DE19954158A1

DE19954158A1 - Mikroporöse hydrophile Membran

Info

Publication number: DE19954158A1
Application number: DE19954158A
Authority: DE
Inventors: Peter Zschocke; Anja Enderle; Michael Doser; Heinrich Planck
Original assignee: Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart
Current assignee: Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2001-05-17
Also published as: JP2001200089A; ATE367855T1; DE50014508D1; EP1099468B1; ES2291165T3; EP1099468A2; DK1099468T3; EP1099468A3

Abstract

Die Erfindung betrifft mikroporöse, hydrophile Membranen, die im wesentlichen aus den Polymeren Polysulfone und/oder Polyetherketone bestehen. Diese Polymere weisen kovalent gebundene Substituenten auf, die mindestens eine Hydroxylgruppe, Carboxylgruppe und/oder Aminogruppe enthalten. Als Substituent ist insbesondere Methylenhydroxyl bevorzugt. Bei den Polysulfonen handelt es sich um aromatische Polysulfone und vor allem um Polyphenylensulfone. Die erfindungsgemäßen Membranen zeichnen sich durch extrem antiadsorptive Eigenschaften aus, und sind besonders als Diffusionsmembranen geeignet, die die Permeation von Makromolekülen definierter Molekülgröße ermöglichen. Eine bevorzugte Anwendungsmöglichkeit der Membranen liegt in der Biomedizin, beispielsweise im Hinblick auf die Herstellung von biohybriden Organen und von Bioreaktoren.

Description

Die Erfindung betrifft mikroporöse, hydrophile Membranen, welche für niedermolekulare Substanzen, insbesondere Protei ne, durchlässig sind. Weiterhin betrifft die Erfindung Ver fahren zur Herstellung derartiger Membranen.

In vielen Bereichen der Biotechnologie, Lebensmittelindustrie und insbesondere der Biomedizin ist es von außerordentlichem Interesse, bestimmte Makromoleküle wie beispielsweise Enzyme, Antikörper oder bestimmte Hormone oder Signalstoffe von ande ren Substanzen abzutrennen. Dies spielt beispielsweise bei der Proteinreinigung von gentechnisch hergestellten Wirkstof fen eine Rolle. Auch im Bereich der Dialyse von Nierenpatien ten oder bei der Herstellung künstlicher Kapillaren sind die Trennungseigenschaften der eingesetzten Membranen von außer ordentlicher Bedeutung.

Gewöhnlicherweise werden für die Membranen, mit deren Hilfe makromolekulare Gemische aufgetrennt werden sollen, mikropo röse Mebranen auf Polymerbasis eingesetzt. In der Regel wei sen solche Membranen eine asymmetrische Struktur auf.

Die Oberseite einer solchen Membran kann als dünne, feinporö se, 0,2 bis 2 µm dicke Schicht, die eigentliche Membran, aus gebildet sein. Diese Membran kann von einer beispielsweise etwa 50 bis etwa 200 µm dicken Unterstruktur unterstützt sein, welche nach unten hin zunehmend grobporiger aufgebaut ist.

Hergestellt werden solche asymmetrischen Membranen vornehm lich nach einem von Loeb und Sourirajan entwickelten, als Phaseninversion bezeichneten Verfahren. Dabei wird ein Poly mer in einem Lösungsmittel gelöst, als Film ausgebreitet und mit einem Nichtlösungsmittel, dem sog. Fällmittel, zu einer Phaseninversionsmembran gefällt. Das Fällmittel ist mit dem Polymerlösungsmittel unbegrenzt mischbar. Daher wird das Lösungsmittel durch das Fällmittel immer mehr verdünnt, bis das Polymer als Membran ausfällt.

Nach diesem Verfahren können aus verschiedenen löslichen Polymeren asymmetrisch strukturierte Membranen hergestellt werden. Beispiele für geeignete Polymere sind Celluloseaceta te, Polyamide, Polyolefine, Polysulfone und Polyetherketone. Je nach eingesetztem Fällmittel bildet sich eine bestimmte Struktur der Membran aus. Fällmittel, die sich mit hoher Mischungswärme im Polymerlösungsmittel lösen, führen zur Aus formung einer fingerstrukturierten Membran. Fällmittel mit geringer Mischungswärme führen hingegen zu schwammartig strukturierten Membranen. Durch die Wahl des Fällmittels bzw. auch des Lösungsmittels ist also die Struktur einer Membran einstellbar.

Der Trennmechanismus dieser Membranen beruht u. a. auf dem Ausschluß aller Makromoleküle, die größere Moleküldurchmesser haben als die Porendurchmesser der Membranoberseite. Makro moleküle mit deutlich kleineren Moleküldurchmessern können prinzipiell die Membran permeieren. Diese molekulare Trenn grenze oder Ausschlußgrenze wird so definiert, daß 90% eines Testmoleküls bekannter Molekülgröße von der Membran zu rückgehalten wird. Durch entsprechende Wahl der verwendeten Polymere und der Bedingungen der Membranherstellung kann eine bestimmte molekulare Trenngrenze hergestellt werden.

Bei reiner Diffusion ist die treibende Kraft für den Durch tritt der Moleküle, also die Permeation, der transmembran wirkende osmotische Druckgradient der jeweiligen Moleküle bzw. der Permeanten.

Die bisher üblichen Diffusionsmembranen sind in der Regel hydrophob. Dies ist vor allem bei der diffusiven Trennung von Proteinen unterschiedlicher Molekülgrößen sehr nachteilig, da die Proteine an den Membranoberflächen und an der Membranma trix anhaften. Dies führt zum einen zur Ausbildung von Deck schichten (fouling) auf der Membranoberfläche, wodurch die Membraneigenschaften erheblich verändert werden. Weiterhin werden die Poren der Membran durch die Adsorption von Protei nen verkleinert bzw. vollständig verstopft. Hierdurch wird die Permeatleistung erheblich reduziert oder vollständig unterbunden. Die Funktionsfähigkeit solcher Membranen ist also sehr eingeschränkt und nur von kurzer Dauer. Prinzipiell sind solche Membranen für die diffusive Trennung von Protei nen also ungeeignet.

Es wurden verschiedene Versuche unternommen, ein hydrophile res Material für Membranen zu verwenden, um diese negativen adsorptiven Eigenschaften von herkömmlichen Membranen zu um gehen. Membranen, die auf einem hydrophilen Material wie bei spielsweise Celluloseacetat basieren, weisen jedoch nicht die notwendige Temperaturstabilität auf und sind empfindlich ge genüber chemischen oder mikrobiologischen Agenzien. Derartige hydrophile Membranmaterialien stellen also auch keine Lösung des Problems dar.

Als ein Lösungsweg wurde vorgeschlagen, die Matrix von hydro phoben Membranen durch die Adsorption von hydrophilen Kompo nenten zu modifizieren, um so eine Membran mit antiadsorpti ven Eigenschaften bereitstellen zu können. Hierdurch wurde erreicht, daß die Proteine in Lösung nicht adsorbiert wurden, sondern vielmehr von der Membran zurückgewiesen wurden und in Lösung blieben. Somit wurde die Ausbildung von Deckschichten auf der Membranoberfläche vermieden. Andererseits konnten bezüglich der Durchgängigkeit der Membranen für Proteine keine befriedigenden Ergebnisse erzielt werden, so daß nach wie vor das Bedürfnis nach einer gut funktionierenden und langlebigen antiadsorptiven Membran besteht.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Membran bereitzustellen, die in besonderer Weise antiadsorptiv für Proteine ist und so die geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Die Membran soll als Diffusionsmembran geeignet sein, um so die Permeation von Makromolekülen defi nierter Molekülgröße zu ermöglichen. Für den Einsatz in bio medizinischen Anwendungen ist es notwendig, daß eine derarti ge Membran biokompatibel ist, das heißt, daß das Einbringen einer solchen Membran in einen Organismus möglich und auch unbedenklich ist. Die Aufgabe wird gelöst durch eine mikropo röse, hydrophile Membran mit den im Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen. Bevorzugte Ausführungsformen dieser Membran sind in den Ansprüchen 2 bis 13 beschrieben. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen mikroporösen, hydrophilen Membran ist in Anspruch 14 beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 15 bis 26 dargestellt. Die Ansprüche 27 bis 32 betreffen im wesentlichen die Verwendung einer er findungsgemäßen Membran. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Gegenstand der Erfindung ist eine mikroporöse, hydrophile Membran, welche im wesentlichen auf Polysulfonen und/oder Polyetherketonen basiert. Die Polymere sind derart modifi ziert, daß sie hydrophile Gruppen in Form von kovalent ge bundenen Substituenten aufweisen. Bei diesen hydrophilen Gruppen handelt es sich um Hydroxyl-, Carboxylgruppen und/ oder Aminogruppen. Durch die Modifikation der an sich hydro phoben Polymere, die chemisch hochstabil und biokompatibel sind, wird erreicht, daß eine aus diesen substituierten Polymeren hergestellte Membran hydrophile und damit antiad sorptive Eigenschaften besitzt. Einerseits wird also er reicht, daß die erfindungsgemäße Membran die positiven Eigenschaften hinsichtlich Stabilität und Lebensdauer einer Membran aus hydrophoben Polymeren besitzt und andererseits führt die Modifizierung der Polymere zu einer Membran, die für beispielsweise eine diffusive Trennung von Proteinen unterschiedlicher Molekülgrößen in besonderer Weise geeignet ist. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Oberflächen-Hydrophi lisierungen von an sich hydrophoben Membranen weist die er findungsgemäße Membran durchgängig eine hydrophile Struktur auf. Hierdurch wird eine Adsorption von Proteinen sowohl auf der Oberfläche als auch in den Poren bzw. an der Membranma trix vermieden, so daß die oben beschriebenen Probleme der kurzen Lebensdauer und der Verstopfung der Poren von herkömm lichen Membranen bei der erfindungsgemäßen Membran nicht auf treten.

Auch bei einer langfristigen Benutzung nutzt sich die erfin dungsgemäße Membran nicht ab, da sie massiv hydrophil ist. Überraschenderweise wird bei der erfindungsgemäßen Membran auch die Festigkeit der Membran nicht beeinträchtigt. Im allgemeinen wird davon ausgegangen, daß eine Membran aus hydrophilen Komponenten nicht die Stabilität einer hydropho ben Membran aufweist. Durch die Kombination von hydrophoben Basispolymeren mit hydrophilen Substituenten werden zum einen die positiven Eigenschaften, das heißt also Stabilität und Lebensdauer, einer hydrophoben Membran mit den ausgezeichne ten antiadsorptiven Eigenschaften einer hydrophilen Membran miteinander kombiniert.

Als hydrophile Substituenten sind Hydroxylgruppen bevorzugt. Hier kommen verschiedene Gruppen in Frage. Hierzu zählen Hydroxyl, Methylenhydroxyl oder Ethylidenhydroxyl. In beson derer Weise ist Methylenhydroxyl geeignet, da hier der Abstand zwischen hydrophiler OH-Gruppe und hydrophobem Basispolymer für viele Anwendungen optimal ist.

Weiterhin sind auch Sulfonamidoamingruppen als hydrophile Substituenten geeignet, so wie andere, zum Beispiel Amino gruppen, die vorzugsweise über einen kurzkettigen Spacer (Methylengruppe) am Basispolymer kovalent gebunden sind.

Vorzugsweise werden als Basispolymere aromatische Polysulfone oder aromatische Polyetherketone eingesetzt. Beispiele für besonders geeignete Basispolymere sind Udel®-Polysulfon (PSU), Radel®-Polyphenylensulfon (PPSU), Victrex®-Poly ethersulfon (PES) oder Victrex®-Polyetheretherketon (PEEK) und auch Polyetherketon (PEK) und Polyetheretherketonketon (PEEKK). Beispiele für Strukturformeln solcher Basispoly mereinheiten sind in Schema a) dargestellt.

Schema a)

Udel®-Polysulfon (PSU) Mw = 79.000

Radel®-Polyphenylensulfon (PPSU) Mw = 56.000

Victrex®-Polyethersulfon (PES) Mw = 52.000

Victrex®-Polyetheretherketon (mv = 3.02 kNs/m²) (PEEK)

Die Modifikation dieser Basispolymere mit hydrophilen Substi tuenten erfolgt im wesentlichen nach bekannten Methoden (DE 36 36 854 A1). Vorteilhafterweise beträgt der Grad der Sub stituierung bis zu etwa zwei Substituenten pro wiederkehrende Einheit. Insbesondere beträgt der Substitutionsgrad (DS) etwa 0,5 bis etwa 1,9 pro wiederkehrende Einheit. Durch Variation der Verhältnisse während der Derivatisierung, z. B. der Reak tanden, Polysulfone: Butyllithium bzw. der Verweilzeit des PEEK in 98%iger Schwefelsäure, können Polymer-Derivate ver schiedener Substitutionsgrade synthetisiert werden. Oberhalb eines Substitutionsgrades von 2 kann unter Umständen die Stabilität der Membran beeinträchtigt sein bzw. eine uner wünschte Löslichkeit auftreten.

Die Modifikation der Basispolymere kann beispielsweise nach einem der folgenden Schemata ablaufen.

Schema b)

Schema b) zeigt die Methode der Metallierung der in aproti schen Lösungsmitteln gelösten oder gequollenen Polyarylsulfo ne mit n-Buthyllithium (BuLi) bei Temperaturen zwischen -65°C und -90°C in Argon-Atmosphäre mit anschließender Um setzung der carbonionisierten Polyarysulfone mit den elek trophilen Verbindungen. Als elektrophile Verbindungen werden bevorzugt Formaldehyd, Kohlendioxid, Ethylen- und/oder Propy lenoxid eingesetzt.

Schema c)

In Schema c) ist schematisch der Reaktionsablauf für eine Substituierung mit Aminogruppen dargestellt. Einzelheiten zu den Reaktionsabläufen ergeben sich aus den Beispielen. Bevor zugterweise wird für die Synthese der hydrophilen Udel®-PSU und Radel®-PPSU Tetrahydrofuran und der hydrophilen Victrex ®-PES 1,3-Dioxolan als Quellungs-/Lösungsmittel verwendet. Für die Synthese des hydrophilen Victrex®-PEEK kann dieses während 2 Std. bei 50°C mit 98%iger Schwefelsäure umge setzt, das sulfonierte Produkt sulfochloriert und anschlie ßend mit Ethylendiamin umgesetzt werden.

Die Verwendung von Formaldehyd oder Kohlendioxid führt zu hydrophilen methylenhydroxylierten bzw. carboxylierten Poly arylsulfon der im folgenden Schema d) dargestellten Einhei ten. Weiterhin zeigt Schema d) ein mit einer Aminogruppe sub stituiertes Polymer. Die dargestellten substituierten Basis polymere sind besonders für die erfindungsgemäße Membranen geeignet. Aus den verschiedenen derivatisierten Polymeren lassen sich aufgrund ihrer Löslichkeit in Carbonsäure-N- alkylamiden und in N-Methylpyrrolidon(2)Kapillar-, Folien- oder Rohrmembranen herstellen.

Schema d)

Carboxyliertes PSU bzw. methylenhydroxyliertes PSU
R = H; COOH bzw. R = H; CH₂OH (Guiver et al. DE 36 36 854 A1)

Carboxyliertes PPSU bzw. methylenhydroxyliertes PPSU
R = H; COOH bzw. R = H; CH₂OH

Carboxyliertes PES; R = H, COOH

Sulfonamidoamin-terminiertes PEEK

Die Substituierung erfolgt in ortho-Stellung zur Sulfongruppe an den der Sulfongruppe benachbarten Phenylengruppen, wobei vorzugsweise jede Phenylengruppe nicht mehr als einfach sub stituiert ist. Bei der Verwendung von Polyetherketonen als Basispolymer erfolgt die Substituierung in ortho-Stellung zur Ketogruppe. In der Regel weisen die Polymere keine weiteren Substituenten neben der Substituierung an den Phenylengruppen auf.

Durch die Substituierung mit einer Carboxylgruppe weist die resultierende Membran relativ stark hydrophile Eigenschaften auf. Dies liegt zum einen an der starken Polarisierung der COOH-Gruppe, die in der Regel diisoziiert ist und damit eine Ladungstrennung bewirkt. Von daher können andere hydrophile Gruppen, insbesondere Hydroxylgruppen, gegenüber einer Carb oxylgruppe bevorzugt sein.

Die erfindungsgemäß substituierten Polymere werden vorzugs weise in einem inerten Lösungsmittel gelöst, das mit Wasser unbegrenzt mischbar ist. Die Herstellung der Membranen kann beispielsweise nach dem Phaseninversions-Naßspinnverfahren mit Hilfe von 2- oder 3-Stoff-Naßspinndüsen durch Fällung mit Wasser erfolgen.

Die erfindungsgemäßen Membranen, insbesondere Diffusionsmem branen, aus hydrophilen aromatischen Polysulfonen oder Poly etherketonen, sind für niedermolekulare Proteine mit Molmas sen bis zu 20 000 Dalton oder höher permeabel und impermeabel für hochmolekulare Proteine mit Molmassen, die größer als 100 000 Dalton sind. Bei der Permeation bzw. Diffusion spielt im wesentlichen nur die Porengröße der Membran eine Rolle, das heißt also die molekulare Trenngrenze der Membran. Die Antriebskraft für die Permeation ist der transmembrane osmo tische Druckgradient der Permeanten.

In der Regel, erfolgt die Permeation ohne weiteren hydrostati schen Druck. Es ist jedoch auch möglich, die Trennung durch Anlegung eines Druckes oder eines Vakuums zu beeinflussen.

Je nach verwendeten Polymeren und Bedingungen der Membranher stellung kann die molekulare Trenngrenze der resultierenden Membran beeinflußt werden. Hierbei sind molekulare Trenngren zen von etwa 5 000 Dalton bis etwa 300 000 Dalton vorteil haft, insbesondere etwa 10 000 Dalton bis etwa 100 000 Dalton. Die gewählte molekulare Trenngrenze hängt wesentlich von der geplanten Anwendung ab. Soll die Membran beispielsweise für Insulin durchgängig sein, ist eine Membran mit einer molekularen Trenngrenze von etwa 70 000 Dalton ge eignet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um eine Membran von extrem geringer Dicke. Hierbei beträgt die Wandstärke der Membran etwa 20 µm bis etwa 400 µm. Besonders bevorzugt ist eine Wandstärke von etwa 40 µm bis etwa 150 µm. Hierdurch wird erreicht, daß die Proteine ausgesprochen schnell und vollständig die Membran passieren können. Es werden also ausgesprochen kurze Diffu sionswege bereitgestellt, wodurch der Stoffaustausch sehr schnell stattfindet.

Erfindungsgemäß weist die Membran eine gewisse Porosität auf, wodurch die Diffusion bzw. Permeation von Proteinen ermög licht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Porosität der Membran etwa 50% bis etwa 90%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Membran. Je nach gewünschter Anwendung, insbesondere gewünschter Permeationsgeschwindigkeit, kann die Porosität der Membran variiert werden. Generell nimmt die Permeationsgeschwindigkeit bei geringerer Porosität ab.

Die molekulare Trenngrenze der Membran wird wesentlich auch durch die Porengröße bestimmt. In einer bevorzugten Ausfüh rungsform bewegt sich die Porengröße im Durchschnitt zwischen etwa 10 nm und etwa 50 nm. Vorteilhafterweise weist die Mem bran im Querschnitt, d. h. also von einer Oberfläche zur ande ren Oberfläche, eine im wesentlichen nach außen hin zunehmen de durchschnittliche Porengröße auf. Hierbei beträgt die Porengröße der kleineren Poren etwa 10 nm bis etwa 50 nm.

Neben der der erfindungsgemäßen Membran eigenen Hydrophilie kann es bevorzugt sein, daß neben der chemisch installierten Hydrophilie eine zusätzliche Absättigung von Adsorptionsstel len der Membran vorgesehen ist. Eine derartige Präadsorption der Membran führt dazu, daß die antiadsorptiven Eigenschaften der Membran noch verstärkt und optimiert werden. Außerdem kann hierdurch die Biokompatibilität der Membran verbessert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Membran mit fötalem Kälberserum (FCS) vorinkubiert.

Durch die Vorinkubation mit beispielsweise fötalem Kälberserum werden verschiedene nichtspezifische Bindungsstellen der Mem bran blockiert. Hierdurch wird ein synergistischer Effekt er zielt, der eine derart behandelte erfindungsgemäße Membran für den Einsatz in der Biomedizintechnik besonders geeignet macht.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Membran im insbesondere sterilen Zustand verpackt, beispiels weise eingeschweißt. Dies geschieht vorzugsweise im feuchten Zustand der Membran, beispielsweise nach einer Vorinkubation mit fötalem Kälberserum. Das Einschweißen erfolgt vorzugswei se in herkömmlichen Plastikfolien. Durch das Einschweißen ist es möglich, die erfindungsgemäßen Membranen für einen länge ren Zeitraum zu lagern und haltbar zu machen. Besonders be vorzugt ist es, die Membranen zu sterilisieren, um eine mög licherweise bakterielle Kontamination zu verhindern. In einer bevorzugten Ausführungsform geschieht die Sterilisierung durch Gamma-Bestrahlung.

Die Erfindung umfaßt weiter ein Verfahren zur Herstellung einer mikroporösen, hydrophilen Membran. Bei diesem Herstel lungsverfahren werden Basispolymere zunächst substituiert, die substituierten Polymere werden in einem Lösungsmittel gelöst und mit mindestens einem mit dem Lösungsmittel misch baren Fällmittel ausgefällt. Dieses Verfahren ist insbesonde re dadurch gekennzeichnet, daß die Substituierung der Polyme re durch Umsatz mit Substanzen vorgenommen wird, die minde stens eine Hydroxylgruppe, Carboxylgruppe und/oder Aminogrup pe einführen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Umsetzung mit Kohlendioxid, Acetaldehyd und/oder Formaldehyd vorgenommen, wobei Formaldehyd besonders bevorzugt ist. Auf diese Weise wird eine Membran gewonnen, die aus im Prinzip hydrophoben Basispolymeren besteht, die durch Substituierung, das heißt Einführung von hydrophilen Gruppen, insgesamt hy drophile Eigenschaften aufweist. Eine solche Membran ist in besonderer Weise für die Diffusion bzw. Permeation von Prote inen bestimmten Molekulargewichts geeignet, da hier die Vor teile bezüglich der Stabilität von auf hydrophoben Polymeren basierenden Membranen mit den durch die Modifikation einge führten hydrophilen Eigenschaften verknüpft werden, wodurch eine stabile, aber dennoch extrem antiadsorptive Membran be reitgestellt werden kann.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Verfahrens wird die Modifikation der Polymere, das heißt also das Substituieren, durch Umsatz mit Formalde hyd vorgenommen. Hierdurch wird eine Methylenhydroxyl-Gruppe in die Basispolymeren eingeführt. Diese Gruppe weist beson ders günstige Eigenschaften hinsichtlich der Hydrophilie, verbunden mit einer optimalen Spacerlänge, also dem Abstand zwischen hydrophiler Gruppe und Basispolymer, auf.

Bezüglich der weiteren Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die obige Beschreibung verwiesen.

Die Modifikation der Basispolymeren erfolgt im wesentlichen nach bekannten Methoden. Vorzugsweise erfolgt dies durch direkte Metallierung (H/Li-Austausch) oder einen Halogen- Metallaustausch.

Durch die Wahl des Fällmittels kann die Verteilung der Poren, insbesondere der Poren verschiedener Größe, im Querschnitt der Membran beeinflußt werden. Durch Verwendung von Wasser als Fällmittel kann eine Membran mit asymmetrischem Aufbau hergestellt werden, die eine im Querschnitt von einer Ober fläche zur anderen Oberfläche im wesentlichen zunehmende Porengröße aufweist. Hierbei dient die Oberfläche mit klei neren Poren als eigentliche Membran. Der Abschnitt mit größer werdender Porengröße dient als Stützstruktur bzw. Matrix.

Die Herstellung von fingerstrukturierten Kapillarmembranen erfolgt vorzugsweise durch Lösen der erfindungsgemäß substi tuierten Polymere in einem inerten Lösungsmittel, das mit Wasser mischbar ist. Mit Hilfe von 2- oder 3-Stoff-Naßspinn düsen können durch Fällung mit Wasser fingerstrukturierte Kapillarmembranen hergestellt werden, die von Polymerlösungs mittel befreit werden.

Durch Fällung mit Wasser, das etwa 20% bis 60% des inerten Polymerlösungsmittels enthält, können Kapillarmembranen mit Mischungen aus Schwamm- und Fingerstruktur hergestellt wer den.

Ein bevorzugtes Verwendungsgebiet erfindungsgemäßer Membranen stellt die Biomedizintechnik dar. Vor allem im Hinblick auf die Herstellung von Bioreaktoren und biohybriden Organen, die in einen Organismus eingebracht werden, bilden die erfin dungsgemäßen Membranen ein ausgesprochen geeignetes Material, da bei diesen Membranen eine lange Lebensdauer mit optimalen funktionellen Eigenschaften gekoppelt ist.

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Bereich der Blutwäsche bzw. der Dialyse. Neben den eigentlichen funktionellen Eigen schaften der Membran ist auch immer die Biokompatibilität der erfindungsgemäßen Membranen von Vorteil.

Weiterhin sind die erfindungsgemäßen Membranen für eine sog. Wirkstoff-Freisetzung im Organismus in herausragender Weise geeignet. Ein Beispiel für eine derartige Wirkstoff-Freiset zung ist das biohybride Pankreas. Hierbei wird unter Verwen dung der erfindungsgemäßen Membranen ein künstliches Organ in Form einer Kammer gebildet, welche zu transplantierende In selzellen aufnimmt. Diese Inselzellen produzieren Insulin, welches aufgrund der antiadsorptiven Eigenschaften der Mem bran diese Kammer, deren Begrenzungen zumindest teilweise von der erfindungsgemäßen Membran gebildet werden, verlassen und in den Organismus aufgenommen werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist dieses künstliche Organ, also die Kammer, als Kapillare ausgebildet, innerhalb derer sich die Inselzellen befinden. Beispielsweise besteht das künstliche Organ aus einer zu einem Schlauch gewendelten mikroporösen Kapillar-Diffusionsmembran, welche durch ein Polyurethan-Sprühvlies stabilisiert ist. Eine solche Kapil lare wird in ein Blutgefäß eingebracht. Durch transmembrane Permeation können Glucose und essentielle Nährstoffe aus dem Blutstrom in das Kapillarinnere gelangen, und dadurch die Inselzellen mit den notwendigen Nährstoffen versorgen. Auf diese Weise gelangt auch Glucose in die Kammer. Die Inselzel len produzieren Insulin infolge der Glucosestimulation. Das Insulin gelangt über die erfindungsgemäße Membran aufgrund des Konzentrationsgefälles in den Blutstrom. Auch andere von den Inselzellen sezernierten niedermolekularen Proteine ge langen auf diese Weise in den Blutstrom.

Vorteilhafterweise wird die molekulare Trenngrenze der Mem bran in einem derartigen biohybriden Organ derart gewählt, daß Immunglobuline aus dem Blutstrom nicht in die Kapillare gelangen können. Dies wird beispielsweise durch eine moleku lare Trenngrenze der Membran von etwa 100 000 Dalton er reicht. Auf diese Weise wird vermieden, daß die transplan tierten Inselzellen innerhalb des biohybriden Organs durch das Immunsystem angegriffen werden und damit eine Abstoßungs reaktion hervorrufen.

Eine bevorzugte Form für ein biohybrides Pankreas ist die Kapillare, da bei der Kapillarform eine maximale Raumdichte bei maximaler Diffusions-Flächendichte realisiert ist. Ein bevorzugtes Kapillarlumen beträgt etwa 600 bis etwa 800 µm. Die Wandstärke beträgt vorteilhafterweise etwa 40 bis 120 µm.

Herkömmliche Membranen sind für den Einsatz in einem biohy briden Organ, insbesondere in einem biohybriden Pankreas, nicht geeignet. Das besondere Problem liegt hierin in den sehr geringen Proteinmengen, die bei den auftretenden physio logischen Konzentrationen sich in der Größenordnung von nMol/l bewegen. Bei beispielsweise Oberflächen-modifizierten hydrophoben Membranen (adsorptive Hydrophilisierung) oder Membranen aus sulfonierten Basispolymeren werden die sehr geringen Proteinmengen nahezu vollständig von der Membran adsorbiert, so daß wenig bis gar kein gewünschtes Protein, insbesondere Insulin, die Membran passieren kann. Dies zeigen Ergebnisse von Fane et.al., Desalination 53, 37, 1985. Nach eigenen Insulin-Diffusionsmessungen trifft dies auch für Kapillarmembranen aus sulfonierten PSU praktisch relevanter Substitutionsgrade (DS) bis DS 0,76 zu. Die erfindungsgemä ßen Membranen sind für diese Anwendung jedoch ausgesprochen geeignet, wie die in den Beispielen gezeigten Meßergebnisse belegen.

Ein weiterer bevorzugter Anwendungsbereich der erfindungsge mäßen Membranen liegt in Bioreaktoren, beispielsweise zur Proteinfraktionierung oder zur Proteinreinigung von bei spielsweise gentechnisch hergestellten Wirkstoffen.

Weiterhin können die erfindungsgemäßen Membranen auch sehr vorteilhaft im Bereich der Zellkultur eingesetzt werden.

Weiterhin ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Membran besonders in allen Systemen geeignet, in denen die Sezernie rung von Proteinen durch lebende Zellen eine Rolle spielt. Hierbei sind die Membranen Träger für die Zellen, wobei die gleichartigen oder verschiedenen Zellen entweder nur auf einer oder beiden Seiten der Membran angesiedelt sein können. Solche Systeme können zum Beispiel als Transplantate einge setzt werden. Die Membran kann das System in Kompartimente trennen, innerhalb derer verschiedene Kreisläufe unterschied licher Funktion ablaufen (z. B. Blut-/Plasma- und Nährstoff kreislauf). Durch entsprechende molekulare Ausschlußgrenzen sorgt die Membran dafür, daß die durch die Membran abgegrenz ten Kompartimente gegenüber dem Immunsystem isoliert sind. Dies spielt insbesondere dann eine wichtige Rolle, wenn mit Hilfe der durch die Membran gebildeten Kompartimente Zellen in einen Patienten eingebracht werden, die von einem anderen Organismus stammen.

Neben dem bereits erwähnten biohybriden Pankreas sind auch weitere Wirkstofffreisetzungs-Systeme unter Verwendung der erfindungsgemäßen Membran möglich. Dies können Systeme sein, die sich im Körper langsam selbst auflösen. Weiterhin sind Systeme möglich, die lebende Zellen enthalten, die beispiels weise gentechnisch so manipuliert wurden, daß sie bestimmte Wirkstoffe permanent synthetisieren und über die erfindungs gemäße Membran in den Organismus, vorzugsweise in den Blut kreislauf, freisetzen. Bei diesen Wirkstoffen handelt es sich in der Regel um Proteine, beispielsweise um Cytokine. Ein solches System ist beispielsweise eine implantierbare Kapil larmembran, die Zellen enthält, die permanent schmerzstillen de Faktoren sezernieren.

Weiterhin kann unter Verwendung der erfindungsgemäßen Membran eine biohybride Leber bereitgestellt werden, die zur Therapie von Patienten im hepatischen Koma eingesetzt werden kann. Hierbei ist die Leber soweit geschädigt, daß keine ausrei chende Entgiftung des Körpers mehr stattfinden kann. Die bio hybride Leber übernimmt die Detoxifizierung bis beispiels weise ein Transplantat zur Verfügung steht oder die Patien tenleber sich regeneriert hat.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Membran eingesetzt wer den, um die Kommunikation verschiedener Zellarten (z. B. des Immunsystems) mittels Botenstoffen, vorzugsweise Cytokinen, zu untersuchen. In derartigen sog. Transwell-Systemen trennt die Membran zwei verschiedene Zellarten voneinander, die sich beispielsweise gegenseitig stimulieren können. Die extrem antiadsorptiven Eigenschaften der erfindungsgemäßen Membranen sind hier von besonderer Bedeutung, da nur extrem geringe Mengen der Botenstoffe ausgeschüttet werden, die von herkömm lichen Membranen adsorbiert werden würden und so eine derar tige Untersuchung vollständig unmöglich machen würden.

Die beschriebenen Merkmale sowie weitere Merkmale der Erfin dung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen, wobei jedes der individuellen Merkmale einzeln oder in Kombination mit weiteren Merkmalen verwirklicht sein kann.

Die Figuren zeigen:

Fig. 1 Insulindiffusionsraten von Kapillarmembranen aus adsorptiv hydrophilisierten- und methylen hydroxylierten PSU. Die hydrophilen methylen hydroxylierten PSU-Membranen (Kapillare 200 und Kapillare 400) zeigen mit zunehmendem Substitutionsgrad deutlich höhere Insulin- Diffusionsraten bei kürzeren lag-Phasen (Ver zögerungsphase) als die aus reinem (Kapillare 1001) oder aus mit PVP adsorptiv hydrophili siertem (Kapillare 80Br) PSU.

Fig. 2 Insulindiffusionsraten für Kapillarmembranen aus carboxylierten PSU unterschiedlicher Substitutionsgrade. Die carboxylierten PSU- Membranen zeigen mit zunehmendem Substitu tionsgrad deutlich höhere Insulin-Diffusions raten bei kürzeren lag-Phasen.

Fig. 3 Insulindiffusionsraten von adsorptiv hydrophi lisierten, hydrophilen und reinen PSU-Kapil larmembranen, jeweils mit FCS präinkubiert. Die mit FCS präinkubierten Membranen aus hydrophilem methylenhydroxyliertem (Kapillare 400), mit PVP adsorptiv hydrophylisiertem und reinem PSU zeigen im Vergleich mit nicht- präinkubierten Membranen bessere Insulindiffu sionsraten und kürzere lag-Phasen. Hierbei zeigt die hydrophile Membran (Kapillare 400) bessere Insulindiffusionsraten als die Membra nen aus adsorptiv hydrophilisiertem und reinem PSU.

Fig. 4 Vergleich von Insulindiffusionsraten von Ka pillarmembranen aus methylenhydroxyliertem und carboxyliertem PPSU mit und ohne Präinkuba tion. Der Vergleich zeigt, daß die mit FCS präinkubierten Membranen aus methylenhydroxy liertem (Kapillare 219) und carboxyliertem PPSU (Kapillare 218) deutlich bessere Insulin diffusionsraten zeigen als die nicht-präinku bierten Membranen.

Fig. 5 Einfluß des Kapillarpolymers auf die Glucose induzierte Insulinsekretion von makroverkap selten und frei schwimmenden Ratteninseln. Der Vergleich mit der Kontrolle (frei schwimmende Ratteninseln) zeigt, daß selbst eine relativ gering substituierte methylenhydroxylierte Membran (Kapillare 200) für Insulin wesentlich besser permeabel ist als eine nur adsorptiv hydrophilisierte (PSU/NDS).

Beispiele Beispiel 1 Synthese des methylenhydroxylierten Udel®-PSU

Man löst unter Argon in einem 6 l Vierhalskolben 132 g PSU ≅ 300,8 mMol in 4 l Tetrahydrofuran (THF). Die klare gelbliche Lösung wird auf -65°C gekühlt und tropfenweise innerhalb von 20 min. mit 66,4 ml 10 M n-Butyllithium (BuLi) ≅ 664 mMol ver setzt. Dabei wird die Lösung erst grünlich und dann rot braun. Bei -65°C bis -80°C wird während 1,5 Std. nachge rührt und dann 56 g Formaldehyd = 1700 mMol, erhalten durch Thermolyse aus Paraformaldehyd, gelöst in 1,5 l THF, eben falls auf -65°C bis -80°C vorgekühlt, zu. Sehr langsam unter stetigem Erwärmen auf Raumtemperatur erhält man eine gelbliche, heterogene Mischung (PSU.CH₂OLi). Diese wird durch Ansäuern mit 37%iger Salzsäure (HCl) in die Hydroxylverbin dung überführt, daran erkenntlich, daß sich der Niederschlag vollständig löst. Das THF wird abdestilliert und das Polymer in 500 ml N,N-Dimethylacetamid (DMAc) aufgenommen. Die DMAc- Lösung wird in 500 ml vollentsalztes Wasser (VE-Wasser) ge gossen, wobei das Polymer ausgefällt und im Labormixer zer kleinert wird. Nach dem Abfiltrieren des Polymers wird es dreimal mit kochendem VE-Wasser ausgewaschen und im Trocken schrank bei 105°C über Nacht getrocknet.

Es wird unvernetztes methylenhydroxyliertes PSU erhalten.

Thermolyse des Paraformaldehyds:
Ca. 60 g Paraformaldehyd werden in einem Dreihalskolben auf 160°C erhitzt und der entstehende monomere Formaldehyd mit einem schwachen Argonstrom in auf -65°C bis -80°C gekühltes THF geleitet, in dem er sich löst.
Die OH-Gruppen der Hydroxymethylengruppen wurden IR-spektro skopisch nachgewiesen.

Bestimmung des Substitutionscrrades (DS) mittels ¹H-NMR- Spektroskopie:
Eine Probe des trockenen Polymers wurde in deuteriertem Di methylsulfoxid (DMSO) gelöst und das ¹H-NMR-Spektrum aufge nommen. Durch Beziehen der Integrale der Methylengruppen auf das Integral der Methylgruppen der Isopropylideneinheit des PSU ergab sich ein DS von 1,9.

Beispiel 2 Variation von Beispiel 1

Synthese und Analytik wie in Beispiel 1 beschrieben mit den Unterschieden, daß 132 g PSU = 300,8 mMol mit 24,5 ml 10 M BuLi = 245 mMol umgesetzt und das metallierte PSU mit 21 g Formaldehyd = 627 mMol abgefangen wurde.

Die ¹H-NMR-spektroskopische Analyse ergab methylenhydroxyl terminiertes PSU mit einem DS von 0,7.

Beispiel 3 Synthese des carboxylierten PPSU

Unter Argon quillt man bei Raumtemperatur in einem 2 l Vier halskolben 30 g PPSU ≅ 75,0 mMol, das aus seiner Lösung in DMAc mit VE-Wasser umgefällt wurde, mit 1,2 l THF. Die Sus pension wird auf -78°C gekühlt und tropfenweise innerhalb von 20 min. mit 9 ml 10 M BuLi ≅ 90 mMol versetzt. Bei -78°C wird dann während 30 min. nachgerührt und unter intensivem Rühren bei -78°C CO₂ eingeleitet. Dabei wird die Suspension heller, bis eine gleichmäßige farblose Masse entsteht. Unter Rühren läßt man auf Raumtemperatur erwärmen. Dann wird die Suspension (PPSU-COOLi) durch Ansäuern mit 37%iger HCl in die Carbonsäureform überführt. Das THF wird abdestilliert und das Polymer in 200 ml DMAc aufgenommen und nach Beispiel 1 aufgearbeitet. Es wird unvernetztes carboxylterminiertes PPSU erhalten.

Die Umsetzung wurde IR- und ¹H-NMR-spektroskopisch nachgewie sen.

Beispiel 4 Synthese des methylenhydroxylierten PPSU

Unter Argon quillt man in einem 2 l Dreihalskolben 30 g PPSU ≅ 75 mMol in 1,2 l THF. Beim Abkühlen auf -78°C erhält man eine stark gequollene Suspension, die tropfenweise innerhalb von 20 min. mit 9 ml 10 M BuLi = 90 mMol versetzt wird. Bei -65°C wird 0,5 Std. nachgerührt und dann 12 g Formaldehyd (≅ 400 mMol), wie in Beispiel 1 beschrieben, gelöst in 0,8 l THF, auf -65°C vorgekühlt, zugegeben. Unter Rühren läßt man auf Raumtemperatur erwärmen und überführt die erhaltene Lithium-Verbindung mit 37%iger HCl in die Hydroxylform. Das THF wird abdestilliert und das Polymer in 200 ml DMAc aufge nommen und wie unter Beispiel 1 beschrieben aufgearbeitet. Es wird unvernetztes methylenhydroxyliertes PPSU erhalten.

Die Umsetzung wurde IR- und ¹H-NMR-spektroskopisch nachgewie sen.

Beispiel 5 Synthese des carboxylierten PES

20 g ≅ 86,3 mMol PES wurden in 1 l über Molekularsieb 4 Å ge trocknetem 1,3-Dioxolan während einer Stunde bei Raumtempe ratur gequollen. Nach Kühlen auf -78°C wurden unter Rühren 10,4 ml 10 M BuLi = 104 mMol zugetropft und weitere 3 Stunden nachgerührt, wobei sich die anfänglich farblose Suspension nach bräunlich-beige verfärbte. Danach wurde bei -78°C CO₂ eingeleitet, wobei sich die Suspension deutlich aufhellte. Nach Erwärmen auf Raumtemperatur wurde mit 37%iger HCl angesäuert, das Dioxolan abdestilliert, der Rückstand in DMAc aufgenommen und wie unter Beispiel 1 beschrieben aufgearbei tet.

Die Umsetzung wurde IR- und ¹H-NMR-spektroskopisch nachgewie sen.

Beispiel 6 Synthese des sulfonamidoamin-terminierten PEEK

150 g ≅ 521 mMol PEEK wurden während 2 Std. bei 50°C mit 2000 g 98%iger Schwefelsäure umgesetzt und anschließend die klare, rotbraun gefärbte Lösung in 2 N überschüssige Natron lauge gegossen, wobei das sulfonierte PEEK ausfiel, das mit VE-Wasser neutral gewaschen und während 14 Std. bei 140°C getrocknet wurde.

Die Bestimmung der Ionenaustauscherkapazität ergab 1,5 meq Sulfonsäuregruppen/g trockenem Polymer entsprechend einem DS von 0,5.

100 g ≅ 305 mMol des sulfonierten PEEK wurden in 800 ml N,N- Dimethylformamid (DMF) gelöst, bei 0-4°C 21,8 g = 183 mMol Thionylchlorid zugetropft, während 4 Std. bei 60°C nachge rührt, danach 14,5 g ≅ 183 mMol Pyridin bei 0-4°C zuge tropft und diese Lösung in 14,5 g = 183 mMol Pyridin und 13,2 g ≅ 220 mMol Ethylendiamin bei 0-4°C eingetropft. Über Nacht wurde bei Raumtemperatur nachgerührt, das DMF abdestilliert, der Rückstand in DMAc aufgenommen und wie in Beispiel 1 beschrieben aufgearbeitet.

Die Umsetzung wurde IR- und ¹H-NMR-spektroskopisch nachgewie sen.

Beispiel 7 Herstellung der Kapillarmembranen mit Fingerstruktur

Aus den vorgenannten Polymeren wurden Gießlösungen mit 20% Polymergehalt in 75% DMAc und 5% LiCl hergestellt und mit 2- oder 3-Stoff-Naßspinndüsen (Eigenentwicklungen zum Teil in Zusammenarbeit mit der Firma Lechler, Metzingen, Deutschland) mit einem Fällmittel zu asymmetrischen Kapillarmembranen nach dem Phaseninversionsprinzip verarbeitet. Hierbei wurde die Polymer-Gießlösung durch eine äußere Ringdüse gefördert und mit Fällmittel, das durch eine zentrale Innendüse gefördert wurde, kontaktiert. Nach Durchlaufen einer definierten freien Fällstrecke tauchten die Kapillaren in ein äußeres Fällbad mit VE-Wasser ein zum weiteren Lösungsmittel-Fällmittel-Aus tausch, der durch Spülen der Kapillarmembranen über Nacht mit fließendem Leitungswasser komplettiert wurde.

Die Kapillarmembranen hatten eine innenliegende Skinschicht und eine außenliegende Stützschicht. Ihre Lumina betrugen zwischen 650 und 850 µm bei nach Maßgabe ausreichender mechanischer Stabilität extrem geringen Gesamtwandstärken zwischen 40 und 100 µm.

Durch Variation der Spinnparameter

1. Verhältnis des Durchmessers der Ringdüse zum Außendurch messer der Innendüse
2. Verhältnis der Gießlösungs- zu den Fällmittelmengen
3. Fällhöhe

lassen sich Kapillarlumen und -wandstärke variieren.

Beispiel 8 Herstellung der Kapillarmembranen mit partieller Schwammstruktur

Die Verfahrensweise war die des Beispiels 7 mit dem Unter schied, daß mit 20 bis 60%igen Lösungen von DMAc in VE- Wasser gefällt wurde. Auf diese Weise wurden Kapillarmembra nen mit zunehmendem Schwammstruktur-Anteil hergestellt, je größer der DMAc-Gehalt im Fällmittel war.

Beispiel 9 Bestimmung der Insulin-Diffusionsraten

Kapillarmembran-Proben aus PSU, mit Polyvinylpyrrolidon (PVP) hydrolysiertem PSU und aus hydrophilen PSU wurden jeweils mit einer Lösung von 239 U/l (1.434 Mol) Insulin in Tris/HCl- Puffer, pH 7,4 befüllt, beidseitig verschlossen, in magnetge rührte Bechergläser mit je 80 ml reinem Tris/HCl-Puffer, pH 7,4 (Außenphase) eingehängt und die Diffusionsraten für Insulin als zeitabhängige Menge des permeierten Insulins in der in der Membran vorgelegten Gesamt-Insulin-Menge immunolo gisch-photometrisch (ELISA[DAKO Insulin]) ermittelt.

Die Ergebnisse, in den Fig. 1 bis 4 dargestellt, belegen:

- Die hydrophilen methylenhydroxylierten PSU-Membranen zeigen mit zunehmendem DS deutlich höhere Insulin- Diffusionsraten bei kürzeren lag-Phasen als die aus reinem oder aus mit PVP adsorptiv hydrophilisiertem PSU (Fig. 1).
- Die Membranen aus carboxyliertem PSU zeigen ab einem DS von 0,8 ebenfalls höhere Insulin-Diffusionsraten und kürzere lag-Phasen als die aus reinem oder aus mit PVP adsorptiv hydrophilisiertem PSU. Ein Vergleich zeigt, daß Membranen aus methylenhydroxyliertem PSU bessere Insulin-Diffusionsraten und kürzere lag-Phasen aufweisen als Membranen aus carboxyliertem PSU vergleichbarer Substitutionsgrade. Dies kann mit einer besseren hydro philen Wirkung des CH₂-Spacers zwischen aromatischem Ring und OH-Gruppe beim methylenhydroxylierten PSU erklärt werden (Fig. 1 und 2).
- Bei mit FCS präinkubierten Membranen aus hydrophilem methylenhydroxyliertem (Kapillare 400), mit PVP adsorp tiv hydrophilisiertem und reinem PSU wurden zwar in jedem Fall bessere Insulin-Diffusionsraten und kürzere lag-Phasen erzielt, aber mit dem qualitativen Unter schied, daß die hydrophile Membran wesentlich bessere Insulin-Diffusionsraten aufwies als die Membranen aus adsorptiv hydrophilisiertem und reinem PSU, deren Werte in obengenannter Reihenfolge innerhalb der praktisch relevanten Diffusionszeit von 30 min. zunehmend schlech ter waren. Die beste Insulin-Diffusionsrate und eine extrem kurze lag-Phase von ca. 1,7 min. wurde mit der Kapillare 400 aus methylenhydroxyliertem PSU, dem Polymer mit gespacerten Hydroxylgruppen an der Polymer kette, erreicht (Fig. 3).
- Ein Vergleich der Diffusionsraten und der lag-Phasen der hydrophilen Membran Kapillare 400 mit und ohne Präinku bation mit FCS (Fig. 1 und 3) zeigt, daß die Kombina tion aus Substitution der Basispolymeren mit hydrophilen Gruppen, insbesondere mit Methylenhydroxylgruppen, und Präinkubation mit FCS die besten Diffusionsraten für niedermolekulare Proteine, wie Insulin, und die kürze sten lag-Phasen erreicht wurden.
- Beide Präparationen wirken auf die transmembrane Diffu sion niedermolekularer Proteine synergistisch.
- In gleicher Weise wurden Kapillarmembranen aus methylen hydroxyliertem (Kapillare 219) und aus carboxyliertem (Kapillare 218) PPSU mit und ohne Präadsorption mit FCS auf Insulinpermeabilität getestet. Die Ergebnisse (Fig. 4) bestätigen die Befunde entsprechender Membranen aus PSU. Nur die Kombination aus Substitution des PPSU mit hydrophilen Gruppen und Präadsorption mit FCS führt zu optimalen Insulindiffusionsraten.

Beispiel 10 Bestimmung der Insulin-Diffusion von in Membranen makroverkapselten Inselzellen nach Glucosestimulation in vitro

Jeweils 50 frisch isolierte Ratten-Inselzellen in KREBS- RINGER-HEPES-Pufferlösung vom pH 7,4 mit 3 mMol/l Glucose wurden in mit FCS präinkubierte Probekapillarmembranen aus methylenhydroxyliertem (DS = 0,75) und aus mit Natriumdo decylsulfat (NDS) adsorptiv hydrophilisiertem PSU eingefüllt, beidseitig verschlossen (makroverkapselt) und in der gleichen Pufferlösung (Außenmedium) perifundiert. Nach Stimulation zwischen Minute 30 und 45 durch Erhöhung der Glucosemenge auf 16,7 mMol/l wurde das von den Inselzellen sezernierte und transmembran diffundierte Insulin radioimmunologisch (RIA) bestimmt und mit der Insulinsezernierung im Außenmedium freischwimmender Inselzellen ohne Membranbarriere (Kontrolle) verglichen.

Die Ergebnisse, Mittelwerte aus jeweils 7 Meßreihen, darge stellt in Fig. 5 zeigen, daß selbst eine relativ gering sub stituierte methylenhydroxylierte Membran für Insulin wesent lich besser permeabel ist als eine nur adsorptiv hydrophili sierte.

Beispiel 11 Bestimmung der molekularen Trenngrenze

Jeweils 3 Proben der Kapillarmembranen aus methylenhydroxy liertem PSU, DS = 1,7 und aus carboxyliertem PSU, DS = 1,8, wurden mit je 100 µl einer 20%igen Albuminlösung (bovine- Fraktion V, Molgewicht 69 000 g/Mol) in 10 mmolarem Tris-HCl- Puffer, pH 7,4 befüllt und gegen 80 ml der gleichen Puffer konzentration während 120 min. dialysiert.

In den Dialysatproben war photometrisch kein Albumin nach weisbar (Gesamtprotein-Bestimmung mit Farbreagenz Bio Rad Nr. 016953 bei 595 nm).

Die molekulare Trenngrenze der Membranen ist daher mit ≦ 69 000 anzusetzen.

Claims

1. Mikroporöse, hydrophile Membran, im wesentlichen beste hend aus den Polymeren Polysulfone und/oder Polyetherke tone, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymere kovalent gebundene Substituenten aufweisen, die mindestens eine Hydroxylgruppe, Carboxylgruppe und/oder Aminogruppe enthalten.

2. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Substituent Hydroxyl, Methylenhydroxl und/oder Ethyl idenhydroxyl ist, wobei Methylenhydroxyl bevorzugt ist.

3. Membran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polysulfone aromatische Polysulfone sind, insbe sondere Polyphenylensulfone.

4. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyetherketone Polyetherether ketone (PEEK) und/oder Polyetheretherketonketone (PEEKK) sind.

5. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Substituierung bis zu etwa 2 Substituenten pro wiederkehrender Einheit be trägt.

6. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Polysulfon an den der Sulfon gruppe benachbarten Phenylengruppen in ortho-Stellung zur Sulfongruppe substituiert ist, wobei vorzugsweise jede Phenylengruppe nicht mehr als einfach substituiert ist.

7. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eine molekulare Trenn grenze von etwa 5.000 Dalton bis etwa 300.000 Dalton, vorzugsweise etwa 10.000 Dalton bis etwa 100.000 Dalton aufweist.

8. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eine Membranstärke von etwa 20 µm bis etwa 400 µm, vorzugsweise von etwa 40 µm bis etwa 150 µm aufweist.

9. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eine Porosität bezogen auf das Volumen von etwa 50% bis etwa 90% aufweist.

10. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran im Querschnitt eine im wesentlichen zunehmende Porengröße aufweist, wobei vorzugsweise die Porengröße im Bereich der kleineren Poren zwischen etwa 10 nm und etwa 50 nm beträgt.

11. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran zusätzlich adsorptiv ab gesättigt ist, vorzugsweise mit fötalem Kälberserum.

12. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbe sondere nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran in sterilem Zustand verpackt ist, wobei sie vorzugsweise in feuchtem Zustand vorliegt.

13. Verfahren zur Herstellung einer mikroporösen, hydrophi len Membran, im wesentlichen umfassend die folgenden Schritte:

a) Substituieren von Polymeren,
b) Lösen der Polymere in einem Lösungsmittel,
c) Formen der Membran, insbesondere durch Auftragen der Lösung auf einen Träger oder durch einen Spinnprozess,
d) Ausfällen mit mindestens einem mit dem Lösungs mittel mischbaren Fällmittel,

dadurch gekennzeichnet, daß das Substituieren der Polymere durch Umsatz mit Substanzen vorgenommen wird, die mindestens eine Hydroxylgruppe, Carboxylgruppe und/ oder Aminogruppe einführen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanzen Kohlendioxid, Acetataldehyd und/oder Formaldehyd sind, wobei Formaldehyd bevorzugt ist.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß als Polymere Polysulfone und/oder Polyetherketone eingesetzt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Polysulfone aromatische Polysulfone eingesetzt wer den, insbesondere Polyphenylensulfone.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, dadurch ge kennzeichnet, daß als Polyetherketone Polyetheretherke tone (PEEK) und/oder Polyetheretherketonketone (PEEKK) eingesetzt werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Substituieren die Polymere aktiviert werden, vorzugsweise mit mindestens einer Lithiumverbindung.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Substituierung bis zu etwa 2 Substituenten pro wiederkehrende Einheit beträgt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer an den der Sulfongruppe benachbarten Phenylengruppen in ortho-Stellung zu der Sulfongruppe substituiert wird, wobei vorzugsweise jede Phenylengruppe nicht mehr als einfach substituiert wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran mit einer Porosität be zogen auf das Volumen von etwa 50% bis etwa 90% herge stellt wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran mit einer im Querschnitt im wesentlichen zunehmenden Porengröße hergestellt wird, wobei vorzugsweise Wasser als Fällmittel eingesetzt wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran zusätzlich adsorptiv ab gesättigt wird, vorzugsweise mit fötalem Kälberserum.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, insbeson dere nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran verpackt, insbesondere eingeschweißt und/oder sterilisiert, insbesondere Gamma-bestrahlt wird.

25. Verwendung einer mikroporösen, hydrophilen Membran gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 im Bereich der Biomedizin.

26. Verwendung einer mikroporösen, hydrophilen Membran gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung eines biohybriden Hohlorgans mit mindestens einer Kammer zur Aufnahme von Organzellen, wobei die Kammerwandungen mindestens teilweise von der Membran gebildet sind.

27. Biohybrides Hohlorgan mit mindestens einer Kammer zur Aufnahme von Organzellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammerwandungen mindestens teilweise von einer mikroporösen, hydropilen Membran gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 gebildet sind.

28. Verwendung nach Anspruch 26 oder Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das biohybride Hohlorgan ein biohy brides Pankreas ist.

29. Verwendung einer mikroporösen, hydrophilen Membran gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 für die Diffu sion von niedrigmolekularen Proteinen, insbesondere Insulin.

30. Verfahren zum Stoffaustausch über eine mikroporöse, hy dropile Membran, dadurch gekennzeichnet, daß als Membran eine solche gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 verwendet wird.