Progettazione e caratterizzazione di un circuito per la purificazione e la produzione di dializzato per dispositivi portatili

Kidneys are the organs that filter waste products from the blood. When kidneys fail, treatments are needed to replace the compromised functions. There are mainly two kinds of therapies for patients affected by End Stage Renal Diseases (ESRD): transplant or dialysis, a process for removing waste products and excess water from blood. Even though dialysis is a life-saving therapy, it shows some negative aspects. Firstly, its discontinuity causes the accumulation of catabolites during the interdialytic period; then, the quality of life of people on dialysis is strongly compromised: patients are obliged to go to the hospital three times per week and each treatment lasts between three and five hours. To overcome these problems, the focus of the research is on alternative and innovative therapies. Some of them study the regeneration of the kidneys while some others are focused on the design of portable or wearable devices. These systems could allow the patient to manage the treatment himself on a daily basis and directly at home. Such solutions would improve both the quality of life of patients and their health by decreasing the length of the interdialytic period. Given this background, Politecnico di Milano is working on a project dealing with the design of a portable device for hemodialysis with the dimensions of a cabin luggage. Such portable device would give the patient the possibility to do dialysis not only at home, but also while traveling. It would not be necessary to find a certificated center to carry out the treatment. The patient puts the volume of water needed in an upper reservoir inside the luggage, then the water is purified from fine dust, solutes and bacteria and is collected in a lower reservoir. The purified water is then converted into dialysate by adding the right amounts of the needed solutes to reach the right concentrations. The obtained dialysate is then used to purify blood and it is recirculated during the whole treatment. The main problem to be solved to design the portable device is the amount of water used during the treatment. The current dialyzer requires up to 180 liters of water per treatment, while one of the specifics of the project is to use a maximum of 8 liters of water and to circulate them several times during each treatment. The aim of this thesis is then to design, characterize and test two different circuits: the former aimed at purifying the water and the latter at converting the purified water into dialysate by adding the right amounts of solutes and maintaining the right concentrations throughout the treatment. The first circuit is composed of the following devices: a prefilter that subtracts fine dust and debris from water, a cartridge containing granular activated carbons to eliminate chlorine, a cartridge with resins to reduce the conductivity of water, a reverse osmosis membrane to demineralize water and an UV lamp to inactivate bacteria. In the previous thesis, some components of the purification circuit have already been characterized, but there were still some open problems. On one side, the pressure drops introduced by the prefilter and the reverse osmosis membrane were too high, which was not compatible with the specific of having a miniaturized circuit; on the other side, the system designed to inactivate bacteria did not work properly. The first step of the current thesis is the resolution of the open problems. In particular, the new prefilter displays a larger surface area and a larger porosity to decrease the pressure drops added to the circuit. In addition to this, a further filter is introduced at the entrance of the luggage to guarantee the right filtration of the used water. Then, the reverse osmosis membrane has been tested in different configurations to check whether or not it is possible to decrease the pressure drops while still obtaining demineralized water. As for the device to inactivate bacteria, the system has been substituted with a certified device and it has been tested in terms of the temperatures reached during the application and in terms of the pressure drops introduced into the circuit. The proposed solutions for the prefilter and the UV lamp have shown acceptable results. As a matter of fact, the new prefilter introduces a ΔP of 62.58 mmHg and the UV system adds 1.95 mmHg. The tests performed on the reverse osmosis filter, instead, have demonstrated that the pressures needed to obtain demineralized water are too high to use the device in the circuit in study. Therefore, the membrane has been eliminated from the circuit and its functions have been given to other components. In detail, the prefilter and four round membranes in nonwoven fabric carry out the filtration action. These membranes are placed at the inlet and outlet of the cartridges containing the carbon and the resins. In addition to this, the strong cationic resins previously used have been replaced with mixed bed resins to guarantee the demineralization of the water. After having defined and characterized the components of the purification system, the whole circuit has been tested in terms of the total pressure drop, which is equal to 87.56 mmHg. This value can be easily overcome with a miniaturized pump. As for what concerns the circuit that converts the purified water into dialysate, the work has been divided into two steps. During the first phase, several dialysis treatments have been simulated by using a code implemented in Matlab during a previous thesis. The simulations show the trend of the concentrations of the solutes in the used dialysate and in the lower reservoir. The results point out which are the critical solutes whose concentrations need to be corrected during the treatment. In particular, the drop of the concentration of sodium in the lower reservoir is too high, thus it is necessary to add a defined amount of sodium during the dialysis treatment. Since sodium is an ion, it is only possible to deliver it together with another ion. In detail, a solution of sodium and chlorine is used and the results of the simulations show that the proposed solution is acceptable. During the second phase of the work, an electronic circuit has been created thanks to the hardware Arduino. The circuit adds a concentrated solution of ions into the purified water, so as to convert it into dialysate. Moreover, the circuit maintains the right concentrations of solutes throughout the treatment by adding the defined quantities of sodium and chlorine. In conclusion, the obtained results show that the aim of the work has been achieved. The designed and characterized devices are prototypes. To shift them from the phase of laboratory tests to the one of clinical tests, it is necessary to reach a mechanized production of the devices. It is also required to add suitable controls and alarm systems to guarantee the right level of safety.

I reni sono gli organi deputati alla purificazione del sangue dai prodotti di scarto. Nel momento in cui i reni risultano affetti da patologie gravi, che ne compromettono il funzionamento fisiologico, è necessario effettuare terapie alternative che possano sostituirne le funzionalità. In caso di Insufficienza Renale Cronica (IRC), i pazienti vengono trattati con il trapianto di rene oppure con la dialisi, un procedimento di depurazione del sangue dalle sostanze tossiche e di eliminazione dei fluidi in eccesso. Nonostante il trattamento sia necessario per la sopravvivenza dei pazienti, presenta alcuni lati negativi tra cui la discontinuità, che causa l'accumulo di cataboliti durante il periodo interdialitico, e il peggioramento della qualità di vita dei pazienti, la cui libertà viene fortemente compromessa dalla necessità di recarsi in un centro di dialisi tre volte a settimana per effettuare il trattamento della durata da tre a cinque ore. Per poter superare queste problematiche, sono ad oggi in via di sviluppo diverse terapie innovative volte sia alla rigenerazione del rene in vitro, sia alla progettazione di dispositivi portatili e/o indossabili autogestiti dai pazienti che permetterebbero loro di poter svolgere il trattamento dialitico direttamente dalla propria abitazione con frequenza giornaliera. Queste soluzioni consentirebbero di migliorare sia la qualità di vita dei pazienti garantendo una maggiore libertà, sia la loro salute riducendo drasticamente la durata del periodo interdialitico e quindi le sue conseguenze. In questa ottica si inserisce il progetto del Politecnico di Milano che ha come obiettivo quello di progettare un dispositivo portatile con le dimensioni di un bagaglio a mano. Questo permetterebbe ai pazienti di effettuare la dialisi non solo in ambiente domestico, ma anche di viaggiare liberamente senza essere vincolati dalla ricerca di un luogo certificato dove effettuare la terapia. Il paziente inserisce l'acqua in un reservoir all'interno del trolley, questa viene depurata da pulviscolo, soluti e batteri e viene convogliata in un altro reservoir a valle dove viene convertita in dializzato grazie all'aggiunta delle corrette quantità dei soluti di interesse. Successivamente il dializzato viene usato per depurare il sangue e viene ricircolato per tutta la durata del trattamento. Il principale problema che si deve affrontare nel momento in cui si vuole progettare un dispositivo per dialisi portatile riguarda la quantità di acqua utilizzata durante un singolo trattamento. L’attuale dializzatore in uso clinico utilizza, infatti, fino a 180 litri di acqua per ogni dialisi, mentre nel trolley si vuole utilizzare un massimo di 8 litri di acqua da far ricircolare durante tutta la durata del trattamento. Gli obiettivi della presente tesi sono la progettazione e la realizzazione di due circuiti: il circuito che si occupa della purificazione dell’acqua e quello che si occupa sia della conversione dell’acqua purificata in dializzato sia del mantenimento delle corrette concentrazioni di soluti nel dializzato stesso durante la seduta dialitica. Per quanto riguarda il circuito di purificazione dell’acqua, bisogna prevedere la presenza dei seguenti componenti: un prefiltro per eliminare l’eventuale pulviscolo presente nell’acqua da purificare, una cartuccia contenente i carboni attivi per eliminare principalmente cloro e clorammine, un addolcitore con resine per abbattere la conducibilità dell’acqua, una membrana di osmosi inversa per ottenere un’acqua completamente demineralizzata e pura e un debatterizzatore a UV con azione germicida per rendere gli eventuali batteri presenti nell’acqua inattivi. Durante il precedente lavoro di tesi del progetto, sono stati caratterizzati alcuni componenti relativi al circuito di purificazione e sono rimaste aperte principalmente tre problematiche. Da una parte, il prefiltro e la membrana di osmosi inversa introducevano delle perdite di carico troppo elevate, comportamento non in linea con la specifica di miniaturizzazione del circuito; dall’altra, il sistema realizzato per la debatterizzazione dell’acqua non effettuava la sua azione battericida nelle condizioni di esercizio impostate. Ci si è quindi innanzitutto focalizzati sulla risoluzione dei problemi. In particolare, si è scelto di utilizzare un prefiltro con area di passaggio e dimensioni dei pori maggiori per abbattere le perdite di carico introdotte e si è aggiunto un pre-prefiltro all’ingresso del trolley. Si è successivamente testata la membrana di osmosi inversa in diverse configurazioni per cercare di ottenere dei valori di perdite di carico e purezza dell’acqua in linea con quanto atteso. Per quanto riguarda l’azione battericida, si è scelto di acquistare un debatterizzatore con caratteristiche in linea con le specifiche di progetto e di testarlo in termini di temperature raggiunte durante l’esercizio e di perdite di carico introdotte. Le soluzioni proposte riguardo il prefiltro e il debatterizzatore si sono mostrate accettabili; il prefiltro infatti introduce infatti un ΔP di 62.58 mmHg mentre il debatterizzatore di solo 1.95 mmHg. Per quanto riguarda la membrana di osmosi inversa, si è scelto di eliminare questo componente dal circuito in quanto le pressioni di lavoro con cui ci si deve interfacciare per ottenere la corretta azione purificante sono troppo elevate per poter utilizzare il dispositivo nel circuito. Si è quindi scelto di delegare le funzioni della membrana di osmosi inversa ad altri componenti. In particolare, l’azione filtrante viene svolta dal prefiltro e da quattro tondi di tessuto non tessuto aggiunti alle cartucce dei carboni attivi e delle resine, mentre l’azione di abbattimento della conducibilità è stata ottenuta sostituendo le resine cationiche forti precedentemente caratterizzate con una miscela di resine cationiche e anioniche forti, che garantisce l’ottenimento di acqua demineralizzata. Dopo aver definito tutti i componenti del sistema, si è testato il circuito completo per controllare il ΔP totale, questo risulta essere di 87.58 mmHg e permette di essere vinto utilizzando una pompa miniaturizzata ovvero la pompa Kamoer. Il secondo obiettivo del lavoro è stato la progettazione del circuito di conversione dell’acqua purificata in dializzato e il lavoro è stato diviso in due fasi. Durante la prima fase, sono stati simulati diversi trattamenti dialitici con Matlab sfruttando un codice precedentemente implementato in un lavoro di tesi per conoscere l’andamento delle concentrazioni degli ioni di interesse sia nel dializzato usato, sia nel reservoir inferiore. In base ai risultati ottenuti si sono individuati gli ioni critici che necessitano una correzione di concentrazione durante il trattamento dialitico. In particolare, la concentrazione dello ione sodio nel reservoir inferiore diminuisce troppo durante la seduta ed è necessario aggiungerne delle dosi a intervalli prestabiliti. Essendo il sodio uno ione, è possibile immetterlo solo in soluzione con altri soluti. Si è scelto di utilizzare una soluzione di sodio e cloro, si è simulato il trattamento con l’aggiunta di determinate quantità di cloruro di sodio durante il trattamento e si è verificata l’accettabilità della soluzione proposta. Durante la seconda fase del lavoro, invece, è stato creato un circuito elettronico con l’ausilio dell’hardware Arduino. Il circuito si occupa di gestire l'aggiunta di una soluzione concentrata di ioni all’interno dell’acqua purificata per poterla convertire in dializzato e si occupa di mantenere le corrette concentrazioni di soluti nel reservoir inferiore con aggiunte di cloruro di sodio in linea con quanto precedentemente studiato. Alla luce dei risultati ottenuti, è possibile affermare che gli obiettivi della tesi sono stati raggiunti. I dispositivi progettati e caratterizzati sono allo stato di prototipo; per passare dalla fase di test in laboratorio a una potenziale fase di test clinici è necessario rendere la produzione dei componenti automatizzata e aggiungere dei sistemi di controllo e allarme per garantire che i trattamenti si svolgano in condizioni di sicurezza.