Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnych

z przedmiotu:

Implanty i sztuczne narządy

Temat: Badanie procesu dyfuzji przez membranę półprzepuszczalną.

___________________________________________________________________

Wydział Informatyki i Nauki o Materiałach

Kierunek: Inżynieria Biomedyczna

Opracowała: Magdalena Antonowicz

Promotor: dr inż. Piotr Duda

Sosnowiec 2014

1.   WSTĘP TEORETYCZNY

1.1 NERKI JAKO NARZĄD LUDZKI

Układ moczowy składa się z czterech elementów: nerek, moczowodów, pęcherza moczowego oraz cewki moczowej, z czego trzy ostatnie tworzą drogi wyprowadzające mocz na zewnątrz organizmu (rys.1). W nerkach jest wytworzony mocz, który zostaje odprowadzony poprzez moczowody do nieparzystego pęcherza moczowego, będącego zbiornikiem moczu, a następnie wypływa on na zewnątrz poprzez cewkę moczową [1].

Rys.1  Układ moczowy [19]

Najważniejszym narządem tego układu są nerki. Są to parzyste narządy, przypominające kształtem ziarno fasoli, każda wielkości pięści [2].

Na przekroju podłużnym nerki wyróżnia się: korę, rdzeń oraz miedniczkę nerkową wraz
z moczowodem (rys.2). Kora nerki stanowi warstwę obwodową nerki o grubości od 5 - 7 mm, jest jasna i drobnoziarnista. Rdzeń nerki tworzy warstwę wewnętrzną, jest zdecydowanie ciemniejszy
i podłużnie prążkowany. Kora wnika w rdzeń, tworząc słupy nerkowe, które dzielą rdzeń na 8 - 17 piramid nerkowych. Piramidy te swoimi podstawami przylegają do kory, a wierzchołkami, zwanymi brodawkami nerkowymi, zbiegają się ku centralnej części nerki, uchodząc do kielicha nerkowego. Każdy kielich nerkowy wychwytuje mocz ostateczny i odprowadza go do miedniczki nerkowej, który następnie odprowadzany jest przez moczowody do pęcherza moczowego [2].

Rys.2 Budowa wewnętrzna nerki [19]

Nerki są odpowiedzialne za:

·           utrzymanie równowagi biochemicznej oraz wodno-elektrolitowej, czyli homeostazy całego organizmu,

·           usuwanie zbędnych i szkodliwych produktów przemiany materii,

·           nerki biorą udział w regulacji objętości płynów ustrojowych, a przez to wpływają na ciśnienie tętnicze krwi – dzięki układowi renina – angiotensyna - aldosteron.

·           w nerkach produkowana jest też erytropoetyna, która niezbędna jest do prawidłowego wytworzenia krwinek czerwonych. Dzięki funkcji zakwaszania moczu, nerki wpływają także na równowagę kwasowo-zasadową organizmu, czyli głównie na pH krwi.

·           kolejną funkcją nerek jest produkcja aktywnej postaci witaminy D3, która ma wpływ na układ kostny [2].

1.2 NIEWYDOLNOŚĆ NEREK

Niewydolność nerek to stan upośledzenia funkcji nerek, charakteryzujący się spadkiem filtracji kłębuszkowej [3].

Wyróżnia się dwa rodzaje niewydolności nerek:

·           Ostrą niewydolność nerek (ONN), będąca nagłym upośledzeniem czynności nerek prowadzącym do zalegania produktów przemiany materii w ustroju. Ostra niewydolność nerek dzieli się na przednerkową, nerkową oraz pozanerkową.

·           Przewlekłą niewydolność nerek (PNN), będącą nieodwracalnym stanem uszkodzenia kłębuszków nerkowych oraz włóknienia miąższu, ze zmniejszeniem liczby czynnych nefronów. Prowadzi do upośledzenia funkcji homeostatycznej nerek, wewnątrzwydzielniczej oraz wydalniczej [4].

Przyczyną przewlekłej niewydolności nerek są choroby kłębuszków nerkowych, choroby cewkowo-śródmiąższowe, nefropatia cukrzycowa, choroby z towarzyszącymi torbielami nerek czy też choroby naczyń. Forma leczenia jest wybierana w zależności od zaawansowania choroby oraz stanu nerek. Leczenie może być farmakologiczne, chirurgiczne czy też dietetyczne w przypadku zachowanej wydolności nerek [5]. W przypadku kiedy nerki są niewydolne, największą szansą na powrót do normalnego życia oraz odbudowę zdrowia jest leczenie nerkozastępcze takie jak:

·           Hemodializa - polega na wymianie substancji między krwią a płynem dializacyjnym poprzez błonę półprzepuszczalną. Wykorzystuje się w niej takie zjawiska fizyczne, jak dyfuzja czy ultrafiltracja [1].

·           Dializa otrzewnowa - polega na wymianie przez błonę półprzepuszczalną substancji drobnocząsteczkowych, średniocząsteczkowych oraz wody. Błoną półprzepuszczalną jest otrzewna czyli odpowiednik błony dializacyjnej sztucznej nerki. Między krwią przepływającą naczyniami krwionośnymi błony otrzewnowej a płynem dializacyjnym, który znajduje się w jamie otrzewnej zachodzi ta właśnie wymiana. Wraz z płynem dializacyjnym usuwane są z organizmu nadmiar wody oraz produkty przemiany materii [7].

·           Transplantacja nerki - Transplantacja to inaczej przeszczep. Przeszczepianie nerek jest to uznana metoda leczenia schyłkowej niewydolności nerek, przywraca prawidłową homeostazę wewnątrzustrojową oraz czynność endokrynową oraz zapewnia lepszą jakość życia [8].

1.3 PROCESY MEMBRANOWE

Procesy membranowe należą do grupy technik, w których są rozdzielane składniki mieszaniny zarówno ciekłe jak i gazowe.

Właściwościami procesów membranowych są:

·           Rozdzielanie przebiega w sposób fizyczny, tzn. rozdzielane składniki nie ulegają przemianom termicznym, chemicznym ani biologicznym. Dlatego, przynajmniej z zasady, możliwe jest odzyskiwanie i ponowne zastosowanie składników mieszaniny.

·           Istnieje możliwość dostosowania rozdzielania membranowego do każdej skali produkcyjnej ze względu na budowę modułową procesu [9].

Celem procesu membranowego jest:

·           usunięcie rozpuszczalnika czyli zatężenie np. poprzez eliminacje wody,

·           usunięcie zanieczyszczeń czyli oczyszczanie np. z toksyn,

·           rozdzielenie substancji w roztworze lub mieszaninie na dwa lub więcej składników czyli frakcjonowanie [10].

Metody membranowe, takie jak: hemodializa, dializa otrzewnowa, hemofiltracja, plazmafereza, filtracja kaskadowa największe zastosowanie znalazły przy usuwaniu substancji rozpuszczonych we krwi. Większość procesów zachodzących w ludzkim organizmie, wiąże się z rozdzieleniem substancji czy gazów, są to mechanizmy, w których główną rolę odgrywa błona półprzepuszczalna [9].

1.4 BŁONA PÓŁPRZEPUSZCZALNA

Błona półprzepuszczalna zwana membraną stanowi barierę oddzielającą dwie fazy o różnym stężeniu. Membrana półprzepuszczalna jest filtrem, który zatrzymuje jeden ze składników rozdzielonej mieszaniny (retentant) a drugi przepuszcza(filtrat). Otrzymane dwa roztwory powstają z roztworu początkowego zwanego nadawą. Membrana może działać w transporcie materii jako pasywna lub aktywna przegroda. W zależności od właściwości membrany mogą być również rozdzielane cząsteczki o różnych rozmiarach: począwszy od mikrometrów do nanometrów [9].

Ważnymi właściwościami membrany są:

·           selektywność czyli miara wskazująca na możliwość rozdzielenia dwóch składników względem siebie,

·           wydajność czyli strumień osiągalny w danych warunkach procesowych [9].

Membrany stosowane jako błony dializacyjne w procesie dializy są membranami syntetycznymi. Zadaniem błony dializacyjnej jest odseparowanie krwi od płynu dializacyjnego z równoczesną wymianą substancji w dializatorze. Membrany te w zależności od materiału dzielą się na następujące grupy:

·           błony celulozowe – otrzymywane z celulozy,

·           błony zbudowane z octanu celulozy – zbudowane z celulozy, grupy hydroksylowe związane są z octanami,

·           błony celulozosyntetyczne - zbudowana z połączenia płynnej celulozy z materiałem syntetycznym,

·           błony syntetyczne - zbudowane z materiałów takich jak: polisulfony, poliamid, polimetylometakrylat [11].

Idealna błona dializacyjna powinna mieć dużą przepuszczalność dla małych cząsteczek, selektywnie eliminować toksyny mocznicowe, być przepuszczalna dla wody, eliminować średnie i duże cząstki przy jednoczesnej utracie albumin.

1.5 MECHANIZMY TRANSPORTU PRZEZ BŁONĘ PÓŁPRZEPUSZCZALNĄ

Dyfuzja przez błonę półprzepuszczalną

Jak wiadomo dyfuzja polega na przechodzeniu cząsteczek substancji rozpuszczonych w wodzie przez błonę półprzepuszczalną (rys.3) [12].

Biorąc dwa roztwory, A i B, które są rozdzielone błoną półprzepuszczalną, przyjmuje się, że cząsteczki substancji A poruszają się w różnych kierunkach, co powoduje zderzenie się z błoną. Gdy cząsteczka ta trafi na kanał czyli porę o wystarczającej wielkości, to przejdzie przez błonę do roztworu B. Może także nastąpić sytuacja kiedy to cząsteczka z roztworu B przejdzie do roztworu A [12].

Masa cząsteczkowa, oporność błony półprzepuszczalnej oraz gradient stężeń substancji rozpuszczonych w roztworze A i B mają wpływ na szybkość dyfuzji.

Rola dyfuzji w układzie hemodializacyjnym ma na celu oczyszczenie krwi z produktów przemiany materii, które przechodzą do płynu dializacyjnego przez błonę dializacyjną [12].

Rys.3  Proces dyfuzji [21]

Osmoza

Osmoza to rodzaj dyfuzji. Osmoza to proces polegający na przepływie rozpuszczalnika do bardziej stężonego roztworu przez membranę półprzepuszczalną. Jest to membrana przez którą przechodzi rozpuszczalnik, a dla substancji rozpuszczonej stanowi barierę. Błona półprzepuszczalna oddziela roztwory o różnych stężeniach. Przez to, że błona jest półprzepuszczalna mogą przez nią przenikać tylko pewne rodzaje cząsteczek bądź jonów. Ciśnienie potrzebne do zatrzymania przepływu rozpuszczalnika nazywamy ciśnieniem osmotycznym. Ciśnienie osmotyczne to różnica ciśnień wywieranych na błonę półprzepuszczalną przez dwie ciecze, które są przez nią oddzielone. Różnica stężeń związków chemicznych bądź jonów w roztworach po obu stronach membrany oraz dążenie układu do ich wyrównania to przyczyny pojawienia się ciśnienia osmotycznego [13].

Rys.4  Schemat osmozy [22]

W dializatorach nerek stosuje się proces osmozy, w celu oczyszczenia krwi. Krew do oczyszczenia jest umieszczana z jednej strony błony półprzepuszczalnej natomiast po drugiej stronie płyn dializacyjny. Błona umożliwia przepływ małych rozpuszczonych cząstek – sole nieorganiczne oraz mocznik a zatrzymuje krwinki i białka osocza [14].

1.6 POTENCJAŁ WODORU – pH I SPOSOBY POMIARU

Wielkość pH czyli miara kwasowości lub zasadowości roztworu, jest cechą określającą, czy w roztworze znajduje się nadmiar jonów wodorowych H+ czyli odczyn kwaśny lub nadmiar jonów wodorotlenowych OH- czyli odczyn zasadowy, czy też one są w równowadze czyli odczyn obojętny [15].

Miarę pH wprowadził S.P.L. Sörensen w roku 1909 w celu uproszczenia sposobu podawania stężenia jonów wodorowych. pH zdefiniowano jako ujemny logarytm ze stężenia jonów wodorowych określona równaniem:

                                                        pH= -lg cH+ ;         cH+ =10-pH moll                                          (1)

Czysta woda, w której stężenie jonów wodorowych w temperaturze 25⁰C wynosi 10-7 mollwskazuje na wartość pH=7. Jeśli wartość pH roztworów w temperaturze 25⁰C wynosi 7 to roztwory te są roztworami obojętnymi. Stężenia jonów wodorotlenowych w tych roztworach są równe  stężeniom jonów wodorowych.

Roztwory, których pH< 7 są roztworami kwaśnymi, natomiast roztwory o pH>7 są roztworami zasadowymi. Wartość pH=0  odpowiada kwaśnemu roztworowi o stężeniu jonów wodorowych równemu 1 moll.. Natomiast wartość pH=14 odpowiada roztworowi zasadowemu, o stężeniu jonów wodorotlenowych równemu 1 moll. Wartość pH dla dowolnego stężenia cH+ można obliczyć w podobny sposób (rys.5) [16].

Rys.5 Graficzny wykres przedstawiający zależność między pH a stężeniem jonów wodorowych i wodorotlenowych [20]

Najbardziej precyzyjnym pomiarem pH jest pomiar pHmetrem.  Po zanurzeniu elektrody wodorowej w badanym roztworze można odczytać pomiar pH.

Współczesny pHmetr składa się z elektrody szklanej i ekranu elektrycznego. Elektroda szklana jest wykonana z bardzo cienkiego szkła - jest to szklana rurka zakończona cienkościenną banieczką ze szkła elektrodowego. We wnętrzu tej banieczki i rurki znajduje się:

·           elektrolit o stałym stężeniu, stężenie to najczęściej jest stałe i wynosi 0,1 mol/l kwasu solnego,

·           elektroda wyprowadzająca, najczęściej chlorosrebrowa, która zachowuje stały potencjał w środowisku o niezmiennym stężeniu jonów Cl-.

Elektrodę szklaną należy przechowywać zanurzoną w nasyconym roztworze chlorku potasu KCl [17].

Pomiar pH polega więc na porównaniu potencjału elektrody szklanej w roztworze badanym z ...