透析液再生系统的脲酶引入装置及方法

1.本发明涉及肾脏替代治疗便携设备技术领域，尤其是一种透析液再生系统的脲酶引入装置及方法。


背景技术：

2.目前大多数慢性肾脏病患者都是在医院使用大型的不可移动的机器进行间歇性肾脏替代治疗，在透析过程中液体、尿毒症毒素及电解质浓度快速变化，与健康肾脏所维持的稳定的内环境相差甚远，间歇性肾脏替代治疗导致尿毒症毒素的清除效率低下且使用的便捷性较差。随着微流体及纳米技术的发展，可用于肾脏替代治疗的便携式设备，即可穿戴式人工肾于2005年首次实现。可穿戴式人工肾能够提供给患者在医院外更频繁更高效的毒素清除治疗。
3.目前可穿戴式人工肾方案主要包括基于血液透析的可穿戴式人工肾和基于腹膜透析的可穿戴式人工肾。治疗过程中均需要使用大量的透析液，为了实现人工肾的可穿戴性，需要使用透析液再生技术。即需要把每次的透析废液净化成能重新使用的透析液，而透析废液中含量最高的毒素是尿素，约占肾脏氮排泄的90％。它是每日摩尔产量最高的废物溶质，为240-470mmol，有效的去除尿素对于透析液的循环再生至关重要。为了去除尿素，效率最高的方法是利用脲酶，依靠脲酶对尿素的专一催化分解能力来快速去除大量尿素。脲酶是一种催化尿素水解为氨和二氧化碳的高度专一性酶，尿素的酶促水解速度是非酶水解速度的1014倍。
4.现有技术中，所有使用脲酶的可穿戴式人工肾中所使用的脲酶均为固定化脲酶，固定化脲酶不需要低温保存条件也不溶于水，所以加入方式就是直接将固定化脲酶放入吸附盒中，让含有尿素的透析液直接通过，然后更换吸附盒即可。具体可参见申请号为2015800340133名称为“用于补充吸附剂盒内的脲酶引入系统”的专利。该引入系统存在的问题是，需要频繁更换吸附盒，且固定化脲酶的活性一般只有纯脲酶活性的万分之一到千分之一。如果能利用纯脲酶可极大地提升尿素的去除效果，但由于纯脲酶要求低温保存，因此该引入系统不适用于直接引入纯脲酶。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种透析液再生系统的脲酶引入装置及方法，实现了透析液再生系统的纯脲酶实时、定量引入，保证了脲酶溶液在人工肾中使用期间的活性和处理效率。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.本技术提供一种透析液再生系统的脲酶引入装置，包括储存部、制冷部和换热部，所述储存部的结构包括一压力腔，用于储存纯脲酶，所述换热部的结构包括一流体通道，用于使透析液从其中通过，所述制冷部采用半导体制冷组件，所述半导体制冷组件的冷端用于将冷量传导给所述压力腔，为所述纯脲酶提供低温储存环境，所述半导体制冷组件的热
端用于将热量传导给所述流体通道，对透析液进行加热。
8.进一步技术方案为:
9.所述储存部成管状结构，所述管状结构内活动装配有自驱动件，所述压力腔形成于所述自驱动件与管状结构之间，自驱动件用于将纯脲酶从压力腔中定量输出。
10.所述半导体制冷组件的结构包括制冷单元，其结构为：若干p型半导体和n型半导体沿周向依次间隔排列成环形结构，环形结构的内侧通过若干内导电片将p型半导体和n型半导体两两连接成一体，环形的外侧通过若干外导电片将p型半导体和n型半导体两两连接成一体，且沿周向相邻的内导电片与外导电片之间通过同一个p型半导体或n型半导体串联，构成一系列串联的pn结，使内导电片、外导电片分别构成冷端和热端；若干所述制冷单元沿环形结构的轴向通过导电件依次串联。
11.还包括导热件，所述导热件包括外陶瓷管和内陶瓷管，所述内陶瓷管设置在所述环形结构的内侧，与所述内导电片连接，所述外陶瓷管设置在所述环形结构的外侧，与所述外导热片连接，所述储存部设置在所述内陶瓷管的内侧，所述换热部设置在所述外陶瓷管的外侧。
12.所述内导电片和所述外导电片均为弧形铜片，使整个半导体制冷组件呈圆环形，所述外陶瓷管和内陶瓷管截面均为圆形，外陶瓷管内壁与所述外导热片键合，内陶瓷管外壁与所述内导电片键合。
13.所述换热部的结构为螺旋盘管，其两端接口分别与透析液储存袋相连。
14.螺旋盘管的截面为半圆形，内侧与所述外陶瓷管紧密贴合。
15.所述压力腔出口与人工肾中透析液再生系统相连。
16.本技术还提供一种透析液再生系统的脲酶引入方法，其利用所述的透析液再生系统的脲酶引入装置，将纯脲酶溶液储存在储存部的压力腔中，利用制冷部的半导体制冷组件的冷端对储存部进行冷却，为纯脲酶提供低温保存环境，利用制冷部的半导体制冷组件的热端对换热部进行加热，使流经换热部的透析液升温以达到进入腹腔的温度条件。
17.进一步技术方案为：
18.当需要进行透析液再生处理时，利用自驱动件将所述压力腔中的纯脲酶定量输出至人工肾中透析液再生系统中，利用纯脲酶溶液对透析液中的尿素进行分解。
19.本发明的有益效果如下：
20.1、创造性了纯脲酶的低温保存条件，实现了透析液再生系统的纯脲酶实时、定量引入，利用纯脲酶来处理尿素，具有现有技术中采用固定化脲酶引入都远无法达到的高效性。
21.2、本技术能为脲酶溶液提供0℃下的储存环境，使其具有至少一个月的保质期，由此保证了脲酶溶液在人工肾中使用期间的活性和处理效率。
22.3、采用水冷方式给半导体制冷片散热，以透析液作为水冷液，一方面实现了半导体制冷热端冷却，另一方面将热量回收用于加热透析液，以达到进入人体腹腔的温度条件，可进行循环加热，实现了能量高效利用。
23.4、半导体制冷组件的结构设计合理，构造与储存脲酶溶液的保存管结构匹配，提高了制冷功率的利用率。
24.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变
得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
25.图1为本发明实施例的引入装置的分解结构示意图。
26.图2为本发明实施例的单个制冷单元的结构示意图。
27.图3为本发明实施例的单个制冷单元中电流流向示意图。
28.图4为本发明实施例的整个半导体制冷组件中电流流向示意图。
29.图5为本发明实施例的导热陶瓷片组和半导体制冷组件的装配结构示意图。
30.图6为本发明实施例的保存管和活塞组件的分解结构示意图。
31.图7为本发明实施例的引入装置的装配结构示意图。
32.图中：1、半导体制冷组件；2、导热陶瓷片组；3、水冷管道；4、保存管；5、活塞组件；6、外导电片；7、p型半导体；8、n型半导体；9、外陶瓷管；10、内陶瓷管；101、制冷单元；11、活塞；12、齿条；13、减速齿轮组；14、小型伺服电机；15、内导电片。
具体实施方式
33.以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
34.本技术提供一种透析液再生系统的脲酶引入装置，包括储存部、制冷部和换热部，所述储存部的结构包括一压力腔，用于储存纯脲酶，所述换热部的结构包括一流体通道，用于使透析液从其中通过，所述制冷部采用半导体制冷组件，所述半导体制冷组件的冷端用于将冷量传导给所述压力腔，为所述纯脲酶提供低温储存环境，所述半导体制冷组件的热端用于将热量传导给所述流体通道，对透析液进行加热。
35.所述储存部成管状结构，所述管状结构内活动装配有自驱动件，所述压力腔形成于所述自驱动件与管状结构之间，自驱动件用于将纯脲酶从压力腔中定量输出。
36.本技术还提供一种透析液再生系统的脲酶引入方法，利用所述的透析液再生系统的脲酶引入装置，将纯脲酶溶液储存在储存部的压力腔中，利用制冷部的半导体制冷组件的冷端对储存部进行冷却，为纯脲酶提供低温保存环境，利用制冷部的半导体制冷组件的热端对换热部进行加热，使流经换热部的透析液升温以达到进入腹腔的温度条件。
37.当需要进行透析液再生处理时，利用自驱动件将所述压力腔中的纯脲酶定量输出至透析液再生系统中，利用纯脲酶溶液对透析液中的尿素进行分解。
38.脲酶作为生物酶，其需求保存温度为-20℃，在该温度下才能长期保存，即使只需保存数个星期到一个月，也需要在0℃以下才能实现。本技术的透析液再生系统的脲酶引入装置及引入方法，实现了脲酶的低温保存，使利用纯脲酶来处理透析液中的尿素得已实现，具有现有技术中使用固定化脲酶处理尿素远无法达到的高效性。此外，利用半导体制冷组件制冷的同时，将其热端产热回收用于循环加热透析液，使透析液满足进入人体腹腔的温度条件，过程中未浪费任何能量。
39.以下以具体实施例进一步说明本技术的技术方案。
40.参见图1和图7，本实施例的一种透析液再生系统的脲酶引入装置，包括保存管4、活塞组件5、半导体制冷组件1、导热陶瓷片组2、水冷管道3；
41.活塞组件5与保存管4活动装配，半导体制冷组件1固设在导热陶瓷片组2中，且冷
端、热端分别朝向导热陶瓷片组2的内侧和外侧，保存管4固设在导热陶瓷片组2的内侧。保存管4内用于储存纯脲酶，活塞组件5可将纯脲酶定量泵出，提高了引入操作的便捷性和实时性。
42.参见图2，半导体制冷组件1的结构包括制冷单元101，其结构为：若干p型半导体7和n型半导体8沿周向依次间隔排列成环形结构，环形结构的内侧通过若干内导电片15将p型半导体7和n型半导体8两两连接成一体，环形的外侧通过若干外导电片6将p型半导体7和n型半导体8两两连接成一体，且沿周向相邻的内导电片15与外导电片6之间通过同一个p型半导体或n型半导体串联，构成一系列串联的pn结，使内导电片15、外导电片6分别构成冷端和热端；如图1所示，若干制冷单元101沿环形结构的轴向通过导电件依次串联。
43.具体的，内导电片和外导电片均为弧形铜片，使整个半导体制冷组件呈圆环形，外陶瓷管和内陶瓷管截面均为圆形，外陶瓷管内壁与外导热片键合，内陶瓷管外壁与内导电片键合。
44.半导体制冷组件设计为圆环状，与脲酶溶液的保存管的外形匹配，能使其制冷功率的利用率达到最大。
45.参见图3，制冷单元101的电流如图中曲线所示。
46.参见图4，半导体制冷组件1的电流示意图。其中每一层的圆环代表一个制冷单元101的电流流向，为了便于表达，简化了电流沿环形由内侧至外侧连接波动的线路，只简化成圆环形表示。
47.通过半导体制冷组件可实现对保存管内纯脲酶进行
48.参见图5，导热陶瓷片组2包括外陶瓷管9和内陶瓷管10，内陶瓷管10设置在所述环形结构的内侧，与内导电片15连接，所述外陶瓷管9设置在环形结构的外侧，与外导电片6连接。
49.优选的，外陶瓷管9和内导电片15紧配合，内陶瓷管10和外导电片6紧配合。
50.水冷管道3具体可采用单根螺旋盘管缠绕在外陶瓷管9外，其两端接口分别与透析液储存袋相连，使透析液能持续通过水冷管道。
51.具体的，水冷管道的来流为处理好的透析液，出流为加热至符合进入人体温度条件的透析液。
52.螺旋盘管的截面优选为半圆形，内侧与所述外陶瓷管9紧密贴合。
53.螺旋盘管优选为黄铜管。其内表面附着有保护层，防止和透析液发生反应。
54.参见图6，活塞组件5的结构包括活塞11、齿条12、减速齿轮组13和小型伺服电机14，活塞11与保存管4活动装配在一起构成注射器结构，活塞11和齿条12固连，小型伺服电机14的输出与减速齿轮组13的输入连接，减速齿轮组13的输出和齿条12啮合。如此可利用伺服电机精确控制活塞11形成，从而控制保存管4中的脲酶溶液的出液量，以与待处理的透析液量相匹配。
55.利用本技术的引入装置及方法，能为脲酶溶液提供0℃下的储存环境，使其具有至少一个月的保质期，由此保证了脲酶溶液在人工肾中使用期间的活性和处理效率。
56.本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进
行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。