包含納米管和人工肺的氣體交換儀制造技術

通過使血液穿過納米管束中間的空隙，O2和CO2可以實現與該血液進行交換，其中該納米管的端部對氣流流動通道是開放。該束中的空隙被設置成能形成流動通道，該流動通道大到足夠使紅細胞流過該流動通道。該束中的納米管的間距既足夠近以使得該紅細胞保留在該流動通道中，還足夠遠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具有缺陷以允許O2分子和CO2分子通過缺陷擴散。該缺陷存在足夠的數量和總面積以有效地向該血液輸送O2和從該血液帶走CO2。其它可替換實施例可用于血液以外的流體。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】包含納米管和人工肺的氣體交換儀相關申請交叉引用本申請要求2011年9月23日提交的申請號為61/538,417的美國臨時申請的權益，其內容在此通過引用并入本文。
技術介紹
肺的主要功能是在周圍的空氣和血液之間進行氣體交換。在這個結構中，O2從環境中轉移進入血液，而CO2從人體排出。在正常的正在休息的人體內，這個過程關聯于大約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現，該生物膜從肺血中分離出肺泡氣。此過程關聯于類似體積的血液和空氣的約5升/分鐘的流動。在給定的流速下血液與膜“接觸”，在此過程中，擴散發生的時間周期是1/3-1/5秒。在自然系統如肺中，氣體交換通過擴散來實現，該擴散穿過分離兩間隔室的薄生物膜地發生：在肺泡中的氣體和包含在肺毛細管血液中的氣體。在肺泡隔室中的氣體保持著與周圍空氣或通過呼吸運動使空氣或氣體出入肺產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散來實現，該表面積非常大-約50-100平方米。使氣體擴散而進出血液的驅動力通過流經肺毛細血管的大量血液流動來維持。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）構成的納米管結構也開始能得到。這些惰性圓柱形結構具有約1-20納米的直徑以及由單層六角形碳原子網格35組成的壁，如圖1所示。它們的長度值可以達到厘米范圍。在過去十年中，納米管主要因其同時具有熱導和電導且具有極高的機械強度而被廣泛地研究。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，結晶性質或原子空位的形式，等等。另一種納米管缺陷是Stone-Wales（SW）缺陷，該缺陷通過鍵的重排產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。
技術實現思路
本專利技術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。該空隙被設置成能形成流體通道，其大到足夠使該紅細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胞保留在該流動通道中，還足夠遠以使得該血漿流過在該束中毗鄰的納米管之間的空間。該納米管被設置成與該前面和該背面相關，以允許O2分子從該外殼的外部擴散進入該納米管，并允許CO2分子從該納米管擴散出到達該外殼的外部。該束中的該納米管在它們的壁內具有缺陷以允許O2分子和CO2分子通過缺陷擴散，且該缺陷存在足夠的數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。在一些較佳實施例中，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，該流動通道橫截面積在250到2500平方微米之間。在一些較佳實施例中，該前面具有多個添加的用于輸入該血液的輸入口，該背面具有多個添加的用于輸出該血液的輸出口，且該納米管束具有多個添加的空隙，該多個添加的空隙從對應的各添加的輸入口延伸至對應的各添加的輸出口。該添加的空隙被設置成能形成添加的流動通道，其大到足夠使該紅細胞從該流動通道中流過。本專利技術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胞和血漿的血液。該氣體交換儀包括至少八個氣體交換單元，且每個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。該空隙被設置成能形成流動通道，其大到足夠使該紅細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胞保留在該流動通道中，還足夠遠以使得該血漿流過在該束中毗鄰的納米管之間的空間。該納米管被設置成與該前面和該背面相關，以允許O2分子從該外殼的外部擴散進入該納米管，并以允許CO2分子從該納米管擴散出至該外殼的外部。該束中的納米管在它們的壁內具有缺陷以允許O2分子和CO2分子通過缺陷擴散，且該缺陷存在足夠的數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置成與該氣體交換單元相關的氣體流動通道，以允許O2分子從該氣體流動通道擴散進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散出至該氣體流動通道。該氣體交換儀還包括至少四架流動連接橋，每架該流動連接橋被設置成將該血液從該多個氣體交換單元的其中一個單元的輸出口傳送至該多個氣體交換單元的其中另一個單元的輸入口，且該流動連接橋橫跨該氣體流動通道。在一些較佳實施例中，在每個該氣體交換單元中，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，該流動通道橫截面積在250到2500平方微米之間。在一些較佳實施例中，該氣體交換儀包括泵，該泵被設置成經由該氣體流動通道泵送空氣、純氧氣和含氧空氣中的至少一種氣體。本專利技術的另一方面涉及一種使O2和CO2與包含紅細胞和血漿的血液進行交換的方法。該方法包括使該血液穿過納米管束內的空隙的步驟。該空隙被設置成能形成流動通道，其大到足夠使該紅細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胞保留在該流動通道中，還足夠遠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具有缺陷以允許O2分子和CO2分子通過缺陷擴散。這個方法也包括以下步驟：使O2從氣體流動通道擴散進入該納米管，使O2通過該缺陷從該納米管擴散進入該血液，使CO2通過該缺陷從該血液擴散進入該納米管，及使CO2從該納米管擴散進入該氣體流動通道。該缺陷存在足夠的數量和總面積以有效地向該血液輸送O2和從該血液帶走CO2。在一些較佳實施例中，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，該流動通道橫截面積在250到2500平方微米之間。本專利技術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氣體交換單元。每個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。每個該氣體交換單元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。該納米管被設置成與該前面和該背面相關，以允許氣體分子從該外殼的外部擴散進入該納米管，并以允許氣體分子從本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種氣體交換單元，所述氣體交換單元用于處理包括紅細胞和血漿的血液，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，所述空隙被設置成能形成流動通道，所述流動通道大到足夠使所述紅細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胞保留在所述流動通道中，還足夠遠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，所述納米管被設置成與所述前面和所述背面相關，以允許O2分子從所述外殼的外部擴散進入所述納米管，并允許CO2分子從所述納米管擴散出到達所述外殼的外部，以及其中，所述束中的納米管在它們的壁內具有缺陷以允許O2分子和CO2分子通過缺陷擴散，且所述缺陷存在足夠的數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。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2011.09.23 US 61/538,4171.一種氣體交換單元，所述氣體交換單元用于處理包括紅細胞和血漿的血液，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納米管束中間的空隙，所述空隙被設置成能形成流動通道，所述流動通道大到足夠使所述紅細胞從所述輸入口流到所述輸出口，其中，所述納米管束中的納米管的間距既足夠近以使得所述紅細胞保留在所述流動通道中，還足夠遠以使得所述血漿流過在所述納米管束中毗鄰的納米管之間的空間，其中，所述納米管被設置成與所述前面和所述背面相關，以允許O2分子從所述外殼的外部擴散進入所述納米管，并允許CO2分子從所述納米管擴散出到達所述外殼的外部，以及其中，所述納米管束中的納米管在它們的壁內具有缺陷以允許O2分子和CO2分子通過缺陷擴散，且所述缺陷存在足夠的數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.如權利要求1所述的氣體交換單元，其中，所述納米管束中的納米管，在空隙之外，堆積的密度為每平方微米至少100根納米管。6.如權利要求1所述的氣體交換單元，其中，所述流動通道橫截面積在250到2500平方微米之間。7.如權利要求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，所述納米管束中的所述納米管，在空隙之外，呈堆積狀，密度為每平方微米至少100根納米管，所述流動通道橫截面積在250到2500平方微米之間。8.如權利要求1所述的氣體交換單元，其中，所述前面具有多個添加的用于輸入所述血液的輸入口，所述背面具有多個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添加的空隙，所述多個添加的空隙從對應的各添加的輸入口延伸至各添加的輸出口，所述添加的空隙被設置成能形成添加的流動通道，所述添加的流動通道大到足夠使所述紅細胞從所述添加的流動通道中流過。9.如權利要求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，所述納米管束中的納米管，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胞和血漿的血液，所述氣體交換儀包含：至少八個氣體交換單元，其中，每個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納米管束中間的空隙，所述空隙被設置成能形成流動通道，所述流動通道大到足夠使所述紅細胞從所述輸入口流到所述輸出口，其中，所述納米管束中的納米管的間距既足夠近以使得所述紅細胞保留在所述流動通道中，還足夠遠以使得所述血漿流過在所述納米管束中毗鄰的納米管之間的空間，其中，所述納米管被設置成與所述前面和所述背面相關，以允許O2分子從所述外殼的所述外部擴散進入所述納米管，并允許CO2分子從所述納米管擴散出到達所述外殼的外部，以及其中，所述納米管束中...

【專利技術屬性】
技術研發人員：尤倫·帕提，
申請(專利權)人：尤倫·帕提，
類型：發明
國別省市：以色列;IL