Pentru mai mult de 3 milioane de oameni din întreaga lume, insuficiența renală este un diagnostic care schimbă viața, dacă nu chiar unul care pune viața în pericol. În timp ce aproximativ 17 la sută din oamenii din SUA cu boală de rinichi în stadiul final sunt acum transplanturi, timpul mediu petrecut în așteptare este de 3-5 ani. Și o mare parte din acest timp este consumat prin planificarea, primirea și recuperarea după tratament. Aceste persoane petrec câteva ore de mai multe ori în fiecare săptămână atașate la un aparat de dializă care le curăță toxinele din sânge - ușurând volumul de lucru pe rinichi.

unui

Dializa poate înlocui temporar funcția rinichiului în timp ce pacienții așteaptă un transplant. Dar poate impune, de asemenea, destul de multe limitări asupra calității vieții lor - legarea eficientă a pacienților la un aparat de dializă și probabil la o unitate medicală. Este o sentință atât de impunătoare încât unii oameni aleg să întârzie sau să renunțe la procedură și să-și asume șansele în așteptarea unui transplant de rinichi.

De mai bine de trei decenii, inginerii biomedici și medicii lucrează la o versiune mai portabilă a aparatului de dializă care ar restabili o anumită normalitate pentru pacienții cu dializă. Dar marea problemă care stă în calea reducerii dimensiunii sale este volumul mare de apă necesar pentru curățarea sângelui de un deșeu deosebit de persistent numit uree.

Ureea este un compus organic produs în ficat care ajută la transportul azotului din organism ca produs rezidual în urină. Dar când rinichii încep să eșueze, ureea se poate acumula, atingând niveluri toxice dacă nu este eliminată din sistem. Pentru a elimina ureea, aparatul de dializă împinge litri de apă prin sistem pentru a spăla compusul solubil în apă înainte de a readuce sângele curat în circulație.

Deci, cheia reducerii dializei este eliminarea ureei în alt mod. Astfel, ar putea fi un filtru subțire realizat dintr-un tip unic de material subțire cu câțiva atomi numit MXene, potrivit cercetărilor unui grup internațional de oameni de știință, medici și ingineri, condus de Yury Gogotsi, dr., Universitatea Distinsă și Bach, Universitatea Drexel. profesor la Colegiul de Inginerie Drexel, la Departamentul de Știința și Ingineria Materialelor.

Într-o lucrare publicată recent în ACS Nano, cercetătorii de la Drexel, Universitatea din California Los Angeles, Universitatea Brighton din Anglia, Universitatea de Medicină din Guangxi și Universitatea de Știință și Tehnologie Huazhong din China și Universitatea Internațională de Simbioză din India, au raportat că materialele MXene ar putea fii un candidat pentru eliminarea ureei din sânge în aplicații portabile de rinichi artificiali.

"Aceasta este o dezvoltare interesantă pentru tehnologia biomedicală", a spus Gogotsi. "Acest material a demonstrat o capacitate mai bună de a adsorbi moleculele de uree din plasma sanguină în comparație cu alți sorbenți cunoscuți. Aceasta înseamnă că într-o zi ar putea face rinichiul purtabil o realitate, îmbunătățind calitatea vieții pentru mulți oameni."

Materialele MXene sunt compuse din straturi subțiri de nanometri a căror compoziție chimică și spațiere pot fi adaptate pentru a le face filtre incredibil de selective. Materialele MXene au fost folosite la captarea radiațiilor electromagnetice, la transmiterea undelor radio și la îmbunătățirea fluxului de energie electrică. În lucrare, grupul explică modul în care pot fi, de asemenea, proiectate pentru a filtra moleculele de uree.

„Similar argilelor, structura stratificată a MXenelor poate fi intercalată și deintercalată cu apă și molecule organice, precum hidrazină, uree și coloranți cationici”, scriu ei. Acest lucru sugerează că structura MXene ar putea fi potențial ajustată pentru a absorbi ureea, optimizând compoziția chimică și distanța interlaminară a materialului. În plus față de această menajerie fizică, aranjamentul chimic al straturilor creează, de asemenea, o atracție moleculară către particulele de uree, potrivit cercetătorilor.

Luate împreună, aceste proprietăți ale MXenelor, care pot fi optimizate prin cercetări suplimentare, le-ar putea face materialul ideal pentru a ușura volumul de lucru al filtrării ureei la rinichi.

Privind doar trei dintre cele 30 de tipuri de materiale MXene care sunt deja disponibile, studiul arată că pot elimina 99% din uree dintr-o soluție apoasă de uree și 94% din dializat.

„Eliminarea ureei a fost o problemă foarte dificilă, deoarece molecula este mică și sorbanții convenționali, cum ar fi cărbunele activ, nu o absorb în cantități suficiente”, a spus Gogotsi. „Am studiat folosirea carbonilor poroși pentru curățarea sângelui cu colegii noștri de la Universitatea din Brighton de mai bine de un deceniu, dar singura moleculă pe care nu am putut-o elimina din sânge cu carbon era ureea. Când am sintetizat MXene pentru prima dată și am început să testăm proprietățile acestuia am descoperit că ureea ar putea fi intercalată în ea - ceea ce a fost descoperirea importantă care a dus în cele din urmă la această lucrare, recunoscând potențialul MXenes pentru utilizare în rinichii artificiali purtabili. "

Dispozitivele de dializă portabile, care sunt în curs de dezvoltare de zeci de ani, încă nu pot îndeplini sarcina de a îndepărta suficient de bine ureea. De asemenea, utilizează o enzimă pentru a descompune ureea din apa care absoarbe ureea în dializă, numită dializat, în dioxid de carbon și amoniac. Dioxidul de carbon trebuie aerisit cu atenție pentru a preveni pătrunderea bulelor în sistemul circulator. Și amoniacul trebuie absorbit de un filtru special înainte de a ajunge la niveluri toxice. Toate acestea adaugă greutate unui dispozitiv care seamănă cu o centură mare de instrumente și care este menit să fie purtat continuu pe tot parcursul zilei.

Autorii, printre care Victor Gura, MD, de la Centrul Medical Cedars Sinai și Școala de Medicină David Geffen din UCLA, care au dezvoltat prima tehnologie portabilă a rinichilor artificiali, observă că dializa mai frecventă și mai lungă s-a dovedit a fi asociată cu rezultate mai bune. „La oamenii sănătoși, sângele este filtrat continuu de rinichi, adică 168 de ore pe săptămână, menținând homeostazia perfectă a electroliților, echilibrul acido-bazic și echilibrul fluidelor”, scriu ei. Ca atare, imitarea filtrării non-stop poate fi un obiectiv demn pentru a obține o sănătate mai bună și o calitate a vieții la pacienții cu stadiu final de boală renală, ducând la conceptul de rinichi artificial purtabil.

Deși există încă un drum lung de rafinament și testare înaintea tehnologiei, posibilitatea modificării și integrării materialelor MXene ar putea elimina unele dintre cele mai descurajante obstacole. Următorul pas pentru cercetători este de a afla ce tip de MXene este cel mai bun pentru filtrarea ureei și de a continua testele care arată că este sigur de utilizat în aplicații medicale.

„Această descoperire aparent mică, conform căreia unele materiale noi pot elimina ureea din sânge, ar putea avea de fapt un impact destul de semnificativ asupra calității vieții pentru persoanele cu insuficiență renală”, a declarat Sergey Mikhalovsky, dr., Co-autor al Universității din Școala de Farmacie și Științe Biomoleculare din Brighton, care este în prezent co-director al unei companii de consultanță în nanomateriale numită ANAMAD. Oferind pacientilor o alternativa la dializa in clinica, si o sansa de a mentine o rutina mai normala in timp ce asteapta un transplant de rinichi, va salva in cele din urma vieti.

Această cercetare a fost finanțată de Departamentul Energiei din SUA și British Council și Inițiativa Globală pentru Inovare din Marea Britanie.