DD296220A5 - Verfahren zur herstellung oberflaechenmodifizierter cellulosemembranen mit verbesserter blutvertraeglichkeit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oberflaechenmodifizierter Cellulosemembranen mit verbesserter Blutvertraeglichkeit fuer den Einsatz in der Blutdetoxikation, insbesondere bei der Haemodialyse, Haemodiafiltration und Haemofiltration. Das beschriebene Verfahren ist durch eine zweistufige Derivatisierung gekennzeichnet, wobei die primaer zur Umsetzung mit Halogencarbonsaeurehalogeniden auf der Membranoberflaeche erzielte Halogenierung anschlieszend fuer eine partielle Aufbringung von Sulfonatgruppen genutzt wird. Unter Einhaltung definierter Reaktionsbedingungen ist diese polymeranaloge Umsetzung auf die Membranoberflaeche lokalisiert, womit die morphologische Grundstruktur des Formkoerpers ohne Verminderung der Trennleistung erhalten bleibt. Mit der vorliegenden Erfindung gelingt es, modifizierte Celluloseoberflaechen verfuegbar zu machen, die bei Blutkontakt eine deutlich gegenueber der Ausgangsmembran herabgesetzte Komplementaktivierung bzw. verminderte Leukopenie aufweisen.{Cellulosemembranen; Oberflaechenmodifizierung; Chloracetylierung/Sulfonierung; Blutvertraeglichkeit; Blutdetoxikation}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oberflächenmodifizierter Cellulosemembranen, die eine gegenüber dem unbehandfilton Formkörper signifikant verbesserte Blutverträglichkeit aufweisen. So führen derartig modifizierte Celluloseformkörper bei ihrer Anwendung als Dialysemembran zu einer gegenüber der Ausgangsmembran deutlich herabgesetzten Komplementaktivierung bzw. einer stark abgeschwächten Leukopenie. Die Leistungsfähigkeit der unmodifizierten Dialysemembran bleibt durch die Modifizierung erhalten.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Verfügbarkeit polymerer Biomaterialien für klinische Einsatzzwecke ist eine durch die Medizin im Interesse einer verbesserten Patientenversorgung dringend gestellte Forderung. Auch auf dem Gebiet der extrakorporalen Blutdetoxikation hat es nicht an Versuchen gefehlt, die weltweit wegen ihrer hervorragenden Dialysecharakteristik noch immer bevorzugt in der künstlichen Niere eingesetzte Regeneratcellulosemembran durch Modifizierung für eine erhöhte Blutverträglichkeit auszurüsten. Derartige Cellulosemodifizierungen machen sich insbesondere deshalb zwingend erforderlich, da die beim Kontakt Blut/Fremdoberfläche ausgelösten Erscheinungen der Komplementaktivierung und Leukopenie für diesen Membrantyp besonders ausgeprägt sind und in entscheidendem Maße auf die Präsenz celluloseständiger Hydroxylgruppen zurückgeführt werden können. (D. E. Chenoweth: Compliment activation during hemodialysis, Artificial Organs 8,1984,281). Aus diesem Grunde sind die bisher beschrittenen Lösungswege auf eine physikalische bzw. chemische Maskierung der Hydroxylgruppen an der Blutkontaktseite der Cellulosemembran ausgerichtet. Die dazu eingesetzten Modifizierungen reichen von Polymer- und Biomolekülbeschichtungen, von Zumischungen hämokompatibler Additiva in die aus den Spinnlösungen zu formierenden Membranen, der chemischen OH-Gruppen-Ausvernetzung bis zu Derivatisierungen (DE-OS 3742072 u. 3814326, EP-PS 0319862, EP-PS 0330106, EP-PS 0339200, DE-OS 3805992, DE-OS 3840175, DD-PS 243643, DE-OS 3430503, DE-OS 3524596, JP-PS 82/095375, EP-PS 53473, US-PS 4210529, US-PS 4051040, WO 88/06476) und Pfropfmodifizierungen (EP-PS 266795, DE-OS 3410133, DE-OS 3438531, US-PS 4280970, DE-OS 3341113, DD-PS 260930, DD-PS 260932, DD-PS 136702). Prinzipiell sind über eine kovalente Bindung des Modifizierungsagens an den Formkörper die Erfordernisse einer hohen Sterilisations- und Lagerstabilität vergleichsweise besser als bei physikalischen Maskierungen erfüllt. Auf der Basis von kovalenten Verknüpfungen erwiesen sich Cellulosepfropfcopolymermodifizierungen wegen der über den chemischen Aufbau des Copolymers bestehenden Vielfalt an Funktionalisierungsmöglichkeiten besonders wirkungsvoll auf eine Senkung der Komplementaktivierung - aber wegen mehrstufiger Operationen und der extrem hohen Reinheitsgebote (Schutz der Reaktivfunktion) ist diese Variante durch einen sehr hohen verfahrenstechnischen Aufwand gekennzeichnet. Wegen der vereinfachten technischen Machbarkeit von Cellulosederivatisierungen nehmen Patentanmeldungen auf Grundlage dieser Modifizierungsform den überwiegenden Anteil ein. So wird in den Patenten DE-OS 3524596 und DD-PS 243643 eine

modifizierte Cellulose der allgemeinen Formel Cell-R'-x-y mit deutlich verbesserten Blutverträglichkelten vorgestellt. Neben Diethylaminoethylcellulose als prägnantestem Vertreter dieser Strukturklasse wurden in den genannten Erfindungen für das endgruppenbestimmende γ neben der-NfVGruppe auch Sulfonat-, Phosphonat- Carboxyl- und Silicotoalkylgruppen vorgeschlagen. Das am deutlichsten erniedrigte Niveau der Komplementaktivierung wird erreicht, wenn der mittlere Substitutionsgrad - definiert als die mittlere Anzahl von Substituenten pro Glucoseanhydrideinheit - der fertig formierten Cellulosemembrsnen innerhalb eines e/igen Bereiches von 0,02 bis 0,07 liegt. Zur Einstellung derartiger Substitutionsgrade wird das Cellulosederivat mit einem initialen DS von ca. 0,4 in den entsprechenden Verhältnissen mit der Cuoxamträgerlösung abgemischt. Auf Grund dieser kombiniert angewendeten Derivatisierungs-/Einmischungsvariante ist der Nachteil der Auswaschbarkeit des derivatisierten Modifizierungsagens allerdings nicht aufgehoben.

In dem Patent DE-OS 3814326 wird die Aufgabe einer kovalenten Fixierung dadurch gelöst, daß die Modifizierungsagenzien, gelöst in polaren Lösungsmitteln, gegebenenfalls mit den zur Reaktion erforderlichen Katalysatoren und Hilfsstoffen, an einer Oberfläche der Dialysemembran vorbeigeführt werden. Das Spektrum der für diese heterogene Einstufenreaktion eingesetzten Modifizierungsagenzien ist außerordentlich umfangreich und führt zu Celluloseester- und/oder -etheraddukten. Prinzipiell liegt aber nach der kovalenten OH-Gruppen-Maskierung entweder eine unfunktionalisierte oder eine ionisch/polarfunktionalisierte Membranoberflächenstruktur vor, da die angewandten EinStufenreaktionen eine Kombination beider Möglichkeiten ausschließen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung Ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Blutverträglichkeit von Regeneratcellulosemembranen durch weitgehende Verhinderung von Leukopenie und Komplementaktivierung entscheidend verbessert wird. Dabei soll die morphologische Grundstruktur der Membran weitgehend erhalten bleiben, so daß ihre Dialyseleistung nicht vermindert wird.

Darlegung des Wesens dor Erfindung

Die Aufgabe besteht darin, über eins zweistufige heterogene Cellulosederivatisierung eine kombiniert hydrophob/hydrophil wirksame Oberflächenstruktur kovalent und unter vollständiger Maskierung dor oberflächennahen Hydroxylgruppen durch Nachbehandlung an den Formkörper zu vermitteln, um eine gegenüber der unmodifizierten Ausgangsmembran deutlich verbesserte Blutverträglichkeit zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Oberfläche des cellulosischer! Formkörpers mit einem in dem Reaktionsmedium inert gelösten Halogencarbonsäurehalogenid, vorzugsweise Chloracettylchlorid, heterogen zur Reaktion gebracht und anschließend partiell sulfoniert wird. Zur Einführung der Halogenfunktion werden die Cellulosemembraneri auf ein aprotisch-polares Reaktionsmedium, beispielsweise Dimethylformamid (DMF) konditioniert und bei Temperaturen von 2O⁰C bis 80°C innerhalb einer Zeit von 2 bis 600min basenkatalysiert mit dem Halogencarbonsäurehalogenid umgesetzt. Dadurch wird nach einer flächendeckenden hydrophobierenden Maskierung der cellulosischen Hydroxylgruppen über die anschließende Sulfonierung eine partielle Rückhydrophilierung der Oberfläche erreicht.

Für diese Reaktion ist zweckmäßigerweise eine bezüglich des Gesamtangebotes cellulosischer Hydroxylgruppen 0,1- bis 4fach molare Acylgruppenkonzentration des Halogenierungsagens einzusetzen und basenkatalysiert durch eine 1- bis 2fach molare Triethylamin (TEA)-Konzentration bezüglich der Acylgruppenkonzentration des Halogenierungsagens zu unterstützen, wobei die Absolutkonzentration des Halogenierungsagens innerhalb eines Bereiches von 0,05 bis 0,2 Mol/l liegen soll. Im Rahmen der durch die Reaktionsbedingungen festgelegten Grenzen ist der mittlere Halogenierungsgrad DS, definiert als die pro Glucoseanhydrideinheit substituierten Hydroxylgruppen, durch einen Bereich von 0,1 bis 0,4 bezüglich des gesamten Formkörpers bestimmt, wobei eine nahezu vollständige Substitution der grenzflächennahen Hydroxylgruppen aus ESCA-Messungen nachgewiesen wurde.

Für die nachgelagerte Sulfonierung der halogenfunktionalisierten Membran gelangt eine kalt gesättigte wäßrige Bisulfitlösung zur Anwendung, so daß ein hoher molarer Überschuß der Sulfonierungskomponente gegenüber den trägerfixierten Halogengruppen besteht. Dazu wurden die halogenierten cellulosischen Formkörper auf Wasser umkonditioniert und mit der wäßrigen Bisulfitlösung bei Temperaturen von 6O⁰C bis 80°C innerhalb einer Zeit von 1 bis 12 Stunden unter Zusatz eines Lewissäiire-Katalysators zur Reaktion gebracht. Als Sulfonierungsagens wirkt dabei das infolge der Hydrolyse des Bisulfits entstehende Hydrogensulfit.

Da das im wäßrigen Medium vorliegende Gleichgewicht der beiden tautomeren Grenzstrukturen des Hydrogensulfits entsprechend

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deutlich nach links verschoben liegt, bleibt die konkurrierende Sulfitierung gegenüber der Sulfonierung deutlich zurückgedrängt. Das Modifizierungsverfahren ist zusammengefaßt durch die folgenden Reaktionsschritte charakterisiert:

TEA (OH).3-,n

I. CeIl-(OH)₃ + mXi -C-R - X_-3. > Cell

G -(TiHX₁ (OC-R-X=),,,

II, 1/2 KaSaO₀ + 1/2 HsD > KHSO,

(OH

_e-_m

τη jS *-* /

CeI I + π©|3ς^~θ]^θ > Cell —(OC-R-X= )_m__r,.

^Χ( OC-R-X₃ )_m ^X 0 -ί%-η)χ_ζ ⁰ \ δ

ο \ /y°

(OC-R-S 1

Ii ν. 0 Ό

Xi = Halogen

X₂ = Halogen

R = (-CH₂-Ip

ρ = 1-5

m, η = effektivzurDerivatisierung wirksamer Molanteil der Derivatisierungsagenzien, wobei η < m < 3

Die in dieser Weise kombiniert hydrophob/hydrophil oberflächenmodifizierten Flach- oder Hohlmembranen der Cellulose zeichnen sich durch eine nahezu volständige Einschränkung der Leukopenie und der Komplementaktivierung aus, ohne die Dialyseleistung der Cellulosemembran zu beeinträchtigen.

Ausführungsbeispiel

Mit Alkohol entpräparierte Flachmembranen aus Regeneratcellulose'Vvurden auf DMF umkonditioniert und mit dem jeweils 4fach molaren Überschuß von Chloracetylchlorid und Triethylamin im Verhältnis zur gesamten molaren Hydroxylgruppenkonzentration der Cellulosenmembran bei 50°C 15min in DMFzur Reaktion gebracht.

Die Absolutkonzentration Chloracetylchlorid beträgt 0,14 Mol/l. Eine entsprechende Vorrichtung ermöglichte das allseitige Überströmen der Membran mit der Modltlzierungslösung, so daß eine gleichmäßige Oberflächenmodifizierung gesichert war.

Anschließend wurden die Membranen gründlich mit Wasser gewaschen und mit kalt gesättigter wäßriger K2S₂O6-Lösung E h bei 80⁰C überströmt. Als Katalysator wurde AICI₃ verwendet. Nach lOmaliger Wasserwäsche wurden die Membranen z.T.

vakuumgetrocknet, z.T. wassergequollen der Charakterisierung unterzogen.

Die endmodifizierte Membran weist eine Massezunahme von 6,2% auf. Die IR-spektroskopischen Untersuchungen belegen den Modifizierungseffekt durch Bandenschwingungen der Carbonylestergruppe bei 1745cm"¹ sowie der Sulfonsäuregruppe im Bereich von 1200 bis 1300cm"¹. Der Gleichgewichtskontaktwinkel des Systems Membran/Wasser/Luft erfährt nach der Chloracetylierung einen gegenüber der Regeneratcellulose deutlichen Anstieg von 12,0° auf 56,7°, während die Sulfonierung wieder einen deutlichen Abfall des Winkels auf 19,1° infolge Rückhydrophilierung veranlaßt. Eine ausgeprägte Hysterese der Kontaktwinkelmessungen macht bei ausschließbaren Rauhigkeitseffekten kombiniert hydrophil/hydrophob vorliegende Oberflächenbereiche deutlich. Die biomedizinische Testung ergab eine Erhöhung der Gesamtproteinadsorption HSA und HFB von 1,2 μg/cm^{^} bei Cellulose auf 4,1 μο/cm² bei den so modifizierten Oberflächen.

Dii Dialyseleistung der Ausgangsmembran für Harnstoff von P_u = 37,0 x 10~³ cm/min wurde durch die vorgenommene Modifizierung nicht beeinträchtigt.

Mit Hilfe von C 3a der Arg-Untersuchungen wurde ein Absinken der Komplementaktivierung auf 10% des bei unmodifizierter Cellulose gemessenen Wertes registriert.

Im Rahmen des Elektrophoresmobilitätstests konnte eine gegenüber dem Standard um 90% verringerte Zytokinfreisetzung nachgewiesen werden. Der Hämolysetest auf die akute In-vitro-Toxizität ergab auf Grundlage der Bestimmungen des

2. Arzneimittelbuches toxische Unbedenklichkeit.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung oberflächenmodifizierter Cellulosemembranen mit verbesserter Blutverträglichkeit, gekennzeichnet dadurch, daß ein cellulosischer Formkörper mit dem in einem aprotisch-polaren Reaktionsmedium inert gelösten Halogencarbonsäurehalogenid basonkatalysiert bei 2O⁰C bis 8O⁰C innerhalb von 2 bis 600 min heterogen zur Reaktion gebracht wird und die eingeführte Halogenfunktion anschließend mit Bisulfit partiell sulfoniert und danach in bekannter Weise einem Wasch-/Spülvorgang unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Halogencarbonsäurehalogenide Chloracetylchlorid, Bromacetylchlorid oder Bromacetylbromid sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Reaktionsmedium Dimethylformamid, Cyclohexanon oder Aceton eingesetzt wird.

4. Verfahen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Acylgruppenkonzentration des Halogenierungsagens 0,05 bis 0,2 Mol/l beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß als Base Triethylamin in einer 1-bis2fach molaren Konzentration bezüglich der Acylgruppenkonzentration des Halogenierungsagens eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1,4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß eine 0,1- bis 4fach molare Acylgruppenkonzentration des Halogenierungsagens bezüglich der Gesamtkonzentration an cellulosischen Hydroxylgruppen im Formkörper eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Sulfonierung innerhalb eines Temperaturbereichs von 60⁰C bis 80⁰C während 1 bis 12 h Lewis-Säuren-katalysiert durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Sulfonierungskomponente in Form einer kalt gesättigten wäßrigen Bisulf itlösung in einem hohen molaren Überschuß gegenüber der Konzentration an trägerfixierten Halogengruppen mit einem Substitutionsgrad DS von 0,1 bis 0,4 eingesetzt wird.