Ультратонкие кремниевые мембраны для носимого диализа

F -03: характеристики диализных мембран
F -05: гемофильтрации
Ультратонкие кремниевые мембраны для носимого диализа
Dean G. Johnsonemail address, Tejas S. Khire, Yekaterina L. Lyubarskaya,
Karl J.P.
Smith, Jon-Paul S. DesOrmeaux, Jeremy G. Taylor, Thomas R. Gaborski, Alexander A.
Shestopalov, Christopher C. Striemer, James L. McGrath
Advances in Chronic Kidney Disease. Volume 20, Issue 6 , Pages 508-515, November
2013
РЕЗЮМЕ
Развитие носимых или имплантируемых технологий, которые заменят гемодиализ (ГД),
проводимый в центрах, обещает улучшить исходы и качество жизни пациентов с
ТХПН.
Необходимым
условием
для
этих
технологий
является
разработка
высокоэффективных мембран, которые могут достичь высокого клиренса токсина в
устройстве небольшого формата. В данной работе авторы рассматривают применение
пористого нанокристаллического кремния (PNC-Si) для ГД. PNC-Si является
молекулярно тонким нанопористым материалом мембраны, на несколько порядков
более проницаемым, чем обычные мембраны ГД.
Разработка материалов позволила нам значительно увеличить количество активных
мембран, доступных для диализа на PNC-Si кристаллах. Контролируя размеры пор в
процессе производства, PNC-Si мембраны могут быть сконструированы так, чтобы
пропустить белковые токсины со средним молекулярным весом, сохраняя при этом
альбумин, что имитирует работу здоровой почки. Микрожидкостное диализное
устройство, разработанное на PNC-Si достигает скорости клиренса мочевины,
подтверждающей, что мембрана не оказывает никакого сопротивления прохождению
мочевины. Наконец, модификации поверхности тонкими гидрофильными покрытиями
призваны блокировать клеточную и белковую адгезию.
Ключевые слова: биосовместимые материалы, тестирование на биосовместимость,
гемодиализ, микрожидкостные устройства, Нанопоры
КОММЕНТАРИЙ
Мечта становится реальностью? Дальнейшие исследования на тему носимой
искусственной почки.
Необходимым условием для носимых ГД технологий является развитие
высокоэффективных мембран, которые могут достичь стандартной скорости клиренса
токсинов с гораздо меньшей мембраной. Клинический ГД в настоящее время
использует мембраны, толщиной примерно 10 мкм с извилистыми путями потока. Эти
характеристики замедляют диффузию и конвекцию через мембраны; следовательно,
диализаторы имеют длинные каналы потока (37-45 см) и большие площади
поверхности мембраны (1,4-2,4 м2) для достижения целевых значений клиренса.
Расширенное экстракорпоральное кровообращение повышает риск гемолиза,
разрушения красных кровяных клеток, и образования тромба. Таким образом,
укороченные диализные пути потока не только дадут портативность, но также имеют
потенциал снижения других осложнений.
В данной работе авторы сообщают о применении пористых мембран из
нанокристаллического кремния (PNC-Si) для включения в ГД устройства малого
формата. Эти мембраны, которые впервые были описаны 6 лет назад, от в 100 до 1000
раз тоньше, чем обычные мембраны и, следовательно, на порядки более эффективны
для диализа. В самом деле, учитывая молекулярную толщину этих мембран (~ 15 нм)
и их заметную пористость (~ 15%), PNC-Si мембраны работают на пределе
максимальной проницаемости, которая достижима для нанопористой мембраны.
Кроме того, размеры пор мембран, могут быть настроены под конкретные цели
молекулярного разделения, и кремниевая платформа допускает масштабируемое
производство и прямую интеграцию со струйными системами.
Авторы описывают разработку и эксплуатацию настольной микрожидкостной системы,
которая достигает целевых значений мочевины при диализе, предсказанных, исходя из
конечно-элементных моделей. Они также изучают использование поверхностных
функциональных групп, чтобы уменьшить белковое и клеточное присоединение к PNCSi и сделать мембраны гемосовместимыми.
Несмотря на потенциал ультратонких кремниевых наномембран, до использования их
в ГД остается много работы. Самой насущной потребностью является создание
стабильной поверхностной химии, которая даст устойчивый клиренс цельной крови в
течение нескольких дней без активации плазменной или иммунной системы.
Дизайн и сборка многокристального устройства, является инженерной задачей,
которую еще предстоит выполнить.