CN1238096C - 具有卷曲空心纤维的纤维透析器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及过滤装置，优选用于血液透析，共由圆筒形过滤器壳体和卷曲空心纤维束组成。所述纤维束设置在过滤器壳体中。按照本发明，所述卷曲空心纤维设置有基本为正弦的结构，且波长由一定的限制来限定。本发明还涉及卷曲空心纤维和填充空心纤维渗析器的方法。

Description

具有卷曲空心纤维的纤维透析器

本发明涉及按照权利要求1前序部分的过滤装置，优选为用于血液透析作用的空心纤维透析器。

通用设计的空心纤维透析器具有在圆筒形过滤器壳体中设置的圆筒形纤维束。血液流经所述纤维的内部，透析液在纤维与过滤器壳体之间的区域中以与血液逆流的方式流动。透析器的任务是经空心纤维壁进行物质交换。所述血液通常以均匀的速度在所有纤维内流动。为实现最佳的交换效果，所述透析液应恒定地在空心纤维外部进行交换。以这种方式，保证了纤维内部与外部之间持久的高浓度差，从而作为物质扩散交换的驱动力。

在通用设计的透析器中，透析液的流入和流出连接有纤维束外部设置的纤维。这是初始不能保证在纤维束内所有纤维的流过相同数量的透析液的原因。如在透析液区域中的透析液采用层流，则理论上全部透析液可在纤维束与壳体之间流过，没有透析液进入所述纤维束内部。在这种方式中由空心纤维束所提供的交换表面没有被采用。在这种情况下，透析液在由进口沿相对于透析器呈轴向方向的所述纤维至出口的阻力最小的路径流过。

由DE2851687C2公知，为改进流过空心纤维外部的流体对空心纤维束的穿透作用而将空心纤维设计为卷曲或波纹形。

由US3616928还公知一种具有波纹形空心纤维束的物质交换装置。

在EP314581B1中叙述了一种充氧器，其在圆筒形壳体中具有也为波纹形的空心纤维膜束。

在公知透析器中使用波长为约28mm的波纹形或卷曲纤维。现有技术的波纹形或卷曲空心纤维通常独立于透析器的几何条件来使用。

为增加透析器的性能，现有的解决方案中，将其它纤维添加到所述束中的透析纤维中。

其它的解决方案是要用细丝缠绕或捆扎小的透析纤维束，并将这些小纤维束组合成大的束。这应能够通过流经空心纤维的流体来改进空心纤维束的通流(Durchstrmung)，在透析器的情况下所述流体即为透析液。

本发明的任务是提供一种通用的过滤装置，如空心纤维透析器，其中通过在空心纤维外部流动的流体使纤维束尽可能均匀地流过，从而使物质的交换最佳化。

按照本发明，这一任务，由基于通用的过滤装置来解决，所述过滤装置包括圆筒形过滤器壳体，且其中设置有卷曲空心纤维束，所述空心纤维具有基本为正弦的结构，并按照如下几何规律来进行卷曲：

$5\&CenterDot;d<\mathrm{\&lambda;}<\frac{L}{12}\&CenterDot;\frac{1}{1+2\frac{D}{L}}----\left(1\right),$

其中λ表示卷曲空心纤维的波长，d表示空心纤维的外部直径，L表示空心纤维的有效长度，D表示纤维束的直径。

空心纤维束的单个空心纤维的卷曲的几何基定义使得相对于进入纤维束内部的流动阻力来说增加了轴向即沿纤维方向的流动阻力。进入纤维束内部的流动阻力值通常甚至是绝对地减少的。这使得增加了流经纤维束内部的透析液的比例，并更好地利用了置于内部的空心纤维。与长波卷曲纤维或完全无卷曲的纤维相对比，这增加了物质交换的性能。流经空心纤维的流体产生湍流以及由此达到的流体分布应是这一目的得以如此实现的原因。本发明是基于如下的知识，即，在纤维束外部流动的流体支流(Flüssigkeitsteilstroms)与流经所述纤维束的流体支流的比值取决于纤维束直径与其所采用的长度的比值以及在轴向方向上(沿纤维)和径向方向上(与纤维束中心方向上的纤维呈横向)的流动阻力。

除波长λ外，在空心纤维卷曲的有效性中，振幅a也起到附加的作用。因而，按照本发明的优选实施方案，空心纤维具有按照如下方程式的基本为正弦卷曲的如下振幅a：

$\frac{d}{5}<a<\frac{\mathrm{\&lambda;}}{5}----\left(2\right).$

如a低于d/5的数值，对于使必需数量的透析液进入纤维束内部来说，两邻接数值之间的距离(波腹(Wellenbauch))变的过小。然而，如选择a＞λ/5，则由于在预定透析器壳体中纤维束可能的堆积密度减小而使透析器失去其有效性。

按照本发明的特别的实施方案，所述空心纤维的卷曲可具有按照如下通式的三维取向：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}\left(z\right)=\left(\begin{array}{cc}a\&CenterDot;\sin (\frac{2\mathrm{\&pi;z}}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;u)& \&CenterDot;\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;z}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)\\ a\&CenterDot;\cos (\frac{2\mathrm{\&pi;z}}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;u)& \&CenterDot;\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;z}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)\\ & z\end{array}\right)----\left(3\right),$

其中：0.05＜u＜0.14，且其中 x(z)表示坐标原点与空心纤维的空间位置之间的沿z轴延伸的空间向量，和u表示每波长λ的旋转数量。

对应于上述的方程式，空心纤维的卷曲以环形来旋转。这意味着起于z轴并且终点在纤维的振幅的数学向量穿过距离λ内的一定角度区。这产生了类似于螺旋的三维结构。在两维结构中可发生所有纤维“翻转(umfallen)”，从而形成各向异性的结构，使得透析液向纤维束的穿透作用取决于方向，而三维卷曲纤维束是各向同性的，保证透析液由所有边向纤维束的内部的穿透作用是均匀的。

优选，在圆筒形过滤器壳体中纤维的配置率(Faserbelegung)可为60.5％至70％，更优选为60.5％至67.5％。通过在空心纤维束端部区域中灌浆密封可实现这些堆积密度的密集堆积。

特别优选的是，在圆筒形过滤器壳体中纤维的配置率可为63.5％至65.5％。所述纤维的配置率由在过滤器壳体中所述纤维占据的横断面面积与可利用的横断面面积之比的百分数来计算。可利用的横断面面积是横断面面积的0.907倍。这一数值由最大堆积密度(六角排布)来计算，其应对应于100％配置率。上述配置率信息可特别使用创造性的空心纤维尺寸来实现，同时保证聚氨酯物质均匀地穿透纤维束，所述纤维束与前述相似地进行灌浆，在透析中透析液均匀地进入纤维束的内部。特别是通过聚氨酯物质的均匀的穿透作用，所述聚氨酯物质随后固化并如此牢固地固定在纤维束的两端，可实现纤维束的同时配置，因而实现前述的高堆积密度。

如果在纤维束中使用至少10％的三维卷曲纤维，则通过使延长的平直与三维卷曲纤维相结合，也实现了创造性的效果。

本发明是基于卷曲空心纤维，其可呈纤维束的形态用于可为不同直径D的空心纤维透析器中，所述直径D为由最小直径D_MIN至高达最大直径D_MAX。在这种情况下，如可行，应提供可用于不同直径空心纤维透析器的最佳的空心纤维形状。用于不同直径的过滤器壳体中的卷曲空心纤维由如下方程式来计算：

$5\&CenterDot;d<\mathrm{\&lambda;}<\frac{L}{12}$ $\frac{1}{1+2\frac{\mathrm{DMax}}{L}}----\left(4\right),$

其中λ表示卷曲空心纤维的波长，d表示空心纤维的直径，L表示空心纤维的有效长度，D_MAX表示用于具有最大内径的过滤器壳体的纤维束的直径。

空心纤维的举例性实施方案由90至99wt％的憎水性第一聚合物和10至1wt％的亲水性第二聚合物组成，其中所述憎水性第一聚合物选自如下组：聚芳基砜(Polyarylsulfone)、聚碳酸酯、聚酰胺、聚氯乙烯、改性丙烯酸、聚醚、聚氨酯、或它们的共聚物，而所述亲水性第二聚合物选自如下组：聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙二醇单酯、聚乙二醇与聚丙二醇的共聚物、纤维素或聚山梨酸酯(Polysorbate)的水可溶衍生物。在EP0168783A1中已详细地叙述了这种微孔空心纤维，其还包括这一实施例的其它细节。

关于空心纤维的组成和形态的其它举例性实施方案可见于EP0305787A1中，以及出版的申请DE2145183中。我们明确引用这些申请的公开内容。

本发明还基于一种填充发明的过滤装置的方法，所述装置特别是空心纤维透析器，其中在开始填充操作时在外部空间即在环绕空心纤维的空间中存在的空气通过由过滤器壳体顶部导向底部的流体体积流动所置换。用于填充过滤器壳体的流体体积流动优选约为500ml/分钟。意外的是，已发现，通过上述的独创的空心纤维透析器可使两个流体室均充满，而无需将透析器旋转180°。

按照现有技术，其中纤维束的构造不如本发明可实现的那样均匀和密集堆积，对于所述系统的无空气填充来说，所述系统需要在垂直过滤器位置上从底部至顶部填充。当透析流体泵、和血泵彼此反向排料时，按照现有技术用透析液对各室的填充必需发生在透析器侧，或用等中子素(isotone)盐溶液连续在血侧进行，从而在进行第二步骤之前过滤器必需旋转180°。对于新过滤器来说，填充操作的这种程序步骤不再是必须的。透析液空间可从顶部至底部来填充。所述填充可同时伴随在血侧进行的填充，而无需旋转所述透析器。

最后，本发明涉及前述独创性过滤装置用于通过从顶部至底部经过滤器壳体的流体体积流动来填充过滤器壳体的用途。这种独创性过滤装置的用途使得能够快速、并特别是无空气地填充所述系统。更高的填充速度是由透析器的两个流体室，即在透析器侧的室和在血液侧的室可同时填充、无需旋转所述过滤装置的这一事实所致。

本发明的其它细节通过附图所示的举例性实施方案来解释。

附图中：

图1：经过空心纤维束的纵向断面或横断面图，和

图2：本发明单个空心纤维的几何形状图。

图1所示为有效长度为L且直径为D的微卷曲空心纤维束。其以公知和通常的方式设置在过滤器壳体中，所述过滤器壳体未详细图示。过滤装置的结构是广为公知的，因而不详细进行解释。通常，公知现有过滤装置，如空心纤维透析器包括管形壳体，所述壳体容纳所述空心纤维束，从而空心纤维束的端部通过填料(Verguβmasse)连接在管形壳体的端部上。在这种过滤装置中，所述壳体以受限制的方式设置为通过径向连接物与所述填料连接，所述径向连接物构成第二流动区的进口和出口。对于由填料封闭的空心纤维束的毛细管的开口，它们在其端部拼接。

然后在管形夹套的端部放置密封帽，所述夹套设置有连接物，其构成第一流动区的进口和出口。

参照DE19857850和EP-A-0844015的公开内容。

按照本发明，由空心纤维膜产生尽可能正弦的结构，其中周期性结构的波长λ与空心纤维的外径d(对比图2)、以及纤维束的有效纤维长度L和束直径D(对比图1)紧密相关。本发明最佳λ在如下范围内：

$5\&CenterDot;d<\mathrm{\&lambda;}<\frac{L}{12}\&CenterDot;\frac{1}{1+2\frac{D}{L}}----\left(1\right),$

按照方程式1，不适宜于选择小于纤维外径d五倍的波长(图2)。这可通过波长小于5d则在空心纤维中不再能产生能够使透析液进入纤维内部的波腹的事实来解释。波长λ通过增加性能的有效性来限制在上限范围内。意外发现，每纤维长度L存在12波长对于“薄透析膜”是足够的，即，在通常的纤维直径中，直径与长度比值D/L＜0.14。在具有不利直径与长度比值即D/L的“较厚透析膜”的情况下，在相同的波长λ下透析液变得更难以达到纤维束的中心。为对此进行补偿，在方程式中考虑了通过因子1/(1+2D/L)计算最大波长的几何形状。

如果对于要使用的空心纤维的所有透析液尺寸使用相同的波长λ，则方程式(1)D必须由最大直径D_MAX所替换。这里，其实现了对纤维束穿透作用的保证，甚至对不利的直径与长度条件也同样，特别是当透析液流经相对窄的透析器时。

对于直径d＝0.28mm的透析纤维，且具有最大的厚度的透析膜，其有效长度L＝225mm，最大内径D_MAX＝48mm，则波长范围为：

1.4mm＜λ＜13.1mm

在实际应用中，如下范围的波长数值证实是特别有效的：

4mm＜λ＜12mm。

除波长λ外，在微卷曲的有效性中振幅也起到主要作用。振幅a(对比图2)应在如下范围内：

$\frac{d}{5}<a<\frac{\mathrm{\&lambda;}}{5}----\left(2\right).$

如a数值小于d/5，则两邻接波之间的空间变得太小以至于不能够向纤维束的内部提供所需数量的透析液。

然而，如a选择为大于λ/5，堆积密度相对较小，这导致物质交换的有效性降低。

通过所谓的微卷曲，保证了透析液在沿空心纤维的各处经波腹提供到空心纤维的内部，且沿空心纤维的流动总是同时改变方向和减速。以这种方式，沿交换表面可出现最佳的物质交换。

通过使用呈紧密堆积纤维束形状中具有前述微卷曲的空心纤维、尤其是对应于前面讨论的堆积密度来作为过滤装置可产生特别的益处，在所述装置中这种空心纤维堆积更易于填充。这里，两个流体室即在透析液侧的室以及在血液侧的室，可同时填充，并且特别是无空气状态。这导致与现有技术相反的决定性的优点，在现有技术中，透析流体室和在血液侧的室必须连续填充，其中过滤装置还需要旋转180度来进行无空气填充。这起因于复杂的操作程序，而对于在本发明的过滤装置中使用本发明的微卷曲空心纤维来说其不再是必须的。

Claims (5)

1.用于血液透析的空心纤维透析器，所述空心纤维透析器由圆筒形过滤器壳体和其中设置的卷曲空心纤维束组成，所述空心纤维由90至99wt％的憎水性第一聚合物和10至1wt％的亲水性第二聚合物组成，其中所述憎水性第一聚合物选自如下组：聚芳基砜、聚碳酸酯、聚酰胺、聚氯乙烯、改性丙烯酸、聚醚、聚氨酯或它们的共聚物，而所述亲水性第二聚合物选自如下组：聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙二醇单酯、聚乙二醇与聚丙二醇的共聚物、纤维素或聚山梨酸酯的水可溶衍生物，所述空心纤维具有基本为正弦结构，并按照如下几何构型来进行卷曲：

$s\&CenterDot;d<\mathrm{\&lambda;}<\frac{L}{12}\&CenterDot;\frac{1}{1+2\frac{D}{L}}---\left(1\right),$

$\frac{d}{5}<a<\frac{\mathrm{\&lambda;}}{5}---\left(2\right),$

其中λ表示卷曲空心纤维的波长，d表示空心纤维的外直径，L表示空心纤维的有效长度，D表示纤维束的直径和a表示所述结构的振幅，

其中，在圆筒形过滤器壳体中纤维的配置率可为60.5％至70％。

2.如权利要求1的空心纤维透析器，其特征在于所述空心纤维的卷曲具有按照如下通式的三维取向：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}\left(z\right)=\left(\begin{array}{c}a\&CenterDot;\sin (\frac{2\mathrm{\&pi;z}}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;u)\&CenterDot;\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;z}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)\\ a\&CenterDot;\cos (\frac{2\mathrm{\&pi;z}}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;u)\&CenterDot;\underset{z}{\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;z}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}\\ \end{array}\right)---\left(3\right),$

其中：

0.05＜u＜0.14，且其中x(z)表示坐标原点与空心纤维的空间位置之间的沿z轴延伸的空间向量，和u表示每波长λ的旋转数量。

3.如权利要求1至2之一的空心纤维透析器，其特征在于在圆筒形过滤器壳体中纤维的配置率可为60.5％至67.5％。

4.如权利要求1至3之一的空心纤维透析器，其特征在于在圆筒形过滤器壳体中纤维的配置率可为63.5％至65.5％。

5.如权利要求1至4之一的空心纤维透析器，其特征在于至少10％的空心纤维为三维卷曲空心纤维。

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