Lucrarea nr. 5Dializa. Principiul fizic al conductometriei. Aplicaţii ale dializei. Dializa renală

Definirea şi explicarea fenomenului de dializă

Dializa este un fenomen determinat de transportul unor cristaloizi printr-o membrană. Pentru a înţelege acest fenomen trebuie clarificate, mai întâi următoarele noţiuni:

1. ce sunt soluţiile cristaloide-coloidale

2. caracteristicile membranelor artificiale din punct de vedere al permeabilităţii lor.

Soluţii cristaloide – coloidale:

O soluţie reprezintă amestecul omogen a două faze: solventul şi solvitul. Solventul este cel mai adesea unic, în cazul soluţiilor biologice acesta fiind apa. Solvitul este frecvent reprezentat de particule solide de dimensiuni diferite. Cristaloid : substanță care cristalizează ușor și care, în stare de soluție, poate trece printr-o membrană vegetală sau animală

Clasificarea soluţiilor în funcţie de

• masa moleculară (M) şi

• diametrul (Ф) al particulelor fazei dispersate

MOLECULARE (MOLECULE MICI , IONI) : M < 10 3 Da, Ф < 10 Å

COLOIDALE (PROTEINE ) : 10 3 Da < M < 10 8 Da, 10 Å< Ф < 10 3 Å

SUSPENSII (ORGANITE CELULARE ) : M > 10 8 Da, Ф > 10 3 Å

Este evident, de exemplu, că particulele solvite dintr-o soluţie de sare în apă sunt mai mici decât particulele solvitului unei soluţii apoase de albumină. În primul caz vorbim despre o soluţie cristaloidă, în al doilea caz - de o soluţie coloidală.

Exemplu

Solutiile perfuzabile cristaloide produse de Fresenius Kabi:Fresenius Kabi produce si comercializeaza ser fiziologic, solutii standard de glucoza 5% si 10% precum si solutii tip Ringer si Ringer lactat.[ http://www.fresenius-kabi.ro/page/Produse/categorieId/12]

Electroliţii şi neelectroliţii:

În cazul soluţiei de NaCl particulele solvite vor suferi, în soluţie, un proces de

disociere, astfel încât în final solviţii vor fi ionii de şi de , pe care îi vom

numi cristaloizi neelectroliţi cum este, de exemplu ureea. Disocierea poate fi completă sau nu, procentul de molecule disociate crescând cu temperatura şi diluţia.

Grad de disociere:

Dacă se consideră n numărul de molecule totale introduse în soluţie şi

numărul de molecule disociate, se poate defini gradul de disociere, α, prin raportul:

Numărul de molecule disociate fiind, deci egal cu n

Electroliţii puternici sunt caracterizaţi prin α=1 sau 100% ceea ce semnifică o disociere totală. De exemplu:

HCl → +

În acest caz disocierea este ireversibilă. În această categorie intră îndeosebi bazele şi acizii puternici.

Electroliţii slabi au în soluţie o disociere parţială, cu un grad de disociere sub 1. Disocierea este reversibilă şi este invers proporţională cu concentraţia soluţiei: scade când concentraţia creşte şi creşte cu diluarea soluţiei (tabel.1), fiind practic totală când concentraţia soluţiei tinde spre zero. De exemplu:

Disocierea fiind, deci, reversibilă în cazul acidului în soluţie.

Tabelul.1. Influenţa concentraţiei unei soluţii

apoase , la C, asupra

gradului de disociere

Membrane permeabile, semipermeabile, selectiv permeabile

Membrane artificiale:

Imaginaţi-vă că aveţi o soluţie cristaloido-coloidală cu particule solvite de

trei dimensiuni, , , , între care există următoarea relaţie: < < 1

mm (cristaloide) şi > 1 mm (coloizi).

Trebuie să separaţi din soluţie particulele coloide de cele cristaloide.

În acest scop vi se oferă ca dispozitiv de lucru 2 cuve între care poate fi plasată vertical o membrană artificială cu structură poroasă. Într-una din cuve se introduce soluţia de separat, în cealaltă, solventul pur - apa distilată. Aveţi posibilitatea să alegeţi o membrană cu un anumit diametru al porilor. Ce diametru D veţi alege pentru a rezolva problema mai sus menţionată?

Dacă veţi aşeza între cele două cuve o membrană cu porii de diametru D> 1 mm, atât solventul cât şi toate particulele solvite o vor traversa; o astfel de membrană este o membrană total permeabilă.

Dacă porii vor avea diametru D < 1 mm, doar particulele solvite cu

diametre , < D vor putea difuza, în timp ce coloizii vor rămâne în

soluţie; aţi realizat astfel separarea pe care v-aţi propus-o, prin însuşi fenomenul de dializă; o membrană de acest tip permite trecerea apei dar şi a unor solviţi cu diametrul mai mic decât diametrul porilor membranei. Ea mai este numită şi membrană dializantă.

O situaţie particulară este aceea în care porii au diametrul D< 1mm dar >

şi < realizându-se în acest caz şi o separare a cristaloidelor: particulele

cu diametrul trec prin membrană dar nu şi particulele cu diametrul .

Există şi o altă posibilitate: porii membranari au diametrul de ordinul a 0,2 nm. În acest caz prin membrană nu poate trece decât apa, nici un solvit nu o

poate traversa. O astfel de membrană este o membrană semipermeabilă, în definirea sa cea mai corectă. În realitate, nu există membrane strict semipermeabile. Din acest motiv noţiunea de semipermeabilitate este frecvent folosită şi atunci când ne referim la o membrană artificială prin care, ca urmare a dimensiunilor porilor, o parte din solviţi trec şi alţii nu, deşi aici mult mai corect ar fi termenul de membrane selectiv permeabile.

Schema unei membrane semipermeabile în timpul hemodializei, unde sângele este roşu, albastrul este pentru fluidul de dializă, iar cu galben este desenată membrana.

[ http://www.drobetaturnuseverin.net/book/export/html/5198]

Membrane biologice:

Deoarece membranele artificiale se deosebesc net de membranele biologice care nu pot fi considerate ca simple „structuri poroase”, noţiunea de semipermeabilitate este diferită în raport cu membranele biologice. Marea majoritate a membranelor din organism sunt considerate semipermeabile, dar mecanismul de realizare a acestui proces este diferit, fără a se putea vorbi de „pori”

membranari, ci de sisteme de transport complexe prin intermediul cărora pot trece doar anumiţi solviţi. Mult mai corect este termenul de selectiv permeabile.

Membranele naturale prezintă o serie de particularităţi. Ele sunt structuri complexe, alcătuite din fosfolipide şi proteine, uneori nu caracteristici variabile în funcţie de proces. Aşa se explică, de exemplu, de ce la nivelul membranei glomerulului renal pot difuza şi macromolecule, dar într-un procent mic. Totodată, caracterul funcţional este diferit: la nivelul unor bariere membranare din organism se realizează, concomitent cu fenomene de transport de tip dializă, alte tipuri de transport, care presupun fie un consum energetic, fie, de exemplu, intervenţia presiunii hidrostatice, toate pentru o aceeaşi specie moleculară transportată. Este evident deci că „semipermeabilitatea” se realizează aici prin mecanisme diferite.

Este important să reţineţi, însă, că dializa se poate realiza atât la nivelul membranelor biologice cât şi a celor artificiale, dacă ele pot fi considerate, în raport cu moleculele care le traversează, semipermeabile.

În cazul dializei, solvitul traversează membrana cu o anumită viteză de difuziune, care este direct proporţională cu gradientul de concentraţie şi invers proporţională cu dimensiunile acestuia.

Dializa – definirea fenomenului:

Tabelul.2Celofanul are diametrul porilor comparabil cu

al membranei glomerulare dializante

Dializa poate fi definită ca fiind un fenomen de transport printr-o membrană selectiv permeabilă a particulelor solvite cu diametrul mai mic decât diametrul porilor membranari. Solviţii difuzibili sunt cristaloizi, iar cei nedifuzibili – coloizii; ca urmare, prin dializă se separă cristaloizii, difuzibili, de coloizi.

Separarea este, deci, consecinţa transportului prin membrană, în sensul gradientului electrochimic, a particulelor solvite pentru care membrana este permeabilă.

Coeficientul de dializă:

Să considerăm o soluţie de concentraţie iniţială, , separată printr-o

membrană dializantă de un compartiment cu apă distilată, recirculată. Prin membrană va avea loc un fenomen de dializă cu o viteză, dC/dt, proporţională concentraţiei C a soluţiei de dializat, printr-un coeficient, δ, numit coeficientul de dializă:

Semnul minus semnifică scăderea concentraţiei în timp. Această formulă se mai poate scrie, după integrare şi ţinând cont de concentraţia iniţială:

Această ultimă ecuaţie demonstrează că, în timp, concentraţia soluţiei dializate scade exponenţial, şi, odată cu aceasta, scade şi viteza fenomenului de dializă.

Principiul dispozitivelor de dializă:

Un dializor include, în esenţă, două compartimente separate printr-o membrană dializantă cu suprafaţă mare şi grosime redusă(celofanul, de exemplu, sau alte membrane comercializate cu diametrul porului între 5-200μm, numite membrane de ultrafiltrare). Un compartiment conţine soluţia de dializat, celălalt compartiment, baia de dializă, conţine o soluţie de concentraţie foarte mică, chiar nulă, pentru solvitul care trebuie dializat; din acest motiv, pentru menţinerea gradientului, lichidul din baia de dializă trebuie continuu recirculat.

Diferite tipuri de dializoare au fost utilizate, de-a lungul timpului (dializorul lui Graham, dializorul lui Monod, etc.)

Figura.2Schema de principiu a

dispozitivelor de dializă

Electrodializa:

O eliminare mai completă şi mai rapidă a cristaloizilor electroliţi poate fi obţinută prin accelerarea deplasării şi, deci, a separării acestora prin aplicarea unui câmp electric, prin intermediul unor electrozi plasaţi de o parte şi de alta a membranei dializante. Electrodializa poate utiliza membrane

Figura.3Exemple de dializoare: a) în spirală; b) tip placă; c) diferite

dimensiuni

anionice sau cationice, care pot fi concepute astfel încât să realizeze un schimb de ioni cu specia moleculară dializată. Ca urmare a posibilităţii de modificare a pH-ului sau a temperaturii, este necesară supravegherea acestor parametri, pentru a evita, de exemplu, denaturarea proteinelor.

Aplicaţiile dializei

Dializa renală

În medicină termenul „dializă” este frecvent utilizat cu referire la funcţia renală. La nivelul membranei glomerulului renal – considerată membrană dializantă - se realizează pasajul selectiv al unor constituenţi ai sângelui. Urina va conţine, calitativ, aceiaşi electroliţi ca şi sângele dar nu va conţine macromolecule sau elemente figurate. Dacă membrana glomerulară este eficientă, orice creştere a concentraţiei cristaloidelor din sânge va determina eliminarea crescută a acestora în urină.

Ce se va întâmpla însă dacă aceasta va fi alterată la un număr mare de nefroni? Imposibilitatea de eliminare a cataboliţilor produşi de organism – dintre care ureea, cristaloid neelectrolit, este cel mai toxic - poate determina moartea; aşa se poate întâmpla în cazul insuficienţei renale.

În această situaţie una din posibilităţi constă în asigurarea epurării sângelui de substanţele nocive prin intermediul unei alte membrane dializante, extrarenale. O astfel de membrană trebuie să permită pasajul aceloraşi solviţi care trec şi prin membrana glomerulară. Metoda cel mai frecvent utilizată în clinică este hemodializa(rinichiul artificial). Alte metode pot fi dializa peritoneală, plasmafereza. Indiferent de tipul metodei, vor exista în esenţă două compartimente lichidiene, separate de o membrană dializantă. Se pot folosi mai multe tipuri de membrane dializante, celofanul fiind una dintre cele mai utilizate.

Tabelul. 3 Compoziţia dializantului

Constituenţi (concentraţie medie) În ser În dializantCationi (mEq/l)

Natriu 142 135,0Potasiu 4,5 2,0Calciu 5,0 3,25Magneziu 2,0 1,5Anioni (mEq/l)Clor 105,0 105,0Bicarbonat 27,5 35,0Fosfat 2,0 -Proteine 16,0Alte substanţe (g/l)Glucoză 0,9 2,0

Evaluarea cantitativă a dializei prin conductometriePrincipiul fizic al conductometriei

Utilizarea fenomenului de dializă ca metodă de separare a componentelor unui amestec cristaloido-coloidal, de exemplu în cazul rinichiului artificial, explică necesitatea evaluării cantitative a acesteia.

Ureea şi electroliţii în exces vor fi dializaţi din sângele pacientului, dar este foarte important să ştim când trebuită oprită eliminarea lor, pentru a nu rămâne în concentraţie inferioară celor fiziologice, ceea ce ar fi de asemeni periculos pentru viaţa pacientului.

Dializa poate fi evaluată indirect, urmărind evoluţia în timp a unui parametru fizic sau chimic ce caracterizează fie baia de dializă, fie lichidul de dializat. Din acest motiv ne propunem să studiem o metodă de evaluare a parametrilor electrici ai soluţiilor electrolitice, numită conductometrie. Aplicaţiile medicale ale acestei metode nu se limitează la evaluarea eficienţei dializei.

Conductibilitatea soluţiilor de electroliţi:

Soluţiile electrolitice sunt conductori de ordinul II. Ori de câte ori între două puncte ale unei soluţii de electrolit se aplică o diferenţă de potenţial, apare o deplasare ordonată a ionilor, fapt ce explică conductibilitatea electrică a acestor soluţii. Deci ele permit trecerea curentului electric prin deplasarea ionilor.

Dimpotrivă, în conductorii de ordinul I curentul electric este transmis prin deplasarea ordonată a electronilor.

Păstrând analogia, soluţiilor electrolitice vor fi caracterizate de parametri electrici aflaţi în relaţie conform legii lui Ohm. Se poate scrie:

şi

unde:R= rezistenţa conductorului;

= rezistivitatea conductorului;

l =lungimea conductorului;S= secţiunea conductorului;

= conductivitatea conductorului

În acest caz, conductorul este soluţia de electrolit dintre cei doi electrozi de suprafaţă(S), aflaţi la o distanţă (l), între care s-a aplicat o diferenţă de potenţial (V)(fig.4).

Cel mai frecvent, în cadrul măsurătorilor conductometrice, este evaluată conductibilitatea soluţiilor de electroliţi. Aceasta deoarece capacitatea soluţiei de a conduce curentul electric este în relaţie directă cu numărul de ioni existenţi în soluţie. Dacă vor exista mulţi ioni în soluţie, prin intermediul acestor „cărăuşi” purtători de sarcină electrică, curentul electric se va propaga mai uşor, deci conductibilitatea soluţiei va fi mai mare, iar rezistenţa „opusă” de soluţie la trecerea curentului electric va fi mai mică. Fenomenul este mai complex dacât în cazul conductorilor metalici, deoarece în determinarea conductibilităţii soluţiilor intervin:

Gradul de disociere a solvitului electrolit, de care depinde concentraţia sarcinilor electrice;

Mobilitatea ionilor, dependentă de natura ionilor şi de viscozitatea soluţiei.

De aceea, pentru conductorii de ordinul II se mai definesc:

Conductibilitatea echivalentă – reprezentând conductibilitatea unui echivalent gram de electrolit.

Figura.4Dimensiunile conductorului

Conductibilitatea specifică molară – reprezintă conductibilitatea unui kilomol de electrolit, calculându-se prin raportul între conductibilitatea soluţiei şi concentraţia sa molară.

Conductibilitatea soluţiilor electrolitice este considerabil mai mică faţă de cazul conductorilor de ordinul I.

Ea poate fi determinată indirect utilizând un montaj electric denumit punte Kohlrausch (fig. 5 ), care permite măsurarea rezistenţei electrice a lichidelor. Aceasta este o punte derivată din puntea Wheatstone (fig.6), cu deosebirea că este alimentată în curent alternativ, pentru a evita polarizarea electrozilor, iar vasul de conductibilitate este introdus în locul rezistenţei necunoscute.

Fig.6 Puntea Wheatstone

Descrierea dispozitivului utilizat:

Celula sau vasul de conductibilitate este un vas din sticlă în care sunt introduşi doi electrozi de platină platinată.

Conductorul ionic va fi tocmai soluţia introdusă în acest vas, cuprinsă între cei doi electrozi, şi va avea dimensiunile l (distanţa dintre cei doi electrozi egală cu lungimea conductorului) şi S (suprafaţa electrozilor egală cu lungimea conductorului în secţiune) constante, prin construcţie celulei. Din acest motiv, raportul l/S este denumit şi constanta vasului de conductibilitate.

Modul de lucru include două etape:

a) Determinarea constantei vasului de conductibilitate Introduceţi, cu ajutorul unei pipete, soluţie de conductivitate

cunoscută în vasul de conductibilitate, astfel încât să depăşească limita superioară a electrozilor;

Conectaţi puntea Kohlrausch; Rezistenţa necunoscută fiind deja la puntea electrică, pentru realizarea

echilibrului punţii procedaţi în modul următor:i. Stabiliţi iniţial comutatorul central la poziţia zero;

ii. Rotiţi comutatorul până când ledul se stinge sau va avea luminozitate minimă. În acest moment citiţi valoarea rezistenţei şi notaţi-o R1.

iii. Continuaţi să rotiţi comutatorul până la reaprinderea ledului verde. Citiţi valoarea corespunzătoare rezistenţei şi notaţi-o R2. Faceţi media celor două valori. Aceasta este rezistenţa, R, a soluţiei dintre cei doi electrozi.

Calculaţi constanta celulei cu ajutorul relaţiei stabilite anterior.

Aplicaţii medicale ale conductometriei: determinarea conductibilităţii plasmatice

Conductibilitatea plasmei sanguine fiind datorată în principal ionilor monovalenţi, măsurarea sa permite evaluarea concentraţiilor acestora; mobilitatea ionilor din lichide biologice este de acelaşi ordin de mărime; ca urmare, se admite

că există o proporţionalitate între conductivitatea plasmatică şi concentraţia totală a electroliţilor.

Dată fiind însă prezenţa proteinelor plasmatice, deplasarea ionilor este încetinită şi deci conductibilitatea scade, astfel încât între conductibilitatea plasmatică determinată experimental şi cea calculată va exista o diferenţă. Se

defineşte astfel conductivitatea corectată ( ) ca fiind conductivitatea pe care ar

avea-o plasma dacă proteinele nu ar interfera mobilitatea ionilor:

În care P = concentraţia ponderală a proteinelor

Valori normale ale conductibilităţii plasmatice: