电子科大邓旭、王德辉/川大赵长生合作，最新Nature 大子刊：可穿戴人工肾，无需透析液！

慢性肾病和终末期肾病正成为全球公共健康的沉重负担。对这类患者而言，透析几乎是唯一的生命维持手段。然而，无论是血液透析还是血液透析滤过，本质上都依赖“大水换血”的液–液分离模式：一次治疗往往需要消耗上百升透析液，设备庞大、流程复杂，患者不得不每周多次往返医院。可穿戴人工肾（WAK）被寄予厚望，但一个始终绕不开的瓶颈在于——只要还依赖透析液，真正的“可穿戴”就无从谈起。

近日，电子科技大学邓旭教授、王德辉教授联合四川大学赵长生教授提出了一种完全不需要透析液的可穿戴人工肾原型。研究者利用液–气相变机制，从根本上改变水分清除方式，同时结合血液灌流吸附技术，实现对尿毒素的高效去除。该系统在动物模型中验证了安全性和有效性，整机重量已控制在 3.8 kg 以内，为真正可移动、可穿戴的肾脏替代治疗迈出了关键一步。相关成果以“A dialysate-free wearable artificial kidney prototype driven by a liquid–gas phase transition”为题发表在《Nature Chemical Engineering》 上，Jing Luo和 Huali Yu.为共同第一作者。

从“液–液交换”到“液–气相变”的思路跃迁

传统透析的核心，是通过半透膜让血液和透析液在液相中进行物质交换（图1a）。这种方式虽然成熟，但必须持续维持浓度梯度，因此透析液用量巨大。研究团队提出了一条完全不同的路径：让水以气态形式离开血液。如图1b、1c 所示，新系统引入了一种气体可渗透、血液不可渗透的膜（GBM）。当 37 °C 的血液流经膜表面时，水分子蒸发成水蒸气，穿过膜后在低温侧冷凝并被收集，而血液本身始终停留在原侧。这一“液–气–液”的相变过程，使水分清除不再依赖透析液，从原理上解放了可穿戴设备的体积与重量。

图1：无透析液人工肾的设计理念与液–气相变分离原理

气体可渗透、血液却不沾的关键膜

要让这种相变分离长期稳定运行，核心在于膜材料。图2a 展示了血液净化器的整体结构：血液循环腔、气体可渗透膜、冷凝腔和制冷单元被集成在一个封闭系统中。研究团队在金属网表面构建了纳米级粗糙结构，并进行疏水改性，形成稳定的“空气–固体复合界面”（图2c–e）。这种结构让空气被牢牢困在膜孔中，而血液则像水珠落在荷叶上一样被完全排斥。实验显示，无论是水、血浆、血清还是整血，在该膜上的接触角均超过 150°，且在长时间冲刷和浸泡后依然稳定（图2f、g）。更重要的是，这种膜在血液相容性测试中表现优异：凝血时间、补体激活指标和炎症相关指标均未出现显著变化（图2h、i），说明它在实现“拒血透气”的同时，并未引发额外的生物风险。

图2：血液净化器结构、气体可渗透拒血膜的形貌与血液相容性

相变驱动力从哪里来？效率能有多高

水蒸发的动力来自血液侧与冷凝侧之间的蒸汽压差。通过调控膜孔尺寸、血液流速以及两侧温差，研究者系统性地优化了相变效率。图3显示，当膜孔增大、流速提升、温差加大时，水分清除通量显著提升，最高可达 7 ml min⁻¹ m⁻²。与传统聚酰胺透析膜相比，这种基于液–气相变的方式在长时间运行中优势尤为明显——商业膜很快因血液污染而堵孔，而 GBM 仍能保持稳定通量（图3i、j）。这意味着，水的清除效率不再是限制可穿戴化的短板。

图3：相变分离效率的关键影响因素及与传统透析膜的对比

动物实验：血液安全吗？器官受不受影响

在20只健康兔模型中，研究团队对该血液净化器进行了长达 6 小时的体内循环实验（图4a、b）。结果显示，循环过程中膜表面未出现明显血栓或污染（图4c），分离得到的冷凝液清澈透明，几乎不含蛋白（图4d、e）。更关键的是，实验前后兔子的血氧分压、电解质、红细胞变形能力、溶血率及炎症因子水平均保持稳定（图4f–o），肾、肺、肝组织切片未见结构损伤（图4p）。这些结果共同表明：液–气相变方式在体内运行是安全可控的。

图4：兔体内循环实验验证血液安全性与器官相容性

把“除水”和“除毒”真正合在一起

仅靠相变主要解决的是水分问题，而尿毒素的清除仍需补充手段。研究者将该血液净化器与血液灌流吸附柱相结合，构建了完整的无透析液 WAK 原型（图5a）。在急性肾损伤兔模型中，这一系统不仅保持了高效的水清除能力（图5b），还显著降低了血液中的肌酐和 β₂-微球蛋白水平（图5e–h），而白蛋白和总蛋白并未受到影响（图5c、d）。最终集成的原型系统将制冷、泵、传感器、电池和控制模块整合在一个背负式设备中，整机重量控制在 3.8 kg 以内（图5j、k）。

图5：无透析液可穿戴人工肾系统的集成设计与整体性能

小结与展望：真正“可穿戴”的肾脏替代治疗还有多远？

这项工作最大的价值，在于从原理层面摆脱了透析液依赖。通过液–气相变实现水分清除，再结合血液灌流吸附尿毒素，研究者构建了一条全新的可穿戴人工肾技术路线。尽管当前原型在毒素谱覆盖和长期佩戴舒适性上仍有提升空间，但它已经证明：连续、便携、甚至居家使用的血液净化系统并非遥不可及。未来，随着膜材料、吸附体系和智能监测的进一步优化，真正改变肾病患者生活方式的“穿在身上的人工肾”，或许不再只是概念。