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Dialysemembran aus Cellulose mit verbesserter Biokompatibilität
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Die Erfindung betrifft eine Dialysemembran für die Hämodialyse in
Form von Flachfolien, Schlauchfolien oder Hohlfäden aus regenerierter Cellulose.
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Dialysemembranen aus regenerierter Cellulose für die Hämodialyse in
Form von Flachfolien, Schlauchfolien oder Hohlfäden sind bereits seit längerem bekannt
und werden nach wie vor bevorzugt in künstlichen Nieren eingesetzt, obwohl sich
manche Beschwerden verursachende Eigenschaften noch nicht beseitigen ließen.
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So ist aus der DE-PS 27 05 735 eine Dialysemembran für die Hämodialyse,
mit verminderter thrombogener Wirkung aus Cellulose, mit daran chemisch gebundenen
antithrombogenen Verbindungen bekannt, wobei die Dialysemembran aus zwei oder mehreren
Schichten einer aus Cuommcelluloselösungen regenerierten Cellulose
besteht,
die jeweils aus getrennt gespeisten Schlitzen einer Spinndüse erhalten worden sind,
wobei die auf der Blutseite angeordnete Celluloseschicht ganz oder teilweise eine
modifizierte Cellulose ist, die antithrombogene Wirkstoffe chemisch gebunden enthält.
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Es ist aber auch bereits schon in der DE-OS 17 20 087 vorgeschlagen
worden, dadurch daß das Polymermaterial der Membran mit einem Alkylhalogenid umgesetzt
und danach das erhaltene Material mit einem Alkalisalz einer antithrombogenen Verbindung
mit kationischen Rest (z. B. Heparin oder eine Heparinoidverbindung) umgesetzt wird,
die Gefahr der Gerinnung des Blutes zu verringern. Zu den möglichen Alkylhalogeniden
werden dabei auch Halogenalkyldialkylamine gerechnet. Auch Cellulose, jedoch im
wesentlichen Celluloseacetat, zählt zu den möglichen Polymeren.
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Neben dem Umstand, daß Dialysemembranen aus synthetischen bzw. natürlichen
Polymeren bei ihrem Einsatz in künstlichen Nieren sehr leicht eine Gerinnung des
Blutes hervorrufen können, die durch entsprechende medikamentöse Behandlung oder
durch die vorgenannten besonderen Dialysemembranen weitgehend verhindert wird, tritt
bei Dialysemembranen aus regenerierter Cellulose häufig ein weiteres Problem auf,
das bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst werden konnte und zwar war festgestellt
worden, daß bei der Behandlung eines Nierenkranken mit Dialysatoren mit Cellulose-Meebranen
in der ersten Zeit der Dialysebehandlung ein vorübergehender Leukozytenabfall stattfinden
kann. Dieser Effekt wird als Leukopenie bezeichnet.
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Leukopenie ist eine Erniedrigung der Leukozytenzahl (weiße Blutkörper
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im Blutkreislauf. Die Zahl der weißen Blutkörper beim Menschen beträgt ca. 4000
bis 12000 Zellen/mm3.
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Die Leukopenie bei Dialyse ist am stärksten ausgeprägt 15 bis 20 Min.
nach Beginn, wobei die Neutrophilen (das sind die mit neutralen oder gleichzeitig
mit sauren und basischen Farbstoffen anfärbbaren Leukozyten) fast vollständig verschwinden
können. Danach erholt sich die Zahl der Leukozyten innerhalb etwa einer Stunde wieder
auf fast den Ausgangswert oder übersteigt diesen.
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Wird nach Erholung der Leukozyten ein neuer Dialysator angeschlossen,
tritt wieder Leukopenie im gleichen Ausmaß ein.
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Cellulose-Membranen verursachen eine ausgeprägte Leukopenie.
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Auch wenn die klinische Bedeutung der Leukopenie wissenschaftlich
nicht geklärt ist, besteht doch der Wunsch nach einer Dialysemembran für die Hämodialyse,
die den Effekt der Leukopenie nicht zeigt, ohne daß dadurch die anderen sehr erwünschten
Eigenschaften von Dialysemembranen aus regenerierter Cellulose beeinträchtigt werden.
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Bei der Hämodialyse mittels Membranen aus regenerierter Cellulose
hat man neben der Leukopenie auch eine deutlich Komplement-Aktivierung festgestellt.
Das Komplement-System innerhalb des Blutserums ist ein komplexes, aus vielen Komponenten
bestehendes Plasmaenzym-System, das auf verschiedene Weise der Abwehr
von
eindringenden fremden Zellen (Bakterien u.a.) dient. Wenn Antikörper gegen den eindringenden
Organismus vorhanden sind, kann Komplement durch den Komplex der Antikörper mit
antigenen Strukturen der Fremdzellen aktiviert werden; es ist aber auch möglich,
auf einem Alternativ-Weg durch besondere Oberflächen merkmale der Fremdzelle das
Komplement-System zu aktivieren.
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Das Komplement-System beruht auf einer Vielzahl von Plasma-Proteinen.
Nach Aktivierung reagieren diese Proteine spezifisch in einer bestimmten Reihenfolge
miteinander und am Ende wird ein zellschädigender Komplex ge#bildet, der die Fremdzelle
zerstört.
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Aus einzelnen Komponenten des Komplex-Systems werden Peptide freigesetzt,
die Entzündungserscheinungen auslösen und gelegentlich auch unerwünschte pathologische
Folgen für den Organismus haben können.
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Es wird angenommen, daß die Aktivierung bei Hämodialysemembranen aus
regenerierter Cellulose über den alternativen Weg erfolgt. Objektiv können diese
Komplement-Aktivierungen unter anderem durch eine Bestimmung der Fragmente C3a und
C5a festgestellt werden.
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Obwohl die klinische Bedeutung der Komplement-Aktivierung noch nicht
geklärt ist, ist man bestrebt diese bei der Hämodialyse möglichst auszuschließen.
Es war deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Hämodialysemembranen aus regenerierter
Cellulose
so weit zu modifizieren, daß die genannten Erscheinungen
der Leukopenie und der Komplement-Aktivierung nicht mehr auftreten.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch Dialysemembranen entsprechend den
Patentansprüchen der vorliegenden Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Dialysemembran in Form von Flachfolien, Schlauchfolien
oder Hohlfäden aus regenerierter Cellulose zeichnet sich dadurch aus, daß mindestens
an einer Membranoberfläche in organischen Lösungsmitteln lösliche, ausgenommen mit
Isocyanat-Gruppen reagierende und Cellulose lösende Lösungsmittel, Isocyanatpräpolymere
mit einem mittleren Molekulargewicht von 300 bis 50.000 chemisch gebunden sind.
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Beispiele für Lösungsmittel, die mit Isocyanat-Gruppen nicht reagieren
und Cellulose auch nicht lösen, sind Methylenchlorid, Chloroform, Tetrahydrofuran,
Dioxan, Dimethylformamid, Dimethylacetamid und Aceton. Die Lösungsmittel können
als solche oder im Gemisch untereinander Verwendung finden, sofern auch das Gemisch
die Forderung erfüllt, daß es Cellulose nicht löst. Es muß noch darauf hingewiesen
werden, daß das Lösungsmittel ein gutes Lösungsvermögen für die Isocyanatpräpolymeren
bei Temperaturen unterhalb von 60 °C aufweist, insbesondere bei Raumtemperatur.
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Isocyanatpräpolymere werden durch Umsetzung von H-aciden Verbindungen
mit Isocyanat-Verbindungen erhalten, die mehrere Isocyanat-Gruppen enthalten, wobei
das molare Verhältnis der H-aciden Verbindung zum Isocyanat geringer gewählt wird,
als zum Umsatz aller Isocyanat-Gruppen erforderlich wäre.
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Das Molekulargewicht ist eine Verhältniszahl der Masse eines Moleküls
zur Atommasse des Kohlenstoffisotops 12. Es wird in manchen Fällen mit der Dimension
"Dalton" angegeben.
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Vorzugsweise ist das Isocyanatpräpolymere ein Reaktionsprodukt aus
einer Hydroxy- und/oder Polyhydroxy-Verbindung und einer polyfunktionellen Isocyanat-Verbindung.
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Als Polyhydroxyverbindungen kommen dabei infrage Polyäther, wie Polyäthylenglykol,
Polypropylenglykol und Polytetramethylenglykol; Polyester, wie Polyäthylenadipat,
Polypropylenadipat, Polybutylenadipat; Polycarbonate, wie beispielsweise Polyhexandiolcarbonat.
Es können aber auch natürlich vorkommende Polyhydroxyverbindungen wie beispielsweise
Rizinusöl oder Derivate des Rizinusöls oder Monoglyceride der natürlich vorkommenden
Fettsäuren und/oder deren Gemische für die Reaktion mit Di-, Tri-und/oder polyfunktionellen
Isocyanatverbindungen herangezogen werden.
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Beispiele für geeignete Isocyanatverbindungen sind: Diphenylmethandiisocyanate,
Toluylendiisocyanate, Hexamethylendiisocyanate, Dicyclohexylmethandiisocyanate,
Isophorondiisocyanate, Cyclohexyldiisocyanate, Triphenylmethantriisocyanate.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Isocyanatpräpolymer
ein Reaktionsprodukt eines Diisocyanates mit einem Fettalkohol mit 6 bis 30 C-Atomen.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Isocyanatpräpolymer
ein Reaktionsprodukt eines Diisocyanates mit einem äthoxilierten Fettalkohol mit
6 bis 30 C-Atomen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Isocyanatpräpolymer
ein Reaktionsprodukt eines Diisocyanates mit einer äthoxilierten Fettsäure mit 6
bis 30 C-Atomen.
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Vorzugsweise beträgt dabei der Athoxilierungsgrad 5 bis 400.
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Besonders bevorzugt werden Isocyanatpräpolymere, die Reaktionsprodukte
eines Diisocyanates mit Polyhydroxy-Verbindungen sind.
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Zu deren Herstellung werden vorzugsweise als Polyhydroxy-Verbindungen
Dioxy- und/oder Trioxy-Verbindungen eingesetzt.
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Die vorliegende Erfindung gestattet es, bei Dialysemembranen aus Cellulose,
unabhängig von der jeweiligen Herstellung, die Leucopenie und die Komplementaktivierung
in erheblichem Maße zu reduzieren. Wegen der günstigen Dialyseeigenschaften von
Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert ist, ist jedoch eine solche bevorzugt.
Dabei soll das mittlere Molekulargewicht vorzugsweise 80.000 bis 150.000 betragen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der beanspruchten
Dialysemembran. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß man eine Dialysemembran in Form
von Hohlfäden, Schlauchfolien oder Flachfolien aus regenerierter Cellulose mit einer
Lösung eines Isocyanatpräpolymeren bei Temperaturen oberhalb 10 °C in einem organischen
Lösungsmittel, welches mit Isocyanaten nicht reagiert und Cellulose nicht löst und
unterhalb der SiedetaWv ratur des Lösungsmittels zwischen 3 Minuten und 24 Stunden
behandelt, den Überschuß an Präpolymer mit reinem Lösungsmittel auswäscht und das
Lösungemittel entfernt.
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Die Behandlungszeit richtet sich nach dem Isocyanatpräpolymeren, der
Konzentration in der Reaktionslösung und der Temperatur.
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Von aromatischen Isocyanaten abgeleitete Isocyanatpräpolymere
reagieren
dabei schneller als von aliphatischen abgeleitete, so daß man insbesondere bei letzteren
zur Abkürzung der Behandlungszeit Katalysatoren verwendet. Als hervorragend geeignet
für die vorliegende Erfindung hat sich als Katalysator Eisen-III-acetylacetonat
bewährt. Mit Hilfe des Katalysators gelingt es auch bei langsam reagierenden Isocyanaten
die Behandlungszeit der Membran auf eine Zeit von 5 bis 3 Stunden zu begrenzen.
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Die Konzentration des Isocyanatpräpolymeren im Lösungsmittel beträgt
von 0,1 bis 20 Volumen-%.
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Vorzugsweise werden Lösungen eingesetzt, bei denen die Konzentration
des Isocyanatpräpolymeren im Lösungsmittel von 1,0 bis 10,0 Volumen-% beträgt.
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Da die Dialysemembranen für die Hämodialyse eingesetzt werden sollen,
ist es besonders wichtig, nach beendeter Behandlung das bzw. die Lösungsmittel zu
entfernen. In bevorzugter Weise geschieht dieses dadurch, daß das Lösungsmittel
dadurch entfernt wird, daß man mit einem leichter flüchtigen, Cellulose nicht lösendem,
organischen Lösungsmittel das Lösungsmittel auswäscht und den verbleibenden Lösungsmittelrest
verdampfen läßt.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die nachfolgenden Beispiele.
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Vergleichsbeispiel A: Mit Hilfe eines Hämodialysators, der Hohlfäden
aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert worden war, enthielt und
dessen
Membranoberfläche 500 cm2 betrug, wurde an Kaninchen eine Hämodialyse durchgeführt.
Nach bestimmten Zeitabschnitten wurde von dem, den Dialysator verlassenden,Blut
eine Probe entnommen und in dieser die Zahl der Leukozyten gezählt. Die dabei erhaltenen
Werte wurden auf die ursprüngliche Zahl der Leukozyten des Kaninchens bezogen und
sind in der Figur 1 als Vergleich zu den Beispielen dargestellt.
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Vergleichsbeispiel B: Mit Dialysatorzellen, die Hohlfäden entsprechend
Vergleichsbeispiel A, jedoch mit einer Membranoberfläche von 50 cm2 enthielten,
wurde die Komplementaktivierung direkt am Menschen im ex-vivo-System untersucht.
Dazu wurde die Bestimmung der Fragmente C3a und C5a mit Hilfe der RIA(Radioimmunoassay)methode
(Upjohn Test) herangezogen.
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Ermittelt wurden: C3a = 15300 ng/ml C5a = 124 ng/ml Vergleichsbeispiel
C: Es wurde in gleicher Weise, wie beim Vergleichsbeispiel A beschrieben ist, eine
Hämodialyse an Kaninchen mit einem Hämodialysator mit 500 cm2 Membranoberfläche
durchgeführt, der jedoch Hohlfäden aus Cellulose, die durch Verseifung von Celluloseacetat
regeneriert worden war, Type SCE enthielt.
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Die erhaltenen Werte sind in Figur 1 graphisch dargestellt.
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Beispiel 1: Mit einer 10 Vol.-%igen Lösung eines Isocyanatpräpolymeren,
das aus 100 g Rizinusöl und 71,4 g 4,4'-Diphenyl-methan-diisocyanat gebildet worden
war, in Methylen wurden Hohlfäden aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert
worden war, 10 min. behandelt.
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Anschließend wurden die Fäden mit reinem Methylenchlorid nachgewaschen
und das restliche Lösungsmittel ausgeblasen. Die danach getrockneten Hohlfäden wurden
zur Bestimmung der UFR und der Dialysierleistung für Kreatinin herangezogen. Die
erhaltenen Werte sind nachfolgend für die erhaltene Membran und eine unbehandelte
Membran gegenübergestellt.
| gemäß Beispiel 1 unbehandelte |
| behandelt Hohlfäden |
| UFR[ml/h.m2.mm Hg] 3,4 4,9 |
| DLKreatinin[cm/min] 33-10 3 45-10 |
Die Untersuchung der Leukopenie an Kaninchen ergab das in Figur 1 dargestellte Ergebnis,
d.h. der Abfall der Leukozytenzahl ist im Vergleich zu unbehandelten Hohlfäden viel
geringer. Die Versuche wurden mit Dialysatoren einer Membranoberfläche von 500 cm2
durchgeführt.
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Beispiel 2: Analog zu Beispiel 1 wurden Dialysehohlfäden aus Cellulose,
die aus Cuoxamlösungen regeneriert worden war, mit einer 5 Vol.-%igen Lösung eines
Isocyanatpräpolymeren, das aus 383 g Polyäthylenglykol mit einem mittleren Molekulargewicht
von 2000 und 100 g 4,4'-Dicyclohexyl-methan-diisocyanat gebildet worden war, im
Dimethylformamid unter Zusatz von 0,1 Gew.-%, bezogen auf das Präpolymer, Eisen-III-acetylacetonat
15 min. bei Raumtemperatur behandelt. Die Lösungsreste wurden zunächst mit Dimethylformamid
und anschließend mit Methylenchlorid ausgewaschen. Nach dem Ausblasen des Methylenchlorids
wurden die Fäden getrocknet.
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Sowohl die UFR als auch die dialytische Permeabilität ergaben die
gleichen Werte, wie sie mit unbehandelten Hohlfden erhalten
wurden,
nämlich: UFR = 4,9 ml/m2#h.mm2 Hg DLK t = 45-10 3cm/min Kreat.
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Das Ergebnis der Zählung der Leucozyten in Abhängigkeit von der Dialysezeit
bei Kaninchen, mit einem Dialysator mit 500 cm2 Membranoberfläche, ist in Figur
1 dargestellt.
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Beispiel 3: Analog zu den vorhergehenden Beispielen wurden wiederum
die gleichartigen Dialysehohlfäden mit einer 1 Vol.-%igen Lösung des in Beispiel
1 beschriebenen Isocyanatpräpolymer in Aceton 3 Stunden behandelt. Nach dem Auswaschen
der Hohlfäden mit Aceton wurden die Hohlfäden getrocknet.
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Auch hier wurden wiederum gegenüber unbehandelten Hohlfäden unveränderte
Werte der UFR und der dialytischen Permeabilität von Kreatinin festgestellt. Das
Ergebnis der Zählung der Leucozyten, bei der Dialyse von Kaninchen mit einem Dialysator
mit 500 cm2 Membranoberfläche, ist ebenfalls in Figur 1 dargestellt.
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Beispiel 4: Es wurde eine 10 Vol.-%ige Lösung in Methylenchlorid eines
aus 100 g Rizinusöl und 74,6 Dicyclohexyl-methan-diisocyanat gebildeten Isocyanatpräpolymeren
mit 0,1 Gew.-% Eisen-III-acetylacetonat, bezogen auf das Isocyanatpräpolymer, zur
Behandlung von Cellulosehohlfäden, die aus Cuoxamlösungen regeneriert waren, eingesetzt.
Die Behandlungszeit betrug 20 min.
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Neben der Bestimmung der Leukozytenzahl bei der Dialyse von Kaninchen
mit einem Dialysator von 500 cm2 Membranoberfläche und der Bestimmung der UFR und
dialytischen Permeabilität von Kreatinin wurden die Komplementaktivierung durch
Bestimmung der Fragmentkomponenten C3a und C5a an Blutproben ermittelt, die analog
zu Vergleichsbeispiel B am Menschen im ex-vivo-System mit Zellen von 50 cm2 Membranoberfläche
erhalten worden waren.
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Dabei wurde festgestellt, daß der Wert für C3a nur 3700 ng/ml und
für C5a 11 ng/ml betrug.
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Die Dialyseleistungen gegenüber unbehandelten Cellulosehohlfäden blieben
unverändert.
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Beispiel 5: Als Isocyanatpräpolymer diente ein solches, das aus 120
g Polyäthylenglykol mit einem Molekulargewicht von 6000 und 10 g 4,4'-Diphenyl-methan-diisocyanat
gebildet worden war. Es wurde als 15 Vol.-%ige Lösung in Dimethylacetamid verwendet.
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Behandelt wurden Hohlfäden aus regenerierter Cellulose vom Typ SCE
mit einem Lumendurchmesser von 168 ßm und einer Wandstärke von 17 ßm. Die Cellulose
war durch Verseifen von Celluloseacetat regeneriert worden. Nach einer Behandlungsdauer
von 45 min. wurde die Restlösung mit Dimethylacetamid ausgewaschen und anschließend
mit Methylenchlorid nachgewaschen. Die getrockneten Hohlfäden wurden auf ihre Leistungsdaten
und die Leukozytenzahl bei der Dialyse von Kaninchen mit einem Dialysator von 500
cm2 Membranoberfläche bestimmt. Der Leukozytenabfall ist in Figur 1 im Vergleich
zu den anderen Beispielen, dem Vergleichsbeispiel A und einer Versleichsmessung
mit unbehandelten Hohlfäden der bei diesem Beispiel verwendeten Type SCE (Vergleichsbeispiel
C) dargestellt
Für die UFR wurde ermittelt:
Bei unbehandelten Hohlfäden betrug sie 2,9 ml/h.m2.mm Hg.
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Für die dialytische Permeabilität von Kreatinin wurde 30-10 3cm/min
ermittelt, gegenüber 45-10 3cm/min bei unbehandelten Hohl fäden.