DE2953804C2

DE2953804C2 - Gasdurchlässige Membran, Verfahren für ihre Herstellung und ihre Verwendung in einem Blutoxygenerator

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Publication number: DE2953804C2
Application number: DE19792953804
Authority: DE
Inventors: Igor' Stepanovi&ccaron; &Scaron;&ccaron;egolev; Aleksandr Naumovi&ccaron; Moskau/Moskva &Scaron;tejnberg; Viktor Timofeevi&ccaron; Gorun; Vladimir Michajlovi&ccaron; Il'in; Zija Ramizovi&ccaron; Kari&ccaron;ev; Michail Borisovi&ccaron; Chimci Moskovskaja oblast' Lev; Nikolaj Stepanovi&ccaron; Lidorenko; Viktor Ivanovi&ccaron; Moiseev; Grigorij Froimovi&ccaron; Mu&ccaron;nik; Igor' Ivanovi&ccaron; Moskau/Moskva Smirnov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-08-21
Filing date: 1979-08-21
Publication date: 1986-11-20
Also published as: WO1981000522A1; GB2072047B; JPS6389169A; US4666668A; GB2072047A; JPS56501037A; JPH0422107B2; JPS6244961B2; DE2953804T1

Description

Stunden beschränkt Die vorliegende Erfindung betrifft gasdurchlässige Aus dem Gesagten geht hervor, daß die Verwendung

Membranen, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre von gasdurchlässigen Membranen mit niedriger PerVerwendung auf dem Gebiet des medizinischen Geräte- meabilität in Oxygenatoren die Entwicklung einer Gasbaus, nämlich zur Herstellung von Blutoxygenatoren. 45 austauschfläche bis auf einige Dutzende von Quadrat-Für die Schaffung einer hocheffektiven Gasaus- metern und demzufolge eines großen (bis 61) Füllungstauscheinrichtung ist die Erfüllung folgender zwei Be- Volumens mit Spenderblut erfordert Derartige Memdingungen erforderlich. In erster Linie wird eine gas- branen wirken außerdem negativ auf Blut ein, wodurch durchlässige Membran mit hohen spezifischen Kennda- auch die 2'eit ihrer Anwendung begrenzt wird,
ten benötigt Dann soll es jedoch auch möglich sein, 50 Deshalb wurden Versuche unternommen, als Stoff für unter Verwendung dieser Membran eine Vorrichtung, gasdurchlässige Membranen Dimethylsilikonkautschuk die eine gleichmäßige Verteilung sämtlicher Medien, ih- zn verwenden, der eine höhere Permeabilität gegenüber re Vermischung und einen adäquaten Gasaustausch an Gasen und eine gute biologische Verträglichkeit aufder gesamten Arbeitsfläche der Membran gewährlei- weist Der reine Dimethylsilikonkautschuk ist jedoch stet, zu schaffen. 55 mechanisch instabil, und man kann auf seiner Grundlage

Gasdurchlässige Membrane, die in Blutoxygenatoren lediglich Folien dicker als 100 μη) herstellen, dabei entzum Einsatz kommen, müssen eine hohe Permeabilität stehen oft Makroöffnungen (Löcher) in der Folie,
gegenüber Ο? und eine noch höhere gegenüber CO2, Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit begann

biologische Verträglichkeit mit Blut sowie eine ausrei- man, ein Polymer auf der Grundlage des Silikonkauchende mechanische Festigkeit aufweisen, um den 60 tschuks auf ein Nylongewebe (Armierungsunterlage) Druckwerten widerstehen zu können, die während der aufzutragen und armierte Folien mit einer Stärke von Arbeit entstehen. 125 μπι herzustellen (T. Kolobow, W. Zapol, J. E. Pierce,

Bekannt sind gasdurchlässige Membranen aus Poly- A. F. Keeley, R. L Replogle and A. Haller »Partial exiramerstoffen: Polyäthylen, Teflon, Polyvinylchlorid, Na- corporeal gas exchange in alert new born lambs with a turkautschuk und Polymere auf der Grundlage von Di- 65 membrane artificial lung perfused via an A —V shunt for methylsilikonkautschuk. periods up to 96 hours«, vol. XIV Trans. Amer. Soc.

Die Gasdurchlässigkeit der Membranen aus Polymer- Artif. Int. Organs, 1968, p. 328—334).
stoffen hängt mit dem Prozeß der Auflösung eines Gas- Ein bekanntes Verfahren gemäß US-PS 33 25 330 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. Die Kautschukschicht in einer derartigen Membran füllt das Armierungsgitter vollständig aus.

Die Verwendung von gasdurchlässigen Membranen auf der Grundlage von Silikonkautschuken ermöglichte es, Blutoxygenatoren für die vollständige künstliche Blutzirkulation mit einer Arbeitsoberfläche von ~ 6 m² und einem Volumen der Spenderblutfüllung von etwa 1 I zu entwickeln. Die Membranen in diesen Oxygenatoren weisen jedoch eine große Dicke (125 um) auf, die auf die Stärke des Armierung: «jitters zurückzuführen ist

Bekannt ist, daß bei einem konstanten Penneabilitätskoeffizienten die Menge des durch die jeweilige Membran fließenden Gases umgekehrt proportional ihrer Stärke ist Hierdurch besteht eine Beschränkung in bezug auf die Gasmenge, die durch die Membran durchfließt Es ist außerdem an den Stellen der Verbindung des Kautschuks mit den Fasern des Armierungsgitters eine unzureichende Verbindung möglich, was die Entstehung von durchgehenden Makroöffnungen und demzufolge Betriebsausfall des Blutoxygenators verursacht

Am besten bewährt hat sich zur Zeit die Konstruktion eines Blutoxygenators, der eine Mehrzahl von gasdurchlässigen Membranen aufweist die eine zentrale Bohrung beinhalten und einander abwechselnde Blutfluß- und Gaskammern voneinander trennen. Zur Absicherung des Blutflusses durch sämtliche Kammern wird der Oxygenator mit zentralen Eintritts- und periphärischen Austrittssammelbehältern versehen, zum Durchströmen von Gas sind Eintritts- und Austrittsgassammelbehälter vorgesehen. Alle Membranen haben eine Gesamtarbeitsfläche, die für die Gewährleistung der vollständigen künstlichen Blutzirkulation ausreichend ist Da sämtliche zur Zeit bekannten gasdurchlässigen Membranet, die in Blutoxygenatoren zum Einsatz kornmen, elastisch sind, ist für die Ausführung solcher Konstruktionen die Anwendung von Abstandselementen erforderlich, die zwischen Membranen angeordnet werden und in der Regel steife Gitterkonstruktionem darstellen. Diese Elemente dienen auch für die Gewährleistung der Unveränderlichkeit des Querschnittes des Blutfli'sses. Das Vorhandensein von zusätzlichen Elementen, die sich in Berührung mit Blut befinden, ruft jedoch eine schädliche Auswirkung auf Blut hervor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gasdurchlässige Membran zu entwickeln, die fähig ist, eine bedeutend größere Gasmenge durch eine Einheit ihrer Oberfläche als alle bekannten ähnlichen Membranen durchzulassen, und eine Steifigkeit aufweist, die es ihr erlaubt, die auftretenden Belastungen ohne Änderung der ihr bei der Herstellung verliehenen geometrischen Form aufzunehmen, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen gasdurchlässigen Membran zu schaffen und die Verwendung der gasdurchlässigen Membran in einem Blutoxygenator zu ermöglichen.

Die gestellte Aufgabe wird durch eine Membran gemäß Anspruch 1 gelöst.

Besonders bevorzugt ist es, eine Armierungsunterlage aus Metallsinterpulver zu verwenden.

Die gestellte Aufgabe wird auch durch ein Verfiihren gemäß Anspruch 3 gelöst

Die erfindungsgemäßo gasdurchlässige Membran besitzt eine höhere Gaspermeabilität gegenüber allen bekannten ähnlichen Membranen infolge der Verringerung der Stärke der Polymerschicht die einen der wichtigsten Diffusionswiderstandsfaktoren darstellt die die Effektivität des Gasaustausches 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 Armierungsunterlage fest verbunden ist die die auftretenden Beanspruchungen aufnimmt Dabei wird die geometrische Form der Unterlage und demzufolge auch der ganzen Membran beibehalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer gasdurchlässigen Membran zeichnet sich durch Einfachheit aus und bedarf keiner Entwicklung neuer komplizierter technologischer Ausrüstungen. Für seine Ausführung genügen eine Erwärmungseinrichtung mit vorgegebener konstanter Temperatur sowie eine Sprühvorrichtung für die Polymerlösung. Derartige Erwärmungseinnchtungen und Zerstäub?·· werden von der Industrie in allen entwickelten Länaern der Welt breit produziert

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

Auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Membran ist eine Konstruktion des Blutoxygenators mit einer geringeren Größe der Gasaustauschfläche, die zum Oxygenieren des vorgegebenen Blutflusses erforderlich ist, und als Folge davon mit geringerem Volumen der Spenderblutfüllung möglich. Eine steife Armierungsunterlage ermöglicht es außerdem, der Membran die erforderliche Form zu verleihen, die es erlaubt sich miteinander abwechselnde Blutfluß- und Gasflußkammern zu bilden. Dabei ist die Polymerschicht an der Membran den Blutflußkammern zugekehrt Hierdurch befindet sich das Blut in Berührung mit einem Polymer, das mit ihm die beste biologische Verträglichkeit aufweist. Das bedingt eine minimale Einwirkung des Oxygenators auf das Blut de* Spenders, die dem Grad der Regenerierungsmöglichkeiten des lebenden Organismus entspricht, was den Verlauf der postoperativen Periode erleichtert und es gestattet den Einsatzbereich des Oxygenators nicht nur für die Durchführung der künstlichen Blutzirkulation, sondern auch für die Unterstützung der Atmung bei Lungeninsuffizienz zu erweitern.

Die erfindungsgemäßen Membranen besitzen gute technologische Eigenschaften, die es ermöglichen, ihnen eine beliebige gewünschte steife Form zu verleihen, ins besondere sie paarweise zusammenzukoppeln und Vorsprünge an ihnen auszuführen. Die Vorsprünge an den Membranen ermöglichen die Konstanz der Abmessungen der Blutflußkammern, eine gleichmäßige Verteilung' des Blutflusses auf die einzelnen Kammern. Außerdem wird das Blut bei seiner Fortbewegung zwischen der Vorsprüngen beim laminaren Strömen kontinuierlich vermischt Das erhöht seinerseits die Effektivität des. Betriebes einer dt /artigen möglichen Gasaustauschanlage.

Die Vorsprünge an den Membranen gestatten es, auf Distanzeinrichtungen (Gitter) in den Biuiflußkammern zu verzichten, was den hydraulischen Widerstand der Blutflußkammern herabsetzt Das erlaubt, den Blutoxygenator beispielsweise für die Unterstützung der Atmung ohne Pumpe zu verwenden. Hierdurch werden im Kreis der Blutzirkulation sich bewegende Einzelteile ausgeschlossen, was noch dazu die Verletzung von

5 6

Formelementen des Blutes verringert. auf der Grundlage des Dimethylsilikonkautschuks auf

Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschrei- die Armierungsunterlage 2 hergestellt. Das Auftragen bung ihrer konkreten Ausführungsbeispiele sowie ihrer der Schicht 1 des Polymers erfolgt durch das Auflösen

Verwendungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt des letzteren mit einer Konzentration von 1—20% in F i g. 1 eine gasdurchlässige Membran im Querschnitt, 5 einem Lösungsmittel, das gegenüber dem Material der

die erfindungsgemäß hergestellt wird, Unterlage 2 inert ist und fähig ist, dieselbe zu benetzen.

F i g. 2 eine schematische Darstellung eines einfachen Dann wird die Unterlage 2 auf eine Temperatur er- Blutoxygenators mit der in Fig. 1 abgebildeten gaii- wärmt, die um 0,5—2O⁰C höher als der Siedepunkt des

durchlässigen Membran, Lösungsmittels liegt, und die Lösung des Polymers auf

F i g. 3 einen Blutoxygenator, der eine Mehrzahl von 10 der Grundlage des Silikonkautschuks wird auf die Ober-Membranen aufweist, die in F i g. 1 abgebildet sind, fläche der Unterlage 2 in einer Menge von 0,5 + 5 mg/

F i g. 4 einen Schnitt nach IV-IV in F i g. 3, cm² aufgesprüht. F i g. 5 eine Seitenansicht des in F i g. 3 abgebildeten Beim Auftreffen des Lösungsaerosols auf die hydro- Blutoxygenators. phile Armierungsunterlage 2 erfolgt ein Einsaugen der

Grundelement der erfindungsgemäßen gasdurchlässi- 15 Lösung durch Kapillarkräfte in die Poren 3 der erhitzten gen Membran ist eine geschlossene Schicht 1 (Fig. 1) Unterlage 2. Dabei siedet das Lösungsmittel und vereines Polymers auf der Grundlage eines Dimethylsilii- dunstet vollständig, und das Polymer bleibt innerhalb konkautschuks. Diese Schicht 1 mit einer Stärke von der Poren 3 der Armierungsunterlage 2 in einer Tiefe 2—5μηπ ist auf eine Armierungsunterlage 2 aufgetra- von8 +12 um.Beiden nächsten AufsnriihungenHpr IΛ-gen, die offene Poren 3 aufweist, die seitens der ge- 20 sung werden diese Poren 3 beginnend mit der genannschlossenen Schicht 1 teilweise mit dem Polymer auf der ten Tiefe bis zur Oberfläche der Unterlage 2 vollständig Grundlage des Dimethylsilikonkautschuks ausgefüllt mit dem Polymer ausgefüllt, wonach das weitere Aufsind Die innere Oberfläche der Poren 3 hat eine rauhe sprühen an der Oberfläche der Armierungsunterlage 2 Oberfläche komplizierter Form, wodurch bei einer teil- eine durchgehende Schicht 1 des Polymers mit einer weisen Füllung 4 der Poren 3 mit Polymer eine feste 25 Stärke von 2 + 5μιη bildet die mit dem innerhalb der Verbindung der geschlossenen Schicht 1 des Polymers Poren 3 befindlichen Polymer verbunden ist.
mit der porösen Unterlage 2 geschaffen wird. Das Poly- Da der Querschnitt der Poren 3 veränderlich ist und mer (Füllung 4), das sich in den Poren 3 der Unterlage '.I ihre inne.^se Oberfläche rauh ist, weist das sich innerhalb befindet, und das Polymer, das die durchgehend!: der Poren 3 befindliche Polymer (Füllung 4) eine feste Schicht 1 bildet, weisen die gleiche Natur und eine gro- 30 mechanische Verbindung mit der Unterlage 2 auf und ße Berührungsfläche auf. Das gewährleistet eine zuver- sichert eine zuverlässige Adhäsion der durchgehenden lässige Adhäsion der durchgehenden Schicht 1 des Poly- Schicht 1 mit der Oberfläche der Unterlage 2.
mers mit der Oberfläche der Unterlage 2. Zur besseren Erläuterung des Hauptinhalts des vor-

Die Armierungsunterlage 2 kann aus beliebigem fe- liegenden Verfahrens zur Herstellung einer gasdurchstem Stoff mit offener Porosität über 20% hergestellt 35 lässigen Membran werden nachstehend konkrete Beiwerden, der eine ausreichende mechanische Festigkeit spiele für seine Ausführung aufgeführt,
hat und eine Gaspermeabilität besitzt, die um mehr als

um das 10Ofache die Gaspermeabilität der auf die Un- Beispiel 1
terlage aufgetragenen Schicht 1 des Polymers übersteigt 40 Man bereitet 20%ige Lösung von Dimethylsilikon-

Die poröse Armierungsunterlage 2 kann, beispiels- kautschuk in Benzin. Das Benzin ist transparent, farblos, weise aus gesintertem Nickelpulver hergestellt werden enthält kein Tetraäthylblei, keine Beimengungen und und folgende Parameter aufweisen: kein Wasser. Die zubereitete Lösung wird auf eine erhitzte Armierungsunterlage aus gesintertem Nickelpuloff ene Porosität 60% 45 ver mit einer Stärke von 150 μιη aufgesprüht. Die Tem-Stärke 150 μπι peratur der Unterlage wird konstant gehalten und ist maximale Porengröße 3 μπι gleich 140⁰C Beim Auftreffen des Aerosols der Lösung durchschnittliche Porengröße 1 μιη auf die hydrophile poröse Unterlage wird es von den Permeabilität gegenüber Sauerstoff Kapillarkräften in die Poren der Unterlage eingesaugt

50 dabei siedet das Benzin und verdunstet vollständig, der

(2Δ + 3.5 10-3 ^cm3 Kautschuk aber bleibt in einer Tiefe von 8+10 μη.. Bei

' '' selcmm WS cm² den nächsten Aufsprühungen werden die Poren auf diese Tiefe vollständig mit Kautschuk ausgefüllt wonach

Die poröse Armierungsunterlage 2 kann auch aus das weitere Aufsprühen der Lösung eine geschlossene Äthylzellulose hergestellt werden und folgende Para- 55 Schicht des Kautschuks mit einer Stärke von 4—5 μπι

meter aufweisen: auf der Armierungsunterlage bildet

offene Porosität 40% Beispiel 2

Stärke 160 μπι

maximale Porengröße 3,5 um 60 Man bereitet eine l%ige Lösung von Dimethylsili-

durchschnittliche Porengröße 1,5 μιη konkautschuk in Benzin. Das Benzin ist transparent

Permeabilität gegenüber Sauerstoff farblos, enthält kein Tetraäthylblei, keine mechanischen Beimengungen und kein Wasser. Die zubereitete Lö-

,...-. j__3 cm³ sung wird auf eine erhitzte Armierungsunterlage aus

' ' ' sek-mm VVS cm² 65 gesintertem Nickelpulver mit einer Stärke von 150 μπι

aufgesprüht Die Temperatur der Unterlage wird kon-

Die erfindungsgemäße gasdurchlässige Membran stant gehalten und ist gleich 120,5⁰C. Beim Auftreffen wird mittels Auftragens einer Schicht 1 eines Polymers des Aerosols der Lösung auf die erhitzte poröse Unter-

lage wird es von den Kapillarkräften in die Poren der Unterlage eingesaugt, dabei siedet das Benzin und verdampft vollständig, der Kautschuk aber bleibt in der Tiefe von 10+12 μ.τι. Bei den nächsten Aufsprühungen werden die Poren bis auf diese Tiefe vollständig mit Kautschuk ausgefüllt, wonach das weitere Aufsprühen der Lösung eine geschlossene Kautschukschicht mit einer St?;!»e von 2 + 3 μηι auf der Armierungsunterlage bildet.

Beispiel 3

Man bereitet eine 5%ige Lösung von Dimethylsilikonkautschuk in Benzin. Das Benzin ist transparent, farblos, enthält kein Tetraäthylblei, keine mechanische Beimengungen und kein Wasser. Die zubereitete Lösung wird auf die erhitzte Armierungsunterlage aus gesintertem Nickelpulver mit einer Stärke von 150μπι aufgesprüht. Die Temperatur de>" Unterlage wird konstant gehalten und ist gleich 125° C. 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 verdampft vollständig, der Kautschuk aber bleibt in der Tiefe von 9+10μιτι. Bei den nächsten Aufsprühungen werden die Poren bis auf diese Tiefe vollständig mit Kautschuk ausgefüllt, wonach das weitere Aufsprühen der Lösung eine geschlossene Kautschukschicht mit einer Stärke von 3—4 μπι auf der Armierungsunterlage bildet.

Beispiel 4

Man bereitet eine 10%ige Lösung von Dimethylsilikonkautschuk in Diäthyläther. Die zubereitete Lösung wird auf eine erhitzte Armierungsunterlage aus gesintertem Nickelpulver mit einer Stärke von 150 μπι aufgesprüht. Die Temperatur der Unterlage wird konstant gehalten und ist gleich 50° C. Beim Auftreffen des Aerosols der Lösung auf die hydrophile poröse Unterlage wird es von den Kapillarkräften in die Poren der Unterlage eingesaugt, dabei siedet der Äther und verdunstet vollständig, der Kautschuk aber bleibt in der Tiefe von 8 + 10 μπι. Bei den nächsten Aufsprühungen werden die Poren bis auf diese Tiefe vollständig mit Kautschuk ausgefüllt, wonach das weitere Aufsprühen eine durchgehende Kautschukschicht mit einer Stärke von 4—5 μπι auf der Armierungsunterlage bildet

Beispiel 5

Man bereitet eine 8%ige Lösung eines Blockkopolymeren aus Polyarylat- und Polydimethylsiloxanblöcken (Silar) in Chloroform. Diese Lösung wird auf eine erhitzte Armierungsunterlage aus Athylcellulose mit einer Stärke von 160 μπι aufgesprüht Die Temperatur der Unterlage wird konstant gehalten und beträgt 80° Q 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 Chloroform und verdunstet vollständig, und das Dimethylsilikonkautschuk-Blockkopolymere bleibt in einer Tiefe von 8—10 μπι zurück. Durch mehrere nachfolgende Aufsprühvorgänge werden die Poren bis auf diese Tiefe vollständig mit dem Blockkopolymeren ausgefüllt, wonach durch weiteres Aufsprühen der Lösung eine durchgehende Blockkopolymerschicht mit einer Dicke von 4—5 μπι auf der Armierungsunterlage ausgebildet wird.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Membranen wird nachfolgend anhand von Beispielen von Blutoxygenatoren mit derartigen Membranen näher erläutert.

In Fig. 2 ist eine einfachste Ausführungsform eines Blutoxygenators mit einer erfindungsgemäßen Membran schematisch dargestellt, der ein Gehäuse 5 aufweist, das durch eine erfindungsgemäße gasdurchlässige Membran 6 gemäß Fig. 1 in eine Kammer 7 für den Blutfluß und eine Kammer 8 für den Gasfluß getrennt wird. Das Gehäuse 5 weist einen Rohrstutzen 5 für den Eintritt des venösen Bluts auf sowie einen Rohrstutzen 10 für den Austritt des arterialisierten Blutes sowie

is Rohrstutzen 11 und 12 für den Ein- und Austritt von Gas. Die gasdurchlässige Membran 6 wird so angeordnet, daß die durchgehende Schicht 1 des Polymers auf der Armierungsunterlage 2 der Kammer 7 für den Blutf hiß 7iigplcf>hrt ist.

In F i g. 3 ist eine Konstruktion des Blutoxygenators abgebildet, der eine Mehrzahl von gasdurchlässigen Membranen 13 aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind und von denen jede die in F i g. 1 abgebildete Konstruktion hat.

Die Membranen 13 sind in Form von Scheiben mit zentralen Bohrungen ausgeführt, und sie trennen sich miteinander abwechselnde Kammern 14 für den Blutfluß und Kammern 15 für den Gasfluß voneinander. Die Membranen 13 sind miteinander paarweise am Umfang und an der Kreislinie der zentralen Bohrungen verbunden, die einen zentralen Eintrittssammler 16 für den Blutfluß bilden. Zwischen den Außenkanten der Membranen 13 und dem Gehäuse 17 des Sammlers gibt es einen ringförmigen peripherischen Austrittssammler 18 für den Blutfluß. An den Außenseitenflächen der Membranen 13 sind Vorsprünge (buckelartige Erhebungen, »Beulen« 19 ausgeführt, die so angebracht sind, daß für jede der einander zugekehrten Oberflächen die Vorsprünge 19 einer davon sich zwischen den Vorsprüngen 19 der anderen Oberfläche befinden, so daß zwischen den Vorsprüngen 19 Spalten gebildet werden. Dadurch werden ferner innerhalb der verbundenen Membranen 13 Kammern 15 für den Gasfluß und in den Spalten zwischen den Vorsprüngen 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 Dichtungselementes 20. Der Eintrittsrohrstutzen 9 für venöses Blut sowie der Eintrittsrohrstutzen 11 für Gas und der Austrittsrohrstutzen 12 für Gas sind am Fuß 21 des Blutoxygenators angeordnet.

In Fig.4 ist Draufsicht des Blutoxygenators nach Schnitt rV-IV in F i g. 3 abgebildet. Dabei ist zur Vereinfachung nur der Schnitt eines Teils der Vorsprünge 19 der Membranen 13 gezeigt Die Richtung des Biutflusses ist mit ununterbrochenen Pfeilen 22 (nur für einen Teil der Membran) und die Richtung des Gasflusses mit punktierten Linien 23 gezeigt (auch nur für die Hälfte der Kammer für den Gasfluß eingezeichnet).

In Fig.5 ist die Seitenansicht des Blutoxygenators gezeigt der in F i g. 3 abgebildet ist Aus der Zeichnung geht hervor, daß im zentralen Sammelbehälter 16 etwa in der Mitte seiner Länge eine hermetische Trennwand 24 aufgestellt wird, deren Außendurchmesser dem Außendurchmesser der Membranen 13 gleich ist (vereinfacht ohne Vorsprünge gezeigt). Die Teile des zentralen Sammelbehälters, die an verschiedenen Seiten der Trennwand 24 liegen, kommunizieren mittels eines peri-

ίο

phärischen ringförmigen Sammelbehälters 18, und die Funktion eines Austrittssammelbehälters 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 F i g. 2 abgebildete Oxygenator hat folgende 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 des Oxygenators durch den Rohrstutzen 9 eintritt, weist einen Partialdruck des Kohlendioxids gleich 50 + 65 mm Hg und eine Sättigung mit Sauerstoff von 65 + 70% auf. In die Kammer 8 wird durch den Rohrstutzen 11 reiner Sauerstoff zugeführt. Hierdurch entsteht an der gasdurchlässigen Membran 6 ein Partialdruckgefälle des Kohlendioxids, das gleich 50+65 mm Hg ist und aus der Kammer 7 für den Blutfluß in die Kammer 8 für den Gasfluß gerichtet ist. Entgegengesetzt ist das Partialdruckgefälle des Sauerstoffs von etwa 700 mm Hg gerichtet. Infolge des Vorhandensein« der Partialdruckgefälle an der Membrane 6 entstehen die entgegengesetzt gerichteten Ströme des Kohlendioxids (aus dem Blut ins Gas) und des Sauerstoffs (aus Gas ins Blut). In F i g. 1 und F i g. 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 Partialgefälles des Kohlendioxids zwischen dem venösen Blut in der Kammer 7 für den Blutfluß und dem reinen Sauerstoff in der Kammer 8 für den Gasfluß dringt das Kohlendioxid durch die dünne durchgehende Polymerschicht 1 (F i g. 1 und F i g. 2) und dann durch das Polymer (Füllung 4), das teilweise die Poren 3 der Unterlage 2 ausfüllt, in die offenen Poren 3 der Unterlage 2 ein. Aus den offenen Poren ? tritt das Kohlendioxid in die Kammer 8 für den Gasfluß ein und wird mit dem Sauerstoffstrom durch den Rohrstutzen 12 an die Umgebung abgeführt

Das Partialdruckgefälle des Sauerstoffs, das entgegengesetzt gerichtet ist sichert in der umgekehrten Richtung auf dem gleichen Weg die Bewegung des Sauerstoffstromes, der den dünnen Film des Blutes arterialisiert der mit der geschlossenen Polymerschicht 1 unmittelbar in Berührung kommt

Die dünne Polymerschicht 1 der Membrane 6 erlaubt, einen großen Gasfluß je Einheit der Gasaustauschfläche 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 Kohlendioxids bis auf einen Partialdruck von 35+40 mm Hg entfernt wodurch die Vergrößerung der Sättigung des Blutes mit Sauerstoff bis auf 92+98% erfolgt Dieses arterialisierte Blut »A« tritt aus dem Blutoxygenator durch den Rohrstutzen 10 aus und kann dem jeweiligen Patienten zugeführt werden.

Bei einer laminaren Strömung des Blutes in geradelinigen Strömungsblutfaden wird der weitere Prozeß des Gasaustausches verlangsamt Das ist darauf zurückzuführen, daß Erythrozyten, die die Gastranspoisfunktion des Blutes ausführen, sich in suspendiertem Zustand im Blutplasma befinden, das einen großen Diffusionswiderstand besitzt, der den Gasaustausch verhindert. Hierdurch müssen die Kohlendioxid- und Sauerstoffströme im Maße der Arterialisierung des Blutes nicht nur durch die gasdurchlässige Membran 6, sondern auch durch die sich immer vergrößernde Dicke des arterialisierten Blutes durchdringen.

Zu bemerken ist, daß das Blut bei seiner Fortbewegung in der Kammer 7 für den Blutfluß nur mit der durchgehenden Polymerschicht auf der Grundlage des Silikonkautschuks in Berührung kommt, der eine gute biologische Verträglichkeit mit Blut aufweist. Das verursacht eine minimale Einwirkung eines derartigen Oxygenators auf das Eiweiß des Blutes und auf seine Formelemente.

Insofern die Armierungsunterlage 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 Blutfliiß hei den Druckwerte", bis 700 mm Hg gewährleistet

Obenstehend betrachteten wir die Funktionsweise des einfachsten Blutoxygenators, um besonders vollständig die Betriebsweise der in F i g. 1 abgebildeten Membran zu veranschaulichen. Die F i g. 3,4 und 5 enthält die Konstruktion eines Blutoxygenators, der handlicher im Betrieb ist und unter Verwendung einer erfindungsgemäßen gasdurchlässigen Membran ausgeführt wird.
Der in F i g. 3 und F i g. 4 und F i g. 5 abgebildete BImoxygenator hat folgende Funktionsweise. Das venöse Blut »V« wird dem Blutoxygenator durch den Rohrstutzen 9 zugeführt und tritt in den zentralen Eintrittssammelbehälter 16 für den Blutfluß ein, in dem ein Verdränger 26 angeordnet ist Aus dem Eintrittssammelbehälter 26 wird das Blut gleichmäßig auf die Kammern 14 für den Blutfluß aufgeteilt Dabei kommt das venöse Blut mit der Polymerschicht der gasdurchlässigen Membranen 13 in Berührung. Aus der Blutschicht, die unmittelbar mit den Membranen 13 in Berührung kommt, dringt das Kohlendioxid in die Kammer 15 für den Gasfluß ein, und in der entgegengsetzten Richtung bewegt sich der Sauerstoff und arterialisiert dabei den Film des Blutes. Bei der weiteren Bewegung des Blutes in den Kammern 14 für den Blutfluß umströmt das Blut die Vorsprünge 19, wodurch der arterialisierte Blutfilm in das Innere des Blutflusses 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 Pfeilen 22 angegeben ist wodurch der Prozeß des Gasaustausches 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 Blutfluß gesichert

Nach dem Passieren eines Teils der Kammern 14 für den Blutfluß bis zur Trennwand 24 tritt das Blut in den periphärischen 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 erfüllt 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

11

Kamwiern 15 für den Gasfluß aufgeteilt. Bei der Fortbewegung durch diese Kammern tritt Kohlendioxid aus dem venösen Blut durch die gasdurchlässigen Membranen in den Sauerstofffluß 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 Fig.3, 4 und 5 ausgeführte Blutoxygenator auf der Grundlage einer gasdurchlässigen Membran hat eine Oxygenierung von 6 1 Blutes pro Minute bei einer Gasaustauschfläche von etwa 4 m² und bei einem Füllungsvolumen des Spenderblutes von etwa 0,5 I gewährleistet. Dabei kann der Druck in den Kammern für den Blutfluß bis auf is 700 mm Hg gefahrlos erhöht werden, da die gasdurchlässige Membran eine Armierungsunterlage aus einem festen Material aufweist, was die Steifigkeit der Membrane sichert.

Währenddessen weisen die besten modernen BIu- -o loxygenatonn eine Gasaustauichfläche über 6 m² bei einem Füllungsvolumen von 1,2 1 auf und lassen eine Erhöhung des Druckes lediglich bis auf 300 mm Hg zu.

Die erfindungsgemäßen gasdurchlässigen Membranen können in verschiedenen Gasaustauschanlagen eingesetzt werden, beispielsweise auch in Atmungsvorrichtungen für Meeresforscher. Besonders vorteilhaft kann aber die erfindungsgemäße Membran in Blutoxygenatorcn eingesetzt werden, die die Hauptfunktionselemente des Apparates für künstliche Blutzirkulation darstellen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

35

40

45

50

55

60

65

Claims

Polyäthylen 0,0002 Teflon 0,0004 Polyvinylchlorid 0,014 Naturkautschuk 2,4 Dimethylsilikonkautschuk 50,0

1 2

es in der jeweiligen Membran und seiner Diffusion zuPatentansprüche: sammen. Hierdurch stellt die Gasdurchlässigkeit P das

Produkt der Löslichkeit S mit dem Diffusionskoeffizien-1. Gasdurchlässige Membran mit einer Armie- tenD,d.h.
rungsunterlage aus einem festen Material mit offe- 5
ner Porosität und einer auf diese aufgetragenen P-S-D

Schicht eines Polymeren auf der Basis eines Dimethyl-Siliconkautschuks, dadurch gekenn- dar.

zeichnet, daß die Unterlage eine offene Porosi- Alle aufgezählten Membranen aus Polym«_rstoffen

tat von über 20% und eine um mindestens 10Ofach io sind mit Blut biologisch kompatibel, unterscheiden sich größere Gaspermeabilität besitzt als die aufgetrage- jedoch voneinander in ihrer Permeabilität So beträgt ne Polymerschicht und eine steife, beliebige geome- der Permeabilitätskoeffizient von Sauerstoff Po₂ - 10~⁹ trische Form aufweist, daß die aufgetragene Poly- für die nachstehenden Stoffe:
merschicht eine geschlossene Schicht einer Dicke
von 2 bis 5 um ist und die Poren der Unterlage bis zu 15
einer Tiefe von 8 bis 12 um ausfüllt

Z Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage aus einem gesinterten Metallpulver besteht

3. Verfahren zur Herstellung einer gasdurchlässi- 20

gen Membran auf einer Armierungsunterlage nach Die Permeabilität für CO2 von Dimethylsilikonkau-Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß tschuk ist um das 5fache größer als die Permeabilität für man ein Polymeres auf der Grundlage eines Dirne- O2, und für Membranen aus anderen Polymerstoffen thyl-Siliconkautschuks in einem die Unterlage be- liegt dieses Verhältnis sogar höher,
netzenden und ihr gegenüber inerten Lösungsmittel 25 In ersten Modellen von Blutoxygenatoren, die ein Geauflöst, so daß eine Lösung mit einer Konzentration häuse bilden, das mit einer gasdurchlässigen Membran von 1 bis 20% erhalten wird, daß man die feste Un- in eine Kammer für Mutfluß und eine Kammer für Gasterlage zur Verdampfung des Lösungsmittels auf ei- fluß geteilt ist, wurden als gasdurchlässige Membranen ne Temperatur vorwärmt, die 0,5 bis 20⁰C über der Folien aus Polyäthylen verwendet (Jd. Klous, Neville, Siedetemperatur des Lösungsmittels liegt und daß 30 »Membranenoxygenator« in einem Sammelband man dann die Lösung des Polymeren in einer solchen »Künstliche Blutzirkulation« zusammengestellt von Menge auf die vorgewärmte Unterlage aufsprüht, J.Allan, Medgis-Verlag, 1960, S. 78—96). Ein derartiger daß die Menge des Polymeren auf der Oberfläche Oxygenator für eine vollständige künstliche Blutzirkulader Unterlage nach Verdampfung des Lösungsmit- tion wies eine Gasaustauschfläche von 32 m² auf und tels 0,5 bis 5 mg/cm² beträgt 35 brauchte für seine Füllung 5,751 Spenderblut. Dabei

4. Verwendung einer Membran nach Anspruch 1 wurde festgestellt daß sich die Membranen während oder 2 in einem Blutoxygenator. ihrer Betätigung mit Ablagerungen bedecken und die

Fähigkeit zur Unbenetzbarkeit verlieren, was das

Durchdringen von Flüssigkeit in die Gaskammern ver-

40 ursacht und die Einsatzdauer des Oxygenators auf 2—3