Nature Chemical Engineering｜血液净化的相变革命：电子科大研发无透析液可穿戴人工肾，如何终结“水泵”时代

长期以来，可穿戴人工肾的研发一直受困于“透析液难题”。传统的透析和血液透析滤过（HDF）必须维持巨大的跨膜浓度梯度和压力梯度，这意味着设备必须配备庞大的储水箱或复杂的透析液再生系统。尽管AWAK（现更名为Vivance）等公司已在吸附式透析液再生技术上取得进展，但其设备依然需要1至2升的基础液循环，且面临氨溢出、pH失衡等二次风险。

邓旭团队提出的创新方案（见图1）彻底切断了这一依赖。该系统的核心逻辑在于利用“液-气-液”的三相转换替代了传统的液-液交换。在这一模型中，血液侧的水分子在疏血气透膜（Gas-permeable Blood-repellent Membranes, GBM）表面发生蒸发，以水蒸气的形式穿过膜孔，随后在另一侧的冷凝板上重新凝结为液态水。

表1 | 传统透析与液-气相变技术的关键差异对比

这种相变驱动的机制赋予了人工肾脏前所未有的灵活性。由于不再需要透析液来维持浓度梯度，系统的水分清除效率不再受限于跨膜压。研究显示，该原型机的水分清除通量最高可达7ml min^(-1)m^(-2)，这意味着在每天12小时的佩戴时间内，其水分清除能力完全足以覆盖临床所需的1500毫升排水量。

在血液净化过程中，如何让水分化作蒸气逃逸，同时严防复杂的血液成分——尤其是蛋白质、血小板和红细胞——入侵膜孔，是液-气相变方案成败的关键。一旦血液润湿膜孔，就会引发严重的生物结垢（Biofouling）或导致Cassie状态向Wenzel状态的灾难性转变，从而彻底阻断气透路径。

为了解决这一挑战，研究团队设计了具有多级结构的超疏血气透膜（GBM）。这种膜在微米级的金属网丝表面通过蜡烛烟灰模板法或纳米颗粒沉积，构建了多级分形的二氧化硅纳米结构，并辅以氟化处理以降低表面能。根据卡西-巴克斯特（Cassie-Baxter）方程，在这种结构下，血液与膜表面之间会形成一层极其稳定的空气垫，极大地减少了固液接触面积。

研究人员利用重排后的Cassie-Baxter方程来量化界面气相分数fg：

其中 θ* 是宏观表观接触角，θY 是平坦表面的杨氏接触角。实验数据显示，GBM膜对全血（表面张力 γlv≈58mNm-1）的表观接触角超过150°，滑动角小于3°，表现出近乎完美的血液排斥性。

表2 | GBM膜的生物相容性与性能稳定性指标

这种多级结构不仅实现了高效的水蒸气传输，还通过了严格的血液相容性评估。在长达10天的全血浸泡测试和100小时的动态模拟实验中，GBM膜未表现出明显的性能衰减。相比之下，传统的聚醚砜（PES）透析膜在接触血液3小时后，其孔隙就会因蛋白质淤积而完全丧失排水能力。

液-气相变排水的效率很大程度上取决于蒸气压差的维持，而这一驱动力主要由温度梯度决定。研究团队引用了克劳修斯-克拉佩龙（Clausius-Clapeyron）方程来描述这一热力学过程：

其中P1 和T1 分别代表血液侧（生理温度37°C）的饱和蒸气压和温度，P2 和T2 为冷凝侧的对应数值。

为了优化排水效率，团队对膜孔径、流体流速以及温差进行了详尽的参数扫描。

表3 | 影响相变排水效率的核心参数

在实验中，当冷凝侧温度降低至7℃ 时，系统实现了最高效率的连续排水。更重要的是，由于血液仅与GBM膜接触而不直接接触冷凝侧，血液的生理温度（37°C）得到了良好的维持，避免了体外循环中常见的低体温并发症。此外，与传统透析膜相比，GBM膜的水分清除效率在12小时的实验中表现出极高的平稳性，证明了相变路径在抗结垢方面的天然优势。

在完成了体外机制研究后，团队在20只家兔模型上进行了体内血液净化实验，以验证系统的安全性和有效性。这些实验涵盖了健康对照组以及通过药物诱导的急性肾损伤（AKI）模型组。

实验显示，在6小时的连续血液净化过程中，原型机展现出了极佳的安全性。

表4 | 家兔体内净化实验的生理安全性数据统计

更令人惊讶的发现是，收集到的冷凝液中不仅不含蛋白质（白蛋白为零检测），还含有微量的尿素和肌酐。这一现象极具科学价值。研究人员推测，这可能是由于这些小分子毒素通过氢键与水分子形成了“水簇”（Water Clusters），在液-气转变过程中随水蒸气一同跨膜逃逸并在冷凝侧被收集。尽管目前的清除通量尚不能完全替代主系统，但这暗示了相变透析未来在多效清除方面的潜力。

对于AKI家兔，当相变排水器与树脂吸附柱联用时，血肌酐清除效果得到了显著加强。这证明了“相变排水+树脂吸附”这一无透析液组合在技术上的逻辑自洽性：排水器负责容量管理，吸附柱负责代谢废物清除。

邓旭团队的研究并未止步于原理机。在论文的最后部分，他们展示了一台高度集成的可穿戴人工肾原型机。这台设备集成了高通量血液净化器、微型制冷系统、血液泵、气泡传感器、压力传感器以及由锂电池驱动的控制板。

该原型机在人体工学设计上也进行了初步探索，采用背负式或侧挂式设计，使得患者在治疗期间能够自由行走甚至进行简单的日常办公。研究指出，通过将10个相变单元进行模块化叠加，排水效率可以进一步提升至每日1500ml ，这已经完全达到了临床常规透析的水平。

邓旭团队的突破性进展并非孤例。在2026年的血液净化领域，可穿戴人工肾脏正处于从“科幻实验室”走向“临床真实世界”的临界点。全球范围内的多个团队正沿着不同的技术路径进行冲刺。

表5 | 全球可穿戴人工肾（WAK）主要研发项目对比

与Vivance的方案相比，邓旭团队的相变方案其独特价值在于“减法”做到了极致。它不仅减去了150升的透析液，甚至减去了再生系统所需的复杂化学传感器。对于患者而言，这意味着更轻的负担和更高的移动自由度。而相比于UCSF的生物反应器方案，相变技术主要基于物理化学原理，其工程化和规模化量产的门槛相对较低，有望更早进入大规模临床测试。

随着硬件的成熟，软件和算法正在成为人工肾脏的“第二核心”。在2026年的行业共识中，WAK不再是一个单纯的过滤器，而是一个集成在AI生态系统中的智能节点。

1. 个性化脱水预测：

   利用长短期记忆（LSTM）神经网络分析患者的历史体重、血压和饮食数据，AI可以预判患者在特定时间段内的超滤需求，动态调整WAK的制冷强度，从而精确控制水分清除量，避免低血压的发生。

2. 生物结垢的早期预判：

   通过监测GBM膜两侧的微小压力变化，机器学习模型可以识别出Cassie状态失稳的早期征兆。在膜孔彻底失效前，AI会通过调节流速或提醒患者进行简单的反向冲洗，显著延长耗材使用寿命。

3. 电解质实时动态平衡：

   结合Kardio-Net等深度学习模型，系统可以通过穿戴式心电监测仪间接推算患者的钾离子水平，并实时调整吸附泵的转速，实现24小时不间断的电解质监测与调节。

4. 数字孪生与辅助决策：

   Interwell Health等公司提出的“肾脏数字孪生”技术，允许医生在虚拟环境中测试不同的透析剂量组合。这种数字化临床决策支持（CDS）系统与WAK原型机的蓝牙连接，使得“远程查房”和“自动化处方调整”成为可能。

尽管邓旭团队的相变人工肾原型展现了动人的前景，但其通往临床普及的道路仍需跨越若干工程与法律层面的门槛。

首先是能量密度问题。液-气相变需要制冷模块持续工作，这对比了电池的续航能力提出了高要求。目前的原型机虽然集成度高，但如何在维持长效制冷的同时进一步减轻电池重量，是工程优化的关键。

其次是监管与费率。新工具的普及往往依赖于政策的协同。FDA的突破性设备认定（Breakthrough Device Designation）虽然缩短了审批流程，但医保支付方（如美国Medicare或中国医保）如何为这种“高频次、居家化”的新型疗法制定合理的报销标准，将决定该技术能否真正惠及普通患者。

从宏观经济角度看，ESRD的治疗占据了全球医疗预算的极高比例（在美国这一数字接近20%的Medicare预算）。如果WAK能成功减少患者往返透析中心的交通成本、中心运营成本以及由于间歇透析引起的并发症住院费用，其带来的社会价值将远超设备本身的研发成本。