血液净化是指通过血液净化系统除去血液中某些有害物质,从而治疗患者疾病的一种方式,它主要包括血液透析、血液滤过、血液吸附、血浆分离等。血液净化系统经常用于各种因素造成的代谢器官功能障碍,器官功能损伤等疾病的治疗,长期以来一直是人们研究的焦点。人工肾血液净化系统,是目前技术较成熟且应用广泛的一种血液净化系统,但是,这种系统的毒素清除机理仅适用于清除水溶性小分子毒素,而对于肝病患者体内的与白蛋白结合的毒素并不适用。本文主要针对非生物型人工肝血液净化机理及其相关系统进行基础理论和实验研究。首先基于大量文献,对目前人工肝血液净化技术以及相关设备的现状进行概述。由于清除血液中与白蛋白结合毒素的机理更为复杂,且涉及到的领域较多,目前国外关于人工肝血液净化机理的研究相对较少,且不完善。国外的现有设备也在生物相容性、白蛋白损失和毒素清除效率等方面存在一些不足。而国内针对人工肝血液净化方面的研究起步较晚,研究主要是集中在医疗机构对现有系统应用的临床实验研究,在与白蛋白结合毒素清除机理的基础研究和系统的原理设计方面研究甚少。因此本文针对人工肝血液净化技术的机理和系统设计的研究,对我国自主开发研制人工肝血液净化系统具有重要意义和研究价值。针对人工肝血液净化系统存在的诸多问题,本文做了几方面研究工作,具体研究内容如下:1.人工肝血液净化透析机理的优化动力学模型综合了白蛋白与毒素结合平衡机理和透析对流传质机理。基于该动力学优化模型分别建立单向透析模式和浓缩透析模式系统的流体力学模型,并利用MATLAB软件对两种模式透析系统的清除效率进行仿真。通过实验研究,结果表明该透析动力学优化模型仿真结果更准确,与实验数据更吻合。透析模式和浓缩透析模式的对比实验结果发现,浓缩模式的透析系统不仅在体积、回收、成本方面明显优于单向模式,其清除效率较单向模式系统也具有一定优势。仅在一定条件下,浓缩透析模式的最终清除效率低于单向模式,但透析开始时清除毒素的速率要明显高于单向模式。2.针对人工肝血液净化吸附动力学传质机理的研究,本文根据分层吸附的现象,建立毒素吸附过程的动力学模型。并基于白蛋白吸附量,对毒素吸附传质系数进行修正。利用吸附传质动力学模型,针对“超滤”和“对流”两种吸附模式,分别建立两种吸附模式系统的流体力学模型,并利用MATLAB软件对系统的毒素清除效率进行仿真。两种吸附模式的工作效率进行比较,结果发现,超滤模式的毒素清除效率较对流模式要快,但是由于系统使用的吸附介质总量相同,两种模式的系统最终毒素清除效率也会趋于一致。3.本文建立了人工肝血液净化实验系统。根据人工肝血液净化机理的研究,对实验系统的血液净化原理进行设计。首先提出流速增强设计,解决系统血浆流速受限的问题。对该系统使用的硬件进行设计和选型;再根据血液净化系统的一些安全性原则,对整个实验系统的硬件进行合理布局。根据实验系统的功能和工作流程,利用单片机实现实验系统的电气控制。同时,考虑到系统可能发生的异常情况,针对系统在泵工作异常、血液凝固、血液流速异常等特殊情况下,各个压力监控点的压力变化,得出整个系统的安全逻辑控制关系,来确保系统的安全运行。4.利用实验系统验证了人工肝血液透析优化模型和浓缩透析模式的准确性和有效性。之后又对超滤吸附模式和对流吸附模式的比较结果进行实验验证,结果表明,本文推导的吸附动力学模型仿真结果与实验数据一致;在实验开始阶段超滤模式的清除效率高于对流模式。最后还对本文的实验系统进行了实验验证。综上所述,本文设计的人工肝血液净化实验系统合理、有效,且具有体积小,回收方便,白蛋白损失少等方面的优势。通过上述研究,本文取得的创新成果如下:1.优化了血液透析动力学模型,并提出了一种浓缩透析模式。本文考虑局部超滤不均匀分布的现象,提出一种基于局部超滤的人工肝血液透析动力学优化模型,解决了一般模型预测不够准确的问题;针对单向模式透析系统存在的成本高、回收难、体积大等不足,首次提出了一种系统体积轻便、有利于白蛋白再生、便于回收的浓缩透析模式。结果证明,浓缩透析模式在清除效率方面也具有优势。2.提出基于白蛋白吸附量的变化,对毒素吸附传质系数进行衰减修正,并首次将超滤和对流两种吸附模式的工作效率进行比较。该修正合理解释了毒素吸附过程中,毒素吸附速率减慢的问题。基于吸附传质模型的仿真,结果发现,超滤模式的毒素清除效率较对流模式要快。3.提出了一种流速增强设计方案。流速增强设计利用分流和并流的思想,将系统中吸附后的一部分血浆,并入吸附前的血浆中,有效解决了超滤吸附模式血浆流量受限的问题,提高了系统清除效率。4.设计了一种多功能吸附装置。多功能吸附装置长度可调,多种吸附介质集于一体。该设计有效解决了一般吸附装置需要多个串联,系统冗余,且吸附介质容积有限的问题。