DE2342072B2 - Portable artificial kidney - Google Patents

Portable artificial kidney

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Description

4040

Die Erfindung betrifft eine tragbare künstliche Niere, mit einer Diafiltrations-Einheit und einer Gegenosmose-Einheit mit semipermeablen Membranen in Form von Kapillaren.The invention relates to a portable artificial kidney with a diafiltration unit and a counterosmosis unit with semipermeable membranes in the form of capillaries.

Für den Einsatz in der Diafiltrations-Einheit und der Gegenosmose-Einheit werden die Kapillaren zu Bündeln zusammengefaßt. Die Diafiltration ist eine Ultrafiltration mit Nachschicken von Lösungs- und Dispersionsmitteln. For use in the diafiltration unit and the counter-osmosis unit, the capillaries become bundles summarized. Diafiltration is an ultrafiltration with the forwarding of solvents and dispersants.

Die bisher bekannten künstlichen Nieren sind große und teure Geräte, die nur in der Klinik eingesetzt werden. Sie arbeiten nach dem Prinzip der Dialyse und entfernen höhermolekulare Giftstoffe nur unvollkommen aus dem Blut. Der Patient muß zu jeder Blutwäsche die Klinik aufsuchen. In den Zwischenzeiten konzentrieren sich die Schadstoffe im Blut jedesmal in gefährlich hohem Maße.The artificial kidneys known so far are large and expensive devices that are only used in clinics. They work on the principle of dialysis and only incompletely remove high molecular weight toxins from the blood. The patient must go to the clinic for every blood wash. Concentrate in the meantime the pollutants in the blood each time to a dangerously high level.

Es besteht deshalb schon seit einiger Zeit das Bestreben, künstliche Nieren zu entwickeln, die wirksamer, kleiner und billiger sind.For some time now, efforts have been made to develop artificial kidneys that are more effective, are smaller and cheaper.

Bei einem Gerät, dem »Hollow Fiber Dialyser« der Dow Chemical Company, USA, wurde versucht, unter Beibehaltung des herkömmlichen Prinzips der Hämodialyse den Dialysator möglichst einfach und billig herzustellen. Das Gerät ist beschrieben von L i ρ ρ s, B. H., S t e w a r d. R. D.. P e r k i η s, H. Α., H ο I m e s. G. W., M c L a i n. E A. R ο 1 e s. M. R. und Oj a, P. D. unter dem Titel- »The hollow fiber artificial kidney« in Trans. Amer Soc. Artif. Intern. Organs. 13,200 (1967).In one device, the "Holofiber Dialyser" from Dow Chemical Company, USA, attempts were made to use Maintaining the conventional principle of hemodialysis to manufacture the dialyzer as simply and cheaply as possible. The device is described by L i ρ ρ s, B. H., S t e w a r d. R. D .. P e r k i η s, H. Α., H ο I m e s. G. W., M c L a i n. E A. R ο 1 e s. M. R. and Oj a, P. D. under the title- "The hollow fiber artificial kidney" in Trans. Amer Soc. Artif. Intern. Organ. 13,200 (1967).

Wie bei den bisherigen künstlichen Nieren können aber auch damit die höhermolekularen Schadstoffe nur unzureichend aus dem Blut entfernt werden.As with the previous artificial kidneys, the higher molecular weight pollutants can only use it insufficiently removed from the blood.

Bei einer anderen Arbeitsweise wird das Blut nach dem Prinzip der Diafiltration unter geringem Druck durch eine semipermeable Membran gedrückt. Dabei durchdringen alle Stoffe bis zu einem Molekulargewicht von etwa bis 10 000 die Membran, wahrend das Plasma zurückgehalten wird. Damit können zwar höhermolekulare Giftstoffe aus dem Blut entfernt werden das Verfahren hat aber den Nachteil, daß laufend große Mengen pyrogenfreier Flüssigkeit benötigt werden um die durch die Diafiltration aus dem Blut entfernte Flüssigkeit zu ersetzen. Das Verfahren wird beschrieben von H e η d e r s ο η et al. (Trans. Amer. Soc. of Artif Int. Organs, 13. 216 (1967; Bixler et al. rrrans Amer. Soc. of Artif. Int. Organs, 14. 99 (1968); und H a m i 11 ο η et al. (Trans. Amer. Soc. Artif. Int. Organ* 17.259(1971).Another way of working is to use the principle of diafiltration under low pressure pressed through a semipermeable membrane. All substances up to a molecular weight penetrate from about 10,000 to 10,000 the membrane while the plasma is retained. With that you can Higher molecular weight toxins are removed from the blood but the process has the disadvantage that it is ongoing Large amounts of pyrogen-free fluid are required to remove the fluid removed from the blood by diafiltration Replace liquid. The method is described by H e η d e r s o η et al. (Trans. Amer. Soc. of Artif Int. Organs, 13. 216 (1967; Bixler et al. rrrans Amer. Soc. of Artif. Int. Organs, 14.99 (1968); and H a m i 11 ο η et al. (Trans. Amer. Soc. Artif. Int. Organ * 17,259 (1971).

Das gilt auch für die in der US-PS 35 79 441 beschriebene Arbeitsweise einer Vorrichtung für die Blutreinigung, mit der zunächst eine Ultrafiltration des Blutes mit Hilfe von Flächenmembranen oder röhrenförmigen, unter anderem auch von kapillaren Membranen durchgeführt und dann das aus dem Blut mitentfernte Wasser einer zweiten Filtration und einer Elektrodialy se unterworfen wird.This also applies to those in the US-PS-described operation 35 79 441 a device for blood purification, f with the first ultrafiltration of the blood with Hil e of surface membranes or tubular, among others, of capillary membranes carried out and then from the blood removed water is subjected to a second filtration and electrodialysis.

Der vorliegenden Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, eine künstliche Niere zu schaffen, die die Schadstoffe aus dem Blut besonders wirksam und voll ständig entfernt und deren Konstruktion vereinfacht werden soll. Das Gerät soll den Vorteil haben, daß es so kompakt und leicht ist, daß der Patient es ständig mit sich führen kann.The present invention is based on the object To create an artificial kidney that removes the pollutants from the blood particularly effectively and fully constantly removed and whose construction is to be simplified. The device should have the advantage that it so compact and light that the patient can carry it with him at all times.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei der tragbaren künstlichen Niere mit einer Diafiltrations-Einheit und einer Gegenosmose-Einheit mit semipermeablen Membranen in Form von Kapillaren die semipermeablen Membranen dieser Filtrationseinheiten einen asymmetrischen Aufbau in der Form haben, daß sich ihre semipermeable kompakte Schicht an der Innenseite der Kapillaren befindet und daß die Außenseite eine poröse Struktur hat, die als Stützmaterial dient.This object is achieved according to the invention in that the portable artificial kidney with a Diafiltration unit and a counter-osmosis unit with semipermeable membranes in the form of capillaries the semipermeable membranes of these filtration units have an asymmetrical structure have that their semipermeable compact layer is on the inside of the capillaries and that the Outside has a porous structure that serves as a support material.

Die asymmetrischen Membrankapillaren werden aus geeigneten sterilisierbaren Polymeren hergestellt, wie sie auch für die herkömmlichen Membranen verwendet werden, z. B. aus Celluloseestern, wie Celluloseacetat, oder aliphatischen oder aromatischen Polyamiden oder Polyimiden. Besonders gut eignen sich asymmetrische Membrankapillaren aus steriiisierbaren Polyamiden und Polyimiden.The asymmetrical membrane capillaries are made of suitable sterilizable polymers, such as they can also be used for the conventional membranes, e.g. B. from cellulose esters, such as cellulose acetate, or aliphatic or aromatic polyamides or polyimides. Asymmetrical ones are particularly suitable Membrane capillaries made of sterile polyamides and polyimides.

Als asymmetrische Membrankapillaren für die Diafil trations-Einheiten werden zweckmäßigerweise Porenmembranen mit einer molekularen Trenngrenze von etwa 15 000 verwendet, während die asymmetrischen Kapillarmembranen für die Gegenosmose-Einheit vorteilhafterweise Membranen mit einem Rückhaltevermögen für Harnstoff von etwa 90% sind. Diese Membrankapillaren bewirken eine fast quantitative Trennung von Harnstoff und Wasser. Sie können, ebenso wie die Membrankapillaren für die Diafütrations-Einheit, als Kapillaren von etwa 0,08 cm Durchmesser ausgebildet sein.Pore membranes are expediently used as asymmetrical membrane capillaries for the Diafil trations units with a molecular cut-off of about 15,000 are used, while the asymmetric Capillary membranes for the counter osmosis unit advantageously membranes with a retention capacity for urea are about 90%. These membrane capillaries cause an almost quantitative separation of urea and water. You can, like the membrane capillaries for the diaphragm unit, be designed as capillaries about 0.08 cm in diameter.

Asymmetrische Membranen in Form von KapillarenAsymmetrical membranes in the form of capillaries

dieser Art werden aus der Lösung eines für die Herstellung von semipermeable.n Membranen geeigneten Polymeren in einem für das betreffende Polymere geeigneten Lösungsmittel durch eine Fällungsreaktion in der Weise hergestellt, daß man die Polyn Erlösung durch eine aus einer Doppelkapillare bestehenden Spinndüse so extrudiert, daß man an der Außenseite der Doppelkapillaren die Polymerlösung und in deren Innern üas Fällungsmittel herabfließen läßt, wodurch man am Ausgang der Düse das Fällungsmittel mit der Polymerlösung in Kontakt bringt und so die semipermeable Membranschicht in der gebildeten Kapillare von innen nach außen fällt.of this kind are made from the solution one for the production of semipermeable.n membranes suitable polymers in one suitable for the polymer in question Solvent produced by a precipitation reaction in such a way that one can redeem the Polyn through a spinneret consisting of a double capillary so extruded that one on the outside of the double capillaries the polymer solution and inside the precipitant can flow down, which leads to the exit the nozzle brings the precipitant into contact with the polymer solution and thus the semipermeable Membrane layer in the capillary formed falls from the inside to the outside.

Die Kapillaren werden für die Verwendung in der Diafiltrations-Einheit und der Gegenosmose-Einheit zu Bündeln von mehreren Tausend in einer Filtrationseinheit i.usarnmengefaßt. Bei einer Blutmenge von etwa 25 Litern pro Tag wird eine Membranfläche von etwa 5000 cm2 benötigt. Diese Fläche ergibt eine Diafiltrations-Einheit mit einem Volumen von etwa 0,5 Liter. Dasselbe Volumen nimmt auch die Gegenosmose-Einheil ein. Rechnet man die für das Gerät erforderlichen Pumpen, Monitorsysteme und Durchflußmesser hinzu, die einen Raumbedarf von vielleicht 2 Litern haben, so ergibt sich für die künstliche Niere gemäß der Erlindung ein Gesamtraum von etwa 3 Litern.The capillaries are combined into bundles of several thousand in one filtration unit for use in the diafiltration unit and the counter-osmosis unit. With a blood volume of around 25 liters per day, a membrane area of around 5000 cm 2 is required. This area gives a diafiltration unit with a volume of about 0.5 liters. The counter-osmosis unit also occupies the same volume. If one adds the pumps, monitor systems and flow meters required for the device, which have a space requirement of perhaps 2 liters, the total space for the artificial kidney according to the invention is about 3 liters.

Durch die erfindungsgemäße Kombination von Diafiltration und Gegenosmose unter Verwendung von asymmetrischen Membranen in Form von Bündeln von Kapillaren ist es nunmehr möglich geworden, eine künstliche Niere in einer so kompakten und leichten Bauweise preiswert herzustellen, daß, abgesehen von besonders schweren Fällen, eine stationäre Hämodialyse nicht mehr erforderlich ist. Der Patient kann die Blutreinigung zu Hause oder sogar am Arbeitsplatz ausführen. Ein weitgehend kontinuierlicher Betrieb verhindert eine schädliche Konzentration der Giftstoffe in den Behandlungszwischenräumen. Vor allem werden durch den verhältnismäßig geringen Anschaffungspreis und die unkomplizierte Handhabung des Geräts die Kosten für die laufende Behandlung erheblich verringert. The inventive combination of diafiltration and counterosmosis using asymmetrical membranes in the form of bundles of capillaries it has now become possible a to manufacture artificial kidney inexpensively in such a compact and lightweight construction that, apart from in particularly severe cases, inpatient hemodialysis is no longer required. The patient can do the Perform blood purification at home or even at work. A largely continuous operation is prevented a harmful concentration of toxins in the treatment spaces. Most of all be due to the relatively low purchase price and the uncomplicated handling of the device the Ongoing treatment costs are significantly reduced.

Ein Ausführungsbeispie! der Erfindung wird an Hand einer Zeichnung erläutert:An implementation example! the invention is explained using a drawing:

Das zu reinigende Blut aus dem Kreislauf wird über eine Dosierpumpe 1 der Diafiltrations-Einheit 2 zugeführt, deren Membrankapillaren als Porenmembranen mit einer wirksamen Gesamtfläche von etwa 5000 cm2 und einer molekularen Trenngrenze von etwa 15 000 ausgebildet sind. Das Filtrat, welches alle Schadstoffe, gelöste Salze und Wasser enthält, wird mittels einer Hochdruckpumpe 3 zur Gegenosmose-Einheit 4 befördert, deren Membrankapillaren mit einer wirksamen Gesamtfläche von 5000 cm2 als Membranen mit einem Rückhaltevermögen für Harnstoff von etwa 90% ausgebildet und so gestaltet sind, daß sie praktisch alle gelösten Stoffe aus dem Filtrat entfernen, die dann als Urin über ein Ventil 5 in einen Behälter 6 abgeführt werden. Das Konzentrat aus der Diafiltrations-Einheit 2 wird über den Durchflußmesser 7 und das Regelventil 8 unter Zufuhrung einer physiologischen Salzlösung aus dem Behälter 9 mittels einer Dosierpumpe 10 mit dem aus der Gegenosmose-Einheit 4 über Durchflußmesser 11 und Regelventil 12 kommenden Filtrat an der Stelle 13 vereinigt, und die vereinigten Filtrate werden dann über den Blasenfänger 14 in den Blutkreislauf zurückgeführt. The blood to be cleaned from the circulation is fed via a metering pump 1 to the diafiltration unit 2, the membrane capillaries of which are designed as pore membranes with an effective total area of about 5000 cm 2 and a molecular separation limit of about 15,000. The filtrate, which contains all pollutants, dissolved salts and water, is conveyed to the counter-osmosis unit 4 by means of a high-pressure pump 3, the membrane capillaries of which have an effective total area of 5000 cm 2 and are designed as membranes with a retention capacity for urea of about 90% are that they remove practically all dissolved substances from the filtrate, which are then discharged as urine via a valve 5 into a container 6. The concentrate from the diafiltration unit 2 is fed via the flow meter 7 and the control valve 8 with the supply of a physiological salt solution from the container 9 by means of a metering pump 10 with the filtrate coming from the counter-osmosis unit 4 via the flow meter 11 and the control valve 12 at the point 13 combined, and the combined filtrates are then returned to the bloodstream via the bubble trap 14.

Das Bezugszeichen 15 stellt schematisch die zentrale Steuervorrichtung dar, und die gestrichelten Linien stehen für die Stromzuleitungen zu den einzelnen elektrisch gesteuerten und angetriebenen Vorrichtungen.Reference numeral 15 schematically represents the central control device, and the dashed lines stand for the power lines to the individual electrical controlled and powered devices.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Tragbare künstliche Niere mit einer Diafiltralions-Einheit und einer Gegenosmose-Einheit mit semipermeablen Membranen in Form von Kapillaren, dadurch gekennzeichnet, daß die semipermeablen Membranen dieser Filtrationseinheiten einen asymmetrischen Aufbau in der Form haben, daß sich ihre semipermeable kompakte Schicht ic an der Innenseite der Kapillaren befindet und daß die Außenseite eine poröse Struktur hat, die als Stützmaterial dient.1. Portable artificial kidney with a diafiltration device and a counter-osmosis unit with semipermeable membranes in the form of capillaries, characterized in that the semipermeable membranes of these filtration units have an asymmetrical structure in the form that their semipermeable compact layer ic located on the inside of the capillaries and that the outside has a porous structure, which as Support material is used. 2. Tragbare künstliche Niere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die asymmetrischen Membrankapillaren in der Diafiltrations-Einheit und in der Gegenosmose-Einheit jeweils zu bündeln von einer Vielzahl von einzelnen Kapillaren zusammengefaßt sind.2. Portable artificial kidney according to claim 1, characterized in that the asymmetrical To bundle membrane capillaries in the diafiltration unit and in the counter-osmosis unit are combined by a large number of individual capillaries. 3. Tragbare künstliche Niere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die asymmetrischen Membrankapillaren für die Diafiltrations-Einheit aus Porenmembranen mit einer molekularen Trenngrenze von etwa 15 000 und die asymmetrischen Membrankapillaren für die Gegenosmose· Einheit aus Membranen mit einem Rückhaltevermögen für Harnstoff von etwa 90% bestehen.3. Portable artificial kidney according to claim 1 or 2, characterized in that the asymmetrical Membrane capillaries for the diafiltration unit made of pore membranes with a molecular Separation limit of about 15,000 and the asymmetrical membrane capillaries for counterosmosis Unit consist of membranes with a retention capacity for urea of about 90%. 4. Tragbare künstliche Niere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Förderung einer Blutmenge von 25 Litern pro Tag eine Membranfläche von etwa 5000 cm2 je für die Diafiltrations-Einheit und für die Gegenosmose-Einheit in Form der zu Bündeln vereinigten asymmetrischen Membrankapillaren angeordnet ist.4. Portable artificial kidney according to one of claims 1 to 3, characterized in that a membrane area of about 5000 cm 2 each for the diafiltration unit and for the counter-osmosis unit in the form of bundles to promote an amount of blood of 25 liters per day united asymmetrical membrane capillaries is arranged. 5. Tragbare künstliche Niere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die asymmetrischen Membrankapillaren aus Polyamiden oder Polyimiden bestehen.5. Portable artificial kidney according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the asymmetrical membrane capillaries are made of polyamides or polyimides.
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