第二篇 血液透析
第5章 血液透析原理
血液净化的目的在于替代衰竭肾脏的部分功能,如清除代谢废物,调节水、电解质和酸碱平衡等。血液净化技术的基本原理有弥散、超滤(对流)和吸附等。
所谓透析就是在血液与透析液间放置一透析膜,利用弥散、对流等原理清除体内溶质与水分,并向体内补充溶质的方法。清除比是指尿素(或其他溶质)通过透析器后下降的百分比。如:血液的流速为200ml/min,透析器入口端的尿素浓度为100mg/dl,而透析器出口端的尿素浓度为25mg/dl,则清除比为75%[100%×(100-25)/100]。清除率定义为:单位时间内,溶质的清除体积。如:血液的流速为200ml/min,透析器入口端的尿素浓度为100mg/dl,而透析器出口端的尿素浓度为25mg/dl,则尿素清除率为150ml/min[200×(100-25)/100]。清除比不受透析器入口端尿素浓度的影响,但受透析器中血液流速的影响,如:当血液流速为200ml/min时,透析器入口端的尿素浓度为100mg/dl,透析器出口端尿素浓度为25mg/dl,而当血液的流速为400ml/min时,透析器入口端的尿素浓度仍为100mg/dl,但透析器出口端尿素浓度则可能为40mg/dl。这是因为随着血液流速的升高,血液与透析膜接触的时间缩短,透析器溶质清除效率下降导致的。但随着血液流速从200m l/min提高到400m l/min,尿素的清除率则由150ml/min提高到240ml/min。正因如此,对于特定型号的透析器,成倍数的提高血液流速,并不能成倍数的提高尿素清除率,最终使尿素清除率趋于一个比较稳定的数值。在特定的血液流速和透析液流速情况下,对于特定型号的透析器,存在理论上的最大清除率,用K0 A表示,单位为ml/min。K0指的是透析膜对某种溶质的通透性,受膜的厚度、孔径等因素影响;A指的是透析膜总的有效表面积。
【弥散】
一、概述
溶质依靠浓度梯度差从浓度高的部位向浓度低的部位运动,这种运动方式称叫弥散。弥散是清除溶质的主要机制,由Fick定律决定:J=-DA dc/dx=-DAΔC/ΔX。
J=溶质的弥散量。
ΔX=溶质运动的距离。
ΔC=溶质浓度梯度差。
A=溶质弥散面积。
D=溶质弥散系数(cm2/min)。
弥散的量一般只与溶质浓度梯度差及弥散面积有关,因为ΔX在各种透析器是恒定的,D在特定的温度下是常数。
二、影响弥散的因素
溶质的浓度梯度,溶质相对的分子质量,分子的形状和所带电荷,脂溶性,透析膜的阻力,血液与透析液流速等均能影响弥散的效率。
(一)溶质的浓度梯度
弥散是分子的随机运动,特定溶质如溶质[X]通过半透膜从溶液A到溶液B及反向运动的相对运动速率取决于溶质[X]与两侧膜壁的碰撞频率。碰撞频率与膜两侧溶质[X]的相对浓度有关。例如,若溶液A中的溶质[X1]浓度为100mmol/L,溶液B中的溶质[X2]浓度为1mmol/L,那么A溶液中的溶质[X1]分子与该侧半透膜壁碰撞的概率远远高于溶质分子[X2]与溶液B侧的半透膜壁碰撞的概率。这样,当两种溶液中的特定溶质浓度梯度最大时,该溶质从溶液A到溶液B的净转运速率也达到最高值。
(二)溶质的相对分子质量
溶质的分子量越大,其通过半透膜的转运速率越低。运转速率与分子量负相关。例如,分子量为200道尔顿的分子与分子量为100道尔顿的分子相比,前者的运转速率较慢。高速率运动的分子与膜壁碰撞频率高,其通过半透膜的转运速率就高。大分子物质运动速率低,与膜壁的碰撞频率低,通过半透膜孔的速率也慢,故清除率低。溶质的分子量与其大小密切相关。若溶质分子大小近似于或超过膜孔的大小,半透膜会部分或完全阻挡溶质的通过。
(三)膜的阻力
膜的阻力包括膜本身的阻力与膜两侧液体滞留层所造成的阻力。
1.膜本身的阻力
膜的面积、厚度、结构、孔径的大小和膜所带的电荷等决定膜的阻力。膜的面积影响小分子物质的清除率,但对大分子物质影响不大。而膜的结构对各种分子量的溶质均有明显的影响,如纤维素膜的孔道弯曲,彼此间有交通支、阻力大,分子量相同的小分子物质弥散量也较合成膜低;合成膜壁薄,孔道直,无交通支,阻力小。凡能通过膜孔的溶质,无论大小,其弥散量基本相同。膜的亲水性与疏水性和电荷可将蛋白质吸附于膜上,从而影响溶质的转运。
2.膜两侧滞留液体层的阻力
半透膜两侧液体的滞留液体层降低了膜表面的有效浓度梯度,故能阻碍溶质分子扩散。透析液和血液流速、透析机类型均能影响膜液体层厚度。
3.血液与透析液流速
增加血液与透析液流速可最大限度地保持溶质的梯度差,降低滞留液体层的厚度,减少膜的阻力。
一般情况下,透析液流速为血液流速的两倍,最有利于溶质的清除。增加透析液的流速将消耗更多的透析液,提高透析费用。增加血液流速可提高小分子溶质的清除率。
(四)透析器效率的影响
高效率透析器具有大面积、大孔径的薄膜,并可使血液和透析液获得最大接触,这样的透析器对代谢废物清除率更高。
【超滤】
一、概述
超滤(对流)是溶质通过半透膜转运的第二种机制。水分子小,能够自由通过所有半透膜。当水分子在静水压或渗透压的驱动下通过半透膜时就发生超滤,溶质随水分子等浓度通过膜孔而得到清除,称为溶剂拖拽。超滤过程中大分子溶质,尤其是大于膜孔的分子无法通过半透膜,半透膜对这些大分子溶质起到了筛滤作用。血液滤过既利用此原理,超滤时,反映溶质被滤过膜滤过的参数称为筛选系数,等于超滤液中某溶质的浓度除以血液中的浓度。利用对流清除溶质的效果主要由超滤率和膜对此溶质的筛选系数两个因素决定。
二、超滤的动力
透析膜血液侧为正压,透析液侧由于负压泵抽吸而为负压,两者差值为跨膜压(TMP)。跨膜压为超滤的动力,由静水压和渗透压组成。
(一)静水压超滤
透析器血液侧与透析液侧之间的静水压差(ΔP)决定超滤的速度。透析机中的半透膜对水的通透性高,但变动范围很大,它取决于膜厚度和孔径大小,并可用超滤系数(Kuf)来表示。
(二)渗透超滤
当两种溶液被半透膜隔开,溶液中溶质的颗粒数不等时,水分子向溶质颗粒数多的一侧流动,在水分子流动的同时也带着溶质通过半透膜。水分子移动后将使膜两侧的溶质浓度相等,渗透超滤也停止。因此这种超滤是暂时性的。
三、影响超滤的因素
(一)膜的特性
每批生产的膜性质不尽相同。
(二)消毒
可使膜孔皱缩。
(三)血液成分
血浆蛋白浓度、血细胞比容以及血液黏滞度影响超滤率。
(四)液体动力学
膜表面的切变力或浓度梯度影响滤过量。
(五)温度
血液透析或血液滤过时,温度与超滤率呈直线关系。
【吸附】
通过正负电荷的相互作用使膜表面的亲水性基团选择性吸附某些蛋白质、毒物或药物,如β2-微球蛋白、补体、内毒素等。膜吸附蛋白质后可使溶质的清除率降低。
正常肾脏对与蛋白结合的有机酸和有机碱有解毒作用。与蛋白结合的分子仅有少量经肾小球滤过,在小管周围毛细血管网,这些物质却能与白蛋白分离并被近端小管细胞摄取,然后被分泌入小管腔,随尿液排泄。在近端肾小管,滤过的蛋白质及与其结合的物质都发生了分解代谢。
血液透析对与蛋白结合物质的清除一方面取决于血浆中该化合物游离部分所占的比例,另一方面取决于蛋白结合部分解析的快慢程度。运用炭吸附进行血液灌注可有效地降低蛋白结合化合物的血液浓度,但不能常规用于尿毒症的长期治疗。
(徐德超 徐成钢)
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