Новый фильтр на основе углеродных нанотрубок создает новую парадигму для диализных мембран

Международная исследовательская группа разработала новый тип фильтра для аппаратов почечного диализа, который может очищать кровь более эффективно и улучшить уход за пациентами. Работу возглавил Пиран Кидэмби, доцент химического и биомолекулярного инжиниринга. В команду также вошли Уильям Фисселл, доцент нефрологии и гипертензии Медицинского центра Университета Вандербильта, Шуво Рой, профессор биоинженерии Калифорнийского университета в Сан-Франциско, и Франческо Форнасьеро, научный сотрудник по бионаукам и биотехнологиям Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе.

Хроническая болезнь почек, при которой повреждение почек приводит к плохой фильтрации крови, затрагивает около 697,5 миллионов человек — или 9% мирового населения. Лечение включает гемофильтрацию, гемодиализ или трансплантацию почки. Гемофильтрация и гемодиализ поддерживают функцию почек, фильтруя токсины и продукты жизнедеятельности из крови.

Новый фильтр использует углеродные нанотрубки — крошечные трубки, образованные листом атомов углерода, связанных в гексагональную сотовую структуру, — которые имеют очень маленькие, гладкие каналы. Эти каналы облегчают удаление токсинов и отходов из крови, не позволяя при этом важным белкам ускользнуть, что является проблемой для традиционных фильтров.

В статье "Высокопроизводительная гемофильтрация посредством молекулярного просеивания и ультранизкого трения в капиллярных мембранах из углеродных нанотрубок", опубликованной в журнале Advanced Functional Materials 27 августа, Кидэмби и его соавторы демонстрируют, что их диализные мембраны, состоящие из углеродных нанотрубок и полимеров, создают новую парадигму для диализа.

"Наши мембраны превосходят современные диализные мембраны более чем на порядок, одновременно обеспечивая улучшенное удаление средних молекул, которые могут вызывать токсичность и другие осложнения для здоровья", — заявил Кидэмби. — "Мы показали, что точный контроль диаметров углеродных нанотрубок не только позволяет улучшить и сделать более эффективным удаление средних молекул, но и прямая геометрия каналов, а также скользкие стенки нанотрубок обеспечивают значительное увеличение потока".

Работа также дала фундаментальное понимание того, как биомолекулы транспортируются в наномасштабных сужениях. Подобно осьминогу, который может сжиматься, чтобы поместиться в самое маленькое пространство, а затем расширяться, Кидэмби и его соавторы обнаружили, что биомолекулы сжимаются при входе в нанотрубку в мембране, проходят через нее и снова расширяются на другой стороне. Эти знания могут помочь исследователям и инженерам проектировать мембраны для биологических разделений, выходящих за рамки диализа.

Использование лучших мембран в диализе полезно для ухода за пациентами. Кидэмби и его коллеги планируют оценить долгосрочную эксплуатационную осуществимость, совместимость с кровью и другие вопросы, связанные с фильтром, чтобы разработать его для клинического применения. Они стремятся развить эту технологию с учетом достижений лаборатории Кидэмби в области графена.

"Наша цель — создать более компактные наборы для диализа, чтобы они могли доставляться к пациентам, вместо того чтобы пациенты приезжали в больницу и подключались к аппарату для диализа три раза в неделю на четыре часа", — сказал Пейфу Ченг, научный сотрудник постдокторантуры в лаборатории Кидэмби и первый автор статьи. — "Это было бы огромным улучшением качества жизни пациента. Наша долгосрочная цель — двигаться в сторону имплантируемых устройств".