Ipotesi per il miglioramento delle performance di un simulatore bicompartimentale della dialisi : tecniche di diffusione libera ed elettrodialisi

In this research work is presented a study on the fluidodynamic exchange of potassium ion in a bicompartimental simulation of dialysis as presented in a previous work by Borlotti e Carugo [5]. Starting from the experimental data of potassium concentration within the plasmatic compartment, we obtained the mass flux of potassium from interstice-cellular compartment to plasmatic compartment, using an indirect method. Then we obtained the trend of potassium concentration within the interstice-cellular compartment as a function of time. We made this calculation from both the experimental data of potassium concentration obtained in a previous simulation and the clinical data of plasmatic potassium concentration in the patients that underwent the dialytic treatment. This procedure allowed us to evaluate the difference between potassium concentration in the interstice-cellular compartment for the two case analyzed. The aim of this work is to present a technique to restore the potassium concentration to the values of clinical treatment. The results we obtained show that, during a bicompartimental simulation of a 4 hours dialytic therapy, potassium concentration has to be lowered in a first part (about 3 hours), instead must being increased in the last part. To achieve this aim we suggested the use of two techniques: free diffusion and electrodialysis. This techniques are based on the highly selective flux of ion through the ion-exchange membranes. The electrodialysis, unlike free diffusion, allows us even to control the passage of ion through the membranes, due to the imposition of a current voltage within the solution of interest. Then, for the last part of simulation, we projected an electrodialysis cell unit to obtain an increased values of potassium concentration within the interstice-cellular compartment and we gave the mathematical description for the current voltage calculation. In figure I (page below) is showed the potential difference to be applied across the electrodes that contain the cell unit to re-equilibrate the potassium concentration at the levels of clinical treatment, as a function of time. Furthermore, for the first part of the simulation, we gave some qualitative information for the use of free diffusion to correct potassium levels. Anyway, a correct implementation of this technique requires an experimental validation to set accurately the starting point of potassium concentration in the washing solution. However, even if both techniques have to be tested in experimental protocols, we can say that this work represent a step forward to the realization of a tricompartimental system that more closely matches what happens in the real biologic systems.

Nel presente lavoro di tesi viene presentato uno studio sulle dinamiche dei flussi di scambio dello ione potassio durante una simulazione di terapia dialitica mediante modello bicompartimentale, così come concepito da Borlotti e Carugo [5] per il loro lavoro di tesi. Obiettivo del lavoro è l’elaborazione di strategie che permettano il miglioramento delle performances di tale dispositivo. A partire dai dati sperimentali relativi alla concentrazione dello ione potassio nel compartimento plasmatico sono stati ricavati per via indiretta il flusso di massa del potassio dal compartimento interstizio-cellulare a quello plasmatico e conseguentemente l’andamento di concentrazione nel tempo di tale ione all’interno del compartimento interstizio-cellulare. Tale calcolo è stato effettuato sia a partire dai dati relativi alla concentrazione dello ione potassio nel compartimento plasmatico rilevata durante le prove di validazione del simulatore bicompartimentale, sia a partire dai dati clinici sulla concentrazione di potassio nel compartimento plasmatico rilevati su pazienti che hanno subito un trattamento dialitico. Questo ha consentito di valutare la differenza di concentrazione del potassio nel compartimento interstizio-cellulare nei due casi analizzati e a partire da questa è stata proposto un metodo per riportare tale concentrazione ai valori ideali, in modo da avere una concentrazione di potassio nel compartimento plasmatico pari a quella rilevata clinicamente su pazienti trattati con la dialisi. Alla luce dei risultati ottenuti si può affermare che durante una simulazione di terapia dialitica di 4 ore, la concentrazione dello ione potassio va leggermente abbassata durante la prima fase (circa 3 ore della simulazione), mentre nell’ultima fase va aumentata. Per ottenere questo risultato sono state proposte due tecniche basate sulla diffusione libera e sulla elettrodialisi che sfruttano la selettività al passaggio di ioni da parte di membrane a scambio ionico altamente selettive [21]. La tecnica dell’elettrodialisi, a differenza di quella della diffusione libera, permette di controllare il passaggio di ioni attraverso le membrane a scambio ionico grazie all’imposizione di una corrente all’interno della soluzione data da una differenza di potenziale ai capi dei due elettrodi che racchiudono la cella di scambio al cui interno sono presenti le membrane a scambio ionico. Per quanto riguarda questa tecnica, quindi, è stata ipotizzata un’architettura per la cella di scambio ottimizzata per ottenere un aumento della concentrazione del potassio all’interno del liquido interstizio-cellulare e successivamente è stata fornita la descrizione matematica per il calcolo della corrente necessaria per ottenere l’aumento della concentrazione del potassio durante il trattamento del liquido di simulazione interstizio-cellulare. Infine è stata calcolata l’intensità di corrente necessaria per riportare l’andamento di concentrazione del potassio ai valori clinici durante l’ultima fase della simulazione della terapia dialitica. Il grafico di figura I mostra l’andamento della differenza di potenziale da applicare agli elettrodi che racchiudono la cella, ottenuto grazie a questo studio. Per quanto riguarda la tecnica della diffusione libera, da utilizzare durante la prima fase della terapia dialitica, sono state fornite alcune considerazioni a livello qualitativo. Per un’implementazione corretta di tale tecnica, infatti, sarebbe opportuno stabilire con prove sperimentali quale sia la corretta concentrazione iniziale della soluzione di lavaggio per ottenere la rimozione dello ione potassio dalla soluzione. Le considerazioni fatte all’interno del presente lavoro di tesi necessitano, per entrambe le tecniche proposte, di una verifica a livello sperimentale, ma rappresentano sicuramente una possibile evoluzione del sistema bicompartimentale utilizzato precedentemente verso un sistema tricompartimentale, più aderente a quanto avviene fisiologicamente.