[发明专利]气体交换器和人工肺

说明书

背景技术

肺的主要功能是在环境空气和血液之间交换气体。在此构架内，O₂从环境转移至血液，同时从身体中清除CO₂。

在正常的静止的人类中，这些过程与约200-250cm³/min的O₂输入和大约相同量的CO₂的输出相关。此交换通过0.5-1μm厚的生物膜的50-100m²的表面面积从肺部血液分离肺泡气而得以完成。此过程与相似体积的血液和空气的流动——约5升/分相关。在给定流速下，血液与膜“接触”，穿过该膜在1/3-1/5秒的时间段内发生扩散。

在诸如肺的天然系统中，气体交换通过跨过薄生物膜发生的扩散来实现，该薄生物膜分隔两个隔室：肺泡中的气体和肺毛细血管的血液中含有的气体。通过呼吸运动来使空气或气体移动入或移动出肺，使肺泡隔室中的气体维持在与环境空气或气体相接近的组成下。气体交换通过穿过约70m²的极大表面面积的交换膜的扩散来实现。通过穿过肺毛细血管的很大的血液流动来维持用于气体扩散进入和离开血液的驱动力。

纳米管(“NT”)是具有约1-100nm的直径的惰性圆柱形结构。在碳NT的情况下，该碳NT由一层或多层的六角形碳原子网格构建。它们的长度可以达到厘米范围的数值。图1A描绘了由碳制成的单壁NT。在此时，NT是众所周知的结构，并且制造NT的方法也是众所周知的。图1B描绘了平行排列碳纳米管的矩阵的扫描电子显微镜照片。

纳米纤维是由碳、硅等制成的类似结构，并且也是市售可得的。纳米纤维定义为具有小于100纳米的直径的纤维。在纺织工业中，此定义常常扩展至包括大至1000nm直径的纤维。碳纳米纤维是通过催化合成产生的石墨化纤维。无机纳米纤维(有时称为陶瓷纳米纤维)可以由各种类别的无机物质制备，最常提及的具有纳米纤维形态的陶瓷材料是二氧化钛(TiO₂)、二氧化硅(SiO₂)、二氧化锆(ZrO₂)、氧化铝(A1₂O₃)、钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)、氮化钛(TiN)或铂(Pt)。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种用于处理包括血细胞和血浆的血液的气体交换单元。此气体交换单元包括基板，该基板具有第一侧面和第二侧面。多个纳米管被设置在基板的第二侧面上，纳米管之间具有空间，并且所述纳米管以留下由纳米管环绕的多个血液流动通道的配置被设置在基板上，通道中的每一个具有流入端和流出端。通道中的每一个足够宽，以供血液流动通过，并且纳米管彼此间隔足够近，以在血液流动通过通道时将血浆保持在通道内。基板具有多个穿孔，该多个穿孔在基板的第一侧面和基板的第二侧面之间延伸，穿孔中的每一个与通道中各自的一个对准。此气体交换单元还包括血液入口，该血液入口被配置为将血液供应至基板的第一侧面，其中血液入口与穿孔流体连通，以使得经由血液入口到达的血液将流动通过穿孔，并且继续通过通道。气体交换单元还包括血液出口，该血液出口被配置为接收从通道的流出端到达的血液。气体交换单元还包括壳体，该壳体被配置为容纳基板和纳米管阵列，该壳体具有进气口和出气口，进气口被配置为将气体引入纳米管之间的空间，出气口被配置为将气体从纳米管之间的空间引出。

在一些具体实施方式中，纳米管中的每一个垂直于基板，并且通道中的每一个垂直于基板。在一些具体实施方式中，纳米管以阵列配置被设置在基板上，阵列中具有多个空隙，其中空隙中的每一个对应于各自的一个通道。在一些具体实施方式中，通道中的每一个具有在2到500μm之间的直径。在一些具体实施方式中，纳米管具有在5到20nm之间的直径。在一些具体实施方式中，纳米管以中心在纳米管的直径的1.5倍至纳米管的直径的5倍之间的距离间隔开。在一些具体实施方式中，纳米管中的每一个垂直于基板，通道中的每一个垂直于基板，通道中的每一个具有在2到500μm之间的直径，并且纳米管具有在5到20nm之间的直径。纳米管可以以中心在纳米管的直径的1.5倍至纳米管的直径的5倍之间的距离间隔开。在一些具体实施方式中，纳米管以阵列配置被设置在基板上，阵列中具有多个空隙，其中空隙中的每一个对应于各自的一个通道。