把透析机穿在身上！中国团队研发“蒸发式”人工肾

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一场持续6小时的兔子的实验，或将改写透析的历史。

撰文丨Monk

来源丨医学界肾病频道

对于全球数百万终末期肾病患者来说，生活似乎被严格地“程序化”了——每周三次，每次四小时，雷打不动地躺在透析机旁，连接着庞大的设备，看着时间一分一秒地流逝。

那有没有一种可能，让透析机变得像一件衣服，甚至一个背包，让患者能背着它自由行走、工作，甚至在夜里安静睡眠时悄悄完成治疗？这个困扰了学界几十年的难题，或许能有新的选择方案。近日，电子科技大学邓旭、王德辉教授团队联合四川大学等机构，在Nature Chemical Engineering发表了一项研究[1]：他们研发出全球首款基于液-气相变技术的无透析液可穿戴人工肾原型机。

图1 研究题图

Part1设备设计原理：

如何让血液“滴水不漏”、水汽“畅通无阻”？

传统透析之所以无法小型化，根源在于其工作原理——透析液一血液的“液一液交换”。一次常规透析需要120一150L透析液作为“清洗剂”（图2a），这种对大量液体的固有依赖严重限制了水净化器（WAK）的实际可行性和便携性，对于可穿戴设备来说是不可承受之重。而研究团队则提出了一种用于WAK开发的策略——让水蒸发，而不是冲刷。

其核心是采用具有透气性血液排斥膜（GBMs）的无透析液血液净化器，通过气压梯度驱动的液气相变实现水分离（图2b），并结合吸附作用来分离尿毒症毒素（图2c）。当血液流经 GBMs时，高气液界面面积促进水分子蒸发，使其以蒸汽状态通过膜，同时阻止血液渗透。通过气压差可精确控制相变效率，达到高达7mL/min/m²的通量。

图2 无透析液WAK设计。a，传统血液透析/血液透析滤过依赖液一液分离和大量透析液。b，基于液一气相变的无透析液方法。c，利用GBM实现血液中水分的液一气相变分离。

其核心材料是研究团队设计的“透气不透血膜”，这层膜的设计有三个层层递进的科学考量：

• 超疏血表面：膜表面喷涂了纳米二氧化硅颗粒，形成微纳复合结构。当血液流经时，空气被牢牢“锁”在膜表面，血液只能“悬停”在上方，无法浸润。接触角测试显示，全血在膜上的接触角超过150°，滑动角小于3°——这意味着血滴轻轻一斜就滚落，膜面干干净净。

• 气体选择性透过：血液被挡在膜的一侧，而水分子在体温37℃环境下蒸发成水蒸气，顺畅通过膜的微孔。膜的另一侧设有制冷装置，造成温度差和蒸气压差，驱动水蒸气源源不断地被“吸”过去，冷凝后收集。

• 参数精准优化：研究团队系统测试了不同孔径（18一100μm）、不同血流速度（1一15 mL/min）和不同温差下的脱水效率。结果显示：孔径越大，气一液界面面积越大，脱水通量越高；流速越快，脱水效率越高；温差越大，蒸气压差越大。

更关键的是安全性验证，研究人员将GBM与全血共同孵育后检测发现：

• 凝血指标：凝血酶时间（TT）、活化部分凝血活酶时间（APTT）均无显著变化（P > 0.05），说明GBM不会激活凝血系统。

• 炎症反应：补体片段C3a、C5a以及凝血酶一抗凝血酶复合物（TAT）均未升高（P > 0.05），说明不会引发炎症。

• 耐久性：经过100小时的高速冲洗和10天的长期浸泡，GBM的超疏血性能依然稳定。

Part2动物实验：

从20只健康兔到急性肾损伤兔的完整验证

但体外实验成功只是第一步，真正的考验是在活体动物的血管里完成6小时血液循环。

图3 AKI兔体外血液净化方案示意图（采用无透析液WAK原型）

【实验1：20只健康兔的安全性验证】

研究团队选取了20只健康雄性新西兰兔（体重2一3kg，年龄3一5个月），建立体外血液循环模型。

▶ 实验方案：

将兔子麻醉后，分离股动脉和股静脉，置入留置针；将兔子接入血液净化器，血流速度3 mL/min，冷却侧温度7℃，持续6小时体外循环；分别于术前、术后采血，进行多维度指标检测。

▶结果发现：

• 水分清除成功：从兔血中成功分离出清澈液体。意外的是，在16只兔子的分离液中检测到尿素和尿酸，13只检测到肌酐。这说明部分小分子毒素会和水分子形成“分子团”一起“蒸发”出来，这是此前未预料到的额外获益。

• 血气分析：血氧饱和度始终＞95%，pO₂、pCO₂无显著变化，证明无气体栓塞。

• 血液学：红细胞计数、血小板计数稳定，溶血率＜5%。

• 生化指标：白蛋白、总蛋白、电解质（K⁺、Na⁺、Cl⁻、Ca²⁺）均稳定。

• 炎症因子：IL-1β、IL-6、TNF-α无升高。

• 器官病理：心、肝、肾组织切片显示结构完整，无明显损伤。

【实验2：急性肾损伤兔的疗效验证】

光能脱水不够，透析的核心是清除各种毒素。对于中大分子毒素，“蒸发”效果有限。研究团队将血液净化器（负责脱水）与血液灌流器（内含吸附树脂）串联，组成完整的人工肾原型机。

▶实验方案：

构建急性肾损伤兔模型，随机分为四组：假手术组：仅手术，不连接设备；净化器组：仅连接脱水装置；灌流组：仅连接吸附柱；原型机组：同时连接净化器+灌流柱。

▶结果发现：

• 小分子肌酐：净化器有一定清除效果，加灌流柱后血肌酐下降更显著。

• 中分子β2-微球蛋白：净化器几乎无效，加灌流柱后显著降低至造模前水平。

• 蛋白保留：各组白蛋白、总蛋白无显著差异，说明精准清除毒素、不误伤有益蛋白。

小结与讨论：

从实验室到可穿戴的最后一步

基于以上严谨的实验数据，研究团队最终将所有模块整合，设计出了一台重不到3.8Kg、符合人体工学的可穿戴人工肾原型机（图4）。它集成了高效脱水系统、毒素清除系统、电池、微型泵和各种传感器，可以连续工作，让患者真正实现“背着透析机生活”。

图4 可穿戴人工肾原型机示意图

当然，希望能通过进一步优化（毒素清除范围、重量、智能化等）有望实现真正的便携化。但无论如何，我国科学家们用这一系列从原理验证到动物实验的严谨数据，已经向世界证明：无透析液血液净化不再是科幻，而是已经走出实验室、在兔子身上验证成功的现实技术。

参考文献：

[1]Luo J, Yu H, Yang X, Wang D, Lu B, Liu J, et al. A dialysate-free wearable artificial kidney prototype driven by a liquid-gas phase transition. Nat Chem Eng. 2026 Feb 9. doi: 10.1038/s44286-026-00355-6.

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