Исследования выполнялись на специализированных стендах и установках, описанных ниже.
Стенд для долговременных исследований на животных «Гранит»
Установка для длительных (до нескольких месяцев) экспериментов на животных по оценке воздействия на них измененной газовой среды при нормальном барометрическом давлении состоит из двух камер и раздельных систем газового обеспечения. Установка позволяет проводить контрольные эксперименты одновременно с основными в одинаковых условиях, что существенно повышает качество исследований. Автор принимал непосредственное участие в приемке стенда, его монтаже и эксплуатации.
Стенд для проведения острых опытов на животных «Аргон»
Стенд является собственной разработкой автора. Он предназначен для проведения кратковременных (до 3 суток) экспериментов на мелких лабораторных млекопитающих и длительных (до 20 суток) исследований эмбриогенеза птиц в газовых средах различного состава при нормальном барометрическом давлении. Отличительной особенностью стенда является возможность формирования в системе газовой среды заданного состава до начала эксперимента.
Глубоководный водолазный комплекс ГВК-250
Глубоководный водолазный комплекс ГВК-250 был создан в ГНЦ РФ ИМБП и принят в эксплуатацию в 1993 году. В барокамере комплекса проводились исследования с участием человека в аргон-содержащих средах и испытания аппарата «Малыш-К». Автор принимал непосредственное участие в составлении программы исследований и модернизации отсеков для проведения исследований.
Лабораторная установка для определения потребления кислорода мелкими лабораторными животными в газовых средах различного состава «Мини Объем»
Стенд является разработкой автора на базе аппарата Шатерникова для мелких лабораторных животных. Аппарат был модифицирован для использования дыхательных газовых смесей различного состава и оценки выделения углекислого газа.
Санитарно-химическая, токсикологическая и физиологическая оценка кислорода, полученного из твердых кислородосодержащих соединений оригинального состава
В соответствии с целевым назначением генераторов кислорода на основе ТКС (использование в течение длительного времени для формирования нормоксической газовой среды обитаемых гермообъектов и в медицинских целях при высокой концентрации) работа проводилась по нескольким этапам. На первом этапе была осуществлена проверка качества получаемого кислорода и его соответствие действующему ГОСТ. На втором была проведена оценка воздействия кислорода из ТКС на организм животных в нормоксических условиях при длительном воздействии и в условиях гипероксии при кратковременной экспозиции. На завершающем этапе проведены исследования с участием человека также при нормальном и повышенном содержании О2 во вдыхаемой газовой смеси.
Основные характеристики процесса получения кислорода из ТКС
Основной частью термохимического генератора кислорода являются твердые кислородосодержащие соединения (ТКС), сформированные в виде брикета. ТКС представляют собой композицию ингредиентов на основе пероксидов и перхлоратов щелочных металлов. Под воздействием внешнего или внутреннего источника энергии в композиции начинают протекать экзотермические процессы, сопровождающиеся образованием молекулярного О2 и выделением его в газовую фазу. Максимальная температура в рабочем слое составляет + 518 ч 547 0С.
Санитарно-химические исследования
Процентное содержание кислорода на выходе генератора составляет 99,95 - 99,99%. Обнаруженные органические соединения присутствуют в исследованных образцах в количествах, не превышающих ПДК для атмосферного воздуха. По чистоте получаемый из ТКС кислород превосходит кислород медицинский по действующему ГОСТ.
Эксперименты на животных
Эксперименты проводились на стенде «Гранит». Концентрация О2 поддерживалась на уровне 19-21%об. Газовая среда в контрольной камере формировалась на основе атмосферного воздуха. Группа лабораторного контроля содержалась в виварии. Длительность круглосуточной экспозиции животных составила 14 суток. Биохимические и морфологические исследования проводились на 7 и 14 сутки.
Исследовались показатели крови подопытных животных, отражающие, в первую очередь, характер протекания процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ). Проводили оценку состояния основных заинтересованных органов и систем - печени, сердца и системы кроветворения. Статистически значимых различий в исследованных показателях (б=0,05) обнаружено не было.
Проводилось также взвешивание животных и определение весовых коэффициентов внутренних органов. Статистически значимых различий при б=0,05 в этих показателях у животных контрольной и опытной групп также обнаружено не было.
При сравнении с группой лабораторного контроля общий характер изменений исследованных показателей у животных как контрольной, так и опытной групп, можно интерпретировать как слабо выраженную стрессорную реакцию на специфические условия содержания в гермокамере.
Оценка 24 часового воздействия чистого (98-99 %об.) кислорода, полученного из ТКС, проводилась на лабораторных крыс линии “Wistar”. Контрольная группа подвергалась воздействию О2 промышленного изготовления по ГОСТ 5583-78.
В эксперименте оценивался общий уровень ПОЛ, характер липидного обмена. Показано статистически достоверное (б=0,05) повышение уровня холестерина у животных опытной группы по сравнению с контрольной группой и группой лабораторного контроля на 20% и 38% соответственно через 24 часа воздействия. Наблюдалась также тенденция к увеличению содержания свободных жирных кислот (СЖК). Среди других исследованных биохимических показателей крови различий между группами не обнаружено.
Полученные данные говорят о возможности влияния кислорода, полученного из ТКС, на липидный обмен в условиях гермокамеры. Некоторое увеличение содержания в крови свободных жирных кислот на фоне воздействия гипероксии должно приводить к активации ПОЛ. Так как возрастания в крови одного из конечных продуктов ПОЛ - малонового диальдегида, - не происходит, то можно предположить, что одновременно наблюдается адекватная активация процессов, препятствующих развитию ПОЛ. Наблюдаемое повышение концентрации холестерина, по-видимому, можно рассматривать как компонент такой реакции. В любом случае, концентрации СЖК и холестерина не превышают средних значений для вида.
Таким образом, анализ результатов исследований кислорода, полученного из твердых источников, на лабораторных крыс в условиях нормоксии (14-суточное воздействие) и гипероксии (24-часовое воздействие) не выявил сдвигов в общем состоянии и биохимическом статусе животных, которые ограничивали бы проведение дальнейших исследований с участием человека.
Исследования с участием человека
Была проведена оценка влияния кислорода, полученного из ТКС, на организм человека при нормоксии применительно к условиям малых подводных многоцелевых аппаратов. Исследования проводились в герметической камере.
Был выбран режим 8 часового рабочего дня при 5 дневной рабочей неделе. В контрольных исследованиях использовался кислород промышленного изготовления (ГОСТ 5583-78). Концентрация О2 в камере в обеих сериях исследований поддерживалась на уровне от 19 до 21%. Концентрация углекислого газа не превышала 0.5%.
В опытной серии при пребывании испытателей в камере отмечено возрастание уровня СЖК и его постепенное возвращение к исходному уровню в период исследования последействия.
Существенных отличий в динамике остальных биохимических показателей крови различий между сериями исследований обнаружено не было.
На основании полученных данных был сделан вывод о пригодности кислорода, полученного из твердого источника, для дыхания человеком на подводных обитаемых аппаратах малого объема в режиме 8-часового рабочего дня при 5-дневной рабочей неделе.
Были также проведены исследования чистого кислорода, получаемого из ТКС с участием 10 испытателей-добровольцев в возрасте 33-45 лет. Кислород получали с помощью переносного аппарата для получения кислорода медицинского назначения ГКМ6-1 "Нерпа". Содержание кислорода составляло 97.5-98%об., продолжительность дыхания в соответствии с назначением аппарата - 20 мин. Работа проводилась в лабораторных условиях.
Статистически достоверных различий между показателями ПОЛ, биохимическими, гематологическими показателями, параметрами функции внешнего дыхания и сердечно-сосудистой системы между контрольными и опытными сериями обнаружено не было.
Таким образом, в результате проведенных исследований было установлено, что кислород, получаемый из твердых кислородсодержащих соединений, по своему действию на организм человека не отличается от действия кислорода промышленного изготовления по ГОСТ 5583-78. По чистоте получаемый кислород превосходит кислород медицинский по действующему ГОСТ. Получено разрешение Минздрава России на его использование в медицинских целях.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ индивидуальных средств РЕГЕНЕРАЦИИ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ ГЕРМООБЪЕКТов В НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЯХ
За период многолетней эксплуатации ОС "Мир" имели место нештатные ситуации, связанные с отказами в работе систем обеспечения газового состава по кислороду и углекислому газу.
Простым и эффективным способом поддержания нормального состава газовой среды в гермообъекте является разработка аппаратных средств, не требующих электропитания и использующих в качестве движущей силы перепад давлений, создаваемый при дыхании. Метод основан на очистке газовой среды от углекислого газа путем его поглощения из выдыхаемого воздуха при одновременном насыщении кислородом. Регенеративный патрон располагается на линии выдоха. Выдыхаемый воздух обогащен углекислым газом до концентрации 3,5-4,5% и насыщен влагой практически до 100%, поэтому процессы очистки должны протекать чрезвычайно эффективно. Регенерация газовой среды гермообъекта осуществляется только за счет энергии легочной вентиляции.
Для оценки эффективности предложенного способа был разработан макетный образец индивидуального средства «Малыш-К», состоящий из регенеративного патрона, заполненного регенеративным веществом ОКЧ-3М, маски носоглотовой, клапанов вдоха и выдоха и гибких воздушных шлангов. Динамика концентрации кислорода и углекислого газа в гермообъекте при имитации отказа штатной системы обеспечения газового состава при использовании экипажем средства «Малыш-К» приведены на рисунке 1.
перерыв, маски сняты
Рисунок 1 - Изменение концентрации кислорода и углекислого газа в ходе проведения испытаний опытного образца индивидуального аппарата «Малыш-К» с участием человека (экипаж 3 человека) в условиях гермообъекта (объем 6 м3)
В результате использования аппаратов «Малыш-К» концентрация кислорода в газовой среде несколько увеличивается, а концентрация углекислого газа не уменьшается. Это дает возможность членам экипажа периодически снимать индивидуальные маски для приема пищи, проведения санитарно-гигиенических процедур, оказания медицинской помощи и др. При полной загрузке патрона расчетное время защитного действия аппарата составляет не менее 10 часов.
Таким образом, испытания опытного образца индивидуального аппарата «Малыш-К» в условиях гермообъекта, проведенные при имитации отказа штатной системы обеспечения газового состава, показали, что аппарат работоспособен в условиях гермообъекта и позволяет поддерживать содержание кислорода и углекислого газа в газовой среде по ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате» за счет энергии легочной вентиляции экипажа. Подана заявка на патент (рег. № 2005136619). Аппарат находится на стадии разработки эскизного проекта летного образца, предназначенного для использования в условиях космического полета.
Санитарно-химическая, токсикологическая и физиологическая оценка кислорода, полученного методом короткоцикловой безнагревной адсорбции на цеолитах
Областью применения адсорбционных генераторов кислорода является практическая медицина. На первом этапе работ был проведен сравнительный физико-химический анализ получаемого кислорода и кислорода медицинского по действующему ГОСТ. Эксперименты на животных и исследования с участием человека проводились по двум направлениям в соответствии с целевым назначением генераторов. Оценивалось воздействие получаемого кислорода на организм в состоянии гипероксии и гипоксии.
Технологическая схема адсорбционного генератора кислорода
Получение кислорода методом короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА) основано на схеме Скарстрома, предложенной в 1960г. для осушки воздуха. Сжатый воздух после осушки при избыточном давлении поступает в емкость адсорбера. После адсорбции азота из воздуха цеолитом (молекулярным ситом) обогащенная кислородом газовая смесь разделяется на два потока. Часть через систему клапанов поступает во второй адсорбер для его промывки от азота, оставшегося после аналогичного цикла адсорбции, после чего обогащенная азотом смесь выбрасывается в атмосферу. Другая часть, обогащенная кислородом, через систему клапанов подается потребителю. Два адсорбера действуют в циклическом режиме "сорбция N2 - десорбция" в противофазе и обеспечивают постоянный поток продуктового газа. На базе СКБ ЭО при ГНЦ РФ - ИМБП РАН был изготовлен опытный образец адсорбционного генератора кислорода.
Санитарно-химические исследования
Сравнительные характеристики физико-химических свойств кислорода, полученного адсорбцией из воздуха, и кислорода медицинского по действующему ГОСТ представлены в таблице 2.