)保證納米管中的O2濃度幾乎能保持不變。這個(gè)結(jié)論對于納米管2長度相對小時(shí)(約I毫米-1厘米)有效，該納米管2的兩端都向氣體流動(dòng)通道4開放。
[0049]第二擴(kuò)散過程(D2)是進(jìn)出納米管2進(jìn)入血漿的過程，該血漿在血漿流動(dòng)區(qū)域8內(nèi)流動(dòng)。在這個(gè)情況下，O2傳輸量能夠如下估計(jì)。假設(shè)納米管直徑10納米；納米管表面積(I厘米長度):*10_6平方厘米，納米管中心距離40納米；每平方厘米納米管數(shù)量為6.25*1010根，每立方厘米納米管總面積可達(dá)1.96*105平方厘米。進(jìn)一步假設(shè)該缺陷導(dǎo)致的孔占納米管表面積的1/1000000，則可用于擴(kuò)散的總面積為0.196平方厘米。
[0050]空氣中的O2擴(kuò)散系數(shù)D=0.243平方厘米/秒。當(dāng)納米管壁厚度為0.3納米時(shí)，橫跨孔的擴(kuò)散距離的厚度是L=10_7厘米(I納米)。因此Λ C=L 8*10-3/22000=8.2*10-8摩爾O2/立方厘米(如下所示):
[0051]因此每立方厘米的單元中O2的傳輸量為
[0052]dn/dt=D*A*dC/dX=0.243*0.196*8.2*10-8/10-7=3.9*10-2 摩爾 O2/ 秒，
[0053]再乘以60，得出2.34摩爾O2/分鐘。
[0054]在立方厘米/秒中的傳輸量為:0.243*0.196*1.8*10-3/10-7=860立方厘米/秒。
[0055]乘以60,對于單個(gè)單元,傳輸量達(dá)到51600立方厘米/分鐘,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何人所
需的量。
[0056]上面的結(jié)果是納米管密度在線性方式下的函數(shù)，這樣如果，比方說納米管中心距離為20納米而不是40納米，則納米管堆積得緊密4倍，這種情況下流量將高達(dá)四倍，即3440立方厘米/秒。
[0057]第三擴(kuò)散過程(D3)是相關(guān)的氣體，O2和CO2，在血漿(位置在血漿流動(dòng)區(qū)域8中)和血液流動(dòng)通道5中橫穿虛擬邊界7的過程。
[0058]這個(gè)過程的O2交換量如下計(jì)算:相關(guān)的O2擴(kuò)散發(fā)生在基本上是水(電解質(zhì))，其溶解度比值(水比水)，S=I的兩個(gè)身體之間。我們來考慮這種情況，其中血液流動(dòng)通道5中流動(dòng)的血液的O2含量與通常的靜脈血一樣，而在該納米管內(nèi)交換氣體的該血漿(位置在血漿流動(dòng)區(qū)域8中)中的O2含量是動(dòng)脈血的O2含量。
[0059]假設(shè)以下情況:靜脈氧分壓(PvO2) =40毫米汞柱；動(dòng)脈氧分壓(PaO2) =100毫米汞柱；02含量=0.003毫升O2/分升/暈米萊柱，我們得到[0060]動(dòng)脈類似血衆(zhòng)的O2含量(100暈米萊柱)=0.3立方厘米O2/分升=3*10 3毫升O2/立方厘米；以及靜脈類似血衆(zhòng)的O2含量(40暈米萊柱)=0.12毫升O2/分升=1.2*10 3毫升O2/立方厘米，因此
[0061]AC=3*1(T3-1.2*10-3=1.8*10-3 立方厘米 O2/ 立方厘米。
[0062]轉(zhuǎn)換成摩爾數(shù)，我們得到
[0063]Δ C=L 8*10-3/22000=8.2*10-8 摩爾 O2/ 立方厘米
[0064]橫穿維持不變的濃度梯度的虛擬膜的厚度W為ΙΟ—4厘米(I微米)；02在水中的擴(kuò)散系數(shù)D=3*1(T5平方厘米/秒；以及O2的滲透系數(shù)P=D/W=3*1(T5厘米/秒/10-4=0.3。
[0065]橫穿I平方厘米面積的O2擴(kuò)散量由下式給出:
[0066]dn/dt=P*S*A* Δ C=0.3*1*1*1.8*10-3=0.6*10-3 立方厘米 O2/ 秒
[0067]對于一個(gè)具有I厘米長、直徑2*10_3厘米(20微米)的血液流動(dòng)通道5的系統(tǒng)，流動(dòng)通道周長為2π*10_3厘米。如果流動(dòng)通道中心的距離為3*10_3厘米(30微米)，則每平方厘米通道的數(shù)量為IO5根。然后總流動(dòng)通道表面積k為2π *10_3*105=628平方厘米。
[0068]橫穿單個(gè)1立方厘米的基本單元內(nèi)的流動(dòng)通道表面積的O2總傳輸量將是T=0.6*10-3*628=0.38立方厘米O2/秒或0.38*60=22.8立方厘米/分鐘，因此在如圖4和5繪示的由120個(gè)基本單元排列組成的GE中，氧氣總傳輸量將是22.8*120=2736立方厘米/分鐘。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了休息中的人所需O2量，即250立方厘米/分鐘。
[0069]注意到上述計(jì)算的所有擴(kuò)散量是針對在大氣壓下，O2在氣體流動(dòng)通道4流動(dòng)而言的。將100%的氧氣替換約包含20%的O2的空氣后，大約能夠是上述數(shù)值的5倍。再者，氣壓可以被升高到高于大氣壓以及系統(tǒng)中其它相關(guān)元件的壓力，以進(jìn)一步改善氣體交換。
[0070]對于氣體交換儀在CO2方面的功效，CO2和O2的水的擴(kuò)散系數(shù)類似，而CO2的溶解度大約是O2的24倍。因?yàn)楹跹瓦€原血的O2和CO2的濃度差類似，CO2的擴(kuò)散率大約是O2的20倍。因此，上述所有過程中的CO2傳輸量預(yù)計(jì)要高于O2的傳輸量。
[0071]如上面所提到的在GE中有三種流體流動(dòng)，最佳示出于圖6:(1)血液流動(dòng)通道5和流動(dòng)連接橋6中的血液流動(dòng)Fl ; (2)該納米管周圍的血漿流動(dòng)F2 (在血漿流動(dòng)區(qū)域8中)；以及(3)氣體流動(dòng)通道4中的氣體流動(dòng)F3。所有的流量可以通過合適的流量計(jì)來測量并通過壓力驅(qū)動(dòng)力的變化及流動(dòng)阻力來控制。能實(shí)現(xiàn)該測出的流動(dòng)速率的模擬或數(shù)字控制器，相關(guān)的生理參數(shù)，壓力發(fā)生器，以及流動(dòng)阻力控制器，可以用來維持所期望的流量。
[0072]經(jīng)由該GE (包括紅細(xì)胞流動(dòng)Fl和血漿流動(dòng)F2，都如圖6所示)的血液流動(dòng)可以從肺動(dòng)脈或任何其他運(yùn)載了足夠多靜脈血的血管獲得。流動(dòng)Fl和F2能夠由右心室或循環(huán)的其它部位產(chǎn)生的自然壓力維持?？商鎿Q地，流動(dòng)Fl或F2能夠由外部的或植入的被設(shè)計(jì)成能長時(shí)間產(chǎn)生血流的泵驅(qū)動(dòng)。類似于Jarvik-7心臟,新卡迪亞(SynCardia)系統(tǒng)人造心臟(原名為CardioWest TAH),以及AbiMed制造的AbioCor置換心臟等的泵都適用于該目的。離開GE的血液然后可以經(jīng)由肺靜脈或任何其它合適的血管回引入患者體內(nèi)。
[0073]流動(dòng)速率較佳是可調(diào)整的，以與人體，生物體等的需要相匹配，根據(jù)不斷變化的需要這種調(diào)整可以是動(dòng)態(tài)的，例如，運(yùn)動(dòng)時(shí)增加流動(dòng)速率。該調(diào)整可以由相關(guān)生理參數(shù)，如血液中的O2和/或CO2分壓，血紅蛋白氧飽和度(血氧飽和度)，pH值等的傳感器控制(例如，當(dāng)探測到O2量下降時(shí)提高流量)。
[0074]為了提供O2 (或其它氣體)需求，休息中的成人所需數(shù)量為近似250立方厘米/分鐘，需要約5-6升/分鐘的含氧血流量。較佳考慮的添加因素是流動(dòng)的血液暴露在氣體擴(kuò)散過程中的時(shí)間，駐留時(shí)間。在正常休息中的人肺中，這個(gè)持續(xù)時(shí)間約為I秒的1/3-1/5，而流速通常低于100厘米/秒。
[0075]在所描述的GE中，血液流動(dòng)通道5的總橫截面積為3.6平方厘米，而血液流動(dòng)通道5的長度為10厘米(這里假設(shè)有十個(gè)I厘米的基本單元串聯(lián)連接)。假設(shè)流動(dòng)Fl為6升/分鐘=100立方厘米/秒，我們有1/10秒的駐留時(shí)間。因?yàn)镚E的擴(kuò)散量至少超過所需量一個(gè)數(shù)量級，所以這個(gè)有點(diǎn)短的駐留時(shí)間應(yīng)該不會(huì)妨礙足夠的氣體交換。
[0076]第二種流動(dòng)F2是該血漿在納米管周圍(在血漿流區(qū)域8中)流動(dòng)。流入該GE的血液主要由紅細(xì)胞(“RBCS”)和血漿組成。而血漿在血液流動(dòng)通道5和該納米管周圍的區(qū)域都可以流動(dòng)，該納米管之間的空間(約20-50納米)小得不能容納直徑為5-8微米的RBCS。因此，血液分為兩部分:血漿和含有少量(高紅細(xì)胞比容下的)血漿的紅血球。該血漿因?yàn)檠刂渎窂接写罅?納米管的存在，以及RBCs由于濃縮血液的高粘度，這兩種流動(dòng)都會(huì)變慢。
[0077]該GE可以裝配泵(例如，當(dāng)推動(dòng)流體時(shí)只部分堵塞管段的蠕動(dòng)泵)以克服這種變慢而維持足夠的流量。較佳要特別注意維持兩種流動(dòng)的平衡，以使血液在GE的出口出能進(jìn)行合適的重組。這可以通過被動(dòng)流動(dòng)控制裝置如限流器，或主動(dòng)控制系統(tǒng)分別控制血漿路徑F2和/或RBC路徑Fl中的壓力梯度和/或流動(dòng)阻力來實(shí)現(xiàn)。
[0078]例如，如圖6所示，F(xiàn)l的流動(dòng)阻力可以通過流動(dòng)阻力控制器9來提高，這可以利用像百葉窗，卷簾，或別的孔口直徑控制機(jī)構(gòu)的機(jī)械裝置來實(shí)現(xiàn)。
[0079]當(dāng)該血液進(jìn)入該基本單元，一些血漿偏離血液流動(dòng)通道5而進(jìn)入血漿流動(dòng)區(qū)域8。在一些實(shí)施例中，總血漿的約50%會(huì)發(fā)生偏離，且流動(dòng)阻力控制器9較佳被設(shè)置為能協(xié)助這種偏離?？商娲鼗蛱砑拥?，提高血漿流動(dòng)區(qū)域8中的壓力梯度和流動(dòng)速率的助流器19可以幫助分離過程。適合于助流器19的機(jī)械裝置實(shí)例包括蠕動(dòng)泵。
[0080]如圖6右側(cè)的箭頭所示，血漿流動(dòng)F2重新匯入流向基本單元3后部的RBC流動(dòng)Fl。注意在可替換實(shí)施例中，可以通過增加納米管之間的距離減小流動(dòng)阻力，及增加該裝置的尺寸彌補(bǔ)表面積的損失，從而減少或消除血液分離的需要。
[0081]流入(圖3B，4A和6中的F3)氣體流動(dòng)通道4的氣體較佳是氧氣，但是空氣或其它混合氣體也能使用。該氣體流動(dòng)入口管能夠被連接至任何其壓力和組分能被調(diào)控的氣體源。該對應(yīng)的出口可以通向收集隔室或該氣體會(huì)被排出到環(huán)境中?？梢酝ㄟ^來源于壓縮氣體容器或泵系統(tǒng)的合適的壓力梯度來維持氣體流動(dòng)。該流動(dòng)較佳是利用多種常規(guī)手段中的任何手段控制。該流動(dòng)速率較佳能使納米管原點(diǎn)處的氣體濃度基本不變。作為實(shí)例，在人造肺的情況下，在處于休息的對象中氣體遠(yuǎn)離納米管的擴(kuò)散量約為250立方厘米/分鐘且在運(yùn)動(dòng)期間擴(kuò)散量會(huì)比這個(gè)值多10倍都不止。因此，約10-100升/分鐘的流量可以滿足大多數(shù)情況。氣體流動(dòng)通道4中的平均氣壓較佳類似于大氣壓。然而，在可替換實(shí)施例中會(huì)有不同，例如會(huì)升高從而通過擴(kuò)散產(chǎn)生更高的傳輸量，等等。這種情況下，血液流動(dòng)通道5中的血壓會(huì)不得不升高到相應(yīng)的水平。
[0082]圖7A和7B是GE如何連上患者的示意圖，分別示出了外部和內(nèi)部GE。在任一情況下，血液經(jīng)由管段73從肺動(dòng)脈71進(jìn)入GE75以及血液經(jīng)由管段73從GE回到肺動(dòng)脈?？諝饣蜓鯕獗槐?6經(jīng)由氣體輸入管77泵送入GE75，且廢氣經(jīng)由排氣管78離開。在這些實(shí)施例中，肺動(dòng)脈可以用作GE的血液源以及肺靜脈(到達(dá)左心房之前)之一可以用作含氧血的排出裝置。在這種情況下GE75取代了肺。然而，在可替換實(shí)施例中，GE75會(huì)平行地與失敗的呼吸系統(tǒng)連接。GE也能夠被引入外周循環(huán)以提高血液的氣體交換。在這種情況下，例如，該GE能夠平行地連接至股靜脈或在遠(yuǎn)端和近端切口之間被引入到該股靜脈。在這種情況下，流動(dòng)速率將小于上述的那些流動(dòng)速率。注意流經(jīng)GE的血液會(huì)通過肺靜脈回到循環(huán)，如圖7A和7B所示,或者回到不同的血管。
[0083]本發(fā)明如上所描述，關(guān)于向血液輸送O2以及從血液清除C02。但本發(fā)明不限于此應(yīng)用，且能夠用于向血液輸送其它氣體。例如，本發(fā)明可以用來連接具有專用循環(huán)的身體的一部分(如腿，腦，腎)，以輸送任何想要的氣體到那個(gè)身體部分。這可以用來輸送化學(xué)的如麻醉的或治療性的意欲作用于局部的氣體。這種情況下氣體會(huì)被輸入動(dòng)脈及通過靜脈等被輸出(清除)。
[0084]注意在其它類型的GE中，可以利用非血液的流體。在流體是同質(zhì)的情況下，將不需要分離系統(tǒng)(即納米管束內(nèi)的血液流動(dòng)通道5)，且整個(gè)基本單元能夠填滿納米管。本發(fā)明也不限于醫(yī)學(xué)用途，且能夠用于其他類型的流體流動(dòng)系統(tǒng)的氣體交換，包括工業(yè)應(yīng)用。
[0085]雖然本發(fā)明參照特定實(shí)施例進(jìn)行公開，但是如所附權(quán)利要求所限定，所有不脫離本發(fā)明的領(lǐng)域和 范圍的對該實(shí)施例的多種修正，替換和變化都是可能的，。相應(yīng)地，其目的是，本發(fā)明不限于所描述的實(shí)施例，而是涵蓋由以下權(quán)利要求的語言及其同義詞所限定的全部范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種氣體交換單元，所述氣體交換單元用于處理包括紅細(xì)胞和血漿的血液，所述氣體交換單元包含: 不漏流體的外殼，所述外殼具有前面和背面，所述前面有用于輸入所述血液的輸入口，所述背面具有用于輸出所述血液的輸出口，所述不漏流體的外殼具有內(nèi)部和外部；以及 納米管束，所述納米管束在所述前面和所述背面之間起作用，每根所述納米管具有前端和后端，以及所述納米管束具有從所述前面上的輸入口延伸至所述背面上的輸出口的所述束中間的空隙，所述空隙被設(shè)置成能形成流動(dòng)通道，所述流動(dòng)通道大到足夠使所述紅細(xì)胞從所述輸入口流到所述輸出口， 其中，所述束中的納米管的間距既足夠近以使得所述紅細(xì)胞保留在所述流動(dòng)通道中， 還足夠遠(yuǎn)以使得所述血漿流過在所述束中毗鄰的納米管之間的空間，其中，所述納米管被設(shè)置成與所述前面和所述背面相關(guān)，以允許O2分子從所述外殼的外部擴(kuò)散進(jìn)入所述納米管，并允許CO2分子從所述納米管擴(kuò)散出到達(dá)所述外殼的外部，以及 其中，所述束中的納米管在它們的壁內(nèi)具有缺陷以允許O2分子和CO2分子通過缺陷擴(kuò)散，且所述缺陷存在足夠的數(shù)量和總面積以使所述氣體交換單元能夠有效地向所述血液輸送O2和從所述血液帶走CO2。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體交換單元，其中，所述納米管為碳納米管。
3.如權(quán)利要求1所述的氣體交換單元，其中，所述前面和所述背面距離在0.3到3厘米之間。
4.如權(quán)利要求1所述的氣體交換單元，其中，所述納米管直徑在5到20納米之間。
5.如權(quán)利要求1所述的氣體交換單元，其中，所述束中的納米管，在空隙之外，堆積的密度為每平方微米至少100根納米管。
6.如權(quán)利要求1所述的氣體交換單元，其中，所述流動(dòng)通道橫截面積在250到2500平方微米之間。
7.如權(quán)利要求1所述的氣體交換單元，其中，所述納米管為直徑在5到20納米之間的碳納米管，所述前面和所述背面距離在0.3到3厘米之間，所述束帶中的所述納米管，在空隙之外，呈堆積狀，密度為每平方微米至少100根納米管，所述流動(dòng)通道橫截面積在250到2500平方微米之間。
8.如權(quán)利要求1所述的氣體交換單元，其中，所述前面具有多個(gè)添加的用于輸入所述血液的輸入口，所述背面具有多個(gè)添加的用于輸出所述血液的輸出口，且所述納米管束具有多個(gè)添加的空隙，所述多個(gè)添加的空隙從所述對應(yīng)的各添加的輸入口延伸至所述各添加的輸出口，所述添加的空隙被設(shè)置成能形成添加的流動(dòng)通道，所述添加的流動(dòng)通道大到足夠使所述紅細(xì)胞從所述添加的流動(dòng)通道中流過。
9.如權(quán)利要求8所述的氣體交換單元，其中，所述納米管為直徑在5到20納米之間的碳納米管，所述前面和所述背面距離在0.3到3厘米之間，所述束中的納米管，在空隙之外，堆積的密度為每平方微米至少100根納米管，及所述流動(dòng)通道橫截面積在250到2500平方微米之間。
10.一種氣體交換儀,所述氣體交換儀用于處理包括紅細(xì)胞和血漿的血液,所述氣體交換儀包含: 至少八個(gè)氣體交換單元，其中，每個(gè)所述氣體交換單元包括不漏流體的外殼，所述外殼具有前面和背面，所述前面有用于輸入所述血液的輸入口，所述背面具有用于輸出所述血液的輸出口，所述不漏流體的外殼具有內(nèi)部和外部，以及 納米管束，所述納米管束在所述前面和所述背面之間起作用，每根所述納米管具有前端和后端，以及所述納米管束具有從所述前面上的輸入口延伸至所述背面上的輸出口的所述束中間的空隙，所述空隙被設(shè)置成能形成流動(dòng)通道，所述流動(dòng)通道大到足夠使所述紅細(xì)胞從所述輸入口流到所述輸出口， 其中，所述束中的納米管的間距既足夠近以使得所述紅細(xì)胞保留在所述流動(dòng)通道中，還足夠遠(yuǎn)以使得所述血漿流過在所述束中毗鄰的納米管之間的空間， 其中，所述納米管被設(shè)置成與所述前面和所述背面相關(guān)，以允許O2分子從所述外殼的所述外部擴(kuò)散進(jìn)入所述納米管，并允許CO2分子從所述納米管擴(kuò)散出到達(dá)所述外殼的外部，以及 其中，所述束中的納米管在它們的壁內(nèi)具有缺陷以允許O2分子和CO2分子通過缺陷擴(kuò)散，且所述缺陷存在足夠的數(shù)量和總面積以使所述氣體交換單元能夠有效地向所述血液輸送O2和從所述血液帶走CO2 ； 多條氣體流動(dòng)通道，所述氣體流動(dòng)通道被設(shè)置成與所述氣體交換單元相關(guān)，以允許O2分子從所述氣體流動(dòng)通道擴(kuò)散進(jìn)入所述氣體交換單元中的納米管及以允許CO2分子從所述氣體交換單元中的納米管擴(kuò)散出至所述氣體流動(dòng)通道；以及 至少四架流動(dòng)連接橋，每架所述流動(dòng)連接橋被設(shè)置成將血液從所述多個(gè)氣體交換單元的其中一個(gè)單元的輸出口傳送至所述多個(gè)氣體交換單元的其中另一個(gè)單元的輸入口，其中，所述流動(dòng)連接橋橫 跨所述氣體流動(dòng)通道。
11.如權(quán)利要求10所述的氣體交換儀，其中，在每個(gè)所述氣體交換單元中，所述納米管為直徑在5到20納米之間的碳納米管，所述前面和所述背面距離在0.3到3厘米之間，所述束中的納米管，在空隙之外，堆積的密度為每平方微米至少100根納米管，所述流動(dòng)通道橫截面積在250到2500平方微米之間。
12.如權(quán)利要求10所述的氣體交換儀， 其中，在每個(gè)所述氣體交換單元中，所述前面具有多個(gè)添加的用于輸入所述血液的輸入口，所述背面具有多個(gè)添加的用于輸出所述血液的輸出口，且所述納米管束具有多個(gè)添加的空隙，所述多個(gè)添加的空隙從所述對應(yīng)的各添加的輸入口延伸至所述對應(yīng)的各添加的輸出口，所述添加的空隙被設(shè)置成能形成添加的流動(dòng)通道，所述添加的流動(dòng)通道大到足夠使所述紅細(xì)胞從所述添加的流動(dòng)通道中流過，以及 其中，所述氣體交換儀還包含多架添加的流動(dòng)連接橋，所述多架添加的流動(dòng)連接橋?qū)⒏飨鄳?yīng)的添加的輸出口連接到各相應(yīng)的添加的輸入口。
13.如權(quán)利要求12所述的氣體交換儀，其中，在每個(gè)所述氣體交換單元中，所述納米管為直徑在5到20納米之間的碳納米管，所述前面和所述背面距離在0.3到3厘米之間，所述束中的納米管，在空隙之外，堆積的密度為每平方微米至少100根納米管，所述流動(dòng)通道橫截面積在250到2500平方微米之間。
14.如權(quán)利要求10所述的氣體交換儀，其中，進(jìn)一步包括泵，所述泵被設(shè)置成經(jīng)由所述氣體流動(dòng)通道泵送空氣、純氧氣和含氧空氣中的至少一種氣體。
15.如權(quán)利要求14所述的氣體交換儀，其中，進(jìn)一步包括第二個(gè)泵，所述第二個(gè)泵被設(shè)置成經(jīng)由所述氣體交換單元泵送所述血液。
16.一種使O2和CO2與包含紅細(xì)胞和血漿的血液進(jìn)行交換的方法，所述方法包含步驟: 使所述血液穿過納米管束內(nèi)的空隙，其中，所述空隙設(shè)置成能形成流動(dòng)通道，所述流動(dòng)通道大到足夠使所述紅細(xì)胞從所述輸入口流到所述輸出口，其中所述束中的納米管的間距既足夠近以使得所述紅細(xì)胞保留在所述流動(dòng)通道中，還足夠遠(yuǎn)以使得所述血漿流過在所述束中毗鄰的納米管之間的空間，以及其中所述束中的納米管在它們的壁內(nèi)具有缺陷以允許O2分子和CO2分子通過缺陷擴(kuò)散； 使O2從所述氣體流動(dòng)通道擴(kuò)散進(jìn)入所述納米管； 使O2通過所述缺陷從所述納米管擴(kuò)散進(jìn)入所述血液； 使CO2通過所述缺陷從所述血液擴(kuò)散進(jìn)入所述納米管；以及 使CO2從所述納米管擴(kuò)散進(jìn)入所述氣體流動(dòng)通道， 其中，所述缺陷存在足夠的數(shù)量和總面積以有效地向所述血液輸送O2和從所述血液帶走 CO2。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述納米管為碳納米管。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述納米管直徑在5到20納米之間。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述束中的所述納米管，在空隙之外，堆積的密度為每平方微米至少100根納米管。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述流動(dòng)通道橫截面積在250到2500平方微米之間。
21.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述納米管為直徑在5到20納米之間的碳納米管，所述束中的納米管，在空隙之外，堆積的密度為每平方微米至少100根納米管，及所述流動(dòng)通道橫截面積在250到2500平方微米之間。
22.—種氣體交換儀，包含: 至少八個(gè)氣體交換單元，其中，每個(gè)所述氣體交換單元包括 不漏流體的外殼，所述外殼具有前面和背面，所述前面有用于輸入液體的輸入口，所述背面有用于輸出所述液體的輸出口，所述不漏流體的外殼具有內(nèi)部和外部，以及 多根納米管，所述多根納米管在所述前面和所述背面之間起作用，每根所述納米管具有前端和后端， 其中，所述納米管被設(shè)置成與所述前面和所述背面相關(guān)，以允許氣體分子從所述外殼的外部擴(kuò)散進(jìn)入所述納米管，并允許氣體分子從所述納米管擴(kuò)散出到達(dá)所述外殼的外部，以及 其中，所述納米管在它們的壁內(nèi)具有缺陷以允許氣體分子通過所述缺陷擴(kuò)散，且所述缺陷存在足夠的數(shù)量和總面積以使所述氣體交換單元能夠有效地向所述液體輸送所述氣體； 多條氣體流動(dòng)通道，所述多條氣體流動(dòng)通道被設(shè)置成與所述氣體交換單元相關(guān)，以允許氣體分子從所述氣體流動(dòng)通道擴(kuò)散進(jìn)入所述氣體交換單元中的納米管；以及 至少四架流動(dòng)連接橋，每架所述流動(dòng)連接橋被設(shè)置成將所述液體從所述多個(gè)氣體交換單元的其中一個(gè)單元的輸出口傳送至所述多個(gè)氣體交換單元的其中另一個(gè)單元的輸入口，其中，所述流動(dòng)連接橋橫跨所述氣體流動(dòng)通道。
23.如權(quán)利要求22所述的氣體交換儀，其中，在每個(gè)所述氣體交換單元中，所述納米管為直徑在5到20納米之間的碳納米管，所述前面和所述背面距離在0.3到3厘米之間，所述束中的納米管，在空隙之外，堆積的密度為每平方微米至少100根納米管。
24.如權(quán)利要求22所述的氣體交換儀，其中，進(jìn)一步包括泵，所述泵被設(shè)置成經(jīng)由所述氣體流動(dòng)通道泵送所述氣體。
25.如權(quán)利要求24所述的氣體交換儀，其中，進(jìn)一步包括第二個(gè)泵，所述第二個(gè)泵被設(shè)置成經(jīng)由所述氣體交換單元 泵送所述液體。
【文檔編號】B01D69/08GK104010674SQ201280046150
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月23日
【發(fā)明者】尤倫·帕提 申請人:尤倫·帕提