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Dialysemembran aus Cellulose mit verbesserter Biokompatibilität
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Die Erfindung betrifft eine Dialysemembran für die Hämodialyse in
Form von Flachfolien, Schlauchfolien oder Hohlfäden aus regenerierter Cellulose.
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Dialysemembranen aus regenerierter Cellulose für die Hämodialyse in
Form von Flachfolien, Schlauchfolien oder Hohlfäden sind bereits seit längerem bekannt
und werden nach wie vor bevorzugt in künstlichen Nieren eingesetzt, obwohl sich
manche Beschwerden verursachende Eigenschaften noch nicht beseitigen ließen.
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So ist aus der DE-PS 27 05 735 eine Dialysemembran für die Hämodialyse,
mit verminderter thrombogener Wirkung aus Cellulose, mit daran chemisch gebundenen
antithrombogenen Verbindungen bekannt, wobei die Dialysemembran aus zwei oder mehreren
Schichten einer aus Cuoxamcelluloselösungen regenerierten Cellulose
besteht,
die jeweils aus getrennt gespeisten Schlitzen einer Spinndüse erhalten worden sind,
wobei die auf der Blutseite angeordnete Celluloseschicht ganz oder teilweise eine
modifizierte Cellulose ist, die antithrombogene Wirkstoffe chemisch gebunden enthält.
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Es ist aber auch bereits schon in der DE-OS 17 20 087 vorgeschlagen
worden, dadurch, daß das Polymermaterial der Membran mit einem Alkylhalogenid umgesetzt
und danach das erhaltene Material mit einem Alkalisalz einer antithrombogenen Verbindung
mit kationischen Rest (z. B. Heparin oder eine Heparinoidverbindung) umgesetzt wird,
die Gefahr der Gerinnung des Blutes zu verringern. Zu den möglichen Alkylhalogeniden
werden dabei auch Halogenalkyldialkylamine gerechnet. Auch Cellulose, jedoch im
wesentlichen Celluloseacetat, zählt zu den möglichen Polymeren.
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Neben dem Umstand, daß Dialysemembranen aus synthetischen bzw. natürlichen
Polymeren bei ihrem Einsatz in künstlichen Nieren sehr leicht eine Gerinnung des
Blutes hervorrufen können, die durch entsprechende medikamentöse Behandlung oder
durch die vorgenannten besonderen Dialysemembranen weitgehend verhindert wird, tritt
bei Dialysemembranen aus regenerierter Cellulose häufig ein weiteres Problem auf,
das bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst werden konnte, und zwar war festgestellt
worden, daß bei der Behandlung eines Nierenkranken mit Dialysatoren mit Cellulose-Meebranen
in der ersten Zeit der Dialysebehandlung ein vorübergehender Leukozytenabfall stattfinden
kann. Dieser Effekt wird als Leukopenie bezeichnet.
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Leukopenie ist eine Erniedrigung der Leukozytenzahl (weiße Blutkörper
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im Blutkreislauf. Die Zahl der weißen Blutkörper beim Menschen beträgt ca. 4000
bis 12000 Zellen/mm3.
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Die Leukopenie bei Dialyse ist am stärksten ausgeprägt 15 bis 20 Min.
nach Beginn, wobei die Neutrophilen (das sind die mit neutralen oder gleichzeitig
mit sauren und basischen Farbstoffen anfärbbaren Leukozyten) fast vollständig verschwinden
können. Danach erholt sich die Zahl der Leukozyten innerhalb etwa einer Stunde wieder
auf fast den Ausgangswert oder übersteigt diesen.
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Wird nach Erholung der Leukozyten ein neuer Dialysator angeschlossen,
tritt wieder Leukopenie im gleichen Ausmaß ein.
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Cellulose-Membranen verursachen eine ausgeprägte Leukopenie.
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Auch wenn die klinische Bedeutung der Leukopenie wissenschaftlich
nicht geklärt ist, besteht doch der Wunsch nach einer Dialysemembran für die Hämodialyse,
die den Effekt der Leukopenie nicht zeigt, ohne daß dadurch die anderen sehr erwünschten
Eigenschaften von Dialysemembranen aus regenerierter Cellulose beeinträchtigt werden.
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Bei der Hämodialyse mittels Membranen aus regenerierter Cellulose
hat man neben der Leukopenie auch eine deutlich Komplement-Aktivierung festgestellt.
Das Komplement-System innerhalb des Blutserums ist ein komplexes, aus vielen Komponenten
bestehendes Plasmaenzym-System, das auf verschiedene Weise der Abwehr
von
eindringenden fremden Zellen (Bakterien u.a.) dient. Wenn Antikörper gegen den eindringenden
Organismus vorhanden sind, kann Komplement durch den Komplex der Antikörper mit
antigenen Strukturen der Fremdzellen aktiviert werden; es ist aber auch möglich,
auf einem Alternativ-Weg durch besondere Oberflächenmerkmale der Fremdzelle das
Komplement-System zu aktivieren.
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Das Komplement-System beruht auf einer Vielzahl von Plasma-Proteinen.
Nach Aktivierung reagieren diese Proteine spezifisch in einer bestimmten Reihenfolge
miteinander und am Ende wird ein zellschädigender Komplex gebildet, der die Fremdzelle
zerstört.
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Aus einzelnen Komponenten des Komplement Systems werden Peptide freigesetzt,
die Entzündungserscheinungen auslösen und gelegentlich auch unerwünschte pathologische
Folgen für den Organismus haben können.
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Es wird angenommen, daß die Aktivierung bei Hämodialysemembranen aus
regenerierter Cellulose über den alternativen Weg erfolgt. Objektiv können diese
Komplement-Aktivierungen unter anderem durch eine Bestimmung der Fragmente C3a und
C5a festgestellt werden.
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In diesem Zusammenhang wird auf folgende Arbeiten hingewiesen: D.E.
Chenoweth et al, Kidney International Vol.24, Seiten 764 ff, 1983, und D.E. Chenoweth,
Asaio,Journal Vol. 7, Seiten 44 ff,1984.
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Obwohl die klinische Bedeutung der Komplement-Aktivierung noch nicht
geklärt ist, ist man bestrebt, diese bei der Hämodialyse möglichst auszuschließen.
Es war deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Hämodialysemembranen aus regenerierter
Cellulose
so weit zu modifizieren, daß die genannten Erscheinungen
der Leukopenie und der Komplement-Aktivierung nicht mehr auftreten.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch Dialysemembranen entsprechend den
Patentansprüchen der vorliegenden Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Dialysemembran in Form von Flachfolien, Schlauchfolien
oder Hohlfäden aus regenerierter Cellulose zeichnet sich dadurch aus, daß mindestens
an einer Membranoberfläche in organischen Lösungsmitteln lösliche, ausgenommen mit
Isocyanat-Gruppen reagierende und Cellulose lösende Lösungsmittel, Isocyanatpräpolymere
mit einem mittleren Molekulargewicht von 300 bis 50.000 chemisch gebunden sind.
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Beispiele für Lösungsmittel, die mit Isocyanat-Gruppen nicht reagieren
und Cellulose auch nicht lösen, sind Methylenchlorid, Chloroform, Tetrahydrofuran,
Dioxan, Dimethylformamid, Dimethylacetamid und Aceton. Die Lösungsmittel können
als solche bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Membranen oder im Gemisch untereinander
Verwendung finden, sofern auch das Gemisch die Forderung erfüllt, daß es Cellulose
nicht löst. Es ist vorteilhaft, wenn das Lösungsmittel ein gutes Lösungsvermögen
für die Isocyanatpräpolymeren bei Temperaturen unterhalb von 600C aufweist, insbesondere
bei Raumtemperatur.
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Isocyanatpräpolymere werden durch Umsetzung von H-aciden Verbindungen
mit Isocyanat-Verbindungen erhalten, die mehrere Isocyanat-Gruppen enthalten, wobei
das molare Verhältnis der H-aciden Verbindung zum Isocyanat geringer gewählt wird,
als zum Umsatz aller Isocyanat-Gruppen erforderlich wäre, so daß freie N=C=O-Reste
für die Addition des Präpolymeren an Cellulose zur Verfügung stehen.
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Das Molekulargewicht ist eine Verhältnis zahl der Masse eines Moleküls
zur Atommasse des Kohlenstoffisotops 12. Es wird in manchen Fällen mit der Dimension
Dalon angegeben.
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Vorzugsweise ist das Isocyanatpräpolymere ein Reaktionsprodukt aus
einer Hydroxy- und/oder Polyhydroxy-Verbindung und einer polyfunktionellen Isocyanat-Verbindung.
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Als Polyhydroxyverbindungen kommen dabei in Frage hydroxylgruppenhaltige
Polyäther, wie Polyäthylenglykol, Polypropylenglykol und Polytetramethylenglykol;
hydroxylgruppenhaltige Polyester, wie Polyäthylenadipat, Polypropylenadipat, Polybutylenadipat;
hydroxylgruppenhaltige Polycarbonate, wie beispielsweise Polyhexandiolcarbonat.
Es können aber auch natürlich vorkommende Polyhydroxyverbindungen wie beispielsweise
Rizinusöl oder Derivate des Rizinusölsoder Monoglyceride der natürlich vorkommenden
Fettsäuren und/oder deren Gemische für die Reaktion mit Di-, Tri- und/oder polyfunktionellen
Isocyanatverbindungen herangezogen werden.
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Beispiele für geeignete isocyanatverbindungen sind: Diphenylmethandiisocyanate,
Toluylendiisocyanate, Hexamethylendiisocyanate, Dicyclohexylmethandiisocyanate,
Isophorondiisocyanate, Cyclohexyldiisocyanate, Triphenylmethantriisocyanate.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Isocyanatpräpolymer
ein Reaktionsprodukt eines Diisocyanates mit einem Fettalkohol mit 6 bis 30 C-Atomen.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Isocyanatpräpolymer
ein Reaktionsprodukt eines Diisocyanates mit einem äthoxilierten Fettalkohol mit
6 bis 30 C-Atomen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Isocyanatpräpolymer
ein Reaktionsprodukt eines Diisocyanates mit einer äthoxylierten Fettsäure mit 6
bis 30 C-Atomen.
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Vorzugsweise beträgt dabei der Äthoxylierungsgrad 5 bis 400.
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Besonders bevorzugt werden Isocyanatpräpolymere, die Reaktionsprodukte
eines Diisocyanates mit Polyhydroxy-Verbindungen sind.
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Zu deren Herstellung werden vorzugsweise als Polyhydroxy-Verbindungen
Dioxy- und/oder Trioxy-Verbindungen eingesetzt.
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Eine weitere Ausführungsform der#lembranen ist dadurch gekennzeichnet,
daß das Isocyanatpräpolymere ein Reaktionsprodukt ist aus einer zunächst durchgeführten
Reaktion einer Hydroxy-und/oder Polyhydroxy-Verbindung mit einer polyfunktionellen
Isocyanat-Verbindung und einer anschließend durchgeführten Reaktion dieses Zwischenproduktes
mit Hydrazin und/oder einem aliphatischen Diamin einer Kettenlänge von 2 bis 30
C-Atomen.
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Die vorliegende Erfindung gestattet es, bei Dialysemembranen aus Cellulose,
unabhängig von der jeweiligen Herstellung, die Leucopenie und die Komplementaktivierung
in erheblichem Maße zu reduzieren. Wegen der günstigen Dialyseeigenschaften von
Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert ist, ist jedoch eine solche bevorzugt.
Dabei soll das mittlere Molekulargewicht vorzugsweise 80.000 bis 150.000 betragen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der beanspruchten
Dialysemembran. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß man eine Dialysemembran in Form
von Hohlfäden, Schlauchfolien oder Flachfolien aus regenerierter Cellulose mit einer
Lösung eines Isocyanatpräpolymeren bei Temperaturen oberhalb 100C in einem organischen
Lösungsmittel, welches mit dem gewählten Präpolymeren nicht reagiert und Cellulose
nicht löst, und unterhalb der Siedetemperatur des Lösungsmittels zwischen 3 Minuten
und 24 Stunden behandelt, den Überschuß an Präpolymer mit reinem Lösungsmittel auswäscht
und das Lösungsmittel entfernt.
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Die Behandlungszeit richtet sich nach dem Isocyanatpräpolymeren, der
Konzentration in der Reaktionslösung und der Temperatur.
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Von aromatischen Isocyanaten abgeleitete Isocyanatpräpolymere reagieren
nonalerweise dabei scYeller alsans alipbatiscben sbaeleitete, so daß man insbesondere
bei letzteren zur Abkürzung der Behandlungszeit Katalysatoren verwendet. Als hervorragend
geeignet für die vorliegende Erfindung hat sich als Katalysator Eisen-III-acetylacetonat
bewährt. Mit Hilfe des Katalysators gelingt es auch bei langsam reagierenden Isocyanaten
die Behandlungszeit der Membran auf eine Zeit von 5 Minuten bis 3 Stunden zu begrenzen.
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Die Konzentration des Isocyanatpräpolymeren im Lösungsmittel beträgt
vorzugsweise von 0,1 bis 20 Volumen-%.
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Vorzugsweise werden Lösungen eingesetzt, bei denen die Konzentration
des Isocyanatpräpolymeren im Lösungsmittel von 1,0 bis 10,0 Volumen-% beträgt.
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Da die Dialysemembranen für die Hämodialyse eingesetzt werden sollen,
ist es besonders wichtig, nach beendeter Behandlung das bzw. die Lösungsmittel zu
entfernen. In bevorzugter Weise geschieht dieses dadurch, daß das Lösungsmittel
dadurch entfernt wird, daß man mit einem leichter flüchtigen, Cellulose nicht lösendem,
organischen Lösungsmittel das Lösungsmittel auswäscht und den verbleibenden Lösungsmittelrest
verdampfen läßt.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die nachfolgenden Beispiele.
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Vergleichsbeispiel A: Mit Hilfe eines Hämodialysators, der Hohlfäden
aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert worden war, enthielt und
dessen
Membranoberfläche 500 cm2 betrug, wurde an Kaninchen eine Hämodialyse durchgeführt.
Nach bestimmten Zeitabschnitten wurde von dem den Dialysator verlassenden Blut eine
Probe entnommen und in dieser die Zahl der Leukozyten gezählt. Die dabei erhaltenen
Werte wurden auf die ursprüngliche Zahl der Leukozyten des Kaninchens bezogen und
sind in der Figur 1 im Vergleich zu den Beispielen 1, 2, 3 und 5 dargestellt.
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Vergleichsbeispiel B: Mit Dialysatorzellen, die Hohlfäden entsprechend
Vergleichsbeispiel A, jedoch mit einer Membranoberfläche von 50 cm2 enthielten,
wurde die Komplementaktivierung direkt am Menschen im ex-vivo-System untersucht.
Dazu wurde die Bestimmung der Fragmente C3a und C5a mit Hilfe der RIA(Radioimmunoassay)methode
(Upjohn Test) herangezogen.
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Ermittelt wurden: C3a = 15300 ng/ml C5a = 124 ng/ml Vergleichsbeispiel
C: Es wurde in gleicher Weise, wie beim Vergleichsbeispiel A beschrieben ist, eine
Hämodialyse an Kaninchen mit einem Hämodialysator mit 500 cm2 Membranoberfläche
durchgeführt, der jedoch Hohlfäden aus Cellulose, die durch Verseifung von Celluloseacetat
regeneriert worden war, Type SCE enthielt.
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Die erhaltenen Werte sind in Figur 1 graphisch dargestellt.
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Beispiel 1: Mit einer 10-vol.-%igen Lösung eines Isocyanatpräpolymeren,
das aus 100 g Rizinusöl und 71,4 g 4,4'-Dipheny#methan-diisocyanat gebildet worden
war, in Methylenchlorid wurden Hohlfäden aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert
worden war, 10 min behandelt.
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Anschließend wurden die Fäden mit reinem Methylenchlorid nachgewaschen
und das restliche Lösungsmittel ausgeblasen. Die danach getrockneten Hohlfäden wurden
zur Bestimmung der UFR und der Dialysierleistung für Kreatinin herangezogen. Die
erhaltenen Werte sind nachfolgend für die erhaltene Membran und eine unbehandelte
Membran gegenübergestellt.
| gemäß Beispiel 1 unbehandelte |
| behandelt Hohlfäden |
| UFR[ml/h.m2.mm Hg] 3,4 4,9 |
| DLKreatinin[cm/min] 33-10 45 10~3 |
Die Untersuchung der Leukopenie an Kaninchen ergab das in Figur 1 dargestellte Ergebnis,
d.h. der Abfall der Leukozytenzahl ist im Vergleich zu unbehandelten Hohlfäden viel
geringer. Die Versuche wurden mit Dialysatoren einer Membranoberfläche von 500 cm2
durchgeführt.
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Beispiel 2: Analog zu Beispiel 1 wurden Dialysehohlfäden aus Cellulose,
die aus Cuoxamlösungen regeneriert worden war, mit einer 5-vol.-%igen Lösung eines
Isocyanatpräpolymeren, das aus 383 g Polyäthylenglykol mit einem mittleren Molekulargewicht
von 2000 und 100 g 4,4'-Dicyclohexyl-methan-diisocyanat gebildet worden war, im
Dimethylformamid unter Zusatz von 0,1 Gew.-%, bezogen auf das Präpolymer, Eisen-III-acetylacetonat
15 min bei Raumtemperatur behandelt. Die Lösungsreste wurden zunächst mit Dimethylformamid
und anschließend mit Methylenchlorid ausgewaschen. Nach dem Ausblasen des Methylenchlorids
wurden die Fäden getrocknet.
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Sowohl die UFR als auch die dialytische Permeabilität ergaben die
gleichen Werte, wie sie mit unbehandelten Hohlfäden erhalten
wurden,
nämlich: UFR = 4,9 ml/m2.h.rnm2 Hg Kreat. = 45 10 cm/min Das Ergebnis der Zählung
der Leucozyten in Abhängigkeit von der Dialysezeit bei Kaninchen, mit einem Dialysator
mit 500 cm2 Membranoberfläche, ist in Figur 1 dargestellt.
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Beispiel 3: Analog zu den vorhergehenden Beispielen wurden wiederum
die gleichartigen Dialysehohlfäden mit einer 1-vol.-%igen Lösung des in Beispiel
1 beschriebenen Isocyanatpräpolymer in Aceton 3 Stunden behandelt. Nach dem Auswaschen
der Hohlfäden mit Aceton wurden die Hohlfäden getrocknet.
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Auch hier wurden wiederum gegenüber unbehandelten Hohlfäden unveränderte
Werte der UFR und der dialytischen Permeabilität von Kreatinin festgestellt. Das
Ergebnis der Zählung der Leucozyten, bei der Dialyse von Kaninchen mit einem Dialysator
mit 500 cm2 Membranoberfläche, ist ebenfalls in Figur 1 dargestellt.
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Beispiel 4: Es wurde eine 10-vol.-%ige Lösung in Methylenchlorid eines
aus 100 g Rizinusöl und 74,6 g 4,d'-DicycloheqZl-methan-diisocyanat gebildeten Isocyanatpräpolymeren
mit 0,1 Gew.-% Eisen-III-acetylacetonat, bezogen auf das Isocyanatpräpolymer, zur
Behandlung von Cellulosehohlfäden, die aus Cuoxamlösungen regeneriert waren, eingesetzt.
Die Behandlungszeit betrug 20 min.
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Neben der Bestimmung der Leukozytenzahl bei der Dialyse von Kaninchen
mit einem Dialysator von 500 cm2 Membranoberfläche und der Bestimmung der UFR und
dialytischen Permeabilität von Kreatinin wurden die Komplementaktivierung durch
Bestimmung der Fragmentkomponenten C3a und C5a an Blutproben ermittelt, die analog
zu Vergleichsbeispiel B am Menschen im ex-vivo-System mit Zellen von 50 cm2 Membranoberfläche
erhalten worden waren.
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Dabei wurde festgestellt, daß der Wert für C3a nur 3700 ng/ml und
für C5a 11 ng/ml betrug.
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Die Dialyseleistungen gegenüber unbehandelten Cellulosehohlfäden blieben
unverändert.
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Beispiel 5: Als Isocyanatpräpolymer diente ein solches, das aus 120
g Polyäthylenglykol mit einem Molekulargewicht von 6000 und 10 g 4,4'-Diphenyl-methan-diisocyanat
gebildet worden war. Es wurde als 15-vol.-%ige Lösung in Dimethylacetamid verwendet.
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Behandelt wurden Hohlfäden aus regenerierter Cellulose vom Typ SCE
mit einem Lumendurchmesser von 168 ßm und einer Wandstärke von 17 Fm. Die Cellulose
war durch Verseifen von Celluloseacetat regeneriert worden. Nach einer Behandlungsdauer
von 45 min. wurde die Restlösung mit Dimethylacetamid ausgewaschen und anschließend
mit Methylenchlorid nachgewaschen. Die getrockneten Hohlfäden wurden auf ihre Leistungsdaten
und die Leukozytenzahl bei der Dialyse von Kaninchen mit einem Dialysator von 500
cm2 Membranoberfläche bestimmt. Der Leukozytenabfall ist in Figur 1 im Vergleich
zu den anderen Beispielen, dem Vergleichsbeispiel A und einer Vergleichsmessung
mit unbehandelten Hohlfäden der bei diesem Beispiel verwendeten Type SCE (Vergleichsbeispiel
C) dargestellt.
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Für die UFR wurde ermittelt: UFR = 2,0 [ml/h.m2.mm HG Bei unbehandelten
Hohlfäden betrug sie 2,9 ml/h.m2.mm Hg.
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Für die dialytische Permeabilität von Kreatinin wurde 30-10 3cm/min
ermittelt, gegenüber 45 10 cm/min bei unbehandelten Hohlfäden.
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Beispiel 6: Das in diesem Beispiel verwendete Isocyanatpräpolymer
war ein in einer zweistufigen Reaktion erhaltenes Reaktionsprodukt. In einer ersten
Stufe wurden 50,4 g 4,4'-Dicyclohexylmethan-diisocyanat mit 95,2 g Rizinusöl umgesetzt.
In der zweiten Stufe wurde das erhaltene Zwischenprodukt mit 5,8 g Hexamethylendiamin
umgesetzt. Dieses Reaktionsprodukt wurde dann als 10-%ige Lösung in Dimethylacetamid
verwendet.
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Behandelt wurden Hohlfäden aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert
waren. Die Behandlungszeit betrug 1 Stunde. Die Behandlung wurde bei 50 °C durchgeführt.
Anschließend wurden die Hohlfäden mit reinem Dimethylacetamid ausgewaschen, das
Dimethylacetamid mit Aceton entfernt und die Hohlfäden getrocknet.
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Die Untersuchung der Leukopenie ergab das in Figur 2 dargestellte
Verhalten.
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Beispiel 7: In diesem Beispiel wurde ein Isocyanatpräpolymer verwendet,
das ebenfalls in Stufen hergestellt worden ist. In der ersten Stufe
werden
50 g 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat und 60 g polyäthylenglykol mit einem mittleren
Molekulargewicht von 600 umgesetzt. In der zweiten Stufe wird das Zwischenprodukt
mit 1,6 g Hydrazin umgesetzt.
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Mit einer 5 %igen Lösung dieses Isocyanatpräpolymeren in Dimethylacetamid
wurden Cellulosehohlfasern behandelt, wobei die Cellulose aus Cuoxamlösungen regeneriert
worden war. Die Behandlung erfolgte bei Raumtemperatur und wurde über einen Zeitraum
von 10 Minuten durchgeführt. Die Hohlfasern wurden anschließend zunächst mit reinem
Dimethylacetamid und dann mit Aceton gewaschen und getrocknet.
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Das Verhalten der Leukozyten am Kaninchen ist in der Figur 2 graphisch
dargestellt.
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