BR122022015169B1 - Sistema de regeneração de fluido de diálise, método para regenerar um fluido de diálise, método para diálise renal e método para preparar um fluido de diálise - Google Patents

Abstract

Aparelho e método para oxidação fotoquímica são aqui divulgados. Em uma modalidade, um sistema de regeneração de fluido de diálise inclui: um ânodo nanoestruturado; uma fonte de luz configurada para iluminar o ânodo; e um cátodo que é permeável ao oxigênio.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA PARA PEDIDO RELACIONADO

[001]Este pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório dos Estados Unidos da América No. 62/719,549, depositado em 17 de agosto de 2018; este pedido é expressamente incorporado neste documento por referência em sua totalidade.

FUNDAMENTOS

[002]Mais de 2 milhões de pacientes com doença renal em estágio terminal (ESRD) em todo o mundo recebem diálise para sustentar a vida, com esse número provavelmente representando menos de 10% da necessidade real. Só nos Estados Unidos, mais de 460.000 pessoas estão em diálise renal, mais de 89.000 das quais morrem anualmente, com uma taxa de sobrevida de 5 anos de apenas 35%. O caráter intermitente da hemodiálise causa grandes flutuações nas concentrações de metabólitos no sangue. As observações mostram que a sobrevida de longo prazo em diálise é melhorada para os pacientes tratados por hemodiálise prolongada (ou seja, mais frequente ou com mais horas de tratamento) quando comparada à hemodiálise convencional.

[003]A Figura 1 é uma vista em planta de um sistema de diálise convencional 10. Em operação, um paciente 5 está conectado ao sistema de diálise 10 de modo que o sangue do paciente flua através de um tubo 14 para um sistema de diálise 10. O tubo 14 é enfiado através de uma bomba de sangue 18. A ação de bombeamento da bomba de sangue 18 empurra o sangue do paciente através do sistema de diálise 10 e de volta ao corpo do paciente. A bomba 18 é tipicamente uma bomba sem contato.

[004]O dialisato 12 é um fluido que ajuda a remover os resíduos indesejados (por exemplo, ureia) do sangue do paciente. Durante a diálise, o dialisato 12 e o sangue do paciente fluem através do sistema de diálise 10, mas os dois fluxos não se misturam fisicamente. Em vez disso, o dialisato fresco 12 da máquina é separado do fluxo sanguíneo por uma membrana. As impurezas da corrente sanguínea do paciente são filtradas através da membrana para o dialisato 12. Por exemplo, normalmente 12-24 g de ureia precisam ser removidos diariamente em um adulto normal, mas com uma dieta reduzida em proteínas, 15 g por dia é uma meta suficiente. Outras impurezas também são filtradas da corrente sanguínea para o dialisato. O dialisato contendo produtos residuais indesejáveis e eletrólitos em excesso saem do dialisador para descarte.

[005]Uma vez que a hemodiálise funciona com base no princípio da difusão em um dialisato com baixa concentração alvo, são necessários grandes volumes de fluido inerentemente. A hemodiálise convencional consegue a remoção de resíduos metabólicos excessivos do corpo, executando cerca de 120 litros de dialisato por sessão, o que normalmente requer 3-4 horas de tratamento. A diálise pode ser necessária três vezes por semana. Os pacientes estão sujeitos a significativas interrupções de vida, incluindo a necessidade de imobilização por horas e transporte para centros de diálise, o que afeta sua qualidade de vida. Consequentemente, são necessários sistemas e métodos para uma diálise melhorada, incluindo uma remoção melhorada de ureia.

SUMÁRIO

[006]Este sumário é fornecido para apresentar uma seleção de conceitos de uma forma simplificada que são descritos mais detalhadamente abaixo na Descrição Detalhada. Este sumário não se destina a identificar os principais recursos do assunto reivindicado.

[007]Resumidamente, a tecnologia inventiva é direcionada à remoção de ureia de um dialisato. A tecnologia inventiva pode ser usada para diálise, incluindo diálise renal, hemodiálise, hemofiltração, hemodiafiltração, remoção de impurezas, etc.

[008]Em algumas modalidades, uma oxidação fotoquímica (também referida como "regeneração de fluido de diálise" ou "tratamento de ureia") remove a ureia do dialisato. Um sistema de regeneração de fluido de sistema de diálise pode incluir: um ânodo nanoestruturado; uma fonte de luz configurada para iluminar o ânodo; e um cátodo que é permeável ao oxigênio. As nanoestruturas podem ser nanofios de TiO2 que são crescidos hidrotermicamente. A fonte de luz pode ser fornecida por uma matriz de LEDs. O cátodo permeável ao oxigênio ou permeável ao ar pode ser um pano ou papel revestido de platina (revestido de Pt).

[009]Em algumas modalidades, o sistema pode ser dimensionado o suficiente para se tornar vestível e/ou portátil. Os dispositivos de diálise vestíveis não só alcançam diálise contínua, mas também ajudam a reduzir os custos de tratamento relacionados à clínica e melhorar a qualidade de vida através de maior mobilidade.

[0010]Em uma modalidade, um sistema de regeneração de fluido de diálise inclui: um ânodo nanoestruturado; uma fonte de luz configurada para iluminar o ânodo; e um cátodo que é permeável ao oxigênio.

[0011]Em um aspecto, o fluido de diálise é um dialisato. Em outro aspecto, o sistema é um sistema de diálise renal. Em um aspecto, o sistema é um sistema de hemofiltração. Em um aspecto, o sistema é um sistema de hemodiálise. Em um aspecto, o sistema é um sistema de hemodiafiltração.

[0012]Em um aspecto, o sistema também inclui uma fonte de voltagem elétrica operacionalmente acoplada ao ânodo e ao cátodo. Em outro aspecto, a fonte de voltagem elétrica é portátil.

[0013]Em um aspecto, o sistema de regeneração de fluido de diálise é portátil. Em outro aspecto, o sistema de regeneração de fluido de diálise é vestível. Em outro aspecto, o sistema de regeneração de fluido de diálise é estacionário.

[0014]Em um aspecto, o ânodo, a fonte de luz e o cátodo que é permeável ao oxigênio são partes de uma primeira célula de regeneração de fluido de diálise, e o sistema inclui uma pluralidade de células de regeneração de fluido de diálise.

[0015]Em um aspecto, o cátodo é um cátodo respirável pelo ar. Em outro aspecto, o cátodo é um cátodo à base de pano condutor. Em um aspecto, o pano é um pano revestido com platina (revestido de Pt). Em um aspecto, o cátodo é um cátodo à base de papel condutor.

[0016]Em um aspecto, o cátodo é configurado para dividir água eletroquimicamente. Em outro aspecto, o nanomaterial do ânodo é configurado para gerar fotoelétrons ou orifícios quando exposto à luz.

[0017]Em um aspecto, a fonte de luz compreende uma matriz de diodos emissores de luz (LEDs). Em um aspecto, os LEDs são dispostos em uma matriz bidimensional (2D). Em outro aspecto, os LEDs geram uma irradiância de menos de 4 mW/cm2 em uma superfície do ânodo. Em um aspecto, os LEDs emitem luz no comprimento de onda de 365 nm.

[0018]Em um aspecto, a fonte de luz compreende uma fonte de UV. Em outro aspecto, a fonte de luz compreende uma fonte de luz visível. Em um aspecto, uma eficiência de fóton para fotoelétron incidente é de cerca de 51%.

[0019]Em um aspecto, o ânodo nanoestruturado compreende nanofios de TiO2. Em outro aspecto, os nanofios individuais têm uma espessura de cerca de 500 nm. Em um aspecto, os nanofios de TiO2 são preparados hidrotermicamente. Em um aspecto, os nanofios são dispostos em um substrato e os nanofios individuais são individualmente eletricamente acoplados a um substrato que carrega os nanofios.

[0020]Em um aspecto, uma solução de dialisato tem uma concentração de ureia de 10 mM ou menos. Em outro aspecto, o sistema também inclui um eliminador de radical configurado para remover subprodutos oxidativos, subprodutos de radicais e cloro.

[0021]Em um aspecto, o sistema também inclui uma membrana configurada para passar pequenas moléculas e para bloquear a passagem de moléculas grandes. Em outro aspecto, a membrana é uma membrana de osmose reversa (RO).

[0022]Em uma modalidade, um sistema de regeneração de fluido de diálise inclui: um substrato nanoestruturado configurado para gerar fotoelétrons ou orifícios quando exposto à luz; uma fonte de luz configurada para iluminar o substrato; e uma barreira permeável ao oxigênio.

[0023]Em um aspecto, a fonte de luz ocorre naturalmente.

[0024]Em uma modalidade, um método para regenerar um fluido de diálise inclui: fluir o fluido de diálise através de um sistema de qualquer uma das reivindicações anteriores; e iluminar o ânodo com a fonte de luz à medida que o fluido de diálise passa sobre o ânodo, eliminando assim a ureia fotoeletroquimicamente no fluido de diálise.

[0025]Em uma modalidade, um método para regenerar um fluido de diálise inclui: fluir o fluido de diálise entre um ânodo e um cátodo de um sistema de diálise, em que o ânodo compreende uma pluralidade de nanoestruturas; iluminar o ânodo com uma fonte de luz; fluir oxigênio através do cátodo em direção ao fluido de diálise; e converter ureia no fluido de diálise em CO2, N2 e H2O regenerando assim o fluido de diálise.

[0026]Em um aspecto, o método também inclui recircular o fluido de diálise dentro de um sistema de diálise.

[0027]Em um aspecto, o método também inclui: acoplar uma voltagem positiva ao ânodo; e acoplar uma voltagem negativa ao cátodo.

[0028]Em um aspecto, o diferencial de voltagem entre a voltagem positiva e a voltagem negativa está dentro de uma faixa de cerca de 0,6 V a cerca de 0,8 V.

[0029]Em um aspecto, a fonte de luz inclui uma fonte de luz UV e luz visível.

[0030]Em um aspecto, o fluir oxigênio através do cátodo em direção ao fluido de diálise inclui fluir ar ambiente através do cátodo.

[0031]Em um aspecto, o método também inclui: fluir o fluido de diálise através de um eliminador de radical; e remover o cloro do fluido de diálise no eliminador de radical.

[0032]Em uma modalidade, um método para preparar um fluido de diálise inclui: fluir água a ser tratada entre um ânodo e um cátodo de um sistema de regeneração de fluido de diálise, em que o ânodo compreende uma pluralidade de nanoestruturas; iluminar o ânodo com uma fonte de luz; fluir oxigênio através do cátodo em direção à água a ser tratada; e oxidar impurezas na água a ser tratada, gerando assim o fluido de diálise.

[0033]Em um aspecto, o método também inclui recircular o fluido de diálise dentro de um sistema de diálise. Em um aspecto, o método também inclui: acoplar uma voltagem positiva ao ânodo; e acoplar uma voltagem negativa ao cátodo.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0034]Os aspectos anteriores e muitas das vantagens concomitantes da tecnologia inventiva se tornarão mais facilmente apreciados conforme os mesmos são compreendidos com referência à seguinte descrição detalhada, quando considerada em conjunto com os desenhos anexos, em que: a Figura 1 é uma vista em planta de um sistema de diálise de acordo com a tecnologia convencional; a Figura 2 é um diagrama esquemático de um sistema de diálise de acordo com uma modalidade da presente tecnologia; a Figura 3 é um diagrama esquemático de um sistema de diálise em operação de acordo com uma modalidade da presente tecnologia; a Figura 4A é uma vista explodida de uma unidade de tratamento de ureia de acordo com uma modalidade da presente tecnologia; a Figura 4B é uma vista esquemática de uma unidade de tratamento de ureia em operação de acordo com uma modalidade da presente tecnologia; a Figura 5A é uma vista explodida de uma unidade de tratamento de ureia de acordo com uma modalidade da presente tecnologia; a Figura 5B é uma vista explodida de uma unidade de tratamento de ureia de acordo com uma modalidade da presente tecnologia; as Figuras 6A e 6B são imagens de microscópio de nanoestruturas de acordo com uma modalidade da presente tecnologia; a Figura 7 é uma vista esquemática de uma unidade de tratamento de ureia de acordo com uma modalidade da presente tecnologia; a Figura 8 é o fluxograma de uma unidade de tratamento de ureia de acordo com uma modalidade da presente tecnologia; a Figura 9 é uma vista esquemática de um sistema de diálise de ureia portátil de acordo com uma modalidade da presente tecnologia; as Figuras 10A-10D são vistas esquemáticas de sistemas de diálise portáteis de acordo com modalidades da presente tecnologia; a Figura 11 é um gráfico de fotocorrente de acordo com uma modalidade da presente tecnologia; a Figura 12 é um gráfico de fotocorrente em função do tempo de crescimento hidrotérmico de acordo com uma modalidade da presente tecnologia; a Figura 13 é um gráfico de absorbância em função do comprimento de onda de acordo com uma modalidade da presente tecnologia; a Figura 14 é um gráfico de fotocorrente em função da corrente de LED efetiva de acordo com uma modalidade da presente tecnologia; e a Figura 15 é uma comparação de desempenho entre um cátodo revestido com Pt e um cátodo preto com Pt de acordo com uma modalidade da presente tecnologia; e a Figura 16 é um gráfico de fotocorrente em função do tempo, de acordo com uma modalidade da presente tecnologia.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0035]Embora várias modalidades tenham sido ilustradas e descritas, será apreciado que várias alterações podem ser feitas nas mesmas, sem se afastar do espírito e do escopo do assunto reivindicado.

[0036]A Figura 2 é um diagrama esquemático de um sistema de diálise de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. O sistema ilustrado (por exemplo, um sistema de diálise renal, hemodiálise, hemodiafiltração ou um sistema de hemofiltração) inclui uma unidade de oxidação de ureia 700 e uma unidade de remoção seletiva de toxina 600. Em operação, o fluxo sanguíneo 410 que inclui ureia e outras toxinas entra na unidade de oxidação de ureia 700. O fluxo sanguíneo 410 é separado de um fluxo de fluido de dialisato (por exemplo, dialisato) 715 por uma membrana 712, que permite a troca de massa para moléculas selecionadas entre o fluxo sanguíneo e o fluxo de fluido de dialisato (referido como "dialisato" para simplificar). Em algumas modalidades, uma membrana de diálise de corte de baixo peso molecular permite que apenas moléculas pequenas (por exemplo, menos de 100 Da) passem. Em algumas modalidades, a membrana pode ser uma membrana de osmose reversa (RO). Em algumas modalidades, a unidade de oxidação de ureia 700 inclui uma unidade de oxidação fotoquímica 720 (também referida como uma "unidade de regeneração de fluido de diálise" ou uma "unidade de tratamento de ureia") que é configurada para remover a ureia e um eliminador de radical/traço 780 que é configurado para remover subprodutos oxidativos, subprodutos radicais, cloro e/ou outras toxinas. A unidade de oxidação fotoquímica 720 é descrita em mais detalhes com referência às Figuras 4A a 8 abaixo. Os termos "foto-oxidação", "oxidação fotoquímica" e "oxidação fotoquímica" são usados indistintamente neste relatório descritivo.

[0037]Em algumas modalidades, após a ureia e/ou outras toxinas de moléculas pequenas serem removidas do fluxo sanguíneo 410, assim, o fluxo sanguíneo parcialmente limpo 414 continua a fluir em direção a uma unidade de remoção seletiva de toxina ligada à proteína 600. O fluxo sanguíneo 414 é separado dos componentes celulares por uma membrana 612 que é configurada para passar proteínas de grande peso molecular e moléculas pequenas, comumente referidas como plasma sanguíneo. No lado de permeado da membrana 612 estão sorventes seletivos para eliminação de peso molecular maior e/ou toxinas ligadas a proteínas. Esta solução 614 flui através de uma membrana 613 para a unidade 650 com uma mistura de sorventes e membranas seletivas para a remoção de toxinas de moléculas pequenas através do fluxo 610. Os nutrientes são devolvidos à corrente sanguínea 416 como fluxo 651, bem como proteínas dessorvidas no fluxo 616 no permeado/plasma lado da membrana 612. Alguns exemplos não exclusivos de toxinas 610 removidas pela unidade 600 são indoxil sulfato que foi ligado à albumina humana. Geralmente, a unidade de oxidação de ureia 700 remove pequenas moléculas tóxicas, enquanto a unidade de remoção seletiva de toxina 600 remove grandes moléculas tóxicas ou aquelas ligadas a proteínas como a albumina. No entanto, em diferentes modalidades, diferentes arranjos das unidades de remoção de toxinas também são possíveis. O fluxo sanguíneo e/ou plasma sanguíneo 616 que sai da unidade de remoção seletiva de toxina 600 continua a fluir em direção a outros elementos/etapas do processo de diálise ou retorna ao paciente.

[0038]A Figura 3 é um diagrama esquemático de um sistema de diálise em operação de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. O sistema de análise ilustrado opera como um sistema de regeneração para o dialisato 715. Em operação, o fluxo sanguíneo 410, 805 flui entre o sistema vascular do paciente e a unidade de oxidação de ureia 700 e a unidade de remoção seletiva de toxina 600 (ou outras unidades de remoção de toxina) geralmente exigindo uma bomba (por exemplo, uma bomba 810). Em algumas modalidades, o fluxo de dialisato 715 recircula dentro das unidades 600, 700, eliminando ou pelo menos limitando a necessidade de adicionar dialisato novo ao processo. Como resultado, o consumo do dialisato é reduzido com as modalidades da tecnologia inventiva em comparação com a diálise convencional.

[0039]O dialisato 715 pode ter uma concentração de ureia de 10 mM ou menos. Em algumas modalidades, um controlador 794 pode controlar a operação das bombas 810 e 716 para regular o fluxo de entrada de sangue 410 e o dialisato 715.

[0040]A Figura 4A é uma vista explodida de uma unidade de tratamento de ureia 20 de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. A unidade de tratamento de ureia ilustrada 20 é uma unidade de tratamento de ureia fotoelétrica que remove a ureia por uma reação eletroquímica. O sistema 20 inclui dois eletrodos 24, 26 que são separados por um espaçador dielétrico 27 (por exemplo, espaçador de borracha, silício ou plástico). Em operação, o dialisato que contém ureia é mantido entre os dois eletrodos 24, 26 e é submetido à fotoiluminação que promove a foto-oxidação da ureia em CO2, H2O e N2.

[0041]A fonte de luz necessária pode ser fornecida por uma lâmpada ultravioleta (UV) 22. A reação também requer oxigênio para a reação eletroquímica. O fornecimento de oxigênio necessário é descrito com referência à Figura 4B abaixo.

[0042]A Figura 4B é um diagrama esquemático de uma unidade de tratamento de ureia em operação de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. Na modalidade ilustrada, o ar flui para a tubulação 28 e posteriormente para o dialisato que contém ureia dentro da unidade fotoelétrica de tratamento de ureia 20. As setas 29 indicam o fluxo de entrada de ar que produz bolhas 31 no dialisato. No entanto, a eficiência quântica para fótons incidentes da lâmpada UV 22 para a reação eletroquímica pode ser relativamente baixa, às vezes inferior a 1%. Como resultado, a unidade de tratamento de ureia 22 pode ainda ser impraticavelmente grande se o objetivo de cerca de 15 a 20 g de remoção de ureia for alcançado em um dispositivo portátil. O fornecimento melhorado de oxigênio é descrito em relação à Figura 5A abaixo.

[0043]A Figura 5A é uma vista explodida de uma unidade de tratamento de ureia 720 de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. A reação eletroquímica que ocorre na unidade de tratamento de ureia 720 pode ser descrita como: Ânodo: CO (NH2) 2 + 6 OH- -> CO2 + N2 + 5 H2O + 6e- Cátodo: O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH- Líquido: CO (NH2)2 + 3/2 O2 -> CO2 + N2 +2 H2O (Eq. 1) .

[0044]Em algumas modalidades, o dialisato 715 flui através de um espaçador 732 a partir de uma entrada 734 para uma saída 736. O dialisato 715 carrega ureia que deve ser decomposta eletroquimicamente em CO2 e N2. O espaçador 732 pode ser ensanduichado entre um ânodo 722 e um cátodo 742, cada um individualmente conectado a uma fonte de voltagem 792 (por exemplo, uma fonte de voltagem CC). Em algumas modalidades, a fonte de voltagem 792 fornece diferencial de voltagem dentro de uma faixa de cerca de 0,6 V a cerca de 0,8 V. Em algumas modalidades do espaçador 732, todo o fluxo de dialisato é direcionado para fluir sobre a camada de TiO2.

[0045]Em algumas modalidades, o ânodo 722 é equipado com nanoestruturas (por exemplo, nanofios de TiO2). Em operação, o ânodo 722 é iluminado por uma fonte de luz que emite luz (por exemplo, luz ultravioleta) para a reação eletroquímica mostrada na equação 1. No ânodo, as nanoestruturas de TiO2 fotoexcitadas fornecem orifícios para a oxidação de espécies de solução na superfície, enquanto os elétrons são coletados no óxido condutor subjacente (por exemplo, óxido fino dopado com flúor ou FTO) e, em seguida, transportados para o eletrodo catódico para dividir a água em OH-. A fotoexcitação pode ser fornecida por uma fonte de luz 750 ou por luz natural.

[0046]Em algumas modalidades, o cátodo 742 pode ser permeável ao gás (por exemplo, permeável ao ar ou permeável ao oxigênio). Em operação, o fluxo de gás 760 que inclui oxigênio pode passar através do cátodo 742 em direção ao dialisato que inclui ureia.

[0047]Em algumas modalidades, a unidade de tratamento de ureia 720 pode ser usada para preparar um fluido de diálise. Por exemplo, a água a ser tratada pode ser passada entre o ânodo 722 e o cátodo 742 para oxidar as impurezas na água a ser tratada, gerando assim o fluido de diálise. Algumas modalidades da unidade de tratamento de ureia 720 são ainda descritas com referência às Figuras 5B-6B abaixo.

[0048]A Figura 5B é uma vista explodida de uma unidade de tratamento de ureia 720 de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. Em algumas modalidades, a unidade de tratamento de ureia 720 inclui um ou mais ânodos nanoestruturados 722 tendo um substrato 721 que carrega nanoestruturas 723. O ânodo nanoestruturado 722 pode ser mantido em um suporte de substrato 724. A luz necessária para a decomposição fotoquímica da ureia pode ser fornecida por uma matriz de luz 752 que inclui uma ou mais fontes de luz (por exemplo, diodos emissores de luz (LEDs), lasers, lâmpadas de descarga, etc.). As fontes de luz podem ser dispostas em uma matriz bidimensional (2D). Em algumas modalidades, os LEDs emitem luz no comprimento de onda de 365 nm. Em algumas modalidades, os LEDs emitem luz ultravioleta (UV) ou comprimento de onda de luz visível. Em algumas modalidades, os LEDs geram luz com intensidade inferior a 4 mW/cm2 na superfície do ânodo (por exemplo, na superfície do substrato 721). Em outras modalidades, outras intensidades de luz mais altas podem ser usadas, por exemplo, luz com a intensidade de mais de mW/cm2 na superfície do ânodo. Em algumas modalidades, a eficiência quântica de fótons incidentes (eficiência fotoelétrica incidente) é de cerca de 51%. Em algumas modalidades, o ânodo nanoestruturado 722 pode operar com base na luz natural recebida em conjunto com ou sem matriz de luz dedicada 752.

[0049]Como explicado com referência à Figura 5A, o cátodo pode ser um cátodo permeável ao ar 742 que bloqueia líquidos (por exemplo, água), mas faz passar gases (por exemplo, ar ou oxigênio). Em algumas modalidades, o cátodo 742 é feito de pano condutor. Por exemplo, o pano condutor pode ser um pano revestido com platina (revestido de Pt) ou um pano de carbono. Em algumas modalidades, o cátodo 742 pode ser um cátodo à base de papel condutor. O cátodo permeável ao ar (respirável) 742 pode ser mecanicamente mantido no lugar por espaçadores 744 e 746 tendo elementos de suporte para o cátodo 742, por exemplo, os espaçadores tendo elementos de suporte de malha 745, 747 (ou outros elementos estruturais permeáveis a gás).

[0050]Com pelo menos algumas modalidades da tecnologia inventiva, melhorias de desempenho significativas foram observadas quando comparadas ao desempenho da tecnologia convencional. Por exemplo, combinar uma produção diária de ureia com o processo de 6-oxidação para 15 gramas (0,25 moles) por dia requer corrente elétrica de 1,7 A ao longo de um período de 24 horas. Com uma densidade de fotocorrente alvo de 1 mA/cm2 no ânodo nanoestruturado de TiO2, a área total necessária do dispositivo torna-se cerca de 1700 cm2, ou 1,82 ft2. Com essa área total do dispositivo, torna-se possível implantar um dispositivo do tamanho de uma mochila que oxida cerca de 15 g de ureia por dia. O dispositivo do tamanho de uma mochila exigiria cerca de doze baterias de 8000 mAh para operação de 8 horas sem recarga e proporcionalmente menos baterias para operações mais curtas.

[0051]Além disso, a alta eficiência de conversão da decomposição da ureia em baixas concentrações mostra uma alta seletividade do TiO2 para oxidar a ureia versus com a geração de espécies oxocloro que geralmente são indesejáveis. Além disso, a densidade da fotocorrente é mais de uma ordem de magnitude maior do que a alcançada pela técnica anterior sem nanoestruturas ou LEDs.

Cálculo de amostra de desempenho de dispositivo

[0052]Para a modalidade ilustrada, a corrente operacional do LED UV foi mantida em 50 mA. Com 6,7% dos fótons sendo geometricamente incidentes na amostra de TiO2, podemos obter a corrente de LED incidente para a eficiência da corrente do fotoelétron por n = Ifotocorrente/(6,7% x ILED), onde ILED e Ifotocorrente são a corrente usada para conduzir o LED e a fotocorrente resultante, respectivamente. Como a eficiência quântica do LED é de 40%, a eficiência de fóton para fotoelétron incidente é n' = n/40%. A quantidade total de fotocorrente que passa pelo circuito é calculada com Qtotal = J Ifotocorrentedt. A fotocorrente cumulativa que foi usada para a decomposição da ureia pode ser calculada a partir da alteração da concentração de ureia, ou seja, Qurea = 6 x 96485 x (Cinicial-Cfinal) x V, onde 6 é o número de elétrons envolvidos na oxidação de uma única molécula de ureia vezes a constante de Faraday, Cinicial e Cfinal são concentrações de ureia medidas antes e depois do experimento de foto-oxidação, e V é 0,3ml. A seletividade da fotocorrente para a decomposição da ureia é n = Qurea/Qtotai. A taxa de remoção de ureia é considerada constante durante a operação. Para calcular a área necessária do eietrodo e a corrente operacionai, podemos supor que 15 g de ureia precisam ser removidos diariamente.

[0053]Em contraste com a tecnoiogia inventiva, a tecnoiogia da técnica anterior requer uma corrente operacionai muito maior. Para caicuiar a eficiência de fóton para fotoeiétron incidente para a tecnoiogia da técnica anterior, conforme mostrado na Tabeia 1 abaixo, o espectro AM.15 soiar de NREL é usado, o quai a fonte de iuz na iiteratura estava emuiando. Para a intensidade de 100 mW/cm2 usada na iiteratura, o fiuxo totai de fótons torna-se 3,89 x 1017 s-1 cm-2, dos quais os fótons entre 280 nm e 380 nm têm o fluxo de 1,16 x 1016 s-1 cm-2. Portanto, a eficiência de fóton para fotoeiétron incidente é de 0,28%. Mesmo considerando apenas os comprimentos de onda abaixo de 380 nm, a eficiência permanece apenas 9,3%. Assumindo 40% de eficiência quântica da fonte de luz, igual ao LED UV usado neste estudo, isso exigiria uma corrente operacional de 2.000 A que não é prática em uso clínico, doméstico ou portátil.

[0054]Algumas comparações do desempenho da tecnologia atual e da tecnologia convencional são mostradas na Tabela 1 abaixo. Tabela 1: Comparação entre a tecnologia atual e convencional

[0055]As Figuras 6A e 6B são imagens de microscópio das nanoestruturas 723 em duas escalas diferentes de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. Geralmente, para melhorar o desempenho do TiO2, há uma compensação inerente de ter uma amostra que é espessa o suficiente para absorver toda a luz que entra, mas também fina o suficiente para coletar a corrente de elétrons sem quantidades significativas de recombinação de transportadores no volume do substrato. Em algumas modalidades, tal otimização é obtida pelas estruturas em nanoescala altamente ordenadas com área de superfície elevada e condução elétrica eficiente para o eletrodo de coleta de elétrons (por exemplo, um substrato que é uma camada FTO). Em operação, densidade relativamente alta na direção vertical das nanoestruturas 723 permite a separação de elétrons/transportadores de orifício, reduzindo, portanto, a recombinação de transportadores ineficientes. Em algumas modalidades, as nanoestruturas 723 têm cerca de 500 nm de espessura.

[0056]A Figura 7 é uma vista esquemática de uma unidade de tratamento de ureia de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. A unidade de tratamento de ureia ilustrada 720 inclui múltiplas células 720-i (também referidas como células de tratamento de ureia, células de regeneração de fluido de diálise, ou células de oxidação fotoquímica). Em diferentes modalidades, as células 720-i podem compartilhar a mesma entrada e/ou saída. O fluxo do dialisato através da célula pode ser organizado como um fluxo paralelo ou em série, ou como uma combinação de ambos. Em geral, o empilhamento das células 720-i reduz a largura e a altura gerais do sistema, tornando o sistema mais compacto e portátil.

[0057]A Figura 8 é o fluxograma de uma unidade de tratamento de ureia 720 de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. A unidade de tratamento de ureia 720 inclui múltiplas células 720-i. Um fluxo de dialisato entra em uma célula 720-1, onde pelo menos a decomposição parcial da ureia no dialisato ocorre, e continua em direção a outras células 720-i. Coletivamente, a reação eletroquímica nas células 720-i converte a ureia em CO2 e N2, conforme explicado com referência à Equação 1 acima. Em geral, organizar as células 720-i pode tornar o sistema mais modular e/ou menos caro.

[0058]A Figura 9 é uma vista esquemática de um sistema de diálise de ureia portátil 100 de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. O sistema ilustrado 100 inclui múltiplas células 720-i tendo múltiplas entradas e saídas de dialisato 734, 736. O fluxo através das células 720-i pode ser organizado como mostrado nas Figuras 7-9. Como resultado, o tamanho do sistema de diálise de ureia 100 pode ser reduzido a tal ponto que o sistema se torna portátil, por exemplo, o sistema pode ser ajustado dentro de uma mochila ou outro transportador 105.

[0059]As Figuras 10A-10D são vistas esquemáticas de sistemas de diálise portáteis de acordo com modalidades da presente tecnologia. Em algumas modalidades da tecnologia inventiva, a compactação do sistema de diálise pode permitir a vestibilidade ou a portabilidade do sistema. Tal vestibilidade/portabilidade do sistema de diálise promove mobilidade e qualidade de vida do paciente.

[0060]A Figura 10A ilustra um sistema de diálise portátil 100 que é fixado a um corpo do paciente 5. O sistema de diálise portátil 100 é conectado ao sistema vascular do paciente com um tubo 110, com outras modalidades possíveis de locais de acesso vascular. A Figura 10B ilustra um sistema de diálise portátil 100 que inclui a unidade de tratamento de ureia 720 que pode ser ajustada dentro da mochila 105. A Figura 10C ilustra um sistema de diálise portátil 100 que inclui a unidade de tratamento de ureia 720 que pode ser ajustada dentro de uma mochila 105. A Figura 10D ilustra um sistema de diálise portátil 100 que inclui a unidade de tratamento de ureia que pode ser encaixada dentro de uma caixa 105. Outros exemplos do sistema de diálise portátil 100 também são possíveis em diferentes modalidades.

[0061]A Figura 11 é um gráfico de fotocorrente de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. O eixo horizontal do gráfico mostra o tempo em segundos e o eixo vertical mostra a fotocorrente em mA/cm2. Os dados foram obtidos iluminando as nanoestruturas de TiO2 que foram fabricadas por síntese hidrotérmica (curva superior) e revestimento por imersão (curva inferior). Ao adquirir dados, o LED é ligado (50 mA) em 5 s para as medições; 0 V é aplicado ao TiO2; e solução estática de ureia/NaCl é usada. O filme de TiO2 que foi feito por síntese hidrotérmica mostra alta corrente inicial. Esta corrente inicial é limitada pelo transporte de massa e tem fotocorrente de estado estacionário cerca de 8X maior do que o filme de TiO2 que foi preparado por revestimento por imersão. A intensidade de LED efetiva no substrato de TiO2/FTO foi de 4 mW/cm2.

[0062]A Figura 12 é um gráfico de fotocorrente em função do tempo de crescimento hidrotérmico de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. O eixo horizontal do gráfico mostra o tempo em segundos e o eixo vertical mostra a fotocorrente em mA/cm2. A intensidade de LED efetiva no substrato de TiO2/FTO foi de 4 mW/cm2. Uma fotocorrente de estado estacionário em função do tempo de crescimento hidrotérmico mostra o tempo de crescimento ideal em cerca de 185 min (correspondendo à fotocorrente máxima).

[0063]A Figura 13 é um gráfico de absorbância em função do comprimento de onda de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. O eixo horizontal do gráfico mostra o comprimento de onda da luz que chega em nanômetros, e o eixo vertical mostra a absorbância em unidades atômicas. Os espectros de absorbância de luz ultravioleta geralmente aumentam com o tempo de crescimento hidrotérmico (as etapas de tempo sendo as mesmas que aquelas mostradas sequencialmente na Figura 12 acima).

[0064]A Figura 14 é um gráfico de fotocorrente em função da corrente de LED efetiva (intensidade da luz) de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. O eixo horizontal do gráfico mostra a corrente de LED efetiva em mA, e o eixo vertical mostra a fotocorrente em mA/cm2. Os símbolos redondos correspondem ao potencial de voltagem cátodo-ânodo aplicado de 0,8 V, e os símbolos de diamante correspondem ao caso sem voltagem cátodo-ânodo. Assim, o gráfico mostra um aumento significativo da fotocorrente em estado estacionário com polarização de + 0,8 V aplicada ao ânodo de TiO2. O aumento é devido à separação de pares de orifícios de elétrons no TiO2, abrindo orifícios na superfície de reação e atraindo elétrons para o circuito catódico. A corrente de LED efetiva é a porção da corrente de LED responsável pela incidência de fótons no substrato testado (o LED tem 40% de eficiência quântica). Devido à geometria do dispositivo, apenas 6,7% dos fótons emitidos incidiram na superfície do TiO2 (ou seja, na superfície do substrato de TiO2).

[0065]A Figura 15 é uma comparação de desempenho entre um cátodo revestido com Pt e um cátodo preto com Pt de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. O eixo horizontal do gráfico mostra o tempo em segundos e o eixo vertical mostra a fotocorrente em mA/cm2. A luz do LED foi ligada por volta de 5 s com 0 V aplicado no ânodo e com solução estática de ureia. A intensidade de LED efetiva no substrato de TiO2/FTO foi de 4 mW/cm2. Para o eletrodo preto com Pt, bolhas de ar (2 mL/min) foram introduzidas em 370 s. Este evento causa o aumento repentino da fotocorrente para o cátodo preto com Pt. No entanto, o cátodo revestido com Pt superou consistentemente o cátodo preto com Pt em termos de fotocorrente.

[0066]A Figura 16 é um gráfico de fotocorrente em função do tempo, de acordo com uma modalidade da presente tecnologia. A intensidade de LED efetiva no substrato de TiO2/FTO foi de 4 mW/cm2. Os resultados demonstram a operação quase contínua de um dispositivo protótipo funcionando por mais de 100 h em uma solução circulada (0,3 ml/min) de ureia 10 mM e NaCl 0,15 M.

[0067]Muitas modalidades da tecnologia descrita acima podem assumir a forma de instruções executáveis por computador ou controlador, incluindo rotinas executadas por um computador ou controlador programável. Aqueles versados na técnica relevante apreciarão que a tecnologia pode ser praticada em sistemas de computador/controlador diferentes daqueles mostrados e descritos acima. A tecnologia pode ser incorporada em um computador de propósito especial, controlador ou processador de dados que é especificamente programado, configurado ou construído para realizar uma ou mais das instruções executáveis por computador descritas acima. Consequentemente, os termos "computador" e "controlador", conforme geralmente usados neste documento, referem-se a qualquer processador de dados e podem incluir aparelhos de Internet e dispositivos portáteis (incluindo computadores palm-top, computadores vestíveis, telefones celulares ou móveis, sistemas multiprocessador, eletrônicos de consumo baseados em processador ou programáveis, computadores de rede, minicomputadores e semelhantes). O termo "cerca de" significa +/- 5% do valor declarado.

[0068]Do exposto, será apreciado que modalidades específicas da tecnologia foram descritas neste documento para fins de ilustração, mas que várias modificações podem ser feitas sem se desviar da divulgação. Além disso, embora várias vantagens e recursos associados a certas modalidades tenham sido descritos acima no contexto dessas modalidades, outras modalidades também podem exibir tais vantagens e/ou recursos, e nem todas as modalidades precisam necessariamente exibir tais vantagens e/ou recursos para se enquadrarem ao escopo da tecnologia. Consequentemente, a divulgação pode abranger outras modalidades não expressamente mostradas ou descritas aqui.

Claims (28)

1. Sistema de regeneração de fluido de diálise, caracterizado pelo fato de que compreende: um ânodo fotoeletroquímico nanoestruturado; uma fonte de luz configurada para iluminar o ânodo fotoeletroquímico; e um cátodo que é permeável a oxigênio fornecido a um fluido de diálise e não permeável a um líquido do fluido de diálise, em que o ânodo fotoeletroquímico é configurado para estar em contato com o fluido de diálise, e configurado para regenerar o fluido de diálise convertendo ureia no fluido de diálise em CO2, N2 e H2O através de uma reação fotoeletroquímica.

2. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluido de diálise é um dialisato.

3. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de regeneração de fluido de diálise é um sistema de diálise renal.

4. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o sistema de regeneração de fluido de diálise é um sistema de hemofiltração, ou um sistema de hemodiálise, ou um sistema de hemodiafiltração.

5. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma fonte de voltagem elétrica operacionalmente acoplada ao ânodo fotoeletroquímico e ao cátodo.

6. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a fonte de voltagem elétrica é portátil.

7. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de regeneração de fluido de diálise é portátil ou vestível.

8. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de regeneração de fluido de diálise é estacionário.

9. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ânodo fotoeletroquímico, a fonte de luz, e o cátodo que é permeável ao oxigênio e não permeável ao líquido do fluido de diálise, são partes de uma célula de regeneração de fluido de diálise, e em que o sistema de regeneração de fluido de diálise compreende uma pluralidade de células de regeneração de fluido de diálise adicionais.

10. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o cátodo é um cátodo respirável pelo ar.

11. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o cátodo é um cátodo à base de pano condutor ou um cátodo à base de papel condutor.

12. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o cátodo à base de pano compreende um pano revestido com platina.

13. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o cátodo é configurado para dividir água eletroquimicamente.

14. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que nanoestruturas do ânodo fotoeletroquímico são configuradas para gerar fotoelétrons ou buracos quando expostas à luz emitida pela fonte de luz.

15. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz compreende uma matriz de diodos emissores de luz (LEDs).

16. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que os LEDs são dispostos em uma matriz bidimensional (2D).

17. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que os LEDs geram uma irradiância inferior a 4 mW/cm2 em uma superfície do ânodo fotoeletroquímico.

18. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que os LEDs emitem luz no comprimento de onda de 365 nm.

19. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz compreende uma fonte de UV.

20. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz compreende uma fonte de luz visível.

21. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que uma eficiência de fóton para fotoelétron incidente é de cerca de 51%.

22. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ânodo fotoeletroquímico nanoestruturado compreende nanofios de TiO2.

23. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que nanofios individuais têm uma espessura de cerca de 500 nm.

24. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que os nanofios de TiO2 são preparados hidrotermicamente.

25. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que os nanofios são dispostos em um substrato, e em que os nanofios individuais são acoplados individualmente eletricamente ao substrato que carrega os nanofios.

26. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma solução de dialisato com uma concentração de ureia de 10 mM ou menos.

27. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um eliminador de radicais configurado para remover subprodutos oxidativos, subprodutos de radicais e cloro.

28. Sistema de regeneração de fluido de diálise, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma membrana, em que a membrana é uma membrana de osmose reversa (RO).