DK1671695T3 - Dialysator med hule fibre omfattende krøllede hule fibre - Google Patents

Description

Opfindelsen angår en dialysator med hule fibre til hæmodialyse.

Dialysatorer med hule fibre af normal konstruktion har et cylinderformet fiberbundt, som er anbragt i et cylindrisk filterhus. Blodet flyder gennem det indre af fibrene, og i rummet mellem fibrene og filterhuset flyder dialysatet i modstrøm til blodet. Dialysatorens opgave er at udveksle stof gennem væggen i de hule fibre. Inde i alle fibrene flyder blodet i almindelighed med en ensartet hastighed. Med henblik på en optimal udskiftningsvirkning skal dialysatet uden for de hule fibre hele tiden udskiftes. På denne måde kan der sikres en vedvarende høj koncentrationsforskel mellem det indre af fibrene og det udvendige af fibrene som drivende kraft til en stofudveksling ved diffusion. I en normalt bygget dialysator er både tilgangen og afgangen for dialysatet forbundet med de udvendigt liggende fibre i fiberbundtet. Derfor kan det ikke på forhånd være sikret, at alle fibre i fiberbundtet omskylles med den samme mængde dialysat. Hvis man antager en laminar strømning af dialysatet i dialysatrummet, kan teoretisk set hele dialysatet strømme igennem mellem fiberbundtet og huset, uden at dialysatet trænger ind i det indre af bundtet. Dermed ville den ved hjælp af bundtet af de hule fibre til rådighed stående udvekslingsflade ikke blive udnyttet. Dialysatet flyder i dette tilfælde ad vejen for den laveste modstand fra indgangen langs med fibrene i en i forhold til dialysatoren aksial retning til udledningen.

Fra DE 2851687 C2 kendes en forbedring af gennemtrængningen af bundtet af hule fibre af den uden for de hule fibre flydende væske, hvor de hule fibre er udført bølgede eller krusede.

Også fra US 3616928 kendes et stofudvekslingsapparat med bundter af krusede hule fibre. Lignende fremgår af JP 02 258035 A. I EP 314581 B1 er der beskrevet en oxygenator, som i det cylindriske hus har et membranbundt af hule fibre, som ligeledes er krusede. I JP H62-45709A er der beskrevet en dialysator med hule fibre, hvis fiberbundter indeholder krøllede fibre, hvis krumningsradier ligger imellem 2 og 100 mm. I kendte dialysatorer anvendes krusede eller krøllede fibre med en bølgelængde på omkring 28 mm. Derved anvendes de hule fibre i den kendte teknik i reglen med krusninger eller krøller uafhængig af de geometriske forhold i dialysatoren.

For at øge dialysatorens ydelse har der allerede været løsningsforslag, i hvilke der til dialysefibrene er indført andre fibre i bundtet.

Andre løsninger forudså, at man omviklede eller sammenbandt små bundter af dialysefibre med et garn for at sammenfatte disse små bundter til store bundter. Herved skulle det blive muligt med en forbedret gennemstrømning af bundtet af hule fibre ved hjælp af den væske, som omskyller de hule fibre, dvs. hvad angår dialysatet i dialysatoren.

Det er formålet med opfindelsen at tilvejebringe en filterindretning af den indledningsvis nævnte art, såsom en dialysator med hule fibre, i forbindelse med hvilken fiberbundtet gennemstrømmes så ensartet som muligt af den uden for de hule fibre strømmende væske og således materialeudvekslingen optimeres.

Ifølge opfindelsen opnås dette med en filterindretning ifølge krav 1. På grund af den geometriske definition af krølningen af de enkelte hule fibre i bundtet af hule fibre opnås, at strømningsmodstanden i aksial retning, dvs. langs med fibrene, øges i forhold til strømningsmodstanden i det indre af bundtet. Den sidstnævnte strømningsmodstandsværdi reduceres i almindelighed endog absolut. Derved lykkes det at øge den andel af dialysatet, der ved dialysen strømmer gennem det indre af bundtet, og derved kan de indvendigt liggende hule fibre udnyttes bedre. På denne måde opstår der en forbedret stofskifteydelse sammenlignet med langbølgede krøllede fibre eller fibre fuldstændig uden krølning. Hertil måtte frembringelsen af en turbulent strømning i de fluider, som giver de hule fibre, samt den fremkomne væskefordeling være ansvarlig. Opfindelsen er baseret på den erkendelse, at forholdet mellem den væskedelstrøm, som strømmer uden for fiberbundtet, og væske-delstrømmen, som strømmer gennem bundtet, afhænger af forholdet mellem diameteren af fiberbundtet og dets udnyttede længde samt af strømningsmodstanden i aksial retning (langs med fibrene) og i radial retning (på tværs af fibrene i retning af bundtets midte).

Foruden bølgelængden λ spiller amplituden a en yderligere rolle for virksomheden af krølningen af de hule fibre. Derfor har ifølge en foretrukket udførelsesform af opfindelsen de hule fibre følgende amplitude a i den i vid udstrækning sinusformede krølning ifølge ligning (2):

Hvis a bliver < d/5, bliver mellemrummet mellem to ved siden af hinanden liggende bølger (bølgedalen) for lille til at lede den nødvendige dialysatmængde ind i det indre af fiberbundtet. Hvis derimod a vælges, så mister dialysatoren derved effektivitet, som i et bestemt dialysatorhus reducerer den mulige pakningstæthed af fiberbundtet.

Ifølge en særlig udførelsesform af opfindelsen kan krølningen af de hule fibre have en tredimensionel orientering ifølge følgende formler:

hvorved det gælder: 0,05 < u < 0,14, og hvorved x(z) betegner rumvektoren mellem koordinatudspringet og den rumlige position for en hul fiber, som strækker sig langs med z-aksen, og u betegner antallet af omdrejninger pr. bølgelængde\

Svarende til den ovennævnte ligning forløber krølningen af de hule fibre cirkulært. Dette betyder, at den matematiske vektor for amplituden, som udgår fra z-aksen og ender ved fiberen, gennemløber et vist vinkelområde inden for strækningen λ På denne måde opstår en tredimensionel struktur, som ligner en spiral. Medens det ved en todimensionel struktur helt igennem kan forekomme, at alle fibre "vælter" og således danner en anisotrop struktur, som gør indtrængningen af dialysat i bundtet retningsafhængig, er et tredimensionelt krøllet fiberbundt isotropt og sikrer en fra alle sider ensartet indtrængning af dialysatet i det indre af bundtet.

Fiberbelægningen i det cylindriske filterhus udgør mellem 60,5% og 70%, fordelagtigt fra 60,5% til 67,5%. Ved denne pakningstæthed er det muligt med en tæt pakning med tætning ved udfyldning i endeområdet for bundtet af hule fibre. Særlig fordelagtigt kan fiberbelægningen i det cylindriske filterhus udgøre mellem 63,5% og 65,5%. Fiberbelægningen beregnes herved ud fra procenterne for det med fibre belagte tværsnitsareal pr. udnytteligt tværsnitsareal i filterhuset. Det udnyttelige tværsnitsareal er 0,907 gange tværsnitsarealet. Denne værdi følger af den maksimale pakningstæthed (hexagonal anbringelse), som skal svare til en belægning på 100%. De ovenfor angivne belægningsangivelser kan især opnås ved anvendelse af dimensionerne for de hule fibre ifølge opfindelsen og sørger samtidig for, at polyurethanmassen ved udhældning af fibrene trænger ensartet ind i fiberbundtet, ligesom - som beskrevet ovenfor - dialysatet kommer ensartet ind i det indre af bundtet under dialysen. Allerede på grund af den ensartede indtrængning af polyurethanmassen, som derefter stivner og fikserer fiberbundtet som sådant i begge ender, kan man opnå en ensartet belægning af fiberbundtet og dermed den ovennævnte høje pakningstæthed.

Virkningen ifølge opfindelsen opnås også ved hjælp af en kombination af langstrakte flader og tredimensionelt krøllede fibre, når der anvendes mindst 10% tredimensionelt krøllede fibre i fiberbundtet.

Opfindelsen indeholder også en krøllet hul fiber til valgfri anvendelse i form af et bundt i dialysatorer med hule fibre, som kan have forskellige diametre D fra en mindste diameter DMm til en maksimal diameter DMax- I dette tilfælde skal der så vidt muligt tilvejebringes en optimal form af hule fibre, som kan anvendes til dialysatorer med hule fibre med de mest forskellige diametre. De krøllede hule fibre til anvendelse i filterhuse med forskellige diametre er givet ved følgende ligning:

hvorved λ betegner bølgelængden af de krøllede hule fibre, d betegner diameteren af de hule fibre, L betegner den effektive længde af de hule fibre, og DMax betegner diameteren af fiberbundtet til filterhuset med den maksimale indvendige diameter.

Et eksempel på en udførelsesform af de hule fibre består af fra 90 til 99 vægt% af en hydrofob første polymer og fra 10 til 1 vægt% af en hydrofil nr. to polymer, hvorved den hydrofobe første polymer er valgt fra følgende gruppe: polyarylsulfoner, polycarbonater, polyamider, polyvinylchlorid, modificeret acrylsyre, polyethere, polyurethaner eller co-polymerer deraf, og hvorved de nr. to hydrofile polymerer er valgt fra følgende gruppe: polyvinylpyrrolidon, polyethylenglycol, polyglycol- monoesthere, co-polymere af polyethylenglycol med polypropylenglycol, vandopløselige derivater af cellulose eller polysorbater. Denne sammensætning af de mikroporøse hule fibre er allerede blevet udførligt beskrevet i EP 0 168 783 A1, hvorfra man også kan uddrage yderligere detaljer til dette eksempel.

Yderligere eksempler på udformningen af de hule fibre med hensyn til sammensætningen og morfologien findes i EP 0 305 787 A1 samt i fremlæggelsesskriftet DE 21 45 183. Der henvises udtrykkeligt til offentliggørelsen af disse skrifter.

En dialysator med hule fibre ifølge opfindelsen kan fyldes ved en fremgangsmåde, hvor den ved begyndelse af fyldningen tilstedeværende luft i det udvendige rum, dvs. det rum, som omgiver de hule fibre, fortrænges ved hjælp af en ovenfra og nedad gennem filterhuset ført væskevolumenstrøm. Derved udgør væskevolumenstrømmen til fyldning af filterhuset fortrinsvis ca. 500 ml/min. Det har overraskende vist sig, at man, på grund af opbygningen af dialysatoren med hule fibre ifølge opfindelsen, som det er beskrevet ovenfor, kan fylde begge fluidkamre af dialysatoren uden at måtte dreje dialysatoren 180°.

Ifølge den kendte teknik, ved hvilken fiberbundtet ikke var så ensartet og tæt pakket, skal dette med henblik på en luftfri fyldning af systemet fyldes nedefra og opad ved en lodret filterstilling. Da dialysevæskepumpen og blodpumpen i almindelighed transporterer modsat hinanden, skal fyldningen af det pågældende kammer med dialysevæske på dialysesiden eller med isotonisk kogsaltopløsning på blodsiden ved den kendte teknik ske efter hinanden, hvorved filteret før det andet trin skal drejes 180°. Med det nye filter er denne fremgangsmåde ved fyldningen nu ikke længere nødvendig. Dialysatrummet kan fyldes ovenfra og nedad. I den forbindelse kan fyldningen ske samtidigt med fyldningen af blodsiden, uden at dialysatoren her skal drejes.

Endelig angår opfindelsen anvendelsen af den ovenfor beskrevne filterindretning ifølge opfindelsen til fyldning af filterhuset ved hjælp af en væskevolumenstrøm, som fører fra oven og nedad igennem filterhuset. Denne anvendelse af filterindretningen ifølge opfindelsen muliggør en hurtig og frem for alt luftfri fyldning af systemet. Den højere fyldningshastighed opnås ved, at begge fluidkamre i dialysatoren, dvs. kammeret på dialysatsiden og kammeret på blodsiden, kan fyldes samtidigt, uden at filterindretningen skal drejes.

Yderligere enkeltheder ifølge opfindelsen forklares nærmere ved hjælp af et på tegningen vist udførelseseksempel. På tegningen ses: fig. 1: et længdesnit hhv. tværsnit gennem et bundt af hule fibre og fig. 2: geometrien af en enkelt hul fiber ifølge den foreliggende opfindelse. I figur 1 er der vist et mikrokrøllet bundt af hule fibre med den effektive længde L med diameteren D. Dette er på en i sig selv kendt måde sædvanligvis anbragt i et ikke her nærmere vist filterhus. Opbygningen af en filterindretning er i sig selv kendt i vid udstrækning og beskrives derfor ikke her i detaljer. I almindelighed består i hvert fald en kendt filterindretning, som f.eks. en dialysator med hule fibre, af et rørformet hus, som indbefatter bundtet af hule fibre, hvorved enderne af bundtet med hule fibre ved hjælp af en fyldmasse forbindes med enderne af det rørformede hus. Med denne filterindretning er huset på grænsen til hver af fyldmasserne forsynet med radiære tilslutningsstudse, som danner ind- og udgange til det andet strømningsrum. Til åbning af de af fyldmassen indfattede kapillarrør i bundtet af hule fibre tilskæres disse på deres endesider. På enderne af den rørformede kappe påsættes derpå tætnende kapper, som er forsynet med studse, som danner ind- og udgange for det første strømningsrum.

Der henvises i øvrigt f.eks. til offentliggørelsen af DE 198 57 850 og EP-A-0 844 015.

Ifølge opfindelsen frembringes der en i så vid udstrækning som muligt en sinusformet teksturering af membraner af hule fibre, hvorved bølgelængdenAer snævert forbundet med den periodiske struktur med den ydre diameter d af de hule fibre (jf. fig. 2) og med den effektive fiberlængde L og diameteren af bundtet D (jf. fig. 1) af fiberbundtet. Derved bevæger den ifølge opfindelsen optimaleAsig i følgende område:

Ifølge ligning 1 er det ikke fornuftigt at vælge bølgelængden mindre end 5 gange den udvendige diameter d af fiberen (fig. 2). Dette kan forklares på den måde, at hvis bølgelængden er mindre end 5 d, dannes der ikke mere nogen bølgedal i den hule fiber, som muliggør dialysatets vej ind i fibrenes indre. Opadtil er bølgelængden λ begrænset af virkningen ved stigningen i ydelse. Derved har det overraskende vist sig, at det for "tynde dialysatorer", dvs. diameter til længdeforhold på D/L < 0,14, i forbindelse med normale fiberdiametre er tilstrækkeligt, når der forefindes 12 bølgelængder pr. fiberlængde L. Ved "tykkere dialysatorer" med et ugunstigt forhold mellem diameter og længde, dvs. af D/L, bliver det ved samme bølgelængdeAsværere for dialysatet at nå ind i midten af fiberbundtet. For at kompensere for dette tages der i ligningen hensyn til geometrien ved beregningen af den maksimale bølgelængde med faktoren 1/(1+2 D/L).

Hvis der for alle dialysatorstørrelser for en hul fiber benyttes samme bølgelængdeA så skal i ligningen (1) D erstattes af den maksimale diameter DMax. Herved opnås, at en gennemtrængning af fiberbundtet også er sikret ved ugunstige diameter- til længdeforhold. I så tilfælde gennemstrømmes de forholdvis slankere dialysatorer først rigtigt af dialysatet.

For dialysefibre med en diameter på d = 0,28 mm og dialysatoren med den største tykkelse, som har en effektiv længde på L = 225 mm og en maksimal indvendig diameter på DMax = 48 mm, opstår der et område for bølgelængdenApå 1,4 mm <A< 13,1 mm. I praksis har værdier for bølgelængdenApå 4 mm <λ< 12 mm vist sig at være særlig effektiv.

Foruden bølgelængden λ spiller tillige amplituden en vigtig rolle ved virkningen af mikrokrølningen. Amplituden a (jf. fig. 2) skal derved bevæge sig i følgende område:

Hvis a bliver mindre end værdien af d/5, bliver mellemrummet mellem to ved siden af hinanden liggende bølger for lille til at lede den nødvendige dialysatmængde ind i det indre af fiberbundtet.

Hvis a derimod vælges større endAfcl, må man affinde sig med en forholdsvis lavere pakningstæthed, som fører til en reduktion af effektiviteten af stofudvekslingen.

Ved hjælp af den såkaldte mikrokrølning sikres det, at dialysatet overalt langs med de hule fibre ledes gennem bølgedalene og ind i det indre af bundtet af hule fibre, og samtidig afbøjes og opbremses strømningen hele tiden langs med de hule fibre. Herved kan der foregå en optimal stofudveksling langs med udvekslingsfladen. Særlige fordele opstår ved anvendelsen af de med den ovennævnte mikrokrølning forsynede hule fibre i form af et tæt pakket fiberbundt, især svarende til den tidligere i detaljer diskuterede pakningstæthed, da en filterindretning med en sådan pakning af hule fibre kan fyldes enkelt. Herved kan begge fluidkamre, nemlig kammeret på dialysatsiden og kammeret på blodsiden, fyldes samtidig og især luftfrit. Heraf opstår der en afgørende fordel sammenlignet med den kendte teknik, ved hvilken kammeret til dialyseringsvæsken og kammeret på blodsiden måtte fyldes efter hinanden, hvorved desuden filterindretningen til en luftfri fyldning måtte drejes 180°. Dette gav en kompliceret håndtering, som ved anvendelse af de mikrokrøllede hule fibre ifølge opfindelsen i filterindretningen ifølge opfindelsen ikke mere er nødvendig.

Claims (5)

1. Filterindretning bestående af et cylindrisk filterhus og et i dette anbragt cylindrisk bundt af krøllede hule fibre, hvor alle hule fibre har en periodisk teksturering og er krøllede svarende til følgende geometriske lovmæssighed:

(1) hvorvedA betegner bølgelængden for de krøllede hule fibre, d betegner den udvendige diameter af de hule fibre, L betegner den effektive længde af de hule fibre, og D betegner diameteren af fiberbundtet, og hvor det i forbindelse med filterindretningen drejer sig om en dialysator med hule fibre til hæmodialyse, som er af den konstruktion, at der igennem det indre af fibrene strømmer blod og i rummet imellem fibrene og filterhuset strømmer dialysat langs fibrene i aksial retning i modstrøm med blodet, og at fiberbelægningen i det cylindriske filterhus udgør 60,5% til 70%.

2. Filterindretning ifølge krav 1, kendetegnet ved, at amplituden a for krølningen er givet ved følgende ligning:

(2).

3. Filterindretning ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at krølningen af de hule fibre har en tredimensional orientering ifølge følgende formler:

(3) for hvilke det gælder: 0,05 < u < 0,14, og hvorved x(z) betegner rumvektoren imellem koordinatudspringet og den rumlige position af en hul fiber, som strækker sig langs med z-aksen, og u betegner antallet af omdrejninger pr. bølgelængde\

4. Filterindretning ifølge ethvert af kravene 1 til 3, kendetegnet ved, at fiberbelægningen i det cylindriske filterhus udgør imellem 63,5% til 65,5%.

5. Filterindretning ifølge ethvert af kravene 1 til 4, kendetegnet ved, at i det mindste 10% af de hule fibre er tredimensionalt krøllede hule fibre.