[發明專利]基于二維膜材料的血液透析膜和血液過濾膜及其應用方法

在審

• 申請號: 201580057718.7
• 申請日: 2015-09-02
• 公開（公告）號: CN107073408A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發明（設計）人: 小約翰·B·斯特森;莎拉·西蒙;雅各布·L·斯維特
• 申請（專利權）人: 洛克希德馬丁公司
• 主分類號: B01D71/02
• 分類號: B01D71/02
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司11204
• 代理人: 王達佐,洪欣

相關申請的交叉引用

本申請要求于2014年9月2日提交的美國臨時申請62/044,877的權益，將其通過引用整體并入本文。

關于聯邦政府資助的研究或研發的聲明

不適用。

技術領域

本公開通常涉及納米材料在醫學應用中的用途，以及更具體地，其涉及基于基于石墨烯材料以及其它二維材料的血液透析膜和血液過濾膜。

發明背景

血液透析是當今醫療設施所提供的最常見的治療之一，并且此類治療的市場持續增長。2013年全球透析市場的價值為616.0億美元，并且伴隨著終末期腎臟疾病(ESRD)的患者數目增加以及全球糖尿病和高血壓發病率上升，預期其在接下來五年中以6.2％的復合年增長率(CAGR)增長。此外，透析設施的數目在成熟市場以及新興市場中的增加、為支持新產品的開發增加的私人投資和風險基金導致全球市場的增長。對透析中心降低的保險支付、高治療費用以及對腎臟相關疾病及其治療方式的低意識是持續抑制市場增長的因素。

血液過濾通常用于顯示出急性腎損傷的患者。在血液過濾中，通過經血液過濾膜對流移出水和相對低分子量的組分(高至20-30kDa)。在患者中替代水和電解質?？蓪⒀哼^濾與血液透析組合。

圖1顯示了常規血液透析系統和技術的說明示意圖。在示例的系統中，通過泵(3)的作用，血液從患者經合適的導管(11)進入透析器單元(5)，所述透析器單元包含合適的過濾器(2)，通常為中空纖維過濾器，以從血液選擇性移出毒性物質。新鮮的透析液利用泵(7)，經合適的導管(14)進入透析器，并且使用過的透析液經合適的導管(12)流出透析器單元。任選地提供透析液來源(22)和污物桶(21)。凈化的血液經合適的導管(13)，通過空氣檢測器和阱(trap)(9)返回至患者。在進入透析器的流動壓中，監測靜脈壓和動脈壓(分別為4、6和8)。經閥或相關流體計量裝置(18和19)，視需要，通過鹽水導管(15)提供鹽水來源(16)和肝素(17)，以防止凝血。圖2顯示了常規血液透析膜(30)的放大示意圖，所述膜具有所選尺寸的孔(32)以允許離子(33)、小分子(34)通過，并阻止較大的大分子(35)通過。常規的膜的厚度(t)范圍為50微米。當前狀態的解決方案或透析器是在硬塑殼中的中空纖維膜(30)裝置。血液流經纖維的內腔，以及透析液流經纖維外部的透析器。纖維通常由多孔材料，如三乙酸纖維素、聚砜、聚醚砜、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯聚合物合金、乙烯乙烯醇共聚物或聚丙烯腈制成。纖維具有允許小分子從血液擴散至透析液的微孔結構。擴散速率可以表示為分子的透析器清除率。在多種血液和透析液流速條件下，多種分子的清除可以以不同的速率發生。各種各樣的透析器配置允許醫師適當地限定血液透析治療，以滿足患者的需求。圍繞該過濾技術建立了全系統，以向患者提供當前標準的護理。然而，性能受透析器膜的滲透性、選擇性和粗糙度的限制。

鑒于以上，改善的血液透析膜和血液過濾膜以及方法在本領域將具有相當大的益處。具體地，具有增加的滲透性和選擇性的血液透析膜以及血液過濾膜將特別有利。本公開滿足前述需求，同時也提供了相關優勢。

發明概述

本發明的公開內容描述了包含置于多孔支撐結構上的有孔二維材料的膜，其用于血液透析和血液過濾應用。此類二維材料選擇性地穿孔，以提供一種或多種組分從血液的選擇性移出。二維材料包括，例如基于石墨烯的材料。

一方面，本公開描述了血液透析膜和系統，其中將有孔的基于石墨烯的材料以及其它有孔二維材料用作常規血液透析系統中聚合物膜的替代物。諸如基于石墨烯的材料和石墨烯的有孔二維材料可以具有與用于常規膜中的孔大小類似量級的孔大小，同時由于石墨烯薄而提供強得多的滲透性。此外，二維材料如基于石墨烯的材料的孔或穿孔可以具有選擇性的大小、被選擇性官能化或者以其它方式操作以調整血液透析分離過程的選擇性。

本公開還描述了血液透析方法，其中將血液暴露于由諸如基于石墨烯的材料的有孔二維材料形成的血液透析膜，并且在與有孔石墨烯接觸時，至少一種組分被從血液中移出。在實施方案中，移出的至少一種組分是尿素，其移出程度的測量可被用于評估給定的血液透析方法移出低分子量的毒性物質的有效性，所述低分子量的毒性物質例如導致疾病的低分子量的毒性物質。在實施方案中，移出至少一種不期望組分，如導致尿毒癥或其它疾病的低分子量的毒性物質或者較低分子量(例如小于約35kDa)的蛋白，而未移出對給定的患者而言有害的水平的白蛋白。在實施方案中，至少移出尿素，而未移出有害水平的白蛋白。