Människor som lider av njursjukdom i slutstadiet genomgår ofta dialys enligt ett fast schema. För patienter är denna konstgjorda tvättning av blodet en stor börda. För att ta bort gifter från blodet, stora mängder dialysvatten för rensning krävs. Hittills har det hittills inte funnits någon lösning för att återvinna detta dialysat kostnadseffektivt. Därför utvecklas en kryoreningsmetod av Fraunhofer-forskare som rensar vattnet utan att förlora det. Detta tillvägagångssätt minskar inte bara kostnaderna – det kan till och med bana väg för en bärbar konstgjord njure genom mildare långvarig dialysbehandling med fullständig vattenautonomi.

Ett 90-tal, 000 personer i Tyskland varje år måste genomgå dialys tre gånger i veckan under fyra till fem timmar, eftersom deras njurar inte längre fungerar korrekt och inte kan eliminera gifter tillräckligt. Under behandlingen avlägsnas skadliga metaboliter från blodet genom att överföra dem utanför kroppen via ett semipermeabelt membran till en dedikerad dialysvätska som kallas dialysat. Membranets porer är så smala att endast gifter upp till en viss storlek kan passera dem. Små molekyler som vatten, elektrolyter och uremiska toxiner - urea, urinsyra och kreatinin – överför membranet till rengöringsvätskan, medan stora molekyler som proteiner och blodkroppar stöts bort. Hela blodet recirkuleras och rensas ungefär tre gånger per timme.

Dialysat kan endast användas en gång

För en dialysbehandling, cirka. 400 liter dialysat krävs. Sjukhus och dialyscenter förbereder detta vatten med omvänd osmos, som drar mycket energi och är dyra. Det är utmanande att dialysat bara kan användas en gång, eftersom det försvinner som avloppsvatten efter blodreningsbehandlingen. För att behandla 90, 000 patienter per år detta kräver mer än 5,6 miljoner kubikmeter ultrarent vatten. I många regioner i världen är detta krav inte uppfyllt. Enligt uppskattningar, över en miljon människor dör varje år på grund av att de saknar tillgång till dialys.

"Dialysvatten är värdefullt. Tysklands ettåriga dialysvatten fyller en kub på 175 m. Hittills har det inte funnits någon kostnadseffektiv metod för att återvinna dialysat, " säger Dr. Rainer Goldau, forskare vid avdelningen för extrakorporeal immunmodulering vid Fraunhofer Institute for Cell Therapy and Immunology IZI i Rostock, vars forskningsarbete är inriktat på detta ämne. Kroppen producerar cirka 25 gram urea varje dag. Denna molekyl - som är av nästan vattnets molekylstorlek - passerar också filtermembranet in i dialysatet. Tekniken för omvänd osmos, används för att generera dricksvatten, inte har en tillräcklig avstötningshastighet för urea, vilket gör den olämplig för återvinning av vatten i dialys. Även om det finns utarbetade enzymatiska tekniker som kan rensa dialysat så att det kan återanvändas på patienter, filtren och patronen som krävs för dem är mycket dyra. Regioner med betydande nöd i kombination med vattenbrist har inte råd med sådana tekniker.

Dialys med patientens egenvatten

Dr Goldau undersöker därför en annan variant som kallas cryo-rening, som baseras på fryskoncentration känd från dryckesindustrin. Målet är att återvinna mer än 90 % av vattnet som utvinns från patienter med denna metod. Tanken är att uppkoncentrera toxiner till endast de två eller tre liter vatten per dag som ändå ska elimineras under varje dialys. Patienter kan fylla på detta vatten genom att dricka. Resten – vanligtvis 25 till 30 liter per dag – rensas och matas tillbaka till dialys. "I våra experiment är volymen vatten som måste kasseras mindre än 10 procent. Denna mängd krävs för att filtrera gifterna. när det kommer till uppkoncentration är vår teknik nästan lika effektiv som njurarna själva, säger Goldau. På detta sätt, forskaren och hans team vill etablera en adekvat dialys som använder patientens egna vattenresurser utan uttorkning. Dyra filter och patroner skulle inte längre behövas.

Men hur fungerar kryoreningen? Det drar fördel av iskristallernas förmåga att utesluta alla tidigare upplösta föroreningar. De stöts bort till kristallens yta. "Iskristallerna som bildas när vatten fryser har förmågan att samtidigt driva ut orenheter. Detta gör det möjligt att separera alla uremiska toxiner - dvs metaboliska avfallsprodukter som kroppen behöver eliminera via urinen, " förklarar Goldau. Denna procedur kan implementeras i tvättkolumner som är vanliga inom dryckes- eller kemisk industri. För mobil dialys, en liten tvättkolonn är tillräcklig för att producera 30 till 40 ml/min dialysat. För att förbereda färskt dialysat, endast en liten mängd energi krävs. Elen kan godtyckligt hämtas från elnätet, ett bilbatteri eller solpaneler. En respektive labbdemonstrator med kylaggregat håller på att konstrueras och en patentansökan har lämnats in för processen. Forskarna arbetar för närvarande med en automatiserad lösning, för vars utveckling de fortfarande behöver stöd från industriella partners.

Bärbar njure för hemdialys

"Vår form av dialys kan till och med utformas för att vara mobil - bärbar hemodialys skulle vara möjlig." I den Rostock-baserade forskarens vision förses patienten med en vaskulär tillgång via vilken blodet och överskottsvattnet utvinns och återförs. Denna är kopplad till en väst med ett dialysfiltermembran, som innehåller engångsvattenkammare på upp till 4 liters volym. Varannan eller var tredje timme ansluter patienten västen till en icke-stationär basenhet, som spolar avfallet dialysat och fyller på färskvatten, båda inom samma period krävs det en frisk individ för att besöka toaletten.

Pågående dialys på sjukhus sätter en enorm påfrestning på kroppen och påverkar i hög grad kvaliteten på patientens liv. Enligt studier, bara mellan 20 och 40 procent av patienterna lever fortfarande efter tio år. Med långtidsdialys som är kranvattenoberoende och kan utföras när som helst hemma eller på jobbet, sjuklighetsfrekvensen och kostnaderna för dialys skulle kunna minskas. Dessutom skulle den vara tillgänglig för människor inom torkabälten över hela världen. En annan fördel är att dialyscentraler och sjukhus kan minska sina vattenkostnader. Goldau uppskattar att hans process kan spara 90 procent av vattnet – och därmed även avloppsvattnet – som används för dialys, som det är i en återvinningscykel. "Det mesta av vattnet återvinns." Fysikern räknar med att systemet kan vara marknadsfärdigt inom cirka fem till sju år från utvecklingsstart.