Исследование и разработка системы регенерации диализирующего раствора для гемодиализного аппарата

В медицине замещение техническими средствами недостаточных или полностью утраченных функций естественных органов стало принципиально новым методом регулирования состояния внутренней среды живого организма.

Внепочечное очищение крови коренным образом изменило ранее безысходную ситуацию, чем во многом способствовало прогрессу реаниматологии, трансплантологии, нефрологии, медицины катастроф.

Одним из универсальных и эффективных методов эфферентной медицины является гемодиализ. Сегодня в мире гемодиализ является в буквальном смысле «источником жизни» для многих сотен тысяч больных с хронической почечной недостаточностью, в терминальной стадии.

Число гемодиализных больных в мире растет очень быстро и составляет 1,5 млн. в 2004 году против 1 млн. в 2000 году [51].

Гемодиализ (ГД) является в нашей стране основным видом заместительной почечной терапии (ЗПТ), его доля в общей структуре ЗПТ в 2000 г. составляла 71%. В-то же время, в 52% субъектов Российской Федерации обеспеченность ЗПТ не достигала среднего по России уровня. Около 42% населения России имеет неудовлетворительную обеспеченность ЗПТ [6−7].

Серьезной проблемой остается низкая доступность диализа для жителей села и небольших городов, составляющих основную массу населения нашей страны. Главными причинами низкой обеспеченности и доступности являются практически неконтролируемый рост годовой стоимости гемодиализа, потребность модернизации оснащения отделений гемодиализа современным оборудованием. Согласно ежегодному отчету Российского регистра ЗПТ [7], в 2000 году в 18 отделениях из 127 отделений гемодиализа использовались отечественные аппараты «искусственная почка». Среди зарубежных аппаратов преобладали вступившие в эксплуатацию более 4 лет назад, а это 56,9% от их общего числа. Что касается годовой стоимости гемодиализа, то она в 1999 году выросла практически в 2 раза по сравнению с 1995 годом [51].

Отсюда следует, что проблемы, связанные с совершенствованием технического оснащения процесса внепочечного очищения крови, остаются по-прежнему актуальными.

При традиционном гемодиализе (без регенерации диализата), для достижения клинического эффекта расходуется в среднем на одну процедуру 150 200л диализата заданного состава. Для приготовления диализата используется весьма сложная и дорогостоящая система водоподготовки. В то же время, в России системами водоочистки все еще не оснащено 14% отделений гемодиализа [7].

Потребность в существенном снижении себестоимости этого вида искусственного жизнеобеспечения, повышения автономности аппаратуры, снижение расхода воды и реактивов приводит к поиску альтернативных методов гемодиализа.

Одним из этих методов является гемодиализ с регенерацией диализата.

В области разработки аппаратуры и систем регенерации диализата, безусловно, следует отметить богатый опыт зарубежных специалистов (С. Giordano, A. Gordon, К. Maeda, S. Yao и др.) в 80-х годах. Ими были разработаны и апробированы в клинической практике достаточно эффективные по тогдашним временам системы регенерации диализирующего раствора (REDY, ТМ-101).

В изучение электрохимических процессов регенерации диализирующего раствора и создание экспериментальных образцов отечественных аппаратов «искусственная почка» с регенерацией диализата весьма весомый вклад внесли А. И. Хайтлин, B.JI. Эвентов, С. И. Нефедкин, В. М. Гринвальд, В. А. Громыко, А. А. Яковлева и др.

Работы по исследованию принципов построения гемодиализной аппаратуры с регенерацией диализата проводились в ЗАО «ВНИИМП-ВИТА», ЭМЗ «Авангард», ВНИИЭФ, Уральском электрохимическом комбинате, Российском научном центре хирургии РАМН, МЭИ и НИФХИ им. Л. Я. Карпова.

Конкретные принципы регенерации диализата были опробованы на разработанных аппаратах ПЭИП-1, БРД-02, АДР-01, «Диарег» [19, 24, 38, 55].

Однако, из-за ряда нерешенных проблем регенерации диализата, эти аппараты не нашли реального применения в клинической практике.

Актуальность исследования обусловлена следующими факторами:

• необходимость развития альтернативных нетрадиционных методов внепочечного очищения крови;

• поиск новых возможностей оказания помощи больным с острой и хронической почечной недостаточностью;

• упрощение аппаратуры и снижение стоимости процедуры;

• уменьшение объема диализата;

• расширение сферы применения гемодиализа;

• повышение автономности аппаратуры. Цель работы и основные задачи исследования.

Целью настоящей диссертационной работы являются исследование принципов создания и разработка системы регенерации диализирующего раствора для гемодиализного аппарата.

Для достижения поставленной цели решались следующие научно-технические задачи:

1. Разработка принципов построения и техническая реализация системы регенерации диализата для гемодиализного аппарата.

2. Исследование и поиск оптимальных условий электрохимической регенерации отработанного диализирующего раствора.

3. Исследование сорбционных процессов и экспериментальное выявление сорбентов для регенерации диализирующего раствора.

4. Разработка способов очистки диализирующего раствора.

5. Изучение условий обезвреживания вредных газов, выделяющихся при электрохимической обработке диализирующего раствора.

Методы исследования.

Методологической основой проведенных исследований являются научно-технические публикации В. Л. Эвентова, С. И. Нефедкина, В. М. Гринвальда, посвященные вопросам изучения принципов построения аппаратов «искусственная почка» с регенерацией диализата.

Поставленные задачи рассматривались в совокупности и решались с позиции комплексного подхода. При этом использовалось тесное сочетание теоретических и экспериментальных методов исследований.

Экспериментальные исследования проводились с использованием моделированных макетов и изготовленных опытных образцов отдельных узлов аппарата.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Режимы электрохимической регенерации диализирующего раствора, обеспечивающие адекватную скорость разложения продуктов почечного метаболизма.

2. Способ очистки диализата, путем защиты электролизера от оседания шлаков на электродах.

3. Сорбционные характеристики сорбентов, обеспечивающие полную элиминацию вредных продуктов электролиза из отработанного диализата.

4. Способ очистки отработанного диализата, включающий в себя создание двух контурной системы в диализном контуре.

5. Способ обезвреживания вредных газовых компонентов и состав нейтрализатора, реализующий данный способ.

Научная новизна работы:

— изучены и определены оптимальные условия проведения электрохимического разложения уремических метаболитов. Благодаря разработанному алгоритму управления электролизером и использованию датчика концентрации мочевины, реализован щадящий режим для электролизера и минимизировано количество образующихся вредных компонентов в диализирующем растворе;

— на основе исследований сорбционных характеристик, предложены конкретные типы сорбентов для элиминации гипохлорита, нитратов и др. вредных компонентов из отработанного диализата;

— впервые разработан и реализован способ защиты электролизераот ионов Са2+ и которые оседают на* электродах в виде шлаков: Данный способ значительно увеличивает срок эксплуатации дорогостоящего электролизера с платинированными электродами и сокращает время на его обслуживание;

— впервые предложена двухконтурная система для диализного контура, что позволила почти вдвое сократить количество применяемых сорбентов и в 1,7 раз увеличить скорость разложения мочевины электролизером;

— предложен и апробирован комплексный состав нейтрализатора для обезвреживания газов, образующихся при электрохимической обработке диализата;

Практическая ценность работы и реализация результатов работы.

Работа по указанным научнотехническим задачам потребовала применение совокупных знаний в различных областях науки (медицина, медицинское приборостроение, электрохимия, химия, биология и др.). Полученные результаты существенно дополняют и расширяют знания и опыт работы в области разработки мобильной гемодиализной аппаратуры нового поколения, которая создает возможность проведения процесса гемодиализа в условиях отсутствия специализированных систем водоочистки.

С учетом результатов исследований и рекомендаций автора изготовлены опытные образцы блока электрохимической регенерации БЭР-01 и гемодиализного аппарата с регенерацией диализирующего раствора. Гемодиализный аппарат АГДР-1И1Н-01 прошел технические испытания при участии американских специалистов из фирмы «Фрезениус» и Нью-Йоркского института почки, а также при ОАО НПО «Экран» (г. Москва).

Результаты технических испытаний и технические характеристики гемо-диализного аппарата с регенерацией диализата, представлены в следующих документах:

• протокол испытаний гемодиализного аппарата с регенерацией диализирующего раствора, проведенных российскими и американскими специалистами- (Приложение 1);

• совместное решение участников научно-технического совещания по итогам выполнения проекта МНТЦ 2427 (Приложение 2);

• протокол стендовых испытаний аппарата при ОАО НПО «Экран» (Приложение 3);

• протокол № 14 токсикологических исследований отработанных растворов от аппарата «искусственная почка» (Приложение 4).

• основные медико-технические характеристики гемодиализного аппарата с регенерацией диализирующего раствора АГДР-1И1Н-01' (Приложение 5).

Испытания полностью подтвердили достоверность полученных теорети-: ческих и экспериментальных результатов исследований.

Личный вклад автора заключается:

1. В разработке программ и методик исследований для поиска опти-: мальных условий электрохимической регенерации диализирующего раствора.

2. В планировании и моделировании проведенных экспериментов.

3. В исследовании и обосновании сорбентов для очистки электрохимически обработанного диализата. <

4. В разработке способов очистки диализирующего раствора и устройств для их осуществления.

5. В исследовании и обосновании способа обезвреживания газов, образующихся при электрохимической обработке диализата и состава нейтрализатора.

6. В разработке методик анализа компонентов модельного и диализирующего растворов.

Апробация результатов работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались:

• на семинаре по проблемам разработки блока электрохимического окисления продуктов гемодиализа в Ливерморской национальной лаборатории (г.Ливермор, США, 2001 г.);

• на VII научно-практической конференции хирургов Федерального управления «Медбиоэкстрем», «Актуальные вопросы гнойно-септической хирургии» (г. Саров, 2004 г.);

• на IV конференции Российского диализного общества (г. С-Петербург, 2005 г.);

• на семинаре по подготовке и проведении испытаний аппарата «искусственная почка» с регенерацией диализирующего раствора (г.Новый Орлеан, США, 2005 г.);

• на научно-техническом семинаре по результатам испытаний аппарата с регенерацией диализата (г.Лас-Вегас, США, 2006 г.);

• на VII международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (ФРЭМЭ-2006, г. Суздаль, 2006 г).

Публикации.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах. По теме диссертации получены 2 патента РФ.

Объем и структура диссертации.

Диссертация изложена на 169 страницах, содержит 38 рисунков, 32 таблицы и состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и 5 приложений. Библиографический список содержит 87 наименований.

Выводы:

1. Разработана и реализована целостная система регенерации отработанного диализата для гемодиализного аппарата. Реализация системы регенерации осуществлена в разработанном автономном гемодиализном аппарате с регенерацией диализата АГДР-1И1Н-01. Система регенерации диализата включает в себя следующие стадии: предварительное удаление ионов Са2+ и электрохимическое окисление органических метаболитов на электролизере, сорбционная очистка от вредных продуктов электролиза, коррекция ионного состава диализата.

2. Исследованы и определены оптимальные условия проведения электрохимической регенерации отработанного диализата. Установлено, что процесс электрохимического окисления органических продуктов почечной недостаточности наиболее эффективно протекает при стабилизированном токе на электролизере, равном 20−21 А. По мере уменьшения количества мочевины, поступающего в диализи-рующий контур, необходимо изменять режим питания секций электролизера.

3. Благодаря разработанному алгоритму управления электролизером и использованию датчика концентрации мочевины, реализован щадящий режим для электролизера и минимизировано количество образующихся вредных компонентов в диализирующем растворе. Алгоритм управления электролизером позволяет автоматизировать контроль за процессом гемодиализа и обеспечивает его адекватность. Рекомендованный алгоритм управления электролизером следующий: При концентрации мочевины в диализном контуре более 0,8 г/л ток -6 А, при концентрации 0,8−0,5 ток 5 А, при дальнейшем снижении концентрации мочевины, могут отключаться одна или две секции электролизера. Управление электролизером осуществляется в автоматическом режиме в соответствии с сигналами датчика концентрации мочевины.

4. Предложен и реализован способ защиты электролизера от ионов Са2+ и которые оседают в межэлектродном пространстве в виде шлаков. Суть предложения заключается в том, что диализат у входа электролизера проходит через катиоо I ОЛ" нит КУ 2−8 чС, и очищается от ионов Са и М^-. В последующем проводится коррекция ионного состава отработанного диализата по ионам Са" и, ин-фузионным насосом. Это значительно увеличивает срок эксплуатации дорогостоящего электролизера с платинированными электродами и сокращает время на его профилактическое обслуживание. Концентрация корректирующего раствора и скорость его инфузии, рассчитаны и экспериментально подтверждены.

5. Предложено разделить диализный контур на два самостоятельных контура с разными скоростями диализата — 500 мл/мин. и 300 мл/мин., соответственно. Благодаря этому предложению удалось уменьшить линейную скорость прохождения диализата через электролизер и блок сорбционной доочистки, увеличить тем самым, время контакта диализата с регенератором и сорбентами. В результате реализации двухконтурной системы, удалось почти вдвое сократить количество применяемых сорбентов и в 1,7 раз увеличить скорость разложения мочевины электролизером.

6. На основе исследований сорбционных характеристик, определены конкретные типы и количественный состав сорбентов для элиминации гипохлорита, нитратов и др. вредных компонентов из отработанного диализата.

7. Предложенный комплексный состав нейтрализатора, гарантированно обезвреживает образующиеся при электролизе диализата вредные газы. В комплексном нейтрализаторе использован палладийсодержащий катализатор КП-Г (175 г), для удаления водорода, гопкалитовый патрон для окисления окиси углерода и плавленый КОН (150 г) для нейтрализации кислых продуктов.

Заключение

.

Интерес к проблемам искусственного жизнеобеспечения всегда стимулировал развитие новых альтернативных методов и технических средств экстракорпорального очищения крови. Разработка методов регенерации диализирую-щего раствора на наш взгляд, является одним из перспективных направлений развития гемодиализной техники.

В настоящей диссертационной работе приведены результаты исследований по разработке регенерационной системы, основанной на электрохимическом разложении органических продуктов почечного метаболизма в сочетании с сорб-ционной доочисткой. Доказано, что разработанная система регенерации не уступает известным методам регенерации диализата.

Разработанный гемодиализный аппарат с регенерацией диализата АГДР-1И1Н-01 в полной мере удовлетворяет медико-техническим требованиям по обеспечению регенерации диализирующего раствора: разлагает азотосодержащие уремические метаболиты, утилизирует вредные побочные продукты электролиза, поддерживает ионный состав отработанного диализата в установленном диапазоне.

По своим медико-техническим характеристикам, аппарат вполне сопоставим с традиционными гемодиализными аппаратами «на слив», имея при этом ряд преимуществ:

— автономный, мобильный, легко перевозится автомобильным и другим транспортом;

— не требует специальной высокопроизводительной системы водоподготовки;

— малый объем рециркулируемого диализата (5−7 л).

Установлено, что за 4 часа гемодиализа аппарат удаляет из организма пациента: мочевины — до 40 г, креатинина — до 4 г, мочевой кислоты — до 3.5 г, калия.

— до 5 г. фосфора — до 2 г.

Разработки защищены 2 патентами РФ.

Такой аппарат в перспективе может найти применение:

— в клинических учреждениях регионов с ограниченной или полностью отсутствующей специальной системы водоподготовки;

— в чрезвычайных ситуациях в полевых госпиталях;

— в передвижных средствах медицинского назначения;

— для проведения гемодиализа в домашних условиях.

Разработанная система регенерации может стать основой для создания портативной или «носимой» почки, например, при перитонеальном диализе.

Управляющая схема электролизером вместе с датчиком мочевины, можно успешно применять в составе любого гемодиализного аппарата для мониторинга концентрации мочевины в отработанном диализате, с целью оценки количества удаленной мочевины из организма пациента.