DE2537128A1

DE2537128A1 - Einrichtung zum filtern von menschlichem blut

Info

Publication number: DE2537128A1
Application number: DE19752537128
Authority: DE
Inventors: Jack Chester Bokros
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: General Atomics Corp
Priority date: 1974-08-22
Filing date: 1975-08-20
Publication date: 1976-03-04
Also published as: GB1511714A; SE7509307L; US3972818A; FR2282277A1; ES440351A1; JPS5145498A; IT1041899B; CA1042816A

Description

O C OH Λ TO

Patentanwälte Dipl. -Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K.Fincke D1PL.-ING. F. A.WEICKMANN, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

General Atomic Company, 10955 John Jay Hopkins Road, San Diego, California, V.St.v.A.

Einrichtung zum Filtern von menschlichem Blut

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Filtern von menschlichem Blut, und zwar ein Filter zur Verwendung in einem außerhalb des menschlichen Körpers befindlichen Blutzirkulationskreis.

Es sind verschiedene Arten von Blutfiltern für die Verwendung bei der Zirkulation von Blut außerhalb des mensch-

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lichen Körpers entwickelt worden, insbesondere in Verbindung mit einer Herz-Lungen-Maschine, einer Nierenmaschinen oder anderen Arten von Blutpumpern oder Hilfseinrichtungen. Beispiele solcher Blutfilter sind in den US-Patentschriften 3 448 041 und 3 593 854 beschrieben. Blutfilter können außerdem dazu benutzt werden, Blut zu filtern, welches dem menschlichen Körper in einer Transfusion von einem Speicher zugeführt wird. ■

Der allgemeine Zweck derartiger Blutfilter besteht darin, Mikroembolien aus Blut zu entfernen, das in einen lebenden menschlichen Körper zurückgeführt wird, und eine Diskussion der potentiellen Gefahren, denen ein Patient ausgesetzt ist, welche, durch die Anwendung der Blutfilterung vermindert werden können, ist in einem Aufsatz enthalten, der (in der deutschen Übersetzung) den Titel hat "Blutblättchen-Leukozytenembolie - Ursprünge, V/irkungen und Behandlung", erschienen im Herbst 1973 in der Zeitschrift "The Journal of Extra-Corporeal Technology", Band V, Nr. 4, Seiten 23 bis 33.

Gegenwärtig verfügbare Blutfilter sind nicht vollständig zufriedenstellend. Obwohl sie insofern wirksam sind, als sie gewisse Mikroembolien aus dem Blutstrom entfernen, rufen sie auch andere Schwierigkeiten hervor, von denen angenommen wird, daß sie aufgrund ihrer inhärenten Unverträglichkeit mit Blut wirksam werden. Der Nachteil besteht darin, daß, obwohl ein ideales Filter für die Entfernung von bereits existierenden Mikroembolien entworfen werden kann, in den Fällen, in denen thrombogene Materialien bei dessen Aufbau verwendet werden, das Filter das Eiweiß und andere Elemente des Bluts verändern kann, so daß Embolien strom-

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abwärts vom Filter ausgebildet werden. Mit anderen Worten bedeutet das, daß das Filter selbst ein Embolienerzeuger sein kann, wodurch seine Wirksamkeit beträchtlich herabgesetzt -wird.

Mit der Erfindung wird ein Blutfilter zur Verfügung gestellt, das eine verbesserte Verträglichkeit mit menschlichem Blut besitzt und Mikroembolien entfernt, ohne auf das Blut in nachteiliger Weise einzuwirken.

Es wurde gefunden, daß unter Verwendung eines Bettes aus Fasern, die eine undurchlässige Kohlenstoffoberfläche haben, eine Filtereinrichtung aufgebaut werden kann, die aus Blut unerwünschte Bruchstücke und Mikroembolien in hervorragender Weise entfernt. Gleichzeitig jedoch verursacht ein auf diese Weise aufgebautes Filter aufgrund seiner inhärenten Verträglichkeit von undurchlässigem Kohlenstoff mit den Komponenten des menschlichen Bluts keine nachteiligen Wirkungen in dem so behandelten Blut, und es reduziert die Kernbildungsrate neuer Embolien stromabwärts vom Filter.

Demgemäß betrifft die Erfindung eine Einrichtung, die geeignet ist, menschliches Blut vor dessen Rückkehr in einen lebenden menschlichen Körper zu filtern. Die erfindungsgemäße Einrichtung besitzt ein Gehäuse, in dem eine Kammer ausgebildet ist, eine Eintritts- und eine Austrittseinrichtung, die mit der Kammer in Verbindung stehen, sowie ein Bett von Fasern, das in der Kammer- vorgesehen ist, so daß eine Flüssigkeit durch das Bett hindurchlaufen muß, wenn sie vom Eingang zum Ausgang gelangen will. Dieses Faserbett besteht aus einzelnen Fasern zwischen 1 und 100 Mikron Durchmesser, deren äußere Oberfläche aus einem undurchlässigen bzw. impermeablen Kohlenstoff gebildet ist.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht durch ein Blutfilter nach der Erfindung bzw. durch ein Blutfilter, welches eine Reihe von Merkmalen gemäß der Erfindung aufweist; und

Fig. 2 eine schematische Ansicht, die ein Blutbehandlungssystem veranschaulicht, in dem das in Figur 1 gezeigte Blutfilter verwendet wird.

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Blutfilters 11 nach der Erfindung gezeigt, das ein Gehäuse besitzt, welches aus einer oberen Kappe 13 und einem unteren Körper 15 hergestellt ist. Das dargestellte Gehäuse ist aus Glas ausgebildet, und die beiden Teile 13 und 15 sind durch einen Klebstoff oder durch eine andere geeignete mechanische Einrichtung in geeigneter Weise an ihrer Grenzfläche miteinander verbunden, so daß eine innere geschlossene Kammer 17 von allgemein zylindrischer Form entsteht, wobei der horizontale Querschnitt der Kammer kreisförmig ist. Anstelle der Ausbildung der Gehäuseteile aus Glas kann auch ein geeignetes Metall, wie beispielsweise rostfreier Stahl, verwendet werden, in welchem Falle die Oberfläche, die das Innere der Kammer bildet, mit undurchlässigem Kohlenstoff beschichtet wird, beispielsweise mit durch Verdampfung abgelagertem Kohlenstoff.

In der oberen Kappe 13 des Gehäuses ist eine Eintrittsleitung 19 vorgesehen, während im unteren Körper 15 eine Aus-

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gangsleitung 21 vorgesehen ist. Außerdem ist in der Kappe des Gehäuses eine Entlüftungsleitung 23 vorgesehen, an der ein geeignetes Rückschlagventil 25 angebracht werden kann, welches das Entweichen von Luft oder anderen Gasen aus der Kammer 17 ermöglicht, während es eine Strömung in der entgegengesetzten Richtung in die Kammer hinein ausschließt.

Die Filtrationswirkung des Blutfilters 11 wird durch ein Faserbett 27 bewirkt, das innerhalb der Kammer 17 zwischen einem unteren Gitter 29 und einem oberen Gitter 31 gehalten wird. Die Gitter 29 und 31 werden entweder durch einen Klebstoff oder mit anderen geeigneten Mitteln, beispielsweise mittels einer Nut in der Innenwand der Kammer 17, an Ort und Stelle gehalten. Das untere Gitter -29 befindet sich in einem ausreichenden Abstand vom Boden der Kammer 17, so daß eine untere Luftkammer 33 entsteht, in der sich das gefilterte Blut sammeln und von der aus dieses Blut glatt zur Auslaßleitung 21 fließen kann. Das obere Gitter 31 ist vorzugsweise ebenfalls in etwas Abstand unterhalb des oberen Endes der Kammer 17 angebracht, so daß eine obere Luftkammer 35 entsteht, von der aus das eintretende Blut zu der gesamten oberen horizontalen Oberfläche des Faserbetts 27 zugeführt werden kann. Die Gitter 29 und 31 sind aus geeigneten Materialien hergestellt, die ebenfalls mit Blut verträglich sind, beispielsweise aus rostfreiem Stahldraht, der mit undurchlässigem Kohlenstoff beschichtet worden ist, insbesondere mit aus Dampf abgelagertem Kohlenstoff. Anstelle der Gitter bzw. Siebe 29 und 31 können andere poröse Gitter- bzw. Siebmaterialien benutzt werden, wie beispielsweise Gitter von geschmolzener bzw. gesinterter Glasfritte, die nichtthrombogen sind.

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Das Faserbett 27, das die Filterung bewirkt, ist aus Fasern hergestellt, die eine äußere undurchlässige Kohlenstoffoberfläche besitzen. Der Durchmesser der Fasern kann zwischen 1 und 100 Mikron variieren, vorzugsweise zwischen 5 und 75 Mikron. Die Länge der Fasern hängt von dem Behandlungsverfahren ab und beträgt vorzugsweise wenigstens 0,25 cm. Fasern in diesem Abmessungsbereich ergeben einen gewundenen Weg zwischen sich, durch den das Blut strömen muß, um das Filter vom Einlaß 19 zum Auslaß 21 zu durchqueren, und unerwünschte Mikroembolien werden entfernt, wenn das Blut längs dieses gewundenen Weges strömt.

Eine geeignete Art von impermeablem bzw. undurchlässigem Kohlenstoff ist aus Dampf abgelagerter Kohlenstoff. Darunter gehört auch pyrolytischer kohlenstoff, der durch thermische Zersetzung von kohlenstoffhaltiger Verbindung, gewöhnlich einem Kohlenwasserstoff, in Dampfform erzeugt wird; jedoch können Kohlenstoffbeschichtungen auch durch Ablagerung mittels Dampf erzeugt werden, ohne daß eine solche Zersetzung erfolgt, beispielsweise dadurch, daß man eine Ionenplattierung o.dgl. anwendet, bei der eine Kohlenstoffatmosphäre unter sehr niedrigen Druckbedingungen und bei Verwendung einer Elektronenstrahlerhitzung erzeugt wird. Derartiger aus Dampf abgelagerter Kohlenstoff wird als undurchlässig bzw. impermeabel betrachtet, wenn er eine Dichte von wenigstens ungefähr 70% seiner theoretischen maximalen Dichte (oder wenigstens ungefähr 1,55 g/cm bei im wesentlichen reinem Kohlenstoff) besitzt. Glasiger oder glasartiger Kohlenstoff ist inhärent undurchlässig und kann bei niedrigeren Dichten angewandt werden.

Wie oben ausgeführt wurde, sollen die Fasern in dem Faserbett 27 eine äußere undurchlässige Kohlenstoffoberfläche

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besitzen. Infolgedessen können die Fasern entweder vollständig aus Kohlenstoff bestehen, oder sie können aus irgendeinem anderen geeigneten Material bestehen, das mit Kohlenstoff beschichtet ist. Beispielsweise können die Fasern vollkommen glasiger Kohlenstoff sein, oder sie können aus feinen Fasern von anderem geeigneten Material hergestellt sein, die mit pyrolytischem oder nichtpyrolytischem Kohlenstoff durch ein Dampfablagerungsverfahren beschichtet worden sind. Es kann wichtig sein, daß die Fasern glatt sind, und ein Polieren kann durch Durcheinanderfallen (beispielsweise in einer Putztrommel) ο.dgl. vorgenommen werden, um irgendwelche Oberflächenrauhigkeiten zu entfernen.

Da die feinen faserigen Unterlagen vollständig innerhalb des undurchlässigen Kohlenstoffs eingekapselt sind, kann jedes geeignete Material angewandt werden, das bei den Temperaturen stabil ist, bei denen die Beschichtung durch Dampfablagerung stattfindet, also üblicherweise zwischen 1200° und 2000°C. Feine Zirkonoxid- und Siliziumcarbidfasern sind einfach erhältlich und können oftmals angewandt werden; jedoch können auch andere feuerfeste Materialien, wie beispielsweise Siliciumdioxid und Aluminiumoxid, verwendet werden. Beim Blutfilterungsvorgang werden die Kohlenstoffschichten keiner deutlichen Beanspruchung ausgesetzt und müssen daher keine strukturelle Festigkeit haben. Der kristalline Charakter der Kohlenstoffbeschichtung wird nicht als von besonderer Bedeutung angesehen. Sowohl laminare Kohlenstoffe als auch isotropische Kohlenstoffe, die durch Dampfablagerung bei relativ niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei 900° bis 1600⁰C, erzeugt werden können, sind zufriedenstellend in ihren Eigenschaften. Wenn

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eine Vakuum-Dampfablagerung oder eine Ionenplattierung benutzt wird, ist eine Hochtemperaturstabilität nicht langer erforderlich, so daß dann Glasfasern oder organische Polymerfasern als faserige Unterlagen verwendet werden können.

In Figur 2 ist ein anschauliches System gezeigt, in dem das Blutfilter 11 Anwendung finden kann. Schematisch ist eine Blutbehandlungsapparatur 39 gezeigt, die beispielsweise eine Herz-Lungen-Maschine o.dgl. sein kann. Die Herz-Lungen-Maschine 39 kann durch eine geeignete Blutpumpe 41 mit Blut gespeist werden, die ihre Ansaugmenge aus einem Vorrat bzw. Behälter 43 zieht. Der Vorrat 43 hat eine Einlaßleitung 45, die mit dem menschlichen Körper verbunden sein kann, aus dem Blut abgezogen wird; jedoch kann die Leitung 45 auch eine Abzweigung aufweisen, so daß sich eine Hilfszufuhr von Blut von einer Blutbank bzw. -konserve erreichen läßt, wenn das notwendig ist. Die Herz-Lungen-Maschine 39 gibt das Blut an den Eingang 19 des Blutfilters 11, worin das Blut nach abwärts durch das Kohlenstoff aserbett sickert.

Das gefilterte Blut tritt durch den Auslaß 21 aus und wird dem menschlichen Körper durch die Leitung 47 zugeführt, und zwar unter der Wirkung des Druckes, der durch die Pumpe 41 erzeugt wird.

Das dargestellte Blutfilter 11 besteht aus einem Glaskörper 15, in dem eine Kammer 17 ausgebildet ist, deren innerer Durchmesser ungefähr 7»62 cm beträgt. Die Kammer 17 weist ein Bett 27 von mit Kohlenstoff beschichteten Fasern auf, das eine Tiefe von ungefähr 5,08 cm besitzt. Die Fa-

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sern sind aus Siliziumcarbidunterlagen von 10 Mikron Durchmesser hergestellt, welche mit einer äußeren Schicht von aus Dampf abgelagertem pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet worden sind, wobei die Dicke der Beschichtung im Mittel etwa 25 Mikron beträgt. Die feinen Faserunterlagen wurden unter Verwendung einer Mischung von Methan und Argon bei Atmosphärendruck (ungefähr 10 Vol.-96 Methan) und bei einer Temperatur von ungefähr 1100⁰C beschichtet, so daß laminarer (blättriger bzw. blättchenartig angeordneter) pyrolytischer Kohlenstoff erzeugt wurde, der eine B.a.F,

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von 5 und eine Dichte von ungefähr 2 g/cm" besaß. Die Beschichtungen sind glatt in dem Zustand, in dem sie abgelagert worden sind, so daß keine weitere Behandlung notwendig war.

Der Begriff B.A.F. bedeutet "Bacon-Anisotropiefaktor", der ein Maß der bevorzugten Orientierung der Schichtebenen in einer Kohlenstoffbeschichtung ist. Die Technik der Messung und eine vollständige Erläuterung der Meßskala ist einem Aufsatz von G.E. Bacon zu entnehmen, der (in deutscher Übersetzung) den Titel hat "Ein Verfahren zum Bestimmen des Grades der Orientierung von Graphit", erschienen in der Zeitschrift "Journal of Applied Chemistry", Band 6, Seite 477 (1956). Ein vollständig isotropischer Kohlenstoff besitzt eine B.A.F. von 1,0, das ist der niedrigste Wert der B.A.F.-Skala.

Die beschichteten Fasern liegen in' einem Durchmesserbereich von 50 bis 75 Mikron und in einem Längenbereich von 0,25 bis 1,27 cm. Sie werden auf einem unteren Gitter bzw. Sieb aus rostfreiem Stahldraht, der mit aus Dampf abgelagertem Kohlenstoff beschichtet ist, gehalten, wobei die Sieböff-

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nungen 50 Mikron betragen. Das obere Gitter bzw. Sieb 31 ist aus gleichem bzw. ähnlichem Material hergestellt und so ausgebildet, daß es Öffnungen von 75 Mikron hat. Demgemäß dient das obere Gitter bzw. Sieb dazu, relativ große Embolienansammlungen aus der eintretenden Blutströmung zu entfernen, beispielsweise solche, die in ihrer Abmessung über 200 Mikron liegen, so daß das Kohlenstoffaserbett nur die verbleibenden Mikroembolien zu entfernen braucht. Das Blutfilter 11 ist natürlich so ausgebildet, daß es ein austauschbarer bzw. wegwerfbarer Artikel ist, der nach Beendigung des Betriebs in Verbindung mit einem bestimmten Patienten nicht erneut benutzt wird.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit einem Blutfilter eines speziellen Aufbaus erläutert worden ist, sei darauf hingewiesen, daß die verschiedensten Abwandlungen möglich sind; so kann beispielsweise der durch Dampfablagerung erzeugte pyrolytische Kohlenstoff, der für die Beschichtung der Fasern, der Gitter bzw. Siebe und gegebenenfalls des Inneren der Blutfilterkammer benutzt wird, mit einer geringen Menge eines carbidbildenden Metalls oder Metalloids, beispielsweise Silizium, legiert werden, um der Kohlenstoff oberfläche eine zusätzliche Festigkeit zu verleihen, und zwar in einer der BeSchichtungstechnik an sich bekannten Weise.

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Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zum Filtern von menschlichem Blut vor dessen Rückkehr in einen lebenden menschlichen Körper, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (13, 15), in dem eine Kammer (17) ausgebildet ist; eine Einlaßeinrichtung (19) und eine Auslaßeinrichtung (21), die mit der Kammer in Verbindung stehen; und ein Faserbett (27), das in der Kammer so angeordnet ist, daß eine Flüssigkeit durch das Faserbett hindurchströmen muß, um von der Einlaßeinrichtung zur Auslaßeinrichtung zu gelangen; wobei das Faserbett aus einzelnen Fasern zwischen 1 und 100 Mikron Durchmesser hergestellt ist, und wobei ferner die äußere Oberfläche der Fasern von undurchlässigem bzw. impermeablem Kohlenstoff gebildet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßeinrichtung (19) im oberen Teil und die Auslaßeinrichtung (21) im unteren Teil des Gehäuses ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß ί m oberen Teil des Gehäuses zusätzlich eine Entlüftungseinrichtung (23, 25) vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Faserbett (27) in der Kammer zwischen einem Paar von Gittern, Sieben, Rosten o.dgl. (29, 31) gehalten wird bzw. angeordnet ist.

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5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter bzw. Sieb (31), das zwischen der Einlaßeinrichtung (19) und dem ^faserbett (27) angeordnet ist, Öffnungen besitzt, die in ihrer Abmessung nicht größer als 75 Mikron sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Faserbett (27) in der Kammer (17) zwischen einem oberen und unteren Haltegitter bzw. -sieb (31, 29) gehalten wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine bodenseitige Luftkammer (33) zwischen dem unteren Haltegitter bzw. -sieb (29) und der Auslaßeinrichtüng (21) vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß eine obere Luftkammer (35) zwischen dem oberen Haltegitter bzw. -sieb (31) und der Einlaßeinrichtung (19) vorgesehen ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Fasern eine Länge von wenigstens 0,25 cm besitzen.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern einen Durchmesser zwischen 5 und 75 Mikron haben.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Gehäuses (13, 15), welche die Kammer (17) bildet bzw.

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begrenzt, mit einem undurchlässigen bzw. impermeablen Kohlenstoff beschichtet ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Gitter, Siebe, Roste o.dgl. (29, 31) mit undurchlässigem bzw. impermeablen Kohlenstoff beschichtet sind.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß der undurchlässige bzw. impermeable Kohlenstoff dampfabgelagerter Kohlenstoff ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13_f dadurch gekennzeichnet , daß die Fasern aus einer faserigen Unterlage bestehen, die mit aus Dampf abgelagertem Kohlenstoff beschichtet ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß der undurchlässige bzw. impermeable Kohlenstoff pyrolytischer Kohlenstoff ist.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Fasern aus einer faserigen Unterlage bestehen, die mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet ist.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß der undurchlässige bzw. impermeable Kohlenstoff glasiger bzw. glasartiger Kohlenstoff ist.

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18. Einrichtung nach einem der Ansprüche T bis 12 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus glasigem bzw. glasartigem Kohlenstoff hergestellt sind bzw. bestehen.

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