Biomedical Transport Processes I

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1 Biomedical Transport Processes I Drei verschiedene Formen von Biomedical Transport Prozessen Mass transfer Momentum transfer Heat transfer ALLGEMEIN Transport kann als Fluss (Flux) dargestellt werden, also Masse pro Zeit, Momentum pro Zeit oder Heat pro Zeit. (Fluss beduetet im Allgemeinen Irgendetwas pro Zeit) Der Fluss ist proportional zu einem Gradienten. (Bspw. Konzentrationsgradient) Flux=-constant*gradient MASS TRANSPORT LEARNING OBJECTIVES Understand the function of the human lung in terms of mass balance and mass transfer Understand the fundamental equations for mass transfer and the concepts of diffusion and osmosis Understand the fundamental concepts of mass transfer across pores in systemic capillaries Understand the function of the human kidney and its most basic mass transfer element: the nephron Understand how dialysis systems function and are controlled MASS TRANSFER IN THE LUNG Gase warden in der Lunge ausgetausch (wobei das Gas hier die Masse ist) aufgrund von Druck- und Konzentrationsgradienten. Nur in der Alveole (kleinste Einheit) findet Gasaustausch statt. Die Alveolen sind direkt benachbart zu den pulmonalen Kapillaren. Bei einem Atemzug wird Sauerstoff in die Kapillare und CO2 aus der Kapillare über die alveolare Membran transportiert. 500 Millionen Alveoli = 75 m2 Der Gasaustausch hängt ab von: - Dem Partialdruck von jedem Gas. - Der Distanz zwischen Alveole und Kapillare - Die Oberfläche für den Gasaustausch. Die normale Menge an Luft welche eingeatmet wird ist 500mL (tidal volume), wobei das maximale Volumen 6 Liter wäre (wird aber nicht erreicht) Gasaustausch findet zwar nur in den Alveolen statt, jedoch sind auch die Toträume mit Luft gefüllt. (Kein Vakuum)

2 GASAUSTAUSCH BEI EINEM ATEMZUG EIN BEISPIEL FÜR MASS TRANSFER IN DER LUNGE 1. Der Anteil vom Wasserdruck in der Luft ist 10 mmhg, somit müsste der Druck der Gase in der Atmosphäre =750 mmhg sein. 2. Zeigt wieviel ml Sauerstoff aufgenommen/ bzw. abgegeben wird pro Atemzug. Wird höchst wahrscheinlich variieren bei unterschiedlicher Leistung. 3. Die Luft die ausgeatmet wird ist «feuchter», hat also mehr Wasser drin als die Eingeatmete Flüssigkeitsverlust über Atmung. MASS TRANSPORT ACROSS MEMBRAN Masse kann über die Membran via Osmose, Diffusion und Filtration transportiert werden. DIFFUSION Massetransport aufgrund eines Konzentrationsgradienten

3 OSMOSE Massetransport aufgrund eines Konzentrationsgradienten aber mit selektiv permeablen Membran (Barriere). Führt dazu dass der Konzentrationsausgleich (falls Moleküle zu gross, nicht durchlässig sind) durch Verschiebung von Wasser stattfindet. Es ist insofern von einer Diffusion von Wasser zu sprechen. FICKS LAW Mass Transfer (oder diffusion der Gase) über die Alveolenmembran kann durch das Fick Law beschrieben werden. D= Diffusivity (Abhängig vom Medium) A= Oberfläche dc/dx = Konzentrationsgradient (bei den Gasen ist es aber die Differenz in den Partialdrücken) IONEN TRANSPORT Ionen sind nicht nur abhängig vom Konzentrationsgradienten sondern auch von einer möglichen Spannung (Potential). Das zugehörige Potential welche Ionen beeinflusst ist das Nernzt Potential über eine Membran, welches seinerseits vom Konzentrationsgradienten der Ionen und der Diffusivity abhängt.

4 MASS TRANSFER IN SYSTEMISCHEN KAPILLAREN 1 Austausch von Gasen und Nährstoffen zwischen Kapillaren und Zellen. Der Zugehörige Gradient setzt sich zusammen aus hydrostatischem Druck und osmotischen Druck welche einander entgegen wirken. Je langsamer die Flüssigkeit fliesst desto grösser der hydrostatische Druck. Der hydrostatische Druck wirkt in der Kapillare von Innen nach Aussen. Entlang einer Kapillare nimmt der hydrostatische Druck ab (weiter weg vom Herz, argumentiert mit der Geschwindigkeit des Blutes ist das Blödsinn, ich nehme an, dass sie einfach den Begriff hydrostatischer Druck falsch verwenden). Der osmotische Druck bleibt laut den Slides konstant, was auch nicht wirklich Sinn macht, denn sobald ein Konzentrationsausgleich stattfindet sinkt der osmotische Druck. Aber wir nehmen das mal so hin. Weil das Blut hyperton (viele Teilchen) ist zeigt der osmotische Druck von aussen nach Innen (zur Kapillare), das heisst Wasser soll in die Kapillare eintreten, so dass die Konzentration ausgeglichen wird. Die Kombination aus hydrostatischem Duck und osmotischen Druck bewirkt, dass zu Beginn einer Kapillare der Net Druck nach aussen (ins Gewebe) Zeigt und zu Ende der Net Druck nach innen (zurück ins Blutgefäss) Zeigt. Wichtig: Allgemein findet eine Bewegung immer von hohem Druck zu niedrigem Druck statt! Kapillaren formen ein grosses Netzwerk um einerseits die Distanz zum Zielgewebe zu minimieren, und um die Totale Oberfläche zu vergrössern. KONSTRIKTION Wenn ein Gefäss sich zusammenzieht wird die Flussgeschwindigkeit schneller und somit der hydrostatische Druck kleiner. mehr Flüssigkeit kommt aus Gewebe in Kapillare. (Oder zumindest der Austritt ist kleiner) 1 Meint einfach nicht in der Lunge

5 DILATATION Wenn ein Gefäss dilatiert bedeutet das kleinere Fliessgeschwindigket und somit ein höherer hydrostatische Druck. mehr Flüssigkeit verlässt die Kapillare LYMPHGEFÄSSE Sammeln Wasserüberschuss aus Gewebe (Ödeme) wieder ein. MASS TRANSFER IN THE KIDNEYS Die Nieren filtern das Blut und entfernen somit Abfallstoffe und kontrollieren den Wasserhaushalt. Nephrone sind mikroskopische Filtereinheiten, es gibt Millionen davon in der Niere. Abbildung eines Nephrons Grob gesagt wird zuerst in der Bowman Kapsel alles mögliche aus dem Blut weggefiltert (durch Poren), dies weil das Blut unter hohem Druck steht was die gg begünstigt. Später werden aber wichtige Stoffe wir Na+ K+ und Wasser wieder reabsorbiert. Wichtig: beim Filtermechanismus werden Erythrozyten und andere grössere Bestandteile (Proteine) des Blutes nicht durchgelassen. (Sind zu gross).

6 DIE FILTRATIONSRATE Kann beschrieben werden durch das Poseiuille Flussgesetz (eigentlich für normalen Fluss in Blutgefäss, von Navier Stokes) DIALYSE Ganzer Aufbau Blut wird aus der Arterie rausgelassen und in die Vene wieder eingelassen. Wahrscheinclih weil man dann schneller dialysieren kann weil das arterielle Blut einen höheren Druck hat. DIALYSER CARTRIDGE Besteht aus tausenden kleinen cellulose Röhrchen welche mit Poren ausgestattet sind, die so gross sind, dass Abfall rausgeht ins Dialysat und Blutzellen und Proteine drinnen bleiben. Der Raum zwischen den Röhrchen durch welche das Blut fliesst, wird mit Dialysat durchgespült um den Abfall wegzutragen. Ganz wichtig: Die «driving force» für die Diffusion ist der Konzentrationsunterschied (hier der Konzentrationsunterschied zwischen Blut und Dialysat). Das ist auch der Grund warum die Fliessgeschwindigkeit des Dialysats ( ml/min) grösser eingestellt wird als die Fliessgeschwindigkeit des Blutes (200 ml/min), so kann nämlich immer ein hoher Konzentrationsunterschied gewährleistet werden. Auch wichtig: Das Dialysat fliesst entegen dem Blutstrom (Siehe Abbildung).

7 ZUSAMMENFASSUNG Mass transfer across membranes, either within the body or within artificial organs, is vital to keeping us alive Mass transfer allows cells to control nervous impulses, blood chemistry, kidney and lung function, and the homeostasis of bodily functions Mass transport occurs in virtually every cell in the human body and is thus evaluated on a smaller scale than that of fluid flow and fluid momentum (the subject of the next two lectures