DE2953804T1

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Publication number: DE2953804T1
Application number: DE19792953804
Authority: DE
Priority date: 1979-08-21
Filing date: 1979-08-21
Publication date: 1986-11-20
Also published as: JPS6389169A; JPH0422107B2; GB2072047B; JPS6244961B2; DE2953804C2; JPS56501037A; GB2072047A; US4666668A; WO1981000522A1

Description

14. April 1981

GASDURCHLÄSSIGE MEMBRAN," VERFAHREN FÜR IHRE*" ^ 0ÖU4 HERSTELLUNG UNl) BLUTOXYGENATOR AUP DER GKUNDLAGE DMi GASDURCHLÄSSIGEN MEMBRAN

Technisches Gebiet

I)Ie vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des medizinischen Gerätebaus und insbesondere auf die Konstruktion von gasdurchlässigen Membranen, auf Verfahren für ihre Herstellung und auf Blutoxygenatoren auf der Grundlage solcher Membranen.
Zugrundeliegender ütand der Technik

Für die Schaffung einer hocheffektiven Gasaustauscheinrichtung ist die Erfüllung folgender zwei Bedingungen erforderlich, in erster Linie wird eine gasdurchlässige iwembran mit hohen spezifischen Kenndaten benötigt. Dann soll auf der Grundlage dieser Membran eine Konstruktion entwickelt werden, die eine gleichmäßige Verteilung sämtlicher Medien, ihre Vermischung und einen adäquaten Gasauetausch an der gesamten Arbeitsfläche der Membran gewährleistet.

Gasdurchlässige Membrane, die in Blutoxygenatoren zum Einsatz kommen, müssen eine hohe Permeabilität gegenüber O₂ und eine nooh höhere gegenüber COp, biologische Verträglichkeit mit Blut sowie eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, um den Druokwerten widerstehen zu können, die während der Arbeit entstehen.

Bekannt sind gasdurchlässige kembraaen aus Polymerstoffen: Polyäthylen, Teflon , Polyvinylchlorid, Naturkautschuk und Dimethylsllikonkautschuk.

Die Gasdurohlässlgkeit der laembranen aus Polymerstof- $0 fen hangt mit dem Prozeü .der Auflösung "T^Sises in der jeweiligen Membran und seiner Diffusion zusammen. Hierdurch stellt die Gasdurohläselgkeit PpProdukt der Löslichkeit S mit dem Diffusionskoeffizienten D, d.h.

P s ti.D dar.

Alle aufgezählten Membranen aus Polymerstoffen sind mit Blut biologisch kompatibel, unterscheiden sich jedoch voneinander in ihrer Permeabilität. So beträgt der Permeabilitätskoeffizient von Sauerstoff P₀ . 10"^ für/"^e

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nachstehende¹¹ Stoffe:

Polyäthylen 0,0002

Teflon 0,0004

Polyvinyl chlor id 0,014

Naturkautschuk 2,4

DimethylSilikonkautschuk 30,0

Die Permeabilität von CO₂ für Dimethylsilikonkautschuk ist um das 5fache größer als die Permeabilität von O₂, und für Membranen aus anderen Polymerstoffen liegt dieses Verhältnis sogar hoher·

In ersten Modellen von Blutoxygenatoren, die ein Gehäuse bilden, das mit einer gasdurchlässigen Membran in eine Kammer für Blutfluß und eine Kammer für Gas-. fluß geteilt ist, wurden als gasdurchlässige Membranen Folien aus Polyäthylen verwendet (Jd. Klous, Neville, "iviembranenoxygenator" in einem Sammelband "Künstliche Blutzirkulation" zusammengestellt von J.Allan, toedgis- -Verlag, I960, S.76-96). Bin derartiger Oxygenator für eine vollständige künstliche Blutzirkulation wies eine

Gasaustauschfläohe von 32 m auf und brauchte für seine Füllung 5,75 1 Spenderblut. Dabei wurde festgestellt, daß sich die Membranen während ihrer Betätigung mit Ablagerungen bedecken und die Fähigkeit zur Unbenetzbarkeit verlieren, was das Durchdringen von Flüssigkeit in die Gaskammern verursacht und die Einsätzdauer des Oxygenator s auf 2-3 Stunden beschränkt.

Aus dem Gesagten geht hervor, daß die Verwendung von gasdurchlässigen Membranen mit niedriger Permeabilität in Oxygenatoren die Entwicklung einer Gasaustausohflache bis auf einige Dutzende von Quadratmetern und demzufolge eines groüen (bis 6 1) Füll ungs ν öl urne ns mit Spenderblut erfordert. Derartige Membranen wirken außerdem negativ auf Blut ein, wodurch auoh die Zeit ihrer Anwendung begrenzt wird.

Deshalb wurden Versuche unternommen, als Stoff für gasdurchlässige Membranen Dimethylsilikonkautschuk zu verwenden, der eine höhere Permeabilität gegenüber Gasen und eine gute biologische Verträglichkeit aufweist. Das reine

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Dimethyisilikonkautsohuk ist jedoch mechanisch instabil und man kann auf seiner Grundlage lediglich Folien dicker als 100 um herstellen, dabei entstehen oft Makroöffnungen (Löcher) in der Folie.

Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit begann man, ein Polymer auf der Grundlage des Silikonkautschuks auf ein Nylongewebe (Armierungsunterlage) aufzutragen und armierte Folien mit einer Stärke von 125 /M herzustellen (T.Kolobow, W.Zapol, J.B.Pierce, A.F. Keeley, R.L.fieplogle and A.Haller "Partial extracorporeal gas exchange in alert new born lambs with a membrane artificial lung perfused via an A-V shunt for periods up to 96 hours", vol.XXV Trans. Amer. Soc.Artif. Int. Organs, I960, p.320-334).

Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung einer solchen gasdurchlässigen Membran besteht in der Auftragung des Silikonkautschuks auf eine Armierungsunterlage im Gießverfahren mit anschließender Walzung des aufgetragenen Kautschuks zusammen mit der Unterlage zwischen Walzen zwecks Schaffung einer dickengleichmäßigen Membran (siehe US-Patentschrift Nr. 3 325 330, bekanntgemaoht am 13*06.67). Die Kautsohuksohicht in einer derartigen Membran füllt vollständig das Armierungsgittex aus.

Die Verwendung von gasdurchlässigen Membranen auf der Grundlage von Silikonkautschuken ermöglichte es, Bl ut oxygenator en für die vollständige künstliche Blutzirkulation mit einer Arbeitsoberfläohe von /~ 6 m und einem Volumen der Spenderblutfüllung von etwa 1 1 zu entwikkeln. Die Membranen in diesen Oxygenatoren weisen jedoch eine große Dicke (125 y<m) auf, die auf die Stärke des Armierungsgitters zurückzuführen ist.

Bekannt ist, daß bei einem konstanten Permeabilitätskoeffizienten die Menge des durch die jeweilige Membran fließenden Gases umgekehrt proportional ihrer Stär-

ke ist. Hierdurch besteht eine Beschränkung in bezug auf die Gasmenge, die durch die Membran durchfließt. Es ist außerdem an den Stellen der Verbindung des Kau~

tschuks mit den Pasern des Armierungsgitters eine

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""." ' -. ir 'J. . - unzureichende-" ."*■ ■ ~"

/ Verbindung möglich, was die Entstehung von durchgehenden kakroöffnungen und demzufolge Betriebsausfall des Blutoxygenator verursacht.

Am meisten verwendungsfähig ist zur Zeit die Konstruktion eines Blutoxygenator, der eine Mehrzahl von gasdurchlässigen Membranen aufweist, die eine zentrale Bohrung beinhalten und einander abwechselnde Blutfluß- - und Gaskammern voneinander trennen. Zur Absicherung des Blutflueses durch sämtliche Kammern wird der Oxygenator mit zentralen Eintritts- und peripherischen Austrittssammelbehältern versehen, zum Durchströmen von Gas sind Eintritts- und AustrittsgassaKuelbehälter vorgesehen. Alle Membranen haben eine Gesamtarbeitsfläche, die für die Gewährleistung der vollständigen künstlichen Blut zirkulation ausreichend ist. Da sämtliche zur Zeit bekannt ö^gasdurchläss ige" Membranen, die in Blut oxygenator en •zum Einsatz kommen, elastisch sind, ist für die Ausführung solcher Konstruktion^ie Anwendung von Abstandselementen erforderlioh, die zwischen Membranen angeordnet werden und in der Regel steife Gitterkonstruktionen dar-^ stellen. Diese Elemente dienen auch für die Gewährleistung der Unveränderlichkeit des Querschnittes dea Blutflüsses. Bas Vorhandensein von zusätzlichen Elementen, die sich in Berührung mit Blut befinden, ruft jedoch eine schädliche Auswirkung auf Blut hervor.

Offenbarung der JSrfindunp;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gasdurchlässige Membran zu entwickeln, die fähig ist, eine bedeutend größere Gasmenge durcheine Einheit ihrer Ober-

»2o fläche als alle bekannten ähnlichen Membranen durchzulassen, und eine Steifigkeit aufweist, die es ihr erlaubte, die auftretenden Belastungen ohne Änderung der ihr bei der Herstellung verliehenen geometrischen Form aufzunehmen, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer gasdurchlässigen Membran und die Konstruktion eines Blutoxygenator auf der Grundlage der gasdurchlässigen Membran mit einer geringeren Gasaustaueohflache und demzufolge mit einem geringeren Volumen der Spenderblutfüllung

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und auch mit einer minimalen Auswirkung auf Blut zu entwickeln, die dem Grad der ftegenerierungsmögliohkeiten eines lebenden Organismus entsprioht, was den Verlauf der postoperativen Periode bei Patienten erleichtern und es

ermöglicht, das Einsatzgebiet von Blutoxygena-

toren nicht nur für die künstliche Blut zirkulation, sondern auch für die Unterstützung der Atmung bei Lungeninsuffizienz zu erweitern.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der erfindungsgemäßen gasdurchlässigen Membrane, die eine Armierungsunterlage und eine Polymerschicht auf der Grundlage des Silikonkautschuks enthält, die Armierungsunterlage aus einem festen Stoff mit offener Porosität ausgeführt ist, die auf sie aufgetragene durchgehende Polymerschicht eine Stärke von 2+5 JM aufweist und^teilweise^die Poren bis zu einer Tiefej ausfüllt, die für die Gewährleistung einer zuverlässigen Adhäsion der durchgehenden Polymerschloht mit der Oberfläche der Unterlage ausreichend ist.

Zweckmäßiger weise wird die Armierungsunterlage aus Metallsinterpulver ausgeführt.

Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer solchem Membran, das im Auftragen einer Polymerschicht auf der Grundlage d»es Silikonkautschuks auf die Armierungs-

besteht

unterlage/, als Unterlage ein fester Stoff mit offener Porosität verwendet wird und das Auftragen der Polymerschicht auf dieselbe mittels Auflösung der letzteren mit einer Konzentration von 1+20% in einem Lösungsmittel er-

>O folgt, das gegenüber dem'Stoff der Unterlage inert und fähig ist, diese zu benetzen, sowie in Erwärmung der Unterlage auf eine Temperatur, die um 0,5+20⁰C höher als Siedepunkt des Lösungsmittels ist, und im Aufsprühen der Lösung eines Polymers auf der Grundlage des üilikonkautschuks auf die Oberfläche der Unterlage in einer Menge von 0,5+5 mg/cm besteht.

Die gestellte Aufgabe wird außerdem noch daduroh gelöst, daß im Blutoxygenator, der ein Gehäuse aufweist,

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daa durch die gasdurotilässige liüembran in eine Kammer für den Blutfluß und Kammer für den Gasfluß getrennt/, erfindungsgemäß, als gasdurchlässige Membran die vorgeschlagene gasdurchlässige Membran eingesetzt wird.

In diesem Pail ist es vorteilhaft, im Blutoxygenator, der eine Mehrzahl solcher Membranen enthält, die eine zentrale öffnung aufweisen und sich abwechselnde

Kammern für den ßlutfluß und für den Gasfluß voneinander trennen, sowie einen zentralen Eintritts- und

XO einen periphärischen Austrittssamiaelbehalter des Gasflusees hat, erfind ungsgemäß, die Membranen so anzuordnen, daß sie mit ihren gleichartigen Oberflächen einander zugekehrt sind, und sie paarweise am Umfang und an der Kreislinie der zentralen Bohrungen zu verbinden, so daß dadurch innerhalb der verbundenen Membranen Kammern für den Gasfluß mit einer Polymerschicht an den

der gebildeten Kaimiern oder Buckel

Außenoberfläohen/gebildet wurden, auf denen Vorsprünge/ ausgeführt sind, die^derartig angebracht werden, daß für jede einander zugekehrten Oberflächen die Vorsprünge einer von ihnen zwischen den Vorsprüngen der anderen unter Entstehung von Spalten zwisohen den Seitenoberflächen der Vorsprünge liegen, wobei in den Spalten zwischen den Vorsprüngen Kammern für den Blutfluß und innerhalb der zentralen Bohrungen der Membranen der zentrale Ji'intrittssammelbehälter für den Blutfluß gebildet werden.

Ea ist wünschenswert, im zentralen Sammelbehälter etwa im Bereich seiner halben Länge eine diohte Trennwand aufzustellen, und Teile des zentralen Sammelbehälters, die an verschiedenen Seiten der Trennwand 2Q angeordnet sind, mittels eines periphärischen üingsammelbehälters kommunizieren zu lassen.

Dabei ist es zweckmäßig, im zentralen Sammelbehälter an beiden Seiten der Trennwand Verdränger zur Verringerung dee Blutvolumens im Oxygenator und zur gleichmäßigen Verteilung des Blutes in den Kammern für den Blutfluß anzubringen.

Die erfindungsgemäße gasdurchlässige Membran besitzt eine höhere Gaspermeabilität gegenüber allen be-

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kannten ähnlichen Membranen infolge der Verringerung der Stärke der Polymerschicht, die einen der wichtigsten Diffusionswiderstandsfaktoren darstellt, die die Effektivität des Gasaustauschea der Membran solchen Typs bestimmen. Gleichzeitig verspürt diese dünnere durchgehende Polymerschicht praktisch keine mechanische Beanspruchungen, die .beim Betrieb entstehen, da sie mit einer steifen hochporösen Armierungsuriterläge fest verbunden ist, die die auftretenden Beanspruchungen aufnimmt. Dabei wird die geometrische Form der Unterlage und demzufolge auch der ganzen Membran beibehalten. Das erfindungsgemäüe Verfahren zur Herstellung einer gasdurchlässigen kembran zeichnet sich durch Einfachheit aus und bedarf keiner Entwicklung neuer

komplizierter technologischer Ausrüstungen. Pur seine Ausführung ist es ausreichend, eine Erwärmungseinrichtung mit vorgegebener konstanter Temperatur sowie einen Zersprüher für Polymerlösung zu haben. Derartige lürwarmungseinrichtungen und Zersprüher werden von der Industrie in allen entwickelten Ländern der (,Veit breit produziert.

Die entwickelten gasdurchlässigen Membranen können in verschiedenen Gasaustausohanlagen eingesetzt werden, besonders vorteilhaft ist aber ihre Anwendung in Blutoxygenatoren.

Auf der Grundlage der erfindungsgemäßen luembran ist eine Konstruktion des Blutoxygenator mit einer geringeren Große der Gesaust aus chf lache, die zum Oxygenieren des vorgegebenen Blutflosses erforderlich ist, und als Folge dessen mit geringerem Volumen der Spenderblutfüllung vorgeschlagen. Bine steife Armierungsunterlage ermöglicht außerdem, der Membran die erforderliche Form

es
zu verleihen, die/erlaubt, sioh miteinander ab-

weohselnde Blutfluß- und Gasfluß,'kammern zu bilden. Dabei ist die Polymerschicht an der Membran den Blut*- flußkammern zugekehrt. Hierdurch befindet sich das Blut in Berührung mit einem Polymer, das mit ihm die beste biologische Verträglichkeit aufweist. Das bedingt eine

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minimale Einwirkung des Oxygenators auf das Blut des Spenders, die dem Grad der Regenerierungsmöglichkeiten des lebenden Organismus entspricht, was den Verlauf der postoperativen Periode erleichtert und gestattet, den Einsatzbereich des Oxygenators nicht nur für die Durchführung der künstlichen Blut zirkulation, sondern auch für die Unterstützung der Atmung bei Lungeninsuffizienz zu erweitern.

Die erfindung3gemäße Membranen besitzen gute technologische Eigenschaften, die es ermöglichen, ihnen beliebige gewünschte steife Form zu verleihen, insbesondere sie paarweise zusammenzukoppeln und Vorsprünge an ihnen auszuführen. Die Vorsprung an den Membranen gewährleisten die Beständigkeit der Abmessungen der Blutflußkammern, eine gleichmäßige Verteilung des Blutflusses auf die einzelnen Kammern. Außerdem wird das Blut bei Fortbewegung zwischen den Vorsprungen beim laminaren Strömen kontinuierlich vermischt. Das erhöht seinerseits die Effektivität des Betriebes einer derartigen Gasaustauschanlage.

Die Vorsprünge an den Membranen gestatten es, auf Distanzelnriohtungen (Gitter) in den Blutflußkammern zu verzichten, was den hydraulischen Widerstand der Blutflußkammern herabsetzt. Das erlaubt, den Blut-

2i> oxygenator beispielsweise für die Unterstützung der Atmung ohne Pumpe zu verwenden. Hierdurch werden im Kreis der Blut zirkulation sich bewegende Einzelteile ausgeschlossen, was noch dazu die Verletzung von Formelementen des Blutes verringert»

3>O Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung ihrer konkreten Ausführungsbeispiele und durch die beigelegten Zeichnungen naher erläutert.

Es zeigen:

eine
j>ü> Fig. Ijgasdurchlässige Membran im Querschnitt, die

erfindungsgemäß hergestellt wird;

eine
Fig. 2/scheinet isohe Darstellung eines einfachsten

Blutoxygenators mit der in Fig. 1 abgebildeten gasdurch-

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lässigen Membran;

Fig. ^¹SfUtoxygenator, der eine !wehrzahl von Membranen aufweist, die in Flg. 1 abgebildet sind} einen

Fig. 4/Schnitt nach IV-IV in Fig. 3; Fig. 5/Seitenansicht des in Fig. 3 abgebildeten Blutoxygenators.

Beste AusführungsVariante der Erfindung Grundelement der erfindungsgemäiien gasdurchlässigen Membran, ist eine geschlossene Schicht 1 (Fig.l) eines Polymers auf der Grundlage des Silikonkautschuks. Diese Scnioht 1 mit einer Stärke von 2-5 /im ist auf eine Armierungsunterlage 2 aufgetragen, die offene Poren 2 aufweist, die seitens der geschlossenen Schicht 1 teilweise mit dem Polymer auf der Grundlage des Silikonkautschuks ausgefüllt sind. Die innere Oberfläche der Poren 3 hat eine rauhe Oberfläche komplizierter Form, wodurch bei einer teilweise"Füllung 4 der Poren 3 mit Polymer eine feste Verbindung der geschlossenen Schicht 1 des Polymers mit der porösen Unterlage 2 geschaffen wird. Das Polymer (Füllung 4), das sich in den Poren 2 der Unterlage 2 befindet, und das Polymer, das die durchgehende Schicht 1 bildet, weisen die gleiche Natur und eine große Berührungsfläche auf. Das gewährleistet eine zuverlässige Adhäsion der durchgehenden Schicht 1 des Polymers mit der Oberfläche der Unterlage 2.

Die Armierungsunterlage 2 kann aus beliebigem festem Stoff mit offener Porosität über 20% hergestellt werden, der eine ausreichende mechanische Festigkeit hat und eine ^aspermeabilltät besitzt, die um mehr als um das lOOfache die Gaspermeabilität der auf die Unterlage aufgetragenen Schicht 1 des Polymers übersteigt.

Die poröse Armierungsunterlage 2 kann, beispielsweise aus gesinterten Nickelpulver hergestellt werden und folgende Parameter aufweisen:

offene Porosität 60°/o

Stärke 150 um

maximale Porengröße 3<um

durchschnittliche Porengröße 1 /um

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Permeabilität gegenüber Sauerstoff (2,5+3>5)·

•ίο"⁵ ^cm

sek.mm WS cm^

Die poröse Armierungsunterlage 2 kann auch aus j Äthylzellulose hergestellt werden und folgende Parameter aufweisen:

offene Porosität 10%

Stärke 160 /M

maximale Porengröße 3»5 ywm

durchschnittliche Porengröße...1 Permeabilität gegenüber Sauerstoff

cnr
sek.mm WS cm£

Die erfindungsgemäße gasdurchlässige Membran wird mittels Auftragens einer Schioht 1 eines Polymers auf der Grundlage von Silikonkautschuk auf die Armierungsunterlage 2 hergestellt. Das Auftragen der Schioht 1 des Polymers erfolgt durch das Auflösen des letzteren mit einer Konzentration von 1-20% in einem Lösungsmittel, das gegenüber dem Material der Unterlage 2 inert und fähig ist, dieselbe zu benetzen. Dann wird die Unterlage 2 auf eine Temperatur erwärmt, die um 0,5-20⁰C höher als der Siedepunkt des Lösungsmittels liegt, und die Lösung des

wi. rot Polymers auf der Grundlage des Silikonkautschuks/auf die p Oberfläche der Unterlage 2 in einer Menge von 0,5*5 mg/cm aufgesprüht.

die Beim Auftreffen des Lösungsaerosols auf/hydrophile

Armierungsunterlage 2 erfolgt ein Einsaugen der Lösung durch Kapillarkräfte in die Poren 3 der erhitzten

Unterlage 2. Dabei siedet das Lösungsmittel und verdunstet vollständig, und das Polymer bleibt innerhalb der Poren *> der Armierungsunterlage 2 in einer Tiefe von 8<-12yt;in. Bei den nächsten Aufsprühungen der Lösung werden diese Poren 3 beginnend mit der genannten Tiefe bis zur Oberfläche der Unterlage 2 vollständig mit dem Polymer ausgefüllt, wonach das weitere Aufsprühen an der Oberfläche der Armierungsunterlage 2 eine durchgehende Schioht 1 des Polymers mit einer Stärke von 2*5 i/m bildet, die mit dem

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innerhalb der Poren 3 befindlichen Polymer verbunden ist.

Da der Querschnitt der Poren 3 veränderlich ist und ihre innere Oberfläche rauh ist, weist das eich innerhalb der Poren 3 befindliche Polymer (Füllung 4) eine feste mechanische Verbindung mit der Unterlage 2 auf und sichert eine zuverlässige Adhäsion der durchgehenden Sohicht 1 mit der Oberfläche der Unterlage 2.

Zur besseren Erläuterung des Hauptinhalts des vorliegenden Verfahrens zur Herstellung einer gasdurchlässigen Membran werden nachstehend konkrete Beispiele für seine Ausführung aufgeführt.
Beispiel 1

Man bereitet 20#ige Lösung des Dimethylsilikonkautschuks in Benzin. Benzin ist transparent, farblos, enthält kein Tetraäthylblei, keine Beimengungen und kein Wasser. Die zubereitete Lösung wird auf eine erhitzte Armierungsunterlage aus gesintertem Nickelpulver mit einer Stärke von 150 /Uw. aufgesprüht. Die Temperatur der Unterlage wird konstant gehalten und ist gleich 140⁰C. Beim Auftreffen des Aerosols der Lösung auf die hydrophile poröse Unterlage wird es von den Kapillarkräften

in die Poren der Unterlage eingesaugt, dabei siedet das Benzin und verdunstet vollständig, der Kautschuk aber bleibt in einer Tiefe von 8+10 yt-m. Bei den näohsten Aufsprühungen werden die Poren auf diese Tiefe vollständig mit Kautschuk ausgefüllt, wonach das weitere Aufsprühen der Lösung eine geschlossene Schicht des Kautschuks mit einer Stärke von 4-5 /^m auf der Arm ie rungs unterlage bildet. ^r

Beispiel 2

Man bereitet^Tlige Lösung des Dimethyl Silikonkautschuks in Benzin. Benzin ist transparent, farblos, enthält kein Tetraäthylblei, keine mechanische Beimeneungen und kein Wasser. Die zubereitete Lösung wird auf eine erhitzte Armierungsunterlage aus gesintertem Nickelpulver mit einer Stärke von 150 /um aufgesprüht. Die Temperatur der Unterlage wird konstant gehalten und ist

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gleioh 120,5°C. Beim Auftreffen des Aerosols der Lösung auf die erhitzte poröse Unterlage wird ea von den Kapillarkräften in die Poren der Unterlage eingesaugt, dabei siedet das Benzin und verdampft vollständig, der Kautschuk aber bleibt in der Tieffe von 10+12 Ma. Bei den nächsten Aufsprühungen werden die Poren bia auf diese Tiefe vollständig mit Kautschuk ausgefüllt, wonach das weitere Aufsprühen der Lösung eine geschlossene Kautschukschicht mit einer Stärke von 2t· 3 M®- auf der Armierungsunterlage bildet.

Beispiel 3 .
e <i eine

Man bereitet/5%ige Lösung des Dimethylsilikonrkautschuks in Benzin. Benzin iat transparent, farblos, enthält keine Tetraäthylblei, keine mechanische Beimengungen und kein Wasser, Die zubereitete Lösung wird auf die erhitzte Armierungaunterlage aus gesintertem Nickelpulver mit einer Stärke von 150 A/m aufgesprüht. Die Temperatur der Unterlage wird konstant gehalten und ist gleioh 125⁰C. Beim Auftreffen des Aerosols der Lösung auf die hydrophile poröse Unterlage wird ea von den Kapillarkräften in die Poren der Unterlage eingeaaugt,

verdampft
dabei siedet daa Benzin und volletändig, der Kautschuk aber bleibt in der Tiefe von 9+10 //m. Bei den nächsten Aufsprühungen werden die Poren bis auf diese Tiefe vollständig mit Kautschuk ausgefüllt, wonach daa weitere Aufsprühen der Lösung eine geschlossene Kautechukschicht mit einer Stärke von 3-4 λ'"ι auf der Armierungaunterlage bildet.

Beispiel 4

Man bereitet eine 10%ige Lösung des DimethylSilikonkautschuks in Diäthylester. Die zubereite Lösung wird auf eine erhitzte Armierungsunterlage aus gesintertem Nickelpulver mit einer Stärke von 150 x/m. aufgesprüht. Die Temperatur der Unterlage wird konstant gehalten und ist gleich 50⁰C. Beim Auftreffen dea Aerosols der Lösung auf die hydrophile poröse Unterlage wird es von den Kapillar kräf ten in die Poren der Unterlage eingeaaugt, dabei siedet das Ester und verdunstet vollständig, der

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Kautschuk abei?" bleibt* "in der Tieie von ä+OLOyi,m. Bei den nächsten Aufsprühunäen werden die Poren bis auf diese Tiefe vollständig mit Kautschuk ausgefüllt, wonach das weitere Aufsprühen eine durchgehende Kautschukschicht mit einer Stärke von 4-5 mvsl auf der Arinie rungs unterlage bildet.

5. '

Man bereitet eine ö%ige Lösung 4e-s- SilarsÄ in Chloroform. Die zubereitete Lösung wird auf eine erhitzte Ar- IQ mierungsunterlage aus Äthylzellulose mit einer Stärke von 160 yUm. aufgesprüht. Die Temperatur der Unterlage wird konstant gehalten und ist gleich öO°C. Beim Auftreffen des Aerosols der Lösung auf die hydrophile poröse Unterlage wird es von den Kapillarkräften inlierhaltr- der-Poren der Unterlage eingesaugt, dabei siedet das Chloroform und verdunstet vollständig, und SiIar bleibt in der Tiefe von 8-10 /o. Bei den nächsten Aufsprühungen werden die Poren bis auf diese Tiefe vollständig mit S11ar ausgefüllt, wonach das weitere Aufsprühen der Lösung eine durchgehende Silarschicht mit einer

Stärke von 4-5 /um auf der Armierungsunterlage bildet. In Fig. 2 ist der einfachste Blutoxygenator schematisch abgebildet, der ein Gehäuse 5 darstellt, das mit einer gasdurchlässigen Membran 6, erfindungsgemäß, in Fig. 1 in Kammer 7 für den Blutfluß und in Kammer 8 für den Gasfluß getrennt wird. Im Gehäuse 5 gibt es einen Rohrstutzen 9 für den Eintritt des venösen Blutes und einen Rohrstutzen 10 für den Austritt des arterialiaierten Blutes sowie Rohrstutzen 11 und 12 für den Ein- und Austritt von Gas. Die gasdurchlässige Membran 6 wird so angeordnet, daß die durchgehende üchioht 1 des Polymers auf der Armierungsunterlage 2 der Kammer 7 für den Blutfluß zugekehrt ist. ,

In Pig. 3 ist 4i-e Konstruktion des Blutoxygenator abgebildet, der eine Mehrzahl von gaedurchläseigen Membranen IJ aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind und jede, von denen die in Fig. 1 abgebildete Konstruktion hat.

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.Die Membranen 12 sind in .Form von Scheiben mit zentralen Bohrungen ausgeführt und sie trennen die aich miteinander abwechselnde Kammern 14 für den Blutfluß und die Kammern 15 für den Gasfluß voneinander.

Die Membranen 12 sind miteinander paarweise am Umfang und au der Kreislinie der zentralen Bohrungen verbunden, die einen zentralen Jäintrittssammler 16 für den BlutfluB bilden. Zwischen den Außenkanten der Membranen 12 und dem Gehäuse 17 des Sammlers gibt es einen

ringförmigen periphärischen Austrittssammler 18 für den Blutfluß. An den Außenseitenflächen der Membranen -. * ■ _Λ λτ (buckglartige Erhebungen,^'Beulen¹¹) ^₁₄''

12 sind Vorsprunge/19 ausgeführt, die so angebracht sind, daß für jede der einander zugekehrten Oberflächen die Vorsprünge 19 einer davon aich zwischen den Vorsprünge 19 der anderen Oberfläche unter Entstehung von Spalten zwischen den Seitenflächen der Vorsprünge 19 befinden, darbe i werden innerhalb der verbundenen Membranen 12 Kammern 15 für den Gasfluß und in den Spalten zwischen den Vacsprüngen 19 Kammern 14 für den Blutfluß gebildet.

Die Polymerschicht auf jeder Membran 13 ist stets den Kammern 14 für den Blutfluß zugekehrt. Das Hermetisieren der Kammern 14 und 15 erfolgt mittels eines Diohtungselementen 20. Der ISintrittsrohrstutzen 9 für venöses Blut sowie der Eintr it tarohr stutzen 11 für Gas und der Austritterohratutzen 12 für Gas sind am Fuß 21 des Blutoxygenators angeordnet.

In Fig. 4 ist Draufsioht des Blutoxygenator nach

zur Vereinfachunc} nur Schnitt IV-IV in Fig. 2 abgebildet. Dabei ist/der Schnittf eines Teils der Vorsprünge 19 der Membranen 12 gezeigt. Die Hichtung des Blutflusses ist mit ununterbrochenen Pfeilen 22 (nur für einen Teil der Membran) und die

Richtung des Gasflusses mit punktierten Linien 22 gezeigt (auch nur für die Hälfte der Kammer für den Gasfluß eingtzeichnet)·

die

j>^> In Fig. 5 ietjSeitenansicht des Blutoxygenator ge-'

ze 1[Jt₁ der in Flg. 2 abgebildet ist. Aus der Zeichnung ijeht hervor, daß im zentralen Sammelbehälter 16 etwa in der Mitte seiner Län^e eine heriaetisohe Trennwand 24

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aufgestellt wird, deren Außendurctunt;sser dem Außendurchmesser der Membranen I3 gleich ist (vereinfacht ohne Vorsprunge gezeigt). Die Teile des zentralen Sammelbehälters, die an verschiedenen leiten der Trennwand liegen, kommunizieren mittels eines periphärischen ringförmigen Sammelbehälters 18, und die Funktion eines Austrittssaramelbehälter für den Blutfluß erfüllt der

Teil 25 des zentralen Sammelbehälters, der hinter der Trennwand 24 in der Bewegungsrichtung des Blutflusses

*·® angeordnet ist. An beiden Seiten von der Trennwand 24 liegen Verdränger 26 für die Verringerung des Blutvolumens im Oxygenator und für die gleichmäßige Verteilung von Blut in den Kammern für den Blutfluß. Der in Fig. 2 abgebildete Oxygenator hat folgende

¹^ Funktionsweise.

Bei der Betätigung des Oxygenators strömt an einer Seite der Membran 6 (seitens der durchgehenden Schicht 1 des Polymers) das Blut und an der anderen Seite strömt das Gas. Das venöse Blut "V", das in die Kammer 7 dea Oxygenators durch den Bohrstutzen 9 eintritt, weist einen Partialdruck des Kolendioxids gleich 50+65 mm Hg und eine Sättigung mit Sauerstoff von 65 ♦ 70% auf. In die Kammer 8 wird durch den liohrstutzen 11 reiner Sauerstoff zugeführt. Hierdurch entsteht an der gasdurchläs-

²^ sigen Membran 6 ein Partialdruckgefälle des Kohlendioxids, der gleich 50+65 nun Hg gleich ist und aus der Kammer 7 für den Blutfluß in die Ka.mner 8 für den Gasfluß gerichtet ist. Entgegengesetzt ist das Partialdruckgefälle des Sauerstoffs von etwa 700 mm Hg gerichtet. Infolge des

-* Vorhandenseins der Partialdruckgefälle an der Membrane 6 entstehen die entgegengesetzt gerichteten Ströme des Kohlendioxide (aus dem Blut ins Gas) und des Sauerstoffs (aus Gas ins Blut). In Fig. 1 und Fig. 2 sind diese Ströme mit schraffiertpunktierten Linien angegeben. Das venöse Blut "V", das in den Oxygenator eintritt, kommt mit der durchgehenden Polymerschicht 1 der Membrane 6 in Berührung. Durch das Vorhandensein des Partialdurchgefalles des Kohlendioxids zwischen dem venösen Blut in der Kammer 7 für den Blutfluß und dem reinen

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Sauerstoff in der Kammer d für den Gasfluß dringt das Kohlendioxid durch die dünne durchsehende Polymerschicht 1 (Fig. 1 und Fig. 2) und dann durch das Polymer (Füllung 4), das teilweise die Poren 2 der Unterlage 2 ausriß füllt, in die offenen Poren 3> der unterlage 2 ein. Aus den offenen Poren 3 tritt das Kohlendioxid in die Kammer ö für den Gasfluß ein und wird mit dem Sauerstoff strom durch den Rohrstutzen 12 an die Umgebung abgeführt.

Das Partialdruckgefalle des Sauerstoffs, das entgegengesetzt gerichtet ist, sichert in der umgekehrten Richtung auf dem gleichen Wege die Bewegung des Säuerst off ströme s ,cter denbünn en Film des Blutes arter ialisiert der mit der geschlossenen Polymerschicht 1 unmittelbar in Berührung kommt.

Die dünne Polymerschicht 1 der Membrane 6 erlaubt, einen großen Gasfluß je Einheit der Gas-aus>tausohf1äohe durchzulassen und dadurch die Gasaustauschfläche und das Füllungsvolumen zu verringern. Bei der Bewegung des Blutes längs der gasdurchlässigen Membran wird aus ihm ein Teil des Kohlendloxids bis auf einen Partlaldruck von 35+40 mm Hg entfernt, wodurch die Vergrößerung der Sättigung des Blutes mit Sauerstoff bis auf 924-98% erfolgt. Dieses arterialisierte Blut "A" tritt aus dem Blutoxygenator durch den Rohrstutzen lü aus und kann dem jeweiligen Patienten zugeführt werden.

Bei einer laminaren Strömung des Blutes in geradelinigen Strömungsblut fad en wird der weitere Prozeß des Gasaustausches verlangsamt. Das ist darauf zurückzuführen, daß Erythrozyten, die die Gastransportfunktion des Blutes ausführen, sich in suspendiertem Zustand im Blutplasma befinden, das einen großen Diffusionswiderstand besitzt, der den Gasaustausch verhindert. Hierdurch müssen die Kohlendioxid- und Sauerstoff ströme im iuaße der Arter ialisierung des Blutes nicht nur durch die gasdurchlässige Membran 6, sondern auch durch die sich immer vergrößernde Dicke des arterialislerten Blutes durchdringen.

Zu bemerken ist, daß das Blut bei seiner Fortbewegung in der Kammer ^r/ für den Blutfluß nur mit der durch-

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gehenden Polymerschicht auf der Grundlage des Silikonkautschuks in .Berührung kommt, der eine gute biologische Verträglichkeit mit Blut aufweiat. Das verursacht eine minimale Einwirkung eines derartigen Oxygenators auf u,iweiß des Blutes und auf seine Foruieleiaente.

Insofern die Arinierungsunterlage 2 der Membrane 6 aus einem festen Material ausgeführt ist, weist die gasdurchlässige Membran eine ausreichend hohe Steifigkeit auf, was die Beständigkeit der Abmessungen der Kammer 7 für den Blutfluß bei den Druckwerten bis 700 mm Hg gewährleistet.

Obenstehend betrachteten wir die Funktionsweise des einfachsten Blutoxygenator, um besonders vollständig die Betriebsweise der in Fig. 1 abgebildeten ftiieuibran zu veranschaulichen. Die Fig. 3, 4 und 5 enthält die Konstruktion eines erfindungsgemäßen Blutoxygenator, der handlicher i.n Betrieb ist und auf der Grundlage einer gasdurchlässigen Membran ausgeführt wird.

Der in Fig. 3 und Fig. 4 und Fig. 5 abgebildete Blutoxygenator hat folgende Funktionsweise. Das venöse Blut ¹¹V" wird dem Blutoxygenator durch den Rohrstutzen 9 zugeführt und tritt in den zentralen üintrittssammelbehälter 16 für den ßlutfluß ein, in dem ein Verdränger 2.¹O/ ist. Aus dem Mntrittssamuielbehälter 26 wird das Blut gleichmäßig auf die Kammern 14 für den Blutfluii aufgeteilt. Dabei kommt aas venöse Blut mit der Polymerschicht der gasdurchlässigen Membranen 13 in Berührung. Aus der Blutschicht, die unmittelbar mit den Membranen 13 in Berührung kommen, dringt das Kohlendioxid in die Kammer 15 für den Gasfluß ein, und in der entgegengesetzten Richtung bewegt sich der Sauerstoff und arterialisiert aabei den Film des Blutes. Bei der v/eiteren Bewegung des Blutes in den Kammern 14 für den Blutfluß uniströmt das Blut die Vorsprünge 19, wodurch der arterialisierte Blutfilm in das Innere des ßlutflusses übergeht und an seine Stelle tritt anderes venöses Blut,das ebenfalls arterialisiert wird. Dadurch erfolgt bei der laminaren Strömung des Blutes sein kontinuierliches Vermischen, was mit

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Pfeilen 22 angegeben ist, wodurch der Prozeß des G_as~ austausches intensiviert wird. Die Gleichmäßigkeit der Aufteilung des Blutes auf die Kammern 14 für den Blutfluß wird durch die gleiche Höhe der Vorsprünge 19 und demzufolge durch die gleichen Abmessungen der Kammer 14 für den BlutfIuJi gesichert.

Nach dem Passieren eines Teils der Kammern 14 für den Blutfluß bis zur Trennwand 24 tritt das Blut in den periphärisohen Sammelbehälter 18 ein, woher es gleichmäßig auf die übrigen Kammern 14 für den Blutfluß aufgeteilt wird, in denen die weitere Arterialisierung des Blutes erfolgt, und dann tritt es aus dem Austrittssammelbehälter 25 für den Blutfluß aus, dessen Funktion ein Teil des zentralen Sammelbehälters ausführt, der hinter der Trennwand 24 in der Bewegungsrichtung des Blutflusses liegt. Aus dem Oxygenator tritt das arterialisierte Blut durch den Rohrstutzen 10 aus.

Der Sauerstoff wird in den Blutoxygenator durch den Rohrstutzen 11 zugeführt und gleichmäßig auf alle Kammern 15 für den Gasfluß aufgeteilt. Bei der Portbewegung durch diese Kammern tritt Kohlendioxid aus dem venösen Blut durch die gasdurchläosigen Membranen in den Sauerstoffluß ein, und ein Teil des Sauerstoffes verläßt in der entgegengesetzten Richtung das Blut. Die Sauerstoffreste zusammen mit dem Kohlendioxid werden durch den Rohrstutzen 12 an die Umgebung abgeführt.

Der in Übereinstimmung mit Fiü¹. 3, 4 und 5 erfindungsgemäß ausgeführte Blutoxygenator auf der Grundlage einer gasdurchlässigen Membran hat _ei_ne Oxygenierung

XQ von 6 1 Blutes pro Minute bei einer Gasaustausohfläohe

von etwa 4 m und bei einem Füllungsvolumen des Spenderblutes von etwa 0,5 1 gewährleistet. Dabei kann der Druck in den Kammern für den Blutfluß bis auf 700 mm Hg gefahrlos erhöht werden, da die gasdurchlässige Membran eine Armier ungs unterlage aus einem festen Material aufweist, was die Steifigkeit der Membrane sichert.

Währenddessen weisen die besten modernen Blutoxygenatoren eine Gasaustauschfläche über 6 m² bei einem

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Füllungsvolumen von 1,2 1 auf und lassen eine Erhöhung des Druckes lediglich bis auf 300 mm Hg zu.

Industrielle Anwendbarkeit
Die erfindungsgemäßen gasdurchlässigen Membranen können in verschiedenen Gasaustauschanlagen eingesetzt

auch

werden, beispielsweise/in Atmungsvorriohtungen für Meeresforscher. Besonders vorteilhaft kann aber die erfindungsgemäße Membran in Blutoxygenatoren eingesetzt werden, die die Hauptfunktionseleaiente des Apparates für künstliche

lü Blut zirkulation darstellen.

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Claims

PATENTANWÄLTE 14· APril 1981 ZELLENTI N : : -' Jf, ~ .:■ aS/Os 7953804 ZWEIBRÜCKENSTR. IQ "Z' 'I „*'"'- " ~ 8OOO MÜNCHEN 2 "" ' -'3^ - P 79 740 PATENTANSPRÜCHE:

1. Gasdurohlässige Membran, die eine Armierungsunterlage und ein Polymerschicht auf der Grundlage eines Silikonkautschuks enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Armi er ungs unter lage (2) aus einem festen Material mit offener Porosität ausgeführt wird, die auf sie aufgetragene geschlossene Polymerschicht (1) eine Stärke von 2*·5/<ϊα aufweist und teilweise die Poren (3) bis auf eine Tiefe ausfüllt, die für die Absicherung einer zuverlässigen Adhäsion der geschlossenen Polymerschicht (1) mit der Oberfläche der Unterlage (2 ) ausreichend ist.

2. Gasdurchlässige Membran naoh Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Armie- rungsunterlage (2) aus gesintertem Metallpulver ausgeführt wird.

3. Verfahren für die Herstellung einer gasdurchlässigen Membran, bestehend im Auftragen einer Polymerschicht auf der Grundlage eines Silikonkautschuks auf eine Arinierungsunterlage, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage ein fester Stoff mit offener Porosität verwendet wird, das Auftragen der ^ohicht des Polymers durch das Auflösen des letzteren mit einer Konzentration von 1*20?ö in einem Lösungsmittel erfolgt, das gegenüber dem Stoff der Unterlage inert und fähig ist, sie zu benetzen, in/Erwärmung der Unterlage bis auf eine Temperatur, die um O,5*2O°C höher als der Siedepunkt des Lösungsmittels ist, und im Aufsprühen der Lösung des Polymers auf der Grundlage von Kautschuk auf die Oberfläche der Unterlage in einer Menge von 0,5+5 mg/cm².

4. Blutoxygenator, bestehend aus einem Gehäuse, das mit einer gasdurchlässigen Membran in eine Kammer für den Blutfluü und eine Kammer für den Gasfluß eingeteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdurchlässige Membran (6) sich aus einer Armierungsunterlage (2), die aus einem festen Stoff mit offener Porosität ausgeführt ist, und aus einer auf sie aufgetragenen Schicht (1) eines Polymers auf der Grundlage des

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Silikonkautschuks zusammensetzt, die eine Stärke von 2*5 juva. aufweist und teilweise die Poren (J) auf eine Tiefe ausfüllt, die für die Gewährleistung einer zuverlässigen Adhäsion der geschlossenen Schicht (1) des Polymers mit der Oberfläche der Unterlage (2) ausreichend ist.

¹ 5· Blutoxygenator nach Anspruch 4, der eine Mehrzahl

von gasdurchlässigen Membranen, die eine zentrale Bohrung aufweisen, und die sich miteinander abwechselnde

Kammern für den Blutfluß und Kammern für den Gasfluß

trennen, einen zentralen Eintritts- und einen periphärisehen Austrittesatnmelbehälter für den Blutfluß sowie einen .Eintritts- und Auetrlttasamraelbehälter für den Gasfluß beinhaltet, dadurch gekennzeioh-

If? α e t, daß die (jasdurchlässigen Membranen mit gleichartigen Oberflächen einander zugekehrt sind und paarweise am Umfang und an der Kreislinie der zentralen Bohrungen

verbunden sind und dadurch Kammern (15) für den Gasfluß mit einer Schicht (1) des Polymers an den Außenoberflächen bilden, an denen Vorsprünge (19) ausgeführt sind, die so angeordnet sind, , daß für Jede einander zugekehrte Oberfläche die Vorsprünge (19) einer von ihnen zwischen den Vorsprüngen (19) der anderen / Entstehung von Spalten zwischen den Seitenoberfläohen der Vorsprünge (19) liegen, wobei in den Spalten zwischen den Vorsprüngen (19) Kammern für den Blutfluß und innerhalb der zentralen Bohrungen der iwembranen (13) ein zentraler •Eintrittssaaimelbehälter (16) für den Blutfluß gebildet werden.

j>Q 6. Blutoxygenator nach Anspruch 5, dadurch

gekennze lehnet, daß im zentralen Sammelbehälter (16) etwa in der Mitte seiner Länge eine her-

(Ü6S

met iß ehe Trennwand (24) angeordnet ist und die Teile/zentralen Sammelbehälters (16)/ die an versohie-

denen Seiten der Trennwand (24) angeordnet sind, mittels eines ringförmigen periphärischeh Sammelbehälters (18) kommunizieren.

7· Blutoxygenator nach Anspruch 6,dadurch

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g e k e η η ζ e i ο haet, daß im zentralen Saramelbe-• halter (16) an beiden Seiten der Trennwand (24) Verdränger (26) zur Verringerung des Blutvolumens im Oxygenator und zur gleichmäßigen Verteilung des Blutes auf die Kammern des Blutflusses angeordnet sind.

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