甲烷爆炸冲击波作用下密闭管道内动物损伤效应试验研究

2018-08-29王海宾赵英虎高莉谭迎新王林变杨柳

兵工学报 2018年8期

王海宾，赵英虎，高莉，谭迎新，王林变，杨柳

(1.中北大学化学工程与技术学院，山西太原 030051； 2.中北大学环境与安全工程学院，山西太原 030051)

0 引言

随着科学技术的不断进步，武器装备及战略战术发生了重大转变。爆炸性大规模杀伤性武器在现代高科技局部战争中的使用越来越广泛、威力越来越大[1]。此外，矿山瓦斯、企业粉尘、施工炸药及沼气、煤气等意外爆炸事故时有发生，加之局部暴力冲突及恐怖活动的日益猖獗，使爆炸伤的发生率明显升高[2]。爆炸性武器的主要杀伤因素是破片和冲击波。爆炸性武器破片伤的发生率为53%～81%，冲击伤的发生率为30.0%～50.4%[3]. 各类爆炸产生的剧烈震动对动物是一种强烈刺激，可能会导致应激反应。由于脏器的功能活动受神经内分泌调节，当其发生异常改变后，可能会导致脏器发生病理改变。在日常生活、军事作业和战场作战中，爆炸产生的损伤是造成人民生命财产损失和战斗力减员的重要因素。因此，加强爆炸致伤的生物效应研究具有重要的军事意义和实际应用价值[4]。

爆炸物周围的空气介质接受膨胀所传递的能量后形成压缩波，多个压缩波重叠后形成了冲击波。爆炸冲击波压力变化的时间极短，但是变化的幅度和速度极高，破坏力非常大，能造成人体多系统器官损伤甚至伤亡。爆炸冲击波对人体的损伤主要集中在含有空气的生物器官，如耳膜、肺及肠胃[5]。Argyros[6]指出，冲击波对肺的损伤是使人致命的关键因素。冲击波作用于人体胸部时，诱发生物组织产生应力波并在肺组织中传播，从而导致肺泡破裂、撕裂、内爆裂[7-8]。

由于煤炭事故频发，瓦斯爆炸给人民生命财产造成巨大损失，科学家们更多关注瓦斯爆炸火焰的传播规律、引起煤尘二次爆炸的机理、障碍物对爆炸特性的影响等，但对于密闭空间内甲烷爆炸对动物损伤的研究较少。本文选择甲烷气体为研究对象，以大鼠作为模型动物，在模拟管道内进行10%甲烷- 空气预混气体爆炸冲击波对不同位置的动物损伤生物学效应与损伤机理进行研究。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验所用大鼠购于山西医科大学实验动物中心(批号SCXK2009-0001)的6月龄大鼠，体质量(200±20) g，10只，雌雄各半。甲烷气体购于山西海同利气体有限公司，纯度为99.99%.

1.2 爆炸试验设备测试装置

采用自行设计的管道式爆炸装置，该装置由爆炸管、配气系统、压力测试系统、火焰速度测试系统、高压点火系统组成。用于本试验的管道总长3.1 m，由3段无缝钢管组成，长度分别为0.7 m、1.2 m、1.2 m，管道内径为0.139 m、壁厚为0.01 m，中间由法兰连接，靠螺栓紧固，另有石棉垫片和胶皮垫片密封，末端由盲法兰封闭。在距左端盲法兰0.25 m处装有一对点火电极。管道上依次安装了4个压电式压力传感器，分别称为测点1、测点2、测点3和测点4. 在管道第1节上装有真空压力表，左边的盲法兰上开有配气接口。爆炸管的每节管道上均设有观察孔，其中观察孔2～3上可以安装火焰探测器，通过火焰经过2个火焰探测器测量的时间来测量火焰传播的平均速度，观察孔2和观察孔3之间的距离为2.25 m. 安全阀安装在爆炸管道右端，当压力超过2 MPa时安全阀自动泄压。管道式爆炸装置结构示意图如图1所示。

1.3 动物分组及布放

采用自行设计的双层笼对大鼠进行固定。将装有大鼠的笼子分别编号，1号笼子放于距离点火源115 cm处(前端)，2号笼子放于距离点火源226 cm处(后端)。管道上依次安装2个压电式压力传感器，分别位于测点2和测点4，分别编号为2号传感器和4号传感器。采用分压配气法进行配气，气体混合均匀后进行点火起爆，压力传感器可测得瞬间爆炸压力。爆炸并泄压后对大鼠进行死亡、灼伤程度等损伤观察。

1.4 甲烷爆炸试验方法

利用甲烷- 空气预混气体的爆炸过程研究在密闭管道内甲烷爆炸对动物的灼伤程度、冲击波对管道内不同位置大鼠的肺、肝、脾等组织损伤变化。根据前期试验结果[8]，在该装置中甲烷浓度为10%时反应最剧烈，产生的爆炸威力最大，因此选择的甲烷浓度为10%. 检查管道气密性后，将大鼠置于笼中并置于管道内，采用分压法[9]配制所需浓度的可燃气体，给点火电极上加高压使其产生电火花，引燃产生爆炸冲击波，由数据采集系统记录试验结果。具体步骤为：1)气密性检测，在管道内通过空压机充入一定压力的空气，保压10 min，以压力不下降为合格；2)安装火焰测速仪(根据试验需要进行安装)；3)安装圆环形障碍物(根据试验需要进行安装)；4)将大鼠固定笼放入设计的位置；5)开启真空泵15 s，将管道内抽成真空(0.02 MPa)；6)打开甲烷钢瓶阀门，通过配气管向管道内充入甲烷，当甲烷气体的分压达到试验所要求气压时停止进气(10 s)；7)打开阀门向管道中充入空气，当管内混合气体的压力达到1个标准大气压时，停止进气(15 s)；8)打开高压点火器电源并充电到指定电压，启动数据采集仪与火焰测速仪等待触发状态，点火；9)记录数据。

1.5 观察指标

爆炸泄压后取出大鼠进行损伤程度观察。对心跳、呼吸已经停止的大鼠判为即刻死亡者，并立即进行解剖观察；如果大鼠存活，经颈动脉放血处死后再进行解剖，观察肺、肝、脾组织的损伤情况。组织取材后，分别用40 mg/L多聚甲醛和戊二醛固定，用常规石蜡包埋切片、HE染色，并用光镜和电镜观察组织形态学变化。

2 试验结果与分析

2.1 管道内甲烷爆炸后物理参数检测及动物损伤情况观察

在甲烷浓度为10%的管道内，引爆后2号传感器和4号传感器分别测得压力为0.149 MPa和0.264 MPa，爆炸压力曲线如图2所示。泄压后，对置于管道前端与后端的大鼠进行生命体征、灼伤程度观察记录。随后立即对大鼠进行解剖并对肺外部特征如颜色变化、出血情况进行观察，观察结果如表1所示。

置于管道前端的5只大鼠死亡1只，管道后端的5只大鼠全部死亡。置于管道前端的大鼠灼伤程度比置于后端的大鼠严重(见图3(a)和图3(b))，但解剖发现置于后端大鼠的肺出血程度却远高于前端大鼠。置于前端大鼠的肺充血，呈现片状出血现象(见图3(c)))。置于后端的大鼠两侧肺呈现较均匀的块状出血(见图3(d))。

表1 不同部位爆炸压力值与大鼠损伤情况Tab.1 Burns and pulmonary hemorrhage of rats

2.2 密闭管道内甲烷爆炸后大鼠肺、肝、脾组织病理学改变

2.2.1 密闭管道内甲烷爆炸后大鼠肺组织病理学改变

图4所示为甲烷爆炸对大鼠肺的显微结构改变。

由图4(a)可见，正常大鼠的肺显微结构显示肺泡排列整齐，肺泡隔(相邻肺泡间含有丰富毛细血管网和弹性纤维的薄层结缔组织)基本均匀。呼吸性支气管、终末性细支气管完整。

由图4(b)可以看到，完整且彼此相连的肺泡以及肺泡隔上的少量红细胞，肺细胞核规则且位于细胞中央。

由图4(c)可以看到：置于前端的大鼠肺组织脱落物增多，多数肺泡塌陷，呈现不规则状态；肺泡隔增厚、堆积，红细胞较多，肺泡发生空泡化，终末性细支气管破裂，视眼内有少量黑色颗粒。

由图4(d)可以看到，终末性呼吸性器官破裂，单层柱状上皮散落，多数肺泡破裂、堆积。

由图4(e)可见：置于后端的大鼠肺组织中明显看到一个大的空腔而且几乎所有肺泡挤压在一起，很少能看到规则的肺泡且出血明显；红细胞呈弥散性遍布，并发生堆积挤压，基本无正常肺泡，绝大多数肺泡塌陷，肺泡隔增厚，脱落物增多，视眼内有大量黑色颗粒。

由图4(f)可见，肺泡隔重叠、挤压，形成较厚的堆积层，细胞核边缘化，出现肺水肿特征。

2.2.2 密闭管道内甲烷爆炸后大鼠肝组织病理学改变

图5所示为甲烷爆炸对大鼠肝显微结构改变。

由图5(a)可以看出：正常大鼠的肝显微结构由排列不整齐的单行肝细胞构成，形成迷路样条索状的肝板；中央静脉常位于肝小叶中央，在肝板之间的网状管道——肝血窦，使血液从肝小叶周边经血窦汇入中央静脉。

由图5(b)可以看出，在高倍电镜下可以清楚地看到一个核或两个核的肝细胞，肝板连续完整，肝血窦腔基本均匀[10]。

由图5(c)可以看出，置于前端大鼠在受到冲击波作用后，肝细胞出血明显，中央静脉变形，肝板断裂、残留，呈无规则状。

由图5(d)可以看出，肝窦腔增大，肝板变短，肝细胞核边缘化，有的肝细胞出现变形。

由图5(e)可以看出，置于后端的大鼠在受到冲击波作用后，肝细胞中央静脉变形，出血程度高于前端大鼠，肝板断裂。

由图5(f)可以看出，40倍电镜下可看到肝细胞核变小，部分出现无核化。

综上所述可知，前后两端大鼠的肝细胞均受到不同程度的冲击，后端大鼠的肝损伤略为明显，部分肝细胞受损、死亡，肝窦腔增大，肝板断裂导致部分肝功能受损。这一结论与李泽信等[11]在研究肝脏的火器伤所观察到的肝细胞形态变化基本一致。

2.2.3 密闭管道内甲烷爆炸后大鼠脾组织病理学改变

图6所示为甲烷爆炸对大鼠脾显微结构改变。

脾是免疫应答的重要场所，可构成机体免疫的第3道防线。脾由被膜、小梁、白髓、红髓、边缘区5部分组成，具有滤血、储血和造血功能[12]。在脾的新鲜切片上呈散布的灰白色小点状，故名“白髓”。红髓含有大量的红细胞，因此显红色。

由图6(a)可见：染色后呈现着色较深的致密蓝色区域为白髓，该区域含有大量T细胞、少量巨噬细胞；着色较浅、细胞排列稀疏的区域为红髓，该区域含有T细胞、B细胞、浆细胞、巨噬细胞和其他细胞。

由图6(b)可见，红髓和白髓的交界处细胞排列较白髓稀疏，较红髓密集，在光学显微镜下呈现蓝色和红色的区域为边缘区，该区域是脾内免疫细胞捕获、识别、处理抗原和诱发免疫应答的重要部分。红髓区脾索排列整齐，细胞核居中并呈椭圆形，脾窦腔基本规则均匀[10]。

由图6(c)可见，置于前端的大鼠脾在受到冲击波作用后，白髓着色变浅、区域缩小，红髓变得更加稀疏、脾索断裂、残留、脾窦腔增大并伴有出血。

由图6(d)可见，脾索无规则、堆积挤压，脾窦腔有的增大、有的缩小，细胞核边缘化。

后端大鼠脾的白髓和红髓界限不清，出血明显(见图6(e))；基本脾索挤压、部分断裂，脾窦出血(见图6(f))。

综上所述可见，置于前后端大鼠脾的显微结构损伤类似，没有显著差异。这是因为脾的主要功能是进行免疫应答，在受到冲击波作用后由于肺部和肝部同样也受到冲击波作用而引起炎症反应，但是瞬间的冲击已经使后端大鼠死亡，免疫应答基本不会做出多余反应[13]。前端大鼠虽然没有当场死亡，但是肺部损伤也使其奄奄一息，同时在爆炸试验结束后就对其处死并立即进行了解剖，因此免疫反应也基本没有。

脾所受到的冲击作用更多地表现为自身所受到的损伤，且前后端大鼠的脾损伤程度基本相当。当然在这个过程中大鼠的脾显微结构明显发生了脾索断裂、残留以及脾窦腔、脾细胞核边缘化等改变引起的脾功能性损伤。

2.3 大鼠肺超微结构的改变与分析

正常大鼠的肺超微结构显示，肺泡由Ⅰ型和Ⅱ型两种肺泡细胞组成，二者紧密相连。其中，I型肺泡覆盖了肺泡表面的绝大部分，细胞大而扁薄，表面光滑，含核部分略厚，其余部分薄，胞核扁圆，胞质内细胞器甚少，吞饮小泡较多，参与构成血- 气屏障。II型肺泡细胞数量较多，胞体较小，呈立方形或圆形，嵌于I型肺泡细胞之间。胞内线粒体完整且嵴(线粒体内膜向线粒体基质折褶形成的一种结构)清晰。胞核呈圆形，胞质淡染，呈泡沫状。胞质内有许多呈同心圆或平行排列的板层结构，称嗜锇性板层小体，即分泌颗粒。小体大小不一，直径为0.1～1.0 μm，其电子密度高，主要含二棕榈酰卵磷脂。细胞以胞吐方式将其分泌到肺泡表面并铺一层薄膜，称表面活性物质。肺泡隔是由相邻肺泡间丰富毛细管网和弹性纤维构成的薄层结缔组织。肺巨噬细胞由单核细胞分化而来，胞体较大，形状不一，具有游走性和活跃的吞噬能力。

置于前端大鼠受冲击波作用后其肺Ⅰ型细胞和Ⅱ型细胞连接消失，多数挤压堆积。多数细胞内线粒体嵴消失甚至空洞化。一些Ⅰ型细胞出现无核化，如图7(b)所示；巨噬细胞空洞化，如图7(h)所示。

置于后端大鼠肺受冲击波作用后其Ⅰ型肺细胞和Ⅱ型肺细胞连接全部断裂并消失。Ⅰ型肺细胞核拉伸变形，如图7(c)所示。Ⅱ型肺细胞核碎裂，线粒体空洞，细胞间挤压更加紧密，肺泡腔基本消失，如图7(f)所示。巨噬细胞出现空洞化，肺细胞多数已经坏死，丧失了细胞基本功能，如图7(i)所示。

肺细胞的超微结构进一步证明，置于后端的大鼠肺部受到的冲击波作用相当严重，肺泡几乎完全塌陷，肺细胞损伤殆尽，肺的血- 气交换功能完全丧失。同时在本次试验中还发现，不论是肺显微结构还是超微结构中，也不论是放置在前端还是后端，大鼠肺泡中均有黑色颗粒物质，如图7(e)、图7(f)、图7(i)所示。由此可见，多次试验的结果已经证明大鼠在死亡前曾呼吸了含有碳微颗粒的空气。

3 冲击波对动物组织的损伤分析

本文试验结果显示，置于管道前端的大鼠灼伤程度比置于后端的大鼠严重。分析认为在甲烷- 空气预混气体管道内，置于前端的点火源引爆后，前端的甲烷开始迅速燃烧并对大鼠造成灼伤，随着时间的推进，燃烧速度呈现快速递增，温度升高，压力快速上升。置于后端的大鼠所承受的压力增大，但火焰通过大鼠的燃烧时间较前端大鼠短暂。置于后端的大鼠生命状态是死亡，其肺出血程度远高于前端大鼠。分析认为后端大鼠受到的冲击波伤害大于前端大鼠，肺泡损伤塌陷程度显著，肺泡隔的血- 气屏障遭到破坏，基本丧失了气与血交换能力[14]。如果肺组织没有换气功能，也就没有了呼吸作用。这也是前端大鼠濒临死亡而没有断气、而置于后端的大鼠已经停止呼吸的一个重要原因。另外，文献[15-16]认为正向冲击波作用在封闭管道内后壁会反射，并沿其周围衍射。反射波面向源头反向行进，反射波冲击物体时，物体表面产生的压力远远大于波的峰值静态压力。文献[17]研究发现，理想气体在冲击波作用下碰到刚性墙壁发生反射时，向前移动的空气分子停止于墙上，其后继续移动的分子仍然压迫波前停滞的分子，此时墙上物体的总压力是静态压力和动态压力的总和。因此，在本试验密闭管道环境中大鼠会接触多方向的反射波，在机体上产生累加效应，导致冲击伤程度更重、死亡几率更高的是后端大鼠，而前端大鼠随着反射波的衰减所受到的损伤没有达到致死程度。在本试验中还发现，不论是前端大鼠还是后端大鼠，损伤的肺细胞中均出现黑色颗粒。可以推断，管道内甲烷燃烧爆炸后，火焰通过灼伤使前端大鼠的皮毛产生了碳颗粒，正向冲击波作用于后端大鼠的瞬间可能没有造成死亡，因此后端大鼠有机会继续呼吸带有碳颗粒的空气，从而在肺泡内留下了微小黑色颗粒。而反向冲击波造成后端大鼠死亡，前端大鼠呼吸了含有碳微粒的空气，并留在肺泡内。综上所述可以认为，在密闭环境中反射波的压力更大、更致命。

置于后端大鼠的肝损伤比前端大鼠严重，部分肝细胞受损、死亡，肝窦腔增大，肝板断裂导致大鼠部分肝功能受损，影响其生存状态和伤后恢复。因为肝不仅是动物体内最大的消化腺，可以分泌胆汁、促进脂肪的分解与吸收，而且也是一个极其重要的物质代谢器官，参与多种物质的合成、贮存、代谢和转化[10]。该试验中肝窦腔增大、肝板断裂导致的肝功能受损会影响正常的物质代谢，但不至于导致大鼠立即死亡。这一结论与李泽信等[11]在研究肝脏的火器伤中所得出的结论基本一致。

置于后端的大鼠脾损伤程度与前端大鼠相似，没有显著差异，脾的损伤程度不是导致后端大鼠死亡的根本原因。分析认为脾的主要功能是进行免疫应答，脾所受到的冲击作用更多地表现为自身所受到的损伤，且前后端大鼠的脾损伤程度基本相当。当然通过脾的显微结构可明显发现大鼠的脾索断裂、残留，脾窦腔、脾细胞核边缘化等改变引起脾功能性损伤，但不是致死的根本原因。唐献述等[18]通过近地表爆炸空气冲击波对动物的伤害效应试验研究，也证实了上述观点。