電子科大鄧旭、王德輝/川大趙長生合作，最新Nature 大子刊：可穿戴人工腎，無需透析液！

慢性腎病和終末期腎病正成為全球公共健康的沉重負擔。對這類患者而言，透析幾乎是唯一的生命維持手段。然而，無論是血液透析還是血液透析濾過，本質上都依賴“大水換血”的液–液分離模式：一次治療往往需要消耗上百升透析液，設備龐大、流程復雜，患者不得不每周多次往返醫院。可穿戴人工腎（WAK）被寄予厚望，但一個始終繞不開的瓶頸在于——只要還依賴透析液，真正的“可穿戴”就無從談起。

近日，電子科技大學鄧旭教授、王德輝教授聯合四川大學趙長生教授提出了一種完全不需要透析液的可穿戴人工腎原型。研究者利用液–氣相變機制，從根本上改變水分清除方式，同時結合血液灌流吸附技術，實現對尿毒素的高效去除。該系統在動物模型中驗證了安全性和有效性，整機重量已控制在 3.8 kg 以內，為真正可移動、可穿戴的腎臟替代治療邁出了關鍵一步。相關成果以“A dialysate-free wearable artificial kidney prototype driven by a liquid–gas phase transition”為題發表在《Nature Chemical Engineering》 上，Jing Luo和 Huali Yu.為共同第一作者。

從“液–液交換”到“液–氣相變”的思路躍遷

傳統透析的核心，是通過半透膜讓血液和透析液在液相中進行物質交換（圖1a）。這種方式雖然成熟，但必須持續維持濃度梯度，因此透析液用量巨大。研究團隊提出了一條完全不同的路徑：讓水以氣態形式離開血液。如圖1b、1c 所示，新系統引入了一種氣體可滲透、血液不可滲透的膜（GBM）。當 37 °C 的血液流經膜表面時，水分子蒸發成水蒸氣，穿過膜后在低溫側冷凝并被收集，而血液本身始終停留在原側。這一“液–氣–液”的相變過程，使水分清除不再依賴透析液，從原理上解放了可穿戴設備的體積與重量。

圖1：無透析液人工腎的設計理念與液–氣相變分離原理

氣體可滲透、血液卻不沾的關鍵膜

要讓這種相變分離長期穩定運行，核心在于膜材料。圖2a 展示了血液凈化器的整體結構：血液循環腔、氣體可滲透膜、冷凝腔和制冷單元被集成在一個封閉系統中。研究團隊在金屬網表面構建了納米級粗糙結構，并進行疏水改性，形成穩定的“空氣–固體復合界面”（圖2c–e）。這種結構讓空氣被牢牢困在膜孔中，而血液則像水珠落在荷葉上一樣被完全排斥。實驗顯示，無論是水、血漿、血清還是整血，在該膜上的接觸角均超過 150°，且在長時間沖刷和浸泡后依然穩定（圖2f、g）。更重要的是，這種膜在血液相容性測試中表現優異：凝血時間、補體激活指標和炎癥相關指標均未出現顯著變化（圖2h、i），說明它在實現“拒血透氣”的同時，并未引發額外的生物風險。

圖2：血液凈化器結構、氣體可滲透拒血膜的形貌與血液相容性

相變驅動力從哪里來？效率能有多高

水蒸發的動力來自血液側與冷凝側之間的蒸汽壓差。通過調控膜孔尺寸、血液流速以及兩側溫差，研究者系統性地優化了相變效率。圖3顯示，當膜孔增大、流速提升、溫差加大時，水分清除通量顯著提升，最高可達 7 ml min?1 m?2。與傳統聚酰胺透析膜相比，這種基于液–氣相變的方式在長時間運行中優勢尤為明顯——商業膜很快因血液污染而堵孔，而 GBM 仍能保持穩定通量（圖3i、j）。這意味著，水的清除效率不再是限制可穿戴化的短板。

圖3：相變分離效率的關鍵影響因素及與傳統透析膜的對比

動物實驗：血液安全嗎？器官受不受影響

在20只健康兔模型中，研究團隊對該血液凈化器進行了長達 6 小時的體內循環實驗（圖4a、b）。結果顯示，循環過程中膜表面未出現明顯血栓或污染（圖4c），分離得到的冷凝液清澈透明，幾乎不含蛋白（圖4d、e）。更關鍵的是，實驗前后兔子的血氧分壓、電解質、紅細胞變形能力、溶血率及炎癥因子水平均保持穩定（圖4f–o），腎、肺、肝組織切片未見結構損傷（圖4p）。這些結果共同表明：液–氣相變方式在體內運行是安全可控的。

圖4：兔體內循環實驗驗證血液安全性與器官相容性

把“除水”和“除毒”真正合在一起

僅靠相變主要解決的是水分問題，而尿毒素的清除仍需補充手段。研究者將該血液凈化器與血液灌流吸附柱相結合，構建了完整的無透析液 WAK 原型（圖5a）。在急性腎損傷兔模型中，這一系統不僅保持了高效的水清除能力（圖5b），還顯著降低了血液中的肌酐和 β?-微球蛋白水平（圖5e–h），而白蛋白和總蛋白并未受到影響（圖5c、d）。最終集成的原型系統將制冷、泵、傳感器、電池和控制模塊整合在一個背負式設備中，整機重量控制在 3.8 kg 以內（圖5j、k）。

圖5：無透析液可穿戴人工腎系統的集成設計與整體性能

小結與展望：真正“可穿戴”的腎臟替代治療還有多遠？

這項工作最大的價值，在于從原理層面擺脫了透析液依賴。通過液–氣相變實現水分清除，再結合血液灌流吸附尿毒素，研究者構建了一條全新的可穿戴人工腎技術路線。盡管當前原型在毒素譜覆蓋和長期佩戴舒適性上仍有提升空間，但它已經證明：連續、便攜、甚至居家使用的血液凈化系統并非遙不可及。未來，隨著膜材料、吸附體系和智能監測的進一步優化，真正改變腎病患者生活方式的“穿在身上的人工腎”，或許不再只是概念。