MXene材料可用于過(guò)濾尿素 讓透析患者自由活動(dòng)

對(duì)于全世界300多萬(wàn)人來(lái)說(shuō)，腎衰竭是一種改變生命的診斷，如果不是一種威脅生命的診斷的話。雖然美國(guó)約17%的終末期腎病患者正在接受移植，但平均等待時(shí)間為3-5年。大部分時(shí)間都花在計(jì)劃、接受和康復(fù)治療上。這些人每周花幾個(gè)小時(shí)連接透析機(jī)，從而清除血液中的毒素，減輕腎臟負(fù)擔(dān)。在患者等待移植期間，透析可以暫時(shí)替代腎功能。但它也可能對(duì)他們的生活質(zhì)量施加相當(dāng)大的限制——實(shí)際上將患者與透析機(jī)和可能的醫(yī)療機(jī)構(gòu)捆綁在一起。這是一個(gè)如此莊嚴(yán)的判決，以至于有些人在等待腎移植時(shí)選擇推遲或放棄手術(shù)，抓住機(jī)會(huì)。

30多年來(lái)，生物醫(yī)學(xué)工程師和醫(yī)生一直致力于研制一種更便攜版的透析機(jī)，它將恢復(fù)透析患者的正常狀態(tài)。然而，阻礙其尺寸減小的最大問(wèn)題是需要大量的水來(lái)清潔特別持久的廢物的尿液。尿素是肝臟中產(chǎn)生的一種有機(jī)化合物，有助于將氮作為尿液中的廢物從體內(nèi)運(yùn)輸出來(lái)。但是當(dāng)腎臟開始衰竭時(shí)，如果沒(méi)有從系統(tǒng)中清除，尿素將積累到有毒水平。為了去除尿素，透析器將水推入系統(tǒng)以洗去水溶性化合物，然后將干凈的血液返回循環(huán)。

因此，減少透析的關(guān)鍵是通過(guò)其他方式去除尿素。根據(jù)德雷塞爾杰出大學(xué)博士尤里戈戈特西(Yury Gogotsi)和巴赫領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際科學(xué)家、醫(yī)生和工程師團(tuán)隊(duì)的研究，這種方法可能是一種由一種獨(dú)特類型的原子很少的薄材料制成的薄過(guò)濾器，稱為MXene。材料科學(xué)與工程系德雷斯?fàn)柟こ虒W(xué)院教授。在最近發(fā)表在《ACS Nano》上的一篇論文中，來(lái)自加州大學(xué)洛杉磯分校、布賴頓大學(xué)、廣西醫(yī)科大學(xué)、華中科技大學(xué)和共生國(guó)際大學(xué)的研究人員報(bào)告稱，MXene材料可以作為可穿戴人工腎應(yīng)用中去除血液中尿素的候選材料?！斑@是生物醫(yī)學(xué)技術(shù)令人興奮的發(fā)展，”Gogotsi說(shuō)。“與其他已知的吸附劑相比，這種物質(zhì)顯示出更好的從血漿中吸收尿素分子的能力。這意味著有一天，它可以讓可穿戴腎臟成為現(xiàn)實(shí)，從而提高許多人的生活質(zhì)量?！?

MXene材料由納米薄層組成，其化學(xué)成分和間距可以定制，使其成為令人難以置信的選擇性過(guò)濾器。MXene材料已被用于捕獲電磁輻射、發(fā)射無(wú)線電波和增強(qiáng)電流。在這篇論文中，研究小組解釋了它們是如何被設(shè)計(jì)來(lái)過(guò)濾尿素分子的。他們寫道：“與粘土類似，MXenes的層狀結(jié)構(gòu)可以嵌入和脫嵌水和有機(jī)分子，如肼、尿素和陽(yáng)離子染料?！斑@表明，通過(guò)優(yōu)化材料的化學(xué)成分和層間距離，可以微調(diào)MXene結(jié)構(gòu)來(lái)吸收尿素?！毖芯咳藛T表示，除了這種物理動(dòng)物，這些層的化學(xué)排列也會(huì)對(duì)尿素顆粒產(chǎn)生分子吸引力。

總之，通過(guò)額外的研究可以優(yōu)化MXenes的這些特性，使其成為減少腎臟尿素過(guò)濾工作量的理想材料。研究表明，在30種MXene材料中，它們能去除尿素水溶液中99%的尿素和透析液中94%的尿素。Gogotsi說(shuō)：“去除尿素一直是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，因?yàn)榉肿臃浅Ｐ?，以至于活性炭等傳統(tǒng)吸附劑無(wú)法充分吸收?！拔覀兣c布萊頓大學(xué)的同事一起研究多孔碳用于血液凈化已經(jīng)有十多年了，但我們用碳從血液中去除的分子之一是尿素。當(dāng)我們第一次合成Mxene并開始測(cè)試其性能時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)尿素可以插入其中——這最終導(dǎo)致了本文的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，認(rèn)識(shí)到了MXene在可穿戴人工腎中的潛力。

已經(jīng)發(fā)展了幾十年的便攜式透析設(shè)備仍然不能很好地完成清除尿素的任務(wù)。他們還使用一種酶來(lái)分解水中的尿素，這種酶在透析過(guò)程中吸收尿素，稱為透析液，并將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氨。二氧化碳必須小心排放，以防止氣泡進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。氨在達(dá)到有毒水平之前必須被特殊的過(guò)濾器吸收。所有這些都增加了類似于大型工具帶的設(shè)備的重量，意味著要整天佩戴它。包括雪松西奈醫(yī)學(xué)中心和加州大學(xué)洛杉磯分校戴維格芬醫(yī)學(xué)院的維克多古拉在內(nèi)的作者開發(fā)了第一個(gè)可穿戴人工腎技術(shù)，他們指出，更頻繁和更長(zhǎng)時(shí)間的透析已被證明與更好的結(jié)果有關(guān)。他們寫道：“在健康的人類中，血液不斷被腎臟過(guò)濾，也就是每周168小時(shí)，以維持電解質(zhì)、酸堿平衡和液體平衡的完美穩(wěn)態(tài)?！薄耙虼?，模仿連續(xù)過(guò)濾可能是一個(gè)有價(jià)值的目標(biāo)，可以讓終末期腎病患者獲得更好的健康和生活質(zhì)量，從而形成可穿戴人工腎的概念?！?

雖然在技術(shù)出現(xiàn)之前，還有很長(zhǎng)的路要走去改進(jìn)和測(cè)試，但是修改和集成MXene材料的可能性可以消除一些最令人生畏的障礙。研究人員的下一步是確定哪種類型的MXene最適合過(guò)濾尿素，并繼續(xù)測(cè)試以證明它可以安全地用于醫(yī)療應(yīng)用。該大學(xué)的合著者謝爾蓋米哈洛夫斯基(Sergei Mikhalovski)博士說(shuō)：“這個(gè)看似微小的發(fā)現(xiàn)，即一些新材料可以清除血液中的尿素，實(shí)際上可能會(huì)對(duì)腎衰竭患者的生活質(zhì)量產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。布萊頓大學(xué)藥學(xué)和生物分子科學(xué)學(xué)院，現(xiàn)任納米材料咨詢公司ANAMAD的聯(lián)合董事?！白尰颊叽媾R床透析并有機(jī)會(huì)等待腎臟。

移植的同時(shí)保持更正常的常規(guī)，最終將挽救生命。”該研究由美國(guó)能源部和英國(guó)文化協(xié)會(huì)以及英國(guó)全球創(chuàng)新計(jì)劃資助。