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Assem也是Elmoselhi哈姆迪,艾哈迈德Shoker, ”理论的应用不可逆热力学原理(非平衡)增强溶质在Nanofabricated血液透析膜通量”,国际肾脏病学会杂志, 卷。2012年, 文章的ID718085年, 9 页面, 2012年。 https://doi.org/10.1155/2012/718085
理论的应用不可逆热力学原理(非平衡)增强溶质在Nanofabricated血液透析膜通量
文摘
客观的。纳米技术有可能改善血液透析膜技术。因此,一个主要目的是了解如何加强有毒溶质在这些膜通量。这个概念建筑研究的目的是审查的应用不可逆热力学(IT)溶质通量。方法。我们扩大Nernst-Planck方程的应用包括Kedem-Katchalsky方程、pH值、膜厚度、孔隙大小和电势变量。结果。(1)减少膜的厚度25μ米到25 nm肌酐的通量增加,微球蛋白,肿瘤坏死因子-α(肿瘤坏死因子-α),但避免完全白蛋白通量一千倍,(2)应用的电势50 - 400 mV跨膜增强各自的分子的通量,,摩尔/ s,和(3)改变pH值从7.35到7.42改变了通量最低限度。结论。结果支持论证探讨它的应用研究的跨膜通量。减少膜的thickness-together电子潜在品质实现了纳米技术的应用,可以提高尿毒症毒素的清除许多褶皱。然而,改变pH值在一个特定的膜厚度不影响通量显著。
1。介绍
不可逆热力学(非平衡)(它)是一个描述性的和强大的工具来描绘的贡献力量负责流体跨膜运动。Soltanieh和吉尔(1]和Sievertsen [2]介绍优秀的评论总结之间的差异和动态交通模型。Kedem和Katchalsky3)强调,动力学方程描述体积和溶质流不能完全描述膜的物理行为。他们还指出定量无与伦比的渗透率数据通过不同的方法的结果。Kedem和Katchalsky解决这个问题通过应用方法解决膜运输过程。原则是确定组成部分,体制内的独立和基本流程(扩散、对流、等等…)。然后,每个过程是由一组通量和共轭力,哪里有一个力(流)和通量之间的关系(免费能源梯度)引起。所有这些并行过程的通量和共轭部队可以总结4,5]。
血液透析是治疗肾功能衰竭患者挽救生命的过程。血液透析治疗期间,人类血液透过半透膜去除保留毒素,因为肾衰竭。血液透析是他处的原则6- - - - - -10),超出了本文的范围。血液透析是一种不可逆转的,非平衡过程11]。事实上,血液透析在平衡不会吸引专业人士,因为,在平衡时,不会有流的毒素通过膜(2]。许多动力学模型被开发来描述流动的尿毒症毒素通过血液透析膜,但小学者注意到它有以下原因:(1)早期的模型,它是纯粹的扩散和对流项尽管失踪实验观察通量由对流和扩散通量。最终,一个模型,包含对流通量项开发,来填补这一缺口的模型(1]。(2)膜特性的基本知识缺乏,因此研究人员将他们的注意力集中学习更多关于膜的结构和属性如孔隙度、孔隙大小、曲折、渗透率、和溶质扩散系数通过他们…所有这些特征的知识将有助于预测膜的性能没有测试膜在实际操作条件下(2]。这促使研究人员朝这个方向。(3)研究人员面临新的障碍。在膜内,有墙和毛细管内的驱使进程空间,在血液透析膜,尿毒症溶质过滤必须长途旅行相比其最大尺寸(12]。复杂的膜结构,孔隙几何形状和大分子的阻碍运输液体毛孔领导研究的方向传输动力学(13,14]。
在模型在此基础上,膜被视为一个黑盒,过程发生在慢慢接近平衡状态的条件下,与没有知识的过程溶质通过膜迁移(1]。这模型和传统的动力学模型之间的区别对于接近溶质通量可以概括如下:它模型是影响压力和浓度(1]。动力学模型,另一方面,由溶质透析器的间隙,以及利率产生的毒素及其浓度(15]。
在大多数情况下,流量不是线性依赖于驱动力的浓度和压力。因此,它可以避免进入膜内解微分方程的细节。例如,Kedem-Katchalsky模型是相对不敏感的浓度和压力的驱动力。数值系数不是函数的驱动力模型。因此,减少实验来测量这些系数是必要的。有些模型比基于驱动力的敏感性系数。过滤过程的非平衡态是一个现实。研究表明,需要16到48小时盐7.5微米厚的扩散膜达到平衡(1]。
Nanofabricated膜是膜的新类,有很大的潜力,有效地分离中性或带电溶质。这些膜的特点是结构参数如膜厚度、孔隙半径,和电气性能16]。
nanofabricated血液透析膜的基本优势和目前使用的膜,前者可能产生厚度一样好25海里,这是薄的1000倍。纳米技术还可以产生纳米孔,使选择性清除尿毒症毒素,同时保留有益的,大的分子,如白蛋白、通过。将在下一节中,厚度可以转化为一个减少1000倍1000倍的通量增加一个尿毒症的分子。同时,nanofabricated膜的厚度相当的维度的尿毒症毒素分子。
到目前为止,实验nanofabricated膜,对于血液透析的应用程序,关注平板设计而非中空纤维的。在中空纤维过滤器、聚合物膜的结构特征是其曲折的孔隙度和孔隙大小分布广泛17]。相比之下,平板过滤器有一个控制孔隙大小分散但由硅(18和氧化铝19],脆性材料。选择硅和铝的原因2O3平板设计是他们的纳米加工技术是先进的,与其他材料相比也很成熟。生产nanofabricated血液透析膜的可行性,并应用在实践中,将取决于nanofabricated技术的进步,可以应用于材料比硅和铝更好的机械性能2O3。
2。结果
列出了所有的符号和缩写列表中定义。
2.1。包括延长Nernst-Planck pH值方程
质子动力是一个梯度影响跨膜运输。考虑以下两个氢离子反应(质子)减少: H2:(定义)H+:(按照惯例) 在那里,是标准的潜力。因此,潜在的差异
由于 在哪里H的分压吗2在37°C。
因此,我们扩大了Nernst-Planck方程如下: 用(5)(6),我们得到 注意,负号和表明是正数时,溶质迁移是一个梯度。换句话说,负号取消的沿负梯度方向积极的通量。因此,所有的数量可以有协同效应。
2.2。促进通量通过应用现有的膜电位
应用电位提高了通量的尿毒症毒素选择如下:肌酐: 为β2微球蛋白: 肿瘤坏死因子-α: 白蛋白,: 在哪里在摩尔/ s,和V电压。
2.3。扩展Nernst-Planck方程包括Kedem-Katchalsky方程
Nernst-Planck方程可以进一步扩展到包括Kedem-Katchalsky方程 在那里,是由超滤通量的贡献,膜的面积是(m2),液压膜的渗透性水,即单位面积上的水的体积流量的单位压力梯度膜(毫升/分钟/ m2/毫米汞柱),液压压力梯度从血液透析液路径路径(毫米汞柱),然后呢是血液的渗透压梯度路径透析液路径(~ 19毫米汞柱)
因此,延长Nernst-Plank方程可以写成:
请注意,(12)被乘以一个溶质浓度参数修改,Ω,需要平衡双方的单位(13)。我们应用上述方程对pH值说明通量的依赖,电势,为选定的尿毒症毒素和膜厚度:肌酐,β2微球蛋白,肿瘤坏死因子-α。图1显示了pH值对溶质通量的影响。这是说明图中pH值对通量的影响不大的具体厚度。同时,注意,白蛋白没有变化,这表明它不通过。图2说明了电势的影响溶质通量和膜厚度。在同一个图,表明电势的应用增加了这些分子的通量。两个数字1和2说明nanofabricated膜,25 nm厚,膜厚度大大增加了通量的减少。注意,通量增加了1000倍,当膜的厚度减少1000倍。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(一)
(b)
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(d)
(e)
(f)
3所示。讨论
3.1。应用Nanofabricated膜
在血液透析过程中,所表达的条件,熵是生成膜的单位体积的非平衡过程的速度dσ/dt。多个力量作用于系统中的物种同时导致同时通量。我们组共轭部队和通量(4)可表示如下: 在哪里是温度,熵(J /摩尔),是时间,是溶质的扩散通量物种,扩散系数,浓度梯度,ΔG吉布斯自由能,溶质的摩尔流量吗,溶质的化学势吗(11]。
良好的过滤过程的尿毒症毒素在血液透析膜,吉布的自由能的变化,ΔG,运输的物种是负的。ΔG越消极,更有利的交通将会继续。如果ΔG是正数或零,没有运输。
它处理血液透析膜的表面比表面积和厚度。nanofabricated膜的表面积与体积比高于合成血液透析膜。所有通量派生通过它直接与膜的表面积成正比,其厚度成反比。
3.2。促进通量通过应用现有的膜电位
如果我们检查扩展Nernst-Planck方程(20.),我们发现浓度和通量是一个函数的电势梯度。如果我们nanofabricate 25 nm厚,膜通量将3个数量级大于如果血液透析是追求使用25微米厚的血液透析膜。考虑 在哪里是分子通量(摩尔/ s),是膜的表面积(m2),是膜内的溶质的浓度(摩尔/ m3),价,是法拉第常数(库仑/摩尔),是气体常数,温度(K),跨膜的电势差,抛物型流体速度吗。
方程包含了阻碍因素和分别为扩散和对流(20.]。这些障碍归因于solute-wall水动力相互作用[21]。值得一提的是,由于随机形状的生物分子,分子通过膜的扩散系数将发生显著的变化(22]。
尽管使用的不断增加血液透析,筛选和传输机制还没有完全理解,和溶质的保留模型是不准确的。有必要理解传输机制和筛选过程我们可以开发更好的膜(2]。
通过控制膜的结构对孔隙度、渗透率、扩散率,等等,我们可以产生更精确的动力学模型,可以解释膜内的传输机制和筛选过程。新的设计参数如分子体积、形状、电荷、分子整合将主导筛选参数。
与新兴纳米技术和能力nanofabricate薄血液透析膜的纳米孔独特的几何构型和周期性,非平衡态热力学(不可逆)将发挥更大的作用在建模尿毒症毒素通过nanofabricated膜的通量。在当前使用的聚合物膜,厚度25微米,尿毒症毒素分子比旅行更长的距离他们的最大直径。这与旅游只有几次他们通过一个超薄nanofabricated膜厚度。
Nanofabricated膜技术可以利用创建一个整个血液透析膜的电势差。膜可以通过应用原子金属导电层表面。因此,有一个额外的推动力,即电势梯度。分子/离子溶质传输的过程在这个梯度被称为电迁移(23]。整个nanofabricated过滤膜也将由溶质浓度(扩散)、压力(对流),孔隙大小、分子电荷和表面张力。值得一提的是,合成膜的孔隙几何形状偏差可能导致溶质通过阻碍由于液压渗透率的变化(24- - - - - -26]。实验与导电层厚度、材料存放,是否直接或交流电将应用于膜是必要的,以确定最佳的电压和电流需要提高尿毒症毒素的间隙。
实现最优表面电势nanofabricated膜需要广泛的研究,尤其是在溶质通量和不够。尿毒症毒素表现出不同的电特性。而尿素没有净电荷(27),肌酐净正电荷(28)、白细胞介素- 6展示积极的表面电荷在不同的网站和表面负电荷在别人29日]。因此,广泛的研究应该追求最优设置标准可能需要产生最有效的溶质通量。研究证明膜控制潜在的证明我更多的生物相容性,并取得了改善间隙小的尿毒症毒素(30.]。
在1990年代,血液透析膜AN69,由聚丙烯腈(PAN),被认为是最可以使膜的生物相容性。AN69吸附带正电的蛋白质在其表面带负电荷。膜促进了过滤的β2-microglobulin和补体的激活,但与此同时,高分子量激肽原吸附。这导致接触激活和盈余升高血容量(31日]。
Hemoincompatibility一直被认为是一个主要问题在透析治疗32- - - - - -35]。它造成了透析患者的炎症,因此影响他们的发病率和死亡率。例如,透析病人的心脏慢性炎症的影响有目共睹。尿毒症患者的心脏疾病的患病率高刚刚开始透析和在横向推荐的情况下更是如此。慢性尿毒症患者的心脏疾病的过度风险在一定程度上是由于dialysis-related bioincompatibility [36]。
Nanofabricating膜技术可以把分子筛选的主要驱动力为协同作用。这些驱动力扩散(浓度梯度),对流(压力梯度),电迁移(电势梯度)和质子动力(pH值和膜电位梯度)。目前合成膜用于血液透析主要是聚合物,具有低效率。这种低效率是归因于dissynergistic驱动力之间的过滤效果,即扩散和对流。扩散是由一个浓度梯度,对流驱动压力梯度。的联合效应这两个分子在合成膜传输机制的总和小于单独影响的总和。这也正是为什么他们也被称为dissynergistic。这是与其他机制,流程的联合效应大于单独作用的总和结合协同效应(37]。我们使用术语“危险”的反面协同代替这个词“敌对”,因为后者并不准确。
通量率成正比的速度跨膜流体运动(38]。奈米制造的概率减少了一个灵活的分子进入的孔隙直径小于其回转半径,以及分子将试图伸展本身通过施加能量克服熵的能量势垒。它可以被困在孔隙的接口。这就是所谓的陷阱。这可能发生即使孔隙的大小远远大于骨干灵活的分子半径(39]。还应用领域,如膜的表面的电场可以添加到过滤的复杂性。例如,一些分子可以改变形状在电场的存在40]。
质子动力是另一个梯度影响跨膜运输(41- - - - - -44]。在文献回顾中,我们注意到,pH值已经从血液透析膜模型,都是被忽视的,因此,添加到我们的计算。
3.3。膜厚度对电迁移通量的影响
nanofabricating血液透析膜的目的是增加通量的尿毒症毒素尤其是中间分子。然而,大有益的分子,如白蛋白不应该通过。(15)清楚地表明,通量随着膜厚度的减少而增加。但同时,膜有选择性的删除,否则白蛋白将通过。
4所示。简洁的方法
对于每一个分子,其晶格的体积,每格分子的数目,溶剂含量百分比计算使用经典晶体方程。估计应用电势的通量的贡献,我们使用以下方程: 确定的最大半径溶质,鲍文et al。16和太阳等。45)使用以下方程: 的分子量(MW)表达在道尔顿,然后呢在海里。我们也应用(17),并根据这些计算,截止分子直径确定为6.04,这对应于Interleukin-1β。从设计的角度,从而改进的空间建立健全原则使用纳米技术制造有效的血液透析膜。
支持应用程序概念的跨膜电势的间隙可以提高尿毒症毒素在血液透析过程中,我们计算三个分子作为电压的函数。选择的分子肌酐(分子体积的110.553,分子量113 Da),β2微球蛋白(分子体积14514 .81点3、分子量11800 Da)和肿瘤坏死因子-α(31979 .13的分子体积3和分子量26000 Da)。价仅以小分子如肌酐。对于较大的分子,然而,价取决于介质的pH值和不准确的文献报道大多数尿毒症毒素。因此据估计每网费。我们还应用计算白蛋白(分子量69000 Da),以确保它不会通过。
计算,我们使用AN69作为参考膜孔隙度为80%,单位面积的1米2,25微米的厚度。每个溶质的浓度决定从筛分系数(年代)说明血液滤过膜(如AN69)作为分子量的函数(46]。筛分系数被定义为膜溶质浓度的比值,的体积浓度溶质过滤之前,。这可以表示为 (见[47])。表1总结了正常血液中选定的尿毒症毒素的浓度以及他们筛分系数。分子的自由扩散系数(使用以下公式计算: (见[48,49]),η水的粘度在37°C,和V米分子体积。
而且,计算如下: 在哪里有效扩散系数(m2/ s)。
这些计算与计算进行了比较为25 nm厚的nanofabricated膜,计算如下。
如果溶质通过孔隙半径””,然后根据孔隙几何形状,我们可以分配”“作为圆柱孔的半径,或1/2的宽度孔隙。
我们代表相对溶质的大小λ比。
因此,在扩散: (见[20.,50])。但是,是否消失了,,取决于孔隙的形状21]。
这项工作有局限性。概念验证在实际实验中,需要和未来的临床研究来证实结果。快速溶质清除有明显的缺点。这项工作的重点是提供了一个初步的理论框架为今后膜技术也设计。
我们回顾了它的应用研究修改因素,可以通过纳米技术提高溶质通量。结果是令人鼓舞的,(1)很可能,通过纳米加工,我们可以加强血液透析的驱动力。与当前膜,扩散和对流是危险。(2)电场对细胞膜的应用可以产生电动力,将压倒扩散和对流促进血液透析所有驱动力之间的协同作用。和(3)薄膜可能会提高溶质通量。
缩写
| : | 氢离子(质子) |
| H2: | 氢分子 |
| : | 电子 |
| : | 标准吉布斯自由能 |
| : | 标准电极电势 |
| : | 价 |
| : | 法拉第常数 |
| : | 电极电位 |
| : | 氢分压 |
| : | 气体常数 |
| : | 有效扩散系数 |
| : | 溶质的浓度在膜 |
| : | 膜的面积 |
| : | 膜的厚度 |
| : | 扩散系数 |
| : | 溶质通量 |
| : | 浓度梯度膜 |
| : | 温度 |
| : | 膜间的电势差 |
| : | 扩散障碍 |
| : | 对流障碍 |
| : | 抛物型流体速度 |
| : | 溶质的扩散通量 |
| : | 溶质通量的电迁移 |
| : | 溶质通量的质子动力 |
| : | 溶质通量通过对流 |
| : | 溶质通量通过超滤 |
| : | 液压膜的渗透性水,即单位面积上的水的体积流量的单位压力梯度膜(毫升/分钟//毫米汞柱) |
| : | 液压压力梯度从血液透析液之路的道路 |
| : | 渗透压梯度从血液透析液之路的道路 |
| : | 溶质浓度参数 |
| : | 熵 |
| : | 时间 |
| : | 溶质的扩散通量的物种 |
| : | 溶质物种的扩散系数 |
| : | 浓度梯度 |
| : | 吉布斯自由能 |
| : | 摩尔溶质通量 |
| : | 溶质的化学势 |
| : | 分子半径 |
| 年代: | 筛分系数 |
| : | 溶质浓度大量等离子体水 |
| : | 水的粘度 |
| : | 分子体积 |
| : | 圆柱孔的半径 |
| : | 比。 |
承认
作者要感谢西方多元化,企业萨斯喀彻温省和萨斯喀彻温大学的拨款支持本研究。
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