Thẩm tách là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa thẩm tách

Thẩm tách (dialysis) là quá trình vận chuyển chất tan, ion và nước qua màng bán thấm, dựa vào nguyên lý khuếch tán và lọc để loại bỏ chất không mong muốn từ dung dịch nồng độ cao sang nồng độ thấp. Trong y học, nó thường dùng để thay thế chức năng lọc của thận khi thận bị suy giảm hoặc mất chức năng hoàn toàn .

Quá trình này giúp duy trì hệ nội môi ổn định, loại bỏ ure, creatinine và điện giải dư thừa; đồng thời, kiểm soát thể tích máu và huyết áp ở bệnh nhân suy thận cấp hoặc mãn tính .

Nguyên lý hoạt động

Thẩm tách sử dụng màng bán thấm để phân biệt giữa các phân tử dựa trên kích thước và độ hòa tan; các phân tử nhỏ hơn màng có thể khuếch tán qua theo gradient nồng độ, trong khi phân tử lớn hơn bị giữ lại .

Nguyên lý toán học mô tả dòng khối lượng thẩm tách như sau: $J = -D \frac{dC}{dx}$ trong đó $J$ là thông lượng khối lượng, $D$ là hệ số khuếch tán, và $dC/dx$ là gradient nồng độ giữa hai bên màng.

Các loại màng thẩm tách

Thẩm tách sử dụng màng polymer tổng hợp như cellulose, polysulfone hoặc polyacrylonitrile, có dạng tấm hoặc dạng sợi rỗng. Màng được thiết kế với kích thước lỗ (MWCO) phù hợp để lọc ion, chất tan nhỏ nhưng giữ lại protein và tế bào lớn.

• Kích thước lỗ (MWCO – molecular weight cutoff).
• Đặc tính thấm với nước và sự ổn định hóa học.
• Khả năng kháng protein hấp phụ và chống tắc nghẽn.

Ứng dụng trong lọc máu

Thẩm tách máu là kỹ thuật y tế thay thế chức năng thận ở bệnh nhân suy thận cấp (AKI) hoặc suy thận mãn (CKD), giúp loại bỏ chất độc, điều chỉnh dịch và điện giải .

• Thẩm tách máu (hemodialysis): máu được dẫn ra ngoài cơ thể qua ống vào máy thẩm tách (dialyzer) chứa màng bán thấm, sau đó trả về người bệnh .
• Thẩm phân phúc mạc (peritoneal dialysis): dịch lọc thẩm tách được đưa vào ổ bụng, sử dụng phúc mạc làm màng lọc tự nhiên .

Mục tiêu là loại bỏ ure, creatinine, kali, natri, và kiểm soát thể tích máu, huyết áp; đồng thời hỗ trợ bệnh nhân chờ ghép thận hoặc không thể ghép thận .

Ứng dụng trong sinh học phân tử và công nghệ sinh học

Thẩm tách là kỹ thuật cơ bản trong sinh học phân tử để loại bỏ các tạp chất có khối lượng phân tử nhỏ như muối, dung môi hữu cơ hoặc các chất đệm không mong muốn ra khỏi dung dịch chứa protein, axit nucleic hoặc enzyme. Kỹ thuật này được ứng dụng phổ biến trong các bước tinh chế sản phẩm sinh học sau biểu hiện protein tái tổ hợp.

Túi thẩm tách (dialysis tubing) là công cụ tiêu chuẩn cho quy trình này, được làm từ màng bán thấm có MWCO khác nhau, thường từ 1.000 đến 100.000 Da. Mẫu được đặt trong túi, ngâm trong dung dịch đệm sạch, và thay đổi dung dịch nhiều lần để đạt hiệu suất loại muối tối đa mà không mất protein đích.

Bên cạnh đó, công nghệ microdialysis cho phép đo nồng độ các chất ngoại bào (glucose, lactate, thuốc) trong mô sống theo thời gian thực, hỗ trợ nghiên cứu thần kinh học, dược động học và sinh lý học. Ưu điểm là không xâm lấn máu, phản ánh trực tiếp vi môi trường mô mục tiêu.

So sánh với các phương pháp lọc khác

Thẩm tách được phân biệt với các phương pháp màng khác như siêu lọc (ultrafiltration), thẩm thấu ngược (reverse osmosis), và lọc nano (nanofiltration). Mỗi phương pháp có nguyên lý riêng dựa trên áp suất, lực điện hoặc gradient nồng độ, và áp dụng trong các lĩnh vực khác nhau từ công nghiệp thực phẩm đến y tế.

Bảng dưới đây tóm tắt sự khác biệt giữa các công nghệ:

Phương pháp	Nguyên lý chính	Kích thước lọc	Ứng dụng tiêu biểu
Thẩm tách	Khuếch tán qua màng	0.5–5 kDa	Lọc máu, tinh sạch protein
Siêu lọc	Áp suất đẩy phân tử qua màng	1–100 kDa	Sữa, huyết tương
Thẩm thấu ngược	Áp suất cao ngược chiều gradient	<1 Da	Lọc nước tinh khiết
Điện di	Điện trường tách phân tử tích điện	Tùy theo điện tích	Sinh học phân tử

Trong khi thẩm tách hiệu quả cho loại bỏ muối và chất hòa tan nhỏ, nó không phân biệt theo điện tích hay tính kỵ nước, và không lọc hiệu quả các phân tử trung tính lớn hơn MWCO của màng.

Hạn chế và rủi ro

Dù thẩm tách có nhiều ứng dụng hữu ích, kỹ thuật này cũng tồn tại các hạn chế cần xem xét. Trong lâm sàng, các biến chứng liên quan đến thẩm tách máu bao gồm hạ huyết áp, chuột rút, nhiễm khuẩn, và thiếu hụt vitamin tan trong nước. Ngoài ra, tiếp xúc lâu dài với màng nhân tạo có thể kích hoạt phản ứng viêm hệ thống.

Đối với thẩm tách phúc mạc, rủi ro bao gồm nhiễm trùng màng bụng (peritonitis), tăng cân do hấp thu glucose từ dịch lọc, và thoát dịch qua thành bụng. Bệnh nhân cần tuân thủ vệ sinh nghiêm ngặt và thay đổi dịch đúng quy trình để tránh biến chứng.

Trong sinh học phân tử, việc chọn sai kích thước MWCO có thể dẫn đến mất protein đích hoặc giữ lại các tạp chất không mong muốn. Màng thẩm tách cũng dễ bị tắc do protein kết tủa, đòi hỏi kiểm tra kỹ tính ổn định và độ hòa tan mẫu trước khi tiến hành.

Xu hướng công nghệ và triển vọng phát triển

Các xu hướng mới trong thẩm tách bao gồm phát triển màng sinh học mô phỏng màng thận người, tích hợp cảm biến trong thiết bị lọc máu để theo dõi điện giải và áp suất lọc theo thời gian thực, và sử dụng trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa lịch trình thẩm tách cho từng bệnh nhân.

Các thiết bị thẩm tách mini cầm tay, máy lọc máu đeo được, và hệ thống thẩm tách tại nhà đang trở thành hiện thực nhằm cải thiện chất lượng cuộc sống bệnh nhân. Các màng mới như graphene oxide, màng nano hỗn hợp polyethersulfone/SiO₂ hoặc polyamide đều đang được thử nghiệm trong lâm sàng và công nghiệp để tăng độ chính xác lọc và kéo dài tuổi thọ sử dụng.

Trong sinh học, xu hướng tích hợp thẩm tách với vi lỏng (microfluidics) và vi điện tử sinh học giúp giảm thể tích mẫu, rút ngắn thời gian và nâng cao độ chính xác. Thẩm tách vi mô kết hợp với cảm biến sinh học đang được sử dụng để đo đồng thời nồng độ glucose, lactate và thuốc trong não hoặc cơ ở thời gian thực.

Tài liệu tham khảo

• National Kidney Foundation – Dialysis Information
• NCBI – Principles of Dialysis
• ScienceDirect – Dialysis Applications
• Nature Reviews Nephrology – Advances in Dialysis
• ACS Nano – Next-Gen Dialysis Membranes