DE102021116764A1

DE102021116764A1 - Verfahren zur Beschichtung einer Stoffaustauschvorrichtung

Info

Publication number: DE102021116764A1
Application number: DE102021116764.7A
Authority: DE
Inventors: Ahmad Ali Kashefi Khorasani
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2023-01-05
Anticipated expiration: 2041-07-01
Also published as: WO2023274967A1; DE102021116764B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Stoffaustauschvorrichtung (1), in der wenigstens eine Membran (2a), vorzugsweise eine poröse Membran (2a) in einer Kammer angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Membran (2a) die Kammer in einen ersten Kammerbereich (5a) unterteilt, in welchem eine erste Seite der wenigstens einen Membran (2a) mit einem ersten Austauschmedium kontaktierbar ist und in einen zweiten Kammerbereich (5b) unterteilt, in welchem eine zweite Seite der wenigstens einen Membran (2a) mit einem zweiten Austauschmedium kontaktierbar ist, wobei eine Beschichtungslösung (9) in einen der beiden Kammerbereiche (5a) eingefüllt wird und hierdurch die dem Kammerbereich (5a) zugeordnete Seite der wenigstens einen Membran (2a) beschichtet wird, wonach überschüssige Beschichtungslösung (9) aus dem Kammerbereich (5a) entfernt wird, wobei der andere Kammerbereich (5b) vor dem Einfüllen der Beschichtungslösung (9) gegenüber der äußeren Umgebung geschlossen wird. Die Erfindung betrifft auch einen Blutoxygenator hergestellt aus einem Dialysator, insbesondere aus einem industriell betriebsbereit hergestellten Dialysator, gemäß dem Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Stoffaustauschvorrichtung, in der wenigstens eine Membran, vorzugsweise eine poröse Membran in einer Kammer angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Membran die Kammer in einen ersten Kammerbereich unterteilt, in welchem eine erste Seite der wenigstens einen Membran von einem ersten Austauschmedium kontaktierbar ist und in einen zweiten Kammerbereich unterteilt, in welchem eine zweite Seite der wenigstens einen Membran von einem zweiten Austauschmedium kontaktierbar ist, wobei eine Beschichtungslösung in einen der beiden Kammerbereiche, eingefüllt wird und hierdurch die dem Kammerbereich zugeordnete Seite der wenigstens einen Membran beschichtet wird, wonach überschüssige Beschichtungslösung aus dem Kammerbereich entfernt wird.
Die Erfindung betrifft auch einen mit dem Verfahren hergestellten Blut-Oxygenator.
Stoffaustauschvorrichtungen der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Sie können Membranen verschiedener Form und Art beinhalten. Mögliche Membranen, die bei der Erfindung zum Einsatz kommen können sind z.B. Flachmembranen, insbesondere also solche, die im relaxierten Zustand eine ebene Platte ausbilden. Ebenso können Membranen zum Einsatz kommen, die als Hohlfasern ausgebildet werden, bei denen also die Hohlfaserwandung die Membran ausbildet. Die eingangs genannten beiden Seiten der Membran sind in diesen Fall die Außenseite und die Innenseite der Hohlfaser, d.h. ein Austauschmedium kann außen an der Hohlfaser entlang geführt sein und das andere durch deren Inneres geführt sein. In Stoffaustauschvorrichtungen der Erfindung mit Hohlfasern können diese als Bündel oder Paket zusammengefasst sein, z.B. als gewickelte oder in Lagen gefaltete Matten von Hohlfasern.
Allgemein werden Stoffaustauschvorrichtungen eingesetzt, um zwischen zwei Austauschmedien die darin enthaltenen Stoffe auszutauschen, z.B. zum Zweck der Separation oder einer gezielten Anreicherung und/oder Abreicherung. Um dies gewährleisten zu können werden z.B. Membranen eingesetzt, die eine spezifische Selektivität haben, insbesondere worunter verstanden wird, dass die Membran für bestimmten Stoffe höher permeabel ist im Vergleich zu anderen Stoffen.
Es können hierfür Membranen eingesetzt werden, in denen der Stoffaustausch durch Diffusion erfolgt und/oder der Stoffaustausch durch Poren der Membran erfolgt. Die Erfindung bezieht sich auf alle möglichen Arten von Membranen, insbesondere auf poröse, vorzugsweise mikroporöse Membranen, insbesondere deren Poren, zumindest im Mittel kleiner als 1 Mikrometer im Durchmesser sind.
Stoffaustauschvorrichtungen dieser Art können z.B. direkt für die Anwendung als Blutoxygenator hergestellt werden. Die Funktion eines Blutoxygenators ist derart, dass durch eine der Kammern eines Oxygenators strömendes Blut mit Sauerstoff angereichert wird und von Kohlendioxid abgereichert wird, während durch die andere Kammer ein sauerstoffreiches und kohlendioxidarmes Gas oder Gasgemisch strömt, so dass über die wenigstens eine Membran hinweg eine Partialdruckangleichung der Gasbestandteile erfolgt. Solche Oxygenatoren können zur Unterstützung oder zum Ersatz der Lungenfunktion eingesetzt werden.
Zu diesem Zweck werden üblicherweise hydrophobe, insbesondere semipermeable Hohlfasern eingesetzt, deren Wandung die Membran bildet, wobei die hydrophobe Ausgestaltung einen Übertritt von Blutplasma durch die Hohlfaserwandung verhindert wird. Solche Oxygenatoren sind im Markt etabliert und als hochpreisig einzustufen. Die Membranen solcher Oxygenatoren sind z.B. aus Polymethylpenten hergestellt, wobei die Membran grundsätzlich Poren aufweist, also porös ist, jedoch eine dünne, sehr instabile nicht poröse Schicht aufweist. Der Stoffaustausch erfolgt somit durch Diffusion.
Ebenfalls bekannt sind Stoffaustauschvorrichtungen für die Anwendung bei der Dialyse. Im Gegensatz zur Anwendung bei der Blutoxygenierung sind die für die Dialyseanwendung eingesetzten Membranen bzw. Hohlfasern hydrophil und porös. Häufig eingesetzte Hohlfasern sind überwiegend aus Polysulfon oder Polyethersulfon ausgebildet, die durch einen herstellungsbedingten Anteil an Polyvinylpyrrolidon hydrophilisiert sind. Aufgrund des Majoritätsanteils von Polysulfon bzw. Polyethersulfon werden solche Hohlfasern üblicherweise nur als Polysulfon-Hohlfasern bezeichnet. Soweit die Erfindung in der Anwendung bei Polysulfonfasern beschrieben wird, ist sowohl Polysulfon als auch Polyethersulfon gemeint, insbesondere mit Anteilen an Polyvinylpyrrolidon.
Zwar weisen diese Hohlfasern eine sehr gute Blutverträglichkeit auf, können aber nicht zur Blutoxygenierung eingesetzt werden, weil diese für Blutplasma aufgrund der hydrophilen Eigenschaft durchlässig sind. Aufgrund der Poren wären die Fasern auch für Gasblasen durchlässig, so dass es aufgrund der Porosität zur Gasblasenbildung im Blut kommen könnte.
Industriell hergestellte Stoffaustauschvorrichtungen für die Dialyse sind am Markt etabliert und deutlich günstiger erhältlich als Stoffaustauschvorrichtungen für die Blutoxygenierung, insbesondere aufgrund höherer Stückzahlen, können aber aufgrund der genannten hydrophilen Eigenschaft der verwendeten Fasern nicht in der Anwendung als Oxygenator eingesetzt werden.
Vor diesen Hintergrund gab es im Stand der Technik bereits Bestrebungen Stoffaustauschvorrichtungen, die für die Dialyse vorgesehen waren, durch eine Beschichtung hydrophob und dennoch weiterhin selektiv für Sauerstoff und/oder Kohlendioxid zu gestalten.
Die Publikation DE 100 34 098 A1 der Fresenius Medical Care Deutschland GmbH benennt bereits ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem poröse Hohlfasern, z.B. aus Polysulfon, mit einer hydrophoben Schicht, z.B. aus Silikon überzogen werden, was die hydrophile Eigenschaft der zugrunde liegenden Hohlfaser aufhebt. Silikon als mögliches Beschichtungsmittel erweist sich dabei weiterhin als diffusionsdurchlässig für Sauerstoff und Kohlendioxid, insbesondere mit einer für die Blutoxygenierung geeignet hohen Selektivität, so dass der für eine Blutoxygenierung benötigte Stoffaustausch in silikonbeschichteten Dialysatoren grundsätzlich möglich erscheint.
Die Permeabilität von Silikon für Sauerstoff und/oder Kohlendioxid ist jedoch stark von der Stärke der aufgetragenen Silikon-Schicht als aufgetragene Haut auf der Oberfläche de Membran / Hohlfasern bzw. als Füllung in den Poren der Membran / Hohlfasern abhängig.
Die vorgenannte Publikation nennt neben der grundsätzlichen Möglichkeit eines solchen Vorgehens keine wesentlichen Merkmale zur Verfahrensdurchführung und gibt dem Fachmann keine Hinweise zur Kontrolle der Silikonbeschichtung, um solche Schichtstärken zu erzielen, die für die tatsächliche Anwendung als Oxygenator geeignet wären.
Insbesondere hat es sich als problematisch erwiesen, dass die porösen Hohlfasern, z.B. solche aus Polysulfon, aufgrund wirkender Kapillarkräfte eine Beschichtungslösung, wie z.B. eine Silikon umfassende Lösung, über die gesamte Wandstärke hinweg in sich aufsaugen und das Beschichtungsmaterial sich hierdurch in den Poren der Membran und an der Seite der Membran von der die Beschichtungslösung appliziert wird, in unkontrollierbarer Dicke anlagert und praktisch hierdurch zu hohe Schichtstärken aufgebaut werden, als dass derart beschichtete Hohlfasern zur Blutoxygenierung tatsächlich einsetzbar wären.
Es ist vor diesem Hintergrund eine Aufgabe der Erfindung das eingangs genannte Verfahren derart weiter zu bilden, dass eine bessere Kontrolle über die Anlagerung des Beschichtungsmaterials in die Poren von Membranen, sofern diese porös sind und auf der Applikationsseite der Membranen, wie z.B. Flachmembranen oder Hohlfasern zu erzielen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung die Menge des Beschichtungsmaterials zu beschränken, insbesondere kontrollierbar und reproduzierbar zu beschränken, um eine zu tiefe Porenbefüllung und / oder zu starken Hautaufbau auf der Applikationsseite bzw.
Beschichtungsseite der wenigstens einen Membran z.B. der Hohlfasern zu vermeiden, um so die Nutzung von beschichteten Membranen zu ändern, z.B. deren Selektivität zu ändern, insbesondere um Membranen wie vorzugsweise Hohlfasern auch als Oxygenator zur Anwendung bringen zu können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es industriell hergestellte Dialysatoren durch eine Beschichtung so umzugestalten, dass diese hiernach als Blut-Oxygenator eingesetzt werden können. Weiterhin ist es eine Aufgabe als Beschichtungslösung ein Silikonmaterial mit einem Lösungsmittel einzusetzen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der andere Kammerbereich vor dem Einfüllen der Beschichtungslösung gegenüber der äußeren Umgebung geschlossen wird.
Als der andere Kammerbereich ist hierbei derjenige zu verstehen, welcher abgewandt ist von dem Kammerbereich, durch den hindurch die Beschichtungslösung appliziert wird.
Unter einer Beschichtung der wenigstens einen Membran, wie z.B. einer Flachmembran oder auch von Hohlfasern auf der Seite, die dem Kammerbereich zugewiesen ist, der mit der Beschichtungslösung gefüllt wird, wird zumindest verstanden, dass sich die Beschichtungslösung auf der Oberfläche der wenigstens einen Membran bzw. der Wandung der Hohlfasern an dieser Seite als Haut anlagert. Unter der Beschichtung kann ergänzend auch verstanden werden, dass die Poren der Hohlfasern ausgehend von dieser Seite in Richtung zum gegenüberliegenden anderen Kammerbereich zumindest teilweise gefüllt werden. Eine Beschichtung einer Membran im Sinne der der Erfindung kann also vorzugsweise eine Deponierung von Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche der Membran und in den Poren der Membran bedeuten.
Der wesentliche Ansatz der Erfindung beruht darauf, dass durch das Schließen des anderen Kammerbereiches gegenüber der Umgebung ein Druckausgleich in der die wenigstens eine zu beschichtende Membran, vorzugsweise in der das zu beschichtende Hohlfaserpaket aufweisenden Kammer, insbesondere auf der Seite des anderen Kammerbereichs verhindert wird. Es kann so eine gewünschte Situation, insbesondere eine Drucksituation oder Befüllungssituation in der Kammer eingestellt und/oder aufrecht erhalten werden, mit der die Durchführung der Beschichtung gezielt beeinflussbar ist.
Beispielsweise ergibt sich hierdurch die Möglichkeit ein durch Kapillarkräfte bewirktes unkontrolliertes Eindringen der Beschichtungslösung in die Poren der Membran bzw. Wandung der Hohlfasern von der Applikationsseite in die Richtung zum anderen Kammerbereich zu unterbinden oder zumindest besser zu kontrollieren, da hierbei eine Verdrängung von Luft oder sonstigem Fluid aus den Poren erfolgen muss, die durch das Schließen zur Umgebung verhindert ist.
Bei der Erfindung kann die wenigstens eine Membran vorzugsweise gebildet werden durch eine poröse Flachmembran oder durch die Wandung, vorzugsweise poröse Wandung einer Hohlfaser. Besonders bevorzugt kann mit der Erfindung in einer Stoffaustauschvorrichtung ein Hohlfaserpaket mit einer Vielzahl, jeweils eine Membran bildenden Hohlfasern, vorzugsweise hydrophiler poröser Hohlfasern beschichtet werden. Vorzugsweise kann die erste Seite und/oder die zweite Seite einer Membran, z.B. Flachmembran und insbesondere kann die Innenseite der Hohlfasern, alternativ die Aussenseite oder auch beide beschichtet werden. In Anwendungen zur Herstellung eines Oxygenators, insbesondere aus einem Dialysator wird bevorzugt die Mebramseite, z.B. die Hohlfaserseite beschichtet, die in der Anwendung die mit dem Blut in Kontakt stehende Seite bildet, besonders bevorzugt wird die Hohlfaserinnenseite beschichtet.
Die Erfindung erschließt verschiedenen Möglichkeiten die Beschichtung der wenigstens einen Membran, vorzugsweise der Hohlfasern zu kontrollieren.
Eine bevorzugte Ausführungsform kann es vorsehen, dass der andere Kammerbereich dadurch gegenüber der Umgebung geschlossen wird, dass dieser direkt an seinen Fluidanschlüssen geschlossen wird oder dadurch, dass an diesen anderen Kammerbereich, vorzugsweise über die Fluidanschlüsse wenigstens ein Behälter, insbesondere ein unter Umgebungsdruck stehender Behälter angeschlossen wird. Dafür kann an einen der Fluidanschlüsse des Kammerbereiches ein Behälter angeschlossen werden und der andere Fluidanschluss wird direkt geschlossen. Es kann auch an jeden Fluidanschluss ein Behälter angeschlossen werden. Eine Befüllung mit der Beschichtungslösung erfolgt somit erst nach dem Verschließen der anderen Kammer.
Dieser Behälter kann bzw. beide Behälter zusammen können vorzugsweise ein Volumen aufweisen, dass kleiner ist als das Volumen der Kammer in der die wenigstens eine Membran, vorzugsweise das Hohlfaserpaket angeordnet ist oder kleiner ist als das Volumen des Kammerbereiches, der nicht befüllt wird und an den der Behälter angeschlossen wird.
Die Erfindung bildet durch das Behältervolumen bzw. die Summe der Behältervolumina ein Compliance-Volumen, das eine volumenabhängig einstellbare Nachgiebigkeit, insbesondere Nachgiebigkeit gegenüber den wirkenden Kapillarkräften bereitstellt. Durch die Größe des angeschlossenen Volumens kann so die Fülltiefe kontrolliert werden.
Die Erfindung kann dabei den wenigstens einen zusätzlich anschließbaren Behälter durch das direkte Verschließen der Fluidanschlüsse auch komplett entfallen lassen. Das Compliance-Volumen ist in diesem Fall das geringst mögliche und durch das Volumen der anderen Kammer alleine gebildet.
Dabei ist davon auszugehen, dass die Fülltiefe umso geringer ist, je kleiner das Compliance-Volumen gewählt wird, insbesondere da bei kleineren Volumina ein Gleichgewicht zwischen Kapillarkraft und der Gegenkraft durch Druckerhöhung im Compliance-Volumen früher erzielt wird.
In dieser Ausführung kann es eine Weiterbildung vorsehen, dass die Tiefe der Porenbefüllung in Abhängigkeit des Fülldruckes in dem mit der Beschichtungslösung gefüllten Kammerbereich und/oder in Abhängigkeit des Druckes in dem anderen Kammerbereich eingestellt wird. Der Druck in dem anderen Kammerbereich kann also auch abweichend vom Umgebungsdruck eingestellt werden. Auf diese Weise kann der Fülldruck gegenüber der Kapillarkraft dominierend sein, was die Kontrolle der Befüllung der Poren in der Membran vorzugsweise in der Wandung der Hohlfasern zulässt.
Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass beim Schließen der anderen Kammer, sei es direkt an einem Fluidanschlußstutzen oder mit einem zusätzlichen Behälter in der anderen Kammer der Umgebungsdruck vorherrscht und bis zur Kompensation der Kapillarkraft eine bestimmte Fülltiefe bewirkt wird.
Die Erfindung kann aber auch vorsehen den Behälter mit einem vorbestimmten Überdruck gegenüber der Umgebung zu versehen. Hierdurch kann die Nachgiebigkeit gegen die Kapillarkräfte zu null eingestellt werden und so eine Porenbefüllung der Membran vorzugsweise der Hohlfasern bei der Befüllung mit der Beschichtungslösung vollständig verhindert werden, bis das der Fülldruck das Druckniveau im Behälter übersteigt und hierdurch die Beschichtungslösung in die Poren der Membran bzw. vorzugsweise der Hohlfaserwandung verlagert wird.
Die vorbeschriebene Ausführung gestattet somit ersichtlich die wirkenden Kapillarkräfte zu kontrollieren, ggfs. sogar auszuschalten.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform, die auch mit der vorherigen kombinierbar ist, kann es vorsehen, dass in der gesamten Kammer der Stoffaustauschvorrichtung nach dem Verschließen der anderen Kammer ein Unterdruck gegenüber der Umgebung erzeugt wird, wonach die Beschichtungslösung in den zu füllenden Kammerbereich eingefüllt wird. Das Verschließen des anderen Kammerbereichs kann direkt an dessen Fluidanschlüssen erfolgen oder auch dadurch, dass wenigstens ein geschlossener Behälter an wenigstens einem der Fluidanschlüsse angeschlossen wird, z.B. gemäß der vorherigen Ausführung.
Zur Erzeugung eines Unterdruckes kann es vorgesehen sein, die Luft über wenigstens einen Fluidanschluss des mit der Beschichtungslösung zu füllenden Kammerbereiches abzupumpen.
Nach Einfüllen der Beschichtungslösung wird sodann der Unterdruck im gefüllten Kammerbereich reduziert, insbesondere also der Druck in der befüllten Kammer angehoben. Dadurch kann vorzugsweise erzeugt werden, dass die Beschichtungslösung durch den weiterhin bestehenden Unterdruck im anderen Kammerbereich in die Poren der wenigstens einen Membran eingesaugt wird.
Um dies noch besser zu kontrollieren kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass bei der Befüllung der Unterdruck aufrecht erhalten wird, insbesondere also eine sich durch die Befüllung ergebende Druckerhöhung auf der Seite der Befüllung in der Kammer kompensiert wird. Die Befüllung kann z.B. bei laufender Unterdruckpumpe erfolgen. Es kann vorgesehen sein, dass durch den vorherrschenden Unterdruck die Beschichtungslösung in den zu füllenden Kammerbereich eingesaugt wird, insbesondere bei während der Befüllung laufender Pumpe.
Die Erfindung kann so vorzugsweise vorsehen, die Tiefe der Porenbefüllung in Abhängigkeit der Druckzunahme in dem mit der Beschichtungslösung gefüllten Kammerbereich eingestellt wird.
In wiederum noch anderer bevorzugter Ausführung kann die Erfindung vorsehen, dass vor dem Schließen des anderen Kammerbereiches gegenüber der Umgebung in beide Kammerbereiche ein Lösungsmittel eingefüllt wird. Vorzugsweise handelt es sich um dasselbe Lösungsmittel mit welchem auch das Beschichtungsmittel, z.B. Silikon, zur Herstellung der Beschichtungslösung gelöst wird. Das Lösungsmittel kann vorzugsweise n-Heptan sein.
Die Füllung beider Kammerbereiche kann z.B. mittels Perfusion des Lösungsmittels durch beide Kammerbereiche und durch die Membranporen in einem Pumpkreislauf erfolgen, in welchem das Lösungsmittel gepumpt wird. Dabei reicht es aus, das Lösungsmittel nur durch einen der beiden Kammerbereiche zu pumpen, da es durch die Poren der wenigstens einen Membran, vorzugsweise der Hohlfasern auch in den anderen Kammerbereich automatisch eindringt und diesen füllt. Dies ist sogar bevorzugt, da so sicher die Luft aus den Poren vollständig ausgetrieben wird.
Diese Ausführung führt vorzugsweise dazu, dass die Kammerbereiche und die Poren der wenigstens einen Membran, vorzugsweise der Hohlfasern, welche beide Kammerbereiche verbinden, mit dem Lösungsmittel gefüllt sind.
Bei einem Einfüllen der Beschichtungslösung, was nach einem Schließen des anderen Kammerbereiches erfolgt, kann somit die Beschichtungslösung nicht in die Poren eindringen, da die Poren bereits durch das Lösungsmittel belegt sind. Die Wirkung von Kapillarkräften, durch welche die Beschichtungslösung ansonsten unkontrolliert in die Poren gezogen würde, ist so verhindert.
Vorzugsweise ist es dafür vorgesehen, nach dem Schließen des anderen Kammerbereichs zunächst die Beschichtungslösung in oder durch den zu füllenden Kammerbereich zu pumpen und hierbei das Lösungsmittels aus diesem zu entfernen, indem das Lösungsmittel durch die Beschichtungslösung verdrängt wird. Hierdurch erfolgt - wie erwähnt - noch keine Befüllung der mit Lösungsmittel belegten Poren, insbesondere wird nur eine Beschichtung der Oberfläche der wenigstens einen Membran bzw. vorzugsweise der Wandbereiche der Hohlfasern vorgenommen, insbesondere an der ersten und/oder zweiten Seite der wenigstens einen Membran bzw. bei Hohlfasern innen oder außen, je nach zu befüllendem Kammerbereich.
Diese Ausführung gestattet es auch z.B. nur eine Oberfläche der wenigstens einen Membran bzw. vorzugsweise eine Wandung (innen oder außen) der Hohlfasern mit dem Beschichtungsmittel zu beschichten, ohne die Poren mit dem Beschichtungsmittel zu füllen. Dafür kann z.B. nach der Befüllung das überschüssige Beschichtungsmittel aus dem zuvor befüllten Kammerbereich entfernt werden, insbesondere zumindest zunächst unter Beibehaltung der Füllung des anderen Kammerbereiches und der Poren mit dem Lösungsmittel.
Es kann aber ebenso vorgesehen sein, durch ein weiteres Einfüllen der Beschichtungslösung das Lösungsmittel kontrolliert auch aus den Poren zu verdrängen und zumindest eine Teilanzahl der Poren mit der Beschichtungslösung zu füllen, insbesondere ausgehend von der Applikationsseite der Beschichtungslösung.
Die weitere Beschichtungslösung wird hierfür nach Öffnen des anderen Kammerbereiches in einer z.B. vorbestimmten Menge in den zu füllenden Kammerbereich nachgefüllt / nachgepumpt, wodurch sodann das Lösungsmittel aus den Poren verdrängt wird, da nach dem Öffnen der Druckausgleich zur Umgebung ermöglicht ist und die vorbestimmte Menge die Poren befüllt. Es kann so eine sehr genaue Füllung der Poren vorgenommen werden, insbesondere nämlich nur durch die Menge der nachgefüllten Beschichtungslösung.
Die vorgenannte Ausführung des Verfahrens kann besonders bevorzugt so vorgenommen werden, dass beide Fluidanschlüsse des anderen, nicht zu füllenden Kammerbereiches mit einem gemeinsamen Steigrohr oder jeder der Fluidanschlüsse mit einem eigenen Steigrohr verbunden werden und das wenigstens eine Steigrohr vor dem Schließen des wenigstens einen Steigrohres vor der erstmaligen Befüllung mit Beschichtungslösung gegenüber der Umgebung bis zu einer Referenzhöhe mit dem Lösungsmittel befüllt wird.
Nach dem Schließen des wenigstens einen Steigrohres wird sodann wie zuvor benannt die Beschichtungslösung in den zu füllenden Kammerbereich eingefüllt und hierdurch das Lösungsmittel aus dem zu füllenden Kammerbereich verdrängt ohne Porenbefüllung.
Der nicht mit Beschichtungslösung gefüllte andere Kammerbereich wird anschließend zur Umgebung hin geöffnet, insbesondere durch Öffnung des Steigrohres, und in den zu füllenden Kammerbereich wird Beschichtungslösung nachgedrückt.
Die Erfindung kann so vorzugsweise vorsehen, dass die Tiefe der Porenbefüllung in Abhängigkeit des Volumens der nachgedrückten Beschichtungslösung eingestellt wird. Das in die Poren eingedrungene Volumen kann besonders einfach durch die Zunahme der Steighöhe des Lösungsmittels über die zuvor eingestellte Referenzhöhe hinaus in dem wenigstens einen Steigrohr gemessen werden.
Diese bevorzugte Ausführung gestattet es somit nur die Oberfläche der wenigstens einen Membran, vorzugsweise der Hohlfasern mit einer Haut an Beschichtungsmittel zu beschichten, nicht aber die Poren der wenigstens einen Membran / Hohlfasern zu füllen oder alternativ die Oberfläche zu beschichten und die Poren zu befüllen. In Verbindung mit einer nachfolgend noch beschriebenen Ausführung kann auch nur eine Porenbefüllung erzielt werden, insbesondere indem die Oberflächenbeschichtung nachträglich wieder entfernt wird.
Bei allen möglichen Ausführungsformen kann es vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Befüllung mit einer zuvor entgasten Beschichtungslösung erfolgt. Hierfür kann es vorgesehen sein, dass die Beschichtungslösung nach dem Lösen des Beschichtungsmittels in einem Lösungsmittel einem Unterdruck ausgesetzt wird, so dass evtl. vorhandene Gasblasen entweichen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Beschichtungslösung in einen der beiden Kammerbereiche eingefüllt wird und hierbei die gesamte Stoffaustauschvorrichtung einer Vibration ausgesetzt wird, also in eine Vibrationsbewegung versetzt wird. Hierdurch können evtl. in der Vorrichtung bei der Befüllung anhaftende Luftblasen losgerüttelt werden. Die Vibration kann statt einer vorherigen Unterdruck-Entgasung durchgeführt werden, aber auch in Kombination damit.
Vorzugsweise kann es ebenso bei allen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass nach Entfernen der überschüssigen Beschichtungslösung der zuvor befüllte Kammerbereich mit einem Gasstrom durchströmt wird. Hierdurch wird zum einen eine bessere Entleerung dieses Kammerbereiches erzielt, zum anderen kann es aber auch vorgesehen sein, durch den Gasstrom die Schichtstärke / Hautstärke auf der Membranoberfläche, vorzugsweise der Hohlfaserwandung (innen oder außen, je nach Anwendung) zu beeinflussen. So kann mit der Stärke des Gasstromes und/oder der Dauer der Einwirkung des Gaststromes beeinflusst werden, welche Schichtstärke an Beschichtungslösung auf der Membranoberfläche / der Hohlfaserwandung stehen bleibt. Je stärker der Gasstrom und/oder je länger die Einwirkungszeit ist, umso geringer fällt die verbleibende Schichtstärke aus. So bildet auch dieses Vorgehen eine Möglichkeit zur gezielten Beeinflussung der Schicht an Beschichtungslösung und somit auch der später gebildeten Haut an Beschichtungsmittel nach Entweichen des Lösungsmittels.
Die Erfindung kann auch vorsehen, insbesondere nach einem ersten Entfernen von überschüssiger Beschichtungslösung, dass der zuvor befüllte Kammerbereich mit einem Lösungsmittel durchströmt wird, insbesondere demjenigen, mit dem auch die Beschichtungslösung erstellt ist. Hierdurch kann es erzielt werden, dass die Haut von Beschichtungslösung von der Oberfläche der weingstens einen Membran / der Wandung der Hohlfasern vollständig entfernt wird und nur die Porenbefüllung bestehen bleibt.
Die Erfindung kann auch vorsehen, den anderen, zuvor nicht befüllten Kammerbereich mit dem Lösungsmittel zu durchspülen. Insbesondere wenn zuvor die Beschichtungslösung aktiv in die Poren gedrückt wurde, kann so eine evtl. im anderen Kammerbereich aus den Poren ausgetretene Beschichtungslösung entfernt werden.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, wenn die Beschichtungslösung hergestellt wird aus einem Beschichtungsmittel, z.B. einem Polymer, vorzugsweise Silikon, und einem Lösungsmittel, z.B. n-Heptan. In diesem Fall kann n-Heptan auch das Lösungsmittel für die vorbenannten bevorzugten Verfahrensschritte bilden. Es sind auch andere Lösungsmittel geeignet. Wie z.B. Xylol, Alkane.
Der Begriff Beschichtungslösung muss nicht zwingend bedeuten, dass ein Beschichtungsmittel in einem Lösungsmittel gelöst ist, wenngleich dies vorzugsweise vorgesehen ist. Insbesondere ist dies vorgesehen, wenn die Viskosität eines Beschichtungsmittels mit Hilfe des Lösungsmittels abgesenkt werden soll. Unter dem Begriff Beschichtungslösung kann auch ein reines Beschichtungsmittel verstanden werden, das nicht mit einem Lösungsmittel verdünnt ist, insbesondere wenn die Viskosität für die Beschichtung auch ohne Verdünnung geeignet ist.
Als Silikon kann z.B. das Material RAU-SIK 1511 der Firma Raumedic oder Elastosil 601 A+B, Elastosil 625 A+B der Firma Wacker zum Einsatz kommen.
Beide Silikonmaterialien sind zum Teil auch als Medizinprodukte zugelassen und eignen sich beispielsweise für die erfindungsgemäße Anwendung. Andere Silikonprodukte können ebenso zum Einsatz kommen. Das Verhältnis von Silikonmasse zu Lösungsmittel beträgt vorzugsweise 1:4 bis 1:20, insbesondere bzgl. der jeweiligen Gewichte.
Als Beschichtungsmittel können allgemein Elastomere und/oder Polymere genutzt werden, vorzugsweise solche, die für die auszutauschenden Stoffe unterschiedliche Permeabilitätskoeffizienten haben. Auch Latex kann als Beschichtungsmittel bzw. Beschichtungslösung eingesetzt werden.
Es kann vorzugsweise auch vorgesehen sein, dass die Beschichtungslösung wenigstens einen der folgenden Zusätze umfasst: ein Medikament, vorzugsweise ein gerinnungshemmendes Medikament, insbesondere Heparin, oder ein Material zur Absorption von unerwünschten Gasen, insbesondere zur Absorption von Kohlendioxid, oder ein Material zur Speicherung von erwünschten Komponenten, insbesondere zur Speicherung von Sauerstoff.
Bzgl. des zuvor genannten Mischungsverhältnisses kann es vorgesehen sein, einen Anteil des Lösungsmittels durch den Zusatz zu ersetzen. Insbesondere kann es vorgesehen sein, bis zu 50% des Lösungsmittels im zuvor benannten Mischungsverhältnis durch einen Zusatz zu ersetzen.
Vorzugsweise sieht es die Erfindung vor, nur einen der beiden Kammerbereiche mit der Beschichtungslösung zu befüllen und somit die Membran, vorzugsweise die Hohlfasern demnach auch nur von einer Seite bis in den Poren zu befüllen und die diesem Kammerbereich zugewiesenen Membranoberfläche / Hohlfaserwandungen zu beschichten, insbesondere sofern es nicht vorgesehen ist, die Haut aus Beschichtungslösung von der Membranoberfläche, vorzugsweise der Hohlfaserwandung wie zuvor beschrieben zu entfernen.
Vorzugsweise wird der Kammerbereich mit der Beschichtungslösung befüllt, durch den bei einer geplanten Oxygenatoranwendung später das Blut strömen wird. Dies kann bei Einsatz von Hohlfasern als Membranen vorzugsweise der Kammerbereich sein, der den hohlen Innenraum der Hohlfasern umfasst. Es kann aber auch die Hohlfaseraußenseite beschichtet werden bzw. ausgehend von dieser die Poren befüllt werden. Bei Flachmembranen kann eine der beiden Oberflächen beschichtet werden, vorzugsweise die in den Kammerbereich weist, der bei einer Oxygenatoranwendung später das Blut führt oder auch beide Oberflächen.
Die Befüllung des einen von beiden Kammerbereichen kann durch verschiedene Maßnahmen erfolgen. Jeder der beiden Kammerbereiche hat üblicherweise zwei Fluidanschlüsse. Z.B. kann der zu füllende Kammerbereich mit beiden Fluidanschlüssen an einen Pumpkreislauf angeschlossen werden, in welchem die Beschichtungslösung mit einer Pumpe im Kreislauf gepumpt wird.
Es kann auch vorgesehen sein, einen der Fluidanschlüsse zur Umgebung hin offen zu lassen und durch den anderen Fluidanschluß die Beschichtungslösung zu injizieren bzw. in den Kammerbereich hineinzupumpen. Hier kann die Befüllung z.B. entgegen der Schwerkraftrichtung erfolgen, insbesondere wobei der offene Fluidanschluß nach oben weisend ist, also die höchste Stelle des zu befüllenden Systems bildet.
Die Befüllung kann auch durch wirkende Zentrifugalkräfte erfolgen, z.B. durch Einsetzen einer zu füllenden Stoffaustauschvorrichtung in eine Zentrifuge, wobei die Beschichtungslösung durch den radial innen liegenden Fluidanschluß in die Vorrichtung hineinbeschleunigt wird.
Die Erfindung kann vorsehen wenigstens einen oder mehrere der vorbenannten Verfahrensschritte gleichzeitig an einer Vielzahl von Stoffaustauschvorrichtungen durchzuführen.
Nach dem Entfernen überschüssiger Beschichtungslösung ist es in allen Fällen vorzugsweise vorgesehen, das Lösungsmittel aus der Beschichtungslösung entweichen zu lassen, so dass nur das Beschichtungsmittel, vorzugsweise Silikon auf der Oberfläche der wenigstens einen Membran, vorzugsweise der Wandung der Hohlfasern und/oder in den Poren verbleibt. Dies kann thermisch, also durch Aufheizung der behandelten Stoffaustauschvorrichtung unterstützt werden. Es kann auch eine Spülung auf der beschichteten Seite mit Gas erfolgen, z.B. Luft insbesondere erwärmtes Gas. Vorzugsweise ist es vorgesehen das Entweichen des Lösungsmittels abzuwarten, während der andere, nicht mit der Beschichtungslösung gefüllte Kammerbereich zu Umgebung hin geschlossen ist bzw. bleibt.
Die Erfindung kann vorsehen mit dem Beschichtungsmittel nicht nur wie vorbeschrieben die wenigstens eine Membran vorzugsweise die Hohlfasern zu behandeln, sondern - sofern die Vorrichtung nicht nachträglich mit Lösungsmittel durchgespült wird - alle Oberflächenbereiche der Stoffaustauschvorrichtung mit dem Beschichtungsmittel zu überziehen, insbesondere so in Oxygenatoranwendungen die Hämokompatibilität der Vorrichtung zu verbessern.
Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, Dialysatoren bzw. Stoffaustauschvorrichtungen zur Dialyse, insbesondere Stoffaustauschvorrichtungen mit Polysulfon-Hohlfasern zu behandeln, insbesondere deren Poren zumindest teilweise zu befüllen und/oder die Hohlfaserwandung zu beschichten.
Es kann auch vorgesehen sein, Stoffaustauschvorrichtungen mit anderen Hohlfaserarten nachträglich zu behandeln. Z.B. können die Stoffaustauschvorrichtungen auch Hohlfasern aus Polypropylen oder Polymethylpenten umfassen. Z.B. können auch Stoffaustauschvorrichtungen behandelt werden, die bereits ursprünglich als Oxygenatoren einsetzbar sind, z.B. um deren Eigenschaften zu verbessern, z.B. die Hämokompatibilität, oder deren Anwendungsbereich zu vergrößern. Z.B. ist es bekannt, dass Polymethylpenten-Hohlfasern eine dünne geschlossenen Schicht aufweisen, die sehr instabil ist und bei falscher Behandlung der Hohlfasern zerstört werden kann. Eine Beschichtung solcher Hohlfasern auch Polymethylpenten mit einem zusätzlichen Beschichtungsmittel, wie z.B. Silikon mindert das Risiko, oder schließt es vorzugsweise aus, dass ein versagen dieser dünnen Schicht ein Anwendungsrisiko bedeutet.
Vorzugsweise kann es die Erfindung auch vorsehen, die erfolgte Beschichtung der Poren und/oder der Oberfläche der wenigstens einen Membran, vorzugsweise der Wandung (innen und/oder außen) der Hohlfasern zu überprüfen, insbesondere zur quantifizieren.
Eine Möglichkeit kann es hier vorzugsweise vorsehen, dass die Dicke der bei der Beschichtung auf der wenigstens einen Membran, vorzugsweise den Hohlfasern abgelagerten Haut von Beschichtungsmittel, insbesondere also nach Entweichen des Lösungsmittels, ermittelt wird durch Bestimmung einer ersten Druckdifferenz über den Fluidanschlüssen des Kammerbereiches, welcher die zu beschichtende Seite der wenigstens einen Membran / der Hohlfasern umfasst bei einem bestimmten Fluidvolumenstrom durch diesen Kammerbereich, insbesondere nachdem der andere Kammerbereich, vorzugsweise auch die Membranporen mit einer Flüssigkeit gefüllt wurde, wobei diese Bestimmung vor der Durchführung der Beschichtung erfolgt, und Bestimmung einer zweiten Druckdifferenz über denselben Fluidanschlüssen des Kammerbereiches, welcher die beschichtete Seite der wenigstens einen Membran / der Hohlfasern umfasst bei demselben bestimmten Fluidvolumenstrom durch diesen Kammerbereich, wobei diese Bestimmung nach der Durchführung der Beschichtung erfolgt. Nach Bestimmen der Differenz der beiden Druckdifferenzen kann eine Ermittlung der Dicke der gebildeten Haut des Beschichtungsmittels auf der Membranoberfläche in Abhängigkeit der Differenz erfolgen. Eine solche Abhängigkeit kann z.B. durch vorherige Eichung, z.B. anhand eines Tabellenwerks oder eines funktionalen Zusammenhangs festgelegt sein. Der funktionale Zusammenhang kann z.B. durch das Gesetz von Hagen-Poiseuille gegeben sein. Z.B. in Kenntnis der Parameter des verwendeten Fluids und der unbeschichteten Membran, insbesondere der Hohlfasern, wie z.B. dem Innendurchmesser, die z.B. vom Hersteller stammen können oder gemessen wurden, kann so die Hautstärke des Beschichtungsmittels anhand der Differenz der Druckdifferenzen bestimmt werden.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Dicke der Beschichtung, insbesondere die effektiv wirkende Dicke der Beschichtung auf der Oberfläche und/oder in den Poren der wenigstens einen Membran ermittelt wird durch Verwenden eines ersten Testgases mit bekanntem Partialdruck wenigstens einer Gaskomponente, insbesondere von Sauerstoff und/oder Kohlendioxid, wobei dieses Testgas durch einen der beiden Kammerbereiche geleitet wird, und durch Durchleiten eines zweiten Testgases ohne die vorgenannte wenigstens eine Gaskomponente, insbesondere eines zweiten inerten Gases oder Gasgemisches, durch den anderen Kammerbereich, sowie durch Messen des Gehaltes der wenigstens einen Gaskomponente, insbesondere an Sauerstoff und/oder Kohlendioxid, insbesondere von dessen Partialdruck, im zweiten Testgas nach Durchgang durch die Stoffaustauschvorrichtung. Die Dicke, insbesondere der effektiv wirkende Dicke kann in Abhängigkeit des gemessenen Gehaltes an der Gaskomponente und Flussraten bestimmt werden. Die Erfindung kann vorsehen aus den gemessenen Transferraten und den Permeabilitätskonstanten der Beschichtung / Porenfüllung die Dicke der Beschichtung bzw. die Summe aus der Beschichtungshaut und der Tiefe der Porenbefüllung zu ermitteln.
Wenn zuvor die Hautdicke bestimmt wurde, kann diese von der gemessenen Gesamtdicke bzw. effektiv wirkenden Dicke abgezogen werden und es wird so die Tiefe der Porenfüllung bestimmt. Wenn die Haut z.B. zuvor abgewaschen wurde ergibt sich direkt die Tiefe der Porenbefüllung aus dieser Meßmethode.
Eine Ausführung kann es auch vorsehen, dass Gewicht der Stoffaustauschvorrichtung vor der Beschichtung und nach der Beschichtung zu erfassen, insbesondere nach Entweichen des Lösungsmittels aus der Beschichtungslösung, wobei aus der Gewichtsdifferenz das Gewicht des in der gesamten Beschichtung vorliegenden Beschichtungsmittels bestimmt wird. Es kann sodann aus dem Gewicht der gesamten Beschichtung das Gewicht des in den Poren abgelagerten Beschichtungsmittels bestimmt werden, vorzugsweise nach einer vorherigen Bestimmung der Hautdicke der Beschichtung und der Bestimmung des Gewichtes der Haut, z.B. anhand der Hautdicke, der beschichteten Gesamtfläche und der spezifischen Dichte des Beschichtungsmittels, insbesondere wobei aus dem Gewicht des in den Poren abgelagerten Beschichtungsmittels die Tiefe der Porenfüllung ermittelt wird, vorzugsweise in Abhängigkeit bekannter Porenparameter, insbesondere der Porosität und/oder Porenanzahl und/oder mittlerem Porendurchmesser. Diese Porenparameter können z.B. vom Hersteller der wenigstens einen Membran stammen oder zuvor gemessen sein.
Zur Prüfung der Qualität der Beschichtung kann es auch vorgesehen sein, einen der Kammerbereiche, insbesondere denjenigen, von dessen Seite aus die Beschichtung aufgebracht wurde, vorzugsweise bei Hohlfasern den Kammerbereich mit den Hohlfaserinnenseiten, mit einem Überdruck zu versehen und die Geschwindigkeit der Druckabnahme zu erfassen. Bei einer unbeschichteten Membran bzw. vorzugsweise einem unbeschichteten Hohlfaserpaket oder einer Fehlstellen aufweisenden beschichteten Membran / Hohlfaserpaket ist die Druckabnahme wesentlich höher als bei einer fehlerfrei beschichteten Membran / Hohlfaserpaket. Aus einer Druckabnahmegeschwindigkeit unterhalb eines bestimmten bzw. bestimmbaren Grenzwertes kann somit auf die fehlerfreie Beschichtung geschlossen werden.
Eine auf Fehlstellen hinweisende Druckprüfung kann auch so vorgenommen werden, dass einer der Kammerbereiche, z.B. der von der Beschichtungsseite abgewandte, bzw. unbeschichtete Kammerbereich vollständig zur Umgebung verschlossen wird, z.B. mit Stopfen oder Klemmen an den beiden Fluidanschlüssen.
Der andere, insbesondere der beschichtete Kammerbereich wird an einem der Fluidanschlüsse verschlossen, z.B. ebenso mit einer Klemme oder Stopfen. Über den anderen Fluidanschluss wird dieser Kammerbereich mit einem Druck beaufschlagt und dabei der Druck gemessen.
Der Druck in diesem Kammerbereich, insbesondere in den Hohlfasern wird erhöht, wodurch sich zunächst ein höherer Druck bzw. höhere O2- und N2-Partialdrücke in diesem Kammerbereich (z.B. auf der Innenseite der Hohlfaser) ergibt. Wegen der Druckunterschiede zwischen den Kammerbereichen findet ein Druckausgleich durch die Membranen zwischen diesen Kammerbereichen statt. Dies ist an einer langsamen Abnahme des Druckes in dem Kammerbereich festzustellen, der mit dem Druck beaufschlagt wurde. Z.B. sobald ein Gleichgewicht erreicht ist, wird der Druck weiter wieder erhöht, bis ein vorbestimmter Testdruck erreicht ist, z.B. 500 mmHg erreicht ist. Es kann nun der zuvor druckbeaufschlagte Kammerbereich, insbesondere der beschichtete Kammerbereich zur Umgebung geöffnet werden, z.B. durch Entfernen des Stopfen / der Klemme an einen Fluidanschluss. Der Druck fällt sofort vom Testdruck ab, insbesondere auf 0 mmHg ab. Wird der Fluidanschluß nun wieder verschlossen, so ist ein Druckanstieg mit zeitlichem Verzug in diesem Kammerbereich (z.B. dem beschichteten) zu beobachten, da das für den Druckaufbau genutzte Gas nun durch die Membranen zurückströmt für einen erneuten Druckausgleich.
Dieses Verhalten kann nur bei einer ordnungsgemäß beschichteten Stoffaustauschvorrichtung beobachtet werden. Eine unbeschichtete oder mit Fehlstellen in der Beschichtung versehene Stoffaustauschvorrichtung zeigt ein völlig anderes Verhalten, denn ohne Beschichtung oder mit Fehlstellen kann sich das Gas frei zwischen den beiden Seiten der Kammer durch die Membran bewegen und der Druck im gesamten Modul ist überall der gleiche ohne wesentlichen zeitlichen Verzug.
Der jeweilige zeitliche Verzug beim Druckausgleich, bzw. die Durckausgleichgeschwindigkeit kann als Maß für die Fehlerfreiheit herangezogen werden. Liegt die Druckausgleichgeschwindigkeit unter einem vorbestimmten Grenzwert, bzw. der zeitliche Verzug des Druckausgleich über einem vorbestimmten Zeitwert, so kann auf eine fehlerfrei Beschichtung geschlossen werden.
Es ergibt sich durch die Erfindung so die Möglichkeit zum einen die Applikation des Beschichtungsmittels in die Poren und /oder auf die Oberfläche der wenigstens einen Membran bzw. der Hohlfaserwandung, insbesondere nur auf der Seite einer der beiden Kammerbereiche, kontrollierter durchzuführen, z.B. durch Reduktion oder Ausschaltung des Effektes der Kapillarkräfte und weiterhin auch den Erfolg der Beschichtung anschließend verlässlich zu prüfen.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, Beschichtungen auf der Oberfläche der wenigstens einen Membran bzw. auf den jeweiligen Wandungen der Hohlfasern und/oder Porenfüllung in einer Tiefe auszubilden, deren Hautdicke und/oder Tiefen, insbesondere die Summe aus Hautdicke und Tiefe, vorzugsweise die effektiv wirkende Dicke der Beschichtung insgesamt kleiner gleich 10 Mikrometer, vorzugsweise kleiner gleich 5 Mikrometer ist. So wird besonders bei der Behandlung von Polysulfon-Fasern eine sichere Hydrophobierung erzielt ohne die Sauerstoffdiffusion durch zu hohe Schichtstärke / Fülltiefe zu behindern. Die effektiv wirksame Beschichtungsdicke ist ein Maß welches besagt, dass die Summe aus Dicke der Hautschicht und Tiefe der gefüllten Poren so wirkt, wie eine reine Beschichtung dieser effektiv wirkenden Dicke. Die Summe aus Dicke der Haut und Tiefe der Porenbefüllung ist bei der Membran tatsächlich etwas größer, weil die Membran immer eine Porosität kleiner als 100% hat, unter der reinen Haut also immer eine Mischung aus Porenmaterial und Beschichtungsmaterial vorliegt.
Das Verfahren erschließt es daher, ein Medizinprodukt mit gleichbleibender Qualität reproduzierbar herzustellen. Insbesondere wird erschlossen, industriell zuvor hergestellte Dialysatoren durch das erfindungsgemäße Verfahren in Blut-Oxygenatoren umzuwandeln.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren näher erläutert.
Die 1 zeigt zunächst eine Stoffaustauschvorrichtung 1, die erfindungsgemäß zu beschichten ist. Die Stoffaustauschvorrichtung 1 kann z.B. ein industriell hergestellter betriebsfertiger Dialysator sein. Das Hohlfaserpaket umfasst Hohlfasern 2, bei einem Dialysator vorzugsweise hydrophile Polysulfon-Hohlfasern 2. Als zeichnerische Vereinfachung sind hier nur wenige Hohlfasern 2 dargestellt.
Die Stoffaustauschvorrichtung 1 umfasst in ihrem Gehäuse 1a das Hohlfaserpaket aus mehreren Hohlfasern 2, die an ihren beidseitigen Enden untereinander und mit der Gehäusewandung gedichtet sind, was auch als „verpottet“ bezeichnet wird. Hierdurch wird die Kammer im Inneren des Gehäuses 1a in zwei Kammerbereiche 5a, 5b unterteilt.
Einer der Kammerbereiche 5a grenzt dabei innenseitig an die Hohlfasern 2 an, der andere Kammerbereich 5b grenzt außen an die Hohlfasern 2 an. Die Kammerbereiche 5a, 5b sind also durch die Hohlfaserwandung, welche jeweils eine Membran 2a bildet, voneinander getrennt, wobei die Hohlfaserwandung permeabel ist aufgrund der Tatsache, dass die Hohlfasern mikroporös sind. Die Poren können z.B. einen mittleren Porendurchmesser von 30 bis 120 nm haben, insbesondere bei einer Porosität der Hohlfaserwandung von mehr als 70%, vorzugsweise mehr als 80%.
Die Stoffaustauschvorrichtung 1 weist zwei Fluidanschlüsse 3a, 3b auf, die in den ersten Kammerbereich 5a münden und weist zwei Fluidanschlüsse 4a, 4b auf, die in den zweiten Kammerbereich 5b münden, der die Hohlfasern 2 außen umgibt. Die Fluidanschlüsse 3a, 3b, 4a, 4b können as Stutzen ausgebildet sein, insbesondere auf die Schläuche aufschiebbar sind.
Hier ist die Ausführung so, dass der erste Kammerbereich 5a innen an die Hohlfasern 2 angrenzt. In der ursprünglichen Anwendung als Dialysator bilden die Fluidanschlüsse 3a, 3b mit dem ersten Kammerbereich 5a die Blutseite und die Fluidanschlüsse 4a, 4b mit dem zweiten Kammerbereich 5b die Dialysatseite.
Erfindungsgemäß ist es z.B. vorgesehen, die Hohlfasern 2 von innen, also in dem ersten Kammerbereich 5a zu beschichten, wofür beispielsweise eine Beschichtungslösung aus Silikon gelöst in n-Heptan eingesetzt wird, z.B. 10g Silikonmasse (Raumedic oder Wacker gemäß vorherigen Angaben) und 40ml n-Heptan.
Die 2 verdeutlichen ein Vorgehen zur Befüllung des ersten Kammerbereichs 5a mit der Beschichtungslösung mittels Unterdruck, wofür erfindungsgemäß der zweite Kammerbereich 5b an beiden Fluidanschlüssen 4a, 4b direkt, gemäß 2A, geschlossen wird, z.B. durch Stopfen 4c oder gemäß 2B an beiden Fluidanschlüssen 4a, 4b ein Behälter 6 angeschlossen wird, der ein Compliance-Volumen bildet. Dadurch ist ein Druckausgleich in dem Kammerbereich 5b zur Umgebung verhindert und es können gewünschte Druckverhältnisse in der Stoffaustauschvorrichtung eingestellt werden über den ersten Kammerbereich 5a.
Einer der Fluidanschlüsse des ersten Kammerbereichs 5a, hier der untere 3a, wird geschlossen, z.B. durch eine symbolisierte Klemme 3c oder einen Drei-Wege-Hahn, und über den anderen Fluidanschluss 3b wird mit einer Unterdruckpumpe 7 im ersten Kammerbereich 5a und durch die porösen Hohlfaserwandungen / Membranen 2a hinweg auch im zweiten Kammerbereich 5b ein Unterdruck erzeugt. Vorzugsweise ist die Vorrichtung 1 so angeordnet, dass die Fluidanschlüsse 3a und 3b in Schwerkraftrichtung beabstandet sind und die Hohlfasern 2 in derselben Richtung erstreckt sind.
Nach Druckausgleich zwischen den beiden Kammerbereichen 5a, 5b durch die porösen Membranen 2a bzw. die Hohlfaserwandungen 2a wird durch den Unterdruck die Beschichtungslösung 9 in den ersten Kammerbereich 5a eingesaugt, vorzugsweise wobei die Unterdruckpumpe 7 die Druckverhältnisse beidseits der Hohlfaserwandung 2a aufrecht erhält, also die Druckerhöhung durch die zuströmende Beschichtungslösung 9 ausgleicht. Um die Beschichtungslösung 9 einströmen zu lassen kann z.B. ein Drei-Wege-Hahn am Fluidanschluß 3a zu einem Reservoir 9a an Beschichtungslösung 9 geöffnet werden.
Die 2C visualisiert die Befüllung des ersten Kammerbereiches 5a und somit aller Hohlfasern 2 an deren Innenseite mit der Beschichtungslösung 9, die in den Figuren schraffiert dargestellt ist, vorzugsweise bis zum Erreichen einer vorbestimmten Referenz-Steighöhe H₀ der Beschichtungslösung 9 im oberen Fluidanschluß 3b.
In diesem Zustand ist noch keine Beschichtungslösung 9 in die Poren der Hohlfasern 2 eingedrungen.
Es ist sodann vorgesehen, z.B. durch Abschalten oder Abkoppeln der Unterdruckpumpe 7 oder durch andere Maßnahmen, den Druck auf Seiten des ersten Kammerbereichs 5a ansteigen zu lassen, wodurch die Beschichtungslösung 9 in die Poren der Hohlfasern 2 eindringt, weil in dem zweiten Kammerbereich 5b noch der zuvor erstellte Unterdruck wirkt. Anhand der Abnahme der Steighöhe der Beschichtungslösung 9 auf eine Höhe H₁ im Fluidanschluss 3b kann genau die Menge an Beschichtungslösung 9 bestimmt werden, die in die Poren eingedrungen ist. So kann die Eindringtiefe exakt bestimmt werden, insbesondere vor den Hintergrund bekannter Porenvolumina und / oder der Porosität, insbesondere also des gesamten Porenvolumens der Hohlfasern 2.
Diese Abnahme der Steighöhe von H₀ auf H₁ visualisiert die 2D gegenüber der 2C.
Die 2E und 2F zeigen dasselbe Vorgehen, allerdings mit dem Unterschied, dass der Kammerbereich 5b an den Fluidanschlüssen nicht direkt mit Stopfen zur Umgebung verschlossen ist sondern mit dem in 2b genannten Behälter 6, der ein Compliance-Volumen bildet.
2G verdeutlich die Entfernung der überschüssigen Beschichtungslösung 9 aus dem ersten Kammerbereich 5a. Dafür kann, muss aber nicht die Stoffaustauschvorrichtung 1 umgedreht werden. Es wird vorzugsweise eine Luftströmung 10 durch den ersten Kammerbereich 5a hindurch erzeugt, welche die Beschichtungslösung 9 bis auf eine an der Hohlfaserinnenwand anhaftende Haut-Schicht entfernt.
Sofern eine solche Haut-Schicht an Beschichtungslösung 9 auf der Innenwand der Hohlfasern 2 nicht erwünscht ist, also nur die Poren gefüllt werden sollen, kann es vorgesehen sein, den ersten Kammerbereich 5a anschließend mit vorzugsweise demselben Lösungsmittel 11, mit welchem die Beschichtungslösung 9 erstellt wurde, hier z.B. n-Heptan, durchzuspülen und so die anhaftende Schicht aufzulösen. Dafür wird das Lösungsmittel 11 z.B. aus einem Reservoir 11a durch die Hohlfasern 2 gepumpt / gedrückt. Dies verdeutlicht die 2H, in der das Lösungsmittel 11 kreuz-schraffiert dargestellt ist. Dieser letzte Schritt entfällt, wenn eine Haut-Schicht an Beschichtungslösung 9 auf den Hohlfaserinnenwandungen erwünscht ist.
Anschließend kann das Lösungsmittel aus der Beschichtungslösung 9 entweichen, so dass nur das Beschichtungsmittel, z.B. Silikon auf und/oder in den Poren der Membran 2a verbleibt, wodurch die fertige Beschichtung ausgebildet wird. Dies kann durch eine Wärmebehandlung und/oder eine Luftströmung 10 unterstützt werden, was 2I verdeutlicht. Vorzugsweise sind während des Entweichens des Lösungsmittels die Fluidanschlüsse 4a, 4b des Kammerbereiches 5b, bzw. desjenigen Kammerbereiches, der nicht mit der Beschichtungslösung 9 befüllt wurde, geschlossen, z.B. mit Stopfen 4c.
In den 2G bis 2I sind die jeweils unteren Fluidanschlüsse 3b nicht dargestellt aber selbstverständlich ebenso vorhanden.
Die 3 verdeutlichen eine andere bevorzugte Variante der Befüllung des ersten Kammerbereichs 5a mit der Beschichtungslösung 9.
Die 3A zeigt zunächst die Stoffaustauschvorrichtung 1 in ungefüllter Form, z.B. wiederum einen Dialysator mit Polysulfon-Fasern 2, wie zu 1 als Beispiel benannt. Im Unterschied zu 1 sind die Fluidanschlüsse 4a, 4b des zweiten Kammerbereichs 5b, der nicht mit Beschichtungslösung 9 befüllt werden soll, beispielsweise mit einem gemeinsamen Steigrohr 8 verbunden. Die Verwendung eines Steigrohres 8 muss nicht vorgesehen sein. In dieser Situation ist der Kammerbereich 5b noch zur Umgebung hin offen und der Kammerbereich 5a soll mit Beschichtungslösung befüllt werden.
Gemäß 3B ist es vor der Befüllung mit Beschichtungslösung 9 zunächst vorgesehen, beide Kammerbereiche 5a, 5b mit einem reinen Lösungsmittel 11 (hier wieder kreuz-schraffiert dargestellt) zu füllen, hier wiederum z.B. n-Heptan, mit dem auch die Beschichtungslösung 9 hergestellt wird. Dafür kann vorgesehen sein, das Lösungsmittel 11 aus einem Reservoir 11 im Kreislauf durch den ersten Kammerbereich 5a mit einer Pumpe 12 zu pumpen, wobei es durch die porösen Hohlfaserwandungen / Membranen 2a auch in den zweiten Kammerbereich 5b übertritt und diesen füllt. Dies wird solange vorgenommen bis der Kammerbereich 5b vollständig mit Lösungsmittel 11 befüllt ist, z.B. bis dieses aus den Fluidanschlüssen 4a, 4b austritt, vorzugsweise bis im Steigrohr 8 das Lösungsmittel 11 eine Höhe H_o eingenommen hat, die hiernach als Referenzhöhe H₀ dient.
Es wird dann erfindungsgemäß der zweite Kammerbereich 5b geschlossen, vorzugsweise hier durch Schließen des Steigrohres 8 gegenüber der Umgebung, z.B. mit einer Klemme 8a. In diesem Zustand sind alle Poren in der Membran 2a / Wandung der Hohlfasern 2 durch das Lösungsmittel 11 befüllt, so dass nachfolgend keine unkontrollierte Füllung der Poren mit der Beschichtungslösung 9 erfolgen kann.
Gemäß 3C wird nun die einfach schraffiert dargestellte Beschichtungslösung 9 aus einem Reservoir 9a durch einen der Fluidanschlüsse, hier 3b in den ersten Kammerbereich 5a eingepumpt und hierdurch alles Lösungsmittel 11 aus dem ersten Kammerbereich 5a verdrängt. Dies kann z.B. daran verifiziert werden, dass die Beschichtungslösung 9 aus dem anderen Fluidanschluss 3a wieder austritt, vorzugsweise auch bis in ein Steigrohr. Dabei dringt keine Beschichtungslösung 9 in die Poren der Membranen 2a ein, da dafür das Lösungsmittel 11 verdrängt werden müsste, was nicht möglich ist wegen des Abschlusses des zweiten Kammerbereiches 5b gegenüber der Umgebung. Die Hohlfasern 2 sind nun innen mit Beschichtungslösung 9 befüllt, wobei die Poren der Membranen 2a und der Kammerbereich 5b außen um die Membranen 2a / Hohlfaserwandungen mit Lösungsmittel 11 gefüllt ist.
3D verdeutlich nun, dass der zweite Kammerbereich 5b zur Umgebung wieder geöffnet wird, z.B. indem das Steigrohr 8 geöffnet wird. Es wird nun nochmals Beschichtungslösung 9 in den ersten Kammerbereich 5a nachgedrückt, insbesondere wofür beide Fluidanschlüsse 3a, 3b des ersten Kammerbereichs 5a geschlossen sind, damit im ersten Kammerbereich 5a ein Druck aufgebaut werden kann und hierdurch die Beschichtungslösung 9 in die Poren eindringt und das Lösungsmittel 11 aus diesen verdrängt. Hierdurch steigt die Steighöhe des Lösungsmittels 11 im Steigrohr 8 auf die Höhe H₁ gegenüber H₀ an. Aus der Differenz beider Steighöhen kann genau die Menge an Beschichtungslösung 9 abgelesen werden, die in die Poren der Membranen 2a bzw. der Hohlfaserwandungen eingedrungen ist.
Es wird hiernach die überschüssige Beschichtungslösung 9 entfernt, z.B. wie zuvor zu 2G beschrieben durch Herauslaufenlassen und/oder ausblasen.
Ggfs. kann ein Schritt zum Ablösen der Haut-Schicht an Beschichtungslösung 9 auf der Hohlfaserinnenwandung erfolgen, falls gewünscht, indem die Stoffaustauschvorrichtung 1 mit reinem Lösungsmittel 11 durchspült wird, z.B. im Kreislauf gemäß 3E, vorzugsweise wofür die Fluidanschlüsse 4a, 4b oder das Steigrohr 8 geschlossen werden.
Nach Entweichen des Lösungsmittels 11 aus der Beschichtungslösung 9 ist die Stoffaustauschvorrichtung 1 fertig beschichtet. Auch hier kann eine Wärmebehandlung oder eine Luftströmung durch den beschichteten Kammerbereich 5a vorgesehen sein, um das Entweichen des Lösungsmittels zu beschleunigen, vorzugsweise wobei der andere Kammerbereich 5a geschlossen bleibt bis zum vollständigen Entweichen des Lösungsmittels 11.
Die Erfindung kann es vorzugsweise vorsehen, eine fertig beschichtete Stoffaustauschvorrichtung einer Qualitätsprüfung zu unterziehen, z.B. um zu prüfen, ob die Beschichtung Fehlstellen aufweist und/oder um zu prüfen, welche Beschichtungsstärken bei der Verfahrensdurchführung erzielt wurden.
Eine mögliche Prüfung auf Fehlstellen ist bereits zuvor beschrieben worden.
Nachfolgend wird erläutert, wie die Dicke einer auf der wenigstens einen Membran, insbesondere auf der Hohlfaserinnenseite abgelagerten Beschichtung des Beschichtungsmaterials, z.B. Silikon bestimmt werden kann.
Z.B. mit dem Gesetz von Hagen-Poiseuille kann der Druckabfall aus dem Volumenstrom, der Viskosität eines strömenden Mediums und dem InnenDurchmesser, sowie der Länge einer durchströmten Leitung bei einer laminaren stationären Strömung eines homogenen Newton'schen Fluids bestimmt werden.
Für eine Stoffaustauschvorrichtung mit Hohlfasern lautet das Gesetz von Hagen-Poiseuille: $Δ_{p_{F}} = \frac{128 \cdot η_{F} \cdot I_{H F} \cdot {\dot{Q}}_{F}}{π \cdot d_{i}^{4} \cdot N}$
mit:

Δp,F: Druckverlust des Fluids z.B. Gas, insbesondere O₂ oder eine Flüssigkeit, z.B. H₂O
ηF: Viskosität des Fluides
lHF: Länge der Hohlfaser
Q̇̇̇F: Fluid Flussrate
di: Innendurchmesser der Hohlfasern
N: Anzahl der Hohlfasern

Hieraus kann der Innendurchmesser der Hohlfaser bestimmt werden gemäß: $d_{i} = {(\frac{128 \cdot η_{F} \cdot I_{H F} \cdot {\dot{Q}}_{F}}{π \cdot N \cdot Δ p_{F}})}^{\frac{1}{4}}$
Die Erfindung kann es vorsehen vor einer Beschichtung den Kammerbereich mit einem Fluid, z.B. Gas (Luft oder Sauerstoff, oder Stickstoff etc.) zu durchströmen, dem die Innenseiten der Hohlfasern zugewiesen sind und so aus dem gemessenen Druckverlust über der Stoffaustauschvorrichtung auf den nativen Innendurchmesser der unbeschichteten Hohlfasern zu schließen. Alternativ kann der vom Hersteller der Fasern bereitgestellte Wert des Hohlfaserinnendurchmessers herangezogen werden.
Die Erfindung sieht vor nach einer Beschichtung den Kammerbereich mit einem Fluid, z.B. Gas (Luft oder Sauerstoff, oder Stickstoff etc.) zu durchströmen, dem die Innenseiten der Hohlfasern zugewiesen sind und so aus dem gemessenen Druckverlust über der Stoffaustauschvorrichtung auf den Innendurchmesser der beschichteten Hohlfasern zu schließen.
Aus der Differenz der Innendurchmesser der beschichteten Hohlfasern und der nativen, unbeschichteten Hohlfasern ergibt sich die Dicke der Haut, die auf der Hohlfaserinnenwandung abgelagert ist.
Die Erfindung kann vorsehen eine jeweilige Druckverlustmessung für verschiedene Durchflussraten eines verwendeten Fluids durchzuführen.
Die Erfindung kann vorzugsweise weiterhin vorsehen, dass beim jeweiligen Messen des Druckverlustes über der Stoffaustauschvorrichtung beim Durchströmen des Kammerbereiches mit den Innenseiten der Hohlfasern der andere Kammerbereich, der an die Hohlfaseraussenseiten angrenzt, vorzugsweise auch die Poren, insbesondere zumindest die mit Beschichtungsmittel nicht gefüllten Poren der Hohlfasern mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, z.B. Wasser, vorzugsweise, wobei dieser andere Kammerbereich zur Umgebung hin geschlossen ist. So werden bei dieser Prüfmethode Fehlströmungen zu vermeiden, die nicht ausschließlich durch die Hohlfasern führen.
Insgesamt kann mit dieser Prüfmethode die Hautdicke der Beschichtung über der Membranoberfläche auf der Hohlfaserinnenseite sehr präzise geprüft werden.
Die 4A zeigt ein gemessenes Diagramm und zugehörige Auswertung für Druckverlustmessungen an einem beschichteten Dialysator des Typs AV1000S-01 der Firma Fresenius. Die Druckverlustmessungen wurden hierfür mehrere Durchflüsse von Sauerstoff als Gas vorgenommen und ergeben in diesem Beispiel eine im Mittel gemessenen Hautdicke der Beschichtung an Silikon von 1,2 Mikrometern.
Die 4B visualisiert die nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille ausgerechneten Innendurchmesser nativ und beschichtet im Vergleich zur Herstellerangabe, sowie die sich bei den verschiedenen Durchflüssen ergebende Differenz, also die Dicke der Haut an Silikonschicht.
Die 5 visualisiert ein mögliches Testverfahren um die Beschichtungsdicke ermitteln zu können. Die so ermittelte Beschichtungsdicke ist eine effektiv wirkende Dicke und umfasst die Dicke der Haut auf der Membranoberfläche und die Dicke bzw. Tiefe der Porenbefüllung.
Hierfür wird gemäß der schematischen Darstellung der 5 ein erstes Testgas G1 mit einer Testgaskomponente j, z.B. Kohlendioxid durch einen der Kammerbereiche geleitet, z.B. Kammerbereich 5a. Durch den anderen Kammerbereich, z.B. 5b, wird vorzugsweise im Gegenstrom ein zweites Testgas G2, vorzugsweise ohne die Testgaskomponente j geleitet, z.B. wird als Testgas Stickstoff eingesetzt. Durch den Gastransfer über die Hohlfasermembran 2a tritt die Testgaskomponente j aus dem Testgas G1 in das Testgas G2 über. Die Konzentration dieser Gaskomponente j ausgansseitig vom Kammerbereich 5a und die Konzentration dieser Gaskomponente j ausgangsseitig vom Kammerbereich 5b wird, insbesondere jeweils zusammen mit den eingangsseitigen Konzentrationen und die Gasflussraten gemessen und so die Abnahme bzw. Zunahme der Konzentration ermittelt und aus dem bekannten Permeabilitätskoeffizienten der Testgaskomponente j bei dem verwendeten Beschichtungsmittel, hier z.B. Silikon Raumedic Kleber RAU-SIK 1511 und der Größe der Membranoberfläche auf die effektiv wirkende Schichtdicke δ_Mem geschlossen.
Die Berechnung ergibt gemäß folgender Rahmenbedingungen:

Testgas G1 enthält die Komponente j
Testgas G2 enthält die Komponente j nicht.

Q̇̇G1,E

Gasflussrate (Testgas 1, Eingang)

Q̇G1,A

Gasflussrate (Testgas 1, Ausgang)

Q̇G2,E

Gasflussrate (Testgas 2, Eingang)

Q̇G2,A

Gasflussrate (Testgas 2, Ausgang)

vj,G1,E

Konzentration der Komponente j am Einlass der Testgas 1

vj,G1,A

Konzentration der Komponente j am Auslass der Testgas 1

vj,G2,E

Konzentration der Komponente j am Einlass der Testgas 2

vj,G2,A

Konzentration der Komponente j am Auslass der Testgas 2

Beispiel: j=CO₂:

CTR: CO₂-Transferrate
CO₂-Bilanz, G₁-seitig (Bilanzhülle 1): $C T R = {\dot{Q}}_{G 1, E} \cdot v_{C O 2, G 1, E} - {\dot{Q}}_{G 1, A} \cdot v_{C O 2, G 1, A}$
CO₂-Bilanz, G₂-seitig (Bilanzhülle 2): $C T R = {\dot{Q}}_{G 2, E} \cdot v_{C O 2, G 1, E} - {\dot{Q}}_{G 1, A} \cdot v_{C O 2, G 1, A}$

Da die Phase 2 keine Komponente j enthält: $Q_{G 2, E} \cdot v_{C O 2, G 2, E} = 0$
Aus experimentellen Daten kann die (CO₂-) Transferrate bestimmt werden.
Aus der CO₂-Gesamtbilanz folgt: $C T R = \frac{P_{C O 2, S}}{δ_{M e m}} A_{M e m} \cdot Δ p C O_{2, i n}$
wobei:

PCO2,S:: Permeabilitätskoeffizient der Komponente j (CO₂) in Beschichtungsmaterial (Silikon S)
AMem:: Membranoberfläche
ΔpCO2,ln:: die Treibende Kraft (Partialdruckgradient)
δMem:: effektive Dicke der Trennschicht (Eindringtiefe + Haut)

Daraus kann dann δ_Mem bestimmt werden. $δ_{M e m} = \frac{P_{C O 2, S} \cdot A_{M e m} \cdot Δ p C O_{2, i n}}{C T R}$
Dieser Wert der effektiven Dicke der Beschichtung entspricht im Wesentlichen einer Tiefe der Porenfüllung, sofern die Haut abgewaschen wurde gemäß einer möglichen eingangs beschriebenen Verfahrensvariante. Sofern die Haut nicht abgewaschen wurde, kann die Dicke der Haut, bestimmt z.B. gemäß der zuvor benannten Prüfmethode, von diesem Wert subtrahiert werden, um die Tiefe der Porenbefüllung zu erhalten.
Die Beschichtungsdicke kann in anderer Ausführung auch durch eine Ermittlung des Gewichtes des bei der Beschichtung deponierten Beschichtungsmittels ermittelt werden unter Annahme einiger Membranparameter oder -eigenschaften, wie nachfolgend beispielshaft erläutert.
Gemäß 6 geht die Methode davon aus, dass eine Stoffaustauschvorrichtung Hohlfasern 2 umfasst, deren Membranwandung Poren mit einer Anzahl n und einem mittleren Porendurchmesser d_P aufweist. Der benannte Umwegfaktor kann näherungsweise zu 1 angenommen werden. δ_Mem entspricht der Membrandicke.
Für eine Stoffaustauschvorrichtung mit porösen Hohlfasern kann aus dem Transmembranen Druck (TMP) und der Membran-Porosität die Porenanzahl und der mittlere Porendurchmesser abgeschätzt werden. Dabei wird der transmembrane Druck gemessen und die Membran Porosität ε_Mem gemessen oder ergibt sich aus Herstellerangaben. Es gilt: $n_{T M P} = \frac{128 \cdot η_{G} \cdot δ_{M e m}^{*}}{π \cdot (s p . T M P) \cdot d_{P}^{4}}$
mit sp.TMP = TMP / Fluidflussrate, und $n_{ε} = \frac{(d_{a}^{2} - d_{i}^{2}) \cdot l_{e ƒ ƒ} \cdot N \cdot ε_{M e m}}{δ_{M e m}^{*} \cdot d_{P}^{2}}$
Vor der Beschichtung werden folgende Untersuchungen durchgeführt:

1. Ermittlung des „nativen“ Gewichtes der Stoffaustauschvorrichtung
2. Ermittlung des Transmembranen Druckes (TMP) in Abhängigkeit der Fluid-Flussrate.

Das Fluid ist entweder ein Gas (z.B. O₂) und/oder eine Flüssigkeit (z.B. destilliertes Wasser)
Es erfolgt die Messung des transmembranen Druckes gemäß 7A vorzugsweise in der Flussrichtung von der Hohlfaserinnenseite zur Hohlfaseraußenseite und gemäß 7B in der Flussrichtung von der Hohlfaseraußenseite zur Hohlfaserinnenseite. Grundsätzlich reicht auch die Messung in nur einer Flussrichtung.
Der Transmembrane Druck wird durch den Druckverlust über die Membranen der Hohlfasern hinweg aufgenommen. Nach Ermittlung des transmembranen Druckes erfolgt:

3. Ermittlung des Druckverlustes im zu beschichtenden Kammerbereich, (Kammerbereich der Hohlfaser-Innenseite) als Funktion der Fluid-Flussrate

Δ p_{F,nativ} = f (Fluid - Flussrate)

Vorzugsweise nachdem die TMP-Messungen mit Wasser durchgeführt wurden und die Stoffaustauschvorrichtung von Innen und Außen mit Wasser befüllt ist, wird der Kammerbereich, der den Hohlfaseraussenseiten zugewiesen ist von der Umgebung abgeklemmt und Wasser durch den Kammerbereich der Hohlfaserinnenseite gepumpt. Der Druckabfall in Abhängigkeit der Wasserflussrate wird ermittelt, gemäß 8:

Anschließend wird Wasser aus den Hohlfasern mit Hilfe eines Gas-Stromes verdrängt. Nachdem sichergestellt werden konnte, dass die Hohlfasern von Innen trocken sind, wird ebenfalls die Druckdifferenz in Abhängigkeit der Gas- (z.B. O₂-) Flussrate ermittelt (gasseitiger Druckverlust nativer Module).

Gemäß 9 für Gas (z.B. Sauerstoff) und/oder 10 für eine Flüssigkeit (z.B. Wasser) kann anhand der Messungen und dem oben geschilderten Formelzusammenhang die mittlere Porengröße und die Porenanzahl abgeschätzt werden. In diesem Beispiel der Messungen beträgt die mittlere Porengröße ca. 66 Nanometer und die Anzahl ca. 4,9 × 10¹⁴.
Aus der gemessenen Gewichtsdifferenz der Stoffaustauschvorrichtung vor und nach der Beschichtung ergibt sich, dass diese Gewichtsdifferenz sich durch das abgeschiedene Beschichtungsmittel ergibt und sich sowohl auf die Haut über der Membranoberfläche als auch auf die Füllung der Poren verteilt, insbesondere sofern nicht die Haut abgewaschen wurde.
Wie zuvor beschrieben kann die Dicke der Haut sehr präzise gemessen werden, insbesondere gemäß dem Zusammenhang nach Hagen- Poiseuille. Aus der Dicke und der beschichteten Oberfläche, sowie der spezifischen Dichte des Beschichtungsmittels kann das Gewicht der Haut ermittelt werden und von der gemessenen Gewichtsdifferenz in Abzug gebracht werden, so dass das Gewicht an Beschichtungsmittel bekannt ist, was alleine auf die Porenbefüllung zurückzuführen ist. Anhand der ermittelten Porenanzahl und dem mittleren Porendurchmesser kann die Tiefe der Porenbefüllung in der Membrane ausgehend von der beschichteten Seite, hier der Innenseite der Hohlfasern bestimmt werden.
In einem Beispiel wurde eine Gewichtsdifferenz von 10.21 Gramm bei einem mit Silikon beschichteten Dialysator des Typs Ultraflux AV 1000S der Firma Fresenius Medical Care ermittelt. Rechnerisch lässt sich eine effektive Dicke der Beschichtung von ca. 7,5 Mikrometern mit den oben genannten Daten bei einer Porosität von 80% bestimmen.
Die Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme der 11 verifiziert diese Ergebnisse gut mit δ gleich ungefähr 7,5 Mikrometern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10034098 A1 [0012]

Claims

Verfahren zur Beschichtung einer Stoffaustauschvorrichtung (1), in der wenigstens eine Membran (2a), vorzugsweise eine poröse Membran (2a) in einer Kammer angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Membran (2a) die Kammer in einen ersten Kammerbereich (5a) unterteilt, in welchem eine erste Seite der wenigstens einen Membran (2a) mit einem ersten Austauschmedium kontaktierbar ist und in einen zweiten Kammerbereich (5b) unterteilt, in welchem eine zweite Seite der wenigstens einen Membran (2a) mit einem zweiten Austauschmedium kontaktierbar ist, wobei eine Beschichtungslösung (9) in einen der beiden Kammerbereiche (5a) eingefüllt wird und hierdurch die dem Kammerbereich (5a) zugeordnete Seite der wenigstens einen Membran (2a) beschichtet wird, wonach überschüssige Beschichtungslösung (9) aus dem Kammerbereich (5a) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der andere Kammerbereich (5b) vor dem Einfüllen der Beschichtungslösung (9) gegenüber der äußeren Umgebung geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Membran (2a) gebildet wird durch eine poröse Flachmembran oder durch die Wandung (2a), vorzugsweise poröse Wandung (2a) einer Hohlfaser (2), insbesondere in einer Stoffaustauschvorrichtung (1) ein Hohlfaserpaket mit einer Vielzahl, jeweils eine poröse Membran (2a) bildender poröser Hohlfasern (2), vorzugsweise hydrophiler poröser Hohlfasern (2) beschichtet wird, insbesondere die Innenseite der Hohlfasern (2) beschichtet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der andere Kammerbereich (5b) dadurch gegenüber der Umgebung geschlossen wird, dass dieser direkt an seinen Fluidanschlüssen (4a, 4b) geschlossen wird oder dadurch dass an den anderen Kammerbereich (5b) wenigstens ein Behälter (6), insbesondere ein unter Umgebungsdruck stehender Behälter (6), angeschlossen wird, insbesondere mit einem Volumen kleiner gleich dem Kammervolumen des anderen Kammerbereichs (5b).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Porenbefüllung in Abhängigkeit des Fülldruckes in dem mit der Beschichtungslösung (9) gefüllten Kammerbereich (5a) und/oder in Abhängigkeit des Druckes in dem anderen Kammerbereich (5b) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der gesamten Kammer (5) der Stoffaustauschvorrichtung (1) ein Unterdruck gegenüber der Umgebung erzeugt wird, insbesondere indem Luft über den wenigstens einen Fluidanschluss (3a, 3b) des mit der Beschichtungslösung (9) zu füllenden Kammerbereiches (5a) abgepumpt wird, wonach die Beschichtungslösung (9) in den zu füllenden Kammerbereich (5a) eingefüllt wird, und anschließend der Unterdruck im mit der Beschichtungslösung (9) gefüllten Kammerbereich (5a) reduziert wird, insbesondere wodurch die Beschichtungslösung (9) durch den weiterhin bestehenden Unterdruck im anderen Kammerbereich (5b) in die Poren der wenigstens einen Membran (2a) eingesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Befüllung der Unterdruck aufrecht erhalten wird, insbesondere eine sich durch die Befüllung ergebende Druckerhöhung kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Porenbefüllung in Abhängigkeit der Druckzunahme in dem mit der Beschichtungslösung (9) gefüllten Kammerbereich (5a) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schließen des anderen Kammerbereiches (5b) gegenüber der Umgebung in beide Kammerbereiche (5a, 5b) ein Lösungsmittel (11) eingefüllt wird, insbesondere mittels Perfusion des Lösungsmittels (11) durch beide Kammerbereiche (5a, 5b) und durch die Membranporen in einem Pumpkreislauf, in welchem das Lösungsmittel (11) gepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beide Fluidanschlüsse (4a, 4b) des anderen, nicht mit Beschichtungslösung (9) zu füllenden Kammerbereiches (5b) mit einem gemeinsamen Steigrohr (8) oder jeder der Fluidanschlüsse (4a, 4b) mit einem eigenen Steigrohr (8) verbunden werden und das wenigstens eine Steigrohr (8) vor dem Schließen des wenigstens einen Steigrohres (8) gegenüber der Umgebung bis zu einer Referenzhöhe (H₀)mit dem Lösungsmittel (11) befüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schließen die Beschichtungslösung (9) in den zu füllenden Kammerbereich (5a) eingefüllt wird und hierdurch das Lösungsmittel (11) aus diesem Kammerbereich (5a) verdrängt wird, insbesondere ohne die mit Lösungsmittel (11) belegten Poren mit der Beschichtungslösung (9) zu befüllen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht gefüllte andere Kammerbereich (5b) nach der Befüllung des zu füllenden Kammerbereichs (5a) zur Umgebung hin geöffnet wird, insbesondere durch Öffnung des wenigstens einen Steigrohres (8), und in den zu füllenden, insbesondere den gefüllten Kammerbereich (5a) Beschichtungslösung (9) nachgedrückt wird, insbesondere wodurch mit der Beschichtungslösung (9) das Lösungsmittel (11) aus den Poren verdrängt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Porenbefüllung in Abhängigkeit des Volumens der nachgedrückten Beschichtungslösung (9) eingestellt wird, insbesondere das in die Poren eingedrungene Volumen durch die Zunahme der Steighöhe des Lösungsmittels (11) in dem wenigstens einen Steigrohr (8) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Entfernen der überschüssigen Beschichtungslösung (9) der zuvor befüllte Kammerbereich (5a) a. mit einem Gasstrom (10) durchströmt wird und/oder b. mit einem Lösungsmittel (11) durchströmt wird, insbesondere um die bei der Beschichtung auf der Oberfläche der wenigstens einen Membran (2a) durch die Beschichtungslösung (9) gebildete Haut von der Wand der Hohlfasern (2) zu entfernen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungslösung (9) wenigstens einen der folgenden Zusätze umfasst: a. ein Medikament, vorzugsweise ein gerinnungshemmendes Medikament, insbesondere Heparin und/oder Stickoxid, b. ein Material zur Absorption von unerwünschten Gasen, insbesondere zur Absorption von Kohlendioxid, c. ein Material zur Speicherung von erwünschten Komponenten, insbesondere zur Speicherung von Sauerstoff, d. ? weiteres ?
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der bei der Beschichtung auf der wenigstens einen Membran (2a) abgelagerten Haut von Beschichtungsmittel (9) ermittelt wird durch a. Bestimmung einer ersten Druckdifferenz über den Fluidanschlüssen (3a, 3b) des Kammerbereiches (5a), welcher die zu beschichtende Seite der wenigstens einen Membran (2a) umfasst bei einem bestimmten Fluidvolumenstrom durch diesen Kammerbereich (5a), insbesondere nachdem der andere Kammerbereich (5b), vorzugsweise auch die Membranporen mit einer Flüssigkeit gefüllt wurde, wobei diese Bestimmung vor der Durchführung der Beschichtung erfolgt, und b. Bestimmung einer zweiten Druckdifferenz über denselben Fluidanschlüssen (3a, 3b) des Kammerbereiches (5a), welcher die beschichtete Seite der wenigstens einen Membran (2a), insbesondere der Hohlfasern (2) umfasst bei demselben bestimmten Fluidvolumenstrom durch diesen Kammerbereich (5a), wobei diese Bestimmung nach der Durchführung der Beschichtung erfolgt, insbesondere nach Entweichen des Lösungsmittels (11) aus der Beschichtungslösung (9) erfolgt, c. Bestimmen der Differenz der beiden Druckdifferenzen und Ermittlung der Dicke der gebildeten Haut auf der Membranoberfläche in Abhängigkeit der Differenz.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung, insbesondere die effektiv wirkende Dicke der Beschichtung auf der Oberfläche und/oder in den Poren der wenigstens einen Membran (2a) ermittelt wird durch a. Verwenden eines ersten Testgases mit bekannter Konzentration wenigstens einer Gaskomponente, insbesondere von Sauerstoff und/oder Kohlendioxid, wobei dieses Testgas durch einen der beiden Kammerbereiche (5a) geleitet wird, und b. Durchleiten eines zweiten Testgases ohne die vorgenannte wenigstens eine Gaskomponente, durch den anderen Kammerbereich (5b), insbesondere wobei das zweite Testgas durch ein inertes Gas oder Gasgemisch gebildet wird, c. Messen der Konzentrationsänderung der wenigstens einen Gaskomponente, insbesondere von Sauerstoff und/oder Kohlendioxid, insbesondere von dessen Partialdruck, im ersten und/oder zweiten Testgas nach Durchgang durch die Stoffaustauschvorrichtung (1) d. Bestimmen der Dicke in Abhängigkeit der gemessenen Konzentrationsänderung.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht der Stoffaustauschvorrichtung (1) vor der Beschichtung gemessen wird und nach der Beschichtung, insbesondere nach Entweichen des Lösungsmittels (11) aus der Beschichtungslösung (9), gemessen wird und aus der Gewichtsdifferenz das Gewicht des in der gesamten Beschichtung vorliegenden Beschichtungsmittels bestimmt wird, insbesondere wonach aus dem Gewicht der gesamten Beschichtung das Gewicht des in den Poren abgelagerten Beschichtungsmittels bestimmt wird, vorzugsweise nach einer vorherigen Bestimmung der Hautdicke der Beschichtung und der Bestimmung des Gewichtes der Haut, insbesondere wobei aus dem Gewicht des in den Poren abgelagerten Beschichtungsmittels die Tiefe der Porenfüllung ermittelt wird, vorzugsweise in Abhängigkeit bekannter Porenparameter, insbesondere der Porosität und/oder Porenanzahl und/oder mittlerem Porendurchmesser.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Dialysator mit Hohlfasern (2) aus Polysulfon durch Beschichtung der Hohlfasern (2) mit Silikon als Beschichtungsmittel ein Blutoxygenator hergestellt wird.
Blutoxygenator hergestellt aus einem Dialysator, insbesondere aus einem industriell betriebsbereit hergestellten Dialysator, gemäß dem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche.