액체 호흡
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1. 개요
액체 호흡은 폐를 액체로 채워 호흡하는 기술로, 초기에는 생리 식염수나 플루오로카본을 사용한 동물 실험을 통해 연구되었다. 이 기술은 의료 분야에서 미숙아 치료와 중증 폐 손상 치료에 활용될 가능성이 있으며, 잠수 및 우주 탐사 분야에서도 가속도 내성을 높이는 데 활용될 수 있다. 액체 호흡에는 완전 액체 환기, 부분 액체 환기, 과불화탄소 증기, 에어로졸-PFC 등의 다양한 방식이 있으며, 대중 문화에서도 SF 소설, 영화, 애니메이션 등을 통해 묘사되어 왔다.
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호흡은 생물이 에너지를 얻기 위해 산소를 섭취하고 이산화탄소를 배출하는 생리적 과정으로, 수중 환경에서 다양한 방식으로 산소를 얻으며, 호흡계통은 동물에 따라 다른 형태로 진화했고, 여러 메커니즘과 실험 및 치료법이 존재한다.
| 액체 호흡 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정보 | |
| 이름 | 액체 호흡 |
| 이미지 | Perflubron and gentamicin molecules.png |
| 이미지 설명 | 폐 투여용 액체 현탁액의 퍼플루브론 및 겐타마이신 분자의 컴퓨터 생성 모델 |
| MeSH ID | D021061 |
2. 초기 실험
1960년대에 킬스트라와 클라크는 생쥐를 이용해 액체 호흡 실험을 진행했다. 초기 실험에서는 이산화 탄소 배출과 폐 손상 문제가 있었으나, 이후 플루오로카본 온도 조절 등으로 생존 시간을 연장했다. 킬스트라는 생리 식염수를, 클라크는 플루오로카본을 사용했다.
2. 1. 킬스트라의 실험
1960년대 중반, 뉴욕 주립 대학교 버팔로교의 생리학자 킬스트라(J. Kylstra)는 고압 조건에서 생리 식염수에 산소를 많이 녹일 수 있다는 것을 발견했다. 미국 해군의 가압실에서 킬스트라는 생쥐가 생리 식염수를 폐에서 들이쉬고 내쉬는지, 또한 생존에 충분한 양의 산소를 식염수로부터 섭취할 수 있는지를 시험하는 실험을 했다. 결과적으로 생쥐나 쥐는 액체 속에서 호흡할 수 있었지만(18시간까지 생존), 이산화 탄소가 충분히 배출되지 못했기 때문에 곧 치사량에 가까운 값에 도달하여 이산화 탄소 중독에 빠졌다.[66] 이것은 액체 호흡을 인간에게 적용하기 전에 해결해야 할 문제였다.2. 2. 클라크의 실험
1966년, 렐런드 클라크(Leland Clark)와 골란(Golan)은 생쥐를 사용한 액체 호흡 실험을 진행했다. 이들은 산소와 이산화 탄소가 프론 등의 플루오로카본류에 잘 녹는다는 점에 착안했다. 클라크는 폐포가 플루오로카본에서 산소를 흡수하고 이산화 탄소를 배출할 수 있다면, 동물이 호흡에 사용할 수 있을 것이라고 생각했다.[66]실험은 마취한 생쥐에게 먼저 진행되었고, 이후 여러 종류의 동물로 확대되었다. 기관 삽관을 통해 기도에 관을 삽입하고 입구를 부풀려 밀착시켜 외부 공기가 폐로 들어가지 않고, 호흡용 액체가 새지 않도록 했다.[66]
플루오로카본에 산소를 통과시켜 녹인 후, 실험 동물의 폐에 넣고 분당 6회 주기로 흡입과 배출을 반복했다. 최대 1시간 동안 실험 후 액체를 제거했는데, 대부분의 동물은 수 주 동안 생존했지만 폐 손상으로 사망했다. 부검 결과, 폐가 수축했을 때는 충혈이 있었지만 부풀어 있을 때는 정상이었다.
클라크는 킬스트라의 연구와 마찬가지로 동물의 기도 넓이가 문제임을 발견했다. 좁은 기도는 폐로 들어가는 액체의 양을 제한하여 이산화 탄소가 축적되고 충분히 제거되지 않았다. 클라크는 생쥐가 플루오로카본 속에서 생존 가능한 시간이 플루오로카본의 온도에 반비례한다는 것을 발견했다. 즉, 액체가 차가울수록 호흡이 느려져 이산화 탄소 축적을 피할 수 있었다. 저체온 상태는 이산화 탄소 중독을 피하는 유일한 방법이었고, 이 방법으로 문제는 거의 해결되어 한 예에서는 18℃에서 20시간 동안 액체 호흡으로 생존했다.
초기 실험에서 모든 동물은 폐 손상을 입었다. 그러나 이것이 플루오로카본의 독성 불순물 때문인지, 플루오로카본 자체의 영향인지, 다른 원인 때문인지는 확실하지 않았다. 인체 적용 전에는 폐 손상 원인, 이산화 탄소 배출 문제, 플루오로카본의 체조직 잔류 문제를 해결해야 했다. 또한, 퍼플루오로카본은 공기보다 밀도와 점도가 높아 항력이 커지고 호흡에 더 많은 노력이 필요하다.
다음은 플루오로카본류의 물성을 나타낸 표이다.
액체 호흡 기술은 꾸준히 개선되어 이산화탄소 배출 방법이 발전하면서 실험 동물의 생존율이 크게 향상되었다. 사용되는 과불화탄소는 100 mL당 65 mL의 산소와 228 mL의 이산화탄소를 녹일 수 있다. 1990년대 초까지 발전된 액체 호흡법 절차는 다음과 같다.[69]
액체 호흡은 의료, 잠수, 우주 탐사 등 다양한 분야에서 적용될 가능성이 있다.
3. 이후의 발전
# 티오펜탈을 정맥 주사하여 실험 동물을 마취한다.
# 등을 위로 눕힌 후 삽관한다.
# 혈액 시료를 채취하고, 과불화탄소의 온도를 조절한다. (저체온으로 만들 필요는 없어졌다.)
# 기관 내 튜브를 통해 과불화탄소를 폐에 주입한다.
# 부착된 3 L 용기에 과불화탄소를 채운다. 보온, 산소 공급, 이산화탄소 제거 기능을 하는 장치 사이를 펌프로 순환시킨다. 삼방 공압 밸브에서 관을 통해 실험 동물에게 액체를 흘려보낸다. 흡입은 컴퓨터로 제어한다(유량 18 mL/초). 1분당 약 6회 속도로 실험 동물의 폐에 액체를 보내고 용기로 되돌린다.
# 실험 종료 후, 피검체를 15초 정도 기울여 과불화탄소를 폐에서 빼낸다. (영화 『어비스』의 한 장면에서 몽크 소위가 쥐의 폐에서 액체를 토해내게 하는 장면이 나오는데, 이 영화에서 쥐는 실제로 액체 호흡을 하고 있었다.)
1990년대 초에 이루어진 실험에서 개는 과불화탄소 속에서 약 2시간 동안 생존했으며, 실험 후 약간의 저산소 상태를 보였지만 며칠 안에 정상으로 회복되었다. 해부 검사 결과, 가벼운 부종이나 약간의 출혈 외에 초기 실험에서 나타났던 폐 손상은 뚜렷하게 개선된 것으로 확인되었다.[69]
2021년, 다케베 타카노리 등은 미꾸라지가 창자로 호흡하는 것에 착안하여, 포유류(쥐, 돼지)의 창자에 과불화탄소를 주입하여 산소를 공급한 결과 혈액 중 산소 농도가 상승하는 것을 확인했다.[70] 이 연구로 2024년 이그노벨상 생리학상을 수상했다.
액체 호흡의 최신 발전에도 불구하고, 퍼플루오로카본(PFC) 응용 형태에 대한 표준은 아직 확립되지 않았다.
4. 적용 분야
의료 분야:
잠수 분야:
하지만, 액체 호흡 기술이 실제 잠수에 적용되기 위해서는 이산화탄소 제거 문제 등 해결해야 할 과제가 남아있다. 대부분의 액체 과불화탄소는 안정적인 신진대사[71] 상태에서 이산화탄소를 충분히 제거하기 위해 분당 약 70mL/kg(체중 70kg 성인 기준 약 5L/min)의 교환 속도가 필요한데, 이는 현실적인 상한선이다.[72][73]
우주 탐사:
하지만, 액체의 밀도, 심혈관계 부담 등 해결해야 할 문제가 존재하여, 물리적, 해부학적으로 이러한 응용은 불가능하다고 여겨진다.
4. 1. 의료 분야
액체 호흡은 의료 분야에서 다양한 가능성을 보여주고 있다. 특히 미숙아 치료와 중증 폐 손상 치료 등에 활용될 수 있다.
액체 호흡 기술 중 하나인 부분 액체 환기(PLV)는 기능적 잔기량(약 총 폐 용량의 40%)에 근접하는 양의 과불화탄소(PFC)를 폐에 주입하는 기술이다. 기계 환기는 여기에 일회 호흡량을 제공한다. 이 방식은 현재 총 액체 환기보다 기술적으로 더 실현 가능한 것으로 평가받고 있으며, 전 세계 많은 신생아 집중 치료실(NICU)에서 사용되는 기술을 활용할 수 있다는 장점이 있다.
PLV는 급성 호흡 곤란 증후군(ARDS), 태변 흡인 증후군, 선천성 횡격막 탈장 및 신생아의 호흡 곤란 증후군(RDS) 환자에게서 임상 적용이 보고되었다.[16] PLV를 효과적으로 수행하기 위해서는 폐포 부피를 모집하기 위해 환자에게 특정 폐 용량(10–15 ml/kg)을 적절하게 투여하고, 폐에서 PFC 증발에 대응하기 위해 PFC 액체(1–2 ml/kg/h)로 폐를 재투여하는 것이 중요하다. PFC 액체가 폐에 유지되지 않으면 PLV는 가스 환기기와 관련된 생물물리학적 힘으로부터 폐를 효과적으로 보호할 수 없다.
부분적 및 완전 액체 환기에 유용한 약물 전달 기술을 탐구하기 위해, 최근 연구에서는 나노결정 현탁액을 사용한 PFC 약물 전달에 초점을 맞추고 있다. 여러 연구에서 PFC 액체가 폐에 대한 전달체로서 효과적임을 입증했다.[35][36][37][38][34][39][33][40][30][41]
1996년 마이크 다윈과 스티븐 B. 해리스는 심정지 및 기타 뇌 외상 환자의 체온을 신속하게 낮추어 뇌가 더 잘 회복할 수 있도록 퍼플루오로카본을 이용한 저온 액체 환기를 제안했다.[43] 이 기술은 가스/액체 환기(GLV)라고 불리게 되었으며 대동물에서 분당 0.5 °C의 냉각 속도를 달성할 수 있는 것으로 나타났다.[44]
최근에는 저체온 뇌 보호가 빠른 뇌 냉각과 관련이 있다는 점에서, 비강 내 퍼플루오로케미컬 스프레이를 사용하여 뇌 냉각을 유도하는 새로운 치료 접근법이 연구되고 있다.[45] 비인두(NP) 접근 방식은 뇌 순환과 동맥에 해부학적으로 근접하기 때문에 뇌 냉각에 효과적이다. 성인 양에 대한 전임상 연구를 기반으로, 부위와 관계없이 NP-퍼플루오로케미컬을 사용하는 동안 뇌 냉각이 냉각 담요를 사용한 기존의 전신 냉각보다 더 빨랐다. 현재까지, 완료된 무작위 심장 정지 중 연구(200명의 환자)를 포함하여 4건의 인간 연구가 진행되었다.[46][47] 결과는 응급실 내 심장 정지 중 경비강 냉각이 안전하고 실행 가능하며 냉각 시간 개선과 관련이 있음을 보여주었다.
4. 1. 1. 미숙아 치료
퍼플루브론을 이용한 부분 액체 환기(PLV)는 미숙아의 호흡 곤란 증후군 치료에 사용되어 폐 기능 개선 효과를 보였다.[18][19][26][27][28][29] 1990년대에 미숙아[26][27][28][29] 치료에 처음 사용되었으며, 플루오로화학 물질인 퍼플루오로옥틸브로미드(퍼플루브론)가 개발된 후 임상 시험에 사용되었다.[30][31][32]
양압 환기는 미숙아의 폐 질환 발병에 기여하여 기관지 폐 이형성증을 유발할 수 있는데, 액체 호흡은 이러한 손상의 원인이 되는 고압 구배를 제거한다. 또한, 퍼플루오로카본은 폐 염증을 줄이고,[30][31][32] 환기-관류 불일치를 개선하며, 약물의 폐 투여를 위한 새로운 경로를 제공하는 것으로 나타났다.[30][33][34]
미숙아를 대상으로 한 임상 시험에서 퍼플루브론을 인공호흡기와 함께 사용했을 때 고주파 진동 환기법(HFOV)을 사용하는 것만큼 결과가 향상되었다. 그러나 퍼플루브론이 HFOV보다 더 나은 것은 아니었기 때문에 미국 식품의약국(FDA)은 퍼플루브론을 승인하지 않았고, Alliance는 더 이상 부분 액체 환기 적용을 추진하지 않고 있다.[42]
뉴욕 주립 대학교 버팔로 캠퍼스의 코린 리치(Corrinne Leach) 등의 연구에서는 호흡 곤란 증후군을 겪고 인공 호흡기를 부착한 13명의 미숙아를 대상으로 퍼플루브론을 이용한 부분 액체 호흡 시험을 진행했다. 이 유아들은 계면 활성 물질 부족으로 사망 위험에 놓여 있었고, 동시에 인공 호흡기로 인한 폐 손상 위험도 있었다. 24시간에서 76시간 동안 부분 액체 호흡을 실시한 결과, 13명 중 11명에게 폐 기능의 현저한 개선이 나타났으며, 특별한 어려움이나 유해한 부작용 없이 공기 호흡으로 되돌아갔다. 이후 6명이 사망했지만, 이는 액체 호흡 이외의 원인으로 인한 것이었다.[74]
4. 1. 2. 중증 폐 손상 치료
퍼플루브론은 화재 등으로 인한 중증 폐 손상 환자에게 사용될 수 있다. 퍼플루브론은 붕괴된 폐포를 확장시켜 산소와 이산화탄소의 보다 효율적인 수송을 가능하게 한다.[74]
4. 2. 잠수 분야
액체 호흡은 폐를 액체로 채워 압력 변화에 적응하고, 고압 기체 사용을 줄여 감압병 위험을 낮추는 등 잠수 분야에 혁신을 가져올 수 있다.
하지만 액체 호흡 기술이 실제 잠수에 적용되기 위해서는 몇 가지 해결해야 할 과제가 있다. 우선, 액체로 폐를 완전히 채웠을 때 이산화탄소를 효과적으로 제거하기 어렵다. 대부분의 액체 과불화탄소는 안정적인 신진대사[71] 상태에서 이산화탄소를 충분히 제거하려면 분당 약 70mL/kg의 교환 속도가 필요한데, 이는 체중 70kg 성인 기준 약 5L/min에 해당한다. 격렬한 활동 시에는 이산화탄소 생성량이 증가하여 필요한 액체 유량은 더욱 늘어난다. 이 유속은 액체 호흡의 현실적인 상한선이며,[72][73] 유통 장치 없이는 인간이 10L/min 유속으로 액체 플루오로카본을 움직이는 것은 불가능하므로, "자유로운 호흡"은 어렵다고 여겨진다.
이러한 액체 호흡 기술은 제임스 카메론 감독의 1989년 영화 어비스에서 묘사된 바 있다.[64]
4. 2. 1. 잠수병 예방
액체 호흡은 기체 사용을 없애 체조직이 고압 질소나 헬륨에 포화되는 것을 막아준다. 따라서 감압병을 피하기 위한 느린 감압 등의 과정이 필요 없어진다.[59] 잠수하는 포유류는 한 번의 호흡으로 깊은 곳까지 잠수했다가 수면으로 빠르게 돌아와도 감압병이 거의 또는 전혀 발생하지 않는다. 이는 한 호흡 정도의 기체로는 체조직에 축적되는 질소량이 감압병을 일으킬 만큼 많지 않기 때문이다.[72]
4. 2. 2. 심해 잠수
액체 호흡을 통해 폐 내부 압력을 수압과 동일하게 유지하여 심해 잠수가 가능해질 수 있다.
심해에서는 폐 내부의 압력이 체외의 기압과 같아야 폐가 찌그러지지 않는다. 다이버가 수심 ''x'' 미터에 있다면, 수면에서의 기압을 ''p'' bar (해면과의 고도차가 매우 크지 않은 한 ''p'' = 1로 간주)라고 할 때, ''x''/10 + ''p'' bar의 압력을 받으면서 호흡해야 한다. 이 압력은 깊이에 따라 증가하며, 120m에서는 약 13bar, 심해 평원에서는 약 500bar가 된다.[71] 이러한 고압은 신체에 악영향을 미치며, 급격하게 개방될 경우 공기 색전증, 질소 중독, 감압병 등의 잠수병을 유발할 수 있다.
해결책 중 하나는 대기압 잠수복을 사용하는 것이지만, 부피가 크고 다루기 어렵다. 더 간편한 방법은 헬리옥스(heliox)나 트라이믹스(trimix)처럼 질소를 헬륨으로 치환한 혼합 가스를 사용하는 것이다.[71] 그러나 헬륨 역시 체조직에 녹아들어 감압 시 기포를 발생시키므로 감압병 문제를 완전히 해결할 수는 없다.
폐를 액체로 채우면 기체로 채울 때처럼 많은 양의 기체로 분압을 유지할 필요 없이 체내 압력을 수압 변화에 맞출 수 있다. 고분압에서의 기체 사용을 없애 체조직이 고압 질소나 헬륨에 포화되는 것을 막고, 느린 감압 등 감압병을 피하기 위한 노력이 필요 없어진다. 잠수하는 포유류는 한 번의 호흡으로 깊은 곳까지 잠수했다가 수면으로 빠르게 돌아와도 감압병을 거의 일으키지 않는데, 이는 한 호흡 정도의 기체로는 체조직에 축적되는 질소량이 감압병을 일으킬 만큼 많지 않기 때문이다.[71] 심해까지 잠수하는 포유류나 인간의 폐는 거의 완전히 찌그러져 있다.
이러한 아이디어를 실제로 적용하기에는 다음과 같은 문제점이 있다. 잠수에 액체 호흡을 응용하려면 완전한 액체 치환이 필요하다. 이를 통해 높은 공기 분압을 피하고, 색전증의 원인이 되는 기포를 혈중에 발생시키지 않을 수 있다. 그러나 액체로 완전히 치환하면 이산화탄소를 제거하기에 충분한 양의 액체를 유통시키는 것이 어렵다. 전압이 아무리 높아도 호흡하는 액체에 녹는 혈액 내 이산화탄소 분압은 40mmHg를 넘을 수 없다. 이 압력에서 대부분의 액체 플루오로카본은 안정 상태의 대사[71]에서 충분히 이산화탄소를 제거하기 위해 분당 약 70mL/kg의 교환 속도가 필요하다. 체중 70kg 성인의 경우 약 5L/min에 해당한다. 밀도가 높은 액체의 경우 이는 상당한 양이며, 격렬하지 않은 활동에도 이산화탄소 생성량이 2배가 되면 필요 유량도 2배가 된다. 이 계산값은 액체 호흡에서 현실적인 유속의 상한이다.[72][73] 유통 장치 없이는 인간이 액체 플루오로카본을 10L/min 유속으로 움직이는 것은 불가능하므로 "자유로운 호흡"도 불가능하다고 여겨진다.
이 기술은 제임스 카메론의 1989년 감독 영화 어비스에 등장했다.
4. 3. 우주 탐사
액체 호흡은 높은 가속도 환경에서 신체 부담을 줄이는 방법으로 제안된다. 액체 침수를 통해 가속도에 의한 힘을 분산시켜 우주 비행사의 신체를 보호할 수 있다는 것이다.
이러한 아이디어는 콘스탄틴 치올코프스키의 저작에서도 찾아볼 수 있으며,[79] 1935년 소련 영화 《Космический рейс|우주 비행ru》에서는 우주선 승무원이 잠수복과 유사한 것을 착용하고 물이 채워진 챔버에 들어가 로켓 발사 및 착륙 시의 충격을 견디는 장면이 묘사되기도 했다. 이는 액체 호흡은 아니지만, 액체를 사용하여 가속도에 저항한다는 개념의 초기 사례로 볼 수 있다.
액체 호흡이 고가속 환경의 대책으로 사용된 사례는 다음과 같다.
하지만 액체의 밀도, 심혈관계 부담 등 해결해야 할 문제가 존재한다.
4. 3. 1. 가속도 내성 향상
액체 침수는 가속도에 의한 힘을 신체 전체에 분산시켜 우주 비행사의 가속도 내성을 높일 수 있다. 액체는 압축해도 거의 부피가 변하지 않기 때문에, 높은 가속도를 받아도 밀도가 변하지 않는다. 즉, 인간을 액체 속에 담가두면 좌석이나 하네스에 있을 때보다 몸에 작용하는 관성력을 분산시킬 수 있다.[79]
이 현상은 부력으로도 설명할 수 있다. 물속에서는 수압 때문에 중력의 영향을 상쇄하는 부력이 작용하여 몸이 가볍게 느껴진다. 중력과 가속도는 동일하므로, 가속하는 배 위에 사람이 물속에 있으면 체중이 줄어든 것처럼 느낄 것이다.
하지만, 이러한 응용은 물리적, 해부학적으로 불가능하다고 여겨진다. 가속도가 더해지면 심장이 더 높은 압력으로 혈액을 보내야 하는데, 이는 액체 호흡으로 바뀌지 않는다. 또한, 폐를 액체로 채우면 무게가 증가하고, 특히 강한 가속도를 받으면 액체로 채워진 폐는 기체 호흡 시보다 더 큰 가속도가 생겨 파괴될 수 있다.
4. 3. 2. 우주복 개발
액체 호흡은 허구에서 종종 고가속 환경에 대한 대책으로 사용되기도 한다. 제리 앤더슨과 실비아 앤더슨 부부가 제작한 《미지의 세계 UFO》에서는 외계인의 우주복에 사용되어 우주 비행사가 높은 가속도를 견딜 수 있게 했다.
유체에 가해지는 힘(지구의 중력 등)은 모든 방향으로 분산된다. 액체는 압축해도 거의 부피가 변하지 않기 때문에 항공기 조종이나 우주 여행 등에서 높은 가속도를 받아도 밀도가 변하지 않는다 (비압축성 유체). 즉, 인간을 액체 속에 담가두면 좌석이나 하네스에 있을 때보다 몸에 작용하는 관성력을 분산시킬 수 있다.
비슷한 기술은 콘스탄틴 치올코프스키의 저작에도 있다[79]。 또한 치올코프스키가 참여한 1935년 소련 영화 《Космический рейс|우주 비행ru》에서도 우주선의 승무원이 잠수복과 같은 것을 착용하고 챔버에 들어가면 거기에 물이 채워지고, 로켓 발사 시 가속도나 달 착륙 시의 충격을 견디는 묘사가 있는데, 이것은 액체 호흡은 아니지만 액체를 사용하여 가속도에 저항한다는 아이디어의 원류라고 할 수 있다.
하지만 물리적, 해부학적으로 이러한 응용은 불가능하다고 여겨진다. 주요 문제는 가속도가 더해짐으로써 심장이 더 높은 압력으로 혈액을 보내야 한다는 점이다. 이것은 액체 호흡을 함으로써 바뀌지 않는다. 게다가 폐를 액체로 채우면, 특히 과불화탄소와 같이 밀도가 높은 경우, 무게가 증가한다. 조종사나 우주 비행사가 경험하는 특히 강한 가속도를 받으면, 액체로 채워진 폐는 기체 호흡 시보다 훨씬 큰 가속도가 생겨 파괴될 것이라고 생각된다.
5. 액체 호흡의 종류
액체 호흡은 아직 실험 단계에 있는 기술이기 때문에 다양한 방법이 시도되고 있다. 현재까지 표준화된 과불화탄소(PFC) 응용 방식은 확립되지 않았다.
생체 의학적 응용 분야 및 액체 환기 연구에 사용되는 과불화탄소(PFC)는 다음과 같은 물리화학적 특성을 가진다.
| 특성 | 범위 |
|---|---|
| 산소 용해도 | 33–66 mL / 100 mL PFC |
| 이산화 탄소 용해도 | 140–166 mL / 100 mL PFC |
| 증기압 | 0.2–400 토르 |
| 밀도 | 1.58–2.0 g/mL |
| 점도 | 0.8–8.0 cSt |
5. 1. 완전 액체 환기 (TLV)
완전 액체 환기(TLV)는 폐 전체를 액체로 채우는 방식이다. 이 방식은 폐에 일회 호흡량 부피의 사전 처리된 과불화탄소(PFC)를 공급하고 제거하기 위해 막형 산소 공급기, 가열기, 펌프를 통합한 복잡한 튜브 시스템이 필요하므로 기술적으로 어렵다.[9] 토마스 H. 셰퍼가 이끄는 연구팀은 마이크로프로세서와 새로운 기술을 사용하면 가스 환기보다 TLV 중 액체 기능 잔류 용량 및 일회 호흡량과 같은 호흡 변수를 더 잘 제어할 수 있다고 주장했다.[2][10][11][12]완전 액체 환기는 호흡 가능한 액체를 사용한다는 점을 제외하면 인공호흡기와 유사한 전용 액체 인공호흡기를 필요로 한다.[13] 많은 프로토타입이 동물 실험에 사용되지만, 전문가들은 임상 적용을 위한 액체 인공호흡기의 지속적인 개발을 권장한다.[13]
특정 전임상 액체 인공호흡기(Inolivent)는 현재 캐나다와 프랑스에서 공동 개발 중이다.[14] 이 액체 인공호흡기의 주요 적용 분야는 심정지 후 치료적 저체온증의 초고속 유도이다. 이는 실험적 심정지 후 더 느린 냉각 방법보다 더 보호적인 것으로 나타났다.[15]
5. 2. 부분 액체 환기 (PLV)
부분 액체 환기(PLV)는 총 폐 용량의 약 40%에 해당하는 기능적 잔기량만큼의 과불화탄소(PFC)를 폐에 주입하는 기술이다. 여기에 기계 환기를 통해 일회 호흡량을 제공한다. 이 방식은 총 액체 환기보다 기술적으로 더 실현 가능한 것으로 평가받는다. PLV는 전 세계 여러 신생아 집중 치료실(NICU)에서 현재 사용 중인 기술을 활용할 수 있기 때문이다.[16]PLV가 산소 공급, 이산화탄소 제거 및 폐 역학에 미치는 영향은 다양한 폐 손상 모델을 사용한 여러 동물 실험에서 연구되었다.[16] PLV는 급성 호흡 곤란 증후군(ARDS), 태변 흡인 증후군, 선천성 횡격막 탈장, 신생아 호흡 곤란 증후군(RDS) 환자에게 적용된 사례가 보고되었다.
부분 액체 호흡(PLV)은 산소와 공기를 혼합한 기체를 과불화탄소로 채운 폐로 보내기 때문에 기체 호흡용 표준 인공호흡기를 사용할 수 있다. 기능적 잔기량(FRC)만큼 과불화탄소를 폐에 주입하고 유지하는 데는 고도의 전문 지식이 필요하다. PLV 시스템에 문제가 생기면 즉시 가스 교환이 악화된다. 폐를 완전히 채우지 않으면 기능적 잔기량 부피를 채운 경우보다 효과가 떨어진다. 가스 교환 및 폐 순환 기능에 영향을 미치는 위험하고 심각한 사고가 발생할 수 있어 PLV 사용은 제한적이다.[17]
5. 3. 과불화탄소 증기
과불화헥산을 마취 증발기 두 개로 증발시켜 양에서 올레산 유발 폐 손상 시 가스 교환을 개선하는 것으로 나타났다.[20] 주로 증기압이 높은 과불화탄소(PFC)가 증발에 적합하다. 퍼플루오로헥산에 맞춰 조절된 두 개의 마취 기화 장치로 기화시킨 퍼플루오로헥산은 양의 올레산으로 인한 폐 질환에 대해 가스 교환을 향상시키는 효과가 있는 것으로 나타났다.[76]5. 4. 에어로졸-PFC
과불화옥탄을 에어로졸 형태로 사용했을 때, 올레산으로 인해 폐 손상을 입은 성체 양에게서 산소 공급과 폐 역학이 눈에 띄게 개선되는 결과가 나타났다.계면활성제가 부족한 돼지 새끼를 대상으로 한 실험에서는 Aerosol-PFC를 통해 가스 교환 및 폐 역학이 지속적으로 개선됨이 입증되었다.[21] PFC 에어로졸화의 효과는 에어로졸 장치에 따라 크게 달라지는데, PF5080(덜 정제된 FC77)의 경우 다른 에어로졸 장치를 사용했을 때 계면활성제가 부족한 토끼에게는 효과가 없었다. 부분 액체 환기 및 Aerosol-PFC는 폐의 염증 반응을 감소시키는 효과를 보였다.[22]
6. 대중 문화
액체 호흡은 과학 소설, 영화, 애니메이션 등 다양한 대중 매체에서 미래 기술로 묘사된다.
알렉산드르 벨랴예프의 1928년 SF 소설 ''양서인간''에는 과학자가 아들 익티안데르에게 상어 아가미를 이식하는 수술을 하는 내용이 나온다. L. 스프라그 드 캠프의 1938년 단편 소설 "인어"는 폐가 아가미처럼 기능하게 하는 실험을 다룬다. 할 클레멘트의 1973년 소설 ''정상에 있는 바다''는 해수보다 밀도가 높은 산소화된 액체 속 수중 문명을 묘사한다. 조 할데만의 1975년 소설 ''영원한 전쟁''은 액체 침수 및 호흡을 우주 여행과 전투를 가능하게 하는 기술로 설명한다.[79]
''스타 트렉: 넥스트 제너레이션'' 소설 ''햄린의 아이들''(1988)에서 ''엔터프라이즈''-D호의 승무원들은 호흡 가능한 액체 환경을 갖춘 우주선을 가진 외계 종족과 마주친다. 피터 벤츨리의 1994년 소설 ''백상어''는 수술을 통해 수중 호흡을 하도록 변형된 폐를 가진 양서류 인간을 만들려는 나치 과학자의 실험을 다룬다. 주디스 앤드 가필드 리브스-스티븐스의 1994년 ''스타 트렉'' 소설 ''연방''은 우주선 조종사들이 산소가 풍부한 식염수 용액을 마시며 액체로 채워진 캡슐에 담겨야 했다고 설명한다.
니콜라 그리피스의 소설 ''슬로우 리버''(1995)는 과불화탄소 수영장에서 발생하는 성행위를 묘사한다. 벤 보바의 소설 ''주피터''(2000)에는 승무원이 목성 대기의 고압 환경에서 살아남을 수 있도록 호흡 가능한 액체에 담겨 있는 우주선이 등장한다. 스콧 웨스터필드의 SF 소설 ''떠오르는 제국''(2003)에서 병사들의 폐는 산소가 풍부한 고분자 젤로 채워진다.[60] 그레이엄 맥닐의 소설 ''기계주의자'' (2008)는 신체적으로 장애가 있는 조종사가 영양액 탱크에 갇혀 있는 모습을 묘사한다.[61]
류츠신의 소설 ''다크 포레스트''(2008)에서 23세기의 인류의 군함은 '심해 가속 유체'라고 불리는 산소가 풍부한 액체로 구획을 채운다.[62] 댄 브라운의 2009년 소설 ''로스트 심벌''에서 주인공 로버트 랭던은 호흡 가능한 액체에 잠겨 고문을 받는다. 그레그 반 에크하우트의 2014년 소설 ''캘리포니아 본즈''에서 두 등장인물은 액체로 채워진 탱크에 넣어진다.[63] A.L. 멩겔의 SF 소설 ''방황하는 별''(2016)에서 여러 등장인물들은 수중 도시를 탐험하기 위해 잠수하는 동안 산소가 공급된 액체를 호흡한다. 제임스 S. A. 코리의 ''The Expanse'' 연작의 2019년 소설 ''티아마트의 분노''에서 라코니안 제국은 완전 침수 액체 호흡 포드를 갖춘 선박을 사용한다.
액체에 가해지는 힘은 모든 방향으로 분산된다. 액체는 압축해도 거의 부피가 변하지 않기 때문에, 인간을 액체 속에 담가두면 좌석이나 하네스에 있을 때보다 몸에 작용하는 관성력을 분산시킬 수 있다.
6. 1. 영화
제임스 카메론 감독의 1989년 영화 어비스에서 액체 호흡 기술이 등장한다.[71]6. 2. 기타
제리 앤더슨과 실비아 앤더슨 부부가 제작한 《미지의 세계 UFO》에서는 외계인의 우주복에 액체 호흡이 사용되어 우주 비행사가 높은 가속도를 견딜 수 있게 했다.[79] 《끝없는 전쟁》(1974년/미국)에서도 우주 비행사가 우주 항해나 전투 시의 높은 가속도에 견딜 수 있도록 액체 호흡 기술이 등장한다.- 특수 촬영 드라마 수수께끼 원반 UFO(1970년/영국)
- *지구를 향해 장거리 우주 비행을 하는 우주인이, 전신이 녹색의 호흡 가능한 액체로 채워진 우주복을 착용하고 있다.
- 영화 어비스(1989년/미국)
- *심해 잠수 기술로 액체 호흡이 등장한다. 생쥐를 사용한 실험도 묘사된다.
- 텔레비전 애니메이션 신세기 에반게리온(1995년/일본)
- 애니메이션 영화 에반게리온 신극장판 시리즈 (2007~2021/일본)
- *대사도용 범용 인간형 결전 병기 인조인간 에반게리온에 탑승하는 파일럿이 들어가는 캡슐(엔트리 플러그) 내부는 L.C.L이라고 불리는 가공의 액체로 채워져 있다.
- 텔레비전 애니메이션 우주전함 야마토 2199(2012년 극장 선행 공개·2013년 방송/일본)
- *우주전함 야마토 함장 오키타 쥬조가 함내에서 수술을 받을 때 액체 호흡이 사용된다.
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