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Hohlfaserdialysator mit Dialysatführung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hohlfaserdialysator (Filtertell
einer künatlichen Niere), bei dem durch besondere Massnahmen eine auf die einzelne
Faser möglichst gleichmässig verteilte Dialysatströmung erzeugt wird.
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In einem Hohlfaserdialysator werden die hohlen Fasern innen von Blut
durchströmt und aussen von Dialysat (die Waschlösung, welche die auszuscheidenden
Substanzen aus dem Blut übernimmt und somit vom Blut entfernt) umspUlt. Es ist offenbar,
dass eine optimale Dialysatorfunktion eine gleichmässige Umapülung der einzelnen
Fasern mit Dialysat erfordert.
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Es liegt bereits eine Mehrzahl verschiedener Konstruktionen von Hohlfaserdialysatoren
auf dem Markt vor. Gemeinsam für alle diese Konstruktionen ist, dass die Ttohlfasern
alle zu einem vollen Bündel oder zu einem Ringbündel zusammengefasst sind, oder
dass sie auf wenige einzelne Bündel (z.B. drei) aufgeteilt sind. Bei Anwendung eines
RingbUndels sind die Fasern in einem ringförmigen Raum zwischen einem zylindrischen
Kernteil und einem umgebenden zylindrischen Gehäuseteil angeordnet. Das Dialysat
wird dabei in einem Zuflussbereich an einem Ende des Bündels als Flflssigkeitsstrom
auf das BUndel (bzw. TeilbUndel) gerichtet, dringt in dieses ein, fliesst längs
dem BUndel - zwischen den Fasern - und verlässt das Bündel am anderen Ende. Es zeigt
sich hierbei immer wieler, dass die Verteilung des Dialysatflusses im BUndel ungleichmässig
ist - es entstehen "Strassen" oder bevorzugte Strecken im BUndel, wo mehr Dialysat
fliesst, als an anderen Steilen im BUndel. Solche ~Strassen" können sich auch zwischen
BUndel und Gehäuseteile ausbilden. Die Bildung von Strassen wird u.a. dadurch gefördert,
dass die Strömung des Dialysats von der unmittelbaren Umgebung einer Faser abweichen
kann, andere Fasern verdrängen und somit Hohlräume im BUndel erzeugen.
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Um diese Probleme mit der Dialysatverteilung zu umgehen, sind auch
Konstruktionen entwickelt worden, bei denen das Dialysat mehr oder weniger quer
durch das BUndel fliesst, statt längs der Fasern. Auch hierbei können sich aber
Strassen bilden und es ist bekannt, dass eine Querströmung des Dialysats schon grundsätzlich
zu einer weniger gUnstigen Dialyseleistung führt, als die Gegenströmung (bei welcher
Blut und Dialysat parallel, aber entgegengerichtet, fliessen).
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Weiter ist eine Herstellungsart von Ringbündel entwickelt worden,
die auf das Verweben oder Verwirken der Faser zu einer Matte basiert, dadurch, dass
sie von quer zu den Fasern laufenden Fäden zusammengehalten werden. Eine solche
Matte wird dann um einen Kern gewickelt, um das Ringbundes zu erzeugen. Die querlaufenden
Fäden fUhren zu einer gut geordneten Struktur des Faserverlaufes im fertigen Bündel
und verringern die Ausweichmöglichkeiten der Fasern im Dialysatstrom. Hierdurch
wird eine bessere Dialysatumströmung der einzelnen Fasern erreicht, aber immer noch
keine völlig gleichmässige Verteilung, wie aus Messungen im Vergleich zu Berechnungen
für den Idealfall hervorgeht.
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Es ist nun die Idee der vorliegenden Erfindung, die Dialysatströmung
im BUndel so zu lenken, dass diese an Strömungazonen um einzelne Fasern - oder auch
Cruppen von wenigen Fasern - gebunden ist und nicht innerhalb des BUndels von diesen
Zonen abweichen kann. Die Strömung kann dann nicht mehr von der Umgebung einer Hohlfaser
zu der Umgebung einer anderen Hohlfaser wechseln, und vor allem keine ~Strassen"
zwischen Fasern oder Fasergruppen bilden.
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Aus oben angefUhrten GrUnden ist es schon vorgeschlagen worden (vgl.
"Blood gas transport in an annulus" v. H-K.Chang, Proc. ACEMB 1968, S. 10.4) Doppelhohlfasern
zu verwenden, bei welchen zwei ungleich dicke hohle Fasern ineinander liegen. Die
innere Faser würde dann z.B. vom Blut durchströmt, und der ringförmige Raum zwischen
dieser Faser und der grösseren, umgebenden Faser würde dann vom Dialysat durchströmt.
Solche Anordnungen zur Dialyse mit Membranschläuchen eher als dünne Hohlfaser und
in relativ geringer Anzahl sind auch bereits patentiert worden ( USA - Patent 2,411,238).
Auch die Herstellung von Doppelhotifasern wurde patentiert (USA - Patent 2,687,
gQ7). Jedoch stösst die praktische Anwendung der letzteren dadurch auf unflberwindbare
Schwie#keiten, dass ein typischer Hohlfaserdialysator für die Anwendung in Mlnstlichen
Nieren in der Crössenanordnung von 10 000 Fasern braucht, mit einem Innendurchmesser
von 0,2 - 0,3 mm. V. a. der Dialysatanschluss an die äusseren der erwähnten doppelten
Fasern ist bei dieser hohen Anzahl ein noch ungelöstes Problem. Deshalb wird in
der vorliegenden Erfindung ein anderer Weg beschritten, um der einzelnen blutfUhrenden
llohlfaser abgeschlossene Dialysaträume vorzugeben. Die Bedeutung solcher Massnehmen
liegt besonders darin, dass die Ungleichmässigkeit der Verteilung der Dialysatströmung
im BUndel die hauptsächliche Ursache dafür ist, dass llohlfaserdialysatoren in der
Praxis meistens 20 - 30 X weniger Dialyseleistung aufweisen, als was für eine gleichmäsßige
Verteilung berechnet werden
kann (vgl. Sigdell: "A mathematical
theory for the capillary artificial kidney", Hippokrates Verlag, stuttgart, 1974).
Ausserdem führt diese Ungleichmässigkeit zu Exemplarstreuungen von einem Dialysator
zum anderen (neben anderen Faktoren), weil die Dialysatstromverteilungen verschieden
ausfallen.
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Es ist nun die Idee der vorliegenden Erfindung, die llohlfasern (1)
in längsatrukturierten Kunststoffolien (2) einzulegen, z.B. wie in Abb.1 skizziert.
Die Struktur weist 1ängsrillen (3) auf, welche Längsfächer (4) fllr die Faser bilden.
Beim Aufrollen einer solchen, mit eingelagerten Fasern versehenen, Folie (z.B. auf
einen Kern), ergibt sich eine Querschnittanordnung wie in Abb.2 gezeigt. Es entstehen
um die einzelnen Fasern (1) Kanäle (5) (hier mit rechteckigem Querschnitt), worin
das Dialysat fliessen soll. Statt Aufrollen, können Folienabschnitte aufeinander
gestapelt werden, wie in Abb.3 angedeutet.
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Die Querschnittform der so ausgebildeten Kanäle für das Dialysat kann
durch entsprechende Folienstruktur variiert werden. Z.B. kann sie angenähert kreisförmig
gestaltet werden, wie in Abb.4 gezeigt.
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Um die Fasern in der strutturierten Folie festzuhalten, können z.B.
an bestimmten Stellen Fäden oder Bänder quer eingepresst oder angeschweisst sein,
wie in Abb.5 angedeutet. Hier ist ein Faden (6) gezeichnet, der oben in den Rillen
(3) eingepresst ist und somit verhindert, dass die Faser aus dem Fach (4) fällt.
Wie in Abb.6 gezeigt, kann eine zweite, nicht strukturierte Folie (7) so auf die
erste (nach Einlegen der Faser) kaschiert werden, dass die Fächer (4) rundum abgeschlossen
werden. Ist diese Folie nur in der Form von Querstreifen vorhanden, hat man im Prinzip
die Fäden in Abb.5 durch Bänder ersetzt. Das Einlegen der Hohlfasern in den Fächern
kann z.B. ähnlich wie beim bereits bekannten Verfahren zum Verwirken zu einer Matte
geschehen, wobei Faserabschnitte in einer Kettenwirkmaschine parallel ausgelegt
und dann mit Kettfäden umschlungen werden.
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Statt die Faser zu verwirken, können sie auf analoger Weise in Folienfächern
eingelegt werden, wobei die Folie von einer Rolle abläuft.
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Bei der Herstellung eines llohlfaserdialysators auf bisher üblicher
Art, wird ein Faserbündel in ein Gehäuse eingelegt und an den Enden mit einer
Vergussmasse
ausgegossen bm den Dialysatraum abzuschliessen. Der Verguss wird dann durchgeschnitten
um die Faserhohlräume nach aussen hin (vom Dialysatraum her) zu öffnen (vgl. z.B.
die Offenlegungsschriften 27 33 280 und 26 46 358 ). Das Dialysat wird im Gehäuse
innerhalb von den Vergusszonen den BUndelenden zu- bzw. abgeführt.
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Um bei der vorliegenden Erfindung die Dialysatzu - und Abfuhr zu realisieren,
sind im Prinzip zwei Möglichkeiten vorhanden. Eine Möglichkeit ist in Abb.7 skizziert.
Tiier ist ein Kern (8) mit der mit Fasern (1) eingelagerten Folie (2) umgewickelt,
in ein Gehäuse (9) eingelegt und an den beiden Enden ausgegossen (10). Auf an sich
bekannter Art wird in diesem Beispiel das Dialysat durch eine zentrale Verlängerung
(11) des Kernes (8) geführt und steht durch Löcher (12) in diesem Stück mit dem
Faserbündel in Verbindung. Damit das Dialysat am Zulaufende zunächst an die Faser
gelangen kann, und dann in den Kanälen der zusammengerollten Folie weiterfliessen,
und dann noch am anderen Ende des Bündels wieder von den Fasern abfliessen kann,
streckt sich die Folie nicht bis in den Vergussbereich (10) fort, sondern in einer
Zwischenzone (13) sind nur Fasern (1) alleine vorhanden, ohne Folie (2).
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Die zweite Möglichkeit ist, dass sich die Folie zwar bis in den Vergussbe
reich (10) streckt (und dort mit eingegossen ist), aber in einer Zwischenzone (entsprechend
13) durch genügend grosse Perforationen (14) radial durchgängig ist, wie in Abb.8
angedeutet. Diese Abbildung zeigt eine Folie (2), ohne eingelagerte Fasern, im perforierten
Endbereich. Die Perforationen mdssen nicht (wie gezeichnet) nur in einzelnen Kanälen
(4) zwischen Rillen (3) liegen, sondern können auch mehrere Kanäle umfassen und
Rillen durchbrechen.
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Bei der Anwendung einer perforierten Folie, können die Fasern ausserhalb
des Vergussbereiches (im wegzuschneidenden Teil) auch durch Verkleben, Verschweis
sen o.ä. mit der Folie an deren Rand verbunden werden und so ohne die Massnahmen
nach Abb.4 und 5 am herausfallen gehindert werden. In diesem Fall muss die Perforation
auch im Vergussbereich vorhanden sein, damit hier die Vergussmasse Folie und Bündel
quer durchdringen kann.
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Einebesondere Art, eine erfindungsgemässe Anordnung herzustellen,
ist von der an sich schon bekannten Art auszugehen, eine Fasermatte durch Verweben
oder Verwirken mit Querfäden (15) herzustellen, aber zwischen den Hohlfasern dickere
Distanzfasern (16) mit einzuarbeiten, wie in Abb.9 gezeigt. Beim Aufwickeln dieses
Gewebes lässt man eine dünne aber genügend steife Folie (17) mit einlaufen und erhält
eine Struktur im Querschnitt wie in Abb.10 gezeigt.
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Die Distanzfaser (16) und d#e dle (17) bilden nun Kanäle (18) für
das Dialysat, um die Hohlfaser (1) herum. Auch hierbei muss die Folie auf Abstand
vom Vergussbereich aufhören, oder in dessen Nähe perforationsartig durchbrochen
sein.
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Statt auf eine der genannten Weisen um einzelne Iiohlfasern (1) Dialysatkanäle
(5,18) auszubilden, können diese Kanäle Hohlfasergruppen umfassen, in welche jeweils
eine verhältnismässig geringe Anzahl von Hohlfasern vorhanden ist. Vor allem bei
der Verwendung eines Gewebes nach Abb.9 und 10 ist es vorteilhaft, zwischen den
Distanzfasern mehrere Hohlfasern liegen zu lassen (z.B. 3 - 10), weil hiermit die
Gesamtlänge der nötigen Hohlfasermatte nicht so stark durch die Distanzfasern vergrössert
wird, wie bei Erzeugung von Lialysatkanälen um einzelne Fasern.
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Auch bei der Verwendung eines Gewebes nach Abb.9 und 10 ist eine gestapelte
Anordnung wie in Abb.3 möglich, durch Stapeln von Gewebeabschnitten mit Folienzwischenlagen
hergestellt.
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Die in Abb.1 dargestellte Folie besteht aus einer Grundfolie mit rillenartigen
Erhöhungen, die z.B. extrudiert, gepresst oder gespritzt sein kann.
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Alternativ kann die Folie auch wie in Abb.11 gefaltet sein, oder durch
das bereits genannte Herstellungsverfahren schon vom Anfang an in dieser effektiv
gefalteten Gestaltung hergestellt sein. Eine weitere Faltenart ist in Abb.12 dargestellt.
Bei Anwendung dieser Art ist es allerdings aus offenbaren Gründen notwendig, eine
Zwischenfolie mit einlaufen zu lassen, wie bei der Anwendung des Gewebes nach Abb.9
und 10, um mit Sicherheit um nur einzelne Hohlfasern (oder Hohlfasergruppen) abgeschlossene
Dialysatkanäle zu bilden. Alternativ kann diese Folie ähnlich wie in Abb.6 auf mindestens
einer Seite mit einer zweiten Folie kaschiert sein.
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Es ist klar, dass viele Variationen möglich sind, ohne dass dadurch
die Grundidee der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
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