DE102008045621A1

DE102008045621A1 - Gastransfervorrichtung und Verwendung einer strukturierten Membran

Info

Publication number: DE102008045621A1
Application number: DE102008045621A
Authority: DE
Inventors: Andreas Maurer
Original assignee: Novalung GmbH
Current assignee: Novalung GmbH
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2010-03-04
Also published as: EP2326364B1; US20110226686A1; EP2326364A1; JP2015042253A; JP5669737B2; US8728214B2; JP2012501701A; WO2010025926A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gastransfervorrichtung mit einer spezifisch strukturierten Membran, wobei die Membran durch ihre Strukturierung einen besonders effektiven Gasaustausch ermöglicht. Die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung, umfassend mindestens zwei Kammern und mindestens eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran, wobei die Kammern durch die Membran(en) voneinander getrennt sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Membran(en) auf mindestens einer Seite strukturiert ist/sind und durch die Strukturierung Kanäle und/oder Verästelungen auf der Membran gebildet werden, deren Wände eine Beabstandung von <= 150 µm aufweisen, und der Anteil der Membranoberfläche, der Kanäle und/oder Verästelungen mit dieser Beabstandung aufweist, >= 50% der Gesamtoberfläche der Membran ausmacht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gastransfervorrichtung mit einer spezifisch strukturierten Membran, wobei die Membran durch ihre Strukturierung einen besonders effektiven Gasaustausch ermöglicht.
Gastransfervorrichtungen kommen in vielen Gebieten der Technik zum Einsatz. Dabei handelt es sich entweder um Begasungs- bzw. Entgasungsvorrichtungen, bei denen ein oder mehrere Gase von einem Medium in ein anderes übertreten, oder um Gasaustauschvorrichtungen, die den gegenseitigen Austausch eines oder mehrerer Gase zwischen zwei Medien ermöglichen. Gastransfervorrichtungen finden beispielsweise in der chemischen Verfahrenstechnik Anwendung. Sie dienen dort zur Zufuhr von Gasen für Gas/Flüssig- oder Gas/Feststoff-Reaktionen. Jedoch können sie auch zur Gastrennung bzw. Gasaufreinigung eingesetzt werden, indem nicht ein Gas eingeleitet wird, sondern Gas aus einem Gasgemisch oder einem anderen Reaktionsgemisch abgezogen wird.
Daneben finden Gastransfervorrichtungen ebenfalls in der Biotechnologie und der Medizin Anwendung. Der wichtigste Einsatzort in der Biotechnologie ist deren Verwendung in Kultivierungsreaktoren. Mittels Gastransfervorrichtungen werden hier Zellkulturen spezifisch und kontrolliert mit den für die bestimmte Kultur notwendigen Gasen versorgt bzw. Ausscheidungsgase werden aus dem Nährmedium entfernt. Auch in der Medizin kommen Gastransfervorrichtungen zum Einsatz. Der wichtigste Einsatzzweck ist hier die Anreicherung des Blutes mit Sauerstoff bei gleichzeitiger Entfernung von Kohlenstoffdioxid aus dem Blut. Solche Maßnahmen sind bspw. bei diversen Operationen und bei der Behandlung von verschiedenen Lungenerkrankungen notwendig.
Lungenerkrankungen stehen mit 9 Mio. Todesfällen pro Jahr an dritter Stelle der Todesursachenstatistik der WHO. Die derzeit einzige langfristig effektive Therapieoption für Patienten mit endgradiger funktioneller Lungenerkrankung stellt die Lungentransplantation dar. Eine andere medizinische Lösung, um dauerhaft die Funktion der Lunge zu ersetzen, existiert hingegen nicht. Deshalb besteht insbesondere ein signifikantes Bedürfnis nach dauerhaften, künstlichen Lungenersatzverfahren, welche bei Patienten mit chronischen Lungenerkrankungen, die nicht für eine Lungentransplantation in Betracht kommen, angewendet werden können. Außerdem besteht ebenfalls Bedarf nach Lungenersatzvorrichtungen, die bei Patienten eingesetzt werden, die auf eine Lungentransplantation warten. Die Wartezeiten sind derzeit so lang, dass ca. 80% der Patienten vor der medizinisch indizierten Lungentransplantation versterben. Geeignete, über längere Zeiträume einsetzbare Lungenersatzvorrichtungen könnten hier Abhilfe schaffen.
Bereits in den 1950er Jahren wurden Begasungsvorrichtungen für solche Zwecke entwickelt. Diese sogenannten Oxygenatoren, d. h. Sauerstoff-Begasungsvorrichtungen, haben bis heute eine fortwährende Entwicklung durchlaufen und werden noch heute in ihrer Funktionalität weiter verbessert.
Der Prototyp eines solchen Oxygenators war ein Filmoxygenator, bei dem von einer Rollenpumpe gefördertes Blut über Siebe in fast reiner Sauerstoffumgebung mit Sauerstoff angereichert wurde. Der großflächige direkte Kontakt mit Sauerstoff führte jedoch zur Denaturierung von Plasmaproteinen – ein entscheidender Nachteil beim Einsatz des Filmoxygenators.
Nachfolgend wurde der sog. „Bubble”(Blasen)-Oxygenator entwickelt. Dabei wurde Blut in einer Blutsäule mit Gasbläschen angereichert. Durch Variieren des Gasflus ses wird die Sättigungsleistung eingestellt. Der Gasaustausch findet dabei direkt an der Oberfläche der Gasbläschen statt. Das größte Problem des Bubble-Oxygenators war bzw. ist die bei dieser Sauerstoffanreicherung auftretende Aufschäumung des Blutes, die im Körper zu Mikroembolien führen kann. Nachfolgende Entschäumungsverfahren sind daher notwendig, was dieses Verfahren aufwendig und teuer macht. Beispiele für Oxygenatoren der Bubble-Art sind u. a. in DE 22 08 868 , DE 23 14 644 , DE 23 32 445 und DE 30 01 018 beschrieben.
Kurz nach der Entwicklung des Bubble-Oxygenators erfolgte bereits 1956 erstmalig der Einsatz eines Membranoxygenators. Beim Membranoxygenator ist die Gasphase von der Blutphase durch eine Membran getrennt. Der Gasaustausch findet an der gasdurchlässigen Membran aufgrund von Partialdruckdifferenzen der beteiligten Gase vorwiegend über Diffusion statt. Die Membranen können dabei als Flachmembranen oder als Kapillar- bzw. Fasermembranen ausgestaltet sein. Zwei Typen von Membranoxygenatoren des jüngeren Standes der Technik sind beispielsweise in US 5,137,531 und US 6,682,698 beschrieben. Ein genereller Nachteil der nach dem Diffusionsprinzip arbeitenden Membranoxygenatoren ist jedoch, dass große Membranflächen bereitgestellt werden müssen, um einen effektiven Stoffaustausch zwischen Blut und Sauerstoff in einer bestimmten Zeit zu erreichen. Die Diffusion durch die Membran kann dabei durch Erhöhung des Sauerstoffdrucks bzw. durch die Änderung der Strömungseigenschaften des Blutes beeinflusst werden. Es ist jedoch grundsätzlich recht schwierig, einen Kompromiss zwischen potentieller Blutschädigung, Thromboseneigung und effektivem Gasaustausch zu schließen. Bei den heute überwiegend verwendeten Fasermembran-Oxygenatoren ist durch die große Gesamtoberfläche der Membran zwar eine recht gute Diffusion einstellbar, nachteilig wirkt sich für diesen Oxygenator aber die kostspielige und aufwendige Herstellung der Fasern aus. Ein weiterer Nachteil der zur Zeit verwendeten Oxygenatoren ist die nur sehr kurze Haltbarkeitsdauer. So kann ein Oxygenator des Standes der Technik nur für einige Tage, höchstens bis zu einem Monat, eingesetzt werden. Eine Langzeitanwendung, wie sie insbesondere bei Patienten mit chronischem Lungen versagen wünschenswert wäre, kann gleichwohl nicht befriedigend realisiert werden.
Die beispielhaft für die in der Medizin verwendeten Oxygenatoren genannten Nachteile treten ebenfalls bei Gastransfervorrichtungen auf, welche in der Chemie und Biotechnologie verfahrenstechnisch zum Einsatz kommen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, verbesserte Gastransfervorrichtungen bereitzustellen, welche in der Chemie, Biotechnologie und Medizin, insbesondere zur Begasung bzw. zum Gasaustausch im Blut, Verwendung finden können. Insbesondere soll mit der folgenden Erfindung eine Gastransfervorrichtung mit verbessertem Gastransfer durch die Membran und mit erhöhter Haltbarkeitsdauer bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die gemäß Hauptanspruch genannte Gastransfervorrichtung gelöst, die mindestens zwei Kammern und mindestens eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran umfasst, wobei die Kammern durch die Membran(en) voneinander getrennt sind und die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Membran(en) auf mindestens einer Seite strukturiert ist/sind und durch die Strukturierung Kanäle und/oder Verästelungen auf der Membran gebildet werden, deren Wände eine Beabstandung von ≤ 150 μm aufweisen, und der Anteil der Membranoberfläche, der Kanäle und/oder Verästelungen mit dieser Beabstandung aufweist, ≥ 50% der Gesamtoberfläche der Membran ausmacht.
Die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung zeichnet sich durch eine besonders vorteilhaft strukturierte, mit Gasaustauschkanälen und/oder Verästelungen versehene Membran aus. Die erfindungsgemäße Strukturierung ermöglicht einen verbesserten Stofftransport (durch insbesondere verbesserte Diffusionseigenschaften) durch die Membran, ohne dass die Membran allerdings, wie im Stand der Technik vorgesehen, großflächig dimensioniert sein müsste. Dies beruht einerseits darauf, dass durch die Strukturierung eine größere Oberfläche geschaffen wird, die sich positiv auf den Gasübertritt auswirkt. Andererseits weisen die Wände der durch die Strukturierung entstandenen Kanäle und/oder Verästelungen auf der Membran eine kleine Beabstandung auf, wodurch die Diffusion durch die Membran beschleunigt wird. Die geringe Beabstandung der Kanäle und/oder Verästelungen sorgt dabei für eine deutliche Herabsetzung des Flusswiderstandes. Dies ist insbesondere bei Flüssigkeiten wie beispielsweise biologischen Flüssigkeiten, von Bedeutung. Bei der Verwendung von Blut führt der sog. Fareus-Lindquist-Effekt dazu, dass sich an den Wänden ein Film aus Blutplasma bildet, auf dem die Zellen durch die erfindungsgemäß strukturierten Kanäle und/oder Verästelungen gleiten.
Erfindungsgemäß ist die mindestens eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung, die die Kammern voneinander trennt, typischerweise auf mindestens einer Seite strukturiert. Beim Einsatz von Flüssigkeiten in der/den Kammer(n) ist vorzugsweise die der Flüssigkeit zugewandte Membranseite strukturiert. Insbesondere bei Flüssigkeiten werden die positiven Eigenschaften (z. B. die Herabsetzung des Flusswiderstandes) einer strukturierten Membran auf den Gasübertritt deutlich.
Erfindungsgemäß kann die Membran aus einem organischen oder einem anorganischen Material bestehen oder ein solches umfassen. Zu anorganischen Membranmaterialien zählen Glas, Keramik (z. B. Aluminiumoxid, Titandioxid oder Zirkoniumoxid), Metall, Silikon oder Kohlenstoff. Zu organischen Membranmaterialien gehören insbesondere Polymermaterialien wie etwa Polyacrylamide, Polyacrylnitrile, Polyamide, Polybenzimidazole, Polybutadiene, Polycarbonate, Polydimethylsiloxane, Polyethersulfone, Polyetherimide, Polyolefine, Polyethylenterephtalate, Polymethylmethacrylat, Polymethylpenten, Polyphenylenoxid, Polystyrol, Polysulfone, Polyvinylalkohol, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenfluorid, andere halogenierte Kohlenwasserstoffe und Zellulose und zyklische Olefincopolymere (COC). Organische Membranmaterialien können entweder das reine Polymer, ein Polymerkomposit (d. h. Mischung verschiedener Polymere oder Copolymere) oder Polymerschichtungen (d. h. Polymerlaminate) umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Membranmaterial ein organisches Material, ausgewählt aus den oben genannten Materialien. Noch stärker bevorzugt ist das Membranmaterial ein Polymer, ein Polymerkomposit oder eine Polymerschichtung der genannten Materialien.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Polymer ein Polyolefin, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polybutadien oder Polypenten oder Methylvarianten davon. Am stärksten bevorzugt besteht oder umfasst das Membranmaterial Polymethylpenten.
Ein in diesem Zusammenhang besonders geeignetes Membranmaterial stellt das unter der Produktbezeichnung TPX^TM vertriebene Methylpentenpolymer der Firma Mitsui Chemicals dar. Neben vielen vorteilhaften Eigenschaften (beispielsweise gute Biokompatibilität) zeichnet sich TPX^TM durch eine besonders hohe Sauerstoffpermeabilität aus (47.000 cc/m², 24 atm, 25°C, 90% RH, 25 μm Membranstärke). Zusätzlich besitzt TPX^TM eine geringe Feuchtigkeitsdurchlässigkeit von 110 g/m², 24 h, 40°C, 90% RH und eine geringe Permeabilität für Stickstoff. Deshalb ist TPX^TM als Membranmaterial für die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung besonders geeignet, insbesondere für Anwendungen mit Bezug zum Sauerstofftransport, bspw. zur Anreicherung von Blut mit Sauerstoff.
Abhängig vom gewählten Membranmaterial sind verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung strukturierter Membranen bzw. zur Strukturierung bereits bestehender Membranen bekannt. Das Standardverfahren zur Herstellung von sowohl organischen als auch anorganischen Membranen ist das Sintern, wobei die Erzeugung des Sintermaterials wiederum durch eine Vielzahl von Verfahren, wie Pressverfahren, Extrudieren, Filmgießen, Sedimentationsverfahren und Sol-Gel-Verfahren erfolgen kann. Für organische Membranen gibt es eine Reihe weiterer Herstellungsverfahren, wie z. B. das Recken (Strecken eines Polymers rechtwinklig zur Extrusionsrichtung), das Kernspurverfahren (radioaktive Bestrahlung mit anschließendem Ätzprozess), das Phaseninversionsverfahren (Fällungsreaktion) und das Schäumen (Porenbildung durch CO₂-Expansion). Meist ist der industrielle Aufwand für die Herstellung von organischen Membranen geringer als der für anorganische Membranen. Die verwendete Membran kann nach einem beliebigen der genannten oder auch nach anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt bzw. strukturiert werden.
Vorzugsweise wird die Membran durch lithographische Verfahren, insbesondere die LIGA-Technik strukturiert. LIGA (Abk. für die Verfahrensschritte Lithographie, Galvanik und Abformung) bezeichnet ein Verfahren, welches auf einer Kombination von Tiefenlithographie, Galvanik und Mikroabformung basiert. Das LIGA-Verfahren wurde Anfang der 80er Jahre im Rahmen der Entwicklung des Trenndüsenverfahrens zur Urananreicherung entwickelt, um extrem kleine Trenndüsen herstellen zu können (E. W. Becker et al., Naturwissenschaften 69, 520–523 (1982)). Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Mikrostrukturen mit kleinsten Abmessungen aus verschiedenen Materialien wie Kunststoff, Metall oder Keramik (E. W. Becker et al., Microelectronic Engineering, 4, 35–56 (1986)). Insbesondere wird die LIGA-Technologie auch im Bereich der Mikrosystemtechnik verwendet.
Abhängig von der beim Lithographie-Verfahren verwendeten Strahlung wird zwischen Röntgen-LIGA und UV-LIGA unterschieden. Das LIGA-Verfahren besteht typischerweise aus folgenden Schritten, die nacheinander durchgeführt werden: Zunächst wird eine bis zu 1-mm-starke Röntgen- bzw. UV-empfindliche Kunststoffschicht (z. B. PMMA) auf eine Grundplatte mit elektrisch leitender Deckschicht aufgebracht. Danach erfolgt die lithographische Tiefenstrukturierung, indem ein Resist belichtet wird. Die belichteten Bereiche werden nachfolgend mit einem geeigneten Entwickler herausgelöst, wobei eine Negativform der Metallstruktur bestehen bleibt, die in der Galvanik erzeugt werden soll. In einem nachfolgenden galvanischen Verfahren wird ein Metall auf dem Substrat in den Bereichen abgeschieden, in denen der Resist beim Entwickeln entfernt worden ist. Der Resist wird nachfolgend herausgelöst, wobei die abgeschiedene Metallstruktur zurückbleibt. Diese Metallstruktur dient als ein Abformwerkzeug für Abformungstechniken wie Heißprägen und Spritzgießen, mit dem insbesondere organische Membranen (beispielsweise aus Kunststoff) erzeugt werden können. Neben dem Heißprägen und Spritzgießen können auch ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren oder Vakuumtiefziehen zur Abformung eingesetzt werden. Weitere Beispiele der Technik zum Formenbau sind Mikropräzisionsfräsen und Ultrapräzisionsfräsen.
Die in der Gastransfervorrichtung verwendete Membran ist erfindungsgemäß auf mindestens einer Seite strukturiert, bevorzugt ist die Strukturierung erhältlich unter Einsatz von Mikrospritzguss oder Heißprägeverfahren. In einer weiteren Ausführungsform ist die Membran auf beiden Seiten strukturiert, ebenfalls bevorzugt erhältlich mit Hilfe von Spritzguss- oder Heißprägeverfahren.
Das LIGA-Verfahren stellt eine bisher zur Herstellung von strukturierten Membranmaterialien noch nicht verwendete Technik dar, wobei dadurch Produkte kostengünstig und in hohen Stückzahlen gefertigt werden können. Deshalb betrifft die vorliegende Erfindung ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung strukturierter Membranen durch das LIGA-Verfahren und die dadurch erhaltenen Membranen.
Die Strukturierung der Membranen erfolgt im Mikrometer-Bereich. Erfindungsgemäß werden durch die Strukturierung Kanäle und/oder Verästelungen auf der Membran gebildet, deren Wände eine Beabstandung von ≤ 150 μm, stärker bevorzugt ≤ 100 μm, noch stärker bevorzugt ≤ 80 μm aufweisen. Erfindungsgemäß macht der Anteil der Membranoberfläche, der Kanäle und/oder Verästelungen aufweist, ≥ 50%, stärker bevorzugt ≥ 60%, noch stärker bevorzugt ≥ 70% der Gesamtoberfläche der Membran aus.
Die Geometrie der Strukturen auf der Membran kann beliebig variiert werden. So können Kanäle und/oder Verästelungen als Strukturen auf der Membran verwendet werden, die beispielsweise die Kapillarstruktur der natürlichen Lunge nachahmen.
Solche Kanäle und/oder Verästelungen können auch dadurch erhalten werden, dass die Membran durch verschiedene geometrische Formen strukturiert wird. Beispiele für vorteilhafte geometrische Formen sind Rauten, Vierecke, Vielecke und Kreise.
Die Membran wird aufgrund der Strukturierung mit herausragenden, erhabenden Bereichen bereitgestellt, welche eine bevorzugte Höhe von ca. 1 bis 100 μm, bevorzugt von ca. 5 bis 50 μm, stärker bevorzugt von ca. 10 bis 30 μm und am stärksten bevorzugt von ca. 10 bis 20 μm, aufweisen.
Die entstehenden Kanäle und/oder Verästelungen auf der Membran können entweder ganz durchgängig sein und einen konstanten Fluss des Mediums ermöglichen, sie können aber auch nur abgeschlossene Verzweigungen darstellen, in die das Medium eindringt und (ggf. nach dem Gastransfer) auf dem gleichen Weg wieder austritt. Bevorzugt ist die Membran überwiegend mit Kanälen ausgestattet, noch stärker bevorzugt überwiegend mit Kanälen und Verästelungen.
Erfindungsgemäß stellen die Kanäle auf der Membran durchgängige Wege für ein Medium dar, so dass das Medium parallel, antiparallel oder in einer anderen Form (wie bspw. wellenförmig) zur Einströmrichtung in die Kammer durch die Kanäle hindurchgleiten kann. Hingegen sind Verästelungen erfindungsgemäß Verzweigungen, in die ein Medium eintreten kann, jedoch wie in einer Sackgasse nicht die Verzweigung an einer anderen Stelle als der Eintrittsstelle wieder verlassen kann. Die Verästelungen können parallel oder senkrecht zur Einströmrichtung in die Kammer angeordnet sein. Sie können auch jeden beliebigen Winkel zwischen einer parallelen oder senkrechten Anordnung einnehmen, d. h. einen Winkel von 0° bis 90°. Vor zugsweise sind die Verästelungen in einem Winkel von ca. 10° bis 80°, stärker bevorzugt von ca. 20° bis 70°, noch stärker bevorzugt von ca. 30° bis 60° und am stärksten bevorzugt von ca. 40° bis 50°, zur Einströmrichtung angeordnet. Bei einer solchen Anordnung der Verästelungen gegenüber der Einströmrichtung in die Kammer liegen die Eingänge der Verästelungen auf der dem Hauptstrom zugewandten Seite. Der Einstrom in die Verästelungen findet dabei parallel, senkrecht oder in einem der oben genannten Winkel zum Hauptstrom statt. Es ist ebenfalls eine Anordnung der Verästelungen zur Einströmrichtung denkbar, die eine Anordnung zwischen einer senkrechten und parallelen liegt, so dass der Einstrom in die Verästelungen im Wesentlichen antiparallel (d. h. antiparallel oder in einem beliebigen Winkel zwischen dem antiparallelen und senkrechten Einstrom) zum Hauptstrom stattfindet.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die für die Kanäle und/oder Verästelungen zur Verfügung stehende Oberfläche mehr als 50% der Gesamtoberfläche der Membran ausmacht. Dieser Anteil kann leicht mathematisch berechnet werden, indem der Differenzwert (in m²) aus der Gesamtoberfläche der Membran und der Oberfläche, die mit Strukturen belegt ist, mit dem Wert (in m²) für die Gesamtoberfläche ins Verhältnis gesetzt wird.
Die in der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung verwendete Membran kann aus beliebigen Materialien bestehen, die eine gute Gaspermeabilität (Gasdurchlässigkeit) aufweisen. Gute Gaspermeabilitäten ist beispielsweise gegeben bei Werten von über 100, bevorzugt über 1.000, stärker bevorzugt über 5.000, noch stärker bevorzugt über 10.000 und am stärksten bevorzugt über 20.000 cc/m² bei 24 atm, 25°C, 90% RH bei einer Materialstärke von ca. 30 μm, je nach gewünschtem Zweck in Hinblick auf das jeweils gewünschte Gas (insbesondere bspw. Sauerstoff oder Kohlendioxid). Ferner ist die Membran typischerweise im Wesentlichen flüssigkeitsundurchlässig, d. h. sie besitzt eine Feuchtigkeitspermeabilität von < 1.000, bevorzugt < 500, stärker bevorzugt < 100 und noch stärker bevorzugt < 10 g/m² in 24 h, 40°C, 90% RH.
Die (gas-)permeable Membran kann einerseits eine poröse Membran sein, d. h. eine Membran, die diskrete Poren aufweist. Andererseits kann die Membran eine homogene Löslichkeitsmembran ohne diskrete Poren sein, in der der Stofftransport durch Lösung des Permeats (d. h. Gases) im Polymer erfolgt und die Trennung aufgrund unterschiedlicher Löslichkeiten im Polymer stattfindet. Vorzugsweise ist die Membran eine nicht-poröse permeable Membran. Der Gasaustausch kann dem konvektiven und diffusiven Stoffaustausch unterliegen. Vorzugsweise ist der Gasaustausch diffusiv und wird über die Differenz der Gaskonzentration auf beiden Seiten der Membran bestimmt.
In einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Membran selektiv im Wesentlichen für Sauerstoff und/oder Kohlenstoffdioxid durchlässig. Abhängig von dem Einsatzort der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung kann die Membran für bestimmte Gase besonders gut durchlässig sein, die Permeabilität kann für andere Gase hingegen eingeschränkt sein. Beispielsweise bei der Verwendung der Gastransfervorrichtung zum Gasaustausch im Blut ist eine gute Permeabilität für Sauerstoff und/oder Kohlenstoffdioxid von Bedeutung (siehe die oben genannten Permeabilitätswerte).
In einer anderen spezifischen Ausführungsform ist die Membran nicht oder nur gering für Stickstoff durchlässig. Bspw. für eine Anwendung zum Gasaustausch ist es von Vorteil, wenn die Membran nur geringfügig für Stickstoff durchlässig ist. Dann kann das Blut mit Luft (anstelle von reinem Sauerstoff) begast werden.
Für andere Anwendungen der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung wird die Membran gute Permeabilitäten für andere Gase aufweisen. Beispielsweise im Einsatz als bzw. für Reaktoren (z. B. Bioreaktoren) kann die Membran eine gute Permeabilität für ein oder mehrere Gase, ausgewählt aus N₂, O₂, CO₂, H₂, NH₃, H₂S, CH₃ oder andere Kohlenwasserstoffe, oder auch andere Gase (bspw. Edelgase) aufwei sen. Die Membranpermeabilität für bestimmte Gase beim Einsatz der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung in der Chemie, z. B. zur Gasaufreinigung, Gastrennung oder für Reaktionen, hängt dabei von der Art des zu trennenden bzw. aufzureinigenden Gases bzw. von der Art des der Reaktion zugeführten bzw. abgeführten Gases ab.
Es liegt dabei im Ermessen des Fachmanns, ein Membranmaterial mit der geeigneten spezifischen Permeabilität für ein bestimmtes Gas oder bestimmte Gase bei der angestrebten Verwendung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung auszuwählen. Permeabilitätswerte für viele Membranmaterialien sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Die Membranstärke beträgt erfindungsgemäß ca. 1–200 μm, bevorzugt ca. 10–100 μm, stärker bevorzugt ca. 20–50 μm. Dabei handelt es sich um die Stärke der Membran ohne die durch die Strukturierung erhaltenen herausragenden Bereiche.
Durch die geringe Stärke der Membran kann es notwendig sein, die Membran durch ein geeignetes Trägermaterial zu stabilisieren. Vorzugsweise wird die Membran durch ein Trägermaterial, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus porösen Schäumen, Keramiken, Polymeren ggf. auch einer Stützschicht aus TPX stabilisiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Membran auch als Membranstapel ausgestaltet sein. Die Verwendung von Membranstapeln hat typischerweise mindestens zwei Vorteile gegenüber der Verwendung einfacher Membranen. Einerseits wird der Wirkungsgrad erhöht, da mehr Oberfläche für den Gasaustausch zur Verfügung steht. Andererseits sind Membranstapel auch stabiler als einfache Membranen. Hingegen ist bei Anwendungen, die eine kompakte Gestaltung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung erforderlich machen, bspw. infolge einer Miniaturisierung, die Wahl von Membran anstelle von Membranstapeln stärker bevorzugt.
Das Stapeln von Membranen kann automatisiert oder von Hand durchgeführt werden. Die Membranen können dabei entweder parallel übereinander gelegt werden oder um einen bestimmten Winkel gegeneinander versetzt sein. Besonders bevorzugt sind Membranstapel, die einen gegeneinander versetzten Winkel von 90° aufweisen. Die einzelnen Membranen werden am Randstreifen und/oder an jeder Erhöhung miteinander verbunden. Dabei können Techniken wie Kleben (z. B. UV-Kleber), Ultraschallverschweißen, Hitze-Verschweißen, Bonden oder die Ausbildung von kovalenten molekularen Verbindungen (beispielsweise NH₃-COOH zur Amidbindung) zum Einsatz kommen.
Die Membranstapel können entweder gleiche oder unterschiedliche Membranen im Hinblick auf deren Strukturierung oder Zusammensetzung aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Membranstapel aus strukturierten, permeablen, nicht-porösen Membranen in alternierender Abfolge mit nanoporösen Membranen. Vorzugsweise bestehen die Membranstapel aus ca. 10, bevorzugt ca. 50, stärker bevorzugt ca. 100 und noch stärker bevorzugt mehr als ca. 100 Membranen.
Die kritische Komponente der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung im Hinblick auf ihre Haltbarkeit ist die Membran. Der bisherige vielseitige klinische Einsatz von organunterstützenden Systemen mit Fremdoberflächen, die mit Blut in Berührung kommen, hat gezeigt, dass es zu unerwünschten systemischen Reaktionen (proinflammatorische Immunantwort) kommen kann. Bei der Langzeitanwendung herkömmlicher Blutkontaktflächen führt eine Anlagerung von Plasmaproteinen und Zellen zur Querschnittsverengung und Thrombosebildung. Zudem wird bei langfristigem Einsatz die Bildung einer proliferativen Innenschicht bewirkt, was als „Neo-Intima” bezeichnet wird. Insbesondere wird dieses Phänomen bei Oxygenatoren, die zur Unterstützung der Lungenfunktion in beispielsweise Herz-Lungen-Maschinen Verwendung finden, aber auch bei Kunstherzsystemen bzw. Herzunterstützungssystemen oder Hämodialyseapparaturen beobachtet. Deshalb kann und sollte die Membran auf unterschiedliche Weise in ihrer Haltbarkeit verbessert werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Membran durch Plasmaaktivierung nachbehandelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, insbesondere für die Verwendung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung in der Medizin, kann die Membran mit Zellen, vorzugsweise Ephitelzellen, besiedelt sein. Für eine langfristig einsetzbare erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung im medizinischen Rahmen (beispielsweise als Lungenunterstützungssystem) stellt die Besiedlung der Membran mit Zellen eine deutliche Verlängerung der Haltbarkeit dar, da dadurch eine unspezifische Anlagerung von Substanzen aus den verwendeten Medien an die Membran vermieden bzw. stark gehemmt wird und somit die Membran in ihrer Gaspermeabilität mit der Zeit nicht oder nur unwesentlich verschlechtert wird.
In einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Membran mit biologischen Substanzen, bspw. ausgewählt aus (Poly)Saccharid, vorzugsweise Heparin, Nukleinsäure, vorzugsweise DNA, RNA oder PNA, Protein, vorzugsweise Albumin, Lipid, Proteoglykan, oder organischen Polymeren, bspw. Polyethylenglycol oder mit Kombinationen dieser Substanzen beschichtet.
Zur Besiedlung der Membran mit Zellen bzw. zur Beschichtung der Membran mit anderen Substanzen kann es vorteilhaft oder auch notwendig sein, die Oberfläche der Membran vorher zu modifizieren. Verfahren zur Modifikation von Membranen sind aus dem Stand der Technik bekannt und können vom Fachmann anwendungsbezogen ausgewählt werden. Beispielsweise kann es notwendig sein, die Hydrophobizität/Hydrophilie/Ladungsdichte der Membran zu verändern, beispielsweise durch physikalische oder chemische Behandlung der Membran, um die Anhaftung zu verbessern.
Die Erfindung betrifft eine Gastransfervorrichtung umfassend eine wie oben beschrieben strukturierte Membran und auch deren Verwendung in einer Gastransfervorrichtung.
Erfindungsgemäß umfasst der Begriff „Gastransfervorrichtung” eine Begasungs- bzw. Entgasungs- und Gasaustauschvorrichtung. Bei einer Begasungs- bzw. Entgasungsvorrichtung treten ein oder mehrere Gase aus einer Kammer in die andere Kammer über, ohne dass ein Rücktransport stattfindet. Bei einer Gasaustauschvorrichtung hingegen wandern zusätzlich aus der anderen Kammer das gleiche oder ein anderes Gas oder auch mehrere Gase in die erste Kammer ein. Die Gase werden also gegeneinander ausgetauscht. Dabei muss die Gasmenge, die in die eine Richtung wandert, mit der Gasmenge, welche eine entgegengerichtete Wanderung vollzieht, nicht identisch sein. Typischerweise erfolgt der Transfer nach Maßgabe des jeweiligen Konzentrationsgefälles.
Die mindestens zwei Kammern der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung dienen zur Aufnahme jeweils eines Mediums, d. h. eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs bzw. deren Gemischen. In Abhängigkeit vom Einsatzgebiet für die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung dienen die Kammern zur Aufnahme spezieller Medien. Bei einer Anwendung zur Gasaufreinigung ist ein abzutrennendes Gas in einem Gasgemisch oder in einer Flüssigkeit in einer der Kammern enthalten, eine weitere Kammer enthält ebenfalls entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit, in die das zu trennende Gas übergehen soll. Die zweitgenannte Kammer kann aber auch ungefüllt sein bzw. unter einem leichten oder starken Unterdruck stehen, um den Gastransfer zu erleichtern.
Zur Verwendung in der Biotechnologie dient mindestens eine der Kammern vorzugsweise zur Aufnahme einer Flüssigkeit, z. B. eines Kulturmediums, und eine andere Kammer zur Aufnahme eines Gases, das in die Flüssigkeit übergehen soll. In seiner Verwendung als Oxygenator in der Medizin umfasst die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung mindestens zwei Kammern, wobei vorzugsweise eine der Kammern zur Aufnahme einer Flüssigkeit und eine weitere Kammer zur Aufnahme eines Gases dient, das in die Flüssigkeit übergehen soll. Wird die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung zur Begasung oder zum Gasaustausch im Blut verwendet, so nimmt mindestens eine Kammer die Flüssigkeit, also bspw. Blut, auf und mindestens eine weitere Kammer nimmt Sauerstoff oder ein Sauerstoff-enthaltendes Gasgemisch auf. Dabei geht durch die Membran Sauerstoff aus der einen Kammer in die mit Blut gefüllte Kammer über, und optional tritt Kohlenstoffdioxid aus der mit Blut gefüllten Kammer in die Sauerstoff-enthaltende Kammer ein. Hierbei kann der Transfer von Kohlenstoffdioxid in die mindestens eine Sauerstoff-enthaltende Kammer auch unterbleiben, indem die Membran so gewählt wird, das sie keine Kohlenstoffdioxid-Permeabilität zulässt.
Abhängig von der Verwendung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung können die Kammern aus jedem beliebigen geeigneten Material hergestellt werden. Beispielsweise können die Kammern aus Kunststoff, Metall, Glas, Keramik oder anderen Materialien, bspw. Komposit-Werkstoffen, bestehen. Auch können zur Verwendung in Reaktoren Stahlkammern eingesetzt werden. Bevorzugtes Material für die Kammern ist Kunststoff. Es liegt jedoch im Ermessen des Fachmanns, für eine bestimmte Verwendung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung ein geeignetes Material für die Kammern auszuwählen. Dabei können die unterschiedlichen Kammern entweder aus dem gleichen Material oder auch aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein. Für eine chemische Anwendung ist dabei insbesondere die Stabilität des Materials von Bedeutung, hingegen muss für die Verwendung in der Biotechnologie und Medizin insbesondere auf die Verträglichkeit mit den in den Kammern verwendeten Medien geachtet werden, insbesondere müssen die Standards für die bspw. medizinischen Anwendung (Sterilität etc.) eingehalten werden.
Ebenfalls abhängig von der Verwendung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung kann die Größe der Kammern in geeigneter Weise gewählt sein. Dabei können die Kammern gleich oder unterschiedlich groß sein und auch gleiche oder unterschiedliche Geometrien aufweisen. So können eine oder auch mehrere Kammern so klein dimensioniert sein, dass die Membran direkt mit der (gegenüberliegenden) Kammerwand in Verbindung steht (bevorzugt über die Strukturmuster auf der Membran). Andererseits können auch eine der Kammern oder auch mehrere Kammern Dimensionen von bis zu einigen Metern aufweisen. Beispielsweise bei der Verwendung als Reaktor (z. B. in der Chemie oder Biotechnologie) kann eine der Kammern als Reaktor selbst ausgestaltet sein, der beispielsweise bis zu etwa 10 m breit ist. Im erstgenannten Fall einer kleinen Kammerdimensionierung weist mindestens eine der Kammern vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 1 μm bis etwa 1 cm, stärker bevorzugt etwa 5 μm bis etwa 500 μm, noch stärker bevorzugt etwa 10 μm bis etwa 200 μm und am stärksten bevorzugt etwa 20 μm bis etwa 100 μm auf. Im zweitgenannten Fall, bspw. bei der Verwendung als Reaktor, weist mindestens eine der Kammern vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 1 cm bis etwa 10 m, stärker bevorzugt etwa 5 cm bis etwa 5 m, noch stärker bevorzugt etwa 10 cm bis etwa 2 m und am stärksten bevorzugt etwa 20 cm bis etwa 1 m auf. Besonders bevorzugt besitzen mindestens zwei Kammern die oben genannten Durchmesser. Es liegt jedoch im Ermessen des Fachmanns, für eine spezifische Verwendung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung eine geeignete Größe für die Kammern zu bestimmen. Dies gilt ebenfalls für die Dimensionierung der Länge und der Höhe der Kammern.
Die Kammern der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung weisen jeweils mindestens eine Öffnung zur Aufnahme des Mediums auf. Vorzugsweise weisen die Kammern jeweils mindestens einen Ein- und Auslass auf, um als Durchflusskammern ausgestaltet zu sein. Vorzugsweise ist mindestens eine der Kammern als Durchflusskammer ausgestaltet, stärker bevorzugt sind alle Kammern als Durchflusskammern ausgestaltet. An den Ein- und/oder Auslässen können beispielsweise Anschlüsse zu weiteren Kammern oder Geräten vorgesehen sein. Beispielsweise können an den Ein- und/oder Auslässen Anschlüsse für Schläuche, welche zum Einleiten der Medien in die Kammern und/oder zur Abführung der Medien dienen, vorgesehen sein. Wenn mindestens zwei Kammern als Durchflusskammern ausgestaltet sind, können sie im Gleich- oder Gegenstrom betrieben werden. Zum Durchleiten der Medien durch die Kammern können beispielsweise Pumpen verwendet werden. Das Durchleiten der Medien durch die Kammern kann unter Umgebungsdruck oder bei Unter- oder Überdruck geschehen. Zum Beispiel könnte das Durchleiten der Medien durch die Kammern bei einem Unterdruck von 100 bis 10 mbar oder bei einem Überdruck von 50 bis 300 mbar geschehen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung mehr als zwei, vorzugsweise mehr als 10, stärker bevorzugt mehr als 20, noch stärker bevorzugter mehr 50, am stärksten bevorzugt mehr als 100 Kammern, die jeweils durch eine Membran voneinander getrennt sind.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung so aufgebaut, dass die Kammern abwechselnd das Medium enthalten, welches ein Gas aufnimmt und welches ein Gas abgibt bzw. ein Gas ist.
Eine erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung kann weiterhin, in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, aus zwei oder mehreren der genannten Vorrichtungen bestehen, wobei die Kammern vorzugsweise übereinander (d. h. parallel zueinander) gelagert sind. Alternativ können die Kammern auch konzentrisch seriell oder umeinander angebracht sein.
Vorzugsweise wechseln sich auch hier die Kammern mit dem Medium, welches das Gas aufnimmt, mit Kammern, welche das Gas abgebende Medium beinhalten, ab.
Eine Vorrichtung umfassend mehr als zwei Kammern gewährleistet einen größeren Wirkungsgrad als Vorrichtungen mit nur zwei Kammern. Dem verbesserten Wirkungsgrad steht ein Verlust der Kompaktheit der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung gegenüber.
Erfindungsgemäß findet die Gastransfervorrichtung Anwendung für die Begasung bzw. den Gasaustausch in beliebigen Medien (Gas, Flüssigkeit, Feststoff, Gemischen davon, etc.).
In der Chemie kann die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung im Allgemeinen für Reaktionen verwendet, an denen Gase beteiligt sind, wie z. B. Gas/Gas-, Gas/Flüssig- oder Gas/Feststoff-Reaktionen. Ferner kann die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung ebenfalls zur Gasaufreinigung und Gastrennung verwendet werden.
Bevorzugt wird die Gastransfervorrichtung in der Biotechnologie und in der Medizin eingesetzt. In der Biotechnologie kommt sie insbesondere zum Einsatz als oder im Bioreaktor zur Kultivierung diverser Zellen bspw. mit dem Ziel einer Expression von Genen von Interesse.
In der Medizin wird die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung bevorzugt zur Begasung von Blut eingesetzt, insbesondere bei Patienten mit Lungenversagen oder anderen Lungenfehlern zur Dauertherapie oder bei Operationen, z. B. Transplantationen, bei denen der Patient an eine Herz-Lungen-Maschine angeschlossen wird, zur Akuttherapie.
Bei einer besonders bevorzugten Verwendung kann die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung zur Begasung von Blut bzw. zum Gasaustausch in Blut eingesetzt werden. Sie übernimmt dadurch Funktionen einer künstlichen Lunge. Eine solche künstliche Lunge wird typischerweise als externe Vorrichtung ausgestaltet sein, sie könnte aber auch in einen Patienten implantiert sein. Abhängig davon, ob die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung als externe oder implantierte Vorrichtung ausgestaltet ist, besitzt sie unterschiedliche Dimensionen. So wird eine intern einsetzbare erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung im Miniaturmaßstab strukturiert sein, damit sie insbesondere zur Implantation, z. B. in die Vene eines Patienten, geeignet ist.
Abhängig von der Verwendung der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung können die Kammern der Gastransfervorrichtung zur Aufnahme unterschiedlicher Medien dienen. Beispielsweise können mehrere Kammern mit Gasen befüllt sein. Eine der Kammern oder auch alle Kammern können ebenfalls zur Aufnahme einer Flüssigkeit dienen.
Bei der Verwendung in der Medizin oder in der Biotechnologie ist die Flüssigkeit bevorzugt eine biologische Flüssigkeit. Die biologische Flüssigkeit soll sowohl als Flüssigkeit verstanden werden, welche eine Körperflüssigkeit eines Lebewesens ist, als auch als eine Flüssigkeit, welche biologisch für mindestens einen Organismus ungiftig ist bzw. für dessen Wachstum benötigt wird. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die biologische Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Blut, Blutserum, Zellsuspension, Zelllösung und Kulturmedium. Dient mindestens eine der Kammern der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung zur Aufnahme einer Flüssigkeit, so ist es bevorzugt, dass die Membran, welche diese Kammer von einer weiteren Kammer trennt, auf der Seite der Flüssigkeit eine Strukturierung, wie oben beschrieben, aufweist.
Wie bereits beschrieben, können die Kammern der erfindungsgemäßen Gastransfervorrichtung unterschiedlich dimensioniert sein. So können die Kammern sehr geringe Dimensionen aufweisen und als Durchflusskammern zum Einsatz beispielsweise in Reaktoren (Chemie- oder Bioreaktoren) eingesetzt werden. Dabei können sie entweder intern oder auch extern, über geeignete Verbindungen, an die Reaktoren angeschlossen sein. Beispielsweise kann ein Teil eines Mediums über geeignete Verbindungen (z. B. Schläuche) aus dem Reaktor abgeführt werden und in eine der Kammern der Gastransfervorrichtung eingeleitet werden. Die andere Kammer (beispielsweise als Durchflusskammer ausgestaltet) kann mit einem anderen Medium befüllt werden, welches ein Gas an die Flüssigkeit aus dem Reaktor abgibt oder ein solches aufnimmt.
Andererseits kann mindestens eine der Kammern so große Dimensionen aufweisen, dass sie selbst als Reaktor dient. Durch eine weitere Kammer wird dann ein Medium geleitet, welches zur Aufnahme bzw. zur Abgabe eines bestimmten Gases an das Reaktormedium dient.
Eine beispielhafte Realisierung einer extrakorporalen Gastransfervorrichtung zur Begasung von Blut könnte in Anlehnung an den Novalung^®-iLA Membran Ventilator IL-1000-01 der Novalung GmbH realisiert werden. Dieser Ventilator gehört zur Gruppe der extrakorporalen Gasaustauschsysteme, die eine Albumin-Heparin-Beschichtung beinhalten. Ein solcher Ventilator dient zur Zufuhr von Sauerstoff und zu Abfuhr von Kohlenstoffdioxid von abgeleitetem Blut eines Patienten. Das System besteht aus einer sog. künstlichen Lunge, welche einer Gastransfervorrichtung entspricht, und blutzu- bzw. blutabführenden Ein-/Auslassleitung mit Schlauchverlängerung. Dieses System ist richtungsunabhängig und kann aufgrund seines symmetrischen Aufbaus von beiden Seiten angeströmt werden. Die beiden Ein-/Auslassleitungen und Schlauchverlängerungen des Systems sind aus folgenden Komponenten aufgebaut:

– Ein-/Auslassbogen als Knickschutz
– PVC-Schlauch 3/8 × 3/32 Zoll mit Schnellkupplung weiblich
– Schlauchverlängerung mit Schnellkupplung männlich/weiblich

Die blutzu-/blutabführenden Ein-/Auslassbögen sind als Knickschutz im Ein-/Auslassbereich der Membranlunge angebracht. Die Übergangsstellen in den Ein-/Auslassleitungen und Schlauchverlängerungen sind stufenlos gestaltet, um die Gefahr einer Thrombenbildung durch Totzonen, scharfe Kanten etc. im Strömungsbereich zu minimieren.
Die bei dem Novalung^®-iLA Membran Ventilator nach dem Stand der Technik verwendete Membran ist eine Hohlfasermembran, über die Sauerstoff an das Blut abgegeben wird und Kohlenstoff aus dem Blut abgeführt wird. Erfindungsgemäß kann diese Hohlfasermembran durch eine strukturierte Membran im Sinne der vorliegenden Erfindung ausgetauscht werden.
Das Novalung^®-iLA Membran Ventilator-System funktioniert nach dem folgenden Prinzip: Das Blut tritt aus der Arteria femoralis über die arterielle Novalung^®-Kanüle NovaPort^® in die zuführende Schlauchverlängerung und Einlassleitung ein. Das Blut tritt durch den Einlaufbogen in das Gehäuse der Membranlunge ein. In der dahinterliegenden Vorkammer wird das Blut verteilt, gleichzeitig wird hier eventuell eintretende Luft nach oben abgeleitet. An der Spitze des Membransystems sind beidseitig Entlüftungsmembranen integriert. Diese sind hydrophobe Membranen, die gasförmige Stoffe durchlassen, Flüssigkeiten jedoch zurückhalten. Die Entlüftungsmembranen dienen dem leichteren Füllen, Entlüften und der permanenten Elimination von Luft während des Verfahrens. In der folgenden Hauptkammer findet wie oben beschrieben der Gasaustausch statt.

Das decarboxylierte und oxygenierte Blut wird dem Patienten über den Auslaufbogen, das Membransystem, die Auslassleitung mit Schlauchverlängerung und die Novalung^®-Kanüle NovaPort^® der Vena Femoralis zugeführt. Weitere technische Daten sind in der folgenden Tabelle angegeben:

Technische Daten:
Blutflussrate	0,5–4,5 l/min
Maximal empfohlene Gasflussrate	10 l/min
Maximaler Druck Gasseite	20 mmHg
Maximaler Druck Blutseite	200 mmHg
Oberfläche der Oxygenationsmembran	1,3 m²
Füllvolumen gesamt	240 ml
Periphere Schnittstellen:
Anschlussstelle	Anschlußports	Anschlußgröße
Blutein-/Blutauslassschlauch	2	3/8'' × 1/32'' Schnellkupplungen
Gaskonnektoren	2	1/4''
Entlüftungskonnektoren	2	Luer-Lock

Die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung kann ferner noch weitere Bauteile umfassen. Dazu gehört beispielsweise ein Gehäuse, welches aus einem beliebigen Material aufgebaut sein kann.
Ferner können an die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung noch weitere Bauteile angeschlossen sein, die für eine gute Funktionsweise der Gastransfervorrichtung notwendig sind bzw. diese positiv unterstützen. Beispielsweise kann ein Wärmetauscher an die Gastransfervorrichtung angeschlossen sein, um die Temperatur des in den Kammern befindlichen bzw. durch die Kammer durchgeleiteten Mediums zu temperieren. Weiterhin können an die erfindungsgemäße Gastransfervorrichtung ebenfalls Apparaturen angeschlossen werden, welche bestimmte Parameter des in den Kammern befindlichen bzw. durch die Kammer durchgeleiteten Mediums überwachen bzw. vorgeben. Beispielsweise kann eine Apparatur an die Gas transfervorrichtung angeschlossen sein, welche den Gasdruck (bei Verwendung eines Gases als Medium) überwacht.
Die Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung einer wie oben beschriebenen strukturierten Membran in einer künstlichen Lunge oder einem Bioreaktor.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 2208868 [0007]
- DE 2314644 [0007]
- DE 2332445 [0007]
- DE 3001018 [0007]
- US 5137531 [0008]
- US 6682698 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- E. W. Becker et al., Naturwissenschaften 69, 520–523 (1982) [0019]
- E. W. Becker et al., Microelectronic Engineering, 4, 35–56 (1986) [0019]

Claims

Gastransfervorrichtung, umfassend mindestens zwei Kammern und mindestens eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran, wobei die Kammern durch die Membran(en) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran(en) auf mindestens einer Seite strukturiert ist/sind und durch die Strukturierung Kanäle und/oder Verästelungen auf der Membran gebildet werden, deren Wände eine Beabstandung von ≤ 150 μm aufweisen, und der Anteil der Membranoberfläche, der Kanäle und/oder Verästelungen mit dieser Beabstandung aufweist, ≥ 50% der Gesamtoberfläche der Membran ausmacht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran auf beiden Seiten strukturiert ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus einem organischen oder anorganischen Material besteht oder ein solches umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material ein Polymer, Polymerkomposit oder Polymerschichtung ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein Polyolefin ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyolefin Polymethylpenten ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran als Membranstapel ausgestaltet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran durch Spritzguss bzw. Mikrospritzguss oder ein Heißprägeverfahren strukturiert ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Stärke von 10 bis 100 μm aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Stärke von 20 bis 50 μm aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran selektiv im Wesentlichen für Sauerstoff und/oder Kohlenstoffdioxid durchlässig ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran nicht oder nur geringfügig für Stickstoff durchlässig ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran durch ein Trägermaterial stabilisiert ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran mit Zellen, vorzugsweise Epithelzellen, besiedelt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran mit einer oder mehreren Substanzen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus (Poly)Saccharid, vorzugsweise Heparin, Nukleinsäure, Protein, vorzugsweise Albumin, beschichtet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehr als zwei Kammern umfasst, die durch eine oder mehr Membran(en) getrennt sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Kammern als Durchflusskammer ausgestaltet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kammern als Durchflusskammern ausgestaltet sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kammer einen Durchmesser von 1 μm bis 1 cm aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite oder weitere Kammer einen Durchmesser von 1 μm bis 1 cm μm aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Kammern zur Aufnahme einer Flüssigkeit dient.
Vorrichtung gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit eine biologische Flüssigkeit ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die biologische Flüssigkeit ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Blut, Blutserum, Zellsuspension, Zelllösung und Kulturmedium.
Vorrichtung, bestehend aus zwei oder mehreren der Vorrichtungen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24 in einer künstlichen Lunge oder einem Bioreaktor.
Verwendung einer strukturierten Membran, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran auf mindestens einer Seite strukturiert ist und durch die Strukturierung Kanäle und/oder Verästelungen auf der Membran gebildet werden, deren Wände eine Beabstandung von ≤ 150 μm aufweisen, und der Anteil der Membranoberfläche, der Kanäle und/oder Verästelungen mit dieser Beabstandung aufweist, ≥ 50% der Gesamtoberfläche der Membran ausmacht, in einer Gastransfervorrichtung.
Verwendung einer strukturierten Membran gemäß Anspruch 26 in einer künstlichen Lunge oder einem Bioreaktor.