Dialyse : Principe, Mesure et Applications

I. Définition et Explications Théoriques de la Dialyse

La dialyse est un processus de séparation de molécules basé sur leur taille, utilisant une membrane à perméabilité sélective. Elle permet le passage de petites molécules tout en retenant les plus grandes.

Imaginez une passoire avec des trous de différentes tailles. Si vous mettez un mélange de petits pois et de grosses billes dans cette passoire, seuls les petits pois passeront à travers les trous, tandis que les grosses billes resteront. Une membrane à perméabilité sélective fonctionne de manière similaire, mais à l'échelle moléculaire.

• Membrane à perméabilité sélective : C'est une barrière qui possède des pores (des petits trous) d'une taille spécifique. Elle est "sélective" car elle ne laisse passer que certaines substances.

• Diffusion : C'est le mouvement spontané des molécules d'une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration. C'est un transport passif, c'est-à-dire qu'il ne nécessite pas d'énergie.

• Molécules qui passent : L'eau, les sels (ions), le glucose, l'urée et d'autres petites molécules organiques peuvent traverser la membrane si leur diamètre est inférieur à celui des pores.

• Molécules qui ne passent pas : Les grosses molécules comme l'hémoglobine, la globuline, l'albumine et d'autres protéines ont un diamètre trop grand pour passer à travers les pores de la membrane. On les appelle aussi particules colloïdales.

En résumé, la dialyse est un phénomène où une membrane agit comme un filtre très fin, laissant passer les petites molécules et retenant les grosses. Ce principe est fondamental pour de nombreuses applications, notamment en médecine.

II. L'Évaluation Quantitative de la Dialyse par Conductimétrie

La conductimétrie est une méthode physique qui permet d'évaluer la quantité d'ions présents dans une solution en mesurant sa capacité à conduire le courant électrique.

Pour comprendre comment la dialyse est mesurée, nous devons d'abord comprendre la conductimétrie. C'est comme mesurer la "facilité" avec laquelle l'électricité peut traverser une solution.

1. Deuxièmes Conducteurs (Électrolytes)

• Les premiers conducteurs sont les métaux, où le courant est transporté par des électrons.

• Les deuxièmes conducteurs sont les solutions contenant des ions (appelées électrolytes). Dans ces solutions, le courant est transporté par le mouvement des ions eux-mêmes.

Si l'on plonge deux plaques métalliques (électrodes) dans une solution ionique et qu'on applique une tension, les ions se déplacent et créent un courant électrique. Plus il y a d'ions, plus le courant circule facilement.

2. Notions Physiques Clés

• Résistance (R) : C'est l'opposition au passage du courant. Plus une solution est résistante, moins le courant passe facilement.

  Où est la tension (en Volts) et est l'intensité du courant (en Ampères). L'unité de la résistance est l'Ohm ().

• Conductibilité (G) : C'est l'inverse de la résistance, elle mesure la facilité avec laquelle le courant passe.

  L'unité de la conductibilité est le Siemens (S).

Contrairement aux métaux, la résistance et la conductibilité d'une solution dépendent de la géométrie des électrodes :

• La surface des électrodes ()

• La distance entre les électrodes ()

Ces relations sont données par :

• (rhô) est la résistivité, une propriété intrinsèque de la solution qui mesure sa capacité à résister au courant.

• (lambda) est la conductivité, l'inverse de la résistivité, qui mesure sa capacité à conduire le courant.

Le rapport est appelé la constante de cellule (C). C'est une caractéristique de l'appareil de mesure (la cellule de conductivité).

Donc, on peut écrire :

Ou encore :

En mesurant la conductibilité (G) et en connaissant la constante de cellule (C), on peut déterminer la conductivité () de la solution. La conductivité est directement liée à la concentration des ions dans la solution.

III. Principe Physique de la Méthode (Conductimétrie pour la Dialyse)

La conductimétrie permet d'analyser une solution ionique en mesurant sa conductibilité, qui dépend de la nature et de la concentration des ions.

Puisque la conductibilité d'une solution dépend directement de la quantité d'ions qu'elle contient, nous pouvons l'utiliser pour suivre le processus de dialyse. Si des ions traversent une membrane lors de la dialyse, la conductibilité de la solution de "réception" changera.

1. Le Pont de Kohlrausch

Pour mesurer la résistance ou la conductibilité d'une solution, on utilise souvent une méthode dérivée du pont de Wheatstone, appelée pont de Kohlrausch. Ce dispositif permet de trouver un équilibre de résistances, ce qui est crucial pour des mesures précises.

Le pont de Kohlrausch est conçu pour mesurer la résistance d'une solution en courant alternatif (pour éviter la polarisation des électrodes). L'équilibre est atteint lorsque le détecteur (souvent un galvanomètre ou un oscilloscope) indique un courant minimal, signifiant que les résistances sont équilibrées.

2. Modélisation du Rein Artificiel

Pour étudier la dialyse en laboratoire, on utilise un dispositif simplifié qui imite le fonctionnement d'un rein artificiel :

1. Membrane de cellophane : Elle joue le rôle de la membrane à perméabilité sélective. Ses pores sont assez petits pour laisser passer les électrolytes (ions) mais pas les grosses molécules.

2. Compartiment "glomérule" : Contient une solution avec un excès d'électrolytes (simulant le sang avec des déchets).

3. Compartiment "bain de dialyse" : Contient une solution isotonique, c'est-à-dire une solution qui a la même concentration en sels que le sang normal.

3. Le Phénomène Observé

En raison de la perméabilité sélective de la cellophane, les ions du compartiment "glomérule" (plus concentré) vont diffuser vers le compartiment "bain de dialyse" (moins concentré). Au fur et à mesure que les ions s'accumulent dans le bain de dialyse, sa conductibilité va augmenter. En mesurant cette augmentation de conductibilité au fil du temps, on peut évaluer l'efficacité de la dialyse.

4. Technique Expérimentale

a. Détermination de la Constante de Cellule (C)

Avant de mesurer la dialyse, il faut connaître la constante de la cellule de conductivité. C'est comme étalonner votre instrument de mesure.

1. Prendre 5 ml d'une solution de KCl 0,1 N (une solution dont la conductivité est connue avec précision).

2. Introduire cette solution dans la cellule de conductivité.

3. Raccorder le circuit au pont de Kohlrausch.

4. Ajuster le pont jusqu'à ce que le détecteur indique l'équilibre (courant minimal).

5. Lire la valeur de la résistance () sur l'échelle du pont.

6. Utiliser la formule , où est la conductivité connue du KCl 0,1 N à la température ambiante.

b. Mesure de la Résistance de la Solution Isotonique

Une fois la constante de cellule connue, on peut suivre la dialyse :

1. Toutes les 10 minutes, prélever 5 ml de la solution isotonique du bain de dialyse.

2. Mesurer sa résistance () en utilisant la même procédure avec le pont de Kohlrausch.

3. Laver la cellule avec de l'eau distillée après chaque mesure pour éviter la contamination.

c. Analyse des Résultats

Avec les valeurs de résistance () mesurées à différents temps, on peut calculer la conductivité () de la solution isotonique à chaque instant en utilisant la formule :

En traçant un graphique de en fonction du temps, on observera une augmentation de la conductivité, ce qui prouve le passage des ions et donc l'efficacité de la dialyse.

IV. Applications Médicales : Le Rein Artificiel

Le rein artificiel utilise le principe de la dialyse pour suppléer la fonction rénale défaillante, en éliminant les déchets et l'excès d'eau du sang.

Les reins sont des organes vitaux qui filtrent le sang pour éliminer les déchets (comme l'urée) et l'excès d'eau et de sels. Lorsque les reins ne fonctionnent plus (insuffisance rénale), ces substances toxiques s'accumulent dans le sang, ce qui peut être fatal.

1. Historique et Principe

• Les propriétés de la membrane de cellophane pour séparer les protéines des petites molécules ont été découvertes par Brinkman.

• Kolff a été le premier à appliquer ce principe pour traiter l'insuffisance rénale chez l'homme, en développant le rein artificiel.

Le rein artificiel est un dispositif qui remplace la fonction de filtration des reins. Il utilise une membrane de cellophane pour dialyser le sang du patient.

2. Comparaison Membrane Glomérulaire et Cellophane

La membrane de cellophane est choisie car ses caractéristiques sont similaires à celles de la membrane glomérulaire naturelle des reins :

• Le diamètre des pores est similaire, permettant le passage des petites molécules.

• La longueur des pores de la cellophane est plus grande, ce qui peut la rendre plus sujette à l'obstruction.

• Cependant, la surface totale de la membrane de cellophane est beaucoup plus grande, ce qui compense la longueur des pores et assure une filtration efficace.

3. Fonctionnement du Rein Artificiel (Hémodialyse)

1. Le sang du patient est prélevé d'une artère.

2. Il circule dans un long tube de cellophane (environ 20 m).

3. Ce tube est immergé dans un bain contenant une solution isotonique (le dialysat).

4. Pendant 2 à 3 heures, la dialyse a lieu : les petites molécules (urée, ions, excès d'eau) passent du sang vers le dialysat à travers la membrane de cellophane, tandis que les protéines et les cellules sanguines restent dans le sang.

5. Le sang purifié est ensuite réintroduit dans le corps du patient par une veine.

L'efficacité de cette dialyse peut être évaluée par conductimétrie, en mesurant la résistance et la conductivité du dialysat à intervalles réguliers.

4. Conditions Essentielles pour l'Hémodialyse

• Anticoagulation : Le sang doit rester fluide, donc un anticoagulant est ajouté pour éviter la formation de caillots.

• Filtration des caillots : Tout petit caillot formé doit être filtré pour éviter une embolisation (un caillot qui bloque un vaisseau sanguin).

• Élimination de l'air : L'air doit être retiré par des filtres spéciaux pour éviter une embolie gazeuse (de l'air qui pénètre dans la circulation sanguine).

• Volume sanguin minimal : La quantité de sang présente dans l'appareil doit être la plus petite possible pour minimiser les risques pour le patient.

Aujourd'hui, des techniques plus avancées, comme le flux à contre-courant entre le sang et le dialysat, permettent de réduire le temps de dialyse.

V. Types de Dialyse et Mesure de la Conductibilité

1. Hémodialyse (Dialyse Extra-Corporelle)

L'hémodialyse est une technique de dialyse où le sang du patient est filtré à l'extérieur du corps.

• Mécanisme : Elle repose sur la diffusion des solutés (petites molécules, appelées cristalloïdes, comme les ions et l'urée) du sang vers le dialysat. Cette diffusion se fait selon le gradient de concentration, c'est-à-dire des zones où la concentration est élevée vers les zones où elle est faible.

• Durée : Typiquement, une séance dure environ 6 heures.

• Processus : Le sang est prélevé, filtré par une membrane semi-perméable (qui retient les grosses molécules et laisse passer les petites), puis le sang "nettoyé" est réintroduit dans le corps, souvent via une fistule artério-veineuse (une connexion chirurgicale entre une artère et une veine).

• Complications : Les risques incluent la thrombose (formation de caillots) et les infections.

2. Électrodialyse

L'électrodialyse est une variante de la dialyse qui utilise un champ électrique pour accélérer le mouvement des ions à travers la membrane.

Pour rendre la dialyse plus rapide et plus efficace, on peut ajouter des électrodes. En appliquant un champ électrique, on "attire" les ions chargés (par exemple, le ou le ) à travers la membrane, accélérant ainsi leur élimination.

3. Dialyse Péritonéale (Dialyse Intra-Corporelle)

La dialyse péritonéale est une méthode de dialyse qui utilise la membrane naturelle du péritoine du patient comme filtre.

• Mécanisme : Une solution dialysante est introduite dans la cavité péritonéale (l'espace autour des organes abdominaux). Le péritoine (la membrane qui tapisse cette cavité) agit comme une membrane à perméabilité sélective. Les déchets et l'excès d'électrolytes du sang passent à travers le péritoine dans la solution dialysante.

• Efficacité : Elle est généralement moins efficace que l'hémodialyse, mais elle offre plus de flexibilité et est souvent mieux tolérée par les patients car elle peut être réalisée à domicile.

• Complications : La principale complication est l'infection du péritoine (péritonite).

4. Mesure de la Conductibilité en Dialyse

Comme expliqué précédemment, la conductimétrie est essentielle pour évaluer l'efficacité de la dialyse.

• Conducteurs de grade 1 : Les métaux, qui conduisent le courant électrique par le mouvement des électrons.

• Conducteurs de grade 2 : Les solutions (comme l'eau de mer), qui conduisent le courant par le mouvement des ions.

En mesurant la conductibilité d'une solution, on peut avoir une idée de la quantité d'ions qui ont traversé la membrane. La résistance de la solution est également mesurée et son évolution en fonction du temps est tracée sur une courbe.

a. Formule d'Ohm et Relations

La loi d'Ohm pour la résistance est :

Où est la résistance, est la tension et est l'intensité.

La résistance dépend aussi de la géométrie de la cellule de mesure :

Où est la résistivité, est la distance entre les électrodes et est la surface des électrodes.

La conductivité () est l'inverse de la résistivité :

b. Mesure de la Constante de Cellule

Pour déterminer la constante de cellule (), on utilise une solution de conductibilité connue (par exemple, une solution de KCl 0,1 N). En mesurant la résistance de cette solution, on peut calculer .

c. Détermination de la Résistance avec le Pont de Kohlrausch

Le pont de Kohlrausch est utilisé pour mesurer la résistance de la solution. C'est un circuit qui utilise un courant alternatif et permet d'équilibrer les résistances pour obtenir une mesure précise. Cette méthode est dérivée du pont de Wheatstone.

En mesurant la conductimétrie de la solution, on évalue l'efficacité de la dialyse, c'est-à-dire la capacité du système à filtrer les ions du sang.