DE102006017453A1

DE102006017453A1 - Membran für Flüssigphasenseparationsprozesse und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102006017453A1
Application number: DE102006017453A
Authority: DE
Inventors: Thanh D. Dr. Richardson Nguyen; Gudrun Dipl.-Chem. Hausbrand
Original assignee: Renaselect & Co KG GmbH; Renaselect & Cokg GmbH
Current assignee: Renaselect & Co KG GmbH; Renaselect & Cokg GmbH
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2026-04-13
Also published as: DE102006017453B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Chemie und betrifft eine Membran für Flüssigphasenseparationsprozesse, wie sie beispielsweise in Ultrafiltrationsprozessen zum Einsatz kommen kann. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der weiteren Verbesserung der Biokompatibilität von Cellulose-Membranen unter gleichzeitiger Bewahrung ihrer positiven Eigenschaften bezülgich Plättchenfaktor 4 (PF4) als Parameter für die Aktivierung der Thrombozyten und Thrombin-Antithrombin-Komplex (TAT) als Parameter für die Gerinnungsaktivierung. Gelöst wird die Aufgabe durch eine Membran, bestehend aus Cellulose mit bis zu 2,5 Ma.-% an der Oberfläche der Cellulose gebundenen biocompatiblen, hydrophilen Polymeren mit einer Molaren Masse von >= 3000 g/mol. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren, bei dem bis zu 2,5 Ma.-% eines oder mehrerer oder in einem Copolymer enthaltene biocompatible, hydrophile Polymere mit einer Molaren Masse von >= 3000 g/mol homogen mit einer Cellulosexanthogenatlösung vermischt und daraus Membranen hergestellt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Chemie, insbesondere der Flüssigphasenpermeation und betrifft eine Membran für Flüssigphasenseparationsprozesse, wie sie beispielsweise in Ultrafiltrationsprozessen, bei der reversiblen Osmose, in Dialyseprozessen und Hemoperfusion zum Einsatz kommen kann und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Die ersten Cellulosemembranen für Verfahren zur Blutdetoxikation wurden aus Baumwoll-Linters hergestellt und darauf bezogen als „natürliche" Membranen bezeichnet. Derartige Membranen weisen aber eine nicht ausreichende Biokompatibilität auf, da sie eine Komplement- und Leukozytenaktivierung des Blutes auslösen und dadurch entzündliche Reaktionen hervorgerufen werden können (Craddock, P.R. u.a., J. Clin. Invest 1977, 59, S. 879–888).
Chemisch hergestellte „synthetische" Membranen verringerten diese Aktivierung und wiesen dadurch eine bessere Verträglichkeit auf (Henderson, L.W. u.a., J. Lab. Clin. Med. 1975, 85, S. 191–197).
Weiterhin gelang es durch Maskierung von Hydroxylgruppen der Cellulose, welche als verantwortlich für die Komplementaktivierung der Cellulose beschrieben werden, eine Verbesserung der Blutverträglichkeit zu erreichen (Hoenich, N.A. u.a., Biomaterials 1995, 16, S. 587–592).
Daraus abgeleitet werden Cuprophan-Membranen und dessen Analoge auch „unmodifizierte" und im Gegensatz die dazu später entwickelten mehr biokompatiblen Membranen „modifizierte" Regeneratcellulosemembranen genannt.
Materialien mit guter Biokompatibilität sind Materialien, die nur geringe biochemische und/oder biologische Effekte bei dem im Kontakt befindlichen biologischen Material auslösen.
Die Parameter Blutkoagulation, Leukozyten- und Komplementaktivierung sind insbesondere beim Einsatz von „unmodifizierten" Cellulosemembranen von Bedeutung. Die Aktivierung von Leukozyten im Blut führt zu Entzündungsreaktionen, die zu Gefäßkrankheiten führen können, der hauptsächlichsten Todesursache von Dialysepatienten (Am. J. Kidney Dis. 1999, 34, S. 87–94).
Verglichen mit „unmodifizierter" Cellulose ist der Anteil an C-reaktivem Protein, das ein Indikator für Entzündungen ist, niedriger, wenn synthetische biokompatible Polysulfonmembranen zum Einsatz kommen (Schouten, W.E, u.a., Nephrol. Dial. Tansplant 2000, 15, S. 379–384).
Darüber hinaus führt bei „natürlichen" Membranen eine funktionale Beeinträchtigung der Leukozyten zu Infektionen, der zweithäufigsten Todesursache von Dialysepatienten (Vanholder, R. u.a.; Kidney Int. 1991, 39, S. 320–327). Auch hier zeigt der Einsatz von synthetischen Membranen oder modifizierten Cellulosemembranen bessere Verträglichkeiten.
Bekannt ist nach der DE 27 05 735 B2 die Herstellung einer Dialysemembran für die Hämodialyse mit verminderter thrombogener Wirkung mit an die Cellulose chemisch gebundenen antithrombogenen Verbindungen. Diese Membran, basierend auf dem Cuoxamverfahren, besteht aus zwei oder mehreren Celluloseschichten, die jeweils aus getrennt gespeisten Schlitzen einer Spinndüse erhalten werden, wobei mindestens die auf der Blutseite angeordnete Celluloseschicht ganz oder teilweise eine modifizierte Cellulose ist, die antithrombogene Wirkstoffe chemisch gebunden enthält.
Hergestellt wird diese Membran, indem aus mindestens zwei getrennt gespeisten Schlitzen einer Spinndüse jeweils eine Cuoxamcelluloselösung austritt, die unmittelbar anschließend zusammengeführt werden. Dabei enthält mindestens eine der Cuoxamcelluloselösungen eine modifizierte Cellulose.
Die zusammengeführten Ströme durchlaufen eine Luftstrecke und das Fällbad, werden in bekannter Weise gewaschen, getrocknet und aufgewickelt. Nachfolgend wird die die modifizierte Cellulose enthaltende Schicht mit einem antithrombogenen Wirkstoff umgesetzt.
Weiterhin bekannt ist nach der DE 17 20 087 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer nichtthrombogenen Kunststoffmembran, bei dem ein filmbildendes Polymermaterial, vorrangig Cellulose und Celluloseacetat, mit über Esterbindungen an die Polymerketten gebundenen Dialkylaminoalkylgruppen mit einem Alkylhalogenid umgesetzt wird. Anschließend wird das Produkt mit einem Alkalisalz einer kationische Gruppen aufweisenden antithrombogenen Verbindung (Heparin, heparinartige Verbindungen) umgesetzt.
Nach der US 4,668,396 ist die Herstellung einer Dialysemembran aus modifizierter Cellulose mit verbesserter Biokompatibilität bekannt, bei der modifizierte Cellulose mit einem durchschnittlichen Substitutionsgrad von 0,02 bis 0,07 entsteht und die eine Struktur nach der Formel
Cellulose-Z
aufweist, wobei Z die Gruppen R'-X-Y repräsentiert und R' ein Alkyl, ein Cycloalkyl oder ein Aryl mit 1 bis 25 C-Atomen ist.
Die bekannten „natürlichen" Dialysemembranen zeigen alle noch keine ausreichenden Verbesserungen der Biokompatibilität.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der weiteren Verbesserung der Biokompatibilität von Cellulose-Membranen für den Einsatz in Flüssigphasenseparationsprozessen unter gleichzeitiger Bewahrung ihrer positiven Eigenschaften bezüglich Plättchenfaktor 4 (PF4) als Parameter für die Aktivierung der Thrombozyten und Thrombin-Antithrombin-Komplex (TAT) als Parameter für die Gerinnungsaktivierung.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Membran für Flüssigphasenseparationsprozesse besteht aus Cellulose mit bis zu 2,5 Ma.-% an der Oberfläche der Cellulose gebundenen biocompatiblen, hydrophilen Polymeren mit einer Molaren Masse von ≥ 3000 g/mol.
Vorteilhafterweise sind 1,0 bis 2,0 Ma.-% biocompatible, hydrophile Polymere enthalten.
Ebenfalls vorteilhafterweise sind als biocompatible, hydrophile Polymere Polyvinylpyrrolidone, Polyakryle, Polyurethane, Polyharnstoffe, Polyethylenglykole, Polypropylenglykole und/oder Polyvinylalkohole enthalten.
Weiterhin vorteilhafterweise sind die biocompatiblen, hydrophilen Polymere in einem Copolymer enthalten.
Von Vorteil ist es auch, wenn biocompatible, hydrophile Polymere mit einer Molaren Masse von ≥ 50.000 g/mol, noch vorteilhafterweise mit einer Molaren Masse von ≥ 200.000 g/mol enthalten sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden bis zu 2,5 Ma.-% eines oder mehrerer oder in einem Copolymer enthaltene biocompatible, hydrophile Polymere mit einer Molaren Masse von ≥ 3000 g/mol homogen mit einer Cellulosexanthogenatlösung vermischt und daraus eine Membran hergestellt.
Von Vorteil ist es, wenn 1,0 bis 2,0 Ma.-% biocompatible, hydrophile Polymere mit der Cellulosexanthogenatlösung homogen vermischt werden.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn als biocompatible, hydrophile Polymere Polyvinylpyrrolidone, Polyakryle, Polyurethane, Polyharnstoffe, Polyethylenglykole, Polypropylenglykole und/oder Polyvinylalkohole zugegeben werden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die biocompatiblen, hydrophilen Polymere als Feststoff oder als wässrige Lösung der Cellulosexanthogenatlösung zugegeben werden.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die biocompatiblen, hydrophilen Polymere zu einem Copolymer verarbeitet der Cellulosexanthogenatlösung zugegeben werden.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die biocompatiblen, hydrophilen Polymere zu einem Copolymer verarbeitet und mit Zusatzstoffen, vorteilhafterweise Porenbildner, wie Polyol, vorgemischt der Cellulosexanthogenatlösung zugegeben werden.
Und ebenfalls vorteilhafterweise wird die homogene Mischung aus Cellulosexanthogenatlösung und den biocompatiblen, hydrophilen Polymeren vor der Membranherstellung einem Alterungsprozess unterworfen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird es möglich, eine hochhydrophile, semipermeable Cellulose-Membran herzustellen, die neben einer exzellenten Permeabilität auch eine sehr gute Biokompatibilität aufweist. Eine Interaktion mit Blut ist durch die sehr gute Hydrophilie deutlich vermindert. Die verbesserten Eigenschaften sind in den Messergebnissen für die Parameter Komplementfragment C5a als Parameter für die Komplementaktivierung (C5a) und Zellzahl der Leukozyten im Blut (Leukozyten) beispielhaft dargestellt. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Membran eine sehr gute Faserfestigkeit und eine hochhydrophile poröse Wandstruktur auf.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden bis zu 2,5 Ma.-% an biokompatiblen, hydrophilen Polymeren mit einer Molaren Masse von ≥ 3000 g/mol an die Oberfläche von Cellulose gebunden, wodurch die Biokompatibilität der Membran verbessert wird.
Weiterhin wird durch den freien Teil der Polymere die Wirksamkeit der Komplementaktivierung und ebenfalls die Leukozytenzahl verringert, da durch die relativ großen Polymere mit einer Molaren Masse von ≥ 3000 g/mol und vorzugsweise ≥ 200.000 g/mol eine Maskierung der Hydroxylgruppen der Cellulosemoleküle erreicht wird.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Wirksamkeit der Blutkoagulation durch die hydrophilen Eigenschaften der biokompatiblen Polymere verringert wird.
Ebenfalls ist es von Vorteil, wenn die erfindungsgemäß eingesetzten biokompatiblen, hydrophilen Polymeren als Copolymere, z.B. an Polyvinylpyrrolidone, Polyakryle, Polyurethane, Polyharnstoffe, Polyethylenglykole, Polypropylenglykole und/oder Polyvinylalkohole gebunden vorliegen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass aufgrund des hydrophilen Anteils des Polymers das Polymer homogen in die Cellulosexanthogenatlösung eingemischt werden kann.
Des Weiteren bewahrt die erfindungsgemäße Membran die positiven Eigenschaften einer hochhydrophilen Membran, ausgedrückt durch die Parameter PF4 und TAT.
Das in die Cellulose eingedrungene biokompatible, hydrophile Polymer bildet eine gute Verbindung mit der Cellulose aus und führt zu einer noch festeren aber auch sehr porösen Struktur der erfindungsgemäßen Membran.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiele
Eine vorgegebene Menge Polyvinylpyrrolydon (PVP) (K-90, BASF), dargestellt in Tabelle 1, wird jeweils entweder in Triethylenglykol (98%) gelöst oder direkt (Beispiel 5) zu 8.800 g Cellulosexanthogenatlösung der Zusammensetzung Cellulosegehalt 8,05%, NaOH- Gehalt 5,60 %, gegeben. Vor der der Zugabe des Copolymeren/Polymeren direkt oder in Lösung wurden der Cellulosexanthogenatlösung zusätzlich nacheinander zuerst NaOH und unmittelbar anschließend Triethylenglykol zugemischt. Die konkret eingesetzten Mengen der Ausführungsbeispiele zeigt Tabelle 1.
In Tabelle 2 sind die Zusammensetzungen der erhaltenen Polymer-/Spinnlösungen dargestellt.
Tabelle 1: Polymermischung: Dosiermengen
Tabelle 2: Zusammensetzung Polymermischung
Die Polymer-/Spinnlösung wird gemischt und anschließend entgast.
Nach einem Alterungsprozess durch Lagerung der Mischung 20 Stunden bei 12°C wird die Polymermischung durch eine Hohlkerndüse (Ringspaltbreite 120 μm, Kreisringaußendurchmesser 540 μm) in ein wässriges Fällbad, welches 8% Schwefelsäure und 25% Ammoniumsulfat enthält, gedrückt. Der Innenhohlraum der Membran wird durch Einblasen von hochgereinigter Luft gebildet. Nach der Fällung wird die hergestellte Membran in bekannter Weise nachzersetzt, neutral gewaschen, präpariert, getrocknet und spannungsarm aufgewickelt.
Die erfindungsgemäßen Membranen in Form von Hohlfasern besitzen einen mittleren inneren Durchmesser von 210 μm und eine mittlere Wanddicke von 12 μm.
An den Membranen wurden zur Eigenschaftsbestimmung die Permeabilitäten für Natriumchlorid (NaCl) und Vitamin B12 bestimmt.
Dazu werden Minimodule gefertigt, die aus 100 Einzelmembranen einer ungefähren Länge von 11 cm bestehen. Beide Enden des Bündels werden in Polyurethan eingebettet. Getestet wird mit einer Prüflösung aus 0,1 g Vitamin B12, gelöst in 2 l einer 0,9 g/l enthaltenen wässrigen NaCl-Lösung, temperiert auf 37°C in einem ebenfalls auf 37°C temperierten Wasserbad. In der Prüflösung (Prüflösungseinlauf/Prüflösungsauslauf) und im Wasser werden mittels Leitfähigkeitsmessung für NaCL und UV-Spektroskopie für Vitamin B12 die Konzentrationen gemessen. Aus diesen Konzentrationen werden unter Berücksichtigung der effektiven Membranaustauschfläche des Prüfmoduls die entsprechenden Permeabilitäten ermittelt.
Die Ergebnisse enthält Tabelle 3. Tabelle 3: Permeabilitäten NaCl und Vitamin B12

NA – keine Messung

Die Hämokompatibilität der erfindungsgemäßen Membran gemäß den Beispielen 1 bis 4 wurde im Vergleich zu zwei Referenzmaterialien getestet:

Referenzmaterial 1 (RPS): Synthetische Membran: Polysulfonmembran, hergestellt nach EP 0168738
Referenzmaterial 2 (RC): Natürliche Membran: Regeneratcellulosemembran, hergestellt nach DD 300 037 und DD 301 749

Für die Tests wurden Hohlmembranproben jeder Variante in kleine Stücke mit je 2 mm Länge unterteilt und in ein 2 ml Eppendorfcap gefüllt. Unter Berücksichtigung der Innen- und Außendurchmesser der Probe im feuchten Zustand wurde die Probemenge jeweils so gewählt, dass eine vergleichbare das Blut kontaktierende Kontaktfläche bei allen Proben erreicht wurde.
Die entsprechenden Daten sind in Tabelle 4 zusammengefasst.
Tabelle 4: Abmessungen und Blutkontaktflächen
Die Blutverdrängung durch die Membranmasse war bei allen Proben zu vernachlässigen und lag zwischen 0,03 bis 0,09 cm³ gegenüber einer Gesamtmenge Blut von 2,5 ml.
Die geschnittenen Proben wurden in den Caps vor der Inkubation mit steriler NaCl-lösung gespült. Zwischen den einzelnen Stücken verblieb ein gewisses Restvolumen NaCl. Die Proben wurden an zwei unterschiedlichen Tagen untersucht. An beiden Versuchstagen wurde Blut des gleichen Spenders verwendet und zu den Beispielproben wurden parallel Vergleichsproben der Referenzmaterialien sowie ein Cap ohne Material untersucht.
Die Inkubation des Blutes erfolgte unter Verwendung von frisch gewonnenem humanem Vollblut in 2-ml-Eppendorfcaps, die zur Vermeidung von Luftkontakt des Blutes während der Inkubation mit 2,5 ml Blut vollständig gefüllt wurden.
Die Sedimentation von Hämatozyten wurde durch Rotation der Caps während der Inkubation verhindert. 2 × 30 ml Blut wurde einem gesunden Spender, der mindestens 10 Tage keine Medikamente eingenommen hatte, durch Venenpunktion entnommen. Zur Antikoagulanz des Blutes wurde Heparin verwendet (1 U/ml H-3149). Die Spritzen wurden leicht geschwenkt und direkt in die auf 37°C vorgewärmten Caps gefüllt. Zur Bestimmung der Blutausgangsparameter wurde Blut direkt aus der Entnahmespritze entnommen und in der gleichen Weise wie das nach der Inkubation gewonnene Blut prozessiert. Die Inkubation erfolgte bei 37°C. Die Dauer der Inkubation betrug eine Stunde. Die Proben wurden jeweils doppelt getestet. Als Vergleich diente zusätzlich ein Cap ohne Probenmaterial (CAP).
Es wurden folgende Parameter bestimmt:

TAT
C5a
PF4
Zellzahl der Leukozyten im Blut (Messung mittels Blutbildautomaten)

Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 dokumentiert. Tabelle 5: Ergebniszusammenstellung

NA – keine Messung

Claims

Membran für Flüssigphasenseparationsprozesse, bestehend aus Cellulose mit bis zu 2,5 Ma.-% an der Oberfläche der Cellulose gebundenen biocompatiblen, hydrophilen Polymeren mit einer Molaren Masse von ≥ 3000 g/mol.
Membran nach Anspruch 1, bei der 1,0 bis 2,0 Ma.-% biocompatible, hydrophile Polymere enthalten sind.
Membran nach Anspruch 1, bei der als biocompatible, hydrophile Polymere Polyvinylpyrrolidone, Polyakryle, Polyurethane, Polyharnstoffe, Polyethylenglykole, Polypropylenglykole und/oder Polyvinylalkohole enthalten sind.
Membran nach Anspruch 1, bei der die biocompatiblen, hydrophilen Polymere in einem Copolymer enthalten sind.
Membran nach Anspruch 1, bei der biocompatible, hydrophile Polymere mit einer Molaren Masse von ≥ 50.000 g/mol enthalten sind.
Membran nach Anspruch 5, bei der biocompatible, hydrophile Polymere mit einer Molaren Masse von ≥ 200.000 g/mol enthalten sind
Verfahren zur Herstellung von Membranen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem bis zu 2,5 Ma.-% eines oder mehrerer oder in einem Copolymer enthaltene biocompatible, hydrophile Polymere mit einer Molaren Masse von ≥ 3000 g/mol homogen mit einer Cellulosexanthogenatlösung vermischt werden und daraus eine Membran hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem 1,0 bis 2,0 Ma.-% biocompatible, hydrophile Polymere mit der Cellulosexanthogenatlösung homogen vermischt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem als biocompatible, hydrophile Polymere Polyvinylpyrrolidone, Polyakryle, Polyurethane, Polyharnstoffe, Polyethylenglykole, Polypropylenglykole und/oder Polyvinylalkohole zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die biocompatiblen, hydrophilen Polymere als Feststoff oder als wässrige Lösung der Cellulosexanthogenatlösung zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die biocompatiblen, hydrophilen Polymere zu einem Copolymer verarbeitet der Cellulosexanthogenatlösung zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die biocompatiblen, hydrophilen Polymere zu einem Copolymer verarbeitet und mit Zusatzstoffen vorgemischt der Cellulosexanthogenatlösung zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem als Zusatzstoffe Porenbildner zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem als Porenbildner Polyol zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die homogene Mischung aus Cellulosexanthogenatlösung und den biocompatiblen, hydrophilen Polymeren vor der Membranherstellung einem Alterungsprozess unterworfen wird.