DE2842958C2

DE2842958C2 -

Info

Publication number: DE2842958C2
Application number: DE2842958A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Chem. Dr. 5600 Wuppertal De Henne
Original assignee: Akzo GmbH
Current assignee: Akzo Patente 5600 Wuppertal De GmbH
Priority date: 1978-10-02
Filing date: 1978-10-02
Publication date: 1987-12-23
Also published as: DE2842958A1; BE879110A; JPS5549107A; JPS5850761B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Dialysemembran aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert wurde, in Form eines Hohl fadens mit durchgehendem Hohlraum.

Aus der DE-PS 7 36 321 ist ein Hohlfaden aus regenerierter Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert wurde, mit einem durchgehendem Hohlraum bekannt.

Aus der US-PS 32 28 877 ist es bekannt, daß die nach der ge nannten DS-PS 7 36 321 hergestellten Hohlfäden als Dialysemem branen und als Membranen zur umgekehrten Osmose geeignet sind.

Aus der US-PS 38 88 771 sind Hohlfäden aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert wurden, bekannt, die eine defi nierte Membranstruktur aufweisen und entlang der gesamten Achse der Faser eine gleichmäßige Wandstärke und einen genau kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Außerdem sind die Hohl fäden hoch verstreckt und weisen eine hohe Zugfestigkeit auf. Bei derartig hoch verstreckten Hohlfäden aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert wurden, findet man als Maß für die Orientierung eine Doppelbrechung Δ n von 0,03. Obwohl die durch Verstreckung und Orientierung erzielbare höhere Festigkeit sicherlich wünschenswert wäre, ist sie für die Quellbarkeit der Membran und damit für die Wirksamkeit bei der Dialyse von großem Nachteil.

Aus der GB-PS 8 59 325 ist ein Verfahren zur Herstellung von Hohlfäden bekannt, deren Querschnitt längs der Fadenlänge periodisch oder aperiodisch schwankt. Als Fadenmaterial wer den synthetische thermoplastische Polymere eingesetzt. Die erhaltenen Fäden sollen als Füllmaterial für Polster, Mat ratzen, Kissen und Ähnliches verwendet werden.

Aus der DE-OS 24 26 316 ist ein Verfahren und eine Vorrich tung, mit welchen die Diffusion und der Austausch von Strömungsmitteln durchführbar sind, bekannt. Insbesondere dient die bekannte Vorrichtung als Blutoxygenator. Zur Verringerung der Grenzschichtwirkungen wird das Strömungs mittel zu einem Fließen auf einen unregelmäßigen Weg inner halb der rohrförmigen Scheidewand veranlaßt und dadurch ein Sekundärstrom erzeugt. Die Vorrichtung umfaßt eine Vielzahl rohrförmiger Scheidewände mit relativ großem Durchmesser, die so geformt sind, daß sie eine turbulente Strömung des darin fließenden Strömungsmittels induzieren; beispielsweise wird eine Reihe von Stäben so angeordnet, daß sie einen Teil der Wände verformen.

Aus der DE-OS 25 23 236 ist ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Gewährleistung eines Wärme- und/oder Stoffübergangs bekannt, bei denen im wenigstens einem der Fluide entlang dessen Hauptströmung eine pulsierende Strömung geringer Schwankungsbreite, im Vergleich zur mittleren Durchflußlei stung bzw. -menge jedoch mit solcher Geschwindigkeit erzeugt wird, daß über einen ersten, mindestens zum Teil durch die Membran gebildeten Fluid-Führungskanal eine Reynoldszahl von wenigstens etwa 200 entsteht und mittels der Membran ein zweiter Führungskanal gebildet wird und daß mindestens ein Abschnitt des ersten Führungskanals einen sich periodisch ändernden Verlauf aufweist und eine Mehrzahl von Zonen gebildet wird, für die gilt, daß das Verhältnis der Länge aufeinanderfolgender, einander entsprechender Abstände zur Tiefe wenigstens 2:1 beträgt. Für die Hämodialyse sind Strömungen mit Reynoldszahlen von mehr als 200 nicht anzu streben, da dann die Gefahr einer Hämolyse des Blutes besteht.

Bei der Dialyse, beispielsweise der Hämodialyse, ist es er forderlich, daß die Membranwände von den Dialyseflüssig keiten vollständig und ohne Behinderung umspült werden. Werden Dialysemembranen, in Form von Hohlfasern, die zu Bün deln zusammengefaßt sind, eingesetzt, so neigen Hohlfasern mit genau kreisförmigem Querschnitt in einem Bündel aus etlichen tausend Hohlfasern mit einer Faserdichte von etwa 500 bis 1000 je cm² leicht dazu, sich auf ihrer ganzen Länge fest aneinander zu schmiegen, ähnlich dem Glasplatteneffekt zweier planparalleler Platten.

Durch dieses Aneinanderhaften ist der Zugang der Dialysat flüssigkeit zu den Zwischenräumen zwischen den Hohlfasern erschwert und die Flächen, an denen die Hohlfasern anein anderhaften, bleiben für den Stoffaustausch ungenutzt, wo durch die Effektivität des Hohlfadenmoduls verringert wird.

Der Stoffaustausch wird aber auch durch die Strömungsver hältnisse im Inneren der Membran verringert, weil bei der laminaren Strömung sich an der Membranwandung eine Grenz schicht ausbildet, die an Metaboliten verarmt ist. Das hat zur Folge, daß die den Stoffaustausch bestimmende Konzen trationsdifferenz geringer wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war, Dialysehohlfäden aus regenerierter Cellulose so zu gestalten, daß das Aneinander haften der Hohlfäden weitgehend verhindert wird, und die Aus bildung eines laminaren Strömungsprofils im Inneren der Hohl fasern gestört wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Dialysehohlfadenmembran, deren Querschnitt senkrecht zur Fadenachse über die Länge des Fadens periodisch schwankt.

Vorzugsweise entsprechen die äußeren Begrenzungen im Längs schnitt des Fadens zwei im Abstand voneinander verlaufenden Kurvenzügen einer Schwingungsgleichung.

Hergestellt werden die erfindungsgemäßen Hohlfäden durch Koagulation einer aus einer Hohlfadendüse extrudierten Cel lulose-Cuoxamlösung in verdünnter Natronlauge, wobei die Spinnlösung zur möglichst weitgehenden Vermeidung der Ver streckung und Orientierung unmittelbar nach Verlassen der Spinndüse in das Koagulationsbad geleitet wird. Zur Ausbil dung des durchgehenden Hohlraumes wird durch die zentrale Bohrung in bekannter Weise eine hohlraumbildende Flüssigkeit geleitet, beispielsweise Halogenkohlenwasserstoffe, Kohlen wasserstoffe und Ester, wobei Isopropylmyristat sich als vor teilhaft erwiesen hat. Es hat sich aber auch gezeigt, daß Wasser und wäßrige Lösungen, beispielsweise Lösungen von Carboxymethylcellulosesalzen hervorragend als hohlraumbil dende Flüssigkeiten geeignet sind.

Die Ausbildung der erfindungsgemäßen Hohlfadenform wird durch eine periodische Änderung der gepumpten Mengen an Spinn lösung und/oder hohlraumbildender Flüssigkeit bzw. des För derdruckes der Pumpe erreicht. Durch die periodische Änderung der Pumpmengen bzw. des Förderdruckes ergibt sich eine zeit lich periodisch schwankende Querschnittsänderung des extru dierten Hohlfadens, die in Längsrichtung einer Wellenform analog ist. Durch gezielte Variation der Pumpmenge und/oder des Förderdruckes der Förderpumpen lassen sich unterschied lich geformte Hohlfäden erzeugen, wobei in besonderer Aus gestaltung der Erfindung die äußeren Begrenzungen im Längs schnitt den Kurven für eine periodisch erregte gedämpfte Schwingung entsprechen. Derartig geformte Hohlfäden lassen sich besonders vorteilhaft zu Bündeln zusammenfassen, die ohne jede Behinderung mit Dialysatflüssigkeit umspült wer den können und damit einen schnellen und wirksamen Stoff austausch durch die Membran gewährleisten.

Bei erfindungsgemäßen Dialysemembranen nach einer weiteren be sonderen Ausgestaltungsform entsprechen die Begrenzungen im Längsschnitt den Kurven für eine Sägezahnschwingung. Derartig geformte Hohlfäden verkrallen sich bei der Bildung des Hohl faden-Bündels ineinander und geben dadurch ein sehr stabiles, sich selbst abstützendes Bündel mit einer Vielzahl von Kanälen für die Durchströmung des Bündels mit Dialysatflüssigkeit.

Bei den erfindungsgemäßen Dialysemembranen läßt sich die Schwankung des Querschnittes der Hohlfäden in einem relativ großen Bereich ohne Nachteil für die Dialyse verwirklichen. Bevorzugt beträgt der minimale Querschnitt zwischen 30 und 85% des Maximalquerschnittes.

Der Außendurchmesser der erfindungsgemäßen Hohlfäden beträgt an den Stellen mit maximalem Querschnitt 10 bis 1000 µm, vor zugsweise 50 bis 600 µm. Die Wandstärke beträgt 1 bis 100 µm, vorzugsweise 5 bis 50 µm.

Da die Dialyse mit einer Dialysemembran bei einer Schwankung des Querschnittes unterschiedlichen und manchmal gegenläufigen Einflüssen unterworfen ist, ist es in manchen Fällen von Vor teil, solche Einflüsse durch eine entsprechende Zu- und/oder Abnahme der Wandstärke auszugleichen.

Beispielsweise wird bei Erregung der Schwankung durch Beein flussung des Pumpens der hohlraumbildenden Flüssigkeit die Wandstärke an den Stellen größeren Querschnittes verringert, während die Wandstärke an den gleichen Stellen vergrößert wird, wenn bei konstantem Pumpen der hohlraumbildenden Flüssigkeit die Pumpe für die Spinnlösung zur Erregung der Schwankung be einflußt wird. Der Innenquerschnitt der Hohlfaser unterliegt dann geringeren Schwankungen als der Außenquerschnitt.

Erfindungsgemäße Fäden lassen sich aber auch durch eine perio dische Schwankung der Abzugsgeschwindigkeit des Hohlfadens von den Spinndüsen und durch das Koagulationsbad erzeugen, in dem z. B. die Fäden mittels Riffelwalze gefördert werden.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen erfindungsgemäße Hohlfaserabschnitte im Längsschnitt in unterschiedlicher Ausführungsform, wobei die schematischen Längsschnitte die Proportionen der Wellenlänge zum Membranquerschnitt nicht maßstabsgerecht wiedergegeben sind. Die schematischen nicht maßstabsgerechten Darstellungen wurden deshalb gewählt, weil bei maßstabs gerechter Darstellung die Wellenformen nur schwer erkennt lich sind.

Fig. 1 zeigt schematisch den Längsschnitt einer erfindungs gemäßen Dialysemembran, deren Begrenzung etwa einer Sinusschwingung entsprechen. 1 ist die aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert wurde, bestehende Membranwand der Hohlfaser 2.

Fig. 2 zeigt schematisch den Längsschnitt einer erfindungs gemäßen Dialysemembran, deren Begrenzung etwa einer Sägezahnschwingung entsprechen. Auch hier ist 1 die aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen rege neriert wurde, bestehende Membranwand der Hohl faser 2.

In Fig. 3 ist schematisch der Längsschnitt einer erfindungs gemäßen Dialysemembran dargestellt, deren Begrenzungen etwa einer gedämpften und periodisch erregten Sinuswelle entsprechen. Hier ist ebenfalls 1 die aus Cellulose, die aus Cuoxamlöungen regeneriert wurde, bestehende Membranwand der Hohlfaser 2.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der folgenden Beispiele erläutert.

Beispiel 1 Herstellung einer erfindungsgemäßen Dialyse membran.

Aus einer Hohlfadenringdüse, an deren ringförmigem Spalt die Spaltbreite auf die Hälfte der üblichen Spaltbreite verringert war und bei der das Verhältnis Spaltbreite zur Spalthöhe ca 1 : 20 betrug, wurde eine Cuoxam-Celluloselösung ausgepreßt, wobei der Spinndruck periodisch erhöht wurde. Die Cuoxam- Celluloselösung hatte einen Cellulosegehalt von 9 Gew.-%, einen Ammoniakgehalt von 6,5 Gew.-% und einen Kupfergehalt von 4,0 Gew.-%. Dia Viskosität dieser Spinnlösung betrug 2300 Poise. Gleichzeitig wurde durch die Innenbohrung der Hohlfaden spinndüse Isopropylmyristat als hohlraumbildende Flüssigkeit gepumpt. Die extrudierte Spinnlösung wurde unmittelbar unter halb der Spinndüse in ein Natronlaugebad geleitet. Anschlie ßend wurde der koagulierte Faden durch ein Wasserbad, ein Schwefelsäurebad und dann durch eine längere Waschstrecke geleitet, der dann der Trockner folgte. Die Aufwicklung ge schah im Anschluß an die Trocknung zum Teil auf einer Spule und zum Teil in einem Strang.

Auf einem etwa 20 cm langen Fadenstück wurden die Abmessungen des Hohlfadens bestimmt. Der Duchmesser beim Maximalquer schnitt betrug 305 µm und beim Minimalquerschnitt 180 µm. Die Querschnittsfläche im Minimum betrug 35 % des Maximal querschnittes. Die Wellenform entsprach einer stehenden Sinusquelle mit einer Wellenlänge von ca. 5 mm, ermittelt aus Dickenmesssungen in 2 mm Abständen. Für die Berechnung der Austauschfläche wurde der mittlere Innendurchmesser ver wendet.

Die Wanddicken betrugen an den Maximalstellen im Mittel 9 µm, an den Minimalstellen im Mittel 13 µm. Die Streu breite der Dickenangaben beträgt ±15 %.

Der Hohlfaden hatte eine Zugfestigkeit, gemessen bei 50 % Luftfeuchtigkeit um 23°C, von 25·10³cN/mm².

Die Dehnung betrug 25 %. Die Doppelbrechung Δ n lag bei 0,016.

Beispiel 2 Verwendung der erfindungsgemäßen Dialysemem bran zur Hämodialyse.

Die nach Beispiel 1 hergestellten Hohlfäden wurden zu einem Bündel von 6000 Fäden zusammengefaßt und in einem Hohlfaden testdialysator eingebaut.

Bei einem standardisierten Lösungsfluß von 200 ml/min·m² und einem Dialysatfluß von 500 ml/min·m² wurde bei einer Wassertemperatur vom 37°C eine Ultrafiltrationsrate von 4,1 ml/h · m² · mm · Hg ermittelt. Die Clearance für Harn stoff in wäßriger Lösung betrug 150 ml/min. Die Clearance für Vitamin B12 in wäßriger Lösung betrug 42 ml/min.

Die Begriffe Ultrafiltration und Clearance sind im Stan dardwerk "Evaluation of Hemodialyzers and Dialysis Membranes" vom US-Department of Health, Education and Welfare, Publ. No. NIH 77-1294 definiert und die Messung beschrieben.

Danach gibt die Ultrafiltrationsrate an, welche Menge einer wäßrigen Salzlösung, bei 37°C bei vorgegebenem hy draulischem Druck, eine Membran von vorgegebener Fläche passiert. Daraus ergibt sich auch die Dimension
ml/h·m²·mmHg.

Der Clearance-Begriff ist der ärztlichen Praxis für die Leistung der Niere entnommen.

Fließt zum Beispiel eine Harnstofflösung in Wasser mit einem Fluß vom 200 ml/min durch einen Dialysator von 1 m², dann ist die Clearance

wobei

Q _Bi = Fluß im Einlauf C _Bi = Konzentration im Einlauf C _Bo = Konzentration im Auslauf

ist und der Flußmenge pro Zeiteinheit entspricht, die als völlig gereinigt vom entsprechenden gelösten Stoff den Dialysator verläßt. Im vorliegenden Falle, bei einer Flußmenge von 200 ml/min, würde eine Clearance von 150 ml/min bedeuten, daß 150 ml der pro Minute einlau fenden 200 ml Flüssigkeit als vollständig gereinigt an gesehen werden können.

Die Vitamin B12 Clearance bedeutet für das Vitamin B₁₂ die analoge Aussage.

Bei diesem Beispiel beträgt die Reynoldszahl für Blut beim Maximalquerschnitt ca. 0,56, beim Minimalquerschnitt ca. 1 und beim gemittelten Querschnitt ca. 0,75. Die kritische Reynoldszahl für eine turbulente Strömung durch Kanäle mit Querschnittsänderung ist nicht bekannt. Weil die Reynolds zahlen sich jedoch in erfindungsgemäßen Dialysemembranen bei Blut in der Größenordnung von 1 bewegen, erscheint es gerechtfertigt, nicht von turbulenter Strömung, sondern von Störungen des laminaren Strömungsprofiles zu sprechen, die sich aus der dauernden Querschnittsänderung ergeben.

Claims

1. Dialysemembran aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen rege neriert wurde, in Form eines Hohlfadens mit durchgehendem Hohlraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt senk recht zur Fadenachse des Hohlfadens über die Länge des Fadens periodisch schwankt.

2. Dialysemembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Längsschnitt des Fadens die äußeren Begrenzungen symme trisch zur Fadenachse zwei im Abstand voneinander verlau fenden Kurvenzügen einer Schwingungsgleichung entsprechen.

3. Dialysemembran nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Begrenzungen im Längsschnitt den Kurven einer periodisch erregten, gedämpften Schwingung entspre chen.

4. Dialysemembran nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Begrenzungen im Längsschnitt den Kurven für eine Sägezahnschwingung entsprechen.

5. Dialysemembran nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Querschnitt im Minimum 30 bis 85% des Maximalquerschnittes beträgt.

6. Dialysemembran nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wandstärke des Hohlfadens entsprechend der periodischen Schwankung des Querschnittes zu- und/ oder abnimmt.