低壓低氧動物模型艙的壓力容器艙設計

李仕聰，于 堯，王建垚，王元國，張金霞，張 鵬*

（1.天津醫(yī)科大學總醫(yī)院心胸外科，天津 300041；2.仙人長（天津）醫(yī)療科技有限公司，天津 300041）

0 引言

低壓低氧動物模型艙是用以模擬高原低氣壓、低氧分壓實驗環(huán)境，制備高原缺氧動物模型的裝置[1]，而壓力容器艙是低壓低氧動物模型艙的重要組成部分。因為大型壓力容器艙制作成本昂貴、配套設施要求高、安裝占地面積大、運營維護費用高等，所以難以在大多數平原研究機構中普及[2]。目前，壓力容器艙有向中、小型化轉變的發(fā)展趨勢。然而，現(xiàn)有的一些中、小型壓力容器艙在長時間模擬超高海拔急性低壓低氧實驗環(huán)境、維持壓力穩(wěn)定性方面存在一定程度的缺陷[3]。本研究旨在設計一種能夠穩(wěn)定耐壓、牢靠密封，滿足超高海拔低壓低氧動物實驗壓力維持要求的壓力容器艙，為制備大鼠、小鼠等高原缺氧動物模型提供穩(wěn)定實驗平臺。

1 設計

圖1 壓力容器艙整體結構示意圖

圖2 壓力容器艙實物圖

1.1 金屬封頭

金屬封頭參照GB/T 25198—2010 設計，為不銹鋼材質。金屬封頭以及艙門外殼連接可視觀察管體的位置均焊接自封閉式內法蘭。

1.2 可視觀察管體

可視觀察管體作為壓力容器艙的主體，由聚甲基丙烯酸甲酯材料制作而成，其兩端配備金屬封頭，一側金屬封頭上設置有艙門外殼和密封門?？梢曈^察管體和兩端的金屬封頭通過自封閉式內法蘭進行密閉連接，形成壓力容器艙。

生物實驗過程中，當達到模擬10 000 m 高海拔時，由于壓力容器艙內實驗動物呼吸引起溫濕度變化，壓力容器艙內壓強在20.9～23.8 kPa 范圍內波動，艙內外壓強差為77.5～80.4 kPa。而實際10 000 m 海拔處與海平面的壓強差為74.9 kPa[4]。壓力容器艙內壓強的波動影響可視觀察管體厚度計算精確度。

本研究利用生物實驗用外壓非金屬管壁厚度優(yōu)化計算方法，計算滿足壓力要求的可視觀察管體厚度，計算公式如下：

式中，δ 為可視觀察管體厚度（mm）；D0為可視觀察管體內徑（mm）；Pc為可視觀察管體內外壓強差（MPa）；E 為材料耐壓強度（MPa）；k為生物因素系數。根據公式k=實際艙內外壓強差/標準艙內外壓強差，得出k 的范圍為1.03～1.07。實驗過程中由于動物呼吸引起的溫度、濕度變化會導致艙內壓強波動，通過引入k 可消除壓力容器艙內壓強波動對動物實驗的影響。

可視觀察管體設計為內徑650mm、長度1600mm，容積約為530 L。聚甲基丙烯酸甲酯材料的耐壓強度約為105.38 MPa，k 取值為1.05。壓力容器艙模擬15 000 m 極限海拔高度壓強時，管體內外壓強差為0.089 8 MPa，經過計算得出管體厚度為23 mm。因此，可視觀察管體厚度至少為23 mm。

1.3 自封閉式內法蘭

自封閉式內法蘭由第一法蘭、第二法蘭、自封閉焊接罩組成，用于可視觀察管體和兩端金屬封頭的密閉連接。可視觀察管體一端通過無縫隙黏合方式形成內法蘭結構，稱為第一法蘭。第一法蘭上均勻分布12 個M20 強力螺栓通孔。金屬封頭上設置有第二法蘭，第二法蘭上設置有12 個M20 強力螺栓通孔，并與第一法蘭上的強力螺栓通孔重合。在第一法蘭和第二法蘭之間放置橡膠密封墊，強力螺栓由可視觀察管體側向密封門側逐漸旋緊，使得第一法蘭和第二法蘭緊密對接。強力螺栓旋緊后，向法蘭縫隙中注入中性黏合劑，徹底密封法蘭連接處。在第二法蘭外部焊接自封閉焊接罩，將旋緊的強力螺栓尾部全部包裹，確保強力螺栓通孔的密閉性。

其實在初中地理的學科教學中，實踐教學活動很大一部分也可以在課堂上來實現(xiàn)，學生和教師之間可以是一種積極互動的關系，也是一種合作的關系，很多的地理知識教師可以通過引導學生自主實踐來發(fā)現(xiàn)，也可以在地理學科的課堂教學中通過一些實驗等活動內容，給學生更多的啟發(fā)和引導。

1.4 嵌套式密封圈

密封門的密閉性是壓力容器艙內壓力維持的重要保障。艙門外殼與密封門對接處設置有密封槽，其內放置具有一定形變能力的嵌套式密封圈。嵌套式密封圈由底方頂圓密封外圈和密封內芯圈組成，二者均由一種高強度耐摩擦橡膠制作而成。將密封內芯圈置入密封外圈的圓孔中，兩端通過中性膠連接，形成嵌套式密封圈。嵌套式密封圈圓孔中有一定的剩余空間，使其具有一定的形變能力。嵌套式密封圈底部至圓頂高度大于密封槽深度，在密封門旋緊時受到擠壓逐漸發(fā)生形變。隨著密封門逐漸旋緊，嵌套式密封圈與密封門的接觸面積逐漸增大，從而保證密封門的密閉性。

1.5 遞進式傳感器密封裝置

遞進式傳感器密封裝置設置在壓力容器艙另一端的金屬封頭上。該裝置由遞進式雙層外螺紋、第一橡膠墊、第二橡膠墊和遞進式雙層內螺紋組成。遞進式雙層外螺紋和遞進式雙層內螺紋均經過螺紋一致的絲錐一體加工而成，從而實現(xiàn)雙層內外螺紋軸心與軸距一致，同時保證第一層內外螺紋和第二層內外螺紋長度一致。另外，第一層內外螺紋接觸旋擰時，能夠保證第二層內外螺紋同時接觸旋擰。當雙層內外螺紋旋緊時，分別擠壓第一橡膠墊和第二橡膠墊，起到雙層密封的效果。

1.6 壓力容器艙容積設計

基于實驗動物代謝特征，急性低壓低氧動物實驗最佳適宜的容積比為小鼠20 L/只、大鼠50 L/只[5]。合理的容積比能夠在低壓低氧動物實驗過程中降低甚至消除固定容積內溫濕度、氧氣體積分數等參數的波動，確保實驗條件的穩(wěn)定。為了同時滿足高海拔容積比和實驗動物成組要求，低壓低氧動物模型艙的壓力容器艙最佳容積為400～1 000 L，一次能夠成組完成飼養(yǎng)20～50 只小鼠或8～20 只大鼠。因此，設計壓力容器艙內徑為650 mm、長度為1 600 mm，容積約為530 L。

經過在以上幾個方面對壓力容器艙進行優(yōu)化設計，實現(xiàn)了壓力容器艙在各個結構連接處的密封性。通過真空泵提供抽氣動力，實現(xiàn)壓力容器艙內的低壓低氧環(huán)境。

2 性能驗證

2.1 實驗方法

2.1.1 壓力容器艙真空度驗證

開啟低壓低氧動物模型艙[6]，設定模擬15 000 m 極限海拔，維持運行30 d，分別于每天6：00、12：00、18：00 三個時間點記錄壓力容器艙內的壓力水平，共得到90 個時間點的壓力值，并繪制時間-壓力曲線。

2.1.2 低壓低氧動物實驗驗證

實驗動物為20 只無特定病原體（specific pathogen free，SPF）級雄性BABL/c小鼠，6 周齡，體質量為（22.1±0.7）g[許可證號：SCKK（京）2019-0008]，購買于北京華阜康生物科技股份有限公司。實驗動物在實驗室環(huán)境下飼養(yǎng)7 d，使其適應實驗室環(huán)境。

將所有實驗動物置于壓力容器艙內，設置艙內參數：模擬海拔高度為3 500 m，海拔變化速率為0.45 m/s，壓強為65.7 kPa，氧氣體積分數為21%，溫度范圍為16～28 ℃，相對濕度范圍為40%～70%，噪聲<59 dB，持續(xù)3 h，觀察并記錄實驗動物狀態(tài)。實驗過程中四肢伸展、無活動的實驗動物定義為活動度差、體質弱的實驗動物。剔除活動度差的實驗動物再進行急性低壓低氧肺損傷動物實驗。

將篩選后的16 只實驗動物隨機分為對照組（n=8）和實驗組（n=8），對照組飼養(yǎng)于常壓常氧環(huán)境，實驗組飼養(yǎng)于壓力容器艙內，實驗持續(xù)120 h。

實驗過程分為以下3 個階段[7]，如圖3 所示：

圖3 實驗過程圖

（1）升海拔階段：實驗當天08：00 開始，由模擬海拔0 m 以0.45 m/s 速率經過2.7～2.8 h 升高至模擬海拔4 500 m，維持此海拔運行2 h；再以0.45 m/s速率經過2.5 h 升高至模擬海拔8 500 m，并維持至18：00；然后以0.45 m/s 速率經過2.5 h 降低至模擬海拔4 500 m，維持此海拔運行2 h；再以0.45 m/s 速率經過2.5 h 升高至模擬海拔8 500 m，并維持至次日08：00。

（2）維持高海拔階段：于08：00 維持模擬海拔8500m 至18：00，經過2.5 h 降低至模擬海拔4 500 m，維持此海拔運行2 h；再以0.45 m/s 速率經過2.5 h升高至模擬海拔8 500 m，并維持至次日08：00。循環(huán)此階段直至進入降海拔階段。

（3）降海拔階段：于08：00 維持模擬海拔8 500 m至次日00：30，以0.45 m/s 速率經過2.5 h 降低至模擬海拔4 500 m，維持此海拔運行2 h；再以0.45 m/s速率經過2.7～2.8 h 降低至模擬海拔0 m，結束壓力容器艙內的全部實驗。

實驗結束后，立即解剖實驗動物，觀察肺組織大體觀表現(xiàn)。留取左肺進行HE 染色，觀察急性低壓低氧后實驗動物的肺組織病理改變。

2.2 實驗結果

2.2.1 壓力容器艙真空度驗證結果

壓力容器艙時間-壓力曲線如圖4 所示。實驗結果表明，壓力容器艙穩(wěn)定維持11.5 kPa 真空度，艙壁能夠耐受89.8 kPa 的內外壓差。

圖4 壓力監(jiān)測圖

2.2.2 低壓低氧動物實驗驗證結果

解剖各組實驗動物，肺組織大體觀如圖5 所示。對照組實驗動物肺組織呈粉色，表面光滑、濕潤、無滲出；低壓低氧組實驗動物肺組織呈暗紅色，表面有黏性滲出物，存在區(qū)域性淤血。

圖5 實驗動物肺組織解剖大體觀

將肺組織固定、包埋、切片后進行HE 染色，結果如圖6 所示。對照組實驗動物肺組織肺泡結構完整，肺泡腔內無滲出；低壓低氧組實驗動物肺組織肺泡間隔增厚，間隔內炎癥細胞浸潤，肺泡腔中滲出炎癥細胞及紅細胞，表現(xiàn)出明顯的肺損傷。

圖6 實驗動物肺組織HE 染色圖片（400×）

3 討論

壓力容器艙是維持低壓低氧動物模型艙艙內壓力的主要部件，其密封性決定了模擬海拔的高度和穩(wěn)定性。而目前的低壓低氧動物模型艙上配置的壓力容器艙難以同時具備全景可視性和良好密封性，不符合動物實驗要求，也影響實驗結果的準確性。

本研究所設計的壓力容器艙可以與電路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)（包括真空泵）、中央控制系統(tǒng)組合，構成達到GB 14925—2019《實驗動物環(huán)境與設施》中各項要求（包括換氣次數≥15 次/h 等）的低壓低氧動物模型艙，可用于各種低壓低氧動物實驗。經過性能測試，確認設計的壓力容器艙能夠耐受11.5 kPa 壓力、模擬15 000 m 極限海拔，而且可穩(wěn)定運行30 d。

利用低壓低氧動物模型艙進行肺損傷動物實驗驗證[8]，實驗結束后進行肺組織大體觀評估和組織學染色，發(fā)現(xiàn)低壓低氧組較對照組有明顯的肺部炎癥浸潤性和滲出性改變[9]。本研究對低壓低氧動物模型艙的改進，可確保急性低壓低氧實驗對高海拔、長時間的需求，有效地提升了急性低壓低氧動物實驗的準確性。

但本文設計的壓力容器艙仍存在一些不足之處，需在材料方面進一步優(yōu)化，減輕整體的質量。此外，壓力容器艙的艙門目前由金屬材料制成，仍是手動開啟，較為費力，在艙門的智能化自動開閉方面也需進一步優(yōu)化。