Forscher der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik (MAE) der Herbert Wertheim School of Engineering haben eine neuartige Hämodialysemembran aus Graphenoxid (GO) entwickelt, einem monoatomaren Schichtmaterial.Es wird erwartet, dass sich die Behandlung der Nierendialysepatienten völlig verändern wird.Dieser Fortschritt ermöglicht die Anbringung des Mikrochip-Dialysators auf der Haut des Patienten.Da es unter arteriellem Druck arbeitet, entfällt die Blutpumpe und der extrakorporale Blutkreislauf und ermöglicht eine sichere Dialyse bequem zu Hause.Im Vergleich zur bestehenden Polymermembran ist die Permeabilität der Membran um zwei Größenordnungen höher, sie ist blutkompatibel und nicht so einfach zu skalieren wie Polymermembranen.
Professor Knox T. Millsaps vom MAE und leitender Forscher des Membranprojekts Saeed Moghaddam und sein Team haben einen neuen Prozess entwickelt, der Selbstorganisation und Optimierung der physikalischen und chemischen Eigenschaften von GO-Nanoplättchen beinhaltet.Durch diesen Prozess werden lediglich die 3 GO-Schichten in hochorganisierte Nanoblattanordnungen umgewandelt, wodurch eine ultrahohe Permeabilität und Selektivität erreicht wird.„Durch die Entwicklung einer Membran, die deutlich durchlässiger ist als ihr biologisches Gegenstück, die glomeruläre Basalmembran (GBM) der Niere, haben wir das große Potenzial von Nanomaterialien, Nanoengineering und molekularer Selbstorganisation demonstriert.“sagte Mogda Dr. Mu.
Die Untersuchung der Membranleistung in Hämodialyseszenarien hat zu sehr ermutigenden Ergebnissen geführt.Die Siebkoeffizienten von Harnstoff und Cytochrom-c betragen 0,5 bzw. 0,4, was für eine langsame Langzeitdialyse ausreicht und gleichzeitig mehr als 99 % des Albumins zurückhält;Studien zu Hämolyse, Komplementaktivierung und Koagulation haben gezeigt, dass sie mit bestehenden Dialysemembranmaterialien vergleichbar sind oder die Leistung bestehender Dialysemembranmaterialien übertreffen.Die Ergebnisse dieser Studie wurden auf Advanced Materials Interfaces (5. Februar 2021) unter dem Titel „Trilayer Interlinked Graphene Oxide Membrane for Wearable Hemodialyzer“ veröffentlicht.
Dr. Moghaddam sagte: „Wir haben ein einzigartiges, selbstorganisiertes, geordnetes GO-Nanoplättchen-Mosaik demonstriert, das die zehnjährigen Bemühungen in der Entwicklung von Membranen auf Graphenbasis erheblich vorantreibt.“Es handelt sich um eine praktikable Plattform, die die Low-Flow-Nachtdialyse zu Hause verbessern kann.“Dr. Moghaddam arbeitet derzeit an der Entwicklung von Mikrochips mit neuen GO-Membranen, die die Forschung näher an die Realität der Bereitstellung tragbarer Hämodialysegeräte für Patienten mit Nierenerkrankungen bringen werden.
Im Leitartikel von Nature (März 2020) heißt es: „Die Weltgesundheitsorganisation schätzt, dass jedes Jahr weltweit etwa 1,2 Millionen Menschen an Nierenversagen sterben [und die Häufigkeit von Nierenerkrankungen im Endstadium (ESRD) auf Diabetes und Bluthochdruck zurückzuführen ist]….“Dialyse Die Kombination aus praktischen Einschränkungen der Technologie und Erschwinglichkeit führt auch dazu, dass weniger als die Hälfte der Menschen, die eine Behandlung benötigen, Zugang dazu haben.“Entsprechend miniaturisierte tragbare Geräte sind eine wirtschaftliche Lösung zur Erhöhung der Überlebensraten, insbesondere im Entwicklungsland China.„Unsere Membran ist eine Schlüsselkomponente eines tragbaren Miniatursystems, das die Filterfunktion der Niere reproduzieren kann und so den Komfort und die Erschwinglichkeit weltweit erheblich verbessert“, sagte Dr. Moghaddam.
„Große Fortschritte bei der Behandlung von Patienten mit Hämodialyse und Nierenversagen werden durch die Membrantechnologie begrenzt.Die Membrantechnologie hat in den letzten Jahrzehnten keine nennenswerten Fortschritte gemacht.Die grundlegende Weiterentwicklung der Membrantechnologie erfordert eine Verbesserung der Nierendialyse.Ein hochpermeables und selektives Material, wie die hier entwickelte ultradünne Graphenoxidmembran, könnte das Paradigma verändern.Mit ultradünnen durchlässigen Membranen können nicht nur miniaturisierte Dialysatoren, sondern auch echte tragbare und tragbare Geräte realisiert werden, wodurch die Lebensqualität und die Prognose der Patienten verbessert werden.“James L. McGrath sagte, er sei Professor für Biomedizintechnik an der Universität Rochester und Miterfinder einer neuen ultradünnen Siliziummembrantechnologie für verschiedene biologische Anwendungen (Nature, 2007).
Diese Forschung wurde vom National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB) der National Institutes of Health finanziert.Zu Dr. Moghaddams Team gehören Dr. Richard P. Rode, Postdoktorand an der UF MAE, Dr. Thomas R. Gaborski (Co-Hauptforscher), Daniel Ornt, MD (Co-Hauptforscher) und Henry C von der Abteilung für Biomedizin Ingenieurwesen, Rochester Institute of Technology.Dr. Chung und Hayley N. Miller.
Dr. Moghaddam ist Mitglied der UF Interdisciplinary Microsystems Group und leitet das Nanostructured Energy Systems Laboratory (NESLabs), dessen Aufgabe es ist, den Wissensstand in der Nanotechnik funktioneller poröser Strukturen und der Übertragungsphysik im Mikro-/Nanobereich zu verbessern.Er vereint verschiedene Disziplinen der Technik und Wissenschaft, um die Physik der Übertragung im Mikro-/Nanomaßstab besser zu verstehen und Strukturen und Systeme der nächsten Generation mit höherer Leistung und Effizienz zu entwickeln.
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