《Membranes》：Membrane-Enabled Dialysate Regeneration for Wearable and Miniaturized Artificial Kidney Systems: Transport Requirements, Hybrid Architectures, and Translational Constraints
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低容量透析液再循环将初级透析膜与再生回路耦合，应用于可穿戴及微型化人工肾。本叙述性综述考察了膜作为血液-透析液屏障、分级分离装置、吸附支撑体及催化剂包封界面的多重作用。研究人员比较了纳滤（NF）、正向渗透（FO）、混合基质吸附及膜支撑催化等技术在传输性能、容量
低容量透析液再循环将初级透析膜与再生回路耦合，应用于可穿戴及微型化人工肾。本叙述性综述考察了膜作为血液-透析液屏障、分级分离装置、吸附支撑体及催化剂包封界面的多重作用。研究人员比较了纳滤（NF）、正向渗透（FO）、混合基质吸附及膜支撑催化等技术在传输性能、容量、安全性及运行时长方面的表现。在所列表格列出的七项代表性再生研究中，五项仅测试了模型或合成进料液，一项在70 °C下运行，三项基于台架数据推算了临床规模的通量或模块需求；另有一项展示了连续24小时的耦合FO-氧化台架运行。这些重叠计数描述的是所选研究，而非整个文献范围。商业纳滤能够将尿素与葡萄糖及特定离子分离，而正向渗透和混合基质系统则可实现尿素的转移或捕获。然而，持续再生需要为转移出的尿素提供最终去向：将其捕获于可更换的吸附剂中、通过化学转化并控制产物、或直接排放。因此，膜的选择必须结合电解质平衡、膜污染、回流液安全性及吸附柱容量等因素进行综合评估。未来的研究应在可比报告条件下开展，包含完整的质量平衡、患者来源的真实废透析液、长时间闭环操作以及实测的模块质量和能耗。
2. 低容量透析液再循环的膜中心架构
2.1. 耦合的血液至透析液传输
初级膜建立了从血液到透析液的第一传输步骤。对于自由扩散型溶质，在扩散主导条件下，局部溶质通量可用整体传质系数乘以血液-透析液界面的浓度差来描述。尿素说明了为何再生容量会限制血侧清除率：降低再循环透析液中的尿素浓度可维持驱动力差。若尿素在该池中累积，即使增大或提高初级膜的渗透性也无法完全弥补再生不足。肌酐等其他小分子水溶性溶质遵循相同的传输原理，但其生成速率和吸附剂亲和力不同。对初级膜的改动可能改变再生回路需处理的负荷：更开放的孔隙可能允许更多中分子进入透析液；而血侧吸附膜虽能去除蛋白结合毒素，但被膜捕获的毒素未必转移至透析液中。因此，在分配下游处理负荷前，必须区分跨膜传输与初级膜内的吸附。
2.2. 次级膜作为再生界面
次级膜通常接触透析液而非血液。初级血液接触膜需评估溶血、凝血、血小板及白细胞活化、补体激活及蛋白质相互作用；而对次级膜而言，主要暴露途径是通过可能进入回流透析液并穿过初级膜的污染物。因此，低可萃取物、化学稳定性、微生物控制及膜完整性至关重要。次级膜的可能功能包括：纳滤（NF）或正向渗透（FO）优先转移尿素相对于葡萄糖或特定离子；混合基质膜将目标溶质捕获于嵌入的吸附颗粒中；围绕催化室的膜则控制向反应区的传输并帮助容纳催化剂。膜并非必须包含溶质汇；吸附在混合基质膜内提供汇，而分级分离通常需要单独的捕获、转化或排放步骤。在任何选定设计中，可处理全部废透析液流或受控侧流；拟返回的流体需经成分检查；分离出的处理流必须被处理或排放，而非简单汇入池中。
2.3. 闭环质量平衡
质量守恒平衡明确了再生的作用。对于一个目标溶质，充分混合透析液池中的积累速率等于经初级透析器进入的速率减去在可重复使用液体外部被捕获或转化的速率以及通过排放损失的速率。溶质在相连液体隔室之间的转移属于内部流动，并非汇。若这些隔室浓度不同，需对其各自的浓度-体积乘积求和以获得总液体库存。积分该速率平衡可得治疗时间间隔内的溶质量变化。吸附仅在溶质在整个治疗间隔内保持被捕获状态时才作为汇发挥作用；饱和或解吸会降低其净贡献。化学转化去除了目标物种，但未必去除其组成元素：脲酶消耗尿素的同时将氮留存在氨/铵中，这需要单独的产品平衡和捕获步骤。
3. 面向设备相关评估的膜性能指标
3.1. 传输与选择性
与人工肾相关的膜研究应报告超过百分比去除率的更多参数。膜材料、选择层结构、构型、有效面积、标称分子截留量或孔径描述符、进料液组成、温度、流向及驱动力均为解释传输所必需。水传输和溶质分离回答不同的设计问题。对于压力驱动膜，简化水力关系描述水通量与静压差成正比，同时考虑反向渗透压。溶质截留率衡量透过液浓度低于进料液浓度的比例。高尿素截留并非总是目标；为尿素处理侧路供料的膜可能需要相对于葡萄糖和特定电解质的高尿素透过率，同时需测量回流液的回收率。渗透驱动系统需额外报告汲取液组成、反向溶质通量、稀释度、水回收率及目标溶质的传质系数。混合基质膜吸附器需同时报告渗透性和动态吸附量，因为可渗透骨架和嵌入吸附剂贡献不同功能。由于测试矩阵和报告惯例均未标准化，研究间的直接数值比较仍然有限。
3.2. 动态容量、污染与完整性
再循环设备受时间依赖性能支配。应通过积分入口与出口溶质质量流量之差来计算动态容量，并校正采样、排放及液体滞留量变化。吸附量应归一化至整个膜模块的质量或体积，而非仅活性粉末质量。应在预期运行间隔内展示穿透、选择性漂移、压力升高及清洗或再生后的容量恢复情况。污染需根据位置进行解读：血侧膜面临蛋白质吸附与沉积、细胞相互作用、凝血等；透析液侧模块虽避免了大多数细胞组分，但仍会遇到蛋白质痕量、沉淀物、微生物产物、反应产物及浓差极化。对于混合基质系统，颗粒流失和聚合物溶胀是额外的失效模式。
4. 压力驱动与渗透驱动的膜分级分离
4.1. 用于小溶质分级分离的纳滤（NF）
纳滤通过分子尺寸和膜电荷的联合效应分离溶质。在再生回路中，目标可能是优先透过尿素同时保留葡萄糖或控制电解质分布。一项2025年的研究比较了六种商业纳滤膜在不同压力、温度和进料组成下对尿素、葡萄糖及单/二价离子的分离性能。结果表明纳滤可作为分级分离步骤，也解释了为何制造商标称的盐截留率不足以用于模块选型。透过尿素的膜也可能重新分布钙、镁、钠、钾或葡萄糖，其评估需包含这些溶质的平衡以及分离出的尿素流的定义处理或排放路径。
4.2. 正向渗透（FO）与反渗透（RO）耦合
正向渗透可利用渗透梯度而非高压回收水或转移尿素。一项使用商业三醋酸纤维素FO膜和透析浓缩液作为汲取液的研究实现了约64%的水回收率，尿素截留率较低。该研究展示了水回收，而非完全的透析液再生。另一项FO设计利用快速尿素传输，将商业水通道蛋白FO组件与保护性光电化学氧化回路耦合，报告了1.2 μm s-1的尿素传质系数，并展示了24小时的人源废透析液耦合FO-氧化台架运行。该结果支持了传输与反应的日间耦合，但临床规模通量仍为外推值。可穿戴验证仍需对水和电解质平衡、能量、产物控制及预期设备尺度下的膜性能进行联合测量。
5. 混合基质膜与吸附膜
5.1. 结合渗透与吸附
混合基质膜吸附器将吸附相嵌入多孔聚合物支撑体中，可减少颗粒处理并改善可及表面积。含活性炭、ZSM-5或斜发沸石的醋酸纤维素膜吸附器在24小时批式实验中对尿素去除率为16%-28%。含聚苯乙烯基茚三酮颗粒的中空纤维混合基质膜在70 °C下4小时再循环中实现了每克颗粒3.4±0.3 mmol的尿素去除，估算膜质量为215克，但该温度与直接临床再循环不兼容。
5.2. 双层中空纤维架构
双层中空纤维允许在管腔侧和壳侧分配不同功能。一项研究将氨基功能化介孔二氧化硅纳米颗粒纳入双层中空纤维混合基质膜的外层，在真实患者废透析液中报告了74.4%的尿素去除率和56.0%的肌酐去除率，但可穿戴时长的穿透、模块质量、灭菌及重复使用数据仍有待获取。
5.3. 区分血侧混合基质膜
血侧混合基质膜执行不同于次级透析液再生膜的任务。一项测试活性炭/聚醚砜/聚乙烯吡咯烷酮纤维的研究证明了其初级血液净化与污染屏障功能，而非直接去除透析液侧的尿素负荷。
6. 膜耦合催化尿素转化
6.1. 脲酶与下游铵捕获
REDY吸附柱确立了通过脲酶转化尿素并管理产物的历史先例。将酶固定在膜上或膜后可保留催化剂并界定接触面积，但含氮产物仍需管理。再生回路必须捕获铵、控制二氧化碳和pH、恢复电解质组成并在流体返回初级透析器前检测穿透。
6.2. 电化学与光电化学汇
电化学氧化可为膜产生的尿素侧流提供活性汇。反应产物决定了尿素转化是否能产生可复用透析液；含葡萄糖透析液的电氧化在测试条件下产生了葡萄糖降解产物。光驱动和光电催化方法也已得到研究；一项TiO2纳米线装置在24小时内去除了14.2克尿素，同时监测了氨、硝酸盐和含氯产物。选择性膜可通过限制进入反应室的竞争性溶质来改善催化再生，但增加膜是否有利于便携设备取决于总模块质量、体积、泵送能量、试剂消耗及抛光容量。
7. 膜启用回路中的吸附剂与电解质管理
膜分离后仍需多种吸附柱功能。活性炭捕获选定有机溶质并可抛光反应产物；磷酸锆捕获铵并进行阳离子交换；水合氧化锆支持磷酸盐和阴离子控制。直接尿素吸附剂试图避免铵形成，但其动态容量和质量仍是限制因素。膜支撑可改善颗粒包容和可及性，但也增加了聚合物质量和传输阻力。膜、吸附剂和反应模块应为互补任务而选择，每个附加阶段也会增加体积、流阻或潜在故障点。
8. 污染、完整性与长时运行
短时实验可能掩盖膜启用再生的主要失效模式。透析液侧污染虽不如直接血液接触复杂，但不可忽视。废透析液可含低浓度蛋白质、脂类相关物质、微生物碎片及沉淀物。完整性测试应与架构匹配。令人信服的耐久性研究应运行完整的再循环质量平衡，报告随时间变化的压力、通量、截留率、电解质漂移、副产物、穿透及完整性。
9. 混合架构、监测与转化就绪度
三种组合膜传输与持续溶质去除的方式包括：FO-氧化路线使透析液保持在自身回路中，而独立的反应液回路接收膜转移的尿素并经过氧化和产物抛光后循环；其他路线则在可更换混合基质中空纤维模块内捕获尿素，或通过支撑脲酶转化后进行铵捕获和流体再平衡。每种设计必须确定溶质被保留或转化的位置，以及回流透析液如何被检查。监测应与失效模式相匹配。人类可穿戴人工肾可行性研究展示了门诊小溶质清除，但技术问题导致提前停止。可穿戴体外血液透析仍需血管通路、安全连接及自动响应措施。
10. 膜中心转化的研究重点
应建立完整质量平衡。设备推算应同时报告膜面积、完整模块质量与体积、活性填料质量、能耗及处理溶质负荷。进料复杂度应随模块开发逐步增加。预期功能决定选择性终点。安全性评估必须追踪将返回初级透析器的流体路径。制造约束应在材料选择时予以考虑。
11. 结论
低容量人工肾系统不仅需要高性能透析器。血侧膜与透析液再生回路构成耦合分离系统：前者转移毒素负荷，后者必须提供维持驱动力的持续汇。次级膜可通过分级分离溶质、浓缩尿素、保留催化剂或嵌入吸附相来使该汇变得更小或更安全。所选研究展示了互补能力。下一步实验应将这些能力与明确的设备要求联系起来，包括在37°C下至少24小时动态运行中完成水、尿素、葡萄糖和主要电解质的平衡闭合。对于已测试24小时的系统，应展示可重复性、更长运行及故障响应。进展至动物和人体可行性测试将需要稳定的清除率和流体控制，以及对饱和、泄漏和断电的演示响应。
