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Kaliumpermeable Barrieremembran zur Anwendung in einem in vivo Sensor

Pieper, Thorsten

Kalium ist im menschlichen Körper ein wichtiger Blut- und Zellelektrolyt, welcher für viele Körperfunktionen, vor allem für die Muskel- und Nerventätigkeit, eine entscheidende Rolle spielt. Insbesondere bei Patienten mit chronischer Herz- oder Niereninsuffizienz ist die medizinische Erfassung der Blutkaliumkonzentration bei einer Behandlung mit Diuretika außerordentlich wichtig. Für eine bessere Überwachung wird im Zuge des Projektes die Entwicklung eines in vivo Sensors zur permanenten Registrierung der Blutkaliumkonzentration vorangetrieben. Ziel dieser Dissertation war die Entwicklung einer kaliumpermeablen Barrieremembran, welche das Sensorinnere vom äußeren Blutkreislauf abgrenzt. Dazu wurden zunächst kommerziell erhältliche Ultrafiltrationsmembranen aus Polyethersulfon (PES) verschiedener Hersteller bezüglich ihrer Eigenschaften untersucht. Dabei zeigte sich eine starke Abhängigkeit des ermittelten Kaliumflusses von der Membrandicke. Bedingt durch die Tatsache, dass es keine kommerziell erhältliche PES Membran mit adäquater Membrandicke sowie Größenausschlussgrenze (Cut-Off) gab, wurde eine eigene 45 µm dünne PES Membran mit einem Cut-Off von ca. 5 kDa basierend auf einer Nichtlösungsmittel induzierten Phasenseparation (NIPS Prozess) erfolgreich hergestellt. Zusätzlich wurde eine PES Membran der Firma Sartorius Stedim Biotech GmbH mit einem Cut-Off von 5 kDa als Referenzmaterial für die nachfolgenden Experimente ausgewählt. Bei der Herstellung eigener dünner Membranen aus PES zeigte sich eine sehr starke Abhängigkeit der Porengröße und der damit einhergehenden Wasserpermeabilität von der Zusammensetzung der Membrangießlösung. Das zunächst verwendete Polyethylenglykol (PEG) innerhalb der Gießlösung führte zu einer zu hydrophilen Protomembran und im Zuge dessen zu Membrandefekten. Die Substitution des verwendeten Polyethylenglykols durch Aceton führte zu deutlich homogeneren Membranen, deren Wasserpermeabilitäten immer näher an den Referenzwert der kommerziellen 5 kDa Membran von etwa 16 L/h m² bar heran reichten. Die Konzentrationsvariation von ebenfalls zugesetztem Lithiumbromid (LiBr) führte zu stark unterschiedlichen Membranstrukturen basierend auf der Komplexierung des Lösungsmittels N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) und einhergehender unterschiedlicher Viskosität der Gießlösung und verlangsamter Koagulationsgeschwindigkeit. Entsprechend dieser Ergebnisse wurde auf den Einsatz von LiBr in der Gießlösung zur Herstellung eigener Membranen verzichtet. Zur Verbesserung der Anti-Fouling Eigenschaften und zur Reduktion des Donnan-Effektes wurde eine nachträgliche Oberflächenmodifizierung der Membran vorgenommen. Dazu wurde ein Konzept verwendet, welches von einer schrittweisen UV-initiierten Oberflächenmodifizierung einer porösen PES Membran ausgeht. Dazu wurde in einem ersten Modifizierungsschritt eine amphotere Hydrogel-Ionenaustauscherschicht bestehend aus einem Copolymer von N,N-3-Dimethylaminopropylacrylamid (DMAPAA) und 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure (AMPS) auf der Membranoberfläche gepfropft (p(DMAPAA-co-AMPS)). Der isoelektrische Punkt (IEP) dieser Schicht wurde dabei auf den pH Wert des Blutes (pH 7,4) eingestellt. Die Einstellung erfolgte dabei durch das molare Mischungsverhältnis der beiden Monomere, die Gesamtkonzentration sowie die UV- Belichtungszeit. Dabei konnte die Reproduzierbarkeit des IEPs dieser Hydrogel- Ionenaustauscherschicht durch Zetapotentialmessungen (ZP) nachgewiesen werden. In anschließenden Diffusionsexperimenten mit einer 10 mM Kaliumchlorid- (KCl) Lösung konnte der positive Effekt dieser Modifizierung bei Variation des pH-Wertes nachgewiesen werden. Die modifizierten Membranen besaßen im Vergleich zur unmodifizierten Basismembran nicht nur bessere Eigenschaften bezüglich der Kaliumdiffusion, sondern darüber hinaus auch eine verbesserte Fouling-Beständigkeit (Rf) von 0,6 beim Kontakt mit fötalem Kälberserum (fetal bovine serum, FBS) im Vergleich zu 0,35 für unmodifizierte Membranen. Um die Fouling-Resistenz der modifizierten Membran weiter zu steigern, wurde eine zusätzliche zwitterionische Schicht bestehend aus poly-3-Sulfopropyldimethyl-3-methacrylamidopropylammoniumhydroxid (pSPP) auf der bereits vorhanden ersten amphoteren Hydrogel-Ionenaustauscherschicht gepfropft. Dabei zeigte sich eine starke Abhängigkeit der Pfropfungsstärke (degree of grafting, DG) von der gewählten Photoinitiatorkonzentration sowie der UV-Belichtungszeit. Die Anti-Fouling Eigenschaften konnten erheblich verbessert werden und erreichten teils sogar Werte größer 1, was auf eine erhöhte Hydrophilie nach dem Fouling-Experiment zurückzuführen war. Gleichzeitig trat keine zusätzliche Verringerung der Kaliumdiffusion durch die zweite Modifizierungsschicht auf. Während der Analyse des Pfropfungsverhaltens von einer 1/1 Mischung von DMAPAA/AMPS auf verschiedenen kommerziellen Membranen mit unterschiedlichen Cut-Off Werten zwischen 1 und 300 kDa zeigte sich erneut die Abhängigkeit des IEPs von der Belichtungszeit. So driftete der IEP mit steigender Belichtungszeit stets zu höheren pH Werten, was auf einen vermehrten Einbau von DMAPAA in der amphoteren Hydrogel- Ionenaustauscherschicht hindeutet. Des Weiteren hatte auch die Porengröße der verwendeten Membranen einen Einfluss auf das Pfropfungsverhalten, da die Abhängigkeit des IEPs von der Belichtungszeit mit steigender Porengröße permanent geringer wurde. So stieg der IEP bei einer 1 kDa PES Membran von 4,4 auf 6,2 bei einer Verlängerung der Belichtungszeit von 15 auf 30 min. Dem gegenüber erhöhte sich der IEP bei einer 300 kDa PES Membran von 6,6 auf nur 6,9 bei gleichen Belichtungszeiten. Bei der Verwendung von amphoteren Hydrogel-Ionenaustauscherschichten mit einem IEP von pH = 6 auf einer kommerziellen PES 100 kDa Membran zur Separation von Albumin (bovine serum albumin, BSA) und Myoglobin (Myo) zeigte sich eine starke Abhängigkeit des Myoglobinrückhaltes vom eingestellten pH-Wert. Bei einem pH-Wert von 4,8 waren sowohl die Membran als auch das Myoglobin netto positiv geladen, wodurch der Rückhalt zwischen 60 - 80 % betrug. Bei einem pH-Wert von 7 (IEP von Myoglobin) dagegen war die Membran netto negativ geladen, dass Myoglobin hingegen netto neutral, sodass der Rückhalt nur noch 20 - 30 % betrug. Eine vergleichbare Tendenz bei dem Rückhalt von BSA konnte andererseits nicht ermittelt werden, da der BSA Rückhalt zum Großteil auf Größenausschluss beruhte und generell sehr hohe Rückhalte von 60 - 90 % ermittelt wurden.

Potassium is an important blood and cell electrolyte and plays a crucial role in various body functions, especially for the metabolism of muscle and nerve cells. Particularly for patients with a chronic heart or kidney failure, the medical monitoring of the blood potassium concentration during a treatment with diuretics is extremely important. The aim of the project is the development of an artificial in vivo sensor for a continuous registration of the potassium blood concentration. The aim of this study was to develop a potassium permeable barrier membrane that shields the interior sensor system from the external bloodstream. For this purpose, commercially available polyethersulfone (PES) ultrafiltration membranes from various manufacturers were analyzed. The results showed a strong dependence of the calculated potassium flux on the membrane thickness. Due to the fact that there was no adequate PES membrane with a low thickness as well as appropriate exclusion limit (Cut-Off) on the market, a 45 µm thin PES membrane with a Cut-Off of 5 kDa based on a non solvent induced phase separation (NIPS) process was successfully self-prepared. In addition, a PES membrane from Sartorius Stedim Biotech GmbH with a Cut-Off of 5 kDa has been selected as a reference material for the subsequent experiments. The produced thin PES membranes showed a very strong dependence of the casting solution composition on the pore size and the resulting water permeability of the casted membranes. The primary used polyethylene glycol in the casting solution lead to a too hydrophilic proto membrane tending to membrane defects. The substitution of the used polyethylene glycol by acetone lead to significantly more homogeneous membranes whose water permeabilities were closer to the reference value of the commercial 5 kDa membrane of about 16 L/h m² bar. Variation of the LiBr content also lead to different membrane structures based on the complexation of the solvent N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and accompanying different viscosities of the casting solutions and hence slower coagulation speeds. According to these results, a casting solution without LiBr was used for the membrane preparation. To increase the anti Fouling properties and to reduce the Donnan effect, a subsequent surface modification of the membrane was performed. For this purpose, a concept was used, which assumes a gradual UV-initiated surface modification of the PES membrane. In a first modifying step, an amphoteric hydrogel ion exchange layer consisting of a N,N-3- dimethyl amino propyl acryl amide (DMAPAA) and 2-acryl amido-2-methyl propane sulfonic acid (AMPS) copolymer was grafted to the membrane surface. The isoelectric point (IEP) of that layer was adjusted to the pH of blood (pH 7.4). The adjustment was carried out by variation of the molar ratio of the two monomers, the total monomer concentration and the UV exposure time. The reproducibility of the IEP of this amphoteric hydrogel ion exchange layer was proofed by zeta potential measurements (ZP). In subsequent diffusion experiments with a 10 mM KCl solution, the positive effect of this modification was detected when varying the pH value. In comparison to the unmodified base membrane, the modified membranes had not only improved properties in terms of potassium diffusion, they also showed an enhanced fouling resistance (Rf) of 0.6 in presence of fetal bovine serum (FBS) compared to 0.35 for unmodified membranes. For further increase of the anti fouling properties of the modified membranes, an additional hybrid ionic layer consisting of poly-3-3-sulfopropyl dimethyl metharcryl amido propyl ammonium hydroxide (pSPP) was grafted on the already present first amphoteric hydrogel ion exchange layer. Here, the degree of grafting strongly depends on the selected photo initiator concentration and UV exposure time. The anti fouling properties could be greatly improved and some even reached values greater than 1, which was due to an increased hydrophilicity after fouling experiment. Simultaneously, no additional reduction of potassium diffusion through the second modification layer occurred. The analysis of the grafting results from a 1/1 mixture of DMAPAA/AMPS on a variety of commercial PES membranes with different Cut-Off values between 1 and 300 kDa showed again the dependence of the IEP on the exposure time. Thus, the IEP drifted with increasing exposure time to higher pH values, suggesting an increased incorporation of DMAPAA in the amphoteric hydrogel ion exchange layer. Furthermore, the pore size of the membrane used had an influence on the grafting result. The influence of the exposure time on the IEP is continuously reduced with an increasing pore size. Thus, the IEP increased for a 1 kDa PES membrane from 4.4 to 6.2 with an increase in the exposure time from 15 to 30 min. In contrast, the IEP increased for a 300 kDa PES membrane only from 6.6 to 6.9 with the same extension of the exposure time of 15 to 30 min. When using an amphoteric hydrogel ion exchange layer with an IEP of pH = 6 on a commercial 100 kDa PES membrane for separation of bovine serum albumin (BSA) and myoglobin (myo), the myoglobin rejection showed a strong dependence on the pH value. At a pH of 4.8, both the membrane and the myoglobin were net positively charged, whereby the rejection value was between 60 - 80 %, respectively. At a pH value of 7 (IEP of myoglobin), however, the membrane was net negatively charged and myoglobin was net neutral, so that the rejection value was only between 20 - 30 %. A comparable trend of the rejection of BSA could not be determined because the BSA retention was based largely on size exclusion and generally very high rejection values between 60 - 90% were determined.

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Pieper, Thorsten: Kaliumpermeable Barrieremembran zur Anwendung in einem in vivo Sensor. 2016.

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