휴대용 혈액 투석기가 있다면 참 좋을 것 같습니다. (2)

휴대용 혈액 투석기가 있다면 참 좋을 것 같습니다. (2)

핵심 구성요소

 

 

휴대용 기기는 환자가 사용할 때 자유롭게 움직일 수 있어야 합니다. 따라서 환자가 다룰 수 있는 크기여야 하고, 무게여야 합니다. 이상적으로는 인체공학적이고, 옷 안에 장착할 수 있거나, 외부에 장착하더라도 크게 거슬리지 않을 정도여야 합니다. 그러면서 uremic toxins 의 제거를 충분히 할 수 있어야 합니다. (이전  연구에서 제안된 Cr clearance 와 Ultrafiltration 의 target 은 30mL/min 정도 였습니다.) 

 

Dialysis membrane (투석막)

휴대용 투석 기기에서 dialysis membrane 의 경우 일반적 투석방식보다는 긴 치료시간동안 lower blood flow rate 으로 가동됩니다. 따라서 dialyzer membrane 은 최소한의 protein adsorption 을 보이면서 thromboresistant 해야 합니다. (오염과 응고를 방지) 일반적인 투석기는 polymer hollow fiber membranes with 30~100 um thick walls 로 되어 있고, hydraulic permeability 와 molecular selectivity 를 각각 제한하는 pore size 의 분포가 고르지 않습니다. 최근 개발된 membrane 기술은 semiconductor material (실리콘 등) 에 기초하고 있습니다. 예를 들면 silicon nanopore membranes 는 0.1~1.0 um 크기의 얇고 pore size 와 분포가 균일하고 parallel slit-shape 로 되어 있어 highly selective, permeable 합니다. 하지만 이러한 새로운 물질의 biocompatibility and durability of the new materials when exposed to human blood 에 대한 데이터는 부족한 실정입니다.

 

 

 

Dialysate Regeneration

휴대 기기에서는 일반 투석때 처럼 많은 양의 dialysate 를 사용하기에는 실용적이지가 않습니다. 결과적으로 투석액 재생을 위해 sorbent (흡착제) 와 enzyme 기술이 필요합니다. 처음 사람에게 시도된 휴대용 투석기기의 경우 dialysate circuit volume 이 375 mL 였습니다. 현존하는 dialysate regeneration unit 은 K 와 P 의 제거를 위해 각각, 양이온과 음이온 exchanger 를 사용하고 있으며, organic waste solute (크레아티닌이나 middle molecules) 의 제거를 위해 activated carbaon 을 사용하여 구성됩니다. Urea removal 은 보통 어려운데, 이는 Urea 가 친수성이고, low reactivity 이기 때문입니다. (반응성이 적다.) Urea 제거에 대한 몇 가지 기술들이 개발되었는데, (1) Urease 라는 효소를 이용하여 ammonium 과 CO2 기체로 가수분해하는 방식도 그 중 하나입니다. 이 외에도 (2) activated carbon (3) electrochemical degradation of urea to carbon dioxide and nitrogen gas (4) removal by adsorbents such as zeolites, resins, silica, and
chitosan 의 방법이 있습니다. 가장 흥미를 끄는 기술은 new class of nanomaterials called MXenes 을 사용하는 것입니다. (Preliminary work demonstrates that titanium carbide-based MXene to be a promising adsorbent for removing urea from dialysate without causing cytotoxicity)

 

Vascular Access

Vascular access 는 모든 투석 방법에서 그리고 휴대용 기기에서 예외없이 아킬레스 건입니다. AVF, AVG, 카테터 모두는 감염, disconnect, 출혈, 응고, 공기로 인한 entrainment, air embolism 등의 위험을 가지고 있습니다. 특히 휴대용 기기에서는 바늘을 이용한 방식은 특히 위험합니다. 한편, 작은 바늘이 잘못 빠지는 경우에는 혈종이나 혈관 laceration 혹은 출혈이 발생할 수 있지만, 정맥혈관의 바늘이 잘못 빠지는 경우에는 심각한 일이 발생할 수 있습니다. - hemorrhagic shock and death. 이러한 통상적인 바늘 외 다른 대안들이 개발되고 있습니다. 피하에 이식할 수 있는 방식인 LifeSite Hemodialysis Access System (Vasca, Tewsbury, MA), Dialock Hemodialysis Access System (Biolink, Manfield, MA) 이 있습니다.

 

LifeSite Hemodialysis Access System

 

 

 

 

 

Dialock Hemodialysis Access System

 

 

 

 

Hemaport (Hemapure, Uppsala, Sweden) 의 경우 needle free AV access 를 시도하였습니다. PTFE graft 부위는 이식하고 외부로는 교체가능한 lids 를 두었습니다.

카테터를 이용한 access 는 바늘 탈락의 대한 위험이 없고, locking 기술로 disconnect 이 위험을 줄였습니다. 하지만 장기간 사용할 경우 감염과 thrombosis 의 위험을 높일 수 있습니다.

Catheter thrombosis arises in at least three ways. 

First, stagnant blood in the catheter either during or between sessions coagulates, obstructing the lumen. Catheter lock solutions of heparin or citrate have been used to chemically interrupt coagulation with some success. 

Second, adsorption of blood proteins to the catheter material leads to platelet attachment gradual narrowing of the lumen until it is unusable; this is somewhat retarded through the use of low protein binding polymers. 

Finally, indwelling catheters eventually develop an external fibrin sheath that occludes end and side ports of the lumens. These challenges are partially addressed through the advent of new catheters incorporating biocompatible and antimicrobial coatings, as well design features to enhance blood flow uniformity

 

 

Blood pump

투석에서 blood pump 는 보통 peristaltic roller pumps 를 사용합니다. 어떤 투석기기라도 혈액을 밀어줄 때 혈액의 세포성분이 파괴되어서는 안됩니다. 게다가 pump motor 의 경우 작고 조용하며, 에너지를 적게 사용하고, 작동시 열 발생이 크면 안됩니다.

 

Patient monitoring

통상의 투석 기기들은 monitoring system 이 기계에 통합되어 있다. 혈류속도와 투석액 속도를 볼 수 있고, 초여과량을 확인할 수 있으며, blood leak 과 gas bubbles 까지도 알 수 있다. 휴대용 투석기의 경우에는 원격 측정과 자동화 시스템이 내재되어야 한다. blood leak 이나 gas bubble 은 명확하지만, access pressure 나 투석액 conductivity, 활력징후에 대한 알람은 개별화 될 필요가 있다. 가장 중요한 안전 모니터링 문제는 바로 venous needle dislodgement 이다. venous pressure 는 disconnect 되더라도 그 변화가 크게 없어 알아채기 어렵고, 수분만에 빠르게 치명적인 출혈이 야기될 수 있다. 따라서 환자의 acess 주변에 유뇨증 패드 (젖으면 알람이 울리는?) 를 두기도 하고, access site 주변의 Hb 에 대한 Optical monitoring 을 하는 기술도 개발되고 있다.

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