|
|
Методы очистки коллоидных систем Муратов Кирилл 106 гр. Реферат Методы очистки коллоидных систем диализ, электродиализ, компенсационный диализ, вивидиализ, ультрафильтрация. Физикохимические принципы функционирования искусственной почки
ФГБОУ ВО ОрГМУ МИНЗДРАВА РОССИИ
КАФЕДРА ХИМИИ И ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Реферат
«Методы очистки коллоидных систем: диализ, электродиализ, компенсационный диализ, вивидиализ, ультрафильтрация. Физико-химические принципы функционирования искусственной почки»
Выполнил:
студент 106 гр.
лечебного факультета
Муратов К.А.
Проверил:
доцент, к. техн.н. Авшистер О. Д.
Оренбург, 2018
План
Введение………………………………………………………………………..3
Методы очистки коллоидных систем: метод диализа.………………………………………………………………….……..5
Методы очистки коллоидных систем: электродиализ……………………...8
Методы очистки коллоидных растворов: компенсационный анализ и вивидиализ……………………………………………………………………10
Методы очистки коллоидных систем: ультрафильтрация…………………………………………………………...12
Физико-химические принципы функционирования искусственной почки………………………………………………………………………………………….....…………...13
Заключение…………………………………………………………………...22
Список литературы…………………………………………………………..23
Введение
Актуальность темы. Дисперсные системы широко представлены в природе. Для биологии и медицины особенно важно изучение физико-химических свойств коллоидных растворов и студней, образуемых белками и другими биополимерами, играющих большую роль в свойственных живым организмам процессах обмена веществ. Нормальное или патологическое функционирование организма человека во многом определяется характером протекания коллоидных процессов, в которых принимают участие такие высокомолекулярные соединения, как белки, нуклеиновые кислоты, крахмал, гликоген, пектины, целлюлоза и другие. В биологических и медицинских исследованиях широко используют методы коллоидной химии: диализ и электродиализ для очистки и изучения ферментов, гормонов, токсинов, антибиотиков, антител и других; ультрафильтрация для разделения и фракционирования сложных полидисперсных систем; коагуляция, с помощью которой определяют состояние полидисперсных систем крови и других биологических жидкостей; ультрацентрифугирование, для получения различных физико-химических характеристик белков и других веществ. В практической медицине используют разнообразные коллоидные лекарственные средства, например, золи серебра, как антисептическое средство под названием «протаргол» или «колларгол», в которых мельчайшие частицы серебра - мицеллы из сотен атомов каждая. К коллоидным поверхностно-активным веществам можно отнести мыла, белки, желчные кислоты.
Целью работы является изучение основных методов очистки коллоидных растворов, их особенностей.
Для достижения поставленной цели был составлен следующий список задач:
Раскрытие сущности понятия и процесса диализа, выявление его основных разновидностей;
Раскрытие сущности понятия и процесса ультрафильтрации;
Получение основных знаний об основных принципах функционирования искусственной почки.
Объектом исследования являются дисперсные системы.
Предметом исследования являются методы очистки коллоидных систем.
Методы очистки коллоидных систем: метод диализа.
Диализ (от греч. Dyalisis – отделение) был разработан Грэмом в 1861 году. Диализ – это процесс очистки коллоидных систем от ионов и молекул низкомолекулярных примесей в результате их диффузии в чистый растворитель через полупроницаемую перегородку – мембрану. Диализ основан на разнице в скорости диффузии небольших молекул или ионов и частиц коллоидных размеров через мембрану. Для этих целей применяют мембраны, изготовленные из животных и растительных перепонок, желатина, мембраны из коллодия, ацетата целлюлозы и целлофана, пергаментной бумаги, керамических пористых материалов и др.
Небольшие молекулы и ионы из золя проникают через мембрану и диффундируют в воду, контактирующую с мембраной, а молекулы воды при этом проникают через мембрану в обратном направлении. В результате после очистки коллоидная система оказывается разбавленной. Очистка коллоидных растворов таким способом требует значительного времени (дни, недели, месяцы). Для ускорения диализа можно применять разные приемы, например, увеличивать площадь мембраны, уменьшать слой очищаемой жидкости или часто менять внешнюю жидкость (воду), повышать температуру, прикладывать электрическое поле (электродиализ). В частности, электродиализ позволяет закончить процесс диализа в течение нескольких часов. В производственных условиях диализом очищают от солей белки (желатин, агар-агар, гуммиарабик), красители, силикагель, дубильные вещества и др.
В процессе ультрафильтрации мембраной задерживаются частицы дисперсной фазы или макромолекулы, а дисперсионная среда с нежелательными низкомолекулярными примесями проходит через мембрану. Ультрафильтрация относится к баромембранным процессам, в отличие от диализа ее проводят под давлением. При ультрафильтрации достигают высокой степени очистки золей при одновременном их концентрировании. Иногда говорят, что ультрафильтрация – это диализ, проводимый под давлением, хотя это и не совсем верно.
Применение мембран с определенным размером пор позволяет разделить коллоидные частицы на фракции по размерам и ориентировочно определить эти размеры. Так были найдены размеры некоторых вирусов. Все это говорит о том, что ультрафильтрация является не только методом очистки коллоидных систем, но и может быть использована как способ дисперсионного анализа и для препаративного разделения дисперсных систем.
Интересным примером сочетания диализа и ультрафильтрации является аппарат «Искусственная почка», предназначенный для временной замены функции почек при острой почечной недостаточности. Он воспроизводит такие функции почек, как выделение отработанных продуктов из крови, регулирование кровяного давления и водно-электролитного баланса. В искусственной почке из плазмы (плазма – жидкая часть крови) удаляются мочевина, мочевая кислота, креатинин, ионы калия, токсины и другие вещества Аппарат оперативным путем подключается к системе кровообращения больного. Кровь под давлением, создаваемым пульсирующим насосом («искусственное сердце»), протекает в узком пространстве между двумя мембранами, омываемыми снаружи физиологическим раствором (физиологические растворы – это водные растворы, близкие по солевому составу, величине рН и другим свойствам к крови здорового человека, например, раствор, содержащий 0,9% NaCl и 4,5% глюкозы). Благодаря большой площади мембран (15000  ) из крови за 3-4 часа удаляются все вышеперечисленные «шлаки».
Размер пор мембран для ультрафильтрации составляет величину от 1 до 10 нм. Если использовать мембраны с более тонкими порами (менее 1 нм), то происходит задержка не только дисперсных частиц, но и относительно крупных молекул и даже ионов (размер ионов в водном растворе довольно значителен благодаря образованию гидратной оболочки). Правда для проведения такого процесса требуется рабочее давление большее, чем в случае ультрафильтрации. Этот баромембранный процесс называется гиперфильтрацией или обратным осмосом.
Интересно отметить, что метод гиперфильтрации наряду с методом перегонки применяется в быту и промышленности для очистки и деионизации воды.[4]
В результате диализа и ультрафильтрации из золей за счет избирательного переноса частиц через мембрану удаляются электролиты. Различия между этими процессами заключаются в механизме и движущей силе переноса вещества. В случае диализа очистка осуществляется за счет диффузии ионов или молекул, которые преимущественно имеют размер, существенно меньший, чем размер коллоидных частиц, а в случае ультрафильтрации разделение ионов, молекул и коллоидных частиц происходит по принципу сита. Движущая сила ультрафильтрации – градиент давления, а не градиент концентрации, как в случае диализа. В процессе очистки диализом золь разбавляется, а при ультрафильтрации – концентрируется.
 [1]
Схема простейшего диализатора
тп — полупроницаемая перегородка (мембрана)
Методы очистки коллоидных систем: электродиализ.
Электродиализ - это метод очистки коллоидных систем (коллоидных растворов, суспензий и др., а также растворов высокомолекулярных веществ, например белков) от примесей низкомолекулярных веществ, растворенных в дисперсионной среде. Электродиализ основан на ускорении диффузии ионов через мембрану под действием постоянного электрического поля. Электродиализатор обычно состоит из трех последовательно расположенных камер, разделенных диализационными мембранами; в средней камере находится очищаемый раствор, в боковых — дистиллированная вода. В боковых отделениях укреплены электроды, соединенные с полюсами источника постоянного тока. В качестве анода употребляют материалы, не растворяющиеся в условиях электролиза: платину, графит или уголь. В процессе электродиализа раствор, находящийся в среднем отделении, размешивают стеклянной мешалкой. Иногда в электродиализаторах применяют концентрическое расположение камер. Электродиализ растворов веществ, окисляющихся на воздухе, проводят в атмосфере инертных газов. За ходом электродиализа следят, измеряя электропроводность получаемого в результате электродиализа раствора (электродиализата) или концентрацию в нем электролитов. Большое значение при электродиализе имеет выбор материала мембран. В зависимости от заряда поверхности и других условий их можно приготовить таким образом, чтобы они легко пропускали ионы, несущие заряд одного знака, и были практически непроницаемы для ионов, имеющих заряд другого знака. Мембраны, легко пропускающие катионы, устанавливают вблизи катода; мембраны, избирательно проницаемые для анионов,— у анода. Метод электродиализа широко применяют в биохимических исследованиях при очистке (и выделении) белков, гормонов, антибиотиков и других биологически активных веществ. Электродиализ находит применение также в производстве для очистки растворов белков, красителей, дубителей и др. Иногда используют приборы, в которых электродиализ сочетают с ультрафильтрацией.[3]
Электродиализатор Паули: 1 – коллоидный раствор; 2 – электроды
Методы очистки коллоидных растворов: компенсационный анализ и вивидиализ.
Для исследования биологических жидкостей Михаэлисом и Рона был предложен метод, позволяющий определять концентрацию тех или иных низкомолекулярных веществ, находящихся в свободном состоянии в коллоидных растворах.
Сущность компенсационного диализа заключается в том, что жидкость в диализаторе омывается не чистым растворителем, а растворами с различными концентрациями определяемого вещества. Так, например, сахар в сыворотке крови, не связанный с белками, определяется путем диализа сыворотки против изотонического раствора, к которому прибавляют различные количества сахара. Концентрация сахара в солевом растворе при диализе не меняется лишь в том случае, если оно равно концентрации свободного сахара в сыворотке. Этот метод позволяет судить об истинных концентрациях веществ в исследуемых коллоидных растворах. Таким путем, например, было выявлено наличие глюкозы и мочевины в крови в свободном состоянии.
Примерно на том же принципе основано прижизненное определение низкомолекулярных составных частей крови методом вивидиализа (вивидиффузия по Абелю). В концы перерезанного кровеносного сосуда вставляют стеклянные канюли, разветвленные части которой соединяются между собой трубочками из коллодия и вся система погружается в сосуд, заполняемый физиологическим раствором NaCl или водой. Было установлено, что аммиакаты в крови, так же как и глюкоза, могут находиться в свободном состоянии.
На принципе компенсационного вивидиализа был сконструирован аппарат, получивший название «искусственной почки», при помощи которого можно освобождать кровь от продуктов обмена веществ и, следовательно, временно замещать функцию больной почки. Показаниями к применению «искусственной почки» является острая почечная недостаточность, например, при отравлении сулемой, сульфаниламидными препаратами, при уремии после переливания крови, при тяжелых ожогах, токсикозе беременности и т.п.
 [2]
Схема аппарата для вивидиализа
Методы очистки коллоидных систем: ультрафильтрация
Ультрафильтрация. Одним из важных методов очистки коллоидных растворов является ультрафильтрация, которая сводится к отделению дисперсной фазы от дисперсионной среды. Для этого производится фильтрование коллоидного раствора через мембраны, не пропускающие коллоидные частицы или макромолекулы. При ультрафильтрации дисперсная фаза остается на фильтре. Следует упомянуть, что через поры обычной фильтровальной бумаги (от 1,5 до 5∙ м) коллоидные частицы легко проходят, а поэтому при ультрафильтрации пользуются специальными фильтрами (например, целлофаном или фильтровальной бумагой, пропитанной коллодием и др.). Применяя полупроницаемые мембраны для ультрафильтрации с определенной степенью пористости, можно в известной мере разделить коллоидные частицы и приближенно определить их размеры. Необходимая пористость мембраны обеспечивается подбором соответствующего растворителя коллодия и условий сушки полученной пленки. Ультрафильтрация, как правило, протекает очень медленно, а поэтому ее чаще проводят под давлением, для чего из расположенного под фильтром сосуда (приемника) откачивают воздух или в сосуд, расположенный над фильтром, нагнетают воздух.
Физико-химические принципы функционирования искусственной почки
Почка искусственная. В основе работы аппарата искусственной почки лежит принцип диализа за счет диффузии и разницы осмотических давлений с обеих сторон целлофановой пластинки, обладающей свойствами полупроницаемой мембраны. Мелкие молекулы ионов  ,  ,  ,  ,  ,  и таких простых органических соединений, как мочевина, креатинин, фенолдериваты, свободно проникают через поры целлофана. В то же время молекулы белка, форменные элементы крови с одной стороны и возможные бактерии с другой не могут преодолеть целлофановый барьер.
Среди многих моделей аппаратов искусственной почки можно различить два основных типа: аппараты с целлофановой мембраной, имеющей форму трубки диаметром 25 - 35 мм, и аппараты с пластинчатой целлофановой мембраной. Наиболее широко за рубежом применяют двухкатушечную искусственную почку Колффа - Уочингера. Важным преимуществом этой модели искусственной почки является то, что катушки с намотанными целлофановыми шлангами поступают с завода в стерильном состоянии и при надобности могут быть немедленно использованы. Простота установки и обращения, значительная диализирующая поверхность создали большую популярность этой модели. Недостатки аппарата - большая емкость по крови и значительное сопротивление току крови вследствие тугой обмотки двух диализирующих шлангов. Поэтому на входе в диализатор устанавливается насос.[5]
Схема почки Колффа - Уочингера, соединенной с больным: 1 - фильтр по крови; 2 - насос по крови; 3 - диализатор; 4 - диализирующий раствор; а -артерия, v - вена.
Советская модель искусственной почки, сконструированная в Научно-исследовательском институте хирургической аппаратуры и инструмента (НИИХАИ), относится к типу диализаторов с пластинчатой целлофановой мембраной.
Большой клинический опыт советских и зарубежных клиницистов показывает высокую эффективность гемодиализа в лечении больных почечной недостаточностью.
Однако искусственная почка не заменяет других лечебных мероприятий. Она является одним из важнейших звеньев комплексной терапии. Искусственная почка не может полностью заменить многогранную функцию заболевших почек, притом на длительное время.
В СССР искусственную почку впервые стали применять с 1958 г. в урологической клинике 2-го ММИ на базе 1-й Городской больницы. В настоящее время искусственной почкой оснащено свыше 50 отделений клинических больниц.
Соединение аппарата с больным обычно осуществляют двумя методами: артериально-венозным или вено-венозным. В первом случае после обнажения артерии (чаще лучевой) забор крови в аппарат производят сосудистым катетером, введенным в ее просвет. Обратное поступление крови из аппарата к больному происходит через зонд, введенный в какую-либо поверхностную вену (чаще локтевую). При вено-венозным способе соединения пункцией или обнажением крупной вены на бедре достигается зондирование и забор крови из нижней полой вены. Обратное поступление крови происходит через какую-либо вену предплечья.
В настоящее время получил распространение пункционный метод катетеризации сосудов. Производят пункцию бедренной артерии и вены под пупартовой связкой и по проводнику вводят в сосуды соответствующие катетеры, которые при помощи коммутирующих магистралей соединяют с аппаратом. Если в ходе лечения больного предполагается многократное применение гемодиализа, то устанавливают на предплечье постоянный артериовенозный шунт по Скрибнеру. Сущность метода заключается в зондировании на предплечье лучевой артерии и расположенной рядом вены. Эти зонды соединяют специальными устройствами, и кровь поступает из артерии непосредственно в вену. Для проведения гемодиализа смена соединителя позволяет за несколько минут соединить кровеносную систему больного с аппаратом искусственной почки. После гемодиализа шунт вновь восстанавливают при помощи полукруглого соединителя.
Искусственную гемофилию осуществляют периодическим введением гепарина (по 2 мг/кг). После гемодиализа действие гепарина в крови больного нейтрализуют введением раствора протаминсульфата. Все части аппарата, соприкасающиеся с кровью больного, должны быть силиконированы и стерилизованы.
Схема советской модели искусственной почки представлена на рисунке ниже. Кровь от больного поступает по катетеру (1) при помощи насоса (2) в диализатор (3). Проходя между целлофановыми пластинками последнего (по каждой из его 11 секций), кровь больного через целлофановую пластинку соприкасается с протекающим навстречу диализирующим раствором. Состав его обычно стандартный и содержит все основные ионы крови (, ,  ,  , , ) и глюкозу в концентрациях, необходимых для коррекции электролитного состава крови больного. После диализатора кровь поступает в измеритель производительности (4), где улавливаются сгустки крови и воздух. Далее кровь по катетеру возвращается в венозную систему больного. Диализирующий раствор при помощи автоматического нагревателя (8) доводят до  =  и насыщают карбогеном с таким расчетом, чтобы рН его составляла 7,4. При помощи насоса (9) диализирующий раствор подается в диализатор. Скорость кровотока в диализаторе обычно равна 250 - 300 мл/мин. Клиренс аппарата составляет по мочевине 140 мл/мин.
Схема советской модели аппарата «искусственная почка»: 1 - катетер; 2 - насос по крови; 3 - диализатор; 4 - измеритель производительности; 5 - воздухоуловитель; 6 - фильтр; 7 - катетер возврата крови больному; 8 - нагреватель; 9 - насос по диализирующей жидкости; 10 - бак для диализирующего раствора; 11 - ротаметр по кислороду; 12 - ротаметр по углекислоте; 13 - гидропривод перфузионного насоса.
В настоящее время сконструирована новая модель искусственной почки. Основной принцип ее работы остается прежним. Аппарат имеет две самостоятельные секции с площадью диализирующей поверхности по 8000 каждая, с двумя самостоятельными насосами. Он оснащен специальным устройством для регионарной гепаринизации и более удобен для лечения больных хронической почечной недостаточностью ввиду возможности уменьшения площади диализирующей поверхности.
Общий вид новой модели советского аппарата «искусственная почка» конструкции НИИХАИ.
Наиболее эффективными и удобными для клинического применения являются те модели искусственной почки, которые удовлетворяют следующим основным требованиям: высокая интенсивность диализа крови, простота и безопасность обращения с аппаратом, небольшой объем крови. Это аппараты НИИХАИ (СССР), Колффа - Уочингера (США) и Дольотти (Италия). Они особенно хороши при лечении больных острой почечной недостаточностью. При хронической почечной недостаточности наиболее удобными аппаратами считают модернизированную модель Колффа и двухпластинчатую искусственную почку системы Киля. Каденом предложена оригинальная модель аппарата искусственной почки для лечения хронической почечной недостаточности. Важным достоинством ее являются портативность и невысокая стоимость.
Применение хронического гемодиализа в современных условиях является важной задачей. По данным III Международного конгресса нефрологов, в некоторых странах (США) на 100 млн. населения ежегодно нуждается в применении хронического гемодиализа до 50 тыс. больных хронической почечной недостаточностью различной этиологии. Применяя искусственную почку у больного хронической почечной недостаточностью дважды в неделю, удается сохранить на субнормальных цифрах уровень азотемии, нормальный водно-электролитный баланс и удовлетворительное общее состояние больного. Таким образом, жизнь больных в терминальной стадии хронической почечной недостаточности может быть продлена на многие месяцы, и даже годы. Искусственную почку начинают применять в домашних условиях, правда, пока в редких случаях. Многократный повторный гемодиализ у больных хронической почечной недостаточностью сопряжен с рядом существенных трудностей и различными осложнениями. К ним в первую очередь относится тромбоз артериовенозных шунтов. Применение тефлоново-силастикового материала позволило продлить сроки службы шунта до 6 - 9 месяцев. Некоторые больные страдают нередко тяжело протекающей периферической нефропатией. Нарушается обмен кальция, что проявляется метастатической кальцификацией и остеопорозом. Анемия требует постоянных переливаний крови. Частые осложнения - интермиттирующая инфекция и гипертония. Тестикулярная атрофия (у мужчин) и аменорея (у женщин) - вполне обычные явления. Наконец, в ходе повторных гемодиализов могут развиться гиперкальциемия, тяжелая анемия, септицемия, пирогенные реакции.
Более целесообразно применять хронический гемодиализ у больных в истинно терминальных стадиях хронической почечной недостаточности, учитывая возможную в ходе лечения гомо- и гетеротрансплантацию почки.
У больных острой почечной недостаточностью гемодиализ позволяет за несколько часов достигнуть значительного клинического эффекта за счет освобождения организма от азотистых шлаков, нормализации водно-электролитного баланса, ликвидации ацидоза. Этот подчас может быть и временный эффект позволяет организму усилить регенеративные процессы в почках и печени, способствуя восстановлению их функции. Поэтому при большинстве этиологических форм острой почечной недостаточности показано применение искусственной почки. К их числу относят такие состояния, при которых функция почек оказывается часто глубоко нарушенной: коллапс периферического круга кровообращения вследствие тяжелых операций, травм, кровотечения, постабортной инфекции, несовместимого переливания крови, при отравлении нефротоксическими ядами, остром анурическом гломерулонефрите, окклюзии мочевых путей. При хронической почечной недостаточности в стадии обострения неоднократно примененный гемодиализ может существенно улучшить функцию почек.
Важное значение при определении показаний к гемодиализу имеет учет состояния нервной системы, органов дыхания, сердечно-сосудистой системы и функционального состояния печени.
Применение искусственной почки у больных в состоянии уремической комы следует рассматривать как позднее мероприятие, и, естественно, успех лечения не всегда бывает положительным.
Среди биохимических нарушений ведущим показанием к гемодиализу является гиперазотемия, когда остаточный азот сыворотки крови составляет 150 - 200 мг % (содержание мочевины 350 - 400 мг %), содержание креатинина 12 - 15 мг %. Повышение содержания калия в сыворотке крови до 7 мэкв/л и выше, снижение щелочного резерва до 10 мэкв/л в совокупности с другими водно-электролитными нарушениями являются показаниями к неотложному гемодиализу.
Среди больных острой почечной недостаточностью у 35 - 45% болезнь протекает не слишком тяжело. Несмотря на наличие анурии, азотемии и других нарушений, лечение этих больных можно проводить без применения гемодиализа.
Среди противопоказаний следует учитывать декомпенсацию сердечно-сосудистой системы, печеночную недостаточность, активный септический процесс в организме в фазе интермиттирующего бактериемического шока. Свежий очаг кровотечения не считают абсолютным противопоказанием к гемодиализу. Применение при помощи особой аппаратуры регионарной (только в аппарате искусственной почки) гепаринизации позволяет избежать усиления кровотечения.
Применение искусственной почки по строгим показаниям с выполнением всех мер предосторожности и при тщательном наблюдении за больным во время диализа и после него практически безопасно и не грозит какими-либо осложнениями.[6]
Заключение
Я считаю, что поставленные задачи - раскрытие сущности понятия и процесса диализа, выявление его основных разновидностей; раскрытие сущности понятия и процесса ультрафильтрации; получение основных знаний об основных принципах функционирования искусственной почки – были выполнены. Тем самым, есть основания полагать, что мы достигли своей цели, а именно изучили основные методы очистки коллоидных растворов, их особенности.
Список литературы
Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: учебник для вузов / Ю.А. Ершов, В.А. Попков, А.С. Берлянд; Под. ред. Ю.А. Ершова. – 10-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во Юрайт, 2014. – 560 с. – Серия: Бакалавр. Базовый курс.
Физическая и коллоидная химия - Равич-Щербо М.И., Новиков В.В. - 1975 год - 255 с.
Н.Л. Глинка. Общая химия. Л.: Химия, 1979
Физико-коллоидная химия. Учебник для высшей школы. М., Просвещение, 1988 г.
Пузаков С.А. Химия: учебник для факультета ВСО – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. – 640 с.
К.И. Евстратова и авт. Физическая и коллоидная химия - М: Высш. шк., 1990, стр. 420
|
|
|
Скачать 189.79 Kb.