Medium sized molecules clearance through artificial kidneys
Clairance de molécules de taille moyenne à travers un rein artificiel
Résumé
Despite a long history of development, the hemodialysis procedure (artificial kidney) still possesses some limitations, such as loss of the initial properties of the membrane due to fouling and poor removal of the middle sized uremic toxins. The present study is part of an European project named BioArt the aim of which was to overcome these limitations. In that objective, one of the partners of BioArt project reported on the development of the novel promising concept of double layer membrane with embedded adsorptive particles. A thorough characterization of the new membrane was then necessary, more precisely the extent to which mixed matrix layer can improve the removal of the uremic toxins from various groups needed to be evaluated, as well as the propensity of the membrane material to become fouled. The studies of the fouling phenomena are conventionally performed at the macro scale (bundle of hollow fibers) without insights of what is happening at the scale of an isolated fiber. Therefore, the primary aim of the present Thesis was to transfer the research of the protein-induced membrane fouling from the macro to the micro scale. A novel transparent microfluidics device with the polymeric membrane inside has been developed and applied for the filtration of model proteins: bovine serum albumin (BSA) and a-lactalbumin. Thanks to the coupling of the microchip with the fluorescent microscopy, different patterns of protein deposition on the membrane surface were observed and related to the variations in the hydrodynamic conditions inside the microchip. It was found that at certain conditions one may observe the difference in protein accumulation in the inlet, the middle, and the outlet of the channel while at other conditions this effect vanishes. Additionally, the unexpected phenomena of a-lactalbumin aggregation was observed over the course of filtration. The location and shape of the aggregates were also dependent on the hydrodynamic conditions and the applied transmembrane pressure. Aiming to address the problem of membrane design optimization for the enhancement of the middle molecules elimination from the bloodstream, a mathematical model, which accounts for the presence of adsorptive particles inside the complex double-layer membrane, has been proposed. The objective of the model was to understand the interplay of three solute removal mechanisms: convection, diffusion, and adsorption. The model allows predicting the influence of various parameters such as molecule diffusivity, membrane thickness, the presence of convection, content of adsorptive particles on the flux intensification across the membrane. The developed model seems to be a useful tool, which may be applied to design optimized membranes for the removal of toxins.
Malgré une longue histoire de développement, l'hémodialyse (rein artificiel) possède encore quelques limitations, telles que la perte des propriétés initiales de la membrane en cours de traitement à cause du colmatage et la mauvaise élimination des toxines urémiques de taille moyenne. La présente étude fait partie d'un projet européen nommé BioArt dont le but est d'apporter des solutions à ces limites. Dans cet objectif, l'un des partenaires du projet a proposé le développement d'un nouveau concept de membrane double couche au sein de laquelle sont incorporées des particules adsorbantes. Une caractérisation complète de cette nouvelle membrane était alors nécessaire, plus précisément l'impact de la matrice mixte sur l'élimination des toxines urémiques de divers groupes devait être évalué, ainsi que la propension du matériau membranaire à se colmater. Les études des phénomènes de colmatage sont classiquement menées à l'échelle macroscopique (faisceau de fibres creuses) sans analyse à l'échelle d'une fibre isolée. Le but premier de la présente thèse a alors été de proposer un dispositif permettant une étude du colmatage membranaire induit par la protéine à l'échelle microscopique. Un dispositif microfluidique transparent dans lequel la membrane polymère est insérée a été élaboré et mis en œuvre pour la filtration des protéines modèles : l'albumine de sérum bovin (BSA) et l'a-lactalbumine. Grâce au couplage avec la microscopie de fluorescence, différents modes d'adsorption des protéines sur la surface de la membrane ont été observés et liés aux variations des conditions hydrodynamiques à l'intérieur de la puce. Il a été constaté, sous certaines conditions, une différence dans l'accumulation de protéines entre l'entrée, le centre et la sortie du canal tandis que dans d'autres conditions cet effet s'annule. En outre, un phénomène inattendu, l'agrégation de l'a-lactalbumine, a été observé au cours de la filtration. La localisation dans le canal et la forme des agrégats dépendent également des conditions hydrodynamiques et de la pression transmembranaire appliquée. Dans le but d'optimiser la conception de la membrane vis à vis de son aptitude à éliminer des molécules de taille moyenne de la circulation sanguine, un modèle mathématique a été proposé. L'objectif du modèle était, en prenant en compte la présence de particules adsorbantes à l'intérieur de la membrane double couche, de rendre compte de la combinaison des trois mécanismes d'élimination du soluté : la convection, la diffusion et l'adsorption. Le modèle permet de prédire l'influence de divers paramètres tels que la diffusivité de la molécule, l'épaisseur de la membrane, la présence de la convection, la charge en particules adsorbantes, sur l'intensification des flux à travers la membrane. Le modèle semble être un outil utile pouvant être appliqué à l'optimisation de membranes pour l'élimination des toxines.
Origine : Version validée par le jury (STAR)