Aktuelle Trends in der therapeutischen Anwendung technischer Blutreinigungsmaterialien bei Nierenerkrankungen

Abstrakt

Die Blutreinigung ist eine häufig verwendete Methode zur Entfernung überschüssiger Stoffwechselabfälle im Blut im Rahmen einer Nierenersatztherapie. Die ausreichende Entfernung dieser Toxine aus dem Blut kann Komplikationen reduzieren und die Überlebenszeit von Dialysepatienten verbessern. Allerdings sind die aktuellen biologischen Blutreinigungsmaterialien in der klinischen Praxis nicht ideal, da dort ein ungedeckter Bedarf an der Herstellung neuartiger Materialien besteht, die eine bessere Biokompatibilität, eine geringere Toxizität und insbesondere effizientere Toxin-Clearance-Raten und niedrigere Produktionskosten aufweisen. Vor diesem Hintergrund wurden in dieser Übersicht neu entwickelte biomedizinische Materialien mit unterschiedlicher Struktur für die Blutreinigung sorgfältig im Hinblick auf die Arten und Struktureigenschaften von Blutreinigungsmaterialien, den Produktionsprozess sowie die Eigenschaften oder Mechanismen der chemischen Adsorption an der Grenzfläche zusammengefasst. Diese Studie könnte eine wertvolle Referenz für die Herstellung eines benutzerfreundlichen Reinigungsgeräts sein, das besser für klinische Blutreinigungsanwendungen bei Dialysepatienten geeignet ist.

Schlüsselwörter

Blutreinigung, Nierenersatztherapie, technische Biomaterialien, Adsorbens, Polymerverbundmembran.

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Einführung

Urämische Toxine reichern sich häufig bei Patienten mit eingeschränkter Nierenfunktion an, einschließlich Patienten mit Nierenerkrankungen im Endstadium (ESKD). Dies führt zu schweren Erkrankungen, wobei Nierenersatztherapien die einzige Überlebensmöglichkeit darstellen. In vielen Studien wurde eine verringerte Mortalität und Berichte über eine bessere Lebensqualität bei Nierenempfängern festgestellt; Allerdings übersteigt die Nachfrage die Verfügbarkeit, sodass nur 25 Prozent der ESKD-Patienten eine Niere erhalten [1]. Schätzungen zufolge unterziehen sich weltweit etwa 280 Patienten pro Million einer regelmäßigen Hämodialyse- oder Peritonealdialysebehandlung, wobei die Fünf-Jahres-Überlebensrate dieser Menschen zwischen 13 und 60 Prozent niedriger ist als bei Menschen in der Allgemeinbevölkerung ähnlichen Alters [1–3]. . Aufgrund der Bevölkerungsalterung sowie der zunehmenden Prävalenz von Diabetes und Bluthochdruck wird erwartet, dass die Inzidenz von ESKD in den nächsten Jahrzehnten ansteigt [4]. Darüber hinaus ist die Anreicherung urämischer Retentionslösungen in hohen Konzentrationen mit nachteiligen Folgen bei Dialysepatienten verbunden, einschließlich einer hohen Mortalität und einer insgesamt geringen gesundheitsbezogenen Lebensqualität [5–8].

Kreatinin ist ein wichtiges urämisches Toxin und seine Anreicherung im Blut verursacht eine Reihe toxischer Symptome, die die Nierenfunktion beeinträchtigen und folglich den Nierenverfall beschleunigen können [9]. Proteingebundene urämische Toxine (PBUTs) sind kleine Moleküle, die hauptsächlich an das Transportprotein, menschliches Serumalbumin im Blut, binden [10] und an der Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) beteiligt sind [11]. Während PBUTs bekanntermaßen insbesondere mit nachteiligen/toxischen Wirkungen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen [12–14], Fortschreiten des Nierenversagens [15] und Mortalität [5] in Zusammenhang stehen, bleiben ihre renalen Clearance-Mechanismen und ihre Rolle in der urämischen Pathophysiologie unklar [16]. ]. Häufig werden p-Kresylsulfat (PCS), Indoxylsulfat (IS), 3- Carboxy-4-methyl-5-propyl-2-furanpropionsäure (CMPF) und Indol{{14 }}Essigsäure (IAA) sind die aussagekräftigsten Biomarker für Urämie und gelten als Prototyp proteingebundener urämischer Toxine, die mehr als 90 Prozent der Plasmaproteine ​​binden können. Alle vier dieser PBUTs haben einen aromatischen Ring und eine ionische funktionelle Gruppe und können nichtkovalente Bindungen wie Van-der-Waals-Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen sowie elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen bilden [16]. Bei PBUTs besteht in ihrer Sekretion und Zirkulation ein Gleichgewicht zwischen proteingebundenen und ungebundenen Formen, und die inhärente Clearance ungebundener Toxine hängt weitgehend von der renalen tubulären Sekretion über spezifische basolaterale organische Anionentransporter (OATs) ab. Der Weg für die Produktion und Clearance von Protein-PBUTs ist in Abb. 1 dargestellt [16]. Urämische Toxizität ist mit einer endothelialen Dysfunktion und einer Immundysfunktion verbunden, die durch die Induktion eines proinflammatorischen Zustands, an dem Toll-like-Rezeptoren und entzündliche Zytokine beteiligt sind, eine Entzündung und Aktivierung angeborener Immuneffektoren verursachen [14]. Somit erhöht die ausreichende Entfernung dieser Toxine aus dem Blut die Wirksamkeit der Dialyse, was wiederum die Überlebensrate bei ESKD-Patienten erhöht. Der grundlegende Mechanismus der Hämodialyse ist in Abb. 2 dargestellt. Allerdings war die Eliminierung überschüssiger Metaboliten mithilfe herkömmlicher extrakorporaler Nierenersatztherapien über semipermeable poröse Polymermembranen derzeit im klinischen Einsatz nicht wirksam. Insbesondere die PBUTs sind durch Hämodialyse schwer zu entfernen, da jedes dieser Moleküle über eine aromatische Einheit und eine ionische funktionelle Gruppe verfügt, die die Bindung an mehrere Adsorptionsstellen auf menschlichem Serumalbumin ermöglicht [17–20]. Es wurde berichtet, dass bei der High-Flux-Hämodialyse sowohl PCS als auch IS um weniger als 35 Prozent reduziert werden [11].

Angesichts der Hämodialyse als lebenserhaltende extrakorporale Behandlung von Nierenversagen, bei der eine große Anzahl von ESKD-Patienten eine Langzeitdialyse benötigen, ist es notwendig, Materialien mit einfachen und kostengünstigen Herstellungsmethoden herzustellen. Obwohl sich die Effizienz und Selektivitätseigenschaften von Dialysemembranen in den letzten Jahrzehnten verbessert haben, bleibt die traditionelle Dialysebehandlung ein umständlicher, zeitaufwändiger und teurer Prozess [21–23]. Kürzlich wurden mehrere biomedizinische Blutreinigungsmaterialien entwickelt, um die Toxinentfernungsrate zu erhöhen, von denen einige auch Eigenschaften wie geringere Toxizität und niedrige Produktionskosten aufweisen. In diesem Artikel fassen wir diese Ergebnisse nach Kategorien zusammen, um Informationen für die weitere Forschung zu Dialysematerialien mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen.

Cistanche tubulosa

Biomedizinische Materialien zur Toxinentfernung –Adsorbentien

Aktivkohle (AC) und Zeolith sind zwei gängige Adsorptionsmittel, die bei der Reinigung zur Verbesserung der Ultrafiltrationseigenschaften eingesetzt werden. AC hat eine lange Erfolgsgeschichte in Entgiftungssystemen als adsorbierendes Partikel, da es ein breites Spektrum an gelösten Stoffen adsorbieren kann [24–26]. Es verfügt über eine große Porengröße, ist jedoch nicht größenselektiv. AC weist eine hohe Adsorptionskapazität für urämische Toxine auf, entfernt aber gleichzeitig auch andere nützliche Moleküle. Die Verringerung des Durchmessers eines Partikels ist eine mögliche Möglichkeit, die äußere Oberfläche zu vergrößern und so die zugänglichen aktiven Stellen und die schnelle Bindung zu erhöhen. Die Anwendung von Suspensionen mit pulverförmiger Aktivkohle erfordert jedoch einen Membranfilter, um die Sorbentien in der Schwebe zu halten und jeglichen Partikelkontakt mit dem Blut zu verhindern, was normalerweise das Sorbentienvolumen begrenzt und zwangsläufig zu niedrigeren Sorbentienkonzentrationen führt [27]. Im Vergleich zu AC besitzen Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) eine größere Oberfläche, ein größeres Seitenverhältnis und eine bessere Adsorptionsleistung für urämische Toxine und gelten daher als das besser geeignete Material für die Entwicklung einer hocheffizienten Blutreinigungsmembran [28–30]. . Liu et al. stellten stickstoffhaltige poröse Kohlenstoffadsorbensperlen (NPCA) her, die zusätzliche Vorteile hinsichtlich der sicheren und wirksamen Clearance von PBUTs hatten und eine zufriedenstellende In-vitro-Hämokompatibilität aufwiesen. NPCA wurde durch Pyrolyse vernetzter poröser Acrylnitril/Divinylbenzol-Copolymerkügelchen hergestellt (Abb. 3a) [31]. Die NPCA-Kügelchen zeigten höhere Adsorptionsraten von PBUTs (IS, PCS und IAA; 45 Prozent, 44 Prozent und 95 Prozent) und eine gleichwertige Adsorptionsleistung gegenüber Toxinen mit mittlerem Molekulargewicht (PTH und IL-6). im menschlichen Plasma im Vergleich zu HA- 130/MG-150 (einem kommerziellen Adsorptionsmittel, das in der Klinik verwendet wird). Der PBUTs-Entfernungsmechanismus von NPCA wird auf die Konkurrenz zwischen Stickstofffunktionsgruppen auf NPCA und Proteinen um die Bindung von PBUTs über die elektrostatischen Wechselwirkungen zurückgeführt und hat keinen engen Zusammenhang mit der Porenstruktur (Abb. 3b) [31].

Im Gegensatz zu amorphem AC ermöglichen kristalline Adsorbentien eine direkte Strukturcharakterisierung, die zum Verständnis der Wechselwirkungen zwischen einem Adsorbens und einem Toxin beitragen kann, was für die Entwicklung hochwertiger Adsorbermaterialien von entscheidender Bedeutung ist. Zeolith ist eines der besten Alaunosilikate, das für zahlreiche Molekularsiebe eingesetzt wird und eine hohe Beständigkeit in chemischen und thermischen Prozessen aufweist [32]. Zeolithe sind ungiftig, in wässriger Lösung stabil und werden unter physiologischen Bedingungen nicht abgebaut. Darüber hinaus verfügen verschiedene Arten von mikroporösem Zeolith über Kanalsysteme unterschiedlicher Größe, die einige urämische Toxine selektiv adsorbieren können [33–36] und können natürlich vorkommen oder synthetisch hergestellt werden. Diese Eigenschaften machen Zeolithe zu einem potenziellen Material für künstliche Nierenanwendungen. Die Größe und Form der Zeolithpartikel sind wichtig für die Fähigkeit zur Kreatininaufnahme, wenn sie in die Membran eingebaut werden [37, 38]. Beispielsweise weisen Mikropartikel eine bessere Leistung bei der Kreatinin-Adsorption auf als Nanopartikel. Im Vergleich zu stabförmigen Nanopartikeln sind kugelförmige Nanopartikel eine bessere Wahl für den Einbau in die elektrogesponnenen Polymerfasern, um die Kreatinin-Clearance-Rate zu verbessern [37].

Cistanche-Ergänzung

Wernet et al. untersuchten die Eliminierung urämischer Toxine mithilfe von Zeolithen unterschiedlicher Strukturtypen [33]. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Adsorptionseigenschaften von Zeolithen nicht nur von der Größe der Kanäle, sondern auch von den Wechselwirkungen zwischen den Adsorbaten und den Zeolithgittern abhängen. Genauer gesagt zeigt Zeolith-Silicalit (MFI) eine starke Adsorption von p-Kresol (etwa 60 Prozent p-Kresol in Lösung mit Konzentrationen, die denen bei urämischen Patienten nahekommen), was auf Kanalöffnungs-/Größeneffekte und Wasserstoffbrückenbindungswechselwirkungen zurückzuführen ist. Die Mechanismen der Adsorption sind in Abb. 4 dargestellt (z. B. die Adsorption von p-Kresol an Silicalit-Zeolith) [39]. MFI besitzt eine kürzere Äquilibrierungszeit und einen höheren Adsorptionsgrad von p-Kresol als Membranen auf Zellulosebasis und synthetische Membranen [39]. Darüber hinaus ist es möglich, 75 Prozent des Kreatinins in Lösung durch saures Mordenit (MOR) selektiv zu eliminieren, was im Wesentlichen auf elektrostatische Wechselwirkungen zwischen der Ofunktionellen Gruppe und den in den MOR-Poren vorhandenen Brønstedt-Stellen zurückzuführen ist [33]. Die hohe Adsorption von Harnsäure an ionengetauschten Stilbiten (STIs) wie Ca-STI, K-STI und Na-STI kann auf die elektrostatische Wechselwirkung zwischen einem Kation und dem negativen Atom einer polaren Molekülbindung zurückgeführt werden. Es gibt jedoch eine potenzielle Möglichkeit, die Adsorptionseigenschaften von STIs durch die Bildung starker kovalenter Wechselwirkungen mithilfe von Kationen mit einer Affinität zu urämischen Toxinen zu erhöhen [33]. Bergé-Lefranc et al. zeigten außerdem, dass reines Siliciumdioxid-MFI eine bessere Kapazität zur Entfernung von p-Kresol besitzt als Alumosilikat-MFIs (Si/Al=30, kompensierende Ladungen mit H plus, Na plus, K plus und Mg2 plus) [34]. Sie fanden heraus, dass die p-Kresol-Affinitäten für die Zeolithe im Vergleich zu Lösungen im menschlichen Serum (von Dialysepatienten) im Allgemeinen verringert sind, weil Proteine ​​das Porensystem verstopfen. Somit können Zeolithe nur im Ultrafiltrat ohne direkten Kontakt mit Serumalbumin eingesetzt werden [35].

Metallorganische Gerüste (MOF) sind eine Art neuartiger Hybridmaterialien, die eine hohe thermische und chemische Stabilität aufweisen und aufgrund ihrer ultrahohen Porosität und aktiven Stellen nachweislich wirksamer sind als AC- oder mesoporöse Silica-Materialien [40–42]. . Und die BET-Oberfläche und der innere MOF-Käfigdurchmesser wurden zuvor als Schlüsselparameter für die Adsorptionskapazität von MOFs angenommen [43]. MOF besteht aus Metallionen und organischen Linkern über Koordinatenbindungen, um eine 1D-, 2D- oder 3D-Struktur zu bilden [40, 44]. MOFs haben in Anwendungen für die Trennung bioaktiver Verbindungen [45], die Wasserreinigung [46, 47], die Arzneimittelabgabe [48] und die Gastrennung [49] schnell an Bedeutung gewonnen, sind aber nicht darauf beschränkt. Dennoch befindet sich der Einsatz von MOFs in künstlichen Nierenanwendungen noch im Anfangsstadium. Darüber hinaus verfügen MOFs über eine außergewöhnliche Haltbarkeit und können im Gegensatz zu anderen Klassen kristalliner Materialien systematisch untersucht und in eine Vielzahl von Funktionalitäten eingebaut werden [50].

Cistacnhe-Extrakt

Abdelhameed et al. berichteten über einen Typ von MOF auf Zr-Basis, der in einem Baumwollstoffverbund gezüchtet wurde und durch Beschallung mit Methanol regeneriert werden kann, während seine Effizienz bei der Kreatininentfernung nach drei Generationszyklen nur um 16 Prozent (98 Prozent gegenüber 82 Prozent) abnimmt [ 51]. Dieser In-situ-Verbundwerkstoff wurde ohne Herstellung von UiO-66-(COOH)2 direkt formatiert und stattdessen 1,2,4,5- Benzoltetracarbonsäuredianhydrid, Zirkoniumtetrachlorid und Baumwollgewebe verwendet [51]. Der Stoffverbund UiO-66- (COOH)2@cotton adsorbiert Kreatinin durch schwache Wechselwirkungen zwischen Bindungsstellen von MOF und Funktionsgruppen von Kreatinin. Der Reaktionsmechanismus ist in Abb. 5 dargestellt. Darüber hinaus wurde berichtet, dass die Funktionalisierung von UiO-66 mit isovalenten Substituenten wie -NH2, -OH und SO2H die Adsorptionskapazität durch Änderung der elektronischen Eigenschaften von MOF erheblich verbesserte [52 , 53]. Klaudia et al. synthetisierten die Reihe von UiO-66-Materialien, die mit dem endgültigen Gehalt an Aminogruppen variierten, indem sie das H2BDC/H2BDC-NH2-Verhältnis änderten und während der modulierten Synthese Salzsäure (HCl) hinzufügten [52]. Sie bestätigten, dass UiO-66-NH2(75 Prozent) (mit 75 Mol-Prozent -Aminogruppen) und UiO-66-NH2(75 Prozent)12,5 Prozent HCl eine bessere Adsorptionskapazität für Hippursäure und {{39} }Indolessigsäure zeigte eine analoge Adsorptionskapazität wie NU-1000, während das hergestellte UiO-66-NH2 immer noch keine zytotoxische Wirkung zeigte.

Kato et al. beobachteten das Adsorptionsverhalten von Kresylsulfat in einer Reihe von Zr6--basierten MOFs mit unterschiedlicher Topologie, Konnektivität und Linkerstruktur, einschließlich UiO-66, UiO-67, UiO-NDC, PCN{ {4}}OH, NU-901, NU-1000, NU-1010, NU-1200 und MOF-808 [50]. Diese MOFs auf Zirkoniumbasis besitzen vergleichbare Oberflächen und Porengrößen. Unter diesen weist NU-1000 die höchste Toxinentfernungseffizienz auf, da mehr als 70 Prozent p-Kresylsulfat, 98 Prozent Indoxylsulfat und Hippursäure in Lösung vorliegen, sowie etwa 93 Prozent p-Kresylsulfat , kann aus menschlichem Serumalbumin entfernt werden. Dies kann auf die stark hydrophoben Adsorptionsstellen zurückgeführt werden, die zwischen zwei Pyren-Linkern liegen, sowie auf die Wasserstoffbrückenbindung zwischen den Hydroxylgruppen an den Zr6-Knoten und den ionischen funktionellen Gruppen der Adsorbate [50]. Zwei Stellen von p-Kresylsulfat auf NU-1000 sind in Abb. 6 dargestellt. Diese beiden Stellen haben ungefähr die gleiche Besetzung, wo elektrostatische Wechselwirkungen mit Hydroxylgruppen an den Zr6-Knoten und π-π-Wechselwirkungen mit Linkern auf Pyrenbasis auftreten sind wichtige Faktoren für die Adsorptionsfähigkeit. Cuchiaro et al. wiesen darauf hin, dass die Anwendung von NU-1000 begrenzt ist, da es kommerziell nicht erhältlich ist und Eisen eine wünschenswerte Alternative zu Zirkonium darstellt [43]. Cuchiaro et al. synthetisierten MIL-100(Fe) und MOF-808, die beide den gleichen organischen Linker wie MOF-808 haben, aber MIL-100 (Fe) ist aufgrund seines Eisens weniger toxisch -basierte Metallknoten [43]. Sie fanden heraus, dass die p-Kresylsulfat-Aufnahme für MIL-100(Fe) dreimal höher war als die für MOF-808, was weniger mit der BET-Oberfläche, der Porenfenstergröße, dem Käfigdurchmesser und der Anzahl korrelierte aromatische Kohlenstoffe im organischen Linker, was darauf hindeutet, dass Metall-Eisen-Wechselwirkungen in MIL-100(Fe) günstiger auftreten könnten als in MOF-808.

Inspiriert von der Selbstreinigungsfähigkeit der Niere haben Chen et al. schlugen ein neues Adsorptionsmittel namens „Molecular Imprinted Polymer Inverse Opal Particles“ (MIPIOPs) vor [54]. Hier wird die Fluidumgebung genutzt, um das Dilemma des unzureichenden Kontakts zwischen Adsorptionsmaterialien und Zielmolekülen zu lösen. Die MIPIOPs sind in einen Mikrofluidik-Chip mit einem Fischgrätenmischer eingebettet und der Maßstab kann leicht erweitert werden, um eine große Anzahl von MIPIOPs zur Reinigung aufzunehmen. Darüber hinaus können die Fischgrätenkanäle eine chaotische Advektion der Flüssigkeit erzeugen und somit die Misch- und Adsorptionseffizienz zwischen den Zielbiomolekülen und MIPIOPs verbessern. Die MIPIOPs werden durch einen kombinativen Prägeprozess hergestellt (Abb. 7). Zuerst wurden die Silica-Kolloidalkristallkügelchen (SCCBs) hergestellt, und dann adsorbierten die Silica-Nanopartikel an der Oberfläche der SCCBs das Lysozym durch elektrostatische Wechselwirkung. Im folgenden Schritt wurden die Hohlräume zwischen den Silica-Nanopartikeln der Lysozym-funktionalisierten SCCBs mit einer Prequel-Mischung aus Methacrylatgelatine (GelMA), Polyethylenglykoldiacrylat (PEGDA), Harnstoff und Kreatinin gefüllt. Anschließend wurden die SCCBs und die Prägemoleküle, einschließlich Lysozym, Harnstoff und Kreatinin, aus dem Vorgelpolymer entfernt. Die resultierenden MIPIOPs besitzen mehrere molekulare Bindungsstellen für Lysozym an der Oberfläche, während sich Harnstoff und Kreatinin im Inneren befinden. Die MIPIOPs verfügen über einzigartige Eigenschaften und weisen eine gute Blutverträglichkeit auf, und es wurde gezeigt, dass ihre Adsorptionskapazität auch nach fünfmaliger Wiederverwendung stabil erhalten bleibt [54]. Darüber hinaus verfügen sie aufgrund hochgeordneter poröser 3D-Strukturen über photonische Bandlückeneigenschaften, die eine Überwachung und Selbstberichterstattung über den Adsorptionszustand ermöglichen.

Cyclodextrine (CDs) sind toroidförmige zyklische Oligosaccharide, die aus 6-8 D-Glucose-Einheiten ( , , ) bestehen, mit einem hydrophilen Äußeren und einem relativ hydrophoben inneren Hohlraum, der verschiedene lipophile Gäste oder Makromoleküle mit niedrigem Molekulargewicht einkapseln kann [55 , 56]. Das becherförmige -CD besteht aus 7 Glucoseeinheiten und wird aufgrund seiner empfindlichen Erkennung verschiedener hydrophober Moleküle durch Bildung eines CD-Gast-Komplexes am häufigsten eingesetzt. Li et al. schlugen erstmals die Zugabe von vernetzten Poly- -cyclodextrinen (PCD) zum Dialysat des Außendialysators vor, um die Stoffübertragungseffizienz von Indoxylsulfat (IS) zu verbessern (Abb. 8a) [56]. PCD wurde durch eine Vernetzung zwischen -CD und Epichlorhydrin (ECH) synthetisiert. -CD wurde zunächst in NaOH-Lösung gelöst, dann wurde ECH zu der Mischung gegeben, die anschließend 2 Stunden bei 30 Grad gerührt wurde. Laut der ursprünglichen Studie beträgt die maximale Bindungskapazität von PCD für IS etwa 45 mg g-1 und im simulierten Dialyseexperiment wurde durch die Einführung von PCD eine Steigerung der Entfernungsrate um 21 Prozent erreicht. Der Mechanismus der IS-Bindung an PCD könnte darin bestehen, dass der Indolring von IS durch hydrophobe Wechselwirkung und Wasserstoffbrückenbindung im Hohlraum von -CD untergebracht wird [56]. Diese neue Strategie hat keine negativen Auswirkungen auf die Dialysemembran und ist sicher für die klinische Anwendung, da PCD nachweislich eine niedrige Hämolyserate aufweist und die Membran nicht passieren kann, um mit dem Blut in Kontakt zu kommen (hydrodynamischer Durchmesser des Polymers beträgt 9 nm). Li et al. verglichen weiter die Adsorptionskapazität von Poly- --Cyclodextrinen, Poly- --Cyclodextrinen und Poly- --Cyclodextrinen, wobei Poly- --Cyclodextrine mit der maximalen Kresolsulfat-Bindungskapazität (PCS) am besten abschnitten (263 mg g-1) [57]. Sie fanden heraus, dass die Clearance von PCS im Plasma im Einmaldurchlaufmodus (Abb. 8b) effektiver ist als im Recyclingmodus (96 Prozent gegenüber 43 Prozent), was auf den PCS-Konzentrationsunterschied zwischen Plasma und Dialysat zurückzuführen ist, der mit der Entfernung von PCS zunimmt STCK. Und PCS (96 Prozent), Hippursäure (98 Prozent) und Chinolinsäure (97 Prozent) im Plasma wurden in einem PCD-zugesetzten Dialysatsystem entfernt, was die Breitband-PBUT-Entfernungseigenschaften von PCD weiter verdeutlicht [57].

MXene sind eine Familie zweidimensionaler Carbide und Nitride von Übergangsmetallen mit der allgemeinen Struktur Mn plus 1XnTx (M ist ein frühes Übergangsmetall wie Ti, V, Nb usw.; n plus 1=1-3; X ist C und/oder N; Tx stellt die Oberflächenterminierungen dar, wie O, OH, F und/oder Cl) [58, 59]. MXene verfügen über eine einzigartige Kombination von Eigenschaften, darunter Hydrophilie aufgrund funktionalisierter Oberflächen und stabile kolloidale Lösungen in Wasser aufgrund des hohen negativen Zeta-Potentials, und wurden in den letzten Jahren im biomedizinischen Bereich umfassend erforscht [58]. Ti3C2Tx ist das erste beschriebene und am besten untersuchte Mitglied der MXene und ist dafür bekannt, Harnstoff effizient zu adsorbieren. Und in früheren In-vivo-Studien wurde eindeutig nachgewiesen, dass Ti3C2Tx eine relativ hohe Biokompatibilität und eine geringe Biotoxizität aufweist [60]. In der Arbeit von Zhao et al. wurde Ti3C2Tx (Ti3C2- F, Ti3C2-O, Ti3C2-OH, hergestellt aus dem Vorläufer Ti3AlC2 unter Verwendung von 10 Gew.-% Flusssäure) als Adsorptionsmittel verwendet in wässriger Lösung und zeigte im Vergleich zu herkömmlicher Aktivkohle eine schnelle Adsorptionsrate und eine höhere Adsorptionskapazität gegenüber Kreatinin und Harnsäure [59]. Die hohe Affinität zwischen Ti3C2Tx und Kreatinin im Adsorptionsprozess wird auf hydrophile Oberflächenterminierungen von Ti3C2Tx und die intrapartikuläre Diffusion von Kreatinin zwischen der Ti3C2Tx-Schicht zurückgeführt. Beim Harnsäureadsorptionsprozess könnte die hohe Affinität jedoch auf Wasserstoffbrückenbindungen (TiOH … N) und Van-der-Waals-Wechselwirkungen zurückzuführen sein. Darüber hinaus können Zhao et al. angesichts der Tatsache, dass Ti3C2Tx Harnstoff, Kreatin und Harnsäure effektiv adsorbiert, sowie Elektrolytkationen (K plus, Ca2 plus, Mg2 plus usw.) auch die aktiven Stellen von Ti3C2Tx besetzen. schlugen vor, dass Ti3C2Tx das Potenzial hat, als effizientes Sorptionsmittel für die Regeneration von Dialysat verwendet zu werden. In jüngerer Zeit haben Wang et al. stellten Ti3C2Tx-Nanoblätter her, indem sie das geätzte Ti3C2Tx in entlüftetem Wasser durch Ultraschall delaminierten, und entdeckten zum ersten Mal, dass die ultrahohe Entfernungsfähigkeit von Ti3C2Tx gegenüber IL-6 13,4-mal höher war als die von herkömmlicher Aktivkohle und eine viel schnellere Entfernungsrate aufwies [ 61]. Der Hauptmechanismus der Adsorption ist die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen MXen und IL-6 (TI-X … HNC=O) sowie die Immobilisierung von IL-6 auf der Oberfläche von MXene-Nanoblätter.

Cistanche-Kapseln

Abschluss

Abschließend haben wir das neuartige Biomaterial zur Blutreinigung zusammengefasst, über das in den letzten Jahren berichtet wurde. Diese Biomaterialien wurden grob in drei Kategorien eingeteilt, darunter Adsorbentien, Polymerverbundmembranen und Nanomaterialien. Adsorptionsmittel wie Zeolithe, Aktivkohle und CTNs werden üblicherweise in Polymermaterialien eingearbeitet, um die Ultrafiltrationskapazität zu verbessern. Wenn adsorbierende Partikel in der gesamten Polymermatrix verteilt sind, kann die Entfernungseffizienz urämischer Toxine durch die Kombination von Adsorption und Diffusion urämischer Retentionslösungen deutlich verbessert werden, was in Studien zu MMM- und f-CNT/PES-Verbundmembranen validiert wurde. Aufgrund der großen Oberfläche und Porosität weisen sowohl Nanomaterialien als auch MOFs günstige Adsorptionsfähigkeiten auf. Darüber hinaus ist die Herstellung von Polymernanofasern kostengünstig und Zr-basierte MOFs lassen sich gut wiederverwenden.

Die Permeation ist eine entscheidende Eigenschaft einer für die Hämodiafiltration verwendeten Membran, da eine geringe Entfernungsrate von Toxinen dazu führt, dass die Patienten unter langen Dialyseperioden leiden müssen, die höhere Kosten verursachen. Wenn die Konzentration des freien Toxins auf der Dialysatseite auf einem niedrigen Niveau gehalten wird, gibt es eine kontinuierliche Diffusionstriebkraft über die gesamte Länge des Hämodialysators, insbesondere bei PBUTs [130, 131]. Wie in diesem Artikel erwähnt, sind Materialien mit großer Oberfläche und Porosität vielversprechende Kandidaten für die Herstellung von Hämodialysemembranen. Die Einbettung adsorbierender Partikel in eine Polymermembranmatrix ist ebenfalls eine wirksame Methode, um eine effizientere Clearance-Rate urämischer Toxine zu erreichen, was auf die Aufrechterhaltung eines Konzentrationsunterschieds zurückzuführen ist. Es gibt auch einige Adsorbentien, deren Adsorptionsfähigkeit weniger mit der Porenstruktur zusammenhängt, wie etwa NPCA-Perlen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die jeweilige molekulare Struktur adsorbierender und urämischer Toxine sowie deren Wechselwirkungen zu analysieren.

Die Dialyse ist eine langfristige und lebenserhaltende Behandlung für ESKD-Patienten und es werden fast 500 l Leitungswasser benötigt, um reines Dialysewasser für eine einzelne Hämodialysesitzung zu erhalten, was sowohl hohe Kosten als auch einen hohen Energieverbrauch verursacht [132]. Daher ist die einfache und kostengünstige Herstellungsweise von Dialysematerial für dessen klinische Anwendung von großer Bedeutung. Darüber hinaus bildet sich auch bei unzureichendem Schlauchsystem oder unsachgemäßer Maschinenwartung ein durch Wasserstagnation verursachter mikrobiologischer Biofilm [133, 134]. Das Bakterienwachstum und die Lyse im Wasseraufbereitungssystem und damit Pyrogene könnten in das Blut von Patienten gelangen, was zu einem mikroinflammatorischen Status führt, der zu kardiovaskulären Nebenwirkungen oder akuten Nebenwirkungen wie Fieber und Muskelkrämpfen führt [133–139] . Es wurde über mehrere Sorptionssysteme zur Entfernung von Endotoxinen (z. B. Lipopolysaccharide) berichtet, beispielsweise funktionalisierte Nanopartikel [140], Aktivkohle [26, 141], die Zugabe eines PS-Poly(ethylenglykol)-Copolymers (PS-PEG) und Bleichmittel Sterilisation [133]. Darüber hinaus bietet das MMM eine überlegene Endotoxinentfernung und fungiert als Sicherheitsbarriere, die Entzündungsreaktionen vermeidet, ohne die Entfernung urämischer Toxine zu beeinträchtigen [71]. Im Allgemeinen sind Biomaterialien mit langfristiger und hoher Ultrafiltration, günstiger Biokompatibilität und kostengünstigen Herstellungsverfahren ideale Kandidaten für die Blutreinigung. Auch wenn die in diesem Aufsatz erwähnten neuen Biomaterialien eine verbesserte Adsorptionskapazität und Biokompatibilität aufweisen, gibt es noch viel zu tun, um die Materialien so zu modifizieren, dass sie für die klinische Anwendung geeignet sind.

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Cui Gao1, Qian Zhang1, Yi Yang1,2,3, Yangyang Li4,5 und Weiqiang Lin1,3

1 Kidney Disease Center, The First Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou 310003, Zhejiang, China.

2 Abteilung für Nephrologie, The Fourth Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine, Yiwu 322000, Zhejiang, China.

3 International Institutes of Medicine, The Fourth Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine, Yiwu 322000, Zhejiang, China.

4 Schlüssellabor für Forschung zur reproduktiven Gesundheit von Frauen der Provinz Zhejiang, Frauenkrankenhaus, Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou 310006, Zhejiang, China.

5 Krebszentrum, Zhejiang-Universität, Hangzhou 310058, Zhejiang, China.