DE10211051A1 - Kapillarmembran und Vorrichtung zur Herstellung derselben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kapillarmembran, die entsprechend der Lösung der Erfindung aus mindestens zwei koextrudierten Lagen besteht. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung der koextrudierten mehrlagigen Kapillarmembran.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Kapillarmembran.
• Kapillarmembranen unterschiedlichster Zusammensetzung sind bereits hinlänglich bekannt. Sie werden in großem Umfang in der Dialyse eingesetzt. Um möglichst kompakte Dialysatoren unter Gewährleistung einer großen Austauschfläche bauen zu können, sollten die Kapillarmembranen einen möglichst kleinen Durchmesser aufweisen.
• Zur großindustriellen Herstellung von Kapillarmembranen werden beispielsweise Hohlfaserdüsen verwendet. Hier wird die Hohlfaser-Membran in einem Fällungsspinnprozess hergestellt. Die auszufällenden Polymere treten aus einem Ringspalt einer Düsenanordnung aus, während das entsprechende Fällmittel aus einer zentralen Fäümittelbohrung ausströmt. Die bereits bekannten Hohlfaser-Spinndüsen bestehen üblicherweise aus einem Grundkörper aus Metall, in welche mehrere Bohrungen eingebracht sind. In eine der Bohrungen ist ein Röhrchen eingepasst, in welchem ein Fällmittelkanal zum Einbringen des Fällmittels ausgebildet ist. Andere Bohrungen bilden Massezuführkanäle für ein Polymer, das über den zuvor erwähnten Ringspalt austritt. Bei der Herstellung der bisher bekannten Hohlfaser- Spinndüsen werden Verfahren der üblichen Metallbearbeitung angewandt. Hier entsteht also die Düsenstruktur durch den Zusammenbau beider Düsenteile, wobei sich eine Ungenauigkeit, beispielsweise der Geometrie des Ringraums aufsummiert aus den Fertigungsfehlern beim Fertigen des Grundkörpers und des Röhrchens. Es treten darüber hinaus mögliche Montagefehler hinzu, die ebenfalls zu einer Ungenauigkeit der Geometrie führen können. Aufgrund der Fertigungsverfahren weisen diese vorbekannten Hohlfaser-Spinndüsen nicht nur die erwähnten Ungenauigkeiten auf. Vielmehr haben sie auf Grund ihres Herstellverfahrens auch eine Mindestgröße, die einer beliebigen Verkleinerung der Kapillarmembran entgegensteht. Weiterhin sind die bei der bisherigen Dialyse eingesetzten Kapillarmembranen in der Regel aus einem bestimmten Polymer, bzw. einer Polymermischung hergestellt. Derartige aus jeweils einem Polymer bzw. einem Polymermischung hergestellte Membranen weisen bestimmte Eigenschaften auf, auf die beim speziellen Einsatz Wert gelegt wird. Häufig gehen aber mit der Materialwahl auch Nachteile einher, die auf Grund der ausgewählten Eigenschaften in Kauf genommen werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, Kapillarmembranen an die Hand zu geben, die mehrere positive Eigenschaften in sich vereinigen und dennoch auf Grund des kleinen Durchmessers in vergleichsweise kleinen Dialysatoren eine große Austauschfläche zur Verfügung stellen.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Kapillarmembranen gelöst, die aus mindestens zwei koextrudierten Lagen bestehen, wobei sie einen Außendurchmesser von kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 0,45 mm aufweisen. Auf Grund der Koextrusion unterschiedlicher Schichten können hier mehrere herausragende Eigenschaften unterschiedlicher Polymere miteinander kombiniert werden. Auf Grund des sehr kleinen Durchmessers wird eine große spezifische Austauschfläche geschaffen, die zu kleinen und leichten Dialysatoren führt.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen. Bevorzugt können die Kapillarmembranen aus einem oder mehreren der folgenden Materialien bestehen: Polysulfon (PS), Polysulfon mit Polyvinylpyrollidon (PS/PVP), Polyethersulfon (PES), Polyethersulfon mit Polyvinylpyrollidon (PES/PVP), Polyetherimid (PEI), Polyetherimid mit Polyvinylpyrollidon (PEI/PVP), Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylnitril (PAN), Polyimid (PI) und/oder Polyurethan (PU). So kann beispielsweise die innere Lage aus einer Kombination von Polysulfon und Polyvinylpyrollidon bestehen, während die äußere Lage aus Polysulfon besteht. Andererseits könnte aber auch die innere Lage aus einem kombinierten Polysulfon-Polyvinylpyrollidon mit hoher Polymerkonzentration bestehen, während die äußere Lage aus einem kombinierten Polysulfon-Polyvinylpyrollidon mit niedriger Polymerkonzentration besteht.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Membran aus einer kleinporigen Separationsschicht und einer großporigen Trägerschicht. Gegenüber einer einlagigen asymmetrischen oder symmetrischen Membran ist die Permeabilität einer derartigen koextrudierten Kapillarmembran aus mehreren Schichten bei gleicher Trenngrenze wesentlich verbessert.
• Vorteilhaft kann auch eine der Lagen aus einem biokompatiblen Material bestehen, während eine zweite Lage als Träger oder eigentliche Membran dient.
• Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass eine der Lagen als Membran dient, während eine zweite aus einem Adsorbermaterial besteht. Diese zweite Schicht kommt dann nur mit dem Filtrat in Berührung. Anhand dieser nicht abschließenden Beispiele wird deutlich, dass durch die Kombination der Eigenschaften zweier Polymere eine multifunktionale Kapillarmembran auf die jeweiligen konkreten Bedürfnisse zugeschnitten werden kann.
• Die Herstellung der erfindungsgemäßen Kapillarmembran wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6 ermöglicht. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer aus zwei der gegebenenfalls auch mehr Schichten koextrudierten Kapillarmembran weist eine Hohlfaser-Spinndüse mit einer Koextrusionsdüse auf, deren Außendurchmesser kleiner als 1 mm ist.
• Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den sich an den Anspruch 6 anschließenden Unteransprüchen 7 bis 9.
• Demnach kann die Hohlfaser-Spinndüse aus einem dreischichtig aufgebauten Grundkörper bestehen, wobei die einzelnen Schichten mittels Mikrostrukturtechnik strukturierte plattenförmige Körper sind, die zu dem Grundkörper zusammengefügt sind. Dabei kann die erste Platte als vorstrukturierte Platte eingesetzt werden, auf die die zweite noch nicht strukturierte Platte gebonded wird. Die gebondete zweite Platte wird anschließend strukturiert. Auf diese strukturierte Platte wird dann die wiederrum nicht strukturierte dritte Platte aufgebondet, die dann ebenfalls anschließend strukturiert wird.
• Der Grundkörper besteht vorteilhaft aus einkristallinem Silizium, Galliumarsenid (GaAs) oder Germanium.
• Besonders vorteilhaft weist die Hohlfaser-Spinndüse einen zentralen Zuführkanal für das Fällmittel, Massezuführungskanäle für das polymere Material, eine Massestrom-Vergleichmäßigungszone und einen Ringspalt für das erste Polymer, sowie Massezuführkanäle für das zweite polymere Material, eine Massestrom- Vergleichmäßigungszone für diese weiteren Massezuführkanäle und einen Masse- Ringspalt für das zweite Polymer auf.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 eine teilweise geschnittene dreidimensionale Darstellung einer Hohlfaser-Spinndüse gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
• Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung der Hohlfaser-Spinndüse gemäß Fig. 1, wobei drei Varianten der Anordnung der Massezuführkanäle für das zweite Polymer gezeigt sind.
• Anhand der Fig. 1 und 2 wird eine Ausgestaltung der Erfindung erläutert. Hier ist eine Hohlfaser-Spinndüse 10 zur Herstellung einer aus zwei Schichten koextrudierten Hohlfaser gezeigt. Dabei ist eine Hohlfaser-Spinndüse 10 mit einem Grundkörper 100 bestehend aus drei einzelnen Platten 102, 104 und 106 gezeigt. Die einzelnen Platten bestehen aus einkristallinem Silizium. In der ersten Platte 102 ist ein Zuführkanal 108 für das Fällmittel ausgenommen. Zusätzlich sind Zuführkanäle, 110, 112 für ein erstes Polymer vorgesehen, die in eine zugehörige Vergleichmäßigungszone 114 einmünden. Die Vergleichmäßigungszone 114 umgibt einen entsprechenden Nadelstumpf 116.
• In der zweiten Platte 104 ist ebenfalls eine Fällmittelbohrung 118 ausgenommen, die von einen weiteren Nadelstumpf 120 und einem Ringraum 122 umgeben ist. Weiterhin sind weitere Zuführkanäle 124 mit anschließender Vergleichmäßigungszone 126 in der zweiten Platte 104 ausgenommen. Schließlich weist die dritte Platte 106 zwei Ringspalten 128 und 130 für die jeweiligen polymeren Materialien, die koextrudiert werden sollen, auf, sowie eine Nadel 132 mit Fällmittelbohrung 134. Bei den Varianten der Fig. 2a, Fig. 2b und Fig. 2c sind die Zuführkanäle 124 jeweils anders ausgestaltet. Während in der Ausführungsvariante gemäß der Fig. 2a der Zuführungskanal 124 für das zweite Polymer lediglich in der zweiten Platte 104 vorgesehen ist, verläuft der in der Variante gemäß der Fig. 2b sowohl durch die zweite Platte 104 wie auch durch die dritte Platte 106. In der Ausführungsvariante gemäß der Fig. 2c verläuft der Zuführkanal 124 für das zweite Polymer durch die zweite Platte 104 und die erste Platte 102, wie hier in der Fig. 2c dargestellt.
• Die Darstellung gemäß Fig. 1 entspricht dem Schnitt gemäß Fig. 2a, wobei hier deutlich wird, dass 8 Zuführkanäle 112 sternförmig angeordnet sind, während 4 Zuführkanäle 124 kreuzförmig angeordnet sind.
• Bei der Herstellung von Hohlfaser-Spinndüsen mittels Mikrostrukturtechnik wird von drei runden Wafer-Scheiben mit 100 bis 300 mm Durchmesser ausgegangen. Aus diesen Wafern werden gleichzeitig viele Spinndüsenstrukturen hergestellt. Die einzelnen Hohlfaser-Spinndüsen 10 erhält man dann durch Zerteilen der fertig bearbeiteten Wafer. Die vereinzelten geteilten Spinndüsen können jeweils eine einzige Düsenstruktur, wie hier dargestellt, aber auch mehrere Düsenstrukturen in einem Düsenstrukturverband enthalten. Dies erreicht man dadurch, dass nicht alle Düsenstrukturen, die auf dem Wafer gebildet wurden, voneinander trennt, sondern dass mehrere Düsenstrukturen zusammen eine Mehrfach-Düseneinheit bilden, die entlang ihrer Außenkontur vom Wafer ausgeschnitten wird.
• Die Herstellung der Spinndüsen beginnt mit der beidseitigen Strukturierung des ersten Wafers, der die Elemente der ersten Platte 102 der Spinndüsen aufnimmt. Die Strukturen werden mit einer Folge von Standard-Lithographieverfahren, beispielsweise Masken aus Photoresist, SiO, Si-N oder ähnlichem und Standard- Ätzverfahren gefertigt. Bei den Standard-Ätzverfahren sind insbesondere das reaktive Ionen-Ätzen (RIE), das reaktive Ionen Tiefenätzen (D-RIE) und das Kryo-Ätzen zu nennen. Besonders geeignet sind spezielle Tiefenätzverfahren wie das D-RIE und das Kryo-Ätzen. Die Lithographie-Masken für die Vorder- und Rückseite müssen optisch zueinander ausgerichtet werden. Dann wird der zweite Wafer, auf diesen strukturierten Wafer gebondet. Dazu können alle Bondverfahren eingesetzt werden, wie Anodisches Bonden, Direktbonden oder ähnliches. Besonders geeignet ist aber das Direktbonden, da die höchsten Festigkeiten erreicht werden und damit ein guter Halt der Nadel auf dem Grundkörper gewährleistet ist. Im nächsten Schritt werden die Zuführkanäle, die Vergleichmäßigungszone und der Nadelstumpf 120 auf der mit der ersten Platte gebondeten zweiten Platte 104 strukturiert. Die Lithographie-Maske dafür muss dabei optisch zu den Strukturen auf der ersten Platte ausgerichtet werden. Dann wird der dritte Wafer aufgebondet. Dazu können wieder alle Bondverfahren eingesetzt werden, wie zuvor dargestellt. Im nächsten Schritt wird die Düsenstruktur, bestehend aus den Ringspalten und der zentralen Bohrung in einem zweistufigen Ätzverfahren herausgearbeitet. Dabei werden im ersten Schritt die tiefere zentrale Bohrung und der innere Ringspalt vorangetrieben, im zweiten werden alle Strukturen fertiggeätzt. Zur Anwendung kommen dabei wieder die genannten Lithographie- und Ätzverfahren, wobei hier die Verwendung der Tiefenätzverfahren noch ratsamer ist als bei der Bearbeitung des ersten Wafers. Im letzten Schritt werden dann die einzelnen Spinndüsen durch geeignete Trennverfahren, wie Wafer-Sägen und Laserbearbeitung aus dem Wafer herausgeschnitten. Denkbar sind auch drei- oder mehrstufige Ätzverfahren.
• Mit der zuvor beschriebenen Hohlfaser-Spinndüse 10 lassen sich koextrudierte Hohlfasern aus zwei Materialien mit sehr kleinen Durchmessern mit hoher Präzision herstellen.

Claims (11)

1. Kapillarmembran, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mindestens zwei koextrudierten Lagen besteht und dass sie einen Außendurchmesser von kleiner als 1 mm aufweist.

2. Kapillarmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Außendurchmesser von kleiner oder gleich 0,45 mm aufweist.

3. Kapillarmembran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus ein bzw. mehreren der folgenden Materialien besteht: Polysulfon (PS), Polysulfon mit Polyvinylpyrollidon (PS/PVP), Polyethersulfon (PES), Polyethersulfon mit Polyvinylpyrollidon (PES/PVP), Polyetherimid (PEI), Polyetherimid mit Polyvinylpyrollidon (PEI/PVP), Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylnitril (PAN), Polyimid (PI) und/oder Polyurethan (PU).

4. Kapillarmembran nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer kleinporigen Separationsschicht und einer großporigen Trägerschicht besteht.

5. Kapillarmembran nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Lagen aus einem biokompatiblen Material besteht, während eine zweite Lage als Träger oder eigentliche Membran dient.

6. Kapillarmembran nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Lagen als Membran ausgebildet ist und dass eine zweite Lage aus einem Adsorbermaterial besteht.

7. Vorrichtung zur Herstellung einer Kapillarmembran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Hohlfaserspinndüse mit einer Koextrusionsdüse aufweist, deren Außendurchmesser kleiner als 1 mm ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfaserspinndüse aus einem dreischichtig aufgebauten Grundkörper besteht, wobei die einzelnen Schichten mittels Mikorstrukturtechnik strukturierte plattenförmige Körper sind, die zu dem Grundkörper zusammengefügt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte aus einkristallinem Silizium, Galliumarsenid (GaAs) oder Germanium besteht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfaserspinndüse einen zentralen Zuführkanal für das Fällmittel, Massezuführungskanäle, eine Massestromvergleichmäßigungszone und einen Ringspalt für das erste Polymer, sowie Massezuführkanäle, eine Massestromvergleichmäßigungszone und einen Masseringspalt für das zweite Polymer aufweist.

11. Kapillarmembran nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus drei, vier oder mehr koextrudierten Lagen besteht.