Brevet FR2504392A1 — publié le 19821029

APPAREIL-A MEMBRANE AVEC SUPPORTS A ACTION DECALEE La présente invention, à la réalisation de laquelle ont participé Messieurs Robert BENATTAR, Michel CRONENBERGER, Paul LATELTIN et Robert MARTINI, concerne un appareil à membrane semi-perméable pour le traitement du sang Elle concerne plus particulièrement un hémodia- lyseur et/ou un hémofiltre, muni de membranes planes ou roulées en spirales, reposant sur les supports en relief d'éléments de soutien rigides ou semi-rigides. Dans de tels appareils, le sang circule au contact d'une face de la membrane, et le liquide de dialyse et/ou l'ultrafiltrat que l'on désignera ici pour simplifier le liquide auxiliaire, circule dans l'espace ménagé par les supports en relief, entre la face opposée de la membrane et l'élément de soutien correspondant. Dans les appareils connus, la membrane prend appui- simultanément sur la totalité des supports en relief pendant la durée du traitement du sang, ce qui limite assez sensiblement la surface utile de la membrane, donc l'efficacité du traitement. Parmi ces appareils connus, certains sont munis de supports en relief alternativement haut et bas, permettant notamment le maintien à l'intérieur de l'appareil d'un volume de sang limité qui reste sensible- ment constant quelle que soit la pression transmembranaire. Cependant deux tendances nouvelles rendent non satisfaisantes les structures des appareils connus C'est d'une part la substitution aux membranes habituelles de membranes ayant des caractéristiques de perméabilité très fortement améliorées et d'autre part, due à un souci permanent de réduction des co ts, la miniaturisation des hémodialyseurs et hémofiltres. Ainsi l'épaisseur des membranes tend à diminuer pour combiner une réduction de co t à une perméabilité sensiblement améliorée Il en résulte un risque accru d'apparition de microperforations pouvant engen- drer des fuites si elles sont localement soumises à des tensions trop fortes D'o la nécessité de multiplier les supports, mais on fait alors obstacle à l'écoulement du sang et du liquide auxiliaire (augmentation excessive des pertes de charge) et l'on réduit de façon très sensible la surface utile aux échanges. Par ailleurs, la miniaturisation des appareils de traitement de sang conduit à réduire la hauteur de l'appareil donc l'épaisseur des intercalaires et notamment la hauteur des supports en relief, ce qui crée des difficultés de dégazage, des bulles d'air s'accrochant aux supports et perturbant l'écoulement du liquide de dialyse. La présente invention a pour objet un appareil de traitement de sang, notamment un hémodialyseur et/ou un hémofiltre de dimensions réduites, susceptible d'être équipé de membranes minces de perméabilité élevée (par exemple supérieure à: 10 ml/h x mm Hg x m 2) qui ne présente pas les inconvénients précités. La présente invention a plus particulièrement pour objet un appareil à membrane semi-perméable pour le traitement du sang, notamment un hémodialyseur et/ou un hémofiltre, dont le rapport de la surface utile de membrane à la surface disponible soit sensiblement augmenté. La présente invention a également pour objet un appareil de traitement de sang dont la structure permette un soutien plus efficace de membranes minces et relativement fragiles tout en évitant pratiquement tout risque de microperforation, donc de fuite. Elle a également pour objet un appareil de traitement de sang susceptible de recevoir des membranes facilement déformables sous l'effet de pressions transmembranaires usuelles et de limiter très sensiblement les variations d'épaisseur du film sang et le volume du sang à l'inté- rieur de l'appareil de manière à permettre d'une part des échanges effi- caces et d'autre part, grâce à de faibles pertes de charge du circuit sang et du circuit de liquide auxiliaire, de pouvoir maintenir un débit d'ultrafiltration à des niveaux bas et réglables. Elle a également pour objet un appareil de traitement du sang notamment par hémodialyse, permettant un bon dégazage et une bonne circu- lation du liquide de dialyse malgré une faible hauteur des supports de la membrane Elle a également pour objet un appareil de traitement du sang qui offre une structure polyvalente qui convienne notamment aussi bien pour l'hémodialyse que pour l'hémofiltration. D'autres objets de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Selon l'invention, on a trouvé que toutes ces exigences con- tradictoires peuvent être satisfaites si l'on utilise un appareil dont la structure est telle que, lorsque la pression transmembranaire est relativement modérée, la membrane ne repose que sur un nombre limité de supports relativement espacés et lorsoue la pression transmembranaire devient plus forte, la membrane prend appui en outre sur des supports intermédiaires complémentaires. Il a maintenant été trouvé un appareil de traitement de sang, notamment par hémodialyse et/ou hémofiltration, comprenant en combinaison: a) au moins une membrane semi-perméable, b) au moins un élément rigide ou semirigide de soutien de ladite membrane, muni de supports en relief, c) des moyens permettant la circulation d'un liquide auxiliaire entre ladite membrane et ledit élément de soutien,. d) des moyens permettant la circulation du sang au contact de la face opposée de ladite membrane, caractérisé en ce que lesdits supports en relief forment au moins deux réseaux, régulièrement intercalés et de hauteurs différentes, dont l'un seulement, le plus élevé, est, en service, en contact permanent avec ladite membrane. La présente invention porte donc sur une combinaison de moyens constituée, de façon élémentaire, par la disposition relative d'une membrane par rapport à l'élément de soutien correspondant Cet élément de soutien comporte des supports de membranes en relief et, selon l'invention, seule une partie des supports est en contact permanent avec la membrane Les autres reliefs n'exercent le cas échéant une fonc- tion de support de la membrane, que de façon temporaire, selon l'impor- tance de la pression transmembranaire Contrairement aux appareils de l'art antérieur, les reliefs dont sont munis les éléments de soutien de la membrane exercent donc une action décalée dans le temps, fonction de la pression transmembranaire et généralement réversible. La présente invention sera mieux comprise à l'aide des figures ci-jointes qui représentent schématiquement et sans échelle déterminée divers modes de réalisation. La figure 1 est une vue partielle de dessus d'un premier mode de réalisation, préférentiel, d'un élément de soutien d'une paire de membranes, muni, comme supports en relief, de séries de nervures parallè- les, inclinées représentées en traits pleins En pointillés sont représentées les nervures homologues constituant les supports en relief d'un élément de soutien adjacent superposé La figure 1 montre ainsi la disposition relative des nervures inclinées se faisant face et enserrant une paire de membranes. Les figures 2 et 3 sont les vues en coupe partielle selon M de la figure 1 du même jeu de deux éléments de soutien adjacents disposés de part et d'autre d'une paire de membranes Ces figures 2 et 3 montrent les dispositions relatives des membranes avec les mêmes éléments de soutien munis de supports en relief selon le premier mode de réalisation. La figure 2 montre la membrane ayant pris forme pour un fonc- tionnement normal de l'appareil: elle n'est pas en contact avec les supports en relief moins élevés tels que 14, 15, 18 et 20. La figure 3 montre la membrane ayant subi un allongement dû à une augmentation sensible de pression transmembranaire et venant en contact avec les supports tels que: 14, 15, 18 et 20. La figure 4 est la vue partielle en coupe des dispositions relatives d'une membrane avec un second mode de réalisation d'un élément de soutien de cette membrane équipant un appareil, selon l'invention. Cet élément de soutien possède trois réseaux de supports en relief ayant chacun des hauteurs différentes. La figure 5 est la vue en coupe partielle de dispositions relatives d'une membrane et d'un troisième mode de réalisation d'un élément de soutien de cette membrane équipant l'appareil selon l'inven- tion Cet élément possède deux réseaux de supports en relief de hauteurs différentes La membrane est représentée en pointillés dans une posi- tion o elle est tangente au relief support 14 et en traits mixtes dans une position o elle est en outre tangente aux reliefs supports 16 et 17, de même hauteur que 14. Pour simplifier, sur ces figures, les pièces homologues sont désignées par les mêmes numéros. Les appareils de traitement de sang comportant une membrane semiperméable possèdent chacun une structure particulière pour soutenir la membrane et permettre la circulation simultanée du sang d'un côté de la membrane et d'un liquide auxiliaire (liquide de dialyse et/ou ultra- filtrat) du côté opposé. Seuls les appareils dits à fibres creuses ont des membranes autosupportées La présente invention s'applique donc à tout type d'appareil de traitement de sang autre qu'à fibres creuses Cependant elle s'applique de préférence aux appareils à membrane de forme générale plane, pliée ou non en accordéon autour d'éléments intercalaires Pour plus de commodité nous décrirons la présente invention en ne nous réfé- rant qu'à des éléments de soutien de forme générale plane. Ces appareils de traitement de sang peuvent être de type mono- -membranaire, mais ils sont le plus souvent de type bi-membranaire, c'est -à-dire que, comme représenté sur les figures 2 et 3, deux membra- nes (ou une membrane repliée sur elle-même) sont disposées entre deux éléments adjacents, rigides ou semi-rigides, constitués généralement à partir de matériaux thermoplastiques tels que par exemple le polyéthy- lène. On désignera ici par élément de soutien tout élément rigide ou semirigide tel q'un intercalaire supportant des membranes sur ses deux faces ou bien un élément de boitier d'appareil ne supportant de membrane que sur sa face interne Pour faciliter la compréhension de l'invention, on ne considérera ici qu'une seule face de chacun de ces éléments, ou bien chacune des faces en regard de deux éléments adjacents, ainsi que, en combinaison, la membrane qui y prend appui, étant donné que toute autre caractéristique de l'appareil de traitement de sang considéré ici est de type conventionnel. Le liquide auxiliaire (liquide de dialyse et/ou ultrafiltrat) circule entre la membrane et l'élément de soutien correspondant, aussi celui-ci est-il muni de supports en relief, c'est-à-dire de proéminences ménageant entre elles des dépressions par o circule le liquide auxi- liaire Ces supports en relief peuvent avoir des formes très diverses en fonction notamment de la nature du traitement du sang et des propriétés mécaniques de la membrane. En se référant au mode préférentiel représenté figures 1 à 3, l'élément de soutien ( 10) porte des rangées de nervures support rectili- gnes, parallèles, discontinues, inclinées alternativement d'un angle aigu o par rapport à son axe longitudinal Avantageusement l'angle 2 d. est supérieur à 150 Ces nervures sont de préférence dans le prolongement les unes des autres, et, au besoin, comme représenté, à condition de les considérer alternativement d'un élément de soutien ( 10) à l'élément adjacent ( 11) lui faisant face Elle dessinent alors des zig-zags en pseudo-alignement ménageant des conduits parallèles en zig-zags pour le liquide auxiliaire. Ces nervures ont de préférence des profils transversaux trian- gulaires à sommets arrondis afin de ne neutraliser qu'une très faible surface de la membrane mais sans la traumatiser La longueur de ces nervures est avantageusement comprise entre 5 et 50 fois et de préférence entre 10 et 20 fois leur plus grande dimension transversale Ces nervures forment deux réseaux de hauteurs différentes: les nervures telles que 12 et 13 s'élèvent à une hauteur H au-dessus du plan de la face de l'élément de soutien tournée du côté de la membrane Les nervures telles que 14 et s'élèvent à une hauteur h Selon ce premier mode de réalisation, les nervures de hauteur H alternent avec les nervures de hauteur h: les deux réseaux sont donc disposés en alternance, de façon à soutenir la membrane aussi régulière- ment que possible, quelles que soient les dispositions et/ou les orienta- tions relatives des nervures d'une même rangée ou d'une rangée à l'autre Ils sont en fait intercalés l'un par rapport à l'autre aussi régulièrement que possible. Sur l'élément de soutien adjacent 11, des nervures homologues 19 et 21 de hauteur H et 18 et 20, de hauteur h, se croisent avec celles de l'élément 10 Entre ces deux éléments 10 et 11 sont disposées les membranes 22 et 23 Ces membranes sont pincées par les éléments de soutien 10 et 11 aux points d'intersection des sommets des nervures en regard de hauteur H seulement, telles que 12 et 19, ou 14 et 21 La distance entre les faces en regard des deux éléments de soutien adjacents et 11 est donc, si l'on néglige l'épaisseur de la membrane, égale à 2 H (Une fonction essentielle des supports en relief les plus élevés est en effet de maintenir un écartement permanent déterminé 2 H entre deux éléments de soutien adjacents. Généralement le sang s'écoule entre les membranes 22, 23 et le liquide auxiliaire dans l'espace ménagé entre chaque membrane et la face correspondante de l'élément de soutien 10, 11, disponible autour des supports tels que ( 12, 13, 14, 15) et/ou ( 18, 19, 20, 21). Selon la présente invention, les dispositions relatives des membranes 22, 23 et des supports comme ( 12, 13, 14, 15) et ( 18, 19, 20, 21) sont telles que lorsque les membranes ont pris une forme correspon- dant à un écoulement normal et simultané du sang et du fluide auxiliaire, ces membranes ne sont au contact que d'une partie seulement de -ces supports en relief, comme représenté figure 2 Elles ne sont en fait, en contact permanent qu'avec les supports constitués par les nervures les plus élevées, de hauteur H, c'est-à-dire les nervures telles que 12, 13, 19 et 21. Sous l'effet d'une pression transmembranaire sensiblement croissante, le sang étant à une pression toujours supérieure à celle du liquide auxiliaire, les membranes sont soumises à des contraintes qui se traduisent par des allongements (et des flèches f -Cf figure 5), entre deux appuis consécutifs, sensiblement proportionnels à cette augmentation de pression Selon l'invention, un second réseau de supports en relief de hauteur h limiter ses déformations, ses contraintes et ainsi les risques de micro- perforations, donc de fuites (Cf figure 3) Une fonction essentielle de ce second ensemble de supports en relief de hauteur moins élevée, est donc de constituer pour la membrane un réseau de butées support complé- mentaires susceptibles de limiter sa flèche en cas d'allongement. La figure 4 montre une variante de réalisation de l'appareil selon l'invention L'élément de soutien ( 10) comporte trois réseaux distincts de supports en relief constitués chacun de nervures ayant une même hauteur, H, Hl ou H 2, telles que H > Hl > H 2 Ainsi les nervures 12 et 13 appartiennent à un premier réseau de hauteur H, les nervures telles que 14 appartiennent à une deuxième réseau de hauteur Hl et les nervures 16 et 17 à un troisième réseau de hauteur H 2 La hauteur Hl de la nervure médiane 14 est généralement comprise entre H et H 2, mais elle peut être égale à la limite, soit à H comme représenté figures 2 et 3, soit à H 2, comme représenté figure 5 Avantageusement chaque nervure de hauteur inférieure à H est disposée sensiblement au milieu de l'intervalle compris entre deux nervures de hauteur relative supérieure afin de soutenir la membrane sensiblement à l'endroit de la flèche maximum. La membrane 22 prend appui en permanence sur les supports en relief constitués par les nervures telles que 12 et 13 appartenant au réseau de hauteur H Elle occupe alors une position telle que 22 a On constate que dans cette position, les points d'appui de la membrane sont espacés et limités aux seules arêtes arrondies des nervures telles que 12 et 13 La surface utile de la membrane est alors supérieure à ce qu'elle serait si elle était en outre supportée par des nervures intermédiaires. Lorsque la pression transmembranaire augmente, la flèche f de la membrane augmente jusqu'à ce qu'elle vienne en contact de l'arête arrondie de la nervure intermédiaire 14 de hauteur Hl selon le profil 22 b Cette nervure exerce alors une action de soutien complémentaire, décalée dans le temps, limitant la déformation de la membrane et les tensions auxquelles elle est soumise. En cas d'accroissement supplémentaire de la pression transmem- branaire, la membrane peut être encore soutenue, sensiblement au milieu de chaque intervalle libre, par les arêtes arrondies des nervures inter- médiaires 16 et 17 de hauteur H 2; elle prend alors un profil tel que 22 c. Lorsque la pression transmembranaire décroît, la limite élas- tique de la membrane n'étant généralement pas atteinte, la flèche de la membrane décroît et la membrane peut reprendre des profils tels que les profils précédents 22 b et/ou 22 a Ceci permet à l'appareil de fonc- tionner à tout moment dans les meilleurs conditions d'efficacité, rêver- siblement et ceci permet en outre, en fin d'opération une meilleure restitution du sang. Les valeurs de la pression transmembranaire pour lesquelles les membranes entrent en contact avec des supports supplémentaires ne sont pas critiques Elles peuvent être choisies librement par le techni- cien selon l'application envisagée, en fonction notamment des caractéris- tiques physiques et mécaniques de l'élément de soutien et de la mem- brane Ainsi ces valeurs peuvent être notamment soit des valeurs moyennes d'utilisation, soit des valeurs limites à ne pas dépasser sensiblement pour des raisons de sécurité. On constate ainsi que, selon la présente invention, chaque fois que la pression transmembranaire est modérée, la membrane n'est soutenue que par des supports espacés Cette disposition présente notam- ment les avantages suivants: le rapport de la surface utile à la surface disponible de la membrane est ainsi plus élevé, d'o une efficacité améliorée. une circulation du sang plus aisée, les pertes de charge et la réten- tion du sang étant réduites En outre, le niveau d'ultrafiltration minimum est abaissé, le débit d'ultrafiltration restant règlable. une circulation du liquide de dialyse facilitée et notamment une plus grande facilité de dégazage, même lorsque les reliefs sont miniaturisés. Lorsque la pression transmembranaire est sensiblement plus élevée, soit momentanément lors d'une séance d'hémodialyse, soit lors d'un traitement par hémofiltration, la membrane peut être progressivement soutenue par l'ensemble des supports en relief, ce qui présente notamment les avantages suivants: La membrane étant régulièrement soutenue à intervalles rapprochés, elle ne subit pas d'effort important, ce qui élimine prati- quement tout risque de microperforation, même lorsque la membrane est mince et fragile. La déformation de la membrane est contenue dans des limites prédéterminées, ce qui d'une part limite le volume de sang conte- nu dans l'appareil à membranes et ce qui d'autre part maintient l'épais- seur du film sang dans des limites permettant des échanges efficaces. Des passages suffisants sont préservés pour la circula- tion du liquide auxiliaire. On observe en outre qu'une même structure de soutien de mem- brane selon l'invention peut être utilisée aussi bien en hémodialyse qu'en hémofiltration; ce caractère polyvalent est avantageux, tant sur le plan de l'économie que de l'utilisation. Un appareil selon l'invention permet donc, non seulement des performances améliorées grâce à la mise en oeuvre de membranes minces à haute perméabilité, mais il autorise des constructions miniaturisées plus pratiques et plus économiques, tout en offrant une très grande sécurité d'emploi. Naturellement, l'appareil décrit peut faire l'objet de diver- ses variantes de réalisation à la portée du technicien, sans sortir du cadre de la présente invention Il peut être utilisé comme hémodialyseur et/ou comme hémofiltre, ou également le cas échéant comme oxygénateur de sang. il R E V E N C I C A T I O-N-S 1) Appareil de traitement de sang, notamment par hémodialyse et/ou hémofiltration, comprenant en combinaison a) au moins une membrane semiperméable, b) au moins un élément rigide ou semi-rigide de soutien de ladite membrane, muni de supports en relief, c) des moyens permettant la circulation d'un liquide auxiliaire entre ladite membrane et ledit élément de soutien, d) des moyens permettant la circulation du sang au contact de la face opposée de ladite membrane, caractérisé en ce que lesdits supports en relief forment au moins deux réseaux, régulièrement intercalés et de hauteurs différentes, dont l'un seulement, le plus élevé, est, en service, en contact permanent avec ladite membrane. 2) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de soutien a une forme générale plane. 3) Appareil selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits supports en relief ont des profils transversaux triangulaires à sommets arrondis. 4) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits supports en relief sont constitués de nervures rectilignes discontinues. ) Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites nervures ont une longueur comprise entre 5 et 50 fois leur plus grande dimension transversale. 6) Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites nervures sont dans le prolongement les unes des autres, soit sur un même intercalaire, soit si l'on considère leurs positions respectives, alternativement sur deux éléments de soutien adjacents se faisant face. 7) Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que deux éléments de soutien adjacents portent sur leurs faces en regard des nervures rectilignes discontinues de hauteurs différentes, lesdites nervures en regard les plus élevées se croisant en formant un angle aigu > 150. 8) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que sur au moins un élément de soutien, un support en relief de hauteur H est disposé sensiblement à égale distance de deux supports adjacents de hauteurs respectives Hl et H 2 telles que H > Hl > H 2, Hl pouvant en outre être égal, soit à H, soit à H 2. 9) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque support en relief de hauteur inférieure est disposé sensiblement au milieu de l'intervalle compris entré deux supports en relief plus élevés.