NO155349B - Membran av en polykarbonat-polyeter-blokkopolymer, membranets fremstilling og anvendelse. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et membran i form av

en flat folie, slangefolie eller hultråd av en polykarbonat-polyeter-blokk-kopolymer. Oppfinnelsen angår videre en fremgangsmåte for fremstilling av slike membraner og disses anvendelse.

Denslags membraner er allerede kjent. Således beskriver DE-OS 2713283 en slik polykarbonat-polyeter-blokk-kopoly-mermembran, hvis egenskaper i det vesentlige er rettet mot at de ved relativt lav ultrafiltreringshastighet oppviser en relativt høy dialytisk permeabilitet for vitamin B 12. Grense-viskositetene som gir seg fra de angitte molekylvekter ligger under 170 ml/g og for ultrafiltreringshastigheten skal det overholdes verdier som ligger under 4 ml/time.m 2.mm Hg. De mekaniske egenskaper for slike membraner er kun lite tilfreds-stillende .

I den senere tid er hemofiltrering innført som be-handlingsmetode for dialysepasienter som lider under høyt blod-trykk. For reinfusering av større væskemengder i menneskets blodkretsløp trenger man for dialysebehandlingen membraner som har en høy hydraulisk permeabilitet.

Membraner av polykarbonat-polyeter-kopolymerer ble

til nu fremstilt (se f.eks. US-PS 4048271 og DE-OS 2711498)

ved påføring av en fortynnet polymeroppløsning som inneholdt et materiale for dannelse av porene på en overflate med derpå følgende delvis fordamping av oppløsningsmidlet. Etter den delvise fordamping av oppløsningsmidlet ble membranet behand-

let i et vannbad. Etter vaskingen ble membranet lagret i en kunststoffpose eller en annen beholder som inneholdt vann og et steriliseringsmiddel (f.eks. formaldehyd).

US-PS 4.160.791 beskriver et assymetrisk membran slik det vanligvis oppstår ved membrandannelse via faseinversjons-metoden. For ultrafiltreringshastighetene angis verdier under 10,4 ml/t.m 2.mm.Hg, hvorved den dialytiske permeabilitet sti-ger meget sterkt med stigende ultrafiltreringshastighet, spesielt ved middelmolekylene. Membranet underkastes ingen tørk-ing men lagres under tilsetning av formaldehyd i en tilsveiset polyetylenpose.

US-PS 3.945.926 beskriver et hudfritt, mikroporøst membran for mikrofiltrering, ultrafiltrering eller elektrofo-rese med porevolumer på mere enn 50%, fremstilt av polykarbonater og kopolymerer av polykarbonater med polyalkylen-oksyder i henhold til tørrprosessen.

Tilforming til membran skjer ved tørking der det nødvendigvis opptrer vesentlig større porer, slik at mole-kylsperregrensen ligger langt over 10.000 dalton. Den angitte grenseviskositet utgjør 75 til 190. Publikasjonen gir ingen henvisning til hvilke molekylærvektssperregrenser slike høy-porøse membraner skal ha, heller ingen henvisninger til dialytiske eller hydrauliske permeabiliteter, noe som gjør at man kan slutte at anvendelsesområdet på grunn av den mikro-porøse struktur ikke omfatter dialyse.

Foreliggende oppfinnelse har til oppgave å frembringe membraner av polykarbonat-polyeter-kopolymerer som har en høy ultrafiltreringsytelse UFL og som i tørr tilstand er lagringsdyktig og som godt kan behandles. Videre var det en gjenstand for oppfinnelsen å frembringe en teknologisk forenklet fremgangsmåte for umiddelbart å fremstille slike membraner.

Oppfinnelsen angår også anvendelse av slike membraner for hemodialyse og hemofiltrering.

Som antydet ovenfor har foreliggende oppfinnelse til hensikt å forbedre denukjente teknikk og angår derfor et membran i form av en flat folie, slangefolie eller hultråd av en polykarbonat^polyeter-blokk-kopolymer med 5-35 vekt-% repeterende alkyleneterkarbonatenheter i polyetylenoksydblokker med en midlere molekylvekt på mer enn 1000 og 95 til 6 5 vekt-% repeterende bisfenol-A-karbonatenheter, og dette membran karakteriseres ved at midlere molekylvekt for polyetylenoksydblokkene utgjør 1000 til 20000, at strukturen til membranet er isotrop og hudfri, at grenseviskositeten for kopolymeren utgjør 180-300 ml/g, målt i kloroform ved 25°C, og ultrafiltreringshastigheten utgjør 4-200 ml/time.m 2.mm.Hg;

og at membranet er fremstilt ved ekstrudering av en oppløs-ning av polykarbonat-polyeter-blokk-kopolymeren i Y~t>utyr-olakton i et ikke-oppløsningsmiddel.

Ultrafiltreringshastigheten for membranet bestemmes ved måling av det væskevolumet som ved gitt trykkforskjell og en temperatur på 20°C går gjennom membranet i en apparatur med fastlagt membranflate og som for generell sammenlignbarhet er normert på flateenhet, tidsenhet og trykkenhet. Som væske anvendes vann. Denne metode er beskrevet i "Evaluation of Hemodialyzers and Dialysis Membranes" fra U.S. Department of Health, Education and Welfare, DHEW publikasjonen nr. (NIH) 77-1294, side 24-26.

Fortrinnsvis utgjør tallmessig den dialytiske permeabilitet for vitamin B 12 (målt ved 20°C) for membranet ifølge oppfinnelsen,avhengig av ultrafiltreringsytelsen^DLg^ = (2,5+ 0,25) y UFL. Ultrafiltreringsytelsen UFL har dimensjonen ml/min. " kp . Ultrafiltreringsytelsen gir seg fra ultrafiltreringshastigheten i ml/time.m 2.mm Hg ved divisjon med fakto-ren 815, det vil altså si at en ultrafiltreringshastighet UFR på 4 ml/time.m 2.mm Hg tilsvarer en ultrafiltreringsytelse UFL på 4,9 <*> 10 _3 ml/min. kp. Den formelmessig angitte sammenheng mellom UFL og dialytisk permeabilitet for vitamin B 12 (DLB22^ gjelder kun tallmessig og ikke i dimensjonene. Den ble bestemt ved regresjon.

Den dialytiske permeabilitet er ved dialysemembraner

en målestokk for membranet permeabilitet for oppløste stoffer og er i tillegg til membranet avhengig av molekylvekten for de oppløste stoffer. Som prøvestoff for uremigifter i området for en midlere molekylvekt på 500 til 3000 benyttes for å bedømme

hvorvidt et membran kan brukes,en oppløsning av 100 mg/l vitamin B 12 for å bestemme den midlere molekylgjennomslippelighet. Man måler den diffusive trykkeløse konsentrasjonsendring for

to forskjellig konsentrerte utgangsoppløsninger på begge sider av membranet i avhengighet av tiden. Den midlere molekylgjennomslippelighet beregnes så etter etterfølgende ligning ved anvendelse av en vitamin B 12-oopløsnina.

A C, = målt konsentrasjonsdifferanse mellom de to

membransider på tidspunktet t-^

A = membranflate

Va + Vb = volum av de to kammere som er skilt av

membranet.

Denne metode er likeledes beskrevet i "Evaluation of Hemodialyzers and Dialysis Membranes" fra U.S. Department of Health, Education and Welfare, DHEW publikasjonen nr. (NIH) 77-129 4, side 14 til 15 for måling av flate- og slangemembraner og side 20 for måling av hultråder.

En spesiell utførelsesform av oppfinnelsen er karakterisert ved at polykarbonat-polyeter-konolymeren er bygget opp av 7 til 13 vekt-% tilbakevendende polyetylenoksydkarbonatenheter og 93-87 vekt-% tilbakevendende bisfenol-A-karbonatenheter og at den midlere molekylvekt for polyetylenoksydblokkene utgjør 6000 til 10.000. Med midlere molekylvekt forstås her vektmidlet.

En slik membran kan fordelaktig tørkes uten noe etter-behandlingsmiddel slik som f.eks. glyserol, uten at strukturen i membranen faller sammen. Membranen er karakterisert ved at innholdet av hjelpe- og fremmedstoffer utgjør mindre enn 0,5 vekt-%.

Slike membraner kan man påvirke strukturene på fordelaktig måte slik at disse oppviser en ennu høyere ultrafiltre-ringshastihet i forholdet til vitamin B 12-permeabiliteten. Fortrinnsvis utgjør tallmessig den dialytiske permeabilitet for vitamin B 12 (målt ved 20°C) for en slik membran, avhengig av ultrafiltreringsytelsen,DLD1 = 1,3 + 0,2 UFL.

DXZ —

Som nevnt ovenfor angår foreliggende oppfinnelse

også en fremgangsmåte for fremstilling av de ovenfor beskrevne membraner og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at man ved en temperatur av 80 til 120°C i et første oppløsningstrinn homogent blander en polykarbonat-polyeter-blokk-kopolymer med 5 til 35 vekt-% repeterende alkyleneterkarbonatenheter i polyetylenoksydblokker med en midlere molekylvekt på 1000-20.000 og 95-65 vekt-% repeterendebisfenol-A-karbonatenheter, hvilken koDolvmer har en .arennevl sknsi tp. t. nå 180-300 mg/l, målt i kloroform ved 25UC, med y-butyrolakton og deretter nv<p>rfrtrer det hele i et andre opp-

løsningstrinn ved 140-180°C i mindre enn 10 min. til en ekte oppløsning, og etter filtrering, avkjøler til 20-50°C, at denne oppløsning ekstruderes gjennom en dyse til et bad som inneholder et ikke-oppløsningsmiddel for polymeren til en slangefolie, flat-folie eller hultråd, og ved hjelp av vaske- og behandlingsbad vasker disse oppløsningsmiddelfrie til påvisningsgrensen og så tørker under krympehindring i lengde- og tverretning.

For flatfolier og slangefolier anvendes vanlige sliss-og ringdyser slik man kjenner dem f.eks. fra flat- og slange-foliefremstilling i henhold til cuoxammetoden. For hultråder anvendes vanlige hultråddyser slik de f.eks. er beskrevet i DE-PS 736721. Som hulromdannende væske har spesielt butyl-stearat vist seg gunstig. Andre inerte væsker kan benyttes på samme måte. Dysene befinner seg vanligvis under overflaten av badet som inneholder ikke-oppløsningsmidlet. Det er imidlertid også mulig å la polymeroppløsningen først gjennomløpe en luftstrekning for å kunne ha arbeide med større dysedimen-sjoner.

Mens støpefolier hyppig dannes av mere fortynnede poly-meroppløsninger ved delvis fordamping av oppløsningsmidlet,ar-beides det ifølge oppfinnelsen med relativt konsentrerte opp-løsninger. Fortrinnsvis blir polykarbonat-polyeter-blokkopoly-merene og y-butyrolaktam i det første oppløsningstrinn blandet i et vektforhold på 10:90 til 20:80.

På grunn av anvendelsen av y-butyrolaktam som oppløs-ningsmiddel og utfelling i et ikke-oppløsningsmiddel lykkes det meget overraskende å oppnå porøse membraner som oppviser fremragende mekaniske egenskaper ved gode dialyse- og ultra-filtreringsyteiser, uten at det er nødvendig med hjelpestoffer for å oppnå strukturen. Ved hjelp av fremgangsmåtebetingelsene kan man oppnå en ønsket struktur innen vide rammer.

En tilstrekkelig hurtig overgang for ybutyrolakton-polykarbonat-polyeter-kopolymerblandingen til en homogen gellignende blanding oppnås når på foretrukket måte temperaturen gitt av første oppløsningstrinn utgjør 100 til 110°C.

Temperaturen i det andre oppløsningstrinn bør ikke over-skride 180°C fordi det ellers består fare for en termisk beska-digelse av kopolymeren, noe som fører til ugunstige membranegen-skaper. Den i dette oppløsningstrinn ønskede overgang for den i det første trinn oppnådde gellignende oppløsning til en ekte oppløsning oppnås med relativt kort oppholdstid når temperaturen i det andre trinn utgjør 150 til 170°C.

Ikke-oppløsningsmidler slik det her er ment er slike væsker som kopolymeren ikke oppløses i og som er blandbart med oppløsningsmidlet y-butyrolakton i et hvilket som helst forhold. Til disse hører f.eks. lavtkokende ketoner og melkesyreetyl-ester,

Et foretrukket ikke-oppløsningsmiddel er vann som er fremragende egnet.

Andre foretrukne ikke-oppløsningsmidler er alkoholer blandt hvilke spesielt etylalkohol er foretrukket fordi man her ikke behøver å frykte giftighet av gjenværende alkoholrester mens en slik fare ikke kan utelukkes når det gjelder metylalko-hol.

Ikke-oppløsningsmidlene kan inneholde tilsetningsstoffer slik som f.eks. salter og andre elektrolytter, glyserol, y-butyrolakton og lignende.

Vaske- og behandlingsbad er slike som som vesentlig be-standdel inneholder et ikke-oppløsningsmiddel. Generelt blir membranet i et siste behandlingsbad behandlet med en vandig eller alkoholisk glyseroloppløsning. Glyseroloppløsningen kan imidlertid også fordelaktig sprøytes på eller trykkes på.

Vesentlig for tørkingen av membranet er at dette skjer under krympehindring i lengde- og tverretningen. Dette betyr ved tørking av flate- og slangefolier at flateinnholdet av overflaten av membranen ikke forandrer seg, bare membranens tykkelse. Ved tørking av hultråder endrer de indre dimensjoner og lengden seg ikke fordi dette forhindres på grunn av den hulromdannende væske og trådspenningen ved gjennomløp gjennom en tørker.

Flatefolier tørkes fortrinnsvis på et bånd som løper gjennom en tørker.

Krympehindringen oppnås ved at folien festes langs kantene på båndet, fortrinnsvis ved klemanordninger. En spesielt gunstig form for krympehindring oppnås ved at den tilveie-.bringes ved adhesjon mellom membranfolien og båndet. Membranfolien holdes på grunn av adhesjonen så fast til båndets totale flate at den ikke kan krype i lengde-og tverretning. Etter tørking kan folien på enkel måte tas av båndet.

Avgjørende for virkningen er materialet som båndet

er laget av og overflatebeskaffenheten. Et bånd av en polyetylentereftalatfolie har vist seg gunstig.

Oppfinnelsen skal illustreres nærmere ved de følgende eksempler:

Til en oppvarmbar 40 1-beholder med rørverk settes

ved romtemperatur og under hurtig omrøring til 15,55 kg y-butyrolakton 2,325 kg av en polykarbonat-polyeter-kopolymer som inneholder bisfenol-A og polyetylenglykol med en midlere molekylvekt på 10.000 i et vektforhold på 90% : 10%, beregnet på karbonatenhetene, og som oppviser en grenseviskositet på 20 0, slik at konsentrasjonen utgjør 13%. Man oppvarmer det hele til 100 til 110°C hvorved man oppnår en fremdeles gellignende oppløsning. Denne avluftes i vakuum og blir ved hjelp av to tannhjulspumper hvorav den ene arbeider som trykk- hen-holdsvis målepumpe til homogenisering i en dynamisk blander. Deretter blir oppløsningen oppvarmet i en oppvarmbar rørledning med dobbeltkappe til ca. 160°C hvorved det oppstår en klar gel-fri oppløsning. For å oppnå bedre varmeoverføring er det i rør-ledningen bygget statiske blandeorganer. Oppholdstiden i denne varmesone utgjør 7 minutter. Den varme oppløsning føres deretter til en filtreringsenhet og filtreres der over vevnadssjikt.

Til slutt blir det hele avkjølt i en kjølesone til temperaturer under +50°C og finfiltrert in-line over 2 ym metallvevnadsfil-teret. Den.klare, avluftede og filtrerte støpeoppløsning som oppviser en kinematisk seighet på 92,5 Pa.s ved 20°C føres til slutt til en slissdyse med en slissbredde på 50 cm og hvis spalt er innstilt til 120 ym.

Ved felling i vann av romtemperatur oppnås det et membran med en våttykkelse på 40 ym som i transmisjonselektron-mikroskop ikke engang ved en forstørrelse på 80.000:1 oppviser signifikante strukturforskjeller over hele tykkelsen og som således må betegnes som isotrop. Med dette skal det også gis uttrykk for at de således dannede membraner ikke får sine ultra-filtrerende egenskaper bestemt på grunn av en slags "hud" på overflaten, men på grunn av hele utfellingsstrukturen. I en vaskebane blir så de oppnådde membraner vasket frie for y-butylrolakton inntil det ikke lenger er mulig å påvise denne forbindelse i en gasskromatograf og til slutt tørkes folien.

Vanligvis skjer tørkingen på den nedenfor beskrevne

måte.

De ennu våte membraner føres gjennom et bad av 25°C som f.eks. inneholder 35% glyserol, 10% vann og 55% etylalkohol. Oppholdstiden utgjør ca. 1 minutt. Etter å ha forlatt badet føres membranen gjennom et valsepar for å oppnå en definert folie og deretter føres badet til overflaten av et i en tørke-kanal omløpende tett bånd som er av en slik beskaffenhet at membranet under tørkeprosessen hefter fast til underlaget og ikke kan krympe hverken i tverr- eller langsretningen.

En tørkeprosess uten denne krympehindring fører til en drastisk forringelse av membranets ytelsesdata. Etter tørking må membranet være lett avløsbar fra båndunderlaget. Som bånd-materiale anvendes en polyetylentereftalatfolie "Melinex".

Her kan imidlertid også anvendes andre folier, f.eks. også metall-folier med en definert ruhetsdybde.

Avhengig av polymersammensetningen kan det våte membran også umiddelbart, dvs. uten bad av glyserol, vann og etylalkohol, tørkes på samme måte. Man behøver derved ikke å frykte at en fjerning av vannet fra membranmaterialet fører til en kollabering og at membranets ytelsesdata sterkt påvirkes ugun-stig.

Avgjørende for valg av prosess er sammensetningen i den polymer som benyttes for membranfremstillingen og således er den sistnevnte type tørking mulig ved slike polykarbonat-polyeter-kopolymerer av 7 til 13 vekt-% tilbakevendende polyetylenoksydkarbonatenheter og 93 til 87 vekt-% tilbakevendende bisfenol-A-karbonatenheter der polyetylenoksydblokkene har en midlere molekylvekt på 6000 bil 10.000.

De tørkede membraner ifølge oppfinnelsen blir til slutt sterilisert ved bestråling med y-stråler, f.eks. fra en kobolt-60-strålingskilde. Overraskende har det vist seg etter en bestråling med 2,5 Mrad hadde rivfastheten i langsretningen steget ca. 50% fra omtrent 800 cN til over 1200 cN mens utvidel-sen var steget fra 100% til 430 - 500%, altså til det 4- til 5-dobbelte. Det ble målt prøver med lengre enn 100 mm og med irmspenningsbredde på 15 mm med 500 mm/min. utvidelseshastighet under anvendelse av et egnet apparat.

I de etterfølgende tabeller er anført resultater av målinger på forskjellig membraner ifølge oppfinnelsen. Tabell I viser UFL-avhengigheten av polymersammensetningen og forskjellig innflytelsesstørrelser ved membranfremstillingen.

Tabell II viser måleresultater for enkelte av disse membraner A etter umiddelbar tørking ved 60°C og 3 minutters oppholdstid i tørker uten foregående etterbehandling.

Tabell III viser måleresultater av i tabell I utførte membraner etter tørking med foregående etterbehandling. Oppholdstiden i tørkeren i hvert tilfelle 3 minutter.

Ved hjelp av målinger av den dialyttiske permeabilitet for inulin (midlere molekylvekt = 5200) og cytokrom C(midlere molekylvekt 13500) ble det fastslått at grensen fra membraner ifølge oppfinnelsen lå ved en molekylvekt på ca. 10.000.

Claims (18)

1. Membran i form av en flat folie, slangefolie eller hultråd av en polykarbonat-polyeter-blokk-kopolymer med 5-35 vekt-% repeterende alkyleneterkarbonatenheter i polyetylenoksydblokker med en midlere molekylvekt på mer enn 1000 og 95 til 65 vekt-% repeterende bisfenol-A-karbonatenheter, karakterisert ved at den midlere molekylvekt for polyetylenoksydblokkene utgjør 1000 til 20000, at strukturen til membranet er isotrop og hudfri, at grenseviskositeten for kopolymeren utgjør 180-300 ml/g, målt i kloroform ved 25°C, og ultrafiltreringshastigheten ut-gjør 4-200 ml/time.m 2.mm.Hg; og at membranet er fremstilt ved ekstrudering av en oppløsning av polykarbonat-polyeter-blokk-kopolymeren i y-butyirolakton i et ikke-oppløsnings-middel .

2. Membran ifølge krav 1, karakterisert ved at den dialytiske permeabilitet for vitamin B12, målt ved 20°C, i avhengighet av ultrafiltreringsytelsen ut-gjør DLB12 = (2,5+0,25) VUFL.

3. Membran ifølge krav 1, karakterisert ved at polykarbonat-polyeter-kopolymeren er bygget opp av 7-13 vekt-% repeterende polyetylenoksydkarbonatenheter og 93-87 vekt-% repeterende bisfenol-A-karbonatenheter, og at den midlere molekylvekt for polyetylenoksydblokkene ut-gjør 6000 til 10000.

4. Membran ifølge krav 3, karakterisert ved at innholdet av hjelpe- og fremmedstoffer er mindre enn 0,5 vekt-%.

5. Membran ifølge krav 4, karakterisert ved at den dialytiske permeabilitet for vitamin B12, målt ved 20°C, i avhengighet av ultrafiltreringsytelsen, tallmessig utgjør DLfi12 = (1,3+0,2) \/ UFL.

6. Fremgangsmåte for fremstilling av membraner i henhold til kravene 1-5, karakterisert ved at man ved en temperatur av 80-120°C i et første oppløsnings-trinn homogent blander en polykarbonat-polyeter-blokk-ko<p>olvmer med 5-35 vekt-% repeterende alkyleneterkarbonatenher i polyetylenoksydblokker med en midlere molekylvekt på 1000-20.000 og 95-65 vekt-% repeterende bisfenol-A-karbonatenheter, hvilken kopolymer har en grenseviskositet på 180-300 ml/g, målt i kloroform ved 25°C, med y-butyrolakton og deretter overfører det hele i et andre opp-løsningstrinn ved 140-180°C i mindre enn 10 min. til en ekte opp-løsning, og etter filtrering, avkjøler til 20-50°C, at denne opp-løsning ekstruderes gjennom en dyse til et bad som inneholder et ikke-oppløsningsmiddel for polymeren til en slangefolie, flate-folie eller hultråd, og ved hjelp av vaske- og behandlingsbad vasker disse oppløsningsmiddelfrie til påvisningsgrensen og så tørker under krympehindring i lengde og tverretning.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at polykarbonat-polyeter-blokk-kopolymeren og y-butyrolakton blandes i vektforholdet 10:90 til 20:80.

8. Fremgangsmåte ifølge kravene 6 og 7, karakterisert ved at temperaturen i det første oppløsningstrinnet utgjør 100-110°C.

9. Fremgangsmåte ifølge kravene 6-8, karakterisert ved at temperaturen i det andre oppløsningstrinn ut- gjør 150-170°C.

10. Fremgangsmåte ifølge kravene 6-9, karakterisert ved at man som ikke-oppløsningsmiddel benytter vann.

11. Fremgangsmåte ifølge kravene 6-9, karakterisert ved at man som ikke-oppløsningsmiddel anvender alko- hol.

12. Fremgangsmåte ifølge kravene 6-11, karakterisert ved at ikke-oppløsningsmidlet inneholder salter og/ eller glyserol og/eller y-butyrolakton som tilsetningsmiddel.

^13. Fremgangsmåte ifølge kravene 6-12, karakterisert ved at man ved fremstilling av en flatfoliemembran tørker den våte, oppløsningsmiddelfrie vaskede folie i en tørker på et omløpende bånd.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakteri-5sert ved at krympehindringen oppnås ved sideveis festing av folien på båndet.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved at krympehindringen oppnås ved adhesjon av membranfolien på båndet.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at båndet består av en polyetylentereftalatfolie.

17. Anvendelse av membranet ifølge kravene 1-5 for hemodialyse.

18. Anvendelse av membranet ifølge kravene 1-5 for hemofiltrering.