一个装满透明液体的玻璃罐，通过管子连接到一个带有红色和绿色指示灯的小型直立装置上。

一种可回收用于肾透析的透析液的便携式设备正在开发中。图片来源:Jeremy Barribeau

Richard Stacewicz知道透析对一个人的生活有多大的改变。1982年，他的肾脏莫名其妙地衰竭，中断了一次穿越美国西南部的摩托车之旅，之后他第一次接受了手术。他花了一年多的时间每周去血液透析中心三次，每次四个小时。在中心，一台小冰箱大小的机器清除了他体内的毒素，重新平衡了他的血液化学。手术保住了他的生命，但降低了他的生活质量。“非常痛苦，”他说。“至少在透析后的六个小时左右，我不能做太多事情——我必须回家躺下。”更糟的是，他不能做他喜欢的旅行。

最终，Stacewicz幸运地接受了肾脏移植手术。他和妻子重新开始了他们的旅行，在20世纪80年代末骑摩托车穿越东欧。但移植手术在1994年失败了，他又花了一年时间坐在椅子上，连着透析机。1995年，他的姐姐捐献了一个肾，这个肾一直支撑着他，直到大约三年前，肾发生癌变，不得不被切除。自2019年以来，他一直在接受透析治疗。

Stacewicz最近从伊利诺伊州芝加哥市附近的奥克顿社区学院退休，他在那里教授历史和全球问题，这段经历让他加入了由加州大学旧金山分校(UCSF)运营的研究项目“肾脏项目”，该项目致力于开发一种可植入的生物人工肾脏。Stacewicz是该项目的患者咨询委员会的成员，并寻求提高对进一步开发和临床试验的认识和财政支持。

肾脏计划是世界上少数几个试图用便携式或植入式人工肾脏取代传统透析的项目之一。这项努力得到了美国卫生与公众服务部(Department of Health and Human Services)和美国肾病学会(American Society of Nephrology)合作设立的“肾脏奖”(kidney yx prize)的推动，该奖项为该领域的创新提供资金。

自20世纪60年代早期以来，透析并没有发生根本性的变化。便携式或最终可植入的设备可以提高生存率和生活质量。主要的挑战是如何尽可能地复制活肾的活动，以及如何在不使用传统血液透析所使用的大量水的情况下做到这一点。透析中心的机器通过聚合物膜过滤血液，重量超过100公斤，每次需要120-180升水来冲洗废物。

加州大学旧金山分校的生物工程师、肾脏项目的技术总监舒沃·罗伊(Shuvo Roy)说，大多数人接受的这种中心血液透析是活肾的糟糕替代品。“我们的肾脏有七到八种不同的功能，”他说。透析机只提供其中一种功能——“但即便如此，它也做得不太好”，他补充道。血液化学的巨大波动来自于每隔几天进行一次快速的清洁，而不是肾脏所做的稳定、持续的过滤，这给身体，尤其是心脏带来了压力。血液透析患者的五年存活率低于50%，比某些类型的癌症还要糟糕。

最终的解决方案是让每个接受透析的人都能获得一个新的肾脏，但没有足够的捐赠器官用于移植。因此，为了创造一种能够更紧密地复制肾脏的可植入替代品，罗伊和肾脏项目的医学主任——田纳西州纳什维尔范德堡大学医学中心的肾病学家威廉·菲塞尔——已经转向了近20年前与少数人进行的研究。

转向硅

早在2004年，研究人员就将一种用于常规透析的血液过滤筒与一种内衬有肾细胞的装置连接起来，这些细胞来自捐赠的不适合移植的肾脏组织1．这些细胞有助于回收水和钠、钾等电解质，并有助于控制细胞因子(免疫系统的组成部分)的产生。这项研究针对的是创伤性肾损伤患者，而不是慢性疾病患者，从未进展到全面的临床试验。但是Fissell和Roy认为它可以作为替代衰竭肾脏的设备的基础。

为了重现肾脏的过滤功能，研究人员用制造计算机芯片的光刻技术构建了一个硅膜。罗伊说，硅过滤器比透析中传统使用的聚合物膜更有效。它大约有400纳米厚，足够薄，身体自身的血压可以推动血液通过它，所以不需要外部泵和相关的电源。硅过滤器也有窄缝，而不是聚合物膜的圆柱形孔。圆柱形孔可以在形状、大小和位置上变化，但狭缝的大小和位置可以更均匀。这使过滤器具有更好的选择性，因此它可以通过尿素分子进行清除，但保留血细胞。硅还被包裹在聚乙二醇等材料上，以防止蛋白质在表面积聚或血液凝块形成。

与过滤器相连的是一个生物反应器，内衬有肾细胞。这些细胞执行生理功能，如将钠运送回血液，将多余的水和毒素分流到膀胱以产生尿液。此外，由于过滤器中的孔隙太小，无法让免疫细胞进入生物反应器，因此使用该设备时无需担心受到免疫攻击。这使得它比肾移植更有优势，肾移植需要人们服用免疫抑制药物。

一个微芯片的特写由一个戴着蓝色手套的手在实验室设置。

研究人员设计了一种含有振荡器的芯片，可以从蛋白质中释放出正常透析无法去除的某些毒素。信贷:IMEC

该设备是早期的原型2但罗伊希望开发出一种可以使用7到10年的版本。这比移植肾的寿命短，移植肾的寿命在10到25年之间，但与心脏起搏器电池的寿命相同。但他说，考虑到透析每隔一天的时间表，有些人可能愿意接受更短的设备使用寿命。

位于荷兰埃因霍温的微电子研究公司校际微电子中心(IMEC)的生物医学工程师Fokko Wieringa说，硅工业的微电子微型化可以帮助研究人员实现可植入的人工肾脏。Wieringa与荷兰巴斯姆的荷兰肾脏基金会合作，正在研究其他研究人员可以集成到他们的设计中的组件，例如可以流经人工肾脏并监测阻塞的压力传感器。

另一项创新是一种去除传统透析无法去除的毒素的装置。一些毒素粘附在血浆蛋白上，因此不能通过过滤器。维林加和他的同事们在芯片上设计了一个系统，利用无线电波破坏导致毒素附着在蛋白质上的静电力，使它们松散，并使它们进入尿液。维林加说，这种设备是德国亚琛大学(Aachen University)建造的系统的小型化，可以改善任何类型的透析，包括现有的机器、便携式设备和植入物。

继续过滤并继续下去

一些研究人员没有瞄准可植入的设备，而是专注于便携式体外透析，这可能是一个更近期的解决方案。位于西雅图的华盛顿大学医学院的肾病学家Jonathan Himmelfarb和该大学透析创新中心的化学工程师和生物工程师Buddy Ratner正在开发一种可循环利用透析液的人工肾脏，这种液体可以去除尿素并补充电解质，而不是使用升水将其冲走。该装置配备了一个再生模块，透析液从血液中提取尿素后通过该模块流动。在内部，紫外线将吸收的尿素分解成氮气和二氧化碳，然后释放到空气中，然后再返回透析液重新使用。

Himmelfarb说，该设备重约14公斤，足够轻，人们可以带着它去办公室或旅行。他说:“我们正在设想更长、更慢的透析治疗，甚至可能是连续的，就像肾脏工作一样。”这可以减轻身体的压力。他说:“如果我们或其他人真的能够真正制造出不需要连接外部水系统的移动透析形式，这将解放患者。”

类似地，加州大学洛杉矶分校的肾病学家Ira Kurtz正在与位于加州罗斯维尔的美国肾脏研究公司合作，研发一种手提箱大小的设备，可以在人们睡觉时放在办公桌上或床边;未来的产品可能小到可以穿戴，甚至可以植入。他的设备使用过滤水平和其他动作来更紧密地复制生物肾脏的功能，而不依赖于活细胞。库尔茨倾向于避免使用活细胞，因为他认为科学还不够先进，无法复制肾脏中的多种细胞类型。

库尔茨正在与研究人员合作开发这种设备3.在费耶特维尔的阿肯色大学，他们从一个含有纤维基膜的超滤模块开始。库尔茨说，这种膜比现有的聚合物膜过滤的体积更大;它允许水、尿素和电解质通过，但会阻碍血细胞和蛋白质。然后，液体到达一个纳米过滤器，它的孔隙要小得多，可以阻止葡萄糖分子通过，而葡萄糖分子需要留在血液中。除此之外，还有去电离模块，它利用每个分子的电荷特征来控制离子的运动，包括钠、钾、氯和钙——去除多余的离子，但允许必要的数量留在血液中。最后，一个反渗透模块将合成尿液中的水输送回血液。这可以确保从体内排出的水量与所摄入的水量相匹配——这可以根据平均摄入量预先编程，也可以由使用该设备的人选择。

开发这些设备的研究人员希望他们的设备能在一两年内进行动物试验，然后在四到五年内进行临床试验。然而，寻找足够的资金来推进这些项目仍然是一个难题。这就是为什么Stacewicz正在传播这个消息，以增加人们的兴趣和筹集资金。这些天，他在家做透析，时间更长，但比在中心治疗更省力。他和他的妻子甚至去公路旅行，尽管这需要把一个34公斤重的机器塞进他们的车里，并把35盒液体透析液(一周的量)送到他们要去的地方。“我现在的生活很紧张，因为我在做透析，”他说。“我仍然有饮食限制，液体限制，其他一切，即使在家里做更好。”

他并不期望接受人工肾脏，但他希望他的倡导能让未来的人们成为现实。“这可能对我没有好处，”他说。“但我希望看到其他人有机会过上更正常的生活，而不必花费数年时间等待肾移植。”