构建生物人工肾脏

由Ansys Advantage Staff提供

直到肾脏衰竭，大多数人都不珍惜自己的肾脏。这些小器官负责过滤血液中的毒素，调节电解质和血压。它们产生尿液和关键激素，有助于维持身体的pH值平衡。但在5期肾病中，也称为终末期肾病(ESRD)，患者的肾脏已经衰竭。它们不再能够充分发挥这些关键功能。如果没有干预，死亡不可避免地会随之而来。

然而，干预的选择是有限的。ESRD患者可以进行透析，这是一种临床过程，机器过滤血液并尽可能去除毒素。不幸的是，透析在血液排毒方面的效果只有肾脏的10%左右，而且它对肾脏的代谢没有任何好处。此外，透析是有代价的。这个三到四个小时的手术非常昂贵，而且会让病人筋疲力尽，以至于病人被拴在透析机上实际上失去了一整天的时间。也不仅仅是一天:接受透析的人必须每周进行三次透析。

肾脏移植的好处要大得多，因为移植的肾脏可以执行病人原来肾脏的所有功能。但是每年捐赠的肾脏太少，无法满足移植的需求。在任何给定的时间，肾脏移植等待名单上可能有超过10万人，但每年只有足够的可用捐赠肾脏进行大约2万例移植手术。

创建肾脏项目

所有这些因素都激发了肾脏项目的灵感，这是一项由加州大学旧金山分校的Shuvo Roy博士和范德比尔特大学医学中心(VUMC)的William Fissell博士领导的全国性合作项目，涉及密歇根大学和其他机构的合作者。该项目的目标是创造一种手术植入的、自我维持的生物人造肾脏，它将尽可能多地发挥健康人类肾脏的功能。

这个微小装置的一部分——血液胸腔——被设计用来执行肾脏的血液过滤功能。第二部分——生物箱或生物反应器——旨在容纳实验室培养的人类肾脏细胞，这些细胞将提供健康的人类肾脏所具有的代谢益处。在第一个版本的生物人工肾脏中，这些嵌入的肾细胞(来自于无法移植的人类尸体肾脏，但其小管细胞可以保存、分离并复制)有望支持电解质的调节。在未来的版本中，从事肾脏项目的研究人员预计，其他嵌入的肾细胞将为调节pH值和血压提供支持，并提供其他激素益处。

按照设计，这种通过手术植入的微型设备将持续工作，不是由电池供电，而是完全由个人血压的力量供电。由于毒素过滤将持续进行，使用生物人工肾脏的患者将不需要每周三次连接透析机。他们也不会经历透析带来的疲惫。这种增强将对ESRD患者的生活质量产生巨大影响。此外，他们将对医疗保险支出产生重大影响。医疗保险是美国针对特定人群的联邦健康保险。ESRD是唯一一种无论患者年龄如何，治疗都由医疗保险完全覆盖的情况。今天，医疗保险每年花费400多亿美元用于ESRD护理。这约占其年度预算的7%，但这些资金只覆盖了1%的医保人口。没有其他一种疾病有这种不成比例的影响。

构建生物人工肾脏

使用Ansys机械在美国，与肾脏项目合作的设计师们创建并完善了生物人造肾脏所有物理组件的详细模型，包括突破性的硅纳米孔膜技术，该技术使大部分生物人造肾脏在操作上可行。这些由“肾脏计划”(The Kidney Project)创建的膜，将实验室培养的人类肾细胞包裹在该设备的生物箱中。当血液流经细胞膜时，嵌入的肾细胞执行与正常健康肾脏相同的代谢功能。在力学中进行了广泛的应力模拟后，设计人员找到了厚度、孔径和孔隙分布的理想平衡，可用于设计。这种膜的微加工孔只有10纳米宽——太窄了，以至于与人体免疫系统相关的血细胞无法穿透膜并发现这些“外来”肾细胞，这可能会导致人体排斥这种生物人造肾。与此同时，细胞膜上的孔隙足够大，可以过滤掉血液中的毒素、盐和水。血压不断迫使滤液通过血胸腔进入生物胸腔，生物胸腔将必要的盐和水重新吸收到血液中，从而将毒素集中到尿液中，并直接进入膀胱。

考虑到血液需要流经这些膜和设备内的通道，与肾脏项目合作的研究人员知道，该设备必须设计成最大限度地减少血栓形成的可能性。当血液中的化学物质与表面发生反应时，或者当血液流动中断时，血小板聚集形成凝块的成核位置时，就会形成凝块。研究人员知道，他们可以用生物友好的化学物质处理硅膜表面，以防止化学反应引起的凝血，但需要一种方法来优化和简化通过设备的血液流动，以避免中断，并确保血液流动保持层流。

为了实现这一目标，与肾脏项目合作的工程师与芝加哥大学计算流体动力学(CFD)专家合作SimuTech集团，他曾使用Ansys流利而且Ansys排名模拟和分析血液流入、流经和流出多种生物人造肾脏设计。研究人员需要了解在给定的设计中，血液循环的哪些区域可能会产生凝血机会。他们需要调整过滤筒的设计，以保持壁剪应力足够低，以防止红细胞爆炸并成为凝块的成核点。与此同时，他们需要确保设计的改进不会将低壁面剪切应力降低到低水平(低于1帕斯卡)，从而可能导致血细胞聚集-反过来创造一个成核位点和有利于凝块形成的条件。

模拟有助于设计筛选

将在Mechanical中创建的设计导入到Fluent中，然后在Fluent中运行血流模拟，这使得肾脏项目团队很容易评估和改进-过滤-大量的设计选项。他们本可以从Mechanical中创建每个设计的物理原型，但测试每个物理原型是不可行的。这种方法将花费更长的时间，产生更高的成本，并引发伦理问题，因为可能需要大量的动物来验证不同原型的有效性。

通过在Fluent中模拟不同设计的血液流动，并在CFX中可视化结果，肾脏项目的研究人员可以精确测量血液流动速度，确定可能形成血栓的区域，了解为什么这些点会产生凝血机会，然后合并和测试设计调整。他们可以在Mechanical中快速完善原型设计，然后在改进后的设计上快速运行新的模拟。这最大限度地减少了在动物身上建造和测试原型的需要。事实上，当肾脏项目的研究人员确实建立并测试了一个有希望的设计原型时，他们很快发现血凝块恰好在Fluent所指示的位置形成——这促使他们在创建有希望的候选人原型之前，更加专注于使用Fluent改进设计。他们可以看到模拟结果和现实世界的结果之间有很强的相关性。

以渐进改进为目标

虽然创造一个生物人造肾脏的目标看起来很崇高，但肾脏项目的研究人员明白，该设备不需要完美地复制健康人类肾脏的全部功能。如果它可以为患者提供他们在第四阶段经历的肾脏功能水平，这将改变他们的生活，因为许多患有第四阶段肾脏疾病的人甚至感觉不到肾脏疾病的负面影响。他们旅行，正常饮食，锻炼;他们的生活方式和其他人差不多。当透析开始，肾脏移植的漫长等待开始时，这一切都停止了。

在Fluent和CFX的帮助下，肾脏项目的研究人员正在努力提供一种能够实现其设计目标的生物人造肾脏——快速、高效，而且比其他方法更经济。