Caratterizzazione sperimentale di un ossigenatore a membrana - valutazione funzionale e test di emolisi

N O

2 2

miscela ossigenante, viene misurata tramite la misura delle portate dei gas (N e O )

2 2

nella miscela ossigenante, in quanto essendo a pressione costante c’è proporzionalità

tra moli e volume;

 Qg/Qb, rapporto tra portata di miscela ossigenante e portata di sangue, la Qg è il totale

delle portate dei gas (N e O ) nella miscela ossigenante e Qb è la portata di sangue

2 2

impostata dalla pompa Roller;

 T, temperatura, viene tenuta controllata tramite la termostatazione della riserva venosa

a T=37±1 °C; la temperatura influenza gli scambi gassosi: infatti all’aumentare di T si

abbassa la curva di dissociazione dell’emoglobina, che fornisce il grado di saturazione

dell’emoglobina in funzione della pressione parziale di ossigeno.

Le condizioni venose (in ingresso all’ossigenatore), devono essere tenute sotto controllo come

da normativa:

 Tramite il monitor on-line:

pO , pressione parziale dell’ossigeno;

o 2

sat%, saturazione percentuale;

o T (tenuta sotto controllo come detto precedentemente tramite bagno

o termostatico);

 Tramite misure off-line

pCO , pressione parziale dell’anidride carbonica;

o 2

pH;

o BE, Base Excess.

o

 Ht, ematocrito, tramite il quale si ricava il ctHb, contenuto totale di emoglobina nel

sangue, è stato controllato ad inizio esperimento ed è risultato essere il 36%, può

essere ritenuto pressoché costante durante tutta la durata della prova anche in

presenza di emolisi (non massiva);

& &

v v

Scopo ultimo delle misure è trovare e , scambio specifico per l’ossigeno e l’anidride

O CO

2 2

carbonica. 7

2.2.1. Condizioni di lavoro

Durante tutta la prova la portata di sangue (Qb) è stata mantenuta costante a 800 cc/min

(portata massima dell’ossigenatore pediatrico in esame)

Inizialmente è stato mantenuto costante il rapporto Qg/Qb=1 e modificato l’apporto di

ossigeno e azoto all’ossigenatore al fine di ottenere diversi valori di FiO come indicato nella

2

tabella seguente: FiO QN QO

2 2 2

(cc/min) (cc/min)

1 0 800

0,75 200 600

0,5 400 400

0,25 600 200

Tab.1 – Condizioni di lavoro per Qg/Qb costante

Successivamente è stato variato il rapporto Qg/Qb (mantenendo costante la FiO =0,5) come

2

descritto nella tabella seguente:

Qg/Qb Qg QN =QO

2 2

(cc/min) (cc/min)

2:1 1600 800

1,5:1 1200 600

1:1 800 400

0,5:1 400 200

Tab.2 – Condizioni di lavoro per FiO costante

2

I valori evidenziati in verde nelle 2 tabelle corrispondono ad un’unica condizione di lavoro.

2.2.2. Scambi gassosi

Una volta settate le condizioni di lavoro sull’ossigenatore (FiO , Qg/Qb) per la misurazione da

2

effettuare si rende necessaria una regolazione delle portate di gas (O , CO , N ) ai

2 2 2

deossigenatori al fine di avere sul sangue venoso delle condizioni come descritte nella

normativa:

 Saturazione %: 65 ± 5%

 Contenuto totale di emoglobina: 12 ± 1 g/dl

 PCO : 45 ± 5 mmHg

2 8

Per quanto riguarda la BE (Base Excess) non siamo stati in grado di rispettare il valore imposto

dalla normativa (0 ± 5 mmol/l) in quanto il sangue da noi utilizzato si è rivelato molto basico e

avremmo dovuto procurarci un acido per riequilibrare il valore.

2.2.3. Emolisi

I prelievi per l’emolisi sono effettuati ad intervalli di tempo predefiniti (0, 0.5, 1, 3, 4, 5, 6 h) in

entrambi i circuiti (prova B, confronto A) con una siringa da 5 ml, il prelievo è stato effettuato

molto lentamente per non indurre emolisi nel sangue, il sangue versato in una provetta e le

Becton-Dickinson)

provette centrifugate a 3000 giri/min (centrifuga per 5 minuti per realizzare

la separazione della parte corpuscolata dal plasma, 1 ml di plasma viene prelevato con una

pipettatrice, inserito in una cuvetta e inviato ad un laboratorio esterno per l’analisi

dell’emoglobina libera plasmatica.

All’interno del bagno termostatico è stato inserito un ulteriore recipiente (denominato Blank o

C) nel quale si è conservato del sangue in condizioni statiche per tutta la durata della prova per

la misura dell’auto-emolisi del sangue. È stato effettuato un prelievo ad inizio prova ed uno alla

fine della prova stessa, il sangue analizzato come per gli altri prelievi. L’eventuale presenza di

auto-emolisi massiva pregiudicherebbe i risultati ottenuti dai prelievi e l’esperimento andrebbe

rifatto con un sangue differente.

3. Elaborazione dei dati sperimentali

3.1. Modelli interpretativi

3.1.1. Scambi gassosi

3.1.1.1. O 2

L’ossigeno viene trasportato nel sangue sia in forma disciolta nel plasma sia in forma legata

all’emoglobina.

La concentrazione di ossigeno disciolta e’ proporzionale alla pressione parziale dell’ossigeno

nel sangue tramite il coefficiente di solubilità come descritto dalla legge di Henry:

   

O p [ml/dl]

2 O O

2 2 9

La concentrazione di ossigeno legata all’emoglobina e’ uguale al prodotto tra la saturazione

dell’emoglobina per l’ossigeno (sO ) e il contenuto totale di emoglobina (ctHb):

2

    

HbO N s ct [ml/dl]

2 O Hb

2

Dove N e’ la capacità dell’emoglobina di legare ossigeno, N=1,34 mlO /gHb,

2

la saturazione dell’emoglobina per l’ossigeno e’ definita dalla seguente relazione:

 

HbO 2



s    

0 

HbO HHb

2 2

e il contenuto totale di emoglobina e’ dato dalla somma delle concentrazioni di tutte le forme in

cui si trova l’emoglobina nel sangue

         

     

ct HbO HHb COHb MetHb SulfHb ... [g/dl]

Hb 2

In condizioni normali si considera approssimabile alla sola somma della concentrazione

dell’ossiemoglobina e dell’emoglobina ridotta, essendo la somma dei altri termini inferiore allo

0,1%    

 

ct HbO HHb [g/dl]

Hb 2

Il contenuto totale di emoglobina e’ legato all’ematocrito del sangue secondo le seguenti

relazioni: Hct



ct [g/dl]

Hb 0 .

03

In definitiva la concentrazione totale di ossigeno nel sangue e’ data dalla somma della forma

disciolta nel plasma e dalla forma legata all’emoglobina:



    

ct p N s ct

O O O 0 Hb

2 2 2 2

3.1.1.2. CO

2 10

L’anidride carbonica e’ presente principalmente in due forme, fisicamente disciolta e sotto

forma di ione bicarbonato.

All’interno del plasma:  

  

 

ct CO HCO

CO 2 3

plasma

plasma plasma

2

La concentrazione di anidride carbonica disciolta nel plasma e’ proporzionale alla pressione

parziale dell’anidride carbonica nel sangue tramite il coefficiente di solubilità come descritto

dalla legge di Henry:    

CO p

2 CO plasma CO

plasma 2 2

La concentrazione degli ioni bicarbonato e’ ricavata dalla relazione di Henderson-Hasselback:

  K

   

  

pH pK pH pK



      

HCO CO CO 10 p 10

 

3 2 2 CO plasma CO

plasma 

H 2 2

dove K e’ la costante di dissociazione dell’acido carbonico:

 

   

CO H O H CO H HCO

2 2 2 3 3

  

 

H HCO

3

 

K K  

a CO 2

e il pK deriva dal pH secondo la relazione di Siggard-Andersen:

 



pH 8 .

7

  

pK 6 .

125 Log 1 e

All’interno del globulo rosso:  

  

 

ct CO HCO

CO rbc 2 3

rbc rbc

2

   

CO p

2 CO rbc CO

rbc 2 2

  

pH pK

 

  

HCO p 10 rbc rbc

3 CO rbc CO

rbc 2 2

dove il pH e il pK all’interno del globulo rosso sono dati dalle seguenti relazioni di Siggard-

Andersen:  

 

    

pH 7 . 19 0

. 77 pH 7 . 4 0 .

035 1 s

rbc O 2

 

esp

  

pK 6

. 125 Log 1 10

rbc

   

esp pH 7

. 84 0

. 06 s

rbc O

2 11

In definitiva, trascurando la CO legata con l’emoglobina e con altre proteine del plasma, la

2

concentrazione totale di anidride carbonica del sangue e’ data da:

 

    

ct 1 Hct ct Hct ct

CO CO CO

plasma rbc

2 2 2

3.1.2. Emolisi

L’emolisi è la rottura della membrana (stroma) dei globuli rossi.

Se consideriamo l’ossigenatore:

Q Q

in

Q

Ht Ht

in out

In presenza di emolisi ragionevole (non massiva) la Ht <Ht ma la differenza è impercettibile,

out in

anche sulle 6 ore.

Si prende in considerazione l’emoglobina libera plasmatica, FPH (Free Plasmatic Hemoglobin),

definita come la concentrazione di tutte le forme di Hb libere nel sangue (non nel globulo

rosso). Q

Q

FHP FHP

in out

Nel sangue normale FHP≈0,1 mg/dl mentre Hb come ordine di misura è in g/dl. Non è possibile

utilizzare questo metodo perché l’ordine di errore è elevato (stesso ordine di grandezza della

misura).

Poiché il circuito è chiuso il volume di sangue che riempie il circuito è noto (volume di priming),

è sufficiente monitorare l’incremento temporale di FPH durante il test nello stesso punto di

prelievo. 12

Q

Q OXY

FPH FPH

in out

π

Il volume di controllo è il compartimento plasmatico nell’ossigenatore. In presenza di emolisi ci

sarà produzione di emoglobina libera plasmatica, che è da considerare uno scambio perchè il

compartimento dei globuli rossi cede Hb libera al plasma.

Il bilancio di massa risulta essere: 

     

Q FHP Q FHP V 0

p in p out p

Se si prende in considerazione come volume di controllo l’intero compartimento plasmatico del

circuito, il fenomeno non è a regime, c’è una variazione nel tempo di emoglobina libera mentre

la quantità di plasma è costante. Q

Q OXY

FPH FPH

in out

Dato che anche la pompa è un oggetto emolitico si considera un sistema in parallelo senza la

presenza dell’ossigenatore. L’emoliticità del solo ossigenatore è calcolata di conseguenza come

  

 

differenza delle pendenze nei grafici FPH=f(t) nei due circuiti, ad es. dove B è il

B A

circuito d