DE2113892A1 - Blut-Oxygeniergeraet - Google Patents

Blut-Oxygeniergeraet

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Sanford Robert Alan
Matloff Jack Morton
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Meditech Energy and Environmental Corp
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    • B01D2325/10Catalysts being present on the surface of the membrane or in the pores

Description

Anmelder: Meditech Energy and Environmental Corp., 183 Newbury Street, Danvers, Massachusetts, USA
Blut-Oxygeniergerät .
Die Erfindung betrifft ein Blut-Oxygeniergerät für Zufuhr von Sauerstoff in Blut und zur Entfernung von C0_ daraus.
Seit Jahren erfolgen intensive Bemühungen, um Blut-Oxygeniergeräte zu verbessern. Derartige Geräte finden Verwendung, um Blut Sauerstoff zuzuführen, wenn die gewöhnliche Zufuhrmöglichkeit nicht mehr vorhanden ist. Bei einigen Operationen ist es z.B. wünschenswert, daß das Herz und/oder die Lunge vorübergehend nicht mehr arbeiten sollen. In derartigen Situationen muß das Blut durch ein äußeres Gerät zirkuliert werden, welches die Funktionen ausführt, die normalerweise durch die Lunge durchgeführt werden. In gewissen Fällen ist es ferner wünschenswert, daß Oxygeniergerate verwandt werden, um Vorgänge zu vereinfachen, wobei dfe.s Umpumpen des Bluts durch das Herz während einer längeren Zeitspanne unterbrochen wird, so daß sich das Herz erholen kann, um eine Ausheilung gewisser Schaden zu ermöglichen. Ferner ist eine Oxygenierung von steigender Bedeutung bei der Verpflanzung von Organen in der Zeitspannelzwisehen dem Tod des Spenders und dem Einpflanzen des Organs bei dem Empfänger.
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Ein bekanntes Gerät dieser Art hat eine für Sauerstoff durchlässige Membran zwischen dem Blut und einer Sauerstoff- . quelle. Dabei ist eine große Membranoberfläche erforderlich, damit die erforderliche Sauerstoffmenge in das Blut gelangen kann. Diese Strömung ist jedoch gewöhnlich durch die Art einer durch Blut gebildeten Schicht angrenzend an die Membranoberfläche begrenzt. Deshalb hat die Verwendung von Membranen mit verbesserten Sauerstoff-Übertragungseigenschaften nicht zu einer wesentlichen Verbesserung bei derartigen Geräten geführt. Aus diesem Grunde wurde eine beträchtliche Entwicklungsarbeit mit dem Ziel durchgeführt, eine möglichst große Membranfläche in einem möglichst kleinen Volumen unterbringen zu können, sowie eine optimale Strömungsgeschwindigkeit und Verteilung entlang der Membranoberfläche der Einrichtung zu erzielen, und um geeignete Abdichtungen für das Gerät zu schaffen. Deshalb haben derartige Geräte eine sehr komplizierte Konstruktion und sind verhältnismäßig teuer.
Von Zeit zu Zeit wurden andere Geräte dieser Art bekannt, bei denen keine Membran zur Sauerstoffzufuhr erforderlich ist. Derartige Geräte sind jedoch verhältnismäßig sperrig, benötigen verschiedene Ventile, Meßgeräte u. dergl.. Derartige Geräte müssen eine Einrichtung aufweisen, durch die gewährleistet ist, daß Sauerstoff geeignet in dem Blut ohne zu durch starke Durchwirbelung verteilt wird. Die meisten derartigen Geräte benötigen eine sehr große Zwischen fläche zwischen Gas und Blut, wodurch eine nachteilige Denaturierung der Plasmakomponenten des Bluts verursacht wird. Ein anderes derartiges Gerät verteilt einen schnell fließenden Blutstrom in eine relativ dünne Schicht. Der Gasaustausch erfolgt, wenn diese dünne Schicht mit Sauerstoff in Berührung gebracht wird.
Hämatologische Studien bei derartigen bekannten Geräten haben ergeben, daß das Blut-Trauma in nachteiligerweise nicht vollständig für den Körper kompensiert werden kann.
Schließlich müssen alle derartigen Geräte eine Einrichtung auf-
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weisen, oder in Verbindung mit einer Einrichtung Verwendung finden, welche Kohlendioxyd aus dem Blut entfernen. Bei Membrangeräten wird C0_ gewöhnlich durch die selbe Membran entfernt, die zur Sauerstoffzufuhr dient. Derartige Geräte sind jedoch verhältnismäßig starken Beschränkungen unterworfen, insbesondere im Hinblick auf die Konstruktion unter Berücksichtigung verschiedener Durchlässigkeitsverhältnisse von Sauerstoff zu C0_.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die bestehenden Nachteile und Schwierigkeiten bei derartigen Geräten zu vermeiden. Insbesondere soll die Einrichtung zur Entfernung von Kohlendioxyd aus dem oxygenierten Blut durch eine Einrichtung erfolgen, die unabhängig von der Einrichtung zur Sauerstoffzufuhr ist. Das Gerät soll ermöglichen, daß zumindest ein Teil des Sauerstoffs dem Blut in naszierendem Zustand zugeführt werden kann. Ferner soll der Betrag der Sauerstoffzufuhr ohne weiteres durch das Gerät steuerbar sein* Insbesondere soll auch das Gerät eine kompakte Konstruktion im Vergleich zu dem Ausmaß der dadurch ermöglichten Sauerstoffzufuhr aufweisen.
Diese Aufgabe wird bei einem Blut-Oxygeniergerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zur Zufuhr -von naszierendem Sauerstoff an das Blut während des Durchtritts des Bluts durch diese Einrichtung vorgesehen ist. Zweckmäßigerweise enthält deshalb ein derartiges Gerät eine Kammer zur Zufuhr von Sauerstoff in das Blut, eine Einrichtung zur Zufuhr des benötigten Sauerstoffs zu dem Blut, das durch diese Kammer fließt, sowie bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, eine für Kohlendioxyd durchlässige, blutzurückhaltende Schranke, um eine Entfernung von Kohlendioxyd aus dem mit Sauerstoff versorgten Blut zu begünstigen.
Die Einrichtung zur Sauerstoffzufuhr ist vorteilhafterweise eine Elektrode, die in Berührung mit dem Blut selbst steht, also eine in der erwähnten Kammer angeordnete Elektrode. Diese Elektrode ist zweckmäßigerweise eine Anode, die in Verbindung mit einer Elektrolyt-Membranschranke ausgebildet ist, und in Verbindung mit
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einer Kathode verwandt wird, welche in einer angrenzenden Kammer angeordnet ist. Die zweite Kammer ist von der Kammer zur Sauerstoffzufuhr durch die Membranschranke getrennt. Ein wässriges Medium, das Wasser oder eine Salzlösung sein kann, wird durch diese zweite Kammer zirkuliert. Dieses wässrige Medium bildet eine Einrichtung zur Entfernung von Wasserstoff, welcher an der Kathode freigesetzt wurde, und ermöglicht ferner die Zufuhr von Wasser, welches an der Kathode elektrolytisch versetzt wird.
Die Elektrolyt-Membranschranke kann aus irgend einer Kombination einer eines dimensionsstabilisierenden Matrix und einem Elektrolyt gebildet sein, der praktisch für die Flüssigkeitsströmung undurchlässig ist und die Beibehaltung des elektrolytischen Charakters ermöglicht.
Beispielsweise kann die Membranschranke durch ein praktisch porenfreies polymeres Material oder durch eine polymere Schranke gebildet sein, falls darin ein flüssiger Elektrolyt unbeweglich darin gehalten wird um einen elektrolytischen Verbindungsweg zu ermöglichen. Die Schranke kann auch durch ein fasriges Material, wie beispielsweise Asbest, gebildet sein, welches Material mit einem bewegungsunfahrigen Elektrolyt imprägniert ist. Die bevorzugten Membranen bestehen aus hydrophilen, organischen, schichtbildenden Polymeren, insbesondere solchen, die eine integrale Cationen-Austauschkapazität haben.
Eine derartige Membran ergibt einen elektrolytischen Verbindungsweg, durch den Sauerstoffionen, welche durch die Elektrolyse des Wassers an der Kathode freigesetzt wurden, durch die Anode transportiert werden, wo gasförmiger Sauerstoff in dem naszierenden oder molekularen Zustand freigesetzt wird.
Um die Zersetzung des Wassers zu begünstigen, findet zweckmäßigerweise ein Katalysator für die Elektrolyse Verwendung, beispielsweise fein verteilte Edelmetalle, wie Platin, Rhodium, Ruthenium, Iridium oder Katalysatoren wie Wolframoxyd, Borcarbid oder Kohlenstoff. Platin-Black ist ein besonders geeigneter Katalysator. Diese Kat#alysoren werden gewöhnlich auf jeder
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Oberfläche der Ionenaustausch-Membran imprägniert.
Der Katalysator wird auf die Membran durch bekannte Verfahren aufgetragen, beispielsweise kann er in einer Toluol-Suspension dispergiert sein, auf die Membranoberfläche aufgetragen werden, vorzugsweise bei einer Belastung von etwa 2o Gramm
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pro 1 ooo cm (2o Gramm pro Quadratfuß), und in die polymere Oberfläche der Membran eingepresst werden, damit eine Anhaftung gewährleistet ist.
Kollektor-Gitter aus Gold, Edelstahl, Tantal, Graphit o. dergl. finden als einstückige Bestandteile der Anode und der Kathode Verwendung.
Eine derartige Membran ist beispielsweise ein lineares sulfoniertes organisches Polymer mit einer fluorinierten Kohlenstoffkette. Dieses Material ist unter dem Handelsnamen XR-per (Fluorsulfonsäure) Membran von der Firma DuPont/USA erhältlich. Diese kationische Membran hat eine Dicke von etwa o,25 mm (Io Mil ) im trockenen Zustand ein äquivalentes Molekulargewicht von etwa 1 2oo und einen spezifischen Widerstand von 15o Ohm χ cm als Kalium-Ion. Diese Membran wird in siedendes Wasser 3o Minuten lang eingetaucht und vor der Auftragung des Katalysators gekühlt.
Die Verwendung einer Membran aus einem Silicongummi hat sich als vorteilhaft erwiesen, welches Material als Melrose-Membran bekannt ist und von der Royal Post-Graduate Medical School in London/Großbritannien erhältlich ist. Diese Membran hat eine
gasdurchlässigkeit (gemessen inQ )l νΟΠ 6° Ein"
heiten Sauerstoff und 325 Einheiten Kohlendioxyd. "RTP" bedeutet Raumtemperatur von etwa 25°C und Normaldruck. Eine andere geeignete Membran isjt^?on der Firma Dow Corning/USA unter dem Handelsnamen Silastic S-2ooo (medizinische Qualität) verfügbar. Diese Membran läßt 519 ooo cc pro Mil von CO pro 24 Stunden pro Quadratfuß durch.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß unter typischen Arbeitsbedingungen mehr Blut mit Sauerstoff versorgt werden kann, als dies bei bekannten Geräten dieser Art der Fall ist.
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Beispielsweise können 4o cm Sauerstoff pro Minute ohne weiteres
pro oro9 m (ein Quadratfuß) der Membran gemäß der Erfindung zugeführt werden, während Beträge von lediglich etwa 5o bis 2o cm Sauerstoff mit bekannten Verfahren dieser Art erzielt werden können. Diese Angaben beziehen sich auf eine Stromdichte von
Io Ampere pro o,o9 m (ein Quadratfuß) effektiver Membranoberfläche. In der Praxis können sogar höhere Stromdichten Verwendung finden.
In der Praxis kann es nötig sein, Sauerstoff für ein Kleinkind oder für einen Erwachsenen zuzuführen. Wenn das Kleinkind
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9 cm Sauerstoff pro Minute und der Erwachsene 24o cm pro Minute benötigt, gibt die folgende Tabelle I den Betrag der Membranfläche an, der benötigt wird, wenn Sauerstoff (a) durch ein lineares, sulfoniertes, organisches Ionenaustausch-Polymer als Membran entsprechend der vorliegenden Erfindung mit verschiedenen Stromdichten zugeführt wird und (b) eine Siliconmembran von o,o5 mm (2 Mil) Dicke mit einer Sauerstoff-Durch-
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lässigkeit von Io cm Sauerstoff pro o,o9 m (pro Quadratfuß) bei einem Partialdruck von o,5 Atmosphären.
Tabelle 1 erforderliche Fläche (Quadratf.)
Membran Stromdichte Kleinkind Erwachsener
(Ampere pro o, o9 m ) o.11
O.O45
3.ο
1.2
22.ο
Ionenaustausch
Ionenaustausch
Silicone
2o
5o
N.A.
Die Tatsache, daß die Einrichtung zur Entfernung von CO unabhängig von den Sauerstoff zuführenden Oberflächen ist, ermöglicht die Vermeidung des Problems, bei welchem CO aus dem Blut angesammelt oder abgereichert wird. Ein anderer Vorteil des Geräts ist darin zu sehen, daß ein verhältnismäßig kleines Blutvolumen benötigt wird. Dadurch wird die Plasma-Denaturierung auf einem Minimum gehalten.
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Ein besonders überraschendes Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Verwendung einer Natriumchloridlösung in der Elektrolyse-Kammer nicht zur Entwicklung von Chlor in der Kammer zur Sauerstoffzufuhr führt, selbst wenn das Gerät bei Spannungen oberhalb 2 Volt betrieben wird« Im allgemeinen ist jedoch eine Betriebsspannung zwischen 1 und 2 Volt vorzuziehen, wobei sich nahezu optimale Verhältnisse bei einem Potential von etwa 1,3 Volt ergeben. Durch eine Steuerung der Spannung kann der Betrag der Sauerstoffzufuhr in einfacher Weise gesteuert werden.
Das Gerät gemäß der Erfindung ist auch vorteilhaft in der Veterinärmedizin anwendbar, sowohl zu experimentellen Zwecken als auch als praktische Einrichtung zur Sauerstoffzufuhr von Blut in vivo.
Das Gerät ist gewöhnlich so ausgebildet, daß ein Durchfluß von 2oo bis 5 ooo ml Blut pro Minute erfolgen kann.
Die Durchflußgeschwindigkeit des Bluts durch das Gerät gemäß der Erfindung kann sehr hoch gehalten werden. Durchflußgeschwindigkeiten von 8oo bis 2Bc
(p,l Quadratfuß) wurden erzielt.
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schwindigkeiten von 8oo bis 26oo cm pro Minute und pro o,oo9 m
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Geräts gemäß der Erfindung; und
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig.
Das in Fig. 1 dargestellte Gerät Io weist einen äußeren Behälter 12 auf. In dem Behälter 12 ist eine Kationen-Ionenaustauscher-Membran 14 aus dem genannten Material aus Fluorsulfonsäure angeordnet. Diese Membran 14 trenntjeine Kammer 16, durch welche Blut 18 zirkuliert wird und eine Elektrolyse-Kammer 2o, durch welche eine sterile Salzlösung 22 zirkuliert wird, die 9oo mg Salz pro loo ml Wasser enthält.
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Eine Katalysator-Schicht 24 aus porösen Partikeln aus Platin-Black ist in die Oberfläche auf jeder Seite der Membran 14 eingebettet. Unmittelbar angrenzend an jede Katalysator-Schicht sind Kollektor-Gitter 26 aus Gold vorgesehen, welche als Elektroden und auch dazu dornen, die Membran zu haltern. Jeder Gitter 26 ist in einer Spannungsquelle 28 verbunden, so daß das Gitter in der Kammer 16 als Anode 3o und das Gitter in der Kammer 2o als Kathode 32 dient. Durch die Spannungs-Steuereinrichtung 27 kann die Sauerstoffmenge gesteuert werden.
Wenn eine geeignete Spannung über die Membran 14 angelegt wird, wird Wasser in der Nähe der Kathode unter Entwicklung von Wasserstoff und negativ aufgeladenem Sauerstoff zersetzt:
2 Elektronen + HO-*H | + 0~ *
Der Wasserstoff wird durch die Lösung 22 abgeführt, während der negativ geladene.. Sauerstoff dazu tendiert, durch die Membran 14 zu der Anode 3ο geführt zu werden. Die Anode 3ο bildet eine Einrichtung zur Entfernung der Überschußelektronen aus dem weitergeleiteten Sauerstoff und wandelt damit den negativ aufgeladenen Sauerstoff in molekularen Sauerstoff um:
0~ - 2 Elektronen —*. 0
Der Sauerstoff reagiert dann mit dem Blut, das durch die Kammer 2o zirkuliert wird.
Normalerweise in dem Blut vorhandenes Kohlendioxyd tritt durch die Membran 34 aus Silicongummi aus. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Membran 34 durch ein Gitter 36 abgestützt, welches vor den Öffnungen 38 in derWand 4o des Behälters 12 angeordnet ist.
Aus den vorangegangenen Ausführungen geht hervor, daß der Hauptteil des Wasserstoffs normalerweise für das Blut im atomaren oder naszierenden Zustand verfügbar ist. Ein Vorteil der Erfindung ist die Verwendung von naszierendem Sauerstoff und die daraus resultierende Eigenschaft des Geräts, mit einer minimalen Zwischenfläche zwischen Gas und Blut zu arbeiten.
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Je nach der Zeitdauer der Benutzung dieses Geräts gemäß der Erfindung und nach der Natur und Art irgend welcher Antikoagulationsmittel, die dem hindurchzirkulierenden Blut zugesetzt werden, kann es wünschenswert sein, verschiedene mit Blut in Berührung gelangende Oberflächen der Einrichtung mit gegen Thrombose widerstandsfähigen Überzügen zu versehen. In einigen derartigen Ausführungsbeispielen kann die Anode, also die Seite der Membran, auf der normalerweise naszierender Sauerstoff entwickelt wird, mit einem für Sauerstoff durchlässigen Überzug versehen werden, wodurch die Anode weitgehend von einem direkten Kontakt mit Blut isoliert ist. Bei gewissen Ausführungsbeispielen kann sich ein großer Teil des Sauerstoffs oder sämtlicher Sauer- · stoff zu einer molekularen Form kombinieren, bevor das zu behandelnde Blut erreicht wird. Trotzdem ergeben sich· beträchtliche Vorteile des Geräts mit einer nichtüberzogenen Membran. Das Gerät ist immer noch Kompakt und kann ohne weiteres durch Einstellung der Spannung gesteuert werden. Ferner muß der Überzug keine Diffusions-Schranke sein, sondern kann eine Mikroporöse-Schranke mit einer sehr großen Durchlässigkeit für Gas sein, obwohl eine weitgehend undurchlässige Schranke für den Durchfluß von Flüssigkeit oder insbesondere von Blut vorgesehen ist.
Die Erfindung beinhaltet deshalb die verschiedenen Stufen und die Relation von einer oder mehreren derartigen Stufen im Hinblick auf jede der anderen. Das Gerät beinhaltet Konstruktionsmerkmale, Kombinationen von Elementen und die Anordnung von Teilen, mit denen diese Stufen durchgeführt werden können, die beispiels-r weise in der Figurenbeschreibung erläutert sind.
- Patentansprüche -
109843/1 1 kl

Claims (6)

- Io - Patentansprüche
1. Blut-Oxygeniergerät gekennze ichnet durch eine Einrichtung zur Zufuhr von naszierendem Sauerstoff zu dem Blut während dessen Durchfluß.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Zufuhr von naszierendem Sauerstoff eine sauerstoffentwickelnde Elektrode ist, der Sauerstoffionen durch eine Ionenaustauscher-Membran zugeführt werden.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blut zurückhaltende Schranke in Form einer dünnen, für Kohlendioxyd durchlässigen Membran aus einem polymeren Material vorgesehen ist, um die Entfernung von Kohlendioxyd aus dem mit Sauerstoff zu versorgenden Blut zu begünstigen.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eine Folie aus Silicongummi ist.
5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kammer zur Sauerstoffzufuhr an das Blut teilweise durch die Ionenaustauscher-Membran gebildet ist.
6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenaustauscher-Membran aus einem sulfonierten, fluorierten Polymer besteht.
-. z S einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gjjs^rin ζ eichnet, daß bei dem Durchfluß desBljifesr-tJufch die Behänd lungs ζ one dem Blut naszierenderjga&serfstoff zugeführt wird und Saß gleichzeitig duj£rf3r-«±fiefiir Blut durchlässige Membran Kohlendioxyd aus dem
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