CC BY
207
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 616-7, 66.081.62, 691.175
Р. Г. Ибрагимов, Э. М. Саматова, Г. Ш. Музафарова
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЛОВОЛОКОННЫХ ДИАЛИЗАТОРОВ
НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: гемодиализ, хроническая почечная недостаточность, половолоконный диализатор, конструкция, мембрана,
модификация.
В работе рассматриваютсятехнические аспекты процесса гемодиализа. Приведены модифицированные конструкции существующих диализаторов.Проведен анализ технических и технологических характеристик диализаторов. Также в статье проанализированы различные методы и способы улучшения процесса диализа.
Keywords: hemodialysis, chronic renal failure, the hollow fiber dialyzer, design, membrane, modification.
The paper discusses technical aspects of the process of hemodialysis. Shown modified designs of existing dialyz-ers.Analyzed the technical and technological characteristics of the dialyzer. The article also analyzed the various methods and ways to improve the process of dialysis.
Гемодиализ (ГД) — метод внепочечного очищения крови при острой и хронической почечной недостаточности. Во время гемодиализа происходит удаление из организма токсических продуктов обмена веществ для уменьшения биохимических аномалий, нормализация нарушений водного, электролитного балансов и кислотно-щелочного равновесий.
Очищение крови производится путем снижения концентрации в ней вредных веществ [1]. В процессе диализа растворенные в крови и диализате вещества диффундируют через диализную мембрану, причем движущей силой диффузии является разница концентраций вещества в крови и диализате. Любое вещество диффундирует через мембрану в сторону меньшей концентрации. Если концентрация какого-либо вещества в крови больше, чем в диализате, вещество диффундирует в диализат (например, мочевина, креатинин, фосфат). И, наоборот, если концентрация вещества в диализате больше, чем в крови, вещество попадает в кровь (например, ацетат, который находится в диализате для коррекции ацидоза) [2].
Регулярный гемодиализ наряду с трансплантацией почки в настоящее время являются основным методом лечения хронической почечной недостаточности. Процедура диализа проводится пациенту продолжительностью 4 - 5 часов 2 - 3 раза в неделю на аппарате «искусственная почка», позволяющим временно замещать функции почек. Главным элементом аппарата является диализатор — стерильный фильтр, удаляющий токсины и обогащающий кровь полезными веществами.
От свойств фильтра и активной мембраны зависит эффективность лечения. Диализаторы отличаются следующими показателями:
1. Материалы мембран — целлюлозные исинте-тические. Разница — в проницаемости, уровне тромбогенности, в индивидуальной реакции организма пациента на материал. Сегодня преобладают диализаторы с синтетической мембраной.
2. Объём наполнения контура кровью (менее 100 мл, более 100 мл) — этот параметр должен строго контролироваться при лечении детей и пациентов с нарушенной гемодинамикой. Вообще тенденция — уменьшение объёма заполнения при сохранении и даже увеличении активной площади мембраны, то есть диализаторы меньшего объёма предпочтительнее.
3. Проницаемость мембраны — характе-ризуется коэффициентом ультрафильтрации. По этому критерию мембраны подразделяются на низкопоточные (до 20 мл/мм рт.ст/час), среднего потока (20-40 мл/мм рт.ст/час) и высокого (свыше 40 мл/мм рт.ст/час).
4. Площадь фильтрующей поверхности (до 0,5 м2; более 0,5 м2) — именно она определяет скорость и качество очистки крови, однако за счёт применения новых материалов удаётся добиться лучшей фильтрации при небольшой активной площади мембраны.
5. Способ стерилизации — влияет на безопасность системы. Есть три варианта — газом, радиацией (гамма-облучением) либо паром (в авто-клаве). Большинство современных диализаторов обрабатываются горячим паром или гамма-облучением [3].
6. В зависимости от конструктивного исполнения диализаторы подразделяют на: катушечные, пластинчатые (с плоско-параллельным потоком вдоль «рёбер» конструкции) и капиллярные (из полых волокон, действуют по принципу встречных потоков крови и диализата) [4].
Не менее важным параметром гемодиа-лизных мембран, ввиду специфики их использования, является биосовместимость. Биосовмести-мость - отсутствие патологической реакции при контакте крови с биоматериалами экстракорпорального контура кровообращения и компонентами диализирующего раствора [5]. Самыми эффективными и безопасными с этой точки зрения являются диализаторы, мембрана которых выполнена из синтетических, биологически инертных материалов: по-лисульфона, полиметил-
метакрилата, полиамида, полиакрилонитрила и т.д. [6].
История отечественного гемодиализа начинается с пластинчатых диализаторов. Так, первый в Советском Союзе аппарат «искусственная почка» был создан в НИИ экспериментальной хирургической аппаратуры и инструментов (НИИ ЭХАИ) в 1957 г. М.Г. Ананьевым, Е.А. Вайнрибом, Ю.М. Козловым и Е.Б. Горбовицким. В основу модели был положен пластинчатый диализатор, изготовленный из органического стекла [7].
В настоящее время в качестве диализирующей части диализаторов широко применяютсяпо-лые волокнаиз различных полимерных материалов. Впервые на клинической практике половолоконные диализаторы опробованы в 1960-х гг. [9,10]. Основное преимущество от использования полых волокон заключается в том, что в аппарате малого объема можно развить большую мембранную поверхность. Кроме того, достоинствами таких диализаторов являются высокая удельная производительность, высокая плотность упаковки.
Половолоконный диализатор представляет собой пластмассовый, стеклянный или металлический корпус, закрытый крышками с уплотнителями, в который помещен пучок параллельно уложенных полых волокон, концевые части которых закреплены в пластмассовом блоке-коллекторе. Для закрепления концов волокон используют заливочные полимерные составы. Операция закрепления волокон является весьма ответственной, так как именно на этой стадии изготовления разделительных элементов обеспечивается герметичность торцевых частей аппарата. В один из штуцеров корпуса аппарата подают диализат, разделяемую систему обычно подают в каналы волокон через штуцер крышки аппарата (рис. 1) [8].
днффуш
Рис. 1 -Принципиальная схема процесса диализа
Актуальной задачей на сегодняшний день является не столько разработка новых аппаратов «искусственная почка» и комплектующих узлов - диализаторов, сколько модификация и усовершенствованием конструкций [11,12]. Так в патенте [13] предложен способ упрощения конструкции диализатора (рис. 2). Поставленная цель, согласно техническому решению, достигается тем, что в капиллярном диализаторе прилегающие к стаканам цилиндрические участки выполнены эластичными в виде усеченных конусов, обращенных друг к другу большими основаниями, а уплотнительные кольца расположены в кольцевых канавках снаружи концевых участков корпуса.
Диализатор работает следующим образом. Кровь от пациента поступает через штуцер 7 в каналы пуч-
ка полых волокон, омываемых снаружи диализатом, подаваемым в штуцер 2 и отводимым через штуцер 3. Избыток крови и метаболиты в процессе диализа проникают через стенки полых волокон и уносятся диализатом, а очищенная кровь поступает пациенту. После однократного использования диализатор разбирается, корпус подвергается очистке, в него монтируется новая диализирующая часть (пучок полых волокон), после чего диализатор можно повторно использовать.
Рис. 2 - Конструктивная схема половолоконного диализатора: 1 - корпус; 2,3 - штуцера для подвода и отвода диализата с эластичными концевыми участками - 4; 5 - пучок полых волокон; 6 - цилиндрические стаканы для закрепления полых волокон; 7 - штуцер для крови; 8 - кольцевая канавка; 9 - уплотнительное кольцо
Авторами [14] предложена конструкция капиллярного диализатора. Техническим результатом настоящей полезной модели является создание капиллярного диализатора, обеспечивающего возможность эффективного воздействия на протекающую в нем очищаемую нативную кровь электрическими и магнитными полями, а также возможность быстрого отбора проб диализной жидкости для ее дальнейшего анализа. Данный результат достигается созданием капиллярного диализатора (рис. 3), содержащего корпус, входные и выходные штуцера для подачи и отвода крови и диализной жидкости и параллельно расположенные диализные трубки, при этом, корпус диализатора выполнен с кольцевым сечением, образующим его внешний контур, который соединен с входными и выходными штуцерами для подачи диализной жидкости, а диализные трубки размещены во внешнем контуре диализатора и соединены со штуцерами подачи и отвода крови, образуя внутренний контур диализатора, при этом внешний контур диализатора снабжен электродами.
Корпус диализатора имеет кольцевое сечение, представляющее собой внешний контур диализатора, предназначенный для размещения в нем диализных трубок. Торцы корпуса 1 имеют кольцевые перегородки 2, образующие замкнутые полости коллекторов 3, в которых герметично закреплены открытые концы диализных трубок 4. На торцах корпуса сформированы входные 5 и выходные 6 штуцеры, входящие во внутренние полости коллекторов 3, по которым в патрон подается кровь, и входные 7 и выходные 8 штуцеры внешнего контура капиллярного патрона, через которые в него подается диализный раствор. Металлические штуцеры 5-8 являются одновременно и электродами, обеспечи-
вающими возможность электрического воздействия на кровь. Диализатор снабжен отводной трубкой 9 для отбора проб, позволяющей осуществлять забор части диализной жидкости непосредственно из внешнего контура патрона.
Рис. 3 - Схема половолоконного диализатора: 1 -корпус; 2 - кольцевые перегородки; 3 - полости коллекторов; 4 - диализные трубки; 5,6 - входные и выходные штуцера для крови; 7,8 - входные и выходные штуцера для диализата; 9 - отводная трубка
К штуцерам 5 и 6 подсоединяются трубопроводы, по которым в диализатор подается и выводится кровь, а к штуцерам 7 и 8 - диализная жидкость, соответственно. Кровь, попадая во входной коллектор 3, растекается по всем диализным трубкам 4, проходит по ним, собираясь в выходном коллекторе и выходит из патрона по штуцеру 8. На своем пути через поры в стенках диализных трубок она контактирует с диализатом внешнего контура. При этом определенные вещества, образующиеся в процессе, физических, например, магнитных (полюса постоянного магнита, в зазор между которыми помещают диализатор) и электрических воздействий на кровь, через поры в стенках диализных трубок выходят из крови во внешний контур, откуда, посредством отводных трубок могут быть быстро изъяты для анализа.
Выполнение диализатора описанным образом позволяет существенно уменьшить ширину его внешнего контура, в котором располагаются диализные трубки с протекающей по ним нативной кровью, без снижения величины объемного кровотока диализатора, и увеличить, таким образом, напряженность магнитного поля, воздействующего на кровь.
Также на практике известно совмещение разных процессов фильтрации в одном устройстве [15,16]. Авторами предлагается способ изготовления фильтрующего устройства [15]. Корпус диализатора выполнен из двух частей, которые связаны друг с другом сварным швом, в частности с помощью лазерного или ультразвуковой сварки. Аналогичный по применению гемодиафильтровальный/гемофиль-тровальный картридж запатентован компанией «Нефрос» (рис. 4).
Картридж обеспечивает многоступенчатую ге-мофильтрацию и гемодиафильтрацию, и образо-ван
первой ступенью (1) гемодиафильтрации, кото-рая имеет первые фильтрующие элементы (3), и второй ступенью (2) гемофильтрации, которая имеетвтрые фильтрующие элементы (4), при этом обе ступени расположены в одном картридже. Предложенный картридж может использоваться в системе с промежуточным, предварительным или последовательным разбавлением. Технический эффект □ повышение степени фильтрации и эффективности удаления токсинов [16].
Следовательно, гемодиафильтровальный/ гемо-фильтровальный картридж осуществляет диафильт-рацию и гемофильтрацию в отдельном корпусе путем размещения в первом отделении первых фильтрующих элементов (первого пучка полых волокон), а во втором отделении - вторых фильтрующих элементов (второго пучка полых волокон).
го/гемофильтровального картриджа: 1-1 ступень гемодиафидьтрации; 2-11 ступень гемо-фильтрации; 3,4 - волокна; 5,6,7 - впускной патрубок; 8,9 - выпускной патрубок; 10 -разделительная стенка; 11 - полость для артериальной крови; 12 - полость для венозной крови; 13 - направление движения крови
Таким образом, предлагаемый картридж своим внешним видом схож с обычным диали-затором за исключением того, что патрубки для диализата расположены на противоположныхсторонах картриджа. Впускной и выпускной патрубки для крови предпочтительно расположены на первом торце картриджа или вблизи него. Впуск и выпуск для крови могут быть выполнены в виде двух отдельных крышек или в виде одной крышки, разделенной внутренней стенкой или уплотнением, которое разделяет указанные фильтрующие элементы, первые и вторые, на первую ступень гемодиа-фильтрации и вторую ступень гемофильтрации.
Аналогичный по конструкции диализатор предложен ООО МтшеШса1 [17]. Диализатор состоит из двух камер, в которых расположены пучки полых волокон. Камеры разделены стенкой, при том, что каждая имеет свой входной и выходной патрубки крови. Данная конструкция позволяет использовать диализатор с любым диализным аппаратом, без необходимости установки дополнительных агрегатов: линий вливания, фильтров, насосов и др.
Одним из важных параметров, определяю-щим эффективность очистки крови при использо-вании мембранных массообменных устройств, явля-ется конвекция низко- и среднемолекулярных веществ, входящих в состав крови, через диализную мембрану [18]. Авторами изобретения [19] предложен вариант картриджа для гемодиализа. Устройство содержит мембрану, отсек для крови, предназначенный для циркулированиякрови/плазмы, отсек для гемодиализного раствора. Отсек для крови /плазмы отделен от отсека для гемодиализного раствора. В картридж введены первый электрод, расположенный непосредственно в отсеке для крови/плазмы или в его входной части, и второй электрод, имеющий противоположный заряд и расположенный непосредственно в отсеке для гемодиализ-ного раствора или во входной части картриджа. Картридж обеспечивает перенос молекул или веществ из крови/плазмы в гемодиализный раствор с составом, подготовленным исходя из потребностей пациента. Добавление процедуры ионофореза позволяет сократить время диализа и обеспечивает улучшенное выведение мочевины, креатина и некоторых токсических соединений из крови.
Высокая стоимость диализаторов является следствием отсутствия возможности многоразового использования корпуса диализатора [20,21]. Учитывая данные недостатки авторы [22] создали капиллярный диализатор. С целью многократного использования корпуса диализатор снабжен двумя накидными гайками и уплотнительными кольцами, в каждом стакане выполнена кольцевая канавка, а с обеих сторон корпуса выполнены цилиндрические проточки, при этом расстояние между канавками больше расстояния между проточками на величину ширины канавки. Данная конструкция позволяет, после однократного использования, подвергать очистке корпус диализатора.
Еще одной проблемой может служить недостаточная герметизация диализатора. Для решения данной задачи предложены половолоконные диализаторы [23,24]. Диализатор с улучшенной конструкцией, запатентованный фирмой «Terumo» позволяет равномерно распределять кровь по всему объему диализатора, уменьшая, таким образом, свертываемость крови и забивание пучков волокон [23]. Диализатор же фирмы «Fresenius» [24] отличается от аналогов использованием менее дорогих материалов и дополнительно содержит в конструкции герметизирующее кольцо. Близкой по решаемой задаче является изобретения [25,26]. Впускной и выпускной каналы диализата включают множество канавок, имеющих полукруглую структуру и распространяющихся частично вдоль пучка волокон. Канавки определяют расширенную перфузию диализата внутрь пучка волокон, увеличив, тем самым, зазор диализа.
В процессе диализа необходима равномерная нагрузка волокон. Диализирующая жидкость создает давление на волокна, таким образом, разность сил отвечает за большую часть искажений и разрывов волокон. Половолоконный диализатор [27] преодолевает недостатки существующих аналогов путем
использования нового дизайна картриджа с распределительным кольцом диализирующей жидкости. Распределительное кольцо отделяет внутреннюю камеру диализатора отпортов диализа и создает однородный поток диализирующей жидкости на полые волокна. По результатам клинических испытаний диализатор с новым кольцом распределения показал значительно более низкую интенсивность отказов. Также авторами [28] поставлена цель - достижение равномерной нагрузки крови на волокна. Данная задача решается линейным уменьшением площади поперечного сечения изогнутого канала крови в направлении потока текучей среды. Кровь из канала будет течь радиально в каждой угловой области, что приведет к оптимальному использованию объема волокна.
Отличительной особенностью диализатора [29] являются рельефные каналы (8 штук) расположенные на головке. Для предотвращения уменьшения скорости потока крови рельефные каналы имеют убывающую площадь поперечного сечения. Кроме того, пространство между каналами опускается до поверхности среза. Это обеспечивает более высокое сопротивление потоку в этой области, таким образом, позволяя крови течь через изогнутые каналы в направлении периметра с закручивающим эффектом. Тем самым данная модификация конструкции головки диализатора способствует равномерному распределению крови по всему объему волокон.
При стерилизации и, непосредственно, во время эксплуатации неблагоприятное воздействие оказывают «мертвые зоны» в диализаторе. «Мертвые зоны» □ это сложные участки, области в конструкции, где может происходить скапливание пузырьков воздуха. Также при формовании корпуса диализатора может возникнуть уплотнение между пространствами двух потоков (пермеата и фильтрата), что приводит к возможности образования трещин после закалки. Поэтому задачей изобретения [30] является изготовление оптимальной конструкции диализатора в котором, с одной стороны, два пространства потока жидкости герметично отделены друг от друга посредством затвердевших формовочных смесей, а с другой стороны, простое расположение соединительных элементов для пространства второго потока (фильтрата) позволяет избежать мертвых зон при стерилизации.
Авторами [31] создан диализатор с двумя ступенями фильтрации, отделенные друг от друга стенкой и состоящие из концентрично расположенных поло-волоконных мембран, причем концы волокон встроены в заливочный компаунд. Первая ступень фильтра предназначена для фильтрации диализата, а вторая ступень фильтра для фильтрации крови. Преимуществоданного диализатора состоит в комплексном расположении ультрафильтра и фильтра крови. В результате эффект от нескольких фильтров можно достигнуть одним фильтром.
Таким образом, проанализировав конструкции различных половолоконных гемодиализаторов, можно сказать, что модификация данных диализаторов, в силу их широкого применения, является перспективной на сегодняшний день и позволит
увеличить качественные/количественные характеристики диализа. Также конструктивные изменения сделают процедуру гемодиализа безопасной и комфортной для пациентов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ по соглашению № 14.577.21.0189 от 28.10.2015.
Литература
1. Разъяснения ФАС РФ от 18.04.2011 для использования территориальными органами ФАС России при определении товарных границ рынка медицинского оборудования и рынка расходных материалов для гемодиализа.
2. Е.А. Стецюк. Основы гемодиализа.- М.: ГЭОТАР-МЕД, 2001.- 320 с.
3. Классификация диализаторов и их назначение в медицине [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://medbuy.ru/articles/klassifikaciya-dializatorov-i-ih-naznachenie-v-medicine, свободный.
4. ГОСТ 27874-88 Диализаторы для внепочечного очищения крови.
5. И.Ш. Абдуллин, Р.Г. Ибрагимов, О.В. Зайцева, В.В. Парошин. Вестник Казанского технологического университета, 16, 9, 11-16 (2013).
6. Р. Г. Ибрагимов, Г. Ш. Музафарова, Э. М. Саматова, И.Ш. Абдуллин. Вестник Казанского технологического университета, 17, 20, 34-40 (2014).
7. С.В. Латушин. Альманах клинической медицины, 20, 5965 (2009).
8. Каграманов, Г.Г. Диффузионные мембранные процессы. Диализ: учебные пособия / Г.Г. Каграманов, Е.Н. Фар-носова.- М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2013. - 112 с.
9. Stewart R.D., Cerny J.C., Mahon H.I. The capillary "kidney": Preliminary report. Univ Michigan Med Center J (Med Bull-Ann Arbor), XXX:116-118 (1964).
10. Stewart R.D., Lipps B.J., Baretta E.D., Piering W.R., Roth D.A., Sargent J.A. Short-term hemodialysis with the capillary kidney. Trans. Am. Soc.Artif.Intern. Organs., 14, 121— 125 (1968).
11. Д.И. Юсупов.Х1У Международная научно-практическая конференция «Современные техника и технологии», 2008. С. 600-602.
12. ZbylutJ. Twardowski. Hemodialysis International, 12, 173-210 (2008).
13. Патент РФ 1754116 (1983).
14. Полезная модель РФ 94858 (2009).
15. Патент US762204№2 (2009).
16. Патент РФ 2292225 (2007).
17. Патент USA 20110120930 (2011).
18. Н.А. Базаев. ВестникМГОУ, 3, 12-18 (2010).
19. Патент РФ 2323015 (2008).
20. Патент USA3698560 (1972).
21. Патент Японии 53-30990 (1978).
22. Патент РФ 1003846 (1983).
23. Патент US5160615 (1992).
24. Патент US6830685 (2004).
25. Патен^02002098490 A1 (2002).
26.Патент US6623638B2 (2003).
27.Патент US6802821B2 (2004).
28. ПатентUS7713412B2 (2010).
29. ПатентUS20030075498A1 (2003).
30. Патент US6074559 (2000).
31. Патент US20130020250 A1 (2013).
© Р. Г. Ибрагимов - к.т.н., доцент кафедры ТОМЛП КНИТУ, [email protected]; Э. М. Саматова - магистр той же кафедры, [email protected], Г. Ш. Музафарова - магистр той же кафедры, [email protected].
© R. G. Ibragimov - Ph.D., Associate professor the department of TEMLI KNRTU, [email protected]; E. M. Samatova - master of the department TEMLI KNRTU, [email protected]; G. Sh. Muzafarova - master of the department TEMLI KNRTU, [email protected].
