CC BY
137
2
Биотехнические системы
УДК 615.478
Базаев Н. А., канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник Гринвальд В. М., д-р техн. наук, вед. науч. сотрудник Путря Б. М., аспирант
Селищев С. В., д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой ФГАУ ВПО «Национальный исследовательский университет "МИЭТ"»
Современные методы и средства регенерации диализируюшего раствора
Ключевые слова: диализ, диализирующий раствор, заместительная почечная терапия, регенерация. Keywords: dialysis, dialyzate, renal replacement therapy, regeneration.
В практической медицине заместительной почечной терапии наиболее широкое клиническое признание получил гемодиализ. Одной из альтернативных методик искусственного очищения крови является гемодиализ с регенерацией диа-лизирующегораствора (диализата). Регенерация диализата создает принципиально новые предпосылки для удовлетворения современных клинических требований искусственного очищения крови и позволяет повысить физиологичность процесса диализа и значительно (в 20—30раз) уменьшить объем используемого диализата. Приведен анализ современных методов и средств регенерации диа-лизирующегораствора, предложена схема портативного аппарата «искусственная почка».
Введение
Единственным способом поддержать жизнедеятельность людей, страдающих хронической почечной недостаточностью в терминальной стадии, является регулярное проведение процедуры искусственного очищения. Ее можно осуществлять экстра- и интра-корпоральными методами. Наиболее распространенным методом экстракорпорального искусственного очищения крови является гемодиализ — процесс диффузионного переноса метаболитов из крови пациента в диализат в массообменном устройстве (диализаторе), расположенном вне организма пациента [1]. Главным недостатком современной аппаратуры для гемодиализа является большой объем используемого диализата (около 120 л на одну процедуру) [2, 3]. Создание аппаратов для гемодиализа с регенерацией отработанного диализирующего раствора позволяет значительно (в 20-30 раз) сократить объем используемого диализата, что обеспечивает предпосылки для разработки портативного аппарата «искусственная почка».
Перитонеальный диализ (ПД) также обеспечивает удаление продуктов метаболизма из организма пациента, однако, в отличие от гемодиализа, роль полупроницаемой мембраны диализатора выполняет брюшина пациента. Наибольшее распространение получил постоянный амбулаторный перитонеаль-ный диализ (ПАПД): в брюшную полость пациента через специально установленный катетер заливают стерильный раствор для перитонеального диализа (РПД) в объеме от 2,0 до 2,5 л.
Если элиминационную эффективность гемодиализа можно повысить, увеличивая площадь диализатора, скорость кровотока или расход диализата, то возможности влиять на эффективность ПД ограничены (клиренс перитонеальной мембраны составляет около 20 мл/мин) и касаются в основном только суточного объема РПД, используемого пациентом. Для обеспечения адекватности ПД традиционному гемодиализу больному приходится использовать до 8 одноразовых контейнеров с РПД общим объемом 16-20 л в сутки. Введение одноразово в брюшную полость пациента до 2,0-2,5 л РПД создает физический дискомфорт.
Кроме того, наиболее частым заболеванием, связанным с применением ПД, является перитонит — воспаление брюшной полости в результате микробного загрязнения. Вероятность заболевания перитонитом пропорциональна частоте замены РПД в брюшной полости. Для снижения соответствующего риска применяются специальные коннекторы — устройства для смены порций РПД, проводится тщательное обучение больных, самостоятельно выполняющих эту процедуру.
Устранение существующих сегодня технических недостатков ПД позволяет обеспечить постоянная регенерация РПД [6-10, 12]: раствор объемом 1,0-1,5 л, находящийся в брюшной полости пациента, постоянно рециркулирует через систему регенерации, обеспечивающую элиминацию продуктов жизнедеятель-
Таблица 1 | Применение некоторых сорбентов в области искусственного очищения [7]
Система Тип сорбента Преимущество Недостаток Применение
Гемоперфузи- Углерод Удаление из крови креатини- Не удаляет избытки Лечение
онная систе- на, мочевой кислоты, низко- воды и мочевину уремии,
ма [7] и среднемолекулярных соединений отравления
Система Уреаза, углерод, цирконий Эффективное разложение Удаляет кальций Лечение
регенерации мочевины из диализата уремии
диализата
ИЕБУ [8]
ЫхеИе [9] Целлюлозные гранулы Удаление из диализата низ- Не удаляет избытки Лечение
с лигандами комолекулярных белков (та- воды и низкомолеку- амилоидной
ких, как Ъ2-микроглобулин, лярные уремические дистрофии
лептин и т. п.) токсины
Сорбционная Плазменный фильтр и неио- Удаление из крови фактора Данная система нуж- Лечение
система очи- ногенная смола АшЪегсЬгоше некроза опухоли, дается в аппарате уремии
щения плазмы CG300 с реинфузией очищенно- интерлейкина 8 и т. п. реинфузии плазмы
крови [7] го фильтрата
ности из РПД. При этом технические характеристики системы регенерации должны обеспечивать постоянство исходного состава и концентрации компонентов РПД в течение 12-24 ч, что позволит осуществлять замену РПД в брюшной полости 1-2 раза в сутки. Кроме того, постоянное очищение транспортируемого отработанного РПД должно значительно повысить эффективность интракорпорального диализа.
В данной работе представлен сравнительный анализ методов регенерации диализирующего раствора и РПД, результаты исследований их эффективности, а также общая схема построения портативного аппарата «искусственная почка» для низкопоточной детоксикации организма человека.
Регенерация диализата сорбционным методом
Для регенерации диализата сорбционным методом применяются колонки с различными сорбирующими веществами. Чаще всего в качестве сорбента используется активированный уголь, поскольку он обладает высокой сорбционной емкостью в отношении креати-нина, билирубина и мочевой кислоты [4]. Однако необходимо отметить, что активированный уголь практически не сорбирует мочевину, из-за чего значительно осложняется очищение диализата данным методом.
В работе [5] представлена схема очищения отработанного диализирующего раствора. Каждый сорбент в ней предназначен для элиминации определенных веществ (рис. 1). Проблема удаления мочевины из диализата решается за счет использования уреазы в составе сорбционных колонок [6-8].
В работе [8] (рис. 2) представлена сорбционная колонка, в которой отработанный диализирующий раствор перемещается через ряд фильтров, удаляющих из диализата вещества, накопленные в ходе процедуры очищения крови.
Отработанный диализирующий раствор предварительно очищается от оксидантов, после чего разложение мочевины осуществляется в слое с уреазой.
Поскольку одним из продуктов гидролиза мочевины является аммиак, он элиминируется из раствора за счет слоев фосфата и оксида циркония, они же удаляют фосфаты и фториды. Последний фильтр, состоящий из активированного угля, удаляет органические компоненты отработанного диализата (креатинин, билирубин, мочевую кислоту и т. д.).
В табл. 1 представлены некоторые сорбенты, которые могут быть использованы как для искусственного очищения биологических жидкостей организма, так и для регенерации диализирующего раствора. У сорбционных материалов есть такие общие недостатки, как неспособность элиминировать мочевину и удалять излишки жидкости.
На основе сорбционного метода регенерации диализата разработаны прототипы портативных аппаратов для искусственного очищения крови [10-13], которые осуществляют экстра- или интракорпораль-ное очищение крови.
Электрохимический метод разложения мочевины
Поскольку в случае сорбционного метода регенерации диализата возникает проблема удаления мочевины, в работах [15, 16] предлагают метод анодного окисления мочевины посредством разложения на отдельные компоненты, которые впоследствии могут быть удалены из диализата сорбентами. Процессы разложения органических метаболитов в растворе представлены следующим образом [16]:
Основной анодной реакцией является разложение мочевины:
(NH)CO + HO ^ N + CO + 6H+ + 6e-. (1)
2 2 2 2 2
Протекание анодных процессов окисления органических компонентов отработанного диализата сопряжено с разрядом хлор-ионов с образованием хлора
2Cl- ^ CL + 2e- ,
(2)
биотехносфера
| № 3(27)/2013
Биотехнические системы
Отработанный диализат
Кровь
Система регенерации диализата
Диализат Очищенная кровь
Рис. 1 Схема очищения диализата сорбционным методом [5]
а также с выделением кислорода
40Н- ^ О + 2Н О + 4е-
2 2
(3)
Основной катодной реакцией является выделение водорода:
2Н О + 2е- ^ Н Т +20Н- , (4)
и незначительное восстановление в диализате мочевины и других органических соединений, следствием чего является появление в растворе аммиака.
Выделение свободного хлора в раствор сопряжено с его гидролизом и образованием гипохлоритиона (0С1 ), который в ходе последовательных реакций в присутствии натрия образует гипохлорит натрия (Ма0С1):
Рис. 2 | Очищение диализирующегораствора в сорбционной системе БЕБУ
С12 + н20 ^ Н0С1 + НС1.
(5)
В диализате также протекает химическое взаимодействие мочевины и гипохлорит-иона по реакции
(]МН2)2С0 + 30С1- ^ N + С02 + 3С1- + 2Н20. (6)
Однако скорость этой реакции на порядок ниже скорости электрохимического окисления мочевины.
В работе [15] рассмотрена эффективность анодного окисления для электродов, изготовленных из титана с платиновым покрытием (Т1/Р"Ь) и титана с покрытием из диоксида титана — диоксида рутения (Т1/(Ки02-ТЮ2)60.40 в молярном отношении 60:40. Анализ полученных результатов дан в табл. 2.
Параметры эксперимента: начальная концентрация мочевины С0и = 5 г/л, концентрация хлорида натрия СКаС1 = 5 г/л, плотность анодного тока у = 8 А/дм2, длительность эксперимента t = 180 мин.
Средняя скорость разложения мочевины вычислялась по формуле
= / т
¿^ г
' тя,
(7)
где ^т^ — масса мочевины, разложенная за время электролиза т; тг — масса мочевины, разложенная за время Дт:
т = V (с„ , - с„),
гг г у иг-1 иг''
(8)
где я — площадь поверхности электрода; Vг — объем раствора с мочевиной; (сиг-1 - сиг) — изменение концентрации мочевины за время Дт.
Потребляемая мощность вычислялась по формуле
1 цт,1
(9)
где Ег — средний перепад напряжения; ть — электрохимический эквивалент; п — КПД по току.
Эксперименты проводились с целью определить влияние плотности анодного тока (у = 2-10 А/дм2) и начальной концентрации мочевины (С0и = 1-10 г/л) на эффективность разложения мочевины (а, п, Z).
Главное преимущество электрохимического метода перед сорбционным заключается в эффективном разложении мочевины, поскольку сорб-ционные материалы не способны удалить данный компонент из диализата. Однако у этого метода есть существенный недостаток: в ходе процесса гидролиза мочевины в диализате могут образовываться различные продукты реакции (например, гипохлорит натрия, нитраты, нитриты), которые необходимо удалять.
Комбинированный метод регенерации диализата
Схема регенерации диализата, сочетающая в себе два метода регенерации, которые дополняют друг друга, состоит из двух контуров, в одном циркулирует РПД, в другом перемещается диализирующий раствор. На рис. 3 представлен контур регенерации диализата, в котором осуществляется удаление метаболитов из диализирующего раствора сорбционным и электрохимическим методами. Такая комбинация позволяет не только эффективно утилизировать мочевину, но и поглощать токсичные продукты реакции сорбционными колонками. Кроме того, данный контур элиминирует из диализата креатинин, билирубин, мочевую кислоту и т. п.
Для очищения организма от накопленных метаболитов в брюшную полость пациента вводят перито-неальный раствор. Отработанный перитонеальный раствор поступает в диализатор, где очищается путем диффузии метаболитов в диализирующий раствор. Затем очищенный перитонеальный раствор вновь поступает в брюшную полость пациента.
Для регенерации отработанного диализирующего раствора предусмотрен контур регенерации диализата, в который входят модуль предочистки диализата, модуль доочистки диализата и электролизер. Сначала диализирующий раствор транспортируется в модуль предочистки, где из диализата удаляются ионы кальция и магния для предотвращения их осаждения в виде нерастворимого осадка на электродах электролизера. Затем диализат перемещается в
Таблица 2 1 Анализ воспроизводимости результатов [15]
Статистический параметр Т1/Р1 Т1/(Ки°2- Т1°2>в0:40
Средняя скорость разложения мочевины а, г/ч ■ дм2 КПД по току п Потребляемая мощность 2,, кВт ■ ч/кг Средняя скорость разложения мочевины 2 а, г/ч ■ дм КПД по току п Потребляемая мощность 2,, кВт ■ ч/кг
Среднеарифметическое выборки x 2,70 0,91 13,49 1,91 0,64 15,99
Дисперсия Я ^ 0,0003 0,0002 0,0015 0,0011 0,0008 0,0026
Среднеквадратическое отклонение 8х 0,016 0,012 0,038 0,033 0,027 0,051
биотехносфера
I № 3(27)/2013
Отработанный перитонеальный раствор
Отработанный диализат
Очищенный перитонеальный раствор
1 1 р
о
т
а
з
К I
иа
И 1 1 1
и и
я
а
ра
е
на ез
ел р а ри ^ ч т н о
И
Модуль предочистки
Электролизер
Модуль доочистки
Очищенный диализат
Рис. 3 | Схема регенерации диализирующего раствора
электролизер, в котором происходит разложение мочевины. Далее для удаления из электрохимически обработанного диализата токсичных соединений, образовавшихся в ходе гидролиза мочевины, диализат пропускается через модуль доочистки. Для сохранения электролитного баланса в очищенный диализат инъецируются ионы кальция и магния. При разработке электролизера были использованы титан-платиновые электроды, полученные металлургическим способом — методом взрывной контактной сварки с последующим прокатом.
Представленный комбинированный метод искусственного очищения позволяет эффективно удалять продукты жизнедеятельности пациента из отработанного РПД в процессе диализа.
Заключение
В статье рассмотрены методы, позволяющие проводить регенерацию отработанного диализата для его повторного использования в гемодиализной аппаратуре, а также представлена схема перитонеального диализа, которая в дальнейшем может быть использована для разработки портативного аппарата «искусственная почка».
| Литература
1. Земченков А. Ю., Герасимчук Р. П., Костылева Т. Г. и др.
Жизнь с хроническим заболеванием почек. СПб.: МООНП «Нефро-Лига», 2008. С. 56-57.
2. Moran J., Kraus M. Starting a home hemodialysis program // Semin Dial. 2007. Vol. 20. P. 35-39.
3. Blagg C. R. Home haemodialysis: 'home, home, sweet, sweet home!' // Nephrology (Carlton). 2005. Vol. 10. P. 206-214.
4. Гринвальд В. М., Киселев Б. Л., Максимов Е.П. и др.
Аппаратура искусственного очищения крови / Под ред. акад. РАМН В. А. Викторова. М.: ЗАО «ВНИИМП-ВИТА», 2002. 138 с.
5. Patzer J., Yao S. J, Wolfson S. K. Zeolitic ammonium ion exchange for portable hemodialysis dialysate regeneration // ASAIO Journal. 1995. Vol. 41. P. 221-226.
6. John W. M. Agar. Review: Understanding sorbent dialysis systems // Nephrology. 2010. Vol. 15. P. 406-411.
7. Winchester F.J., Ronco C., Salsberg J. et al. Sorbent Augmented Dialysis System // Hemodialysis Technology. 2002. Vol. 137. P. 170-180.
8. Roberts M. The regenerative dialysis (REDY) sorbent system // Nephrology. 1998. Vol. 4. P. 275-278.
9. Tsuchida K., Takemoto Y., Nakamura T. et al. Lixelle adsorbent to remove inflammatory cytokines // Artificial Organs. 1998. Vol. 22, N 12. P. 1064-1069.
10. Ronco C., Fecondini L. The Vicenza wearable artificial kidney for peritoneal dialysis (ViWAK PD) // Blood Purification. 2007. Vol. 25. P. 383-388.
11. Gura V., Rambod E. Wearable continuous renal replacement Therapy Device: US Patent N 7, 896, 829 B2. Mar. 1. 2011.
12. Davenport A., Gura V., Ronco C. et al. A wearable haemodi-alysis device for patients with end-stage renal failure: a pilot study // Lancet. 2007. Vol. 370. P. 2005-2010.
13. Ofsthun N. J., Stennett A. K. An integrated membrane/sorbent PD approach to a wearable artificial kidney // IFMBE Proceedings. 2009. Vol. 25, N 7. P. 729-732, 2009.
14. Ronco C., Davenport A., Gura V. Toward the wearable artificial kidney // Hemodialysis International. 2008. Vol. 12. P. S40-S47.
15. Simka W., Piotrowski J., Nawrat G. Influence of anode material on electrochemical decomposition of urea // Electrochimica Acta. 2006. Vol. 52. P. 5696-5703.
16. Grinval'd V. M., Leshchinskii G. M., Rodin V. V. et al. Development and testing of unit for electrochemical oxidation of products of Hemodialysis // Biomedical Engineering. 2003. Vol. 37, N 2. P. 67-72.
