DE4106624A1

DE4106624A1 - Medical infusion pump or injection syringe - operated by osmotic pressure

Info

Publication number: DE4106624A1
Application number: DE19914106624
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Prof Dr Med Zerbst
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-02-27
Filing date: 1991-02-27
Publication date: 1992-09-03

Abstract

A medical pump and/or injection syringe, for gradual infusion of solns. and/or dissolved medicaments into blood vessels, tissue and/or organs of patients, is claimed. The pump is operated by salination forces produced by two fluids of different concns. located on opposite sides of a partition in the form of semi-permeable tubes or capillaries, the higher concn. fluid being diluted and increased in vol. by osmotic transfer of solvent from the lower concn. fluid. The resulting osmotic pressure is transferred as the operating pressure to the space behind the pump piston to produce a piston drive proportional to the volume and for pressure increase of the higher concn. fluid. ADVANTAGE - The infusion pump and/or syringe has a simple osmotic drive which can be controlled by choice of the fluid concns. and the membrane wall thickness.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Einrichtung von durch osmotische Kräfte angetriebenen medizinischen Infusionspumpen und/oder Injektionsspritzen zur langsamen und langzeitigen Infusion von Lösungen und/oder Medikamenten in Blutadern oder Gewebe und Organe von Patienten.The invention relates to the establishment of osmotic forces powered medical infusion pumps and / or hypodermic syringes for slow and long-term infusion of solutions and / or medication in blood vessels or Tissues and organs from patients.

Medizinische Infusionspumpen zur Injektion von Medikamenten und Lösungen sind als mechanisch, pneumatisch und elektrisch angetriebene Einrichtungen bekannt. Alle bislang bekannten Einrichtungen dieser Art weisen den Nachteil auf, daß sie relativ komplex aufgebaut sind und zum Beispiel bereits wegen der notwendigen Zufuhr der Antriebsenergie im besonderen Bedarfsfalle nicht total in den Körper eines Patienten implantierbar sind.Medical infusion pumps for injecting medication and solutions are known as mechanically, pneumatically and electrically powered devices. All Hitherto known devices of this type have the disadvantage that they are relatively complex are built up and for example already because of the necessary supply of drive energy are not totally implantable in the body of a patient in special cases.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Infusionspumpe für die genannten und anderen Zwecke anzugeben, bei welcher der Vortrieb durch Salinations- oder osmotische Kräfte erfolgt. Die Aufgabe wird entsprechend den Ansprüchen 1 bis 18 gelöst.The object of the invention is to provide an infusion pump for the above and others Purpose to specify where the propulsion by salination or osmotic forces he follows. The object is achieved according to claims 1 to 18.

Grundsätzliche Vorteile des osmotischen Antriebs von Infusionspumpen und Injektionsspritzen liegen im relativ einfachen materiellen und strukturellen Aufbau der Antriebseinrichtung. Dabei liegen zwei Fluide unterschiedlicher Konzentration an jeweils einer Seite einer semipermeablen Trennwand. Dies kann eine Zellulosemembran oder eine Membran anderer bekannter Zusammensetzung sein, wie sie z. B. auch in der Technik der "umgekehrten Osmose" benützt wird. Das Fluid höherer Konzentration wird infolge der osmotischen Aufnahme von Fluid geringerer Konzentration unter Volumenzunahme verdünnt (Fig. 1). Der dabei durch diese Volumenzunahme erzeugte Arbeitsdruck wirkt auf den Pumpenkolben und treibt denselben proportional der Volumenzunahme des Fluids höherer Konzentration voran.Fundamental advantages of the osmotic drive of infusion pumps and injection syringes lie in the relatively simple material and structural structure of the drive device. Two fluids of different concentrations are located on one side of a semi-permeable partition. This can be a cellulose membrane or a membrane of another known composition, such as e.g. B. is also used in the technique of "reverse osmosis". The fluid of higher concentration is diluted due to the osmotic absorption of fluid of lower concentration with an increase in volume ( FIG. 1). The working pressure generated by this increase in volume acts on the pump piston and drives it in proportion to the increase in volume of the fluid of higher concentration.

Die osmotische Volumenzunahme über die Zeit ist nach den bekannten physikalischen Gesetzen von den Permeabilitätseigenschaften der semipermeablen Membran, ihrem Durchmesser und Oberfläche, sowie von der Konzentrationsdifferenz zwischen den beiden Fluiden beiderseits der Membran abhängig. Durch geeignete Wahl und Berechnung dieser Größen können Einrichtungen aufgebaut werden, die mit jeweils gewünschten Geschwindigkeiten und Drucken die Infusions- oder Injektionsspritze antreiben. - Nach dem van′t Hoffschen Gesetz läßt sich berechnen, daß zum Beispiel bei Anwendung einer 0,9%igen Kochsalz-Lösung als Fluid höherer Konzentration und von destilliertem Wasser als Fluid niedrigerer Konzentration bei einer Temperatur von 37°C ein osmotischer Antriebsdruck von 7,39 · 10 Pa bzw. 7,93 bar erzeugt wird. Das entspräche einer Wassersäule von etwa 80 m.The osmotic volume increase over time is according to the known physical Law of the permeability properties of the semipermeable membrane, its Diameter and surface area, as well as the concentration difference between the two Fluids dependent on both sides of the membrane. By appropriate choice and calculation of this Sizes can be built up to fit any desired facility Drive the infusion or hypodermic syringe at speeds and pressures. - After this van′t Hoff's law can be calculated that, for example, when using a 0.9% saline solution as a fluid of higher concentration and of distilled water as a fluid of lower concentration at a temperature of 37 ° C an osmotic Driving pressure of 7.39 · 10 Pa or 7.93 bar is generated. That would correspond to one Water column of about 80 m.

Werden aus Zuverlässigkeitsgründen relativ hohe Antriebsdrucke gewählt und will man einer rascheren Diffusion wegen möglichst geringe Membranwandstärken benützen, dann wird man vorteilhafterweise als Trenn-Membran Kapillarschläuche verwenden. Diese tolerieren nach dem Laplace Gesetz der Physik (Fig. 2) mit jeweils niedrigerem Innendurchmesser jeweils höhere osmotische Drucke.If, for reasons of reliability, relatively high drive pressures are selected and if one wants to use a faster diffusion because the membrane wall thickness is as small as possible, then capillary tubes are advantageously used as the separating membrane. According to the Laplace law of physics ( Fig. 2), these tolerate higher osmotic pressures, each with a smaller inner diameter.

Solche Kapillar-Membranmodule sind vorteilhafterweise in der z. B. aus der Technik der medizinischen Dialyse bekannten Art als Bündelung parallel zueinander geschalteter Kapillaren aufzubauen. Fig. 3 zeigt das Prinzipschema eines solchen Moduls als Querschnittsskizze: Über die Öffnung (1) gelangt das Fluid niedrigerer Konzentration (z. B. destilliertes Wasser) in einen Raum, durch welchen schlauchförmige und semipermeable Membranen (4) ziehen. Im Vorratsraum (2) und in den Schläuchen (4) befindet sich das Fluid höherer Konzentration. Dieses Fluid erfährt durch osmotische Wasseraufnahme eine Volumenzunahme. Das vergrößerte Volumen kann über den Auslaß (3) und eine geeignete Einrichtung (z. B. einen Kolben) Arbeit leisten.Such capillary membrane modules are advantageously in the z. B. from the technology of medical dialysis known type as bundling parallel connected capillaries. Fig. 3 shows the basic diagram of such a module as a cross-sectional sketch of: via the opening (1) passes the fluid of lower concentration (e.g., distilled water.) In a space through which pull and tubular semipermeable membranes (4). The fluid of higher concentration is located in the storage room ( 2 ) and in the hoses ( 4 ). This fluid experiences an increase in volume due to osmotic water absorption. The increased volume can work via the outlet ( 3 ) and a suitable device (e.g. a piston).

Die Inbetriebnahme der Infusionseinrichtungen erfolgt z. B. dadurch, daß ein Fluid niedrigerer (höherer) Konzentration mittels bekannter Einrichtungen, wie Injektion, Öffnung eines Hahnes etc. an die semipermeable Membran gebracht wird, die es vom Fluid höherer (niederer) Konzentration trennt. Die Fig. 4 bis 7 zeigen schematisch den Ablauf der Funktion einer osmotisch angetriebenen Infusionseinrichtung:Commissioning of the infusion equipment takes place e.g. B. by bringing a fluid of lower (higher) concentration to the semipermeable membrane by known means, such as injection, opening a tap, etc., which separates it from the fluid of higher (lower) concentration. Figs. 4 to 7 show schematically the sequence of the function of an osmotically-driven infusion device:

So wird in Fig. 4 der das Fluid niedrigerer Konzentration (2) enthaltende Zylinder (1) einer osmotisch betriebenen Injektionseinrichtung solange herabgedrückt, bis die Luft im Raum (5) über den Auslaß (6) entwichen und das Fluid durch die Öffnungen (4) in den Raum (5) gelangt ist. Das Fluid (2) (z. B. destilliertes Wasser) diffundiert danach aufgrund osmotischer Kräfte durch die Wand der Kapillaren (8) (vgl. Fig. 6 und 7) in denen sich das Fluid höherer Konzentration (7 in Fig. 5 u. 6) befindet. Dies führt zu einer Volumenausdehnung des höher konzentrierten Fluids (9 in Fig. 6 u. 7). Dadurch wird der Kolben (11 in Fig. 6 u. 7) vorgetrieben und verdrängt die Injektionslösung (12 in Fig. 6) aus dem Spritzenzylinder (10 in Fig. 5) über den Kanülenansatz (13 in Fig. 6) und die Injektionskanüle (14 in Fig. 7) schließlich in die Blutader oder das Gewebe eines Patienten.In Fig. 4 the cylinder ( 1 ) containing the fluid of lower concentration ( 2 ) of an osmotically operated injection device is pressed down until the air in the room ( 5 ) escapes via the outlet ( 6 ) and the fluid through the openings ( 4 ) has entered the room ( 5 ). The fluid ( 2 ) (e.g. distilled water) then diffuses due to osmotic forces through the wall of the capillaries ( 8 ) (see FIGS. 6 and 7) in which the fluid of higher concentration ( 7 in Fig. 5 u. 6) is located. This leads to a volume expansion of the more highly concentrated fluid ( 9 in FIGS. 6 and 7). As a result, the plunger ( 11 in FIGS. 6 and 7) is advanced and displaces the injection solution ( 12 in FIG. 6) from the syringe barrel ( 10 in FIG. 5) via the cannula attachment ( 13 in FIG. 6) and the injection cannula ( 14 in Fig. 7) finally into a patient's artery or tissue.

Die Inbetriebnahme einer nach Anspruch 4 total in den Organismus implantierbaren miniaturisierten Einrichtung kann z. B. auch dadurch erfolgen, das von außen (durch die Haut) ein Druck auf den Vorratsbehälter für das Fluid niedrigerer Konzentration ausgeübt wird, durch den eine flüssigkeitsundurchlässige Trennschicht gesprengt wird, welche das Fluid gegenüber seinem Reaktionsraum isoliert gehalten hat. Solche Einrichtungen werden dort von Vorteil sein, wo es in Gefahrensituationen (z. B. Katastrophenfälle mit Giftgas einwirkungen) darauf ankommt, alsbald und über längere Zeit ein Gegengift (Antidot) zu injizieren.The commissioning of a totally implantable in the organism according to claim 4 miniaturized device can e.g. B. also done by the outside (by the Skin) exerted pressure on the reservoir for the fluid of lower concentration through which a liquid-impermeable separating layer is blown up, which the Has kept fluid isolated from its reaction space. Such facilities will be be of advantage where there is a danger situation (e.g. catastrophic events with poison gas effects), an antidote (antidote) soon and for a long time inject.

Durch die Wahl der Konzentrationen der Fluide ist es möglich, auch nichtlineare Injektionsvorschübe zu erhalten. Dies wird bereits dann der Fall sein, wenn als volumenexpandierendes Fluid ein solches gewählt wird, das z. B. als Salzlösung vorliegt, d. h. nicht als Salz in seiner gesättigten Lösung. Hier wird nach den bekannten physikalischen Gesetzen die Volumen- und/oder Druckzunahme über die Zeit im Antriebsteil der Pumpe einer Exponentialfunktion folgen. Das heißt, nachdem anfänglich viel Lösung oder Substanz in den Empfängerorganismus injiziert wurde, nimmt diese Menge über die Zeit allmählich ab. Dies würde einem in der Medizin häufig erwünschten "Sättigungsverhalten" entgegenkommen.By choosing the concentrations of the fluids, it is also possible to use non-linear ones Get injection feeds. This will already be the case if as volume-expanding fluid is chosen such that z. B. is present as a saline solution, d. H. not as a salt in its saturated solution. Here after the well-known physical laws the volume and / or pressure increase over time in the Drive part of the pump follow an exponential function. That is, after initially if a lot of solution or substance is injected into the recipient organism, it takes it Amount gradually decreases over time. This would often be desirable in medicine "Saturation behavior" to accommodate.

Größere und aber auch einfache osmotische Antriebsaggregate nach Anspruch 18 lassen sich (zum Beispiel im Intensivmedizinischen Bereich) besonders dort vorteilhaft einsetzen, wo die Antriebsenergie für andere Infusionspumpenprinzipien (z. B. elektrische Energie) entweder gar nicht vorhanden bzw. störanfällig geworden ist (z. B. in Katastrophengebieten oder an Plätzen ohne Energieversorgung). Andererseits wird man sie dort einsetzen, wo dem Patienten (z. B. bei selbstkontrollierter Behandlung) die Bedienung komplizierterer Infusionseinrichtungen nicht zugemutet werden kann.Larger and also simple osmotic drive units according to claim 18 can be particularly advantageous there (for example in intensive care) use where the drive energy for other infusion pump principles (e.g. electrical Energy) either does not exist at all or has become susceptible to faults (e.g. in Disaster areas or in places without energy supply). On the other hand, you become them use where the patient needs to operate (e.g. in the case of self-controlled treatment) more complex infusion facilities cannot be expected.

Alle Infusionsspritzen bzw. -pumpen der hier angegebenen Art lassen sich (im Gegensatz zu elektromotorisch angetriebenen Infusionseinrichtungen) zweckmäßigerweise vollständig aus Kunststoffen (z. B. auch als Einmal-Artikel) aufbauen.All infusion syringes or pumps of the type specified here can be (in In contrast to electric motor-driven infusion devices) expediently completely made of plastics (e.g. also as a disposable item).

Claims

1. Establishment of a medical pump and / or injection syringe for the slow infusion of solutions and / or dissolved medication into a blood vein or other tissues and / or organs of the patient, characterized in that the pump is driven by salination forces, with two fluids of different concentration one side of a partition made up of semipermeable tubes or capillaries, and the fluid of higher concentration is diluted due to the osmotic absorption of solvent from the fluid of lower concentration with an increase in volume, the osmotic pressure generated being passed as working pressure to the space behind the pump piston and propels it proportionally to the volume and / or pressure increase of the fluid of higher concentration.

2. A medical pump and / or hypodermic syringe device according to claim 1, characterized in that all means for producing the osmotic Working pressure in the rear part of the cylinder one of the known materials assembled syringe are permanently installed.

3. A medical pump and / or hypodermic syringe device according to claim 1, characterized in that the means for generating the osmotic Working pressure are built up as a module and instead of the usual syringe plunger in the Cylinder of a hypodermic syringe can be installed for use.

4. A medical pump and / or hypodermic syringe device according to claim 1 and 2, characterized in that after production from suitable known Materials and in appropriate dimensioning surgically into the organism of a Patients and / or users can be implanted.

5. A medical pump and / or hypodermic syringe device according to claim 1, 2 and 3, characterized in that the generation of the osmotic working pressure in one separately arranged arrangement is made and by pressure hose connection The infusion pump has the working pressure required to propel the pump piston delivers.

6. A medical pump device according to claim 1, 2, 3 and 4, characterized characterized in that in the space of the fluid of higher concentration there is a salt in its saturated solution, which is the osmotic transfer of fluid lower concentration is solved by the semipermeable membrane and thereby the concentration of the solution even as the volume increases on this side of the Membrane keeps constant for a long time.

7. A medical pump and / or hypodermic syringe device according to claim 1, 2, 3, 4 and 5, characterized in that substance solutions are used as fluids.

8. A medical pump and / or hypodermic syringe device according to claim 1, 2, 3 and 4, characterized in that on one side of the semipermeable Partition as a low concentration fluid serum, intercellular fluid or others A patient's body fluids are used.

9. A medical pump and / or hypodermic syringe device according to claim 1, 2, 3, 4, 5 and 6, characterized in that on one side or on both sides of the semi-permeable partition wall can be used as fluids pure substances.

10. A medical pump and / or hypodermic syringe device according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6 and 7, characterized in that the semipermeable membrane and / or Partition is tubular or tubular.

11. A medical pump and / or hypodermic syringe device according to claim 9, characterized in that the tubes or hoses as a tube or hose bundle are trained.

12. A medical pump and / or hypodermic syringe device according to claim 9 and 10, characterized in that the tube or hose walls from a pure Fabric or a composite material are formed.

13. A medical pump and / or hypodermic syringe device according to claim 1 to 12, characterized in that the initially more concentrated fluid after its Dilution and subsequent depressurization in the pump and / or injection syringe fed to another semi-permeable partition and there with another part concentrated fluid and then connected to another pump or Injection syringe to reduce the work capacity created by osmosis processes is fed.

14. A medical pump and / or injection syringe device according to claim 13, characterized in that another pump in the injection work pump itself diluting fluid of higher concentration to form a stationary operation continuously updated.

15. A medical pump and / or hypodermic syringe device according to claim 1 to 14, characterized in that the fluid of higher concentration in the range of semi-permeable partition in countercurrent to the fluid of lower concentration becomes.

16. A medical pump and / or hypodermic syringe device according to claim 14 and 15, characterized in that the osmotically operated pump consists of two cylinders and two pistons with the known arrangement of known valve devices so is designed that the pump for the purpose of stationary operation as an alternating stroke pump is constructed.

17. A medical pump and / or hypodermic syringe device according to claim 1 to 16, characterized in that in the or the pump piston, the hose or Tube bundle of the semi-permeable partition is integrated.

18. A medical pump and / or hypodermic syringe device according to claim 5 (and 1 to 12), characterized in that the generation of the osmotic Working pressure takes place in a separate arrangement of an infusion device with several injection syringes of the same size and / or different sizes with connected ones Catheter tubes are equipped and the same for driving the pump pistons supplies the required working pressure.