CN107261234A - 一种透析液的再生方法及血液净化*** - Google Patents

一种透析液的再生方法及血液净化*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种透析液的再生方法及血液净化***。本发明利用多孔吸附材料对透析液进行吸附处理，对透析液的组份影响小，避免了复杂的酸碱和离子调控***，再生的透析液可以循环用于血液透析或腹膜透析等血液净化中，实现各种血液净化方式。由于技术案简单，极大地减小了透析设备的整体体积和重量，可实现穿戴式或便携式治疗。

Description

一种透析液的再生方法及血液净化***
技术领域
本发明涉及血液净化领域，特别是涉及一种透析液的再生方法及血液净化***。
背景技术
血液净化治疗能够清除体内的毒素和废物，控制电解质和酸碱度平衡，移除体内过量的体液，是治疗器官功能衰竭、丧失或替代的有效疗法。在传统的血液净化治疗过程中，透析液都是一次性地与血液或体液交换，透析过程中需要连续的清洁水源，为了达到彻底清除毒素的效果，一次治疗需要耗水60～200L左右，治疗中会产生大量的废弃液。通过对透析液进行再生处理，透析液循环使用，能节约大量用水和成本，降低透析机的体积，实现便携式或穿戴式治疗。
现有技术中的透析液再生方案采用活性炭为吸附材料，能有效的清除透析液中的肌酐、尿酸等有毒分子，但是不能清除尿素。为了清除尿素，需要另外采用脲酶或电化学氧化的方式分解尿素。REDY***是一种常用透析液再生方案，利用脲酶将尿素分解为碳酸铵，再利用磷酸锆阳离子交换树脂吸附铵离子，间接达到清除尿素的目的。此方案存在着至少三种缺陷：1)脲酶和铵离子都是高危害物质，进入体内会造成严重的后果；2)脲酶易分解失活，材料制备、保存和使用条件苛刻；3)磷酸锆吸附阳离子会释放出钠离子和氢离子，导致透析液的酸碱和离子不平衡，需要附加调控***，将酸碱和离子浓度调节到符合生理的范围，导致整个***复杂，不便于操控。虽然经过几十年的优化和发展，仍然未实现商品化。利用电氧化分解尿素为气体，结构简单，但是在氧化过程中，难以避免各种副产物的出现，安全风险大。
透析液再生循环是减小透析设备尺寸和重量，实现便携式透析或穿戴式透析的关键因素之一。在透析液再生过程中，除了尿素外，其它毒素都能通过活性炭得到很有效地清除。尿素是透析液中量最大的物质，通常患者每日体内产生的尿素量在20g左右，由于至今未能寻找到有效吸附尿素的材料，因此虽然经过几十年的发展，尿素的清除仍然是困扰透析液再生的主要问题。目前清除尿素最主要的方式是通过脲酶将尿素转化为碳酸铵，然后利用磷酸锆吸附铵离子，进行清除。磷酸锆对铵离子的交换效率通常为0.6～0.8mmol/g，因而清除20g尿素通常需要1000～1300g磷酸锆，例如商品化的SORB+TM为1300g。然而在使用过程中还存在铵离子滲出的风险，同时脲酶也是高毒性物质，这些都造成治疗存在潜在风险。另一方面，磷酸锆吸附铵离子同时会释放出钠离子和氢离子，导致透析液的酸碱和离子平衡失衡，需要复杂的调控***进行纠正。因而该技术存在较大的缺陷。
发明内容
为了解决目前透析液再生***存在的问题，本发明提供一种透析液再生方案，利用多孔材料直接吸附尿素和各种有毒分子，避免清除毒素分子过程中引入其它危害物质，同时也避免对透析液的酸碱和离子平衡造成影响，能极大地简化操作和控制***,设备体积，实现便携式或穿戴式治疗。
本发明技术方案如下
一种透析液的再生方法，包括利用多孔吸附材料进行吸附处理，以吸附去除尿素等各种有毒分子；所述多孔吸附材料的比表面积大于等于800m2/g，孔容为0.05-5cm3/g，微孔孔容大于等于0.3cm3/g，平均孔径小于等于5nm。
优选地，所述多孔吸附材料的比表面积：1000-3000m2/g，微孔孔容：0.3-2.0cm3/g，平均孔径：小于等于2.5nm。
在本发明一种具体实施方式中，一种典型多孔吸附材料(活性炭)BET比表面积1000m2/g，微孔孔容：0.43cm3/g，平均孔径：1.9nm。
在本发明一种具体实施方式中，一种典型多孔吸附材料(活性炭)BET比表面积1700m2/g，微孔孔容：0.8cm3/g，平均孔径：1.9nm。
在本发明一种具体实施方式中，一种典型多孔吸附材料(活性炭)BET比表面积2300m2/g，微孔孔容：1.35cm3/g，平均孔径：2.7nm。
在本发明一种具体实施方式中，一种典型多孔吸附材料(活性炭)BET比表面积：1500m2/g，微孔孔容：0.69cm3/g，平均孔径：1.8nm。
本发明所述多孔吸附材料包括不溶于水且在水中稳定的无机材料、高分子材料、无机-有机杂化材料等中的一种或几种。
在本发明一种具体实施方式中，所述多孔吸附材料为多孔碳材料，包括活性炭、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯等中的一种或几种，优选为活性炭。
进一步地，上述透析液的再生方法，所述吸附处理时温度为0-50℃，优选为5-15℃。研究发现，在该温度范围内具有更好地吸附效果。通过控制透析液的温度，提高了多孔吸附材料尤其是活性炭的吸附能力，清除或降低透析液中包括尿素、尿酸、肌酐等毒素分子，达到透析液再生、循环使用的目的。
进一步地，上述透析液的再生方法，还包括将透析液利用离子交换材料进行处理，以去除清除透析液中过量的钾离子、钙离子、镁离子、铵离子或磷酸根离子等。所述离子交换材料包括阳离子交换材料(包括磷酸锆、聚苯乙烯磺酸钠树脂、聚丙烯酸钠树脂、沸石等中的一种或几种)、阴离子交换材料(包括水合氧化锆、碳酸锆钠、水合氧化铁、司维拉姆等高分子阴离子交换树脂中的一种或几种)等中的一种或几种)等中的一种或几种。
进一步地，上述透析液的再生方法，还包括对所述多孔吸附材料进行再生处理，例如可通过高温水溶液进行再生处理。
本发明还提供上述透析液的再生方法在血液净化中的应用。
基于上述透析液的再生方法，本发明还提供一种血液净化***，如图2所示，包括透析器108和吸附柱109；透析液在透析器108与血液交换后，在动力泵101的作用下进入吸附柱109中，利用吸附柱109中的多孔吸附材料吸附清除毒素；再生的透析液进入透析器108中与血液再次交换。超滤液通过超滤泵102排出，通过称重反馈，可以精确的控制超滤量，用于控制患者体内的水平衡。
本发明所述再生的透析液指经吸附柱109中的多孔吸附材料吸附清除毒素后的透析液。
上述血液净化***中，吸附柱109可设置为串联或并联的两只或多只；该血液净化***运行时，多只吸附柱109即可以同时工作也可以定时切换。当定时切换时，其中一只或多只可通过高温水溶液进行再生处理。
上述血液净化***利用多孔吸附材料，通过物理吸附的方法清除透析液中的各种毒素，可以避免对透析液的酸碱和离子浓度造成影响，因而透析液再生的***结构简单，使用方便。
进一步地，上述血液净化***还包括补液泵103，用于补充经吸附柱109吸附处理后的透析液中的钙、镁等无机离子。
基于上述多孔吸附材料吸附的特点，采用低温吸附的方式，可以提高多孔吸附材料的吸附容量。因而在一种改进的方案中，上述血液净化***还包括温度调控***，用于将透析液调控至适当温度后再进入吸附柱109中、和/或用于将再生的透析液调控至适当温度后再进入透析器108中。具体地，如图3、图4所示，上述血液净化***中所述温度调控***还包括第一热交换器201，用于将透析液温度降至合理范围，例如0-40℃(优选在5-15℃，过低的温度会引起透析液结冰或析出部分固体)，降温后的透析液再进入吸附柱109进行吸附处理；上述血液净化***还包括第二热交换器201，用于将透析液温度升至合理范围，例如30-45℃(优选35-40℃，更优选37℃左右)，升温后的透析液再进入透析器108中与血液进行交换。
上述血液净化***中，所述第一热交换器201和第二热交换器201即可以为被独立的温控***(制冷或加热***，如图3所示)，利用制冷泵401可以对第一热交换器201进行制冷，利用加热泵402可以对第二热交换器201进行加热。也可以为同一个温控***，利用热泵301将热量在第一热交换器201和第二热交换器201间循环转移(如图4所示)。利用热泵301可以有效地降低***的能耗，热泵可以是压缩制冷***，也可以为半导体制冷装置。
在血液净化过程中，不仅需要清除体内的各种毒素，有时还需要降低患者体内的钾离子、铵离子和磷酸根等离子浓度。因而在一种改进的方案中，如图5和图6所示，上述血液净化***还包括离子交换装置110，用于清除透析液中的无机离子(钾离子、铵离子、磷酸根等离子)；所述离子交换装置110既可以设置于所述吸附柱之前(即透析液先经离子交换装置110处理后再进入吸附柱109，如图6所示)；所述离子交换装置110页可以设置于所述吸附柱之后(即透析液先经吸附柱109处理后再进入离子交换装置110，如图5所示)。
离子交换装置装填有常用的离子交换材料或离子交换树脂，如上文所述。
在另一种具体实施方式中，上述血液净化***也可不采用离子交换装置110，而是将离子交换材料或离子交换树脂与所述多孔吸附材料一起装填于所述吸附柱109中。
利用离子交换树脂清除透析液中的钾离子、铵离子和磷酸根等离子的同时，也会清除透析液中部分钙离子和镁离子，导致体内的钙离子、镁离子浓度偏低。患者可以通过口服钙离子、镁离子的方式补充；也可以通过上述血液净化***进行补充，例如上述血液净化***还包括补液泵103，用于补充经吸附柱109吸附处理后的透析液中的成分(例如钙、镁等无机离子)。该补液泵103也可以补充其它矿物质、维生素等营养元素。还可以通过对离子交换树脂进行预平衡处理，降低对钙、镁离子的吸附。
本发明所述血液净化***各组成部分可按本领域常规方式连接。
尿素为中性分子，本身的毒性较低，通过材料直接吸附，将能最低限度的影响透析液的有效组份，避免对透析液的酸碱和离子浓度造成影响，同时也可以避免产生有毒害的化合物，是解决透析液再生的最理想的方式。多孔材料是一类孔径发达的材料，比表面积高，具有强的吸附能力，常用于一些化合物的吸附清理中。材料的吸附容量和能力与材料的比表面积及孔径大小密切相关。通过调整孔径大小和分布，可以有效调节多孔材料的吸附性能。
本发明公开了一类有效吸附尿素的多孔材料，这类材料均具有高的比表面积和微/介孔结构，能够通过物理吸附的方式吸附尿素。同时公开了一种基于多孔吸附材料的透析液再生处理方案，并将其应用于血液净化中。
本发明所述透析液是指血液净化领域所用透析液，一般为含有钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、氯离子、碳酸氢根离子、醋酸根离子等的水溶液。其中一种典型的透析液其各组分如下表所示：
离子 浓度mmol/L 离子 浓度mmol/L
Na+ 140 Cl- 110
K+ 2.0 HCO3 - 34
Ca2+ 1.75 CH3COO- 3
Mg2+ 0.75
本发明所述血液净化包括腹膜透析、血液滤过、血液透析、血液透析滤过、血浆置换等。
有益效果：
本发明提供一种新的透析液再生方案，利用多孔材料直接吸附清除毒素分子，避免毒素清除过程中对透析液离子浓度和酸碱平衡的影响，降低治疗的风险，简化操作和控制***使得，不仅能实现透析液的循环利用，而且极大地降低了透析过程中的费用，且装置体积紧凑，方便携带，有很高的实用性。本发明透析液的再生方法，由于对透析液的组份影响小，避免了复杂的酸碱和离子调控***，再生的透析液可以循环用于血液透析或腹膜透析等血液净化中，实现各种血液净化方式。由于技术案简单，极大地减小了透析设备的整体体积和重量，可实现穿戴式或便携式治疗。
附图说明
图1:表示一种典型活性炭对尿素的吸附容量与温度和尿素浓度的关系。
图2:表示一种血液净化***。
图3:表示一种血液净化***。
图4:表示一种血液净化***。
图5:表示一种血液净化***。
图6:表示一种血液净化***。
图7：表示实施例1中模拟液和透析液进口、出口各组分浓度变化。
图8：表示实施例2中模拟液和透析液进口、出口各组分浓度变化。
图9：表示实验例2中流出液尿素浓度变化。
图2-图6中，101:动力泵；102：超滤泵；103:补液泵；108：透析器；109：吸附柱；110：离子交换装置；201：第一热交换器；202：第二热交换器；301:热泵；401:制冷泵；402:加热泵。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明所述微孔孔容、孔径、比表面积均采用本领域常规方法测定。
实施例1
一种血液净化***，如图3所示，包括依次串联的透析器108、超滤泵102、动力泵101、第一热交换器201、吸附柱109、第二热交换器201、补液泵103；补液泵103另一端与透析器108连接，使透析液经补液泵103后再进入透析器108进行交换处理；第一热交换器201和第二热交换器201分别连接有制冷泵401和加热泵402；吸附柱109可设置为串联或并联的两只或多只；该血液净化***运行时，多只吸附柱109即可以同时工作也可以定时切换。多个吸附柱定时切换时，其中一只或多只可以通过热的水溶液冲洗再生。
该血液净化***工作流程：透析液在透析器108与血液交换后，在动力泵101的作用下首先进入第一热交换器201，经制冷处理后(降至适当温度)再进入吸附柱109中，利用吸附柱109中的多孔吸附材料吸附清除毒素；再生的透析液进入第二热交换器201，经升温处理后(升至适当温度)，再通过补液泵103，补充经吸附柱109吸附处理后的透析液中的钙、镁等无机离子后，进入透析器108中与血液再次交换；超滤液通过超滤泵102排出，通过称重反馈，可以精确的控制超滤量，用于控制患者体内的水平衡。
利用该血液净化***进行血液净化处理，模拟液至于血端，流速为100mL/min。透析液，流速为100mL/min。透析液与模拟液交换后，经动力泵101进入再生***(即吸附柱109)中。透析液首先进入制冷交换器201，温度由37℃降至8±0.5℃，进入吸附柱109中吸附，透析液再经过第二热交换器201后，温度从8℃加热至37±0.5℃，回到透析器中再与血液进行交换。其中301为热泵，将热量从交换器201转移到202中，可以减少***的能量损耗。每20min分别取模拟液、透析液进口和出口样品，各组分浓度变化，结果见表1和图7。
本实施例中，吸附柱109为并联的两只，每只装填微/介孔活性炭500g；100min后更换吸附柱；该微/介孔活性炭相关参数：BET比表面积1500m2/g，微孔孔容：0.69cm3/g，平均孔径：1.8nm。
表1采用模拟液实验(3L)结果
实施例2
一种血液净化***，与实施例1相同。
利用该血液净化***进行血液净化处理，牛血至于血端，流速为100mL/min。透析液，流速为100mL/min。透析液与模拟液交换后，经动力泵101进入再生***中。透析液首先进入制冷交换器201，温度由37℃降至8±0.5℃，进入吸附柱中109，透析液再经过第二热交换器201后，温度从8℃加热至37±0.5℃，回到透析器中再与血液进行交换。分别取血液、透析液进口和出口样品，检测各组分浓度变化，结果见表2和图8。
本实施例中，吸附柱109为并联的两只，每只装填微/介孔活性炭500g；100min后更换吸附柱；该微/介孔活性炭相关参数：BET比表面积1700m2/g，微孔孔容：0.8cm3/g，平均孔径：1.9nm。
表2采用模拟液实验(3L)结果
透析前 透析后 清除率
尿素 58mmol/L 6.1mmol/L 90％
肌酐 400umol/L 22umol/L 95％
尿酸 400umol/L 48umol/L 88％
实施例3
配置好1L透析液，温度保持25℃，用蠕动泵流过吸附柱(其中装填100g活性炭和10g聚苯乙烯磺酸钠)，检测流出液中各组分浓度变化，结果见表3。
该活性炭相关参数：BET比表面积2300m2/g，微孔孔容：1.35cm3/g，平均孔径：2.7nm。
表3采用模拟液实验(3L)结果
实验例1基于微/介孔的活性炭多孔吸附材料
活性炭是一类常用的多孔材料，在透析液再生中得到应用，主要用于清除肌酐、尿酸、β2-微球蛋白等毒素分子，但是对尿素的吸附能力非常弱。目前报道的各种活性炭材料对尿素的吸附容量通常为5mg/g左右，不具有实用性。活性炭对化合物的吸附容量与活性炭的孔径和孔容量相关。本发明通过大量的实验工作，制备了一系列具有不同结构性质的活性炭，并测试了这些活性炭在尿素溶液中的吸附能力，测试结果列入表4中。
表4活性炭对2g/L尿素溶液的吸附结果
通过不同工艺条件及原料制备的活性炭对尿素的吸附能力具有明显差异。活性炭AC-1对尿素的吸附能力最低，仅为5.5mg/g，而活性炭AC-11对尿素对吸附能力是AC-1的三倍左右，达到16.8mg/g。对比活性炭的结构参数与尿素的吸附能力，可以发现活性炭的微孔孔容和平均孔径是决定活性炭对尿素吸附的关键因素。AC-3和AC-4的比表面积和微孔孔容均大于AC-5，但是AC-5具有更小的平均孔径和更高的尿素吸附容量。AC-8到AC-11均具有大的孔容体积和较小的孔径，平均孔径<2.5nm，这些活性炭都具有高的尿素吸附容量，>12mg/g。AC-11的平均孔径最小，仅为1.8nm，其尿素的吸附容量最高，达到16.8mg/g。基于此可以推算出清除20g尿素，需要1200g活性炭，重量仅为REDY***中SORB+tm(～2500g)的一半，但却避免了离子和酸碱失衡但问题，因而采用活性炭直接吸附尿素的方案更优。
活性碳对尿素的吸附容量不仅与自身结构特点相关外，还受测试条件的影响。图1列出了一种典型活性炭(BET比表面积：1000m2/g，微孔孔容：0.43cm3/g，平均孔径：1.9nm)吸附对尿素的吸附容量与温度和尿素浓度(单位g/L)的关系。活性炭对尿素的吸附容量与尿素浓度及测试溶液的温度均具有好的线性关系，尿素浓度越高，活性炭的吸附容量越大。测试的温度越低，活性炭的吸附容量越大。
实验例2活性炭吸附材料的再生
用蠕动泵(50mL/min)将50℃的生理盐水溶液流过尿素吸附饱和的吸附柱(100g)，检测流出液中尿素浓度。图9中列出流出液尿素浓度变化。从图中可以看出，随着热水的流过后，吸附柱中的尿素逐渐被淋洗出来，最后流出液中尿素的浓度几乎为0.表明采用热的水溶液可以使吸附柱再生。
该活性炭相关参数：BET比表面积1000m2/g，微孔孔容：0.43cm3/g，平均孔径：1.9nm。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种透析液的再生方法，其特征在于，包括利用多孔吸附材料进行吸附处理，所述多孔吸附材料的比表面积：大于等于800m2/g，孔容：0.05-5cm3/g，微孔孔容：大于等于0.3cm3/g，平均孔径：小于等于5nm。
2.根据权利要求1所述的再生方法，其特征在于，所述多孔吸附材料的比表面积：1000-3000m2/g，微孔孔容：0.3-2.0cm3/g，平均孔径：小于等于2.5nm；
优选地，所述多孔吸附材料为以下一种：
1)所述多孔吸附材料BET比表面积1000m2/g，微孔孔容：0.43cm3/g，平均孔径：1.9nm；
2)所述多孔吸附材料BET比表面积1700m2/g，微孔孔容：0.8cm3/g，平均孔径：1.9nm；
3)多孔吸附材料BET比表面积2300m2/g，微孔孔容：1.35cm3/g，平均孔径：2.7nm；
4)多孔吸附材料BET比表面积：1500m2/g，微孔孔容：0.69cm3/g，平均孔径：1.8nm。
3.根据权利要求1或2所述的再生方法，其特征在于，所述多孔吸附材料包括不溶于水且在水中稳定的无机材料、高分子材料、无机-有机杂化材料中的一种或几种；
优选地，所述多孔吸附材料为多孔碳材料，包括活性炭、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯中的一种或几种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的再生方法，其特征在于，所述吸附处理时温度为0-50℃，优选为5-15℃。
5.根据权利要求1-4任一项所述的再生方法，其特征在于，还包括将透析液利用离子交换材料进行处理；所述离子交换材料包括阳离子交换材料、阴离子交换材料中的一种或几种；
优选地，阳离子交换材料包括磷酸锆、聚苯乙烯磺酸钠树脂、聚丙烯酸钠树脂、沸石中的一种或几种；和/或，所述阴离子交换材料包括水合氧化锆、碳酸锆钠、水合氧化铁、司维拉姆等高分子阴离子交换树脂中的一种或几种；
和/或，还包括对所述多孔吸附材料进行再生处理。
6.一种血液净化***，其特征在于，包括透析器和吸附柱；透析液在透析器与血液交换后，在动力泵的作用下进入吸附柱中，利用吸附柱中的多孔吸附材料吸附清除透析液中的毒素；再生的透析液进入透析器中与血液再次交换；所述多孔吸附材料与权利要求1-5任一项中所述多孔吸附材料相同。
7.根据权利要求6所述的血液净化***，其特征在于，还包括超滤泵，用于将超滤液排出；
和/或，所述吸附柱设置为串联或并联的两只或多只，所述吸附柱同时工作或定时切换；
和/或，还包括补液泵，用于补充经吸附柱吸附处理后的透析液中的成分；
和/或，所述吸附柱中还装填有离子交换材料。
8.根据权利要求6或7所述的血液净化***，其特征在于，还包括温度调控***，用于将透析液调控至适当温度后再进入吸附柱中、和/或用于将再生的透析液调控至适当温度后再进入透析器中；
优选地，所述温度调控***包括第一热交换器，用于将透析液调控至适当温度后再进入吸附柱中；和/或，所述温度调控***包括第二热交换器，用于将再生的透析液调控至适当温度后再进入透析器中；进一步优选地，所述第一热交换器和第二热交换器为独立的温控***；或者，所述第一热交换器和第二热交换器为同一个温控***，热量在第一热交换器和第二热交换器间循环转移。
9.根据权利要求6-8任一项所述的血液净化***，其特征在于，还包括离子交换装置，用于清除透析液中的无机离子；
优选地，所述离子交换装置中装填的离子交换材料包括阳离子交换材料、阴离子交换材料中的一种或几种；
进一步优选地，阳离子交换材料包括磷酸锆、聚苯乙烯磺酸钠树脂、聚丙烯酸钠树脂、沸石中的一种或几种；和/或，所述阴离子交换材料包括水合氧化锆、碳酸锆钠、水合氧化铁、司维拉姆等高分子阴离子交换树脂中的一种或几种。
10.权利要求1-5任一项所述的方法或权利要求6-9任一项所述的***在血液净化中的应用。
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