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德雷塞尔大学

摘要：

已经出现了一种二维层状材料作为候选者，以帮助更换可穿戴肾脏中的身体废物过滤系统。

对于全世界超过300万人来说，肾衰竭是一种改变生活的诊断，如果不是危及生命的诊断。虽然美国约有17%的患有终末期肾病的人现在正在接受移植手术，但等待的平均时间是3 - 5年。大部分时间都是通过计划，接受和从治疗中恢复来消耗的。这些人每周多次花费几个小时连接到透析机上，从而清除血液中的毒素 - 减轻了肾脏的负担。

当患者等待移植时，透析可以暂时取代肾功能。但它也可能对他们的生活质量施加相当多的限制 - 有效地将患者束缚在透析机和可能的医疗机构中。这是一个如此庄严的判决，有些人选择推迟或放弃手术并在等待肾脏移植时抓住机会。

三十多年来，生物医学工程师和医生一直致力于更便携的透析机版本，这将恢复透析患者的正常状态。但是，阻碍其尺寸减小的最大问题是清洁特别持久的废物产品尿液所需的大量水。

尿素是一种在肝脏中产生的有机化合物，有助于从体内输送氮作为尿液中的废物。但是当肾脏开始衰竭时，尿素会积聚，达到有毒水平，如果它没有从系统中清除。为了去除尿素，透析机将升水推入系统以冲洗掉水溶性化合物，然后将清洁的血液返回循环。

因此，缩小透析的关键是以其他方式去除尿素。根据德雷克塞尔大学Yury Gogotsi，博士，杰出大学和巴赫领导的国际科学家，医生和工程师组的研究，这种方式可能是由一种称为MXene的独特类型的少原子薄材料制成的薄过滤器。德雷塞尔工程学院教授，​​材料科学与工程系。

在最近发表在ACS Nano上的一篇论文中，德雷克塞尔，加州大学洛杉矶分校，英国布莱顿大学，广西医科大学和华中科技大学以及印度共生国际大学的研究人员报告说，MXene材料可以是可穿戴人工肾应用中从血液中去除尿素的候选者。

“这是生物医学技术的一个令人兴奋的发展，”Gogotsi说。 “与其他已知的吸附剂相比，这种物质已经显示出更好的从血浆中吸收尿素分子的能力。这意味着它有朝一日可以使可穿戴的肾脏成为现实，从而改善许多人的生活质量。”

MXene材料由纳米薄层组成，其化学成分和间距可以定制，使其成为令人难以置信的选择性过滤器。 MXene材料已被用于捕获电磁辐射，发射无线电波和增强电流。在该论文中，该小组解释了它们如何设计用于过滤尿素分子。

“与粘土类似，MXenes的层状结构可以嵌入和脱嵌水和有机分子，如肼，尿素和阳离子染料，”他们写道。“这表明，通过优化材料的化学成分和层间距离，可以对MXene结构进行微调以吸收尿素。”研究人员表示，除了这种物理动物外，这些层的化学排列也会对尿素颗粒产生分子吸引力。

总之，MXenes的这些特性可以通过额外的研究进行优化，可以使它们成为缓解肾脏尿素过滤工作量的理想材料。

在研究已有的30种MXene材料中的三种中，该研究表明它们可以从尿素水溶液中去除99%的尿素，从透析液中去除94%的尿素。

“去除尿素一直是一个非常具有挑战性的问题，因为分子很小，传统的吸附剂，如活性炭不能吸收足够的量，”Gogotsi说。 “我们一直在研究使用多孔碳进行血液净化与布莱顿大学的同事进行了十多年的研究，但我们用碳从血液中去除的一种分子是尿素。当我们首次合成MXene并开始测试其性质时我们发现尿素可以插入其中 - 这是最终导致本文的重要发现，认识到MXenes在可穿戴人工肾中的潜力。

已经开发了数十年的便携式透析装置仍然不能很好地完成去除尿素的任务。他们还使用一种酶来分解吸收透析中尿素的水中的尿素，称为透析液，转化为二氧化碳和氨。必须小心地排出二氧化碳以防止气泡进入循环系统。氨必须在达到毒性水平之前用特殊的过滤器吸收。所有这些都增加了一个类似于大型工具带的设备的重量，并且意味着全天不断佩戴。

作者，其中包括Cedars Sinai医学中心和加州大学洛杉矶分校David Geffen医学院的Victor Gura，他开发了第一种可穿戴人工肾技术，他指出更频繁和更长时间的透析已被证明与更好的结果有关。他们写道：“在健康的人类中，血液不断被肾脏过滤，即每周168小时，维持电解质的完美稳态，酸碱平衡和液体平衡。” “因此，模仿不间断过滤可能是一个有价值的目标，可以在终末期肾病患者中实现更好的健康和生活质量，从而形成可穿戴人工肾的概念。”

虽然在技术出现之前仍有很长的改进和测试之路，但修改和整合MXene材料的可能性可以消除一些最令人生畏的障碍。研究人员的下一步是确定哪种类型的MXene最适合过滤尿素，并继续进行测试，证明它可以安全地用于医疗应用。

“这个看似很小的发现，一些新材料可以从血液中去除尿素，实际上可能对肾功能衰竭患者的生活质量产生相当大的影响，”谢尔盖米哈洛夫斯基博士说，他是大学的共同作者。布莱顿大学药学与生物分子科学学院，现任纳米材料咨询公司ANAMAD的联合主任。 “让患者替代临床透析，并有机会在等待肾移植的同时保持更正常的常规，最终将挽救生命。”

该研究由美国能源部和英国文化协会以及英国全球创新计划资助。