La sangre pasa a través de una circulación extracorpórea a un dializador donde se mantiene separada del líquido dializador por una membrana artificial semipermeable.
Los solutos se difunden a través de la membrana en ambas direcciones, y la dirección de un soluto concreto depende de la composición del líquido de diálisis y de la sangre.
La ultrafiltración, la eliminación del agua plasmática, se consigue aplicando una presión positiva relativa a la sangre. Puede utilizarse sola, sin difusión, para reducir la sobrecarga de líquidos.
Tradicionalmente, la membrana se compone de cuprofano, un derivado de la celulosa. Más recientemente, se utilizan membranas sintéticas de estructura polimérica, ya que se asocian a una menor activación de los factores humorales y a un menor daño de las células sanguíneas.
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