CN112040999A

CN112040999A - 用于尿素光氧化的设备和方法

Info

Publication number: CN112040999A
Application number: CN201980028097.8A
Authority: CN
Inventors: 布鲁斯·海因兹; 邵国政
Original assignee: University of Washington
Current assignee: University of Washington
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2039-07-31
Also published as: AU2022203849A1; IL277205A; MX2020009679A; IL277205B; IL294390A; IL294390B2; KR102424503B1; JP7488251B2; PT3749385T; JP2021535769A; EP3749385A1; KR20220104842A; BR112020022074B1; TW202015746A; WO2020036732A1; IL294390B1; EP3749385B1; ZA202101012B; EP3749385A4; EP4091646A1

Abstract

本文公开了用于光‑化学氧化的设备和方法。在一个实施例中，一种透析流体再生系统包括：纳米结构的阳极；被配置为照亮阳极的光源；和氧气可渗透的阴极。

Description

用于尿素光氧化的设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年8月17日提交的美国临时申请号为62/719549的权益；该申请通过引用被明确地全文并入本文。

背景技术

全世界有超过200万的晚期肾病(ESRD)患者接受透析以维持生命，这一数字可能不足实际需求的10％。仅在美国，就有超过460,000人接受肾脏透析，其中每年有超过8.9万人死亡，其5年生存率仅为35％。血液透析的间歇性特征会引起血液代谢产物浓度的大幅波动。观察表明，与常规血液透析相比，通过延长血液透析治疗(即，更频繁或更长时间的治疗)的患者的透析长期存活率得到提高。

图1是常规透析系统10的平面图。在操作中，患者5连接到透析系统10，使得患者的血液通过管路14流入透析系统10。管路14穿过血泵18。血泵18的泵送动作推动患者的血液通过透析系统10并回到患者体内。泵18通常是非接触式泵。

透析液12是有助于从患者的血液中去除不需要的废物(例如尿素)的流体。在透析期间，透析液12和患者的血液流过透析系统10，但是这两种流没有物理地混合。相反，来自机器的新鲜透析液12通过膜而与血流分开。患者血流中的杂质通过膜被过滤掉进入透析液12中。例如，正常成年人每天通常需要去除12-24克尿素，但减少蛋白质饮食每天15克就足够了。其他杂质也从血流中被过滤掉进入透析液。含有不需要的废物和多余电解质的透析液会离开透析器进行处理。

由于血液透析是根据扩散到目标浓度低的透析液中的原理进行的，因此固有地需要大量的流体。常规的血液透析通过每次使用约120升的透析液来实现从体内清除过多代谢废物，这通常需要3-4小时的治疗。每周可能需要透析3次。患者遭受严重的生命破坏，包括必须被固定几个小时，以及必须安排到透析中心的交通，这影响了他们的生活质量。因此，需要用于改善透析，包括改善尿素去除的系统和方法。

发明内容

提供本发明内容来以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征。

简要地，本发明技术涉及从透析液中去除尿素。本发明的技术可以用于透析，包括肾脏透析、血液透析、血液滤过、血液透析滤过、杂质的去除等。

在一些实施例中，光-化学氧化(也称为“透析流体再生”或“尿素处理”)从透析液中去除尿素。透析系统流体再生系统可以包括：纳米结构的阳极；被配置为照亮阳极的光源；和氧气可渗透的阴极。纳米结构可以是热液生长的TiO₂纳米线。光源可以由LED阵列提供。氧气可渗透的阴极或空气可渗透的阴极可以是铂涂覆的(Pt涂覆的)布或纸。

在一些实施例中，系统的尺寸可以足够小以变得可穿戴和/或便携。可穿戴的透析装置不仅可以实现连续透析，而且还可以通过增强的移动性来帮助降低诊所相关的治疗成本并改善生活质量。

在一个实施例中，一种透析流体再生系统包括：纳米结构的阳极；被配置为照亮阳极的光源；氧气可渗透的阴极。

一方面，透析流体是透析液。另一方面，该系统是肾脏透析系统。一方面，该系统是血液滤过系统。一方面，该系统是血液透析系统。一方面，该系统是血液透析滤过系统。

一方面，该系统还包括可操作地联接到阳极和阴极的电压源。另一方面，电压源是便携式的。

一方面，透析流体再生系统是便携式的。另一方面，透析流体再生系统是可穿戴的。另一方面，透析流体再生系统是固定的。

一方面，阳极、光源和作为氧气可渗透的阴极是第一透析流体再生隔室的部件，并且该系统包括多个透析流体再生隔室。

一方面，阴极是透空气的阴极。另一方面，阴极是基于导电布的阴极。一方面，该布是铂涂覆的(Pt涂覆的)布。一方面，阴极是基于导电纸的阴极。

一方面，阴极被配置为电化学分解水。另一方面，阳极的纳米材料被配置为当暴露于光时产生光电子或空穴。

一方面，光源包括发光二极管(LED)的阵列。一方面，LED以二维(2D)阵列布置。另一方面，LED在阳极的表面处产生小于4mW/cm²的辐照度。一方面，LED发射365nm波长的光。

一方面，光源包括UV源。另一方面，光源包括可见光源。一方面，入射光子到光电子的效率为约51％。

一方面，纳米结构的阳极包括TiO₂纳米线。另一方面，各纳米线具有约500nm的厚度。一方面，TiO₂纳米线是热液制备的。一方面，将纳米线设置在衬底上，并且将各纳米线分别电联接至承载纳米线的衬底。

一方面，透析液溶液的尿素浓度为10mM或更小。另一方面，该系统还包括自由基清除剂，其被配置为去除氧化副产物、自由基副产物和氯。

一方面，该系统还包括膜，该膜被配置为使小分子通过并且阻止大分子通过。另一方面，该膜是反渗透(RO)膜。

在一个实施例中，一种透析流体再生系统包括：纳米结构的衬底，其被配置为当暴露于光时产生光电子或空穴；被配置为照亮衬底的光源；和氧气可渗透的屏障。

一方面，光源是自然发生的。

在一个实施例中，一种用于再生透析流体的方法包括：使透析流体流过前述权利要求中任一项所述的系统；和当透析流体经过阳极时，用光源照亮阳极，从而以光-电化学方式消除透析流体中的尿素。

在一个实施例中，一种用于再生透析流体的方法包括：使透析流体在透析系统的阳极和阴极之间流动，其中，阳极包括多个纳米结构；和用光源照亮阳极；使氧气朝向透析流体流过阴极；和将透析流体中的尿素转化为CO₂、N₂和H₂O，从而再生透析流体。

一方面，该方法还包括在透析系统内再循环透析流体。

一方面，该方法还包括：将正电压耦合至阳极；和将负电压耦合至阴极。

一方面，正电压和负电压之间的电压差在约0.6V至约0.8V的范围内。

一方面，光源包括UV光和可见光的光源。

一方面，使氧气朝向透析流体流过阴极包括：使环境空气流过阴极。

一方面，该方法还包括：使透析流体流过自由基清除剂；并在自由基清除剂中从透析流体去除氯。

在一个实施例中，一种制备透析流体的方法包括：使待处理的水在透析流体再生系统的阳极和阴极之间流动，其中阳极包括多个纳米结构；用光源照亮阳极；使氧气朝向待处理的水流过阴极；和氧化待处理的水中的杂质，从而产生透析流体。

一方面，该方法还包括在透析系统内再循环透析流体。一方面，该方法还包括：将正电压耦合至阳极；和将负电压耦合至阴极。

附图说明

当结合附图并参考以下具体实施方式时，将更容易理解本发明技术的前述方面和许多附带优点，其中：

图1是根据常规技术的透析系统的平面图；

图2是根据本技术的实施例的透析系统的示意图；

图3是根据本技术的实施例的操作中的透析系统的示意图；

图4A是根据本技术的实施例的尿素处理单元的分解图；

图4B是根据本技术的实施例的操作中的尿素处理单元的示意图；

图5A是根据本技术的实施例的尿素处理单元的分解图；

图5B是根据本技术的实施例的尿素处理单元的分解图；

图6A和图6B是根据本技术的实施例的纳米结构的显微镜图像；

图7是根据本技术的实施例的尿素处理单元的示意图；

图8是根据本技术的实施例的尿素处理单元的流图；

图9是根据本技术的实施例的便携式尿素透析系统的示意图；

图10A-图10D是根据本技术的实施例的便携式透析系统的示意图；

图11是根据本技术的实施例的光电流的图；

图12是根据本技术的实施例的光电流随热液生长时间变化的图；

图13是根据本技术的实施例的吸光度随波长变化的图；

图14是根据本技术的实施例的光电流随有效LED电流变化的图；和

图15是根据本技术的实施例的Pt涂覆的阴极和Pt黑阴极之间的性能对比；和

图16是根据本技术的实施例的光电流随时间变化的图。

具体实施方式

尽管已经示出和描述了几个实施例，但是应当理解，可以在不脱离要求保护的主题的精神和范围的情况下进行各种改变。

图2是根据本技术的实施例的透析系统的示意图。所示的系统(例如，肾脏透析系统、血液透析、血液透析滤过或血液滤过系统)包括尿素氧化单元700和毒素选择性去除单元600。在操作中，包括尿素和其他毒素的血流410进入尿素氧化单元700。血流410通过膜712而与透析液流体流(例如，透析液)715分离，该膜712允许血流和透析液流体流(为简单起见称为“透析液”)之间的选择分子进行质量交换。在一些实施例中，低分子量截止透析膜仅允许小分子(例如，小于100Da)通过。在一些实施例中，膜可以是反渗透(RO)膜。在一些实施例中，尿素氧化单元700包括被配置为去除尿素的光-化学氧化单元720(也称为“透析流体再生单元”或“尿素处理单元”)和自由基/痕量清除剂780，该自由基/痕量清除剂780被配置为去除氧化副产物、自由基副产物、氯和/或其他毒素。下面参考图4A至图8更详细地描述光-化学氧化单元720。在本说明书中，术语“光氧化”、“光化学氧化”和“光-化学氧化”可互换使用。

在一些实施例中，在从血流410中去除尿素和/或其他小分子毒素之后，因此被部分清洁的血流414继续流向结合蛋白质的毒素选择性去除单元600。血流414通过膜612而与细胞成分分开，该膜612构造成使大分子量蛋白质和小分子(通常称为血浆)通过。在膜612的渗透侧上是用于清除较大分子量和/或与蛋白质结合的毒素的选择性吸附剂。该溶液614通过膜613流入单元650，其具有吸附剂和选择性膜的混合物以通过流610去除小分子毒素。营养物质作为流651以及在膜612的渗透/血浆侧上的流616中解吸的蛋白质返回血流416。被单元600去除的毒素610的一些非排他性实例是与人白蛋白结合的硫酸吲哚酚。通常，尿素氧化单元700去除小的毒性分子，而毒素选择性去除单元600去除大的毒性分子或与诸如白蛋白之类的蛋白质结合的分子。然而，在不同的实施例中，毒素去除单元的不同布置也是可能的。从毒素选择性去除单元600出来的血液和/或血浆流616继续流向透析过程的其他元件/步骤或返回到患者。

图3是根据本技术的实施例的操作中的透析系统的示意图。所示的分析系统用作透析液715的再生系统。在操作中，血流410、805在患者的血管系统与通常需要泵(例如，泵810)的尿素氧化单元700和毒素选择性去除单元600(或其他毒素去除单元)之间流动。在一些实施例中，透析液715的流在单元600、700内再循环，因此消除或至少限制了向过程添加新鲜透析液的需要。结果，与常规透析相比，利用本发明技术的实施例减少了透析液的消耗。

透析液715的尿素浓度可以为10mM或更小。在一些实施例中，控制器794可以控制泵810和716的操作以调节血流输入410和透析液715的流。

图4A是根据本技术的实施例的尿素处理单元20的分解图。所示的尿素处理单元20是通过电化学反应去除尿素的光-电尿素处理单元。系统20包括两个电极24、26，它们通过介电间隔件27(例如，橡胶、硅或塑料间隔件)隔开。在操作中，包含尿素的透析液被保持在两个电极24、26之间，并且受到光照射，该光照射促进将尿素光氧化为CO₂，H₂O和N₂。

所需的光源可以由紫外(UV)灯22提供。该反应还需要氧气以用于电化学反应。下面参考图4B描述供应所需的氧气。

图4B是根据本技术的实施例的操作中的尿素处理单元的示意图。在所示的实施例中，空气流入管路28，并进一步流至位于光电尿素处理单元20内部的包含尿素的透析液中。箭头29指示进入的空气流，其在透析液中产生气泡31。然而，来自UV灯22的入射光子到电化学反应的量子效率可能相对较低，有时小于1％。结果，如果要在便携式装置中实现大约15至20g尿素去除的目标，尿素处理单元22仍然可能是不切实际地大。下文关于图5A描述了改进的氧气供应。

图5A是根据本技术的实施例的尿素处理单元720的分解图。尿素处理单元720中发生的电化学反应可以描述为：

阳极：CO(NH₂)₂+6OH^-—>CO₂+N₂+5H₂O+6e^-

阴极：O₂+2H₂O+4e^-—>4OH^-

总(Net)：CO(NH₂)₂+3/2O₂—>CO₂+N₂+2H₂O (方程式1)

在一些实施例中，透析液715从入口734流过间隔件732到出口736。透析液715携带待电化学分解成CO₂和N₂的尿素。间隔件732可以夹在阳极722和阴极742之间，其各自分别与电压源792(例如，直流电压源)连接。在一些实施例中，电压源792提供约0.6V至约0.8V范围内的电压差。在隔离物732的一些实施例中，整个透析液流被引导为在TiO₂层上方流动。

在一些实施例中，阳极722装有纳米结构(例如，TiO₂纳米线)。在操作中，阳极722被发光(例如UV光)的光源照亮，以用于方程式1中所示的电化学反应。在阳极处，光激发的TiO₂纳米结构为溶液组分在表面上的氧化提供了空穴，同时电子被收集在下面的导电氧化物(例如，氟掺杂的薄氧化物或FTO)上，然后被运输到阴极电极以将水分解成OH^-。光激发可以通过光源750或自然光来提供。

在一些实施例中，阴极742可以是气体可渗透的(例如，空气可渗透的或氧气可渗透的)。在操作中，包括氧气的气流760可以朝向包括尿素的透析液通过阴极742。

在一些实施例中，尿素处理单元720可以用于制备透析流体。例如，待处理的水可以在阳极722和阴极742之间通过，以氧化待处理的水中的杂质，从而产生透析流体。下面参考图5B-图6B进一步描述尿素处理单元720的一些实施例。

图5B是根据本技术的实施例的尿素处理单元720的分解图。在一些实施例中，尿素处理单元720包括一个或多个纳米结构的阳极722，其具有承载纳米结构723的衬底721。纳米结构的阳极722可以被保持在衬底保持器724中。尿素的光化学分解所需的光可以由包括一个或多个光源(例如，发光二极管(LED)、激光器、放电灯等)的光阵列752提供。光源可以以二维(2D)阵列布置。在一些实施例中，LED发射365nm波长的光。在一些实施例中，LED发射紫外(UV)光或可见光波长的光。在一些实施例中，LED在阳极的表面处(例如，在衬底721的表面处)产生强度小于4mW/cm²的光。在其他实施例中，可以使用其他更高的光强度，例如在阳极得到表面处强度大于mW/cm²的光。在一些实施例中，入射光子的量子效率(入射光电效率)为约51％。在一些实施例中，纳米结构的阳极722可以结合或不结合专用的光阵列752而基于入射的自然光进行操作。

如参考图5A所解释的，阴极可以是空气可渗透的阴极742，其阻挡液体(例如水)，但使气体(例如空气或氧气)通过。在一些实施例中，阴极742由导电布制成。例如，导电布可以是铂涂覆的(Pt涂覆的)的布或碳布。在一些实施例中，阴极742可以是基于导电纸的阴极。空气可渗透的(透空气的)阴极742可以通过具有用于阴极742的支撑元件的间隔件744和746(例如，具有网状支撑元件745、747(或其他气体可渗透的结构元件)的间隔件)而被机械地保持在适当的位置。

利用本发明技术的至少一些实施例，当与常规技术的性能相比时，观察到显著的性能提升。例如，使每天的尿素产量与每天目标为15克(0.25摩尔)的6e-氧化过程相匹配需要24小时内1.7A的电流。对于在TiO₂纳米结构的阳极上具有1mA/cm²的目标光电流密度，所需的总装置面积约为1700cm²，即1.82ft²。利用这样的总装置面积，部署一个背包大小的装置就变得可行，该装置每天氧化约15克尿素。背包大小的装置需要约12个8000mAh电池才能进行8小时的操作(无需充电)，并且对于更短的操作则需要按比例更少的电池。

此外，低浓度尿素分解的高转化效率显示出TiO₂的高选择性以氧化尿素vs生成通常不期望的氧代氯类(oxochloro-species)。另外，与没有纳米结构或LED的现有技术所实现的相比，光电流密度高出一个数量级以上。

装置性能的样本计算

对于所示的实施例，UVLED的操作电流保持在50mA。在将6.7％的光子几何入射到TiO₂样本上的情况下，我们可以通过

来获得入射LED电流到光电子电流的效率，其中I_LED和I_光电流分别是用于驱动LED的电流和所产生的光电流。由于LED量子效率为40％，因此入射光子到光电子的效率

利用Q_总＝∫I_光电流dt计算通过电路的光电流的总量。用于尿素分解的累积光电流可以通过尿素浓度变化来计算，即Q_尿素＝6×96485×(C_开始-C_结束)×V，其中6是氧化单个尿素分子中包

含的电子数乘以法拉第常数(Faraday’sconstant)，C_开始和C_结束是在光氧化实验之前和之后测得的尿素浓度，并且V为0.3ml。光电流对尿素分解的选择性为

尿素去除速率假设在操作期间是恒定的。为了计算所需的电极面积和操作电流，我们可以假设每天需要去除15克尿素。

与发明技术相反，现有技术需要更高的操作电流。为了计算下表1中所示的现有技术的入射光到光电子的效率，使用了来自NREL的太阳AM.15光谱，文献中的光源正在模拟该光谱。对于文献中使用的100mW/cm²强度，总的光子通量变为3.89×10¹⁷s^-1cm^-2，其中280nm至380nm之间的光子的通量为1.16×10¹⁶s^-1cm^-2.因此，入射光子到光电子的效率为0.28％。即使仅考虑低于380nm的波长，效率仍然只有9.3％。假设光源的量子效率为40％(与本研究中使用的UVLED相同)，则需要2000A的操作电流，这在临床、家庭或便携式应用中都不实用。

在下面的表1中示出了本技术和常规技术的性能的一些对比。

表1：本技术与常规技术的对比

图6A和图6B是根据本技术的实施例的纳米结构723在两个不同比例下的显微镜图像。通常，为了提高TiO₂的性能，存在一个固有的权衡取舍，即样品要足够厚以吸收所有入射光，而且要足够薄以收集电子电流，而在衬底的大部分(bulk)中不会发生大量的载流子重组。在一些实施例中，通过具有高表面积和到电子收集电极(例如，为FTO层的衬底)的高效电传导的高度有序的纳米级结构来获得这种优化。在操作中，在纳米结构723的竖直方向上相对高的密度允许电子/空穴载流子的分离，因此减少了无效的载流子重组。在一些实施例中，纳米结构723为约500nm厚。

图7是根据本技术的实施例的尿素处理单元的示意图。所示的尿素处理单元720包括几个隔室720-i(也称为尿素处理隔室，透析流体再生隔室或光-化学氧化隔室)。在不同的实施例中，隔室720-i可以共享相同的入口和/或出口。透析液通过隔室的流可以布置为并行流或串行流，或两者的组合。通常，将隔室720-i堆叠减小了系统的整体宽度和高度，因此使系统更加紧凑和便携。

图8是根据本技术的实施例的尿素处理单元720的流图。尿素处理单元720包括多个隔室(cells)720-i。透析液流进入隔室720-1，在这里进行透析液中的尿素的至少部分分解，并继续向其他隔室720-i行进。总的来说，隔室720-i中的电化学反应将尿素转化为CO₂和N₂，如上面参考方程式1所解释的。通常，布置隔室720-i可以使系统更模块化和/或更便宜。

图9是根据本技术的实施例的便携式尿素透析系统100的示意图。所示系统100包括具有多个透析液入口和出口734、736的多个隔室720-i。通过隔室720-i的流可以如图7-图9所示布置。结果，可以将尿素透析系统100的尺寸减小到该系统变得便携的程度，例如，该系统可以安装在背包或其他载体105内。

图10A-图10D是根据本技术的实施例的便携式透析系统的示意图。在本发明技术的一些实施例中，透析系统的紧凑性可以实现系统的可穿戴性或便携性。透析系统的这种可穿戴性/便携性促进了患者的活动性和生活质量。

图10A示出了附接到患者5的身体的便携式透析系统100。便携式透析系统100使用管110以及血管进入位置的其他可能的实施例而连接到患者的血管系统。图10B示出了便携式透析系统100，其包括可以安装在背包105内的尿素处理单元720。图10C示出了便携式透析系统100，其包括可以安装在手提箱105内的尿素处理单元720。图10D示出了便携式透析系统100，其包括可以安装在箱子105内的尿素处理单元。在不同的实施例中，便携式透析系统100的其他示例也是可能的。

图11是根据本技术的实施例的光电流的图。该图的横轴显示以秒为单位的时间，纵轴显示以mA/cm²为单位的光电流。通过照亮由热液合成(上曲线)和浸涂(下曲线)制造的TiO₂纳米结构来获得数据。当获取数据时，LED在5s处打开(50mA)进入测量；0V被施加到TiO₂；并且使用静态尿素/NaCl溶液。通过热液合成制造的TiO₂膜显示出高的初始电流。此初始电流受到质量传输的限制，其稳态光电流比通过浸涂制备的TiO₂薄膜高约8倍。TiO₂/FTO衬底上的有效LED强度为4mW/cm²。

图12是根据本技术的实施例的光电流随热液生长时间变化的图。该图的横轴显示以秒为单位的时间，纵轴显示以mA/cm²为单位的光电流。TiO₂/FTO衬底上的有效LED强度为4mW/cm²。随热液生长时间变化的稳态光电流在约185分钟处显示最佳生长时间(对应于最大光电流)。

图13是根据本技术的实施例的吸收度随波长变化的图。该图的横轴显示以纳米为单位的入射光的波长，纵轴显示以原子为单位的吸光度。紫外光吸收光谱通常随热液生长时间而增加(时间步长与上面图12顺序示出的时间步长相同)。

图14是根据本技术的实施例的光电流随有效LED电流(光强度)变化的图。该图的横轴显示以mA为单位的有效LED电流，纵轴显示以mA/cm²为单位的光电流。圆形符号对应于施加的0.8V的阴极到阳极的电压电位，菱形符号对应于没有阴极到阳极的电压的情况。因此，该图示出了：在将+0.8V偏压施加到TiO₂阳极的情况下，稳态光电流显著增加。这种增加是由于在TiO₂中分离了电子空穴对，将空穴推至反应表面并将电子吸引到阴极电路中。有效LED电流是LED电流中负责入射在被测衬底(LED具有40％的量子效率)上的光子的部分。因为装置的几何形状，仅有6.7％的发射光子入射在TiO₂表面上(即TiO₂衬底表面上)。

图15是根据本技术的实施例的Pt涂覆的阴极和Pt黑阴极(Pt-blackcathode)之间的性能对比。该图的横轴显示以秒为单位的时间，纵轴显示以mA/cm²为单位的光电流。在向阳极施加0V电压和使用静态尿素溶液的情况下，在约5秒处打开LED灯。TiO₂/FTO衬底上的有效LED强度为4mW/cm²。对于Pt黑电极，在370s处引入空气气泡(2mL/min)。此事件使得Pt黑阴极的光电流突然增加。然而，就光电流而言，Pt涂覆的阴极始终优于Pt黑阴极。

图16是根据本技术的实施例的光电流随时间变化的图。TiO₂/FTO衬底上的有效LED强度为4mW/cm²。结果表明，原型装置几乎连续操作地在10mM尿素和0.15MNaCl的循环(0.3ml/min)溶液中运行了超过100h。

上述技术的许多实施例可以采用计算机或控制器可执行指令的形式，包括由可编程计算机或控制器执行的例程。相关领域的技术人员将理解，可以在除了上面示出和描述的那些系统之外的计算机/控制器系统上实践该技术。该技术可以实施在专用计算机、控制器或数据处理器中，该计算机、控制器或数据处理器经过专门编程，配置或构造为执行上述一个或多个计算机可执行指令。因此，本文中通常使用的术语“计算机”和“控制器”是指任何数据处理器，并且可以包括互联网设备和手持装置(包括掌上型计算机、可穿戴计算机、蜂窝或移动电话、多处理器系统、基于处理器或可编程的消费性电子产品、网络计算机、小型计算机等)。术语“约”是指所述值的+/-5％。

根据前述内容，将理解的是，本文出于说明的目的已经描述了本技术的特定实施例，但是在不脱离本公开的情况下可以进行各种修改。此外，尽管以上已经在那些实施例的上下文中描述了与某些实施例相关联的各种优点和特征，但是其他实施例也可以表现出这样的优点和/或特征，并且并非所有实施例都需要表现出落入技术范围内的此种优点和/或特征。因此，本公开可以涵盖本文未明确示出或描述的其他实施例。

Claims

1.一种透析流体再生系统，包括：

纳米结构的阳极；

被配置为照亮所述阳极的光源；和

氧气能够渗透的阴极。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述透析流体是透析液。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统是肾脏透析系统。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述系统是血液滤过系统。

5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述系统是血液透析系统。

6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述系统是血液透析滤过系统。

7.根据权利要求1所述的系统，还包括：能够操作地联接到所述阳极和所述阴极的电压源。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述电压源是便携式的。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述透析流体再生系统是便携式的。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述透析流体再生系统是能够穿戴的。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述透析流体再生系统是固定的。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阳极、所述光源和所述氧气能够渗透的阴极是一个透析流体再生隔室的部件，并且其中，所述系统包括多个附加的透析流体再生隔室。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阴极是透空气的阴极。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述阴极是基于导电布的阴极。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述布是铂涂覆的布。

16.根据权利要求13所述的系统，其中，所述阴极是基于导电纸的阴极。

17.根据权利要求13所述的系统，其中，所述阴极被配置为电化学分解水。

18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阳极的纳米材料被配置为当暴露于光时产生光电子或空穴。

19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源包括发光二极管(LED)的阵列。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述LED以二维(2D)阵列布置。

21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述LED在所述阳极的表面处产生小于4mW/cm²的辐照度。

22.根据权利要求19所述的系统，其中，所述LED发射365nm波长的光。

23.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源包括UV源。

24.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源包括可见光源。

25.根据权利要求18所述的系统，其中，入射光子到光电子的效率为约51％。

26.根据权利要求1所述的系统，其中，所述纳米结构的阳极包括TiO₂纳米线。

27.根据权利要求26所述的系统，其中，各纳米线的厚度为约500nm。

28.根据权利要求26所述的系统，其中，所述TiO₂纳米线是热液地制备的。

29.根据权利要求26所述的系统，其中，所述纳米线设置在衬底上，并且其中，各所述纳米线分别电联接至承载所述纳米线的衬底。

30.根据权利要求1所述的系统，还包括：尿素浓度为10mM或更小的透析液溶液。

31.根据权利要求1所述的系统，还包括：自由基清除剂，所述自由基清除剂被配置为去除氧化副产物、自由基副产物和氯。

32.根据权利要求1所述的系统，还包括：膜，所述膜被配置为使小分子通过并阻止大分子通过。

33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述膜是反渗透(RO)膜。

34.一种透析流体再生系统，包括：

纳米结构的衬底，其被配置为当暴露于光时产生光电子或空穴；

被配置为照亮衬底的光源；和

氧气能够渗透的屏障。

35.根据权利要求34所述的系统，其中，所述光源是自然发生的。

36.一种用于再生透析流体的方法，包括：

使所述透析流体流过前述权利要求中任一项所述的系统；和

当所述透析流体经过所述阳极时，用所述光源照亮所述阳极，从而以光-电化学方式消除所述透析流体中的尿素。

37.一种用于肾脏透析的方法，包括使用权利要求3所述的系统来去除尿素。

38.一种用于再生透析流体的方法，所述方法包括：

使所述透析流体在透析系统的阳极和阴极之间流动，其中，所述阳极包括多个纳米结构；

用光源照亮所述阳极；

使氧气朝向所述透析流体流过所述阴极；和

将所述透析流体中的尿素转化为CO₂、N₂和H₂O，从而再生所述透析流体。

39.根据权利要求38所述的方法，还包括：在透析系统内再循环所述透析流体。

40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述透析系统是便携式的。

41.根据权利要求39所述的方法，其中，所述透析系统是能够穿戴的。

42.根据权利要求39所述的方法，其中，所述透析系统是固定的。

43.根据权利要求39所述的方法，还包括：

将正电压耦合至所述阳极；和

将负电压耦合至所述阴极。

44.根据权利要求43所述的方法，其中，所述正电压与所述负电压之间的电压差在约0.6V至约0.8V的范围内。

45.根据权利要求38所述的方法，其中，所述光源包括发光二极管(LED)的阵列。

46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述LED在所述阳极的表面处产生小于4mW/cm²的辐照度。

47.根据权利要求46所述的方法，其中，所述LED发射包括365nm波长的波段的光。

48.根据权利要求38所述的方法，其中，所述光源包括UV光和可见光的光源。

49.根据权利要求38所述的方法，其中，所述多个纳米结构包括TiO₂纳米线。

50.根据权利要求38所述的方法，其中，所述阴极是空气能够渗透的阴极。

51.根据权利要求50所述的方法，其中，使氧气朝向所述透析流体流过所述阴极包括：使环境空气流过所述阴极。

52.根据权利要求38所述的方法，还包括：

使所述透析流体流过自由基清除剂；和

在所述自由基清除剂中从所述透析流体去除氯。

53.一种用于制备透析流体的方法，所述方法包括：

使待处理的水在透析流体再生系统的阳极和阴极之间流动，其中，所述阳极包括多个纳米结构；

用光源照亮所述阳极；

使氧气朝向待处理的水流过所述阴极；和

氧化所述待处理的水中的杂质，从而生成所述透析流体。

54.根据权利要求53所述的方法，还包括：在透析系统内再循环所述透析流体。

55.根据权利要求53所述的方法，还包括：

将正电压耦合至所述阳极；和

将负电压耦合至所述阴极。