Nieuw filter maakt gebruik van koolstofnanobuisjes om een ​​nieuw paradigma voor dialysemembranen te creëren

Een samenwerkend team heeft een nieuw type filter voor nierdialysemachines ontwikkeld dat het bloed efficiënter kan reinigen en de patiëntenzorg kan verbeteren. Piran Kidambi, universitair docent chemische en biomoleculaire technologie, leidde het team, dat bestond uit William Fissell, universitair hoofddocent nefrologie en hypertensie aan het Vanderbilt University Medical Center, Shuvo Roy, hoogleraar bio-engineering aan de Universiteit van Californië, San Francisco, en Francesco Fornasiero. stafwetenschapper biowetenschappen en biotechnologie bij het Lawrence Livermore National Lab.

Chronische nierziekte, een aandoening waarbij nierbeschadiging resulteert in een slechte bloedfiltratie, treft ongeveer 697,5 miljoen mensen – oftewel 9% van de wereldbevolking. De behandeling omvat hemofiltratie, hemodialyse of niertransplantatie. Hemofiltratie en hemodialyse ondersteunen de nieren door gifstoffen en afvalproducten uit het bloed te filteren.

Het nieuwe filter maakt gebruik van koolstofnanobuisjes – kleine buisjes gevormd door een vel koolstofatomen gebonden in een zeshoekige honingraatstructuur – die zeer kleine, gladde kanaaltjes hebben. Deze kanalen maken het gemakkelijker om gifstoffen en afvalstoffen uit het bloed te verwijderen zonder dat belangrijke eiwitten ontsnappen, wat bij traditionele filters een probleem kan zijn.

In het artikel “High-Performance Hemofiltratie via Molecular Sieving and Ultra-Low Friction in Carbon Nanotube Capillary Membranes”, gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen op 27 augustus demonstreren Kidambi en zijn co-auteurs dat hun dialysemembranen, bestaande uit koolstofnanobuisjes en polymeren, een nieuw paradigma voor dialyse creëren.

“Onze membranen presteren meer dan een orde van grootte beter dan de modernste dialysemembranen, terwijl ze tegelijkertijd een verbeterde verwijdering van middenmoleculen mogelijk maken die toxiciteit en andere gezondheidscomplicaties kunnen veroorzaken”, aldus Kidambi. “We hebben aangetoond dat nauwkeurige controle van de diameters van koolstofnanobuisjes niet alleen een verbeterde en effectieve verwijdering van middelste moleculen mogelijk maakte, maar dat de rechte kanaalgeometrie en de gladde wanden van de nanobuisjes een aanzienlijk verbeterde stroming mogelijk maakten.”

Het werk leverde ook fundamentele inzichten op over hoe biomoleculen transporteren in vernauwingen op nanoschaal. Net als een octopus die zichzelf kan verwringen om in de kleinste ruimtes te passen en vervolgens uit te zetten, ontdekten Kidami en zijn co-auteurs dat biomoleculen zich in de ingang van de nanobuis in het membraan wurmen, er doorheen reizen en aan de andere kant weer uitzetten. Deze kennis kan onderzoekers en ingenieurs helpen bij het ontwerpen van membranen voor biologische scheidingen die verder gaan dan dialyse.

Het gebruik van betere membranen bij dialyse is gunstig voor de patiëntenzorg. Kidambi en zijn collega’s zijn van plan de operationele haalbaarheid op de lange termijn, de bloedcompatibiliteit en andere vragen over het filter te beoordelen om het voor de patiëntenzorg te ontwikkelen. Ze willen deze technologie bevorderen met de vooruitgang die het Kidambi-lab heeft geboekt op het gebied van grafeen.

“Ons doel is om kleinere kits voor dialyse mogelijk te maken, zodat ze naar patiënten kunnen gaan, in plaats van dat ze naar het ziekenhuis komen en drie keer per week vier uur lang aan een dialysemachine worden vastgebonden”, zegt Peifu Cheng, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de Kidambi lab en de eerste auteur van het artikel. “Dat zou een enorme verbetering zijn in de levenskwaliteit van de patiënt. Ons langetermijndoel is om over te stappen op implanteerbare apparaten.”