Comparative analyses of artificial kidney membranes and influences of in vivo utilization on their properties of the materials and hemodialysis treatment

Abstract

VI YAPAY BÖBREK MEMBRANLARI İLE IN VIVO KULLANIMIN MALZEME VE HEMODİYALİZ TEDAVİSİNİN KALİTELERİ BAKIMINDAN MEMBRANLARIN ÖZELLİKLERİ VE PERFORMANSLARI ÜZERİNDEKİ ETKİLERİNİN KARŞILAŞTIRMALI ANALİZLERİ ÖZET Sellülozik ve sentetik tipteki yapay böbrek membranlarının özelliklerinin hemodiyalizle ilişkileri yönünden incelenmesi ve tedavi sonucu malzeme özellikleri ve performansları üzerindeki değişimlerin saptanması amaçlandı. Böylece, karşılaştırmalı analizleriyle yeniden kullanılabilir veya tek kullanımlık membranlar olarak değerlendirilmeleri konusunda öneriler getirilmesi amaçlandı. Çalışma, bugüne kadar karanlıkta kalan, diyalizde biyokompatibilite başlığı altında yeralan tartışmalı ve güncel konulan ve soruları, biyolojik sistemin tedavi ortamıyla kompleks reaksiyonlarının membranların fiziksel, kimyasal, ısıl, mekanik, morfolojik ve transport özellikleriyle korelasyonu yönünden inceleyen ve çözüme ulaştıran tamamen orjinal yaklaşımları, yepyeni sonuçlan, orjinal deneyler ve klinik analizleri içermesiyle de literatürdeki boşluğu disiplinlerarası bir yaklaşımla doldurmaktadır. Membranlarda tek kullanımın etkileri de ilk kez bu tezde rapor edilmektedir. Çalışmanın verileri, membran tipi, hematokrit düzeyi, pompa hızlan, değişik diyalizörlerin biyokararlılık, moleküler, supramoleküler yapılan gibi özelliklerinin, biyouyumlulukta, salt membran-kan etkileşimi kadar (kan uyumluluğu) etkili olabileceklerini göstermiştir. Seçilmiş hastalarda Kt/V ölçümleri ve istatistiksel çalışmalar (ANOVA, Taguchi) yapılarak, diyalizin kompleks yapısı nedeniyle, seçtiğimiz aktörlerin (diyaliz yaşı, diyaliz membran malzemesi, hematokrit, interdiyalitik kilo farkı, diyalizat tipi, pompa hızı, heparin tipi, sosyoekonomik seviye) birbirleriyle kaçınılmaz direkt etkileşimlerinin tedavinin yeterliliği üzerinde, tek tek tesirlerinden daha etkin olduğu saptandı. Diyalizdeki son dönem böbrek yetmezlikti olgulardan veri toplanması ve Kt/V değerlerinin Daugirdas-2 formülüne göre hesaplanması bir veritabanı ile gerçekleştirildi. Lineer grafik tasarlanırken yapılan hipotezle uyumlu olarak, membran tipinin, tedavinin yeterliliği ve hasta sağlığında, seçilen faktörler arasında en etkilisi (F=ll,96) olduğu ve de Polysulfone'un tedavi yeterliliğinin sellülozik membranlardan daha yüksek olduğu saptandı. Bu nedenle, Sellülozik (iki tip Hemophan ve Cellulose acetate, bir çeşit Cuprophan) ve Sentetik (Polysulfone) membranların fiziksel ve kimyasal özellikleri, moleküler ve supramoleküler yapılan (yan kristalin veya amorf), mekanik davranışları, yüzey topografileri ve morfolojileri (poröz veya yoğun) yönünden farklılıkları incelendi. Bu membranlarda tek kullanımla oluşan değişimler saptanarak, bazı ülkelerde, membranlann standart gözetilmeden `yeniden kullanımı`nın uygunluğu sorgulandı. Bu amaçlarla, kullanılmamış ve tedavide kullanılmış membranlar üzerinde mekanik (basit çekme deneyleri, gerilme gevşemesi deneyleri, yükleme-boşaltma testleri, ani deformasyon hızı değişimi deneyleri), morfolojik (SEM: Tarama Elektron Mikroskobu, AFM: Atomik Kuvvet Mikroskobu, optik ve stereo mikroskoplar), kimyasal (EDXS: Electron Saçınımlı X~Işını Spektroskopisi, ATR-FTIR: Zayıflatılmış Toplam Yansımalı Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopu, CPMAS-SSNMR: Katı Faz Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi), ısıl (DSC: Diferansiyel Tarama Kalorimetrisi, TGA: Termogravimetrik Analiz) ve fiziksel (PALS: Pozitron Anihilasyon ömrü Spektroskopisi, XRD: X-Işını Diffraksiyonu) deneyler gerçekleştirildi. SSNMR, sellülozik membranlarda, kullanım sonucu, supramoleküler yapının değiştiğini, zincirler arasında kopma ve çapraz bağlanmanınvıı oluştuğunu, mobilitenin azaldığını gösterdi. NMR ve PALS sonuçlarına göre, kullanılmış polysulfone, kullanılmamış durumuna istatistiksel olarak eşdeğer sayılabilir. Cellulose acetate 'a ait PALS sonuçlarına göre, kullanımı takiben t3 sabit kalırken I3 en büyük değişimi sergilediğinden membranın ciddi fiziksel ve kimyasal yaşlanmaya maruz kaldığı kanıtlandı. NMR, kullanılmış hemophan ve cuprophanın kullanım öncesi kimyasal özelliklerini yitirmediğini gösterirken, kullanım sonrası, I3'de daha büyük düşme gösteren hemophanın cuprophandan daha fazla etkilendiği PALS aracılığıyla saptandı. ATR-FTIR Spektroskopi, kullanım sonrası, Polysulfone'un aynı fonksiyonel gruplara sahipken, sellülozik membranlara amid grubunun eklendiğini belgeledi. FTER'de polysulfone'un, kullanımla en az değişen membran olduğu kanıtlandı. Kullanım sonrası, SSNMR, polysulfonun aksine, cuprophan ve hemophan membranlarda ılımlı ve Cellulose Acetat'ta ciddi kimyasal ve fiziksel yaşlanma, fakat tüm sellülozik membranlarda, mobilitede azalma ve kristallinitenin tipi ve derecesinde varyasyon olduğunu doğruladı. Membranların kristal yapılan, fiberlerin XRD'siyle detaylandırıldı. Kullanılmamış membranların XRD'leri, çoğunlukla, hem üç boyutlu kristalin sıralanmaya uyan keskin pik özellikleri ve hem de moleküler seviyede düzensiz yapılanmaya özgü daha yayılmış paternler gösterdi. Kullanılmamış sellülozik membranların, atomik veya moleküler seviyede, kristal yapıyı lokal olarak deforme eden, sınırlan açıkça belli geniş piklerle karakterize, az sayıda impüriteler içerdiği kanıtlandı. Kullanım sonrası, XRD patentlerinde, polysulfone, kristalin komponentin tipi, miktarı, yapıdaki moleküler distorsiyonlar bakımından önemli bir fark göstermezken, sellülozik membranlardaki defektlerin yapıyı doyurmaya yetecek ölçüde dramatik bir artış gösterdiği, lokal kafes yapının (latis) aralıklanmasındaki sapmayı ve bunun da, kristalinitenin değiştiğini gösteren pik genişliğini azalttığı bulunmuştur. Böylece, sellülozik membranlann amorf ve kristalin komponentlerinin oranının kullanımla değiştiği ve diffuzyon, amorf bölgelerde ve kristalin arayüzlerinde oluştuğundan, tek bir kullanımın bile membranların transport kapasitesini düşürebileceği anlaşıldı. Polysulfone dışındaki membranlarda, kullanım sonrası çekme kuvvetinde, kopma uzamasında, toklukta azalma ve şekil değişimi sertleşmesinde artış saptandı. Böylece, polysulfone her iki halde de tokluk gösterirken, kullanılmamış sellülozik membranlar sünek, sert ve tok, daha az zamanda ve daha düşük yüklerde kopan kullanılmış eşdeğerleri ise gevrek ve zayıf mekanik profil sergiledi. Sellülozik membranlarda kullanımla oluştuğu saptanan moleküler serbest hacimdeki azalma, moleküler paketlenmede artış (fiziksel yaşlanma), impürite ve distorsiyonların moleküler mobiliteyi azalttığı ve böylece sünek-gevrek geçişe neden olduğu sonucuna varıldı. DSC ve TGA'de, kullanılmamış sellülozik membranlarda degradasyon kullanılmışlara göre daha düşük sıcaklıklarda başladı. Kullanılmamış sellülozik membranların SEM fraktografileri, simetrik, homojen bir yapı ve saptanan sünek kopma davranışıyla uyumlu pürüzlü bir yüzey sergiledi. Bununla birlikte, kullanılmış sellülozik membranların fraktografisinde, geniş yırtılmalar ve parçalanmaların eşlik ettiği düz kırılma yüzeyi gevrekleşmeyi ve yaşlanmayı destekledi. Tek kullanımla dahi gevrekleşen sellülozik membranların yeniden kullanımlarında çatlak ve kırılmalara dolayısıyla yırtılma ve kontaminantların diyalizattan kana `gerikaçış` komplikasyonlarına eğilimlerinin artması beklenmelidir. Membranların por dağılımı ve geometrisi, yüzey topografisi ve pürüzlülüğü AFM'yle detaylandırıldı. Polysulfone fraktografisi asimetrik, çift katlı, poröz ve sünek tabiat sergiledi. Gelecekte artış gösterecek komorbiditesi yüksek yaşlı hasta popülasyonu, böbrek nakline uygun olmayacağından, diyalizin maliyetini azaltmak gerekecektir. Ancak, ekonomik kaygılar gözetilmeden, performans ve malzeme özelliklerinin korunması bakımından en iyi sonuçlan veren Polysulfone'un, hem `tek kullanımlık` ve hem de `yeniden kullanılabilir` membran olarak sellülozik membranlara tercih edilmesi önerilmektedir. Tek kullanımın bile sellülozik membranların özellikleri, kalitesi ve tedavideki performansı üzerinde olumsuz etkiler oluşturduğu saptandığından `membranların yeniden kullanımı`nın, güvenilir öncül analizlere dayandırılması şartıyla uygulanması aksi halde `tek kullanım` m tercih edilmesi tavsiye edilmektedir. Anahtar kelimeler: Hemodiyaliz, diyaliz membranları, yeniden kullanım, biyomalzemeler.

IV COMPARATIVE ANALYSES OF ARTIFICIAL KIDNEY MEMBRANES AND INFLUENCES OF IN VIVO UTILIZATION ON THEIR PROPERTIES AND PERFORMANCES IN TERMS OF THE QUALITY OF THE MATERIALS AND HEMODIALYSIS TREATMENT ABSTRACT It was intended to examine the properties of cellulosic and synthetic artificial kidney membranes in relation to hemodialysis and find out the changes in the materials features and performances after the treatment. Therefore, it was purposed to make recommendations about the appraisal of reusable or disposable membranes by means of comparative analyses. This study fulfilled the gap in the literature via its interdisciplinary approach by incorporating totally original approaches, the brand new results and novel experiments and clinical analyses that ascertain and resolve some of the disputed recent biocompatibility issues and questions related to dialysis via comparatively indicating the correlation between the complex reaction of the biological system with the treatment environment and the physical, chemical, thermal, mechanical, morphologic and transport properties of the membranes. The impacts of the first use on membranes were reported for the first time in this thesis. The data of the study revealed that membrane type, hematocrit level, pump speed, biostability, molecular and supramolecular structure of various dialysers can be as important as mere membrane-blood interaction in hemocompatibility. By conducting Kt/V calculations and Statistical Analyses (ANOVA, Taguchi) on the selected patients, it was elucidated that the impact of the inevitable direct interactions among the chosen eight factors (dialysis age, dialyzer membrane material, hematocrit, interdialytic weight difference, dialysate type, pump speed, heparin type, socioeconomic status) on the treatment adequacy was more potent than that of the individual ones. The data acquisition from the patients with end-stage renal failure and measurement of the Kt/V values based on Daugirdas-2 formula were achieved through database software. As hypothesized in the construction of the linear graph, it was concluded that membrane type is the most effective individual component (F= 11.96) among the predetermined eight factors on the treatment adequacy and patient well-being and that the performance of the polysulfone in the treatment is higher than that of cellulosic membranes. Consequently, the difference between cellulosic (two Hemophan and Cellulose Acetate and one kind of Cuprophan) and synthetic (Polysulfone) membranes were probed in terms of their physical and chemical properties, molecular and supramolecular structures (semi-crystalline or amorphous), mechanical behaviors, surface topography and morphologies (porous or dense). By realizing the changes in the membranes that occur due to single use, the appropriateness of reuse of membranes in some countries in the absence of standards was also questioned. To these ends, mechanical (simple tensile tests, stress relaxation experiments, load-unload tests, sudden strain rate change experiments), morphological (Scanning Electron Microscope: SEM, Atomic Force Microscope: AFM, optic and stereo microscopes), chemical (Electron Dispersive X-Ray Spectroscopy: EDXS, Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy: ATR-FTTR, Crosspolarization Magic Angle Spinning Solid State Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy: SSNMR), thermal (Differential Scanning Calorimetry: DSC, Thermogravimetric Analysis: TGA) and physical (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy: PALS, X-Ray Diffraction: XRD) tests were conducted on both used and virgin membranes. SSNMR indicated the change in thesupramolecular structure; formation of crosslinking and chain scissioning and the mobility decrease in the cellulosic membranes after utilization. According to the results of NMR and PALS, utilized polysulfone can be statistically accepted equal to the unutilized one. According to the results of PALS pertaining to Cellulose Acetate it was verified that following utilization the membrane is exposed to both severe physical and chemical ageing due to constant x3 with the greatest variation in the I3 parameter. Although SSNMR indicated that both used hemophan and cuprophan retain their before-use chemical properties, through PALS it was unearthed that hemophan which reveals greater reduction in I3 is influenced more than cuprophan after use. The ATR-FTIR Spectroscopy documented that after use, while polysulfone maintains the same functional groups, amide is incorporated into cellulosic membranes. By FTTR it was proved that polysulfone is the least impaired membrane after use. After use, contrary to polysulfone, SSNMR verified moderate chemical and physical ageing in cuprophan and hemophan, and severe ageing in cellulose acetate but variation in the type and amount of crystallinity and mobility decrease in cuprophan, hemophan and cellulose acetate. The crystalline structures of the membranes were detailed by fibers' XRD. The XRD diffractograms of the unused membranes mostly showed both sharp peak features corresponding to regions of 3D order and more diffuse patterns characteristic of molecularly disordered structures. It was revealed that atomic structure of the virgin cellulosic membranes has small-molecule impurities at the atomic or molecular level that locally strain the crystal structure appeared as well-defined broad peaks. Following use, in XRD patterns, polysulfone did not indicate a crucial difference in terms of type and amount of crystallinity and molecular distortions while the number of defects in cellulosic membranes were increased dramatically enough to saturate the structure and decreased local variation of local lattice spacing and this, in turn, reduced peak width proving change in the crystallinity. XRD concluded that percentage of crystalline and amorphous portions was impaired due to use and transport capacity of the cellulosic membranes deteriorated even after single use since diffusion takes place in the amorphous regions and their crystalline interfaces. Decreases in tensile strength, strain/fracture values, toughness and increase in strain hardening were identified in the used membranes excluding polysulfone. Virgin membranes exhibited ductile failure, hard and tough plastic behaviour whereas their used ones failing at much shorter times and much lower loads showed brittle failure and weak profile except polysulfone that is tough in both conditions. Decreased molecular free volume, increased packing (physical ageing), and impurities in the used cellulosic membranes obviously resulted in reduced molecular mobility leading ductile to brittle transition. By DSC and TGA, virgin cellulosic membranes commenced degrading at lower temperatures as compared with used ones. SEM studies on the virgin cellulosic fibers showed dense, symmetric, homogeneous structure and rough fracture surface compatible with ductile mode of failure. However, in used cellulosic membranes, fractography presenting smooth surface accompanied by large tearings and discontinuities testified embrittlement and ageing. Cellulosic membranes becoming brittle after one-use should be expected to be more prone to develop cracks and fracture, thus complications including rupture and backtransport associated with the passage of contaminants from dialysate to blood in multiple uses. Pore geometry and distribution, surface topography and roughness of the membranes were detailed by AFM. Fractography of polysulfone exhibited asymmetric, dual-skinned, porous and ductile structure. It is required to reduce the cost of dialysis since, due to an increase in the mean age of the general population, there will be a progressive increase in dialysis patient numbers with comorbidity most of who will not be suitable for renal transplantation. However, it is well recommended that polysulfone, which yields the best results in terms of performance and the preservation of material properties, should be prefered to cellulosic membranes as both reusable and disposable membrane. Since this study proved that even first use deteriorates the properties, quality and transport capacity of membranes, reuse should only be taken into agenda as long as reliable analyses on the candidate membranes are performed in advance. Otherwise, disposable use of the membranes is recommended. Keywords: Hemodialysis, dialysis membranes, reuse, biomaterials.