Kemiker studerer elektriske felter, mikrofluidik til forbedring af dialyteteknologi

Omtrent da Robbyn Anand begyndte at studere koncentration og adskillelsesteknologier til sin doktorgradsforskning, hendes storebror David blev diagnosticeret med nyresvigt i slutstadiet.

En autoimmun tilstand havde angrebet hans nyrer. Han skulle være afhængig af dialyse for at fjerne affald fra hans blod. Han er 37 nu og bruger hjemmeudstyr, men maskinens størrelse og vægt påvirker stadig hans liv.

"Hvordan hjælper jeg med den situation?" Anand spurgte sig selv under sine doktorgradsstudier ved University of Texas i Austin fra 2004 til 2010.

Potentielle svar var der i et kemikalielaboratorium i Texas. Anand, som har været adjunkt i kemi ved Iowa State University siden 2015, undersøgte, hvordan elektriske felter inden for de små kanaler i mikrofluidiske enheder kunne bruges til at koncentrere og adskille ladede partikler.

En applikation, hun studerede, brugte teknologien til at fjerne salt fra havvand.

Det førte til et andet spørgsmål:"Mon ikke der er en måde at bruge denne afsaltningsteknologi til at hjælpe min bror?"

Elektrokemi til afsaltning

Et papir fra 2013 medforfatter af Anand (hovedforfatteren er Richard Crooks, professor og Robert A. Welch Chair i kemi i Texas) beskriver, at afsaltningsteknologi:

Så lidt som 3 volt påføres en chip fremstillet af glas og plast. Chippen indeholder små kanaler lige bredden på et menneskehår. Havvand går i hovedkanalen og strømmer til en elektrode ved et tovejskryds. Et elektrisk felt skaber en ionudtømningszone, der leder salt den ene vej, og ferskvand strømmer den anden vej.

En pressemeddelelse i Texas på det tidspunkt sammenlignede processen med en trold ved foden af ​​en bro, der blokerer salt for at komme over.

Teknologien ser lovende ud, fordi den kræver lidt energi, der er intet filter eller membran til at tilstoppe, og kapitalomkostningerne er små.

Godt, hvad sker der under dialyse?

Maskiner tager blod fra en person, fjern salt, affald og vand, returner derefter rent blod.

Kan der være en måde at bruge denne elektrokemisk medierede afsaltningsproces til at gøre det? Kunne det skabe teknologi, der ikke kræver enorme og tunge reservoirer med dialysevæske? Kan det føre til bærbar, batteridrevne dialyseenheder?

Et andet projekt hjalp Anand med at undersøge teknologiens effektivitet i en biologisk applikation.

Manipulering af biologiske celler

Efter gymnasiet, Anand gik videre til postdoktoral forskning ved University of Washington i Seattle, hvor hun fortsatte med at udvikle hybrid elektrokemisk-mikrofluid teknologi-denne gang for at isolere kræftceller, der cirkulerer i blodbanen.

Disse undersøgelser hjalp med at udvikle strategier til brug af trådløse bipolare elektroder til at manipulere biologiske celler.

Anands arbejde med cirkulerende tumorceller fortsætter i Iowa State. Hendes forskergruppe har også arbejdet med at udvikle relateret teknologi til en dialyseenhed.

Indtil nu, Anand siger, at forskerne har demonstreret, at teknologien kan fjerne overskydende væske fra blod uden at miste betydelige blodproteiner.

Men, hun sagde, tre primære udfordringer er tilbage:

• Det elektriske felt er stærkt nok til at beskadige blodlegemer, så forskere leder efter måder at holde celler væk fra det.
• Processen skal skaleres op for at producere 1 milliliter væske fra blod i minuttet. Men svaret bygger ikke bare på større enheder, fordi det kan forårsage flydende hvirvler og flow ustabilitet.
• Et af materialerne i enheden er ikke godkendt til medicinsk brug af Food and Drug Administration. Så andre, allerede godkendte materialer skal testes.

Iowa State -teamet, der arbejder med Anand om disse udfordringer, omfatter Baskar Ganapathysubramanian, en lektor i maskinteknik; Beatrise Berzina, Joseph Banovetz og Sungu Kim, ph.d. -studerende; og Benjamin Rayborn, en bachelorstuderende. Jacob Alexander samarbejder også med forskerne en læge på McFarland Clinic i Ames, der har specialiseret sig i nyresygdomme.

Forskningen understøttes i øjeblikket af Anands startfonde fra Iowa State.

Hun håber, at forskerne kan udvikle teknologi, der muliggør en bærbar, kunstig nyre. Anand sagde, at de sigter mod at forhindre, at det er for komplekst eller for dyrt, så det kan være kommercielt relevant og tilgængeligt.

Hun ved, at der er udfordringer forude. Men hun er motiveret til at fremme projektet.

"Dette er et ret varmt område, og finansieringen er konkurrencedygtig, "Sagde Anand." Men, til netop dette projekt, mit mål er at hjælpe min bror og finde ud af, hvad vi unikt kan bidrage med på dette område. "