DE2757673A1 - Kapillarmembranen zur anwendung bei der diafiltration - Google Patents
Kapillarmembranen zur anwendung bei der diafiltrationInfo
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Description
Wiesbaden
lterstator HSfct 22 Τ·). M 2f 47
JENAer GLASWERK SCHOTT & GEN.
Hattenbergstraße 6500 Mainz
P
99-9826/0324
-y- 3-
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von modifizierten porösen Glasmembranen in Form von Kapillaren
bei der Diafiltration, insbesondere zur Anwendung als künst-1iche
Niere.
Unter der Diafiltration versteht man ein Membranverfahren, das
zur schnellen und schonenden Abtrennung oder Aufkonzentrierung niedermolekularer Substanzen von hühermolekularen 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
Konzentrationsgefälle wirkt.
Die Vorteile der Diafiltration liegen in der besseren Prozeßführung
und in der definierteren Abtrennung von Molekülen. Bisher werden für die Diafiltration im wesentlichen Polymermembranen
aus unterschiedlichen Kunststoffen eingesetzt. Diese
Membranen weisen trotz guter Funktionsfähigkeit erhebliche
Nachteile auf. Einer der wesentlichsten 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 Restistenz
lassen sich insbesondere bei asymmetrischen Membranen Reinigungsverfahren
durch Rückspülung, bei denen organische Lösungsmittel oder auch anorganische Säuren bzw. Basen benutzt werden, nicht
durchführen.
9*9826/0324
./.If.
Für die medizinische Anwendung als Membran für Körperflüssigkeiten
ist die Bauform ein mitentscheidender Faktor. Flachmembranen aus Kunststoff benötigen, auf eine bestimmte Membranaustauschflasche
bezogen, ein größeres Volumen als Kapillaren. Verbunden ist dieses größere Bauvolumen meist mit größerem
Hohlraumvolumen (Totvolumen), 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 sind Diafiltrationsmembranen,
mit denen diese limitierenden Faktoren umgangen werden, so daß
die verfahrenstechnischen Anwendungsmöglichkeiten voll genutzt
werden können.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel mit einem Diafiltrator erreicht,
welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß in ihm als Grundkörper chemisch modifizierte Kapillarmembranen aus anorganischem
Material in kleinstmöglichem Bauvolumen zusammengefaßt
sind.
Im folgenden soll die Erfindung näher beschrieben und an Beispielen
erläutert werden.
Als Grundkörper wird poröses Glas, wie es beispielsweise in
der DT-AS 2k 5k 111 beschrieben ist, in Form von Kapillaren verwendet.
Dieses Glas hat eine enge Porenverteilung, so daß die
Trenngrenze innerhalb eines Porendurchmesserbereichs von 30 bis 1000 A definiert eingestellt werden kann.
989826/032*
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 .um bis 200 .um.
Dieser Grundkörper aus im wesentlichen Siliziumdioxid hat an
der spezifischen Oberfläche reaktive Silanolgruppen (Dichte:
ca. 5,5 OH/100 8 ). 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 funktionelIe Gruppen tragen, bie
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 reslstenten
Grundkörper als Matrix, durch den Druckstabilität (bis 100 bar), Temperaturstabilität (bis 5000C), Strukturstabilität (keine
Änderung der Porosität bei Verwendung von unterschiedlichen
organischen Lösungsmitteln oder unterschiedlichem pH, kein Quellen
oder Schrumpfen) und Formgebung (Kapillarform) erreicht werden.
9*9826/032*
/C-
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 Membranoberflächen pro Volumeneinheit (Volumenausfüllung bis zu
90 %).
Eine der möglichen Bauformen ist in Figur 1 dargestellt. Figur 2 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die in Figur 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 h 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, verläßt die Ausgangs lösung, die an den durch die Membran ausgetauschten
Stoffe verarmt ist, den Diafi1trator.
Geeignete Kappen 10 verbinden die Verteilungskanäle 2 mit dem
Modul gehäuse 7·
Eine spezielle Anwendungsmöglichkeit besteht durch den Einsatz
derartiger Diafiltrationsgeräte für die Entfernung von Abbauprodukten
des Körpers anstelle der natürlichen Niere.
9&9826/032A
Problematisch ist bisher der Einsatz von Oialysegeräten
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 Diafiltrator sicher abgetrennt werden. Solche Moleküle treten besonders
im Plasma urämischer Patienten auf. Spezielle Oberflachenmodifizierungen
der Membranen verhindern eine Aktivierung der Blutgerinnung, wie sie an unbehandelten Glasoberflächen sofort
eintritt.
Vom wirtschaft]ichen Gesichtspunkt einer Krankenbehandlung ist die
Wiederverwendbarkeit der kunstlichen Niere ein wesentlicher Vorteil.
Die Oberfläche wird durch Spulen mit beispielsweise alkoholischer Salzsäure oder Natriumdecylsulfatlösung 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.
Aktive Länge: 3,k cm
Kapillaranzahl: 50
Oberfläche: 80,8 cm2
Kapillaranzahl: 50
Oberfläche: 80,8 cm2
und einer chemischen Modifizierung zu endständigen alkoholischen
-OH-Gruppen wurde mit Blutkonserve getestet. Die Analyse des
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und mittelmolekularen Substanzen festgestellt wurden. Die
2 hydraulische Permeabilität lag bei 9 ml/m h mm Hg.
Aktive Länge: 8,8 cm
Kapillaranzahl: 100
Oberfläche: 151,2 cm2.
Kapillaranzahl: 100
Oberfläche: 151,2 cm2.
Die chemische Modifizierung führte zu einer endständigen
-N0_-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 insgesamt 960 h ergab.
Die modulspezifisehen Werte (Rückhaltevermögen, Permeabilität)
blieben konstant und lagen im Rückhaltevermögen wie bei
2
10 ml/m h mm Hg. Dieser Modul stellt einen wiederverwendbaren
10 ml/m h mm Hg. Dieser Modul stellt einen wiederverwendbaren
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Claims (3)
1. Vorrichtung zur Diafiltration, dadurch gekennzeichnet,
daß sie im wesentlichen aus Kapillarmembranen aus einem
anorganischen Material besteht, welches in an sich bekannter Weise chemisch modifiziert ist, wobei diese
Kapillaren in dieser Vorrichtung zu einem kleinstmoglichen
Bauvolumen zusammengefaßt sind.
2. Diafiltrationseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß dieses anorganische Material mit chemisch modifizierter Oberflache poröses Glas ist.
3. Diafiltrationseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die zur Modifizierung verwendeten
Moleküle mit an den Anwendungsfall angepaßten funktionell en
Gruppen, wie beispielsweise -CH_, -CN, -OH, -SO H, -NH2,
-IpRy -NO2, -COOR, -C^Jj , -COOH, -SH, -NO, -NC versehen
sind.
999826/0324
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