DE102020126542A1

DE102020126542A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Formung einer Kavität

Info

Publication number: DE102020126542A1
Application number: DE102020126542.5A
Authority: DE
Inventors: Felix Hesselmann; Niklas Steuer; Peter Schlanstein; Andreas Kaesler; Jannis Focke; Jutta Arens; Ulrich Steinseifer; Thomas Schmitz-Rode
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2021-08-19
Also published as: WO2021160397A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Formung einer durch ein erhärtetes Material (8) gebildeten Kavität in einem Gehäuse (1), insbesondere einer Kavität zur Blutführung in einem Gehäuse (1) einer Vorrichtung zum Stoffaustausch und/oder Energieaustausch zwischen Blut und einem weiteren Medium, vorzugsweise einem Gas, bei dem das mit dem härtbaren, in fließfähigem Zustand befindliche Material (8) teilweise gefüllte Gehäuse (1) in eine erste Bewegung versetzt wird, durch die wenigstens eine Kraft auf das fließfähige Material (8) ausgeübt wird, wobei eine Krafteinwirkung erfolgt, bis dass das Material (8) erhärtet ist, wobei während der ersten Bewegung, zumindest zeitweise mit dem Gehäuse (1) wenigstens eine weitere Bewegung durchgeführt wird, insbesondere um wenigstens eine weitere Kraft auf das fließfähige Material (8) auszuüben. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Formung einer durch ein erhärtetes Material gebildeten Kavität in einem Gehäuse, bei dem das mit dem härtbaren, in fließfähigem Zustand befindliche Material teilweise gefüllte Gehäuse in eine erste Bewegung versetzt wird, durch die wenigstens eine Kraft, oder Kräfte auf das fließfähige Material ausgeübt wird/werden, wobei eine Krafteinwirkung erfolgt, bis dass das Material erhärtet ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die ein Aufnahmeelement aufweist, welches mittels eines ersten Antriebes in eine erste Bewegung versetzbar ist, mit der wenigstens eine Kraft auf ein am Aufnahmeelement mittelbar und unmittelbar befestigtes Gehäuse und darin befindliches härtbares Material ausgeübt werden kann.
Grundsätzlich ist es im Stand der Technik bekannt, das innere Volumen eines Gehäuses mit einem fließfähigen härtbaren Material teilweise zu füllen und das Material in seiner Oberflächenform zu formen durch Ausübung von Kräften auf das Material mittels einer Bewegung des Gehäuses, wobei das Material während der Wirkung der formenden Kräfte erhärtet und hiernach seine Form beibehält. Durch die Verteilung des Materials im Gehäuse in einem durch das Gehäuse umgrenzten Volumen wirkt eine Kraft oder wirken jeweils Kräfte, insbesondere leicht unterschiedliche Kräfte, in verschiedenen Volumenbereichen auf das Material und formen dieses in der Oberfläche.
Die erzielte Form der Kavität oder Kammer im Gehäuse wird dann gebildet durch die nicht vom Material bedeckten inneren Gehäusewandbereiche und der im Inneren des Gehäuses durch die wenigstens eine Kraft geformten Oberfläche des Materials.
Von diesem Vorgehen wird z.B. Gebrauch gemacht, wenn die stoff- und/oder energiepermeablen Hohlfasern in Vorrichtungen für den Stoff- und/oder Energieaustausch zwischen zwei Medien, z.B. Blut und einem Fluid (z.B. Gas), vorzugsweise in sogenannten Oxygenatoren, verpottet werden. Als Verpotten wird dabei das Verbinden der Hohlfasern verstanden, insbesondere an deren beiden Endbereichen, wobei die Hohlfasern untereinander und mit der Gehäusewand mit einem fließfähigen härtbaren Material verbunden werden, z.B. einem Polyurethan oder einem Silikon.
Eine solche Verbindung kann stoffschlüssig sein und somit eine Verklebung ausbilden, insbesondere bei Verwendung von Polyurethan. Eine Verbindung kann aber auch nur ein formschlüssiges Auffüllen von Bereichen zwischen den Hohlfasern und/oder der Gehäusewand sein, z.B. bei Verwendung von Silikon.
In diesem bekannten Verfahren wird mit Erzeugung einer ersten und einzigen Bewegung wenigstens eine auf das Material wirkende Kraft erzeugt, insbesondere abgesehen von der dauerhaft wirkenden Gravitationskraft, wofür das mit dem fließfähigen Material, insbesondere auch mit den Hohlfasern, insbesondere einem Bündel oder Wickel von Hohlfasern befüllte Gehäuse um eine Rotationsachse rotiert, was auch als Zentrifugation bezeichnet wird. Hierdurch wird wenigstens eine Fliehkraft auf das Material ausgeübt. Diese ergibt sich aus der radial wirkenden Zentrifugalbeschleunigung multipliziert mit der Masse des Materials. Erzeugt wird hierdurch eine Oberflächenform des Materials, die im Wesentlichen zumindest teilzylindrisch um die Rotationsachse ausgebildet ist, insbesondere nur in einer Ebene eine Krümmung aufweist, insbesondere zumindest soweit die Gravitationskraft als vernachlässigbar angesehen wird. Ansonsten kann die Oberflächenform auch paraboloid sein.
Im bekannten Verfahren wird hierdurch erzielt, dass das fließfähige Material durch die Kapillarkräfte zwischen den Hohlfasern nicht in Richtung Gehäusemitte zieht, da die Fliehkräfte die Kapillarkräfte überkompensieren. Im bekannten Verfahren wird hierdurch zusätzlich erzielt, dass das fließfähige Material auch in zu füllende Zwischenräume zwischen den Hohlfasern, zwischen den Hohlfasern und der Gehäusewandung und in andere Zwischenräume gedrängt wird.
Grundsätzlich können beispielsweise die Hohlfasern zumindest im Wesentlichen mit ihrer Längsrichtung in radialer Richtung im Gehäuse, oder mit ihrer Längsrichtung quer zur radialen Richtung im Gehäuse, oder mit ihrer Längsrichtung in verschiedenen Lagen kreuzangeordnet quer zur radialen Richtung im Gehäuse angeordnet sein.
Eine Vorrichtung, um dieses Verfahren auszuführen, wird im Stand der Technik z.B. gebildet durch eine Zentrifuge mit einem Aufnahmeelement, z.B. einem Zentrifugenarm, an dem das gefüllte oder noch zu füllende Gehäuse befestigt ist oder zumindest befestigt werden kann, und mittels eines ersten Antriebes und im Stand der Technik einzigen Antriebes in eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse herum versetzbar ist, um so die auf das Gehäuse und das Material wirkende Fliehkraft bzw. Fliehkräfte zu erzeugen.
Im Stand der Technik, insbesondere auch bei der Erfindung erfolgt eine Krafteinwirkung solange, bis dass eine genügende Erhärtung des Materials stattgefunden hat. Im Stand der Technik ergibt sich die Krafteinwirkung nur durch die bei der Zentrifugation erzeugte Kraft bzw. erzeugten Kräfte.
In der Anwendung bei der Herstellung von Oxygenatoren oder anderen Vorrichtungen zum Stoffaustausch definiert die Oberflächenform des erhärteten Materials unter anderem, insbesondere zusammen mit nicht vom Material bedeckten Wandungsbereichen des Gehäuses, eine Kammer, in welcher der Blutfluss durch das Gehäuse und an den Hohlfasern vorbei stattfinden kann. Die geometrische Kammerdefinition ist daher durch das Zentrifugationsverfahren eingeschränkt, nämlich auf die bereits eingangs genannte bereichsweise teilzylindrische oder paraboloide Form, oder eine Form mit einer Krümmung in nur einer Ebene. Diese Form ist jedoch häufig nicht ideal in Bezug auf die Ausbildung bzw. die Vermeidung von Stagnationsgebieten oder Totwassergebieten.
Insbesondere können so nur Oberflächen des erhärteten Materials ausgebildet werden, deren Tangente am Übergang zur einer Gehäusewand einen vergleichsweise großen Winkel zur Gehäusewand einschließt. Daher bildet die Oberfläche im Übergangsbereich zur Gehäusewand einen vergleichsweise großen Winkel. Es können sich daher in solchen Übergangsgebieten Stagnationen des Blutes ergeben.
Die bereits eingangs genannte bereichsweise teilzylindrische Form, bzw. eine Form mit einer Krümmung in nur einer Ebene, ist häufig auch nicht ideal in Bezug auf die Ausbildung der Form der Kavität in Vorrichtungen für den Stoff- oder Energieaustausch, die eine Verteilung von flüssigem Medium, z.B. Blut, welches über einen Schlauch mit einem verhältnismäßig kleinen Querschnitt zugeführt wird, auf einen größeren Querschnitt nicht gut unterstützen kann und umgekehrt auch die Zusammenführung von einem größeren Querschnitt auf einen kleineren Querschnitt im Schlauch der Ableitung nicht gut unterstützen kann.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit denen von der teilzylindrischen Form oder in nur einer Ebene gekrümmten Formen abweichende Kavitätsformen im Gehäuse durch das erhärtete Material erzeugt werden können. Vorzugsweise sollen Oberflächenformen im erhärteten Material erzeugt werden, bei denen die Oberfläche sich zumindest im Wesentlichen asymptotisch an die Gehäusewand annähert. Vorzugsweise soll zumindest der Winkel zwischen der Oberfläche des Materials und der Gehäusewand gegenüber dem Stand der Technik verringert werden. Vorzugsweise sollen Formen von Kavitäten im erhärteten Material erzeugt werden, die eine Verteilung eines Fluids, vorzugsweise von Blut innerhalb des Bereiches mit Hohlfasern von einem kleineren Querschnitt im Schlauch auf einen größeren Querschnitt unterstützt und umgekehrt auch eine Zusammenführung.
Dabei ist die Erfindung nicht auf die genannte Anwendung bei Vorrichtungen für den Stoff- und/oder Energieaustausch zwischen zwei Medien, wie z.B. Blut und einem anderen Fluid, z.B. Gas beschränkt. Die Anwendung bei der Herstellung von Oxygenatoren ist hingegen bevorzugt, um die Kavitätsform im Gehäuse des Oxygenators universeller gestalten zu können und den Blutfluss hierdurch verbessern zu können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das mit dem härtbaren, sich in fließfähigem Zustand befindliche Material teilweise gefüllte Gehäuse in eine erste Bewegung versetzt wird, durch die wenigstens eine Kraft auf das fließfähige Material ausgeübt wird und weiterhin während der ersten Bewegung, zumindest zeitweise mit dem Gehäuse wenigstens eine weitere Bewegung durchgeführt wird, wobei eine Krafteinwirkung erfolgt, bis dass das Material erhärtet ist.
Vorzugsweise wird im Sinne der nachfolgend beschriebenen Erfindung das Material als erhärtet bezeichnet, wenn es nach einer Formung durch die wenigstens eine Kraft formstabil bleibt, selbst wenn die wenigstens eine wirkende Kraft entfällt. In diesem erhärteten Zustand der erzielten Formstabilität muss das Material nicht zwingend ausgehärtet sein, insbesondere also bei einer Polymerisation, welche die Erhärtung bewirkt, nicht vollständig durchpolymerisiert sein. Im formstabilen Zustand muss das Material also noch nicht chemisch „tot“ sein.
Die Aufgabe wird weiterhin auch gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei der ein Aufnahmeelement vorgesehen ist, das mittels eines ersten Antriebes in eine erste Bewegung versetzbar ist, wobei an dem Aufnahmeelement unmittelbar oder mittelbar, z.B. über das Gehäuse wenigstens eine weitere Antriebsanordnung befestigt ist, mit welcher ein an der weiteren Antriebsanordnung oder an dem Aufnahmeelement befestigbares Gehäuse zur Aufnahme von härtbarem Material während der ersten Bewegung mit wenigstens einer weiteren Bewegung bewegbar ist.
Dabei kann beim Verfahren und auch der Vorrichtung die erste Bewegung, wie zuvor als einzige Bewegung beim Stand der Technik beschrieben, eine Rotationsbewegung sein, dies ist für die Erfindung jedoch nicht zwingend. Das Aufnahmeelement kann also z.B. ein Zentrifugenarm oder Drehteller sein.
Grundsätzlich kann die erste und die wenigstens eine weitere Bewegung jegliche Bewegung sein, mit der jeweils wenigstens eine Kraft auf das Gehäuse und somit auf das darin befindliche Material während der Zeit oder während einem Teil der Zeit bis zum Erreichen des erhärteten Zustandes des Materials ausgeübt wird.
Vorzugsweise ist eine jeweilige eingesetzte Bewegung eine solche, die eine Beschleunigung des Materials erzeugt, so dass sich die jeweils wenigstens eine Kraft durch die wirkende Beschleunigung multipliziert mit der Masse des Materials ergibt. Dabei kann die von der Bewegung erzeugte wenigstens eine Kraft zumindest zeitweise wirken oder zumindest entlang einer Teilstrecke einer Bewegungstrajektorie des Gehäuses bei dieser betrachteten Bewegung wirken. Vorzugsweise wirkt die wenigstens eine Kraft während der gesamten Dauer der betrachteten Bewegung bzw. entlang der gesamten Trajektorie der betrachteten Bewegung.
Sofern nachfolgend Bewegungen näher charakterisiert werden, kann die charakterisierte Bewegung die vorgenannte erste und/oder wenigstens eine weitere Bewegung bilden.
Z.B. kann eine Bewegung eine Translationsbewegung sein, bei der sich eine Änderung des Geschwindigkeitsvektors des Gehäuses und des darin befindlichen Materials entlang des Translationsweges hinsichtlich Richtung und/oder Betrag des Geschwindigkeitsvektors ergibt.
Insbesondere bedeutet dies, dass nicht nur eine Änderung des Geschwindigkeitsbetrages, z.B. bei gleichbleibender Richtung, sondern auch eine Änderung der Richtung, z.B. bei gleichbleibender Geschwindigkeit auf der Translationstrajektorie eine Beschleunigung erzeugen kann.
In möglicher Ausgestaltung kann eine Translationsbewegung eine reversierende Translationsbewegung, also eine Hin- und Herbewegung zwischen zwei Umkehrpunkten an den Enden einer Translationstrajektorie sein. Die Trajektorie der Translation kann grundsätzlich beliebige Form annehmen.
Eine Translationsbewegung, insbesondere eine vorgenannte reversierende Translationsbewegung, kann vorzugsweise eine lineare Bewegung sein, d.h. die Trajektorie der Translation ist geradlinig erstreckt.
Eine Bewegung kann auch eine geschlossene Trajektorie ausbilden, insbesondere eine solche mit mehreren linearen Bereichen, die durch Bereiche einer Richtungsänderung des Gehäuses verbunden sind. Bewegungen mit einer Richtungsänderung können als wenigstens eine Rotationsbewegung um eine jeweilige Rotationsachse mit einem Winkel kleiner als 360 Grad verstanden werden.
Eine Bewegung entlang einer geschlossenen Trajektorie, insbesondere die eine Fläche umgrenzt, kann zumindest bereichsweise verstanden werden als die Überlagerung linearer Translationen und Rotationen. Die Bewegung entlang einer geschlossenen Trajektorie ist somit bereits eine erfindungsgemäße Überlagerung aus einer ersten und wenigstens einer zweiten Bewegung.
Eine andere mögliche Bewegung kann auch eine Rotationsbewegung des Gehäuses, insbesondere auch des darin befindlichen Materials um eine Rotationsachse sein, vorzugsweise über volle 360 Grad, insbesondere wiederholend, vorzugsweise periodisch wiederholend. Vorzugsweise kann dabei die Rotation mit gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit bzw. Bahngeschwindigkeit erfolgen. Es ergibt sich eine Radialbeschleunigung und die damit einhergehende wenigstens eine Zentrifugalkraft, die auf das Material wirkt. Die Erfindung kann auch eine zeitlich variierende Winkel-/Bahngeschwindigkeit vorsehen.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist es, dass durch die erfindungsgemäße Überlagerung von wenigstens zwei Bewegungen, insbesondere nicht gleichen Bewegungen, vorzugsweise wenigstens zwei jeweils artverschiedenen oder richtungsverschiedenen Bewegungen des Gehäuses die Formung der Kavität im Gehäuse nicht mehr auf eine Krümmung in nur einer Ebene, insbesondere auf die teilzylindrische oder paraboloide Form beschränkt ist.
Durch die Erfindung ergibt es sich, dass im Bezugssystem des Gehäuses bzw. des sich darin befindlichen Materials auf das Material, insbesondere an jedem Ort, zumindest zeitweise eine Kraft wirkt, die sich durch eine Überlagerung von Kräften ergibt, die jeweils von einer der Bewegungen erzeugt wird, insbesondere durch jeweils einen anderen Antrieb erzeugt ist. Bei überlagerten Rotationen mit zueinander senkrechten Rotationsachsen wären lediglich die Orte im Material auf und entlang einer der Rotationsachsen von der Kraftüberlagerung ausgenommen.
Diese durch Überlagerung erzeugte Kraft kann oder die erzeugten Kräfte können insbesondere abgesehen von einer Anfahrzeitspanne und/oder Abbremszeitspanne der Vorrichtung, zeitlich konstant sein, z.B. wenn die wenigstens zwei überlagerten Bewegungen gleichzeitig und ohne Änderung aufrechterhalten werden, insbesondere bis zum Erreichen des Aushärtungszeitpunktes.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass alle Bewegungen, insbesondere somit wenigstens eine hierdurch erzeugte überlagerte Kraft bis zum Erreichen des erhärteten Zustandes des im Gehäuse befindlichen Materials, insbesondere startend mit dem Zeitpunkt des Einfüllens des Materials in das Gehäuse oder startend mit dem Beginn zumindest einer der mehreren beschleunigten Bewegungen, fortwährend aufrechterhalten werden.
Die Erfindung kann aber auch vorsehen, dass von den wenigstens zwei Bewegungen, die auf das Gehäuse und das Material ausgeübt werden, insbesondere abgesehen von einer Anfahrzeitspanne und/oder Abbremszeitspanne der Vorrichtung wenigstens eine Bewegung zeitlich nicht konstant durchgeführt wird, insbesondere somit die von der Bewegung erzeugte Beschleunigung nicht gleichförmig ist.
Z.B. kann bei einer Rotationsbewegung die Winkelgeschwindigkeit bei fortwährender Rotation geändert oder die Rotation an und abgeschaltet werden. Bei einer Translationsbewegung, kann z.B. der Betrag der Beschleunigung geändert werden. Diese Beschleunigung kann z.B. nicht gleichförmig sein, z.B. durch Reversion der Translation in Umkehrpunkten.
Die Erfindung kann vorsehen, dass wenigstens eine der überlagerten Bewegungen ein sich wiederholendes Bewegungsmuster enthält. Ein Bewegungsmuster kann zumindest zeitweise auch eine Geschwindigkeit mit dem Betrag „Null“ umfassen. Erfindungsgemäß kann es somit vorgesehen sein, dass das Gehäuse mit dem Material ein erstes Bewegungsmuster ausführt, während es gleichzeitig wenigstens ein zweites anderes Bewegungsmuster durchführt.
Bei wenigstens zwei, insbesondere z.B. genau zwei überlagerten Bewegungen kann eine zeitlich konstant und die anderen zeitlich variierend durchgeführt werden. Ebenso können alle bzw. beide Bewegungen zeitlich variierend oder zeitlich konstant durchgeführt werden, insbesondere jeweils abgesehen von einer Anfahrzeitspanne und/oder Abbremszeitspanne der Vorrichtung.
Die Erfindung kann vorsehen, während des Zeitraumes der Erhärtung, insbesondere startend mit dem Zeitpunkt des Einfüllens des Materials in das Gehäuse oder startend mit dem Beginn zumindest einer der mehreren Bewegungen, zeitweise eine oder mehrere Bewegungen zu wenigstens einer während des Zeitraumes dauerhaft stattfindenden oder ebenso zeitlich variierenden Bewegung zu- oder abzuschalten. Die Überlagerung der Bewegungen liegt somit dann nur zeitweise vor, ggfs. mehrfach während des Zeitraumes wiederkehrend vor.
Die Erfindung sieht, wie eingangs genannt, vor, dass eine Krafteinwirkung auf das Material erfolgt, bis dass eine Erhärtung des Materials stattgefunden hat. Die Krafteinwirkung kann erfindungsgemäß durch die wenigstens eine Kraft erfolgen, die durch wenigstens eine der Bewegungen erzeugt wird, vorzugsweise erfolgt die Krafteinwirkung durch die wenigstens eine Kraft, die durch eine Überlagerung der Kräfte gebildet wird, die durch wenigstens zwei gleichzeitig stattfindende Bewegungen erzeugt werden.
Es besteht mit der Vielzahl der vorbenannten Bewegungsformen, insbesondere der Formen zeitlicher und geometrischer Art, so die Möglichkeit, die Kavität mit größerer Gestaltungsvielfalt zu formen im Vergleich zum Stand der Technik.
Das An- und/oder Abschalten wenigstens einer Bewegung oder das Vorhandensein einer zeitlich nicht konstanten Beschleunigung in einer oder mehreren der überlagerten Bewegungen kann bewirken, dass das Material während der Erhärtungszeit nicht einer konstanten Kraft oder konstanten Kräften, sondern zeitlich variierenden Kräften ausgesetzt ist.
Z.B. kann das Material hierbei, beispielsweise nach einem ersten Ansteifen, durch Änderung der wirkenden Kraft vor dem endgültigen Aushärten aus einer zwischenzeitig erzielten Form umgeformt werden, insbesondere so dass sich eine andere Form der Kavität ergibt im Vergleich zu dem Fall, dass alle formenden Kräfte gleichzeitig und kontinuierlich wirken.
Die Erfindung kann auch vorsehen, durch unterschiedlich einstellbare und/oder wählbare Aushärtungszeiten des Materials die resultierende Form der Kavität zu beeinflussen.
Die Erfindung kann vorsehen, dass von den wenigstens zwei überlagerten Bewegungen alle Bewegungen sich periodisch wiederholende Bewegungen sind. Periodisch sich wiederholende Bewegungen liegen z.B. vor bei Rotationsbewegungen um volle 360 Grad oder auch bei reversierenden Translationsbewegungen oder Translationen mit geschlossener Trajektorie. Aufgrund der Periodizität ist der Zeitpunkt der erzielten Erhärtung bei solchen Bewegungen eher unkritisch.
Ebenso ist es möglich, die zeitliche Dauer einer nicht periodischen Bewegung, z.B. einer Translationsbewegung anzupassen an die Zeit, die das Material zur Erhärtung benötigt, oder umgekehrt die Zeit der benötigten Erhärtung anzupassen an die Dauer einer nicht periodischen Bewegung.
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, die Anpassung so vorzunehmen, dass eine Erhärtung erfolgt ist, bevor die nicht periodische Bewegung, z.B. die Translation beendet ist. Eine notwendige Reversion einer Translation oder die Translation entlang einer geschlossenen Trajektorie kann so z.B. vermieden werden.
Die Erfindung kann vorsehen, eine Härtung des Material getriggert zu initiieren oder getriggert zu beschleunigen, z.B. um eine Erhärtung zu einem gewünschten Zeitpunkt oder zu einer bestimmten Bewegungssituation mit Sicherheit erzielt zu haben, z.B. während einer nicht periodischen Bewegung vor dem Ende dieser Bewegung. Hierfür kann es vorgesehen sein, auf das Material eine die Härtung auslösende oder beschleunigende Maßnahme auszuüben. Dies kann z.B. die getriggerte Zuführung einer zum Material zweiten Härterkomponente sein oder auch die getriggerte Beleuchtung mit härtender Strahlung, z.B. UV-Licht. Dafür können z.B. an der Vorrichtung das Gehäuse beleuchtende UV-LEDs angeordnet sein, die getriggert geschaltet werden können.
Insbesondere in Verbindung mit linearen Translationen als eine der überlagerten Bewegungen, deren Richtung sich um einen vorbestimmten Winkel ändert, z.B. um 180 Grad bei reversierenden linearen Translationen kann es die Erfindung vorsehen, dass vor und oder während der Richtungsänderung, wodurch sich der Richtungsvektor des Gehäuses bzgl. der linearen Translation ändert, z.B. um 180 Grad umkehrt, das Gehäuse mit dem zu härtenden Material, insbesondere um eine das Gehäuse durchquerende Achse, um denselben Winkel, z.B. um 180 Grad rotiert wird. Hierdurch wird erreicht, dass das Material bezüglich des Richtungsvektors der linearen Translation beidseits der Orte, an denen die Richtungsänderung stattfindet, gleiche Orientierung hat.
Im Sinne der Erfindung kann hier die lineare Translation zwischen den Orten der Richtungsänderung als eine der überlagerten Bewegungen verstanden werden und die Rotation um den Winkel am Ort der Richtungsänderung oder in einem Bereich um den Ort der Richtungsänderung herum als eine andere Bewegung.
In einem möglichen Beispiel kann es die Erfindung vorsehen, dass mit der ersten und der wenigstens einen weiteren Bewegung wenigstens zwei, insbesondere genau zwei Translationen des Gehäuses entlang verschiedener linearer Richtungen überlagert werden, wobei mit jeder Translation das Material im Gehäuse beschleunigt wird. Die Erfindung kann vorsehen, dass eine oder mehrere der Translationen reversierend sind. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass sich durch die wenigstens zwei Translationen eine in sich geschlossenen Trajektorie der Bewegung des Gehäuses ergibt.
Ebenso kann es vorgesehen sein, dass mit der ersten und der wenigstens einen weiteren Bewegung wenigstens eine, insbesondere genau eine Translation, z.B. eine reversierende Translation und wenigstens eine, insbesondere genau eine Rotation um eine Rotationsachse überlagert werden.
Wie zuvor erwähnt, kann es allgemein eine Ausführung vorsehen, zwischen mehreren Translationen, zwischen denen in einem Bewegungsbereich der Richtungsänderung die Translationsrichtung um einen Winkel geändert wird durch Rotation des Gehäuses, vorzugsweise um eine Rotationsachse senkrecht zu einer Ebene, in der alle Translationsrichtungen liegen, insbesondere innerhalb des genannten Bewegungsbereiches der Richtungsänderung, die Gehäuseorientierung um denselben Winkel zu ändern.
Eine besonders bevorzugte Ausführung kann es vorsehen, dass mit der ersten und der wenigstens einen weiteren Bewegung wenigstens zwei, insbesondere genau zwei Rotationen um verschiedene Rotationsachsen überlagert werden. Diese letztgenannte Ausführung hat den Vorteil, dass die aus der Überlagerung resultierende Kraft oder die resultierenden Kräfte, die auf das Material wirken, während der Zeitdauer bis zur Erhärtung konstant gehalten werden kann.
Die Erfindung kann auch vorsehen, dass einem Gehäuse zusätzlich zu wenigstens zwei Bewegungen, die durch Beschleunigung Kräfte auf das Material ausüben, auch noch wenigstens eine gleichförmige Bewegung, insbesondere lineare Translation aufgeprägt wird.
Allgemein kann die Erfindung bei allen überlagerten Bewegungen, insbesondere bei denen wenigstens eine Bewegung eine Rotationsbewegung ist, vorsehen, dass eine vorliegende Beschleunigung während der Durchführung des Verfahrens geändert wird, insbesondere innerhalb des Zeitraums bis zur Erhärtung des Materials, vorzugsweise wobei der Zeitraum startet vom Zeitpunkt des Einfüllens in das Gehäuse oder dem Start einer ersten Bewegung. Dies kann bei einer Rotationsbewegung z.B. erfolgen über eine Änderung der Winkelgeschwindigkeit der Rotation während dieses Zeitraumes oder bei einer Translation durch Änderung des Betrags der linearen Beschleunigung.
In der bevorzugten Ausführung der Überlagerung von zwei Rotationsbewegungen des Gehäuses um verschiedene Rotationsachsen kann die Erfindung weiter bevorzugt vorsehen, dass die beiden Rotationsachsen unter einem Winkel von 90 Grad sich schneidend orientiert sind, oder unter einem Winkel von 90 Grad sich nicht schneidend orientiert sind, oder unter einem Winkel ungleich Null Grad und ungleich 90 Grad sich schneidend orientiert sind, oder unter einem Winkel ungleich Null Grad und ungleich 90 Grad sich nicht schneidend orientiert sind.
Sofern wenigstens eine Rotationsbewegung in der Überlagerung vorkommt, kann es die Erfindung weiterhin vorzugsweise vorsehen, dass das Gehäuse, insbesondere hinsichtlich seines inneren Volumens, bezüglich einer Rotationsachse, insbesondere bzgl. einer von zwei Rotationsachsen rotationssymmetrisch oder zumindest n-zählig drehsymmetrisch ausgebildet ist. Dies ist besonders vorteilhaft, um Unwuchten im rotierenden System zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Alternativ kann es bei jeglicher Gehäuseform vorgesehen sein, die jeweilige Rotationsbewegung durch zusätzliche Gewichte auszuwuchten.
Ebenso kann es allgemein vorgesehen sein, bei wenigstens einer in der Überlagerung vorgesehenen Rotationsbewegung, dass bzgl. der jeweiligen Rotationsachse dieser Bewegung die Anordnung von mehreren Gehäusen, in denen gleichzeitig das Material der überlagerten Beschleunigung ausgesetzt ist, symmetrisch ausgebildet ist. Z.B. können um die Rotationsachse n Gehäuse mit einem Winkelabstand von 360 Grad / n angeordnet sein.
Es kann auch vorgesehen sein, dass in einer Vorrichtung an dem Aufnahmeelement in gleichmäßiger Winkelteilung um die Rotationsachse herum wenigstens zwei weitere Antriebsanordnungen befestigt sind, insbesondere mit denen jeweils ein Gehäuse einer beschleunigten Bewegung ausgesetzt wird.
Die Erfindung kann vorsehen, dass die Rotationsachse, insbesondere eine von wenigstens zwei Rotationsachsen das Gehäuse, insbesondere dessen inneres Volumen schneidet, vorzugsweise die Rotationsachse durch den Mittelpunkt des Gehäuses/Volumens führt oder kollinear zur Mittenachse des Gehäuses/Volumens ist. Hierdurch kann erzielt werden, dass im erhärteten Material eine um die Rotationsachse um 360 Grad erstreckte Mantelfläche im Material erzeugt wird.
Grundsätzlich kann die Erfindung vorsehen, dass das Gehäuse mit einem härtbaren Material im fließfähigen Zustand gefüllt und hiernach in einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens befestigt wird. Dies wäre jedoch in der bevorzugten Anwendung bei Stoffaustauschvorrichtungen nachteilig, weil bei Montage in der Vorrichtung der von Material freizuhaltende Bereich mit dem Material unerwünscht benetzt werden könnte.
In bevorzugter Ausführung kann es daher vorgesehen sein, dass das Gehäuse erst nach der Montage in der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit dem härtbaren Material befüllt wird.
Allgemein kann die Befüllung des Gehäuses mit dem fließfähigen Material vor oder während der Durchführung wenigstens einer der Bewegungen, vorzugsweise aller Bewegungen, aus einem Reservoir, insbesondere der Vorrichtung, erfolgen.
Dabei kann es z.B. vorgesehen sein, dass die Überführung durch ein Signal und/oder in Abhängigkeit vom Erreichen eines vorbestimmten Bewegungszustandes des Gehäuses ausgelöst wird.
Ein auslösendes Signal kann z.B. durch einen Nutzer erzeugt werden oder durch eine Elektronik der Vorrichtung, z.B. in Abhängigkeit eines vorbestimmten Bewegungszustandes.
Das Erreichen eines vorbestimmten Bewegungszustandes kann also z.B. das Auslösesignal erzeugen, aber grundsätzlich auch passiv, insbesondere ohne Erzeugung eines Signals, die Befüllung auslösen, z.B. mechanisch bei Erreichen einer vorbestimmten Beschleunigung, insbesondere direkt durch die Beschleunigung oder bei Erreichen einer bestimmten mit der Bewegung erzeugten Kraft. Z.B. kann durch wenigstens eine der Bewegungen eine Kraft auf das Material im Reservoir oder ein das Material verlagerndes Element ausgeübt werden, welche die Überführung in das Gehäuse bewirkt.
Das Reservoir kann in möglicher Ausführung z.B. im oder am Gehäuse angeordnet sein und mit diesem mitbewegt werden. Eine Überführung kann so direkt durch eine auf das Material wirkende Kraft bewirkt werden oder durch eine Kraft bewirkt werden, die auf ein mit der Kraft bewegbares Element wirkt, welches durch seine Bewegung das Material in das Gehäuse hinein verlagert. Ein solches Element kann z.B. ein Kolben im oder am Reservoir sein, dessen Verlagerung das Material aus dem Reservoir in das Gehäuse drückt.
Die Erfindung kann vorsehen, dass das Reservoir zentrisch um eine Rotationsachse herum angeordnet ist, um welche eine der Bewegungen ausgeführt wird. Insbesondere kann so durch Fliehkräfte das Material, vorzugsweise von radial außen, in das Gehäuse überführt werden. Insbesondere kann dafür der zu füllende Bereich des Gehäuses im Vergleich zum Reservoir einen größeren Radialabstand zur Rotationssachse aufweisen. Das Reservoir kann dabei mit einem radialen und/oder axialen Abstand zum Gehäuse oder zumindest zu dessen zu füllenden Bereich und/oder im Gehäuse angeordnet sein. Bei einem Oxygenator mit einem hohlen Kernelement, welches die Hohlfasern um sich herum aufweist, kann das Reservoir z.B. im hohlen Bereich des Kernelementes angeordnet ein.
Wie eingangs erwähnt, dient das Verfahren vorzugsweise dazu, eine Vorrichtung für den Stoff- und/oder Energieaustausch zwischen zwei Medien herzustellen, insbesondere eine Oxygenatorvorrichtung herzustellen, wobei das Vergießen der Hohlfasern in dem Gehäuse, in welchem der Stoffaustausch zwischen Blut und einem Gas stattfindet, durch dieses erfindungsgemäße Verfahren erfolgt.
Es ist daher bevorzugt vorgesehen, dass in dem Gehäuse, vorzugsweise bereits vor dessen Befüllung mit dem härtbaren Material, ein Paket aus stoffpermeablen und/oder energiepermeablen Hohlfasern angeordnet wird, bzw. ist, wobei zumindest ein Teil von deren axialen Enden in das härtende Material eingebettet wird. Ein solches Paket kann wenigstens eine gefaltete oder gewickelte, insbesondere auf ein Kernelement gewickelte Matte mit Hohlfasern umfassen.
Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann es weiterhin vorgesehen sein, dass eine jeweilige Antriebsanordnung zur Erzeugung einer weiteren Beschleunigung eine rotierbare Aufnahme, insbesondere eine Drehwelle aufweist, an welcher ein Gehäuse zur Aufnahme des härtbaren Materials befestigbar ist. Bei einer Ausführung als Drehwelle kann das Gehäuse an dem bezüglich der Rotationsachse radial innenliegenden Ende und/oder am radial außenliegenden Ende der Drehwelle befestigbar sein.
Weiterhin kann das bezüglich der Rotationsachse einer ersten Bewegung radial innenliegende Ende der Drehwelle in einem Abstand zur genannten Rotationsachse enden, insbesondere wobei das Gehäuse an dem innenliegenden Ende der Drehwelle befestigbar ist und die Rotationsachse das Gehäuse, vorzugsweise dessen Mittelpunkt, im befestigten Zustand schneidet.
Wenn auch die Achse einer weiteren Rotationsbewegung das Gehäuse schneidet, so kann das Gehäuse auch sphärisch um einen Mittelpunkt im inneren Volumen des Gehäuses gedreht werden.
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Figuren beschrieben.
1 zeigt eine erste Ausführungsform, in welcher zwei Rotationsbewegungen um jeweils verschiedene Achsen bei der Bewegung des zylindrischen, vorzugsweise kreiszylindrischen Gehäuses 1 überlagert werden. Im vorliegenden Fall sind beide Rotationsachsen A1 und A2 senkrecht zueinander orientiert und schneiden sich im Punkt S.
Soweit in der Figurenbeschreibung Gehäuseformen beschrieben werden, beziehen sich diese auch auf die Formen des vom Gehäuse umgebenen inneren Volumens.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist hier ein Aufnahmeelement 2 auf, welches als ein Drehteller 2 ausgebildet ist, der um die Rotationsachse A1 mit einem nur schematisch angedeuteten Antrieb 3 rotiert werden kann. An dem Drehteller 2 ist eine weitere Antriebsanordnung 4 befestigt. Diese umfasst einen Antrieb 5, eine in zwei Lagern 6 gelagerte Drehwelle 7, die über einen Riemen 5a vom Antrieb 5 in Rotation um die Achse A2 versetzt werden kann.
Am radial (bzgl. A2) innenliegenden Ende der Drehwelle 7, welches beabstandet zur Achse A1 endet, ist das Gehäuse 1 befestigt. Der Schnittpunkt S beider Achsen A1 und A2 liegt somit im Gehäusevolumen, vorteilhafterweise zentrisch in diesem.
Gegenüberliegend zur Antriebsanordnung 4 ist eine weitere identische Antriebsanordnung auf dem Drehteller 2 befestigt, die in dieser Ausführung nicht für die Rotation eines Gehäuses zum Einsatz kommt, daher auch entfallen könnte, führt aber vorteilhafterweise zumindest zu einem Unwuchtausgleich. Die weitere identische Antriebsanordnung kann vorteilhafterweise auch angetrieben sein, um einen Drehmomentausgleich zu der bewegten Welle 7 mit dem Gehäuse 1 zu bilden.
Die 2 zeigt in einer geschnittenen Ansicht die Verteilung des fließfähigen Materials im zylindrischen Volumen des Gehäuses 1, die sich aufgrund der wirkenden Kräfte in der Überlagerung stationär ergibt, wenn das Gehäuse 1 mit der Vorrichtung der 1 um die Achsen A1 und A2 gleichzeitig rotiert wird. Das Material ist beidseits der Achse A1 mit einem Abstand angeordnet und um die Achse A2 um volle 360 Grad verteilt. Hierdurch ergeben sich um die Achse A1 einander gegenüberliegende jeweils schalenförmige, zum Schnittpunkt S der Achsen konkave Oberflächen.
An den Übergängen zwischen der Oberfläche des Materials 8 und der Gehäuseinnenwandung ist der Kontaktwinkel gegenüber dem Stand der Technik deutlich verkleinert. Insbesondere kann sich die Oberfläche des Materials 8 dort asymptotisch an die Gehäuseinnenwand angenähert haben. Als Kontaktwinkel wird vorzugsweise der Winkel verstanden, den die Tangente an der Materialoberfläche am Ort des Übergangs zum Gehäuse mit der vom Material überdeckten Gehäusewand einschließt.
Die Erfindung kann vorsehen, dass die Rotation um beide Achsen solange aufrecht erhalten bleibt, insbesondere mit konstant bleibender Winkelgeschwindigkeit, bis dass das Material 8 erhärtet ist und somit die Oberflächenform stabil bestehen bleibt.
Die 2a zeigt eine mögliche Ausbildung eines mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den 1 und 2 hergestellten Oxygenators, bei dem die Hohlfasern 9 mit in das Material 8 eingebunden wurden. Ein zentrischer Bereich um die Zylinderachse Z wird koaxial innen zur Blutzuführung und koaxial außen zur Blutabführung genutzt. Diese Blutführung kann in einem hohlen Kernelement 10 erfolgen, welches außen um sich herum die Hohlfasern 9 trägt, z.B. als Wickel wenigstens einer die Hohlfasern 9 umfassenden Matte. Kernelement 10 und darum angeordnete Hohlfasern 9 werden dafür bei der Verfahrensdurchführung im Gehäuse 1 angeordnet. Es zeigt sich hier deutlich, dass der Verlauf der im Material 8 gebildeten Oberfläche an den Blutstrom angepasst ist, der durch die Pfeile in der Figur visualisiert ist. Insbesondere im hier unteren Bereich kann der Verlauf der Materialoberfläche mit seiner Krümmung zumindest im Wesentlichen stetig übergehen in die Krümmung an der inneren axial endseitigen Oberfläche der Blutauslassöffnung im Kernelement 10.
3 zeigt eine Ausführung der Vorrichtung, die schon in 1 gezeigt ist, wobei das zu bewegende Gehäuse 1 so angeordnet ist, dass der Schnittpunkt S der Achsen außerhalb des Gehäuses 1 liegt. Dafür ist das Gehäuse 1 am radial äußeren Ende der Drehwelle 7 befestigt.
Wie auch bei der 1, erzeugt die Rotation um die Achsen A1 und A2 eine jeweilige Radialbeschleunigung bzgl. dieser Achsen und damit einhergehende Fliehkräfte, die auf das im Gehäuse 1 befindliche Material 8 wirken.
Zur Vermeidung von Unwuchten und für einen Drehmomentausgleich ist die Antriebsanordnung 4 gespiegelt um die Achse A1 nochmals angeordnet. Es werden somit zwei sich um die Achse A1 gegenüberliegenden Gehäuse 1 gleichzeitig um beide Achsen A1 und A2 rotiert und hierdurch das jeweils darin befindliche Material 8 beschleunigt.
Die 4 zeigt rechtsseitig in einer Schnittdarstellung die sich im Gehäuse 1 ergebende Oberfläche des Materials 8, insbesondere wenn beide Rotationen mit konstant bleibender Winkelgeschwindigkeit ausgeführt werden. Das Material 8 wird radial nach außen beschleunigt und verteilt sich um die Achse A2 um volle 360 Grad, bildet damit zum Inneren des Gehäuses bzw. des Schnittpunktes S der Achsen eine konkave Schalenform, insbesondere also eine Oberflächenkrümmung in zwei Ebenen. Bei einer Durchführung des Verfahrens kann nur das radial außenliegenden Gehäuseende mit der Oberflächenform des Materials 8 versehen werden. Für die Behandlung des anderen Endes muss das Verfahren mit um 180 Grad gedrehtem Gehäuse wiederholt werden.
Die 5 zeigt eine Ausführung mit derselben Vorrichtung der 3, wobei hier das Gehäuse 1 keine zylindrische Form aufweist, sondern quaderförmig ist.
Es kann allgemein bei der Erfindung vorgesehen sein, eine Symmetrieebene des Gehäuses bei der Durchführung des Verfahrens gegenüber einer Rotationsachse zu verkippen.
Hier ist, wie sich aus 4 im linken Bereich erkennen lässt, eine Mittenebene des quaderförmigen Gehäuses 1, die mittig die kurzen Kanten des Gehäuses schneidet, gegenüber der Rotationsachse A2 um einen Winkel α verkippt. Es ergibt sich dadurch eine nicht symmetrische Schalenanordnung des Materials 8 im Gehäuse 1, wie es links in der 4 dargestellt ist.
Durch nochmalige Behandlung des zweiten Gehäuseendes kann z.B. eine Oxygenatorvorrichtung hergestellt werden, welche in den 6a und 6b dargestellt ist. Das in den beiden separaten Behandlungen erhärtete Material ist in den 6a, 6b unterschiedlich schraffiert dargestellt. Insbesondere wird für diese nochmalige Behandlung das Gehäuse 1 um 180 Grad umgeklappt um eine Achse, die durch den Schnittpunkt der Achsen A1 und A2 verläuft, senkrecht ist zu der um den Winkel α zur Achse A2 verkippten Achse K und die kurzen Kanten des Quaders mittig schneidet.
Allgemein werden zur Herstellung eines Oxygenators oder sonstiger Stoffaustauschvorrichtung in das Gehäuse bei der Durchführung des Verfahrens Hohlfasern 9 angeordnet. Besonders 6b zeigt, dass der Oberflächenverlauf der im Material 8 gebildeten Schale bzgl. der Mittenebene unsymmetrisch ausgebildet ist. So kann der Schalenverlauf z.B. an die durch die Pfeile visualisierte Blutstromrichtung angepasst werden. Durch die gestrichelten Linien wird der durch das erfindungsgemäße Verfahren realisierte Kavitätsverlauf dargestellt, der sich im erhärteten Material konkret ausbildet.
7 visualisiert die Möglichkeit, das quaderförmige Gehäuse 1 analog zur 1 so anzuordnen, dass der Achsenschnittpunkt S im Gehäusevolumen liegt.
Auch hier kann die vorbeschriebene Mittenebene des Gehäuses 1 zur Achse A2 um einen Winkel α verkippt sein. Die 7a verdeutlich einerseits die Verkippung und andererseits die resultierende Form des Materials 8 im Gehäuse 1. Die 7b und 7c zeigen die Form gemäß 7a in weiteren Ansichten. Zusätzlich zeigt 7c die mögliche Anordnung von einem Einlass E und einem Auslass A. Dabei können sich die Deckel des Gehäuses an die Verpottung anschmiegen.
Die 1, 3, 5 und 7 visualisieren Ausführungen, in denen für die zwei zu überlagernden Rotationen zwei vorzugsweise unabhängige Antriebe 4 verwendet werden. Die Erfindung kann allgemein, also nicht nur bei Rotationen, auch vorsehen, die Antriebe, die zur Erzeugung der zu überlagernden Bewegung eingesetzt sind, aneinander zu koppeln, so dass wenigstens ein Antrieb die vom ihm erzeugte Bewegung in Abhängigkeit der von einem anderen Antrieb erzeugte Bewegung bewirkt. Z.B. können gekoppelte Antriebe über ein Getriebe gekoppelt sein.
In einer nicht gezeigten Zentrifugenanordnung, ähnlich der gemäß den 1, 3, 5 und 7, kann es z.B. vorgesehen sein, dass mit einem Antrieb, hier der symbolisierte Antrieb 3 der genannten Figuren, eine erste Rotation um die Achse A1 erzeugt wird. Statt der gezeigten Antriebe 4 kann ein weiterer Antrieb durch ein Laufrad gebildet sein, dessen Rotation um seine Achse in die zweite Rotation um die Rotationsachse A2 umgesetzt wird, z.B. mittels eines Getriebes. Das die zweite Rotation antreibende Laufrad kann z.B. so angeordnet sein, beispielsweise am äußeren radialen Ende eines Zentrifugenarmes, dass es auf einer kreisförmig um die Rotationsachse A2 in einem Abstand angeordneten Laufbahn abrollt. Die Achse des Laufrades kann z.B. parallel oder auch senkrecht zur Rotationsachse A1 orientiert sein. Im Wesentlichen ist die Orientierung der Achse des Laufrades abhängig von der Orientierung der Fläche der Laufbahn relativ zur Rotationsachse A1. Das Abrollen erfolgt demnach nur bei einer vorliegenden Rotation dieser Anordnung um die Achse A1.
8 zeigt einen hergestellten Oxygenator mit Hohlfasern 9 um einen hohlen Kern 10 in einem Gehäuse 1, bei dem am hier unten liegenden Ende des Gehäuses 1 das Material 8 durch Überlagerung zweier Rotationen geformt wurde, insbesondere mit einer Vorrichtung gemäß 3 oder gemäß 1, wenn das fließfähige Material während der überlagerten Bewegung nur an einem der axialen Enden in das Gehäuse 1 zugeführt wurde. Das hier oben dargestellte Ende kann in einem zweiten Schritt der Verpottung mit nur einem wirkenden Beschleunigungsfeld erzeugt werden, z.B. durch die Wirkung einer Zentrifugation in der Vorrichtung der 3 bei Rotation nur um die Achse A1, insbesondere mit einem sehr großen Radius. Anhand der Pfeile ist der Blutfluss gekennzeichnet, was gut belegt, dass die im Material 8 erzielten Krümmungen gut an den Blutfluss angepasst sind.
9 zeigt eine Ausführung eines Oxygenators im Schnitt, bei dem die entstehende Kavität durch die Überlagerung zweier Rotationen erzeugt ist, wie in einer Anordnung in 1 und 2. Im Gegensatz zu 2 wurde zur Herstellung, insbesondere bei gleichem Volumen des Gehäuses, ein Anteil an Vergussmasse, insbesondere in dem Vergleich ein größerer Anteil an Vergussmasse hinzugeführt, so dass auch die Außenwandung vollständig benetzt ist und die verbleibende innere Kavität entsteht, insbesondere in dem Vergleich kleiner ist. Alternativ oder auch kumulativ mit dem Vorgenannten kann es vorgesehen sein, dass die Winkelgeschwindigkeit um die Rotationsachse A2 größer ist als die Winkelgeschwindigkeit um die Rotationsachse A1. Auch hier ist der Blutfluss durch die Pfeile dargestellt.
10 zeigt ohne weitere Darstellung der Vorrichtung die Möglichkeit, dass die beiden unter 90 Grad orientierten Rotationsachse A1 und A2 mit einem Abstand b, also nicht schneidend, verlaufen.
11 wandelt die Ausführung der 10 noch dahingehend weiter ab, dass der Achswinkel zwischen A1 und A2 um den Winkel β von 90 Grad abweichend ist.
Gemäß 12 sind die beiden Rotationsachsen zwar schneidend, aber im Winkel α_xy ungleich, hier kleiner 90 Grad zueinander orientiert.
Die nachfolgenden Figuren visualisieren Möglichkeiten, translatorische Bewegungen und Rotationen zumindest zeitweise zu überlagern.
13 zeigt eine reversierende lineare translatorische Bewegung des Gehäuses 1 mit Material 8 entlang der Strecke I mit endseitigen Umkehrpunkten. Die Bewegung von links nach rechts ist oben und die Bewegung von rechts nach links unten dargestellt. Beide Bewegungen erfolgen aber auf derselben Trajektorie. In einem Bereich um die Mitte der Strecke I, in welcher die positive Beschleunigung und die negative Beschleunigung in der translatorischen Bewegung einander abwechseln, also hier in den Zeitintervallen t2 ± 5t und t4 ± 5t wird das Gehäuse um 180 Grad rotiert. Durch die Rotation wird bewirkt, dass das Material 8 beidseits der Streckenmitte bezogen auf das Gehäuse 1 immer in Richtung zu demselben Gehäuseende beschleunigt wird.
Im Sinne der Erfindung ist die erste Bewegung die Translation entlang der Strecke I. Die zweite Bewegung ist die Rotation, die in dieser Ausführung nur zeitweise durchgeführt wird, nämlich im örtlichen Bereich um die Streckenmitte herum, bzw. um den zeitlichen Nulldurchgang der Beschleunigung herum bei t2 bzw. t4.
Diese Ausführung der Überlagerung von zwei Bewegungen, von denen eine nur zeitweise während der anderen durchgeführt wird, erschließt die Möglichkeit, an einem Gehäuseende eine plane Materialoberfläche zu gestalten. Vorzugsweise wird sichergestellt, dass eine Aushärtung des Materials 8 zu Zeiten erfolgt, in denen das Gehäuse 1 nur rein translatorisch bewegt ist. Die Erfindung kann vorsehen, mit Änderung der Viskosität bei der Aushärtung des Materials 8 die Rotationsgeschwindigkeit zu ändern, insbesondere mit zunehmender Aushärtung zu vergrößern, da die Rotationsbeschleunigung mit zunehmender Aushärtung weniger Auswirkung auf die Oberfläche hat und die Zeit der reinen linearen Translation hierdurch verlängert wird.
Die 14 zeigt eine Ausführung, bei welcher das Gehäuse 1 mit Material 8 um eine das Gehäuse schneidende Achse A1 rotiert wird, die parallel zur Strecke I liegt und gleichzeitig entlang der Strecke I beschleunigt, insbesondere gleichförmig beschleunigt linear translatiert wird. Die Ausführung setzt voraus, dass am Ende der Strecke I das Material 8 erhärtet ist. Ein nach der Strecke I kommender Abbremsbereich ist nicht visualisiert und hat auf das erhärtete Material 8 keinen Einfluss mehr. Rotation und Translation sind hier während der gesamten Zeit zwischen t1 und t3 gleichzeitig durchgeführt.
15 zeigt eine Ausführung, bei der drei Bewegungen des Gehäuses 1 überlagert sind. Es handelt sich dabei um eine Rotation des Gehäuses 1 um seine Mittenlängsachse A1 und eine gleichzeitige Rotation des Gehäuses 1 mit einem radialen Abstand um die Achse A2. Weiterhin wird das Gehäuse 1 gleichzeitig entlang der Rotationsachse A2 linear translatiert. Hierdurch ergibt sich eine effektive spiralförmige Gesamtbewegung des Gehäuses entlang der Spirale S bei gleichzeitiger Rotation um die Gehäuselängsachse A1. Die lineare Translation entlang der Rotationsachse A2 ist vorzugsweise eine nicht beschleunigte Bewegung, also gleichförmige Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit. Die Ausführung gleicht grundsätzlich in der Wirkung der Ausführung gemäß 2, wobei die Kreisbahn des Gehäuses um die Achse A2 nicht in sich geschlossen ist. Im Gegensatz zu immer wieder neu zu bestückenden Zentrifugen kann so eine kontinuierliche Fertigung realisiert werden, bei der Gehäuse 1 am Anfang der Spiralbahn in den kontinuierlichen Prozess eingefügt werden und am Ende der Spiralbahn entnommen werden.
16 zeigt eine Ausführung, bei der das Gehäuse 1 mit Material 8 um die Achse Y rotiert wird und gleichzeitig linear entlang der Achse X reversierend beschleunigt translatiert wird. Die Achse X kann vorzugsweise um Y rotiert werden. Die durch die translatorische Bewegung hervorgerufene Veränderung der Oberfläche ist hierbei abhängig von der Frequenz dieser Bewegung sowie der Viskosität des noch nicht erhärteten Materials 8. Eine hohe Frequenz und hohe Viskosität erhöhen die Trägheit, mit der das Material den Kräften folgt. Dadurch wird eine annähernd konstante Oberfläche erzeugt.
17 zeigt eine Ausführung, bei der das Gehäuse entlang einer geschlossenen Trajektorie T translatiert wird und bereichsweise entlang der Trajektorie rotiert wird um eine Achse A1, die durch das Gehäuse 1 führt. Die Trajektorie T ist aus mehreren, hier beispielsweise vier linearen Translationen und Bereichen zusammengesetzt, in denen sich die lineare Translationsrichtung stetig ändert. Es ist vorgesehen, dass in den Bereichen der Richtungsänderung die Rotation des Gehäuses 1 durchgeführt wird. In Bewegungsrichtung vor einem Bereich der Richtungsänderung kann das Gehäuse 1 in der linearen Translation negativ beschleunigt und danach positiv beschleunigt werden. Die effektiv auf das Material wirkende wenigstens eine Kraft kann durch die Rotation so in den Bereichen der Richtungsänderung aufrechterhalten werden. Zumindest in den Bereichen der Richtungsänderung liegt eine gleichzeitige Überlagerung von zwei Bewegungen vor, nämlich der Rotation und der Translation auf der gekrümmten Trajektorie. In den linearen Translationsbereichen liegt ausschließlich nur die Translation vor. Die Rotation hat hier eine Winkelgeschwindigkeit von „Null“. Eine solche Ausführung stellt ein Bewegungsmuster einer Rotationsbewegung dar, in welcher die Rotation zeitweise bzw. abschnittsweise bzgl. der geschlossenen Trajektorie ab- und angeschaltet wird.
18 zeigt eine Translation entlang einer geschlossenen Trajektorie T, die als zusammengesetzt angesehen werden kann aus zwei entgegengesetzten linearen Translationen mit dazwischenliegenden Bereichen stetiger Richtungsänderung. In jedem dieser beiden Bereiche wird das Gehäuse auf einem Halbkreis translatiert. Die Richtungsänderung der Translation zwischen den rein linearen Translationsbereichen beträgt 180 Grad. Ebenso um 180 Grad wird das Gehäuse 1 in einem jeweiligen Bereich der Richtungsänderung rotiert, insbesondere um die Gehäusemittenachse senkrecht zur Ebene, in welcher die Translationstrajektorie liegt. In diesem Bereich der Richtungsänderung liegt somit eine Überlagerung einer Rotation mit einer gekrümmten, insbesondere halbkreisförmigen Translation vor. Die durch die lineare beschleunigte Translation erzeugte Kraft wirkt somit in beiden Translationsbereichen in der gleichen Richtung auf das Material. Ähnlich wie zur 13 beschrieben, können auch mit dieser Ausführung plane Materialoberflächen gestaltet werden, insbesondere wenn ein Zeitpunkt der Erhärtung erreicht wird, während das Material im Gehäuse rein linear translatiert wird. In Bewegungsrichtung vor einem Umkehrbereich kann eine negative Beschleunigung und nach einem Umkehrbereich eine positive Beschleunigung vorliegen. Der Nulldurchgang der Beschleunigung kann in der Streckenmitte zwischen den Umkehrbereichen liegen.
Ähnlich wie bei 18 zeigt die 19 eine Translation entlang geschlossener Trajektorie T, die als zusammengesetzt angesehen werden kann aus zwei entgegengesetzten rein linearen Translationen mit dazwischenliegenden Bereichen stetiger Richtungsänderung. Die Richtungsänderung der Translation beträgt auch hier 180 Grad zwischen den rein linearen Translationsbereichen. Im Bereich der Richtungsänderung zwischen den rein linearen Translationsbereichen wird hier das Gehäuse auf einem Kreissegment größer als 180 Grad Umfangserstreckung translatiert. In diesem Bereich ist es vorgesehen, das Gehäuse mehrfach um 360 Grad zu rotieren. Es liegt also wiederum in diesem Bereich der Richtungsänderung eine Überlagerung von Rotation, insbesondere mehrfacher vollständiger Rotation und einer gekrümmten, insbesondere teilkreisförmig gekrümmten Translation vor. Entlang der Gesamtbewegung liegt somit bereichsweise / zeitweise eine Überlagerung der Bewegungen vor. Die Rotationsbewegung und die Translationsbewegung können jeweils als Bewegungsmuster verstanden werden mit sich ändernden Geschwindigkeiten, insbesondere bei der Rotation inklusive eines Stillstandes, nämlich in den rein linearen Translationsbereichen. In Bewegungsrichtung vor einem Bereich der Richtungsänderung kann eine negative Beschleunigung und nach einem Bereich der Richtungsänderung eine positive Beschleunigung vorliegen. Der Nulldurchgang der Beschleunigung kann in der Streckenmitte zwischen den Bereichen der Richtungsänderung liegen.
Die 20ff zeigen Möglichkeiten der Befüllung des Gehäuses 1 mit härtbarem Material 8.
20 zeigt eine Möglichkeit der Befüllung des Gehäuses 1 aus einem am Gehäuse 1 angeordneten, mit fließfähigem härtbarem Material gefüllten Reservoir 1a, welches radial außen liegend zum Gehäuse 1 angeordnet ist und wobei das Gehäuse 1 radial außen vom Achsenschnittpunkt S angeordnet ist, also exzentrisch.
Die Außenwand 1b des Reservoirs 1a ist hier symbolisch zur Verdeutlichung seiner Masse mit Gewichten G versehen und kann sich durch die wirkenden Fliehkräfte aufgrund seiner Masse nach radial außen bewegen, d.h. über den Kolben 1c schieben. Hierdurch wird das Material 8 aus dem Reservoir von radial außen nach radial innen in das Gehäuse 1 verdrängt. Die Befüllung wird somit ausgelöst durch die wirkenden Fliehkräfte, insbesondere ab Erreichen einer Grenzfliehkraft, welche die Reservoir-Außenwand 1b gegenüber dem Kolben 1c verlagert.
Die 21 zeigt dieselbe Wirkweise der Befüllung für ein Gehäuse 1, das um den Schnittpunkt S der Achse A1 und A2 angeordnet ist. Hier sind Reservoire 1a beidseits am radial außenliegenden Ende des Gehäuses 1 angeordnet, um dieses beidendig von radial außen zu befüllen.
22 zeigt eine Ausführung der Befüllung für exzentrisch rotierte Gehäuse 1 aus einem um die Rotationsachse A1 angeordneten Reservoir 1a, aus welchem heraus durch wirkende Fliehkräfte das Material über an dem Gehäuse radial vorbeiführende Zuführungen am jeweils radial außenliegenden Ende der Gehäuse 1 in die Gehäuse verdrängt wird. Das Reservoir kann in Schwerkraftrichtung der Achse A1 mit Material befüllt werden, z.B. erst dann, wenn die Gehäuse 1 bereits rotieren.
23 zeigt eine Ausführung zur Befüllung eines zentrisch rotierten Gehäuses 1, das um den Schnittpunkt S der Achsen A1 und A2 angeordnet ist. Das Reservoir 1a kann ebenso in Schwerkraftrichtung der Achse A1 befüllt werden. Da der zu füllende Bereich des Gehäuses 1 radial weiter außen liegt als das Reservoir 1a, wird durch die wirkenden Fliehkräfte das Material 8 aus dem Reservoir 1a in diesen Bereich verlagert.
Die 24 zeigt die Möglichkeit zur Fliehkraft-Befüllung eines exzentrisch rotierten Gehäuses 1, ebenso mit der Möglichkeit das Reservoir 1a in Schwerkraftrichtung der Achse A1 zu befüllen. Die Befüllung erfolgt hier radial außen am Gehäuse 1 vorbei in das radial außenliegende Ende des Gehäuses 1.
Es kann bei allen Ausführungen der Befüllung vorgesehen sein, dass zwar die treibende Kraft der Befüllung eine durch die Bewegung des Gehäuses erzeugte Kraft, z.B. die Fliehkraft ist, insbesondere die hier durch Rotation um Achse A1 erzeugt ist, wobei aber der Start der Befüllung durch ein externes Signal getriggert sein kann, z.B. ein elektrisches Signal, z.B. welches ein Ventil öffnet, durch welches das Material dann Fliehkraft-getrieben in das Gehäuse strömt.
Alternativ besteht bei allen denkbaren Ausführungsformen die Möglichkeit, am Gehäuse, vorzugsweise jeweils radial außenliegend bezogen auf eine Rotationsbewegung, ein Reservoir mit Material anzuordnen und mittels einer Aktorik, z.B. einer Pumpe das Material aktiv in das Gehäuse zu fördern, insbesondere von radial außenliegend in das Gehäuse zu fördern.

Claims

Verfahren zur Formung einer durch ein erhärtetes Material (8) gebildeten Kavität in einem Gehäuse (1), insbesondere einer Kavität zur Blutführung in einem Gehäuse (1) einer Vorrichtung zum Stoffaustausch und/oder Energieaustausch zwischen Blut und einem weiteren Medium, vorzugsweise einem Gas, bei dem das mit dem härtbaren, in fließfähigem Zustand befindliche Material (8) teilweise gefüllte Gehäuse (1) in eine erste Bewegung versetzt wird, durch die wenigstens eine Kraft auf das fließfähige Material (8) ausgeübt wird, wobei eine Krafteinwirkung erfolgt, bis dass das Material (8) erhärtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass während der ersten Bewegung, zumindest zeitweise mit dem Gehäuse (1) wenigstens eine weitere Bewegung durchgeführt wird, insbesondere um wenigstens eine weitere Kraft auf das fließfähige Material (8) auszuüben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der ersten und der wenigstens einen weiteren Bewegung a. wenigstens zwei Translationen, insbesondere genau zwei Translationen, vorzugsweise reversierende Translationen des Gehäuses (1) entlang verschiedener linearer Richtungen, und/oder b. wenigstens zwei, insbesondere genau zwei Rotationen um verschiedene Rotationsachsen (A1, A2), und/oder c. wenigstens eine Translation, insbesondere genau eine Translation, vorzugsweise genau eine reversierende lineare Translation und wenigstens eine Rotation, insbesondere genau eine Rotation um eine Rotationsachse (A1, A2) d. lineare Translationen und Rotationen zu einer in sich geschlossenen Trajektorie, insbesondere die in sich eine Fläche einschließt, überlagert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, Alternative b, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Überlagerung von zwei Rotationen um zwei verschiedene Rotationsachsen (A1, A2) die beiden Rotationsachsen (A1, A2) a. unter einem Winkel von 90 Grad sich schneidend orientiert sind, oder b. unter einem Winkel von 90 Grad sich nicht schneidend orientiert sind, oder c. unter einem Winkel ungleich Null Grad und ungleich 90 Grad sich schneidend orientiert sind, oder d. unter einem Winkel ungleich Null Grad und ungleich 90 Grad sich nicht schneidend orientiert sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1), insbesondere hinsichtlich seines inneren Volumens, bezüglich einer Rotationsachse (A2), insbesondere bzgl. einer von zwei Rotationsachsen (A1, A2) rotationssymmetrisch oder zumindest n-zählig drehsymmetrisch ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (A1, A2), insbesondere eine von wenigstens zwei Rotationsachsen (A1, A2) das Gehäuse (1) / das innere Volumen des Gehäuses (1) schneidet, vorzugsweise die Rotationsachse (A1, A2) durch den Mittelpunkt des Gehäuses (1) / Volumens führt oder kollinear zur Mittenachse des Gehäuses (1) / Volumens ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das härtbare Material (8) vor oder während der Durchführung wenigstens einer der Bewegungen, vorzugsweise vor oder während der gleichzeitigen Durchführung aller möglichen Bewegungen aus einem Reservoir (1a) in das Gehäuse (1) im fließfähigen Zustand überführt wird, insbesondere wobei die Überführung durch ein Signal und/oder in Abhängigkeit vom Erreichen eines vorbestimmten Bewegungszustandes des Gehäuses (1) ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (1a) im oder am Gehäuse (1) angeordnet ist und mit diesem mitbewegt wird, insbesondere wobei eine Überführung direkt durch eine auf das Material (8) wirkende Kraft oder durch eine auf ein das Material (8) verlagerndes Element (1c) wirkende Kraft erzeugt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (1a), insbesondere mit einen radialen und/oder axialen Abstand zum Gehäuse (1) oder zumindest zu dessen zu füllenden Bereich und/oder im Gehäuse (1), zentrisch um eine Rotationsachse (A1, A2) herum angeordnet ist, vorzugsweise wobei durch Kräfte, vorzugsweise Fliehkräfte das Material (8), insbesondere von radial außen in das Gehäuse (1) überführt wird, insbesondere wofür der zu füllende Bereich des Gehäuses (1) im Vergleich zum Reservoir (1a) einen größeren Radialabstand zur Rotationssachse (A1, A2) aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (1) ein Paket aus stoffpermeablen und/oder energiepermeablen Hohlfasern (9) angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil von deren axialen Enden in das härtende Material (8) eingebettet werden.
Oxygenatorvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpottung der Hohlfasern (9) in dem Gehäuse (1), in welchem der Stoffaustausch zwischen Blut und einem Gas stattfindet, durch ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche hergestellt ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend ein Aufnahmeelement (2), insbesondere einen Drehteller (2), das mittels eines ersten Antriebes (3), insbesondere Zentrifugenantriebes, in eine erste Bewegung versetzbar ist, insbesondere um eine Rotationsachse (A1) rotierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Aufnahmeelement (2) wenigstens eine weitere Antriebsanordnung (4) befestigt ist, mit welcher ein an der weiteren Antriebsanordnung (4) oder an dem Aufnahmeelement (2) befestigbares Gehäuse (1) zur Aufnahme von härtbarem Material (8) während der ersten Bewegung, insbesondere der Rotation um die Rotationsachse (A1), mit wenigstens einer weiteren Bewegung bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Aufnahmeelement (2) in gleichmäßiger Winkelteilung um eine der Rotationsachsen (A1, A2), insbesondere die erste Rotationsachse (A1) herum wenigstens zwei weitere Antriebsanordnungen (4) befestigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Antriebsanordnung (4) eine rotierbare Aufnahme, insbesondere eine Drehwelle (7) aufweist, an welcher ein Gehäuse (1) zur Aufnahme des härtbaren Materials (8) befestigbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) an dem bezüglich der Rotationsachse (A1) radial innenliegenden Ende und/oder am radial außenliegenden Ende der Drehwelle (7) befestigbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das bezüglich der Rotationsachse (A1) radial innenliegende Ende der Drehwelle (7) in einem Abstand zur Rotationsachse (A1) endet, insbesondere wobei das Gehäuse (1) an dem innenliegenden Ende der Aufnahme, insbesondere der Drehwelle (7) befestigbar ist und die Rotationsachse (A1) das Gehäuse, vorzugsweise dessen Mittelpunkt, im befestigten Zustand schneidet.