慢性腎病和終末期腎病正成為全球公共健康的沉重負(fù)擔(dān)。對(duì)這類患者而言，透析幾乎是唯一的生命維持手段。然而，無論是血液透析還是血液透析濾過，本質(zhì)上都依賴“大水換血”的液–液分離模式：一次治療往往需要消耗上百升透析液，設(shè)備龐大、流程復(fù)雜，患者不得不每周多次往返醫(yī)院?？纱┐魅斯つI（WAK）被寄予厚望，但一個(gè)始終繞不開的瓶頸在于——只要還依賴透析液，真正的“可穿戴”就無從談起。

近日，電子科技大學(xué)鄧旭教授、王德輝教授聯(lián)合四川大學(xué)趙長生教授提出了一種完全不需要透析液的可穿戴人工腎原型。研究者利用液–氣相變機(jī)制，從根本上改變水分清除方式，同時(shí)結(jié)合血液灌流吸附技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)尿毒素的高效去除。該系統(tǒng)在動(dòng)物模型中驗(yàn)證了安全性和有效性，整機(jī)重量已控制在 3.8 kg 以內(nèi)，為真正可移動(dòng)、可穿戴的腎臟替代治療邁出了關(guān)鍵一步。相關(guān)成果以“A dialysate-free wearable artificial kidney prototype driven by a liquid–gas phase transition”為題發(fā)表在《Nature Chemical Engineering》 上，Jing Luo和 Huali Yu.為共同第一作者。

從“液–液交換”到“液–氣相變”的思路躍遷

傳統(tǒng)透析的核心，是通過半透膜讓血液和透析液在液相中進(jìn)行物質(zhì)交換（圖1a）。這種方式雖然成熟，但必須持續(xù)維持濃度梯度，因此透析液用量巨大。研究團(tuán)隊(duì)提出了一條完全不同的路徑：讓水以氣態(tài)形式離開血液。如圖1b、1c 所示，新系統(tǒng)引入了一種氣體可滲透、血液不可滲透的膜（GBM）。當(dāng) 37 °C 的血液流經(jīng)膜表面時(shí)，水分子蒸發(fā)成水蒸氣，穿過膜后在低溫側(cè)冷凝并被收集，而血液本身始終停留在原側(cè)。這一“液–氣–液”的相變過程，使水分清除不再依賴透析液，從原理上解放了可穿戴設(shè)備的體積與重量。

圖1：無透析液人工腎的設(shè)計(jì)理念與液–氣相變分離原理

氣體可滲透、血液卻不沾的關(guān)鍵膜

要讓這種相變分離長期穩(wěn)定運(yùn)行，核心在于膜材料。圖2a 展示了血液凈化器的整體結(jié)構(gòu)：血液循環(huán)腔、氣體可滲透膜、冷凝腔和制冷單元被集成在一個(gè)封閉系統(tǒng)中。研究團(tuán)隊(duì)在金屬網(wǎng)表面構(gòu)建了納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行疏水改性，形成穩(wěn)定的“空氣–固體復(fù)合界面”（圖2c–e）。這種結(jié)構(gòu)讓空氣被牢牢困在膜孔中，而血液則像水珠落在荷葉上一樣被完全排斥。實(shí)驗(yàn)顯示，無論是水、血漿、血清還是整血，在該膜上的接觸角均超過 150°，且在長時(shí)間沖刷和浸泡后依然穩(wěn)定（圖2f、g）。更重要的是，這種膜在血液相容性測試中表現(xiàn)優(yōu)異：凝血時(shí)間、補(bǔ)體激活指標(biāo)和炎癥相關(guān)指標(biāo)均未出現(xiàn)顯著變化（圖2h、i），說明它在實(shí)現(xiàn)“拒血透氣”的同時(shí)，并未引發(fā)額外的生物風(fēng)險(xiǎn)。

圖2：血液凈化器結(jié)構(gòu)、氣體可滲透拒血膜的形貌與血液相容性

相變驅(qū)動(dòng)力從哪里來？效率能有多高

水蒸發(fā)的動(dòng)力來自血液側(cè)與冷凝側(cè)之間的蒸汽壓差。通過調(diào)控膜孔尺寸、血液流速以及兩側(cè)溫差，研究者系統(tǒng)性地優(yōu)化了相變效率。圖3顯示，當(dāng)膜孔增大、流速提升、溫差加大時(shí)，水分清除通量顯著提升，最高可達(dá) 7 ml min?1 m?2。與傳統(tǒng)聚酰胺透析膜相比，這種基于液–氣相變的方式在長時(shí)間運(yùn)行中優(yōu)勢尤為明顯——商業(yè)膜很快因血液污染而堵孔，而 GBM 仍能保持穩(wěn)定通量（圖3i、j）。這意味著，水的清除效率不再是限制可穿戴化的短板。

圖3：相變分離效率的關(guān)鍵影響因素及與傳統(tǒng)透析膜的對(duì)比

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)：血液安全嗎？器官受不受影響

在20只健康兔模型中，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該血液凈化器進(jìn)行了長達(dá) 6 小時(shí)的體內(nèi)循環(huán)實(shí)驗(yàn)（圖4a、b）。結(jié)果顯示，循環(huán)過程中膜表面未出現(xiàn)明顯血栓或污染（圖4c），分離得到的冷凝液清澈透明，幾乎不含蛋白（圖4d、e）。更關(guān)鍵的是，實(shí)驗(yàn)前后兔子的血氧分壓、電解質(zhì)、紅細(xì)胞變形能力、溶血率及炎癥因子水平均保持穩(wěn)定（圖4f–o），腎、肺、肝組織切片未見結(jié)構(gòu)損傷（圖4p）。這些結(jié)果共同表明：液–氣相變方式在體內(nèi)運(yùn)行是安全可控的。

圖4：兔體內(nèi)循環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證血液安全性與器官相容性

把“除水”和“除毒”真正合在一起

僅靠相變主要解決的是水分問題，而尿毒素的清除仍需補(bǔ)充手段。研究者將該血液凈化器與血液灌流吸附柱相結(jié)合，構(gòu)建了完整的無透析液 WAK 原型（圖5a）。在急性腎損傷兔模型中，這一系統(tǒng)不僅保持了高效的水清除能力（圖5b），還顯著降低了血液中的肌酐和 β?-微球蛋白水平（圖5e–h），而白蛋白和總蛋白并未受到影響（圖5c、d）。最終集成的原型系統(tǒng)將制冷、泵、傳感器、電池和控制模塊整合在一個(gè)背負(fù)式設(shè)備中，整機(jī)重量控制在 3.8 kg 以內(nèi)（圖5j、k）。

圖5：無透析液可穿戴人工腎系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)與整體性能

小結(jié)與展望：真正“可穿戴”的腎臟替代治療還有多遠(yuǎn)？

這項(xiàng)工作最大的價(jià)值，在于從原理層面擺脫了透析液依賴。通過液–氣相變實(shí)現(xiàn)水分清除，再結(jié)合血液灌流吸附尿毒素，研究者構(gòu)建了一條全新的可穿戴人工腎技術(shù)路線。盡管當(dāng)前原型在毒素譜覆蓋和長期佩戴舒適性上仍有提升空間，但它已經(jīng)證明：連續(xù)、便攜、甚至居家使用的血液凈化系統(tǒng)并非遙不可及。未來，隨著膜材料、吸附體系和智能監(jiān)測的進(jìn)一步優(yōu)化，真正改變腎病患者生活方式的“穿在身上的人工腎”，或許不再只是概念。