DE1907555A1 - Verfahren zur Vornahme eines Gasaustauschs mit einer waessrigen Fluessigkeit - Google Patents

Verfahren zur Vornahme eines Gasaustauschs mit einer waessrigen Fluessigkeit

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DE1907555A1
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Alain Blanchard
Alphonse Faure
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Gambro Industries SAS
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Rhone Poulenc SA
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    • B01D69/107—Organic support material
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    • A61M1/1698—Blood oxygenators with or without heat-exchangers
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  • Manufacture Of Porous Articles, And Recovery And Treatment Of Waste Products (AREA)

Description

Dr. F. Zumsfein - Dr. E. Assmann 1907 555
Dr. R. Koenigsberger
Dipl. Phys. R. Holzbauer
Patentanwälte
Mönchen 2, Ekäuhausstrafje 4/III
SC 3273
RHONE-POULENC S.A., Paris/Frankreich
Verfahren zur Vornahme eines Gasaustauschs mit einer
wäßrigen Flüssigkeit
aaacacsaaaaaaasssaaa
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, das es er~ möglicht, Gasaustauschvorgänge zwischen einer wäßrigen Flüssigkeit, insbesondere Blut, und einer Atmosphäre von vorb.e» stimmter Zusammensetzung durch eine wasserabweisende mikroporöse Membran hindurch vorzunehmen, sowie die mit einer solchen Membran versehenen Vorrichtungen.
Der Austausch kann in einem einfachen Auflösen von einem oder mehreren Gasen oder Dämpfen (z.B. Sauerstoff oder Anästheticum), die in Kontakt mit der Membran gebracht werden, in dem Blut oder in einer Extraktion eines unerwünschten Gases (CO.) bestehen oder in den beiden Vorgängen gleichzeitig.
Ein solcher Austausch ist beispielsweise im Falle von chirurgischen Operationen von Interesse, in deren Verlauf eine Unterbrechnung des Blutkreislaufes durch die Lungen erfolgen soll. Um den Patienten am Leben zu halten, ist es erforderlich, dem Blut in einem künstlichen Blutkreislauf Sauerstoff
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zuzuführen und es von seinem Kohlendioxydgas zu befreien. Auch im Falle von chronischer respiratoriseher Insuffizienz kann es erforderlich sein, die Atmung zu unterstützen.
Hierzu ist es erforderlich» das Blut und das sauerstoffhaltig© Medium in möglichst innigen Kontakt zu bringen» damit der Sauerstoff in das Blut gehen und das Kohlendioxyd aus diesem austreten kann.
Ein erstes Mittel» das zur Vornahme der Versorgung des Bluts mit Sauerstoff vorgeschlagen wurde» besteht darin» einen Sauerstoffstrom oder einen gegebenenfalls an Sauerstoff angereicherten Luftstrom in Form von Blasen in einer in den künst· liehen Blutkreislauf eingeschalteten Apparatur einzuführen„ Der oben genannte Oasaustausoh erfolgt an den so gebildeten Blasen. Schroder hat 1882 bereits Versuche in diesem Sinne vorgenommen. Es wurden ansohliessend zahlreiche Versuche unternommen» diese Methode zu verbessern» da das direkte Einführen von Sauerstoff eine Destruktion der Blutkörperchen und Blutproteine oder» falls das Blut nicht vollständig von Sauerstoffblasen befreit 1st, eine Gasembolie bei der Rückführung des Bluts in den Körperkreislauf hervorrufen kann. Zn Anbetracht dieses letzteren Risikos wurden Schaumzerstörungseinrichtungen entwickelt (z.B. amerikanische Patentschrift 2 835 279 und französische Patentschrift 1 28? 60»,
Ee wurde auch vorgeschlagen, Membranen, die wpermeabelil genannt werden, zu verwenden. Der Mechanismus des Durchgangs durch diese Membranen ist bekannt (s»B. A. Lebovits Modern Plastics, März 1966)0 Solche Membranen sind nicht porösß und der Durchgang eines Gases durch diese Membranen erfolgt durch Auflösen an der Oberfläche der Membran» die sich auf der Seite befindet, an der dessen Konzentration am höchsten
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ist, Diffusion durch die Membran und Desorption an der anderen Oberfläche der Membran. Verschiedene Membranen dieser Art wurden verwendet, insbesondere Siliconelastomere (amerikansiche Patentschrift 3 015 331, japanische Patentschrift 2 687/67). Man kann auch eine flüssige Membran verwenden, wie beispielsweise Wasser (z.B. französische Patentschrift 1 206 650). Xn diesen verschiedenen Fällen findet weder eine Bildung von Blasen noch eine Bewegung statt, doch bleibt die Oasaustauschrate durch diese Membranen gering, was zumeist ein Inkontaktbringen des Bluts mit dem sauerstoffhaltigen Medium durch grosse Membranoberflächen hindurch erfordert. Dies 1st unerwünscht, da es von Interesse ist, das Blut mit der kleinstmöglichen Oberfläche von körperfremden Materialien in Kontakt zu bringen e um das Risiko einer Koagulation zu vermeiden und das Volumen des ausserhalb des Körpers befindlichen Bluts zu vermindernc Es wurde auch vorgeschlagen, einen sauerstoffhaltigen Strom über eine dünne Blutschicht zu leiten. Solche Verfahren wurden insbesondere unter Verwendung von Apparaturen mit Scheiben beschrieben s doch besteht bei diesen Verfahren stets die Gefahr einer Kaemolyse, und die Menge bsi ausser-halb des Körpers befindlichem Blut ist beträcht· lieh.
Es wurde nun ein neues Verfahren zur Vornahme eines Gasaustausches mit dem Blut gefunden, das darin besteht, das Blut durch eine Membran hindurch mit einer Atmosphäre von vorbestimmter Zusammensetzung in Kontakt zu bringen, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die verwendete Membran eine wasserabweisende poröse Membran ist, deren Poren einen scheinbaren Durehmesser zwischen 0,01 und 3 ja (vorzugsweise 0,05 bis 1,5 p) haben und deren kritische Oberflächenspannung geringer als 4o dyn/cm bei 200C ist, und dass der Druck des Gasmediums mindestens 0,01 bar und höchstens gleich demjenigen des Bluts, das sich in Kontakt mit der Membran befindet, ist.
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Unter einer porösen Membran versteht man ein Material« durch welches ein das hindurchgehen kann, indem es einfach dem Verlauf der Poren folgt, und nicht durch Diffusion wie im Falle der "perraeablen" Membranen0
Die kritische Oberflächenspannung ist in dem Werk yon RoL. Patrick: Treatise on adhesion and adhesives (1967)« Seite 171-175* definiert, Man drtickt sie im allgemeinen in dyn/em aus.
Das Material , aus dem die erfindungsgeeeäesen porösen Membranen bestehen, kann von Natur aus wasserabweisend sein oder wasserabweisend gemacht sein.
■' ■■:. ■■
Als Beispiele für verwendbare Materialien kann man Polytetrafluorethylen, Polyvinylchlorid„ Polyäthylen und Polyacrylnitril nennen, die zuvor durch eine geeignete Behandlung« wie beispielsweise durch Sintern, Koagulation oder Extraktion von löslichen eingebrachten Produkten s In poröse Form gebracht sind. Diejenigen dieser Materialien, deren kritische Oberflächenspannung niedriger als 4o dyn/cm ist (wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen, Polyäthylen, Polyvinylchlorid) können als solche verwendet werdenο Bei den anderen (z.B. Polyacrylnitril) wird eine wasserabweisend machende Behandlung vorgenommen.
Diese Materialien können allein oder zusammen mit einem Träger, wie beispielsweise.-.einem Gewebe, verwendet werden =
Man kann auch ein faseriges Material, wie beispielsweise ein poröses Papierblatt mit wasserabweisend gemachten Fasern, verwenden. Vorzugsweise verwendet man einen Bogen, der aus polynoslschen Fasern (Fasern aus mlkrofibrillärer regenerierter Cellulose, Titer 0,4den. Länge 20 bis 50 mm)- erhalten ist. Die Herstellung dieses Papiers ist in der französischen
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19U7bbb - 5 - ■■
Patentschrift 1 272 O81 beschrieben. Die Poren dieses Papiers haben den Vorteil» dass sie rege!massige Abmessungen haben» die einen Durchmesser in der Grössenordnung von 0,05 u entsprechen.
Die bei gewissen hydrophilen Materialien erforderliche wasserabweisend machende Zusammensetzung kann unter den bekannten» ftir den Organismus ausreichend vertraglichen Zusammensetzungen ge· ifHhlt werden, Sie kann insbesondere eine Zusammensetzung auf der Basis von Organosllleiumverblndungen oder fluorhaltigen Polymeren sein. Vorzugsweise verwendet man eine bei Zimmertemperatur zu einem Elastomeren vulkanisierbare Organopolysiloxanzusammensetzung. Solche Zusammeneetzungeii sind beispielsweise in der französischen Patentschrift 1 198 7*9 beschrieben . Die kritische Oberflächenspannung von Organopolysiloxanelastomeren liegt in der NShe von 20 bis 25 dyn/em» Es sei bemerkt» dass die wasserabweisend machende Zusammensetzung die Poren der Membran nicht verstopfen darf» sondern diese einfach so Überziehen soll» dass das Eindringen von Blut in die Poren unter der Kapillarwirkung verhindert wird.
Die wasserabweisend machende Behandlung kann durch einfaches Eintauchen des porösen Trägers in eine Lösung der wasserabweisend machenden Zusammensetzung in einem geeigneten Verdünnungsmittel vorgenommen werden, wobei die Art dieses Verdünnungsmittels von derjenigen der wasserabweisend machenden Zusammensetzung und des porösen Trägers abhängt. Die Konzentration der Lösung» die Eintauohzeit und die Anzahl der Tauohvorgänge in diese Lösung - oder die Führungsgeschwindigkeit durch die Lösung, wenn die Imprägnierung kontinuierlich erfolgt - werden nach dem Fachwissen gewählt» wobei das wesentliche 1st, dass die wasserabweisend machende Zusammensetzung die Poren nicht verschliesst, was man leicht durch Permeablilität8versuohe mit Gas feststellen kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren soll der Druck des gasförmigen MfcJiums niedriger als derjenige des Bluts oder diesen gleich sein· Zm allgemeinen ist der Druck des in eine Gasaustauscheinrichtung eintretenden Bluts der arterielle Druck (etwa 0,15 bar). Es 1st erwünscht, diesen Druck nicht zu erhöhen, da die Verwendung von Pumpen eine Bewegung des Bluts mit sich bringt, die eine Haemolyse bewirken kann. Gemäß den obigen Ausführungen kann der Gasüberdruck, bezogen auf den Atmoephärendruck, zwischen einem Wert von nur 0,01 bar und demjenigen des Drucks des Blutes in der Apparatur variieren.
Wie oben bereits ausgeführt wurde und wie in den folgenden Beispielen gezeigt wird, können die porösen Membranen, die der zuvor gegebenen Beschreibung entsprechen, mit Vorteil anstelle der permeablen Membranen, die derzeit in den Appa= raten für Gasaustausch mit Blut benutzt werden, verwendet werden, und die damit versehenen Apparate bilden Teil der Erfindung .Diese Membranen zeichnen sich Insbesondere durch ein hohes Gasaustauschvolumen aus, wodurch es möglich wird, nur eine verhältnismäßig geringe Menge Blut im Vergleich mit den anderen Membrantypen außerhalb des Körpers zu führen·
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie zu beschränken. ο
Beispiel t 1
a) Herstellung einer porösen Membran
Man verwendet eine Papierbahn, die gemäß Beispiel 1 der französischen Patentschrift 1 272 081 hergestellt ist. Die Poren haben einen mittleren Durchmesser von 0,05 au Das Pa=
90 98 4 0/,09 9 t
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pier besitzt eine Dicke von 55 u und wiegt 25 g/m .
Man imprägniert dieses Papier durch 10 Sekunden langes Eintauchen bei 25eC bei einer FUhrungsgeschvrlndigkelt von O»5 m je Minute in einen Behälter« der eine 10 #ige Lösung der folgenden Zusammensetzung in Cyclohexan enthält:
α,ω-Bis-dihydroxydimethylpoly-
siloxanöl mit einer Viskosität
von 5000 cSt bei 25°C 100 g
pyrogen gewonnene Kieselsäure mit grosser spezifischer Oberfläche, behandelt mit Octa-= methyloyclotetrasiloxan 20 g
Methyltriacetoxysilan > g Eisenoxyd» das durch ein Sieb
mit Sieböffnungen von 7 »5 /u
hindurchgeht 0,01 g
Das Verdampfen des Lösungsmittels und die Vulkanisation der Zusammensetzung erfolgen an der Luft bei Zimmertemperatur (25eC) bei einer relativen Feuchtigkeit von 50 %.
Die kritische Oberflächenspannung dieses Elastomeren beträgt 2J dyn/cmo
Das Gewicht an auf dem Papier aufgebrachtem Trockenmaterial beträgt 3 g/m . Man schneidet aus diesem Papier eine Scheibe ausρ deren Permeabilität für Sauerstoff und Kohlendioxyd gemessen wird und die in der im folgenden beschriebenen Versuchszelle für eine Sauerstoffzufuhr verwendet wird«
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b) Die Messzelle, in der man den Sauerstoffzufuhrversuch durchfuhrt, besteht; awe zwei senkrechten zylindrischen Kammern, die, getrennt durch die zu prüfende Membran,übereinander angeordnet sind. Biese Membran (30 cm2) wird ihrerseits von einen Metallsieh getragen) (Durchmesser der DrHhtes <M>33 Maschen/cm).
Die obere Kammer, die für das Blut bestimmt ist« weist eine Füllungsleitung, ein Manometerröhre das die Aufrechterhaltung eines bestimmten Drucks im inneren dieser Kammer ermöglichte einen Detektor sur Anzeige des Sauerstoffpartiaadrucke in dem Blut (Og-Anaiyeator nach Beckman) und eine Magnetrtihrervorrichtung auf (dieser Rührer ermöglicht, das Blut in der Ver> W suohszeHe zu homogenisieren, damit die Anzeige des Detektors richtig ist). ■ , ■
Die untere Kammer weist zwei Rohransätze auf, die die Zirkulation des Oases ( Luft oder Sauerstoff) unter der Wandung ermöglichen.
Man füllt die obere Kammer mit 200 ecm Rinder-Citratblüt,
Man hält das Blut bei 230C unter einem Druck von etwa 150 g/ cm (d.h. etwas Über dem arteriellen Druck)«
Man durchspült die untere Kammer mit einem trockenen Sauer» " stoffstrom (Strömungegeschwindigkeit: 40 l/Stunde, Druck: 10 g/cm fiber dem Umgebungsdruck) und verfolgt die Änderung des Sauerstoffpartialdrucks mit dem Detektor»
Der Sauerstoffpartlaldruck, der zu Beginn des Versuchs 573 g'/era
λ ■
betrug, beträgt nach 3 Stunden 97-»-5-g/cm und nach 6 Stunden 225g/cm2o
9 0 98Λ 0/Ö99 1
Beispiel 2
Man wiederholt den SaueretoffZuführungsversuch von Beispiel 1, wobei man die Membran aus mit Silicon imprägniertem Papier durch eine Membran aus Polyacrylnitril mit einer Dicke von 200 u ersetzt. Der mittlere Porendurchmesser dieser Membran beträgt etwa ÖP4 bis 0,5 p»
Diese Membran» die von Natur aus hydrophil 1st* wird mit Hilfe der in Beispiel 1 beschriebenen Organopolysiloxanzusammensetzung wasserabweisend gemacht.
Die wasserabweisend machende Behandlung wird durch zweimaliges aufeinanderfolgendes Eintauchen vorgenommen« Das Gewicht an aufgebrachtem Trockenmaterial beträgt 19 g/m .
Man nimmt auch die Sauerstoffzufuhr in Rinder-Citratblut vor. Die erhaltenen Ergebnisse sind die folgenden:
B§1 einem anfänglichen Sauerstoffpartialdruok von 65»5 g/om beträgt der Sauerstoffpartialdruck 120 g/cm2 nach 1 Stunde
525 g/cm2 nach 3 Stunden 635 g/cm2 nach 4 Stunden 770 g/cm nach 6 Stunden
Beispiel 3
In der nachfolgenden Tabelle sind die Ergebnisse des Einbringens von Sauerstoff In Wasser durch verschiedene erfindungsgemässe Membranen sowie durch eine Übliche Siliconmembran angegeben. Diese Membran von 30 μ Dicke wurde aus einer in der Wärme durch ein Peroxyd vulkanisierbaren Organosllioiumzu-
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sammensetzung in 20 SSiger Lösung in Cyclohexan, Glessan auf eine Hilfsunterlage und Vulkanisation nach den üblichen Methoden hergestellt. .Ψ
Im allgeneinen 1st es zu bevorzugen, die mit Wasser erhaltenen Ergebnisse statt der mit Blut erhaltenen Ergebnisse zu vergleichen, da im Falle von Blut zahlreiche Faktoren beteiligt sind (Herkunft, mehr oder weniger lange Aufbewahrung bei mehr oder weniger hoher Temperatur), die zu Änderungen führenρ die die Genauigkeit der Vergleichsversuche beeinträchtigen.
Membran Mitt
lerer
Durch
messer
der .
Poren
(H)		 Kri
tische
Ober
flä
chen-
span-
nung
(dyn/era)		 Sauerstoffpartlaldruek (g/cm2) nach
15
min		 nach
30
min		 nach
60
min		 nach
90
min
Impräg
niertes
Papier
von Bei
spiel 1
Masser-
abwei
send ge
machtes
Polyacryl
nitril
von Ball
spiel 2
Verstärk
tee Poly=
vinyl
chlorid S
Membran
aus Si=
liconela-
etomerem		 Ot 05
0,4 bis
0,5
0,1
nicht
porös		 23
23
39
23		 Zu Be
ginn		 340
340
270
98		 510
535
V
415
140		 710
735
635
212		 785
825
745
280
65,5
65.5
65,5
65,5
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s Die Verstärkung besteht aus einem Gewebe aus Nylon 66% die FMden haben einen Durchmesser von 30 μ und die Fadenzahl beträgt 100 Fäden je em% die Dicke des Ge·» webes betragt 70 μ.
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Claims (10)

  1. Patenten e ρ r U ο h e
    1· Verfahren zur Vornan** eines <lasaus tausche* swischen einer wVßrigen Flüssigkeit und einer Atmosphere von vorbeatiBmter Zusammensetzung durch eine Meebran hindurch,, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine wasserabweisende mikroporöse Membran ist, deren Poren einen scheinbaren Durchmesser zwischen 0,01 und > u haben· und deren kritische Oberflächenspannung weniger als ho dyn/cn betrügt, und dass der Gasdruck sumindest O9Ol bar ist und höchstens dem Druck des Blutes, das sich mit der Membran in Kontakt befindet, gleich ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroporöse Membran ein Papierblatt ist,dessen Poren einen mittleren Durchmesser unterhalb 0,05 u aufweisen, wobei dieses Papierblatt wasserabweisend gemacht 1st.
  3. 3ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroporöse Meahran eine Membran aus wasserabweisend gemachtem Polyacrylnitril ist.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet» dass das Material mit Hilfe einer bei Ziemerteoperatur zu einen Blastooeren vulkanisierbarenOrganosiloxanzusamaensetzung wasserabweisend gemacht ist.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroporöse Membran eine Membran aus Polyvinylchlorid ist.
    ,A - λ- .-ns --'Μ 90 9 8 k 0 /0991
  6. 6. Vorrichtung su» OssausfeatMlrsNiseneii «&amff nlerif«i Flfts-
    eigfceAt und e&nec eaeataeepna*· tecft ei*· MMlnrae tel»durcftft, dadurch gekennse lehnet ^, dass die ftenbran ein« wasserabweisende mikroporöse !fa»bran ist; <l#r«n Por«n elatn sch«Inbaren Durchmesser snrieehen 0f0i und 3 ji haben und d«r«n kritische Oberflächenspannung weniger als 40 dyn/e· betragt, und dass eine Einete1!vorrichtung sur Einstellung dee Oae* drucks vorhanden ißt.
  7. 7. Gasauetauaohvorrlohtting naeh Anspruch 6, dadurch ®ekennaeiohnet, dass die mikroporöse Membran ein Papierblatt let, dessen Poren einen mittleren Durchmesser unterhalb 0,05 μ aufweisen, wobei dieses Papierblatt wasserabwe!send gemaoht ist. · ■-.
  8. 3. Oasauetauschvorrichtung nach Anspruch 6, daduroh gekennaeichnet, dass die mikroporöse Menbran eine Membran aus wasserabweisend gemachte» Polyacrylnitril ist.
  9. 9. Oasaustauschvorriohtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, daduroh gekennzeichnet, dass das Material der Membran alt Hilf· einer bei Zlnmerteeperetur xu einem Eleatoateren rulkanisierbaren Organoelloxanzusammensetzung wasserabweisend gemacht 1st. *
  10. 10. Oasaustauschvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroporöse Membran eine Membran aus Polyvinylchlorid ist.
    909840/0&91 ,, BADORfQtNAL
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