基于超疏血透气膜材料的血液净化方法、器件及装置

1.本发明涉及一种基于超疏血透气膜材料的血液净化方法、器件及装置，具体而言，该方法是基于超疏血透气膜材料，通过控制膜内外的温度差，利用蒸发/冷凝原理，在不需要透析液的情况下，完成对血液中过量代谢分子的清除，可广泛用于多种血液疾病的治疗领域。


背景技术：

2.肾脏疾病，如慢性肾病和终末期肾病，具有较高的发病率和致死率。这类患者由于肾脏功能受损，体内储留着过量的水分及各种代谢分子无法排出体外。对肾功能衰竭的病人在进行肾脏移植前临床上最常采用的治疗手段是血液透析，将患者血液与透析液同时引入具有中空纤维膜的透析器中，借助多孔膜两侧的溶质梯度、渗透梯度，通过超滤、弥散、对流等方式清除体内过量的水分及代谢分子。尽管血液透析技术可以有效清除血液中多余的代谢分子，但与天然肾脏可以连续净化血液不同，目前临床上使用的血液透析设备笨重无法携带，患者不得不每周去医院进行3-4次的透析，这种间歇性的透析方式不但会增加多种心血管疾病的发病风险，还会给患者的日常生活带来诸多不便。
3.为了解决上述问题，科研人员相继开发出了各种各样的便携可穿戴式透析器以及连续肾脏替代系统。现有技术通常在微流控芯片中集成多孔膜对生物分子进行清除。虽然芯片微型化，有利于便携可穿戴。但是，上述微型化的微流控血液净化芯片的设计仍然依赖于传统的血液透析原理，在血液净化时需要使用大量透析液，以维持透析膜两侧足够的浓度梯度，大量的透析液使用需求阻碍了便携可穿戴血液净化器在临床的推广。目前的解决策略是通过额外引入纳米多孔吸附剂，附加透析液再生系统，并与血液透析器串联。现有技术中，离子选择脲酶固定的活性碳纤维，能够选择性的截留毒素。虽然该技术结构合理，流程简单且携带方便，但是其单位体积的吸附剂吸附效率低，需要频繁更换吸附柱，又难以控制再生后的透析液是否达到再利用的标准。因此开发新型的血液净化方法，能够在不使用透析液的情况下，实现患者体内过多的水分及代谢物质的清除，是目前便携式血液净化领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目标在于发展新一代血液净化方法，构建新型的便携式血液净化装置，突破目前血液透析需要使用大量透析液，不利于便携可穿戴的限制，通过利用超疏血透气膜材料，实现在不使用透析液的情况下对血液中过量的代谢分子进行清除，为后续的临床血液净化方法的优化以及新型便携式血液净化器的开发提供技术支持。
5.本发明提供一种基于超疏血透气膜材料的血液净化方法，该方法进行血液净化时，无需使用透析液，仅靠蒸发/冷凝的原理，血液流经超疏血透气膜时，控制膜内外的温度差，膜内的血液中过量的水分子以及代谢分子以水蒸气的形式蒸发至膜外冷凝，从而实现
对血液中过量代谢分子的清除。该方法制备工艺简单，可实施性强。通过简单制备超疏血透气膜材料，调控膜内外的温度差等，即可实现对血液中过量水分以及代谢分子的清除，基于该方法构筑的血液净化器件有望实现便携可穿戴。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种基于超疏血透气膜材料的血液净化方法，其特征在于，所述净化方法依赖于蒸发/冷凝原理，在超疏血透气膜两侧设置温度差，超疏血透气膜内温度高于超疏血透气膜外温度，利用超疏血透气膜的透气性，血液流经超疏血透气膜时，液体中的水分携带着小分子物质以水蒸气的形式透过超疏血透气膜上的孔到达超疏血透气膜外，并在超疏血透气膜外冷凝导出。
8.优选地，小分子物质能够蒸发，分子量mn《500d。
9.优选地，超疏血透气膜为无机网膜或高分子有机膜。
10.优选地，其中超疏血透气膜中包含多孔网络，所述多孔网络的孔径为0～3mm。
11.优选地，超疏血透气膜为超疏水膜表面修饰惰性生物分子。
12.优选地，小分子物质包括水、脲酸、尿素、肌酐、胍类、胺类、酚类物质中的至少一种。
13.本技术还涉及一种净化器件，主体部分为对称的7层夹心式结构，依次为玻璃-外侧导液框架-超疏血透气膜-内侧液体循环框架-超疏血透气膜-外侧导液框架-玻璃。
14.本技术还涉及一种便携式的血液净化装置，包括净化器件，净化器件、蠕动泵、保温装置通过循环管路闭环连接，净化器件两侧设置有制冷装置。
15.优选地，保温装置控制循环的液体温度保持在37℃，即膜内温度控制为37℃；制冷装置维持膜外温度控制低于37℃。
附图说明
16.图1：根据本发明的血液净化方法示意图
17.图2：根据本发明所述的方法构建的血液净化器件示意图
18.图3：根据本发明所述的方法构建的血液净化器件框架示意图，外侧导液框架(左)及内侧液体循环框架(右)
19.图4：根据本发明所构建的便携式血液净化装置示意图
20.图5：超疏血透气膜材料的扫描电镜图片
21.图6：3d打印的外侧导液框架(左)及内侧液体循环框架(右)
22.图7：尿素清除效率
23.其中：1为玻璃；2为外侧导液框架；3为超疏血透气膜；4为内侧液体循环框架；5为进液口；6为出液口，7为冷凝液体导出口。
具体实施方式
24.下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
25.实施例：
26.一种基于超疏血透气膜的血液净化方法，所述方法依赖于蒸发/冷凝原理，在膜两侧设置温度差，利用膜的透气性，血液流经透气性超疏血膜时，其中的水分携带着代谢分子以水蒸气的形式透过膜上的孔到达膜外，并在膜外冷凝导出(图1所示)。
27.所述的基于超疏血透气膜的血液净化方法，其可以净化的代谢分子主要为可蒸发的小分子物质，分子量mn《500d；其种类包括但不限于水、脲酸(核蛋白与核酸分解代谢产物)、尿素(蛋白质分解产物)、肌酐(肌肉内磷酸代谢产物)、胍类(某些氨基酸及肌酸的代谢产物)、胺类(包括脂肪族胺、芳香族胺和多胺)、酚类(肠道细菌代谢产物)物质等。
28.所述的基于超疏血透气膜的血液净化方法，所述的超疏血透气膜种类包括但不限于：无机网膜(不锈钢网、铜网、硅基网膜、钛基网膜、活性炭网膜、多孔玻璃膜)，高分子有机膜(纤维素及其衍生膜、铜氨纤维素膜、醋酸纤维素膜、硝化纤维素膜、聚甲基丙烯酸甲酯膜、聚醚砜膜、聚酰胺膜、聚砜膜、聚丙烯腈膜、聚四氟乙烯膜、聚碳酸酯膜、铜仿膜、铜氨膜、血仿膜、双醋酸及三醋酸膜、聚丙烯晴膜，聚甲基丙烯酸甲酯，聚乳酸膜、胶原膜或甲壳素膜)等。
29.所述的基于超疏血透气膜的血液净化方法，其中超疏血透气膜多孔网络的孔径为0～3mm。
30.所述的基于超疏血透气膜的血液净化方法，其中所述的超疏血膜为超疏水膜表面修饰惰性生物分子。
31.所述的超疏血透气膜，其中超疏水膜的制备方法包括电纺丝、电喷涂、化学气相沉积、电化学沉积、逐层沉积、相分离、压印法、溶胶-凝胶法、水热法、模板法、光刻法等。
32.所述的超疏血透气膜，其中表面具有微纳米粗糙度，包括微纳米颗粒、纳米纤维、纳米棒、纳米管、纳米球、纳米花。
33.所述的超疏血透气膜，其中表面修饰的分子包括聚乙二醇、多肽、两性聚合物类、多糖类等。
34.所述的基于超疏血透气膜的血液净化方法，利用蒸发/冷凝的原理，具体为制备合适的超疏血透气膜材料，在血液流经超疏血膜时，利用膜的透气性，控制膜内外的温度差，血液中的水携带着代谢分子以水蒸气的形式透过膜上的孔到达膜外，并在膜外冷凝导出。
35.结合本发明所述的基于超疏血透气膜的血液净化方法，提供了一种基于超疏血透气膜的血液净化器件并基于该器件搭建了便携式的血液净化装置。
36.所述基于超疏血透气膜的血液净化器件，主体部分为对称的7层夹心式结构，依次为玻璃-外侧导液框架-超疏血透气膜-内侧液体循环框架-超疏血透气膜-外侧导液框架-玻璃，如图2所示。
37.如图3所示，外侧导液框架包括导液管路和导液框，内侧液体循环框架包括液体入口、液体循环框、液体出口，液体入口、液体出口分别位于液体循环框两侧。
38.所述的便携式的血液净化装置，核心部件包括上述基于超疏血透气膜的血液净化器件、蠕动泵、保温装置、冷凝装置、循环管路(图4)。
39.所述的基于便携式血液净化装置，其中保温装置控制循环的血液温度保持在37℃，即膜内温度控制为37℃；制冷装置维持膜外温度控制低于37℃。其中优选为20℃以下。
40.不同浓度的尿素原溶液中尿素的清除效果评估：
41.1.尿素溶液的配制：
42.分别称取尿素50mg、100mg、500mg、1g、2.5g、5g，溶解在100ml pbs缓冲溶液中，配成浓度为0.5、1、5、10、25、50mg/ml的尿素溶液，放置在37℃水浴锅中保温。
43.2.基于超疏血透气膜材料的便携式血液净化器件的制备：
44.选用300目的不锈钢网膜材料，利用化学气相沉积方法在其表面制备粗糙的微纳米结构，然后通过表面修饰低表面能分子，制备透气性超疏血网膜材料，结果如图5所示。利用3d打印设计器件外框(图6)，用防水的硅橡胶将透气性超疏水网膜和器件外框架封装在一起，制备血液净化器件。
45.3.对尿素的清除效果评估：
46.将上述步骤1中保温的尿素溶液通过蠕动泵泵入上述步骤2的血液净化器件中，在流过超疏血膜后，液体重新泵回保温瓶中，参与循环(图4)。在血液流经超疏血膜材料时，利用膜的透气性，给血液净化器件外侧加之冷凝装置，控制膜内外的温度差，血液中的水携带着代谢分子以水蒸气的形式透过膜上的孔到达膜外，并在膜外冷凝导出，由此可实现对过量水及尿素的清除。结果如图7所示，浓度为0.5，1，5，10，25，50mg/ml的尿素溶液均可以用该种方法清除。并且相比于传统的医院定点式的血液净化方法，该种方法无需使用透析液，可以实现便携可穿戴，所需材料只有基于超疏血透气膜材料的血液净化器件、蠕动泵、保温装置、冷凝装置、循环系统。由此体现出本发明中的基于超疏血透气膜材料的便携式血液净化方法的优越性。