CN103402563A - 用于纯化血液和其它流体的电吸着和分解装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于从血液和其它流体中去除物质的装置,所述装置包含:i)用于从血液、血浆、超滤液或透析液流体中去除物质如毒素、有毒溶质、有毒的小分子和中等尺寸分子和与蛋白结合的毒素的电催化分解过滤器,所述电催化分解过滤器包含直流电源,一组具有催化表面或与提供催化活性的吸着剂直接接触的电极,ii)用于从血液、血浆、超滤液或透析液流体中去除物质如毒素、有毒溶质、有毒的小分子和中等尺寸分子和与蛋白结合的毒素的电吸着过滤器,所述电吸着过滤器包含直流电源、一组电极、纳米结构的吸着材料和/或多孔聚合物基质,iii)供血液或血浆或透析液流体进入所述装置中的进口,iv)用于从所述装置中去除纯化了的血液、血浆、超滤液或透析液流体的出口,和v)导管,其连接所述进口与所述出口并且保持所述电吸着过滤器,以使得所述血液、血浆、超滤液或透析液流体被强迫通过所述电吸着和电催化分解过滤器。本发明的装置也适用于其它流体如水、化学品和其它生物流体的纯化。
Description
技术领域
本发明为通过电吸着和电催化分解来纯化流体的领域,特别但不限于生物流体如血液,例如人工肾、人工肝和血液透析系统中所用的血液。本发明涉及一种用于从生物流体中、例如从来自患者的血液中去除有毒物质的独立装置,涉及使用可佩戴单元中的本发明装置从血液中去除有毒物质的方法,该可佩戴单元在可移动的同时能够实现连续的血液纯化。本发明还适用于其它流体,例如废水;工艺化学品和其它生物流体,例如从尿液、透析液流体、牛奶、生物化学分析和处理流体中去除物质。在反向模式下,本发明的系统可用于以受控的方式释放成份。
背景技术
血液透析(HD)和腹膜透析(PD)是在肾不能充分从血液中去除有毒物质(杂质或废物)时进行的方法。透析最频繁用于患有肾衰竭的患者,但也可在急性情况下用于迅速去除药物或毒物。该技术可以挽救患有急性或慢性肾衰竭的人的生命。众所周知的是血液透析,其通过使血液在透析机中于身体外部沿专用过滤器循环来工作。此处,血液流动穿过半透膜(透析器或过滤器),在所述半透膜的另一侧以与血流逆流的方向流动透析流体。透析膜允许某个截止分子量以下的物质通过。通过扩散,这些物质的浓度将最终在膜的两侧相同。透析流体从血液中去除毒素并通常作为废物透析液被丢弃。使血液的化学失衡和杂质回到最小平衡并随后使血液回到身体。血液透析的功效为10至15%,其意思是10至15%的毒素从血液中被去除。通常,大多数患者每周经历三期血液透析。每期通常持续3至4小时。这是极不方便的,并且透析对患者的身体性和社会性副作用是很大的问题。
为了提供允许患者参加正常每日活动的携带式透析装置,已开发了人工肾。主要存在两种类型的人工肾。
在一个形式中,人工肾的原理由以下组成:通过透析从血液中提取尿素和其它更有毒的中等分子和利用吸附剂(通常为活性碳)使透析液再生。在基于这种透析肾脏机的系统的情况下,关键方面在于当透析流体再循环到透析器中时使所述透析流体再生。现有技术中可以遇见的透析肾脏机包括例如GB1406133和US2003/0097086中所述的那些。GB1406133公开了一种再循环型的人工肾,其具有包含活性碳和氧化铝的改进的吸附剂。US2003/0097086公开了一种携带式透析装置,其包含串联连接的使用透析液的透析器,并且还包含多个具有波状外形的吸着剂装置,所述波状外形吸着剂装置串联连接并且用于使耗尽的透析液再生。作为用于使耗尽的透析液再生的吸附材料,提供活性木炭、脲酶、磷酸锆、水合氧化锆和/或活性碳。
在另一个形式中,人工肾的原理可以基于使用合适膜的超过滤、或血过滤,其中包括血细胞的大分子被保持在过滤器上的滞留物中,而有毒物质则被收集在(超)滤液中。在血过滤期间,使患者的血液经由机器流过一组管道(过滤线路)至半透性膜(过滤器),在所述半透性膜处去除废物和水。添加替换流体并且使血液回到患者。以与透析类似的方式,血过滤涉及溶质越过半透膜的运动。然而,血过滤中所用的膜比血液透析中所用的膜更加多孔得多,并且未使用透析液,相反地,正流体静压驱动水和溶质穿过过滤膜,在所述过滤膜处将水和溶质作为滤液排走。将等渗替换流体添加至所得过滤的血液,以替换流体体积和重要的电解质。随后使其回到患者。在此,在超过滤的情况下,关键方面在于将尿素与超滤液中的其它成分如盐分离,所述其它成分也已流过所述膜,但其必须被重新掺入血液中以便维持其大体上恒定的电解质组成。
也已提出上述两种系统的组合。例如,Shettigar和Reul(Artif.Organs(1982)6:17-22)公开了一种使用滤血器过滤血液并同时针对其纯化的滤液进行透析的系统,其中所述滤液通过多吸附系统纯化,所述多吸附系统由用于去除尿素的木炭和阳离子交换剂组成。
也已提出中间系统,即,不进行超过滤,但直接从血液中吸附有毒物质的系统。US2004/0147900公开了一种用于处理医学或生物学流体、特别是血液的过滤筒,其由分隔的容器组成,其中每个分隔的空间含有吸附颗粒。提出的吸附材料主要是上述的US2003/0097086中公开那些,并且因此可以从血液中有效去除尿素。
如上所示,用于使透析液再生的吸附剂通常是活性碳。然而,已提出用于从透析流体或超滤液中去除物质的其它吸附剂。例如,US3,874,907公开了供人工肾使用的微胶囊,所述微胶囊基本上由含磺酸基团的交联聚合物组成并且涂布有含季铵基团的聚合物。磺化的聚合物的实例包括磺化的苯乙烯/二乙烯基苯共聚物,并且涂层聚合物的实例包括通过例如乙烯基二甲基胺单体的聚合所获得的那些。Shimizu等人(Nippon Kagaku Kaishi(1985),(6),1278-84)描述了一种供人工肾使用的用于从透析流体或血过滤物中去除尿素的化学吸着剂组合物。化学吸着剂基于二醛淀粉(DAS)-脲酶轭合物和4,4'-二脒基二苯基甲烷(DADPM)。
另一方法涉及电渗析,一种通过在类似于电泳系统的透析液膜上施加电场而加强透析工艺的方法。例如在WO03020403中,提出了一种在膜上具有电压的透析液系统。建议电压在50至150伏特的范围内。其主张的是,电场促进毒素如小溶质、磷酸盐、肌酸酐、β2微球蛋白和甚至尿素的扩散率和清除率。然而,主要缺点是所需的高电压导致血液显著受热。该系统因此需要附加的冷却部分,这使得该系统庞大并且耗能。
另一相关方法从水的纯化已知并且被称为电吸着。例如,在US2007/00728431中,公开了一种用于藉由用小电压激活的碳电极从水中去除无机离子如盐和金属的设备。该系统似乎对水和无机物质工作良好。迄今为止,尚未公开通过电吸着去除有机分子和物质如有毒的小分子和中等分子和蛋白的任何内容。
总之,现有技术公开了渗析装置和超过滤装置,其中可以将各种物质用作吸着剂。同样,已公开了使用外部电场以加强透析液扩散过程。
然而,现有技术的系统的问题在于,由于材料的有限吸着容量,它们仍然过大,或者不够高效,或二者,从而不能允许小的、台式尺寸的或可佩戴的血液纯化系统。
已于1975年在US3878564中描述了通过电激活氧化从血液和组织中去除毒素。在1982年,特别是在US4473449中,描述了使用具有TiO2、SnO2或RuO2涂层的Pt、Ti作为电极材料使透析液流体再生的这样一种工艺。该工艺从未用于血液纯化或在血液纯化中实践,很可能是因为该工艺从部分氧化的氨基酸和蛋白产生不想要的氧化产物。
通过电吸着装置去除毒素已在2009年公布的专利EP2092944中详细描述。虽然将建议的技术视为血液纯化中重要的进步,但尿素的去除仍然有问题并且需要吸着剂的相对高的体积和质量。
本发明的目的是克服与现有技术的装置相关的问题,并且提供紧凑且有效的吸着-过滤器和分解系统,以供血液透析、腹膜透析系统使用并且更一般来说供血液纯化系统如可佩戴的人工肾、人工肝、人工肺等使用。
在类似形式中,这种系统适用于其它流体的纯化,例如水的纯化、废水处理和诸如水族箱水的纯化。
发明概述
根据本发明,通过提供一种装置而解决了该问题,所述装置包含:
i)外壳,其具有用于水、透析液流体、血液或血浆或超滤液进入所述外壳的进口,用于从所述外壳中去除纯化了的水、透析液流体、血液或血浆或超滤液和过量流体的出口,和将所述进口与所述出口连接的导管
ii)电催化分解过滤器,用于从所述水、透析液流体、血液、血浆或超滤液中去除尿素、尿酸盐、氨、肌酸酐和含有胺(NHx)-基团的其它成分,所述电催化分解过滤器被包含在所述导管中,以使得所述水、透析液流体、血液或血浆或超滤液在从所述进口流到所述出口时,必须经过所述电催化分解过滤器,所述电催化分解过滤器包含:
a)由用于分解尿素、尿酸盐、氨、肌酸酐和具有胺基团的其它成分的催化材料制成或涂布的一组电极,或与具有电催化活性表面的材料电接触的一组电极
b)向电极提供电荷和电流以便启动并维持催化解离的电源
c)电子器件,其能够周期性转换电极的极性,以防止分子在电极上不想要的沉积
iii)电吸着过滤器,用于从所述水、透析液流体、血液、血浆或超滤液中去除毒素、有毒溶质、有毒的小分子和中等尺寸分子和与蛋白结合的毒素,所述电吸着过滤器被包含在所述导管中,以使得所述水、透析液流体、血液或血浆或超滤液在从所述进口流到所述出口时,必须经过所述电吸着过滤器,并且所述电吸着过滤器包含:
a)选自以下的吸着材料:
1)纳米结构吸着材料;
2)多孔聚合物基质,其中所述基质中的孔具有这样的尺寸,其允许期望从所述液体中去除的有毒物质进入所述基质中,和/或防止不期望从所述液体中去除的物质进入所述基质;和
3)多孔聚合物基质中俘获的纳米结构吸着材料,其中所述多孔聚合物基质中的孔具有这样的尺寸,其允许期望从所述液体中去除的物质进入所述基质中,并同时防止所述纳米结构吸着材料的漏出和/或防止不期望从所述液体中去除的物质进入所述基质中;所述吸着过滤器被包含在外壳中;
b)涂布有所述吸着材料或与所述吸着材料电接触的一组电极;
c)向所述电极提供电荷以便在所述吸着介质中产生电场强度的电源。
所述有毒物质优选地选自钾、磷酸盐、尿素、尿酸、氨、肌酸酐、β2-微球蛋白(2M)和与白蛋白结合的毒素例如对氨基马尿酸、对甲酚、硫酸吲哚酚、CMPF和胆红素。用由外部电源输送的额外的表面充电,电吸着过滤器将纳米结构吸着剂材料与高特异性和选择性表面区域组合在一起。该组合允许十分有效、高效且因此小尺寸的吸着系统。与带有电极的过滤器(其提供尿素、尿酸盐、氨、肌酸酐和具有胺基团的其它成分的催化分解)的组合使得这些毒素可以通过气化而非吸收去除,这显著地降低所需吸着剂的量。这有利于大大减小装置的尺寸。通过电吸着过滤器,有效去除由该电催化分解过程产生的可能不期望的氧化产物如部分氧化的氨基酸、肽和蛋白质以及由电催化分解产生的不期望的残余物如氯胺和氯气。
因此,电吸着过滤器和电催化分解过滤器以非常协同的模式操作:电催化分解过滤器使得能够大大减小电吸着过滤器中吸着剂的体积,而电吸着过滤器从电催化分解过滤器中去除所得的尿毒症毒素和不期望的副产物。
电吸着过滤器和电催化分解过滤器可被理想地整合到一个电吸着/分解系统中,其中电吸着过滤器的电极由电催化分解材料制成。随后将电吸着和电催化解离过程组合。这允许进一步减小尺寸和重量。这种组合设置的另一重要特征在于吸着材料连续地暴露于电催化分解方法。这防止吸着材料被有机沉积物如蛋白质阻塞。
小尺寸和随之而来的低重量使得用于水处理、血液过滤或血液透析或腹膜透析的小的、台式尺寸的系统和甚至可佩戴装置是可行的。
所述电吸着过滤器包含:吸收、吸附、离子交换和/或表面结晶材料,其具有提供与高化学表面活性组合的大比表面积的极小的纳米尺寸的颗粒或孔,如活性碳、纳米粘土、纳米晶水滑石、纳米多孔硅石、纳米多孔或层状硅酸铝(如沸石)、纳米多孔金属氧化物和金属氢氧化物、金属有机框架、沸石咪唑酯框架、纳米尺寸和/或活化石墨、环糊精、晶种;高度多孔的基质材料,其同样具有大比表面积,具有可调的多孔性和高特异性化学活性,如羧甲基纤维素和如生物聚合物,例如用特异性吸收的官能团改性的氧化淀粉,或它们的组合。
所述电催化分解过滤器包含由催化材料制成或涂布的一组电极,所述催化材料例如Pt、Ni、Ti、Sn、Ir、Ta和Ru及其氧化物TiO2、RuO2、RiO2、SnO2、Ta2O3、NiO或氢氧化物形式如NiOOH和Ni(OH)2或其混合物。根据以下反应,这些材料能够通过尿素、尿酸盐、氨、肌酸酐和具有胺基团的其它成分(如蛋白质和肽)的电氧化而分解为气体如N2、CO2和H2:
CO(NH2)2(s)+H2O(s)>N2(g)+CO2(g)+3H2(g)
在其它实施方案中,电催化分解过滤器包含与具有电催化表面活性的材料电接触的一组电极,所述具有电催化表面活性的材料例如Pt、Ni、Ti、Sn、Ir、Ta和Ru及其氧化物TiO2、RuO2、RiO2、SnO2、Ta2O3、NiO或氢氧化物形式如NiOOH和Ni(OH)2或其混合物。
根据本发明的装置的实施方案,其特征在于,纳米结构吸着材料选自:
i)纳米颗粒或纳米晶材料,优选为金属硅酸盐,例如硅酸铝(如沸石)、纳米粘土,优选片状纳米粘土、金属氢氧化物、金属氧氢氧化物、层状双氢氧化物如纳米水滑石或纯金属氧化物纳米颗粒;
ii)纳米多孔材料,优选地选自沸石、中孔体系、含碳纳米材料和金属有机框架;
iii)纳米复合材料;
iv)纳米纤维,和
v)上述的任何组合。
在本发明的装置的另一优选实施方案中,所述多孔聚合物基质是基于交联聚合物和/或带电聚合物和/或为了特异性吸收而用特异性官能团改性的聚合物。
在另一优选实施方案中,所述聚合物是选自碳水化合物和蛋白质的生物聚合物。
在另一优选实施方案中,所述碳水化合物是氧化的交联淀粉。
在另一优选实施方案中,所述碳水化合物是羧甲基纤维素。
在另一优选实施方案中,所述吸着材料按以下形式提供:电极上的永久涂层,平均尺寸基于干燥形式的尺寸计为250微米至1500微米范围的可更换凝胶或可更换干燥颗粒。
优选地,所述基质中的孔具有这样的尺寸:该尺寸防止白蛋白和其它有用的血液成分如转铁蛋白和维生素B12进入所述基质中。
根据本发明的装置的另一实施方案的特征在于,以筒的形式提供所述电吸着过滤器,其中所述电极涂布有所述吸着材料或所述电极由含所述吸着材料的多孔封套包围。
根据本发明的装置的另一个实施方案的特征在于,所述电吸着过滤器与可渗透封套组合以形成过滤垫,所述过滤垫包含包围过滤垫内容物的封套,其中所述垫的封套包含可渗透膜且所述垫的内容物包含所述吸着材料。
根据本发明的装置的另一个实施方案的特征在于,所述电吸着过滤器与电催化分解过滤器组合,所述电催化分解过滤器具有用于尿素、尿酸盐、氨、肌酸酐和含有胺基团的其它成分的电催化分解和气化的电极,其中用0至20V、优选0.5至4V的电压激活电极。低电压限制水的直接水解,否则将消耗额外的能量。
根据本发明的装置的另一实施方案的特征在于,所述装置还包含用于将患者血浆与患者血细胞分离的血浆过滤器。
根据本发明的装置的另一实施方案的特征在于,所述装置还包含用于将血液超滤液与患者血液分离的滤血器,其中将超滤液与血细胞、血小板和大的(一般>50kDa)分子如白蛋白、蛋白质S和C和LDL胆固醇分离。
在该实施方案中,所述吸着过滤器与血浆过滤器或滤血器系统组合,以便形成用于从患者的血液中去除有毒物质的人工肾装置,其包含用于将患者血浆与患者血细胞分离的血浆过滤器,或将血液超滤液与患者血液分离的滤血器,用于从患者血浆中去除毒素、有毒的小尺寸分子和中等尺寸分子和与蛋白结合的毒素且任选地用选自维生素、矿物质、抗凝剂、杀菌剂和其它药物中的至少一种物质补充该血液的与吸着-过滤器组合的电极,以及用于尿素、尿酸盐、氨和具有胺基团的其它成分的分解和气化的由催化材料制成或涂布的电极。
在血液过滤的情况下,使用用于将患者的血浆与血液分离的血浆过滤器或用于将患者的血液超滤液与血液分离的滤血器,随后使用用于从患者的血浆或超滤液中去除有毒的离子性溶质、有毒的小尺寸分子和中等尺寸分子和与蛋白结合的毒素的电吸着和分解过滤器。
在另一优选实施方案中,所述装置是血液透析或腹膜透析系统的一部分,以便提高透析流体的吸收能力或者通过所述电吸着和分解过滤器使透析液原位再生,并且因此使透析液流体体积和透析液系统的尺寸最小化,从而使透析系统可佩戴。
在另一优选实施方案中,所述透析系统是可佩戴透析系统。
在另一优选实施方案中,所述血浆过滤器或滤血器包含用于回收患者血细胞的至少另一出口。
优选地,将所述血浆过滤器或滤血器和所述电吸着和分解过滤器组合以形成过滤垫,其中所述可渗透膜由所述血浆过滤器或滤血器形成。
根据本发明的装置的另一实施方案的特征在于,所述装置还包含用于从患者血浆中去除毒素、小分子和中等尺寸分子的电吸着过滤器。
根据本发明的装置的另一实施方案的特征在于,所述装置还包含用于通过分解成小化学物质并随后气化而从患者血浆或超滤液中去除尿素、尿酸盐、氨、肌酸酐和主要为含胺基团的分子的其它成分的电催化分解过滤器。
根据本发明的装置的另一实施方案的特征在于,所述装置还包含用于用选自维生素、矿物质、抗凝剂、杀菌剂和其它药物的至少一种物质补充所述透析液流体和/或所述(纯化了的)血浆或超滤液的工具。
优选地,所述装置还包含与来自电极的电荷组合的离子交换系统和材料。
根据本发明的装置的另一实施方案的特征在于,用在出口中测量透析液、血液或血浆或超滤液的品质的传感器系统监测吸着过滤器的性能。
优选地,采用与电极上的反向电压模式组合的再生流体使吸着材料再生。
根据本发明的装置的另一实施方案的特征在于,该装置包含控制单元,其通过外部电源的0至200V电压控制电催化分解速率和吸着材料的吸着活性,以确保吸着介质中的场强度一般为10至20V/cm。
为了增强和调节吸着容量,通过电极将吸着材料连接至外部直流电源如电池或整流器。从而可以外部控制吸着材料的表面电荷。使用范围为0至3V且典型值为0.5至1.5V的电压。用于催化分解尿素、尿酸盐、氨、肌酸酐和其它含胺基团的成分的电极上的电压的范围为0至20V,且典型值为0.5至4.0V。更高的电压会增加水的电解率,这对能耗有消极影响。
通过调节电源的电压和电流,电极和吸着材料的表面电荷可以增加、维持、减少或反向。因为表面电荷是分子吸附和结合的主要驱动力,所以可以根据需要增加或降低吸着材料的容量。
通过以反向模式操作该装置,用电极上的电压反转导致结合的毒素的排斥,也可使吸着材料再生。
通过用会促进反向离子交换和随后的毒素释放的再生流体冲洗吸着剂,也可实现吸着剂的再生。这种再生流体可以由具有特定盐的水溶液组成,例如NaCl溶液(典型浓度1至10重量%)或其它钠盐。再生流体也可以含有来自钙、镁、铁的其它盐(优选氯化物)或其它成分例如维生素、EPO和药物。从而吸着剂不仅可以被再生,而且也可以用成分预负载。这些成分随后将以正常用途释放至血液系统。为了中和由吸着剂不期望地摄取特定成分,也使用该预负载。
通过与再生流体组合的反向电极模式操作,也可促进吸着剂的再生。
需要用于电催化分解的电极上的电压的反转,以避免因成分从流体中电沉淀而导致的失活。电压反转的频率并不十分关键,并且可以从每秒转换到每10至20分钟转换变化。然而,推荐将转换时间保持在10至100秒的范围内。
优选地,取决于传感器系统的读数,电子地调节外部来源的电压。
外部来源的电压可以反转为相反值,以便排斥和释放毒素、不需要的沉积物并且使吸着材料再生。
吸着电极优选为由Ag、Ti、不锈钢、Cr或其它血液相容性材料制成或涂布的平面、环形、管状或线状电极。
催化电极优选为由Pt、Ni、Ti、Ir、Sn、Ta和Ru及其氧化物或氢氧化物形式如TiO2、RuO2、RiO2、SnO2、Ta2O3、NiO和NiOOH和Ni(OH)2或其混合物制成的平面、环形、管状或线状电极。
在优选的实施方案中,所述人工肾系统是改善现有血液透析和腹膜系统的清除性能的系统。
在优选的实施方案中,所述人工肾系统是消除现有血液透析系统中透析液流体的使用的系统。
在优选的实施方案中,所述人工肾系统是使用被再生和再循环的小体积的透析液流体的系统。
在优选的实施方案中,所述人工肾系统是可佩戴装置。
本发明提供一种用于从水流、废水或生物流体如血液、血浆、超滤液或透析液中去除有毒物质的装置,所述装置包含:
i)具有电极和吸着材料的配置的间隔,其允许经由电催化分解和气化和经由通过电吸着从该间隔中的流体中提取毒素而去除毒素,以及通过反转电操作而解吸毒素,
ii)涂布有用于分解和气化尿素、尿酸盐、氨、肌酸酐和含有胺基团的其它成分的催化材料的电极,或者与所述间隔中具有类似电催化表面活性的材料电接触的电极,允许通过由电极和外部电源输送的电荷使该材料激活或去活,
iii)涂布有吸着材料的电极或与所述间隔中的吸着材料电接触的电极,允许通过由电极和外部电源输送的电荷使吸着材料激活或去活,
iv)用于从生物流体中去除毒素、小分子和中等尺寸分子的吸着材料,所述吸着过滤器包含选自以下的吸着材料:
-提供具有特异性(ab/ad)的吸着亲合力的高比表面积的纳米结构吸着材料;
-多孔聚合物基质,其中所述基质中的孔具有这样的尺寸,其允许期望从所述液体中去除的有毒物质进入所述基质中,和/或防止不期望从所述液体中去除的物质进入所述基质;和
-多孔聚合物基质中俘获的纳米结构吸着材料,其中所述多孔聚合物基质中的孔具有这样的尺寸,其允许期望从所述液体中去除的物质进入所述基质中同时防止所述纳米结构吸着材料的泄漏和/或防止不期望从所述液体中去除的物质进入所述基质中;
v)供水流、废水或生物流体进入所述装置中的进口,
vi)用于从所述装置中去除纯化了的水流、废水或生物流体的出口,和
vii)导管,其将所述进口与所述出口连接并且保持具有所述电极和所述吸着过滤器的间隔,以使得水流、废水或生物流体在从所述进口流到所述出口时,必须经过具有电极和吸着材料的所述间隔。
在本发明的装置的优选实施方案中,所述装置包含具有以下的间隔:
a)由Pt、Ni、Ti、Ir、Sn、Ta和Ru制成的平面、环形、管状或线状电极,所述电极涂布有它们的氧化物或氢氧化物形式例如TiO2、RuO2、RiO2、SnO2、Ta2O3、NiO或NiOOH和Ni(OH)2,
b)由Ag、Ti、不锈钢、Cr或其它血液相容性材料制成或涂布的平面、环形、管状或线状电极,或在a)中描述的电极,所述电极涂布有多孔的、优选纳米结构吸着材料或与其电接触,
c)能够控制各电极上电压的电控制单元,
d)能够例如经由导电率测定来测量清洁的(废)水或生物流体中毒素浓度的传感器单元,
e)确保足够水或生物流体流过该间隔的泵送单元,在肾病患者的血浆、透析液或超滤液情况下,流速一般为20至100ml/min,
f)任选的过滤器,例如用于血液–血浆分离、血液–超滤液分离或血液-透析液交换的血浆过滤器或滤血器。
附图简述
图1示出根据本发明的装置的截面图,所述装置具有用于使具有NHx基团的毒素例如尿素和肌酸酐分解和脱气的催化电极,和由用于随后吸附其它毒素如小溶质、中等分子和与蛋白结合的毒素的纳米结构吸着材料包围的电吸着电极。该装置被设定为用于经由滤血器提取超滤液而进行血液纯化。将纯化的超滤液送回至患者。
图2示出这种装置的类似截面图,但现在是基于透析液系统。此处,通过相同的电吸着和分解过滤器,使透析液连续地纯化并再生。
图3A和3B示出并入滤血器和整合的电吸着和分解过滤器系统的可佩戴装置的工程图。由于与电催化分解组合的纳米结构吸着材料,极小的装置现在变得十分可行。
图4A、4B和4C示出电吸着和分解单元的原型部件,所述单元具有催化电极(左),由吸附剂部分填充的电吸着腔室(中)和具有用于与电吸着组合的催化分解的堆叠电极(stacked electrode)的完整单元。这允许特征为每天24小时连续清洁操作的极小的且可佩戴的装置。这导致血液的好得多的清除率,十分显著地的改善肾病患者的健康状况和预期寿命。
具体实施方案
本文所用的术语"吸着"是指吸附和吸收二者。吸附是一种过程,其发生于气体或液体或溶质(称为吸附物)累积在固体或更少见的液体(吸附剂)的表面上时,形成分子或原子膜(吸附物)。其不同于吸收,在吸收中物质扩散到液体或固体中而形成"溶液"。术语“吸着”涵盖这两种过程,而解吸是逆向过程。
本文所用的术语"小尺寸分子"是指分子量低于500Da的分子,例如尿酸、尿素、胍、ADMA、肌酸酐。
本文所用的术语"中等尺寸分子"是指分子量为500Da至5000Da的分子,例如来自肽和脂质的终产物,胺,氨基酸,与蛋白结合的化合物,细胞因子,瘦素,微球蛋白和某些激素。
术语"纳米多孔材料"是指具有按定义大致为纳米范围(即1×10-7至0.2×10-9m之间)的孔的材料,并且包括指由IUPAC提出的3类:孔径为0.2至2nm的微孔材料(例如沸石);孔径为2至50nm的中孔材料;和孔径为50至1000nm的大孔材料。
本文所用的术语"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。
本文所用的"纳米尺寸"是指大约1至1000nm、更优选1至100nm的尺寸。
术语"电吸着"是指一种过程,其中借助于电源提供的吸着剂上额外的表面电荷,溶液中的离子溶质和带电分子被吸附到吸着剂的表面上。
术语"电吸着过滤器"是指一种包含吸着剂的过滤系统,所述吸着剂可以用外部电源经由连接到该吸着剂材料的电极充电或放电。
本文所用的术语"催化"是指一种过程,其中特定的化学反应在与另一材料接触时因特定的分子间相互作用而被促进。
本文所用的术语"电催化"是指经由电激活引发的催化化学反应。
本文所用的术语"分解"是指一种化学反应,其中成分被离解为其较小的组成部分。
本文所用的术语"气化"是指一种化学反应,其中成分被气化并从系统中释放。
本文所用的术语"电催化分解"是指一种过程,其中化学成分经由电催化氧化被离解为较小的化学物种,优选气态物种。
本文所用的术语"电催化分解过滤器"是指一种包含电极的过滤系统,所述电极经由毒素的电催化激活分解和随后的气化来去除这些毒素。
本文所用的术语"电吸着分解过滤器"是指一种将电吸着过滤器和电催化分解过滤器组合的过滤系统。
保持电吸着和分解过滤器组件的纯化装置
本发明的装置可以采取电吸着和分解过滤器组件的形式,所述电吸着和分解过滤器组件被置于血液透析或腹膜透析系统的透析流体体系中,使得能够从透析流体中去除毒素。电吸着和分解过滤器连续纯化透析液流体,保持透析流体中的毒素浓度低,导致血液透析和腹膜透析效率提高,通常为100%,并且显著地降低所需透析流体的消耗,理想地降至1至10升。吸着过滤器的其它的和任选的功能是释放用于补充血液的成份,例如钙,维生素A、C和B12,抗凝剂,杀菌剂,矿物质,特定药物等。该选择会简化现有血液透析和腹膜透析系统的操作,并会降低腹膜透析系统中发生感染的机会。
本发明的装置可以采取可佩戴的腹膜透析系统的形式,其中电吸着和分解过滤器组件被置于可佩戴的腹膜透析系统中。由于电吸着和分解过滤器的连续过滤,透析液流体的体积可以降至通常为1至2升。可佩戴的腹膜透析装置包含至腹腔的管状通路系统和一种单元,所述单元包含流体泵、电源、传感器、电子控制、通常每天放置和替换所述电吸着和分解过滤器组件的设施以及处理过量水的系统。吸着过滤器的其它的和任选的功能是释放用于补充血液的成份,例如钙、维生素A、抗凝剂、杀菌剂、矿物质、特定药物等。该选择会增强腹膜透析系统的操作,并会降低发生感染的机会。
本发明的装置可以采取可佩戴的血液透析系统的形式,其中电吸着和分解过滤器组件被置于可佩戴的血液透析系统中。由于电吸着和分解过滤器的连续过滤,透析液流体的体积可以降至通常为200至400ml。可佩戴的血液透析装置包含血管通路管道系统和一种单元,所述单元包含小滤血器系统、流体泵、电源、传感器、电控制、通常每天至每周放置和替换所述电吸着和分解过滤器组件的设施以及处理过量水的系统。电吸着过滤器的其它的和任选的功能是释放用于补充血液的成份,例如钙、维生素A、抗凝剂、杀菌剂、矿物质、特定药物等。该选择会简化血液透析系统的操作,并会降低发生感染的机会。
本发明的装置可以采取基于与电吸着和分解过滤组合的血浆过滤或血液超过滤的可佩戴的或台式尺寸的人工肾的形式。在这种实施方案中,将通过专用的血浆过滤器进行血浆过滤步骤,或超滤液将经由具有相对大孔径的专用滤血器来提取,所述专用滤血器将血液与血浆或超滤液分离,允许有毒溶质、小/中等分子和与蛋白结合的毒素随血浆超滤液通过进入到具有用于清洁的电吸着分解过滤器组件的间隔中。经由具有较小孔径的另外的滤血器,可以从血浆或超滤液中去除过量水,防止白蛋白的损失。清洁的血浆或超滤液随后再进入到血流中。应理解,在这种实施方案中,装置还包含必需的管道、血管通路和反馈系统、泵送、电子元件、传感器、电源组和其它要求。然而,这些对本发明并非必需。人工肾装置的优点在于将不需要透析流体。在该装置的优选实施方案中,血浆、超滤液或滤血器和电吸着和分解过滤器被组合以形成过滤组件,所述过滤组件包含封套,所述封套由滤血器材料制成,包围过滤材料和电极。本发明的人工肾装置的代表性实施方案示于图1和2。
图1中所示装置为用于血液纯化的装置的截面图。来自患者的血液经由血液进口1送至血浆过滤器或滤血器3。血液经由出口2送回至患者。在导管4处提取血浆或超滤液并送入电吸着和分解单元6。血浆或超滤液进入具有催化电极7的电催化分解部分8。此处,尿素、尿酸盐、氨、肌酸酐和具有胺基团的其它毒素被分解并经由出气口11脱气。每对电极上的电压可以高达20V,但为了限制水解,应保持低电压差,一般低于4V。其它毒素如小溶质钾和磷酸盐以及有毒中等分子如β2微球蛋白和与蛋白结合的毒素如对甲酚、吲哚硫酸酯和马尿酸被吸附在电吸着部分10中,其中可以经由电极7激活并清洁吸着剂9。带正电荷的电极(具有0至200伏的电荷)会吸引并结合带负电荷的毒素如磷酸盐、β2微球蛋白和绝大多数其它有毒蛋白质。带负电荷的反电极会吸引并结合带正电荷的毒素如钾和氨。用于吸引的电驱动力是吸着介质中的电场强度。已证明通常为10至20V/cm的场强度对加速毒素和促进结合是十分有效的。施加在电极上的实际电压因此会取决于电极距离。为了防止流体的水解,推荐通常为1.2至1.4V的低电压。只有当电极距离很小(范围通常为0.5至1.0mm)时,这种低电压才是有效的。然而,如果流体中高电压的水解或其它副作用可以被接受,则若干厘米的电极距离是可能的。
纳米结构吸着材料提供十分大的表面积和化学活性,以结合通常范围为10至50重量%的高负载毒素。可以操作该纯化模式,直至吸着材料被毒素饱和。这取决于所用吸着剂的量。代表性实施方案会包含50至150克吸着剂,允许持续12至24小时的连续纯化模式。装置可以变成反向模式。通过与再生流体组合地将外部电压转换成其相反符号,将装置设定为反向模式。在逆向电压下,吸着功能变化为排斥功能并且迫使毒素去结合(unbind)并离开吸着剂表面。从而,吸着剂被清洁并再生。通过处理再生流体和某些超滤液流体,去除间隔中释放的毒素。处理的超滤液的体积通常为约1至1.5L/天,这是由人释放的过量流体的正常量。
图2中示出类似方案,但在此处,使该系统适合用于(可佩戴的)血液透析单元。经由被送至滤血器3的通常为300至500ml的透析液流体而清洁血液。用电吸着并催化分解单元连续纯化透析液。
图3中示出紧靠实验室配置的照片的完整的可佩戴的人工肾脏装置的工程图。其包含滤血器,以便将毒素从血液中交换到透析液并且提取超滤液。电吸着和分解单元连续地从透析液中去除毒素。
原型部件示于图4中,其具有电催化电极(左),由吸附剂填充的电极间隔(中)和具有用于分解和电吸着的堆叠电极腔室的完整单元。
本发明的装置中的滤血器优选是市售的滤血器(例如,由Gambro GmbH,Hechingen,Germany或Membrana GmbH,Wuppertal,Germany生产)。
在替代性实施方案中,本发明的装置中的电吸着和分解过滤器可以包含用于接受离开所述血浆过滤器或滤血器的患者血浆或超滤液的进口,和用于回收纯化了的血浆或超滤液的至少一个出口。
在任何实施方案中,本发明的装置可以还包含用于用选自维生素如维生素A、C和B12;矿物质如钙、钠和钾;抗凝剂;杀菌剂和其它药物的至少一种物质补充(纯化了的)血浆或透析液流体的工具。
在任何实施方案中,本发明的装置可以还包含用于选择性吸着中等分子、维生素和矿物质如钙、钠和钾的工具。所述的吸着材料(蒙脱石、纳米粘土、层状双氢氧化物、水滑石、晶种、金属有机框架、改性生物聚合物等)因此负载有一定量的矿物质、维生素并且可仅吸收指定的量。
在任何实施方案中,本发明的装置可以还包含用于与过滤垫组合经由血液和透析液流体之间的渗透差异而在吸着垫中选择性吸着中等分子、维生素和矿物质如钙、钠和钾的工具。该变型中的血浆或超滤液基本上保持在循环中并且不进入过滤垫,但被清洁出有毒物质,并且与吸着单元组合经由透析液流体用营养物和其它重要物质补充。
任选地,装置或过滤垫可以包含离子交换系统。
在另一方面,本发明提供一种用于从血液中去除有毒物质的方法,其包含使用根据本发明的装置。
在另一方面,本发明提供一种用于从血液透析或腹膜透析流体中去除有毒物质的方法,其包含使用根据本发明的装置。
在另一方面,本发明提供一种用于从其它流体如水中去除物质的方法,例如用于制造饮用水或纯化水族箱水的方法,和用于纯化工业过程中所用化学制品以及从其它生物流体如尿液、奶、生物分析流体中去除物质的方法,所述方法包含使用根据本发明的装置。
本发明的装置中的电吸着和分解过滤器可以采取过滤垫的形式,其由包含吸着材料和电极的刚性或柔性容器组成。
本发明的装置中的电吸着和分解过滤器可以采取过滤器筒的形式,其由包含一组内置式电极和具有吸着材料的可替换过滤垫的刚性或柔性容器组成。
在另一方面,本发明可以采取具有连接到电源如电池或整流器的内置式电极的装置的形式,其保持电吸着和分解过滤器筒与这些电极接触并且包含血浆分离器或滤血器和吸着过滤垫,所述吸着过滤垫具有用于从血浆、超滤液或透析液中提取离子溶质和小尺寸分子和中等尺寸分子的吸着材料。
包含在电吸着过滤器中的纳米结构吸着材料
基于离子交换、表面吸附活性和/或表面成核(表面结晶),纳米结构材料表现出对各种物质的吸着能力。
吸着材料优选被官能化,例如以便与非官能化材料相比具有对有毒物质如尿素的提高的吸着性。本发明中的吸着材料是纳米材料,意思是该材料含有含有尺寸优选为100纳米或更少的颗粒或孔以产生大的比表面积。
合适的纳米结构吸着材料将基于纳米材料成分的掺合物,每种成分提供特定的官能性。取决于个别需要,由以下纳米材料类别和成分中选择:
i)层状双氢氧化物(LDH)或所谓的阴离子粘土或水滑石样化合物,其包含独特类别的层状材料,该材料具有带正电荷的层和位于层间区域中的电荷平衡阴离子。水滑石样化合物(HT)可以由下式表示:[Mg1-xAlx(OH)2]x+[Ax/n n-.mH2O]x-,其中0 x<0.33,并且An-是具有n价的可交换阴离子。这些化合物类似于矿物水滑石,Mg6Al2(OH)16CO3.4H2O。LDH可以具有不同的阳离子,例如二价阳离子Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和/或Zn,和三价阳离子Al、Mn、Fe、Co、Ni、Cr和/或Ga。特别优选的水滑石是Mg2Fe(OH)6.OH和Mg.OH。应注意,在本发明的方面中所用的水滑石不需要分层,而是可以以纳米晶材料的形式提供。
ii)纳米粘土、页硅酸盐或层状硅酸盐具有带负电荷的层和在层间间隔中的阳离子,其提供离子交换、吸附和表面成核活性。优选的是蒙脱石样粘土矿物质,例如蒙脱石、皂石、锂蒙脱石、氟代锂蒙脱石、贝得石、绿脱石、蛭石、多水高岭石和硅镁石。十分合适的是具有每100克50至200毫当量的阳离子交换容量的基于镁和/或硅酸铝层的粘土。示例性纳米粘土可购自例如Nanocore(USA)和Sudchemie(Germany)。
iii)从例如WO2007/051145中已知Mg、Sr、Ba、Ca、Ti、Zr、Fe、V、Cr、Co、Y、Mn、Ni、Cu、Al、Si、Zn、Ag、Au、Mo、Sb、Ce及其混合物的纳米晶金属氧化物和金属氢氧化物。纳米晶材料优选具有小于约25nm,更优选小于20nm,并且最优选小于10nm的微晶尺寸,并且表面积为至少约100m2/g,更优选至少约300m2/g,并且最优选约700m2/g和更多。示例性纳米晶材料可以以名称购自NanoScale Materials,Inc.Manhattan,Kansas。
iv)纳米多孔材料,其特征在于由纳米尺寸的洞或孔组成的结构的分子集群。用于本发明的纳米多孔材料可以包括活性碳、纳米多孔硅石、纳米多孔硅酸铝如沸石。十分合适用于本发明的纳米多孔材料是金属有机框架(MOF)。金属有机框架是混合材料,其中金属离子或小纳米簇通过例如US5,648,508和US6,893,564中所述的多官能有机连接基团连接到一维、二维或三维结构中。在许多情况下,有可能获得具有高度多孔性和甚至高于5000m2/g的比表面积的开放微孔和中孔结构。这种开放的多孔结构十分适于用作本发明中的纳米结构吸附剂。用于本发明的金属有机框架可以基于Mg、Sr、Ba、Ca、Ti、Zr、Fe、V、Cr、Co、Y、Mn、Ni、Cu、Al、Si、Zn、Ag、Au、Mo、Sb、Ce或提供良好吸附特性的任何其它金属。本发明的方面中所用的纳米结构材料中用于透析液流体或血液(血浆)纯化的优选的金属优选地基于诸如Fe、Ti和Mg的金属。网硅酸盐和四硅酸盐是合成或天然铝硅酸盐的另一类别,其为结晶多孔纳米结构,具有孔径可以从约至(埃)变化的长范围晶序。
v)适用于本发明的方面的含碳纳米材料,包括富勒烯、碳纳米颗粒、类金刚石、多孔碳材、石墨、微孔中空碳纤维、单壁纳米管和多壁纳米管。
通过分别地提供纳米结构吸着材料和多孔聚合物基质并且将这两者组合以使得纳米结构吸着材料插入到多孔聚合物基质中,可以制备本发明的包含多孔聚合物基质中俘获的纳米结构吸着材料的吸着剂。这可以例如通过用纳米结构材料的悬浮体灌注聚合物基质来进行。
或者,为了获得其中分散有纳米结构材料的聚合物基质,可以制备具有期望的多孔性的基质,并且在其中合成纳米结构材料。十分合适地,聚合物基质可以用金属盐的溶液浸渗,所述金属盐可以随后以金属氢氧化物或金属氧化物形式的金属盐在基质中沉淀。
电吸着过滤器中的聚合物基质
使用多孔聚合物基质以固定纳米结构吸着材料并防止纳米材料的不希望的泄露。聚合物基质的多孔结构会允许捕俘试图从流体中去除的分子,例如离子溶质、小分子和中等分子如尿素、肌酸酐和胆红素。
为了提供具有特定孔径的基质,优选实施方案中的聚合物是交联聚合物。聚合物基质的多孔性对于允许选择性是决定性的:对于待去除的毒素,寻求朝向吸着点的高扩散率,同时需要防止特定血液成分如白蛋白被吸着。因为白蛋白分子大致为80埃直径的球体,所以用于血液(血浆)或透析液的纯化应用中的聚合物基质的合适孔径会小于80埃(小于8nm)。
在优选实施方案中,具有纳米结构吸着材料的聚合物可以经由电极以电学方式表面带电。在另一优选实施方案中,聚合物是以化学方法带电的聚合物。
本发明的方面中所用的聚合物可以是合成或天然聚合物。天然聚合物(生物聚合物)适当地包含由低聚的和聚合的碳水化合物或蛋白质构成的交联碳水化合物或蛋白质。生物聚合物优选是多糖。其中,"淀粉家族"是尤其优选的,包括直链淀粉、支链淀粉和糊精。其它合适的多糖包括葡聚糖和纤维素。优选的纤维素是羧甲基纤维素(CMC,例如来自AKZO Nobel的AKUCELL)。
因此,可用的碳水化合物是仅由C、H和O原子组成的碳水化合物。优选地,使用聚合度(DP)为DP2以上的低聚碳水化合物或DP50以上的聚合碳水化合物。最优选地,氧化淀粉是交联的。优选的交联剂是二-环氧化物。十分合适地,交联水平为0.1至25%,更优选为1至5%,且最优选为2.5至3.5%。
可以使用的蛋白质包括白蛋白、卵清蛋白、酪蛋白、肌球蛋白、肌动蛋白、球蛋白、氯化血红素、血红蛋白、肌红蛋白、明胶和短肽。在蛋白质的情况下,也可使用得自植物或动物材料的水解产物的蛋白质。特别优选的蛋白质聚合物是明胶或明胶的衍生物。
同样合适地,可以使用碳水化合物的混合物(例如共聚物)或蛋白质的混合物。
为了提供带电聚合物,可以例如通过氧化、用阳离子官能团或羧甲基取代或通过用例如乙酰基的酯化作用,使碳水化合物聚合物改性。特别优选的碳水化合物聚合物选自淀粉或淀粉的衍生物、纤维素或纤维素的衍生物、果胶或果胶的衍生物。
通过氧化、用阳离子官能团或羰基和/或羧甲基取代和/或用例如乙酰基酯化,可以实现聚合物的改性。虽然在后一种情况下不添加电荷,但其用于制备更疏水的聚合物,以允许聚合物与几乎不具有电荷或不具有电荷的聚合物复合。
通常,会在交联和胶凝之前使聚合物改性。只有当通过醚形成来进行交联时,才有可能在交联和胶凝之后使聚合物改性。本领域技术人员会知道如何使本发明具体指定的聚合物改性以向它们提供所提及的基团。
取决于聚合物的类型、改性的类型和交联的类型,交联聚合物的电荷可以是负或正。
有利地,聚合物具有可观的尺寸,即,30kD或更多。这允许凝胶在交联时很容易形成,并且其允许形成晶格,其能够吸收纳米结构吸着材料。
通过用特异性分子捕集器或受体受体如抗体、辅基或羧基(一般为:结合配偶体)加载本发明的吸着材料,可以进一步增强该材料的选择性。对于蛋白或变性蛋白的选择性结合,十分合适的是:抗体,例如来自免疫球蛋白超家族(IgSF);辅基,例如来自脂质和维生素衍生物或金属离子,例如共价结合至蛋白的金、铁、锌、镁、钙;以及可以通过形成肽键而结合到蛋白的羧基。这种选择性吸收剂可以进一步增强用于有毒蛋白的过滤垫的选择性。
在优选实施方案中,本发明的装置包含用于经由选择性吸着和受控释放来调节血浆中的矿物质和其它物质的含量的工具。
因此在优选实施方案中,用于从来自患者的血液中去除有毒物质的装置包含滤血器和电吸着过滤器,其中电吸着过滤器从血液中去除有毒溶质、小分子和中等尺寸分子,并且包括诸如选择性吸着、受控释放和抗微生物控制的功能。
在最优选实施方案中,滤血器的血浆过滤器以及电吸着过滤器是单独的部分。例如,血浆过滤器或滤血器可以由现有的市售血浆过滤器、albuflow过滤器或高通量滤血器组成,并且电吸着过滤器可以由具有内置电极的筒组成。在该筒中,也含有吸着材料。吸着材料可以保持在多孔封套中以形成过滤垫。
本发明的装置可以用于对患有(发展出)肾衰竭的患者的血液进行过滤或纯化。在优选实施方案中,装置采取可佩戴人工肾装置的形式,但也可实施为台式尺寸的设备或适合的血液透析或腹膜透析设备。
人工肾能够进行某些通常通过适当地起到人或动物肾脏作用来进行的功能,特别是过滤血液以及调节和控制血液中物质的含量。
实验结果
实施例1:超滤液的纯化
如图3和4中所示构造原型机。已在动态试验中使用血浆和产生超滤液的高通量过滤器测试了该设置。电吸着和分解单元由25克纳米粘土/聚合物复合物和10克纳米多孔活性碳填充。将Ti/RuO2/TiO2催化电极用于在3V每电极对(中度电氧化)和5V每电极对(强烈电氧化)的电压下分解尿素。电极总表面积为600cm2。将超滤液流速设定为50ml/min。测量吸着和分解单元之前和之后的毒素浓度。2小时之后发现以下结果,其对装置的性能是代表性的。
表:用由35g吸着剂填充的电吸着/分解单元纯化超滤液流(50ml/min)
实施例2:透析液的纯化
如图3和4中所示构造原型机。已在动态试验中使用来自透析中心的透析液测试了该设置。透析液中的毒素浓度比实施例1的超滤液显著更低(低约2倍)。吸着和分解过程的效率因此稍微降低。电吸着和分解单元用35克沸石(4A)和15克金属氧氢氧化物吸着剂(FeOOH)填充。将Ti/RuO2/TiO2催化电极用于在3.5V每电极对(中度电氧化)的电压下分解尿素。电极总表面积为600cm2。将透析液流速设定为50ml/min。测量吸着和分解单元之前和之后的毒素浓度。1小时之后发现以下结果,其对装置的性能是代表性的。
表:用由50g吸着剂填充的电吸着/分解单元纯化透析液流(50ml/min)
出口/进口吸着剂单元的浓度比 | 中度氧化(3.5V)+吸着剂 |
钾 | 0.84 |
磷酸盐 | 0.84 |
肌酸酐 | 0.92 |
尿素 | 0.86 |
Claims (15)
1.一种用于从流体中去除物质、以及从生物流体中去除物质,特别是从透析液流体、血液、血浆或超滤液中去除有毒物质的装置,其特征在于,所述装置包含:
i)外壳,其具有用于透析液流体、血液、血浆或超滤液进入所述外壳的进口,用于从所述外壳中去除纯化了的透析液流体、血液、血浆或超滤液和过量流体的出口,和将所述进口与所述出口连接的
ii)电催化分解过滤器,用于从所述透析液流体、血液、血浆或超滤液中去除毒素、有毒溶质、有毒的小分子和中等尺寸分子和与蛋白结合的毒素,所述电催化分解过滤器被包含在所述导管中,以使得所述透析液流体、血液、血浆或超滤液在从所述进口流到所述出口时,必须经过所述电催化分解过滤器,所述电催化分解过滤器包含:
a)具有电催化表面用于通过电氧化来分解和气化毒素的一组电极
b)或与已涂布了电催化材料的多孔材料直接电接触的一组电极
c)向所述电极提供电荷以激活所述电催化电极表面的电源
d)考虑到毒素的再吸着和释放而控制和转换所述电极上的电荷
并且防止沉积物在所述电极上积累的电子器件
iii)电吸着过滤器,用于从所述透析液流体、血液、血浆或超滤液中去除毒素、有毒溶质、有毒的小分子和中等尺寸分子和与蛋白结合的毒素,所述电吸着过滤器被包含在所述导管中,以使得所述透析液流体、血液、血浆或超滤液在从所述进口流到所述出口时,必须经过所述电吸着过滤器,所述电吸着过滤器包含:
a)选自以下的吸着材料:
1)纳米结构吸着材料;
2)多孔聚合物基质,其中所述基质中的孔具有这样的尺寸,其允许期望从所述液体中去除的有毒物质进入所述基质中,和/或防止不期望从所述液体中去除的物质进入所述基质;和
3)多孔聚合物基质中俘获的纳米结构吸着材料,其中所述多孔聚合物基质中的孔具有这样的尺寸,其允许期望从所述液体中去除的物质进入所述基质中,并同时防止所述纳米结构吸着材料的漏出和/或防止不期望从所述液体中去除的物质进入所述基质中;所述吸着过滤器被包含在外壳中;
b)涂布有所述吸着材料或与所述吸着材料电接触的一组电极;
c)向所述电极提供电荷并且在所述吸着介质中产生电场强度的电源。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,用于所述电催化过滤器的所述电极是由以下制成的平面、环形、管状或线状电极:
i)金属,例如Pt、Ni、Ti、Ir、Sn、Ta和Ru,
ii)氧化物,例如TiO2、RuO2、RiO2、SnO2、Ta2O3、NiO
iii)氧氢氧化合物,例如TiO(OH)2、RuO(OH)2、RiO(OH)2、SnO(OH)2、NiOOH、TaOOH
iv)氢氧化物,例如:Ti(OH)4、Ru(OH)4、Ri(OH)4、Sn(OH)4、Ni(OH)2、Ta(OH)3。
3.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,将所述电吸着过滤器和电催化分解过滤器组合到一个过滤器间隔中,其中所述吸着材料被包含在所述电催化电极之间。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置,其特征在于,所述纳米结构吸着材料选自:
i)纳米颗粒或纳米晶材料,优选为金属硅酸盐,例如纳米粘土,优选片状纳米粘土、金属氢氧化物,优选层状双氢氧化物,如纳米水滑石或纯金属氧化物纳米颗粒;
ii)纳米多孔材料,优选地选自沸石、中孔体系、含碳纳米材料和金属有机框架;
iii)纳米复合材料;
iv)纳米纤维,和
v)上述的任何组合。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的装置,其特征在于,多孔聚合物基质中俘获的所述纳米结构吸着材料是基于交联聚合物和/或带电聚合物,优选为选自碳水化合物和蛋白质的生物聚合物,其中所述碳水化合物选自氧化的交联淀粉和羧甲基纤维素。
6.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述基质中的孔具有这样的尺寸,其防止白蛋白进入所述基质中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,以筒的形式提供所述电催化分解和电吸着过滤器,所述筒具有涂布有所述吸着材料的所述电极或具有由含有所述吸着材料的多孔封套包围的所述电极。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述电催化分解和电吸着过滤器与可渗透的封套组合以形成过滤垫,所述过滤垫包含包围过滤垫内容物的封套,其中所述垫的所述封套包含可渗透的膜并且所述垫的所述内容物包含所述吸着材料。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述装置还包含用于将患者血浆与患者血细胞分离的血浆过滤器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述装置还包含用于将患者超滤液与患者血细胞分离或允许在透析设置中进行血液-透析液毒素交换的滤血器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述装置还包含用于从所述患者血浆中去除毒素、小分子和中等尺寸分子的电吸着过滤器。
12.根据权利要求8和10所述的装置,其特征在于,所述血浆过滤器和所述电吸着过滤器组合以形成所述过滤垫,其中所述可渗透的膜由所述血浆过滤器形成。
13.根据权利要求9和10所述的装置,其特征在于,将所述滤血器和所述电吸着过滤器组合以形成所述过滤垫,其中所述可渗透的膜由所述滤血器形成。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述装置还包含用于用选自维生素、矿物质、抗凝剂、杀菌剂和其它药物的至少一种物质补充所述透析液流体和/或所述(纯化了的)血浆的工具。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述装置还包含离子交换系统。
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