Il FLUIDO. LA POMPA. IL CIRCUITO. GLI SCAMBI RESPIRATORI.

1. LA FISICA DELLA RESPIRAZIONE Il FLUIDO. LA POMPA. IL CIRCUITO. GLI SCAMBI RESPIRATORI.

2. LA FISICA DELLA RESPIRAZIONE IL FLUIDO: In questo caso il fluido che ci interessa è un GAS, o meglio una MISCELA DI GAS. Studieremo pertanto i gas più semplici (GAS PERFETTI) eil modo con cui simiscelano.

3. Vedremo poi le caratteristiche dalla POMPA respiratoria, le caratteristiche fisiologiche e patologiche dei volumi respiratori e del CIRCUITO lungo cui circola l’aria espirata. Infine ci occuperemo degli SCAMBI GASSOSI a livello degli alveoli polmonari e nel circolo, e dei meccanismi di TRASPORTO dei gas nel sangue.

4. RICHIAMI SUL GAS PERFETTO: (molecole puntiformi e non interagenti:con buona approssimazione TUTTI I GAS RARE- FATTI!) Studi sperimentali : 1) relazione PRESSIONE-VOLUME a temperatura ambiente ( T fissata): rubinetto Volume di aria Vo Pressione atmo- sferica Po

5. Versando altro mercurio (per un’altezza h) la nuova pressione sarà P1=dgh +Po E si osserverà una leggera risalita del mercurio nel secondo braccio, con relativa riduzione del volume d’aria da Vo a V1. Ripetendo più volte l’esperimento si vede che: p P V = cost (legge di Boyle) P1 Po V V1 Vo

6. Al variare della temperatura la legge resta valida, ma i valori numerici si modificano: la ‘costante’ dipende dalla temperatura. Se anziché tenere fissa la temperatura si tiene fissa la PRESSIONE, lavorando ad esempio alla pressione atmosferica, è possibile studiare la relazione tra volume e temperatura: Righello graduato Goccia di mercurio che separa l’aria dall’ambiente termometro Palloncino in vetro riempito d’aria

7. Leggendo lo spostamento della goccia sul righello graduato si stima il volume V corrispondente alle diverse temperature t. Detto Vo il volume misurato a to= °C, si ricava la legge: V = Vo ( 1 + a t) (prima legge di Guy-Lussac) NB: 1) a risulta esser la stessa per TUTTI i gas, purchè suf- ficientemenet diluiti da essere ‘perfetti’: a = 1/237.15 °C-1

8. 2) Rappresentando su un grafico la legge: V -1/a t (°C) 0 Alla temperatura t = -1/ a = -273.15 ° C il volume ‘sparisce’! Ciò descrive sicuramente una situazione non-fisica.

9. Studiamo infine una trasformazione isocora: t p La relazione tra pressione e tempe- ratura risulta espressa dalla legge: P= Po ( 1 + a t) (seconda legge di Guy-Lussac) dove ancora Po è la pressione corrispondente a t=0 °C, a è la costante comune a tutti i gas e alla temperatura t = - 1/ a la pressione ‘scompare’.

10. L’insieme di queste leggi permette di pervenire alla equazione di sato dei gas perfetti. Siano A (Po, Vo, to) e B (P, V, t) due configurazioni del gas: A-I: V(I)= Vo( 1 + a t) I-B: P V = P(I) V(I) = PoVo (1+ a t) P I A B V

11. Con qualche manipolazione algebrica: P V = Po Vo ( t + 273.15) /273.15 osservando ora che: 1) Vo si può esprimere come il prodotto nel numero n di moi del gas e del volume vo occupato da una mole di gas a t=0 e p= 1atm ( vo = 22.4 l), 2) si può introdurre una nuova scala termometrica, detta di Kelvin, per cui: T (°K) = t(°C) + 273.15 (detta temperatura assoluta in quanto T=0 °K non è raggiungibile)

12. La quantità Po vo /273.15 = R = 8.31 J /mol °K viene definita come costante universale dei gas, e l’equazione di stato viene scritta nella forma: P V = n R T Questa legge vale naturalmente nell’approssimazione di ‘gas perfetto’, e non può descrivere i cambiamenti di stato di un gas reale pressu- rizzato: per fare questo occorre considerare una relazione più com- plicata (legge di Van der Waals).

13. Diamo i numeri…. Una bombola di ossigeno alla pressione di 5 atm contiene 10 l di gas. Quale sarà il volume disponibile per il paziente? P V = P’ V’ V’ = P V / P’ = 5 atm 10 l / 1 atm = 50 l

15. Diamo i numeri…...

17. Normalmente la quantità di gas che si discioglie nel sangue è insuf- ficiente per garantirne l’ossigenazione, a meno che si respiri ossigeno puro a pressione di parecchie atmosfere, raggiungendo una pressione parziale di diverse migliaia di mmHg. Benchè l’ossigeno a tali pressioni sia irritante e possa avvelenare i sistemi enzimatici, l’OSSIGENO IPERBARICO viene talvolta usato per periodi brevi nel trattamento dell’anossia, dell’avvelena- mento da monossido di carbonio e per facilitare la chirurgia cradiaca specie nei bambini.

18. LA POMPA E IL CIRCUITO

19. L’aria penetra nel ns apparato respiratorio grazie alla contrazione dei muscoli inspiratori. L’espirazione è un fenomeno passivo.

21. Nella respirazione si compie lavoro contro le resistenze viscose al passaggio dell’aria (AFCD) e contro le resistenze elastiche della gabbia toracica e del polmone (AECF). Il lavoro complessivo si calcola come area nel piano V-p (fare…)

22. Il Volume Corrente è di circa 500 ml, ma può essere forzato fino ad un massimo, che corrisponde alla Capacità Vitale.

24. Diamo i numeri… calcolare il numero di molecole di O2 introdotte nei polmoni in un respiro del volume di 500 cm3. Si assuma che l’O2 nell’aria sia ridotto dal 20% al 16% quando misurato in bocca. n(aria)= p V / RT = 1 atm 0.5 l /0.082 atm l/°K 293 °K = 0.02 N = NA n(aria) 0.16 = 6 1023 0.02 0.16 = 2 1021

25. Dei 500 ml di aria inspirata, circa 350 giungono agli ALVEOLI, che si possono raffigurare come un insieme di ‘bolle’ che un sottile epitelio separa dai capillari polmonari. La meccanica alveolare può essere descritta dalla legge di Laplace: Dp= 2 t/r durante l’inspirazione r aumenta ma durante l’espirazione, quando diminuisce il raggio, Dp aumenta e pertanto il sistema alveolare tende al collasso.

26. . Il collasso è evitato dalla corrispondente diminuzione di t : in espansione t vale 40 dyne/cm, in implosione vale 4-8 dyne/cm La diminuzione di t durante l’espirazione è dovuta al surfactant (dipalmitoil-lecitina), la cui azione dipende dalla concentrazione per unità di superficie. La malattia delle membrane ialine nei neonati prematuri è dovuta all’insufficiente formazione del surfactant.

27. RESPIRATORI ARTIFICIALI: CAMERE RESPIRATORIE: contenitore a tenuta stagna in cui viene posto il paziente (tranne il capo). La regolazione della pressione nella camera induce l’abbassamento e l’innalzamento ritmico simile ai movimenti respiratori, mengtre la pressione nei polmoni rimane quella atmosferica. RESPIRATORI A PRESSIONE POSITIVA: una pompa a pressione positiva insuffla i polmoni immettendo periodicamente aria (VPPI). L’espirazione avviene o permettendo la retrazione passiva del pomone e della parete toracica oppure incorporando nella pompa una fase a pressione negativa in modo che l’aria espirata venga risucchiata fuori. UN CASO LIMITE DI POMPA RESPIRATORIA VPPI E’ LA RESPIRAZIONE BOCCA A BOCCA.

28. Il ruolo giocato dalla pressione è importante anche in alcuni contesti particolari. Ad es, se ci si immerge in acqua a 10 m di profondità, la pressione agente sul corpo vale 2 atm, e i gas nei polmoni vengono compressi a metà del loro volume (ragione per cui prima dell’immersione si iperventila…). Diventa altresì impossibile respirare aria dalla superficie tramite un tubo, a causa della pressione esercitata sul torace e sull’addome: necessità di respiratori ad aria compressa. Nell’autorespiratore l’aria arriva alla bocca alla pressione ambiente, in modo da mantenere il normale gradiente di pressione tra polmoni e l’esterno della parete toracica. Man mano che si scende si riduce la percentuale di ossigeno (è sufficiente per mantenere la pressione par- ziale) e si sostituisce l’He all’ N perché meno tossico ad alte pressioni.

29. GLI SCAMBI RESPIRATORI

30. GLISCAMBI

34. Diamo i numeri….. Calcolare il numero di moli di glicerina che attraversano in un s una membrana di acqua spessa 7.5 10-9 m e di area 102 cm2 quando la differenza di concentrazione è 10-1 micromoli/l. Il coefficiente di diffusione vale 7.2 10-6 cm2 s-1. J = n /t S = D dc/dx n = D dc t S / dx = (7.2 10-6 cm2 s-1 10-7moli/103 cm31 s 102 cm2) / 7.5 10-7cm = 0.96 10-7 moli

43. SCAMBI RESPIRATORI IN SITUAZIONI ‘ANOMALE’ Consideriamo un subacqueo immerso a 10 m di profondità, dunque soggetto ad una pressione doppia. Si noti che in queste condizioni le pressioni parziali dei gas respiratori nei polmoni raddoppiano, dunque durante l’immersione l’ossigena- zione del sangue è facilitata, mentre l’aumento della pressione parziale di CO2 nei polmoni rispetto a quella nel sangue venoso determinerà un passaggio inverso (ipercapnia, che può essere ridotta al minimo iperventilando prima dell’immersione, cioè riducendo la Pco2 nei polmoni). Durante la risalita, specie se rapida, la pressione parziale dell’ossigeno nei polmino decresce bruscamente, e si può avere diffusione dal sangue ai polmoni, con conseguente anossia acuta e perdita di coscienza.

44. RUOLO DELL’AZOTO NELLA DECOMPRESSIONE L’azoto, pur non essendo un gas respiratorio, gioca un ruolo importante quando si passa da una elevata pressione alla pressione atmosferica (es: subacqueo in risalita, cassoni, camere iperbariche,..). Se la decompressione è troppo rapida, l’azoto disciolto si libera dalla soluzione e forma bolle che si localizzano nelle articolazioni, midollo spinale,ecc con gravi esiti neurologici. Occorre allora ‘ricomprimere’ e fare avvenire la decompressione più lentamente.