透析基本原理

人体有两个肾,正常成年人肾大小约12cmX6cmX3cm,重量为120～150g.每一个肾约有120万个肾单位.肾单位包括肾小球和肾小管,肾小球由一团毛细血管丛和球囊组成.两侧肾血管丛总滤过面积为1.5m2.肾小球毛细血管壁有3层:毛细血管内皮层、基膜层和外层;基膜是滤过膜的主要屏障,孔径7.5～10nm,小分子物质及菊粉(分子量5.2kDa)可以自由通过该层.肾小管起始于肾小球囊,总长约112km,分为近曲小管、髓襻和远曲小管,最后连接于集合管,开口于肾盂,汇集于肾盂.肾小球主要有滤过作用,滤过率125ml/min,24h约为180L.肾小管主要有重吸收功能,将滤液中大部分水、电解质、葡萄糖以及其他小分子物质吸收入血液,每天仅排出尿量约2.0L.

血液透析通过透析膜(一种半透膜)将血液和透析液这两部分液体分开.尿毒症患者血液中积聚了大量的液体和毒素,这样在血液和透析液之间构成浓度差(浓度梯度),溶质转运主要依赖跨透析膜的两种物理机制:扩散和对流转运.将尿毒症患者积聚的液体和毒素经透析膜从浓度高的血液向浓度低的透析液一侧流动,并被清除出体外,从而替代丧失功能的肾.

一、扩　散

血液透析治疗的基本机制是通过半透膜(透析膜)的物质转移.这一过程综合了透析膜的扩散、对流和超滤的物理过程.扩散是指溶质通过半透膜从一个液区进入另一个液区,它的驱动力是两个液区之间溶质的浓度梯度.这是血液透析时毒素清除的基本机制.在扩散过程中、尿毒症时积聚的小分子量(分子量<300Da)物质,例如尿素等能顺其化学浓度梯度经半透膜,自浓度高的血液一侧向浓度低的一侧透析液移动,并随透析液的排出被清除.另一方面,机体所需要的某些物质,如Ca及缓冲碱(如碳酸氢盐),可自浓度高的透析液一侧经透析膜扩散进入浓度低的血液一侧.各种物质通过半透膜扩散的量(溶质通量)是其浓度梯度及物质转运(面积)系数的乘积.KOA反映了膜通透性、膜厚度及有效面积的特性.在一定温度下,溶质的扩散量与浓度梯度及膜面积成正比,与膜厚度及阻力成反比.小分子量溶质的清除主要依靠扩散,例如尿素和肌酐,扩散转运占这一类溶质转运的90%～95%.

二、对　流(https://www.daowen.com)

当水通过透析膜大量移动时会拖曳溶质一起移动,这一溶质拖曳现象称之为对流转运.弥散传质是溶质与溶剂的分子热运动的结果,对流涉及的是在外力作用下溶质、溶剂或整个溶液传质过程.它的传质推动力并非是浓度差,而是力学强度的差别,如压力差.因此,它涉及的是运动着的流体与界面之间的质量传递(传质)的问题.对流转运是一种伴随大量液体经透析膜移动同时发生的溶质被清除的物理现象.对流的传质过程比弥散快得多;对流可在单相、二相或多相间发生.而在对流转运过程中,这不同于扩散转运.

三、滤　过

如用一个滤过膜将血液和滤过液分开,膜两侧有一定的压力差,血液中的水分在负压吸引可由血液侧对流至滤过液侧,血液中一定分子量的溶质也随着水分的传递从血液进入滤过液.这样一个跨膜对流传质的过程称为滤过.血液滤过就是基于这个原理发展起来的,溶质的跨膜对流传质,同样遵循物理学中质量守恒定律.溶质的对流传质速率与传质面积、传质推动力成正比.肾脏替代治疗(renal replacement therapy,RRT)中的血液滤过是一种单纯的对流模式治疗.它大大改善了中分子毒素的清除率,但对小分子物质清除率差.血液滤过治疗需使用灭菌、无致热源的置换液.血液滤过的清除率不依赖溶质的浓度梯度,而直接与超滤量有关,扩散的清除率与分子量大小有关.

四、吸附与灌流

由于材料的分子化学结构和极化作用,许多材料表面带有不同基团,在正、负电性的作用下或在分子间力的作用下,许多物质可以被材料表而所吸附.如一些膜材料表面的亲水基团可以选择性地吸附蛋白质、药物及有害物质(如β-微球蛋白、内毒素、补体等).若将材料制成具有孔道结构,有丰富的大孔、中孔及微孔,大孔及中孔主要是溶质的通道,大量的微孔具有一定的孔径和孔容,形成相当大的比表面.这种具有微孔结构的球形吸附剂,一般采用微囊进行包膜.血液中的溶质直接与其接触到达吸附剂表面,经扩散通过微囊膜进入吸附剂的大、中孔道,最后才进入微孔,在静电作用或范德华力作用下被吸附.若吸附剂表面固定有抗原、抗体,则利用生物亲和力也能将血液中相应的抗体、抗原吸附.血液和吸附剂直接接触,溶质分子通过生物亲和力、静电作用力和范德华力被吸附剂吸附的过程称为血液灌流.血液灌流中溶质分子通常被对流、扩散至吸附剂表面,再被吸附剂吸附.由于吸附剂内部的比表面非常大,故而传质阻力多集中在吸附剂的表层.