[发明专利]基于二维膜材料的血液透析膜和血液过滤膜及其应用方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年9月2日提交的美国临时申请62/044,877的权益，将其通过引用整体并入本文。

关于联邦政府资助的研究或研发的声明

不适用。

技术领域

本公开通常涉及纳米材料在医学应用中的用途，以及更具体地，其涉及基于基于石墨烯材料以及其它二维材料的血液透析膜和血液过滤膜。

发明背景

血液透析是当今医疗设施所提供的最常见的治疗之一，并且此类治疗的市场持续增长。2013年全球透析市场的价值为616.0亿美元，并且伴随着终末期肾脏疾病(ESRD)的患者数目增加以及全球糖尿病和高血压发病率上升，预期其在接下来五年中以6.2％的复合年增长率(CAGR)增长。此外，透析设施的数目在成熟市场以及新兴市场中的增加、为支持新产品的开发增加的私人投资和风险基金导致全球市场的增长。对透析中心降低的保险支付、高治疗费用以及对肾脏相关疾病及其治疗方式的低意识是持续抑制市场增长的因素。

血液过滤通常用于显示出急性肾损伤的患者。在血液过滤中，通过经血液过滤膜对流移出水和相对低分子量的组分(高至20-30kDa)。在患者中替代水和电解质。可将血液过滤与血液透析组合。

图1显示了常规血液透析系统和技术的说明示意图。在示例的系统中，通过泵(3)的作用，血液从患者经合适的导管(11)进入透析器单元(5)，所述透析器单元包含合适的过滤器(2)，通常为中空纤维过滤器，以从血液选择性移出毒性物质。新鲜的透析液利用泵(7)，经合适的导管(14)进入透析器，并且使用过的透析液经合适的导管(12)流出透析器单元。任选地提供透析液来源(22)和污物桶(21)。净化的血液经合适的导管(13)，通过空气检测器和阱(trap)(9)返回至患者。在进入透析器的流动压中，监测静脉压和动脉压(分别为4、6和8)。经阀或相关流体计量装置(18和19)，视需要，通过盐水导管(15)提供盐水来源(16)和肝素(17)，以防止凝血。图2显示了常规血液透析膜(30)的放大示意图，所述膜具有所选尺寸的孔(32)以允许离子(33)、小分子(34)通过，并阻止较大的大分子(35)通过。常规的膜的厚度(t)范围为50微米。当前状态的解决方案或透析器是在硬塑壳中的中空纤维膜(30)装置。血液流经纤维的内腔，以及透析液流经纤维外部的透析器。纤维通常由多孔材料，如三乙酸纤维素、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。纤维具有允许小分子从血液扩散至透析液的微孔结构。扩散速率可以表示为分子的透析器清除率。在多种血液和透析液流速条件下，多种分子的清除可以以不同的速率发生。各种各样的透析器配置允许医师适当地限定血液透析治疗，以满足患者的需求。围绕该过滤技术建立了全系统，以向患者提供当前标准的护理。然而，性能受透析器膜的渗透性、选择性和粗糙度的限制。

鉴于以上，改善的血液透析膜和血液过滤膜以及方法在本领域将具有相当大的益处。具体地，具有增加的渗透性和选择性的血液透析膜以及血液过滤膜将特别有利。本公开满足前述需求，同时也提供了相关优势。

发明概述

本发明的公开内容描述了包含置于多孔支撑结构上的有孔二维材料的膜，其用于血液透析和血液过滤应用。此类二维材料选择性地穿孔，以提供一种或多种组分从血液的选择性移出。二维材料包括，例如基于石墨烯的材料。

一方面，本公开描述了血液透析膜和系统，其中将有孔的基于石墨烯的材料以及其它有孔二维材料用作常规血液透析系统中聚合物膜的替代物。诸如基于石墨烯的材料和石墨烯的有孔二维材料可以具有与用于常规膜中的孔大小类似量级的孔大小，同时由于石墨烯薄而提供强得多的渗透性。此外，二维材料如基于石墨烯的材料的孔或穿孔可以具有选择性的大小、被选择性官能化或者以其它方式操作以调整血液透析分离过程的选择性。

本公开还描述了血液透析方法，其中将血液暴露于由诸如基于石墨烯的材料的有孔二维材料形成的血液透析膜，并且在与有孔石墨烯接触时，至少一种组分被从血液中移出。在实施方案中，移出的至少一种组分是尿素，其移出程度的测量可被用于评估给定的血液透析方法移出低分子量的毒性物质的有效性，所述低分子量的毒性物质例如导致疾病的低分子量的毒性物质。在实施方案中，移出至少一种不期望组分，如导致尿毒症或其它疾病的低分子量的毒性物质或者较低分子量(例如小于约35kDa)的蛋白，而未移出对给定的患者而言有害的水平的白蛋白。在实施方案中，至少移出尿素，而未移出有害水平的白蛋白。