MXene材料可用于過濾尿素 讓透析患者自由活動(dòng)

對(duì)于全世界300多萬人來說，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，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題是需要大量的水來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。但是當(dāng)腎臟開始衰竭時(shí)，如果沒有從系統(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?！芭c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濾器。MXene材料已被用于捕獲電磁輻射、發(fā)射無線電波和增強(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)來過濾尿素分子的。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)來吸收尿素。”研究人員表示，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：“去除尿素一直是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問題，因?yàn)榉肿臃浅Ｐ。灾劣诨钚蕴康葌鹘y(tǒng)吸附劑無法充分吸收?！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分解水中的尿素，這種酶在透析過程中吸收尿素，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：“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。