CH637028A5

CH637028A5 - Vorrichtung zur diafiltration.

Info

Publication number: CH637028A5
Application number: CH1235078A
Authority: CH
Inventors: Roland Dr Schnabel
Original assignee: Schott Glaswerke
Priority date: 1977-12-23
Filing date: 1978-12-04
Publication date: 1983-07-15
Also published as: GB2010695B; FR2412330A1; FR2412330B1; GB2010695A; DE2757673B2; SE7813220L; DE2757673C3; DE2757673A1; JPS5489981A; JPS6244962B2; US4436626A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Diafiltration, insbesondere zur Anwendung als künstliche Niere.

Unter der Diafiltration versteht man ein Membranverfahren, das zur schnellen und schonenden Abtrennung oder Aufkonzentrierung niedermolekularer Substanzen von höhermolekularen Substanzen aus Lösungen ohne Phasenänderung eingesetzt wird. Mit einem solchen Verfahren ist auch eine fraktionierte Trennung durchführbar. Treibende Kraft ist dabei im wesentlichen die transmembrane Druckdifferenz. Hierbei unterscheidet sich das Verfahren von dem der Dialyse, bei dem als treibende Kraft das Konzentrations-gefalle wirkt.

Die Vorteile der Diafiltration liegen in der besseren Prozessführung und in der definierten Abtrennung von Molekülen. Bisher werden für die Diafiltration im wesentlichen Polymermembranen aus unterschiedlichen Kunststoffen eingesetzt. Diese Membranen weisen trotz guter Funktionsfahig-keit erhebliche Nachteile auf. Einer der wesentlichen Nachteile liegt in der mangelhaften Anpassbarkeit des Membranmaterials an das Anwendungsproblem. So können insbesondere aus biologischen Lösungen besonders aktive Moleküle sich durch Adhäsion oder Adsorption an die Membranoberfläche anlagern und die Permeatleistung der Membran verringern. Andere Probleme liegen in der nicht universellen Resistenz gegenüber organischen Lösungsmitteln, in der teilweise geringen Druckstabilität, durch die bei höherem Systemdruck Strukturänderungen entstehen und in der geringen Temperaturstabilität, deretwegen beispielsweise ein Teil der üblichen Sterilisationsverfahren nicht durchführbar ist.

Aufgrund zu geringer Druckstabilität und chemischer Resistenz lassen sich insbesondere bei asymmetrischen Membranen Reinigungsverfahren durch Rückspülung, bei denen organische Lösungsmittel oder auch anorganische Säuren bzw. Basen benutzt werden, nicht durchführen.

Für die medizinische Anwendung als Membran für Körperflüssigkeiten ist die Bauform ein mitentscheidender Faktor. Flachmembranen aus Kunststoff benötigen, auf eine bestimmte Membranaustauschfläche bezogen, ein grösseres Volumen als Kapillaren. Verbunden ist dieses grössere Bauvolumen meist mit grösserem Hohlraumvolumen, so dass mehr Körperflüssigkeit zum Betrieb der Diafiltration benötigt wird. Da bei Flachmembranen unterschiedliche Strömungseigenschaften an der Oberfläche herrschen, verstopft sich die Membran in den langsam durchströmten Teilen schneller.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Diafiltration mit welcher diese limitierenden Faktoren umgangen werden, so dass die verfahrenstechnischen Anwendungsmöglichkeiten voll genutzt werden können.

Erfindungsgemäss wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie im wesentlichen aus Kapillarmembranen aus einem amorganischen Material besteht, welches chemisch modifiziert ist, wobei diese Kapillaren in dieser Vorrichtung zu einem kleinstmöglichem Bauvolumen zusammengefasst sind.

Im folgenden soll die Erfindung näher beschrieben und an Beispielen erläutert werden.

Die Vorrichtung besteht aus Kapillarmembranen aus einem anorganischen Material wie poröses Glas, wie es beispielsweise in der DE-AS 2 454 111 beschrieben ist. Dieses Glas hat eine enge Porenverteilung, so dass die Trenngrenze innerhalb eines Porendurchmesserbereichs von 30 Â bis 1000 Â definiert eingestellt werden kann.

Entsprechend der bei grösseren Poren höheren Permeabilität und der für die Diafiltration günstigeren Betriebsweise innendurchströmter Kapillaren muss die Kapillargeometrie gewählt werden. Das Spektrum reicht von 200 um Aussendurchmesser bis zu 5000 um bei Wandstärken von 10 (xm bis 200 um.

Dieser Grundkörper aus im wesentlichen Siliziumoxid hat an der spezifischen Oberfläche reaktive Silanolgruppen (Dichte: ca. 5,5 OH/lOO Â2). Die Silanolgruppen stören besonders bei der Aufbereitung physiologischer Lösungen. Die Oberflächenaktivität des Glases muss daher reduziert werden, was durch Umsetzung mit reaktiven organischen Molekülen, meist bei funktionellen Silanen, erfolgt. Da Silane hydrophob sind und beispielsweise die Wasserpermeabilität einer Membran hemmen, müssen die freien Silanenden funktionelle Gruppen tragen. Die Palette der zur Verfügung stehenden Moleküle erstreckt sich so über das gesamte Gebiet der organischen Chemie und reicht in der Aktivität von hydrophob (Bsp.: Silankohlenwasserstoff) über neutral (Bsp.: Nitrogruppe) bis zu hydrophil (Bsp.: Sulfonsäuregruppe). Entscheidend neben den funktionellen Gruppen ist für die Polarität der Umsetzungsgrad der organischen Moleküle mit den Silanolgruppen.

Die gesamte Membran besteht demnach aus einem chemisch resistenten Grundkörper als Matrix, durch den Druckstabilität (bis 100 bar), Temperaturstabilität (bis 500 °C), Strukturstabilität (keine Änderung der Porosität bei Verwendung von unterschiedlichen organischen Lösungsmitteln oder unterschiedlichem pH, kein Quellen oder Schrumpfen) und Formgebung (Kapillarform) erreicht werden.

Die Anpassung der Membran an den Anwendungsfall erfolgt durch chemische Modifizierung der Oberfläche, wobei zwar die Temperaturstabilität abnimmt (Tmax 250 °C), jedoch die chemische Stabilität erhöht und die Porenverteilung noch enger wird.

Durch Bündelung solcher Kapillaren erreicht man extrem grosse Membranoberflächem pro Volumeneinheit (Volumenausfüllung bis zu 90%).

Eine der möglichen Bauformen einer Vorrichtung zur Diafiltration ist in Fig. 1 dargestellt. Fig. 2 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die in Fig. 1 dargestellte Bauform.

Die Ausgangslösung strömt bei 1 in den Verteilungskanal 2, der die Strömung gleichmässig auf das gesamte Kapillarenbündel 3 verteilt. Die einzelnen Kapillaren 4 des Bündels werden innen von der Ausgangslösung durchströmt, während im Aussenraum 5 das Permeat gesammelt wird und durch den Permeataustritt 6 abfliesst. Das Kapillarenbündel 3 ist im Modulgehäuse 7 eingegossen (Vergussmasse 8).

Durch die Austrittsöffnung 9, die ebenfalls mit einem Verteilungskanal 2 mit dem Modulgehäuse 7 verbunden ist,

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verlässt die Ausgangslösung, die an den durch die Membran ausgetauschten Stoffe verarmt ist, den Diafiltrator.

Geeignete Kappen 10 verbinden die Verteilungskanäle 2 mit dem Modulgehäuse 7.

Eine spezielle Anwendungsmöglichkeit besteht durch den Einsatz derartiger Diafiltrationsgeräte für die Entfernung von Abbauprodukten des Körpers anstelle der natürlichen Niere.

Problematisch ist bisher der Einsatz von Dialysegeräten deshalb, weil die abzutrennenden Substanzen in unterschiedlicher Grösse und Konzentration vorliegen. Im Gegensatz zu Dialysatoren können sogenannte «mittelmolekulare Stoffe», deren chemische Natur noch nicht feststeht, die aber im Molekulargewichtsbereich zwischen 300 und 5000 liegen, in dem Diafiltratos sicher abgetrennt werden. Solche Moleküle treten besonders im Plasma urämischer Patienten auf. Spezielle Oberflächenmodifizierungen der Membranen verhindern eine Aktivierung der Blutgerinnung, wie sie an unbehandelten Glasoberflächen sofort eintritt.

Von wirtschaftlichen Gesichtspunkt einer Krankenbehandlung ist die Wiederverwendbarkeit der künstlichen Niere ein wesentlicher Vorteil. Die Oberfläche wird durch Spülen mit beispielsweise alkoholischer Salzsäure oder Natrium-decylsulfatlösung gereinigt; der Modul wird anschliessend sterilisiert und kann wieder eingesetzt werden. Bedingt durch die Druckstabilität des Materials kann dieser Reinigungsschritt auch in einer Rückspülung durchgeführt werden.

Im folgenden soll in Beispielen die Wirkungsweise näher erläutert werden.

Beispiel 1

Ein Modul mit den charakteristischen Daten:

Aktive Länge: 9,4 cm

Kapillaranzahl: 50

Oberfläche: 80,8 cm2

und einer chemischen Modifizierung zu endständigen alkoholischen -OH-Gruppen wurde mit Blutkonserve getestet. Die Analyse des Ultrafiltrats zeigte keinen Eiweissge-halt, während alle nieder- und mittelmolekularen Substan-lo zen festgestellt wurden. Die hydraulische Permeabilität lag bei 9 ml/m2 h mm Hg.

Beispiel 2

i5 Die charakteristischen Daten des Moduls waren:

Aktive Länge: 8,8 cm

Kapillaranzahl: 100

Oberfläche: 151,2 cm2

Die chemische Modifizierung führte zu einer endständigen 20 -N02-Gruppe.

Dieser Modul lief in insgesamt 9 Versuchen mit einer Gesamtbetriebszeit von 50 h. Zwischen den einzelnen Versuchen wurde der Modul in physiologischer Kochsalzlösung gereinigt und aufbewahrt, so dass sich eine Kontaktzeit von 25 insgesamt 960 h ergab. Die modulspezifischen Werte (Rückhaltevermögen, Permeabilität) blieben konstant und lagen im Rückhaltevermögen wie bei Beispiel 1, in der Ultrafiltrationsleistung etwas höher bei 10 ml/m2 h mm Hg. Dieser Modul stellt einen wiederverwendbaren Hämofiltrator dar.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Vorrichtung zur Diafiltration, dadurch gekennzeichnet, dass sie im wesentlichen aus Kapillarmembranen aus einem anorganischen Material besteht, welches chemisch modifiziert ist, wobei diese Kapillaren in dieser Vorrichtung zu einem kleinstmöglichen Bauvolumen zusammengefasst sind.

2. Vorrichtung zur Diafiltration nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses anorganische Material mit chemisch modifizierter Oberfläche poröses Glas ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung zur Diafiltration nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Modifizierung verwendeten Moleküle mit an den Anwendungsfall angepassten funktionellen Gruppen, wie beispielsweise -CH3, -CN,

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-OH, -SO3H, -NH2, -N®R3, -NO2, -COOR, -c' ,

-COOH, -SH, -NO, -NC versehen sind. jj