DE2507878A1

DE2507878A1 - Blutfilter

Info

Publication number: DE2507878A1
Application number: DE19752507878
Authority: DE
Inventors: Jack Chester Bokros
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: General Atomics Corp
Priority date: 1974-02-25
Filing date: 1975-02-24
Publication date: 1975-08-28
Also published as: FR2261782B1; CA1044156A; BR7501109A; US3901808A; IT1031997B; JPS50119494A; FR2261782A1; GB1473814A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R Vexkmann, 2507878

Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

GENERAL ATOMIC COMPANY, 10955 John Jay Hopkins Road, San Diego, California, Vereinigte Staaten von Amerika

Blutfilter

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Filtern von menschlichem Blut, und zwar im einzelnen ein Blutfilter, das zur Verwendung in einem außerhalb des Körpers befindlichen Blutzirkulationskreis geeignet ist.

Es sind verschiedene Arten von Blutfiltern zur Verwendung bei der außerhalb des Körpers verlaufenden Zirkulation von Blut entwickelt worden, und zwar insbesondere in Verbindung mit einer Herz-Lungen-Maschine sowie in Verbindung mit einer Nierenmaschine oder mit anderen Arten von Blutpumpen oder Hilfseinrichtungen. Beispiele derartiger Blutfilter sind in den US-Patentschriften 3 448 041 und 3 593 854 beschrieben. Blutfilter ■sp- können auch zum Filtern von solchem Blut verwendet werden, welches

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durch Transfusion aus einem Speicher in einen lebenden Körper übergeführt wird.

Allgemein dienen derartige Blutfilter dazu, Mikroerabolien aus dem Blut zu entfernen, welches in einen menschlichen Körper zurückgeführt wird, und eine Erörterung der potentiellen Gefahren für einen Patienten, welche mittels der Blutfilterung vermindert werden können, ist in einem Aufsatz enthalten, der unter dem (hier ins deutsche übersetzten) Titel "Blutplättchen-Leukocyten-Embolie — Ursprünge, Wirkungen & Behandlung" im Frühjahr 1973 in der Zeitschrift "The Journal of Extra-Corporeal Technology", Band V, Nr. 4, Seiten 23 - 33 erschienen ist.

Gegenwärtig verfügbare Blutfilter sind jedoch nicht vollkommen zufriedenstellend. Obwohl sie insofern wirksam sind, als sie gewisse Mikroembolien aus dem Blutstrom entfernen, sind sie gleichzeitig die Ursache anderer Schwierigkeiten, von denen man annimmt, daß sie von der inhärenten Unverträglichkeit dieser Blutfilter mit dem Blut herrühren. Der Nachteil bzw. die Schwierigkeit besteht darin, daß selbst dann, wenn man ein ideales Filter für die Entfernung von vorher vorhandenen Mikroembolien entwirft, in denjenigen Fällen, in denen thrombogene Materialien bei dem Aufbau des Filters verwendet werden, letzteres das Eiweiß und andere Elemente des Blutes verändern kann, so daß Embolien stromabwärts vom Filter gebildet werden. Mit anderen Worten bedeutet das, daß das Filter selbst ein Embolienerzeuger sein kann, so daß auf diese Weise seine Wirksamkeit beträchtlich herabgesetzt wird.

Mit der Erfindung soll eil Blutfilter zur Verfügung gestellt werden, das eine verbesserte Verträglichkeit mit menschlichem Blut aufweist, und das Mikroembolien entfernt, ohne das Blut in nachteiliger Weise zu beeinflussen.

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Es wurde gefunden, daß man unter Verwendung eines gepackten Teilchenbettes mit Teilchen, die eine undurchlässige Kohlenstoffoberfläche besitzen, eine Filtereinrichtung aufbauen kann, welche unerwünschte Überbleibsel, Trümmer, Teilchen o. dgl. und Mikroembolien aus Blut in hervorragender Weise entfernt. Wegen der inhärenten Verträglichkeit von undurchlässigem Kohlenstoff mit den Komponenten des menschlichen Bluts hat jedoch ein Filter, das in dieser Weise aufgebaut ist, keine nachteiligen Wirkungen in dem so behandelten Blut zur Folge, und ein solches Filter erniedrigt die Rate der Kernbildung neuer Embolien stromabwärts vom Filter.

Demgemäß wird mit der Erfindung eine Einrichtung zum Filtern von menschlichem Blut vor dessen Rückkehr in einen lebenden menschlichen Körper vorgeschlagen, die ein Gehäuse aufweist, in dem eine Kammer ausgebildet ist, sowie eine Eingangseinrichtung und eine Ausgangseinrichtung, welche mit der Kammer in Verbindung stehen, und ein Teilchenbett in der Kammer, so daß eine Flüssigkeit durch das Teilchenbett hindurchgehen muß, um vom Eingang zum Ausgang zu gelangen, wobei das Teilchenbett aus Teilchen zwischen 50 und 1000 Mikron Größe hergestellt ist, deren äußere Oberfläche aus undurchlässigem Kohlenstoff gebildet ist.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. und 2 der Zeichnung an einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Blutfilters, das verschiedene Merkmale der Erfindung aufweist; und

Fig. 2 eine schematische Ansicht, in der ein Blutbehandlungssystem veranschaulicht ist, das unter Verwendung des in Fig. 1 dargestellten Blutfilters aufgebaut ist.

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-A-

In Fig. 1 ist die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform veranschaulicht, die ein Blutfilter 11 darstellt, das ein Gehäuse aufweist, welches eine obere Kappe 13 und einen unteren Gehäusekörper 15 besitzt. Das dargestellte Gehäuse ist aus Glas ausgebildet, und die beiden Teile 13 und 15 sind an ihrer Berührungsfläche mittels eines Klebstoffs oder einer geeigneten mechanischen Einrichtung in geeigneter Weise miteinander verbunden, so daß eine innere, geschlossene Kammer 17 von allgemein zylindrischer Form gebildet wird, wobei der horizontale Querschnitt der Kammer kreisförmig ist. An Stelle der Ausbildung der Gehäuseteile aus Glas kann auch ein geeignetes Metall, wie beispielsweise rostfreier Stahl benutzt werden, in welchem Falle dann die das Innere der Kammer bildende Oberfläche mit undurchlässigem Kohlenstoff, wie beispielsweise Kohlenstoff, der aus Dampf abgelagert worden ist, beschichtet wird.

Eine Eingangs- bzw. Zuführungsleitung 19 ist in der oberen Kappe 13 des Gehäuses vorgesehen, während eine Ausgangs- bzw. Abführungsleitung 21 im unteren Gehäusekörper 15 angeordnet ist. Außerdem ist in der Kappe des Gehäuses eine Entlüftungsleitung 23 vorgesehen, an der ein geeignetes Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, 25 angebracht werden kann, welches den Austritt von Luft oder anderen Gasen aus der Kammer 17 ermöglicht, während es eine Strömung in der entgegengesetzten Richtung in die Kammer hinein verhindert.

Die Filtrationswirkung des Blutfilters 11 wird durch ein Teilchenbett 27 ausgeübt dessen Teilchen innerhalb der Kammer 17 zwischen einem unteren Sieb 29 und einem oberen Sieb 31 gehalten werden. Die Siebe 29 und 31 werden an der vorgesehenen Stelle entweder durch Haftung, Kleben o. dgl. gehalten, oder ihre Halterung erfolgt durch eine andere geeignete Einrichtung, beispielsweise dadurch, daß man die innere Wand der Kammer 17 mit einer oder mehreren Ausnehmungen versieht. Das untere Sieb

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29 befindet sich im Abstand vom Boden der Kammer 17, wobei der Abstand ausreichend groß ist, daß eine untere Luftkammer 33 entsteht, in der sich das gefilterte Blut sammeln kann und von der aus es glatt bzw. gleichmäßig zu der Ausgangs- bzw. Auslaßleitung 21 strömen kann. Das obere Sieb 31 ist vorzugsweise ebenfalls ein wenig im Abstand unterhalb des oberen Endes der Kammer 17 angeordnet, so daß eine obere Luftkammer 35 entsteht, wodurch das eintretende Blut über die gesamte obere horizontale Oberfläche des Teilchenbettes 27 in letzteres eingespeist werden kann. Die Siebe 29 und 31 sind aus geeigneten, mit Blut verträglichen Materialien hergestellt, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahldraht, der mit undurchlässigem Kohlenstoff beschichtet worden ist, insbesondere mit Kohlenstoff, der aus Dampf abgeschieden bzw. durch Verdampfungsbeschichtung aufgebracht worden ist.

Das Teilchenbett 27, welches die Filtrierung bewirkt, ist aus Teilchen, vorzugsweise Sphäroiden wie beispielsweise Rotationselipsoiden oder sonstigen kugeligen Teilchen, hergestellt, die eine äußere undurchlässige Kohlenstoffoberfläche besitzen. Die Größe der Teilchen kann zwischen 50 Mikron und 1000 Mikron variieren, vorzugsweise zwischen 80 und 500 Mikron. Sphäroide, die innerhalb dieses Größenbereichs liegen, bilden zwischen sich einen gewundenen Weg, durch den das Blut fließen muß, um das Filter vom Einlaß 19 zum Auslaß 21 zu durchqueren, und unerwünschte Mikroembolien werden entfernt, wenn das Blut längs dieses gewundenen Weges strömt.

Eine geeignete Art undurchlässigen Kohlenstoffs ist Kohlenstoff, der aus Dampf abgelagert bzw. der durch Verdampfungsbeschichtung aufgebracht worden ist. Unter diesen Kohlenstoff fällt auch pyrolythischer Kohlenstoff, der durch thermische Zersetzung einer dampfförmigen kohlenstoffhaltigen Verbindung, üblicherweise eines Kohlenwasserstoffs, erzeugt worden ist;

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jedoch können Kohlenstoffschichten bzw. -beschichtungen auch ohne eine solche Zersetzung durch Ablagerung aus Dampf hergestellt werden, indem man eine Ionenplattierung o. dgl. anwendet, wobei eine Kohlenstoffatmosphäre unter sehr niedrigen Druckbedingungen und unter Benutzung einer Elektronenstrahlerhitzung erzeugt wird. Derartiger aus der Dampfphase abgelagerter Kohlenstoff wird als undurchlässig angesehen, wenn er eine Dichte von wenigstens etwa 70 % seiner theoretischen maximalen Dichte besitzt (oder wenigstens etwa 1,55 g pro cm bei im wesentlichen reinem Kohlenstoff). Glasartiger oder vitrophyrischer Kohlenstoff ist inhärentjundurchlässig und kann bei niedrigeren Dichten angewandt werden.

Wie oben ausgeführt, sollen die Teilchen im Teilchenbett eine äußere undurchlässige Kohlenstoffoberfläche besitzen. Infolgedessen können die Teilchen entweder vollständig aus Kohlenstoff bestehen, oder sie können aus irgendeinem anderen geeigneten Material bestehen, welches mit Kohlenstoff beschichtet ist. Beispielsweise können die Teilchen glasartige Kohlenstoffkügelchen bzw. -körnchen sein, oder sie können aus Körnern von anderen geeigneten Materialien hergestellt werden, die mit pyrolythischem oder nichtpyrolythischem Kohlenstoff mittels Ablagerung aus der Dampfphase beschichtet worden sind. Es ist wichtig, daß die Teilchen glatt sind, und das Polieren bzw. Glätten kann dadurch erreicht werden, daß man die Teilchen in einer Putz- bzw. Schleif trommel behandelt oder in ähnlicher Weise, so daß alle Oberflächenrauhigkeiten entfernt werden.

Insofern als die Körner vollkommen innerhalb des undurchlässigen Kohlenstoff eingekapselt werden, kann jedes geeignete Material angewandt werden, welches bei den Temperaturen stabil ist, bei denen die Beschichtung durch Ablagerung aus der Dampf-

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phase stattfindet, üblicherweise zwischen etwa 1200° C und 2000° C. Zirconoxyd-Sphäroide sind einfach erhältlich land können in vielen Fällen angewandt werden; jedoch sind auch andere feuerfeste bzw. schwerschmelzbare Materialien verwendbar, wie beispielsweise Graphit, Siliziumdioxyd u. dgl.. Beim Vorgang der Blutfiltrierung werden die KohlenstoffüberzUge bzw. -beschichtungen keiner bemerkenswerten Beanspruchung bzw. Belastung ausgesetzt, und infolgedessen müssen sie keine strukturelle Festigkeit besitzen, und sowohl laminare als auch isotropische Kohlenstoffarten, die durch Ablagerung aus der Dampfphase bei relativ niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei 1200° C bis 1600 ° C, erzeugt worden sind, erfüllen die Anforderungen in zufriedenstellender Weise.

In Fig. 2 ist ein Beispiel eines Systems, in dem das Blutfilter 11 angewandt werden kann, veranschaulicht. Ein Blutbehandlungsgerät 39, das beispielsweise eine Herz-Lungen-Maschine ο. dgl. sein kann, ist schematisch in diesem System dargestellt. Die Herz-Lungen-Maschine 39 wird mittels einer geeigneten Blutpumpe 41, welche das angesaugte Blut einem Vorratsbehälter 43 entnimmt, gespeist. Der Vorratsbehälter 43 besitzt eine Einlaßleitung 45, die mit einem menschlichen Körper verbunden sein kann, von dem Blut abgezogen wird; jedoch kann die Zuführungsleitung 45 nötigenfalls auch verzweigt sein, damit eine zusätzliche Blutzufuhr von einer Blutbank erfolgen kann, sofern es nötig sein sollte. Die Herz-Lungen-Maschine 39 gibt das Blut an den Eingang 19 des Blutfilters 11 ab, in dem das Blut nach abwärts durch das Kohlenstoffteilchenbett durchläuft.

Das gefilterte Blut verläßt das Filter durch den Auslaß 21 und wird über die Leitung 47 in den menschlichen Körper zurückgebracht, wobei das Blut durch den Druckkopf angetrieben

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wird, welcher von der Pumpe 41 erzeugt wird.

Das dargestellte Blutfilter 11 ist aus einem Glaskörper 15 hergestellt, in dem eine Kammer 17 ausgebildet ist, deren Innendurchmesser etwa 7,62 cm beträgt. Die Kammer 17 weist ein gepacktes Kohlenstoffteilchenbett 27 auf, das eine Tiefe von ungefähr 5,08 cm besitzt. Die Teilchen sind Sphäroide von Zirkonoxyd, das mit einer äußeren Schicht von aus der Dampfphase abgeschiedenem pyrolythischem Kohlenstoff beschichtet ist, wobei die Dicke der Schicht im Mittel etwa 50 Mikron beträgt. Die ZrOp-Sphäroide wurden in der Weise beschichtet, daß man eine Mischung von Propan und Argon bei Umgebungsdruck (etwa 40 Volumenprozent Propan) bei einer Temperatur von ungefähr IJOO C benutzte, um einen isotropischen pyrolythischen Kohlenstoff zu erzeugen, der einen B.A.F.-Wert von 1,1 und eine Dichte von ungefähr 2 g pro cm besaß. Nach dem Beschichten wurden die Teilchen in einer Putztrommel zur Entfernung irgendwelcher Oberflächenrauhigkeiten behandelt.

Der Ausdruck "B.A.F." bedeutet "Bacon-Anisotropiefaktor" und stellt ein Maß der bevorzugten Orientierung der Schichtebenen in einer Kohlenstoffschicht bzw. -beschichtung dar. Die Technik der Messung und eine vollständige Erläuterung der Meßskala ist in einem Artikel von G.E. Bacon enthalten, der den (hier ins deutsche übersetzten) Titel "Ein Verfahren zum Bestimmen des Grades der Orientierung von Graphit" hat und in der Zeitschrift "Journal of Applied Chemistry", Band 6, Seite 477 (1956) veröffentlicht ist. Ein vollständig isotropischer Kohlenstoff besitzt einenB.A.F.-Wert von 1,0, welches der niedrigste Wert auf der B.A.F.-Skala ist.

Die beschichteten Zirkonoxydteilchen haben eine Größe im Bereich von 80 Mikron bis 125 Mikron und werden auf einem

unteren Sieb von rostfreiem Stahldraht, der mit aus der Dampfphase abgelagerten Kohlenstoff beschichtet ist, gehalten, "wobei die Sieböffnungen eine Abmessung von 25 Mikron besitzen. Das obere Sieb 31 ist aus gleichartigem bzw. ähnlichem Material hergestellt und so ausgebildet, daß es Öffnungen von 75 Mikron besitzt. Demgemäß dient das obere Sieb dazu, relativ große Embolienanhäufungen aus dem hereinkommenden Blutstrom zu entfernen, beispielsweise solche mit einer Größe von über 200 Mikron, während das Kohlenstoffteilchenbett dann nur noch die verbleibenden Mikroembolien entfernen muß. Das Blutfilter 11 ist natürlich so ausgelegt, daß es ein Wegwerfartikel ist, der nach Abschluß der Operation bzw. des Betriebes mit einem bestimmten Patienten nicht erneut verwendet wird.

Obwohl vorstehend die Erfindung in Verbindung mit einer bestimmten Bauweise eines Blutfilters erläutert worden ist, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung die verschiedensten Abwandlungen möglich; so kann beispielsweise der durch Ablagerung aus Dampf erhaltene pyrolythische Kohlenstoff, mit dem die Teilchen, die Siebe und gegebenenfalls das Innere der Blutfilterkammer beschichtet werden, mit einer geringen Menge eines karbidbildenden Metalls oder Metalloids legiert werden, beispielsweise mit Silizium, um dadurch der Kohlenstoffoberfläche in einer in der Beschichtungstechnik an sich bekannten Weise eine zusätzliche Festigkeit zu verleihen.

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Claims

ίο - Patentansprüche

1. /Einrichtung zum Filtern von menschlichem Blut vor dessen

Rückkehr in einen lebenden menschlichen Körper, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (13,. 15), in dem eine Kammer (17) ausgebildet ist, einen Einlaß (19) und einen Auslaß (21), die in Verbindung mit der Kammer stehen, und ein Teilchenbett (27), das in der Kammer vorgesehen ist, so daß eine vom Einlaß zum Auslaß strömende Flüssigkeit durch das Teilchenbett hindurchgehen muß, wobei das Teilchenbett aus Teilchen in einer Größe zwischen 50 und 1000 Mikron hergestellt ist, deren äußere Oberfläche von undurchlässigem Kohlenstoff gebildet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (19) im oberen Teil (13) und der Auslaß (21) im unteren Teil (15) des Gehäuses vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Entlüftungsöffnung, -leitung o. dgl. (23) im oberen Teil (13) des Gehäuses vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r ch gekennzeichnet, daß das Teilchenbett (27) in der Kammer (17) zwischen zwei Sieben (29, 31) gehalten wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sieb (31), welches zwischen dem Einlaß (19) und dem Teilchenbett (27) vorgesehen ist, Öffnungen mit einer Größe von nicht mehr als 75 Mikron besitzt.

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6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilchenbett (27) in der Kammer (17) zwischen einem oberen und einem unteren _t Haltesieb (29, 31) gehalten ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennz e i c h ne t, daß zwischen dem unteren Haltesieb (29) und dem Auslaß (21) eine untere Luftkammer (33) vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem oberen Haltesieb (31) un^¹ dem Einlaß (19) eine obere Luftkammer (35) vorgesehen ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen Sphäroide sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen eine Größe zwischen 80 und 500 Mikron besitzen.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzei chnet, daß die Oberfläche des Gehäuses (13, 15), welches die Kammer (17) bildet, mit undurchlässigem Kohlenstoff beschichtet ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebe (29, 31) mit undurchlässigem Kohlenstoff beschichtet sind.

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13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der undurchlässige Kohlenstoff ein mittels Niederschlag aus Dampf bzw. aus der Dampfphase abgelagerter Kohlenstoff ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der undurchlässige Kohlenstoff glasiger bzw. glasartiger Kohlenstoff ist.

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