DD243643A5 - Dialysemembran aus modifizierter cellulose mit verbesserter biokompatibilitaet - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Dialysemembran fuer die Haemodialyse in Form von Flachfolien, Schlauchfolien oder Hohlfaeden, aus durch Substituenten modifizierter Cellulose, bei der die Effekte der Komplement-Aktivierung und Leukopenie deutlich verringert sind. Der mittlere Substitutionsgrad der modifizierten Cellulose betraegt 0,02 bis 0,07. Die im Rahmen der Erfindung sich als erfolgreich herausgestellten Dialysemembranen enthalten modifizierte Cellulose, die eine durch die Formel CelluloseRXY wiedergegebene Struktur aufweist, wobeiX fuer NR und/oderund/oder S und/oder SO und/oder SO2 und/oder COO und/oder O und/oderY fuer R und/oder NR2 und/oder Si(OR)3 und/oder OR und/oder SO3H und/oder COOH und/oder PO3H2und/oderbzw. deren SalzeRfuer eine Alkylengruppe und/oder Cycloalkylengruppe und/oder Arylengruppe mit insgesamt 1 bis 25 C-AtomenRfuer ein Wasserstoffatom oder R undRfuer eine Alkylgruppe mit 1 bis 5 C-Atomen und/oder eine Cycloalkylgruppe und/oder Arylgruppe steht.
Description
Cellulose-R'-X-Y
wiedergegebene Struktur aufweist, wobei
X für-NR"-und/oder-NR2-und/oder-S-und/oder-SO-und/oder-SO2-und/oder-CO-O-
und/oder -O- und/oder -C-N- und/oder -P-O-
OR OR" .
Y für-Rund/oder-NR2und/oder-Si(OR")3und/oder-OR"und/oder-S03Hund/oder-COOHund/oder-P03H2und/oder -NHR2 bzw. deren Salze
R' für eine Alkylengruppe und/oder Cycloalkylengruppe und/oder Arylengruppe mit insgesamt 1 bis 25 C-Atomen R" füreinWasserstoffatomoderRund R für eine Alkylgruppe mit 1 bis 5 C-Atomen und/oder eine Cycloaikylgruppe und/oder Arylgruppe steht.
3. Dialysemembran nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die modifizierte Cellulose im Substituenten tertiäre Aminogruppen und/oder Carboxygruppen und/oder Sulfogruppen und/oder Phosphonatgruppen enthält.
4. Dialysemembran nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Substituent Dialkylaminoalkyl und/oder Carboxyalkyl und/oder Sulfoalkyl und/oder Sulfoaryl und/oder Phosphonatalkyl und/oder Phosphonataryl ist.
5. Dialysemembran nach einem der Punkte 1 bis 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Substituent Silicatopropyl ist.
6. Dialysemembran nach einem der Punkte 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Akikylgruppen im Substituenten Äthylgruppen und/oder Methylgruppen sind.
Hierzu 2 Seiten Tabellen
Die Erfindung betrifft eine Dialysemembran für die Hämodialyse in Form von Fiachfolien, Schlauchfolien oder Hohlfäden aus durch Substitution modifizierter Cellulose.
Dialysemembranen aus Cellulose für die Hämodialyse in Form von Flachfolien, Schlauchfolien oder Hohlfaden sind bereits seit längerem bekannt und werden nach wie vor bevorzugt in künstlichen Nieren eingesetzt. Einige Beschwerden verursachende Eigenschaften ließen sich jedoch noch nicht beseitigen.
So ist aus der DE-PS 2705735 eine Dialysemembran für die Hämodialyse, mit verminderter thrombogener Wirkung aus Cellulose, mit daran chemisch gebundenen antithrombogenen Verbindungen bekannt, wobei die Dialysemembran aus zwei oder mehreren Schichten einer aus Cuoxamcelluloselösungen regenerierten Cellulose besteht, die jeweils aus getrennt gespeisten Schlitzen einer Spinndüse erhalten worden sind, wobei die auf der Blutseite angeordnete Celluloseschicht ganz oder teilweise eine modifizierte Cellulose ist, die antithrombogene Wirkstoffe chemisch gebunden enthält.
Es ist aber auch schon in der DE-OS 1720087 beschrieben worden, daß das Polymermaterial der Membran mit einem Alkylhalogenid umgesetzt und danach das erhaltene Material mit einem Alkalisalz einer antithrombogenen Verbindung mit kationischen Rest (z.B. Heparin oder einer Heparinoidverbindung) umgesetzt wird, um die Gefahr der Gerinnung des Blutes zu verringern. Zu den möglichen Alkylhalogeniden werden dabei auch Halogenalkyldialkylamine gerechnet. Auch Cellulose, jedoch im wesentlichen Celluloseacetat, zählt zu den möglichen Polymeren.
Eine antithrombogene Wirkung dieser bekannten Diaiysemembranen wird nur beobachtet, wenn der Substitutionsgrad der modifizierten Cellulose hoch ist, d.h. größer als mindestens 0,1 und ir einem gesonderten Schritt eine Vorheparinisierung mit relativ hohen Heparinkonzentrationen (0,1 bis 1 Gew.-% Lösungen) durchgeführt wird.
Neben dem Umstand, daß Dialysemembranen aus synthetischen bzw. natürlichen Polymeren bei ihrem Einsatz in künstlichen Nieren sehr leicht eine Gerinnung des Blutes hervorrufen können, die durch entsprechende medikamentöse Behandlung weitgehend verhindert wird, tritt bei Dialysemembranen aus regenerierter Cellulose häufig ein weiteres Problem auf, das bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst wenden konnte und zwar war festgestellt worden, daß bei der Behandlung eines Nierenkranken mit Dialysatoren mit Cellulose-Membranen in der ersten Zeit der Dialysebehandlung ein vorübergehender Leukozytenabfall stattfinden kann. Dieser Effekt wird als Leukopenie bezeichnet.
Leukopenie ist eine Erniedrigung der Leukozytenzahl (weiße Blutkörper) im Blutkreislauf. Die Zahl der weißen Blutkörper beim Menschen beträgt ca. 4000 bis 12000 Zellen/mm3. Die Leukopenie bei Dialyse ist am stärksten ausgeprägt 15 bis 20 Min. nach Beginn, wobei die Neutrophilen (das sind die mit neutralen oder gleichzeitig mit sauren und basischen Farbstoffen anfärbbaren Leukozyten) fast vollständig verschwinden können. Danach erholt sich die Zahl der Leukozyten innerhalb etwa einer Stunde wieder auf fast den Ausgangswert oder übersteigt diesen.
Wird nach Erholung der Leukozyten ein neuer Dialysator angeschlossen, tritt wieder Leukopenie im gleichen Ausmaß ein. Cellulose-Membranen verursachen eine ausgeprägte Leukopenie. Auch wenn die klinische Bedeutung der Leukopenie wissenschaftlich nicht ge.klärt ist, besteht doch der Wunsch nach einer Dialysemembran für die Hämodialyse, die den Effekt der Leukopenie nicht zeigt, ohne daß dadurch die anderen sehr erwünschten Eigenschaften von Dialysemembranen aus regenerierter Cellulose beeinträchtigt werden.
Bei der Hämodialyse mittels Membranen aus regenerierter Cellulose hat man neben der Leukopenie auch eine deutliche Komplement-Aktivierung festgestellt. Das Komplement-System innerhalb des Blutserums ist ein komplexes, aus vielen Komponenten bestehendes Plasmaenzym-System, das auf verschiedene Weise der Abwehr von Schädigungen durch eindringende fremde Zellen (Bakterien u. a.) dient. Wenn Antikörper gegen den eindringenden Organismus vorhanden sind, kann komplementspezifisch durch den Komplex der Antikörper mit antigenen Strukturen der Fermdzellen aktiviert werden, anderenfalls erfolgt auf einem Alternativ-Weg durch besondere Oberflächenmerkmale der Fremdzellen die Komplement-Aktivierung. Das Komplement-System beruht auf einer Vielzahl von Plasma-Proteinen. Nach Aktivierung reagieren diese Proteine spezifisch in einer bestimmten Reihenfolge miteinander und am Ende wird ein zellschädigender Komplex gebildet, der die Fremdzelle zerstört.
Aus einzelnen Komponenten werden Peptide freigesetzt, die Entzündungserscheinungen auslösen und gelegentlich auch unerwünschte pathologische Folgen für den Organismus haben können. Es wird angenommen, daß die Aktivierung bei Hämodialysemembranen aus regenerierter Cellulose über den alternativen Weg erfolgt. Objektiv festgestellt werden diese Komplement-Aktivierungen durch eine Bestimmung der Komplement-Fragmente C3a und C5a.
In diesem Zusammenhang wird auf folgende Arbeiten hingewiesen: D. E. Chenoweth et al, Kidney International Vol. 24, Seite 764ff., 1983, und D. E. Chenoweth, Asaio-Joumal Vol.7, Seite 44ff., 1984.
Obwohl die klinische Bedeutung der Komplement-Aktivierung noch nicht geklärt ist, ist man bestrebt, diese bei der Hämodialyse möglichst auszuschließen.
Ziel der Erfindung ist es, die wesentlichen Parameter für die Biokompatibilitä1;wie Blutgerinnung, Leukopenie und Komplement-Aktivierung von Dialysemembranen zu verbessern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Dialysemembranen zu schaffen, die aus modifizierte Cellulose bestehen.
Es wurde festgestellt, daß eine Dialysemembran für die Hämodialyse in Form von Flachfolien, Schlauchfolien oder Hohlfaden durch Substitution modifizierter Cellulose die gestellte Aufgabe löst, wenn bei einer solchen Dialysemembran erfindungsgemäß mittlere Substitutionsgrad der modifizierten Cellulose im engen Bereich von 0,02 bis 0,07 liegt.
Unter dem mittleren Substitütionsgrad der durch Substitution modifizierten Cellulose soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung die mittlere Anzahl der Substituenten pro 1 Glucoseanhydrideinheitderdie Membran bildenden Cellulose verstanden werden.
Die Einstellung'des gewünschten mittleren Substitutionsgrades kann durch die Mengenverhältnisse bei der Substitution oder durch Vermischung von unterschiedlich substituierten Cellulosen bzw. substituierter mit nichtsubstituierter Cellulose erfolgen.
Geeignete durch Substitution modifizierte Cellulosen sind veresterte oder verätherte Cellulosen. Verätherte Cellulosen sind bevorzugt.
Die im Rahmen der Erfindung sich als erfolgreich herausgestellten Dialysemembranen enthalten modifizierte Cellulose, die eine durch die Formel
Cellulose-R'-X-Y
wiedergegebene Struktur aufweist, wobei
X für -NR"- und/oder-NR2- und/oder -S- und/oder -SO- und/oder -SO2- und/oder -CO-O-
ti
und/oder -0- und/oder -C-N und/oder -p-p-
Ht 1
O R " OR"
Y für-Rund/oder-NR2 und/oder -Si(OR")3 und/oder -OR" und/oder-SO3Hund/oder-COOH und/oder -PO3H2 und/oder -NHR2 bzw. deren Salze
R' für eine Alkylengruppe und/oder Cycloalkylengruppe und/oder Arylengruppe mit insgesamt 1 bis 25 C-Atomen R" für ein Wasserstoffatom oder R und
R für eine Alkylgruppe mit 1 bis 5 C-Atomen und/oder eine Cycloalkylgruppe und/oder Arylgruppe steht. Besonders geeignet aber sind durch Substitution modifizierte Cellulosen, die im Substituenten tertiäre Aminogruppen und/oder Carboxygruppen und/oder Sulfogruppen und/oder Phosphonatgruppen enthalten.
Zu den besonders bevorzugten Substituenten gehören Dialkylaminoalkyl und/oder Carboxyalkyl und/oder Sulfoalkyl und/oder Sulfoaryl und/oder Phosphonatalkyl und/oder Phosphonataryl, wobei die Alkylgruppen im Substituenten bevorzugt Äthylgruppen und/oder Methylgruppen sind.
Ein anderer besonders bevorzugter Substituent ist Silicatopropyl, der auch zusammen mit den anderen als geeignet genannten Substituenten erfindungsgemäße Dialysemembranen ergibt.
Die modifizierten Cellulosen können nach den aus der Literatur bekannten Verfahren hergestellt werden. Hierzu kann beispielsweise auf Houben Weyl „Methoden der org. Chemie", Band 14, Teil 2, (1963), Seiten 868-898 oder auf Ulimanns Encyklopädie dertechn. Chemie, 4.Auflage, 1975, Bd.9, Seiten 200-212 hingewiesen werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde die Komplement-Aktivierung anhand der Fragmente C3a beurteilt. Dazu wurden in vitro 300ml heparinisiertes Blutplasma über einen Zeitraum von 4Std. mit einem Plasmafluß von 200ml/min. durch einen Dialysator mit 1 m2 effektiver Austauschfläche rezirkuliert. In dem Plasma wurden die C3a-Fragmente mit Hilfe der RIA-Methode (Upjohn-Test) bestimmt. Die relative Komplement-Aktivierung für den jeweiligen Meßzeitpunkt wurde durch Bildung des Verhältnisses der Konzentration zum Zeitpunkt der Probenahme mit dem Anfangswert in Prozent errechnet. Zur Bewertung wurde der Meßwert nach 4Std. Rezirkulationszeit herangezogen. In der Fig. 1 sind derartige Messungen in ihrem zeitlichen Verlauf graphisch dargestellt, und zwar zeigt die Kurve a das mit einer üblichen Cellulose-Membran erhaltene Ergebnis und die Kurve b das mit einer Erfindungsmembran erhaltene Ergebnis, bei der als modifizierte Cellulose Diäthylaminoäthylcellulose mit einem Substitutionsgrad von 0,04 verwendet worden war.
Als weiteres Maß für die Biokompatibilität wird die Leukopenie herangezogen. Bestimmt wurde sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung in vivo an Schafen. Dazu werden Dialysatoren mit ein Quadratmeter effektiver Austauschfläche eingesetzt. Der Blutfluß betrug 200ml/min. Die Leukozytenzahl wurde in bestimmten Zeitabständen über einen Zeitraum von insgesamt 2Std..
gezählt. Zur Auswertung wurde die prozentuale Änderung, um die die Leukozytenzahl sich zum jeweiligen Meßzeitpunkt verändert hatte, bezogen auf den Anfangswert, herangezogen. Die bei einer solchen Messung erhaltenen Werte sind in der Fig. 2 graphisch dargestellt und zwar zeigt die Kurve a das mit einer üblichen Cellulosemembran erhaltene Ergebnis und die Kurve b das mit einer erfindungsgemäßen Membran erhaltene Ergebnis, bei der als modifizierte Cellulose Diäthylaminoäthylcellulose mit einem Substitutionsgrad von 0,04 verwendet worden war. Zur Bewertung wurde der Meßwert im Minimum der Kurve herangezogen.
Als Meßgröße für die Blutgerinnung wurde der prozentuale Druckanstieg, bezogen auf den Anfangsdruck, vor dem Dialysator nach 2Std. gewählt.
Um diese drei Parameter für die Beurteilung der Biokompatibilität zusammenzufassen, wird ein Unverträglichkeitsindex gebildet. Wird die Maßzahl für die Komplement-Aktivierung mit K bezeichnet, die Maßzahl für die Leukopenie mit L und die Maßzahl für die Blutgerinnung mit C, so errechnet sich der Unverträglichkeitsindex (Ul) gemäß der folgenden Formel
Ul = 0,1 x K - L + C.
Je besser die Biokompatibilität ist, desto geringer ist der Wert für den Unverträglichkeitsindex Ul.
Da die vorstehenden Methoden sehr aufwendig sind und durch die Erfahrung festgestellt wurde, daß auch aus vereinfachten in Vitro-Messungen auf die volle Wirksamkeit Rückschlüsse gezogen werden können, wurde teilweise zur Bestätigung der Erfindung auf solche vereinfachten Methoden zurückgegriffen, die nachfolgend beschrieben sind.
Aus einer 8-%-Celiulose-Cuprammonium-Lösung wird auf eine Glasplatte ein Film von 150/xm gerackelt. Nach Fällen in NaOH-Lösung (5%), Entkupfern in Schwefelsäurebädern, Tauchen in Alkohol/Glycerin-Lösung und anschließendem Trocknen durch Spannen auf ein Becherglas mit 15cm Durchmesser, wird eine Membran mit 13μ.ηη Dicke erhalten.
Aus dieser Membran werden Scheiben von 5cm Durchmesser geschnitten.
Eine Membranscheibe wird in einer Gewebekulturschale aus Polystyrol (Falcon Fa. Becton & Dickinson) mit physiologischer .
Kochsalzlösung vorgewaschen. Nach dem Abgießen der Kochsalzlösung werden 8ml frisches mit 5IU Heparin/ml antikoaguliertes Humanblut zugegeben.
Die Inkubation erfolgte in den abgedeckten Gewebekulturschalen auf einem Desagaschüttler bei 37°C über eine Zeit von 1 h in einem mit 5% CO2 belüfteten Brutschrank. Parallel dazu wurde in einem Leerversuch 8ml Humanblut in einer Gewebekulturschale ohne Membran inkubiert.
Die Konzentration der Komplementkomponente C3a betrug in der Schale mit der Cellulose Membran 4300ng/ml und im Leerversuch 580 ng/ml.
Zur Untersuchung des Einflusses auf die Gerinnung wurde dieThrombozytenzahl am Anfang und am Ende des Experiments mit einem Coulter Counter ZBI untersucht.
Im Fall der Cellulose-Membran waren nach 1 Stunde Inkubation noch 90% Thrombozyten vorhanden.
Im Leerversuch wurde ein Wert von 95% erhalten.
In den nachfolgenden Beispielen wird die Erfindung näher erläutert:
Zur Herstellung der zu vergleichenden Dialysemembranen wird von einer Cuoxamlösung A ausgegangen, die 9Gew.-% Diäthylaminoäthylcellulose mit einem mittleren Substitutionsgrad von 0,4 enthält. Eine 9 Gew.-%ige Cellulose (Baumwollinters) enthaltende Cuoxamlösung B wird in solchen Verhältnissen mit der Cuoamlösung A gemischt, daß der gewünschte mittlere Substitutionsgrad (DS) eingestellt wird.
Dazu werden die Cuoxamlösungen A und B nach Filtration im vorgesehenen Verhältnis einem wirksamen Mischer, der eine homogene Mischung gewährleistet, zudosiert. Für das vorliegende Beispiel wurden Mischungen hergestellt, wie sie in der Tabelle 1 einschließlich der jeweils erhaltenen mittleren Substitutionsgrade DS aufgeführt sind.
Versuch | Gewichtsteile | Gewichtsteile | Substitutions | -4- | 243 643 | |
Tabelle 1 | Cubxam-Lösung A | Cuoxamlösung B | grad (DS) | |||
a | O | 1 | 0 | |||
b | 1 | 40 | 0,01 | |||
C | 1 | 15 | 0,026 | |||
d | 1 | 10 | 0,04 | |||
e | 1 | 7,3 | 0,055 | |||
f | 1 | 5 | 0,08 | |||
g | 1 | 4 | 0,1 | |||
DieinderTabelle 1 aufgeführten Gemische a-g wurden dem ringförmigen Schlitz einer Hohlfadenspinndüse mit einerzentralen Bohrung für eine hohlraumbildende Flüssigkeit zugeführt, gemeinsam mit Isopropylmyristat als hohlraumbildender Flüssigkeit ausgepreßtund in einem üblichen Fällbad koaguliert. Dieerhaltenen Hohlfäden wurden in derfürdas Kupferammoniakverfahren hinreichend bekannten Arbeitsweise gewaschen, getrocknet und aufgewickelt.
Mit den erhaltenen Fäden wurden Dialysatoren hergestellt und in diesen die Biokompatibilität untersucht. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengestellt. Es zeigt sich dabei deutlich, daß die Versuche c, d und e mit erfindungsgemäßen Dialysemembranen einen deutlich geringeren Unverträglichkeitsindex aufweisen als die Vergleichsversuche a, b, f und g und damit die erwünschte Biokompatibilität zeigen.
Parameter Versuch
a be d e f q
C2a[%] | 2 500 | 2 300 | 500 | 200 | 180 | 150 | 150 |
Leukoz.[%] | -80 | -70 | -10 | -5 | -5 | -5 | -5 |
Druckanstieg [%] | 40 | 35 | 50 | 50 | 90 | 400 | 500 |
Unverträgl.-lndexUI 370 335 110 85 113 420 520
Wie vorstehend im Zusammenhang mit der vereinfachten Prüfmethode beschrieben ist, wurde eine Flachmembran aus Carboxylmethyl-Cellulose hergestellt. Der Substitutionsgrad betrug 0,06. Im Inkubationsversuch wurden ebenfalls Membranen mit 5cm Durchmesser eingesetzt. Nach einer Inkubationszeit von 1 h beträgt die C3a-Konzentration 1350ng/ml; das sind 31 % des Wertes der reinen Cellulose-Membran.
DieThrombozytenzahl betrug nach 1 Stunde Inkubation noch 87% des Anfangswertesund entsprach damit im wesentlichen CeIIu lose-Membranen.
Entsprechend dem Beispiel 2 wurde eine Membran aus Sulfoäthylcellulose hergestellt. Der mittlere Substitutionsgrad betrug 0,06. Eine entsprechende Flachmembran von 5cm Durchmesser wurde wie in Beispiel 2 inkubiert. Nach 1 Stunde beträgt die C3a-Konzentration 1150ng/ml, das sind 27% des Wertes der reinen Cellulose-Membran. Die Thromozytenzahl betrug 89% des Anfangswertes und war damit praktisch gleich mit dem bei Cellulose-Membranen.
Entsprechend dem Beispiel 2 wurde eine Membran aus modifizierter Cellulose, die sowohl Diethylaminoäthylcellulose als auch Sulfoäthylcellulose im Verhältnis 3:1 enthielt, hergestellt. Der mittlere Substitutionsgrad beträgt 0,05. Nach Inkubation mit Humanfrischblut entsprechend dem Beispiel 2 erhält man eine C3a-Konzentration von 975ng/ml, das sind 23% des Wertes der reinen Ceilulosemembran
Hier betrug die Thrombozytenzahl 80% des Anfangswertes und war damit etwa niedriger als bei Cellulose-Membranen.
Claims (2)
- - ι Erfindungsanspruch:1. Dialysemembran für die Hämodialyse in Form von Flachfolien, Schlauchfolien oder Hohlfaden, aus durch Substitution modifizierter Cellulose, gekennzeichnet dadurch, daß der mittlere Substitutionsgrad der modifizierten Cellulose 0,02 bis 0,07 beträgt.
- 2. Dialysemembran nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die modifizierte Cellulose eine durch die Formel
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