DE2757673C3

DE2757673C3 - Glaskapillarmembranen zur Diafiltration von Blut

Info

Publication number: DE2757673C3
Application number: DE2757673A
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl.-Chem. Dr. 6238 Hofheim Schnabel
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1977-12-23
Filing date: 1977-12-23
Publication date: 1982-05-13
Also published as: JPS6244962B2; GB2010695B; JPS5489981A; CH637028A5; US4436626A; DE2757673B2; FR2412330A1; SE7813220L; GB2010695A; DE2757673A1; FR2412330B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von modifizierten porösen Glasmembranen in Form von Kapillaren bei der Diafiltration von Blut.

Unter der Diafiltration versteht man ein Membranverfahren, das zur schnellen und schonenden Abtrennung oder Aufkonzentrierung niedermolekularer Substanzen von bö-hermolekularen Substanzen aus Lösungen ohne Phasenänderung eingesetzt wird. Mit einem solchen Verfahren ist auch eine fraktionierte Trennung durchführbar. Treibende Kraft ist dabei im wesentlichen die transmembrane Druckdifferenz. Hierbei unterscheidet sich das Verfahren von dem der Dialyse, bei dem als treibende Kraft das Konzentrationsgefälle wirkt

Die Vorteile der Diafiltration liegen in der besseren Prozeßführung und in der definierteren Abtrennung von Molekülen. Bisher werden für die Diafiltration im wesentlichen Polymermembranen aus unterschiedlichen Kunststoffen eingesetzt. Diese Membranen weisen trotz guter Funktionsfähigkeit erhebliche Nachteile auf. Einer der wesentlichsten Nachteile lieg-, in der mangelhaften Anpaßbarkeit des Membraiimaterials an das Anwendungsproblem. So können insbest ndere aus biologischen Lösungen besonders aktive Moleküle sich durch Adhäsion oder Adsorption an die Membranoberfläche anlagern und die Permeatleistung der Membran verringern. Andere Probleme liegen in der nicht universellen Resistenz gegenüber organischen Lösungsmitteln, in der teilweise geringen Druckstabilität, durch die bei höherem Systemdruck Strukturänderungen entstehen und in der geringen Temperaturstabilität, deretwegen beispielsweise ein Teil der üblichen Sterilisationsverfahren nicht durchführbar ist.

Aufgrund zu geringer Druckstabilität und chemischer Resistenz lassen sich insbesondere bei asymmetrischen Membranen Reinigungsverfahren durch Rückspülung, bei denen organische Lösungsmittel oder auch anorganische Säuren bzw. Basen benutzt werden, nicht durchführen.

Für die medizinische Anwendung als Membran für Körperflüssigkeiten ist die Bauform ein mitentscheidender Faktor. Flachmembranen aus Kunststoff benötigen, auf eine bestimmte Membranaustauschfläche bezogen, ein ,größeres Volumen als Kapillaren. Verbunden ist dieses größere Bauvolumen meist mit größerem Hohlraumvolumen (Totvolumen), so daß mehr Körperflüssigkeit zum Betrieb der Diafiltration benötigt wird. Da bei Flachmembranen unterschiedliche Strömungseigenschaften an der Oberfläche herrschen, verstopft sich die Membran in den langsam durchströmten Teilen schneller.

Glasmembranen haben sich für die Diafiltration von Blut bisher nicht bewährt, da Proteine im Kontakt mit Glas denaturiert werden und Blut bei Kontakt mit Glas gerinnt.

Damit mußten auch die gemäß DE-OS 24 54 Jt 1 hergestellten chemisch modifizierten Membranen zur Blutdiafiltration ungeeignet erscheinen.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß sich die aus der DE-OS 24 54 111 bekannten chemisch modifizierten Membranen sehr gut zur Diafiltration von Blut eignen.

Im folgenden soll die Erfindung näher beschrieben und an Beispielen erläutert werden. Als Grundkörper wird poröses Glas, wie es beispielsweise in der DE-AS 24 54 Ul beschrieben ist, in Form von Kapillaren verwendet Dieses Glas hat eine enge Porenverteilung, so daß die Trenngrenze innerhalb eines Porendurchmesserbereichs von 30 Ä bis 1000 A definiert eingestellt werden kann.

Entsprechend der bei größeren Poren höheren Permeabilität und der für die Diafiltration günstigeren Betriebsweise innendurchströmter Kapillaren muß die Kapillargeometrie gewählt werden. Das Spektrum reicht von 200 μηι Außendurchmesser bis zu 5000 μιτι bei Wandstärken von 10 μπι bis 200 μΐη.

Dieser Grundkörper aus im wesentlichen Siliziumdioxid hat an der spezifischen Oberfläche reaktive Silanolgruppen (Dichte: ca. 54 OH/100 A²). Die Silanolgruppen stören besonders bei der Aufbereitung physiologischer Lösungen. Die Oberflächenaktivität des Glases muß daher reduziert werden, was durch Umsetzung mit reaktiven organischen Molekülen, meist bei funktioneilen Silanen, erfolgt Da Silane hydrophob sind und beispielsweise die Wasserpermeabilität einer Membran hemmen, müssen die freien Silanenden funktioneile Gruppen tragen. Die Palette der zur Verfugung stehenden Moleküle erstreckt sich so über das gesamte Gebiet der organischen Chemie und reicht in der Aktivität von hydrophob (Bsp.: Silankohlenwasserstoff) über neutral (Bsp.: Nitrogruppe) bis zu hydrophil (Bsp.: Sulfonsäuregruppe). Entscheidend neben den funktionellen Gruppen ist für die Polarität der Umsetzungsgrad der organischen Moleküle mit den Silanolgruppen.

Die gesamte Membran besteht demnach aus einem chemisch resistenten Grundkörper als Matrix, durch den Druckstabilität (bis 100 bar), Temperaturstabilität (bis 500⁰C), Strukturstabilität (keine Änderung der Porosität bei Verwendung von unterschiedlichen organischen Lösungsmitteln oder unterschiedlichem pH, kein Quellen oder Schrumpfen) und Formgebung (Kapillarform) erreicht werden.

Die Anpassung der Membran an den Anwendungsfall

erfolgt durch chemische Modifizierung der Oberfläche, wobei zwar die Temperaturstabilität abnimmt (Tmax 250⁰C), jedoch die chemische Stabilität erhöht und die

Porenverteilung noch enger wird.

Durch Bündelung solcher Kapillaren erreicht man extrem große Membranoberflächen pro Volumeneinheit (Volumenausfüllung bis zu 90%).

Eine der möglichen Bauformen ist in F i g. 1 dargestellt. F i g. 2 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die in F i g. 1 dargestellte Bauform. Die Ausgangslösung strömt bei 1 in den Verteilungskanal 2, der die Strömung gleichmäßig auf das gesamte Kapillarenbündel 3 verteilt. Die einzelnen Kapillaren 4 des Bündels werden innen von der Ausgangslösung durchströmt, während im Außenraum 5 des Permeat es gesammelt wird und durch den Permeataustritt 6 abfließt. Das Kapillarenbündel 3 ist im Modulgehäuse 7 eingegossen (Vergußmasse 8).

Durch die Austrittsöffnung 9, die ebenfalls mit einem

Verteilungskanal 2 mit dem Modulgehäuse 7 verbunden ist, verläßt die Ausgangslöswng, die an den durch die Membran ausgetauschten Stoffe verarmt ist, den Diafiltrator.

Geeignete Kappen 10 verbinden die Verteilungskanäle 2 mit dem Modulgehäuse 7.

Eine spezieile Anwendungsmöglichkeit besteht durch den Einsatz derartiger Diafiltrationsgeräte für die Entfernung von Abbauprodrkten des Körpers anstelle der natürlichen Niere. ι ο

Problematisch ist bisher der Einsatz von Dialysegeräten deshalb, weil die abzutrennenden Substanzen in unterschiedlicher Größe und Konzentration vorliegen. Im Gegensatz zu Dialysatoren können sogenannte »mittelmolekulare Stoffeh, deren chemische Natur noch nicht feststeht, die aber im Molekulargewichtsbereich zwischen 300 und 5000 liegen, in dem Diafiltrator sicher abgetrennt werden. Solche Moleküle treten besonders im Plasma urämischer Patienten auf. Spezielle Oberflächenmodifizierungen der Membranen verhindern eine Aktivierung der Blutgerinnung, wie sie an unbehandelten Glasoberflächen sofort eintritt.

Vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt einer Krankenbehandlung ist die Wiederverwendbarkeit der künstlichen Niere ein wesentlicher Vorteil. Die Oberfläche wird durch Spülen mit beispielsweise alkoholischer Salzsäure oder Natriumdodecylsulfatlösung gereinigt; der Modul wird anschließend sterilisiert und kann wieder eingesetzt werden. Bedingt durch die Druckstabilität des Materials kann dieser Reinigungsschritt auch in einer Rückspülung durchgeführt werden.

Im folgenden soll in Beispielen die Wirkungsweise näher erläutert werden.

Beispiel 1
Ein Modul mit den charakteristischen Daten:

Aktive Länge: 9,4 cm
Kapillaranzahl: 50
Oberfläche: 80,8 cm²

und einer chemischen Modifizierung zu endständigen alkoholischen —OH-Gruppen wurde mit Blutkonserve getestet Die Analyse des Ultrafiltrats zeigte keinen Eiweißgehalt, während alle nieder- und mittelmolekularen Substanzen festgestellt wurden. Die hydraulische Permeabilität lag bei 9 ml/m² h mm Hg.

Beispiel 2
Die charakteristischen Daten des Moduls waren:

Aktive Länge: 8,8 cm
Kapillaranzahl: 100
Oberfläche: 151,2 cm².

Die chemische Modifizierung führt? zu einer endständigen — NOi-Gruppe.

Dieser Modul lief in insgesamt 9 Versuchen mit einer Gesamtbetriebszeit von 50 h. Zwischen den einzelnen Versuchen wurde der Modul in physiologischer Kochsalzlösung gereinigt und aufbewahrt, so daß sich eine Kontaktzeit von insgesamt 960 h ergab. Die modulspezifischen Werte (Rückhaltevermögen, Permeabilität) blieben konstant und lagen im Rückhaltevermögen wie bei Beispiel 1, in der Ultrafiltrationsleistung etwas höher bei 10 ml/m² h mm Hg. Dieser Modul stellt einen wiederverwendbaren Hämofiltrator dar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verwendung von an sich bekannten Glaskapillarmembranen mit chemisch modifizierten Silanolgruppen an ihren Oberflächen zur Diafiltration von Blut, wobei die Glaskapillarmembranen innen vom Blut durchströmt sind und Außendurchmesser von 200 um bis 5000 um bei Wandstärken von 10 um bis 200 um aufweisen.