Разработка и исследование метода регенерации отработанного диализирующего раствора для носимого аппарата искусственного очищения крови тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат наук Путря Борис Михайлович

• Путря Борис Михайлович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Путря Борис Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ РЕГЕНЕРАЦИИ ДИАЛИЗИРУЮЩЕГО РАСТВОРА

1.1. Основные методы заместительной почечной терапии

1.2. Сорбционный метод очищения диализата

1.3. Электрохимический метод регенерации диализата

1.3.1. Модуль регенерации диализата

на базе электрохимического метода

1.4. Носимые аппараты искусственного очищения крови

на базе сорбционного метода очищения диализирующего

раствора

Выводы к главе

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИСКУССТВЕННОГО ОЧИЩЕНИЯ КРОВИ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ

2.1. Объект исследования

2.2. Моделирование перитонеального диализа с регенерацией

2.2.1. Математическое описание процесса адсорбции

и электрохимического окисления метаболитов

2.3. Результаты моделирования

Выводы к главе

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИОННЫХ И ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ДИАЛИЗАТА

3.1 . Стенд испытания сорбционных

и электродных материалов

3.2 . Вольтамперометрия

3.3 . Исследование электрохимического окисления мочевины

в растворе РПД

Стр.

3.4 . Исследование сорбционных материалов

3.5 . Контроль концентрации метаболитов в растворе

3.6 . Контроль концентрации гипохлорита натрия в диализате

3.7 . Исследуемые образцы

Выводы к 3 главе

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Сорбционный метод

4.2. Ферментативный метод

4.3. Метод электрохимического окисления мочевины

4.3.1. Вольтамперометрия

4.3.2. Гальваностатический метод электрохимического окисления мочевины

4.4. Влияние электролиза на кислотно-основное

состояние раствора

4.5. Влияние электролиза на ионный состав раствора

4.6. Измерение концентрации гипохлорита натрия

в растворе для перитонеального диализа

4.7. Медико-биологические испытания

Выводы к 4 главе

Общие выводы и заключение

Список литературы

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

МРД - модуль регенерации диализата БТС - биотехническая система ГД - гемодиализ

ЗПТ - заместительная почечная терапия

НАИП - носимый аппарат «искусственная почка»

ПАПД - постоянный амбулаторный перитонеальный диализ

ПД - перитонеальный диализ

РПД - раствор для перитонеального диализа

ХПН - хроническая почечная недостаточность

ВВЕДЕНИЕ

Почечная недостаточность - патологическое состояние, характеризующееся ухудшением метаболической и секреторной функций почек, в результате которого нарушается химический гомеостаз организма [1]. При отказе почек наступает почечная недостаточность в терминальной стадии, в результате чего в крови наблюдается резкий рост токсинов. Почечная недостаточность также сопровождается нарушением функции ультрафильтрации, удаления излишка жидкости из организма. На сегодняшний день пересадка донорского органа является единственным способом лечения хронической почечной недостаточности.

В 2010 году около двух миллионов человек в мире имели терминальную стадию хронической почечной недостаточности (ХПН), которая является исходом практически всех, за редким исключением, нефропатий независимо от их этиологии. Количество больных с начальной стадией ХПН превышает число больных с последней стадией более чем в 50 раз [2, 3]. По данным специалистов Минздрава РФ отделениями (центрами) ЗПТ в 2011 году в России было оснащено 581 медицинское учреждение, в которых помощь получали 28548 больных с терминальной стадией ХПН.

В 2013 году в Российской Федерации искусственным очищением крови были обеспечены не более 200 больных на 1 миллион населения, что примерно в 3-4 раза меньше реальной потребности [2]. Необходимо также отметить, что в 2013 году в России пертионеальный диализ (ПД) применялся у 2098 больных с ХПН (5,9% от общего количества пациентов на ЗПТ) в 99 отделения (15 % от всех отделений диализа), что является недостаточным в рамках сложившейся высокой потребности в данной процедуре [4]. Кроме того, в медицинской литературе большинство авторов рассматривают ПД как оптимальный первый вид диализа, имеющий ряд физиологических преимуществ в первые годы терапии [5].

Основной причиной сложившейся ситуации является наукоёмкость и узкоспециализированность аппаратуры для ЗПТ, разработка и постановка на производство которой требует больших финансовых затрат.

Важность решения проблемы жизнеобеспечения больных с ХПН с медицинской, социальной и организационной точек зрения обусловлена высокой летальностью и сложностью технического обеспечения современных методов лечения этой патологии [2].

До пересадки донорской почки пациенты проходят заместительную почечную терапию, в ходе которой из организма удаляется избыток жидкости, метаболиты и токсины (такие как р-крезол) [6]. На сегодняшний день наиболее распространёнными методами заместительной почечной терапии являются гемодиализ и его разновидности, а также перитонеальный диализ.

Гемодиализ - экстракорпоральный метод заместительной почечной терапии, при котором очищение крови пациента осуществляется во внешнем массообменном устройстве. Очищение крови происходит за счёт массопереноса метаболитов через полупроницаемую мембрану из крови пациента в диализирующий раствор. Основным преимуществом данного метода является высокая эффективность очищения крови и высокая скорость массопереноса метаболитов и ультрафильтрации. Основным недостатком гемодиализа является большой объём используемого диализирующего раствора, что сказывается на габаритах аппарата. В настоящий момент процедуру гемодиализа можно проводить как в диализных центрах, так и дома (домашний диализ).

Альтернативой гемодиализа является перитонеальный диализ. Перитонеальный диализ - метод интракорпоральной заместительной почечной терапии, при котором очищение крови пациента осуществляется в брюшной полости пациента, выполняющей роль массообменного устройства. В отличие от гемодиализа перитонеальный диализ не воздействует на кровеносную систему пациента. Однако перитонеальный диализ уступает по

эффективности очищения крови и ультрафильтрации гемодиализу. Также эффективность перитонеального диализа может со временем уменьшаться в результате изменения свойств брюшины. Одним из самых главных недостатков перитонеального диализа является необходимость частой замены раствора для перитонеального диализа (от 4 до 6 раз в сутки), что увеличивает вероятность заражения брюшины пациента

Для повышения физиологичности процедур заместительной почечной терапии необходима разработка устройств, позволяющих проведение непрерывного диализа. Одним из наиболее актуальных направлений является разработка носимой искусственной почки [7], обладающей малым весом и габаритами. Ключевой задачей при реализации подобной аппаратуры является разработка модуля регенерации диализирующего раствора, который позволит снизить объём жидкости, используемой для искусственного очищения крови, со 150 л до 2 л и менее. Это позволит уменьшить габариты гемодиализных аппаратов и сократить частоту замены диализата в ходе гемодиализа и перитонеального диализа [8]. В случае перитонеального диализа регенерация диализата позволит сократить замену раствора до одного раза в сутки, что в свою очередь уменьшит вероятность возникновения перитонита у пациента. Таким образом, создание системы регенерации диализирующего раствора для аппаратуры внепочечного очищения крови является перспективным направлением, которое создаёт предпосылки для создания носимых аппаратов «искусственная почка».

В настоящее время решением проблем, связанных с повышением степени очистки диализирующего раствора, миниатюризацией и повышением надежности аппаратуры искусственного очищения крови занимается большое количество исследователей. Значительный вклад в исследования и практическое использование полученных результатов был внесен такими учеными как Н.А. Базаев, Ю.Б. Васильев, В.Г. Веденков, В.А. Викторов, В.М. Гринвальд, В.А. Громыко, С.И. Нефедкин, А.И Хайтлин,

Б.Ш. Шадиев, В.Л. Эвентов, A.A. Яковлева, David B.N. Lee, L. Fecondini, V. Gura, A. Johnson , Cl. Ronco, M. Roberts, M. Wester [9, 10, 11, 12].

В настоящей работе предложен модуль регенерации диализата для перитонеального диализа.

Носимый аппарат искусственного очимщения крови должен обеспечивать следующие функциональные характеристики:

1) непрерывные интракорпоральный диализ и ультрафильтрацию с одновременной экстракорпоральной регенерацией диализирующей среды и удалением ультрафильтрата;

2) визуальный контроль объема удаленного ультрафильтрата;

3) размещаться на туловище пациента в виде сумки с наплечным ремнем, сумки-пояса или жилета, с закрепленными на нем составными частями.

Для обеспечения необходимых функциональных характеристик носимый аппарат искусственного очищения крови с модулем регенерации диализата должен удовлетворять следующим характеристикам:

1) диапазон регулирования расхода диализируемой среды должен быть от 20 до 200 мл/мин с пределами допускаемого относительного отклонения не более ±10 % от верхнего предела диапазона регулирования;

2) диапазон регулирования расхода диализирующей среды (диализата) должен быть от 20 до 200 мл/мин с пределами допускаемого относительного отклонения не более ±10 % от верхнего предела диапазона регулирования;

3) эффективность элиминации из диализирующего раствора органических метаболитов должна оцениваться средним массовым расходом следующих веществ, не менее:

- мочевины 0,8 г/ч;

- креатинина 0,1 г/ч;

- мочевой кислоты 0,05 г/ч;

при этом пределы допускаемого отклонения концентрации натрия в диализируемой среде от начального значения этой концентрации должны быть ± 10 %;

4) модуль регенерации диализата должен обеспечивать возможность удаления калия из диализируемой среды с массовым расходом до 0,1 г/ч;

5) объем заполнения контуров НАИП диализирующей средой должен быть не более 2 л.

6) время установления рабочего режима аппарата после включения не должно превышать 10 мин.

7) время непрерывной работы аппарата без замены в аппарате расходных материалов однократного применения должно быть не менее 12 ч,

8) масса аппарата должна быть не более 5 кг.

Модуль регенерации не должен изменять кислотно-основное состояние раствора. Также необходимо предусмотреть элиминацию побочных продуктов регенерации диализата.

В настоящее время существуют следующие методы регенерации диализата:

1. Сорбционный метод, который заключается в очищении раствора путём адсорбции метаболитов на поверхности сорбционных материалов.

2. Ферментативный метод, который заключается в элиминации метаболитов путём их взаимодействия с различными ферментами.

3. Термический метод, который заключается в термическом разложении метаболитов в замкнутом объёме при температурах 120-160 °С.

4. Электрохимический метод основывается на анодном электрохимическом окислении метаболитов с последующей элиминацией продуктов электролиза.

Все вышеперечисленные методы имеют свои преимущества и недостатки. Комбинирование этих методов позволит создать систему регенерации диализата, которая будет удалять из диализата продукты

жизнедеятельности организма пациента и избыток жидкости, не меняя при этом исходный состав и кислотно-основное состояние раствора.

Все вышесказанное определяет актуальность темы данной работы, а также цель, которая заключается в разработке и исследовании комбинированного метода регенерации отработанного диализирующего раствора. Для выполнения поставленной цели была разработана математическая модель аппарата искусственного очищения крови с модулем регенерации, были проведены исследования процессов регенерации диализирующего раствора, было исследовано влияние различных материалов на эффективность удаления таких метаболитов, как мочевина, креатинин и мочевая кислота, а также было исследовано влияние процесса регенерации на такие параметры раствора как кислотно-основное состояние (водородный показатель рН) и его ионный состав. В настоящей работе были исследованы сорбционный, ферментативный и электрохимический методы регенерации диализата.

В диссертации были решены следующие задачи:

1. Исследование физико-химических процессов элиминации азотосодержащих соединений в процессе регенерации отработанного диализирующего раствора.

2. Разработка математической модели процесса регенерации диализирующего раствора на базе электрохимического и сорбционных методов.

3. Разработка модуля регенерации диализата на основе комбинации сорбционного и электрохимического методов очищения отработанного раствора.

4. Медико-биологические исследования эффективности разработанного метода регенерации диализата.

Научная новизна работы

1. Исследованы параметрические особенности процессов очистки отработанного диализирующего раствора, и определены базовые параметры модуля регенерации диализата, в частности определен эффективный объём сорбционных колонок (порядка 100 см3), суммарная анодная поверхность электродов (2400 см2) и плотность тока (5 мА/см2), что в совокупности обеспечивает эффективную элиминацию азотосодержащих соединений в отработанном диализирующем растворе.

2. Разработана математическая модель схемы модуля регенерации диализата на основе комбинирования сорбционного и электрохимического методов.

3. Показана возможность регенерации раствора от таких метаболитов, как мочевина, креатинин и мочевая кислота с использованием комбинации сорбционного и электрохимического методов со скоростями 0,8, 0,1 и 0,05 г/ч соответственно.

4. Показано, что разработанный модуль позволяет поддерживать концентрацию метаболитов на приемлемом физиологическом уровне, в частности, поддерживать концентрацию мочевины на уровне от 4 до 6 ммоль/л и концентрацию мочевой кислоты от 50 до 200 мкмоль/л, креатинина от 50 до 120 мкмоль/л.

5. Установлено, что при исходной концентрации мочевины в диализирующем растворе ниже 10 ммоль/л основным анодным процессом является образование хлорсодержащих соединений, а не окисление мочевины, что обосновывает применение процесса электролиза при очистке диализата только при больших исходных концентрациях мочевины от 10 ммоль/л и больше. При меньших концентрациях мочевины целесообразно использовать только сорбционный метод.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная математическая модель биотехнической системы перитонеального диализа с модулем регенерации позволяет прогнозировать изменение компонентного состава диализата в процессе заместительной почечной терапии с регенерацией.

2. Разработанная математическая модель позволяет описывать динамику концентрации метаболитов в крови пациента и растворе для перитонеального диализа во время заместительной почечной терапии, а также сорбционные и электрохимические процессы регенерации отработанного раствора.

3. На основе теоретической модели был разработан испытательный стенд модуля регенерации диализата, который позволяет исследовать процесс очищения диализирующего раствора с использованием предложенного комбинированного метода регенерации.

4. Комбинация сорбционного и электрохимического методов диализата позволяет очищать раствор от следующих метаболитов: мочевины, креатинина и мочевой кислоты со скоростями 0,8, 0,1 и 0,05 г/ч соответственно.

Практическая значимость и использование научных результатов:

1. Разработанный модуль регенерации диализата позволяет очищать раствор для перитонеального диализа от мочевины, креатинина и мочевой кислоты

2. Разработанный модуль регенерации диализата может применяться в портативных биотехнических системах интракорпорального очищения крови

3. Результаты диссертации были использованы при выполнении НИР и ПНИ в рамках федеральных целевых программ Министерства образования и науки РФ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на

2014-2020 годы» №14.578.21.0011, №14.579.21.0102, №14.579.21.0152 (уникальный идентификатор КЕМЕБ157917Х0152), 14.578.21.0221 (уникальный идентификатор КРМЕЕ157816Х0221)

Важным прикладным аспектом исследования свойств сорбционных и электродных материалов является создание системы регенерации диализирующего раствора, что является необходимым для разработки носимой аппаратуры внепочечного интракорпорального очищения крови, поскольку именно данная система позволяет значительно уменьшить объём используемого в ходе перитонеального диализа раствора. Это, в свою очередь, создаёт предпосылки к миниатюризации аппаратов искусственного очищения крови.

Личный вклад автора

Личный вклад автора состоит в разработке математической модели биотехнической системы искусственного очищения крови с регенерацией, создании испытательного стенда и проведении экспериментальных исследований модуля регенерации диализата, обработке полученных результатов. Автор принимал участие в выполнении всех работ, которые легли в основу диссертации.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена: комплексным характером проведенных исследований и сопоставлением результатов работы с данными опубликованных научных статей и содержанием патентного фонда Российской Федерации и ведущих зарубежных стран. Разработанные теоретические основы и модели хорошо согласуются с полученными экспериментальными результатами. Все

экспериментальные исследования проведены на сертифицированном оборудовании.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование метода регенерации отработанного диализирующего раствора для носимого аппарата искусственного очищения крови»

Апробация работы

Результаты диссертации опубликованы в трёх статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались автором на следующих конференциях:

• XIX-XXI всероссийских межвузовских НТК студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Москва, 2012, 2013, 2014, 2015);

• 8th Russian-Bavarian conference on biomedical engineering RBC-2012 (Saint-Petersburg, 2012);

• 1st 3nd Russian-German conference on Biomedical Engineering (Germany, Hanover, 2013, Russia, Saint-Petersburg, 2014, Germany, Aachen, 2015);

• XV НТК «Медико-технические технологии на страже здоровья», (Португалия, о. Мадейра, 20 - 27 сентября 2013 года);

• XI международной научной конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Россия, Суздаль, 2014 год);

• научных семинарах кафедры биомедицинских систем Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники».

Основные результаты исследования, проведенного автором, изложены в 21 научной работе, в том числе в 6 статьях журналов, рекомендованных ВАК РФ, и двух патентах. Общий объём - 2,71 пл.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Работа изложена на 132 страницах, включает 50 рисунков и 12 таблиц. Библиографический список насчитывает 109 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ РЕГЕНЕРАЦИИ ДИАЛИЗИРУЮЩЕГО РАСТВОРА

1.1. Основные методы заместительной почечной терапии

Почечная недостаточность — патологическое состояние, характеризующееся нарушением почечной регуляции химического гомеостаза организма с частичным или полным нарушением образования и (или) выделения мочи [13]. Почки утрачивают функцию выведения метаболитов из крови и регулирования объема жидкости в организме. Для людей, страдающих хронической почечной недостаточностью, способом поддержания жизнедеятельности является регулярное проведение процедуры искусственного очищения крови.

Заместительная почечная терапия позволяет регулировать состав крови пациента в случае почечной недостаточности. Процедуру очищения крови можно осуществлять как экстракорпоральным (вне организма), так и интракорпоральным (внутри организма) методами.

Наиболее распространённым методом экстракорпорального искусственного очищения крови является гемодиализ. Гемодиализ - процесс диффузионного переноса метаболитов из крови пациента в диализат в мембранном массообменном устройстве (диализаторе), расположенном вне организма пациента. Главным недостатком метода гемодиализа является большой объём используемого диализата (около 150 литров на одну процедуру) [1, 15], что сказывается на габаритах гемодиализных аппаратов.

Перитонеальный диализ (ПД) также обеспечивает удаление из организма пациента продуктов метаболизма, однако, в отличие от процедуры гемодиализа роль полупроницаемой мембраны диализатора выполняет брюшина пациента. Наибольшее распространение получил постоянный амбулаторный перитонеальный диализ (ПАПД), при котором в брюшную

полость пациента через специально установленный катетер заливают стерильный раствор для перитонеального диализа (далее - РПД), объемом от 2 до 2,5 л.

В отличие от гемодиализа, эффективность которого можно повысить, увеличивая площадь диализатора, скорость кровотока или расход диализата, возможности влиять на эффективность ПД ограничены (клиренс перитонеальной мембраны составляет около 20 мл/мин) и касаются в основном только объема РПД, используемого пациентом в сутки. Поэтому для обеспечения адекватности ПД традиционному гемодиализу пациенту необходимо использовать в сутки до 8 одноразовых контейнеров с РПД общим объемом 16-20 л. Введение одноразово в брюшную полость пациента до 2-2,5 л РПД создает дискомфорт в его физическом состоянии. Кроме того, наиболее частым заболеванием, связанным с применением ПД, является перитонит - воспаление брюшной полости, причиной которого является микробное загрязнение. Вероятность заболевания перитонитом пропорциональна частоте замены РПД в брюшной полости. Снижение риска заболевания пытаются достигнуть применением специальных коннекторов, устройств для смены порций РПД, тщательным обучением больных, самостоятельно проводящих эту процедуру [16].

Помимо выше указанных недостатков вышеописанные методы искусственного очищения крови не позволяют полностью заменить утраченные функции почек и значительно снижают свободу действия пациента. Почки здорового человека выполняют следующие функции: почки непрерывно участвуют в регуляции концентрации метаболитов и объёма жидкости; естественный орган способен выводить из крови организма низкомолекулярные соединения, растворимые в воде токсины, среднемолекуряные токсичные соединения, также почки могут регулировать артериальное давление организма, в то время как аппараты искусственного очищения крови могут оказать негативное влияние на сердечнососудистую систему человека (исключение составляют аппараты для проведения

перитонеального диализа). В Таблице 1 приведены основные отличия между естественным органом и аппаратами заместительной почечной терапии.

Таблица 1.

Функциональные различия между естественной почкой и аппаратом искусственного очищения крови [13]

Функции Естественная почка Аппарат искусственного очищения крови

Регуляция концентрации метаболитов Непрерывная Регулируется только в ходе сеанса очищения крови

Регуляция объёма жидкости Носит регулярный характер Регулируется только в ходе сеанса очищения крови

Свобода действий пациента Не ограничена Существенно ограничена

Большинству пациентов с почечной недостаточностью необходимо проходить процедуру очищения крови три раза в неделю. Процедура обычно занимает 3-4 часа. Для одной процедуры гемодиализа необходимо затратить около 150 литров диализата. Небольшая часть пациентов имеет возможность осуществлять гемокоррекцию дома 5 - 7 раз в неделю (домашний гемодиализ и перитонеальный диализ) [1]. Для проведения гемодиализа в домашних условиях необходимы система очищения воды, система приготовления диализата в автоматическом режиме, аппарат искусственного очищения и компоненты для создания диализата. При перитонеальном диализе для адекватного очищения крови пациента необходимо затрачивать до 8 литров раствора для перитонеального диализа в сутки. Так же необходимо отметить, что частая замена перитонеального раствора увеличивает вероятность воспаления брюшины пациента, что является существенным недостатком данного метода.

Непрерывное очищение крови является более физиологичной процедурой и не оказывает сильного воздействия на сердечнососудистую

систему пациента. В связи с этим возникает необходимость создания носимого аппарата искусственного очищения крови, который мог бы работать непрерывно, а также имел бы малый вес и габариты. В настоящее время ведутся активные разработки портативной аппаратуры искусственного очищения крови. Большой объём используемого диализата значительно затрудняет минимизацию аппарата очищения крови и, соответственно, является препятствием для создания носимого аппарата искусственного очищения крови. Чтобы преодолеть данную проблему, необходимо проводить регенерацию диализата, которая позволит значительно снизить объём потребляемого раствора.

Для решения задачи регенерации диализата были разработаны методики, позволяющие эффективно очистить отработанный диализат для его повторного использования. В настоящее время существуют следующие методы регенерации диализата:

1. Сорбционный

2. Термический

3. Ферментативный

4. Электрохимический

Каждый из вышеперечисленных механизмов имеет ряд преимуществ и недостатков. Так, например, различные модификации активированного угля поглощают такие токсины, как креатинин, билирубин и т.д., но в тоже время обладают низкой сорбционной ёмкостью по мочевине. Для создания эффективной системы очищения отработанного диализата в настоящее время перспективным является разработка и проектирование таких модулей регенерации отработанного диализирующего раствора, которые сочетают в себе сорбционные и ионообменные материалы для эффективного очищения жидкости [18, 19, 20]. Из числа подобных фильтров можно выделить так называемые сорбционные патроны [21], однако подобные методы регенерации диализата имеют ряд существенных недостатков, как, например, накопление в объёме диализата ионов натрия в недопустимых пределах [16].

На основе сорбционных фильтров были разработаны прототипы носимых аппаратов искусственного очищения крови, некоторые из которых прошли первые предварительные испытания на животных [28 - 34] и на людях [35].

Очищение крови, как было описано выше, может осуществляться как экстракорпоральным (очищение крови происходит вне организма) методом, так и внутри самого организма. В последнем случае применяется перитонеальный диализ, где в качестве полупроницаемой мембраны выступает брюшина пациента. Процесс очищения крови при перитонеальном диализе является более физиологичным. Тем не менее, он требует значительно больше затрачиваемого на диализ времени, поскольку перитонеальная мембрана имеет большую толщину в сравнении с мембранами диализатора.

Однако, несмотря на этот недостаток, перитонеальный диализ широко применяется в современной медицинской практике, поскольку позволяет проводить процедуру без дополнительной нагрузки на сердечнососудистую систему [36], при этом дольше сохраняется остаточная функция почек.

Методы регенерации диализата могут также применяться также при разработки аппаратуры носимого перитонеального диализа [37, 38, 39].

1.2 Сорбционный метод очищения диализата

Сорбционные селективные и неселективные материалы могут быть использованы для очищения отработанного диализата от накопленных в нём уремических токсинов и ионов, таких как калий и натрий [23-27]. Суть сорбционного метода заключается в адсорбции метаболитов на поверхности сорбентов. В настоящее время широко применяются различные модификации активированного угля, что связано с их высокой сорбционной ёмкостью по таким метаболитам, как креатинин и мочевая кислота. Недостатком данного метода является неспособность угля сорбировать мочевину в достаточном количестве, что ограничивает применение данного

метода на практике. Чтобы решить данную проблему, были предложены следующие способы повышения сорбционной ёмкости активированного угля по мочевине.

В работе [28] описан метод адсорбции азотосодержащих соединений активированным углём при низких температурах диализирующего раствора. Было показано, что при охлаждении раствора до температур 5 - 8 °С) повышается эффективность элиминации мочевины. Регенерация активированного угля осуществляется промывкой сорбционной колонки горячей водопроводной водой при температуре 90°С в течение 10 минут. Модуль регенерации диализата состоит из двух сорбционных колонок с активированным углём, охлаждающих и нагревательных элементов и системы подачи диализата (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1. Схема аппарата гемодиализа с модулем регенерации диализата

на базе холодной сорбции [28]

На Рисунке 1.1 представлена схема экспериментального аппарата гемодиализа с модулем регенерации диализата с двумя сорбционными колонками. Отработанный диализирующий раствор поступает из диализатора в теплообменник. Из теплообменника раствор подаётся в охлаждающий элемент, где он предварительно охлаждается до температуры 5 - 8 °С. Далее раствор поступает в модуль регенерации диализата, который включает в себя две сорбционные колонки, заполненные активированным углём. Сорбционные колонки работают попеременно с интервалом 30 минут. После регенерации раствор снова поступает в теплообменник, откуда он подается в нагревательный элемент, где осуществляется нагрева диализата до температуры 36,6 °С. После очищения и нагрева раствор поступает в резервуар с диализатом. В ходе испытаний контролировались следующие параметры системы: концентрация креатинина и мочевины в растворе, температура раствора, зависимость эффективности элиминации кретинина и мочевины от промывки колонок и температуры раствора. Результаты испытаний экспериментального модуля регенерации диализата представлены на Рисунке 1.2.

Рисунок 1.2. Зависимость эффективности адсорбции мочевины (а) и креатинина (б) активированным углём от температуры диализирующего раствора и степени промывки фильтра [28]

Было установлено, что активированный уголь эффективно (99,9 ± 0,1 %) поглощал креатинин при любой температуре раствора вне зависимости от промывки колонок. При температуре раствора 36,8 ± 0,2 °С адсорбировалось 99,9 ± 0,1 °С креатина, 99,1 ± 0,1 °С при температуре 5,7 ± 0,9 °С без промывки колонок и 99,8 ± 0,2 % креатинина при температуре 5,1 ± 0,7 °С с промывкой колонок (Рисунок 1.2 б). Также было установлено, что эффективность адсорбции мочевины зависит от температуры раствора и промывки колонок. Так, при температуре 36,8 ± 0,2 °С колонка убрала 20 ± 1,7 % мочевины, при температуре 5,7 ± 0,9 °С без промывки колонок это значение составляло 36,0 ± 1,7%, и наконец при температуре 5,1 ± 0,7 °С с промывкой колонок - 82,5 ± 1,2 %. Из полученных результатов следует, что эффективность элиминации мочевины при использовании данного метода зависит от исходной температуры раствора и качества промывки сорбционных колонок. Данный модуль регенерации диализата может найти применение в системах стационарного и домашнего гемодиализа, поскольку позволит сократить расход диализирующего раствора.

Комбинация сорбционного метода с ферментативным также позволяет удалять мочевину из раствора [29] (Рисунок 1.3).

6

Рисунок 1.3. Схема носимой искусственной почки с колонкой регенерации диализирующего раствора [30], где: (1) и (2) -вход и выход контура циркуляции крови; (3) - мембрана диализатора; (4) -диализатор; (5) - колонка регенерации; (6) - резервуар

В работе [30] представлена портативная диализная система с сорбционным устройством регенерации диализата, в которой элиминация мочевины осуществляется ферментативным методом.

На Рисунке 1.3. представлена схема модуля регенерации диализирующего раствора. Вход и выход контура циркуляции крови обозначены цифрами (1) и (2) соответственно. Очищение крови осуществляется в диализаторе (4) путём массопереноса метаболитов из крови пациента в диализирующий раствор через полупроницаемую мембрану (3). Далее отработанный диализирующий раствор поступает в колонку регенерации диализата (5). Очищенный раствор затем поступает в резервуар (6), готовый к повторному использованию.

Регенерация диализата происходит в колоне (5), в которой отработанный диализат проходит через мембрану (ткань на основе углеродных волокон). Мембрана поглощает токсины, а также позволяет ускорять гидролиз мочевины за счёт её взаимодействия с нанесённой на поверхность мембраны уреазы (уреаза является катализатором гидролиза мочевины). На Рисунке 1.4 проиллюстрировано изменение концентрации мочевины в ходе её гидролиза. Образующийся в ходе гидролиза аммиак (МН3) поглощается сорбентом, как можно видеть из зависимости 217 (концентрация поглощенного аммиака)

Время, мин.

Рисунок 1.4. Изменение концентрации мочевины и аммиака в объёме диализата во время процедуры гемодиализа [30]

Эффективность сорбционного метода можно улучшать за счёт развития поверхности активированного угля. В работе [49] исследовались свойства карбонизированной кокосовой скорлупы, обработанной микроволновым излучением.

Измельчённая кокосовая скорлупа была обработана микроволновым излучением с выходной мощностью 180 Вт в течение 10 минут, после чего скорлупа карбонизировалась. Образцы (начальная температура ~20oC) помещались в фарфоровые ёмкости и в течение часа прогревались до температуры 500OC со скорость 240C в минуту. Полученный уголь затем охлаждался до комнатной температуры и измельчался до размера ~0,2 мм. Полученный сорбент хранился в плотно закрытых бутылках до дальнейшего использования. Структура поверхности и пористость угля были проанализированы методом сканирующей электронной микроскопии (FE-SEM, SUPRA 55) с 20 кВ источником электронов. Поверхность органических структур была исследована инфракрасной спектроскопией на основе преобразования Фурье (IRAffinity-1, Shimadzu). Пористая текстура характеризовалась поглощением азота при температуре 77 К (данные получены БЭТ анализом). Перед началом эксперимента уголь дегазировался при температуре 300OC в условиях вакуума в течение двух часов. Площадь поверхности была рассчитана по изотерме адсорбции азота с использованием уравнения Брунауэра-Эмметта-Теллера [50]. Были исследованы следующие характеристики образцов: общий объём пор, размер пор, удельная площадь поверхности.

Растворы объёмом 25 мл с различным начальными концентрациями мочевины (25%: 4950 мг/л, 50%: 9900 мг/л, 75%: 14850 мг/л и 100%: 19800 мг/л) были приготовлены в колбах Эрленмейера (250 мл).

1-3 г порошка карбонизированной кокосовой скорлупы добавлялись в 25 мл раствора, после чего раствор перемешивался со скоростью 125-200 оборотов в минуту в течение 360 минут. Скорость перемешивания и время перемешивания варьировались. Полученные образцы исследовались на

ультрафиолетовом спектрофотометре на длине волны 430 нм [51]. Количество адсорбированной мочевины в равновесии qe (мг/г) было рассчитано по следующей формуле:

Че

'Со -се

ж

(1.1)

Где С0 и Се (мг/л), соответственно, начальная и равновесная концентрации мочевины, V - объём раствора (л) и Ж - масса высушенного адсорбента (г).

В ходе экспериментов были получены следующие результаты: микроструктура необработанной и карбонизированной кокосовой скорлупы была проанализирована на сканирующем электронном микроскопе. Зернистая структура необработанной скорлупы была плохо развита, к тому же на поверхности материала не наблюдались поры. После микроволновой обработки и карбонизации поверхности кокосовой скорлупы приобрела пористую структуру. Это может быть связанно с движением влаги и летучего вещества, покидающих пустоты материала. Поскольку давление влаги, находящейся в пустотах скорлупы напрямую связанно с температурой, влага из пустот переходит на поверхность, образуя тем самым на поверхности материала поры. Образовавшиеся поры могут быть обработаны для получения активированного угля. Кроме того, расширение жидкости и внутри пустот приводило к образованию трещин на поверхности материала. Изотерма поглощения азота была проанализирована методом Брунауэра-Эмметта-Теллера (БЭТ). Значение удельной поверхности

карбонизированной кокосовой скорлупы составляло 700 м2/г, кроме того сорбент обладал хорошо развитой пористостью. Из-за потери некоторых макропор сорбента в ходе микроволновой обработки значение удельной поверхности конечного материала было меньше удельной поверхности активированного угля. Однако в результате микроволновой обработки

произошёл резкий скачок температуры, приведший к сжатию углеродной структуры, что повлекло к увеличению плотности пор в сорбенте (Таблица 2). Кроме того высокое значение йодного числа иллюстрирует высокую сорбционную способность карбонизированной кокосовой скорлупы.

Таблица 2.

Характеристики пористой структуры углеродных образцов [49]

Параметр Кокосовая скорлупа Карбонизированная кокосовая скорлупа Активированный уголь

Теоретическая плотность (г/см3) 0.451 0.397 0.352

Йодной число (мг/г) 825 911 1000

Объём пор (см3/г) 0.1883 0.2018 -

Удельная поверхность (м2/г) 625.4 700.3 1050

Диаметр пор (нм) 0.301 0.288 -

Содержание влаги (%) 5.18 4.27 8

Далее проводилось исследование влияния количества сорбента на эффективность поглощения мочевины. Эксперименты проходили при различных количествах сорбента с фиксированными значениями концентрации поглощаемого, скорости перемешивания (150 вращений в минуту) и температуры (30 °0). Результаты зависимости поглощения мочевиной от количества карбонизированной кокосовой скорлупы (порошок) приведены на Рисунке 1.5.

Рисунок 1.5. Влияние количества сорбента на кинетику поглощения мочевины карбонизированной кокосовой скорлупой (начальная концентрация мочевины- 100%, скорость перемешивания - 150 оборотов в

минуту, температура - 30 °C) [49]

Увеличение процента поглощённой мочевины в данном случае может быть связано с увеличением удельной поверхности сорбента, в то время как уменьшение адсорбционной ёмкости может быть связано со значительным увеличением концентрации активных зон на грамм.

Скорость перемешивания может влиять на распределение растворённого вещества в растворе, а также на формирование внешней граничной плёнки (Рисунок 1.6). Из Рисунка 1.6 видно, что увеличение скорости перемешивания с 150 до 175 оборотов в минуту увеличивает адсорбционную ёмкость с 75 до 80 мг/г. Это постепенное увеличение адсорбционной ёмкости связано с уменьшением сопротивления граничного слоя, что ведёт к более интенсивному взаимодействию молекул мочевины с поверхностью карбонизированной кокосовой скорлупы. Однако было также

выявлено, что время адсорбции напрямую влияет на адсорбционную ёмкость при заданной скорости перемешивания. При низких скоростях перемешивания мочевина поглощается только верхними слоями активной поверхности сорбента.

О ................................г ................. ■ ...............................

О 100 200 300 400

Время адсорбции (мин)

Рисунок 1.6. Влияние скорости перемешивания на кинетику поглощения мочевины карбонизированной кокосовой скорлупой (масса сорбента: 1,5 г, начальная концентрация мочевины - 25%, температура - 30 °С) [49]

Из работ [28, 30, 49] следует, что сорбционный метод может быть использован для создания систем регенерации диализирующего раствора благодаря высокой эффективности сорбции таких соединений, как креатинин и мочевая кислота. Описанные выше материалы обладают высокой сорбционной способностью к таким метаболитам как билирубин, мочевая кислота и креатинин. Кроме того, при создании определенных условий

сорбенты могут элиминировать мочевину, что является важным фактором при создании носимых аппаратов искусственного очищения крови.

1.3. Электрохимический метод регенерации диализата

Одним из альтернативных методов регенерации диализирующего раствора является метод электрохимического окисления метаболитов. Суть данного метода заключается в том, что отработанный диализат поступает в электрохимическую ячейку, в которой происходит разложение метаболитов путём электролиза с последующим удалением продуктов реакции через дегазатор и дополнительные сорбционные колонки. Поскольку одной из главных трудностей регенерации отработанного диализирующего раствора является проблема элиминации мочевины, с целью решения данной задачи в различных работах [43-48, 54-59] рассматривался метод прямого анодного электрохимического окисления мочевины в качестве способа регенерации диализирующего раствора.

Процессы анодного окисления органических метаболитов описаны в работах [59, 60] и могут быть представлены следующим образом:

Основным анодным процессом является реакция электрохимического окисления мочевины:

(Ш2)2 СО + Н20-> N + С02 + 6Н+ + 6в~ (1.2)

Анодное окисление органических соединений в отработанном диализирующем растворе сопровождается образованием хлора

2С1 ~-> С12 + 2в~, (1.3)

и выделением кислорода

40Н ~-> 02 + 2Н20 + 4в~ (1.4)

Генерация водорода является основой катодной реакцией; также на катоде имеет место быть незначительное восстановление мочевины и других органических соединений. Продуктом катодного восстановления мочевины является аммиак. Появление в растворе свободного хлора сопряжено с его гидролизоми образованием гипохлорит-иона (ОС1-), который в ходе ряда последовательных реакций образует гипохлорит натрия (NaOQ):

В диализате также происходит окисление мочевины в присутствии гипохлорит-иона по следующей реакции:

(ЫН2)2 СО + 30С1 ~-> N + С02 + 3 СГ + 2Н20 (1.5)

Однако скорость этой реакции на порядок ниже скорости электрохимического окисления мочевины.

На основании проведённых исследований было установлено, что в процессе окисления мочевины на аноде наблюдалась необратимая адсорбция молекул мочевины на поверхности электрода в кислотных и щелочных растворах. В кислотной среде молекулы мочевины поглощались на поверхности анода атомом азота, в то время как в щелочной среде - сначала атомами КН2 группы, а затем при увеличении потенциала атомами кислорода.

Основным требованием для электролиза мочевины является выбор эффективного и безопасного электрокатализатора. Исследования различных электродных материалов показали, что мочевина может быть электрохимически окислена в нейтральной среде при помощи катализаторов, изготовленных из таких благородных металлов, как Ru-TiO2 [61], ТкР^63], Ть(РЫг) [64] и т.д. Однако высокая стоимость таких материалов является значительным препятствием для их широкого практического применения.

Таким образом, появилась новая концепция, целью которой является поиск недорогих промежуточных металлосодержащих катализаторов. В работе Botte et al. [65] был использован никель в качестве высокоэффективного катализатора для электрохимического окисления мочевины в щелочной среде. Кроме того, несколько композитных катализаторов на основе никеля, включая гидрооксид никеля (Ni(OH)2) [66 - 70] и сплавов (бинарные Ni-Rh [71] и Ni-Co [72], а также тернарный Ni-Zn-Co [73]) было разработано для эффективного электрохимического окисления мочевины в щелочных средах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Путря Борис Михайлович, 2018 год

использованию [18]

В работе [19] представлен технологический маршрут подобной очистки, в которой отработанный диализат проходит следующие фильтры:

• Первый слой состоит из активированного угля с большой площадью поверхности. Для одного грамма активированного угля площадь поверхности составляет 500 м2 соответственно и обладает большим количеством микропор. Этот слой поглощает молекулы тяжёлых металлов, оксиданты, хлорамины, креатинин, мочевую кислоту, ряд средних молекул, включая микроглобулин р2, а также другие органические вещества.

• Второй слой содержит уреазу, фермент, ускоряющий гидролиз мочевины на диоксид углерода и аммиак. Химическую реакцию можно представить в следующем виде:

(NH2)2CO+H20^CO2+2NHз

(114)

• Диализат, содержащий продукты гидролиза мочевины (такие, как аммиак), проходит через следующий фильтр - фосфат циркония, на поверхности которого располагаются ионы №+, ^ . Далее происходит обмен ионов №+ и ^ с катионами Ca++, Mg++, металлами и, что важно, аммиаком. Таким образом, аммиак, который был получен в ходе гидролиза мочевины во втором слое, удаляется из диализата путём его обмена на ионы №+ и

• Четвёртый слой представляет собой комбинацию оксида циркония и карбоната циркония. В этом слое происходит поглощение PO4= ,фторидов и тяжёлых металлов путём их замены на №+, HCO3- и небольшое количество ацетата.

В конце цикла регенерации диализат очищается от веществ, накопленных в ходе гемодиализа. Конечный продукт регенерации представляет собой раствор, в состав которого входят очищенная от органических соединений вода, №+, HCO-.

На основе вышеописанного сорбционного метода регенерации диализата был разработан ряд носимых аппаратов для искусственного очищения крови [32, 35, 82, 84], которые осуществляют очищение крови, как за счёт гемодиализа, так и за счёт перитонеального диализа.

В работе [82] представлен прототип носимого аппарата искусственного очищения крови, в котором осуществлён комбинированный механизм регенерации диализата, схема которого была описана выше. Молекулы тяжёлых металлов, креатинин, оксиданты поглощались слоем активированного угля, слой уреазы ускорял гидролиз мочевины, после чего продукты гидролиза такие, как аммиак, адсорбировались слоями фосфата и оксида циркония. Прототип прошёл предварительные испытания на свиньях. Результаты по клиренсу токсичных соединений представлены в Таблице 5.

Таблица 5.

Экспериментальные данные, полученные в ходе исследования процедуры

гемодиализа для свиней [82]

Под- Клиренс креа-тинина (мл/мин) Креа-тинина удалено (г) (за 8 часов) Клиренс мочевины Мочевины удалено (г) (за 8 часов) Фосфора Калия

опытное удале- удалено за

животное (мл/мин) но за сутки сутки

Свинья С 20,10 0,91 29,40 7,61 2,30 266,11

Свинья Э 21,10 0,76 26,80 5,75 2,60 259,91

Свинья Е 23,50 1,14 27,30 5,37 2,67 303,54

Свинья Б 23,50 1,14 27,30 5,37 2,44 270,50

Свинья О 22,30 0,95 25,70 6,46 2,41 236,97

Свинья Н 22,30 1,02 26,30 6,24 2,42 227,01

Среднее значение 22,13±1,3 4 0,99±0, 15 27,13±1, 27 6,13±0, 85 2,47±0, 14 260,67±27,05

В работах [35, 84] описаны прототипы носимых аппаратов искусственного очищения крови, которые уже прошли первые испытания на людях. В работе [35] для создания портативного аппарата «искусственная почка» был разработан ремень, на котором размещались сорбенты, диализатор, насосы и батарея. Подробная схема аппарата представлена на Рисунке 1.11.

Рисунок 1.11. Схема аппарата искусственного очищения крови [35]

Носимый аппарат искусственного очищения крови состоит из двух основных секций: 1. Секция рециркуляции крови, в которой артериальная трубка (красная линия) подаёт кровь пациента в диализатор, а затем возвращает кровь в сердечнососудистую систему пациента (синяя линия). 2. Секция рециркуляции диализата, где диализирующий раствор поступает в массообменное устройство, после которого затем проходит ряд сорбционных фильтров, где осуществляется его регенерация от накопленных токсинов и насыщение бикарбонатом. В аппарате также имеется ряд насосов, для регуляции подачи антикоагулянта ультрафильтрации.

Устройство носится на поясе вокруг талии (Рисунок 1.12), и весит около 5 килограммов. В аппарат входят четыре насоса, работающие от стандартных аккумуляторов, и регулирующие удаление и добавление жидкостей в контурах крови и диализирующего раствора. Сосудистый доступ осуществляется также как и при обычном гемодиализе. Устройство оборудовано системой безопасности, для исключения нежелательного кровотока, поступления воздуха или отключения. Для корректной работы устройства требуется антикоагулянт. Диализат непрерывно регенерируется путем его прохождения через сорбционные колонки, содержащие уреазу, активированный уголь, гидроксильный оксид циркония и фосфат циркония. Диализат регулярно проверяется на аммиак, чтобы гарантировать, что сорбционные материалы не требуют замены, а также для того, чтобы гарантировать стерильность.

Рисунок 1.12. Фотография носимого устройства гемодиализа [35]

Начальные испытания меньшего WAK устройства (2,27 кг) были проведены на 12 свиньях, разделённых на две группы в зависимости от веса: первая группа (74,9 ± 1,2 кг) со скоростью кровотока 44 мл/мин и вторая группа (47,9 ± 1,7 кг) с кровотоком 75 мл/мин. Животных подвергли диализу в течение восьми часов при среднем потоке диализата 73 и 85 мл/мин в группах 1 и 2 соответственно. Побочных эффектов не было отмечено ни на одном из животных и было достигнуто эффективное удаление растворенных веществ и излишков жидкости (Таблица 6).

Таблица 6.

Результаты диализа (среднее отклонение) [35]

Группа 1 Группа 2

Количество удалённой мочевины, г 12,7 ± 2,8 12, 0± 2,9

Количество удалённого креатинина, г 0,9 ± 0,2 1,0 ± 0,1

Количество удалённого фосфора, г 0,8 ± 0,2 0, 84 ± 0,4

Количество удалённого калия, ммоль 71,9 ± 13,3 89,1 ± 25,7

Адекватность гемодиализа по мочевине, 5,4 ± 2,4 8,4 ± 1,5

K - клиренс мочевины, t - время диализа, V - общий объем жидкости в теле

пациента

В ходе испытаний не наблюдалось существенных отклонений в здоровье испытуемых. Однако количество удаленных из крови пациента мочевины и креатинина было значительно ниже, чем при обычном сеансе гемодиализа. Устройство WAK было проверено на восьми пациентах с термальной стадией ХПН. Средний возраст группы был 51,7 ± 13,8 года (от 26 до 67 лет). Результаты испытаний приведены в Таблице 7.

Таблица 7.

Экспериментальные данные, полученные в ходе исследования процедуры гемодиализа у пациентов [35]

Пациенты Время процедуры гемодиализа (в часах) Клиренс мочевины (мЛ/мин) Клиренс креатинина (мЛ/мин) Ежечасный клиренс мочевины (й/У)

№1 4 15,2 12,6 0,02

№2 4 31,6 28,0 0,05

№3 4 22,8 18,0 0,03

№4 7 19,5 19,9 0,03

№5 8 26,8 25,9 0,04

№6 8 25,4 24,1 0,05

№7 8 21,3 20,1 0,02

№8 8 18,4 16,9 0,04

Также были созданы аналогичные прототипы носимых аппаратов искусственного очищения крови для перитонеального диализа.

Прототип аппарата искусственного очищения крови для перитонеального диализа был представлен в работе [84]. На Рисунке 1.13 представлена схема регенерации отработанного диализата.

Рисунок 1.13. Схема системы регенерации диализата в аппарате искусственного очищения крови для перитонеального диализа [84]

Диализат проходит через ряд сорбционных колонок, в которых осуществляется удаление фосфата, органики и аммония из диализата, а также осуществляется гидролиз мочевины с последующим удалением продуктов реакции. Помимо задачи регенерации диализата в приведённой работе была решена проблема потери кальция и магния в диализате при прохождении через систему фильтрации раствора. Внутренние стенки полых волокон, размещённых внутри сорбционных колонок, покрыты положительно заряженным ацетатом целлюлозы (Рисунок 1.14). Данное покрытие пропускает токсичные соединения, однако оно непроницаемо для ионов кальция и магния.

Рисунок 1. 14. Полое волокно с внутренним покрытием, непроницаемым для положительно заряженных элементов [84]

Как показано на Рисунке 1. 14, мембрана предотвращает поглощение сорбционными колонками положительно заряженных ионов, в то время как эффективность элиминации аммиака остаётся высокой.

В работе [32] представлен прототип аппарата искусственного очищения крови ViWAK РЭ для перитонеального диализа. Разработка данного прототипа была осуществлена в два этапа. На первом этапе была исследована эффективность предложенного сорбционного метода регенерации диализата, после чего на основе проведённых исследований был спроектирован прототип аппарат «искусственная почка».

Объектом исследования был отработанный диализирующий раствор, полученный после лечения трёх разных пациентов, проходивших процедуру перитонеального диализа. Отработанный диализат пропускали через четыре сорбционные колонки, состоящие на 60 % из активированного угля и на 40 % из полистирольной смолы. Активированный уголь поглощал креатинин в то время как полистирольные смолы поглощали среднемолекулярные соединения. Эффективность данного метода регенерации диализата проверяли по фильтрации следующих соединений: креатинин с молекулярной массой 113 Эа, микроглобулин р2 с молекулярной массой

11 800 Эа, ангиогенин с молекулярной массой 14 000 Эа. Результат измерений приведён на Рисунке 1.15.

Время

Начало отсчета 4ч 10ч

□ Креатинин 98.13 ± 1.21 34.20 ± 3.1 3 90.10 ±2.59

97.38 ± 1.11 99.00 ±2.88 92.00 ± 2.59

□Ангиогенин 9831 ± 1.00 93.88 ± 2.76 90.35 ±2.20

Рисунок 1.15. Результаты, полученные в результате эксперимента по регенерации диализата, прошедшего через сорбционные колонки.

Необходимо отметить, что во всех случаях (эксперимент проводился три раза) количество удалённого вещества составляло более 90% для всех соединений после 10 часов очищения диализата [32]

На Рисунке 1. 15 представлены результаты регенерации диализирующего раствора, прошедшего через сорбционные колонки. В ходе эксперимента наблюдалось фактически полное удаление креатинина, микроглобулина р2 и ангиогенина из объёма диализата, прошедшего сорбционный фильтр. Только через 10 часов рециркуляции наблюдалось небольшое уменьшение процента (~10%) удалённого вещества из объёма диализата. В результате эксперимента за 10 часов эксперимента клиренс по

креатинину составил 11,2 литра и по микроглобулина р2 и антиогенина. 11,4 литров

На втором этапе разработки прибора, на основании полученных результатов была создана модель аппарата искусственного очищения крови, общий вид которого приведён на Рисунке 1. 16.

Рисунок 1.16. Схема аппарата искусственного очищения крови ViWAK РБ

[32]

В аппарате представлена система регенерации отработанного диализирующего раствора, которая может работать непрерывно от батареи в течение 10 часов. В ViWAK РБ используется двойной полый катетер для внутрибрюшинной подачи диализата, который потом очищается во внешней системе регенерации диализата. Система регенерации диализата состоит из водонепроницаемого устройства с размерами 17 х 8 х 3 см, общий вес которого составляет 200 г. Данное устройство включает в себя одноразовый набор сорбционных фильтров, рассчитанный на очищение 12 литров отработанного диализата. Аппарат также оснащён электронными датчиками и роторным насосом.

В работе [83] представлен носимый аппарат для гемодиализа с сумкой для устройства регенерации диализата. Отработанный диализат последовательно проходит через три фильтра. В первый фильтр входят

уреаза и фосфат циркония, во второй - фосфат циркония и гидрооксид циркония и, наконец, в третий фильтр добавлен активированный уголь.

Выводы к главе 1

1. Из анализа патентно-технической литературы следует, что в настоящее время существует ряд методов, позволяющих очищать отработанный диализирующий раствор от накопленных токсинов. Однако многие из этих методов имеют недостатки, ограничивающие их применение в носимых аппаратах искусственного очищения крови.

2. Комбинирование различных методов очищения раствора позволяет создать систему регенерации диализата, которая сможет как очищать раствор от накопленных метаболитов, так и поддерживать его исходный ионный состав и кислотно-основное состояние. На основе вышеописанных методов в настоящее время были созданы первые прототипы искусственного очищения крови с регенерацией диализирующего раствора (ViWAK, AWAK, The WAK и т.д.).

3. Комбинация электрохимического и сорбционного методов регенерации диализата стала объектом исследования настоящей работы. С целью исследования эффективности данного метода был проведён анализ и выбор материалов и параметров работы модуля регенерации диализата для эффективного очищения отработанного диализирующего раствора.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИСКУССТВЕННОГО ОЧИЩЕНИЯ КРОВИ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ

2.1. Объект исследования

В качестве метода ЗПТ был выбран постоянный амбулаторный перитонеальный диализ (ПАПД). Данный выбор обуславливается физиологичностью и непрерывностью процедуры очищения крови. Процедура интракорпорального искусственного очищения крови пациента заключается в перфузии раствора для перитонеального диализата (РПД) в брюшную полость пациента, играющую роль массообменного устройства (Рисунок 2.1).

Рисунок 2.1. Схема интракорпорального диализного очищения крови

Чистый РПД подаётся в брюшную полость пациента, где через перитонеальную мембрану происходит массоперенос уремических. Отработанный РПД спустя 6 - 8 часов подаётся в слив и утилизируется, после чего в брюшную полость заливают свежий раствор. Перитонеальный диализ уступает гемодиализу в эффективности очищения крови, однако является более физиологичной процедурой. Другим недостатком ПАПД является необходимость частой замены РПД (от 4 до 6 раз в сутки), что

повышает вероятность заражения брюшины пациента. Недостатки ПАПД могут быть устранены путём непрерывной регенерации РПД, которая будет осуществляться в модуле регенерации диализата (МРД).

При использовании модуля регенерации диализирующего раствора отпадает необходимость в стационарной системе водоподготовки и зависимости от канализации отработанного раствора, уменьшается количество реагентов, необходимых для приготовления диализирующего раствора, поскольку его объём сокращается со 150 до 1 л. Схемы искусственного очищения организма с использованием носимого аппарата «искусственная почка» приведены на Рисунке 2.2.

Рисунок 2.2. Схемы носимого аппарата искусственного очищения крови на основе перитонеального диализа ПН - перистальтический насос, МРД -модуль регенерации диализата, Д -диализатор, БП - брюшная полость

В настоящей работе представлена система искусственного интракорпорального очищения крови, которая осуществляет процедуру детоксикации организма методом перитонеального диализа.

Биотехническая система носимого диализного очищения крови на основе постоянного амбулаторного перитонеального диализа (БТС) включает в себя пациента, устройство для проведения непрерывного очищения организма и модуль регенерации диализата [98].

При создании биотехнической системы искусственного очищения крови с регенерацией должны быть исследованы следующие процессы:

- очищение организма пациента (изменение концентрации метаболитов в крови пациента);

- процесс регенерации диализирующего раствора в модуле регенерации отработанного диализирующего раствора носимого аппарата искусственного очищения крови;

- массообменные процессы при переносе вещества из организма пациента в перитонеальный раствор и из перитонеального раствора в диализирующий раствор.

Представим БТС в виде трёх резервуаров, разделённых полупроницаемыми мембранами (Рисунок 2.3).

Рисунок 2.3. Схема процессов массообмена в БТС

Допустим, что все вещества распределены в резервуарах равномерно и все процессы массопереноса происходят моментально.

Объём первого резервуара представляет собой эквивалентный объём жидкости, расположенный в пациенте до диализа (в процессе диализа он меняется в зависимости от типа используемого перитонеального раствора).

Эквивалентный объём жидкости можно оценить, исходя из массы пациента: Уэкв = 0,57-ш, где т - масса пациента; для получения более точных и достоверных данных, можно прибегнуть к более сложным и

многофакторным формулам расчёта эквивалентного объёма жидкости, или же воспользоваться приборами, рассчитывающими его на основе расчёта импеданса.

Диффузионный поток метаболитов из крови в перитонеальный раствор представим в виде:

„ Св. —Cpi

(2.1)

где Эй - коэффициент диффузии перитонеальной мембраны для 1-го метаболита, Св. - концентрация 1-го метаболита в крови, Ср - концентрация

¡-го метаболита в перитонеальном растворе, dp - толщина перитонеальной мембраны (среднее расстояние от кровеносных сосудов до перитонеального раствора).

Соответственно, поток метаболитов из РПД в диализат можно представить в следующем виде:

„ Ср. —С п.

/2=!^-^ (2.2)

где Эщ - коэффициент диффузии мембраны диализатора для ¡-го метаболита, Ср - концентрация ¡-го метаболита в РПД, СВ1 - концентрация ¡-го метаболита

в диализате, dD - толщина мембраны диализатора.

В работе [95] приводятся экспериментально полученные толщины ПМ пациентов с различной длительностью использования перитонеального диализа в качестве метода искусственного очищения крови. На их основе можно записать следующую эмпирическую зависимость:

а

0,18 + 0,03 • Т, для Т е[1 - 6]

0,7, для Т > 6 ' (2 3)

при этом а - толщина ПМ, мкм, Т - длительность использования ПД в качестве метода ИОК в годах.

Кроме того, при прогнозировании результатов процедуры ПД критично значение активной площади ПМ. В работе [97] показано, что активная площадь ПМ составляет 0,55 м2 при том, что её анатомическая площадь 0,8 -1 м2. В ней также публикуются результаты исследований по повышению активной площади путём увеличения объёма заливаемого перитонеального раствора: при 2 л заливаемого перитонеального раствора активная площадь составляла 0,57 м2, а при 3 л - 0,67 м2.

Для расчёта коэффициента диффузии перитонеальной мембраны проводится стандартизированный перитонеальный эквилибристический тест (PET test). При этом в брюшную полость пациента заливается 2 литра перитонеального раствора и через каждые 30 минут берут пробы для анализа его состава. Из этого теста можно понять, насколько эффективно использовать перитонеальный диализ для терапии хронической почечной недостаточности. С точки зрения математического моделирования можно использовать результаты этого теста для расчета коэффициента диффузии.

На практике количество вещества, удаляемое за одну процедуру ПД, не достигает максимального значения. Запишем итерационное уравнение для расчёта количества вещества, удаляемого в ходе ПД:

с в (/)-с р (у))

N.(/) = Б-^-1• ^ • АТ, (2.4)

где N (') - количество . -го метаболита, переходящее из крови в ПР за ' -ю

итерацию, Б - коэффцицент диффузии ПМ, й - толщина ПМ, СВ(/), Ср(/) - концентрации . -го метаболита в крови и в ПР в итерации ', 8а - активная площадь ПМ, АТ - длительность одной итерации.

2.2. Моделирование перитонеального диализа с регенерацией

На Рисунке 2.4 представлена схема биотехнической системы искусственного очищения крови с модулем регенерации диализата

Рисунок 2.4. Блок-схема биотехнической системы «носимая почка»: СК -сорбционная колонка, Э - электролизёр, МРД - модуль регенерации диализата, РПД - раствор перитонеального диализа

В состав модуля регенерации диализата входят сорбенты для удаления метаболитов. Помимо сорбентов в модуле используется электролизёр для электрохимического разложения мочевины, поскольку сорбентов недостаточно для эффективной элиминации мочевины.

Общий объём перитонеального раствора представим в виде: Уобщ = Упр + А У, где Упр - объём перитонеального раствора в брюшине, А V -

объём перитонеального раствора, очищенный за одну итерацию

диализатором, АТ =

АУ

а

- время одной итерации, апр - расход насоса,

пр

транспортирующего перитонеальный раствор. На данной схеме имеет место два потока ультрафильтрата: из крови в перитонеальный раствор (в брюшной

полости) - АУД и из перитонеального раствора в диализирующий раствор (в

диализаторе) - АУП.

Количество ¡-го метаболита, перешедшего в перитонеальный раствор за одну итерацию представим в виде:

N(j) = DCBi ('УCpi 0)..ДГ, (2.5)

d

где - активная площадь перитонеальной мембраны. При этом,

АКТ d

мембраны, j - номер итерации.

В случае полного очищения диализирующего раствора от i-го метаболита, его концентрация в растворе для перитонеального диализа рассчитывается следующим образом:

N (j ) + Cp (j )• Vnp (j ) + Cp (j)• . (Д V _ д ^Д j

s

можно величина K 0 A = DsM— представляет собой клиренс перитонеальной

Cp, (j +1) =-Д-Qpn-, (2.6)

' Vnp (j ) _ДVДf (j) + ДV1Пf (j )

Qp _ K д TT

где j - номер итерации, Cp (j)--— • (ДV _ДVД (j)) - количество i-

1 Qp UU

го метаболита, в объёме перитонеального раствора, очищенного в диализаторе за j -ю итерацию, Kд = DM • Sm - клиренс диализатора.

dM

Для случая, когда диализирующий раствор не полностью очищается в электролизёре от i-го метаболита, его концентрация в перитонеальном растворе рассчитывается по следующему итерационному уравнению:

N (j) + CPi (j) .д Vf (j) + [CPi (j )^V _ N'(j )]

Cp (j +1) =-1-^-^-, (2.7)

Vnp (j) _ДVД (j) + ДVUf} (j )

, Ср — С д

где N ' = Бм —■-— ■ Бм • АТ - количество ¡-го метаболита, перешедшее

¿м

в диалирующий раствор

Объём ультрафильтрата, удаляемый из перитонеального раствора диализатором, можно записать в виде:

А Уд = ТДМ ■ Бм ■ к ■АТ, (2.8)

где ТДМ = —(Рдр — Рпр ) - трансмембранное давление в диализаторе, Рдр -среднее давление в полости по диализирующему раствору, РПР - усреднено давление в диализаторе в полости по перитонеальному раствору, БМ -площадь мембраны диализатора, к - коэффициент ультрафильтрации

м

диализатора

ч ■ мм.рт.ст.

Для того, чтобы свести зависимость трансмембранного давления от

расходов насосов НД1 и НД2, необходимо найти зависимость между

скоростью перемещаемой жидкости и давлением на входе и выходе насосов.

Поскольку диализ в рассматриваемом случае низкопоточный, можно

считать, что явления ребаунда мочевины нет, а также что скорость

перемещения метаболитов и жидкости из клеток в кровь достаточная для

того, чтобы рассматриваемый организм человека в виде эквивалентного

объёма жидкости Уорг, а концентрацию веществ одинаковой по всему объёму

в любой момент времени. Тогда для крови запишем:

Ся. (л) ■Уорг (Л — N (Л) Св1 (Л +1) =—■-р^-, (2.9)

■ Уорг (Л) — УП (Л)

где Св - концентрация ¡-го метаболита в крови,

Уорг (Л +1) = Уорг (Л) — УиП (Л) .

Полное окисление мочевины до газообразных продуктов происходит

при потенциалах =1,9-2 В и плотности анодного тока ■э = 5 -10 А/см2. Применяя законы электролиза Фарадея, получим выражение для силы тока

Б • 2 • т _

электролизёра - I =-, обеспечивающие скорость удаления мочевины из

Т

т

диализата уи = ~ = 1° г/ч, где Б = 96500

А • с

моль

ъ =6 - количество

электронов на одну молекулу мочевины, ¡ = 60 [г / моль] - молярная масса мочевины.

В случае, когда концентрация мочевины в растворе ниже критического значения (20 ммоль/л), в электрохимической ячейке происходят процессы с образованием токсичных соединений. В связи с этим, электролизёр следует конструировать в виде нескольких подсекций, которые в зависимости от концентрации мочевины в отработанном диализирующем растворе можно дополнительно подключать или выключать, таким образом, варьируя мощность электролизёра. В связи с вышесказанным скорость удаления мочевины в электролизёре можно записать следующем в виде:

V (' +1) = п(') • V1, (2.10)

где V/ - скорость элиминации ¡-го метаболита электролизёром, V1 -скорость удаления ¡-го метаболита одной секцией электролизёра, п -количество задействованных секций электролизёра, при этом

п( ] +1) = п(у)- Сщ (у)- Спр ), где Спр - пороговое значение

концентрации мочевины в диализирующем растворе.

Количество ¡-го метаболита, удаляемого электролизёром можно записать в виде:

= (2.11)

Д' 1/

Тогда концентрацию ¡-го метаболита в диализате СВ1 можно записать следующим образом:

Сщ(у +1) = Сщ(у) -^, (2.12)

где АУ0 - объём диализата, транспортируемый за одну итерацию в

контуре диализирующего раствора. Таким образом, получаем систему уравнений, описывающую биотехническую систему низкопоточного очищения организма с помощью перитонеального диализа:

Таким образом, можно представить математическую модель биотехнической системы внепочечного очищения крови с помощью носимого аппарата «искусственная почка» на основе перитонеального диализа в виде следующей системы уравнений:

арм

ЫР-°(]) = В?мС {])~ом 0) 3ом а;

ырц + 1) = ырц) + ^в-рЦ) - мр-°(]);

ыри + 1) = ири)-ир-ри);

N№ + 1)= N¡>0)-

а "1

хт]

V

О

А

- ^50гЬЦ)] - ^50ГЬЦ)];

х

СРП)

сри)

СРО)

Vв ' N[(1) . V? '

N^0

VI) '

(2.13)

где Vе, Ур, У° - объём жидкости в организме, перитонеального и диализирующего растворов соответственно; N¡р, N1° и N|3 - количество 1-го вещества в перитонеальном растворе, диализате и кров соответственно; -расход диализата в контуре.

Начальными условиями для данной системы являются сВ (Л = 1) = С^, срр (Л = 1) = о и срр (Л = 1) = 0.

2.2.1. Математическое описание процесса адсорбции и электрохимического окисления метаболитов

Для описания процесса адсорбции метаболита была выбрана теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра [96].

С точки зрения кинетики, сорбция представима в виде реакции связывания молекул сорбтива с сорбционными центрами на поверхности сорбента (адсорбция) и разрушением этих связей (десорбция). Данные процесс происходят по следующей схеме:

кг

Мь + С* ->МС1

МСЬ-> М1 + с*

Где МI - /-й метаболит, С* - адсорбционный центр, МС^ - комплекс, образованный при взаимодействии /-го метаболита с адсорбционным центром, к1 и к2 - константы адсорбции и десорбции соответственно.

Прямая реакция является реакцией второго порядка и зависит как от концентрации сорбтива в растворе, так и от количества свободных центров, в то время как обратная реакция зависит только от количество образованных МСI -комплексов

^=-к1С(Ат - (Со - С)У) + к2(Со - С)У, (2.14)

Где С - концентрация сорбтива в растворе, Ат - общее число адсорбционных центров, С0 - начальная концентрация сорбтива, V - объём раствора, X - время.

Для описания процесса активной сорбции достаточно рассмотреть только прямую реакцию. Таким образом, уравнение (1) примет следующий вид:

^ = -кгУС2 + С(-кгАт + кхСоП (2.15)

Решая уравнение (2.16) относительно С и учитывая начальное условие С^=0)=Со, находим зависимость концентрации сорбтива от времени:

С(1) =-А---(2.16)

4 ' 1^Же(Ат-С0У)к11+у V /

Значение констант Ат и к1 можно получить из граничных значений условий С= ^, С^2) = С2, 12 = 12г\

к± = --01 2С°С' 1пС2(С1 С2)1, (2.17)

1 (2СоС1С2-С2(С2 + СО))У12 С2(С0-С1)2' К 7

А™ = СсСс-Сс22 у. (2.18)

Для моделирования процесса электрохимического окисления мочевины использовался второй закон Фарадея. Если принять, что основная часть анодных процессов связана с электрохимическим окислением мочевины, то выражение для тока, связанного с окислением мочевины, можно представить в следующем виде:

1 = е1*и-ти (2.19)

где Б - постоянная Фарадея; ги - количество электронов на одну молекулу мочевины, Ми - молярная масса мочевины; 1 - длительность процесса электролиза; е - постоянная электрокаталитической активности материала, которая зависит от материала, из которого изготовлен рабочий электрод.

Для количества удаляемой мочевины уравнение (2.20) можно переписать следующим образом:

Ые 1 = еу-, (2.20)

Значение констант Ат, ^1ие определялось экспериментальным путём (глава 4).

0

2.3. Результаты моделирования

Для практического применения математической модели регенерации отработанного диализата были получены зависимости концентрации метаболитов в растворе для сорбционного и электрохимических методов, после чего были рассчитаны все необходимые константы.

Для моделирования процесса сорбции креатинина расчётные значения констант соответственно равны Ат = 5128, tg(a) = 3,25, Ь = 6,2-10-5. Масса активированного угля составляла 60 г. Динамика концентрации креатинина в диализирующем растворе, циркулирующем через сорбционную колонку, представлена на Рисунке 2.5 (а).

Результаты экспериментальных и теоретических расчётов процесса электролиза мочевины на Т1/Р1:, полученным методом взрывпрокатки, Т1/Р1, полученным методом электрохимического осаждения и Т1/ЯИ, полученным методом электрохимического осаждения, представлены на Рисунке 2.5 (б). Анодная поверхность электродов во всех случаях составляла 150 см2, объём раствора был равен 500 мл, электрохимическое окисление мочевины осуществлялось при плотности тока 5 мА/см2.

0.032

0.03

5 0.028

0.026

0.024

И 0.022

0.02

0.013

ПЖЬ (электроосаждение) Т!/Р1(взрывпрокатка) Т!/Р1(алектроосажденне)

1 >

3

Часы

Рисунок 2.5. Результаты математического моделирования процессов регенерации диализата: а) адсорбция креатинина на поверхности

активированного угля; б) электрохимическое окисление мочевины при

плотности тока 5 мА/см2

При сорбционном методе концентрация метаболита в растворе падает экспоненциально и зависит от массы сорбента и температуры раствора. Данные по электролизу показывают, что Т1/Р1:, полученный методом электрохимического окисления, позволяет быстрее удалять мочевину из раствора, чем гладкая платина, полученная методом взрывпрокатки, и Т1/КЬ, полученный методом электрохимического окисления. Это объясняется большей анодной поверхностью титан-платиновых электродов, полученных электрохимическим осаждением по сравнению с гладкой платиной, коэффициент шероховатости которой равняется единице. Из полученного результата следует, что необходимо развивать поверхность электродов для увеличения эффективности электролиза. В то же время платиновые электроды должны быть устойчивы к плотностям тока от 5 мА/см2 и выше для их долгосрочной эксплуатации. Во всех случаях изменение концентрации мочевины во время электрохимического окисления представлял собой линейную зависимость.

Далее были получены зависимости изменения концентрации мочевины в крови пациента во время ПД без регенерации диализата и ПД с регенерацией диализата (Рисунок 2.6). При построении графических моделей регенерации диализирующего раствора были введены следующие параметры: изначальная концентрация мочевины в крови пациента Св = 20 ммолъ/л, клиренс

^ акт 20

перитонеальной мембраны К0 А = Б—— = —10 _3 л / с, начальная

ё 60

концентрация мочевины в перитонеальном и диализирующем растворах Ср = СБ = 0 ммолъ/л, клиренс диализатора КБ = 3 -10_3 л/с, скорость

100 Л_3

транспортирования диализирующего раствора QD =--10 3 л/с, скорость

60

транспортирования перитонеальной раствора QP =— -10 _3 л/с, объём

60

перитонельного раствора УПР = 2 л, эквивалентный объём жидкости в организме ¥орг = 52 л. Скорость ультрафильтрации была равна нулю.

20 18 16 14

2 12 2

10

щ 8

^ 6 4 2 0

о

20

-Перитонеальный диализ -Перитонеальный диализ с регенерацией

40

60 80 Часы

100

120

140

Рисунок 2.6. Изменение концентрации мочевины в крови пациента при проведении ПД без регенерации и ПД с регенерацией диализата

соответственно

Как видно из выше приведённого рисунка, перитонеальный диализ без регенерации требует частой замены РПД, которая длится, как правило 1 - 2 часа. За это время в крови идёт рост концентрации мочевины. В результате падает эффективность процедуры. При регенерации диализата РПД не будет требовать частой замены за счёт постоянной регенерации отработанного раствора, в силу чего процедура перитонеального диализа будет длиться 12 -24 часа, а не 6, как в случае классического ПД. Сокращение частоты замены РПД в свою очередь позволит снизить риск заражения перитонеальной мембраны пациента и создаст реальные предпосылки создания носимой аппаратуры искусственного очищения крови.

Апробация математической модели проводилась на стенде, описанном в третьей главе.

Выводы к главе 2

1. Разработана математическая модель биотехнической системы интракорпорального очищения крови с помощью носимого аппарата «носимая почка» на основе постоянного амбулаторного перитонеального диализа.

2. Математическая модель описывает динамику изменения концентрации метаболитов в крови пациента и растворе для перитонеального диализа во время заместительной почечной терапии, а также сорбционные и электрохимические процессы регенерации отработанного раствора.

3. Математическая модель позволяет прогнозировать изменение компонентного состава раствора для перитонеального диализа в процессе заместительной почечной терапии с регенерацией.

4. Математическая модель позволяет рассчитать суммарную площадь анодной поверхности электродов, а также массу сорбционных материалов, необходимых для постоянного очищения отработанного диализата от накопленных метаболитов.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИОННЫХ И ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ДИАЛИЗАТА

3.1. Стенд испытания сорбционных и электродных материалов

На Рисунке 3.1 представлен стенд для испытания сорбционных и электродных материалов, который включает в себя блок имитации брюшной полости пациента, модуль регенерации диализирующего раствора и измерительный стенд, который измеряет физические и химические параметры раствора РПД (концентрация метаболитов и ионов, рН, температура раствора и т.п.), контролирует работу электрохимической ячейки, оцифровывает полученные результаты и записывает их на жёсткий диск компьютера.

Рисунок 3.1. Стенд испытания электродных и сорбционных материалов

Блок имитации брюшной полости пациента состоит из термостатируемого резервуара с диализатом и инфузирующего насоса. Задача данного блока заключается в имитации процедуры перитонеального диализа. Термостат позволяет поддерживать температуру раствора на фиксированном значении (37 °С). Инфузирующий насос имитирует массоперенос метаболитов из крови пациента в раствор перитонеального диализа. Отработанный раствор РПД затем поступает в модуль регенерации диализата.

Модуль регенерации диализата представляет собой адаптированный для носимой аппаратуры внепочечного очищения крови вариант комбинированной системы очищения раствора, состоящий из двух сорбционных колонок пред- и доочистки РПД и одной электрохимической ячейки. Сорбционные колонки очищают РПД от креатинина и мочевой кислоты, а также удаляют из раствора хлорсодержащие продукты работы электролизёра (например NaOCl). Ячейка электролизёра удаляет мочевину из раствора путём анодного окисления метаболита на поверхности электрода. Работа электролизёра регулируется потенциостатом-гальваностатом. За колонкой доочистки расположен дегазатор, который удаляет из раствора азот и диоксид углерода, образовывающиеся в ходе электролиза. Очищенный в ходе электролиза раствор поступает обратно в термостатируемый резервуар.

Для контроля процесса электролиза предусмотрен испытательный стенд, который включает в себя биохимические анализаторы Stat Fax 3300 (измерение концентрации азотосодержащих соединений в растворе), АЭК-01 (измерение концентрации ионов Na+, K+, Ca++, Cl-) и pH-метр «ЭКСПЕРТ-001». Полученные в ходе экспериментов данные оцифровываются и записываются на персональный компьютер пользователя.

В качестве модельного раствора использовался раствор однократного применения для перитонеального диализа фирмы Fresenius. Кислотность

раствора варьируется в пределах от 5 до 6. Теоретическая осмолярность раствора - 511 мОсм/л Ионный состав раствора приведён в Таблице 8.

Таблица8.

Ионный состав раствора для перитонеального диализа Fresenius

Наименование иона Концентрация, ммоль/л

Кальций (Ca++) 1,75

Натрий (Na+) 134,0

Магний (Mg++) 0,5

Хлор (Cl-) 103,5

3.2. Вольтамперометрия

Исследование каталитической активности электродных материалов проводилось с применением метода потенциометрии [99, 100, 101]. С целью исследования вольтамперных характеристик электродных материалов был выбран потенциостат-гальваностат ПИ-50-Pro.

Данный потенциостат позволяет осуществлять два основных режима работы - гальваностатический и потенциостатический [102].

Основным назначением данного потенциостат-гальваностата является исследование жидкостных и твердотельных систем. Для основных методик предусмотрена возможность изменения параметров эксперимента прямо во время его выполнения, что позволяет усилить контроль над системой в процессе измерений.

Исследование электроактивности электродных материалов осуществлялось по трёхэлектродной схеме подключения. В данной схеме измеряется потенциал между рабочим электродом и электродом сравнения, при этом электрод сравнения максимально близко подводится к рабочему электроду. Это позволяет уменьшить омические потери во время эксперимента. Трёхэлектродная схема подключения часто используется в

жидкостной электрохимии при изучении процессов, протекающих в ячейке электролизёра, что было необходимо при выполнении данной работы.

Программирование режимов работы потенциостата-гальваностата, снятие потенциостатических кривых и обработка полученных данных осуществляются через пакет PS Pack 2 [103], который входит в комплект прибора Пи-50-Рго[103].

В программе PS Pack 2 можно выбирать тип эксперимента, настраивать его основные параметры, такие как время выдержки на заданном потенциале, диапазон потенциалов, скорость развёртки, ограничение по току и напряжению и т.п. Полученные результаты затем сохраняются на жёсткий диск в текстовом файле txt и формате bmp. Полученные табличные данные можно затем использовать для построения и сравнения графиков и для математической обработки полученных результатов.

Исследования вольтамперных характеристик электродов осуществлялись в стеклянной трёхэлектродной ячейке с разделённым анодным и катодным пространством (Рисунок 3.2). Электрохимическая ячейка и стеклянные трубки изготовлены из термостойкого стекла [105]. Крышка ячейки имеет пять шлифованных выхода для выводов электродов и подвода аргона. Для исследования рабочего электрода предусмотрено отверстие диаметром 6 мм, которое плотно и герметично прижимается к поверхности исследуемого образца. Также предусмотрен сосуд для вспомогательного электрода, который отделяет электрод от анодного пространства шоттовским фильтром. Для обеспечения необходимой герметичности все соединения и выходы ячейки были отшлифованы, закрыты силиконовыми пробками и заизолированы герметичной плёнкой. Материал, из которого была изготовлена электрохимическая ячейка, является диэлектриком и нейтрален к большинству агрессивных сред.

Рисунок 3.2. Внешний вид электрохимической ячейки: 1 - рабочий электрод;

2 - подложка; 3 - подъёмный механизм; 4 - соляной мостик; 5 -хлорсеребряный электрод сравнения (Ag/AgQ); 6, 7 - вспомогательные электроды без (6) и с разделением (7) катодного пространства; 8 - система

продувки аргоном

С целью обеспечения в ячейке инертной среды была предусмотрена система продувки аргоном, которая включала в себя аргоновый баллон и полиуритановые трубки для подачи газа в ячейку. Дегазация осуществлялась через водный затвор. Давление газа регулировалось двухсторонним регулятором Legris.

В качестве вспомогательного электрода выступала закреплённая на токопроводе платиновая пластина. При необходимости проведения

эксперимента с неразделёнными анодным и катодными пространствами вспомогательный электрод подводился непосредственно к рабочему электроду. Для разделения катодного пространства вспомогательный электрод помещали в ёмкость с шоттовским фильтром.

Хлорсеребряный электрод Л§/Л§С1, заполненный 3,5 М раствором хлорида калия, использовался в качестве электрода сравнения. Данный электрод помещался в отдельный сосуд, наполненный насыщенным раствором хлорида калия. Подвод электрода сравнения к поверхности рабочему электроду осуществлялся через соляной мостик.

Измерение значения рН производилось рН-метр-иономером «Эксперт-001». Прибор калибровался по трём точкам: рН 9.18, рН 6.86 и рН 4.01.

3.3. Исследование электрохимического окисления мочевины в растворе РПД

Концепция носимой диализной аппаратуры основывается на создании замкнутой системы постоянной регенерации небольшого объёма диализирующего раствора. Технология, основанная на методе электрохимического окисления мочевины, может быть использована для создания носимого аппарата искусственного очищения крови, поскольку МРД может быть миниатюризирован, сам электролизёр не требует регенерации, и сама технология является относительно недорогой. Мочевина может окисляться как непосредственно на аноде, так и в растворе путём взаимодействия с ионом гипохлорита, выделяемом на аноде. Однако токсичные хлорсодержащие соединения и свободный хлор могут накапливаться в растворе в ходе электролиза. Свободный хлор образуется в результате взаимодействия иона хлора с водой. Различные хлорсодержащие соединения могут быть образованы в результате взаимодействия хлора с органическими молекулами и аммонием. Самым распространённым продуктом такой реакции являются хлорамины.

В настоящей работе были исследованы Ti/Pt электроды, полученные в ходе взрыв-прокатки и электроосаждения, Ti/Rh и Ti/Pd электроды, полученные методом электроосаждения, и графитовые электроды.

Исследование скорости электрохимического окисления мочевины в растворе РПД проводилось в открытой ячейке объёмом500 мл.

Подготовка к эксперименту проводилась следующим образом. Исследуемые электроды вначале вымачивались в концентрированном растворе серной кислоты, после чего промывались дистиллированной водой. Подготовленные к работе электроды затем помещались в раствор РПД+мочевина (~20 ммоль/л) и подключались к потенциостату по трёхэлектродной схеме. Всего в эксперименте использовалось 3 пары электродов анод-катод (6 электродов в сумме). К одному из рабочих электродов подводился электрод сравнения Ag/AgCl, помещённый в насыщенный раствор KCl.

Шесть электродов помещались ячейку электролизёра и подключались к потенциостату. Представленная схема позволяла контролировать следующие параметры: потенциал рабочего электрода относительно электрода сравнения Ag/AgCl; потенциал вспомогательного электрода относительно электрода сравнения Ag/AgCl; падение напряжения между анодом и катодом; значение силы тока, протекающего между анодом и катодом. Дополнительно представлялось возможным проводить измерения pH и температуры раствора.

Потенциостат-гальваностат позволял осуществлять работу электролитической ячейки трёх режимах: гальваностатическом, потенциостатическом и потенциодинамическом. В настоящем эксперименте испытывались потенциостатический и гальваностатический режимы работы электролитической ячейки.

В гальваностатическом режиме электролитическая ячейка работала при постоянном токе. Программатор потенциостата позволял задавать реверс (изменение направления) тока каждые 5 минут, протекающего между анодом

и катодом, что в свою очередь не давало поверхностям рабочих электродов загрязняться продуктами электролиза.

В потенциостатическом режиме электролитическая ячейка работала при постоянном потенциале. В течение часа ячейка работала при заданном напряжении, после чего с целью регенерации электродов потенциал между рабочим и вспомогательными электродами выставлялся на значение -300 мВ и выдерживался в течение 5 минут.

Образцы для измерения концентрации мочевины в растворе брались каждый час. Выбранный временной интервал измерения концентрации связан с техническими характеристиками биохимического анализатора Stat Fax 3300 и особенностями метода электрохимического окисления мочевины. Фотометр напрямую измеряет только оптическую плотность раствора, после чего из полученных значений оптической плотности косвенно рассчитывает концентрацию мочевины в растворе. Относительная погрешность прибора вип при начальной оптической плотности раствора (A = 2.000) составляет примерно 1%. При косвенных измерениях концентрации мочевины в зависимости от условий эксперимента и полученной выборки погрешность измерения концентрации может варьироваться от +0,5 до +1,5 ммоль/л. Учитывая, что молярная масса мочевины составляет примерно ~60 г/моль (или 0,06 г/ммоль), то при низкой скорости электрохимического окисления мочевины (например, ~20 мг/ч) становится технически невозможным зафиксировать убывание мочевины в растворе в коротком промежутке времени (5, 10, 15 минут). Поэтому в качестве оптимального временного интервала взятия пробы был выбран временной промежуток в 1 час.

В ходе эксперимента измерялись потенциал рабочего электрода относительно электрода сравнения, потенциал вспомогательного электрода относительно электрода сравнения, потенциал между рабочим и вспомогательным электродами, ток, протекающий между рабочим и вспомогательным электродами. Также осуществлялся контроль температуры раствора. Контроль температуры раствора осуществлялся цифровым

термометром ЭЛЕМЕР. Контроль рН раствора осуществлялся прибором рН-метром «ЭКСПЕРТ-001».

3.4. Исследование сорбционных материалов

Сорбционный метод регенерации диализата дополняет метод электрохимического окисления метаболитов. Для регенерации раствора для перитонеального диализа применяются неселективные сорбционные материалы, обладающие высокой сорбционной ёмкостью по таким метаболитам, как мочевая кислота, креатинин и т.д. Кроме того сорбционный метод удаляет из раствора хлорсодержащие соединения, которые образуются в ходе электролиза. Как правило, с этой целью применяются такие сорбенты как активированный уголь или уголь кокосовой скорлупы.

В настоящей работе были исследованы селективные и неселективные сорбционные материалы на предмет элиминации продуктов жизнедеятельности из модельного раствора. В ходе исследований производилось измерение концентрации данных метаболитов в модельном растворе. Проба для измерения концентрации бралась каждый час. Схема эксперимента представлена на Рисунке 3.3.

Пер11С таль п песю ш насос

I—I г-Ф—

..........................

Сорбцнонная колонка

Резервуар

Рисунок 3.3. Схема экспериментального контура

Перед проведением испытаний используемые сорбенты и ионообменные смолы тщательно промывались дистиллированной. Схема подготовки сорбента представлена на Рисунке 3.4.

Пер11С таль тт 1ческз ш

насос

............................

Сорбцнонная колонка

Резервуар

Рисунок 3.4. Схема подготовки сорбционной колонки к испытаниям

Промывка сорбента осуществлялась следующим методом:

1. сорбционная колонка объёмом ~100 см3 заполнялась сорбционным материалом;

2. колонка подключалась к контуру, состоящему из резервуара, заполненного дистиллированной водой, слива и перистальтического насоса;

3. в резервуар заливался 1,5 литра дистиллированной воды (не менее 3 частей жидкости к объёму сорбента);

4. после вода прогонялась через сорбционную колонку с объёмным расходом 200 мл/мин;

5. отработанная жидкость после прохождения сорбционной колонки поступала в слив;

6. промытый сорбент затем вымачивали в течение суток в растворе РПД для насыщения сорбента диализатом

В резервуар заливался модельный раствор отработанного перитонеального диализата. Резервуар с раствором нагревался в термостатической ванне, температуры раствора поддерживалась на уровне ~37°С. Расход насоса составлял ~50 мл/мин. Масса сорбента в одной сорбционной колонке составляла 60 г.

3.5. Контроль концентрации метаболитов в растворе

Для оценки эффективности работы модуля регенерации диализата необходимо контролировать концентрацию метаболитов в крови. В настоящей работе контролировались концентрации следующих метаболитов: мочевина, креатинин, мочевая кислота. Рост концентрации выше перечисленных метаболитов в крови является одним из симптомов почечной недостаточности. Высокий уровень данных метаболитов может оказать негативный эффект на сердечнососудистую систему человека (мочевина является осмотическим агентом, который меняет кровяное давление в сосудах) и вызвать уремию. Соответственно контроль их концентрации в крови пациента является необходимым в условиях заместительной почечной терапии. В то время как креатинин и мочевая кислота эффективно удаляются из раствора активированным углём, мочевина не может быть удалена сорбционным методом при нормальных условиях эксперимента (температура раствора - 20/36,6 °С, давление - 760 мм рт. ст.). Поэтому в случае испытания альтернативных методов элиминации мочевины является крайне необходимым контроль концентрации мочевины в растворе.

Все исследования, связанные с измерением концентрации метаболитов, проводились на биохимическом анализаторе Stat Fax 3300 по методикам Spinreact [106].

Биохимический анализатор - прибор, предназначенный для измерения и расчёта результатов лабораторных диагностических тестов, основанных на

измерении оптической плотности исследуемого раствора и последующего расчёта концентрации вещества в растворе.

Stat Fax 3300 предназначен для исследования уровня биохимических субстратов, ферментов, лекарств и иммунологических тестов в сыворотке, плазме или моче человека. Внешний вид прибора представлен на Рисунке 3.5.

Рисунок 3.5. Биохимический анализатор StatFax 3300

3.6. Контроль концентрации гипохлорита натрия в диализате