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Membraneinheit, Vorrichtung mit Membraneinheit und Ver-
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fahren zur Entgiftung des Blutes
Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf eine Membraneinheit, eine Vorrichtung mit Membraneinheit und ein
Verfahren zur Entgiftung des Blutes, d.h. zur Entfernung von toxischen und harnpflichtigen
Metaboliten aus Blut.
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Unter Metaboliten sind diejenigen Bestandteile der lebenden Zellen
zu verstehen, die den normalen Ablauf der Stoffwechsel reaktionen steuern, sowie
Stoffwechselprodukte, die im menschlichen oder tierischen Organismus gebildet oder
abgebaut werden, wie z.B. Harnstoff, Kreatinin, Peptide, Kohlehydrate und Elektrolyte,
wie z.B.
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Natrium- oder Kaliumsalze.
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Dialyse, Diafiltration und Hämoperfusion sind bekannte Verfahren
zur Entfernung toxischer Metabolite aus Blut.
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Bei der Dialyse und Diafiltration erfolgt die Trennung mit permselektiven,
d.h. selektiv durchlässigen Membranen, während die Hämoperfusion auf dem Prinzip
der Adsorption beruht.
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Bei dem Dialyseverfahren werden die auszuscheidenden Stoffe, nämlich
Wasser und harnpflichtige Substanzen, wie z.B. Harnsäure, Harnstoff, Kreatinin,
Kohlehydrate, Elektrolyte, Peptide, über eine permselektive Membran im Austausch
mit einer Spüllösung, in der sich einige der für den Organismus lebensnotwendigen
Substanzen befinden, ausgeschieden. Die treibende Kraft für den Stoffaustausch ist
hierbei für jede diffusible Substanz deren Konzentrationsdifferenz zwischen beiden
Seiten der Membran.
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Das Diafiltrationsverfahren arbeitet mit einer einstellbaren Druckdifferenz
als treibender Kraft. Alle Substanzen, deren Größe unterhalb der Trenryrenze der
permselektiven Membran liegt, werden als Ultrafiltrat im
gleichen
Konzentrationsverhältnis wie im Blut abgepreßt.
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Das Ultrafiltrat kann verworfen werden; jedoch muß ein gewisser Anteil
der dem Blut entzogenen Ultrafiltratmenge mit allen lebensnotwendigen Substanzen
im physiologischen Konzentrationsverhältnis wieder ersetzt werden.
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Dialyse und Diafiltration werden in erster Linie zur Behandlung von
chronischen Nierenkranken angewandt.
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Die Hämoperfusion hingegen arbeitet nach einem anderen Prinzip und
wird bisher nahezu ausschließlich nur dann eingesetzt, wenn eine besonders rasche
Entgiftung des Blutes, wie z.B. bei akutem Leberversagen oder bei Vergiftungen,
erfolgen muß. Hierbei werden Adsorbentien, wie Aktivkohle oder makroporöse Harze,
zur Adsorption toxischer Metabolite eingesetzt. Die Adsorbentien werden beispielsweise
- meist umhüllt mit porösem Membranmaterial - in granulierter Form als sogenannte
Granulen, in wäßriger Suspension umhüllt als Mikrokapseln, beschichtet auf Trägerbahnen
oder als Faserbündel in von Blut durchströmten Säulen eingesetzt. Die bevorzugte
Umhüllung der Adsorbentien mit porösem Membranmaterial verhindert den direkten Kontakt
mit dem Blut, wodurch die Blutverträglichkeit verbessert werden soll. Dennoch ist
das Risiko einer Blutschädigung ziemlich groß, vor allem durch Verluste von Blutformkörpern
und Proteinen, durch Mikroembolien aufgrund ausgeschwemmter Adsorbenspartikel und
durch Störung der Strömungsgleichmäßigkeit in der vom Blut durchströmten Säule.
Infolge dieses hohen Risikos wird die Hämoperfusion in der Praxis auf die Fälle
beschränkt, in denen der Patient sich in einem komatösen Zustand befindet.
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Vor allem aber zeigen Hämoperfusionssysteme den Nachteil, daß das
Adsorbens gewisse harnpflichtige Metabolite, wie Wasser, Harnstoff, Elektrolyte
und Ammoniak, nicht oder nur unzureichend zu adsorbieren vermag. Auch zusätzliche
aufwendige und teure Maßnahmen, wie der Einsatz von Enzymen in Mikrokapseln, bringen
keine einfache und befriedigende Beseitigung dieser Metabolite.
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Es wurde auch schon vorgeschlagen, die Diafiltration und Hämoperfusion
miteinander zu kombinieren, indem man entsprechende Vorrichtungen in Serie schaltet,
um somit sowohl die rasche Entgiftungswirkung der Hämoperfusion zu nutzen als auch
nicht adsorbierbare harnpflichtige Metabolite abzuführen.
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Dies ist jedoch infolge des großen Apparatevolumens, d.h.
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hohen Blutfüll- und Restvolumens der Vorrichtungen, von Nachteil;
insbesondere besteht für den Patienten die erhöhte Gefahr der Hypotonie. Ferner
zeigt die Hämoperfusionsvorrichtung die bereits oben gezeigten Nachteile, insbesondere
besteht durch den zusätzlichen apparativen Aufwand ein höheres Risiko einer Blutschädigung.
Weiterhin ist es schwierig, die beiden Vorrichtungen zu regulieren und aufeinander
abzustimmen. Schließlich werden die Behandlungskosten wesentlich erhöht.
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Auch wurde bereits beschrieben, das bei der Diafiltration anfallende
Ultrafiltrat über giftadsorbierende Stoffe zu leiten und das entgiftete Filtrat
anschließend wieder dem Blutkreislauf zuzuführen. Die nach diesem Prinzip arbeitenden
Vorrichtungen zeigen insbesondere den Nachteil, daß nur das wnm Blut abgetrennte
Ultrafiltrat, nicnt jedoch die nicht abgepreßte Hauptmenge des Blutes,
in
Kontakt mit dem Adsorbens treten kann.
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Ausgehend von diesen bekannten Vorrichtungen besteht die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung darin, eine Membraneinheit zur gleichzeitigen Entfernung
von toxischen und harnpflichtigen Metaboliten aus Blut vorzuschlagen, die die aufgezeigten
Nachteile nicht oder nicht in diesem Maße aufweist und die sich insbesondere durch
ihre Einfachheit, das verringerte Risiko für den Patienten und die rasche und intensive
Entfernung der Metabolite auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgewäß gelöst durch eine Membraneinheit
zur Entfernung von toxischen und harnpflichtigen Metaboliten aus Blut. Sie ist dadurch
gekennzeichnet, daß sie einen Hohlraum aufweist, durch den das zu reinigende Blut
strömt und der durch mindestens eine permselektive Membran und mindestens ein Adsorbens
gebildet wird, das gegebenenfalls mit einer porösen Membran umhüllt oder in diese
eingebettet ist.
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Die permselektive Membran ist zur Abführung harnpflichtiger Metabolite,
d.h. von Wasser, Elektrolyten, Harnstoff, Ammoniak und anderen, geeignet und besteht
aus dem bereits in der Dialyse und Diafiltration eingesetzten Material, wie z.B.
regenerierter Cellulose, Celluloseester, Celluloseäther, Kohlehydratgelen, Polypeptiden,
Proteinen, Polyamiden, Polysulfonen, Blockcopolymeren mit Polycarbonat, Polymeren
oder Copolymeren von Derivaten der Acrylsäure oder etacrylsäure, wie Nitrile oder
Ester, Polymeren oder Copolymeren mit Vinylalkohol. Um gegebenenfalls die umständliche
Aufbewahrung der Membran im feuchten Zustand vor der Inbetriebnahme der Membraneinheit
zu umgehen, können sogenannte Trockenmembranen, die
wiederanfeuchtbar
sind, verwendet werden.
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Die Porengröße der permselektiven Membran liegt im Bereich von 2
bis 10 nm. Die Membran kann antithrombogen und biokompatibel ausgerüstet sein.
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Vorzugsweise befindet sich die permselektive Membran auf einer Trägerschicht,
die zur Aufnahme und/oder Ableitung des Filtrats, wie Wasser, Elektrolyte, Ammoniak,
Harnstoff, oder einer Spüllösung fähig ist und die auch der Verstärkung und Stützung
der Membran dient, so daß die Membran leicht zu handhaben ist und Membranbeschädigungen
vermieden werden. Die Trägerschicht besteht beispielsweise aus Papier, einem Gewebe,
Vlies oder Maschennetz aus Kunststoff.
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Auch Platten oder Folien mit flüssigkeitsleitender Profilierung oder
aus porösen oder saugfähigem Material sind als Trägerschicht geeignet. Sie bestehen
beispielsweise aus gesintertem Polyäthylen oder aus saugfähigem Kunstschwamm, insbesondere
aus regenerierter Cellulose, der als Schwammtuchmaterial bekannt ist.
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Die permselektive Membran kann auf die Trägerschicht lose aufgelegt
oder durch Kleben oder Siegeln verbunden werden. Bevorzugt wird die Membranschicht
direkt auf der Oberfläche der Trägerschicht durch Koagulation oder Regenerieren
einer geeigneten Lösung der membranbildenden Substanz erzeugt.
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Das Adsorbens dient vor allem zu raschen Bindung toxischer Metabolite
und besteht aus einem faserförmigen Körper oder einem flächenhaften Gebilde, d.h.
einem Gewehe, Gewirke, Vlies oder Geflecht, das gegebenenfalls mit einer Membran
umhüllt ist. Diese Membran hat perm-
selektive Eigenschaften und
eine Porengröße von 2 bis 100 nm; sie besteht aus einem der für die obengenannte
"permselektive Membran" in Betracht gezogenen Materialien.
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Diese Membran und die obengenannte "permselektive Membran können somit
in Struktur und Eigenschaften identisch sein. Sie wird zur besseren Kennzeichnung
gegenüber der "permselektiven Membran" im folgenden "poröse Membran" genannt.
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Unter Gewebe ist ein aus Kette und Schuß aufgebautes Flächengebilde
zu verstehen. Ein Geflecht ist definitionsgemäß ein in der Art eines gängigen Maschendrahtes
aufgebauter Körper.
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Liegt das Adsorbens in granulierter oder pulvriger Form vor, so ist
es gewöhnlich in der porösen Membran eingebettet oder wird von dieser umhüllt. Das
granulierte oder pulvrige Adsorbens kann aber auch nur oberflächlich auf einem flächenhaften
Gebilde aufgebracht sein.
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Als Adsorbentien werden flächenhafte und/oder faserförmige Gebilde
und/oder Granulen und/oder Pulver aus Aktivkohle, aus Verbindungen mit Ionenaustauscherkapazitäten
oder aus hydrophoben Kunststoffen oder Kunstharzen, z.B. porösem Polystyrolharz
oder Polyäthylengewebe, verwendet. Vorzugsweise hat die Aktivkohle die Form eines
Gewebes, Gewirkes, Vlieses oder Geflechtes oder einer Faser, bestehend z.B. aus
einem unter Sauerstoffausschluß zu Kohlenstoff pyrolysiertem und aktiviertem Textilmaterial,
das mit der porösen Membran umhüllt ist.
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Dieses Textilmaterial besteht aus Fasern aus synthetischem Material,
wie Polyamiden, Polyester oder Polyacrylnitril oder natürlichem Material wie Cellulose.
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Wenn das Adsorbens gegenüber gewissen Blutbestandteilen wenig
verträglich
ist, wird es von der porösen Membran umhüllt, so daß kein direkter Kontakt zwischen
Blut und dem Adsorbens besteht.
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Diese poröse Membran wird insbesondere direkt auf der Oberfläche
des Adsorbens erzeugt oder wird durch Gießen, Regenerieren und/oder Koagulieren
einer Lösung des membranbildenen Polymer und granulierten Adsorbens hergestellt.
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Sie kann zusätzlich antithrombogen und biokompatibel ausgerüstet sein.
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Vorzugsweise weist das Adsorbens und/oder die das Adsorbens umhüllende
Membran auf der zur permselektiven Membran hingerichteten Oberfläche eine Profilierung
auf, die anstelle eines Abstandshalters den vom Blut durchströmten Hohlraum aufrecht
erhält, und/oder es wird eine Trägerschicht mit einer profilierten Oberfläche verwendet,
auf die eine permselektive Membran aufgebracht ist und die somit ebenfalls eine
Profilierung aufweist. Ist die Profilierung nicht vorhanden, so ist zwischen permselektiver
Membran und Adsorbens ein zusätzlicher Abstandshalter erforderlich, z.B. in Form
von Stützplatten, eines Gewebes oder Geflechtes.
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Die Profilierung der Oberfläche zeigt beispielsweise die Form regelmäßig
verteilter Noppen oder Streifen oder eine Riffelung, wobei sich die Profilierung
über die gesamte Oberfläche der porösen Membran und/oder permselektiven Membran
bzw. Trägerschicht erstreckt. Neben der Aufgabe, den für den Blutdurchfluß notwendigen
Hohlraum aufrechtzuerhalten, bewirkt die Profilierung eine gute Durchmischung des
zu reinigenden Blutes und eine Vergrößerung der Oberfläche des Adsorbens und/oder
der Membran.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung zeigt die bisher
erläuterte
Membraneinheit eine zusätzliche zweite permselektive Membran, die sich benachbart
und im Abstand zur Rückseite des Adsorbens erstreckt. Als Rückseite des Adsorbens
ist diejenige Oberfläche des Adsorbens bzw.
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seiner porösen Membranhülle zu verstehen, die von der Oberfläche der
ersten permselektiven Membran abgewendet ist. Durch die zweite permselektive Membran
und die Rückseite des Adsorbens wird ein weiterer, zweiter Hohlraum gebildet, durch
den ebenfalls das zu reinigende Blut geführt wird. Die Strömungsrichtung kann die
gleiche sein wie im ursprünglichen Hohlraum, d.h. das Blut durchströmt die Hohlräume
in paralleler Richtung oder entgegengesetzt, wobei das Blut nach dem Durchströmen
des ersten Hohlraums durch umlenkende Einbauten dem zweiten Hohlraum zur weiteren
Reinigung zugeführt wird.
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In dieser dreiteiligen Membraneinheit bestehen die permselektiven
Membranen aus dem gleichen oder verschiedenem Material oder aus permselektiven Membranen
mit verschiedenem Volumenfluß und/oder unterschiedlicher Molekulargewichtsausschlußgrenze.
Vorzugsweise befinden sich die permselektiven Membranen auf Trägerschichten. Es
gelten hierzu und bei der Ausgestaltung der Adsorbensschicht die die oben beschriebene
Membraneinheit betreffenden Erläuterungen in analoger Weise.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur gleichzeitigen
Entfernung von toxischen und harnpflichtigen Metaboliten aus Blut. Sie besteht aus
mindestens einem Zulauf für das zu reinigende Blut und mindestens einem Ablauf für
das gereinigte B1. . Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf für das zu reinigende
Blut und
Ablauf für das gereinigte Blut mit dem Hohlraum mindestens
einer Membraneinheit in Verbindung stehen, die die kennzeichnenden Merkmale der
Membraneinheit nach einem der Ansprüche aufweist.
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Sofern sich die permselektive Membran auf einer Trägerschicht befindet
und diese aus einem porösen und/oder saugfähigen Material, beispielsweise aus Kunstschwamm,
insbesondere aus regenerierter Cellulose, besteht, kann auf ein Vorrichtungselement
zur Ableitung des Filtrates gegebenenfalls verzichtet werden. Dann ist jedoch erforderlich,
daß die Vorrichtung ausreichend dimensioniert und den sich durch die Filtrataufnahme
ändernden Strömungs- und Druckverhältnissen angepaßt ist.
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In diesem Fall wird die Abführung nicht adsorbierbarer Stoffe wesentlich
verringert und vorzugsweise der Entzug von Wasser und adsorbierbaren toxischen Metaboliten
bewirkt.
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Ist andererseits ein oder sind mehrere Abläufe für das Filtrat oder
die Spüllösung vorhanden, so stehen diese mit der permselektiven Membran und gegebenenfalls
mit einer fluidleitenden Trägerschicht in Verbindung.
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Mehrere Ausführungsbeispiele werden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 eine spiralförmig aufgewickelte Membraneinheit im Schnitt, Fig.
2 eine weitere Ausführungsform der Mebraneinheit im Schnitt, Fig. 3 eine dritte
Ausführungsform der Membraneinheit in perspektivischer Ansicht geschnitten.
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In Fig. 1 ist eine spiralförmig aufgewickelte Membran-
einheit
im Schnitt dargestellt. Sie besteht aus dem mit einer porösen Membran 1 umhüllten
Adsorbens 2, das aufgrund einer Profilierung seiner Oberfläche im Abstand von der
permselektiven Membran 3 gehalten wird. Die permselektive Membran 3 befindet sich
auf fluidaufnehmender Trägerschicht 4, auf deren gegenüberliegender Oberfläche ebenfalls
eine permselektive Membran 5 aufgebracht ist. Die Zuführung des Blutes erfolgt über
einen nicht dargestellten Zulauf vertikal zur Zeichenebene in die von Adsorbens
2 und permselektiver Membran 5 gebildeten Hohlräume 6, das Blut durchströmt die
Hohlräume und wird anschließend über einen nicht dargestellten Ablauf der Vorrichtung
entnommen. Das durch die permselektive Membran 3 bzw. 5 durchtretende Filtrat oder
die Spüllösung werden über die Trägerschicht 4, die mit Ablaufrohren 7 in Verbindung
steht, abgeleitet.
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Wenn die Trägerschicht aus saugfähigem Material besteht, kann das
Filtrat gegebenenfalls darin verbleiben und die Ablaufrohre 7 können entfallen.
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Das Blut durchströmt die gewickelte Membraneinheit in axialer Richtung,
es ist auch möglich, daß das Blut in Richtung der Wicklung der Spirale fließt, wobei
es je nach Strömungsrichtung zentral oder am Umfang der Wicklung abgeführt wird.
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Eine weitere in Fig. 2 im Schnitt dargestellte Ausführungsform der
Membraneinheit besteht aus einer Vielzahl, zu einem Bündel zusammengeraffter, kapillarförmiger
permselektiver Membranen 8 von im wesentlichen gle:#her Länge und Durchmesser, die
an ihren nicht dargestellten Enden in einer Platte verankert sind, beispiels-
weise
durch Eingießen in ein Kunstharz. In dem von jeder kapillarförmigen Membran gebildeten
Innenraum befindet sich mit poröser Membran 1 überzogenes Adsorbens 2 in granulierter
oder faserförmiger Gestalt. Das zu behandelnde Blut wird durch den Innenraum 6 der
kapillarförmigen Membran 8 bzw. Membranen geführt, wobei die toxischen oder harnpflichtigen
Metabolite teils durch die permselektive Membran 8, teils durch die poröse Membran
1 zu dem Adsorbens 2 diffundieren und somit entfernt werden.
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In Abwandlung der dargestellten Ausführungsform ist es auch möglich,
daß die kapillarförmigen, permselektiven Membranen 8 im Abstand zueinander und berührungsfrei
angeordnet sind. Dadurch wird die Berührungsfläche zwischen der äußeren Oberfläche
der permselektiven Membran und einer eventuell vorhandenen Spüllösung vergrößert.
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Die in Fig. 3 im Querschnitt abgebildete Ausführungsform der Membraneinheit
besteht aus einer leporelloartig gefalteten, fluidaufnehmenden Trägerschicht 4,
die beidseitig mit permselektiven Membranen 9 beschichtet ist.
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Zwischen benachbarten Lagen dieser Faltung befinden sich mit poröser
Membran 1 umhüllte Adsorberschichten 2, die eine profilierte Oberfläche aufweisen
und damit die Kanäle 6 bilden.
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Es ist auch möglich, eine Membraneinheit durch Vertauschung der Schichten
so zu gestalten, daß die mit poröser Membran umhüllte Adsorberschicht leporelloartig
gefaltet ist, während die beidseitig mit permselektiver Membran umhüllten Trägerschichten
sich zwischen benachbarten Lagen der Faltung befinden.
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Neben den in den Figuren gezeigten Ausiuhrungsformen der
Membraneinheit
besteht auch die Möglichkeit, die Membraneinheiten in Form von rechteckigen oder
kreisförmigen Platten zu einem Stapel hintereinander anzuordnen, wobei eine der
Zahl der Membraneinheiten entsprechende Anzahl von Zuleitungsstegen zur Zuführung
des zu behandelnden Blutes in die einzelnen Membraneinheiten und eine entsprechende
Anzahl von Ableitungskanälen am gegenüberliegenden Ende der jeweiligen Membraneinheiten
vorhanden sind. Ferner kann die Zuführung des zu behandelnden Blutes auch in die
erste Membraneinheit der gestapelten Membraneinheiten, die Abführung des behandelten
Blutes aus der letzten Membraneinheit des Stapels erfolgen. Das Blut wird hierbei
am Ende jeder Membraneinheit umgelenkt und in die benachbarte Membraneinheit eingeführt,
die dann in Gegenrichtung durchströmt wird.
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Die erfindungsgemäße Membraneinheit und die damit ausgerüsteten Vorrichtungen
eignen sich in hervorragendem Maße zur gleichzeitigen Entfernung von toxischen und
harnpflichtigen Metaboliten aus Blut.
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Sie vereinigen bei geringerem Apparatevolumen die Vorteile der Dialyse-
und Diafiltrationsvorrichtungen mit denen der Hämoperfusionsvorrichtung, d.h. sie
sind auch zur Abtrennung von Wasser, Harnstoff, Elektrolyten und Ammoniak aus Blut
geeignet.
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Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur gleichzeitigen
Entfernung von toxischen und harnpflichtigen Metaboliten aus Blut. Es ist dadurch
gekennzeichnet, daß man das zu reinigende Blut gleichzeitig an einer permselzktiven
Membran und einem Adsorbens vorbeiführt, die gemeinsam einen blutdurchlässigen Hohlraum
bilden.
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Wird das Blut mit einem Ober- oder Unterdruck von 0,1 bis 1 bar durch
den von Membraneinheit und Adsorbens gebildeten Hohlraum geleitet, so erhält man
analog zur Diafiltration ein Ultrafiltrat. Das Filtrat kann von einer Trägerschicht
aufgenommen und/oder abgeleitet werden. Die dem Blut entzogenen und für den Organismus
unentbehrlichen Substanzen, sind in physiologischer Konzentration in einer Ersatzflüssigkeit
zuzuführen.
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Die Zugabe einer Ersatzflüssigkeit und die Ableitung für das Filtrat
können aber auch entfallen. In diesem Fall wird das Filtrat von der Trägerschicht
aufgenommen und es wird die Abführung der nicht adsorbierbaren Stoffe wesentlich
verringert und somit vorzugsweise der Entzug von Wasser und adsorbierbaren toxischen
Metaboliten bewirkt.
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Wird hingegen nach dem Prinzip der Dialyse gearbeitet, so ist auf
der dem Blut abg#.endeten Oberfläche der permselektiven Membran eine Spüllösung
vorbeizuführen, in der sich die für den Organismus lebensnotwendigen Substanzen
befinden.