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Künstliche Niere
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Die Erfindung betrifft eine künstliche Niere, die aus einem von einer
Dialysemembran gebildeten blutdurchflossenen Hohlraum und einem auf der anderen
Seite der Dialysemembran angeordneten Dialysatraum mit entsprechenden Anschlüssen
besteht.
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Die bisher übliche Behandlung von Patienten mit akuter oder chronischer
Niereninsuffizienz oder nach Nephrektomie besteht neben der Nierentransplantation
hauptsächlich in der intermittierenden Dialysebehandlung an künstlichen Niere, die
entweder in der Klinik, dem Dialysezentrum oder im Heim des Patienten aufgestellt
sind. Diese Behandlungsart unter Verwendung verschiedenster Monitor- und Dialysatortypen
zwingt
den Patienten, viele Wochenstunden, in der Regel heute 3
x 6 Stunden, am Ort der künstlichen Niere entweder im Bett oder auf einem Liegestuhl
zu verbringen, während sein Blut extrakorporal im Eiltempo der Blutwäsche unterzogen
wird und das Bestreben verständlich ist, diese Zeitdauer durch ständig intensivere
Methoden und Apparate zu kürzen.
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Diese Tendenz bleibt nicht ohne negative Auswirkungen auf den Patienten,
zumal er sich in der Entledigung seiner Stoffwechselprodukte immer weiter vom nierengesunden
Menschen entfernt, dessen Niere kontinuierlich arbeitet und laufend kleine Mengen
Metabolite in die Harnblase abscheidet.
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Es hat nicht an Versuchen gefehlt, den Gesundheitszustand dadurch
zu verbessern, daß die Anzahl der Dialysebehandlungen auf täglich 2 Stunden erhöht
wurde, doch hat dies eine noch stärkere Beeinträchtigung der Bewegungsfreiheit des
Patienten und eine Komplizierung beim häufigen An- und Abschalten von der Apparatur,
verbunden mit erhöhten Blutverlusten, bewirkt.
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Es sind auch tragbare künstliche Niere (Solff) entwickelt worden,
die auf der Miniaturierung des Monitors (Blutpumpe, Dialysatpumpe, Thermostat, Regler,
Temperatur- und Druckmesser) beruhen, Adsorptionseinrichtungen für den Dialysatkreislauf
benötigen und damit noch relativ umfangreich sind,
sodaß sie entweder
auf einer Bauch lade oder in einem Rucksack getragen werden müssen. Auch sie beruhen
auf dem Prinzip der intermittierenden Dialyse und geben dem Patienten nur unzureichend
höheren Spielraum in seiner Bewegunsgfreiheit.
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Bel diesen bekannten künstlichen Nieren und auch bei der bekannten
tragbaren Niere zur intermittierenden Dialyse geht man davon aus, daß die Dialyse
an einer möglichst großen Membranoberfläche, beispielsweise 2 bis 3 m2, die zwangsläufig
ein entsprechend hohes Blutvolumen mit sich bringt, erfolgen soll und daß der Stoffaustausch
dann am wirkungsvollsten ist, wenn das Dialysatvclumen innerhalb der künstlichen
Niere möglichst klein ist. Blutvolumen und Dialysatvolumen stehen im allgemeinen
im Verhältnis von ca. 1 s 1. Solange ein Patient nur zeitweilig für eine möglichst
schnelle Dialyse an einen Dialysator angeschlossen werden soll, müssen derartige
Voraussetzungen erfüllt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer tragbaren
künstlichen Niere für eine kontinuierliche Arbeitsweise, die auf Zusatzgeräte, wie
Pumpe, Thermostat, Ventile und Regler verzichtet und die ohne nennenswerte Belästigung
vom Patienten dauernd getragen werden kann und mit dem Blutkreislauf über einen
langen Zeitraum verbunden bleibt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine künstliche Niere, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß das Volumen des von einer Dialysemembran gebildeten Hohlraumes
3 bis 50 cm3 und das Volumen des Dialysatraumes 300 bis 5000 cm3 beträgt und daß
der Dialysatraum von einer an ein Körperteil angepaßten oder anpaßbaren Umhüllung
mit wenigstens einem Ft bzw. Ablaufstutzen umschlossen ist und durch die Umhüllung
je ein Blutzuund-ablauf flüssigkeitsdicht hindurchgeführt ist.
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Vozugsweise beträgt das Volumen des von einer Dialysemembran gebildeten
Hohlraumes 5 bis 25 cm3 und das Volumen des Dialysatraumes 500 bis 2500 cm3.
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Der Dialysatraum enthält mindestens einen Füll- bzw. Ablaufstutzen,
der sowohl zum Füllen als auch zum Entleeren benutzt werden kann. Es können aber
auch getrennte Stutzen für das Füllen und Entleeren vorgesehen sein.
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Die Umspülung der Membranschicht zur Aufnahme der permelerten Metabolite
geschieht durch die Bewegung der Körperteile, an denen die künstliche Niere angebracht
ist. Damit bei jeder natürlichen Körperbewegung die Flüssigkeit entlang der Membranschicht
fließt und die hindurch dif fundierten Metabolite aufnimmt, ist der Dialysatraum
nicht vollständig, sondern nur zu etwa 4/5 oder 9/10 mit Dialysat gefüllt.
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Die Teilfüllung des Dlalysatraumes ist auch deshalb wichtig, damit
Raum für das ultrafiltrierte Wasser verbleibt. Der Blutdruck zwischen 80 und 130
mm Hg im Blutkreislauf des Patienten sorgt für den Transport des Blutes durch den
von der Dialysemembran gebildeten Hohlraum, ohne zusätzliche Pumpen und ebenso aber
auch für die notwendige Entwässerung.
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Das ultrafiltrierte Wasser muß vom Dialysatraum aufgenommen werden.
Die erfindungsgemäße künstliche Niere benötigt weder eine Pumpe für den Bluttransport
noch für die Dialysatbewegung.
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Da sich durch die fortwährende Dialyse, ähnlich dem Glomerulumfiltrat
bei Gesunden, sowohl das Dialysatvolumen vergrößert als auch seine Metabolitkonzentration
erhöht, somit das d zwischen Blut und Dialysat erniedrigt, ist der Patient lediglich
gezwungen, in festgelegten Zeitabständen, z.B. stündlich, alle 2 oder alle 3 Stunden,
das Dialysat abzulassen und mit neuem Dialysat aus einem fertigen Beutel neu zu
füllen. Seine Blutzirkulation bleibt hiervon unberührt. Er hat außerdem die Möglichkeit,
die Dialysatmenge im Volumen zu kontrollieren.
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Die erfindungsgemäßen künstlichen Nieren werden auf kürzestem Wege
mit Polyurethanschläuchen oder sonst geeigneten Gef&ßersatzsystemen mit Arterie
und/oder Venen des Patienten verbunden. Die Verbindungsstelle muß nur dazu ausreichen,
um eine Klemme für den Wechsel der künstlichen Niere anbringen.
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Das von der Dialysemembran gebildete Hohlraumvolumen muß vor dem Anschluß
luftfrei mit physiologischer Kochsalzlösung gefüllt sein, Das geringe Hohlraumvolumen,
das nach dem Anschluß an den Blutkreislauf das Blutfüllvolumen der künstlichen Niere
darstellt, ermöglicht es, daß die geringe Füllmenge des Hohlraumvolumens mit physiologischer
Kochsalzlösung ohne Schaden beim Anschluß an den Kreislauf des Patienten diesem
zugeführt werden kann.
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Im allgemeinen wird man einen etwa 2 bis 3-stündigen Rythmus für das
Ablassen des Dialysates und die Neufüllung einhalten.
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Das relativ hohe Dialysatvolumen, das in der erfindungsgemäßen künstlichen
Niere untergebracht werden kann, eröffnet die Möglichkeit, auch die Nachtstunden
zur Dialyse auszunutzen.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung besteht die Umhüllung an
der mit dem Körper in Berührung stehenden Fläche aus einem gut wärmeleitenden Material
und die übrige Fläche wird vorzugsweise wärmeisolierend ausgebildet. Ein gut wärmeleitendes
Material ist beispielsweise ein Kunststoff, der einen die Wärmeleitfähigkeit erhöhenden
Füllstoff, beispielsweise ein Metallpulver enthält. Die Wärmeisolierung kann durch
eine Abdeckung mit einer Watte erhalten werden. Durch diese Ausführungsform wird
die Temperatur des Dialysates auf praktisch
Körpertemperatur gehalten.
Auf Thermostate, die sonst bei künstlichen Nieren unbedingt erforderlich sind, kann
bei der erfindungsgemäßen künstlichen Niere verzichtet werden.
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Vorzugsweise besteht die Umhüllung aus einem flexiblen Material. Ein
flexibles Material im Rahmen der Erfindung ist ein solches Material, welches so
biegsam ist, daß es sich an die Fläche anschmiegt, an der es anliegt, wobei es sich
aber nicht durch das Gewicht des in der Umhüllung befindlichen Dialysates so verformt,
daß sich das eingeschlossene Volumen dabei wesentlich verändert. Durch die Verwendung
einer flexiblen Umhüllung wird durch die Bewegung des Körperteiles das Dialysat
welches in einer etwas geringerer Menge die Umhüllung füllt, als dem Leervolumen
der Umhüllung entspricht, im verstärktem Maße bewegt, sodaß an den Außenwänden der
Dlalysemembran sich die Grenzschicht des Dialysates ständig erneuert, ohne daß dazu
Pumpen oder andere angetrlebene mechanische Mittel erforderlich sind.
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Bin gut geeignetes flexibles Material ist Silikonkautschuk.
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In besonderem Maße bewährt hat sich eine Umhüllung, die aus Polyurethan
hergestellt wurde.
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Da bei vielen Patienten, besonders wenn sie die erfindungsgemäß
künstliche
Niere über einen längeren Zeitraum tragen müssen, sich lästige Unverträglichkeiten
an der Haut zeigen, ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Umhüllung aus einem Gewebelaminat besteht.
Dabei wird die Gewebeseite auf der Haut getragen, während die für die Dichtigkeit
der Umhüllung sorgende Laminierung der Dialysatfüllung zugewandt ist. Das Gewebelaminat
kann nach bekannten Verfahren hergestellt werden.
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Die Gewebelaminate können aus Geweben beliebiger textiler Materialien,
vorzugsweise aus Baumwolle und Kunststoff-Folien bestehen.
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Obwohl flexible Umhüllungen besonders bevorzugte Materialien für die
Umhüllung bei der erfindungsgeinäßen künstlichen Niere sind, können alle Materialien,
aus denen üblicherweise Gehäuse für Dialysatoren hergestellt werden, Verwendung
finden. Hier sind Polycarbonate, Polyurethane, Polyolefine, Polyvinylchlorid, Polyamid,
Polyester und Polyacrylate zu nennen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen künstlichen
Niere, besteht darin, daß die Umhüllung zumindestens teilweise, aus einem transparenten
Material besteht. Die Verwendung eines transparenten Materials ermöglicht es, den
Zustand der künstlichen Niere ohne Schwierigkeit von außen zu beobachten. Die genanntes
Kunststoffe können ohne weiteres
transparent hergestellt werden.-
Im übrigen sind für manche Zwecke modellierbare Kunststoffe vorzuziehen.
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Zum Wechseln der Dialysemembran kann die künstliche Niere so gestaltet
werden, daß die Umhüllung teilbar ausgebildet ist Die Dialysemembran kann auch so
in Paßstücke eingebettet werden, daß die Dialysemembran mit dem Blutzu- und -ablauf
flüssigkeitsdicht in die Umhüllung eingesetzt werden kann.
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Die Forderung nach einem kleinen Blutvolumen bei wenig gestörte Durchfluß
wird am besten von Hohlfädendialysetnembranen erfüllt. Diese können einzeln oder
in Form eines Bündels, das an den Enden in einen Kunststoff eingebettet ist, für
die erfindungsgemäße künstliche Niere verwendet werden. Die Hohlfädendialysemernbranen
können aus Polycarbonaten, Polypeptiden, Polyurethanen, Polysulfonen, Acrylpolymeren
und aromatischen Polyamiden hergestellt sein.
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Bevorzugt sind wegen der guten DialysiereigenschaftenMembranen aus
regenerierter Cellulose. Vor allem haben sich für die erfindungsgemäße künstliche
Niere, Membranen aus Cellulose bewährt, die aus Cuoxamlösungen regeneriert wurden.
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Der Innendurchmesser bei Hohlfäden beträgt vorzugsweise 100 bis 1000
Fm bei einer Wandstärke von 10 bis 30 Mm, die zu einem Bündel mit einer Gesamtoberfläche
von weniger als 0,3 m2 zusammengefaßt werden.
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Ein großer Vorteil, der mit der erfindungsgemäßen künstlichen Niere
ermöglicht wird, liegt darin, daß Blutclottingprobleme wegen der sehr geringen Fremdoberfläche
weitgehend entfallen.
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Im Bedarfsfalle kann Heparin dem Dialysat zugegeben werden. Die Metabolitkonzentration
im Plasma des Patienten erfährt, wie beim Gesunden, kaum Schwankungen, und damit
entfallen die nachteiligen Krankheltssymptome, die auf der intermittierenden, mit
starken Konzentrationsschwankungen im Serum verbundenen Dialyse beruhen, die auch
der Grund für die Mittelmolekülempfindlichkeit der Nierenpatienten sein können und
bisher zu neuropathischen Zuständen führten. Der Nierenpatient muß lediglich nur
noch einmal pro Woche seinen Dialysearzt aufsuchen, damit dieser ihm einen neuen
Dialysator einsetzt und die nötigen Dialysatbeutel verschreibt. Die Zusammensetzung
des Dialysates kann individuell dem Krankheitsbild angepaßt werden und gegebenenfalls
können dem Dialysat Medikamente zugesetzt werden.
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Die künstliche Niere kann ganz oder teilweise Bestandteil verschiedener
Konfektionsformen sein, z.B. Armreif, Beinreif, Hose, Weste, Brustbeutel, Bauchgürte.
Sie kann an einer geeigneten Körperstelle in einer angepaßten Form extrakorporal
getragen und an eine möglichst kurze Gefäßverbindung angeschlossen werden. Selbstverständlich
kann die Umhüllung noch Stütz- oder Verstärkungselemente enthalten, um z.B. die
Dialysemembran an einer bestimmtenn Stelle zu fixieren.
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Die Fukntionsweise und Wirkung der erfindungsgemaßen künstlichen
Niere
werden anhand der Beispiele deutlich: Beispiel 1 Ein Dialysator, bestehend aus einem
Hohlfadenbündel von 125 Fäden aus Cellulose, die aus einer Cuoxamlösung regeneriert
wurde, mit einem Innendurchmesser von 600 Fm, einer Wanddicke von 15 Fm und einer
Länge von 850 mm ohne die Einbettungsschichten, in einer flexiblen Umhüllung, von
den inneren Abmessungen 85 . 10 . 2,6 cm = 2200 cm3, wurde mit @ l physiologischer
Kochsalzlösung gefüllt. Durch das Hohlfadenbündel, das ein Hohlraumvolumen von 30
cm3 aufweist, wurde eine Harnstofflösung von 1000 mg/l mit einem Durchsatz von 40
ml/min gepumpt. Der Innendruck wurde mittels Klemme im Auslauf auf 100 mm Hg gehalten.
Der Dialysator wurde in einer ständig schaukelnder Bewegung mit einer Frequenz von
3 Bewegungen pro Minute gehalten. Nach 1/2, 1, 1 1/2 und 2 Stunden wurden jeweile
kleine Proben des Dialysates entnommen. Es wurden folgende ilarnstoffkonzentrationen
gefunden: nach 1/2 Stunde 322 mg/l nach 1 1 536 mg/l nach 1 1/2 " 685 mg/l nach
2 " 786 mg/l Nach 2 Stunden Dialysatzeit wurde das Dialysat abgelassen
und
der Behälter mit 2 1 frischer Salzlösung gefüllt. Diese war nach erneuten 2 Stunden
auf 780 mg/l in der Harnstoffkonzentration gestiegen. Auf die angegebene Weise konnten
also im Schnitt 1,566 g Harnstoff alle 2 Stunden entfernt werden.
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Die Flüssigkeitsmenge im Dialysatbehälter wurde beim Entleeren gemessen.
Sie betrug jeweils 2060 + 2 ml.
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Beispiel 2 Ein Dialysator, bestehend aus einem Hohlfadenbündel von
350 Fäden aus Cellulose, die aus einer Cuoxamlösung regeneriert wurde, mit einem
Innendurchmesser von 300 Fm, einer Wanddicke von 19 Fm und einer Länge von 300 mm
(Hohlraumvolumen w 7,4 cm3) zwischen den Einbettungschichten und einer Umhüllung
mit den inneren Abmessungen 30 . 10 . 3,6 cm3 " 1,1 1, wurde mit physiologischer
Kochsalzlösung gefüllt. Durch das Hohlfadeninnere wurde eine Harnstofflösung von
1000 mg/l mit einem Durchsatz von 20 ml/min gepumpt und der Dialysator schaukelnd,
mit einer Frequenz von 3 Bewegungen pro Minute bewegt. Der Innendruck im Fadenhohlraum
wurde auf 100 mg Hg Ueberdruck gehalten. Nach 1/2 und 1 Stunde wurden jeweils kleine
Proben entnommen. Es wurden folgende Harnstoffkonzentrationen gefunden: nach 1/2
Stunde 315 mg/l nach 1 " 530 mg/l Anschließend wurde das Dialysat durch frische
Lösung erneuert
und erneut 1 Stunde dialysiert mit praktisch dem
gleichen Ergebnis. Es läßt sich also auf diese Weise eine Harnstoffmenge von 530
mg je Stunde dialysieren. Die Volumenzunahme des Dialysates betrug 27 und 28 ml,
die beim Auslaufen in einen Meßzylinder ermittelt wurden.
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Beispiel 3 Ein kubischer Behälter von 33 cm Länge, 17 cm Breite und
2 cm Höhe aus transparentem Polycarbonat wurde aus zwei Hälften gefertigt, einem
Bodenteil von 1 cm Höhe und einem Deckel teil von 1 cm Höhe und soll als Umhüllung
einer erflndungsg~n!ßen künstlichen Niere verwendet werden. Eine daraus hergestellter
Dialysator kann auf der Brust, dem Bauch oder dem Rücken getragen werden, wobei
er durch Wölbung der Körperform noch stärker angepaßt werden kann. Am oberen Rand
des Bodenteils wurde ein Dialysemembranschlauch aus Cellulose, die aus Cuoxamlösung
regeneriert wurde, von 15 cm Breite und 33 cm Länge, der außen beidseitig mit einem
Kunststoffnetz von gleicher Länge, aber 16 cm Breite, mit einem durch feine Stege
festgelegten Abstand von 0,05 cm örtlich fixiert wurde, und dadurch ein Hohlraumvolumen
von 25 cm3 bildete, wurde in eine Einsprung der Kopfwand eingelassen. Zufuhr- und
Abführleitung für das Blut waren außen so angebracht, daß ein Schlitz dem flachen
Schlauchinnenraum zugekehrt war und eine runde oeffnung für Schlauchanschlüsse nach
außen ragte.
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An Stelle des Dialysemembranschlauches können auch zwei an den Längs
seiten verklebte Flachmembranen oder ein entsprechend flach geformtes Hohlfadenbündel
benutzt werden.
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Der Deckelteil des Behälters wurde flüssigkeitsdicht aufgeklemmt.
Dieser Dialysator wurde mit 1 1 Kochsalzlösung gefüllt, und durch den von der Membran
gebildeten inneren Hohlraum wurde eine Kreatininlösung einer Konzentration von 100
mg/l in Kochsalzlösung mit einem Durchsatz von 20 ml/min geschickt.
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Dabei wurde der Dialysator während einer Stunde senkrecht stehend
bewegt. Nach einer Stunde waren 53 mg Kreatinin aus dem künstlichen Blutkreislauf
entfernt.
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Beispiel 4 Eine zum Tragen oberhalb des Knies gut geeignete künstliche
Niere besteht aus einer zweiteiligen Umhüllung. Um das Bein mit einem Umfang von
beispielsweise 40 cm wird eine Manschette aus gut wärmeleitendem Silikongummi geschnallt.
Längs des Umfanges der Manschette enthält diese im Abstand von 10 cm zwei aufgesetzte
Winkelschienen aus Silikongummi, in die entsprechende Gegenstücke des Deckelteiles
der künstlichen Niere flüssigkeitsdicht eingepreßt werden. Das etwa 35 cm lange
Deckelteil besteht aus flexiblem Polyurethan und hat etwa 4 cm hohe Seitenteile,
sodaß ein Dialysatvolumen von etwa 1,4 1
umschlossen wird. In die
Kopfwände des Deckelteiles ist ein Bündel von Cellulosehohlfäden, die aus einer
Cuoxamlösung tegeneriert wurden, flüssigkeitsdicht eingegossen. Nach außen ragen
kleine Schlauchtüllen für den Blutzu- und -ablauf. Die Hohlfäden haben einen Innendurchmesser
von 600 um, eine Wanddicke von 10 um. Die Membranoberfläche beträgt 0,1 m2, das
Hohlraumvolumen der Dialysemembran ca 15 cm3. Das Deckelteil wird zum Einsetzen
weit geöffnet, um die Manschette gelegt und in die Winkelführung fest eingedrückt.