可扩展离子浓度极化透析器：为腹膜透析液再生带来新希望

《Journal of Nanobiotechnology》：Scalable ion concentration polarization dialyzer for peritoneal dialysate regeneration

为解决终末期肾病（ESRD）患者透析治疗便携性难题，研究人员开展了可扩展离子浓度极化（ICP）透析器用于腹膜透析液再生的研究。结果显示该透析器能有效清除毒素，提升透析液再生效率。这为改善 ESRD 患者生活质量带来新突破。

　　慢性肾脏病发展到终末期肾病（ESRD），意味着肾脏功能永久性衰竭，患者面临着极高的发病率和死亡率。全球 ESRD 患者数量正以每年 5 - 7% 的速度增长，给社会带来了沉重的经济负担。即便接受适当的透析治疗，这些患者的心血管死亡率仍比普通人群高出约 30 倍。

目前，ESRD 患者主要治疗方式有肾移植、血液透析（HD）和腹膜透析（PD）。肾移植虽有诸多优势，但供体短缺问题难以解决。HD 需要借助专业设备，由医护人员操作，患者通常每周在诊所进行三次透析，每次 4 小时，要在短时间内清除 2 - 3 天积累的废物和多余液体，这会导致患者体内的容量状态、电解质平衡和酸碱平衡频繁波动，影响心血管健康。PD 则利用患者的腹膜作为血液过滤介质，患者可自行更换透析液，因其 “持续过滤” 的特点，更受年轻、活跃患者青睐，且在透析初期的生存率较高，对保留残余肾功能也有帮助。然而，PD 在全球的应用不如 HD 广泛，主要原因在于其清除尿毒症毒素的能力不足，透析液更换繁琐，还容易引发感染和代谢并发症等问题。

为了改善这些现状，来自首尔国立大学、江原国立大学医院、翰林大学等机构的研究人员，开展了关于可扩展离子浓度极化（ICP）透析器用于腹膜透析液再生的研究。该研究成果发表在《Journal of Nanobiotechnology》上。

研究人员用到的主要关键技术方法包括：首先，构建微纳流体装置，采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和 Nafion 等材料制作微通道和纳米结；其次，利用 3D 打印技术制造 3 - D 可扩展 ICP 透析器，使用生物相容性材料以满足医疗应用需求；此外，通过电化学实验，施加外部电压和压力，结合多种检测设备对透析液成分进行分析。

研究结果如下：

1. 2 - D 可扩展离子浓度极化透析器：制作了 2 - D 微纳流体缩放装置，通过优化结构减少电动力学不稳定性和电阻，持续注入人体使用过的透析液进行实验。实验发现，ICP 现象能使离子在纳米结前形成耗尽边界，实现废物分离和净化。带正电的物种（Na+和肌酐）依据电泳迁移率从纯化流中去除，Na+最终收集到 90% 的脱盐流，肌酐浓度显著降低；带负电的氯离子（Cl?）因 ICP 现象在阳极电极发生电化学反应，导致浓度重新分布；尿素通过阳极侧流的电化学反应完全消除；弱带电的磷（P）在电场作用下分解，通过阴离子废物通道排出。通过对比基于不同传质物理原理的微纳流体装置，发现只有诱导 ICP 现象才能实现透析液的有效净化，该装置命名为 2 - D 可扩展 ICP 透析器。
2. 3 - D 离子浓度极化透析器的开发：2 - D ICP 透析器通量不足，无法满足实际透析液回收需求。研究人员设计了一种通量达毫升每分钟的宏观尺度 ICP 透析器，该装置包含阴极侧宏通道、纳米多孔膜片、纳米多孔树脂涂层微网结构和阳极侧宏通道。为克服大通道尺寸下的电渗不稳定（EOI）问题，将微鳍结构扩展到 z 方向形成微网，优化微网网格尺寸为 400μm，并在微网结构上涂覆纳米多孔树脂，增强阳离子通量。通过实验确定了最佳电流和流速条件，即I=0.02A，Q=0.2mL/min时，透析器的净化效率最高且 pH 值适宜。
3. 3 - D 可扩展离子浓度极化透析器：将之前制作的通量为Q=0.2mL/min的 3 - D ICP 透析器进一步放大，实现了Q=1mL/min的通量。随着通量增加，装置的一些设计参数如总体积（Vtotal?）、不含网框的体积（Vtotal?mesh?）和纳米多孔膜的接触面积（Acontactedmembrane?）等按比例增加。评估发现，虽然通量增加会使功耗降低，但差异较小；不同通量下，纯化流、阴离子废物流和阳离子废物流的电导率变化不同；使用人体腹膜透析液测试，尿素去除率平均超 50%，Na+去除率约 40%，肌酐去除率低于 25% 且随通量增加而增加，Cl?去除率在 20 - 25% 之间，P 去除率呈上升趋势。不过，在实验中发现尿素分解存在问题，可能通过安装气泡去除膜、设计更紧密的电极与纯化通道间隙或增加电极表面积来解决。
4. ICP 透析器辅助腹膜透析：研究人员使用双侧肾切除术大鼠模型，对比传统 PD 和 ICP 透析器辅助 PD 的体内毒性降低性能。在大鼠术后恢复 24 小时后进行 2 小时的 PD 治疗，期间监测尿毒症和其他关键成分的浓度。对于实验组（使用 ICP 透析器辅助 PD），提取使用过的透析液进行再生，再将再生的纯化透析液重新注入大鼠腹腔。结果发现，在 PD 开始后的第一小时，ICP 透析器辅助组的体内毒素浓度明显降低，而无辅助组则没有这种效果。但到第二小时，两组的体内毒素浓度均有所上升，原因是大鼠腹腔排出的透析液含有杂质，影响了 ICP 透析器的净化效率，尤其是对尿素和肌酐的清除。

研究结论和讨论部分指出，目前 ESRD 患者的治疗选择有限，便携式或可穿戴的 PD 及人工肾设备对改善患者生活意义重大。本研究成功展示了 2 - D 和 3 - D 可扩展 ICP 透析器用于腹膜透析液再生的可行性，在微纳流体平台上有效减少了有毒物质的含量，通过 3D 打印技术制造出大规模流体环境下的透析器，并实现了较高通量的透析液再生，体内实验也证明了其能有效降低体内毒性、节省透析液体积。未来，通过整合更多功能，如主动过滤机制、实时监测传感器、供能单元和营养输送系统等，有望实现一款能显著改善 ESRD 患者日常生活功能的新型设备，为患者带来新的希望。