计算机模拟解决了血液凝结的问题
创造一个人造的可植入肾脏将是医学上的一个史诗般的进步，可以解决移植所需的供体肾脏长期短缺的问题。在过去的15年里，研究人员一直在探索这个问题，并不断遇到一个极其棘手的问题:如何保持血液在人工设备中顺畅流动而不凝结。在这样的设备中，由于血小板对机械力有反应，它们有自然的凝块倾向，导致设备故障。
为了克服这一问题，美国国家生物医学成像和生物工程研究所(NIBIB)的量子奖获得者结合了罕见的人工成像专业知识肾脏开发和在计算机模拟血液流动在2018年1月16日的一项研究中，该研究提前在线出版生物力学杂志．
虽然透析每年挽救了数千人(如果不是数百万人的话)的生命，但它并不是治疗肾病的理想方案。透析不能使血液化学成分保持在健康范围内的持续血液过滤，而会导致超清洁和营养耗尽的血液，在接下来的透析治疗之前，这些血液的毒性会逐渐增加。
人造肾脏将提供持续血液过滤的好处。它将减少肾脏疾病，提高患者的生活质量。虽然研究人员已经在可穿戴模型上取得了进展，但要使设备可植入，由人体自身的血液流动驱动，凝血问题还需要解决。
组织工程和再生医学NIBIB项目主任Rosemarie Hunziker说:“这项技术的开发人员都很清楚，处理血栓尤其令人沮丧，它既可以堵塞设备，使其无用，又可以对身体其他部位造成危险，使血液流动受到影响。”“凝块迁移到心脏可能会导致心脏病发作;如果扩散到大脑，可能会导致中风。”
植入式人工肾脏是一种结合了高效硅过滤器和肾小管细胞生物反应器的生物工程设备，是该研究的共同作者Shuvo Roy博士，加州大学旧金山分校(UCSF)生物工程和治疗科学教授，和William H. Fissell四世，医学博士，范德比尔特大学医学副教授的长期项目。
该实验装置的设计可容纳每分钟一升的血液，通过一系列硅膜进行过滤。过滤后的液体含有毒素、水、电解质和糖。然后，液体在由实验室培养的通常排列在肾小管中的细胞组成的生物反应器中进行第二阶段的处理。这些细胞将大部分糖、盐和水重新吸收回血液中。其余的变成尿液，直接进入膀胱，排出体外。
实现这一复杂过程的大部分技术已经存在，其中一些是由Roy和Fissell在NIBIB量子奖计划之前的资助下开发的。对于研究人员来说，剩下的挑战之一是将各种创新整合到一个功能强大、紧凑且可植入的设备中。
在新发表的工作中，UCSF-Vanderbilt团队与合著者丹尼·布鲁斯坦(Danny Bluestein)博士合作，他是纽约州立大学石溪分校生物医学工程教授，也是量子奖获得者。2010年，NIBIB授予布鲁斯坦的实验室一笔资金，用于研究抗凝血能力——防止血液循环中的凝块。布鲁斯坦的研究小组利用这项技术研究了心血管植入装置，如人工心脏瓣膜，以及在手术中暂时旁路心脏循环时使用的装置。
Roy和Fissell第一次听说Bluestein的方法，称为器件血栓性模拟(DTE)，是在2014年NIBIB的量子奖获得者会议上。Bluestein DTE方法量化了血流模式和在血流过程中发展的压力源。在布鲁斯坦对DTE的描述中，罗伊和费塞尔立即看到了将他的理论应用于人造肾脏设计的潜力。适当的计算机模拟可以将人工肾脏的设计过程缩短数年甚至数十年，并生产出一种经过充分分析和测试的血小板活化和后续血栓形成的安全装置。
布鲁斯坦说:“血小板被激活，并开始血液凝固，以应对压力的严重程度，以及血小板在设备中循环的时间。”Bluestein的模拟方法——最初是为了数值预测心脏衰竭患者支持循环的装置中血小板上的压力积累——很容易适用于人工肾脏的流体动力学方面。
研究人员为两种设备设计生成了模拟和优化结果，每个设备都通过人工肾脏过滤系统引导血液。通过模拟，他们计算出单个血小板可能流经人工肾脏多达1000次，每次都积累压力并增加凝块倾向。其中一种设计是通过平行通道来分配血液，这些通道通过多层过滤膜。另一种是通过单一的蛇形通道将血液来回输送。
模拟结果有利于平行流系统，特别是在条件下血小板在过滤系统内反复循环后。然而，这两种设计都符合研究人员预定的标准，即血液在设备中均匀流动，血小板在设备流动通道壁上积累剪应力。因此，研究人员计划在猪的前瞻性实验中测试这两种植入物设计。未来还会测试更多的设计。
布鲁斯坦说:“我很高兴他们决定采用我们的方法，这样它的有效性就可以在一种非常不同的设备上得到证明。”“血液凝固是可能发生的主要临床问题，因为所有这些设备中都存在流动诱导的压力。”
这种模拟方法节省了动物实验的时间，并提供了一种可行的替代方案来检查不同接触血液的设备的利弊，从而加快了项目的进度。“在动物实验中这样做既费时又昂贵，而且在某种程度上你永远不知道它是否会成功，因为动物血液和人类血液不一样血罗伊说。“我们最终利用了Bluestein博士和他的同事所做的大量工作，并应用了计算流体动力学的方法来帮助我们分析我们的设计。”
这个装置会具有天然肾脏的所有功能吗?“不，”罗伊说。“但我们的目标是让它执行关键的功能，并成为一个设备一旦植入，患者就可以自由吃喝，行动自如，整体健康状况更好，而且不像移植手术，不需要使用免疫抑制药物。”
亨齐克赞扬了NIBIB量子奖获得者之间的合作，该奖项旨在将新技术应用于医学领域的重大棘手问题。她说:“看到独立资助的团队自我组合，利用他们的量子创新，是非常令人欣慰的。”“合作允许人工肾通过有效的预测建模，结合操作生物材料的全面能力和对肾脏病理生理学的深入了解，加速开发。”
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