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Biologische Reaktionsammer Zusatzanmeldung zur Patentanmeldung P
20 54 446.1 Die Erfindung betrifft eine biologische Reaktionskammer zum Stoffwechselaustausch
mittels künstlicher Zellen ( biologisch oder biqchemisch aktive Mikrozellen ) oder
biochemischer Lösungen. Zur Verwendung als z.B. künstliche Niere, Leber oder Lunge,
wobei in der Reaktionskammer von der zu reinigenden bzw.biologisch umzusetzenden
Flüssigkeit umspült und durch Membranen voneinander getrennte Trägerstoffe oder
Trägerplatten Membranen als Träger der Mikrokapseln angeordnet sind nach Patentanmeldung
P 20 54 446.1. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
von aktiven Membranen und/oder aktiver Trägerplatte, sowie eine Vorrichtung zur
1 rcllfüllrullg dieses Verfahrens.
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Die Patentanmeldung P 20 54 446.1 betrifft eine biologische Reaktionskammer,
in welcher ein von der biologisch umzusetzenden Flüssigkeit umspülter Füll-oder
Trägerstoff angeordnet ist, dessen Oberflächen in feiner Verteilung die Mikrokapseln
oder biochemisch aktive Substa;nzen (abgekürzt BAS ) tragen.
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Als Trägerstoff können als kleinste Einheit je zwei parallele Platten
oder Bänder zu einem Wickel zusammengerollt werden, die zwischen sich die Reaktionskammer
einschließen. Diese Platten oder Bänder sind dann durch eine permeable oder #semipermeable
Membran getrennt, wodurch so die Reaktionskammer in zwei Kammerhälften geteilt ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine Weiterentwicklung
der
Trägerplatten und der Membranen der eben genannten Patentanmeldung.
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Es hat sich gezeigt, daß die Mikrokapseln nur schwer auf der Oberfläche
von Füllkörpern für die Reaktionskammer haften.
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Desweiteren ist es bis jetzt nicht möglich, entsprechml dünne, aber
mit großer Oberfläche versehene Membranen und/oder Membranträger herzustellen, insbesondere
eine Reaktionskammer so weiter zu entw#celn, daß sie als Einwegkammer benützt werden
kann. Die bisher bekannten Reaktionskammern sind is Einwegkammer aufgrund ihres
hohen Preises nicht geeignet.
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Vorliegender Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine biologische
Reaktionskammer der eingangs genannten Gattung so weiter#zu entwickeln, daß die
Trägerplatten und die Trennmembranen ihre Aufgabe optimal erfüllen, insbesondere
die Reaktionskanuner als Einwegkammer verwendet werden kann. Es ist weiterhin Aufgabe
der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit welchem Nembranen und/oder Membranenträgerplatten
in Masseni#erstellung billigst hergestellt werden können.
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Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die
Mikrokapseln, oder die biochemisch aktiven Substanzen (z.B.Ionenaustauscher Harz,Trägergebundene
Enzyme ) direkt in oder auf der Membran oder in den Trägerplatten angeordnet sind.
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Zur erfindungsgemäßen Herstellung dieser aktiven Membranen und/ oder
aktiven Membranträgerplatten werden die Rohmaterialien der Memi)r.lncn und/oder
der Membranträgerplatten mit Mikrokapseln oder BAS vermischt, wonach diese Mischung
zwischen zwei rotierenden, gegenüber liegenden Bändern mit einer der gewünschten
Oberfläche entsprechenden negativen Oberflächenstruktur hindurchläuft, dabei erhitzt
und nach dem Verlassen der Bänder abgekühlt wird.
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i)er hervorUtf?chendc Vorteil vorliegender Erfindung besteht darin,
daß die Mikrokapseln oder BAS direkt in einer permeablen oder semipermeablen Membran
oder in einer ebenfalls porösen Trägerplatte eingebettet sind. Damit- entfallen
weitgehend sämtliche Haftprobleme, die beim normalen Aufbringen der Hikrokapseln
auf Trägerstoffe entstehen. Besonders günstig ist die zweitgenarinte erfindungsgemäße
Ausführung, in welcher die Mikrokapseln direkt in eine poröse Trägerplatte eingebettet
sind. Die vorliegende Erfindung schafft alsoaktiv#ierte Membranen in die Mikrokapseln
oder andele biochemisch aktive Substanzen eingearbeit sind, wie z.B. auch Ionenaustauscher
Harz..
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Die Oberflächen der Trägerplatte sind porös und können ein-oder beidseitig
mit aktiven Membranen überzogen sein. Die Mikrokapseln können also entweder auf
oder in den Membranen und gleichzeitig in der Membranträgerplatte angeordnet sein.
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Ebenso ist es möglich, die Mikrokapseln zwischen zweiflächige Membranen
einzuschließen. Die Membranträgerplatten können gegossen oder nach bekannten Photopolymer-Verfahren
hergestellt werden.
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Die Membranen oder die Trägerplatten können dabei jede beliebige Konfiguration,
z.B. sphäroidisch, rhombisch oder rechteckig ausgebildet sein. Die Trägerplatten
selbst können nun zu Zylindern oder zu Prismen oder zu Spulen übereinander geschichtet
werden und dienen als Reaktionskammer zum Blutaustausch als Ersatz für eine Niere,
Leber oder Lunge. Es müssen nur entsprechend der gewünschten Funktion die entsprechenden
IIikrokapseln oder BAS mit den jeweiligen Zellen, wie z.B.
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Lysosomen, Mytochondria oder Arginase und andere, die Deamination
fördernde Enzyme verwendet werden.Z.B.Kann 002-absorbie~ rendes Material zur Nachbildung
der Atmung verwendet werden, wobei in die zweite Kammer Luft oder 02-Lösungen zum
Sauerstoffaustausch zugeführt wird.
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Desweiteren können die Mikrokapsel-n in schlauchfUrmigen Trä#ern,
z.fl. aus porösen Kunststoffschläuchen, angeordnet sein. Diese Ausf<Ihr#ing eiguet
sich besonders zur Verwendung in prismatiscllen Kammern.
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Erfindungsgemäß besteht eine Vorrichtung zur herstellung der aktiven
Membranen und/oder der Monibranträgerpiatten aus zwei gegenüberliegend angeorflneten
Bändern, deren einander zugekehrte Oberflächen ein negatives Muster der entsprechenden
Oberflächenstruktur der herzustellenden Membran oder Membranträgerplatte aufweisen,
wobei die Bänder pressend gegeneinander drücken. Diese Struktur der Bänder kann
in vorteilhafter Weise durch sogenannte Photopolymerisation gemäß der Patentanmeldung
P 2o 29 325.8 hergestellt werden. Gemäß der eben genannten Patentanmeldung lassen
sich feinste Oberflächenstrukturen genauestens wiedergeben und abbilden oder abdrücken.
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Während des Durchlaufens des Rohmaterials mit den Mikrokapseln durch
die Bänder werden diese geheizt, so daß die Mikrokapseln mit dem ltohmaterial in
Verbindung treten. Ein endloses Band von Membranen oder Membranträgerplatten verläßt
so die Preßvorrichtung und braucht nach dem Erkalten nur noch in entsprechende Stücke
geschnitten werden.
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Die erfindungsgemäßen Membranen und Membranträgerplatten oder Membranträgerkörper
sind als Adsorber oder Absorber-Ultrafilter konzipiert. Die Membranen selbst sind
dabei permeabel oder semipermeabel, in gleicher Weise sind die Trägerplatten oder
die Trägerkörper porös, Die Hauptanwendung der erfindungsgemäßen Reaktionskammer
liegt bei der Behandlung von chronischen Nierenoricrankun
#en und
als Fntgiftungsinstrument in der Medizin, sowie beim Gasaustausch, z.B. als Oxygenator
bei IIerz-Lungen-Maschinen. Ebenso kann die erfindungsgemäße Reaktionskammer als
künstliche leber eingesetzt werden.
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Die porösen Oberflächen der Nembranträgerkörper stellen eine äußerst
reagible und große Oberfläche dar, die mit herkömmlichen Dritteln nicht zu erreichen
ist. Z.B. können mit den erfindungsgemäßen Membranen und Membranträgerplatten auf
einem Raum von 250 ml Füllvolumen 14 qm aktive Oberfläche erreicht werden.
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Beispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und anschließend
beschrieben. Dabei zeigt: Fig. la und b eine Membran gemäß der Erfindung, die beidseitig
mit Mikrokapseln oder BAS beschichtet ist, Fig. 2 zwei Membranen, zwischen die Mikrokapseln
oder BAS oder biologisch aktive und absorbierende Füllstoffe eingeschlossen sind,
Fig. 3 eine Membran,in die direkt Mikrokapseln eder BAS eingeschlossen sind, Fig.
4 eine Trägerplatte, gemäß vorliegender Erfindung, die eine Vielzahl von Erhöhungen
und Vertiefungen aufweist, und beidseitig mit Je einer Membran abgedeckt ist, Fi(r,
5n und b weitero Beispiele von Mqmbrantriigorplatton> wobei in Fig. 5b die Mikrokapseln
oder BAS direkt in däs poröse Material der Trägerplatte eingelassen sind, Fig. 6
ein weiteres Beispiel einer Oberfläche einer Trägerplatte Fig. 7a und b einen geflochtenen
Hohlkörper, in dessen einzelnen Fasern die Mikrokapseln oder BAS angeordnet sind,
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Fig. Da - d möglich Querschnitte einzelner Fasern oder einzelner
Mikrokapseln oder BAS aufnehmender Trägerkörper, Fig. 9 eine prismatische Reaktionskammer
mit Trägerkörpern gemäß Fig. 8d und Fig. 1, Fig.10 eine weitere Ausführung einer
prismatischen Reaktionskammer, Fig.11 eine säulen-bzw.spulenförmige Reaktionskammer,
konzipiert für den einmaligen Gebrauch,und Fig.12 eine Vorrichtung zur Herstellung
der erfindungsgemäßen Membranen oder Membranträgerplatten.
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Gemäß Fig. 1 sind die Membranen extrem dünne flächige Körper 1 auf
die beidseitig Mikrokapseln oder BAS 2 aufgebracht sein können. Desweiteren können
die Mikrokapseln oder BASs5,8 zwischen je zwei Membranen 3,4 oder 6,7 angeordnet
sein, In bevorzugter Ausführnuig sind die Mikrokapseln oder BAS 10 gemäß Fig. 3
direkt in die Membrane 9 eingelassen, da der Durchmesser der Mikrokapseln und die
Dicke der Membran in derselben Größenordnung liegen.
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Eine bevorzugte Ausführung ist in den Fig. 4 und 5a, b gezeigt.
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Eine siegelfähige Trägerplatte 11 besitzt eine reliefartige Oberfläche
12 mit einer Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen zur Erzielung einer extrem
großen Oberfläche. Diese Trägerplatte ist beidseitig mit Membranen 13,14 abgedeckt,
die nun ihrerseits Mikrokapseln oder BAS , 14, 18 tragen. Gemäß Fig.
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5a und b können die Konfigurationen der Oberfläche der Trägerplatten
verschieden sein. Ebenso können natürlich die Mikrokapseln in oder auf den Membranen
angeordnet sein. In Fig. 5b sind die Mikrokapseln oder BAS in die reliefartige Struktur
der Trcigerplatte selbst eingebettet. 7
bs ist weiterhin möglich,
Membranen verschiedener Durchlässigkeit zil kombinieren und die Membranen, falls
sie sehr dünn sind, llurch Polyester, Thermoplaste oder Metallfasern zu verstärken.
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Membranen dieser Art für biologische Reaktionskammern bestehen aus
Polyurethan, Dimethylsiloxan, Silikonpolycarbonat-Copolymer, olyvinylalkohol, porösem
Polypropylen oder Cellophan oder ähnlichem. Als biologisch aktive Substanzen können
ebenfalls Ionenaustauscherharze, Urease, Aktivkohle, Dimethylsiloxanöl oder lebendige
Organellen verwendet werden.
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In Fig 6 ist ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Oberfläche
eines Trägerkörpers gezeigt. Bin Trägerkdrper 21 besitzt warzonartige Erhebungen
22, auf denen die Mikrokapseln 23 angeors et sinkt. Durch die warzenartigen Erhebungen
wird eine um ein Vielfaches vergrößerte Oberfläche erreicht.
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In Fig. 7 ist ein Geflecht aus Röhren oder rohrförmigen Fasern abgebildet,
die ebenfalls als Träger der Mikrokapseln#dienen.
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Die Mikrokapseln sind gemäß Fig. 7b zum Beispiel innerhalb der Röhren
angeordnet, Sie können aber auch außerhalb auf dem beflecht sitzen, wobei dann das
gesamte Geflecht beidseitig mit je einer Membran überzogen wird. Desweiteren sind
in Fig. 8a bis d verschiedene Konfigurationen als Trägerkörper zum Tragen oder zur
Aufnahme von Mikrokapseln gezeigt. Dabei ist 28 ein extrudiertes, poröses plastische'#
Material, das aus locker vernetzten offenen l'oren zusammengesetzt ist, Innerhalb
der Poren können nun Mikrokapseln 27 angeordnet sein. In Fig. 8b sind Mikrokapseln
nochmals mittels einer Membran gekapselt zusammengefaßt. Die Mikrokapseln sind hier
zu einem Bündel zusammengefaßt, wodurch sich diese Ausführung besonders zum Gebrauch
in einem Säulenaustauscher eignet. Fig. 8c zeigt wiederum eine extrudierte Masse,
die als Prisma mit einem Membransystem tberzogen ist. Das Prisma ist hohl und, wie
die anderen Träger, kann es Mikrokapseln oder andere biologische Realctionssubstanzen
auf
der Oberfläche oder innerhalb der Hohlräume tragen. Fig. 8d zeigt ein nach Extrusion
und Profilierung mechanisch durchlöchertes Prisma, das speziell als Ultrafilterelement
geeignet ist.
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Der Innenraum ist hohl, wobei auf diesen Hohlraum ein negativer Druck
ausgeübt werden kann. Eine aktive Membran, also ein Membran mit Mikrokapseln, kann
nun über diesen, als Prisma- oder J'lattensystem dienenden Trägerkörper, gezogen
werden.
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(9 #oigt die Unterbringung von parallel geschalteten @risma-, Zyiin<i<'r-
oder Rhomboidplatten 33, 36 gemäß den Figuren 1, 2, 3, 4 und 5. Die 1>rismen
bestehen aus porösem Material und sind mit einer semi- oder selelctivpermeablen
Membran ein- oder beidseitig Überzogen, gemäß Fig. 5a oder b. Eine solche Filterpatrone
32 besitzt einen Zulauf 34 für eine der Flüssigkeiten und einen Ablauf 35. Natürlich
ist es möglich, verschiedene Kreisläufe in einer Filterpatrone vorzusehen. Fig.
lo zeigt nochmals eine prismatische Filterpatrone 37 mit einer Einschnürung 38 zur
iJalterung und zur Abdichtung der in diese Filterpatrene eingesetzten Trägerkörper
39. Diese Trägerkörper müssen an der Wandung der Filterpatrone völlig dicht ansitzen,
damit zwischen der Wåndung und den Trägerkörpern keine Flüssigkeit entlang fließen
kann.
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Nach Eingang in den Verteilerkanal 43 für die zwei in Reaktion zu
bringenden Medien fließt das Medium zuerst innerhalb von Verteilerkanälen und wird
mittels derselben über die Platten verteilt . Danach durchfließt es die Vertiefungen
und Erhebungen innerhalb der Oberfläche jedes Prismas oder jeder Platte und überquert
so die Plattenoberfläche, wonach es wieder in gleicher Weise gesammelt wird und
durch den Ausgang 35 ausfließt, in Fig. 11 ist eine säulen- oder spulenförmige Filterpatrone,
insbesondere für den einmaligen Gebrauch gezeigt. Oben und unton befinden sich Je
ein AuslauS und Einlaufstutzen für die in
Reaktion zu bringenden
Medien. Als Verteiler dienen sogenannte Venturiverteiler und eine Verteilung über
eine Perfusionseingängsfläche, wonach das in Reaktion zu bringende Medium über den
Füllungskürper 41 mit Mikrokapseln oder BAS 42 fließt. Die Trä#erkörper 41 können
wiederum die in den Sig. 1-8 gezeigten Trägerkörper mit eingeschlossenen Ekrokapseln
sein. Dieses System kann also mit verschiedenen Füllungsstoffen arbeiten, je nach
Bedarf der gewünschten Reaktion.
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Dieses System ist analog einer künstlichen Organelle aufgebaut.
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Lebindige Organ ellen können ebenso in porösem Material oder an Trägermaterial
mikroenkapsuliert werden und mit verschiedenen Austauschmaterialien zusammen in
eine Säulenkammer eingebracht werden.
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Desweiteren ist es natürlich möglich, die Platten in einem Block übereinander
zu schichten und z,B. mit Kunststoff zu überziehen und so abzudichten.
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Die Trägerplatten können z.B. aus gestanzten Metallplatten bestehen,
wobei die Metallplatten selbst porös sein müssen. Des-.
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weiteren können die Platten oder Trägerkörper aus por#ösem Material
extrudiert, geblasen oder gegossen werden. Als poröses Trägermaterial eignet sich
besonders offen geschäumtes Polypropylon, Polyäthylen oder Polyurethan oder ähnliches.
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In Fig. 12 ist eine Vorrichtung zur Herstellung solcher Membranen
oder aktiver Membranträgerplaten abgebildet. Dabei bedeutet 44 die Zuführung von
Rohmaterialien in eine Preßvorrichtung. Die Rohmaterialien sind entweder Thermoplaste,
denen verschiedene Adsorber- und Absorbermaterialiep 45, wie Aktivkohle oder Ionenaustauscherharze
46, oder auch Membranmaterial 47, wie Zellulose, regeneriertes Nylon oder gasdurchlässiges
Silikon- oder Silikoncopolymer zugegeben wird.
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Dieses llohmaterial wird zusammen mit den Mikrokapseln oder lebenden
Zellen vermischt zwischen zwei gegenüberliegende endlose Bänder 48 gegeben, die
auf Walzen 49 gespannt sind. Diese Bänder besitzen eine negative Oberflächenstruktur
entsprechend der gewiinschten Oberfläche der Trägerplatten oder der Trägerkörper.
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Das Material läuft nun durch die Walzen hindurch und wird mittels
der beiden Preßkörper 5o zu beiden Seiten der inneren Bänder zusammengepreßt. Ebenfalls
links und rechts der zueinander zugekehrten Teile der Bänder befinden sich Heizvorrichtungen
52, um die plastische Masse zusammen mit den Mikrokapseln aufzuschmeizen. Es ist
natürlich auch möglich, die Preßvorrichtung 50 zu heizen. Die gesamten Vorgänge
können über Meßgeräte 53 überwacht und gesteuert werden.
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In der Preßvorrichtung wird das Material zu einem endlosen Band 54
geformt, welches absatzweise die gewünschte Oberflächenstruktur aufweist. Die einzelnen
Trägerplatten 55 werden dann erhalten, indem. das Band nach dem Erkalten entsprechend
i#tücke geschnitten wird. Die Trägerplatten sind nun fertig, um in Filterpatronen#
oder Säulenaustauscher eingebaut zu werden.
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Pa t entansprUche