李茂云，禹 虹，蔣依凡，聶淑慧，郭 勇

(杭州師范大學藥學院，浙江 杭州 311121)

1 可穿戴人工腎

近年來，慢性腎臟病(Chronic Kidney Disease, CKD)已經(jīng)成為嚴重危害人類健康的全球性公共衛(wèi)生問題.在全球范圍內(nèi)，CKD的發(fā)病率在8%—16%之間且逐年增加[1-2].根據(jù)王海燕教授在2012年發(fā)表的全國性CKD研究結(jié)果顯示，我國CKD發(fā)病率達10.8%，患者人數(shù)將近1.2億[3-4].據(jù)不完全統(tǒng)計，在我國，其中終末期腎臟病(End-Stage Renal Disease, ESRD)的患病率在2012年為237/每百萬人口[5].由于腎臟供體有限，大部分ESRD患者只能接受血液透析或腹膜透析以維持生命.

目前，我國90%以上的透析患者使用血液透析方法，他們需要頻繁地去醫(yī)院治療(3次/周，約4 h/次)，透析期間患者需要一直躺在病床上，這給患者的日常生活造成了極大的不便.另外，每次透析需要消耗大量的透析液(>100 L)及相關耗材，這不僅是一筆不菲的費用(如門診透析患者的透析直接相關費用約占整體醫(yī)療費用的65%)，而且也對環(huán)境造成一定的污染.為了解決上述問題，研究人員提出了可穿戴人工腎(Wearable Artificial Kidney, WAK，圖1)的概念[6-9].通過再生透析液，減少透析液的用量，使微型化透析儀成為可能，因此患者可以將透析儀穿戴在身上實現(xiàn)隨時隨地的透析，從而提高患者的生活質(zhì)量.另外ECRI(Emergency Care Research Institute)研究所預測WAK的治療費用僅為傳統(tǒng)血液透析治療費用的60%—70%[10].WAK的先驅(qū)者Victor Gura于2007年在英國以及2016年在美國分別進行了WAK的人體試驗，實驗結(jié)果顯示W(wǎng)AK能有效清除代謝產(chǎn)物以及維持血液電解質(zhì)平衡等，患者比使用傳統(tǒng)的透析儀具有更積極的反饋且表示會把WAK推薦給其患友[11-12].荷蘭的Neokidney公司也于2015年開發(fā)了一款WAK原型機并預計在2020年進行人體試驗.

圖1 (A)傳統(tǒng)的血液透析方法以及(B)可穿戴式人工腎的示意圖Fig.1 Scheme of (A) conventional hemodialysis and (B) wearable artificial kidney

目前，研發(fā)WAK的最大瓶頸是制備一種高效的尿素吸附材料用以清除經(jīng)透析擴散到透析液中的尿素.血液中尿素的清除方法主要有兩種，一種是使用脲酶先將尿素催化降解成NH4+，再用離子交換樹脂清除NH4+[13-14]；另一種方法是用吸附材料直接通過共價或非共價等方法與尿素成鍵，從而將尿素從血液中清除[15-16].前文提到的WAK主要使用第一種方法用以清除尿素，但是該方法有兩大主要缺陷：其一，當產(chǎn)生的NH4+因離子交換樹脂飽和而無法被繼續(xù)清除時，這些殘留的NH4+的毒性要比等量尿素的毒性更強[17]；其二，尿素分解過程中會產(chǎn)生CO2，產(chǎn)生的CO2逐漸在器件內(nèi)累積，導致血壓以及透析液流速的間歇性變化，影響最終透析效果甚至導致透析失敗[11].因此，越來越多的科研人員將研究方向聚焦在第二種方法上，由此開發(fā)出各種各樣的基于化學鍵(非共價鍵、金屬配位鍵、共價鍵)的尿素吸附材料.本文主要綜述基于非共價法的尿素吸附材料.

2 尿素

在人體內(nèi)，蛋白質(zhì)和其他含氮營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)過代謝變成銨，這些銨在肝臟中通過尿素循環(huán)轉(zhuǎn)化成尿素.尿素通過血液運輸?shù)侥I臟，最后通過尿液排出體外.尿素是主要的非蛋白類的含氮化合物，約占腎臟氮排泄的90%.根據(jù)當天蛋白質(zhì)的攝入量，成年人尿素每日排出體外物質(zhì)的量可達240—470 mmol.如果這些生成的尿素無法盡快從人體內(nèi)排出，就會導致血液內(nèi)的尿素濃度升高，引起一系列的毒副作用，表現(xiàn)出惡心、失眠、腹瀉等癥狀，嚴重的會發(fā)展成尿毒癥.一般來說，尿素是一種非常不活潑的化合物：尿素在生理pH值下不帶電荷，既不非常親核也不非常親電.在水溶液中，尿素與微量的分解產(chǎn)物銨離子和氰酸根離子(0.1%—0.8%)處于平衡狀態(tài)(式1).原則上，氰酸根離子可以在酸性條件下與H2O進一步反應，形成CO2和NH3(式2).然而，在生理條件下，氰酸根離子與H2O的反應非常緩慢，分解產(chǎn)物銨離子和氰酸根離子在較小程度上仍然存在.

(1)

(2)

盡管人體對于在10—20 mmol/L范圍內(nèi)輕度升高的尿素濃度是可以耐受的，但尿素濃度超過20 mmol/L則會產(chǎn)生毒性，比如抑制胰島素活性和破壞胃腸道屏障.因此，必須避免人體尿素濃度過高.為了消除每日240—470 mmol的尿素產(chǎn)量，同時在每日8 h透析下將尿素濃度保持在20 mmol/L以下，透析期間的尿素清除率應至少為25—49 mL/min，從而使24 h平均清除率為8—16 mL/min.

3 尿素吸附劑

若一種吸附劑能與尿素特異性且高效結(jié)合，它將成為可穿戴人工腎的理想材料，因為它與酶以及電化學降解尿素不同，不會有潛在有害副產(chǎn)物的生成.吸附劑主要通過和尿素形成氫鍵或者范德華力等非鍵相互作用，或作為親核試劑與尿素反應形成共價鍵來達到尿素吸附的作用.最近的研究表明吸附劑具備有效去除透析液中尿素的潛力，其中包括無機物基吸附劑(如活性炭、硅、沸石、MXenes)、殼聚糖基吸附劑、分子印跡聚合物(MIPs)基吸附劑和含(多)羰基化合物的吸附劑.其中含(多)羰基化合物的吸附劑通過共價作用吸附尿素，不在本文的討論范圍.接下來的章節(jié)將對上述其余幾種材料進行詳細的綜述.

3.1 無機物基尿素吸附劑

研究最早最多的無機物基尿素吸附劑是活性炭(AC)，它是一種炭化活性材料，其比表面積一般在500～1 500 m2/g范圍內(nèi).AC主要通過非共價相互作用吸附尿素，故大多數(shù)類型的活性炭對尿素的吸附能力都很低，最大吸附容量僅約為0.2 mmol/g[18-20].由于尿素在活性炭上的吸附是放熱的，而尿素從活性炭上的解吸是吸熱的.因此，可通過適當降低溫度來提高吸附量.然而，由于人體溫度的限制而無法過低降低溫度，故由此法得到的尿素吸附容量仍然較低.

此外，二氧化硅也被用作尿素吸附劑.某些形式的二氧化硅，如介孔硅SBA-15和MCM-41，由于其具有較高的比表面積(一般為400～900 m2/g)和較小的孔道( ±10 nm )，因此可以用來吸附尿素.Cheah等人報道了SBA-15和胺化SBA-15的最高尿素吸附容量分別為7.9 mmol/g和8.7 mmol/g (38 mmol/L尿素水溶液的條件下).如此高的尿素吸附容量可能與他們使用的尿素濃度的測定方法未被驗證有關.因為他們文章中作為參比的市售AC的尿素吸附容量也達到了5.4 mmol/g，遠遠高于我們之前綜述的0.2 mmol/g[21].

沸石是納米多孔晶體材料，主要由硅和氧化鋁組成.沸石被廣泛用作吸附劑和離子交換劑，沸石作為尿素吸附材料也偶有報道.Cheng等人研究了沸石ZSM-5對尿素的吸附作用，發(fā)現(xiàn)其最大尿素吸附容量(0.70 mmol/g)高于活性炭(0.41 mmol/g)和氧化石墨烯(0.45 mmol/g)[20].

近年來，二維材料由于其高比表面積等特性正受到越來越多的關注，其中具有O-、OH-和F-表面基團的二維過渡金屬碳化物材料( MXenes )也被報道為新型尿素吸附劑用于透析液再生，如圖2所示.MXenes是疊層的納米片層，每層厚度約為1 nm，尺寸為1～4 μm.這些材料的通式是Ti3C2TX，其中TX表示通過氫鍵和偶極相互作用結(jié)合尿素的O-、OH-或F-等表面基團.盡管已報道的MXenes在37 ℃下對尿素的結(jié)合能力較低(0.12 mmol/g)，但作者指出，這些材料結(jié)合尿素是很有前景的，因為MXenes代表了一大批不同組成的材料，可以進一步探索尋找最佳的尿素吸附劑[22].

圖2 MXenes吸附尿素示意圖[22]Fig.2 Scheme of urea adsorbed by MXenes

3.2 殼聚糖基尿素吸附劑

殼聚糖(CS，圖3)是甲殼素的部分脫乙酰聚合物(脫乙酰度> 50 %)，是由隨機分布的β- 1,4 -連接的D-葡萄糖胺和N-乙酰-D-葡萄糖胺單元組成的線性多糖[23-25]. CS中的氨基由于可以與尿素、蛋白質(zhì)、核酸、膽固醇等多種生物分子中的基團形成氫鍵和偶極作用而對它們具有吸附能力.因此，CS及其衍生物在許多醫(yī)藥和生物醫(yī)學方面都有應用，包括在藥物遞送系統(tǒng)、組織工程、傷口敷料和疫苗輸送中的應用[26-27].

(a)橋接模型 (b)吊墜模型圖3 CS/Cu2+/尿素配合物的配位模型Fig.3 Coordination model for CS/Cu2+/urea complex

Jing等人利用CS來穩(wěn)定氧化纖維素基尿素吸附劑，并開發(fā)了一種由90%氧化纖維素內(nèi)核和10%CS涂層組成的膜，其尿素結(jié)合容量為0.14 mmol/g[28].盡管CS能夠通過氫鍵結(jié)合尿素，但因為它結(jié)合尿素的能力太低，無法應用于可穿戴人工腎.因此，人們嘗試多種方法來提高它結(jié)合尿素的能力[29-35].目前，最常研究的方法是CS先與金屬離子通過配位鍵絡合，然后金屬離子未占用的d軌道可以和尿素結(jié)合從而吸附尿素.由于配位鍵通常比氫鍵強，因此尿素優(yōu)先與金屬離子結(jié)合.在眾多的金屬離子中，Cu2+與尿素結(jié)合的研究最為廣泛，因為Cu2+與其他金屬離子相比，具有與尿素相對較高的親和力(Cu2+?Hg2+>Zn2+>Cd2+>Ni2+>Co2+～Ca2+).此外，制造CS/金屬離子絡合物是一個簡單的過程，可以直接通過將CS浸入含有金屬離子的水溶液中來實現(xiàn)[24].為了獲得對尿素有高結(jié)合能力的CS/Cu2+復合物，關鍵是增加CS的Cu2+上載含量，可通過提高復合物的可接觸性(通過應用大孔隙率或更小的顆粒)或通過增加氨基的含量來實現(xiàn).Chen等人制備了Cu2+負載CS-絲纖維蛋白混合膜，通過觀察發(fā)現(xiàn)尿素濃度22 mmol/L下其尿素結(jié)合能力為0.3 mmol/g.因為CS-纖維蛋白共混膜很致密，限制了殼聚糖上與氨基結(jié)合的Cu2+對尿素的可及性.當通過制備孔徑為25～35 μm的大孔CS膜來改善與氨基結(jié)合Cu2+的可接觸性時，與絲素共混膜相比，CS中Cu2 +的負載量增加，導致尿素結(jié)合容量從0.3 mmol/g顯著增加到1.3 mmol/g[30,36].除了CS/Cu2+復合物膜，人們也在探索CS/Cu2+吸附顆粒能否用于吸附尿素[29,31-33].Pathak等人比較了CS/Cu2+膜和顆粒的尿素結(jié)合能力，發(fā)現(xiàn)膜的尿素結(jié)合能力略低于顆粒.此外，尿素吸附量隨著粒徑的減小而增加，這可能是由于較小顆粒的表面積增加，因此官能團的可接觸性增加[32].

盡管上述研究表明，通過與金屬離子絡合可以增加CS的尿素結(jié)合力，但CS在水中與金屬離子形成絡合物的能力有限，因為CS的大部分氨基和羥基彼此與水分子形成氫鍵[36-37].Chen等人研究表明，通過將CS的氨基與戊二醛部分交聯(lián)，形成CS金屬離子配合物的能力增強[38].盡管與戊二醛反應消耗了部分氨基，但交聯(lián)過程阻止了剩余氨基與羥基形成氫鍵，導致整體上更多的氨基可用于CS-金屬離子復合物的形成[35,39].此外，Wilson等人推測，除了CS未反應的氨基外，源自戊二醛的醛基也可以絡合Cu2+，通過將Cu2+與戊二醛交聯(lián)的CS反應制備CS/Cu2+復合物，其最大吸附容量達到了4.4 mmol/g，如圖4所示[35].

圖4 含銅離子及不含銅離子的交聯(lián)殼聚糖對尿素的最大吸附容量Fig.4 The maximum urea uptake of cross-linked CS with or without Cu2+

綜上所述，CS/Cu2+配合物具有較高的尿素結(jié)合能力，在進行戊二醛交聯(lián)時，其尿素結(jié)合能力更強.然而，可穿戴人工腎的應用中，潛在Cu2+浸出是一個值得重視的問題.此外，戊二醛浸出是另一個安全問題.

3.3 基于分子印跡技術的尿素吸附劑

分子印跡是一種相對新穎的技術，用于合成與模板分子(如尿素)在形狀、大小和結(jié)合位點方面具有互補性的聚合物[40-42].圖5是分子印跡聚合物(MIP)的制備過程原理.從制備技術上來說，分子印跡聚合物的合成不需要復雜的有機合成和分子設計，是比較簡單并且容易調(diào)整的.而與具有特異性識別能力的天然抗體相比，分子印跡聚合物具有優(yōu)異的化學性質(zhì)、熱穩(wěn)定性、可再生性和溶劑抗性的性質(zhì)[43].在應用于可穿戴人工腎時，因為人體中的某些其他含氮物質(zhì)也會隨著尿素一起進入透析液中，而這些含氮溶質(zhì)可能會與尿素競爭尿素吸附劑，但具有特異性識別尿素功能的尿素吸附劑就可避免這一現(xiàn)象的發(fā)生.由于其獨特的特異性識別功能，分子印跡聚合物已廣泛應用于色譜分離、傳感、藥物傳遞和催化等領域[44-47].

圖5 分子印跡聚合物(MIP)制備示意圖Fig.5 Scheme of the preparation of molecular imprinting polymers

MIP制備過程主要包括以下幾步：首先，模板分子和互補的功能單體通過共價或非共價結(jié)合形成可逆復合物；隨后，可逆復合物與過量的交聯(lián)劑聚合，使可逆復合物固定于聚合物基體.當模板分子從聚合物中移除時，剩下的結(jié)構(gòu)就與模板分子互補.因此，最后獲得的聚合物可以選擇性吸附溶液中的模板分子.

至今為止，已有多篇文獻報道了以尿素為模板分子制備分子印跡聚合物用以吸附清除尿素[48-56].Alizadeh等人以甲基丙烯酸為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑，在乙腈中反應得到了尿素印跡的聚合物，其對尿素的吸附容量達到了6.3 mmol/g[54].這是一個值得注意但可疑的發(fā)現(xiàn)，第一點是因為在理論上這種聚合物與尿素的結(jié)合能力最大只有0.28 mmol/g.第二點是在合成過程中，他們使用的是乙腈作為溶劑，這是一種理想的狀態(tài).在乙腈中，印跡吸附劑的羧基很可能被質(zhì)子化，而在實際應用中，大部分吸附實驗都是在緩沖溶液中進行的，比如透析液.在這些緩沖溶液中，印跡聚合物的羧基就有可能被去質(zhì)子化，從而改變吸附劑與尿素的特定結(jié)合.而該作者在這兩個問題上都沒有發(fā)表意見，這也導致這篇文章的可信度存在問題.

此外，如果一種大分子具有合適的官能團，即使在制備中不添加交聯(lián)劑，這種大分子也可以用來制備以尿素為模板的分子印跡聚合物[48-53,56].比如，將溶有尿素和聚乙烯-聚乙烯醇共聚物的二甲基亞砜蒸發(fā)，然后用乙醇和水進行萃取除去尿素，這就形成尿素分子印跡聚合物的膜.盡管在加工過程中沒有加入交聯(lián)劑，但是尿素分子印跡聚合物的膜仍然顯示出良好的印跡質(zhì)量.在尿素濃度為16.7 mmol/L時，尿素吸附容量為0.4 mmol/g(圖6)[56].此外，殼聚糖也可以應用于尿素分子印跡聚合物的設計中[48,50-51].

圖6 分子印跡聚合物(MIP)電極制備示意圖Fig.6 Scheme of the preparation of molecular imprinting EVAL sensing electrode

4 結(jié)論與展望

開發(fā)可穿戴人工腎的最大挑戰(zhàn)是開發(fā)有效的尿素清除技術.目前科學家們已探索多種方法，比如酶水解、電化學分解、物理吸附和化學吸附，但這些方法都存在各自的缺點.

本文主要綜述了基于非共價法的尿素吸附材料.高特異性、高結(jié)合能力、具有快速動力學特性、不釋放毒副產(chǎn)物的尿素吸附劑還有待探索.活性炭和沸石對尿素的親和力太低，不適合在可穿戴人工腎中應用.未來可能會研發(fā)出對尿素具有高結(jié)合能力和高親和力的沸石或改良的活性炭.二氧化硅對尿素具有較高的吸附能力，但在可穿戴性人工腎中加入二氧化硅仍需要實驗來驗證這一設想.

以戊二醛做交聯(lián)劑的殼聚糖/銅離子復合物吸附劑具有較高的尿素結(jié)合能力.然而，這樣的吸附劑存在一個重要的問題，那就是潛在的銅離子浸出對人體的影響.

相對其他方法來說，尿素分子印跡聚合物具有極大優(yōu)勢，因為它可以和尿素進行特異性結(jié)合.但是合成尿素吸附劑的分子印跡技術仍處在非常早期的階段.大部分獲得的尿素分子印跡聚合物主要用于尿素的檢測，只有極少數(shù)的研究關注尿素結(jié)合后透析液的再生問題.此外，現(xiàn)有特異性識別是基于氫鍵的相互作用，這可能會導致緩沖液中的水與尿素競爭性結(jié)合吸附劑，使尿素分子印跡聚合物的利用率降低，這就需要大量的“非功能交聯(lián)劑”來維持聚合物的結(jié)構(gòu)，從而降低了交聯(lián)劑的最大結(jié)合能力，這也是該方法另外一個缺點.共價或配位印跡有可能避免這些缺點，但仍需要進一步探索.

總之，目前沒有一種去除尿素的方法可以讓可穿戴的透析設備用于人體.但是隨著不同的尿素去除策略技術的發(fā)展，在不久的將來，便攜式透析液再生系統(tǒng)和輕量級可穿戴人工腎有可能實現(xiàn)并造福人類.