低压低氧动物模型舱的压力容器舱设计

李仕聪，于 尧，王建垚，王元国，张金霞，张 鹏*

（1.天津医科大学总医院心胸外科，天津 300041；2.仙人长（天津）医疗科技有限公司，天津 300041）

0 引言

低压低氧动物模型舱是用以模拟高原低气压、低氧分压实验环境，制备高原缺氧动物模型的装置[1]，而压力容器舱是低压低氧动物模型舱的重要组成部分。因为大型压力容器舱制作成本昂贵、配套设施要求高、安装占地面积大、运营维护费用高等，所以难以在大多数平原研究机构中普及[2]。目前，压力容器舱有向中、小型化转变的发展趋势。然而，现有的一些中、小型压力容器舱在长时间模拟超高海拔急性低压低氧实验环境、维持压力稳定性方面存在一定程度的缺陷[3]。本研究旨在设计一种能够稳定耐压、牢靠密封，满足超高海拔低压低氧动物实验压力维持要求的压力容器舱，为制备大鼠、小鼠等高原缺氧动物模型提供稳定实验平台。

1 设计

图1 压力容器舱整体结构示意图

图2 压力容器舱实物图

1.1 金属封头

金属封头参照GB/T 25198—2010 设计，为不锈钢材质。金属封头以及舱门外壳连接可视观察管体的位置均焊接自封闭式内法兰。

1.2 可视观察管体

可视观察管体作为压力容器舱的主体，由聚甲基丙烯酸甲酯材料制作而成，其两端配备金属封头，一侧金属封头上设置有舱门外壳和密封门。可视观察管体和两端的金属封头通过自封闭式内法兰进行密闭连接，形成压力容器舱。

生物实验过程中，当达到模拟10 000 m 高海拔时，由于压力容器舱内实验动物呼吸引起温湿度变化，压力容器舱内压强在20.9～23.8 kPa 范围内波动，舱内外压强差为77.5～80.4 kPa。而实际10 000 m 海拔处与海平面的压强差为74.9 kPa[4]。压力容器舱内压强的波动影响可视观察管体厚度计算精确度。

本研究利用生物实验用外压非金属管壁厚度优化计算方法，计算满足压力要求的可视观察管体厚度，计算公式如下：

式中，δ 为可视观察管体厚度（mm）；D0为可视观察管体内径（mm）；Pc为可视观察管体内外压强差（MPa）；E 为材料耐压强度（MPa）；k为生物因素系数。根据公式k=实际舱内外压强差/标准舱内外压强差，得出k 的范围为1.03～1.07。实验过程中由于动物呼吸引起的温度、湿度变化会导致舱内压强波动，通过引入k 可消除压力容器舱内压强波动对动物实验的影响。

可视观察管体设计为内径650mm、长度1600mm，容积约为530 L。聚甲基丙烯酸甲酯材料的耐压强度约为105.38 MPa，k 取值为1.05。压力容器舱模拟15 000 m 极限海拔高度压强时，管体内外压强差为0.089 8 MPa，经过计算得出管体厚度为23 mm。因此，可视观察管体厚度至少为23 mm。

1.3 自封闭式内法兰

自封闭式内法兰由第一法兰、第二法兰、自封闭焊接罩组成，用于可视观察管体和两端金属封头的密闭连接。可视观察管体一端通过无缝隙黏合方式形成内法兰结构，称为第一法兰。第一法兰上均匀分布12 个M20 强力螺栓通孔。金属封头上设置有第二法兰，第二法兰上设置有12 个M20 强力螺栓通孔，并与第一法兰上的强力螺栓通孔重合。在第一法兰和第二法兰之间放置橡胶密封垫，强力螺栓由可视观察管体侧向密封门侧逐渐旋紧，使得第一法兰和第二法兰紧密对接。强力螺栓旋紧后，向法兰缝隙中注入中性黏合剂，彻底密封法兰连接处。在第二法兰外部焊接自封闭焊接罩，将旋紧的强力螺栓尾部全部包裹，确保强力螺栓通孔的密闭性。

其实在初中地理的学科教学中，实践教学活动很大一部分也可以在课堂上来实现，学生和教师之间可以是一种积极互动的关系，也是一种合作的关系，很多的地理知识教师可以通过引导学生自主实践来发现，也可以在地理学科的课堂教学中通过一些实验等活动内容，给学生更多的启发和引导。

1.4 嵌套式密封圈

密封门的密闭性是压力容器舱内压力维持的重要保障。舱门外壳与密封门对接处设置有密封槽，其内放置具有一定形变能力的嵌套式密封圈。嵌套式密封圈由底方顶圆密封外圈和密封内芯圈组成，二者均由一种高强度耐摩擦橡胶制作而成。将密封内芯圈置入密封外圈的圆孔中，两端通过中性胶连接，形成嵌套式密封圈。嵌套式密封圈圆孔中有一定的剩余空间，使其具有一定的形变能力。嵌套式密封圈底部至圆顶高度大于密封槽深度，在密封门旋紧时受到挤压逐渐发生形变。随着密封门逐渐旋紧，嵌套式密封圈与密封门的接触面积逐渐增大，从而保证密封门的密闭性。

1.5 递进式传感器密封装置

递进式传感器密封装置设置在压力容器舱另一端的金属封头上。该装置由递进式双层外螺纹、第一橡胶垫、第二橡胶垫和递进式双层内螺纹组成。递进式双层外螺纹和递进式双层内螺纹均经过螺纹一致的丝锥一体加工而成，从而实现双层内外螺纹轴心与轴距一致，同时保证第一层内外螺纹和第二层内外螺纹长度一致。另外，第一层内外螺纹接触旋拧时，能够保证第二层内外螺纹同时接触旋拧。当双层内外螺纹旋紧时，分别挤压第一橡胶垫和第二橡胶垫，起到双层密封的效果。

1.6 压力容器舱容积设计

基于实验动物代谢特征，急性低压低氧动物实验最佳适宜的容积比为小鼠20 L/只、大鼠50 L/只[5]。合理的容积比能够在低压低氧动物实验过程中降低甚至消除固定容积内温湿度、氧气体积分数等参数的波动，确保实验条件的稳定。为了同时满足高海拔容积比和实验动物成组要求，低压低氧动物模型舱的压力容器舱最佳容积为400～1 000 L，一次能够成组完成饲养20～50 只小鼠或8～20 只大鼠。因此，设计压力容器舱内径为650 mm、长度为1 600 mm，容积约为530 L。

经过在以上几个方面对压力容器舱进行优化设计，实现了压力容器舱在各个结构连接处的密封性。通过真空泵提供抽气动力，实现压力容器舱内的低压低氧环境。

2 性能验证

2.1 实验方法

2.1.1 压力容器舱真空度验证

开启低压低氧动物模型舱[6]，设定模拟15 000 m 极限海拔，维持运行30 d，分别于每天6：00、12：00、18：00 三个时间点记录压力容器舱内的压力水平，共得到90 个时间点的压力值，并绘制时间-压力曲线。

2.1.2 低压低氧动物实验验证

实验动物为20 只无特定病原体（specific pathogen free，SPF）级雄性BABL/c小鼠，6 周龄，体质量为（22.1±0.7）g[许可证号：SCKK（京）2019-0008]，购买于北京华阜康生物科技股份有限公司。实验动物在实验室环境下饲养7 d，使其适应实验室环境。

将所有实验动物置于压力容器舱内，设置舱内参数：模拟海拔高度为3 500 m，海拔变化速率为0.45 m/s，压强为65.7 kPa，氧气体积分数为21%，温度范围为16～28 ℃，相对湿度范围为40%～70%，噪声<59 dB，持续3 h，观察并记录实验动物状态。实验过程中四肢伸展、无活动的实验动物定义为活动度差、体质弱的实验动物。剔除活动度差的实验动物再进行急性低压低氧肺损伤动物实验。

将筛选后的16 只实验动物随机分为对照组（n=8）和实验组（n=8），对照组饲养于常压常氧环境，实验组饲养于压力容器舱内，实验持续120 h。

实验过程分为以下3 个阶段[7]，如图3 所示：

图3 实验过程图

（1）升海拔阶段：实验当天08：00 开始，由模拟海拔0 m 以0.45 m/s 速率经过2.7～2.8 h 升高至模拟海拔4 500 m，维持此海拔运行2 h；再以0.45 m/s速率经过2.5 h 升高至模拟海拔8 500 m，并维持至18：00；然后以0.45 m/s 速率经过2.5 h 降低至模拟海拔4 500 m，维持此海拔运行2 h；再以0.45 m/s 速率经过2.5 h 升高至模拟海拔8 500 m，并维持至次日08：00。

（2）维持高海拔阶段：于08：00 维持模拟海拔8500m 至18：00，经过2.5 h 降低至模拟海拔4 500 m，维持此海拔运行2 h；再以0.45 m/s 速率经过2.5 h升高至模拟海拔8 500 m，并维持至次日08：00。循环此阶段直至进入降海拔阶段。

（3）降海拔阶段：于08：00 维持模拟海拔8 500 m至次日00：30，以0.45 m/s 速率经过2.5 h 降低至模拟海拔4 500 m，维持此海拔运行2 h；再以0.45 m/s速率经过2.7～2.8 h 降低至模拟海拔0 m，结束压力容器舱内的全部实验。

实验结束后，立即解剖实验动物，观察肺组织大体观表现。留取左肺进行HE 染色，观察急性低压低氧后实验动物的肺组织病理改变。

2.2 实验结果

2.2.1 压力容器舱真空度验证结果

压力容器舱时间-压力曲线如图4 所示。实验结果表明，压力容器舱稳定维持11.5 kPa 真空度，舱壁能够耐受89.8 kPa 的内外压差。

图4 压力监测图

2.2.2 低压低氧动物实验验证结果

解剖各组实验动物，肺组织大体观如图5 所示。对照组实验动物肺组织呈粉色，表面光滑、湿润、无渗出；低压低氧组实验动物肺组织呈暗红色，表面有黏性渗出物，存在区域性淤血。

图5 实验动物肺组织解剖大体观

将肺组织固定、包埋、切片后进行HE 染色，结果如图6 所示。对照组实验动物肺组织肺泡结构完整，肺泡腔内无渗出；低压低氧组实验动物肺组织肺泡间隔增厚，间隔内炎症细胞浸润，肺泡腔中渗出炎症细胞及红细胞，表现出明显的肺损伤。

图6 实验动物肺组织HE 染色图片（400×）

3 讨论

压力容器舱是维持低压低氧动物模型舱舱内压力的主要部件，其密封性决定了模拟海拔的高度和稳定性。而目前的低压低氧动物模型舱上配置的压力容器舱难以同时具备全景可视性和良好密封性，不符合动物实验要求，也影响实验结果的准确性。

本研究所设计的压力容器舱可以与电路系统、气路系统（包括真空泵）、中央控制系统组合，构成达到GB 14925—2019《实验动物环境与设施》中各项要求（包括换气次数≥15 次/h 等）的低压低氧动物模型舱，可用于各种低压低氧动物实验。经过性能测试，确认设计的压力容器舱能够耐受11.5 kPa 压力、模拟15 000 m 极限海拔，而且可稳定运行30 d。

利用低压低氧动物模型舱进行肺损伤动物实验验证[8]，实验结束后进行肺组织大体观评估和组织学染色，发现低压低氧组较对照组有明显的肺部炎症浸润性和渗出性改变[9]。本研究对低压低氧动物模型舱的改进，可确保急性低压低氧实验对高海拔、长时间的需求，有效地提升了急性低压低氧动物实验的准确性。

但本文设计的压力容器舱仍存在一些不足之处，需在材料方面进一步优化，减轻整体的质量。此外，压力容器舱的舱门目前由金属材料制成，仍是手动开启，较为费力，在舱门的智能化自动开闭方面也需进一步优化。