把透析機(jī)穿在身上！中國團(tuán)隊研發(fā)“蒸發(fā)式”人工腎

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一場持續(xù)6小時的兔子的實驗，或?qū)⒏膶懲肝龅臍v史。

撰文丨Monk

來源丨醫(yī)學(xué)界腎病頻道

對于全球數(shù)百萬終末期腎病患者來說，生活似乎被嚴(yán)格地“程序化”了——每周三次，每次四小時，雷打不動地躺在透析機(jī)旁，連接著龐大的設(shè)備，看著時間一分一秒地流逝。

那有沒有一種可能，讓透析機(jī)變得像一件衣服，甚至一個背包，讓患者能背著它自由行走、工作，甚至在夜里安靜睡眠時悄悄完成治療？這個困擾了學(xué)界幾十年的難題，或許能有新的選擇方案。近日，電子科技大學(xué)鄧旭、王德輝教授團(tuán)隊聯(lián)合四川大學(xué)等機(jī)構(gòu)，在Nature Chemical Engineering發(fā)表了一項研究[1]：他們研發(fā)出全球首款基于液-氣相變技術(shù)的無透析液可穿戴人工腎原型機(jī)。

圖1 研究題圖

Part1設(shè)備設(shè)計原理：

如何讓血液“滴水不漏”、水汽“暢通無阻”？

傳統(tǒng)透析之所以無法小型化，根源在于其工作原理——透析液一血液的“液一液交換”。一次常規(guī)透析需要120一150L透析液作為“清洗劑”（圖2a），這種對大量液體的固有依賴嚴(yán)重限制了水凈化器（WAK）的實際可行性和便攜性，對于可穿戴設(shè)備來說是不可承受之重。而研究團(tuán)隊則提出了一種用于WAK開發(fā)的策略——讓水蒸發(fā)，而不是沖刷。

其核心是采用具有透氣性血液排斥膜（GBMs）的無透析液血液凈化器，通過氣壓梯度驅(qū)動的液氣相變實現(xiàn)水分離（圖2b），并結(jié)合吸附作用來分離尿毒癥毒素（圖2c）。當(dāng)血液流經(jīng) GBMs時，高氣液界面面積促進(jìn)水分子蒸發(fā)，使其以蒸汽狀態(tài)通過膜，同時阻止血液滲透。通過氣壓差可精確控制相變效率，達(dá)到高達(dá)7mL/min/m2的通量。

圖2 無透析液WAK設(shè)計。a，傳統(tǒng)血液透析/血液透析濾過依賴液一液分離和大量透析液。b，基于液一氣相變的無透析液方法。c，利用GBM實現(xiàn)血液中水分的液一氣相變分離。

其核心材料是研究團(tuán)隊設(shè)計的“透氣不透血膜”，這層膜的設(shè)計有三個層層遞進(jìn)的科學(xué)考量：

• 超疏血表面：膜表面噴涂了納米二氧化硅顆粒，形成微納復(fù)合結(jié)構(gòu)。當(dāng)血液流經(jīng)時，空氣被牢牢“鎖”在膜表面，血液只能“懸停”在上方，無法浸潤。接觸角測試顯示，全血在膜上的接觸角超過150°，滑動角小于3°——這意味著血滴輕輕一斜就滾落，膜面干干凈凈。

• 氣體選擇性透過：血液被擋在膜的一側(cè)，而水分子在體溫37℃環(huán)境下蒸發(fā)成水蒸氣，順暢通過膜的微孔。膜的另一側(cè)設(shè)有制冷裝置，造成溫度差和蒸氣壓差，驅(qū)動水蒸氣源源不斷地被“吸”過去，冷凝后收集。

• 參數(shù)精準(zhǔn)優(yōu)化：研究團(tuán)隊系統(tǒng)測試了不同孔徑（18一100μm）、不同血流速度（1一15 mL/min）和不同溫差下的脫水效率。結(jié)果顯示：孔徑越大，氣一液界面面積越大，脫水通量越高；流速越快，脫水效率越高；溫差越大，蒸氣壓差越大。

更關(guān)鍵的是安全性驗證，研究人員將GBM與全血共同孵育后檢測發(fā)現(xiàn)：

• 凝血指標(biāo)：凝血酶時間（TT）、活化部分凝血活酶時間（APTT）均無顯著變化（P > 0.05），說明GBM不會激活凝血系統(tǒng)。

• 炎癥反應(yīng)：補(bǔ)體片段C3a、C5a以及凝血酶一抗凝血酶復(fù)合物（TAT）均未升高（P > 0.05），說明不會引發(fā)炎癥。

• 耐久性：經(jīng)過100小時的高速沖洗和10天的長期浸泡，GBM的超疏血性能依然穩(wěn)定。

Part2動物實驗：

從20只健康兔到急性腎損傷兔的完整驗證

但體外實驗成功只是第一步，真正的考驗是在活體動物的血管里完成6小時血液循環(huán)。

圖3 AKI兔體外血液凈化方案示意圖（采用無透析液WAK原型）

【實驗1：20只健康兔的安全性驗證】

研究團(tuán)隊選取了20只健康雄性新西蘭兔（體重2一3kg，年齡3一5個月），建立體外血液循環(huán)模型。

? 實驗方案：

將兔子麻醉后，分離股動脈和股靜脈，置入留置針；將兔子接入血液凈化器，血流速度3 mL/min，冷卻側(cè)溫度7℃，持續(xù)6小時體外循環(huán)；分別于術(shù)前、術(shù)后采血，進(jìn)行多維度指標(biāo)檢測。

?結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

• 水分清除成功：從兔血中成功分離出清澈液體。意外的是，在16只兔子的分離液中檢測到尿素和尿酸，13只檢測到肌酐。這說明部分小分子毒素會和水分子形成“分子團(tuán)”一起“蒸發(fā)”出來，這是此前未預(yù)料到的額外獲益。

• 血氣分析：血氧飽和度始終＞95%，pO?、pCO?無顯著變化，證明無氣體栓塞。

• 血液學(xué)：紅細(xì)胞計數(shù)、血小板計數(shù)穩(wěn)定，溶血率＜5%。

• 生化指標(biāo)：白蛋白、總蛋白、電解質(zhì)（K?、Na?、Cl?、Ca2?）均穩(wěn)定。

• 炎癥因子：IL-1β、IL-6、TNF-α無升高。

• 器官病理：心、肝、腎組織切片顯示結(jié)構(gòu)完整，無明顯損傷。

【實驗2：急性腎損傷兔的療效驗證】

光能脫水不夠，透析的核心是清除各種毒素。對于中大分子毒素，“蒸發(fā)”效果有限。研究團(tuán)隊將血液凈化器（負(fù)責(zé)脫水）與血液灌流器（內(nèi)含吸附樹脂）串聯(lián)，組成完整的人工腎原型機(jī)。

?實驗方案：

構(gòu)建急性腎損傷兔模型，隨機(jī)分為四組：假手術(shù)組：僅手術(shù)，不連接設(shè)備；凈化器組：僅連接脫水裝置；灌流組：僅連接吸附柱；原型機(jī)組：同時連接凈化器+灌流柱。

?結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

• 小分子肌酐：凈化器有一定清除效果，加灌流柱后血肌酐下降更顯著。

• 中分子β2-微球蛋白：凈化器幾乎無效，加灌流柱后顯著降低至造模前水平。

• 蛋白保留：各組白蛋白、總蛋白無顯著差異，說明精準(zhǔn)清除毒素、不誤傷有益蛋白。

小結(jié)與討論：

從實驗室到可穿戴的最后一步

基于以上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灁?shù)據(jù)，研究團(tuán)隊最終將所有模塊整合，設(shè)計出了一臺重不到3.8Kg、符合人體工學(xué)的可穿戴人工腎原型機(jī)（圖4）。它集成了高效脫水系統(tǒng)、毒素清除系統(tǒng)、電池、微型泵和各種傳感器，可以連續(xù)工作，讓患者真正實現(xiàn)“背著透析機(jī)生活”。

圖4 可穿戴人工腎原型機(jī)示意圖

當(dāng)然，希望能通過進(jìn)一步優(yōu)化（毒素清除范圍、重量、智能化等）有望實現(xiàn)真正的便攜化。但無論如何，我國科學(xué)家們用這一系列從原理驗證到動物實驗的嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)據(jù)，已經(jīng)向世界證明：無透析液血液凈化不再是科幻，而是已經(jīng)走出實驗室、在兔子身上驗證成功的現(xiàn)實技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Luo J, Yu H, Yang X, Wang D, Lu B, Liu J, et al. A dialysate-free wearable artificial kidney prototype driven by a liquid-gas phase transition. Nat Chem Eng. 2026 Feb 9. doi: 10.1038/s44286-026-00355-6.

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