减压病气泡形成之气核理论研究进展

减压病气泡形成之气核理论研究进展

王振超 ,黄辉辉 ,郭栋

 海军潜艇学院  青岛  266000

摘要：本文对减压病气泡形成之“气核”理论的起源进行了介绍，分析了水力空化效应、均相成核、异相成核的原理，供参考。

关键词：减压病；起泡；气核；水力空化效应

0.引言

减压病俗称“潜水员病”或“沉箱病”，是指人体在周围环境压力骤然降低过程中出现伤损的一类疾病[1]。这种疾病的高发人群是潜水员，发病原理是：潜水员在长时间进行水下作业的过程中，由于下潜的过程无法一蹴而就，故周身承受的压力呈现出逐渐增加的态势。而在水下停留较长时间后，一般希望在短时间内迅速上岸。此时，如果潜水员没有进行减压停留，使身体从高压环境逐渐向低压环境过渡，而是在极短时间内驱散身体承受的压力，便会导致原本溶在身体组织内部以氮气为代表的气体溶出，在体内形成气泡，轻则引起皮肤发痒、皮疹、关节痛，重则导致感觉器衰弱、麻痹，甚至死亡。现阶段，临床围绕减压病进行研究时，一个重点方向是讨论气泡的形成过程，相关的“气核”理论具有分析价值。

1.减压病气泡形成之“气核”理论的起源

医学、生物学相关的“气核”概念最早出现在1938年，学者Harvey在进行单细胞特性研究时，在单细胞内部发现了微小的气腔[2]。在之后的研究中，Harvey与其他人认为，在细胞内产生气核的原因可能是：自然界中的某些气体原本溶于水分或其他液体之中。这些物质通过多种途径进入细胞之后，在正常情况下保持平稳状态，但可以在随机的热运动的作用下，向疏水腔隙聚集，这个过程便会形成气核。当出现“高气压暴露”的情况时，气核会溶解。这项推论在之后的多项动物实验中均得到了验证。
进入20世纪60年代末，学者Evanns等人以活体虾作为研究对象，首先将实验用虾（透明虾）放置于38.9MPa的高压环境下，持续时间设定为2min。之后以较为缓慢的速度降低环境压力，一直到常规压力。之后再增加环境压力至19.5MPa，并让活体虾在此环境中放置15min，之后在短时间内迅速降低环境压力。该实验的结果显示，实验用虾体内形成的气泡量相较于没有进行高气压预暴露组虾偏低[3]。

到了20世纪70年代末，研究人员进一步提出一个观点——所有含水组织中均存在气核[4]。气核与环境压力之间的关系为：在环境压力降低的过程中，气核如果超过临界大小，便会逐渐生长、变大，最终形成气泡。这种说法便是气核理论的雏形。研究人员基于这种理论对人体进行研究，最终确定：在0.2MPa低压暴露条件达成后，人体内部便会生成气泡，而导致这一现象的直接原因便是人体内同样存在气核。这是因为：如果人体内不存在气核，那么在环境压力高达100MPa的情况下，人体内才会产生气泡。

2.减压病气泡形成之“气核”理论简析

上述理论不断得到证实之后形成了一条推论——在正常的情况下，人体组织内存在一定数量的微小气核。但单细胞内形成气核的过程不适用人体气核的形成，有关人体气核形成的分析进展情况如下。

2.1“水力空化”效应

在局部环境压力逐渐下降，最终低于某种物质在该温度下对应的饱和蒸气压时，这种物质一般会向液态转化[5]。于是在液体内部或是固体与液体交界面之处，一部分物质会出现蒸汽化作用，最终形成“气体空穴”。其中主要包括摩擦成核以及流动成核。有研究显示，摩擦成核的原理是：溶液中的两个黏附表面在迅速分离的过程中会产生一种“瞬间负压”，这种压力会直接促进气核的形成。流动成核的原理为：当液体在狭窄环境流过时，会因速度的增加而造成承受的压力降低，当小于饱和蒸气压时，部分液体便会气化，最终形成气核。基于这种“水力空化”效应分析减压病时发现，人类机体活动过程中产生的机械应力很符合摩擦成核的过程。而在微重力的环境下，航天员由于活动较少，导致在减压过程中形成的气泡量相对较少，二者之间的原理可能相同。

2.2“成核”理论

减压病气泡成核的具体方式也存在一定的差异。

2.2.1均相成核

在某种特定的条件下，具有单一性、不含有第二相的过饱和体系中自发成核的过程便是均相成核。这个过程对应分子间热能扩散分布过程——在某一相中，如果分子的能量较大，具有“可随机拢合”的特性，便有可能产生高能量的分子群。在这个分子群中，如果平均能量达到一定的标准，分子整体便会以新的形式存在。特别是流体的主体是“原相”时，气相会作为流体中的新相而存在。

但均相成核的理论并不能有效解释潜水员患减压病的过程。研究显示，潜水员如果在0.1～0.2MPa的环境中暴露一段时间后，便可能在其静脉系统中发现循环气泡，该结果与均相成核理论相悖。

2.2.2异相成核

为了从气泡形成之“气核”理论角度解释“成核”，有研究人员提出了“异相成核”的说法——在特定的条件下，两种原本互不相容的相在交界时，有可能发生成核过程。相较于均相成核，异相成核在交界面形成新相时，需要突破的“能垒”值远远不如。受此影响，所需的过饱和程度也会在一定程度上降低。这种异相成核的理论能够充分解释包括人类在内的很多动物的机体在迅速减压过程中形成气泡的机制，在药物合成等化工领域得到了较为广泛的应用。但现阶段的问题在于，这一理论并没有被人类潜水实验获得的相关数据证实。

结语：综上所述，研究人员基于气泡形成之“气核”理论分析减压病的形成原因时，对气核、气泡的形成过程进行了推测。现阶段的结果表明，均相成核、异相成核两种说法均有一定的道理。但相比之下，异相成核的可靠性更高，在后续研究中应注意收集证据，完成验证。

参考文献：

[1]曹曦元,赵松韵,董宇超,等. Ⅱ型减压病肺损伤的治疗进展[J]. 海军军医大学学报,2022,43(02):214-218.

[2]赵旭鹏,张坤,张尉,等. 减压病气泡形成之气核理论研究进展[J]. 中国职业医学,2020,47(06):733-736.

[3]唐艳超. 小檗碱对减压病大鼠肺血管内皮细胞损伤的预防效果和机制分析[D].中国人民解放军海军军医大学,2019.

[4]李敬. 复杂多相体系中小分子跨界面行为的分子动力学模拟研究[D].北京化工大学,2018.

[5]俞旭华. 气泡诱导的内皮微粒在减压病血管炎性损伤中的作用及其形成机制[D].中国人民解放军海军军医大学,2018.