Etude des mécanismes physiques régissant le fractionnement de plasma par filtration membranaire

par Catherine Charcosset

Thèse de doctorat en Génie biomédical

Sous la direction de Michel-Yves Jaffrin.

Soutenue en 1990

à Compiègne .

mots clés

• Colmatage
• Fractionnement de plasma
• Coefficient de tamisage
• Filtration en cascade
• Filtration -- Thèses et écrits académiques
• Plasma sanguin -- Thèses et écrits académiques
• Hémofiltration artérioveineuse continue -- Thèses et écrits académiques
• Plasmaphérèse -- Thèses et écrits académiques
• Immunoglobuline G -- Thèses et écrits académiques
• Immunoglobuline M -- Thèses et écrits académiques
• Albumines -- Thèses et écrits académiques
• Séparation par membranes -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Les procédés de filtration membranaire ont des applications bien connues dans le domaine du génie biomédical : hémofiltration pour l’épuration extra-rénale, plasmaphérèse pour la séparation de plasma. Introduit en 1980, le fractionnement de plasma nécessite d’utiliser des membranes de seuil de coupure intermédiaire, de manière à séparer les immunoglobulines G (150 000 daltons), et M (900 000) de l’albumine (67 000). Cette technique est destinée au traitement de plasmas pathologiques en éliminant les éléments pathogènes (IgG et IgM) et en réinjectant au patient sa propre albumine, ce qui évite d’avoir recours à des fluides de substitution coûteux. Nous avons repris les modes de filtration introduits dans la littérature (filtration frontale, filtration tangentielle, cryofiltration) par une étude systématique des paramètres. De plus, nous avons testé un nouveau procédé, la filtration par débit pulsé. La plupart de nos essais ont été réalisés sur du plasma humain et des filtres de fractionnement en acétate de cellulose. En filtration frontale, la pression transmembranaire augmente au cours du temps sous l’effet du colmatage de la membrane. Nous avons mis en évidence que les coefficients de tamisage (rapport entre la concentration dans le filtrat et la concentration d’alimentation) diminuaient avec la pression et ne dépendaient pas du flux de plasma. La récupération en albumine et la séparation entre albumine et immunoglobulines sont optimales pour un mode de filtration combinant filtration tangentielle et cryofiltration. La filtration tangentielle permet en effet de ralentir l’augmentation de pression au cours de la filtration, et une température d’alimentation proche de 4° C améliore la séparation entre albumine et immunoglobulines.

Titre traduit

Study of the physical mechanisms occuring during plasma fractionation by membrane filtration

Résumé

Membrane filtration processes have well known applications in the field of biomedical engineering : hemofiltration for renal purification, plasmapheresis for plasma separation. Introduced in 1980, plasma fractionation needs the use of intermediate cut-off, to separate the immunoglobulin’s G (150 000 Daltons) and M (9000 000) from the albumin (67 000). This technique is intended to the treatment of pathological plasmas by eliminating the pathogenic proteins (IgG) and IgM) and reinfusing the patient with his own albumin, which avoids the use of costly substitution fluids. We have studied the filtration modes previously described by other authors (dead-end, single-pass, cryofiltration) by a semantic study of the parameters. In addition, we have tested a new process, the filtration by pulsative flow. Most of our experiments have been realized with human plasma and cellulose acetate fractionation filters. In dead-end filtration, the transmembrane pressure increases during the filtration due to membrane plugging. We have shown that sieving coefficients, defined by the filtrate concentration divided by the inlet concentration, decrease with pressure and do not depend on plasma flux. The albumin recuperation and the separation between albumin and immunoglobulin’s are optimum for a filtration mode combining single-pass and cryofiltration. The single-pass allows to slow down the pressure increase and a temperature of about 4°C improves the separation between albumin and immunoglobulin’s.