Цель – исследование комплексного характера, для экспериментальных наблюдений и теоретических обоснований импульсно периодического характера для диффузного разряда, возбуждаемого в потоке воздуха с давлением равным атмосферному, с целью создания плазменного генератора NO.

Задачи:

1) Экспериментальное исследование выработки оксида азота в импульсно-периодическом диффузном разряде, создаваемого в потоке воздуха для коротких межэлектродных промежутков (2-4 миллиметра), в случае кольцевых промежутков с резкой неоднородностью используя группы методик, обладающих наносекундным временным и микрометровым пространственным разрешениями соответственно.

2) Исследование генерации оксида азота в импульсно-периодическом диффузном

разряде в потоке воздуха на основе численного моделирования

Назначение научно-технического продукта (изделия и т.п.):

Оксид азота (NO) представляет собой эндогенный газ, который играет несколько ключевых физиологических функций у человека, включая предотвращение активации/адгезии тромбоцитов, ингибирование бактериальной адгезии и пролиферации, усиление вазодилатации, стимулирование ангиогенеза, опосредование передачи нервных сигналов и помощь в заживлении ран.

Терапия ингаляционным оксидом азота (INO) стала основой отделений интенсивной терапии при легочной недостаточности, что приводит к предпочтительной легочной вазодилатации. Известно, что в случаях гипоксической дыхательной недостаточности у новорожденных NO улучшает оксигенацию и снижает потребность в экстракорпоральной мембранной оксигенации. Хотя NO в настоящее время одобрен только для гипоксической дыхательной недостаточности, было продемонстрировано, что он полезен при многих других методах лечения, включая пневмонию, острый респираторный дистресс-синдром, инсульт, кистозный фиброз, туберкулез, легочную гипертензию, легочный фиброз, хроническая обструктивная болезнь легких, и совсем недавно для потенциального использования при лечении COVID-19. Стоит особо

отметить высокую эффективность терапии оксидом азота при лечении тяжелобольных коронавирусной инфекцией COVID-19, что официально подтверждено многими ведущими НИИ России.

Основным ограничением при использовании NO в отделениях неотложной помощи и в полевых условиях является непомерно высокая стоимость и низкая портативность существующих коммерческих систем доставки газообразного NO. Они требуют доставки NO через газовые баллоны, которые ограничены учреждениями интенсивной терапии, содержат NO в концентрациях, которые могут привести к разложению (из-за диспропорции во времени) с образованием NO₂, высокотоксичного газа, и являются дорогостоящими (~ 3000 долларов США на пациента). /день).

Последнее обстоятельство стимулирует многочисленные исследования устройств синтеза оксида азота в электрическом разряде из воздуха непосредственно на месте проведения лечения.

Генераторы NO для ингаляционной терапии разрабатываются на основе дуговых и искровых разрядов. Это объясняется тем, что в высокотемпературной плазме разрядов озон практически не нарабатывается, а концентрация двуокиси NO2 по отношению к NO низка и составляет 5−20%. Однако плазма таких разрядов близка к равновесной и значительная доля энергии расходуется на разогрев газа, который для фиксации NO необходимо резко охлаждать. Охлаждать газ необходимо и для целей ингаляции. Синтез NO осуществляется и в неравновесных плазмохимических системах, однако техническая реализация этих систем (несамостоятельные объемные разряды, инициируемые или поддерживаемые сильноточными пучками релятивистских электронов, СВЧ-разряды в магнитном поле) достаточно сложна.

Альтернативой служит генератор NO на основе импульсно-периодического диффузного разряда, предлагаемый в нашем проекте.

Научная новизна предлагаемых в проекте решений:

В ходе экспериментальных и теоретических исследований будет исследован:

• Физический механизм синтеза NO в разряде
• Определены оптимальные режимы горения разряда, обеспечивающее эффективную выработка молекул NO без повышения энерговклада в разряд.
• Предложен генератор оксида азота с улучшенными характеристиками, позволяющие снизить стоимость производства данного генератора

Основные технические параметры, определяющие количественные, качественные и стоимостные характеристики продукции (в сопоставлении с существующими аналогами, в т.ч. мировыми):

• В настоящее время за рубежом и в России оксид азота для ингаляций получают химическим синтезом на стационарных станциях. Затем баллоны со смесью NO и азота поставляются в лечебные учреждения. Подачу NO из баллонов
  в дыхательный контур пациента осуществляют при помощи дозирующих систем, оснащенных устройствами регулирования потока и приборами мониторинга концентрации ингаляционных газов. Стоимость дозирующей
  системы и системы мониторинга 40,5-50,6 тыс. $. Необходимость периодической закупки баллонов с NO и сложная логистика существенно
  ограничивают доступность NO-терапии в практической медицине.
  Средняя стоимость пятидневного курса ингаляционной NO-терапии в США составляет 12 тыс. $
  В РФЯЦ-ВНИИЭФ разработана технология синтеза оксида азота в газовом разряде из окружающего воздуха.
  Технология основана на процессе окисления атмосферного азота в неравновесной плазме газового разряда и отличается высокой точностью наработки и стабильным поддержанием концентрации оксида азота в
  дыхательной смеси. На основе технологии разработан и создан аппарат для ингаляционной терапии оксидом азота «Тианокс". Аппарат обеспечивает синтез оксида азота из воздуха непосредственно во время проведения терапии, подачу NO в дыхательный контур пациента, регулировку и непрерывный мониторинг
  концентрации NO в дыхательной смеси.
  Синтез NO осуществляется в разрядной камере в импульсно-периодическом разряде из окружающего воздуха. В рамках данного проекта запланировано сотрудничество с РФЯЦ-ВНИИЭФ и планируется продолжение цикла исследований по оптимизации технологии синтеза NO в импульсно-
  периодическом разряде
  Конструктивные требования (включая технологические требования, требования по надежности, эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту, хранению, упаковке, маркировке и транспортировке):
  Аппарат должен обеспечивать синтез оксида азота из воздуха непосредственно во время проведения терапии, подачу NO в дыхательный контур пациента, регулировку и непрерывный мониторинг концентрации NO в дыхательной смеси.
  Технические характеристики аппарата:
  исходный газ: воздух;
  терапевтические дозы NO в дыхательном контуре: от 1 ppm до 100 ppm;
  шаг регулирования концентрации NO: 1 ppm;
  температура газа на выходе аппарата: комнатная;
  мониторинг NO, NO2: непрерывный; установка пороговых концентраций- NOmax, NOmin, NO2 max;
  продувка измерительных датчиков: автоматическая;
  габаритные размеры: диаметр основания – 0,7м, высота – 1,4 м; питание: 220В / 50Гц;
  потребляемая мощность: не более 100 Вт.
  Синтез NO осуществляется в разрядной камере в импульсно-периодическом разряде из окружающего воздуха.
  Синтезируемая в генераторе NO-содержащая газовая смесь с объемной скоростью 0,45±0,2 л/мин поступает в блок очистки. Принцип действия блока основан на процессе химической адсорбции NO₂. Далее газ подается в терапевтический контур пациента.
  В контуре NO перемешивается с основным дыхательным потоком, который может подаваться от внешнего побудителя (аппарат ИВЛ, компрессор, концентратор кислорода и т.п.) или от встроенного блока подачи воздуха аппарата. 

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ПРОЕКТ

Первый этап:

1) Получение экспериментальных данных характеристик импульсно-периодического диффузного разряда возбуждаемого в потоке воздуха в коротких межэлектродных промежутках (1-4 мм) в резко неоднородном кольцевом промежутке с использованием комплекса методик, обладающих наносекундным временным и микрометровым пространственным разрешениями

2) Получение экспериментальных данных по концентрации молекул NO и NO₂ разряде в широком диапазоне изменения начальных условий. (Частота следования импульсов от однократных до f = 10.5 kHz.)

Второй этап:

1) Разработка физико-математической модели газоразрядных процессов, учитывающая основные плазмохимические реакции и газодинамику в импульсно-периодическом диффузном разряде в воздухе в условиях эксперимента.

2) Исследования влияние плазмохимических и газодинамических процессов на пространственно-временные характеристики разряда, обуславливающие, в том числе, генерацию оксида азота. Определение оптимальных условий синтеза молекул синтеза NO и NO2 разряде.

3) Создание модели генератора с улучшенными характеристиками

КОММЕРЦИАЛИЗУЕМОСТЬ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Область применения:

- в оториноларингологии: ангина, острый фарингит, хронический

тонзиллит, ринит, гайморит, острый отит, тугоухость, послеоперационные

состояния;

- хронические раны: трофические язвы (на фоне варикозного

расширения вен и сахарного диабета), "диабетическая стопа", трофические

расстройства на фоне сопутствующей патологии;

- послеоперационные раны (стимуляция заживления);

На страницу проекта