Мембраны для диализа и гемолиза

В искусственных системах обычным является перенос вещества при помощи диффузии: от большей концентрации к меньшей, из области с высокой энергией в область низкой. Такой процесс называется пассивным переносом. В живых организмах достаточно часто наблюдается противоположная картина, т.е. перенос, называемый активным. Даже на современной стадии развития естественных наук человечество не в силах подняться до уровня понимания этого процесса. Например, каким образом вода и питательные вещества поднимаются по стволу высокого дерева от корней до самой вершины.

Диализ - метод очистки коллоидных растворов и растворов высокомолекулярных веществ от низкомолекулярных примесей. Он основан на свойстве некоторых мембран пропускать вещества только с малой молекулярной массой. Диализ - основной принцип работы аппаратов «Искусственная почка», «Искусственная печень», «Искусственная поджелудочная железа».

Известно, что для почки, печени и других искусственных органов необходимы диализные пленки, выводящие мочевину, креатинин и другие вредные вещества. Возникает необходимость в разработке мембран с произвольным диаметром диализных пор, а также диафрагм, способных

избирательно пропускать тс или иные вещества нс по величине молекул, но в

47

зависимости от их природы и свойств; потребуются и такие пленки, которые были бы способны сначала профильтровать субстанцию, а затем ресорбировагь ее [8].

Основная часть (примерно 95 %) всей поверхности, с которой контактирует кровь при прохождении через искусственную почку, приходится на полупроницаемую мембрану. Идеальная искусственная мембрана должна обладать следующими свойствами: обеспечивать мгновенное прохождение ненужных для организма молекул продуктов обмена или ядовитых веществ через поры мембраны; отталкивать все остальные молекулы, которые необходимы организму и должны оставаться в кровяном русле; проявлять полную совместимость с теми биологическими и химическими средами, с которыми она соприкасается [9].

Сложность сборки и функционирования биологических мембран в реальных конструкциях аппаратов предопределяет моделирование процессов с использованием селективных мембран из полимерных материалов. Принципы функционирования подобных полимерных мембран существенно отличаются от работы биологических мембран.

Диализ протекает в гемодиализаторах - двухкамерных аппаратах с мембранами, представляющими собой селективно проницаемую перегородку между кровью и диализатом. За счет разности химических потенциалов через проницаемую перегородку осуществляется транспорт растворенных веществ, а в результате перепада давления на мембране - транспорт воды.

Специальные медицинские требования, предъявляемые к мембранам для диализа связаны с функциональными характеристиками временно заменяемых органов и длительным контактом с кровью.

Мембраны должны удовлетворять как общим медицинским, гак и специальными требованиям. Они должны быть нетоксичными, апирогенными, способными выдерживать стерилизацию. Необходимо, чтобы мембраны характеризовались нсповреждающим действием в отношении форменных элементов крови, в частности, к гемолизу эритроцитов и к тромборезистентности и имели достаточную для эксплуатации прочность.

Мембраны для гемолиза должны быть высокопроницаемыми в отношении воды и таких метаболитов, как мочевина, креатинин, мочевая кислота, ионов натрия и хлора, олигопептидов и непроницаемыми для белков плазмы крови (например, для сывороточного альбумина).

Схемы диализаторов с несимметричным и симметричным расположением опорных элементов приведены на рис. 1.10.

Конструктивное решение диализатора с несимметричным расположением выступов опорных пластин (а) и с симметричным расположением опорных элементов (б)

Рис. 1.10. Конструктивное решение диализатора с несимметричным расположением выступов опорных пластин (а) и с симметричным расположением опорных элементов (б): 1 - пластина из полипропилена; 2 - мембрана; 3 - кровь;

4 - диализат: 5 - давление: 6 - локализация механических напряжений; 7 -

опорные элементы

Наибольшее распространение получили гемодиализаторы пластинчатого и капиллярного типов.

Пластинчатый гемодиализатор разового пользования (рис. 1.11) представляет собой пакет из 10-30 тонких пластин с фигурным продольным рифлением или опорных сеток и плоских мембран, попарно расположенных между пластинами или сетками. Пакет заключен в герметичный корпус и снабжен коммуникациями для подвода и отбора крови и диализата. Кровь протекает тонким слоем между мембранами, а диализат - по каналам, образованным рифлениями пластин или тканью сетки. Диализ осуществляется через мембрану, эффективная поверхность которой составляет чаще всего около 1 м2.

Капиллярный гемодиализатор (рис. 1.12) представляет собой выполняющий роль мембраны пакет из полых волокон (несколько тысяч штук). Волокна зафиксированы параллельно и помещены в герметичный корпус с входом и выходом для крови и диализата. Кровь, протекающая по капиллярам, омывается диализатом, циркулирующим в корпусе. Диализ осуществляется через стенки капилляров.

Гемодиализатор разового использования пластинчатого типа в раскрытом виде

Рис. 1.11. Гемодиализатор разового использования пластинчатого типа в раскрытом виде: 1 - основание; 2 - крышка; 3 - боковая стенка; 4 - рифленая опорная пластина; 5 - мембрана; 6 - подача крови; 7 - подача диализата; 8 - отбор крови; 9 - отбор диализата; 10 - кровсразводящая система; 11 - система разводки

диализата

Капиллярный гемодиализатор из полимерных материалов

Рис. 1.12. Капиллярный гемодиализатор из полимерных материалов: 1 - вход крови; 2 - артериальный вход; 3 - накидная гайка артериального входа; 4 выход диализата; 5 - полые волокна; 6 - корпуса 7 - вход диализата; 8 - накидная гайка венозного выхода, 9 - венозный выход; 10 - выход крови; 11 - уплотнительное кольцо: 12 - герметизирующая заливка

Гидратцеллюлозные мембраны для гемодиализа представляют собой тонкие пластифицированные глицерином пленки со степенью набухания в воде до 50 %, имеющие толщину от 15 до 35 мкм в равновесно-набухшем состоянии. Употребляемые в практике гемодиализа мембраны «Cuprophan», изготавливают медно-аммиачным способом, а мембраны «Диацелл» - вискозным способом. Свойства этих мембран представлены в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Характеристика плоских мембран для традиционного гемодиализа

Показатель

«Cuprophan»

«Диаце

лл»

80РМ

100 РМ

150 РМ

200 РМ

250 РМ

Толщина, мкм сухой

8,0

10,5

11,5

13,5

17,5

14

набухшей

16

22

23

28

34

28

Ультрафильтрация воды при 37 °С, мл/(ч*м2*мм рт. ст)

4,9

4,0

3,0

2,8

1,9

4,5

Диализная

проницаемость, 10 ’ см/мин

по мочевине но витамину В,,

  • 70
  • 8,3
  • 65
  • 7,6
  • 50
  • 5,0
  • 50
  • 4,6
  • 40
  • 3,0
  • 54
  • 7,5

Разрушающее напряжение, кПа сухой:вдоль

2200

2900

3000

3500

4200

2700

поперек

550

750

750

1300

1800

1300

набухшей: вдоль

750

1000

1050

1050

1300

950

поперек

ПО

150

220

250

400

430

Относительное удлинение при разрыве, % сухой: вдоль

11

11

10

13

17

15

поперек

55

55

55

55

55

31

набухшей: вдоль

14

14

15

16

21

25

поперек

100

100

1 К)

100

100

50

На рис. 1.13 приведены диаграммы напряжений мокрых пленок «Cuprophan» и «Диацслл», полученные при испытании образцов, которые вырезаны в поперечном (I, 2) и продольном (3,4) направлениях.

Диа1раммы напряжений диализных пленок (о-в диализате, 37 °С

Рис. 1.13. Диа1раммы напряжений диализных пленок (о-в диализате, 37 °С;

• - в воде, 37 °С)

В поперечном направлении деформация пленок до значения 9 = 45 % происходит по закону Гука, а * 4 МПа, а Е = 8 МПа.

В продольном направлении пленки деформируются вплоть до разрушения но закону Гука. Разрушающие напряжения ст* для пленки «Cuprophan» составляют 8-18 МПа, а для пленки «Диацелл» - 8.7-9,7 МПа. Модули упругости соответственно равны 2,63 ГПа и 1,38 ГПа.

Временные зависимости модулей упругости мокрых пленок при уровне напряжений о = 2,5 МПа показаны на рис. 1.14. Удлинение пленок растет во времени и прекращается через 10-12 мин, а через 3 мин после включения аппаратов «искусственная почка» формируются диализатные капиллярные каналы.

Эти мембраны обладают достаточно высокой диализной проницаемостью для низкомолекулярных метаболитов и значительно худшей для веществ со средней молекулярной массой. Селективность мембран при диализе проявляется в «ситовом механизме» проницаемости в зависимости от молекулярной массы пенетранта.

Высокая гидравлическая проницаемость мембран необходима для эффективного выведения избыточной воды из организма, для поддержания электролитного баланса, выведения метаболитов средней молекулярной массы и уменьшения степени их задержки в режиме ультрафильтрации.

Зависимость степени задержки (г) от молекулярной массы (М) веществ приведена на рис. 1.15.

Степень задержки резко возрастает с увеличением молекулярной массы пенетранта. Свойства высокоселективных и высокопроницаемых мембран, работающих в режимах повышенной ультрафильтрации, гемодиафильтрации и гемофильтрации связаны со структурой гидратцеллюлозы, т.е. со структурой мембраны в ее рабочем состоянии.

Мембраны с умеренной ульграфильтрационной проницаемостью представляют собой последовательности плотно упакованных и стабилизированных водородными связями макромолекул целлюлозы. Эти макромолекулы выполняют роль узлов физической сетки. Участки мембраны, разрыхленные различными технологическими приемами, содержат связанную и свободную воду. Они могут увеличиваться до размеров макроскопических кластеров.

Подобная морфологическая картина была получена для гидратцеллюлозной мембраны с повышенной гидравлической проницаемостью. Под поверхностным слоем мембраны находятся регулярно расположенные полости. При набухании полости заполняются водой, что облегчает диффузию веществ по сравнению со «сплошной» мембраной.

Чем тоньше мембрана, тем лучше ее транспортные характеристики. Но при уменьшении толщины мембран возрастают напряжения и возникает проблема обеспечения ее прочности. Эту проблему решают путем создания асимметричных мембран, состоящих из тонкого сплошного поверхностного слоя, ответственного за проницаемость и селективность, и крупнопористого опорного слоя из того же материала, обеспечивающего необходимую прочность.

~ ~ v Рис. 1.15. Зависимость степени

Рис. 1.14. Зависимость модулей упругости

задержки от молекулярной массы

мокрых пленок от времени при постоянном г

, ч веществ: 1 - мембрана

напряжении в поперечном (а) и продольном г

~ ^ ^ «Cuprophan» 2 - мембрана

(б) направлениях: 1.4- «Сиргорпап»; 2, 3 -

„ «Диацелл»

«Диацелл»

Переход от плоских мембран к мембранам в виде полых волокон позволяет уменьшить объем аппаратов для экстракорпоральной обработки крови в 20-30 раз. Как следует из табл. 1.7 транспортные и физикомеханические характеристики этих компактных мембран обеспечивают высокую эффективность гемодиализаторов.

55

Характеристика мембран в виде полых волокон для гемодиализа

Таблица 1.7

Показатель

«Cuprophan»

ENKA

F11M

G11M

D21M

«Cellulate»

«Eval»

Внутренний диаметр сухой мембраны, мкм

200

200

200

215

210

230

Толщина стенки, мкм

11

8

9,5

16

12

30

Внешний диаметр набухшей мембраны, мкм

270

260

265

290

270

300

Отношение длины волокна к его поверхности, км/.м"

1,6

1,6

1,6

1,5

1,6

1,4

Разрушающее напряжение (сухой), МПа

15

8

10

20

15

25

Относительное удлинение при разрыве (сухой). %

15

15

15

20

20

30

Изменение длины при набухании, %

-0,5

-0,5

-0.5

-0,5

-0,3

-0,1

Ультрафильтрация при 37 °С, мл/(м2ч-мм рт. ст.)

4,0

5,5

5,0

3,0

4,3

4,5

Диализная проницаемость для витамина В|2 при 37 "С, 10’3 см/мин

4.6

6,6

5,8

3,4

4,2

6,0

Мембраны могут быть получены из водорастворимых полимеров, таких как поливиниловый спирт, полиакриламид, полиэтиленгликоль, поливинилпирролидон путем химической или радиационной сшивки. При этом можно регулировать степень набухания и проницаемость мембран. Сложность состоит в том, что при изготовлении возникают противоречия: образующаяся статистическая сетка не обеспечивает необходимой прочности при хорошей проницаемости и, напротив, при удовлетворительной прочности резко снижается проницаемость.

Другой способ получения мембран из водорастворимых полимеров - включение их в матрицу неполярного полимера, выполняющего роль структурного каркаса.

Перспективный способ получения мембран из синтетических полимеров основан на использовании блок-сополимеров на основе сомономеров различной полярности. Получены многочисленные сополимеры, у которых гидрофобный блок придает мембране механическую прочность, а гидрофильный блок обеспечивает высокую проницаемость и селективность. К их числу относятся блок-сополимеры полиэтиленоксида с полиэтилентерефталатом, полиуретанами, поликарбонатами, полисульфонами; статистические сополимеры акрилонитрила с метилсульфонатом натрия, этилена с виниловым спиртом и др. Дальнейшее развитие этой области связано с введением в качестве сомономеров соединений с аминогруппами, гидроксильными, карбоксильными или другими реакционноспособными группами для модификации поверхности мембран. Эта модификация придает им гемосовместимость и тромборезистентные свойства, достигаемые прививкой гепарина и лизирующих ферментов.

Мембраны на основе гидрогелей полиэлектролитных комплексов (ПЭК) еще ближе к биологическим. Рассмотрим в качестве примера ПЭК на основе пар слабых полиэлектролитов: полиэтиленпиперазин - полиакриловая кислота. Как следует из рис. 1.16,а, в кислой среде до pH 6,5 поликомплекс представляет собой последовательности гидрофобных участков солевых связей, прерываемые дефектными гидрофильными участками - «петлями» и «хвостами». Эта структура компактна и стабилизована сеткой водородных связей. При pH в интервале 6,5-8,0 (рис. 1.16,6) система водородных связей разрушается, карбоксильные группы ионизуются, «петли» и «хвосты» заряжаются отрицательно, вся структура ПЭК делается рыхлой в результате электростатического отталкивания. ПЭК могут ограниченно набухать в воде и солевых растворах, они реагируют на изменения внешней среды: так, изменение структуры ПЭК при pH > 6,5 приводит к резкому увеличению степени набухания.

Структура полиэлсктролитного комплекса

Рис. 1.16. Структура полиэлсктролитного комплекса: а - pH < 6,5; б - рН> 6.5

Гидрогели ПЭК представляют собой высокопроницаемые мембраны. Они отличаются от других мембран селективностью в отношении заряженных частиц. В отношении незаряженных частиц мембрана из ПЭК работает по ситовому механизму. Транспорт ионов натрия и хлора, а также заряженных аминокислот тормозится. Это связано с наличием разделенных зарядов в частице ПЭК. Важным свойством ПЭК является их гемосовместимость. У них резко замедлено время свертывания крови при контакте и снижена адгезия тромбоцитов, исключается травмирование форменных элементов крови, предотвращается образование тромба.

Оксигенация крови - процесс насыщения крови кислородом с одновременным выведением углекислого газа - осуществляется на аппаратах «искусственное сердце-легкое».

При экстракорпоральной оксигенации с помощью мембранных оксигенаторов отсутствует прямой контакт газа и крови. Контакт с газовой смесыо происходит через посредство полупроницаемой ионоселективной мембраны. Это определяет их значительное преимущество по сравнению с аппаратами «искусственное легкое» воздушно-пузырькового, ротационного (с крупными пластинами), решетчатого и многих других типов, в которых происходит продолжительный контакт крови с воздухом.

С легкими связаны функции газообмена, процессы обмена веществ и механизм иммунитета. «Искусственное легкое» выполняет только одну из этих функций - газообмен.

Потребность человеческого организма в кислороде составляет 250 мл/мин. Ток крови, обеспечивающий такое насыщение может достигать скорости 3-5 л/мин. В искусственных легких ток крови не может быть прекращен даже на несколько минут в связи с необходимостью непрерывного усвоения кислорода и выделения углекислоты.

Мембраны для искусственных легких должны отвечать следующим требованиям: 1) обладать полной совместимостью с кровыо; 2) быть проницаемыми для кислорода и углекислоты; 3) химически устойчивыми; 4) нс включать растворимых примесей; 5) не оказывать отрицательного влияния на эритроциты; 6) не вызывать тромбоза и денатурации белка плазмы крови; 7) обладать такой динамической механической прочностью, которая позволила бы выдерживать без повреждений давление крови до 1 кг/см2; 8) быть стойкими к действию агрессивных сред и высокой температуры во время дезинфекции, например, при бактерицидной обработке окисью этилена или водяным паром.

Существуют различные конструкции мембранных оксигенаторов крови, в которых используемые полимерные мембраны могут быть плоскими, спиральными, в виде полого волокна и тонкой жидкой пленки.

Мембранный оксигенатор крови разового пользования (рис. 1.17) рулонного типа представляет собой камеру из полимерных материалов. В камеру на сетке-основе помещена в виде рулона плоская мембрана, переложенная на каждом обороте рамкой-сеткой. По внутренней стороне, ограниченной по толщине рамкой, циркулирует кровь. С внешней стороны, ограниченной сеткой-основой, подается кислород.

Мембранный оксигенатор крови разового использования в раскрытом виде

Рис. 1.17. Мембранный оксигенатор крови разового использования в раскрытом виде: 1 - распределитель крови; 2 - разводка для газа: 3 - сетка-прокладка; 4 - мембрана; 5 - сетка-основа; 6 - складной корпус; 7 - герметизирующая прокладка

В качестве материала для искусственных легких наиболее предпочтительны силиконы, которые по пропусканию кислорода и углекислого газа превосходят все синтетические полимеры, полученные к настоящему времени (табл. 1.8). В табл. 1.8 толщина пленок образцов пересчитана на 25 мкм.

Отрицательное свойство силиконов - низкая прочность на разрыв. Повысить прочность мембран можно за счет увеличения их толщины, что ведет к резкому снижению газопроницаемости и вызывает необходимость увеличения эффективной площади мембраны. Эго стимулировало синтез целого семейства блок-сополимеров (силоксан-карбонатных, силоксан- акрилатных и др.) с улучшенными механическими характеристиками.

Таблица 1.8

Проницаемость полимерных пленок по отношению к кислороду и углекислому газу (см32-атом. сут.)

Полимер

Диффузия

кислорода

Диффузия углекислого газа

Отношение

Поливинилхлорид

16

13

0,8

Полиэтилентерефталат

176

304

1,7

Ацетат целлюлозы

  • 1705
  • 35(H)
  • 8680
  • 15965
  • 5,1
  • 4,5

Полиэтилен

  • 32(H)
  • 8800
  • 5390
  • 27000
  • 2,4
  • 3,0

Полипропилен

29(H)

9905

3,4

Полистирол

4850

23790

4,9

Политетрафторэтилен

17600

48000

2,7

Этилцеллюлоза

25600

104000

4,0

Ненаполненный силиконовый каучук

1568000

8040000

5,0

Для жидких мембран используются различные биологически инертные фторуглеродистые соединения, хорошо растворяющие кислород и двуокись углерода.

Характеристики полимерных пленок, используемых в искусственных легких, приведены в табл. 1.9, 1.10. В табл. 1.9 в скобках приведена толщина мембранной части в мкм. В табл. 3.10 приняты обозначения * - АР{) - 30 мм рт. ст., ** _ др0 _ 7зо мм рт. ст., *** - при сопротивлении пограничной пленки крови.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >