Membranverfahren bei künstlichen Organen

Module für KO sind meist mit Hohlfaser-Membran-Bündeln bestückte Gehäuse, in denen Blut mit unterschiedlichen Verfahren auf physiologisch notwendige (gesunde) Werte eingestellt wird. Die Anforderungen an Membranen und Module orientieren sich einerseits an den angestrebten Behandlungszeiten, andererseits an den spezifischen Eigenschaften der auszutauschenden Stoffe. Zum Verständnis der Einflussmöglichkeiten von Herstellern auf Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der produzierten Membranen werden in diesem Kapitel kurz das Phasen-Inversions-Verfahren zur Herstellung von Hohlfaser-Membranbündeln und die wesentlichen Schritte zur Weiterverarbeitung der Bündel zu Membran-Modulen vorgestellt.

Modelle für den Stofftransport über Membranen werden eingeteilt in solche, bei denen die Membran den Haupttransportwiderstand bewirkt und andere bei denen sich Konzentrations-Grenzschichten ausbilden, welche den Transport zusätzlich beeinflussen. Da in KO vorwiegend poröse Membranen zum Einsatz kommen, wird für den membrankontrollierten Stofftransport das Porenmodell abgeleitet und dessen Bedeutung diskutiert. Crossflow-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass durch hohe Transmembrandrücke (TMP’s) hohe Filtrationsraten erzielt werden (Anwendungsbeispiel: Hämofiltration). In Gegenstromverfahren mit geringen Filtrationsraten dominiert die Diffusion permeabler Komponenten. Die Reziprokwerte der aus den Modellen abgeleiteten Stoff-Übergangs- bzw. Stoff-Durchgangs-Koeffizienten beschreiben die Transport-Widerstände für die Massen-, bzw. Volumen-Stromdichten der betrachteten Komponenten. Die aus den Modellen abgeleiteten Gleichungen für die „Zielgrößen“ helfen Bereiche von Messwerten aus Experimenten zu verifizieren, Module bezüglich Geometrie und Leistung zu optimieren und Anwendern geeignete Betriebsgrößen zu empfehlen.

Die Verfahren in Künstlichen Organen unterscheiden sich dadurch, dass Stoffe mit sehr unterschiedlichen Physikalisch-Chemischen Eigenschaften entfernt werden müssen. Bei der „Künstlichen Niere“ sind dies wasserlösliche Komponenten mit geringen Molmassen, bei der „Künstlichen Leber“ hochmolekulare Komplexe von an Protein gebundenen, hydrophoben Stoffen. In der „Künstlichen Lunge“ werden Gase mit unterschiedlichen Löslichkeiten in Plasma und mit spezifischen chemischen Reaktionen mit Plasmakomponenten ausgetauscht. Bei der Nieren-Dialyse werden die Ziel-Konzentrationen im Dialysat eingestellt, bei der Hämofiltration durch Substitution entsprechender Lösungen geregelt. Bei der Leber-Dialyse im „MARS-System“ werden die Toxine blutseitig von Albumin separiert, durch Membranen mit spezifischen Eigenschaften diffusiv transportiert, dialysatseitig von „fremdem“ Humanalbumin aufgenommen und in Adsorber und Ionentauscher entsorgt. Beim „PROMETHEUS-System“ erfolgt ein konvektiver Transport der Protein-Toxin-Komplexe durch die Membran und nach Abgabe der Toxine an Adsorber wird das „gereinigte“ Protein in das Patientenblut zurückfiltriert.   Die Absorption von O₂ und die Desorption von CO₂ im Oxygenator erfolgen in den hierbei verwendenten hydrophoben Membranen blasenfrei direkt an den Porenoberflächen im Blutkontakt.  Durch Anwendung der in Kap. 3 abgeleiteten Gleichungen auf die hier beschriebenen KO-Verfahren können Zusammenhänge dargestellt werden, aus denen Hersteller und Anwender Erkenntnisse gewinnen, um Leistung und Wirtschaftlichkeit der Verfahren zu optimieren.