Dialyseur et procédé pour sa fabrication
La présente invention a pour objets un dialyseur, et un procédé pour sa fabrication.
On connaît un dialyseur comprenant plusieurs membranes minces fixées à des bâtis de support qui sont empilés et maintenus rigidement ensemble. On connaît également un dialyseur comprenant des feuilles à rainures d'une matière semi-perméaNe empilées de manière que les rainures d'une feuille forment un angle par rapport aux rainures delta feuille adjacente. Dans ce cas, on fait passer le liquide à dialyser dans les rainures, on fait passer la solution dialysante dans les rainures disposées dans l'autre direction de manière à établir ainsi des couches alternatives de liquide à dialyser et de solution dialysante.
Dans la dialyse, I'épaisseur et la perméabilité du milieu semi-pernéable séparant le liquide à dialyser et la solution dialysante sont choisies selon la grosseur des molécules des impuretés devant être éliminées par dialyse. Le milieu doit être perméable en ce qui concerne les molécules d'impuretés devant être transférées dans la solution dialysante et non perméable pour les autres molécules. Dans les reins artificiels, les membranes de perméabilité élevée ayant une épaisseur de l'ordre de 2,5 X 10 : 3 cm ou moins sont préférées pour obtenir un transfert efficace de l'urée et/ou d'autres molécules comprenant de l'eau à partir du sang dans la solution dialysante.
Bien que l'on utilise de préférence pour les systèmes de reins artificiels des membranes empilées supportées par des cadres, les reins artificiels connus de ce tvpe possèdent un certain nombre de limitations et de désavantages de fonction et de structure qui ont limité leur utilisation générale. Quelques-uns de ces inconvénients résident dans les dimensions des dialyseurs conduisant à un maniement incommode, leurs grandes chutes de pression. leur coût élevé et leur complexité générale.
Pour obtenir une dialyse maximum, on utilise des membranes à grande surface supportées par de grands cadres de support. La capacité sanguine du dialyseur est généralement telle, pour assurer une bonne dialyse, que le malade doit subir une transfusion pendant le traittement.
Etant donné la pression sanguine élevée, on utilise des boulons de fixation pour retenir ensemble les cadres supportant les membranes.
La grande chute de pression dans les reins artificiels connus constitue un désavantage très important du fait qu'il est nécessaire de prévoir une pompe pour la circulation du sang.
En raison des limitations ci-dessus, on ne trouve couramment les reins artificiels que dans certains hôpitaux et il faut un technicien qualifié pour s'en occuper.
En outre, en raison du coût initial élevé de l'appareillage et des frais élevés de fonctionnement, de nombreux malades ne peuvent pas disposer de cet appareillage.
Le but de la présente invention est de fournir un dialyseur qui n'est pas sujet aux inconvénients mentionnés ci-dessus.
Le dialyseur selon l'invention est caractérisé en ce qu il comprend des cadres de support ouverts empilés ayant des surfaces d'une seule pièce sur leurs côtés opposés, une membrane semi-perméable assemblée à chaque surface opposée de chaque cadre, des surfaces sur chacun des cadres pour l'empilement de ceux-ci, les membranes adjacentes des cadres adjacents étant espacées et parallèles, et une enveloppe entourant les cadres et formant avec eux des premiers canaux d'entrée et de sortie pour la circulation d'un premier liquide entre les membranes de chaque cadre et des seconds canaux d'entrée et de sortie pour la circulation d'un second liquide entre les membranes adjacentes des cadres adjacents.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution du dialyseur objet de l'invention et une variante:
la fig. 1 est une représentation schématique de la première forme d'exécution,
la fig. 2 est une vue en perspective d'un organe représenté à la fig. 1,
la fig. 3 est une vue en coupe suivant III-III de la fig. 2,
la fig. 4 est une vue en perspective de l'organe de la fig. 2, une partie de l'enveloppe étant enlevée pour montrer un certain nombre d'éléments intérieurs,
la fig. 5 est une vue en perspective à plus grande échelle d'un des éléments représentés à la fig. 4,
les fig. 6 et 7 sont des vues en coupe à plus grande échelle suivant VI-VI de la fig. 3 montrant deux états différents,
la fig. 8 est une vue en coupe à plus grande échelle suivant VIlI-VIlI de la fig. 3,
la fig.
9 est une vue en perspective similaire à celle de la fig. 5 d'un élément de la seconde forme d'exécu tison,
la fig. 10 est une vue en perspective d'un cadre de support de l'élément de la fig. 9,
les fig. Il et 12 sont des vues en coupe partielles à plus grande échelle du cadre de support de la fig. 10,
la fig. 13 est une vue en coupe similaire à celle de la fig. 1 1 montrant la variante, et
les fig. 14. 15 et 16 sont des coupes similaires à celles des fig. 6, 7 et 8 montrant plusieurs éléments de la seconde forme d'exécution.
La fig. 1 montrant un dialyseur utilisé comme rein artificiel comprend une cartouche de dialyse 10 reliée à une source de solution dialysante (non représentée) par les conduits 12 et 14. La cartouche 10 comporte des conduits 16 et 18 d'entrée et de sortie pour le sang, couplés à des conduits 20 et 22 communiquant avec une canule (non représentée) d'artère et de veine du malade au moyen d'un raccord 23.
La cartouche 10 (fig. 2, 3 et 4) comprend une enveloppe 24 en deux parties de forme parallélépipédique allongée et d'une section transversale carrée, excepté pour les parties médianes des parois latérales qui sont légèrement bombées de manière à former des canalisations longitudinales 26 a, b, c et d qui seront décrites plus en détail ci-dessous. Les canalisations 26 comportent des raccords 28 a, b, c et d pour l'introduction et la sortie du liquide. Comme montré plus clairement dans la fig. 3, les raccords d'entrée et de sortie sont formés de parties faisant corps avec l'enveloppe et dont la configuration facilite l'assemblage avec des conduits au moyen de dispositifs de fixation.
Comme cela sera décrit plus en détail ci-dessous, les raccords 28a et 28c comportent des passages internes de circulation qui, en coopération avec les surfaces adjacentes des canalisations 26a et 26c, forment des buses convergentes-divergentes de manière à faciliter la circulation régulière du sang à travers la cartouche 10.
Les deux parties de l'enveloppe 24 sont identiques et divisées par un plan longitudinal qui s'étend à travers les raccords 28b et 28d. Les parties du logement peuvent être obtenues par estampage ou moulage à partir d'une matière plastique par exemple et peuvent être maintenues ensemble au moyen d'un soudage ou par utilisation d'un ciment comme cela sera décrit ci-dessous.
L'enveloppe 24 (fig. 4, 5, 6, 7 et 8) contient plusieurs éléments de dialyse 30 parallélépipédiques minces et empilés (fig. 4). Dans une cartouche complète, les éléments 30 remplissent pratiquement l'enveloppe 24.
Chacun des éléments de dialyse 30 (fig. 5) comprend un cadre rectangulaire 32 ouvert et comprenant deux bords opposés 34 et deux bords opposés 36 d'une épaisseur moindre pour faciliter la circulation du fluide entre des éléments adjacents. Deux nervures de support 38 relient les bords 34.
Chaque bord 34 comporte une rainure longitudinale 40 dans sa surface supérieure et une languette longitudinale 42 dans sa surface inférieure. Les languettes 42 d'un cadre s'emboîtent dans les rainures 40 du cadre adjacent (fig. 8).
Les bords 34 de chaque cadre 32 comportent égale ment t des saillies rectangwLaires 44 et des portions ter- minales 46.
Les bords 34 comportent en outre plusieurs ouvertures 48 pour l'écoulement du liquide à travers le cadre.
Les bords 36 sont effilés afin de e présenter une résis- tance minimale à la circulation du liquide entre des éléments adjacents de dialyse 30 et comportent des surfaces 50 supérieure et inférieure qui se trouvent dans les plans des surfaces supérieure et inférieure des nervures 38. Les surfaces 50 et les nervures 38 constituent un support pour un treillis 52 métallique ou plastique (fig. 5), le treillis 52 peut être fixé aux surfaces 50 ou aux nervures 38 au moyen d'un ciment ou par soudage.
Les bords 34 et 36 du cadre comportent des surfaces périphériques 54 supérieure et inférieure dans les plans des surfaces supérieure et inférieure du treillis 52 et auxquelles on a fixé les rebords d'une membrane 56 en matière semi-perméable. La membrane 56 peut être collée ou soudée aux surfaces 54. Les surfaces 54 sont en retrait de sorte que les surfaces extérieures des membranes 56 sont sensiblement au même niveau que les surfaces supérieure et inférieure des bords 36 du cadre ou sont coplanaires avec ces surfaces. Les membranes sont en conséquence espacées d'une distance correspondant à l'épaisseur des bords 36. Les membranes 56 peuvent être formées en cellophane et doivent avoir une épaisseur de l'ordre de 2,5 X 10-Som au moins lorsque les éléments de dialyse 30 sont utilisés pour la dialyse du sang.
Les surfaces inténeures des parois des membranes 56 sont en contact avec les treillis 52 et sont supportées par ces derniers qui empêchent un allongement des membranes au cours des variations de pression.
Lorsque les éléments de dialyse 30 sont empilés, les membranes adjacentes 56 des éléments de dialyse 30 adjacents sont séparées par un très petit espace de manière à former des chambres relativement étroites 57.
Les dimensions de la section transversale de ces chambres 57 sont déterminées par la largeur des bords 36 et l'espacement entre les membranes adjacentes des éléments 30. La longueur des chambres 57 est égale à la longueur des bords 34. Les bords 34 et 36 sont dimensionnés de manière telle que l'espacement entre les membranes 56 soit minimum. Pour la dialyse du sang, un espacement de l'ordre de 7,6 X 10-3 cm est préféré et cet espacement peut être obtenu en réduisant l'épaisseur des bords 36 de 7,6 X 10-2 cm par rapport à l'épaisseur des bords 34.
Lors de la fabrication des éléments de dialyse 30, les cadres 32, les treillis 52 et les parties séparées du logement 24 peuvent être obtenus par moulage par injection de matières plastiques médicalement acceptables telles que des acrylates. Les membranes 56 peuvent être formées d'une matière semi-perméable médicalement acceptable telle que la cellophane.
Lors de l'assemblage de la cartouche, les éléments de dialyse 30 sont empilés. Les rainures 40 et les languettes 42 peuvent être revêtues d'un ciment ou peuvent être soudées pendant l'empilement de manière à obtenir un assemblage rigide.
Les parties séparées de l'enveloppe 24 sont assemblées au moyen d'un ciment ou sont soudées à l'ensemble des éléments 30 et assemblées l'une à l'autre au moyen d'un ciment ou par soudure pour former la cartouche. Un ciment peut par exemple être appliqué aux colonnes des angles de la cartouche formées par les saillies 44 et les portions terminales 46, aux surfaces supérieures des bords opposés 34 et 36 du cadre 32 le plus élevé et aux bords d'assemblage des deux parties de l'enveloppe 24.
Lorsque les composants de la cartouche sont faits d'une matière plastique acrylique et les membranes de cellophane, les parties plastiques peuvent être aisément assemblées ensemble par soudage à chaud ou par ultrasons ou peuvent être aisément assembles au moyen d'un ciment en utilisant des ciments médicalement acceptables.
Les parties plastiques peuvent aussi être réunies en utilisant un ciment en matière plastique acrylique dans un solvant. Les membranes de cellophane peuvent être aisément fixées aux cadres au moyen d'un procédé de soudage ou au moyen de ciment en utilisant des ciments indiqués ci-dessus.
Les canaux 26b et 26d communiquent avec les ouvertures 48 et avec l'intérieur de chaque élément 30. Un liquide sous pression amené dans l'un des canaux 26b ou 26d circulera en conséquence à travers les intérieurs creux des éléments de dialyse 30 suivant des trajets d'écoulement parallèles vers le canal opposé.
De manière similaire, les canaux 26a et 26c communiquent avec les chambres 57 entre les parois des membranes adjacentes des éléments 30 adjacents. Un liquide sous pression amené dans l'un des canaux 26a ou 26c circulera en conséquence entre les éléments 30 suivant des trajets d'écoulement parallèles vers le canal opposé.
La cartouche 10 comprend en conséquence deux trajets d'écoulement isolés indépendants, I'un à travers l'intérieur creux des éléments de dialyse 30 et Fautre entre ces éléments. Cet agencement des canaux assure une distribution de l'écoulement presque parfaite le long de l'entrée vers les trajets d'écoulement entre les membranes et ne présente pratiquement pas de résistance à la circulation du liquide de sorte que la chute de pression au travers de la cartouche est minimum.
La fig. 6 montre les positions des membranes en l'absence de circulation du liquide tandis que les fig. 7 et 8 montrent les positions des membranes pendant la cir- culation du liquide. Les membranes sont plates en l'absence de circulation du liquide (fig. 6), les treillis 52 servant à renforcer les membranes. Pendant la circulation du liquide, la circulation du sang entre des éléments 30 adjacents a tendance à faire fléchir les membranes 56 et les treillis 52 légèrement entre les nervures 38 (fig. 7 et 8).
Le sang circulera à travers la cartouche dans le sens indiqué par la flèche dans la fig. 7 par des trajets parallèles d'écoulement entre les éléments de dialyse 30 en réponse à la différence de pression du système de circulation du sang du malade. Les bords effilés 36 forment une gorge d'entrée vers chacun des trajets séparés du sang afin de réduire au minimum la résistance à l'écoulement du sang. En disposant les membranes adjacentes des éléments de dialyse adjacents à faible distance les unes des autres, on soumet à la dialyse pratiquement tout le sang et on évite une couche centrale non dialysée.
La disposition à canaux en croix contribue à la faible chute de pression au travers des trajets de circulation du sang par obtention d'une distribution uniforme de pression le long de l'entrée de chacun des trajets de circulation du sang. Les buses convergentes-divergentes f et g des raccords 28a et 28c et les surfaces g des canaux 26a et 26c servent à produire une circulation régulière non turbulente du sang dans le canal d'introduction et à partir du canal de sortie.
Une autre forme d'exécution du dialyseur est représentée aux fig. 9 à 12. Chacun des éléments de dialyse 30 comprend un cadre rectangulaire 32 comprenant des bords 34 facilitant l'empilement des éléments 30 et deux bords effilés 36 facilitant l'écoulement du liquide entre des éléments 30 adjacents de l'ensemble empilé. Deux membranes 56 semi-perméables ferment l'intérieur du cadre 32 et constituent des parois pour ce dernier,
Chacun des bords 34 comporte une rainure longitudinale 40 dans sa surface supérieure et une languette longitudinale 42 sur sa surface inférieure. Les languettes 42 sont reçues par les rainures 40 d'un cadre adjacent lors de l'empilement des éléments 30. On peut empiler quelque soixante éléments dans une cartouche.
Les bords 34 de chaque cadre 32 comportent égale ment une saillie 44 de forme le rectangulaire adjacente à chaque portion terminale 46. Lorsque les éléments de dialyse sont empilés, les saillies 44 et les portions terminales 46 des cadres adjacents 32 sont disposés en contact bout à bout de manière à définir des surfaces longitudinales de l'ensemble empilé auxquelles on assemble les coins de l'enveloppe 24 pendant l'assemblage de la cartouche. Les bords 34 comportent en outre plusieurs ouvertures 48 pour l'écoulement du liquide à travers chaque élément de dialyse.
Les bords 36 présentent une épaisseur inférieure à celle des bords 34 dans le but d'établir un espace entre les parois de membranes des éléments adjacents afin de permettre l'écoulement du liquide entre les éléments empilés.
Un support de membrane comprenant une plaque mince 134 est disposé à l'intérieur du cadre 32 dans le plan médlian du cadre 32 et est solidaire du cadre 32.
En variante, cependant, la plaque 134 peut être formée d'une partie séparée collée ou soudée à la surface d'un épaulement 138 correspondant au périmètre intérieur du cadre 32 (fig. 13).
La plaque 134 comporte des saillies cylindriques 140, disposées de part et d'autre de la plaque. Les extrémités des saillies 140 forment deux plans parallèles et supportent les membranes se trouvant dans ces plans. Les saillies 140 font corps avec la plaque 134. En variante, les saillies 140 peuvent aussi être fabriquées séparément et être collées ou soudées à la plaque 134.
Les extrémités de la plaque 134 adjacentes aux bords 34 comportent des évidements 143 qui permettent le passage du liquide à partir des ouvertures 48 vers les côtés opposés de la plaque 134 ou vice versa. Sur chaque côté de la plaque 134, I'espacement des saillies 140 permet la circulation libre du liquide d'un bord 34 à l'autre.
Les surfaces supérieure et inférieure des bords 34 et 36 du cadre comportent des surfaces 144 de support des membranes correspondant au périmètre intérieur et des évidements 146 en escalier formant des épaulements (fig. 11 et 12). Un rebord central 148 fait saillie à partir du fond de chaque évidement 146 vers le haut, la surface de la section transversale de chaque rebord 148 étant sensiblement égale à la surface de la section de l'évide- ment 146. Comme montré à la fig. 11, les membranes 56 sont disposées de manière que leurs bords soient voisins des rebords 148, les parties marginales chevau disant les évidements 146 sur l'un des côtés des rebords 148.
La fixation des membranes 56 peut être réalisée en amenant un outil chauffé 150 en contact avec les rebords 148 et en exerçant une pression vers le bas de manière à faire fondre et à amener la matière des rebords 148 sous pression dans les évidements 146 comme indiqué à la fig. 12. Lorsque l'outil 150 entre en contact avec le rebord 148, il produit l'étalement de ce dernier vers l'extérieur de manière à remplir les évidements sur les deux côtés du rebord, les parties de bord de la membrane 56 se trouvant encastrées comme indiqué à la fig. 12 de manière permanente afin de produire le maintien et la fixation étanche de cette membrane.
La configuration en escalier de l'évidement 144 produit une configuration correspondante du bord de la membrane 56 pendant la fixation de cette membrane et assure la formation d'un assemblage étanche et d'un ancrage permanent des parties marginales de la membrane.
La distribution uniforme de la matière fondue de rebord 148 conduit à la surface finie lisse indiquée à la fig. 12.
Le cadre 32 est réalisé en une matière plastique.
Afin de protéger les portions adjacentes des membranes 5G d'un endommagement par la chaleur, un conducteur de la chaleur 152 est disposé en contact avec les membranes 56 (fig. 11).
Comme variante du procédé d'assemblage des bords des membranes, les rebords 148 peuvent être déformés de manière à entrer dans les évidements 146 par application de vibrations ultrasoniques. On peut faire vibrer un outil similaire à l'outil 150 et l'amener en contact avec les rebords 148 avec une pression déterminée pour produire ia déformation ou la fusion de la matière de rebord de façon qu'elle entre dans les évidements.
Comme montré à la fig. 14, lorsqu'aucun n liquide ne passe à travers la cartouche, les saillies 140 supportent les membranes 56 et maintiennent leur configuration plate. Pendant la circulation du liquide, les membranes 56 sont légèrement déformées entre les saillies en réponse à la pression du sang (fig. 15 et 16).
L'un des avantages particuliers du rein artificiel décrit réside dans le fait qu'il peut être assemblé com plètement rendu étanche, essayé et stérilisé à l'usine.
Cette caractéristique permet d'éliminer un grand nombre des problèmes d'assemblage et de stérilisation qu'on rencontre pour les reins artificiels courants et permet l'obtention d'une qualité élevée. Le rein peut être fabriqué et être enfermé dans un récipient stérilisé, les parties destinées à renfermer le sang étant complètement remplies d'une solution saline aqueuse qui se mélange au sang. Lors de l'usage, il est uniquement nécessaire d'enlever la cartouche de son emballage stérilisé et de la brancher sur le malade. Cette simplicité d'emballage et d'utilisation subséquente est rendue possible grâce aux faibles dimensions et à la faible capacité sanguine de la cartouche. Le volume de la solution saline est médicalement insignifiant par rapport au volume total du sang dans le système circulatoire d'une personne.
Dialyzer and process for its manufacture
The present invention relates to a dialyzer, and a method for its manufacture.
A dialyzer is known comprising several thin membranes attached to support frames which are stacked and held rigidly together. Also known is a dialyzer comprising grooved sheets of a semi-permeable material stacked so that the grooves of one sheet form an angle with respect to the adjacent delta sheet grooves. In this case, the liquid to be dialyzed is passed through the grooves, the dialysing solution is passed through the grooves arranged in the other direction, so as to thereby establish alternating layers of liquid to be dialyzed and of dialysing solution.
In dialysis, the thickness and permeability of the semi-permeable medium separating the liquid to be dialysed and the dialysing solution are chosen according to the size of the molecules of the impurities to be removed by dialysis. The medium should be permeable with respect to the impurity molecules to be transferred to the dialysing solution and non-permeable to other molecules. In artificial kidneys, membranes of high permeability having a thickness of the order of 2.5 x 10: 3 cm or less are preferred to achieve efficient transfer of urea and / or other molecules comprising urea. water from the blood in the dialysis solution.
Although stacked membranes supported by frames are preferably used for artificial kidney systems, the known artificial kidneys of this type have a number of functional and structural limitations and disadvantages which have limited their general use. Some of these drawbacks lie in the dimensions of the dialyzers leading to inconvenient handling, their large pressure drops. their high cost and general complexity.
To achieve maximum dialysis, large area membranes supported by large support frames are used. The blood capacity of the dialyzer is generally such, in order to ensure good dialysis, that the patient must undergo a transfusion during treatment.
Due to the high blood pressure, fixing bolts are used to hold together the frames supporting the membranes.
The large pressure drop in the known artificial kidneys constitutes a very significant disadvantage because it is necessary to provide a pump for the circulation of the blood.
Due to the above limitations, artificial kidneys are commonly only found in certain hospitals and require a qualified technician to deal with them.
In addition, due to the high initial cost of the equipment and the high operating costs, many patients cannot have this equipment available.
The aim of the present invention is to provide a dialyzer which is not subject to the drawbacks mentioned above.
The dialyzer according to the invention is characterized in that it comprises stacked open support frames having integral surfaces on their opposite sides, a semi-permeable membrane joined to each opposite surface of each frame, surfaces on each. frames for stacking them, the adjacent membranes of the adjacent frames being spaced apart and parallel, and a casing surrounding the frames and forming with them first inlet and outlet channels for the circulation of a first liquid between the membranes of each frame and of the second inlet and outlet channels for the circulation of a second liquid between the adjacent membranes of the adjacent frames.
The appended drawing represents, by way of example, two embodiments of the dialyzer object of the invention and a variant:
fig. 1 is a schematic representation of the first embodiment,
fig. 2 is a perspective view of a member shown in FIG. 1,
fig. 3 is a sectional view along III-III of FIG. 2,
fig. 4 is a perspective view of the member of FIG. 2, part of the casing being removed to show a number of interior elements,
fig. 5 is a perspective view on a larger scale of one of the elements shown in FIG. 4,
figs. 6 and 7 are sectional views on a larger scale along VI-VI of FIG. 3 showing two different states,
fig. 8 is a sectional view on a larger scale along VIllI-VIII of FIG. 3,
fig.
9 is a perspective view similar to that of FIG. 5 of an element of the second embodiment,
fig. 10 is a perspective view of a support frame for the element of FIG. 9,
figs. II and 12 are partial sectional views on a larger scale of the support frame of FIG. 10,
fig. 13 is a sectional view similar to that of FIG. 1 1 showing the variant, and
figs. 14. 15 and 16 are sections similar to those of FIGS. 6, 7 and 8 showing several elements of the second embodiment.
Fig. 1 showing a dialyzer used as an artificial kidney comprises a dialysis cartridge 10 connected to a source of dialysing solution (not shown) by the conduits 12 and 14. The cartridge 10 comprises conduits 16 and 18 for the inlet and outlet for the blood , coupled to conduits 20 and 22 communicating with a cannula (not shown) of the patient's artery and vein by means of a connector 23.
The cartridge 10 (fig. 2, 3 and 4) comprises a casing 24 in two parts of elongated parallelepipedal shape and of a square cross section, except for the middle parts of the side walls which are slightly convex so as to form longitudinal ducts. 26 a, b, c and d which will be described in more detail below. The pipes 26 include fittings 28 a, b, c and d for the introduction and the outlet of the liquid. As shown more clearly in fig. 3, the inlet and outlet connections are formed of parts integral with the casing and the configuration of which facilitates assembly with conduits by means of fixing devices.
As will be described in more detail below, the fittings 28a and 28c have internal circulation passages which, in cooperation with the adjacent surfaces of the pipes 26a and 26c, form converging-diverging nozzles so as to facilitate the smooth circulation of the gas. blood through the cartridge 10.
The two parts of the casing 24 are identical and divided by a longitudinal plane which extends through the fittings 28b and 28d. The housing parts can be obtained by stamping or molding from a plastic material for example and can be held together by means of welding or by the use of cement as will be described below.
Casing 24 (Figs. 4, 5, 6, 7 and 8) contains several thin, stacked parallelepiped dialysis elements (Fig. 4). In a complete cartridge, the elements 30 substantially fill the envelope 24.
Each of the dialysis elements 30 (Fig. 5) comprises a rectangular frame 32 open and comprising two opposing edges 34 and two opposing edges 36 of less thickness to facilitate the flow of fluid between adjacent elements. Two support ribs 38 connect the edges 34.
Each edge 34 has a longitudinal groove 40 in its upper surface and a longitudinal tongue 42 in its lower surface. The tabs 42 of a frame fit into the grooves 40 of the adjacent frame (Fig. 8).
The edges 34 of each frame 32 also include rectangular projections 44 and end portions 46.
The edges 34 further include several openings 48 for the flow of liquid through the frame.
The edges 36 are tapered to provide minimal resistance to fluid flow between adjacent dialysis elements 30 and have upper and lower surfaces 50 which lie in the planes of the upper and lower surfaces of the ribs 38. The edges surfaces 50 and ribs 38 provide support for a metal or plastic mesh 52 (Fig. 5), the mesh 52 may be attached to the surfaces 50 or to the ribs 38 by means of cement or by welding.
The edges 34 and 36 of the frame have upper and lower peripheral surfaces 54 in the planes of the upper and lower surfaces of the mesh 52 and to which the edges of a membrane 56 of semi-permeable material have been fixed. The membrane 56 may be glued or welded to the surfaces 54. The surfaces 54 are recessed so that the outer surfaces of the membranes 56 are substantially flush with the top and bottom surfaces of the edges 36 of the frame or are coplanar with these surfaces. The membranes are therefore spaced apart a distance corresponding to the thickness of the edges 36. The membranes 56 may be formed of cellophane and should have a thickness of the order of 2.5 X 10-Som at least when the elements of dialysis 30 are used for dialysis of blood.
The inner surfaces of the walls of the membranes 56 are in contact with the meshes 52 and are supported by the latter which prevent elongation of the membranes during pressure variations.
When the dialysis elements 30 are stacked, the adjacent membranes 56 of the adjacent dialysis elements 30 are separated by a very small space so as to form relatively narrow chambers 57.
The dimensions of the cross section of these chambers 57 are determined by the width of the edges 36 and the spacing between the adjacent membranes of the elements 30. The length of the chambers 57 is equal to the length of the edges 34. The edges 34 and 36 are dimensioned such that the spacing between the membranes 56 is minimum. For dialysis of blood, a spacing of the order of 7.6 X 10-3 cm is preferred and this spacing can be obtained by reducing the thickness of the edges 36 by 7.6 X 10-2 cm from the 'edge thickness 34.
In the manufacture of the dialysis elements 30, the frames 32, the meshes 52 and the separate parts of the housing 24 can be obtained by injection molding of medically acceptable plastics such as acrylates. The membranes 56 can be formed from a medically acceptable semi-permeable material such as cellophane.
When assembling the cartridge, the dialysis elements 30 are stacked. The grooves 40 and the tongues 42 may be coated with a cement or may be welded during stacking so as to obtain a rigid assembly.
The separate parts of the casing 24 are assembled by means of cement or are welded to all of the elements 30 and assembled to each other by means of cement or by welding to form the cartridge. Cement may for example be applied to the columns of the corners of the cartridge formed by the protrusions 44 and the end portions 46, to the upper surfaces of the opposite edges 34 and 36 of the uppermost frame 32 and to the joining edges of the two parts of the frame. envelope 24.
When the cartridge components are made of acrylic plastic and the membranes of cellophane, the plastic parts can be easily assembled together by heat or ultrasonic welding or can be easily joined by means of cement using cements. medically acceptable.
The plastic parts can also be joined together using acrylic plastic cement in a solvent. Cellophane membranes can be easily attached to frames by means of a welding process or by means of cement using the cements indicated above.
The channels 26b and 26d communicate with the openings 48 and with the interior of each element 30. A pressurized liquid supplied to one of the channels 26b or 26d will flow accordingly through the hollow interiors of the dialysis elements 30 in paths parallel flow to the opposite channel.
Similarly, channels 26a and 26c communicate with chambers 57 between the walls of adjacent membranes of adjacent members 30. Liquid under pressure supplied to one of the channels 26a or 26c will accordingly flow between the elements 30 in parallel flow paths to the opposite channel.
Cartridge 10 therefore includes two independent isolated flow paths, one through the hollow interior of dialysis elements 30 and the other between them. This arrangement of the channels ensures an almost perfect distribution of the flow along the inlet to the flow paths between the membranes and exhibits virtually no resistance to the flow of liquid so that the pressure drop across. the cartridge is minimum.
Fig. 6 shows the positions of the membranes in the absence of circulation of the liquid while FIGS. 7 and 8 show the positions of the membranes during the circulation of the liquid. The membranes are flat in the absence of circulation of the liquid (fig. 6), the mesh 52 serving to reinforce the membranes. During the circulation of the liquid, the circulation of the blood between adjacent elements 30 tends to flex the membranes 56 and the meshes 52 slightly between the ribs 38 (Figs. 7 and 8).
The blood will flow through the cartridge in the direction indicated by the arrow in fig. 7 by parallel flow paths between the dialysis elements 30 in response to the pressure difference of the patient's blood circulation system. The tapered edges 36 form an inlet groove to each of the separate blood paths to minimize resistance to blood flow. By arranging the adjacent membranes of adjacent dialysis units a short distance from each other, substantially all of the blood is subjected to dialysis and a non-dialyzed core layer is avoided.
The cross-channel arrangement contributes to the low pressure drop across the blood flow paths by achieving a uniform pressure distribution along the inlet of each of the blood flow paths. The converging-diverging nozzles f and g of fittings 28a and 28c and the surfaces g of channels 26a and 26c serve to produce a smooth, non-turbulent flow of blood through the introduction channel and from the output channel.
Another embodiment of the dialyzer is shown in FIGS. 9 to 12. Each of the dialysis elements 30 comprises a rectangular frame 32 including edges 34 facilitating stacking of elements 30 and two tapered edges 36 facilitating the flow of liquid between adjacent elements 30 of the stacked assembly. Two semi-permeable membranes 56 close the interior of the frame 32 and constitute walls for the latter,
Each of the edges 34 has a longitudinal groove 40 in its upper surface and a longitudinal tongue 42 on its lower surface. The tabs 42 are received by the grooves 40 of an adjacent frame when stacking the elements 30. Some sixty elements can be stacked in a cartridge.
The edges 34 of each frame 32 also include a protrusion 44 of rectangular shape adjacent to each end portion 46. When the dialysis elements are stacked, the protrusions 44 and end portions 46 of the adjacent frames 32 are disposed in end-to-end contact. end so as to define longitudinal surfaces of the stacked assembly to which the corners of the casing 24 are assembled during the assembly of the cartridge. The edges 34 further have a plurality of openings 48 for the flow of liquid through each dialysis element.
The edges 36 have a thickness less than that of the edges 34 in order to establish a space between the membrane walls of the adjacent elements in order to allow the flow of the liquid between the stacked elements.
A membrane support comprising a thin plate 134 is disposed inside the frame 32 in the median plane of the frame 32 and is integral with the frame 32.
Alternatively, however, the plate 134 may be formed from a separate part glued or welded to the surface of a shoulder 138 corresponding to the interior perimeter of the frame 32 (Fig. 13).
The plate 134 comprises cylindrical projections 140, arranged on either side of the plate. The ends of the projections 140 form two parallel planes and support the membranes located in these planes. The protrusions 140 are integral with the plate 134. Alternatively, the protrusions 140 can also be manufactured separately and be glued or welded to the plate 134.
The ends of the plate 134 adjacent to the edges 34 have recesses 143 which allow the passage of liquid from the openings 48 to the opposite sides of the plate 134 or vice versa. On each side of the plate 134, the spacing of the projections 140 allows the free flow of liquid from one edge 34 to the other.
The upper and lower surfaces of the edges 34 and 36 of the frame have membrane support surfaces 144 corresponding to the interior perimeter and stepped recesses 146 forming shoulders (Figs. 11 and 12). A central rim 148 protrudes from the bottom of each recess 146 upwardly, the cross-sectional area of each rim 148 being substantially equal to the cross-sectional area of the recess 146. As shown in FIG. . 11, the membranes 56 are arranged so that their edges are adjacent to the flanges 148, the marginal portions overlapping the recesses 146 on one side of the flanges 148.
Attachment of the membranes 56 can be accomplished by bringing a heated tool 150 into contact with the flanges 148 and exerting downward pressure so as to melt and bring the material of the flanges 148 under pressure into the recesses 146 as shown in. fig. 12. When the tool 150 comes into contact with the flange 148, it produces the spread of the latter outwardly so as to fill the recesses on both sides of the flange, the edge portions of the membrane 56 lying. recessed as shown in fig. 12 permanently in order to maintain and seal this membrane tightly.
The stepped configuration of the recess 144 produces a corresponding configuration of the edge of the membrane 56 during the attachment of this membrane and ensures the formation of a tight assembly and permanent anchoring of the marginal portions of the membrane.
The even distribution of the rim melt 148 results in the smooth finished surface shown in FIG. 12.
The frame 32 is made of a plastic material.
In order to protect adjacent portions of the 5G membranes from heat damage, a heat conductor 152 is disposed in contact with the membranes 56 (Fig. 11).
As an alternative to the method of assembling the edges of the membranes, the flanges 148 can be deformed to enter the recesses 146 by application of ultrasonic vibrations. A tool similar to tool 150 can be vibrated and brought into contact with the flanges 148 with a determined pressure to produce the deformation or fusion of the flange material so that it enters the recesses.
As shown in fig. 14, when no liquid passes through the cartridge, the projections 140 support the membranes 56 and maintain their flat configuration. During circulation of the liquid, the membranes 56 are slightly deformed between the projections in response to the pressure of the blood (Figs. 15 and 16).
One of the particular advantages of the described artificial kidney is that it can be assembled completely sealed, tested and sterilized at the factory.
This feature eliminates many of the assembly and sterilization problems encountered with common artificial kidneys and achieves high quality. The kidney can be made and enclosed in a sterilized container, the parts intended to contain the blood being completely filled with an aqueous saline solution which mixes with the blood. During use, it is only necessary to remove the cartridge from its sterilized packaging and connect it to the patient. This simplicity of packaging and subsequent use is made possible by the small dimensions and the low blood capacity of the cartridge. The volume of saline solution is medically insignificant compared to the total volume of blood in a person's circulatory system.