DE69435073T2

DE69435073T2 - Stoffaustauschvorrichtung mit hohlfaserbündel

Info

Publication number: DE69435073T2
Application number: DE69435073T
Authority: DE
Inventors: William S. White Bear HAWORTH; Robert W. Apartment Plymouth OLSEN; Mark S. Medina GOODIN
Original assignee: Avecor Cardiovascular Inc
Current assignee: Medtronic International Trading Inc
Priority date: 1993-05-19
Filing date: 1994-05-16
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2014-05-17
Also published as: EP0652781A1; WO1994026328A1; USRE36125E; US5462619A; DE69435073D1; EP0652781B1; JP3621100B2; JPH07509172A; EP0652781A4; US5376334A; AU6835494A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Massentransfervorrichtung, in der Substanzen, die in Fluiden enthalten sind, die auf gegenüberliegenden Seiten von mikroporösen Hohlfasermembranen fließen, gegeneinander durch Molekulartransfer über die Membranen hinweg ausgetauscht werden. Genauer bezieht sich die Erfindung auf einen Hohlfaser-Blutoxygenator zum extrakorporalen Oxygenieren bzw. Sauerstoffanreichern des Bluts eines Tieres oder eines Menschen.
Hintergrund der Erfindung
Viele Typen von Hohlfaser-Blutoxygenatoren waren oder sind gegenwärtig verfügbar. Diese werden veranschaulicht durch:

1. longitudinalen (axialen) Fluss durch ein ringförmiges Bündel – siehe US-Patent Nr. 4,975,247 ;
2. umgebenden Fluss um ein ringförmiges Bündel herum – siehe US-Patent Nr. 3,794,468 ;
3. transversalen Fluss über ein Bündel mit im wesentlichem rechtwinkligem Querschnitt hinweg – siehe US-Patent Nr. 5,188,801 ; und
4. radial nach außen gerichteten Fluss durch ein ringförmiges Bündel – siehe US-Patent Nr. 3,422,008 .

Verfahren zur Herstellung der ringförmigen Hohlfaserbündel sind ebenso verfügbar. Die US-Patente 3,422,008 und 4,975,247 zeigen ein Verfahren zum spiralförmigen Winden bzw. Wickeln von Faserbändern in einem Überkreuzmuster. Letzteres Patent zeigt die Bildung regionaler Matten und das Zwischenschießen der Bänder an der Grenze solcher regionaler Matten. Die obigen Patente offenbaren das Anbringen eines Kerns auf einem rotierenden Montageelement, wobei die Faserführung vor und zurück entlang einer Linie parallel zur Rotations-(Längs-)Achse des Montageelementes verfährt. Die obigen Patente offenbaren weiterhin das Wickeln von Fasern auf den Kern bei konstanter minütlicher Umdrehungszahl (RPM) der Montagemembran und einer konstanten Verfahrgeschwindigkeit der Führung. Mit dem Zunehmen der Größe des Bündels, d. h. mit dem Zunehmen des Umfangs des Bündels, auf das die Faser gewunden wird, nimmt der Packungsanteil der Faser ab. Mit anderen Worten nimmt der Packungsanteil ab, wenn sich das Bündel radial nach außen relativ zur Achse des Kerns ausdehnt.
Für die Zwecke dieser Anmeldung sei der Packungsanteil definiert als der Anteil einer Volumeneinheit von Bündelraum, der durch Hohlfaser besetzt ist. Der Packungsanteil kann auf vorbekannten Wegen bestimmt werden, hierunter das praktische Verfahren, den Interstitialraum zwischen Fasern durch die Gewichtszunahme zu messen, wenn man eine Volumeneinheit des Bündels eine bekannte Flüssigkeit ansaugen lässt. Der Packungsanteil in einem bestimmten Gebiet oder in einer bestimmten Zone, das bzw. die radial nach außen gelegen ist, kann dadurch bestimmt werden, dass der Wicklungsprozess an der radial innen gelegenen radialen Grenze des Gebiets oder der Zone gestoppt und der Packungsanteil auf dieser Stufe bestimmt wird, und dann der Wicklungsprozess in Richtung der äußeren radialen Grenze des Gebiets oder der Zone fortgesetzt wird und Packungsanteil auf dieser Stufe bestimmt wird. Im Stand der Technik bekannte Berechnungen werden den Packungsan teil des Gebiets oder der Zone mit den zwei vorherigen Werten bestimmen.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Radialfluss-Ringbündel-Blutoxygenator zur konstruieren, bei dem für einen hohen Gastransfer der Packungsanteil etwa sechzig Prozent erreicht oder überschreitet, während große Druckabfälle für das Blut über das Bündel hinweg und ein Verklumpen des Bluts im Bündel verhindert wird. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Radialfluss-Ringbündel-Blutoxygenator zu konstruieren, der die oben genannte Aufgabe in Verbindung mit der Benutzung eines Kerns mit relativ kleinem Durchmesser im Bereich von ca. 0,25 Inch bis 2,5 Inch (6,35 bis 63,5 mm) aufweist. Kerne mit kleinem Durchmesser haben den Vorteil, das Ansaugvolumen bzw. Startvolumen zu verkleinern und die Gesamtgröße der Blutoxygenatoreneinheit zu vermindern, aber haben den Nachteil, dass, wenn sich das Bündel radial nach außen ausdehnt, die oben genannten Wicklungsmethoden des Standes der Technik zu übermäßigen Abnahmen in den Packungsanteilen führen. Damit ein Packungsanteil über das ganze Bündel hinweg sechzig Prozent erreicht oder überschreitet, wird der hohe Packungsanteil in der Nähe des kleinen Kerns ein Verklumpen begünstigen.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Massentransfervorrichtung bereitgestellt, wie in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Der Kern besitzt ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Achse, die sich vom ersten Ende zum zweiten Ende erstreckt. Das Hohlfaserbündel erstreckt sich im Verhältnis zur Kernachse radial nach außen und besitzt Packungsanteile, die radial nach außen über einen Großteil des Hohlfaserbündels zunehmen, wodurch ein Packungsanteilsgradient geschaffen wird. Das Hohlfaserbündel weist ferner Fasern auf, von denen jede ein erstes Ende, ein zweites Ende, ein hohles Inneres und eine semipermeable Wand aufweisen. Die ersten Enden der Fasern liegen neben dem ersten Ende des Kerns und die zweiten Enden der Fasern liegen neben dem zweiten Ende des Kerns. Der Kern weist ferner Bereitstellungsmittel zur Bereitstellung eines ersten Fluids an eine Region des Hohlfaserbündels neben dem Kern auf.
Die Massentransfervorrichtung besitzt auch ein äußeres Gehäuse, das das Hohlfaserbündel umgibt. Das äußere Gehäuse besitzt Sammlermittel zum Sammeln des ersten Fluids aus einer Region des Hohlfaserbündels neben dem Gehäuse. Das erste Fluid fließt vom Kern radial nach außen durch das Hohlfaserbündel. Auch besitzt die Massentransfervorrichtung erste Vergussmittel zum Vergießen der ersten Enden der Fasern und zum Ankleben bzw. Ansiegeln der Fasern an den Kern und das Gehäuse, und zweite Vergussmittel zum Vergießen der zweiten Enden der Fasern und zum Ankleben bzw. Ansiegeln der Fasern an den Kern und das Gehäuse. Die ersten und zweiten Vergussmittel, der Kern und das Gehäuse definieren eine abgeschlossene Kammer.
Ein zweiter Fluideinlass steht in Wirkverbindung mit dem Inneren der Fasern an entweder den ersten oder zweiten Enden, und ein zweiter Fluidauslass steht in Wirkverbindung mit dem Inneren der Fasern an den jeweils anderen ersten oder zweiten Enden. Ein erstes Fluideinlassmittel steht in Wirkverbindung mit den Bereitstellungsmitteln und ein erstes Fluidauslassmittel steht in Wirkverbindung mit den Sammlermitteln.
Im obigen Zusammenhang bedeutet ein "Groß"teil des Bündels zumindest die Hälfte, wenn entlang des Radius gemessen wird. Mit anderen Worten besitzt ein Bündel eine radiale Dicke von 1,0 Inch (2,54 mm bzw. cm), wenn es einen inneren Radius von 0,5 Inch (12,7 mm) und einen äußeren Radius von 1,5 Inch (38,1 mm) besitzt. Ein Großteil stellt zumindest 0,5 Inch (12,7 mm) Dicke dar. Dies wird durch das Bündel zwischen 0,5 und 1,0 Radien, durch das Bündel zwischen 0,75 und 1,25 Radien, genau wie jedes ähnliche Paar von Radien, wenn sie sich um 0,5 Inch (12,7 mm) unterscheiden, veranschaulicht. Alternativ hierzu kann der Packungsanteil ebenso für bzw. über wenigstens fünfundsiebzig Prozent der der radialen Dicke des Hohlfaserbündels zunehmen.
Ferner kann ein innerer durchschnittlicher Packungsanteil weiterhin als der Durchschnitt der Packungsanteile, die entlang eines Radius auftreten, der bei dem Bereich des Hohlfaserbündels neben dem Kern beginnt und sich entlang dem Radius fünfundzwanzig Prozent nach außen in Richtung des Bereichs des Hohlfaserbündels neben dem Gehäuse erstreckt, definiert sein. Der äußere durchschnittliche Packungsanteil kann ähnlich entlang des Radius, der bei der Region des Hohlfaserbündels neben dem Gehäuse beginnt und sich entlang des Radius fünfundsiebzig Prozent nach innen in Richtung der Region des Hohlfaserbündels neben dem Kern erstreckt, definiert sein. In diesem Fall wird der Packungsanteil, der dem Bündel bei den inneren fünfundzwanzig Prozent der radialen Dicke zugeordnet ist, mit den äußeren fünfundsiebzig Prozent der radialen Dicke verglichen. Der innere durchschnittliche Packungsanteil wie definiert ist geringer als der äußere durchschnittliche Packungsanteil wie definiert. Genauer kann, wenn so definiert, der innere durchschnittliche Packungsanteil im Bereich von siebzig bis fünfundneunzig Prozent des äußeren durchschnittlichen Packungsanteils liegen.
Alternativ kann der innere durchschnittliche Packungsanteil ähnlich entlang eines Radius definiert sein, der bei der Region des Hohlfaserbündels neben dem Kern beginnt und sich entlang des Radius fünfundzwanzig Prozent nach außen in Richtung des Bereichs des Hohlfaserbündels neben dem Gehäuse erstreckt. Der äußere durchschnittliche Packungsanteil kann ähnlich entlang des Radius, der in einem Gebiet des Hohlfaserbündels neben dem Gehäuse beginnt und sich entlang des Radius fünfundzwanzig Prozent nach innen in Richtung des Hohlfaserbündels neben dem Kern erstreckt, definiert sein. Im Rahmen dieser Definitionen kann der innere durchschnittliche Packungsanteil geringer als der äußere durchschnittliche Packungsanteil sein. Genauer gesagt kann der innere durchschnittliche Packungsanteil im Bereich von sechzig bis fünfundneunzig Prozent des äußeren durchschnittlichen Packungsanteils liegen.
Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf Bündel, bei denen die Packungsanteile radial nach außen "in einem Großteil des Bündels" zunehmen. Im Einklang mit der Bedeutung von "über einen Großteil des Bündels" wie hierin verwendet, können die Packungsanteile zunehmen, abnehmen oder sich außerhalb eines solchen Hauptabschnitts andersartig verändern. Die vorliegende Erfindung ist ebenso auf Bündel gerichtet, bei denen die Packungsanteile radial nach außen über einen Großteil des Bündels "zunehmen". Im Einklang mit der Bedeutung von "zunehmen", wie hier benutzt, müssen die Packungsanteile in dem Großteil nicht immer oder ausschließlich zunehmen. Es ist angestrebt, dass innerhalb des Großteils solche Packungsanteile radial nach außen in diesem Großteil des Bündels zunehmen, und zwar im Sinne, dass im Durchschnitt solche Packungsanteile zunehmen, obwohl manche abnehmen können.
Darüber hinaus können die Packungsanteile wie eben diskutiert inkrementell oder kontinuierlich zunehmen. Im Fall von inkrementellen Zunahmen verändert sich der Packungs anteil inkrementell, aber "nimmt radial nach außen zu", (im Rahmen der obigen Beschreibung). Die inkrementellen Zunahmen können im Vergleich zu geringen Abnahmen zwischen solchen Inkrementen wesentlich sein. Im Falle kontinuierlicher Zunahmen variiert der Packungsanteil kontinuierlich, aber "nimmt radial nach außen zu" (im Rahmen der obigen Beschreibung).
Die Fasern können eine Anzahl erster Fasern, die spiralförmig um den Kern in einer ersten Richtung von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende des Kerns angeordnet sind, und eine Anzahl zweite Fasern, die spiralförmig um den Kern in einer zweiten Richtung entgegengesetzt der ersten Richtung von dem ersten Ende des Kerns zum zweiten des Ende des Kerns angeordnet sind, aufweisen. Die Anzahl erster und zweiter Fasern können einander in einem Winkel schneiden. Sowohl die Anzahl erster Fasern als auch die Anzahl zweiter Fasern können aus wenigstens einem Faserband hergestellt sein, welches eine oder mehrere Fasern aufweist.
Alternativ hierzu kann jede der Anzahl erster Fasern und jede der der Anzahl zweiter Fasern aus einer Fasermatte hergestellt sein, die mehrere im wesentlichen parallele, miteinander verbundene Fasern aufweist.
Der Kern, das Faserbündel und das Gehäuse können im wesentlichen zylindrisch und konzentrisch angeordnet sein. Das erste Fluid kann Blut sein und das zweite Fluid ein Oxygeniergas. Die Massentransfervorrichtung kann weiterhin eine Wärmeaustauscherkammer aufweisen, die Wärmeaustauschermittel zur Regulation der Bluttemperatur enthält. Die Wärmeaustauscherkammer kann mit einem Bluteinlass und mit einem Blutauslass aus der Wärmeaustauscherkammer ausgestattet sein. Der Wärmeaustauscherkammerblutauslass kann in fluider Kommunikation mit den ersten Fluideinlassmitteln der Massentransfervorrichtung angeordnet sein.
Im Verfahrensaspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum spiralförmigen Winden einer kontinuierlichen, semipermeablen Hohlfaser auf einen Unterstützerkern zur Herstellung eines Hohlfaserbündels zur Benutzung in einer Radialfluss-Massentransfervorrichtung bereitgestellt. Eine Wicklungsvorrichtung wird bereitgestellt, die ein rotierbares Montageelement besitzt, welches eine Längsachse und eine Faserführung neben dem Montageelement besitzt. Die Faserführung ist dafür eingerichtet, vor und zurück entlang einer Linie parallel zur Längsachse des Montageelements zu verfahren, wenn sich das Montageelement dreht. Ein Unterstützerkern wird bereitgestellt, welcher ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Achse, welche sich vom ersten Ende zum zweiten Ende erstreckt, besitzt. Der Unterstützerkern ist zur Drehung auf dem drehbaren Montageelement angebracht. Wenigstens eine kontinuierliche Länge semipermeabler Hohlfaser wird bereitgestellt, wobei die Hohlfaser durch die Faserführung angeordnet und an den Unterstützerkern befestigt wird. Das Montageelement wird gedreht und die Faserführung wird vor und zurück in Bezug auf die Längsachse des Montageelementes bewegt. Faser wird zum Erzeugen eines Hohlfaserbündels, das sich radial nach außen in Beziehung zur Achse des Kerns erstreckt und das Packungsanteile aufweist, die radial nach außen über einen Großteil des Hohlfaserbündels hinweg zunehmen, wodurch ein Packungsanteilgradient erzeugt wird, auf den Unterstützerkern gewickelt.
Das vorstehende Verfahren kann zwei oder mehrere Fasern aufweisen, die durch die Faserführung angeordnet werden. Die zwei oder mehreren Fasern werden auf den Unterstützerkern gewickelt, wodurch ein Wicklungswinkel gebil det wird, der in einer Ebene liegt, die, tangential zu den Punkten, an denen die Fasern auf den Unterstützerkern gewunden werden und die Fasern enthalten, parallel zur Achse des Unterstützerkerns ist. Der Wicklungswinkel wird zwischen einer Projektion einer Linie rechtwinklig zur Achse des Unterstützerkerns in die Ebene und den Fasern gemessen. Der Wicklungswinkel wird über einen Großteil einer solchen Windung hinweg erhöht, wodurch der zunehmende Packungsanteil bereitgestellt wird.
Der Windungswinkel kann erhöht werden, indem der Abstand, über den die Faserführung während einer Drehung sich bewegt, erhöht wird, wodurch der erhöhte bzw. zunehmende Packungsanteil erzeugt wird. Der Wicklungswinkel kann verringert, erhöht oder in anderer Weise außerhalb des Großteils des Bündels variiert werden. Der Wicklungswinkel wird dann als im Großteil des Bündels zugenommen habend betrachtet werden, wenn er im Durchschnitt zunimmt, auch wenn er variieren, inklusive abnehmen, kann.
Die Wicklungsvorrichtung kann alternativ hierzu Spannermittel aufweisen, um die Spannung der Faser, während sie gewickelt wird, zu regulieren. Die Spannung der Faser kann über einen Großteil eines solchen Wickelns erhöht werden, wodurch der zunehmende Packungsanteil erzeugt wird. In Form eine weiteren Alternative kann die Faserführung dafür eingerichtet sein, den Abstand zwischen zwei oder mehreren Fasern, die gleichzeitig gewickelt werden, zu regulieren, und der Abstand kann über einen Großteil eines solchen Wickelns vermindert werden, wodurch der genannte zunehmende Packungsanteil bereitgestellt wird.
Der Großteil des Hohlfaserbündels kann ferner dahingehend beschränkt sein, dass er zumindest fünfundsiebzig Prozent des Hohlfaserbündels erfordert. Der innere durchschnitt liche Packungsanteil entlang eines Radius, der im Bereich des Hohlfaserbündels neben dem Kern beginnt und sich entlang des Radius fünfundsiebzig Prozent nach außen in Richtung des Hohlfaserbündels neben dem Gehäuse erstreckt, kann geringer als der äußere durchschnittliche Packungsanteil entlang des Radius, der im Bereich des Hohlfaserbündels neben dem Gehäuse beginnt und sich entlang des Radius fünfundsiebzig Prozent nach innen in Richtung der Region des Bereichs des Hohlfaserbündels neben dem Kern erstreckt, sein. Alternativ dazu ist der innere Packungsanteil entlang eines Radius, der im Bereich des Hohlfaserbündels neben dem Kern beginnt und sich entlang des Radius fünfundzwanzig Prozent nach außen in Richtung des Bereichs des Hohlfaserbündels neben dem Gehäuse erstreckt, geringer als der äußere durchschnittliche Packungsanteil, entlang des Radius, der im Bereich des Hohlfaserbündels in dem Gehäuse beginnt und sich entlang des Radius fünfundzwanzig Prozent nach innen in Richtung der Region des Hohlfaserbündels neben dem Kern erstreckt. Der innere durchschnittliche Packungsanteil, wie oben an erster Stelle definiert, kann im Bereich von fünfundsiebzig bis fünfundneunzig Prozent sein, und, wie oben an zweiter Stelle definiert, im Bereich von sechzig bis fünfundneunzig Prozent des äußeren durchschnittlichen Packungsanteils sein.
Als weitere Alternative wird ein Verfahren zum spiralförmigen Winden von zumindest einer Fasermatte auf einen Unterstützerkern zur Bereitstellung eines Hohlfaserbündels zur Benutzung in einer Radialfluss-Massentransfervorrichtung bereitgestellt. Ein Wicklungsapparat wird bereitgestellt, der ein rotierbares Montageelement besitzt, das eine Längsachse und eine Fasermattenführung neben dem Montageelement aufweist, wobei die Fasermattenführung dafür eingerichtet ist, wenigstens eine Fasermatte zur Wicklung auf einen Unterstützerkern zuzuführen.
Ein Unterstützerkern mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einer Achse, die sich vom ersten Ende zum zweiten Ende erstreckt, wird bereitgestellt. Der Unterstützerkern wird zur Drehung auf dem drehbaren Montageelement angebracht. Wenigstens eine kontinuierliche Länge einer Fasermatte wird durch die Faserführung positioniert und auf dem Unterstützerkern befestigt, wobei die Fasermatte mehrere im wesentlichen parallele, miteinander verbundene Fasern aufweist.
Das Montageelement wird gedreht, wobei die Faser auf den Unterstützerkern zum Bilden eines Hohlfaserbündels, das sich in Bezug auf die Achse des Kerns radial nach außen ausdehnt und mit Packungsanteilen, welche radial nach außen über einen Großteil des Hohlfaserbündels zunehmen und hierdurch einen Packungsanteilsgradienten erzeugen, gewickelt wird. Die Fasern einer der wenigstens einen Matte, die auf den Unterstützerkern gewickelt wird, bilden einen Wicklungswinkel, der in einer Ebene parallel zur Achse des Unterstützerkerns und tangential zu dem Punkt, bei dem die Faser auf den Unterstützerkern gewickelt wird, liegt. Der Wicklungswinkel wird zwischen einer Projektion einer Linie rechtwinklig zur Achse des Unterstützerkerns in die Ebene und der Faser gemessen. Der Wicklungswinkel wird im wesentlichen über einen Großteil einer solchen Wicklung erhöht, wodurch der zunehmende Packungsanteil erzeugt wird. Die Fasern einer anderen der wenigstens einen Matte, die auf den Unterstützerkern gewickelt wird, bilden einen Wicklungswinkel, der in einer Ebene parallel zur Achse des Unterstützerkerns und tangential zu dem Punkt, an welchem die Faser auf den Unterstützerkern gewickelt wird, liegt, wobei der Wicklungswinkel der Faser einer der wenigstens einen Matte. Der Wicklungswinkel wird zwischen einer Projektion einer Linie rechtwinklig zur Achse des Unterstützerkerns in die Ebene und der Faser gemessen. Der Wicklungswinkel der Faser der anderen der wenigstens einen Matte sind in entgegengesetzten Richtungen. Der Wicklungswinkel der Faser der anderen der wenigstens einen Matte wird im wesentlichen oder im Durchschnitt über einen Großteil einer solchen Wicklung vergrößert, wodurch der zunehmende Packungsanteil erzeugt wird. Vorzugsweise würde der Wicklungswinkel jeder Matte erhöht werden, jedoch könnte alternativ dazu der Wicklungswinkel einer solcher Matten verringert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht des Oxygenators der vorliegenden Erfindung, die den Oxygenator in senkrechter Anordnung zeigt, wie er in Benutzung wäre;
2 ist ein Längsquerschnitt der Kernspule zur Benutzung im Oxygenator der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Querschnittsansicht der Kernspule, die entlang der Linie 3-3 der 2 aufgenommen wurde;
3a ist ein fragmetarisches Detail einer der Rippen des Kerns der vorliegenden Erfindung, aufgenommen aus dem eingekreisten Bereich in 3;
4 ist eine schematische Ansicht des Unterstützerkerns, der das Hohlfaserband zeigt, wie es auf einer frühen Stufe des Wicklungsvorgangs auf den Kern gewunden wird;
5 ist ein Graph, der den Faserwicklungswinkel als eine Funktion des Bündeldurchmessers zeigt;
6 ist ein Graph, der den tatsächlichen Packungsanteil gegen den Bündeldurchmesser zeigt;
7 ist eine schematische Darstellung des Wicklungsapparates für das Wicklungsverfahren der vorliegenden Erfindung, wobei eine Faser oder ein Band von Fasern auf den Kern gewickelt wird und der Wicklungswinkel gezeigt ist;
[8 gestrichen]
9 ist eine schematische Darstellung, die eine Faserführung zeigt, welche für eine variable Beabstandung zwischen den Fasern eingerichtet ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Mit Bezug auf die Zeichnungen, speziell 1, weist ein Blutoxygenator 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein zylindrisches äußeres Gehäuse 12, einen im wesentlichen zylindrischen inneren Unterstützerkern 14 auf. Ein Gaskopf oder eine Kappe 18, der bzw. die die einen Gaseinlass 22 aufweist, ist an die Oberseite des Oxygenators 10 angebracht. Ähnlich ist ein oberer Kopf oder eine Kappe 20, der bzw. die einen Gasauslass 24 aufweist, an die Unterseite des Oxygenators 10 angepasst. Der untere Kopf beinhaltet zudem einen Bluteintritt um einen Blutfluss in den Oxygenator 10 hinein bereitzustellen.
Der Oxygenator 10 kann am unteren Kopf 20 auch mit einem geeigneten Wärmeaustauscher 28 ausgestattet sein oder einen solchen tragen. Ein Wärmeaustauscher 28 vom Fluid- bzw. Flüssigkeitstyp ist mit einem Einlass 30 und einem Auslass 32 dargestellt, jedoch können andere geeignete Wärmeaustauschervorrichtungen in den Oxygentor 10 eingebaut sein, z. B. kann eine elektrische Heiz- und Kühlvorrichtung benutzt werden.
Das äußere Gehäuse 12 besitzt eine im wesentlichen zylindrische äußerste periphere Wand 34, die auf beiden Seiten vor der Montage des Oxygenators 10 offen ist. Im unteren Bereich 36 besitzt die Innenseite der Wand 34 des äußeren Gehäuse 12 eine ringförmige, exzentrische reliefierte Region 38 in einem Auslassverteiler 39 neben der Wand 34. Ein Blutauslass 40 befindet sich am Boden des Auslassverteilers 39. Andere Auslässe oder Stutzen, wie Probennahme- oder Rückführstutzen 41 können in geeigneter Weise am Oxygenator 10 angeordnet sein.
Unter Bezugnahme auf 2 ist der innere Unterstützerkern 19 im wesentlichen zylindrisch mit einem ersten oberen Ende 42, einem zweiten unteren Ende 44 und einer Längsachse A, die sich zwischen den Enden erstreckt. An jedem Ende 42, 44 trägt der Kern 14 jeweils wegwerfbare Unterstützerflansche 46, 48. Unter Bezugnahme auf 3a ist der äußere Durchmesser des Kerns 14 als die äußerste Oberfläche 50 einer jeden der Anzahl an Rippen 52 definiert. Die Rippen 52 sind im wesentlichen parallel zur Kernachse A und zueinander und erstrecken sich in Länge des Kerns 14 zwischen den wegwerfbaren Unterstützerflanschen 46, 48. Zwischen jeder Rippe 52 besitzt der Kern 14 mehrere reliefierte oder vertiefte Einlassverteilerbereiche 54. Zwei solcher Regionen 54 sind in 2 zu sehen. Diese Bereiche, sowie andere, die in 2 nicht gezeigt sind, sind zwischen den Rippen 50 gleichmäßig um den gesamten äußeren Umfang des Kerns herum angeordnet. Der Kern beinhaltet ein Lumen 56, das durch den verdickten, im wesentlichen zentralen Abschnitt des Kerns definiert ist. Ein Ende des Lumens beinhaltet einen Bluteinlass 58 und ist dafür ausgelegt, am Blutstutzen 26 der unteren Kappe 20 angebracht zu werden. Das andere Ende des Lumens ist ein offenes Ende 16 und ist fluider Verbindung mit einer Kammer 62, die durch die Rippen, die sich nach der Kammer zum Ende des Kerns erstrecken, definiert ist. Die Kammer 62 besitzt eine oder mehrere Fensteröffnungen 64 zwischen den Rippen 52. Die Öffnungen 64 sind zwischen den Rippen um den gesamten Umfang des Kerns herum angeordnet und sind in fluider Kommunikation mit den vertieften oder reliefierten Einlassverteilerregionen des Kerns. Die äußere Oberfläche des Kerns 14 zwischen den Rippen verjüngt sich vom oberen Ende 42 neben dem Fenster 64 nach außen zum unteren Ende und oberhalb des Kerns 14, in welchem der Bluteinlass 58 lokalisiert ist. Umgekehrt verjüngt sich das Lumen 56 nach innen ausgehend vom oberen Ende 48 des Kerns 14 neben dem Fenster 64 bis zu einem kleinsten Durchmesser neben dem Bluteinlass 58.
Die folgenden Berechnungen spiegeln relative Querschnittsbereiche des Kerns 14 wider, darunter die Querschnittsbereiche, die für den Blutfluss durch die Kernabschnitte zur Verfügung stehen. Die Bezugspunkte (A1, A2, A3, A4) sind in 1 und 2 dargestellt und geben die Querschnitte im oberen Teil des Lumens 56 durch die Fenster 64 und am oberen Ende des Einlassverteilers, der durch die refliefierten Regionen 54 jeweils geschaffen wird, an. A1 ist der Bereich beim Bluteinlass 58.

A₁ = 0,249 Quadratinch (160,6 mm²), A₂ = 0,346 Quadratinch (223,2 mm²), A₃ = 0,331 Quadratinch (213,49 mm2) und A₄ = 0,504 Quadratinch (325,16 mm²).

A3 / A2 sollte zwischen 0,05 und 1,5 liegen, mit einem bevorzugten Wert von 0,957
A4 / A3 sollte zwischen 0,7 und 1,7 liegen, mit einem bevorzugten Wert von 1,522
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist ein ringförmiges Bündel 70 von spiralförmig gewickelten, mikroporösen Hohlfasern in einem Raum angeordnet, der durch die äußerste Ausdehnung der Rippen 52 auf dem Unterstützerkern 14 und der Wandung 34 des äußeren Gehäuses definiert ist. Der Auslassverteiler wird durch die Lücke zwischen dem radial äußersten Bereich oder der Oberfläche des Bündels und der Wandung des Gehäuses gebildet. Die oberen und unteren Enden des Bündels 70 sind in einen verfestigte Vergussverbund an den oberen und unteren Enden des Oxygenators eingebettet. Die Faserlumen kommunizieren jeweils mit der äußeren Oberfläche der oberen und unteren vergossenen Abschnitte 72 und 74. Ein Oxygeniergas, das durch den Gaseinlass 22 eingelassen wurde, fließt in die obere Kappe 18 durch die Lumen der Hohlfasern hinunter zu den entgegenliegenden Enden der Hohlfasern an der unteren vergossenen Region 74 und in die Gasauslasspassage 24.
Bei Benutzung ist der Oxygenator 10 in einer im wesentlichen senkrechten Position wie in 1 dargestellt. Blut, das zu oxygenieren ist, wird durch den Kern 14 durch den Einlass 26 der unteren Kappe 20 eingeführt und durch das Bluteinlassende 58 des Kerns 14. Das Blut fließt nach oben im Lumen 56 des Kerns 14 in Richtung des umgebenden Rippen- und Fensterarrays am obersten Ende des Kerns 14. Das Blut fließt durch die Fenster 64 über die abgerundete Lippe 57 des Lumens 56 und in die mehreren Aussparungen und reliefierten Regionen, wobei es den Einlassverteiler, der durch den Raum zwischen den innersten Bereich des Faserbündels und der äußeren Oberfläche des Lumens 56 und des Kerns 14 bereitgestellt wird, füllt. Vom Einlassverteiler fließt das Blut über die gesamte Länge des Kerns 14 zwischen den oberen und den unteren vergossenen Regionen 70, 74 radial weg vom Kern 14, oder, mit anderen Worten, entlang der gesamten Länge der Rippen 52 und den reliefierten Bereichen hierzwi schen. Das Blut sammelt sich im Auslassverteiler, vor allem in der exzentrischen Sammlerregion 74 neben der Unterseite des Oxygenators 10 und verläßt den Oxygenator 10 durch den Blutauslass 75.
Gas tritt in die Oxygenatoreneinheit 10 durch den Gaseinlass 22 ein und fließt vom Inneren der Kappe 18 in und durch die Hohlfasern, die das Bündel 70 aufweist in die Kammer, die durch die untere Kappe 20 definiert ist und aus dem Gasauslass 24 heraus. Gasaustausch findet durch Diffusion durch Mikroporen in den Hohlfasern statt, während der radiale Blutfluss und Gasfluss im wesentlichen rechtwinklig zum Blutfluss stattfindet.
Es versteht sich, dass der Vergussvorgang, auf den hierin oben Bezug genommen wurde, ein wohlbekannter Faservergussvorgang ist, wobei das bevorzugte Vergussmaterial Polyurethan ist, das durch Zentrifugation eingeführt wird und das in situ reagiert. Andere geeignete Vergussmaterialien können ebenso benutzt werden. Geeignete Versiegler und Dichtungen können in der vorliegenden Erfindung an Verbindungen wie an den Verbindungen zwischen den oberen und unteren Kappen 18, 20 und im äußeren Gehäuse 12 benutzt werden. Das äußere Gehäuse 12, die unterschiedlichen Einlass- und Auslassdüsen 40, 41 usw. und die oberen und unteren Kappen 18, 20 können aus einem geeigneten Polycarbonat hergestellt werden, ein Beispiel hierfür ist das Polycarbonat MAKROLON^TM von Miles, Inc., Elkart, Indiana. In ähnlicher Weise kann, abhängig von der jeweiligen speziellen Anwendung, jede geeignete mikroporöse Faser in der Massentransfervorrichtung der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Im Falle der bevorzugten Ausführungsform, einem Blutoxygenator, ist eine geeignete Faser die als X-10 bezeichnete mikroporöse Polypropylenfaser, die von Hoechst-Celanese hergestellt wird.
Bei einem inkrementell zunehmenden Wicklungswinkel, wird der Wicklungswinkel eine begrenzte Anzahl von Malen während der Wicklung angepasst. Zwischen solchen Anpassungen wird das Verfahren zur spiralförmigen Wicklung semipermeabler Hohlfasermembranen auf einen Unterstützerkern in US-Patent Nr. 4,975,247 auf Spalte 9, Zeile 36 bis Spalte 11, Zeile 63 inklusive ab 12 bis 16A fortgesetzt.
Das Hohlfaserwindungsverfahren kann praktischerweise auf einer Vorrichtung des Typs wie er schematisch in 4 dargestellt ist, stattfinden. Die Faserwindungsvorrichtung beinhaltet ein rotierendes Element und eine Faserführung 91, die vor und zurück in Bezug auf die Längsachse B, d. h. entlang der Linie A, die parallel zur Rotationsachse B des Montageelements ist, wie durch den Zweifachpfeil A in 4 veranschaulicht, verfährt. Die Faserführung beinhaltet eine Anzahl von Röhren, die in 4 nicht dargestellt sind, durch welche die Fasern durchgefädelt sind, wenn sie in die Führung aus einem Vorratsbehälter eintreten. Alternativ dazu können aufrechte Rippen, Aussparungen oder Führungsdornen benutzt werden, um die Fasern zu beabstanden. Ebenso können Bänder mit jeder beliebigen Anzahl von Fasersträngen gebildet werden. Die Industrie benutzt üblicherweise sechs Stränge und andere Anzahlen. Kommerziell erhhältliche Wicklungsapparate sind zum Wickeln einer kontinuierlichen Hohlfaser (oder eine bestimmte Anzahl solcher Hohlfasern) auf einen Unterstützerkern erhältlich. (Entec, Salt Lake City, Utah, bietet einen Wicklungsapparat mit elektronischem Getriebe zur Variation der Wicklungsgeschwindigkeit des Unterstützerkerns und der Verfahrgeschwindigkeit während des Wickelns an).
Der Kern wie eben beschrieben wird spiralförmig mit Hohlfasern in der folgenden Art gewickelt. Der innere Unterstützerkern ist auf einem Montageelement 19 des Wicklungsapparates angebracht. Die Führung 91 wird dann an der linken Seite (wie in 4 zu sehen) des erstreckten Kerns angeordnet. Ein Band von sechs kontinuierlichen, semipermeablen Hohlfasern wird von Spulen einzelsträngiger Fasern auf bekannte Art hergestellt und durch die Führungsröhren der Faserführung 91 gefädelt. Sechs solcher Führungsröhren werden benutzt, wobei zum Trennen der Fasern, wenn sie den Vorratsbehälter verlassen, eine kontinuierliche Hohlfaser durch jedes Rohr plaziert. Das führende Ende des Faserbands wird an die äußere Oberfläche des Kerns, der sich am äußersten linken Ende des Kerns erstreckt, befestigt. Die Drehung des Montageelements 90 des Windungsapparates wird in der Richtung, die durch Pfeil C in 4 angezeigt ist, begonnen. Die Bewegung der Führung 91 wird, vorzugsweise durch ein Getriebe, mit dem Montageelement 90 synchronisiert, und verfährt automatisch axial des Kerns, wenn das Montageelement 90 sich dreht. Fachleute werden verstehen, dass die Führung 91 axial in einer festgelegten Abstand für Drehung des Montageelements 90 verfährt.
Die Führung 91 verfährt vom ersten Ende (linke Seite der 4) des Kerns zum zweiten Ende (rechte Seite der 4), wo es abbremst. Nach dem Abbremsen kehrt die Führung ihre Richtung um, beschleunigt, und verfährt zurück in ihre Startposition. Nach erneutem Abbremsen und Richtungsumkehr beginnt die Führung ihren Verfahrzyklus erneut. Alternativ dazu kann die Führung anhalten und an den Endpunkten der Traverse verweilen. Das bevorzugte reziproke Verfahren für die Führung 91 und die gleichzeitige Drehung des Montageelements 90, auf dem der erstreckte Unterstützerkern montiert wurde, wird fortgesetzt, und der folgend beschriebenen Veränderung unter worfen, bis ein Faserbündel des gewünschten Durchmessers auf den erstreckten Kern gewickelt worden ist.
Wie genauer in Spalte 10, Zeile 23 bis Spalte 11, Zeile 62 des '247er-Patents beschrieben, wurde das Faserband während das von-links-nach-rechts-Verfahrens der Führung 91 spiralförmig um den ausgedehnten Unterstützerkern gewunden, und die einzelnen Fasern im Band wurden in Kontakt mit den äußeren Oberflächen des Unterstützerkerns niedergelegt. In der folgenden zweiten Traverse (rechts nach links in 4) der Führung 91 wurde das Faserband weiter spiralförmig auf den erstreckten Kern gewunden. Abschnitte der sechs Fasern, die während der zweiten Traverse der Faserführung niedergelegt wurden, kontaktieren Fasern an bestimmten Überkreuzungspunkten. Mit Ausnahme dieser Überkreuzungspunkte, an denen Faser-zu Faser-Kontakt mit Fasern die während der ersten Traverse der Führung 91 niedergelegt wurden, besteht, kommen die Fasern, die während der zweiten Traverse der Faserführung niedergelegt wurden in direkten Kontakt mit der äußeren Oberfläche des erstreckten Kerns. Im bekannten Wicklungsverfahren, wie es hier diskutiert wird, wird der Kern, wenn die Faserführung eine ausreichende Anzahl von traversen Verfahren ist, mit Ausnahme der Zwischenräume s zwischen benachbarten Fasern und des Abstands x zwischen der sechsten Faser eines Bandes und der ersten Faser des nächsten danebenliegenden Bandes, bedeckt. Fasern des Faserbandes, die während einer späteren Traverse der Faserführung niedergelegt wurden, werden in radialer Registrierung bzw. Zwischenlage zu Fasern, die während einer früheren Traverse der Faserführung niedergelegt wurde, wie im Stand der Technik inklusive des '247er-Patents auf Spalte 11, Zeile 13 bis Zeile 45 diskutiert ist, sein.
7 veranschaulicht den Windungswinkel für eine einzelne Faser, aber würde entsprechend für zwei oder mehrere Fasern gelten. Faser 92 ist in Ebene 93 enthalten. Ebene 93 ist parallel zur Achse A des Kerns 14. Ebene 93 ist tangential zum Punkt 94, bei dem die Faser 92 auf den Kern 14 gewickelt wird. Die Linie 95 ist rechtwinklig zur Achse A und passiert durch Punkt 94 und Achse A. Die Linie 96 ist eine Projektion in die Ebene 93 der Normallinie 95. Der Windungswinkel 97 wird in Ebene 93 zwischen der Projektion der Linie 96 und der Faser 92 gemessen.
Alternativ dazu ist Linie 92 in der tangentialen Ebene 93 eine Projektion in die Ebene 93 einer Faser (nicht gezeigt), die außerhalb der Ebene 93 liegt.
Beispiel
In der bevorzugten Ausführungsform wurde das Verhältnis der Spulen- oder Kerndrehung in Bezug auf die Verfahrgeschwindigkeit der Führung fünfmal inkrementell angepasst, wodurch der Windungswinkel des Faserbandes fünfmal angepasst wurde. Dies wird in 5 für einen 1,3 Inch (33,02 mm) Kern veranschaulicht. 6 zeigt den tatsächlichen Packungsanteil, der aus solchen inkrementellen Anpassungen, wie sie durch die Verfahren wie oben weitergeführt, resultiert. Beispielsweise zeigt die fünfte Anpassung, die in 5 und 6 mit D bezeichnet wird, den durchschnittlichen Packungsanteil, der aus einer Einstellung des Wicklungswinkels auf ca. 23° bei einem Radius von 2,5 Inch (63,5 mm) und Wickeln entsprechend der konventionellen Methode, wie sie oben beschrieben wurde, bis zu einem Radius von etwa 3,1 Inch (78,74 mm) für den Bereich oder die Zone, die durch einen Radius definiert ist, der sich von der Achse des Kerns im Bereich von 2,5 Inch (63,5 mm) bis etwa 3,1 Inch (78,74 mm) nach außen von der Achse erstreckt, resultiert.
In einem Oxygenator ohne angesetzten optionalen Wärmeaustauscher mit einer Membranregion von etwa 2,5 m² und einem Saugvolumen von 200 ml wurden folgende Ergebnisse für Blut- und Ventilationsgasflussraten von 7 Liter pro Minute (lpm) erzielt.

O₂-Transferrate 430 ml/min

CO₂-Transferrate 350 ml/min

Blutpfad ΔP 60 mm Hg (8 kPa)

Gaspfad ΔP 7 mm Hg (933,1 Pa)
Als Alternativen zum obigen beispielhaften Verfahren, in dem der Wicklungswinkel inkrementell erhöht wurde, wodurch ein zunehmender Packungsanteil (wie oben definiert) erzeugt wurde, kann der Wicklungsapparat Mittel zur Regulation der Spannung der Faser, während sie gewickelt wird, aufweisen. Die Spannung der Faser wird, wenn sie während des Wickelns erhöht wird, die Faser dazu veranlassen, zunehmend zu packen und hierdurch den Packungsanteil radial nach außen gerichtet erhöhen. 4 zeigt eine Rolle 99, die sich auf Achse 100 dreht. Die Rolle 99 kann sich in Reaktion auf das Faserband 101, das jenes passiert, drehen oder kann angetrieben werden, so dass seine Rotation der Geschwindigkeit des Bandes 101 entspricht. Hier und für alle Alternativen, die folgen, wird die Benutzung der Faserspannung zum Regulieren des Packungsanteils zusammen oder an Stelle von anderen Verfahren zur Regulation des Packungsanteils wie der Regulation des Wicklungswinkels benutzt.
Als weitere Alternative kann der Abstand zwischen zwei oder mehreren Fasern, die gleichzeitig gewunden werden, während des Wickelns entweder inkrementell oder kontinuierlich vermindert werden, um die Packungsanteile in einer radial nach außen gerichteten Richtung zu erhöhen.
9 zeigt ein Faserstrangband aus Fasern 101, 102, 103, 104, 105 und 106 durch Führung 110 mit Ösen, um Fasern hindurch passieren zu lassen. Der Abstand "s" zwischen den Ösen 111 und 112 kann beispielsweise während des Wickelns, entweder inkrementell oder kontinuierlich, abnehmen, um die Packungsanteile zu erhöhen.
Spalte 14, Zeile 67 inklusive der Figuren, auf die sich hierin bezogen wird, beinhalten die Offenbarung solcher Matten und Bündel und sind hierin durch Bezugnahme integriert.
8 zeigt schematisch eine zweilagige Matte 115, die Fasern enthält, die durch Faser 116 und 117 veranschaulicht werden, welche durch Kreuzstichbildung verbunden werden, wie durch Kreuzstich 118 veranschaulicht. Eine radial nach außen sich vergrößernder Packungsanteil kann durch die Anwendung von Spannung auf Matte 115 durch Rolle 119 ähnlich der obigen Diskussion bzgl. 4 und Rolle 99 erhalten werden. Eine radial nach außen gerichtete Erhöhung des Packungsanteils kann durch Anwenden von Scherspannung auf eine mehrere der Schichten erhalten werden, wie durch das Strecken von Schicht 120 an Stelle 121 in Richtung E und Stelle 122 in Richtung F veranschaulicht. Andere Mittel können angewandt werden, um den Winkel der Faser zu erhöhen. Der Winkel 127 wird durch Linien 125 und 126 definiert. Wie gezeigt, ist Linie 125 in der Schicht, die Faser 128 enthält, enthalten und ist parallel zur Achse 129, wohin gehend die Linie 126 eine Verlängerung der Faser 126 an Position 122 darstellt.

Claims

Stoffaustausch- bzw. Stofftransfervorrichtung, mit: einem Unterstützungskern (14), der einen Kernhohlraum (56) bzw. ein Kernlumen und eine Achse (A) besitzt, die sich von einem ersten Kernende (42) zu einem zweiten Kernende (44) erstreckt, wobei der Unterstützungskern (14) Einlassverteilerbereiche (54) definiert; einem Hohlfaserbündel (70), das um den Unterstützungskern (14) gewickelt ist und sich in Bezug auf die Achse (A) des Unterstützungskerns (14) um eine radiale Dicke radial auswärts erstreckt, wobei das Hohlfaserbündel (70) ferner mehrere Hohlfasern enthält, wovon jedes ein erstes Faserende, ein zweites Faserende und eine einen Faserhohlraum umschließende semipermeable Wand besitzt, wobei die mehreren Hohlfasern um den Unterstützungskern (14) und den Kernhohlraum (56) gewickelt sind, so dass sich die ersten Faserenden in der Nähe des ersten Kernendes (42) befinden und die zweiten Faserenden sich in der Nähe des zweiten Kernendes (44) befinden; einem äußeren Gehäuse (12), das eine Gehäusewand (34) besitzt, die sich zwischen einem ersten Gehäuseende und einem zweiten Gehäuseende erstreckt; einem Verkapselungsmittel (72) für das erste Ende, das sich über das erste Gehäuseende und das erste Kernende erstreckt und dabei einen Zugang zu den Faserhohlräumen an den zweiten Faserenden schafft; einem Verkapselungsmittel (74) für das zweite Ende, das sich über das zweite Gehäuseende und das zweite Kernende erstreckt und dabei einen Zugang zu den Faserhohlräumen an den ersten Faserenden schafft; wobei sich der Unterstützungskern (14) und das Hohlfaserbündel (70) in der Gehäusewand (34) zwischen den Verkapselungsmitteln (72) und (74) für das erste Ende bzw. das zweite Ende befinden, wobei ein äußerer Bereich des Hohlfaserbündels (70) zu der Gehäusewand (34) benachbart und hiervon beabstandet ist, um einen Auslassverteiler (39) in der Nähe der Gehäusewand (34) zu schaffen, und die Faserhohlräume an dem ersten und an dem zweiten Faserende zugänglich sind; einem ersten Fluideinlass (26, 56, 58), der mit den Einlassverteilerbereichen (54) gekoppelt ist, um ein erstes Fluid einzuleiten, damit es radial von den Einlassverteilerbereichen (54) in einen inneren Bereich des Hohlfaserbündels (70) in der Nähe des Unterstützungskerns (14) zwischen den mehreren gewickelten Fasern und durch die radiale Dicke des Hohlfaserbündels (70) und von dem äußeren Bereich des Hohlfaserbündels (70) zu dem Auslassverteiler (39) strömt; und Mitteln (22, 24), die mit den Faserhohlräumen an dem ersten und dem zweiten Faserende gekoppelt sind, um ein zweites Fluid durch die Faserhohlräume zu leiten, das durch die semipermeablen Wände der Fasern und in das erste Fluid, das radial durch das Hohlfaserbündel (70) strömt, permeieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Fasern des Hohlfaserbündels (70) um den Unterstützungskern (14) so gewickelt sind, dass sie Packungsanteile haben, die von der Kernachse (A) radial auswärts wenigstens über die Hälfte der radialen Dicke des Hohlfaserbündels (70) zunehmen.
Stoffaustausch- bzw. Stofftransfervorrichtung, mit: einem Unterstützungskern (14), der einen Kernhohlraum (56) und eine Achse (A) besitzt, die sich von einem ersten Kernende (42) zu einem zweiten Kernende (44) erstreckt, wobei der Unterstützungskern (14) Einlassverteilerbereiche (54) definiert; einem Hohlfaserbündel (70), das um den Unterstützungskern (14) gewickelt ist und sich in Bezug auf die Achse (A) des Unterstützungskerns (14) über eine radiale Dicke radial auswärts erstreckt, wobei das Hohlfaserbün del (70) ferner mehrere Hohlfasern enthält, wovon jedes ein erstes Faserende, ein zweites Faserende und eine semipermeable Wand, die einen Faserhohlraum umschließt, besitzt, wobei die mehreren Hohlfasern um den Unterstützungskern (14) und den Kernhohlraum (56) gewickelt sind, so dass die ersten Faserenden sich in der Nähe des ersten Kernendes (42) befinden und die zweiten Faserenden sich in der Nähe des zweiten Kernendes (44) befinden; einem äußeren Gehäuse (12), das eine Gehäusewand (34) besitzt, die sich zwischen einem ersten Gehäuseende und einem zweiten Gehäuseende erstreckt; einem Verkapselungsmittel (72) für das erste Ende, das sich über das erste Gehäuseende und das erste Kernende erstreckt und dabei einen Zugang zu den Faserhohlräumen an den zweiten Faserenden schafft; einem Verkapselungsmittel (74) für das zweite Ende, das sich über das zweite Gehäuseende und das zweite Kernende erstreckt und dabei einen Zugang zu den Faserhohlräumen an den ersten Faserenden schafft; wobei sich der Unterstützungskern (14) und das Hohlfaserbündel (70) innerhalb der Gehäusewand (34) zwischen den Verkapselungsmitteln (72) und (74) für das erste Ende bzw. das zweite Ende befinden, wobei sich ein äußerer Bereich des Hohlfaserbündels (70) in der Nähe der Gehäusewand (34) befindet und hiervon beabstandet ist, um einen Auslassverteiler (39) in der Nähe der Gehäusewand (34) zu schaffen, und die Faserhohlräume an den ersten und zweiten Faserenden zugänglich sind; einem ersten Fluideinlass (26, 56, 58), der mit den Einlassverteilerbereichen (54) gekoppelt ist, um ein erstes Fluid einzuleiten, damit es von dem Einlassverteilerbereichen (54) radial in einen inneren Bereich des Hohlfaserbündels (70) in der Nähe des Unterstützungskerns (14) zwischen den mehreren gewickelten Fasern und durch die radiale Dicke des Hohlfaserbündels (70) und von dem äußeren Bereich des Hohlfaserbündels (70) zu dem Auslassverteiler (39) strömt; und Mitteln (22, 24), die mit den Faserhohlräumen an dem ersten und dem zweiten Faserende gekoppelt sind, um ein zweites Fluid durch die Faserhohlräume zu leiten, das durch die semipermeablen Wände der Fasern und in das erste Fluid, das radial durch das Hohlfaserbündel (70) strömt, permeieren kann, wobei ein innerer durchschnittlicher Packungsanteil längs eines Radius, der bei dem Bereich des Hohlfaserbündels in der Nähe des Kerns beginnt und sich längs des Radius fünfundzwanzig Prozent auswärts zu dem Bereich des Hohlfaserbündels in der Nähe des Gehäuses erstreckt, kleiner ist als der äußere durchschnittliche Packungsanteil längs des Radius, der bei dem Bereich des Hohlfaserbündels in der Nähe des Gehäuses beginnt und sich längs des Radius fünfundsiebzig Prozent einwärts zu dem Bereich des Hohlfaserbündels in der Nähe des Kerns erstreckt.
Stoffaustausch- bzw. Stofftransfervorrichtung, mit: einem Unterstützungskern (14), der einen Kernhohlraum (56) und eine Achse (A) besitzt, die sich von einem ersten Kernende (42) zu einem zweiten Kernende (44) erstreckt, wobei der Unterstützungskern (14) Einlassverteilerbereiche (54) definiert; einem Hohlfaserbündel (70), das um den Unterstützungskern (14) gewickelt ist und sich in Bezug auf die Achse (A) des Unterstützungskerns (14) über eine radiale Dicke radial auswärts erstreckt, wobei das Hohlfaserbündel (70) ferner mehrere Hohlfasern enthält, wovon jedes ein erstes Faserende, ein zweites Faserende und eine semipermeable Wand, die einen Faserhohlraum umschließt, besitzt, wobei die mehreren Hohlfasern um den Unterstützungskern (14) und den Kernhohlraum (56) gewickelt sind, so dass die ersten Faserenden sich in der Nähe des ersten Kernendes (42) befinden und die zweiten Faserenden sich in der Nähe des zweiten Kernendes (44) befinden; einem äußeren Gehäuse (12), das eine Gehäusewand (34) besitzt, die sich zwischen einem ersten Gehäuseende und einem zweiten Gehäuseende erstreckt; einem Verkapselungsmittel (72) für das erste Ende, das sich über das erste Gehäuseende und das erste Kernende erstreckt und dabei einen Zugang zu den Faserhohlräumen an den zweiten Faserenden schafft; einem Verkapselungsmittel (74) für das zweite Ende, das sich über das zweite Gehäuseende und das zweite Kernende erstreckt und dabei einen Zugang zu den Faserhohlräumen an den ersten Faserenden schafft; wobei sich der Unterstützungskern (14) und das Hohlfaserbündel (70) innerhalb der Gehäusewand (34) zwischen den Verkapselungsmitteln (72) und (74) für das erste Ende bzw. das zweite Ende befinden, wobei sich ein äußerer Bereich des Hohlfaserbündels (70) in der Nähe der Gehäusewand (34) befindet und hiervon beabstandet ist, um einen Auslassverteiler (39) in der Nähe der Gehäusewand (34) zu schaffen, und die Faserhohlräume an den ersten und zweiten Faserenden zugänglich sind; einem ersten Fluideinlass (26, 56, 58), der mit den Einlassverteilerbereichen (54) gekoppelt ist, um ein erstes Fluid einzuleiten, damit es von dem Einlassverteilerbereichen (54) radial in einen inneren Bereich des Hohlfaserbündels (70) in der Nähe des Unterstützungskerns (14) zwischen den mehreren gewickelten Fasern und durch die radiale Dicke des Hohlfaserbündels (70) und von dem äußeren Bereich des Hohlfaserbündels (70) zu dem Auslassverteiler (39) strömt; und Mitteln (22, 24), die mit den Faserhohlräumen an dem ersten und dem zweiten Faserende gekoppelt sind, um ein zweites Fluid durch die Faserhohlräume zu leiten, das durch die semipermeablen Wände der Fasern und in das erste Fluid, das radial durch das Hohlfaserbündel (70) strömt, permeieren kann, wobei ein innerer durchschnittlicher Packungsanteil längs eines Radius, der bei dem Bereich des Hohlfaserbündels in der Nähe des Kerns beginnt und sich längs des Radius fünfundsiebzig Prozent auswärts zu dem Bereich des Hohlfaserbündels in der Nähe des Gehäuses erstreckt, kleiner ist als der äußere durchschnittliche Packungsanteil längs des Radius, der bei dem Bereich des Hohlfaserbündels in der Nähe des Gehäuses beginnt und sich längs des Radius fünfundzwanzig Prozent einwärts zu dem Bereich des Hohlfaserbündels in der Nähe des Kerns erstreckt.
Stoffaustauschvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Packungsanteile von der Kernachse radial auswärts über wenigstens fünfundsiebzig Prozent der radialen Dicke des Hohlfaserbündels zunehmen.
Stoffaustauschvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der innere durchschnittliche Packungsanteil in einem Bereich von siebzig bis fünfundneunzig Prozent des äußeren durchschnittlichen Packungsanteils liegt.
Stoffaustauschvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der innere durchschnittliche Packungsanteil in einem Bereich von sechzig bis fünfundneunzig Prozent des äußeren durchschnittlichen Packungsanteils liegt.
Stoffaustauschvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Packungsanteile inkrementell zunehmen.
Stoffaustauschvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Packungsanteile kontinuierlich zunehmen.
Stoffaustauschvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Fasern eine erste Anzahl von Fasern, die schraubenlinienförmig um den Kern in einer ersten Richtung von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende des Kerns angeordnet sind, und eine zweite Anzahl von Fasern, die schraubenlinienförmig um den Kern in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung von dem ersten Ende des Kerns zu dem zweiten Ende des Kerns angeordnet sind, enthalten, wobei die erste und die zweite Anzahl von Fasern sich einander unter einem Winkel schneiden, der längs der Achse des Kerns gemessen wird.
Stoffaustauschvorrichtung nach Anspruch 9, wobei sowohl die erste Anzahl von Fasern als auch die zweite Anzahl von Fasern wenigstens ein Faserband enthält, das eine oder mehrere der Fasern enthält.
Stoffaustauschvorrichtung nach Anspruch 9, wobei sowohl die erste Mehrzahl von Fasern als auch die zweite Mehrzahl von Fasern eine Fasermatte enthält, die mehrere im Wesentlichen parallele, miteinander verbundene Fasern enthält.
Stoffaustauschvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fasern in einer Fasermatte angeordnet sind, die mehrere im Wesentlichen parallele, miteinander verbundene Fasern enthält.
Stoffaustauschvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kern, das Faserbündel und das Gehäuse im Allgemeinen zylindrisch sind und konzentrisch angeordnet sind.
Stoffaustauschvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Fluid Blut ist und das zweite Fluid ein sauerstoffhaltiges bzw. oxygenierendes Gas ist.
Stoffaustauschvorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Stoffaustauschvorrichtung ferner eine Wärmetauscherkammer enthält, die ein Wärmetauschermittel zum Regulieren der Temperatur des Bluts enthält, wobei die Wärmetauscherkammer mit einem Bluteinlass und einem Blutauslass von der Wärmetauscherkammer versehen ist, wobei der Wärmetauscherkammer-Blutauslass in einer Fluidverbindung mit dem Fluideinlassmittel der Stoffaustauschvorrichtung angeordnet bzw. vorgesehen ist.
Verfahren zum schraubenlinienförmigen Wickeln einer ununterbrochenen, semipermeablen Hohlfaser auf einen Unterstützungskern, um ein Hohlfaserbündel für die Verwendung in einer Radialströmungs-Stoffaustauschvorrichtung bzw. -transfervorrichtung herzustellen, das umfasst: a) Vorsehen einer Wicklungsvorrichtung, die ein drehbares Anbringungsorgan mit einer Längsachse und eine Faserführung in der Nähe des Anbringungsorgans enthält, wobei die Faserführung für eine Hin- und Herbewegung längs einer Linie parallel zu der Längsachse des Anbringungsorgans, wenn sich das Anbringungsorgan dreht, ausgelegt ist; b) Vorsehen eines Unterstützungskerns mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einer von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende sich erstreckenden Achse; c) Anbringen des Unterstützungskerns, so dass er an dem drehbaren Anbringungsorgan drehbar ist; d) Vorsehen wenigstens eines ununterbrochenen Teilstücks einer semipermeablen Hohlfaser, wobei die Hohlfaser durch die Faserführung angeordnet und an dem Unterstützungskern befestigt wird; und e) Drehen des Anbringungsorgans, Hin- und Herbewegen der Faserführung in Bezug auf die Längsachse des Anbringungsorgans und Wickeln der Faser auf den Unterstützungskern, um ein Hohlfaserbündel zu bilden, das sich in Bezug auf die Achse des Kerns radial auswärts erstreckt und Packungsanteile besitzt, die radial auswärts wie in Anspruch 1, 2 oder 3 definiert zunehmen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei zwei oder mehr Fasern durch die Faserführung angeordnet werden und jede der zwei oder mehr Fasern, die auf den Unterstützungskern gewickelt sind, einen Wicklungswinkel bildet, der in einer Ebene parallel zur Achse des Unterstützungskerns tangential zu dem Punkt, an dem die Faser auf den Unterstützungskern gewickelt ist und der die Faser enthält, gemessen wird, wobei der Wicklungswinkel zwischen einer Projektion auf die Ebene einer Linie senkrecht zu der Achse des Unterstützungskerns und der Faser vorhanden ist und wobei der Wicklungswinkel in einem Hauptabschnitt bzw. wesentlichem Abschnitt einer solchen Wicklung zunimmt, wodurch der zunehmende Packungsanteil geschaffen wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Wicklungswinkel durch Erhöhen der Strecke, über die sich die Faserführung während einer Drehung des Anbringungsorgans bewegt, zunimmt, wodurch der zunehmende Packungsanteil geschaffen wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Wicklungsvorrichtung ferner Spannmittel enthält, um die Spannung der Faser zu regulieren, während sie gewickelt wird, wobei die Spannung der Faser in einem Hauptabschnitt einer solchen Wicklung erhöht wird, wodurch der zunehmende Packungsanteil geschaffen wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Faserführung so beschaffen ist, dass sie den Abstand zwischen zwei oder mehr Fasern, die gleichzeitig gewickelt werden, reguliert, wobei der Abstand in einem Hauptabschnitt einer solchen Wicklung abnimmt, wodurch der zunehmende Packungsanteil geschaffen wird.