血液凈化不僅是急慢性腎衰竭患者的有效治療手段，也在各類危重癥患者的搶救中發揮了重要作用。目前的血液凈化設備較為笨重，不適合在日常生活和災害救援現場使用。便攜式血液凈化設備可分為便攜式血液透析機、可穿戴式血液透析機、植入式人工腎和便攜式連續性腎臟替代治療機等類型，但均尚未在臨床上得到大規模應用。近年來隨著材料科學和計算機科學的進步，透析液的高效再生和設備的智能化運行成為可能，便攜式血液凈化設備也有望迎來快速發展。該文將簡要闡述便攜式血液凈化設備的發展歷程和未來研究方向。
引用本文： 趙宇亮, 劉彩虹, 張凌, 付平, 李正赤. 便攜式血液凈化設備的前世今生. 華西醫學, 2024, 39(7): 1005-1009. doi: 10.7507/1002-0179.202406149 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《華西醫學》版權所有，未經授權不得轉載、改編
血液凈化是各種急慢性腎衰竭的關鍵治療手段。血液透析、連續性腎臟替代治療（continuous renal replacement therapy, CRRT）等血液凈化技術的應用，極大地提高了終末期和重癥腎臟病患者的存活率。然而，普通的血液凈化設備體積偏大且高度依賴于外接的水電資源，僅能在醫療機構、透析中心等固定場所中使用。隨著社會經濟的發展，居家血液透析在部分國家得到應用，但其靈活性仍難以滿足透析患者正常的生活、學習和商旅等要求。我國是一個自然災害多發的國家，在災難救援的第一現場，目前仍缺乏能就地使用的 CRRT 機器。便攜式血液凈化設備是指設計緊湊、重量輕、易于攜帶且能夠在多種環境下進行血液凈化的裝置[1]，其研發不僅有助于改善尿毒癥患者的生活質量、恢復其社會價值，也能顯著提升對危重癥傷員的現場救治能力。本文將就便攜式血液凈化設備的發展歷程和研究進展進行闡述，供相關從業者參考。
1 便攜式血液凈化設備的分類
便攜式血液凈化設備通常應具備 3 個特征：① 較小的體積和重量，能由單人或少數人經過常規交通工具進行轉運；② 具備一定的自持力，可在一定時間內不依賴外界資源獨立運行；③ 具有足夠的血液凈化能力，滿足清除溶質、維持內環境的臨床需求。根據安置方式和運用場景，便攜式血液凈化設備可進行如下分類：
1.1 便攜式血液透析機（portable artificial kidney, PAK）
PAK 通常在傳統血液透析機的基礎上小型化而來，重量可低至 24 kg[2]，搭配輪式行李箱方便攜帶轉運，使用袋裝的傳統透析液進行血液透析。部分新型 PAK 配有透析液再生裝置，可僅使用少量透析液循環利用，設備的便攜性進一步提升。
1.2 可穿戴式血液透析機（wearable artificial kidney, WAK）
WAK 體積重量相較 PAK 進一步縮小，穿戴者可自由活動。WAK 具備微型的血液凈化循環及透析液再生循環，部分 WAK 使用吸附的方式直接清除分子溶質和有機廢物。WAK 從理論上可 24 h 持續進行，具備更加接近生理狀態的連續性血液凈化能力。
1.3 植入式人工腎（implantable artificial kidney, IAK）
IAK 將動脈和靜脈相連，利用動靜脈壓力差驅動血液流經人工腎并產生濾出液，經膀胱排出體外。基礎型的 IAK 僅能實現脫水，有效的溶質清除和內環境調節仍有賴于其他協同治療方式。新型生物 IAK 使用組織工程技術，讓 IAK 產生的濾出液通過種植有腎小管上皮細胞的中空纖維絲，模擬腎臟的重吸收和調節功能。
1.4 便攜式 CRRT 機（mobile continuous renal replacement therapy, MCRRT）
CRRT 具有治療時間長、血流動力學影響小等優勢，是一種適合危重癥患者的血液凈化模式。普通的 CRRT 機器僅適合院內使用，MCRRT 則通過小型化、智能化、長續航、高穩定性的設計，能夠在自然災害救援現場和轉運交通工具上使用，對高溫、潮濕、振動、停電、傾斜等不良環境具有良好的適應性。
2 便攜式血液凈化設備的發展歷程
血液凈化技術的發展始于 20 世紀中期，Willem Kolff 博士率先在荷蘭開發了第 1 臺成功的人工腎，其工作原理基于彌散過程，通過半透膜去除血液中的廢物[3]，而便攜式血液凈化設備的歷史和發展是一個不斷演進和創新的過程。在早期探索階段，Willem Kolff 等于 1975 年提出了一種總重約 4 kg 的 WAK 早期雛形；該設備由乙烯管道、泵、透析濾器、鎳鎘電池、炭吸附柱等功能單元構成，可實現 20 g/d 的氮清除率和 700 mL/h 的超濾率，但其清除尿毒癥毒素的總體效能較為有限[4]。隨后于 1979 年，美國紐約 Elmhurst 醫院的 Neff 和 Slifkin 等聯合開發了一種利用動靜脈壓力梯度驅動運行的 WAK。由于沒有使用透析液，患者必須通過大量飲水和大劑量超濾以實現充分的物質清除[5]。隨著材料科學的發展，WAK 的設計迎來了重大突破。有研究分別提出通過更換吸附柱實現透析液再生的 WAK，這不僅提高了透析液的循環使用效率，而且為設備的小型化和便攜性提供了新的可能性[6-7]。2016 年，一種使用搏動式血流泵驅動的腰帶式 WAK 被提出，并在 7 例患者中完成了初步試驗，然而該設備被發現存在二氧化碳氣泡蓄積、管路彎折、血流及透析液流速不穩定等現象[8]。REDY 濾芯作為目前較為主流的透析液再生方案，由尿素酶、活性炭、陽離子交換劑等組成，一個循環過程可產生約 6 L 的再生透析液，但小型化程度仍不令人滿意[9]。2021 年，Ito 等[10]使用聚氨酯片材建立多層微通道，開發了無泵血液濾過裝置和流體電阻裝置。連通動靜脈后，血流通過無泵血液濾過裝置進行超濾脫水，流體電阻裝置避免了設備末端的反超濾問題。在生物性 IAK 中，腎小管輔助裝置對 IAK 產生的超濾液進行進一步處理，并將部分超濾液回輸體內，能提高 AKI 患者的生存率和腎臟恢復率，這些創新進一步優化了設備的脫水效率和操作簡便性，但腎小管上皮細胞的制備和保存仍存在一定困難[11]。
相比之下，居家血液透析設備則更加成熟。2005 年，美國 NxStage 公司的一款 PAK 獲批在有護理人員監督的情況下進行居家透析，2017 年進一步獲批由患者本人獨立使用[12]。2011 年，Fresenius 公司也基于 2008 系列血液透析平臺推出了的居家透析 PAK 設備。2020 年，Outset 公司研發的 PAK 使用一次性的透析液再生模塊，實現了更大的透析液流速。荷蘭 Nextkidney 公司推出的 Neokidney 設備僅重 10 kg，體積約為行李箱大小，能夠通過吸附裝置利用僅 5 L 透析液完成 1 次透析治療。腎臟健康倡議（Kidney Health Initiative）和腎臟 X：腎臟創新加速器（Kidney X: the Kidney Innovation Accelerator）以及推進美國腎臟健康倡議（the Advancing American Kidney Health Initiative）等不同組織和機構都在研發新一代的 PAK 設備[13]。PAK 的國產化與本土創新也得到了突破。2020 年，上海成功開展了首例居家血液透析，我國的科技公司也逐步進入 PAK 的研發領域，例如心光生物正在嘗試研發的基于酶催化反應的透析液再生型血液透析機。
針對傳統 CRRT 不能適應復雜環境的現狀，周春華等[14]曾報道了一種具有輕量化、脫水精度高的 MCRRT 裝置設計方案，并在海上、車載轉運等工況下進行了動物實驗[15-16]。侯世科等[17]報道了一種便攜式血液凈化機，由非接觸式在線血液鉀離子監測系統和連續性血液凈化系統構成，為各種困難環境下及時搶救高鉀患者提供了治療手段。2023 年，四川大學華西醫院聯合國內多家高校、醫院及企業聯合申報的“便攜式 CRRT 設備的研發”獲得科技部國家重點研發計劃資助，旨在實現 MCRRT 設備小型化、關鍵零部件小型化、濾器國產化、操作智能化、監控遠程化等研發目標，從而為自然災害的醫學救援提供功能全面、穩定性好、自持力強、可智能化調控的 MCRRT 設備。
3 便攜式血液凈化設備的研究方向
3.1 透析液
一次普通的血液透析治療需消耗 120～140 L 透析液，日常攜帶如此大量的成品透析液顯然不現實，透析液再生是便攜式血液凈化順利開展的關鍵環節，使廢棄的透析液經過吸附柱吸附凈化并補充碳酸氫鹽后重回透析液循環中[18]。尿素是透析液中最重要代謝廢物，既往常使用含有尿素酶的吸附模塊促進透析液中的尿素分解，但吸附模塊容易飽和，產生的二氧化碳也會不斷聚集在循環中。除上述酶促反應外，其他尿素清除方式還包括使用親核劑與尿素形成共價鍵或配位鍵（化學吸附），或通過氫鍵形成和偶極相互作用進行物理吸附。2018 年，Meng 等[19]報道了一種由金屬碳化物和氮化物組成的新型納米材料 MXene，展現出對尿素的高吸附特性，或可作為尿素吸附柱的新選擇。一些研究還嘗試使用電解和光化學分解的方法將尿素轉化為氮、水和二氧化碳[12]。近來，有研究者提出在 WAK 中加入二氧化鈦納米導絲對尿素進行光分解。該裝置在 24 h 可分解約 14 g 尿素，氯和銨的生成量也相對較少[20]。通過透析液再生的方式，WAK 或 PAK 能夠僅使用少量透析液完成治療，但大量消耗的一次性吸附柱可能會帶來新的環境污染。有研究發現茚三酮吸附劑能夠在強酸環境下被清洗后再利用，可能是實現吸附柱回收的潛在方法[21]。既往 WAK 研究設定透析液流量為 47.1 mL/min 或 43 mL/min，均未發現嚴重的血流動力學改變、溶血、電解質及酸堿平衡紊亂，但最佳的透析液流量還有待進一步研究[7，22]。
3.2 膜材料
常規血液透析治療時長僅為 4 h，WAK、IAK、MCRRT 的治療時間可長達 24 h 或以上，便攜式血液凈化對濾器膜材料的清除效率和生物相容性有著更高的要求。有研究將聚乙烯醇、殼聚糖、阿加曲班、SlipSkin 等材料或藥物涂覆在膜材料表面，增強了濾器的抗凝效果和生物相容性[23-25]。普通透析器使用的聚合物膜具有流動阻力大、孔徑分布差異大等缺點，新型的硅基納米多孔膜的孔徑分布均一，孔徑變異度<1%，但納米膜的孔隙率僅為 1%，為了增強硅基納米多孔膜的通透性，研究者嘗試將膜材料的納米孔結構改進為長 4.5 μm、寬 10 nm 的納米裂隙結構[26]。值得注意的是，納米膜構型的進一步優化將可能受到光刻尺寸的限制。相比之下，改性后的氮化硅膜的孔隙率可達到 40%，但其側孔直徑將達到 40～80 nm，遠大于血液透析或血液透析濾過所需的側孔范圍[26]。為增加蛋白質結合尿毒癥毒素的清除能力，有學者研發了混合基質膜（Mix Matrix Membrane），其內層為高生物相容性的聚醚砜膜，外層為活性炭，能夠同時實現小分子水溶性毒素的清除和大分子蛋白結合毒素的吸附[27]。有研究者發現在共價有機骨架（COF）中摻入氟元素后，吸附劑的尿素吸附性能和尿素/水選擇性均顯著增加[28]。四川大學華西醫院腎臟內科蘇白海團隊提出一種氧化還原介導的非酶抗氧化 MXene 納米平臺，能通過抑制氧化應激下游的核因子 κB 炎癥通路而減輕急性腎損傷[29]。為避免微血栓對透析器纖維絲通暢性的影響，有研究者提出了“從外向內濾過”（out-in-filtration）的方法，即將血液循環和透析液循環接口對換，血液在中空纖維絲外部流動，透析液在中空纖維絲內部流動，纖維絲內部不會產生血栓，從而保障了通暢性[30]，但透析器殼體則有形成血栓的風險。活性電去離子晶片（AWEDI）是一種新型透析材料，通過對離子交換樹脂、離子交換膜施加外部電場，讓鈉、鉀、鎂等離子在電場驅動下定向移動，從而實現對溶質的選擇性重吸收[21]。如能通過生物工程、腎小管上皮細胞 3D 打印等技術進行高效制備，腎小管輔助裝置也有望幫助人工腎突破單純的濾過功能而更加趨近于具有完整功能的腎臟。
3.3 小型化和智能化
為實現小型化，便攜式血液凈化裝備需要在整機機架、泵、電機、傳感器、電池等方面進行優化設計。以 MCRRT 為例，目前的設計理念包括將機架設計為行李箱式、使用體積更小的電機、使用氣動隔膜泵等更小的泵、采用支持熱插拔的高容量電池等。電子科技大學自動化工程學院黃偉教授課題組首次提出了一種基于紫外光固化溝道的新型垂直結構，在新型傳感和精密測試領域取得突破；該技術將有助于實現 MCRRT 等便攜式設備傳感器的集成化和小型化[31]。在居家透析、日常生活、自然災害、醫療轉運等過程中，血液凈化往往需要在專科醫務人員不在場的情況下開展。如何實現智能醫囑調整、如何實現遠程醫療協助是便攜式血液凈化設備安全應用的前提。未來的智能化血液凈化設備，將利用高性能陣列傳感器，實時檢測大量理化指標，結合設備自帶的大數據模型給出醫囑建議，必要時則將患者信息傳回位于后方的醫生工作端，由專科醫生指導進行設備端的醫囑調整，完成信息流的閉環。同時，電池應具有高容量和穩定的輸出功率，以提高患者血液凈化過程的連續性和安全性[18]。血液凈化是高度依賴于機器設備的治療手段，在信息采集、硬軟件結合方面具有天然的優勢。治療過程中產生的海量數據，為人工智能模型的訓練及驗證提供了數據保障，最終實現便攜式血液凈化設備的智能化運行[32]。
3.4 血管通路
目前常用的血液凈化血管通路包括自體動靜脈內瘺、動靜脈人工血管、中心靜脈導管等。自體動靜脈瘺是維持性血液透析的優選血管通路，但便攜式血液凈化需要考慮患者的日常活動、災害救援等特殊場景，動靜脈內瘺的可及性和穿刺安全性都得不到保障。因此，中心靜脈導管在便攜式血液凈化中的運用更為普遍。有研究提出在 100 mL/min 的低血流速條件下，中心靜脈導管皮下穿刺港可能是潛在解決方案[1]。有研究顯示，中心靜脈導管會增加家庭血液透析患者的血流感染等不良事件發生率[33]。近年來，抗菌藥物封管液、抗菌封管帽、新型抗菌材質人工血管、透析穿刺港、穿刺針位置異常報警器等裝置的研發，或將進一步提高便攜式血液凈化中血管通路的可靠性和安全性[34-37]。
4 小結
普通血液凈化設備僅可在醫院內使用，使用便捷程度低、部署靈活程度差。便攜式血液凈化設備包括 PAK、WAK、IAK、MCRRT 等類型，旨在為慢性腎衰竭患者提供不影響日常活動的腎臟替代治療設置，以及能在災害救援現場、轉運交通工具上使用 CRRT 裝置。便攜式血液凈化裝置經過四十余年的發展，在毒素清除方式、機器構型設計方面經歷數輪迭代，但目前仍未廣泛應用于臨床。透析液的高效再生、高生物相容性的膜材料，小型化智能化的整機設計、穩定安全的血管通路，都是未來便攜式血液凈化設備研發的重點和難點。以上領域的突破，將有助于幫助急慢性腎衰竭患者在日常生活、災害救援等不同場景下接受便捷和高效的血液凈化治療。便攜式血液凈化設備的發展需融合跨學科智慧，有賴于臨床、工程、材料、經濟及社會學等學科的共同努力。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
血液凈化是各種急慢性腎衰竭的關鍵治療手段。血液透析、連續性腎臟替代治療（continuous renal replacement therapy, CRRT）等血液凈化技術的應用，極大地提高了終末期和重癥腎臟病患者的存活率。然而，普通的血液凈化設備體積偏大且高度依賴于外接的水電資源，僅能在醫療機構、透析中心等固定場所中使用。隨著社會經濟的發展，居家血液透析在部分國家得到應用，但其靈活性仍難以滿足透析患者正常的生活、學習和商旅等要求。我國是一個自然災害多發的國家，在災難救援的第一現場，目前仍缺乏能就地使用的 CRRT 機器。便攜式血液凈化設備是指設計緊湊、重量輕、易于攜帶且能夠在多種環境下進行血液凈化的裝置[1]，其研發不僅有助于改善尿毒癥患者的生活質量、恢復其社會價值，也能顯著提升對危重癥傷員的現場救治能力。本文將就便攜式血液凈化設備的發展歷程和研究進展進行闡述，供相關從業者參考。
1 便攜式血液凈化設備的分類
便攜式血液凈化設備通常應具備 3 個特征：① 較小的體積和重量，能由單人或少數人經過常規交通工具進行轉運；② 具備一定的自持力，可在一定時間內不依賴外界資源獨立運行；③ 具有足夠的血液凈化能力，滿足清除溶質、維持內環境的臨床需求。根據安置方式和運用場景，便攜式血液凈化設備可進行如下分類：
1.1 便攜式血液透析機（portable artificial kidney, PAK）
PAK 通常在傳統血液透析機的基礎上小型化而來，重量可低至 24 kg[2]，搭配輪式行李箱方便攜帶轉運，使用袋裝的傳統透析液進行血液透析。部分新型 PAK 配有透析液再生裝置，可僅使用少量透析液循環利用，設備的便攜性進一步提升。
1.2 可穿戴式血液透析機（wearable artificial kidney, WAK）
WAK 體積重量相較 PAK 進一步縮小，穿戴者可自由活動。WAK 具備微型的血液凈化循環及透析液再生循環，部分 WAK 使用吸附的方式直接清除分子溶質和有機廢物。WAK 從理論上可 24 h 持續進行，具備更加接近生理狀態的連續性血液凈化能力。
1.3 植入式人工腎（implantable artificial kidney, IAK）
IAK 將動脈和靜脈相連，利用動靜脈壓力差驅動血液流經人工腎并產生濾出液，經膀胱排出體外。基礎型的 IAK 僅能實現脫水，有效的溶質清除和內環境調節仍有賴于其他協同治療方式。新型生物 IAK 使用組織工程技術，讓 IAK 產生的濾出液通過種植有腎小管上皮細胞的中空纖維絲，模擬腎臟的重吸收和調節功能。
1.4 便攜式 CRRT 機（mobile continuous renal replacement therapy, MCRRT）
CRRT 具有治療時間長、血流動力學影響小等優勢，是一種適合危重癥患者的血液凈化模式。普通的 CRRT 機器僅適合院內使用，MCRRT 則通過小型化、智能化、長續航、高穩定性的設計，能夠在自然災害救援現場和轉運交通工具上使用，對高溫、潮濕、振動、停電、傾斜等不良環境具有良好的適應性。
2 便攜式血液凈化設備的發展歷程
血液凈化技術的發展始于 20 世紀中期，Willem Kolff 博士率先在荷蘭開發了第 1 臺成功的人工腎，其工作原理基于彌散過程，通過半透膜去除血液中的廢物[3]，而便攜式血液凈化設備的歷史和發展是一個不斷演進和創新的過程。在早期探索階段，Willem Kolff 等于 1975 年提出了一種總重約 4 kg 的 WAK 早期雛形；該設備由乙烯管道、泵、透析濾器、鎳鎘電池、炭吸附柱等功能單元構成，可實現 20 g/d 的氮清除率和 700 mL/h 的超濾率，但其清除尿毒癥毒素的總體效能較為有限[4]。隨后于 1979 年，美國紐約 Elmhurst 醫院的 Neff 和 Slifkin 等聯合開發了一種利用動靜脈壓力梯度驅動運行的 WAK。由于沒有使用透析液，患者必須通過大量飲水和大劑量超濾以實現充分的物質清除[5]。隨著材料科學的發展，WAK 的設計迎來了重大突破。有研究分別提出通過更換吸附柱實現透析液再生的 WAK，這不僅提高了透析液的循環使用效率，而且為設備的小型化和便攜性提供了新的可能性[6-7]。2016 年，一種使用搏動式血流泵驅動的腰帶式 WAK 被提出，并在 7 例患者中完成了初步試驗，然而該設備被發現存在二氧化碳氣泡蓄積、管路彎折、血流及透析液流速不穩定等現象[8]。REDY 濾芯作為目前較為主流的透析液再生方案，由尿素酶、活性炭、陽離子交換劑等組成，一個循環過程可產生約 6 L 的再生透析液，但小型化程度仍不令人滿意[9]。2021 年，Ito 等[10]使用聚氨酯片材建立多層微通道，開發了無泵血液濾過裝置和流體電阻裝置。連通動靜脈后，血流通過無泵血液濾過裝置進行超濾脫水，流體電阻裝置避免了設備末端的反超濾問題。在生物性 IAK 中，腎小管輔助裝置對 IAK 產生的超濾液進行進一步處理，并將部分超濾液回輸體內，能提高 AKI 患者的生存率和腎臟恢復率，這些創新進一步優化了設備的脫水效率和操作簡便性，但腎小管上皮細胞的制備和保存仍存在一定困難[11]。
相比之下，居家血液透析設備則更加成熟。2005 年，美國 NxStage 公司的一款 PAK 獲批在有護理人員監督的情況下進行居家透析，2017 年進一步獲批由患者本人獨立使用[12]。2011 年，Fresenius 公司也基于 2008 系列血液透析平臺推出了的居家透析 PAK 設備。2020 年，Outset 公司研發的 PAK 使用一次性的透析液再生模塊，實現了更大的透析液流速。荷蘭 Nextkidney 公司推出的 Neokidney 設備僅重 10 kg，體積約為行李箱大小，能夠通過吸附裝置利用僅 5 L 透析液完成 1 次透析治療。腎臟健康倡議（Kidney Health Initiative）和腎臟 X：腎臟創新加速器（Kidney X: the Kidney Innovation Accelerator）以及推進美國腎臟健康倡議（the Advancing American Kidney Health Initiative）等不同組織和機構都在研發新一代的 PAK 設備[13]。PAK 的國產化與本土創新也得到了突破。2020 年，上海成功開展了首例居家血液透析，我國的科技公司也逐步進入 PAK 的研發領域，例如心光生物正在嘗試研發的基于酶催化反應的透析液再生型血液透析機。
針對傳統 CRRT 不能適應復雜環境的現狀，周春華等[14]曾報道了一種具有輕量化、脫水精度高的 MCRRT 裝置設計方案，并在海上、車載轉運等工況下進行了動物實驗[15-16]。侯世科等[17]報道了一種便攜式血液凈化機，由非接觸式在線血液鉀離子監測系統和連續性血液凈化系統構成，為各種困難環境下及時搶救高鉀患者提供了治療手段。2023 年，四川大學華西醫院聯合國內多家高校、醫院及企業聯合申報的“便攜式 CRRT 設備的研發”獲得科技部國家重點研發計劃資助，旨在實現 MCRRT 設備小型化、關鍵零部件小型化、濾器國產化、操作智能化、監控遠程化等研發目標，從而為自然災害的醫學救援提供功能全面、穩定性好、自持力強、可智能化調控的 MCRRT 設備。
3 便攜式血液凈化設備的研究方向
3.1 透析液
一次普通的血液透析治療需消耗 120～140 L 透析液，日常攜帶如此大量的成品透析液顯然不現實，透析液再生是便攜式血液凈化順利開展的關鍵環節，使廢棄的透析液經過吸附柱吸附凈化并補充碳酸氫鹽后重回透析液循環中[18]。尿素是透析液中最重要代謝廢物，既往常使用含有尿素酶的吸附模塊促進透析液中的尿素分解，但吸附模塊容易飽和，產生的二氧化碳也會不斷聚集在循環中。除上述酶促反應外，其他尿素清除方式還包括使用親核劑與尿素形成共價鍵或配位鍵（化學吸附），或通過氫鍵形成和偶極相互作用進行物理吸附。2018 年，Meng 等[19]報道了一種由金屬碳化物和氮化物組成的新型納米材料 MXene，展現出對尿素的高吸附特性，或可作為尿素吸附柱的新選擇。一些研究還嘗試使用電解和光化學分解的方法將尿素轉化為氮、水和二氧化碳[12]。近來，有研究者提出在 WAK 中加入二氧化鈦納米導絲對尿素進行光分解。該裝置在 24 h 可分解約 14 g 尿素，氯和銨的生成量也相對較少[20]。通過透析液再生的方式，WAK 或 PAK 能夠僅使用少量透析液完成治療，但大量消耗的一次性吸附柱可能會帶來新的環境污染。有研究發現茚三酮吸附劑能夠在強酸環境下被清洗后再利用，可能是實現吸附柱回收的潛在方法[21]。既往 WAK 研究設定透析液流量為 47.1 mL/min 或 43 mL/min，均未發現嚴重的血流動力學改變、溶血、電解質及酸堿平衡紊亂，但最佳的透析液流量還有待進一步研究[7，22]。
3.2 膜材料
常規血液透析治療時長僅為 4 h，WAK、IAK、MCRRT 的治療時間可長達 24 h 或以上，便攜式血液凈化對濾器膜材料的清除效率和生物相容性有著更高的要求。有研究將聚乙烯醇、殼聚糖、阿加曲班、SlipSkin 等材料或藥物涂覆在膜材料表面，增強了濾器的抗凝效果和生物相容性[23-25]。普通透析器使用的聚合物膜具有流動阻力大、孔徑分布差異大等缺點，新型的硅基納米多孔膜的孔徑分布均一，孔徑變異度<1%，但納米膜的孔隙率僅為 1%，為了增強硅基納米多孔膜的通透性，研究者嘗試將膜材料的納米孔結構改進為長 4.5 μm、寬 10 nm 的納米裂隙結構[26]。值得注意的是，納米膜構型的進一步優化將可能受到光刻尺寸的限制。相比之下，改性后的氮化硅膜的孔隙率可達到 40%，但其側孔直徑將達到 40～80 nm，遠大于血液透析或血液透析濾過所需的側孔范圍[26]。為增加蛋白質結合尿毒癥毒素的清除能力，有學者研發了混合基質膜（Mix Matrix Membrane），其內層為高生物相容性的聚醚砜膜，外層為活性炭，能夠同時實現小分子水溶性毒素的清除和大分子蛋白結合毒素的吸附[27]。有研究者發現在共價有機骨架（COF）中摻入氟元素后，吸附劑的尿素吸附性能和尿素/水選擇性均顯著增加[28]。四川大學華西醫院腎臟內科蘇白海團隊提出一種氧化還原介導的非酶抗氧化 MXene 納米平臺，能通過抑制氧化應激下游的核因子 κB 炎癥通路而減輕急性腎損傷[29]。為避免微血栓對透析器纖維絲通暢性的影響，有研究者提出了“從外向內濾過”（out-in-filtration）的方法，即將血液循環和透析液循環接口對換，血液在中空纖維絲外部流動，透析液在中空纖維絲內部流動，纖維絲內部不會產生血栓，從而保障了通暢性[30]，但透析器殼體則有形成血栓的風險。活性電去離子晶片（AWEDI）是一種新型透析材料，通過對離子交換樹脂、離子交換膜施加外部電場，讓鈉、鉀、鎂等離子在電場驅動下定向移動，從而實現對溶質的選擇性重吸收[21]。如能通過生物工程、腎小管上皮細胞 3D 打印等技術進行高效制備，腎小管輔助裝置也有望幫助人工腎突破單純的濾過功能而更加趨近于具有完整功能的腎臟。
3.3 小型化和智能化
為實現小型化，便攜式血液凈化裝備需要在整機機架、泵、電機、傳感器、電池等方面進行優化設計。以 MCRRT 為例，目前的設計理念包括將機架設計為行李箱式、使用體積更小的電機、使用氣動隔膜泵等更小的泵、采用支持熱插拔的高容量電池等。電子科技大學自動化工程學院黃偉教授課題組首次提出了一種基于紫外光固化溝道的新型垂直結構，在新型傳感和精密測試領域取得突破；該技術將有助于實現 MCRRT 等便攜式設備傳感器的集成化和小型化[31]。在居家透析、日常生活、自然災害、醫療轉運等過程中，血液凈化往往需要在專科醫務人員不在場的情況下開展。如何實現智能醫囑調整、如何實現遠程醫療協助是便攜式血液凈化設備安全應用的前提。未來的智能化血液凈化設備，將利用高性能陣列傳感器，實時檢測大量理化指標，結合設備自帶的大數據模型給出醫囑建議，必要時則將患者信息傳回位于后方的醫生工作端，由專科醫生指導進行設備端的醫囑調整，完成信息流的閉環。同時，電池應具有高容量和穩定的輸出功率，以提高患者血液凈化過程的連續性和安全性[18]。血液凈化是高度依賴于機器設備的治療手段，在信息采集、硬軟件結合方面具有天然的優勢。治療過程中產生的海量數據，為人工智能模型的訓練及驗證提供了數據保障，最終實現便攜式血液凈化設備的智能化運行[32]。
3.4 血管通路
目前常用的血液凈化血管通路包括自體動靜脈內瘺、動靜脈人工血管、中心靜脈導管等。自體動靜脈瘺是維持性血液透析的優選血管通路，但便攜式血液凈化需要考慮患者的日常活動、災害救援等特殊場景，動靜脈內瘺的可及性和穿刺安全性都得不到保障。因此，中心靜脈導管在便攜式血液凈化中的運用更為普遍。有研究提出在 100 mL/min 的低血流速條件下，中心靜脈導管皮下穿刺港可能是潛在解決方案[1]。有研究顯示，中心靜脈導管會增加家庭血液透析患者的血流感染等不良事件發生率[33]。近年來，抗菌藥物封管液、抗菌封管帽、新型抗菌材質人工血管、透析穿刺港、穿刺針位置異常報警器等裝置的研發，或將進一步提高便攜式血液凈化中血管通路的可靠性和安全性[34-37]。
4 小結
普通血液凈化設備僅可在醫院內使用，使用便捷程度低、部署靈活程度差。便攜式血液凈化設備包括 PAK、WAK、IAK、MCRRT 等類型，旨在為慢性腎衰竭患者提供不影響日常活動的腎臟替代治療設置，以及能在災害救援現場、轉運交通工具上使用 CRRT 裝置。便攜式血液凈化裝置經過四十余年的發展，在毒素清除方式、機器構型設計方面經歷數輪迭代，但目前仍未廣泛應用于臨床。透析液的高效再生、高生物相容性的膜材料，小型化智能化的整機設計、穩定安全的血管通路，都是未來便攜式血液凈化設備研發的重點和難點。以上領域的突破，將有助于幫助急慢性腎衰竭患者在日常生活、災害救援等不同場景下接受便捷和高效的血液凈化治療。便攜式血液凈化設備的發展需融合跨學科智慧，有賴于臨床、工程、材料、經濟及社會學等學科的共同努力。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。