DE3106188C2

DE3106188C2 - Oxygenator-Membran

Info

Publication number: DE3106188C2
Application number: DE3106188A
Authority: DE
Inventors: Horst Prof. Dr.-Ing. 7250 Leonberg Chmiel; Norbert Dipl.-Ing. 7031 Magstadt Stroh
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1981-02-19
Filing date: 1981-02-19
Publication date: 1983-11-03
Also published as: DE3106188A1

Abstract

Die Oxigenator-Membran für Sauerstoff- und Kohlendioxid austausch weist einen sehr geringen Diffusionswiderstand auf, wobei der direkte Gas-Blut-Kontakt wie bei Bubble-Oxigenatoren oder Porenmembran-Oxigenatoren vermieden wird. Dies wird erreicht durch Einsatz einer hochporösen Membran, die durch eine sehr dünne Polisiloxanschicht (0,1 μm) auf eine Seite oder durch Ausfüllen der Poren mit einer Blutersatzflüssigkeit wie Fluorcarbone, physiologische Kochsalzlösung, abgeschlossen ist. Die Oxigenator-Membran kann auch zur keimsicheren Abschirmung und Belüftung im klinischen Bereich, wie z.B. Operationssäle, Brutkästen verwendet werden.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Oxygenator-Membran mit niedrigem Diffusionswiderstand

Oxygenatoren für Humanblut werden während Herzoperationen sowie für die Behandlung reversibler pulmonaler Insuffienzen eingesetzt und sollen temporär die natürliche Funktion der Lunge übernehmen.

Blut muß in ausreichendem Maße mit Sauerstoff versorgt werden, gleichzeitig muß das durch die Stoffwechselvorgange im Körper entstandene über- « schüssige CO. entfernt werden. Zwei konzeptionell unterschiedliche Typen von Oxygenatoren werden in der medizinischen Versorgung eingesetzt. Die sogenannten »Bubble« Oxygenatoren (BO) sind vom Aufbau her einfach, billig und werden aus diesen Gründen so derzeit viel verwendet.

Beim BO wird in das durch eine Säule oder speziell geformte Kunststoffbeutel strömende Blut Sauerstoff eingeblasen. Der Gasaustausch findet an der Grenzfläche zwischen Blut und Gasblasen statt D^r Stoffaus SS lausch in dieser Art hat den großen Nachteil, daß durch den direkten Kontakt Gas-Blut Thrombenbildung induziert wird. Die sich bildenden Thromben stellen eine Emboliegefahr dar und beeinflussen die Blutgerinnung in negativer Weise. Zum anderen ergibt sich durch die w Thrombenbildung auf der Grenzfläche der Gasblasen eine drastische Verminderung der wirksamen Auslauschfläche. Außerdem kann nicht verhindert werden, daß Mikrogasblasen in den Blutkreislauf des Körpers gelangen. Aus diesen Gründen ist die Patientenbcla- *5 stung relativ hoch, so daß die Einsatzzeit auf — 1,5 Stunden begrenzt wird.

Eine Variante des BO sind die Flüssigoxygenatoren.

wo anstelle des gasförmigen Sauerstoffs mit O_· gesättigte Flüssigkeiten (Fluorcarbone) verwendet werden.

Der letzte Typ kam bis jetzt jedoch nicht aus dem Experimentierstadium heraus. Die besondere Schwierigkeit liegt hier in der vollständigen Entfernung des Fluorcarbons aus dem aufoxygenierten Blut.

Der Trend in der Anwendung geht daher in Richtung Membranoxygenator(MO). Hiermit kann die natürliche Funktion der Lunge besser nachgebildet werden. In den bekannten MO werden Löslichkeitsmembranen aus Kunststoffen mit an sich hoher Löslichkeit für O> und CO3 verwendet Die wegen ihres guten OrTransportkoeffizienten vorwiegend eingesetzte Polysiloxanmembran ist aber mechanisch wenig belastbar und muß, soll sie selbsttragend sein, mit relativ dicker Wandstärke verwendet werden. Schließlich ist zum Betrieb des Oxygenator? häufig ein gegenüber der Gasseite erhöhter Druck auf der Blutseite notwendig, um eine bestimmte Durchflußmenge zu erreichen. Letzteres führt dazu, daß nicht nur wie erwünscht CO; aus dem Blut auf die Gasseite transportiert wird, sondern auch Wasserdampf, der kondensiert in den Gaskanälen des Oxygenators Flüssigkeitsinseln bildet und die wirksame Austauschfläche verkleinert.

Ein weiterer Nachteil dieser Art Membranen ist ihre Haftneigung zueinander und zu anderen glatten Oberflächen, so daß besondere Maßnahmen getroffen werden müssen, um ein Verkleben von Strömungskanälen zu verhindern, wie z. B. eine Vorbehandlung der ungebrauchten Membran mit physiologischer Kochsalzlösung. Die aufgeführten Nachteile lassen erkennen, daß die bisher im klinischen Einsatz befindlichen MO in ihrer Gasaustauschleistung sehr begrenzt sind, insbesondere bei längerem Betrieb, z. B. beim Einsatz der Membranoxygenatoren bei Lungeninsuffizienz. Diese Probleme versuchte man auch durch Verwendung von Porenmembranen zu lösen, wie sie beispielsweise bei dem in der Europäischen Patentanmeldeschrift 0 05 866 beschriebenen Oxygenator eingesetzt werdea Es hat sich aber gezeigt, daß Porenmembranen wie BO wirken, d. h. Gas und Blut kommen in nicht gelöster Form miteinander in Kontakt Weilerhin ist es bekannt (vgl. DE-OS 28 52 381). bei einer künstlichen Niere eine Trägerplatte vorzusehen, die eine Anzahl von Löchern aufweist, in denen ein Absorptionsmaterial untergebracht ist. das dazu dient überschüssiges Wasser aus dem Blut eines Paiicnten zu entfernen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der vorgenannten, bekannten Oxygenator-Membranen /u vermeiden und statt dessen eine Ox>genator-Membran zu schaffen, die in einwandfreier und sicherer Weise einen ausreichenden Stoffaustausch für O₂ und CO₂ gewährleistet, den direkten Kontakt Gas-Blut vermeidet, und die darüberhinaus biokompatibel, also blutverträglich, und aniithrombogen ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen gekennzeichnete Oxygenator-Membran gelöst.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Poren einer Porenmembran mit sehr guten, durch Wahl des Werkstoffs oder durch Oberflächenmodifikation erzeugten biokompatiblen Eigenschaften mit einer Flüssigkeit mit hohem Oi und CO2-Transportkoeffizienten — vorzugsweise Blutersatzflüssigkeit, wie physiologische Kochsalzlösung, Fluorcarbon — gefüllt, so daß sowohl für den gasförmigen Sauerstoff, auf der einen Seite der Membran, als auch für das Blut, auf der

anderen Seite der Membran, eine undurchlässige Membran entsteht Fluorcarbone dienen beispielsweise als Zusatz zur Infundierung von Emulsionen, wie das Perfluorotributylamin, das als Fluorcarbon unter dem Namen FC 47 im Handel erhältlich ist. Die Stoffübertragung der gelösten Gase Oj und CO₂ erfolgt über die in den Poren enthaltene Flüssigkeit Der Wirkung nach liegt hier eine Löslichkeitsmembran vor. Durch die hohe Porosität einer derartigen Porenniembran wird eine, bezogen auf die Räche, große Stoffaustauschleistung erreicht

Da hierbei die Porenmembran nur noch Stützfunktion hat, kann eine gewünschte Kanalgeometrie, wie z. B. eine konische Ausbildung der die Poren bildenden Kanäle, in jedem Fall gewährleistet werden. Damit das Fluorcarbon (FQ nur die Poren ausfüllt und nicht in das Blut übertritt, wird für die Porenmembran ein für FC benetzendes Material gewählt, wobei durch eine Hydrophilierung der Blutseite der Membran hier eine Benetzung verhindert wird. Als Fluorcarbon benetzendes Material für die Porenmembran kann beispielsweise Polypropylen gewählt werden; die Hydrophilierung (Beschichtung) der Blutseite mit einem HydrogeL z. B. Polyacrylnitril, verhindert das Austreten des Fluorcarbons aus den Poren auf der Blutseite. Die blutseitige Hydrophilierung (Hydrogelbeschichtung) hat darüber hinaus den Vorteil, daß dadurch bekanntermaßen (Lit I) die Biokompatibilität, insbesondere die Blutverträglichkeit, verbessert wird. Als Vorbehandlungsverfahren bieten sich bekannte naßchemische Verfahren, die Behandlung mit y-Strahlen, Niederdruckglimmentladungen, an.

In einem weiteren AusfükTungsb*'.spiel wird eine Porenmembran auf der dem B¹Ut zugewandten Seite über eine geeignete VorbehandlungsmtT'iode mit einer sehr dünnen Schicht (<0,2μπι) eines festen Materials mit hohen O]-CO2 Transportkoeffizienten, z. B. mit einem Polysiloxan. belegt Es entsteht eine für Oxygenatoren besonders geeignete Löslichkeitsmembran, wobei — bedingt durch die dünne aktive Schicht — eine flächenbezogene hohe Stoffaustauschleistung

"» gegeben ist Der Oi-Obergang wird hier überwiegend nur noch durch die Diffusion auf der Blutseite limitiert Da Polysiloxan auch als vergleichsweise gut blutverträglich angesehen werden kann, ist hier ebenfalls eine ausreichend Biokompatibilität gegeben (Ut 2).

"> In beiden Fällen kann die Biokompatibilität noch erheblich verbessert werden, wenn an Stelle von gasförmigem O» eine wäßrige Lösung (z. B. physiologische Kochsalzlösung) als Sauerstoffträger verwendet wird, der eine aggregations!!*, mmende oder antithrom- > botbch wirkende Substanz (z. B. AcetylsaliciJsäure) beigemischt ist Diese Wirksubstanz kann ebenfalls durch die erfindungsgemäße Membran diffundieren.

Bei den vorstehenden Darlegungen ist insbesondere auf die Anwendung der Erfindung bei Oxygenatoren eingegangen worden. Die Erfindung kann z. B. aber

auch für Dialysatoren, bei künstlichen Nieren, für die

Detoxitatton und/oder zum Austausch von Sauerstoff

und Kohlendioxid eingesetzt werden.

So ist es auch möglich, die Erfindung zur im hohen

Maße keimsicheren Abschirmung im klinischen Bereich, von z. B. Brutkästen, des gesamten Operationsfeldes bzw. eines Operationssaales, einzusetzen, wenn gleichzeitig ein Sauerstoff-/Kohlendioxydaustausch zur Beatmung notwendig ist

Lit 1: Andrade J. D, »Hydrogels for Medical and Related Applications«. ACS Symposium Series 31. American Chemical Society Washington DC(1976)

Lit 2: J. W. Boretos. »Silicons«, Polymers in Medicine and Surgery. Plenum Press. New York (1975).

Claims

Patentansprüche:

1. Oxygenator-Membran mit niedrigem Diffusionswiderstand, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxygenator-Membran als Löslichkeitsmembran aus einer Flüssigmembran geringen Diffusionswiderstandes gebildet ist. die nur die Zwischenräume (Poren) des Stützgerüstes ausfüllt (Porenmembran).

2. Oxygenator-Membran nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der to Löslichkeitsmembran kleiner als 1 um ist

3. Oxygenator-Membran nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Löslichkeitsmembran 0,1 um ist

4. Oxygenator-Membran nach einem der Patentanspräche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Löslichkeitsmembran aus Blutersatzflüssigkeit besteht

5. Oxygenator-Membran nach Patentanspruch 4. dadurch gekennzeichnet daß die Löslichkeitsmem- » bran aus Fluorcarbonen besteht.

6. Oxygenator-Membran nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Löslichkeitsmembran aus physiologischer Kochsalzlösung besteht

7. Oxygenator-Membran nach Patentanspruch 1. dadurch gekennzeichnet daß das Porenmembran-Stützgerüst aus einem Fluorcarbon benetzenden Material besteht

8. Oxygenator-Membran nach den Patentansprüchen 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet daß die Blutseite des Porenmembran-Stützgerüstes biokompatibel durch Hydrogelbeschichtung ausgeführt ist