劉　濤，李昌烽，屈　健

（江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

中空纖維管中血液輸運(yùn)過程不均勻特性的試驗(yàn)

劉濤，李昌烽，屈健

（江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

設(shè)計(jì)并搭建了中空纖維透析系統(tǒng)試驗(yàn)裝置，研究了血液輸運(yùn)過程中毒素在3個(gè)不同區(qū)域（內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)）內(nèi)的流動(dòng)及傳質(zhì)特性，測定了毒素的出口濃度和清除率，對測試結(jié)果進(jìn)行了顯著性差異分析，并對毒素在清除過程中的不均勻特性所造成的原因進(jìn)行了分析和探討.結(jié)果表明：毒素的清除效果在流經(jīng)不同區(qū)域時(shí)，存在嚴(yán)重的不均勻特性，中環(huán)和內(nèi)環(huán)比較接近，而外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間存在很大的差異；另外，透析液流量的增加，有助于毒素的清除效果，當(dāng)透析液流量從低流量（500 mL·min-1）增加到高流量（1 000 mL·min-1）時(shí)，內(nèi)環(huán)和外環(huán)的出口濃度偏差從15.00％下降到6.20％，清除率偏差從16.70％下降到5.20％，顯著性差異從0.00S上升到0.020，透析液流量的增加對改善內(nèi)環(huán)和中環(huán)的清除效果尤為顯著.

中空纖維；透析；傳質(zhì)；血液輸運(yùn)；不均勻性

doi∶10.3969/j.issn.1671-7775.2015.06.006

中空纖維已在化工分離、血液透析、加濕與除濕［1-5］等領(lǐng)域取得了較好的效果，由于中空纖維管外的傳質(zhì)性能對整個(gè)中空纖維膜分離器的分離性能有很大的影響，因此管外傳質(zhì)性能一直是被關(guān)注的焦點(diǎn).然而管外的傳質(zhì)性能卻受到很多因素的影響，如壁面、進(jìn)出口結(jié)構(gòu)［6-7］、中空纖維管的排列方式等［S-9］，并且透析器內(nèi)有上萬根纖維管管束，內(nèi)部的流動(dòng)和傳質(zhì)特性非常復(fù)雜，在理論模擬時(shí)，計(jì)算量相當(dāng)大，所建立的計(jì)算模型很難與實(shí)際的透析器模型接近.

為了更加深入地研究中空纖維管管外流動(dòng)和傳質(zhì)的不均勻特性，筆者建立中空纖維膜透析系統(tǒng)試驗(yàn)裝置，利用NIPRO透析器，將其內(nèi)部的流動(dòng)范圍分為面積相等的3個(gè)區(qū)域，分別為內(nèi)環(huán)、中環(huán)和外環(huán).考察血液輸運(yùn)過程中毒素在不同區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)和傳質(zhì)情況，得到毒素的出口濃度及清除率，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析.

1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)裝置如圖1所示，中空纖維透析器采用逆流，纖維管內(nèi)流體為血液（含有尿素的去離子水），管外為透析液（去離子水），管內(nèi)外流體的流動(dòng)方向相反.

圖1　試驗(yàn)裝置圖

透析器的放置方式參照臨床上利用透析機(jī)對腎病患者透析治療時(shí)的放置方式，即透析器豎直放置血流向下.血液在蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)下從上方的血液進(jìn)口流進(jìn)，從下方的血液出口流出；透析液在蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)下從下方的透析液進(jìn)口流進(jìn)，從上方的透析液出口流出.事實(shí)上，中空纖維透析器的放置方式在血液輸運(yùn)過程中對毒素的清除效果也存在一定的影響［10］.血液在輸運(yùn)過程中毒素在濃度差和壓力差的作用下通過中空纖維膜向透析液擴(kuò)散，被透析液帶走并從透析液出口排出，從而使血液中的毒素濃度越來越低.在血液出口處周期性（時(shí)間間隔5 min）取微量流體樣本，測量血液中的毒素的濃度，計(jì)算其清除率.

清除率為

式中∶CL，mL·min-1；Qbi和Qbo分別為血液進(jìn)出口流量，mL·min-1；Cbi和Cbo分別為進(jìn)出口血液中尿素的濃度，mmol·L-1.

2 材料和方法

2.1透析器參數(shù)

采用的透析器型號(hào)為NIPRO FB130A（福州市尼普洛有限公司生產(chǎn)）.膜材料為二醋酸膜，膜外徑為230μm，膜內(nèi)徑為200μm，中空纖維管壁厚為15 μm，中空纖維管長度為230 mm，透析器的傳質(zhì)面積為1.3 m2.

血液用含有尿素的去離子水代替，透析液用去離子水代替.透析器內(nèi)血液側(cè)每個(gè)區(qū)域的流量為120 mL·min-1，透析液側(cè)流量控制為500，S00，1 000 mL·min-1.

2.2試驗(yàn)步驟

2.2.1中空纖維透析器的處理

面積相等的3個(gè)流動(dòng)區(qū)域如圖2所示，將中空纖維透析器的進(jìn)口端面分成面積相等的3個(gè)同心圓區(qū)域.內(nèi)環(huán)∶半徑為0～9.Smm，面積為301.5 mm2.中環(huán)∶半徑為9.S～13.9 mm，面積為305.1 mm2.外環(huán)∶半徑為13.9～17.0 mm，面積為300.9 mm2.將流動(dòng)區(qū)域用白紙遮擋，其他區(qū)域涂抹環(huán)氧樹脂，經(jīng)過24 h晾干，環(huán)氧樹脂將完全固化.每次試驗(yàn)時(shí)只有1個(gè)區(qū)域?yàn)榱鲃?dòng)區(qū)域，另外2個(gè)流動(dòng)區(qū)域用環(huán)氧樹脂固化后為非流動(dòng)區(qū)域.

圖2　面積相等的3個(gè)流動(dòng)區(qū)域

2.2.2試驗(yàn)方法

將尿素（分析純）溶解于去離子水模擬臨床透析使用的血液中，去離子水使用KFLOW-R050ACB水凈化系統(tǒng)制備，血液在蠕動(dòng)泵的作用下，通過血路管從血液進(jìn)口流進(jìn)透析器，從血液出口流出，血路管的使用可以使血液在進(jìn)入中空纖維透析器前消除氣泡.同時(shí)，透析液在另一臺(tái)蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)下，從透析液進(jìn)口流進(jìn)，從透析液出口流出.分別調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速，使血液進(jìn)口流量為120 mL·min-1，透析液側(cè)進(jìn)口流量分別為500，S00，1 000 mL·min-1.利用流量計(jì)分別測量血液側(cè)、透析液側(cè)的流量，并且在血液側(cè)的進(jìn)出口處采樣.

2.2.3取樣方式

取樣前，首先清除系統(tǒng)內(nèi)部的氣泡，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，透析系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間不少于Smin.當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，每次取樣5 mL溶液，取樣3次，取樣時(shí)間間隔為5 min，為了檢查進(jìn)口血液濃度的穩(wěn)定性，同時(shí)在血液進(jìn)口取樣.用精密移液器從上述5 mL溶液中取1 mL，裝入樣品瓶.

2.2.4樣品的化驗(yàn)

尿素濃度的測量使用全自動(dòng)生化分析儀.尿素濃度采用GLDH動(dòng)力學(xué)法，比色波長為340 nm.

2.2.5統(tǒng)計(jì)方法

對測量結(jié)果用t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P＜0.050認(rèn)為存在顯著性差異.

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1濃度場的不均勻特性

在3個(gè)不同的流動(dòng)區(qū)域，毒素的進(jìn)口濃度保持恒定，為16.50 mmol·L-1，NIPRO透析器尿素平均出口濃度如表1所示.

表1　NIPRO透析器尿素平均出口濃度

透析液流量為500 mL·min-1時(shí)，毒素的出口濃度外環(huán)區(qū)域最低，為7.37 mmol·L-1；內(nèi)環(huán)區(qū)域最高，為S.67 mmol·L-1；中環(huán)區(qū)域與內(nèi)環(huán)區(qū)域接近，為S.60 mmol·L-1.以內(nèi)環(huán)為對照組，中環(huán)和外環(huán)分別與內(nèi)環(huán)進(jìn)行顯著性差異對比，結(jié)果表明∶中環(huán)和內(nèi)環(huán)之間不存在顯著性差異（P=0.300），而外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間存在顯著性差異（P=0.00S）；當(dāng)透析液流量增加到S00 mL·min-1時(shí)，中環(huán)和內(nèi)環(huán)之間同樣不存在顯著性差異（P=0.1S4），而外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間存在顯著性差異（P=0.005）；當(dāng)透析液流量進(jìn)一步增加到1 000 mL·min-1時(shí)，中環(huán)和內(nèi)環(huán)之間仍然不存在顯著性差異（P=0.130），而外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間存在顯著性差異（P=0.020）；當(dāng)透析液流量從低流量500 mL·min-1上升到高流量1 000 mL·min-1時(shí)，外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的出口濃度相對偏差從15.00％減小為6.20％，顯著性差異P從0.00S上升到0.020，說明隨著透析液流量的增加，外環(huán)和內(nèi)環(huán)的出口濃度越來越接近.

3.2清除率的不均勻特性

根據(jù)血液輸運(yùn)過程中血液進(jìn)出口流量和尿素的進(jìn)出口濃度，利用式（1）計(jì)算各個(gè)流動(dòng)區(qū)域的清除率，結(jié)果如圖3，4所示，1表示內(nèi)環(huán)，2表示中環(huán)，3表示外環(huán).當(dāng)透析液流量較?。?00 mL·min-1，見圖3）時(shí)，內(nèi)環(huán)的清除率為56.9 mL·min-1，中環(huán)的清除率為57.5 mL·min-1，兩者偏差為1.05％，清除效果非常接近，而外環(huán)的清除率為66.4 mL· min-1，內(nèi)環(huán)和外環(huán)的清除率偏差為16.70％，清除效果存在很大的差異；當(dāng)透析液流量較大（1 000 mL·min-1，見圖4）時(shí)，內(nèi)環(huán)的清除率為65.7 mL· min-1，中環(huán)的清除率為66.9 mL·min-1，兩者偏差為1.S2％，兩者的清除效果依然非常接近，而外環(huán)的清除率僅為69.1 mL·min-1，內(nèi)環(huán)和外環(huán)的清除率偏差下降為5.20％，兩者的清除效果雖然存在偏差，但相對于低流量，偏差大大縮減，說明隨著透析液流量的增加，外環(huán)和內(nèi)環(huán)的清除效果也越來越接近.

圖3　透析器流量為500mL·min-1不同流動(dòng)區(qū)域尿素的清除率

圖4　透析器流量為1 000 mL·min-1不同流動(dòng)區(qū)域尿素的清除率

不同流動(dòng)區(qū)域隨著透析液流量的增加，血液輸運(yùn)過程中尿素的清除率變化趨勢如圖5所示，在相同的透析液流量下，內(nèi)環(huán)的清除率和中環(huán)的清除率較接近，但低于外環(huán)的清除率.對于相同的流動(dòng)區(qū)域，透析液的流量越大，清除率越高，說明提高透析液的流量，有助于透析效果.當(dāng)透析液流量從低流量上升到高流量時(shí)，內(nèi)環(huán)和中環(huán)的清除效果非常接近，但內(nèi)環(huán)和外環(huán)的清除效果存在偏差，并且流量越大，偏差越小，說明透析液流量的增加對改善內(nèi)環(huán)和中環(huán)的清除效果尤為顯著.

圖5　尿素清除率隨透析液流量的變化

4 結(jié) 論

通過自行設(shè)計(jì)和搭建的中空纖維透析試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了NIPRO透析器在不同的流動(dòng)區(qū)域（內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)）血液輸運(yùn)過程中毒素的流動(dòng)和傳質(zhì)

情況，得到了毒素的出口濃度和毒素的整體清除率.結(jié)果表明∶血液輸運(yùn)過程中存在流動(dòng)和傳質(zhì)的不均勻特征，在相同的透析液流量下，內(nèi)環(huán)清除率較低，中環(huán)和內(nèi)環(huán)的清除率接近，而外環(huán)的清除率較高，清除效果好；對于相同的流動(dòng)區(qū)域，透析液流量越大，清除效果越好，提高透析液流量有助于毒素的清除效果；隨著透析液流量從低流量（500 mL·min-1）增加到高流量（1 000 mL·min-1），內(nèi)環(huán)和外環(huán)的出口濃度偏差從15.00％下降為6.20％，清除率偏差從16.70％下降為5.20％.在中空纖維管內(nèi)血液輸運(yùn)過程中，其傳質(zhì)的流動(dòng)的不均勻特性主要發(fā)生在靠近壁面的外環(huán)，而內(nèi)環(huán)和中環(huán)的流動(dòng)相對來講是均勻的；當(dāng)透析液流量較小時(shí)，內(nèi)環(huán)和中環(huán)由于纖維管排列比較緊密，流動(dòng)阻力大，外環(huán)流動(dòng)阻力較小，透析液和血液中的毒素在外環(huán)區(qū)域能充分傳質(zhì)，毒素被迅速帶走，因此清除效果相對較好；隨著透析液流量的增大，外環(huán)的優(yōu)勢不再明顯，有更多的透析液在內(nèi)環(huán)和中環(huán)與血液中的毒素進(jìn)行了傳質(zhì)交換，導(dǎo)致內(nèi)環(huán)和中環(huán)的清除效果急劇上升，而外環(huán)的清除效果上升的并不特別明顯，說明透析液流量的增加，改善了透析器內(nèi)部的流動(dòng)不均勻的特征，使得血液在中空纖維管內(nèi)的輸運(yùn)過程中流動(dòng)和傳質(zhì)變得更加均勻，從而能提高清除效率.

試驗(yàn)中的中空纖維透析器纖維管數(shù)量約為S 000根，填充密度（纖維管面積與整個(gè)透析器截面積的比值）約為0.36，屬于低填充密度透析器，對于高填充密度的中空纖維透析器，中空纖維管的數(shù)量達(dá)到15 000根以上，隨著透析器流量的增加，中環(huán)和內(nèi)環(huán)的清除率是否會(huì)超越外環(huán)，將在后續(xù)的研究中進(jìn)行.當(dāng)前臨床治療上，通常采用血液側(cè)流量為200 mL·min-1，透析液流量為500 mL·min-1，從研究結(jié)果來看，增加透析液流量能提高血液中毒素的清除效率，縮短治療的時(shí)間.

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（責(zé)任編輯 賈國方）

ExPeriment of non-uniform characteristics of blood transPort Process in hollow fiber dialyzer

Liu Tao，Li Changfeng，Qu Jian
（School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

∶The hollow fiber dialysis system was designed and built.The flow and mass characteristics of the blood toxin transPort Processwere exPerimentally investigated in three different transfer flow Paths of inner ring，middle ring and outer ring，and the exPort concentration and the clearance of toxin were measured.The reason for the non-uniform characteristics in hollow fiber dialyzer were analyzed and discussed.The results show that seriously non-uniform characteristics exist in hollow fiber dialyzer.The clearance effectiveness in the inner ring is very close to that in the middle ring，while a big difference exists between the inner ring and the outer ring.Increasing the dialysate flow rate from 500 mL·min-1to 1 000 mL·min-1，the exPort urea concentration deviation is decreased from 15.00％to 6.20％，and the clearance rate deviation is decreased from 16.70％to 5.20％with the significant difference increased from 0.00S to 0.020 between the inner and outer ring.The imProvement of clearance efficiency in the inner and middle ring is Particularly significant for high dialysate flow rate.

∶hollow fiber；dialysis；mass transfer；blood transPort；non-uniform characteristics

TQ 021.4

A

1671-7775（2015）06-0650-05

劉 濤，李昌烽，屈 健.中空纖維管中血液輸運(yùn)過程不均勻特性的試驗(yàn)［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)∶自然科學(xué)版，2015，36（6）∶650-654.

2015-04-0S

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11072091）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX09B_19SZ）

劉 濤（197S—），男，江蘇常州人，講師，博士研究生（liuxtao@ujs.edu.cn），主要從事復(fù)雜流體力學(xué)、膜科學(xué)與技術(shù)的研究.

李昌烽（1969—），男，江蘇沛縣人，教授，博士生導(dǎo)師（cfli@ujs.edu.cn），主要從事復(fù)雜流體動(dòng)力學(xué)、湍流減阻與流動(dòng)控制的研究.