Predictive model to evaluate the performances of nanoporous materials in the regeneration of dialysis fluid

Nanoporous adsorbents are promising materials to augment the efficacy of hemodialysis for the treatment of end stage renal disease where mortality rates remain unacceptably high despite improvements in membrane technology. Extracorporeal dialysis allows to remove toxins and metabolic water as a replacement for the loss of renal functionality. Complications are linked in part to inefficient removal of protein bound and high molecular weight uremic toxins. Other issues are related to the patients' quality of life and to the necessity of a hefty water supply. Therefore dialysis treatments are carried out in specialized medical centres under the supervision of healthcare professionals. Researchers have been working on systems for the recirculation and regeneration of dialysis fluid in order to try to solve these difficulties. The main aims are reducing the amount of water required and allowing home dialysis treatments through the use of hemocompatible nanoporous adsorbents within the circuit. This procedure would improve hemodialysis efficacy by adsorption of otherwise poorly removed uremic toxins. Unfortunately, sorbent cartridges on the market are very expensive since urea - which is one of the main solutes present in dialysate - has displayed low affinity to standard sorbents and requires high-priced substrates. Thus, researchers are committed to developing innovative and cost-effective sorbents for urea removal. These nanoporous biomaterials must possess not only higher surface area and controlled pore size, but must also have a refined structure and surface functional groups. An example is branched Polyethylenimine (bPEI): a polymer rich in amino groups that increases adsorbent affinity for organic contaminants and guarantees good structural properties of nanofibers in water, which acts as a stabilizer. The analysis of both hydraulic and adsorptive properties from previous dissertations served as the basis for implementing a predictive model to assess the application of bPEI for urea removal in spent dialysate regeneration systems. The numerical model developed throughout the present work describes the transport of the solute through a column packed with granular sorbent and allows to estimate the sponge’s sorption capacity and to predict the quantity of urea removed by the sorbent.

I sorbent nanoporosi sono materiali promettenti per aumentare l'efficacia dell'emodialisi per il trattamento della malattia renale allo stadio terminale, i cui tassi di mortalità rimangono inaccettabilmente elevati, nonostante i miglioramenti nella tecnologia delle membrane. I trattamenti dialitici vengono effettuati in centri medici specializzati sotto la supervisione di personale medico e infermieristico. La dialisi extracorporea consente di rimuovere le tossine e l'acqua metabolica sostituendo la funzionalità renale. Le complicazioni sono legate alla rimozione poco efficacie delle tossine uremiche ad alto peso molecolare e delle tossine legate alle proteine. Ulteriori problematiche sono correlate alla qualità di vita dei pazienti e all'elevato fabbisogno di acqua. Per migliorare la rimozione delle tossine e diminuire il consumo di acqua, sono stati sviluppati sistemi per il ricircolo e rigenerazione del dialisato. Gli obiettivi principali di questo sistema sono la riduzione della quantità di acqua necessaria e la possibilità di effettuare l’emodialisi domiciliare grazie all’utilizzo di sorbent nanoporosi ed emocompatibili. Sfortunatamente, le cartucce adsorbenti sul mercato sono molto costose dal momento che l'urea - che è uno dei principali soluti presenti nel dialisato - presenta scarsa affinità con i sorbent standard e richiede substrati costosi. Pertanto, i ricercatori sono impegnati nello sviluppo di sorbent innovativi ed economici per la rimozione dell'urea. Questi biomateriali nanoporosi devono possedere non solo un’elevata superficie e una dimensione dei pori controllata, ma devono anche avere una struttura che promuova l’adsorbimento e ed eventualmente essere provvisti di gruppi funzionali. Ne è un esempio la polietilenimmina ramificata (bPEI): un polimero ricco di gruppi amminici che aumenta l'affinità adsorbente per i soluti organici e garantisce buone proprietà strutturali delle nanofibre nell'acqua, la quale agisce come stabilizzatore. L'analisi delle proprietà sia idrauliche che di adsorbimento, tratte dalla letteratura, è stata fondamentale come base per l'implementazione di un modello predittivo per valutare l'applicazione del bPEI per l'eliminazione dell'urea nei sistemi di rigenerazione del dialisato. Il modello numerico sviluppato nel presente lavoro descrive il trasporto di soluto attraverso una colonna di materiale adsorbente granulare e consente di stimare la capacità di adsorbimento della spugna e di predire la quantità di urea rimossa dal sorbent.