Centro de Enseñanza Técnica y Superior

Campus Mexicali

“Riñones artificiales” Resumen del capítulo 5

Manuel Muñoz Aguirre 20048

Ing. Cibernética Electrónica

Introducción a la Ingeniería Biomédica

Mexicali, B.C. a 4 de marzo de 2011

Capítulo 5: Diseño de riñones artificiales

1. Introducción

Los riñones regulan el volumen de los fluidos del cuerpo, el contenido iónico y el balance ácido-base a través de la

excreción de agua, exceso de iones y la eliminación de radicales libres, además se encargan de la producción de

hormonas. Existen dos problemas de riñón principales: falla renal aguda, de la cual es posible recuperarse rápidamente;

o bien, una falla crónica la cual causa una serie de problemas graves. El riñón artificial es una oportunidad para salvarse

de esta última condición. En un riñón natural, los nutrientes esenciales, electrolitos y agua se reabsorben a través del

transporte activo y pasivo, mientras que los productos de deshecho son excretados en la orina. Este mecanismo de

filtración es difícil de duplicar en el riñón artificial.

El riñón artificial remueve los deshechos utilizando

el principio de la diálisis, que consiste en el movimiento del

soluto y agua a través de una membrana semipermeable,

separando ambas soluciones. También son llamados

“hemodializadores”. La membrana en estos dispositivos se

elige de tal forma que todo, excepto proteínas y células

sanguíneas, pueda ser transferido. El fluido dializador es

una solución que consiste de glucosa y electrolitos en agua,

y no contiene productos de deshecho como urea,

creatinina, ácido úrico, etc. Generalmente se acumulan

ciertas sustancias como el cloruro de sodio y bicarbonato

de sodio, las cuales también deben ser filtradas. La sangre

de la arteria de un paciente se conecta al riñón artificial y se regresa a la vena a través de un tubo proporcionado por el

dispositivo.

2. Requisitos del riñón artificial

Seguridad biológica: El dispositivo debe tener alta biocompatibilidad y compatibilidad sanguínea, además de no

causar hemólisis (destrucción de células rojas) ni filtrar componentes sanguíneos vitales ni introducir material

tóxico. Es importante no filtrar ciertos tipos de componentes porque pueden causarse complicaciones. Es

necesario un acceso vascular para una hemodiálisis repetida, por lo que es necesario hacer una fístula

generalmente en la muñeca. Se utiliza Dacron y PFTE, los cuales no deben causar trombos.

Seguridad química: Aspecto enfocado a la calidad del agua para el fluido dializador. Normalmente en el agua

para tomar esto no es un peligro, pero dado a que el proceso de filtración se hace a través de diálisis se pueden

originar consecuencias toxicológicas. Sustancias en bajas concentraciones pueden causar daño en la sangre.

Aluminio, plomo, cadmio, mercurio y selenio, inclusive en bajas concentraciones, pueden causar daño. Debe

evitarse el contenido de microbios. La esterilización del dispositivo es esencial.

Seguridad mecánica: La membrana para la diálisis debe ser resistente y mantener su tamaño al estar húmeda.

La resistencia del lado del flujo sanguíneo debe ser lo menor posible para evitar hemólisis. La presión generada

por el corazón del paciente debe ser suficiente para bombear la sangre hacia la máquina y de vuelta al corazón.

Seguridad en factores humanos: El dispositivo debe ser fácil de operar y a prueba de errores. Codificación en

diferentes tamaños y colores ayuda a reducir los errores. Deben de detectarse fugas de aire automáticamente.

Alarmas deben incorporarse en el sistema para indicar mal funcionamiento. El sistema debe poder apagarse y

cerrar sus líneas automáticamente, aislando al paciente en caso de alguna contingencia.

Además deben cubrirse otros puntos como:

Remoción de nitrógeno, material de desecho e iones en exceso.

Debe tener un desgaste de volumen sanguíneo muy bajo. En cada diálisis se pierde alrededor del 5% de la

sangre, por lo que debe minimizarse este volumen.

Debe ser un dispositivo confiable.

3. Diálisis de bajo flujo vs. Diálisis de alto flujo.

La membrana en la diálisis de bajo flujo tiene más baja permeabilidad al agua así que no es necesario algún

dispositivo adicional para evitar la pérdida excesiva de la misma en el paciente. Las de alto flujo tienen mayor

permeabilidad, y los solutos se remueven por difusión y convección. La difusión depende del gradiente de

concentración y el soluto de la permeabilidad de la membrana. La convección depende del coeficiente de la

membrana, permeabilidad del agua, y el gradiente de presión. El flujo del soluto se puede expresar de la forma:

Dónde:

dA = área de la membrana para una longitud diferencial

C = concentración del soluto en la sangre

∆C = diferencia de concentración a lo largo de la membrana

KD = permeabilidad del soluto para la membrana. Depende del radio del poro en contraste con el soluto.

Ku = coeficiente de ultrafiltración. De 20 a 50 ml/h/mmHg

∆P = declive de presión a través de la membrana

∆P = gradiente de presión osmótica

S = coeficiente de tamización. Depende del radio del poro en contraste con el soluto.

Algunas ecuaciones importantes son:

Extracción. Para comparar el desempeño de varios dializadores.

Compensación para el flujo contracorriente en un sistema de bajo flujo.

4. Membranas para diálisis

La membrana debe tener alta permeabilidad al agua y a metabolitos orgánicos y al mismo tiempo debe de poder retener

proteínas plasmáticas. Además debe poder remover ciertas moléculas y no acabar con la albúmina sérica. Debe ser

biocompatible y compatible con la sangre.

Celulosa, celulosa modificada y polímeros sintéticos son tres tipos de membranas utilizadas. Las membranas de celulosa

se usaron inicialmente porque tienen buena permeabilidad con porosidad uniforme y son hidrofílicas, lo que disminuye

la adsorción de proteínas. Sin embargo, ocasionan una serie de problemas de biocompatibilidad y hemocompatibilidad.

La celulosa modificada ha sido desarrollada para reducir los problemas de hemocompatibilidad asociados a la celulosa.

Algunas ventajas están relacionadas a la porosidad y la habilidad de formar membranas muy pequeñas.

Las membranas sintéticas ofrecen superior compatibilidad sanguínea. En general son más hidrofóbicas que las

basadas en celulosa. Polysulfone es la membrana sintética más utilizada. Tiene alta permeabilidad al agua y

biocompatibilidad mejorada. Se utiliza para diálisis tanto de bajo como de alto flujo. Un modelo de membrana

comercialmente disponible es Helixone.

Las membranas de polimetilmetacrilato tienen excelente biocompatibilidad. Además de que elimina ciertos

productos inmunogénicos. Las membranas de poliacrilonitrilo tienen muy buena biocompatibilidad y permeabilidad

mejorada. En general, las membranas de alto flujo tienen mayor biocompatibilidad, hemocompatibilidad comparadas

con las membranas de celulosa y sus derivados. Aun así, dejan algo que desear respecto a un riñón natural.

4.1 Sistema de diálisis

Existen tres circuitos principales en un sistema de

diálisis: el circuito de diálisis, el circuito sanguíneo, y

el circuito de fibra. Los requisitos astringentes para

el agua demandan varios niveles de purificación y

destilación. Los nutrientes requeridos se racionan y

se mezclan con agua. Luego la mezcla se calienta a

temperatura corporal y se le remueve el aire.

Dependiendo del tipo de flujo será la presión a

utilizar. También existe un detector de fuga

sanguínea que funciona a través de un fotoreceptor.

La presión en el fluido es estrictamente regulada. La

presión sanguínea se revisa tanto al inicio del

proceso como al final. También existe un detector

de aire en la línea de regreso, además de un inyector

de heparina para evitar trombos.

5. Protocolo de tratamiento y adecuación de la diálisis

Durante la diálisis, algunas hormonas hacen difusión fuera de la membrana junto

con las moléculas de urea. El proceso rápido de diálisis puede ocasionar depresión

en el paciente por la rápida pérdida hormonal. Por otra parte, una diálisis muy lenta

puede llevar a estancias largas en un hospital. Un modelado simple puede usarse

para calcular los protocolos de tratamiento. Considerando un modelo en el que la

sangre y el tejido estén bien mezclados y que la concentración de urea es uniforme,

podemos plantear el modelo:

Dónde Cbi es la concentración de urea al inicio del dializador en la línea arterial y Cbo es la concentración de urea en la

vena de salida que trae la sangre de regreso al cuerpo. G representa la tasa metabólica de producción de urea, Q es el

flujo sanguíneo y V es el volumen del tejido más la sangre. Además podemos expresar la proporción de extracción para

la diálisis de bajo flujo de la siguiente forma:

Donde A es el área de la membrana y k es la permeabilidad de la

membrana para un soluto en particular. Cuando el paciente no está en

diálisis, la concentración de urea puede incrementar linealmente si la tasa

de producción metabólica es constante, o va a incrementar

exponencialmente si la producción metabólica es una función lineal de la

concentración. Cuando el paciente está en diálisis, la concentración va a

decrementar exponencialmente. Así el protocolo de tratamiento se puede

prescribir utilizando diferentes ciclos de tiempo. Pero un tratamiento con

un aparato de un solo compartimento tiene sus limitaciones, por lo que es

conveniente implementar un modelo de varios compartimentos. Además

de remover los materiales de desechos tóxicos, el riñón natural reabsorbe

muchos nutrientes y aminoácidos en la filtración. El riñón artificial no reabsorbe muchos de estos componentes como

los aminoácidos, proteínas pequeñas y péptidos.

6. Riñón creado a través de bioingeniería

Avances recientes en ingeniería tisular y cultivos de tejidos han creado oportunidades para el desarrollo de riñones

artificiales. Se ha diseñado un dispositivo asistido por túbulos germinando células de túbulos proximales en la superficie

de las fibras de polysulfone. Esto se logró aplicando una capa de la proteína sintética Pro-Nectin-L. Para las pruebas

clínicas los túbulos se extrajeron de cerdos. En estudios más avanzados se han extraído células de riñones de pacientes

recién fallecidos. Este sistema se implementó en conjunto con un dispositivo de alto flujo en una prueba con perros, y

se observó que el sistema de túbulos fue capaz de absorber glucosa, vitamina D3 entre otros elementos. Estos reactores

de túbulos representan el futuro para los riñones creados artificialmente.

7. Conclusiones

El propósito del riñón artificial es remover urea y otras moléculas de desechos tóxicos. La sangre fluye de un lado de la

membrana semipermeable y una solución dializadora fluye desde el otro lado. Las moléculas de desecho se remueven

por difusión, convección o ambos. La diálisis de alto flujo involucra la remoción del soluto por convección y difusión pero

la desventaja es que puede llevar a la pérdida de albúmina sérica. Biocompatibilidad es un requisito importante en las

membranas. Las membranas de celulosa convencionales causan problemas de biocompatibilidad por lo que se crearon

membrana sintéticas para reducir los problemas. Las basadas en poliacrilonitrilo y polysulfone tienen excelente

biocompatibilidad. Hay requisitos para la astringencia del agua utilizada en el fluido de diálisis. Medidas cuantitativas

como kT/V se utilizan para determinar qué tan apta es la diálisis. Los riñones artificiales que existen actualmente no

duplican todas las funciones de un riñón natural, el futuro de los mismos se encuentra en la ingeniería tisular.