The mass transfer characteristics of cellulosic membranes nearly devoid of any charge or adsorption property are investigated. The membrane acts as size selective-sieve type barrier through which diffusion by concentration gradient and ultrafiltration by pressure difference take place simultaneously or alone depending on the driving forces between either side of the membrane.
Overall membrane resistance (O.M.R) are determined by a dual closed-loop technique with which the effects of blood flow rate, dialyzate flow rate and molecular size on O.M.R. are examined. Ultrafiltration experiment in the range of 0.2-1.0 atm of pressure differences is performed by use of Amicon ultrafilter with which solute rejection is determined covering M.W. 60 (urea) to 44,000. (albumin)
The increase of blood flow rate and dialyzate flow rate decreases O.M.R. due to the reduction of film-resistance. As M. W. increases O.M.R. increases. Solute radius (Stokes-Einstein radius) is found to be more reasonable parameter in estimating O.M.R. than molecular weight. The correlations for cellulosic membranes have the following formula.
For membrane 1 (22μ thickness, Union Cellophane, Seoul, Korea)
$log(R_o) = 2.224 log (r_o) + 0.745$
For membrane 2 (38μ thickness)
$log(R_o) = 1.326 log(r_o) + 0.945$
where $R_o$ : overall membrane resistance (min/cm)
$r_o$ : Stokes-Einstein radius, Å
O.M.R. of membrane 1 is much higher than the reported value of Cuprophane which is clinically in use. So membrane 1 is not suitable for hemodialyzer membrane owing to its high O.M.R.. Membrane 2 is, on the other hand, approximately the same as Cuprophane in terms of membrane diffusive permeabilties: But membrane 2 has low hydraulic permeability ($\frac{1}{2}$ times Cuprophane).
There is no solute rejection for less than solute radius of 3.5Å. Solute rejection increases rapidly ranging from M.W. 500 to 2000. Solute rejection profile shows sigmoid form with M.W. increase.
The kinetics of metabolic wastes (urea and creatinine) of the patient treated by hemodialyzer made of membrane 2 is simulated by computer using two compartment model. It takes 172 minutes and 200 minutes for urea and creatinine concentration, respectively, in the blood to reach the safety concentration with the membrane surface area of 0.6㎡.
인공신장에 널리 쓰이고 있는 셀룰로즈 격막의 물질 전달에 대한 특성을 살펴 보았다. 셀룰로즈 격막은 전하도 없고 흡착능도 없는 분자량에 따라서 거르는 체와 같은 격막이다. 격막을 물질이 통과하는 기전은 두 가지가 있다. 즉 농도차에 의해서 물질이 전달되는 투석과 압력차에 의해서 전달되는 Ultrafiltration 이다.
투석에 의한 실험은 dual closed-loop 방법에 의해서 격막의 총괄 저항 계수를 구했다. 혈류 속도, dialyzate 속도 및 분자량이 총괄저항 계수에 미치는 영향을 각각 살펴보았다. Ultrafiltration 에 의한 실험은 Amicon ultrafilter 를 사용하여 0.2 - 1.0 기압의 압력차에서 행했다. 또한 분자량 60에서부터 44,000 까지 바꿔가면서 용질 거부 계수를 구했다.
혈류속도, dialyzate 속도가 증가함에 따라서 각 부분의 막저항의 감소에 의한 총괄저항 계수의 감소를 볼 수 있었다. 또한 분자량의 증가는 총괄 저항계수의 증가를 가져왔다. 격막의 총괄저항 계수를 추정하는데 있어서 분자반경(Stokes-Einstein 반경)이 분자량보다 더 합당한 매개 변수임을 알았다. 셀룰로즈 격막의 경우 다음과 같은 결과를 얻었다.
격막 1 의 경우
$log (R_o) = 2.224 log (r_o) + 0.745$
격막 2의 경우
$log (R_o) = 1.326 log (r_o) + 0.945$
$R_o : 격막의 총괄 저항계수, min/cm$
$r_o : Stokes-Einstein radius, Å
현재 임상적으로 쓰이고 있는 $Cuprophane ^R$ 에 비해서 격막1의 저항계수는 아주 컸다. 따라서 격막 1은 높은 저항계수 때문에 일상에 쓰이기에는 부적당했다. 그러나 격막 2는 물질 투과계수에 관한한 $Cuprophane ^R$ 에 아무런 손색이 없었다. 다만 격막 2 의 Ultrafiltration 계수가 $Cuprophane ^R$ 의 그것에 절반밖에 되질 않았다. 격막 2는 대류에 의한 물질 전달 속도가 작은 것을 예상할수 있다. 용질 거부현상은 분자량 180 까지는 보이지 않았다. 분자량 500 - 2000 사이에서 용질 거부 계수가 급격히 증가했고, 분자량의 증가에 따라 'S' 자 모양을 나타내었다.
실험에 사용한 격막으로 인공신장을 만들어 신부전 환자에게 적용시켰다고 가정했을때 몸속에 있는 노폐물 (요소, 크레아티닌)의 동력학을 two compartment 모형을 사용하여 전산기로 simulation 하였다. 요소의 경우 치료시간이 172분 이상이 되면 혈중의 요소 농도가 안정한 농도까지 떨어지고, 크레아리닌의 경우 200 분이 걸렸다.
