Обзор прессы

16.06.2008

Микрофильтрация крови

ВЕСТНИК СЛУЖБЫ КРОВИ РОССИИ, № 4, декабрь, 2001
                                                       МИКРОФИЛЬТРАЦИЯ КРОВИ

                                          А.Ф. Пестун, Н.А. Русанова, Ю.С. Суханов
                                         ОАО «ЭНПО «Неорганика», г. Электросталь
                                         РОБФ «Служба крови - людям», г Москва
 
Многочисленные исследования, открывшие для медицины явление микроагрегации и микроэмболии и их роли в развитии ряда тяжелых осложнений в результате оперативных вмешательств в условиях искусственного кровообращения, привело к разработке нового эффективного средства борьбы с этими осложнениями - использованию микрофильтров для крови.

1.Теоретические основы процесса микрофильтрации.
1.1. Характеристика фильтров, применяемых для микрофильтрации.
Микрофильтрация - это процесс удаления частиц примесей размером от 0,25 до 10 мкм и более из жидкостей и газов пропусканием их через микропористую среду. Частицы, размер которых измеряется в микронах, могут быть удалены материалами глубинного типа задерживания как, например, волокнистые среды, но только мембранный или экранный фильтр, обладающий порами точного размера, может обеспечить количественное удержание указанных выше частиц. Глубинные фильтры применяются в основном для осветления растворов, очистки крови от тромбоцитов, т.е. где не требуется количественное удерживание примесей, либо в качестве пред-фильтров, устанавливаемых до мембранного фильтра, для продления срока его службы.
Как экранные, так и глубинные фильтры имеют свои преимущества и ограничения и могут дополнять друг друга при совместном использовании в системе микрофильтрации.

1.1.1. Характеристика глубинных фильтров.
Структура:
Матрикс беспорядочно ориентированных волокон или шариков, объединенных сжатием, закручиванием или другим образом и создающих массу переплетенных проточных каналов, например, вата, стекловолокно, микроволокнистые минералы и др.

Достоинство:
Высокая удерживающая способность. Задерживаются частицы как на поверхности, так и в толще матрикса. Недостатки:
- перемещение фильтрующей среды из-за волокнистого характера структуры матрикса,
что объясняет появление обрывков волокон в фильтрате и требует в этом плане средств защиты;
- отсутствие определенного размера пор, беспорядочная структура матрикса не позволяет определить верхний предел размера частиц, могущих пройти сквозь фильтр.

1.1.2. Характеристика экранных фильтров

Структура:
Твердая одородная сплошная сеть полимерных волокон, диаметр пор точно определяется в процессе производства, например, сетчатая ткань Дакрон, мембранные фильтры.

Достоинства:
- однородность структуры фильтрующего материала исключает возможность перемещения среды;
- определенный размер пор. Для каждого типа фильтра предусмотрен строго определенный размер пор, контролируемый в процессе изготовления фильтра, и ограничивающий размер наибольшей частицы, проходящей через фильтр.

Недостаток:
Низкая удерживающая способность, частицы задерживаются почти исключительно на поверхность фильтра, быстрое забивание.
 
 
1.2. Понятие о биосовместимости
Использование искусственных материалов в медицине вызвало к жизни новую важнейшую проблему, а именно, вопрос о биологической совместимости. Известно, что живой организм резко отторгает субстанции, генерированные вне его, и тем или иным путем стремится выделить их из себя т.е. в любом случае органический материал и живой организм претерпевают взаимное влияние отрицательного характера, поэтому с точки зрения воздействия на организм синтетический полимер должен отвечать следующим требованиям:
а) Не вызывать отравления и не быть аллергеном;
б) Не травмировать живую ткань;
в) Не быть канцерогеном;
г) Не вызывать свертывания крови и гемолиза;
д) Не вызывать денатурации и разложения белков и ферментов;
е) Не нарушать электролитический баланс и не вызывать отклонений в системе метаболизма;
ж) Не вызывать интоксикацию организма.
 
Претерпевая влияние со стороны живого организма, полимер в свою очередь не должен:
а) Поддаваться истиранию и механическому разрушению, т.е. терять динамические свойства;
б) Менять структуру, текстуру и конфигурацию своей поверхности;
в) Химически транспортироваться и разлагаться;
г) Экстрагироваться;
д) Адсорбироваться и седиментироваться.
Из всех отрицательных воздействий, оказываемых синтетическими материалами на живой организм, следует указать на интоксикацию. Ввиду того, что отравления возникают как следствие абсорбирования организмом обычных веществ, высокомолекулярные соединения не могут вызвать интоксикацию, поскольку они не растворяются в жидкостях организма. В этой связи надо сразу же отметить, что изделия из полимеров обычно содержат разнообразные низкомолекулярные примеси, остающиеся после производственно-технических процессов, например, мономеры, растворители, катализаторы и

Таблица 1 

Влияние некоторых полимерных материалов на свертываемость крови и гемолиз

Полимер  Скорость коагуляции, мин.  Гемолиз 
 Полистирол  12  16
 Полиэтилен  11  25
 Силиконовый каучук  20  5
 Полипропилен  12  14
 Целлофан  6  -
 Винилпиридин - бутадиено¬вый каучук  12  37
 Тефлон  10  27
 Естественный каучук  8  13
 Эпоксидная смола  13  -
 Поливинилфторид  10  -
 Поливинилиденфторид  12  -
 Гидрированный каучук  9  46
 Этилен - пропиленовый каучук  13  14
 Этилен - бутадионовый каучук  12  15
 Фторсиликоновый каучук  8 14 
 Полиэтилентерефталат  10
 Стекло  3,5  3

побочные продукты реакций, пластификаторы, наполнители, стабилизаторы, стерилизаторы, пирогенны и другие вещества. Понятно, что если бы удалось получить полимер, абсолютно свободный от низкомолекулярных примесей, то материал из него можно было бы назвать совершенно безвредным, т.е. обладающим абсолютной биосовместимостью. В последнее время начали выпускать коммерческие изделия из полимеров так называемой «медицинской степени чистоты», которые, конечно, не полностью свободны от примесей, но в процессе их производства были полностью использованы все известные способы очистки. Результаты лабораторных испытаний токсичности некоторых коммерческих полимеров медицинского назначения показывают воздействие любого высокомолекулярного полимера на человеческий организм. Есть все основания утверждать, что степень такого влияния зависит даже не столько от природы полимера, сколько от способа его синтеза, и, главное, от технологии его переработки в конкретное медицинское изделие или препарат.
В отношении травмирования и канцерогенного воздействия полимера на живую ткань прослеживаются аналогичные корреляции, где определяющая роль принадлежит химическому составу и количеству экстрагируемых примесей.
Следует добавить еще один фактор - чисто механическое действие, и это подтверждается многочисленными данными: они свидетельствуют о важнейшем значении физических динамических свойств, морфологии и строения поверхности полимерного материала.
Обобщить все перечисленные факторы и вывести единую всеобъемлющую теорию их воздействия на организм практически невозможно. Многообразие их лишь характеризует сложность проблемы в целом.

1.3. Отрицательное действие синтетических полимеров на кровь.

Наиболее важным аспектом биологической совместимости полимеров является их сродство с кровью. Пока кровь протекает по естественным сосудам, процесс идет гладко, и никаких проблем не возникает, однако применение аппарата «сердце» - «легкие» или искусственной почки сразу же вызывает необходимость отвода из организма и создания внеорганной циркуляционной цепи, а это чревато опасностью мгновенного свертывания крови в той или иной цепи. Понятно, что способностью крови свертываться и препятствовать тем самым гемофилии при травмировании сосудов есть одно из проявлений естественного регулирующего механизма, в частности, адаптационной способности организма к внешним воздействиям.
Однако при лечении с использованием искусственных материалов свойство крови свертываться представляет значительные неудобства и помехи. Для преодоления их обычно используют антикоагулянты типа гепарина, впоследствии нейтрализуемые. Особенность действия последних состоит в том, что они лишают способности свертываться всю кровь, циркулирующую в биологической системе, и тем самым предельно облегчают ее выведение из организма. Вместе с тем здесь же возможна опасность и полной гемофилии, поэтому антикоагулянтами можно пользоваться лишь в течение очень короткого времени.
Таким образом, в высшей степени насущным является создание такого синтетического материала, который, во-первых, не нарушал бы естественного регулирующего механизма, т.е. свертывания крови, во-вторых совершенно не вызывал бы тромбообразования.
Гемолиз - увеличение гемоглобина, мг/100 мл крови.

В таблице 1 приведены результаты испытаний некоторых синтетических материалов на ускорение коагуляции крови. На основании этих результатов видно, что при контак¬тировании с поверхностью стекла коагуляция крови максимально ускоряется, тогда как силикон стимулирует процесс весьма слабо. Однако, можно констатировать, что в процессе естественной циркуляции крови практически все искусственные материалы в той или иной степени вызывают тромбообразование.
Длительная циркуляция крови вне организма при использовании синтетических полимеров крайне нежелательна также из-за опасности разрушения эритроцитов, т.е. гемолиза. Обычная продолжительность существования эритроцитов достигает 4 мес., однако в условиях контактирования с инородным телом резко возрастает опасность физического травмирования крови.
Степень механических повреждений зависит как от химических, так и от физических свойств поверхности данного тела, а поэтому при проектировании аппаратуры медицинских изделий важнейшее значение приобретает выбор подходящего материала. И, наконец, приходится учитывать адгезию, образование агрегаций и разрушение эритроцитов, денатурацию и адсорбцию белков, иммунные процессы и многие другие факторы.
Длительное время научными институтами ведутся работы по получению фильтрующего материала не обладающего отрицательным действием на кровь. Так на Международной выставке «Химия - 87» в г. Москва был представлен «Композиционный фильтровальный материал для фильтрации крови (КФМ)», который был получен на основе лавсанового нетканого полотна с полимерным покрытием из кремнийорганического каучука (силикона).
Как следует из рекламной статьи, этот «лавсановый нетканый материал имеет большое количество разветвленных пор, которые задерживают микрочастицы и микросгустки различной конфигурации, находящиеся в крови. Кремнийорганическое покрытие придает фильтрующему материалу атромбогенные свойства, предотвращает адгезию форменных элементов крови к фильтрматериалу, минимально травмирует их, и белки плазмы, благодаря чем у использование КФМ практически не ухудшает функциональные свойства крови после фильтрации при одновременном удалении на 95-97% всех микросгустков и микрочастиц более 30 мкм».
Полученные данные способствовали повышению интереса к данному вопросу и значительное количество предприятий усилило свои работы в указанном направлении. Так в начале 90-х годов ЭНПО «Неорганика» приступило к разработке материала на основе нетканого полотна с покрытием силиконом. В результате значительного количества экспериментов было достигнуто оптимальное соотношение силиканированного (65-85%) и несиликанированного материалов (15-35%).
 
С 1996 года предприятием освоен выпуск изделия МФТ с использованием силиконирования. На его основе совместно с АО «Интероко» налажен выпуск Устройства для переливания крови с микрофильтром однократного применения, стерильное ПК 23- 01 (Исполнение 1). Устройство прошло апробацию в Гематологическом научном центре РАМН и в заключении сказано: В результате проведенных испытаний образцов устройств для переливания крови с микрофильтром установлена их клиническая пригодность для широкой медицинской практики, удобство применения, надежность действия и безопасность для реципиентов. На основании положительных результатов испытаний устройство для переливания крови с микрофильтром однократного применения, изготовленное АО «Интероко», рекомендуется для промышленного производства и для клинического использования в учреждениях страны.
23.05.1996 года протоколом №5 устройс¬тво прошло согласование Комитета по новой технике Минздрава Российской Федерации.
Деградационные изменения синтетических полимеров в живом организме.
Живая материя ставит крайне жесткие условия для контактирующего с нею синтетического материала, а именно, влияние, испытываемое полимером со стороны организма, проявляется уже через несколько месяцев, некоторые полимеры могут без изменений пребывать в организме более длительны срок.
В таблице 2.2 представлены изменения механических характеристик различных полимеров в результате достаточно длительного пребывания в брюшной полости собаки. Согласно приводимым данным прочность при растяжении полиуретана и нейлона снижается гораздо быстрее, чем силиконов и тефлона.
Это позволяет предположить, что синтетический полимер, введенный в живой организм, в разной степени, но неизбежно претерпевает разрыв микромолекулярных цепей, разрушение надмолекулярных структур и другие изменения деградационного характера.
 

Итак, рассмотрены многочисленные полимерные материалы искусственного происхождения, но ни об одном из них нельзя сказать, что он действительно совместим с живым организмом. Кроме того, чтобы быть пригодным для медицинского применения, материал должен быть стоек к антибактериальной обработке, которая, как известно, проводится в весьма жестких режимах.
Наиболее распространенной является асептическая обработка водяным паром под высоким давлением. Используют радиационную и газовую (окисью этилена) антибактериальную обработку. Совершенно естественно, что не все материалы могут выдерживать такую обработку без деструкции, образования побочных продуктов или же адсорбирования обрабатывающей среды.
Таким образом, наиболее актуальная задача состоит в том, чтобы получить новые высокомолекулярные материалы, которые не травмировали бы живой материи и выполняли бы свои функции, не вызывая ответных реакций с её стороны. Такие материалы должны быть антитромбогенными, т.е. при соприкосновении с кровью не вызывать тромбообразования.
Феномен поверхностей и гемосовместимость Существует точка зрения, согласно которой совместимость с кровью необходимо рассматривать только во взаимосвязи с явлениями, происходящими на поверхности раздела фаз. Известно также, что антитромбогенные свойства синтетического материала обратно пропорциональны гидрофильности его поверхности и уровню поверхностной энергии. Существует и такое воззрение, что предпочтительным является уменьшение энергии на поверхности раздела фаз между полимером и кровью.
Lisman определил значение угла смачивания поверхности для гаммы жидких полимеров с разным поверхностным натяжением у, и ему удалось показать, что между значениями у и cos 6 существует линейная зависимость, в которой есть показатель Yс критического поверхностного натяжения, при условии cos 6 = 1. Если поверхностное натяжение какой-то жидкости меньше ус, то любой полимер будет смачиваться такой жидкостью./2/.
Следовательно, чем выше параметр ус полимера, тем большую склонность к смачиванию этот полимер должен иметь, тем короче период свертывания крови под действием этого полимера, и следовательно, на поверхности твердого тела, склонного к легкому смачиванию, тромбообразование должно протекать весьма быстро и гладко /2/.
Среди комплекса взаимодействий наиболее важными акциями являются, по-видимому, адсорбция и денатурация белка плазмы на  
 
Снижение прочности при растяжении синтетических полимеров в результате пребывания в живом организме
 
Таблица 2
 
Полимерный материал  Срок пребывания, мес.  Снижение прочности при растяжении, % 
 Полиуретан  8  78
 Полиуретан  16  разрушается
 Нейлон (полиамид)  17  44
 Нейлон (полиамид)  36  81
 Орлон (полиакрилонитрид)  24  24
 Дакрон (полиэфир)  26  12
 Тефлон  22  6
 Майлар (полиэфир)  17  0
 Силастик (силиконовый каучук)  17  2

поверхности полимерного материала, когезия тромбоцитов и освобождение тромбоцидных факторов.

1.6 Микрофильтрация крови при операциях в условиях искусственного кровообращения
Наблюдения за характером осложнений, возникающих у больных после массивных переливаний донорской крови уже в 40-х годах дали основание предположить их тромбоэм-болическую природу. Путем простых исследований было установлено, что в донорской крови при ее хранении содержится большое количество сгустков и клеточных элементов на разных стадиях распада. Изменения донорской крови, ее морфологический состав стали предметом исследований многих авторов (Barkett, Cooksey и соавт, Moseley и со-авт, Swank и соавт, М.Г. Карташевский и В.В. Румянцев).
/3/. При этом было отмечено, что донорская кровь перед переливанием нуждается в тщательной фильтрации, и предложены первые ее способы: через шелк (Fantus), через слой газовой ткани (Wilson), через тонкую металлическую сетку (coorsey). В 1952 году было высказано предположение о том, что микроагрегаты донорской крови могут вызвать поражение капиллярной сети жизненно важных органов при массивном переливании по поводу травмы или отравления.
Изучение донорской крови на разных сроках хранения показало, что скорость образования микроагрегатов различна в зависимости от способов конскервации: в крови, стабилизированной гепарином, уже через 2 часа образуется большое количество микрочастиц, в то время, как при стабилизации растворами, содержащими цитрат, микрочастицы, начинают образовываться через 24 часа. Количество микроагрегатов нарастает лавинообразно и к 14 дням хранения может достигать 100 000 и более в 1 мл. крови (Sakashita и соавт.). Установлено, что при переливании одной единицы донорской крови (540 мл.) в сосудистое русло больного может поступить до 0,86 г. микроагрегатов. Причины возникновения процесса агрегации полностью еще не выяснены, однако, некоторые факторы, несомненно способствуют началу образования клеточных скоплений в крови. Так, большое значение придается плохому перемешиванию крови с консервантом при взятии ее у донора, не менее важным фактором является и температурный режим хранения крови (Mc Namara и соавт. 1971г.). Морфологические исследования крови, содержащей микроагрегаты, показали, что основную массу микрочастиц представляют скопления агрегатов из тромбоцитов и других элементов крови. Бурное развитие кардиохирургии и метода искусственного кровообращения потребовало широкого изучения явлений микроагрегации и тромбоэмболии.
Особое значение для создания современной концепции тромбоэмболических поражений жизненно важных органов после массивных переливаний донорской крови имели наблюдения за состоянием больших контингентов тяжелораненых во время войны во Вьетнаме. Было отмечено, что частота тяжелых осложнений как со стороны центральной нервной системы, так и со стороны системы дыхания находилась в прямой зависимости от количества перелитой донорской крови и ее качества.
Уже на первых порах применения метода искусственного кровообращения были отмечены присущие ему специфические тром-боэмболические осложнения. Образованию микроагрегатов в АИК способствует процесс денатурации белков плазмы крови из-за прямого контакта крови с атмосферным воздухом в большинстве используемых и по сей день оксигенаторов.
Важное значение придают смешиванию крови из АИК с кровью больного с началом перегрузки - так называемый феномен смешивания.
Таким образом, в возникновении легочной недостаточности после массивных переливаний крови и операций с применением искусственного кровообращения участвует комплекс различных механических, токсических, рефлекторных факторов, среди которых первое место принадлежит диффузной массивной

 
Волокна «Dacron» имеют диаметр
12 мкм, улавливают микроэмболию
13 мкм. Фильтры имеют пропускную способность до 1 000 мл в одну минуту.
При этом кровь протекает свободно под действием силы тяжести.
 

тромбоэмболии капиллярного ложа легких микроагрегатами, играющей роль спускового механизма для других патологических операций.
Путь микрофильтрации крови и перфузионных сред представлялся наиболее доступным и легко осуществимым. Однако простая фильтрация крови через стандартные фильтры систем для переливания крови успеха не имела, поскольку поры этих фильтров пропускают частицы размером до 200 мкм. Размер же основной массы микроэмболов менее 30-25 мкм. (Kunzel и соавт, Mjseley и соавт, 1970, Swank, 1964). Поэтому для этой цели необходим совершенно новый тип фильтров. Первые удачные опыты по микрофильтрации были проведены в 50 годы.
Более 1 000 000 фильтров использовались клинически, клинические испытания показали высокую эффективность фильтров.
Волнистые фильтры «Swank» используют в качестве фильтрующего элемента навеску ваты из дакронового волокна, которая сжата между двумя ограничивающими решетками, покрытыми тонкой синтетической тканью для предотвращения отдельных волокон в ток крови. Вата с решетками помещена в цилиндрический корпус из прозрачного пластического материала (поликарбоната) с входным и выходным штуцерами для подсоединения к экстракорпоральной системе.
Фильтр имеет определенную плотность набивки (0,2 г/см3) для предотвращения образования сквозных каналов протекания крови. Емкость фильтра 160 см3. Механизм фильтрации кроме простого захвата наиболее крупных частиц чисто механическим путем основан еще на наличии заряда на поверхности волокон и поверхностной энергии материала Даркон - полиэтилентерефталат (лавсан) (Ly-man и соавт.)/3/.
На микрофотографии показаны отфильтрованные осколки в толще волокнистого фильтра «Swank».
 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. « Микрофильтрация крови». Отчет о патентно-технических исследованиях. ОАО «ЭНПО «Неорганика», г. Электросталь, 1987 г.
2. «Полимеры медицинского назначения». Монография, перевод с японского под редакцией СЭНОО Манабу. г. Москва , «Медицина». 1981 г.
3. «Реанимация и анестизиология», № 5. Москва, «Медицина», 1977 г.
4. Проспекты фирм:
4.1 «Композиционный фильтровальный материал для фильтрации крови», ЛЕНГИДУВ, г. С-Петербург,1987 г.
4.2 "Swank", "Gambro", "Swank Blood", USA.
5. Технология производства химических волокон «Химия», 1974 г.
6. Е.Н. Седина, «Исследование влияния различных факторов на структуру и свойства нетканых фильтрующих материалов». Автореферат диссертации, Ленинград, 1970 г.
7. Л.В.Жолобова, «Технология фильтровальных видов бумаги и картона для защиты органов дыхания», Автореферат диссертации, Архангельск, 1999 г.
8. А.В.Канарский, «Технология фильтровального картона для очистки медико-биологических жидкостей». Автореферат диссертации, Ленинград, 1984 г.