构建生物人工肾脏

By Ansys Advantage Staff

大多数人都不珍惜自己的肾脏——直到它们衰竭。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的激素，并帮助维持身体的pH值平衡。但在肾脏疾病的第5阶段，也被称为终末期肾脏疾病(ESRD)，一个人的肾脏已经衰竭。他们不能再充分履行这些关键职能。没有干预，死亡不可避免地随之而来。

然而，干预的选择是有限的。终末期肾病患者可以接受透析，这是一种临床手术，用机器过滤血液，尽可能地去除毒素。不幸的是，透析对血液的解毒作用只有肾脏的10%左右，而且它没有肾脏的代谢益处。此外，透析是有代价的。这个三到四个小时的过程是昂贵的，而且它可能会让病人筋疲力尽，以至于绑在透析机旁的病人实际上浪费了一整天的时间。不仅仅是一天:接受透析的人每周必须接受三次透析。

肾脏移植的好处要大得多，因为移植的肾脏可以执行患者原肾脏的所有功能。但每年捐献的肾脏太少，无法满足移植需求。在任何时候，等待肾脏移植的人都可能超过10万人，但每年只有足够的活体捐赠肾脏来进行大约2万例移植。

创建肾脏项目

所有这些因素都激发了肾脏项目的灵感，这是一个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医学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可手术植入的、自我维持的生物人工肾脏，它将尽可能多地发挥健康人类肾脏的功能。

这个小装置的一部分——血罐——被设计用来执行肾脏的血液过滤功能。第二部分——生物容器或生物反应器——被设计用来容纳实验室培养的人类肾脏细胞，这些细胞将提供健康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(来源于不能移植的人尸体肾脏，但其小管细胞可以保存、分离和复制)有望支持电解质的调节。在未来的版本中，肾脏项目的研究人员希望其他嵌入的肾细胞将增加对pH值和血压调节的支持，以及提供其他激素益处。

按照设计，这种通过外科手术植入的微小装置可以连续工作，不需要电池供电，而是完全依靠个人血压的力量。由于毒素的过滤会持续进行，因此生物人工肾脏的患者不需要每周三次与透析机相连。他们也不会经历透析带来的疲惫。这样的改善将对ESRD患者的生活质量产生巨大的影响。此外，它们将对医疗保险支出产生重大影响。联邦医疗保险是针对特定人群的美国联邦医疗保险。终末期肾病是唯一一种治疗完全由医疗保险覆盖的疾病，无论患者的年龄如何。今天，医疗保险每年花费超过400亿美元来支付ESRD护理费用。这大约是其年度预算的7%，然而这些资金只覆盖了1%的医疗保险人口。没有任何一种疾病具有如此不成比例的影响。

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工肾脏所有物理部件的详细模型，包括突破性的硅纳米孔膜技术，该技术使大部分生物人工肾脏在操作上可行。这些膜是由肾脏项目制造的，将实验室培养的人类肾脏细胞包裹在设备的生物容器中。当血液流过细胞膜时，嵌入的肾细胞就会发挥与正常健康肾脏相同的代谢功能。在《机械》杂志上进行了广泛的应力模拟后，设计师们找到了厚度、孔径和孔隙分布的理想平衡，用于他们的设计。这种膜的微机械孔只有10纳米宽——对于与人体免疫系统相关的血细胞来说，太窄了，无法穿透膜，发现这些“外来”肾细胞，这可能导致身体排斥这种生物人工肾。同时，膜的毛孔足够大，可以过滤掉血液中的毒素、盐和水。血压不断地迫使这些滤液通过血液罐进入生物罐，生物罐将必要的盐和水重新吸收回血液中，从而将毒素集中到尿液中，尿液直接进入膀胱。

考虑到血液需要通过这些膜和设备内的通道流动，与肾脏项目合作的研究人员知道，该设备必须设计成最小化血凝块形成的可能性。当血液的化学成分与表面发生反应，或者当血液流动中断，血小板聚集形成凝块的成核位点时，就会形成血栓。研究人员知道，他们可以用生物友好的化学物质来处理硅膜的表面，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血液通过设备的流动，以避免中断，并确保血液流动保持层流。

为了实现这一目标，肾脏项目的工程师们与计算流体动力学(CFD)专家合作SimuTech集团，谁使用Ansys流利和Ansys排名模拟和分析血液流入、流经和流出多种生物人工肾脏设计。研究人员需要了解在给定的设计中，血液再循环的哪个区域可能会产生凝血机会。他们需要调整滤筒的设计，以保持壁剪切力足够低，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剪切力降低到如此低的水平(低于1帕斯卡)，因为它可能导致血细胞聚集，从而产生有利于凝块形成的成核位置和条件。

仿真有助于设计过滤

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可以轻松地评估和改进——就像过滤一样——大量的设计选项。他们本可以为机械部的每个设计创建物理原型，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，并引发道德问题，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，了解为什么这些斑点会产生凝血机会，然后合并并测试设计调整。他们可以在《机械》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构建和测试原型的需要。事实上，当肾脏项目的研究人员确实建立并测试了一个有前途的设计原型时，他们很快发现，血栓形成的位置正是Fluent所指出的——这促使他们在有前途的候选原型之前，更加专注于使用Fluent改进设计。他们可以看到，模拟结果与现实世界的结果之间存在很强的相关性。

以增量改进为目标

虽然创造一个生物人工肾脏的目标似乎很崇高，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。如果它能给病人提供他们在第四阶段所经历的肾功能水平，它将改变生活，因为许多患有第四阶段肾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。当透析开始时，一切都停止了，等待肾脏移植的漫长等待开始了。

在Fluent和CFX的帮助下，肾脏项目的研究人员正在顺利地交付一种生物人工肾脏，它将实现其设计目标——快速、高效、远比其他方式更经济有效。