CN114269406A - 用于肾脏治疗的吸着剂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于便携式可穿戴肾脏治疗系统的吸着剂盒及其使用方法。吸着剂盒包括：入口和出口，入口被配置为接收来自肾脏治疗设备的过程流体，并且出口被配置为排放处理过的过程流体；水凝胶被配置为从过程流体吸收和吸附毒素，而不使用透析液来净化过程流体。入口和出口均被配置为可释放地耦合至肾脏治疗装置以移除吸着剂盒。

Description

用于肾脏治疗的吸着剂

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年4月5日提交的美国临时专利申请第62/830,239号的优先权，通过引用以其全部内容并入本文。

技术领域

本公开大致涉及用于肾脏治疗的流体处理系统和方法，并且更具体地涉及包括用于从流体中去除毒素和/或水的吸着剂的系统和方法。

背景技术

全世界有超过250万患者利用某种形式的透析，例如血液透析（HD）或腹膜透析（PD），作为挽救生命的治疗方法。然而，目前的透析疗法在用于替代正常肾的功能时仍然存在许多不足。目前的HD方法最重要的不足是其间歇性，与正常肾功能所能达到的调节相比，其间歇性会造成内部电解质环境和患者体液量的较大波动。PD提供了更持续的透析，但与HD相比，其对尿毒症毒素的清除率相对较低。PD方法对患者来说在较长期限内经常失败，这主要是由于腹膜炎感染对腹膜造成的损伤，以及去除渗透液所需使用的高浓度的腹腔内葡萄糖。

现有肾脏治疗的不足的总体影响意味着与一般人群相比，这些患者的长期生存率要低得多。长时间的和更频繁的治疗方法可以提高这些患者的生存率和生活质量。与治疗中心的HD治疗方法相比，在家庭环境中使用现有的肾脏治疗技术以允许更长时间和更频繁的治疗在改善结果上取得了一些成功，但受患者家庭的经济因素、物流问题和空间的限制，使得只有相对较小比例的患者使用家庭HD治疗方法。现有家庭HD治疗方法的另一个缺点是患者被长时间连接至大型医疗设备和水处理系统，严重影响行动能力。传统HD组件的重量高达60公斤。此外，传统的HD组件需要通过固定位置的附加装备每次净化大约120升水。该装备不能轻易被移动至其他位置，因此限制了家庭HD患者的日常行动能力和旅行能力。

发明内容

本文公开了使用设备中的至少一种吸着物质或吸着材料用于从患者的血液或其他体液中去除有毒物质和过量水，以及使用适用于所述设备和其他血液透析和腹膜透析系统的吸着物质或吸着材料从血液和其他体液中去除有毒物质的肾脏治疗方法。患者可以是人或动物。

一方面，本公开描述了一种用于便携式可穿戴肾脏治疗系统的吸着剂盒。吸着剂盒包括：入口和出口，入口被配置为从肾脏治疗系统接收过程流体，并且出口被配置为排放处理过的过程流体；水凝胶被配置为从过程流体吸收和吸附毒素，而不使用透析液来净化过程流体。入口和出口均被配置为可释放地耦合至肾脏治疗设备以移除吸着剂盒。

另一方面，本公开描述了一种用于肾脏治疗系统的吸着剂盒。吸着剂盒装载被配置为从过程流体吸收或吸附毒素的水凝胶，并且吸着剂盒被配置为可释放地耦合至肾脏治疗系统以易于移除。

在一个具体实施方式中，水凝胶被配置为向过程流体释放电解质、缓冲剂、矿物质、维生素或抗凝剂中的至少一个。在一个具体实施方式中，缓冲剂是碳酸氢钠。在一个具体实施方式中，抗凝剂是肝素和柠檬酸盐中的至少一个。

在一个具体实施方式中，水凝胶形成为数个水珠，数个水珠位于吸着剂盒的储液器中，其被配置为接收流动通过吸着剂盒的过程流体，吸着剂盒包括过滤器以防止数个水珠进入过程流体的循环。

在一个具体实施方式中，吸着剂盒被配置为使得水凝胶与过程流体直接接触。

在一个具体实施方式中，吸着剂盒被配置为使得水凝胶穿过膜与过程流体间接连通。

在一个具体实施方式中，水凝胶被配置为从过程流体吸收毒素至水凝胶中，而不改变电解质水平在对肾脏治疗系统的用户造成伤害的生理范围之外。

在一个具体实施方式中，水凝胶被配置为在24小时内从过程流体吸收1～100克尿素，而不改变电解质水平在对肾脏治疗系统的用户造成伤害的生理范围之外。

在一个具体实施方式中，水凝胶被配置为吸收电解质至水凝胶中以降低过程流体的特定电解质水平。

在一个具体实施方式中，吸着剂盒被配置为可释放地耦合至肾脏治疗系统，其中肾脏治疗系统是便携式可穿戴系统。

在一个具体实施方式中，吸着剂盒包括第一隔室和第二隔室，第一隔室包括被配置为从过程流体去除水的膜，并且第二隔室包括被配置为去除毒素的膜。

在一个具体实施方式中，水凝胶被附着在所述吸着盒中的膜上，其中膜是中空纤维膜。

在一个具体实施方式中，吸着剂盒包括温度传感器，以及加热元件和/或冷却元件中的至少一个，温度传感器被配置为发送温度信号至控制器，以及加热元件和/或冷却元件中的至少一个被配置为接收来自控制器的输出信号。

在一个具体实施方式中，吸着剂盒包括被配置为与冷却元件耦合以沿着导电构件和膜之间的距离产生温度梯度的导电构件。

在一个具体实施方式中，吸着剂盒包括被配置为振动水凝胶的振动元件。

在一个具体实施方式中，水凝胶形成厚度大于或等于约1 mm的水凝胶层。

在一个具体实施方式中，水凝胶形成厚度为1～3 mm的水凝胶层。

在一个具体实施方式中，水凝胶形成厚度大于或等于3 mm的水凝胶层。

具体实施方式可以包括上述特征的结合。

另一方面，本公开描述了一种肾脏治疗系统，其包括上述吸着剂盒的任一具体实施方式中的吸着剂盒。肾脏治疗系统是血液透析系统、腹膜透析系统、血液灌流系统、血液滤过系统或血液透析滤过系统中的至少一个。

在一个具体实施方式中，该系统是便携式可穿戴系统。

在一个具体实施方式中，肾脏治疗系统包括冷却元件以沿着水凝胶的长度产生温度梯度。

在一个具体实施方式中，肾脏治疗系统包括被配置为振动水凝胶的振动元件。

具体实施方式可以包括上述特征的结合。

另一方面，本公开描述了任一上述吸着剂盒中的吸着剂盒用于用户的肾脏治疗的用途。

另一方面，本公开描述了一种从过程流体去除有毒物质的方法。该方法包括：提供包括水凝胶的吸着剂盒；移动过程流体通过与水凝胶连通的吸着剂盒，过程流体包含毒素；从过程流体吸收或吸附毒素至水凝胶中以提供处理过的过程流体。

在一个具体实施方式中，该方法包括加热过程流体至37°C左右。

在一个具体实施方式中，该方法包括从过程流体吸收水至水凝胶中。

在一个具体实施方式中，该方法包括从水凝胶释放电解质、缓冲剂、矿物质、维生素或抗凝剂中的至少一个至过程流体。

在一个具体实施方式中，该方法包括移动过程流体通过中空纤维膜，过程流体通过中空纤维膜与水凝胶间接连通。

在一个具体实施方式中，该方法包括振动水凝胶。

在一个具体实施方式中，该方法包括冷却水凝胶以沿着水凝胶的长度产生温度梯度。

具体实施方式可以包括上述特征的结合。

另一方面，本公开描述了水凝胶在肾脏治疗系统中的用途，水凝胶包括聚合物链的互穿网络，聚合物链的单体具有亲水性官能团。

在一个具体实施方式中，单体包括聚丙烯酰胺、丙烯酸、藻酸盐或壳聚糖中的至少一个。

在一个具体实施方式中，水凝胶形成为具有比表面积至少为0.1 m²/m³的数个水珠。

在一个具体实施方式中，水凝胶被附着在中空滤过纤维周围。

在一个具体实施方式中，中空滤过纤维具有0.1～1.0 m²/m³的内表面积。

在一个具体实施方式中，水凝胶是胶态凝胶，其中水是分散介质。

在一个具体实施方式中，聚合物链用化学物或生物元素官能化以促进水凝胶中水和毒素的吸着。

具体实施方式可以包括上述特征的结合。

本申请主旨的以上和其他方面的进一步细节将从下面包括的详细描述和附图中变得明显。

附图说明

参考附图，其中：

图1示出了实施例吸着剂盒的分解图；

图2是血液灌流系统中吸着剂盒的实施例实施方式；

图3是血液过滤系统中吸着剂盒的实施例实施方式；和

图4是血液透析系统中吸着剂盒的实施例实施方式；

图5是腹膜透析系统中吸着剂盒的实施例实施方式；

图6示出了在吸着盒的第一隔室和第二隔室的交界面处的实施例吸着盒的一部分；

图7示出了测试实施例吸着剂盒的实施例实验性设置；和

图8A示出了根据实施例吸着剂盒的透视图。图8B示出了具有中空纤维膜的实施例吸着剂盒沿图8A的A-A线的截面图。图8C示出了具有大致平坦或波纹状的膜的实施例吸着剂盒沿图8A的A-A线的截面图。

具体实施方式

本文公开描述了使用水凝胶作为吸着剂以直接或间接通过膜作为血液的解毒剂的系统和方法，如在血液灌流中或从超滤液和透析液中清除毒素，用于血液过滤、血液透析或腹膜透析等这些流体可以再生和重复使用。

虽然在本公开中可以使用诸如“最大化”、“最小化”和“最优化”之类的术语，但是应当理解，此类术语可以用来指代改善、调整和改进，其不应被严格限制为最大的、最小的或最优的。

术语“连接”或“耦合至”可以包括直接耦合（其中相互耦合的两个元件彼此接触）和间接耦合（其中至少一个附加元件位于两个元件之间）。

如本文所用，术语“基本上”可用于改良任何定量性的表示，其可以允许不造成与其相关的基础功能改变的变化。例如，本文公开了具有圆形横截面的驱动轴，在本发明的范围内，如果其旋转驱动能力没有被实质性改变，可以允许其具有稍微非圆形的横截面。

如本文所用，术语“吸着”是指吸附和吸收。吸附是当气体或液体或溶质（称为吸附质）积聚在固体或更少有的液体（吸附剂）表面上时，形成分子或原子薄膜（吸附质）的过程。其不同于吸收，吸收是物质扩散至液体或固体中以形成“溶液”。术语吸着包含这两个过程，而解吸是逆向的过程。

如本文所用，术语“小尺寸分子”是指分子重量低于500 Da的分子，例如尿酸、尿素、胍、ADMA、肌酸酐。

如本文所用，术语“中尺寸分子”是指分子重量为500～5000 Da的分子，例如来自肽和脂质的终产物、胺、氨基酸、与蛋白质结合的化合物、细胞因子、瘦素、微球蛋白和一些激素。

如本文所用，术语“离子溶质”是指诸如磷酸盐、硫酸盐、碳水化合物、氯化物、氨、钾、钙、钠的成分。

如本文所用，术语“过程流体”是指透析液流体、血液或血浆。

如本文所用，“纳米尺寸”是指大约1～1000 nm的尺寸，更优选地，1～100 nm。

“电解质”是当其溶解在（例如）水中时，通过分离为正和负离子而生成导电溶液的物质。例如，氯化钠（盐）分离成钠离子和氯离子。其他电解质有碳酸氢盐、钾和磷酸盐。

“缓冲剂”溶液是抵抗因添加酸性或碱性物质而改变pH的溶液。弱酸与其共轭碱之间的平衡赋予了其对pH改变的抵抗力。碳酸氢盐是缓冲物质的一个实施例。碳酸氢盐与碳酸离子和碳酸有2个平衡反应。

结合持续或每日血液净化同时保持高效去除尿毒症毒素的可穿戴肾脏治疗设备的实施可能提供改善肾脏疾病患者的治疗方法，包括终末期肾脏疾病。

更持续和高效地去除尿毒症溶质和水以及控制电解质是可穿戴设备的一大优势，其主要挑战之一是去除尿素。每日需要去除相对大量的尿素，高达24克。现有的吸着方法已被证明难以去除尿素。现有的基于吸着剂和酶技术的可穿戴肾脏治疗设备允许透析流体的再生，已使用于一些样机中，但其在安全、控制、尺寸、重量和消耗性成分的成本方面存在一些问题。电氧化方法也已经被使用。电氧化的问题在于氯化物的氧化会导致可反应的氯形态的形成，例如氯胺。

利用有效的吸着剂系统的可穿戴设备也可用于通过持续再生腹膜透析液以保持更大的血浆透析液浓度梯度来增强PD的功效。这减少了患者进行交换所花费的时间，同时仍然改善了毒素清除率。在这种可穿戴PD设备中，减少PD导管在环境中的暴露也可以通过减少细菌污染的风险来延长PD技术的生存，从而降低腹膜炎的风险。可穿戴PD设备持续的葡萄糖输注可以通过稍微降低在常规间歇输注PD中去除渗透液所需的葡萄糖浓度的峰值水平来减少腹膜的功能性恶化。进一步，提供的便携式透析设备或人工肾允许患者在接受延长时间的血液净化治疗方法的同时进行正常的每日活动，而不会频繁中断或限制他们做事。

便携式透析设备可由系统启用，该系统能够不使用透析液或使用尽可能少的透析液从血液中清除大部分毒素。不使用透析液或使用尽可能少的透析液的特征可能需要使用一种或多种物质，其能够吸收和保留需要去除的毒素以及控制电解质水平和恢复缓冲剂溶液。过去也曾尝试着寻找这种材料。已经发现活性炭能够有效去除大部分有机尿毒症有机毒素、中分子量分子、尿酸、肌酐和重金属，但显著的例外是高效地去除尿素。活性炭对电解质水平具有最小的影响，并且不具有改良或恢复缓冲剂水平的能力。其他再生透析液以供重复使用的方法是使用脲酶将液体中的尿素转化为碳酸铵，然后使用锆化合物将其去除。这些锆化合物还可以将碳酸铵转化为碳酸氢盐并去除电解质。电解质和缓冲液的水平恢复到所需的水平，然后灌注校准液再次通过透析器。该过程（被称为REDY系统）是有效的，并在1973年至1993年用于使用6升透析液的再循环家庭血液透析系统，证明基于吸着剂的系统可以提供足够的治疗。该过程不再用于家庭血液透析的主要原因是，与使用更大容量水的单程系统相比，其总治疗成本更高。患者也会有一些对可能的不良反应的持续担忧，如果系统未能成功转化所有的氨，或者如果超过这些化合物的转化容积，那么锆化合物中的一些化学物会渗入透析液。这种脲酶加上锆化合物和活性炭系统也已被用于可穿戴血液透析系统的试验中。可穿戴系统需要透析液容量能更小。这种较小容量的透析液也使得去除流体中任何可能含有氨的气泡变得更加困难。需要多个吸着剂盒的总尺寸使得系统更重、更庞大，而且组分材料的高成本可能会阻碍其广泛地被采用。

水凝胶吸着剂（在本文也被称为“水凝胶”）可以包括可吸附大量尿素的材料，这些材料也可以与电解质和缓冲剂一起输注，使得在将其用于可穿戴或便携式肾脏治疗系统时，它可以提供所有需要的吸着剂容积、电解质管理和缓冲剂替代功能。当水凝胶被用作吸着剂以再生透析液用于血液透析或腹膜透析时，透析液的容量可以保持非常低。水凝胶吸着剂还可以直接与透析液接触或间接穿过膜吸附毒素并改良电解质和缓冲剂的浓度，而不使用透析液来净化血液滤液，以便在血液滤过系统中再输注。水凝胶还可以直接穿过膜吸附毒素并改良血液的电解质和缓冲剂浓度，而不在血液灌流系统中使用透析液。水凝胶可以由低成本的普通材料制成，并且可以制成有毒材料不会渗出的形式。

水凝胶已用于其他生物医学应用，可吸收伤口的渗出物、放慢药物和其他化合物的释放，以及用作结构性材料。水凝胶已用于工业应用，可从废水中吸附硝酸盐、磷和金属。水凝胶已用于农业，可吸收和释放水和肥料（例如尿素、磷和其他电解质等）至土壤中。水凝胶尚未被用作尿素和其他毒素的吸着剂，或者在生物医学应用中被用于改良电解质和缓冲剂水平。

水凝胶材料可以被直接附着在膜结构上或在单独的腔室中，透析流体被泵送通过隔室以再生透析液或回输液水凝胶也可以是更小的球体或切碎的形式，以减少通过室的流动限制并增加水凝胶材料的暴露表面积。

一方面，当透析液要再循环进入透析器中时，人造肾包括通过透析液的透析和再生，从血液中提取尿素和其他分子。再生是通过吸着剂盒的手段完成的，在这之前再生是通过加入活性炭来启用的。活性炭具有吸附包括尿素在内的多种尿毒症毒素的能力。美国专利3463728号（通过引用以其整体并入本文）描述了一种使用活性炭浆液来加强再循环透析液系统中透析液能力的方法。然而，活性炭不是尿素的高效吸附器，并且在血液透析中有效清除尿素所需吸附的尿素量，会需要每天超过20公斤的活性炭。美国专利4581141号（通过引用以其整体并入本文）描述了一种使用脲酶清除透析液中的尿素的具体方法，并且使用碳和沸石来管理其他电解质。美国专利2010/0078387号（通过引用以其整体并入本文）描述了对这些方法的进一步改善，其利用磷酸锆（ZrP）颗粒和水合氧化锆（HZO）颗粒来帮助管理碳酸氢盐水平。脲酶价格昂贵，并且存在氨通过的风险和透析流体产生气泡的问题。美国专利9682184号（通过引用以其整体并入本文）描述了使用非酶脲结合性材料代替脲酶的吸着剂盒。美国专利20110171713号（通过引用以其整体并入本文）描述了另一种吸着剂，其包括与阳离子交换粒子混合的固定化的处理尿毒素的酶粒子的层。欧洲专利公开号EP1935441A1（2008年6月25日公开），通过引用以其整体并入本文，描述了另一种利用蒙脱石、纳米粘土、层状双氢氧化物和改良生物聚合物的替代吸着材料。

一方面，人工肾的原理可以基于血液的血浆部分的超滤或血液滤过。在血液滤过期间，患者的血液经由机器通过一组管（滤过回路）到达半渗透膜（过滤器），在其中去除废物和水。添加置换液并将血液返回给患者。与透析类似，血液滤过涉及溶质穿过半渗透膜的移动。但是，与大多数血液透析治疗方法中使用的膜相比，血液滤过中使用的膜对流体的渗透性更大，并且不使用透析液，而是正静水压力驱动水和溶质穿过过滤膜，在其中它们作为滤液被排出。添加等渗置换液至过滤后所得的血液中以置换液体量和有价值的电解质。然后将血液和置换液返回给患者。因此，在循环流体用于血液滤过中的置换的情况下，关键的一方面在于从通过膜的超滤液中的其他成分（例如盐）分离尿素和其他毒素，但必须将其重新并入血液中以保持其电解质组成基本上恒定。美国专利5211850号（通过引用以其整体并入本文）描述了一种吸着剂系统，其用于纯化从血液中超滤的血浆，使其可以返回至替代溶液中。还提出了上述两种系统的组合。美国专利8029454号（通过引用以其整体并入本文）描述了这样一种血液透析滤过系统，其使用吸着剂用于血液透析方面和血液滤过方面的流体再生。

还提出了直接血液灌流系统或不进行超滤但直接从血液中吸附有毒物质的系统。美国专利4169051号（通过引用以其整体并入本文）描述了涂有膜材料的碳吸着剂球，以减少与其接触的血液的凝结。其他例子使用了涂有膜的不同的吸附剂材料。总之，由于成本较高且尿素去除效率较低，血液灌流系统并未广泛用于人工肾系统。总之，血液灌流系统针对的是常规血液透析或血液滤过通常不能很好去除的特定毒素。这些系统通常不是用于肾脏替代治疗，而是作为另一种肾脏替代治疗的辅助手段，以提高目标分子的清除率。美国专利6878269号（通过引用以其整体并入本文）描述了包含用于去除β2-微球蛋白和趋化因子的醋酸纤维素球形水凝胶颗粒的吸着柱。如上所述，用于再生透析液或超滤液的吸附剂通常是活性炭。然而，已经提出了用于从透析流体或超滤液中去除物质的其他吸附剂。美国专利3874907号（通过引用以其整体并入本文）描述了由含有磺酸基团的交联聚合物组成并涂有含有季铵基团的聚合物的微胶囊，用于再生透析液。磺化聚合物的例子包括磺化苯乙烯/二乙烯基苯共聚物，涂层聚合物的例子包括通过聚合获得的聚合物，例如乙烯基二甲胺单体。

上述公开涉及透析、超滤和血液灌流设备，其中各种物质可被用作吸着剂。公开内容还包括使用特定吸着剂材料用于肾脏治疗设备的授权专利。但是，上述公开的系统的问题是，由于材料的吸着能力有限，它们仍然太大型，具有洗提有毒化学物（例如氨或氯）的风险或效率不高或以上所有问题，其促使小型、台式的或可穿戴的透析和超滤系统。这些系统的原材料成本也很高。这限制了其为昂贵的现有肾脏治疗方法提供低成本解决方案的能力。

本发明的一个目的是克服与现有设备相关的问题，并提供一种小型且高效的吸着系统，用于血液透析和腹膜透析系统、便携式肾脏治疗系统和可穿戴肾脏治疗系统。

通过参考附图描述了具体实施方式的各种方面。

图1示出了实施例吸着盒（100）。在一个具体实施方式中，吸着盒100被设置为用于从血液透析、血液滤过和腹膜液中去除水和/或废料，例如有毒物质，其允许很少或没有透析液容量，从而允许小的、台式的或可穿戴的血液透析、血液滤过或腹膜透析系统。本公开的吸着盒可以以盒的形式，包括硬性或柔性外壳（30），其包括吸着材料，例如水凝胶吸着剂。入口端（32）和出口端（28）可被移除，使得允许可选地添加膜以从储液器（29）中的水凝胶吸着剂分离血液通路。储液器（29）也可分为一个或多个隔室，如下所述。吸着盒（100）包括由水凝胶吸着剂组成的吸收、吸附和/或离子交换材料。水凝胶材料可以吸附或吸收，或吸附和吸收水、小分子（例如尿毒症毒素）和中分子，并且还可以控制过程流体（例如血液、血浆或透析流体）中的电解质和缓冲剂水平。水凝胶吸着剂可以被附着在，例如储液器（29）内，或可以包括水凝胶水珠。盒盖（31）可以从盒外壳（30）移除以允许放置水凝胶吸着剂材料和可选的膜、加热元件和传感器。在一个具体实施方式中，吸着盒可以具有10 cm×10 cm×3 cm的规格。储液器可以包括大约300 ml的水凝胶（重量大约为300克）并且包括容器在内的吸着盒的总重量大约为500～700克。

吸着盒100可包括被配置为从过程流体去除水和废料（例如小分子和中分子）的膜。膜可以成形为中空纤维，为大致平坦，大致波纹状，或其他合适的形状以从过程流体分离水和废料。膜可以限定通过吸着剂盒的流动路径，例如中空纤维膜可以被配置为传送过程流体通过盒，其包括限定盒内通过水凝胶的流动路径。平坦的膜的例子包括SpectrumTMSpectra/ParTM 1-4标准RC平板透析膜，其具有制造编号，分别为SML132677、SML132686、SML132723、SML132712。中空纤维透析膜的例子包括Nipro Corporation提供的ElisioTM-H膜（例如型号：ELISIOV11H或ELISIOV15H）、Nipro Corporation提供的PolynephronTM膜、Nipro Corporation提供的Asymmetric Tri-Acetate （ATA）膜、3M公司提供的MembranaTMPuremaTM H毛细管膜和3M公司提供的MembranaTM DiapesTM毛细管膜。在一个具体实施方式中，中空纤维膜的中空纤维的厚度小于0.5 mm。在另一个具体实施方式中，中空纤维膜的中空纤维的厚度小于200 微米。

在一个具体实施方式中，根据本文公开的吸着盒可包括一个或多个隔室。在一个实施例中，吸着盒可具有两个隔室。第一隔室可被配置为用于去除水并且第二隔室可被配置为用于去除中尺寸分子和/或小尺寸分子，例如尿毒症毒素。被配置为用于去除水的第一隔室可包括如上所述的膜，其可通过穿过膜至超滤液的超滤从过程流体去除水和其他溶质（例如废料）。被配置为用于去除毒素（例如尿素）的第二隔室可包括上述膜，其可嵌入水凝胶吸着剂中。图6示出了根据本文公开的吸着盒的部分600，其在第一隔室601和第二隔室602的交界面处。如图所示，第一和第二隔室601、602串联连接，使得过程流体604从一个隔室流动通过膜607至另一个隔室。第一隔室601和第二隔室602之间的交界面603可以由壁、可渗透屏障限定，或允许隔室601、602之间直接接触。第一隔室601中膜607的部分可以通过超滤分离水分子、中尺寸分子和/或小尺寸分子，其中超滤液605可以被泵送离开。在一个实施例中，超滤液605可包括透析液。根据本文公开的隔室602可包括水凝胶吸着剂，其在膜-水凝胶交界面处与膜607交界。如图6所示，隔室602中的膜607嵌入水凝胶606中，使得膜607的外表面与水凝胶606交界。小尺寸分子，包括例如尿素之类的毒素，可以在水凝胶606内被吸收水和/或被吸附至水凝胶上。隔室的布置不限于所示具体实施方式并且可以逆向。类似地，所示具体实施方式示出膜607为嵌入水凝胶中的中空纤维膜，水凝胶围绕该膜；但是，也可以使用其他类型和形状的膜。在一个实施例中，第一隔室601可被配置为滤血器并且第二隔室602可包括水凝胶，使得每个隔室都被限定在具有单一结构的单个外壳中。继续该实施例，第一隔室中未被水凝胶吸着剂覆盖的部分纤维可用于提供所需的超滤和流体去除，其从盒被泵送离开至另一个容器。在另一实施例中，根据本文公开的吸着盒可以只有一个隔室，其包括图6所示的隔室602的元件。

在一个具体实施方式中，根据本文公开的水凝胶可被配置为向过程流体释放补充原料，例如电解质、缓冲剂、矿物质、维生素和/或其他物质。例如，水凝胶还可以包括用于碳酸氢盐离子控制的碳酸氢钠和/或帮助抗凝结的抗凝剂（例如肝素或柠檬酸盐），其每个都可以从水凝胶释放至过程流体。吸着剂盒的水凝胶可以预先装入补充原料，使得补充原料在使用时被解吸至过程流体。

在一个具体实施方式中，膜-水凝胶交界面可通过促进水和/或毒素从过程流体移动穿过膜以吸收至水凝胶中或吸附至水凝胶上而被官能化。在一个实施例中，聚合物链的单体的分子结构，其构成水凝胶的聚合结构，可以具有赋予水凝胶亲水性的亲水性官能团以促进水凝胶通过膜吸收水。在另一个实施例中，可添加化学物和/或生物元素至水凝胶以吸引过程流体中的毒素。膜也可以由化学物改良以促进毒素穿过膜-水凝胶交界面进入水凝胶。

本文所述的水凝胶可以被附着到膜上，和/或可以具有嵌入水凝胶内的膜，使得水凝胶具有有厚度的层。水凝胶的厚度可被配置为提供浓度梯度以从过程流体吸收毒素。在一个具体实施方式中，水凝胶层的厚度大于或等于约1 mm。在另一个具体实施方式中，水凝胶层的厚度为1～3 mm。在另一个具体实施方式中，水凝胶层的厚度大于或等于3 mm。

在另一个具体实施方式中，吸着盒100的储液器（29）可包括数个水凝胶水珠形式的水凝胶吸着剂。过程流体，例如血液、血浆或透析液流体，可被配置为在其流动通过吸着剂盒时与水珠状水凝胶吸着剂直接接触。在一个实施例中，每个水凝胶水珠的直径可以大于或等于约1 mm。在另一个实施例中，每个水凝胶水珠的直径为1～3 mm。在另一个实施例中，水凝胶水珠的直径为3～10 mm。

本公开的吸着盒与现有设备的区别在于其利用具有高吸着尿素能力的水凝胶以允许实现小规格的可穿戴性。本文描述的一个或多个吸着盒的吸着系统（即水凝胶吸附和/或吸收的能力）和可选的释放系统（即水凝胶向血液、血浆或透析流体释放电解质、缓冲剂、矿物质、维生素或其他物质的能力）可以暂时使用，直到其达到最大的吸着容积。水凝胶吸着剂的内容可以根据单个患者的需要定制。根据本公开的吸着剂盒可以形成肾脏治疗系统的一次性和替代部件，并且，例如当其已经饱和有有毒物质时，或如果向血浆补充的一个或多个成分已经用完时，其可以被新的吸着剂盒替代。

本公开的吸着盒可用于过滤或净化患有（发展中的）肾衰竭的患者的血液。在一个具体实施方式中，吸着盒可用于可穿戴人工肾设备，但也可包括在台式的装备或适用的血液透析或腹膜透析装备中。

本公开的吸着盒可以与合适的装备结合以使其暴露于血液中的毒素以吸附毒素，能够执行正常功能的人或动物肾脏通常能完成的一些功能，更具体地，过滤血液和控制血液中物质内容的调节。本公开的吸着盒包括用于从血液中捕获有毒物质的吸着系统和可选的用于释放矿物质、维生素或其他物质至血液的释放系统，以及用于在滤血器的基础上从血浆分离血细胞的过滤器。

根据本公开的吸着盒可被配置为从血液、血浆或透析流体中去除尿素和其他有毒材料。虽然尿素只有在体内达到高浓度（超过15 g/kg）时才有毒，并且溶于水时既不呈酸性也不呈碱性，但作为蛋白质代谢的一部分，身体每天都会产生大量的尿素（每天大于1800mg），其应该被去除，否则尿素的浓度会逐步增长。尿素可高度溶于水，在20°C的水中可溶解约1079 g/L。尿素是一种分子物质，其不会分解为离子，但会通过形成氢键与水成为溶剂化物，氢键可能以两种方式形成：与水键合的氢原子将与胺基团的部分带负电的区域对齐；和/或羰基的氧和与胺基团键合的氢可以被吸引并关联至水分子的氧端。

因为尿素可溶于水（取决于温度其具有~1000 g/L的溶解度），所以尿素在标准血液透析中可轻易扩散穿过膜。但是，标准血液透析无法利用水溶解非常高浓度尿素，因为透析液中尿素的浓度必须始终保持低于血液中的尿素浓度，以维持从血液中去除尿素的浓度梯度。

水凝胶吸着剂包括交联聚合物链的三维网络。水凝胶吸着剂可以具有高含水量，并且在吸收或释放水时可以膨胀和收缩。水凝胶吸着剂可以包括可为亲水性的聚合物链网络。聚合物链的单体的分子结构，其构成水凝胶的聚合结构，可以具有赋予水凝胶亲水性的亲水性官能团。水凝胶扩大/膨胀的能力是凝胶密度和交联性的功能。在一个具体实施方式中，水凝胶吸着剂可以是胶态凝胶，其中水是分散介质。在另一个具体实施方式中，水凝胶吸着剂可包括三维固体，其是由交叉链路将亲水性聚合物链结合在一起而造成的。由于内在的交叉链路，水凝胶网络的结构完整性不会溶于高浓度的水。由于水的高浓度，水凝胶能够吸收大量的水溶性物质，如尿素。水凝胶还可以通过吸附电解质和尿毒症毒素至凝胶基质孔结构中来提供吸收，使得与接触血液的膜接触的流体的浓度可以保持在低于血液中的浓度，从而维持会持续从血液中清除尿素的浓度梯度。毒素吸附至水凝胶聚合结构上的反应可以包括物理吸着，其为毒素分子在固体孔结构内的物理截留。吸着材料可以是官能化的，与非官能化材料相比，其可以呈现出对例如尿素的有毒物质的改善的吸着特性。在一个具体实施方式中，吸着材料是水凝胶，其具有高水吸收能力和孔的互穿网络，以产生大的比表面积。水凝胶能够具有非常高的吸着效率，从而实现小尺寸、重量轻和可穿戴的设备。

水凝胶可以由各种材料以不同方式制备。合适的水凝胶材料的实施例包括聚丙烯酰胺、丙烯酸（例如聚丙烯酸）、藻酸盐和壳聚糖。为了扩大吸附的可用表面积，水凝胶可能具有互穿网络。增加表面积可以增加毒素去除的速率和容积。水凝胶可形成为小水凝胶水珠，在一个具体实施方式中，其比表面积至少为0.1 m²/m³。如本文所述，水凝胶可被设置为围绕中空滤过纤维，例如在超滤中使用的水凝胶。在一个具体实施方式中，中空纤维的内表面积为0.1～1.0 m²/m³。

影响毒素去除和/或水去除的其他水凝胶特性包括孔径、水容积和单体浓度。

以下是制造水凝胶的方法的实施例：

简单聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶的合成：

a.为了合成聚丙烯酰胺水凝胶，将2 g（28.1 mmol）的丙烯酰胺（AAm）和100 mg（0.65 mmol）的MBAAm在干燥的50 mL反应烧瓶中混合。AAm和MBAA的浓度可以基于所需的孔隙率和水凝胶所需的水吸收容积而改变。该制剂可以最大化或最小化，并且可以改变AAm和MBAAm的比例以获得具有多变的交联性和水吸收容积的水凝胶。

b.向上述烧瓶中加入20 mL的去离子水，并在磁力搅拌板上使用磁力搅拌棒轻轻转动反应烧瓶，直至两种反应物都被完全溶解。

c.将所得溶液去氧15分钟以防止氧与引发剂之间的反应。

d.现在添加50 μL的过硫酸铵（APS）溶液10% w/v和10 μL的TEMED至反应烧瓶中以引发聚合反应。可以改变引发剂的量以改良凝胶化时间。

e.用手转动反应器烧瓶5～6次，然后在氮气下将所得混合溶液倒入适当的培养皿中。

f.倒出的溶液在室温下放置2小时以聚合并形成水凝胶。

g.现在将所得水凝胶浸入去离子水中长达2天，每天换水3次以去除任何未反应的单体。

h.在清洁过程后，将所得水凝胶转移至适当的容器中进行进一步处理。这个过程可以产生没有任何官能化的简单水凝胶。

官能化聚丙烯酰胺（PAAm-PEG）水凝胶的合成：

a.为了合成PEG-官能化PAAm水凝胶，APS（0.056 M）和TEMED（0.32 M）被用作氧化还原引发剂系统。

b.添加AAm（1.0 g）、APS（1 ml）和MBAAm（0.05 g）至50 ml的反应烧瓶中，并向其中加入5 ml蒸馏水。

c.然后将PEG（浓度为4.8～20 wt%）溶解在单体溶液中，用氮气净化该溶液10分钟，以去除任何可与引发剂反应的氧。

d.向上述溶液中加入0.2 ml的TEMED，并在氮气环境下，将该溶液转移至聚丙烯皮氏培养皿中。

e.基于要在水凝胶上形成的目标孔径，改变PEG wt.%和PEG分子重量。PEG有多种尺寸，范围从100,000 Da至1百万 Da。根据本公开生成的水凝胶通常使用的PEG尺寸小于100,000 Da。其他成孔剂可以用于替代PEG，包括各种分子量的聚乙烯醇（PVA）。在该实施例中，使用PEG 4000时，PEG可包括4.8 wt%（PEGs通常不与该反应的任何其他成分发生反应）。

f.将皮氏培养皿放置24小时，以通过维持温度为20～27°C而继续进行聚合反应。

g.反应完成后，将水凝胶切割成所需的具体形状和尺寸，并放置在大量过量的水中至少72小时，每天至少定期换水3次，以洗去任何过量的未反应的试剂和孔形成剂。

h.然后在室温下干燥样品至所需的恒定重量或根据每次需求使用水/缓冲剂溶液膨胀样品。

包含透析液缓冲剂的水凝胶的制剂：

a. 酸化剂的制备：

根据以下提供的制剂制备酸化剂

氯化钠（NaCl）…………………………………21.48 g

氯化钾（KCl）……………………………………0.65 g

氯化钙（CaCl2·2H2O）………………………… 0.772 g

氯化镁（MgCl2·6H2O）…………………………0.53 g

纯净水……………………………………………100 mL+

向上述溶液中加入所需浓度的柠檬酸以引起抗凝效应。柠檬酸的浓度应为0.1～2.5 mEq/L以引起抗凝效应。柠檬酸的添加显著提高了pH。因此，可以在添加碱化剂之后再调节pH。

b. 碱化剂的制备：

碳酸氢钠（NaHCO₃）…………………………7 g

纯净水……………………………………………100 ml

将上述量的NaHCO₃加入100 ml的纯净水中，以1:1.26:32.74的重量比加入上述制备的酸化剂中。

然后加入柠檬酸以调节pH为7.25～7.45（生理pH），任何物质低于7.25都会导致酸中毒，高于7.45会导致碱中毒。

2小时之后，使用透析液缓冲剂（而不是水）膨胀获得的水凝胶。将水凝胶切割成所需的形状，然后将其放入装有透析液的烧杯中，并膨胀长达72小时。透析液缓冲剂每天至少更换两次，以补充透析液缓冲剂并去除合成水凝胶后残留的任何未反应成分。

上述缓冲剂也可以在水凝胶的合成中直接用于代替去离子水，这将允许水凝胶从最初就在透析液所需的pH下形成。一旦水凝胶完全膨胀，就可以将其切割成所需的形状以适应扩散室，并监测毒素分子的扩散。

水凝胶的特性，例如其大水吸收容积和在水凝胶上形成的孔隙率，使得其对水溶性化合物具有高水平的饱和度。这种孔隙率允许通过半渗透过滤器扩散至水凝胶中的化合物缓慢扩散至水凝胶的更深层中，因此在半渗透膜内部和周围形成浓度较低的层，导致毒素分子持续流入。

尿毒症毒素从高温区扩散至低温区（索雷特效应）可以改善水凝胶吸收毒素的能力。在尿毒症毒素通过水凝胶扩散时，使用索雷特效应的原理，在半渗透膜周围和水凝胶的顶层产生不饱和区域。水凝胶隔室中的温差使水凝胶的一部分保持在一个特定的温度，而另一部分则处于不同的温度。这种温差布局在溶液/水凝胶中的分子化合物中产生热泳迁移，导致其从较高温区扩散/移动至较低温区。溶质的热扩散响应由索雷特系数ST量化，该系数与对热梯度的响应而建立的浓度梯度成正比。正索雷特系数表示溶质在冷侧积聚（憎热），而负号表示向暖侧漂移（嗜热）。如D. Niether, S. Di Lecce, F. Bresme and SWiegand, Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, DOI: 10.1039/C7CP05843H所述（通过引用以其整体并入本文），尿素溶液浓度为0.1 M和0.05 M是憎热的（分别相当于2 g/L和1 g/L尿素溶液，与透析生理学有关）。

如本文公开了，发现索雷特效应可以改善水凝胶吸收尿毒症毒素的能力。在一个实施例中，使用帕尔贴冷却设备在小厚度（3 mm）的水凝胶上维持～20°C的温度梯度，证明其改善了从尿素溶液中去除尿素的能力。如果维持温度梯度，索雷特效应会驱动尿素从纤维扩散至凝胶的较冷部分，并且与对照实验相比，利用索雷特效应会增加凝胶纤维设备的去除容积。图7示出了测试嵌入有中空纤维的水凝胶的实验装置的设定，如图8A和8B所示；然而，在对照实验中，排除了帕尔贴冷却设备。实验程序是：

1. 保持尿素溶液的温度在～37°C，帕尔贴设备在17°C（20°C温度梯度）；

2. 以低流速泵送尿素溶液以确保压力不会导致发生渗漏（在这种情况下，使用17ml/min，造成大约为6 PSI的压力）；

3. 在以下时间（以分钟为单位）取样：0、5、10、15、20、25、30；

4. 记录实验结束时尿素溶液的最终容量；以及

5. 分析每个样品的尿素浓度，并确定每个时间间隔的总去除量。

表1和2提供了实验结果。

表1. 对照实验的结果

起始容量：150 mL

最终容量：120 mL

滤过速率：1 mL/min

表2. 在实验中使用索雷特效应的结果

起始容量：100 mL

最终容量：70 mL

滤过速率：1 mL/min

继续上述实施例，在实验期间，超过30分钟后，利用索雷特效应的实验效率是对照实验的1.5倍，其大部分参数相同。唯一不同的参数是初始容量，其在对照实验中更大并且在正常情况下更有利于对照实验中的扩散。结果表明，使用索雷特效应的效率至少要高1.5倍，甚至稍微更高。

图8A描述了根据本公开的吸着剂盒的具体实施方式的透视图，并且图8B和8C分别描述了沿图8A的线A-A的截面图，其中图8B描述了包括中空纤维膜的实施例吸着剂盒，并且图8C描述了包括大致平坦或大致波纹状的膜的实施例吸着剂盒。如图8B所示，吸着剂盒800可包括外壳801，水凝胶806a、806b和膜802h。外壳801可以是柔性或脊状材料，例如丙烯酸玻璃。在非限制性实施例中，水凝胶806a和806b是由聚丙烯酰胺（PAAm）形成的水凝胶材料。在图8B中描述为中空纤维膜的膜802h由水凝胶806限定。可选的一个或多个支撑构件804（例如金属丝网）可为水凝胶806a和膜802h提供硬性以位于吸着剂盒800内。支撑构件804被配置为提供水凝胶806a和806b之间的流体连通，允许水凝胶中的溶质（例如尿毒症毒素）在水凝胶806a和806b之间移动。导电构件803可以位于远离膜802h一段距离（例如3 mm）并被配置为与冷却元件805耦合。导电构件803可被配置为穿过水凝胶806和导电构件803之间的表面交界面均匀地转移热量。导电构件803可以由金属材料或其他合适的导热材料制成。冷却元件805可以是吸着剂盒800的组成部件或与吸着剂盒耦合的肾脏治疗系统的部件。当使用吸着剂盒800时，过程流体进入膜802h，如流动方向F所示，其描述了过程流体通过水凝胶801的流动方向。过程流体可为约37°C（加/减1°C）。加热元件（未示出）可以被设置在膜802h附近，例如沿着外壳801的表面与冷却元件805和/或导电构件803相对，以将过程流体维持在所需温度，例如37°C。冷却元件805可以在传导构件803和膜802h之间的水凝胶806a和806b的距离上产生温度梯度。过程流体中的尿毒症毒素和其他溶质将移动至水凝胶806a和806b中。当水凝胶中存在温度梯度时，上文所述的索雷特效应可以改善尿毒症毒素从过程流体扩散至水凝胶中。

图8C描述了具有与图8B所描述的吸着剂盒相同的功能和元件的实施例吸着剂盒；但是，中空纤维膜被大致平坦或大致波纹状的膜802平坦代替。大致平坦或大致波纹状的膜802平坦可以直接位于水凝胶806上并且可选地通过支撑构件804保持在该位置。流动路径809可由膜和外壳801限定。当过程流体移动通过流动路径809时，过程流体中的尿毒症毒素和其他溶质将移动进入水凝胶806，参考图8B如上文所述。

如本文公开了，振动可以增加溶质（例如尿毒症毒素）吸着至水凝胶中的速率。从过程流体的转移尿毒症毒素（例如尿素）可能最初很快，因为尿素会吸附至水凝胶的表面上，然后会变慢，因为它必须渗透进入孔中以被内表面吸附。在一个实施例中，振动被证明为可以增加吸着或尿素进入水凝胶的速率。将等量的尿素溶液（相当于每1升水中有2.5克尿素）放置在两个水凝胶托盘上，每个都有相同的制剂，水凝胶的表面积为124 mm × 55mm（0.007 m²表面积），厚度为10 mm。四个5伏11000 RPM振动马达（DigiKey编号为1528-1177-ND）被安装在一个托盘上以183 Hz的频率振动，而对照托盘并没有连接振动马达。下表3描述了由于振动而增加的尿素去除率。

表3：尿素溶液中尿素减少的百分比

在一个具体实施方式中，根据本文公开了振动元件807可被设置为振动吸着盒。如图8B所示，吸着盒800可包括振动元件807，其被配置为振动水凝胶806a和806b。振动元件可以在吸着盒的外部和作为与吸着盒耦合的肾脏治疗系统的部件。在使用时，振动元件807可以振动吸着盒及其中的水凝胶，以增加溶质（例如尿毒症毒素）从过程流体吸着至水凝胶中的速率。

图2-5描述了实施例肾脏治疗流体系统，其中根据本公开的吸着盒被并入血液灌流、血液过滤、血液透析或腹膜透析系统中。所述实施例系统不限制如何使用根据本公开的吸着盒。

如图2-5所示，根据本公开的吸着盒可以被放置在血液透析或腹膜透析系统的透析流体系统中，从而能够从透析流体中去除由小尺寸分子、中尺寸分子和离子溶质组成的毒素。吸着盒可以持续净化透析液流体，保持透析液流中的毒素浓度，其可以改善血液透析和腹膜透析的效率，并且可以减少透析液的消耗。吸着盒的附加和可选功能是释放血液的补充原料，例如钙、镁、抗凝剂、抗菌剂、其他矿物质及特定药剂等。运送的补充原料可以包含在水凝胶溶液中，并且在凝胶化后，将其分散在形成的水凝胶的凝胶基质中。由于运送的补充原料的浓度梯度，使得补充原料从水凝胶扩散至过程流体，例如血液或透析液流体。这种可选的补充原料的运送可以简化现有血液透析系统的操作并且可以减少在腹膜透析系统中发生腹膜感染的几率。

根据本公开的吸着盒也可以形成为可穿戴腹膜透析系统的部件，其中吸着盒包装被放置在可穿戴腹膜透析系统的流动路径中。由于吸着盒持续去除毒素，透析液的容量可以被减少。如图5所示的系统，可穿戴腹膜透析系统可包括通向腹腔的管状通道系统，和包括流体泵、电源、传感器、电子控制单元，放置和更换所述吸着盒包装的设备（通常每日进行）和处理移除的流体的系统。吸着过滤器的附加和可选功能是释放血液的补充成分，例如钙、抗凝剂、抗菌剂、矿物质及特定药剂等。此选项将增强腹膜透析系统的运行并减少发生感染的几率。

根据本公开的吸着盒也可以形成为可穿戴血液透析系统的部件，其中吸着盒包装被放置在可穿戴血液透析系统中。吸着盒的持续过滤可以使透析液的容量减少到通常1～2litres。参照图4所描述的，可穿戴血液透析系统可包括血管通道管系统和单元，该系统包括小型滤血器系统、流体泵、电源、传感器、电子控制单元，放置和更换所述吸着盒包装的设备（通常每日进行或根据需要更频繁地进行）和去掉过量水的系统。吸着盒的附加和可选功能是释放电解质和/或缓冲剂溶液至血液中。

根据本公开的吸着盒也可以形成为现有持续肾脏替代治疗（CRRT）设备的部件，使得来自包含超滤液或用过的透析溶液的袋子的溶液可以利用该技术通过净化盒循环，使得该溶液可以持续重复使用。

根据本公开的吸着盒也可以形成为现有便携式透析机的部件，使得来自包含超滤液或用过的透析溶液的袋子的溶液可以利用该技术通过净化盒循环，使得该溶液可以持续重复使用，使得完成治疗所需的溶液少得多。使用这种系统可以进一步减少在便携式系统中流体使用的限制，从而可以使透析液流速更高以改善清除率并减少所需的透析时间或减少对更高流速的血液的需求。

根据本公开的吸着盒还可以形成为现有血液透析机的部件，使得用过的透析溶液可以利用该技术通过净化盒循环并返回至透析器，使得该溶液可以持续重复使用，使得完成治疗所需的溶液少得多。以这种方式使用不需要持续供应纯净水。透析机的一些现有流体管理机制，例如压力传感器、血液渗漏检测器、超滤泵和计量系统，可以继续在这种模式下使用。在病房和家庭治疗中难以提供或昂贵地提供可靠的纯净水供应的情况下，这可以允许灵活使用常规透析机。这种能力还可以让透析诊所在洪水、地震或其他自然灾害等安全供水中断的情况下继续提供治疗。在这种情况下使用现有机器能够使在该诊所工作的人员只需最少的附加培训就可以继续提供治疗。

在任何具体实施方式中，根据本公开的吸着盒可以进一步包括用于补充（净化的）血浆或透析液流体的装置，其选自矿物质（如钙、钠和钾）、抗凝剂、抗菌剂和其他药剂的中至少一种物质。

在任何具体实施方式中，根据本公开的吸着盒可以进一步包括用于选择性吸着中分子（ middle molecules）、维生素和矿物质（例如钙、钠和钾）的装置。因此，水凝胶可装入一定量的矿物质、维生素或电解质，并且只能吸收指定的量。

可选地，根据本公开的吸着盒可以并入其他离子交换系统。

另一方面，根据本公开，本发明提供了一种使用吸着盒从血液中去除有毒物质的方法。

本公开的吸着盒可以市售的可用中空纤维透析器的形式，其中透析液隔室装满本文所述的吸着材料。

在一个具体实施方式中，其他合适的作为小颗粒的吸着材料可以散布在整个或部分水凝胶内，以增强盒的吸着或电解质控制。其他合适的吸着材料的实施例可以是但不限于活性炭颗粒、纳米粘土颗粒、基于石墨烯的纳米结构颗粒、磷酸锆颗粒和水合氧化锆颗粒。在任何阶段都可以将附加的吸着剂元件并入设备，但优选地将其并入吸着盒系统。

图2示出了如本文所述的血液灌流系统200中的吸着盒。血液进入动脉管路，即入口（19a），并且其压力由压力传感器（1）感应。血泵（3）泵送血液通过血管（25）。抗凝剂泵（7）可以将抗凝剂从抗凝剂溶液容器（15）以所需的速率注入血管（25）。流体去除泵（6）从盒的滤血器（8）部分泵送所需量的超滤液进入超滤液袋（16）。根据本文公开了其提供了水凝胶盒（9），即包括水凝胶吸着剂的吸着剂盒。包含水凝胶盒（9）部分的吸着剂吸附尿毒症毒素并改良血液中的电解质。加热和/或冷却元件（20），其可以位于水凝胶盒（9）内或作为系统200的部件位于水凝胶盒（9）外，使用从盒内的一个或多个温度传感器（18）的读数将温度维持在最优的水平以便于高效的毒素吸附。血液的最佳温度水平可为37°C，以防止对重新进入身体的血液造成损伤。加热元件和/或冷却元件20可位于水凝胶盒（9）内或接近水凝胶盒（9）。第二温度传感器（18）测量离开水凝胶盒（9）的血液的温度，以确保血液的温度在安全的生理范围内。主要溶液袋（17）和手动夹具（2）用于在治疗前用流体装满回路，在治疗结束时返回血液，并且如果需要的话，允许在治疗期间输注流体。空气去除过滤器（11）堵塞血液中任何积聚的空气，并允许使用附设的注射器（14）将其去除。超声波空气检测器（13）检测血管（25）中是否存在空气气泡，然后经由出口（19b）返回给患者。当在血管（25）中检测到空气时，警报会响起，并且血泵（3）将停止，以便采取纠正措施。返回给患者的血液由另一个压力传感器（1）监测。

图3描述了血液滤过系统300中的吸着盒。血液经由入口19a进入动脉管路，并且其压力由压力传感器（1）感应。血泵（3）泵送血液通过血管（25）。抗凝剂泵（7）注入抗凝剂，例如肝素和/或柠檬酸盐，其以所需的速率从抗凝剂溶液容器（15）进入血管（25）。超滤液泵（4）泵送来自滤血器（8）的所需量的超滤液通过水凝胶盒（9），然后通过再输注流体过滤器（10）回到血管（25）。再输注流体过滤器（10）防止细菌、内毒素和颗粒进入血液。水凝胶盒（9）吸附尿毒症毒素并改良血液中的电解质。流体去除泵（6）从超滤液泵（4）的出口泵送所需量的超滤液进入超滤液袋（16）。主要溶液袋（17）和手动夹具（2）用于在治疗前用流体装满回路，在治疗结束时返回血液，并且如果需要的话，允许在治疗期间输注流体。空气去除过滤器（11）堵塞血液中任何积聚的空气，并允许使用附设的注射器（14）将其去除。超声波空气检测器（13）检测血管（25）中是否存在空气气泡，然后经由出口19b返回给患者。当血管（25）中检测到空气时，警报会响起，并且血泵（3）将停止，以便采取纠正措施。返回给患者的血液由另一个压力传感器（1）监测。

图4示出了如本文所述的血液透析系统中的吸着盒。血液经由入口19a进入动脉管路，并且其压力由压力传感器（1）感应。血泵（3）泵送血液通过血管（25）。抗凝剂泵（7）注入抗凝剂，其以所需的速率从抗凝剂溶液容器（15）进入血管（25）。透析液泵（5）泵送来自滤血器（8）的所需量的流体进入通过水凝胶盒（9），然后通过透析液检测器（12）中的血液回到滤血器（8）。水凝胶盒（9）吸附尿毒症毒素并改良流体中的电解质。流体去除泵（6）从水凝胶盒（9）的出口泵送所需量的超滤液进入超滤液袋（16）。主要溶液袋（17）和手动夹具（2）用于在治疗前用流体装满回路，在治疗结束时返回血液，并且如果需要的话，允许在治疗期间输注流体。空气去除过滤器（11）堵塞血液中任何积聚的空气，并允许使用附设的注射器（14）将其去除。超声波空气检测器（13）检测血管中是否存在空气气泡，然后返回给患者。当血管（25）中检测到空气时，警报会响起，并且血泵（3）将停止，以便采取纠正措施。经由出口19b返回给患者的血液由另一个压力传感器（1）监测。

图5示出了如本文所述的腹膜系统中的吸着盒。透析液流体从患者处进入，并且其压力由压力传感器（1）感应，以警示堵塞的腹膜导管（未显示）或空腹腔的问题。在流出循环中，透析液泵（5）将来自压力传感器（1）的透析液通过水凝胶筒（9）泵送到透析液储液器（24）。停下的透析液返回泵（26）阻止透析液从储液器（24）循环。水凝胶盒（9）吸附尿毒症毒素并改良流体中的电解质。加热和/或冷却元件（20）使用从盒内的温度传感器（18）的读数将温度维持在最优的水平以便于高效的毒素吸附。第二温度传感器（18）测量离开水凝胶盒（9）的透析液流体的温度，以确保透析液流体的温度在安全的生理范围内。输液泵（21）从输液溶液容器（23）泵送流体至透析液管（27），以根据需要恢复电解质水平和葡萄糖水平。在流入循环中，透析液返回泵（26）泵送透析液流体，其从透析液储液器（24）通过透析液过滤器（22）至压力传感器（1），以返回给患者。停下的透析液泵（5）阻止透析液循环回到水凝胶盒（9）。压力由压力传感器（1）感应以警示导管堵塞。在返回循环中由透析液返回泵（26）泵送的总流体量可以小于由透析液泵（5）和输注泵（21）泵送的流体总量，以便病人从透析液中排出净流体。从患者体内取出的过量流体被储存在储液器（9）中。

以上描述仅是示例性的，相关领域的技术人员将认识到，在不脱离所公开的本发明的范围的情况下，可以对所描述的具体实施方式进行改变。在不脱离权利要求的主旨的情况下，本公开可以以其他具体形式体现。本公开旨在涵盖和包含技术上所有合适的变化。根据对本公开内容的总结，落入本发明范围内的改进对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且此类改进旨在落入所附权利要求范围之内。此外，本权利要求的范围不应受到实施例中阐述的优选具体实施方式的限制，而应具有与整个描述一致的最宽泛的解释。

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上述参考文献的公开内容均通过引用以其整体并入本文。

Claims (39)

1.一种用于便携式可穿戴肾脏治疗系统的吸着剂盒，所述吸着剂盒包括：

入口和出口，入口被配置为从肾脏治疗系统接收过程流体，及出口被配置为排放处理过的过程流体；

水凝胶被配置为从所述过程流体吸收和吸附毒素，而不使用透析液来净化所述过程流体；

其中所述入口和所述出口均被配置为可释放地耦合至所述肾脏治疗系统以移除所述吸着剂盒。

2.一种用于肾脏治疗系统的吸着剂盒，所述盒包括被配置为从过程流体吸收或吸附毒素的水凝胶，并且所述吸着剂盒被配置为可释放地耦合至所述肾脏治疗系统以易于移除。

3.根据权利要求2所述的吸着剂盒，其特征在于，所述水凝胶被配置为向所述过程流体释放电解质、缓冲剂、矿物质、维生素或抗凝剂中的至少一个。

4.根据权利要求3所述的吸着剂盒，其特征在于，所述缓冲剂是碳酸氢钠。

5.根据权利要求3所述的吸着剂盒，其特征在于，所述抗凝剂是肝素和柠檬酸盐中的至少一个。

6.根据权利要求2至5中任意一项所述的吸着剂盒，其特征在于，所述水凝胶形成为数个水珠，所述数个水珠位于所述吸着剂盒的储液器中，其被配置为接收流动通过所述吸着剂盒的过程流体，所述吸着剂盒包括过滤器以防止所述数个水珠进入所述过程流体的循环。

7.根据权利要求2至6中任意一项所述的吸着剂盒，其特征在于，所述吸着剂盒被配置为使得所述水凝胶与所述过程流体直接接触。

8.根据权利要求2至7中任意一项所述的吸着剂盒，其特征在于，所述吸着剂盒被配置为使得所述水凝胶穿过膜与所述过程流体间接连通。

9.根据权利要求2至8中任意一项所述的吸着剂盒，其特征在于，所述水凝胶被配置为从所述过程流体吸收毒素至所述水凝胶中，而不会将电解质水平调整到会对所述肾脏治疗系统的用户造成生理伤害的范围之外。

10.根据权利要求2至9中任意一项所述的吸着剂盒，其特征在于，所述水凝胶被配置为在24小时内从所述过程流体吸收1～100克尿素，而不会将电解质水平调整到会对所述肾脏治疗系统的用户造成生理伤害的范围之外。

11.根据权利要求2至10中任意一项所述的吸着剂盒，其特征在于，所述水凝胶被配置为吸收电解质至所述水凝胶中以降低所述过程流体的特定电解质水平。

12.根据权利要求2至10中任意一项所述的吸着剂盒，其特征在于，所述肾脏治疗系统是便携式可穿戴系统。

13.根据权利要求8至12中任意一项所述的吸着剂盒，其特征在于，所述吸着剂盒包括第一隔室和第二隔室，所述第一隔室包括被配置为从所述过程流体去除水的膜，及所述第二隔室包括被配置为去除毒素的膜。

14.根据权利要求8至13中任意一项所述的吸着剂盒，其特征在于，所述水凝胶被附着在所述吸着盒中的所述膜上，其中所述膜是中空纤维膜。

15.根据权利要求2至14中任意一项所述的吸着剂盒，其包括温度传感器，以及加热元件和/或冷却元件中的至少一个，所述温度传感器被配置为发送温度信号至控制器，以及所述加热元件和/或冷却元件中的至少一个被配置为接收来自控制器的输出信号。

16.根据权利要求8至14中任意一项所述的吸着剂盒，其包括被配置为与冷却元件耦合以沿着所述导电构件和所述膜之间的距离产生温度梯度的导电构件。

17.根据权利要求2至16中任意一项所述的吸着剂盒，其包括被配置为振动所述水凝胶的振动元件。

18.根据权利要求1至17中任意一项所述的吸着剂盒，其特征在于，所述水凝胶形成厚度大于或等于约1 mm的水凝胶层。

19.根据权利要求18所述的吸着剂盒，其特征在于，所述厚度为1～3 mm。

20.根据权利要求18所述的吸着剂盒，其特征在于，所述厚度大于或等于3 mm。

21.一种肾脏治疗系统，其包括根据权利要求2至20任意一项所述的吸着剂盒，其特征在于，所述肾脏治疗系统是血液透析系统、腹膜透析系统、血液灌流系统、血液滤过系统或血液透析滤过系统中的至少一个。

22.根据权利要求21所述的肾脏治疗系统，其特征在于，所述系统是便携式可穿戴系统。

23.根据权利要求21至22中任意一项所述的肾脏治疗系统，其包括冷却元件以沿着所述水凝胶的长度产生温度梯度。

24.根据权利要求21至23中任意一项所述的肾脏治疗系统，其包括被配置为振动所述水凝胶的振动元件。

25.根据权利要求2至20中任意一项所述的吸着剂盒用于用户的肾脏治疗的用途。

26.一种从过程流体去除有毒物质的方法，所述方法包括：

提供包括水凝胶的吸着剂盒；

移动过程流体通过与所述水凝胶连通的所述吸着剂盒，所述过程流体包括毒素；和

从所述过程流体吸收或吸附所述毒素至所述水凝胶中以提供处理过的过程流体。

27.根据权利要求26所述的方法，其包括加热所述过程流体至37°C左右。

28.根据权利要求26至27中任意一项所述的方法，其包括从所述过程流体吸收水至所述水凝胶中。

29.根据权利要求26至28中任意一项所述的方法，其包括从所述水凝胶释放电解质、缓冲剂、矿物质、维生素或抗凝剂中的至少一个至所述过程流体。

30.根据权利要求26至29中任意一项所述的方法，其包括移动过程流体通过中空纤维膜，所述过程流体通过所述中空纤维膜与所述水凝胶间接连通。

31.根据权利要求26至30中任意一项所述的方法，其包括振动所述水凝胶。

32.根据权利要求26至31中任意一项所述的方法，其包括冷却所述水凝胶以沿着所述水凝胶的长度产生温度梯度。

33.水凝胶在肾脏治疗系统中的用途，所述水凝胶包括聚合物链的互穿网络，所述聚合物链的单体具有亲水性官能团。

34.根据权利要求33所述的用途，其特征在于，所述单体包括聚丙烯酰胺、丙烯酸、藻酸盐或壳聚糖中的至少一个。

35.根据权利要求33至34中任意一项所述的用途，其特征在于，所述水凝胶形成为具有表面积至少为0.1 m2/m3的数个水珠。

36.根据权利要求33至35中任意一项所述的用途，其特征在于，所述水凝胶被填充在中空滤过纤维周围。

37.根据权利要求36所述的用途，其特征在于，所述中空滤过纤维具有0.1～1.0 m2/m3的内表面积。

38.根据权利要求33至34中任意一项所述的用途，其特征在于，所述水凝胶是胶态凝胶，其中水是所述分散介质。

39.根据权利要求33至38中任意一项所述的用途，其特征在于，所述聚合物链用化学物或生物元素官能化以促进所述水凝胶中水和毒素的吸着。

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