LU81737A1

LU81737A1 - Duennwandige dialysehohlfadenmembran

Info

Publication number: LU81737A1
Application number: LU81737A
Authority: LU
Inventors: G Duenweg; W Bandel
Original assignee: Akzo Nv
Priority date: 1978-10-02
Filing date: 1979-09-28
Publication date: 1980-01-24
Also published as: GB2038232B; NL7907214A; IT1164715B; GB2038232A; IT7950417A0; FR2444486A1

Description

- 4 - A3GW31860/64/74 j % Dünnwandige Dialysehohlfadenmembran A k z o nv

Amhem + + +

Die Erfindung betrifft eine Dialysemembran in Form eines Hohlfadens aus regenerierter Cellulose. Regenerierte Cellulose, die sich für die Erfindung eignet, ist eine Cellulose, die aus Celluloselösungen durch Fällungsmittel koaguliert wurde, wobei das Cuoxamverfahren im Vordergrund steht, weil es zu Hohlfäden mit den besten Membraneigenschaften führt.

Dialysemembranen gemäß der Erfindung werden vorwiegend zur Hämodialyse eingesetzt. Sie lassen sich aber auch zur umgekehrten Osmose verwenden.

Bisher kennt man nur Dialysemembranen in Hohlfadenform, mit relativ dicken Wänden, weil man befürchtete, daß bei geringen Wandstärken der Hohlfaden zusammenfällt und dadurch der Durchfluß des Blutes nicht mehr gegeben ist. Mit Stütz- h

L

π π I - 5 - A3GW31860/64/74 ..schichten hat man zwar bereits dünnwandigere Dialysemembranen in Hohlfadenform hergestellt. Zu deren Herstellung benötigt man komplizierte Spinndüsen und das Verfahren muß mit äußerster Präzision ausgeführt werden.

Bei Dialysemembranen in Hohlfadenform aus regenerierter Cellulose wurde bisher eine Mindestwandstärke von mehr als IOy*m eingehalten, wobei der Lumendurchmesser dann im allgemeinen bis - zu 300yum betrug.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war der Einsatz von Hohlfäden aus regenerierter Cellulose als Dialysemembran mit äußerst geringen Wandstärken bei möglichst großem Lumendurchmesser.

Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß nunmehr ein Hohl-faden aus regenerierter Cellulose zur Dialyse eingesetzt wird, der dadurch gekennzeichnet, ist, daß die Wandstärke 0,5 bis ß^Am beträgt.

Vorzugsweise ist die Hohlfadenwand einschichtig ausgebildet. Herstellen lassen sich solche Hohlfäden nach den bekannten "Cuoxam-Verfahren" mittels bekannter Hohlfadendüsen. Als Koagulationsmittel können Schwefelsäure, verdünnte Natronlauge oder warmes Wasser dienen. Insbesondere das in der DE-PS 736 321 im Beispiel 10 beschriebene Verfahren eignet sich hervorragend für die Herstellung dünnwandiger Hohlfäden aus regenerierter Cellulose. Durch Abstimmung der Fördermenge an Cellulose-Cuoxamlösung und an hohlraumbildender Flüssigkeit mit der Abzugsgeschwindigkeit läßt sich praktisch jede Abmessung, die im Rahmen der Erfindung liegt, ohne Schwierigkeit hersteilen.

L * J

^ - 6 - A3GW31860/64/74 ^

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es auch, ein Verfahren zum Spinnen von dünnwandigen Hohlfäden aus regenerierter Cellulose für semipermeable Membranen zur Verfügung zu stellen, das es gestattet, Hohlfäden mit exakter, durch die Spinndüsenform vorgegebener Querschnittsform zu erzeugen, die sich zugleich auch durch hervorragende Eigenschaften als semipermeable Membranen auszeichnen und bei denen die mechanischen Festigkeiten nicht beeinträchtigt sind.

* Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß in einem solchen Verfahren die Hohlfadenspinndüse in die wäßrige Natronlauge eingetaucht ist und das Verhältnis von Abzugsgeschwindigkeit des Hohlfadens an der ersten Abzugswalze zur Ausstoßgeschwindigkeit der Cellulose-Cuoxam-Lösung aus dem Ringschlitz der Hohlfadenspinndüse 1,00 bis 1,05 beträgt und die Richtung des Fadenlaufs von der Hohlfadenspinndüse zur ersten Abzugswalze einen spitzen Winkel mit der Achse der Hohlfadenspinndüsenöffnungen bildet.

Bei Verwendung von Hohlfadenspinndüsen mit kreisrundem Querschnitt, erhält man Hohlfäden mit exakt kreisrundem I Querschnitt bei so geringen Abweichungen von der idealen

Kreisform, wie man sie bisher nicht für möglich gehalten hat. Werden für die Abweichungen in der Wandstärke eines erfindungsgemäßen Hohlfadens mit konzentrischem Kreisquerschnitt die Standardabweichungen bestimmt, so erhält man Werte von weniger als 5 %.

Werden Hohlfadenspinndüsen für Hohlfäden mit profiliertem oder exzentrischem Querschnitt verwendet, so erhält man im Gegensatz zu Verfahren gemäß dem Stande der Technik keine Einebnung des Profils oder Verringerung der Exzentrizität. Hinsichtlich der Exzentrizität ist zu sagen, daß diese beim

•A

* * - - — - 7 - A3GW31860/64/74 erfindungsgemä Hon Verfahren sogar noch verstärkt werden kann/ selbst daiin, wenn der Faden so abgezogen wird, daß der spitze WinKr»i mit der Achse der Hohlfadenspinndüsenöffnungen. auf t1t»r Seite größerer Wandstärke liegt. Hier hätte an sich r»iwartet werden müssen, daß dann eine Abschwächung der Exzentrizität erfolgt.

Prinzipiell ist auch möglich, beim erfindungsgemäßen Verfahren die Hoh l t adenspinndüse im Boden der Koagulations-, wanne anzuordnv'n und den Faden nach oben zu spinnen. Aufgrund der größten technischen Schwierigkeiten, die sich bei einer solchen Anordnung beim Düsenwechsel, beim Abdichten und Anspinnen t't geben, wird diese Ausführungsform für die Durchführung d^;; Verfahrens eine geringere Bedeutung haben, als die Anordnung der Hohlfadenspinndüse an der Oberfläche des Koagulatio:n.bades.

Vorzugsweise w.\ i d die Hohlfadenspinndüse beim erfindungsgemäßen Verfahrvn 5 bis 10 mm tief in die wäßrige Natronlauge eingetauv'ht. Diese Eintauchtiefe reicht bereits aus, um den Faden genügend schnell zu koagulieren, wobei die Hohl-fadenspinn düs ei\^ffnung noch gut in der durch die Cuoxam-lösung tiefblau gefärbten Natronlauge beobachtet werden kann.

Die erste Abzuu^vralze wird beim erfindungsgemäßen Verfahren so angeordnet, daß der gesponnene Hohlfaden, wenn er aus der Hohlfadensu xnndüse austritt, nicht senkrecht nach unten geführt wird, s v'ndern sie wird um eine solche Strecke versetzt angeordn^' f daß die Richtung des Fadenlaufs von der Hohlfadenspinnd.-.se zur ersten Abzugswalze einen spitzen Winkel mit der \ohse der Hohlfadenspinndüsenöffnungen bildet. . Vorzugsweise be-trägt dieser spitze Winkel zwischen 15° und 70°.

h • Γ π

I - 8 - A3GW31860/64/74 I

Im Koagulationsbad wird beim erfindungsgemäßen Verfahren der frisch gesponnene Hohlfaden nur unter Anwendung sehr geringer Spannungen transportiert. Vorzugsweise beträgt die Umfangsgeschwindigkeit der hinter der ersten Abzugswalze angeordneten zweiten Abzugswalze nur 90 bis 98 % der Umfangsgeschwindigkeit der ersten Abzugswalze. Dadurch wird ein geringer Schrumpf des frisch gesponnenen Hohlfadens bewirkt, während bei den Verfahren nach dem Stande der Technik bereits unmittelbar nach Verlassen der Spinndüse der Hohlfaden verstreckt wird.

Bisher war man der Ansicht, daß für die Herstellung von Hohlfäden, insbesondere solchen, die als semipermeable ! Membranen dienen sollen, und die Durchmesser von ca. 50 S bis 1000/umbei Wandstärken von 10 bis ca. 200aufweisen, nur mit Hohlfadenspinndüsen hergestellt werden können, deren Abmessungen ein Vielfaches, beispielsweise das 10 bis I50-fache der Hohlfadenabmessungen betragen. Im Rahmen der Erfindung werden vorzugsweise Hohlfadenspinndüsen eingesetzt, bei denen das Verhältnis der Abmessungen des Ringschlitzes der Hohlfadenspinndüse das 2,5 bis 6-fache der I Abmessung des fertigen Hohlfadens beträgt.

Der Cellulosegehalt der Cellulose-Cuoxamlösung weicht im allgemeinen nicht von dem Cellulosegehalt ab, den die ICellulose-Cuoxam-Spinnlösungen aufweisen, die üblicherweise zur Regeneration der Cellulose eingesetzt werden. Vorzugsweise beträgt der Cellulosegehalt jedoch 6 bis , ' 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Lösung. Der NaOH-

Gehalt der Natronlauge kann in weiteren Grenzen schwanken.

* | Bevorzugt so'll er jedoch zwischen 10 und 20 Gew.-% liegen, 4 um eine ausreichend schnelle Bildung der Normann-Cellulose zu gewährleisten, die die Verfestigung des Hohlfadens einleitet.

· u - 9 - ► • Γ π I - 9 - A3GW31860/64/74

Sofern der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge-stellte Hohlfaden verstreckt werden soll oder verstreckt werden muß, wird diese Verstreckung in zweckmäßiger Weise beim Durchgang durch die Nachbehandlungsbäder ausgeführt.

Dünnwandige Hohlfäden aus regenerierter Cellulose legen sich in trockenem Zustand häufig flach und können in der flachgelegten Form aufgewickelt und zu Flächengebilden verarbeitet werden. Beim Quellen richten sich die flach-» gelegten Hohlfäden wieder auf und es bildet sich ein glatter, runder Lumenquerschnitt, der dem Blut einen ungestörten Durchfluß ermöglicht.

In Ausgestaltung der Erfindung weist das Lumen somit einen runden Querschnitt auf, wobei der Durchmesser des Lumens 50 bis 500^“· m beträgt.

Unter rund soll jede Querschnittsform verstanden werden, die keine Ecken oder Vorsprünge aufweist und von der Fadenachse aus nach außen gewölbt verläuft. Bevorzugte Querschnittsformen des Lumens sind kreisförmig und elliptisch.

Vorzugsweise beträgt die Wandstärke des Hohlfadens 1 bis 5yuun. ln einer Ausgestaltungsform der Erfindung bleibt die Wandstärke über den Umfang und über die Länge konstant.

In einer anderen Ausgestaltungsform der Erfindung kann die Wandstärke über den Umfang und/oder die Länge sich regelmäßig gleichförmig ändern. Derartige Änderungen der Wandstärke über die Länge und/oder über den Umfang dienen dazu, den sogenannten Glasplatteneffekt zu vermeiden, der darin besteht, daß Hohlfäden aneinanderhaften und dadurch die Dialyseflüssigkeit nicht mit der gesamten Membranoberfläche in Berührung kommen kann.

A

/ - 30 - Γ π I - 10 - A3GW31860/64/74 «

Vorzugsweise wurden Wandstärken von 1,0/nn, 20 ^m, •3,5/tm, 5ytm und 7yftm realisiert, auch eine Wandstärke von 8,5yum bereitete in der Herstellung keine Schwierigkeiten. Gute Eigenschaften als Dialysemembran haben auch solche Hohlfäden, deren Wandstärke sich über den Umfang im Verhältnis bis zu 1 : 3 regelmäßig gleichförmig ändert.

Die im Vorsatz genannten Wandstärken stellen dann die Abmessungen der geringsten Wandstärke dar. In der folgenden Tabelle sind Abmessungen von Hohlfäden aus regenerierter Cuoxam-Cellulose zusammengesteilt, wobei D/a das Verhältnis Lumendurchmesser zu Wandstärke ist.

Tabelle 1

Lfd. Lumendurch- Wandstärke Verhältnis D/a

Nr. messer 1. 30 /um 0,5 .um 60 2. 50/um 2,0 Alm 25 3. 90 jum 3,0 /um 30 4. 150/um 3,0/rni 50 5. 160/um 4,0/um 40 6. 210/um 3,5/um 60 7. 285 /um 2,5 /um 114 8. 290 /um 5,0 /um 58 9. 380 /um 7,0 /um 54 10. 390 /um 3,0 /um 130 11. 420 /um 6,0/um 70 12. 430 /um 2,0/Um 215

Die Hohlfäden, deren Abmessungen in der Tabelle 1 aufgeführt sind, wurden in einen Testdialysator eingebaut und unter Testbedingungen in vitro geprüft.

/S - 11 - Γ ~~ - 11 - A3GVÎ31860/64/74

Die Restmethode ist beschrieben in "Evaluation of Hemo-dialysers and Dialysis Membranes" Report of a study group fo- the artificial kidney - chronic uremia program 1977;

Elias Klein et al. US-Department of Health Education and Welfare. Bethesda, Maryland 20014. Publication No. NIH 77-1294.

2

Bei einem Lösungsfluß von 200 ml/min * m und bei einem 2

Dialysatfluß von 500 ml/min * m wurde eine Harnstoff-* clearance von bis 195 ml/min erreicht. Darin zeigt sich die hervorragende Eignung der dünnwandigen Dialysemembran-hohlfäden für den Einsatz in künstlichen Nieren.

In den beigefügten Figuren 1 bis 3 sind ein derartiger Hohlfaden abgebildet, während in Figur 4 das erfindungsgemäße Verfahren schematisch dargestellt ist.

Figur 1 zeigt den angeschnittenen Faden in perspektivischer Darstellung, während

Figur 2 einen Querschnitt senkrecht zur Fadenachse zeigt, der in den Maßverhältnissen jedoch stark verzerrt werden mußte. 1 ist dabei der Hohlfaden als solcher mit der aus regenerierter Cellulose bestehenden Wand 2.

Der Lumendurchmesser ist mit D und die Wandstärke mit a bezeichnet.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Fadenachse, der in den Maßverhältnissen jedoch stark verzerrt werden mußte, bei dem die Wandstärke über den Umfang sich regelmäßig gleichförmig ändert. 1 ist dabei * der Hohlfaden als solcher mit der aus regenerierter

Cellulose bestehenden Wand 2. Der Lumendurchmesser 7 ist mit D und die Wandstärke mit a bezeichnet. * h .... i I - 12 - A3GW31860/64/74

Figur 4 zeigt ein Verfahrensschema.

Die Cellulose-Cuoxam-Spinnlösung 1 und die hohlraumbildende Flüssigkeit 2, beispielsweise Isopropylmyristat oder Paraffinöl werden der Hohlfadenspinndüse 3 zugeführt. Diese Hohlfadenspinndüse 3 taucht in die durch die Koagulationswanne 4 geleitete wäßrige Natronlauge ein. Der aus der Hohlfadenspinndüse 3 kommende Hohlfaden 5 wird an der ersten Abzugswalze 6 abgelenkt und über die zweite Abzugswalze 7 . den Nachbehandlungsbädern zugeführt. Die Fadenlaufrichtung zwischen der ersten Abzugswalze 6 und der Hohlfadenspinn-düse 3 bildet mit der Achse der Hohlfadenspinndosenöffnungen einen spitzen Winkel. Die Nachbehandlungsbäder sind zweckmäßig als Wannen ausgebildet von denen in der Skizze beispielsweise zwei gezeigt sind (8; 14). In den Nachbehandlungsbädern sind Umlenkwalzen 9 angeordnet. Die angetriebenen Walzen 10; 11; 12 und 13 werden mit steigender Umfangsgeschwindigkeit angetrieben, wodurch der Hohlfaden 5 in dem gewünschten Ausmaß verstreckt wird. Über eine letzte Umlenkwalze wird der gewaschene Hohlfaden 5 in den Trockner 15 geleitet, dort getrocknet und in der Aufwicklung 16 zu Spulen aufgewickelt.

Für die Nachbehandlungsbäder werden im allgemeinen nacheinander verdünnte Natronlauge, Wasser, verdünnte Schwefelsäure, "Sauerwasser" und Reinwasser angewendet. Vor dem ! Trocknen werden die Hohlfäden zweckmäßig mit Glyzerin behandelt.

L

Claims

1. Dialysemembran in Form eines Hohlfadens aus regenerierter Cellulose, dadurch gekennkeichnet, daß die Wandstärke 0,5 bis 8 ^m beträgt.

2. Dialysemembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfadenwand einschichtig ausgebildet ist.

3. Dialysemembran nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lumen einen runden Querschnitt senkrecht zur Fadenachse aufweist und der Lumendurchmesser 50 bis 500y*<m beträgt.

4. Dialysemembran nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Hohlfadens 1 bis 5^fcm bëtrâgt.

5 Cellulose für Dialysemexnbranen nach den Ansprüchen 1 1 bis 7 durch Auspressen einer Cellulose-Cuoxam-Lösung durch den Ringschlitz einer Hohlfadenspinndüse in wäßrige Natronlauge und einer hohlraumbildenden Flüssigkeit durch die Innenbohrung der Hohlfadenspinndüse und übliche Nachbehandlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfadenspinndüse in die wäßrige Natronlauge eingetaucht ist und das Verhältnis von Abzugsgeschwindigkeit des Hohlfadens an der ersten Abzugswalze zur Ausstoßgeschwindigkeit der Cellulose-Cuoxam-Lösung aus dem Ringschlitz der Hohlfadenspinndüse 1,00 bis 1,05 beträgt und die Richtung des Fadenlaufs von der Hohlfadenspinndüse zur ersten Abzugswalze einen spitzen ! Winkel mit der Achse der Hohlfadenspinndüsenöffnungen bildet.

5. Dialysemembran nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke über den Umfang und die Lange des Hohlfadens gleich bleibt.

6. Dialysemembran nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke über den Umfang und/oder die Länge sich regelmäßig gleichförmig ändert.

7. Dialysemembran nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Lumendurchmesser zu Wandstärke 20 bis 280 beträgt. l·^ I -2~ I ; · Γ Π 1 - 2 - A3GW31860/64/74 ι

8. Verfahren zum Spinnen von Hohlfäden aus regenerierter

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfadenspinndüse 5 bis 10 mm tief in die wäßrige Natronlauge eingetaucht ist. [

10. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 9, dadurch gekenn- ! zeichnet, daß der Winkel, den die Richtung des Faden laufs von der Hohlfadenspinndüse zur ersten Abzugswalze mit der Achse der Hohlfadenspinndüsenöffnung bildet, 15° bis 70° beträgt.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekenn-zeichnet, daß die Umfangsgeschwindigkeit der hinter der ersten Abzugswalze angeordneten zweiten Abzugs— | walze 90 bis 98 % der Umfangsgeschwindigkeit der ersten Abzugswalze beträgt. ' f~ " J I - 3 - A3GW31860/64/74 I-

12. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Abmessungen des Ringschlitzes der Hohlfadenspinndüse das 2,5 bis 6-fache der Abmessungen des fertigen Hohlfadens beträgt.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Cellulosegehalt der Cuoxam-lösung 6 bis 10 Gew.—% und der NaOH-Gehalt der wäßrigen Natronlauge 10 bis 20 Gew.-%, jeweils bezogen auf das ‘ Gewicht der Lösungen beträgt.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlfaden beim Durchgang durch die Nachbehandlungsbäder verstreckt wird. ΚΧλΧΧλΙλ - 4 -