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波兰教授评氢医学研究及特征(详解)

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来源:富氢水杯 2019-11-04

氢气医学,定会改变世界!

氢气的一般特征。氢是宇宙中含量最多分布最广泛的元素,在标准温度和压强条件下,氢气是一种无色、无味、无嗅的双原子分子气体。组成氢气分子的两个氢原子是共价键结合在一起,结构比较稳定。氢气分子包括两个质子和两个电子,总电荷为中性。氢气是一种可燃气体,当氢气浓度在空气中超过4.6%以上就可以发生爆炸。氢气分子质量小,空气密度是等压氢气的14.4倍,这是氢气球所以浮力很大的原因。

氢气的特征

两个氢原子通过共价键结合为氢气分子。氢原子形成共价键的过程可释放436 kJ / mol(104 kcal / mol)能量。这一反应释放能量决定了产物氢气比两个氢原子更稳定,键能是共价键稳定性量化标志,因为键能也是打开共价键需要提供的能量。地球上大多数氢原子都存在于水和各种有机物中,自由氢气分子极其稀少。氢气分子比较稳定,但某些催化剂存在或加热情况下,氢气会变得比较活跃。氢气的危险性有一个最著名例子是1937年德国兴登堡号,这个巨型氢气球在美国新泽西州失火坠毁。氢气使用的危险性可能是氢气作为医疗应用没有那么受重视的一个因素。

氢离子是质子,氢有三种常见同位素,最常见的是氕,原子核只有一个质子,也是所有元素中唯一只有质子的原子。氘原子核包括一个质子和一个中子组成,氘是稳定同位素;氚是一个质子和二个中子,氚是放射性同位素。

氢原子是电中性,有一个不成对电子,是典型的自由基。氢原子自由基非常不稳定,会很快和另外一个氢原子结合成氢气分子。在电解水的过程中,氢原子结合为氢气分子是主要反应(H• + H• → H2)。氢原子在日本曾经被错误地翻译为活性氢。

氢原子也可以获得一个电子,变成还原态氢负离子,含有一个质子和两个电子,这种状态一般存在于氢化物。此时的氢原子发挥氧化作用,类似氧和氯原子的作用,氢化钙或氢化镁等类似氯化钙等盐。氢化物遇到水不稳定,氢负离子和水中的氢正离子发生反应,或者氢负离子被水氧化,产生氢气。

H- + H2O → H2 + OH-

自然条件下,因为氢原子核对核外电子有比较大的吸引力,氢原子丢失电子变成自由质子或氢离子并不容易发生。水合氢离子,指的是氢原子在失去电子后,剩余由1个质子构成的核,即氢离子,氢离子是“裸露”的质子,半径很小,易被水分子吸引生成水合氢离子,通常用H3O+表示。质子在ATP酶中有重要作用,氧化磷酸化就是不断建立质子跨膜电化学梯度,给ATP合成提供能量。

In 1975年,美国德州农工大学马尔科姆·多尔(Malcolm Dole)等在《科学》发表论文,证明持续暴露于高压氢气对缓解小鼠皮肤鳞状细胞癌有效果,使用的高压氢气压强为8个大气压,氢气浓度为97.5%,氧气浓度为2.5%。1994年,潜水技术使用49%氢气,50%氦气和1%氧气给潜水员作为呼吸介质,(许多文章声称是为了避免减压病这是对潜水医学外行导致的错误,使用氢气的主要目的是减少费用,氢气有轻微麻醉作用能缓解高压神经综合症,避免减压病只能依靠缓解减压的安全减压技术,而不是靠吸入的气体成分。)2001年,法国潜水医学家Bouchra Gharib发现持续2周吸入8个大气压高压氢气具有抗炎症作用,对血吸虫肝纤维化具有治疗作用。氢气治疗能影响肝脏再生,缓解纤维化,提高血流动力学和抗氧化酶活性,降低脂质过氧化和血液中炎症因子水平。2002年, Li Yuping等发现,电解水通过提高抗氧化酶活性中和活性氧,发挥对四氧嘧啶诱导胰腺胰岛素分泌细胞损伤的保护作用。

2005年,柳原友幸Tomoyuki Yanagihara等描述了电解中性富氢水能降低大鼠氧化应激。这是第一次证明电解水的生物学效应基础是氢气分子,而不是水碱性。但是对氢气效应的兴趣开始于2007年,日本医科大学太田成男课题组在《自然医学》发表1-4%氢气吸入对脑缺血再灌注损伤的治疗作用,对局部脑缺血有显著治疗作用,减少缺血梗死体积,且这种作用超过临床上使用的一种药物衣达拉丰。作者还发现,溶解于培养基内氢气能有效降低羟基自由基,不和其他具有生理作用的活性氧发生反应。随后有研究证明溶解氢气的氢水有具有疾病治疗效果。

M. Ichihara在《医学气体杂志》的文章中写到“大多数药物都特异性作用在特定分子靶点上,氢气似乎和经典药物不同。由于氢气的强大作用,且没有明显毒副作用,氢气对许多疾病都具有临床应用潜力。”

氢气有许多独特物理化学性质,例如疏水性,电中性,体积小,分子质量小等。这些特征使氢气具有强大的跨细胞膜扩散能力,让氢气进出细胞、血脑屏障、胎盘和血睾丸屏障毫无阻拦,氢气还能进入细胞内和分子内结构。巨大渗透能力也是氢气发挥治疗作用的重要基础。

人体摄取氢气的方法很多,包括高压氢气吸入,常压氢气吸入,溶解氢气水饮用或注射,利用氢水为媒介洗澡或泡脚等,也可以服用可食用氢气释放材料,或服用不消化碳水化合物利用肠道细菌制造氢气。最常用的使用方法是吸入氢气或饮用氢水。

这些方法的药理学特征仍然需要研究,其中最重要的是剂量或血液氢气浓度和作用维持时间。吸入2-4%氢气是最常见的使用方法,因为这个浓度低于氢气的爆炸浓度。也有研究使用66%氢气33%氧气的方法,这种方法没有毒性,但是属于可燃烧浓度。根据亨利气体溶解定律,吸入氢气大约30分钟可以达到最大血药浓度,停止吸入后大约60分钟可以降低到基线。氢气分钟能通过呼吸装置结合面罩或鼻导管吸入。由于吸入摄取速度快,这有利于用于氧化应激相关疾病的急救,例如脑心缺血再灌注,心跳骤停复苏后脑损伤等。

氢气吸入治疗疾病容易被接受,但作为预防疾病的方法每天吸入氢气不够现实,相反喝氢水用于预防更有可行性。氢水的制备方法有许多,可以用氢气溶解在水的物理方法,也可以用电解水、金属镁或氢化镁和水反应等。这些方法不仅能使用水,也可以使用其他介质,尤其是物理溶解方法。值得强调的是,氢气很容易跨过塑料材料,因此不适合使用塑料材料容器长期保存氢水,使用铝材料包装可长期避免氢气的泄露。

饮用氢水后血浆内氢气浓度会发生一过性(5-15分钟)高峰浓度,这种浓度水平存在剂量依赖性,就是喝的氢水浓度越高,体积越大,血浆氢气浓度峰值越高。有人注意到,快速大量饮用高浓度氢水容易出现头晕,估计是因为氢水导致血液氢气水平快速升高,导致氧气运输被暂时抑制(血液内氢气是否会影响氧气运输效率真需要研究下)。那么呼吸氢气为什么不会产生这种效应?我的猜测是这样的,饮用氢水后,氢气首先进入消化道静脉,然后经过肝门静脉进入右心室,随后进入肺,血液内氢气会迅速释放到肺泡,导致肺泡内氢气分压迅速升高,氧气或氮气分压被突然出现的氢气迅速稀释,氧气分压下降出现低氧反应。简单验证这个推测可以在喝大量氢水后立刻测定血氧饱和度是否一过性下降,如果这个下降和饮氢水存在关联,就可以证明这个推测。而吸入氢气时,除非大量吸入纯氢气,一般不会明显影响肺泡内氧气分压,所以不容易出现低氧反应。

血液内氢气可经过血液循环进入肺,通过呼吸活动释放到外界,因此可以测定呼出气体中氢气浓度来表示血液内氢气水平。血液内氢气浓度升高导致呼出气体中氢气浓度升高时间大约45-90分钟。

通过腹腔或静脉注射氢气生理盐水溶液也是一种给氢气的方法,这种方法能获得更准确简单的氢气剂量,这在动物实验中有很高的优势。

Kimihiro Nagatani等进行了一项开放前瞻性非随机研究,给38名急性脑梗患者静脉注射氢盐水,所有患者都在脑梗死诊断后立刻注射氢盐水。结果显示静脉注射氢盐水对急性脑梗患者是安全的,包括接受tPA溶栓治疗患者。

氢水滴眼液对眼睛也是安全的,氢分子很容易穿过皮肤,通过血液循环向全身运输,所有氢水沐浴也是一个理想可行的给氢方法。只需要10分钟沐浴,氢气就可以全身扩散,利用呼出气氢气浓度分析可以研究各种给氢方法的氢气药代动力学特点。日本市场上有氢沐浴粉末销售。

测定氢气浓度的方法很多,但最准确和有价值的是通过气相色谱。氢水中氢气浓度可以用气相色谱分析,但必须采用顶空法结合。血液和组织中氢气浓度也可以采用气相色谱技术分析。基本测定方法如下,采集静脉或动脉血5毫升,用无死腔气密性良好的铝袋收集血液,然后注射特定体积空气(1毫升),经过充分空气血液混合,氢气从血液中释放到袋子内空气中,抽取含氢气空气进行气相色谱分析。

吸入氢气会立刻增加动脉血中氢气水平,存在浓度依赖性。静脉血氢气浓度低于动脉血,动脉和静脉血中氢气浓度的差异可提示氢气被组织消耗利用。2012年的一项临床研究中,HirohisOno等对动脉和静脉中氢气浓度的差异进行了研究探讨。氢气浓度也可以用氢电极进行分析,这种方法开始设计测定氢气,但也会对硫化氢相应。因此如果溶液中存在硫化氢,则会干扰电极分析氢气的准确性。组织中氢气分子浓度也可以使用针式电极进行分析。氢气产生的电流经过皮安培表记录。氢探头遇到氢气可产生的负电流,利用标准曲线计算出氢浓度。

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