Nyt filter bruger kulstof nanorør til at skabe nyt paradigme for dialysemembraner

Et samarbejdende team har udviklet en ny type filter til nyredialysemaskiner, der kan rense blodet mere effektivt og forbedre patientbehandlingen. Piran Kidambi, assisterende professor i kemisk og biomolekylær teknik, ledede holdet, som omfattede William Fissell, lektor i nefrologi og hypertension ved Vanderbilt University Medical Center, Shuvo Roy, professor i bioingeniør ved University of California, San Francisco, og Francesco Fornasiero, medarbejder inden for biovidenskab og bioteknologi ved Lawrence Livermore National Lab.

Kronisk nyresygdom, en tilstand, hvor nyreskade resulterer i dårlig blodfiltrering, påvirker cirka 697,5 millioner mennesker - eller 9% af den globale befolkning. Behandling omfatter hæmofiltration, hæmodialyse eller nyretransplantation. Hæmofiltration og hæmodialyse understøtter nyrerne ved at filtrere toksiner og affaldsstoffer fra blod.

Det nye filter bruger carbon nanorør - små rør dannet af et ark af carbonatomer bundet i en sekskantet bikagestruktur - som har meget små, glatte kanaler. Disse kanaler gør det nemmere at fjerne toksiner og affald fra blodet uden at lade vigtige proteiner undslippe, hvilket kan være et problem med traditionelle filtre.

I artiklen "High-Performance Hemofiltration via Molecular Sieving and Ultra-Low Friction in Carbon Nanotube Capillary Membranes," offentliggjort i tidsskriftet Advanced Functional Materials den 27. august demonstrerer Kidambi og hans medforfattere, at deres dialysemembraner, der består af kulstofnanorør og polymerer, skaber et nyt paradigme for dialyse.

"Vores membraner udkonkurrerer state-of-the-art dialysemembraner med mere end en størrelsesorden, mens de samtidig giver mulighed for forbedret fjernelse af mellemmolekyler, der kan forårsage toksicitet og andre sundhedsmæssige komplikationer," sagde Kidambi. "Vi viste, at præcis kontrol af kulstofnanorørdiametre ikke kun gav mulighed for forbedret og effektiv fjernelse af mellemmolekyler, men den lige kanalgeometri samt glatte vægge af nanorørene tillod betydeligt forbedret flow."

Arbejdet gav også grundlæggende indsigt i, hvordan biomolekyler transporteres i nanoskala forsnævringer. Som en blæksprutte, der kan forvride sig selv for at passe ind i de mindste rum og derefter udvide sig, opdagede Kidami og hans medforfattere, at biomolekyler klemmer sig ind i indgangen til nanorøret i membranen, rejser gennem det og udvider sig igen på den anden side. Denne viden kan hjælpe forskere og ingeniører med at designe membraner til biologiske separationer ud over dialyse.

Brug af bedre membraner i dialyse er gavnligt for patientbehandlingen. Kidambi og hans kolleger planlægger at vurdere langsigtet operationel gennemførlighed, blodkompatibilitet og andre spørgsmål om filteret for at udvikle det til patientbehandling. De sigter mod at fremme denne teknologi med fremskridt, Kidambi-laboratoriet har gjort inden for grafen.

"Vores mål er at muliggøre mindre kits til dialyse, så de kan gå til patienter, i stedet for at de kommer på hospitalet og bliver spændt fast i en dialysemaskine tre gange om ugen i fire timer," sagde Peifu Cheng, en postdoktoral forskningsmedarbejder i Kidambi lab og avisens første forfatter. "Det ville være en enorm forbedring af patientens livskvalitet. Vores langsigtede mål er at bevæge os mod implanterbare enheder."

Flere oplysninger: Peifu Cheng et al., Højtydende hæmofiltrering via molekylær sigtning og ultralav friktion i carbonnanorørkapillærmembraner, Avancerede funktionelle materialer (2023). DOI:10.1002/adfm.202304672

Journaloplysninger: Avancerede funktionelle materialer

Leveret af Vanderbilt University