DE19853286A1

DE19853286A1 - Verfahren zum Steuern eines chemischen Ventiles

Info

Publication number: DE19853286A1
Application number: DE19853286A
Authority: DE
Inventors: Reimar Spohr; Masaru Yoshida
Original assignee: GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Current assignee: GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority date: 1998-11-19
Filing date: 1998-11-19
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2018-11-20
Also published as: DK1148869T3; WO2000030606A1; DE19853286B4; DE59903606D1; EP1148869B1; ATE228351T1; EP1148869A1

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines chemischen Ventils aus einer porösen Matrix und einer durch ihre Umgebungstemperatur quellbaren Gelschicht, bei der die Matrix vorzugsweise eine Mikroporenmembran ist, deren Einzelpore oder Poren durch Ätzen von Teilchenspuren, zum Beispiel schwerer Ionen in der Matrix erzeugt ist oder sind und die Matrix aus einem Material besteht oder mit einem solchen ausgekleidet ist, aus welchem selbst an seiner Oberfläche die quellbare Gelschicht erzeugbar ist. Die Matrix mit der/den Pore/n wird in ein Elektrolyt eingebracht und auf beiden Seiten der Pore/n über die beiden Elektrolytbereiche eine Spannungsdifferenz in Form einer elektrischen Wechsel- oder einer Gleichspannung zu der elektro-thermischen oder elektro-osmotischen Steuerung der Pore/n aufgebracht, wobei die Elektrolytbereiche beider Seiten der Matrix voneinander getrennt und elektrisch gegeneinander isoliert sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steu ern eines chemischen Ventiles gemäß dem Oberbegriff des Pa tentanspruches 1.

Als chemische Ventile bezeichnet man poröse Membranen, de ren Porositätseigenschaften durch im allgemeinsten Sinn chemische oder auch thermisch-physikalische Prozesse ge steuert werden können. Die Permeation von gelösten Stoffen durch solche stimulus-responsive Membranen lässt sich durch externe Reize, wie z. B. Temperatur, pH-Wert oder Konzentra tion regeln. Der Stofftransport wird durch das vorgegebene Konzentrations- bzw. Druckgefälle bestimmt. Dadurch be dingt, lässt sich der Stofftransport nicht elektrisch über wachen, nur langsam mit Zeitkonstanten im Minuten- und Stundenbereich regeln, nicht vollständig und kurzfristig ein- und ab-, sowie vollständig ausschalten. Ein chemisches Ventil mit einer porösen Matrix und einer durch ihre Umge bungsbedingungen quellbaren Gelschicht, bei dem die Matrix eine Mikroporenmembran ist, deren Poren durch Ätzen von Teilchenspuren in der Matrix erzeugt sind, ist aus der DE- PS 43 05 979 C2 bekannt.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit welchem bei einem chemischem Ventil mit einer Membran der angegebenen Art obige Nach teile vermieden und die gewünschten positiven Eigenschaften erzielt werden können. Das Verfahren sollte eine eingebaute Sensorfunktion mit direkter elektrischer Überwachbarkeit des Stofftransportes ermöglichen, extrem schnell im Milli sekundenbereich regelbar und damit u. a. für die Abgabe von Pharmaka geeignet sein. Dabei sollte die maximale Permeabi lität chemisch vorgebbar und der Stofftransport kurzfristig ein- und abschaltbar sein.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen vor, die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführt sind. Weitere, vor teilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den kenn zeichnenden Merkmalen der Unteransprüche zu sehen.

Durch die erfindungsgemäße Kombination einer responsiven Membran mit einer extern schaltbaren Stromquelle ensteht ein chemisches Ventil mit einem Membransystem, das eine eingebaute Sensorfunktion mit direkter elektrischer Über wachbarkeit des Stofftransportes beinhaltet. Dies ermög licht extrem schnelle Regelungsvorgänge, z. B. die Abgabe von Pharmaka, mit Zeitkonstanten im Sekunden- bis Millise kundenbereich, wobei die maximale Permeabilität des chemi schen Ventiles chemisch vorgebbar ist und sein Stofftrans port sich vollständig und kurzfristig ein- und abschalten lässt.

Einzelheiten des Verfahrens werden im folgenden und anhand der Figur, die das Prinzip eines auf dem Verfahren beruhen den neuen chemischen Ventiles mit einer Ionenspurmembran zeigt, näher erläutert:

In einer Zelle 1 ist eine thermo- oder chemisch reponsive nanoporöse Membran, wie z. B. eine mit einem Glucose-respon siven Gel ausgekleidete Mikroporenmembran 2 eingesetzt, die in vereinfachter Darstellung eine einzelne in dem responsi ven Gel befindliche Pore 3 aufweist, wobei auch beliebig viele Poren in der Membran möglich sind. Die Poren weisen charakteristische Durchmesser im Bereich von 10 bis etwa 1000 nm auf. Die durch einen Kreislauf 8 temperierte Zelle 1 ist mit einer wässrigen Lösung 4 als Elektrolyt gefüllt, wobei der wirksame Durchmesser der Poren 3 durch die Gluco se-Konzentration in den beiden Elektrolytbereichen 5 und 6 der Lösung 4 als Grundwert eingestellt wird. In die beiden Elektrolytbereiche 5 und 6 auf beiden Seiten der Membran 2 sind je eine vorzugsweise nicht polarisierbare Elektrode 7 aus z. B. Ag/AgCl eingetaucht, an welche mittels der Strom quelle 9 eine elektrische Wechsel- oder Gleichspannung an gelegt wird. Der Elektrolytbereich 5 ist dabei als der In nenraum eines Systemes, in welchem sich ein abzugebender Stoff befindet und der Elektrolytbereich 6 als der Außen raum bezeichnet, in den der durch die Poren 3 trans portierte Stoff zu irgend einer Reaktion abgegeben wird. Die an die Elektroden 7 angelegte Wechsel- oder Gleichspan nung führt nun zu einem elektrischen Strom durch die Pore/n 3, der je nach seiner Richtung einen elektro-osmotischen Druck vom Außenraum 6 zum Innenraum 5 oder umgekehrt und zusätzlich oder allein für sich gleichzeitig eine Tempera turveränderung in der/den Poren 3 bewirkt.

Die elektro-thermische Steuerung geschieht dabei wie folgt:
Die thermo-responsive Membran 2 wird in die durch einen ex ternen Thermostaten vortemperierte Zelle 1, z. B. eine Leit wertmeßzelle, eingebaut. Die Zelle 1 besitzt, wie bereits erwähnt, die beiden Elektrolytbereiche 5 und 6, die durch die Membran 2 voneinander getrennt sind. In der einen Hälf te, dem Innenraum 5 befindet sich der an die andere Hälfte, dem Außenraum 6 abzugebende Stoff, z. B. Insulin in wässri ger Lösung unter einem hydrostatischen Druck zwischen 0 und 10 bar. Sobald nun über die Elektroden 7 ein elektrischer Gleich- oder Wechselstrom durch die Zelle 1 geschickt wird, erwärmt sich die Flüssigkeit in der/den Poren 3 der ther mo-responsiven Membran 2. Dadurch wird diese rasch auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur z. B. eine Hy drogels erwärmt, wobei die Membran 2 bzw. die Poren 3 schrumpfen und der abzugebende Stoff vom Innenraum 5 in den Außenraum 6 gepreßt wird. Sobald der elektrische Strom un terbrochen wird, kühlt sich die Membran 2 bzw. die Poren 3 wieder ab, das Hydrogel quillt und der Volumenstrom durch die Poren 3 wird unterbrochen. Die Stoffabgabe läßt sich dadurch im Sekunden- bis Minutenbereich steuern.

Zur elektro-osmotischen Steuerung der Membran 2 wird bei teilweise geöffneter/n Poren 3 durch entsprechende Polung der Spannung der externen Stromquelle 9 mittels der Elek troden 7 über die Poren 3 bzw. von einem Elektrolytbereich 5 und 6 zum anderen durch die Spannungsdifferenz ein elek tro-osmotischer Druck erzeugt, der dem hydrostatischen Druck unterschiedlicher Flüssigkeitsspiegel der beiden Elektrolytbereiche 5 und 6 entweder entgegen- oder gleich gerichtet ist. Bei dieser Methode ist eine gegenüber der elektro-thermischen Steuerung schneller ansprechende voll ständige Unterdrückung bzw. erhöhte Stoffabgabe durch die Poren 3 möglich. Die Stoffabgabe läßt sich hierbei im Mil lisekunden- bis Sekundenbereich steuern.

Bei den genannten Verfahrensschritten kann die Mikroporen membran zusätzlich ein- oder beidseitig einem chemischen Reiz ausgesetzt werden, wobei ein chemischer Reiz bei einer mit Glucose-responsivem Gel ausgekleideten Membran aus dem Konzentrationsgradienten von Glucose Molekülen in einer wässrigen Lösung als Elektrolyt bestehen kann.

Als Ausführungsbeispiel, Schaltung der Membran 2 durch Er wärmung des Hydrogels in einer Vielzahl von Poren 3 der Membran bzw. durch elektro-osmotisch erzeugte Drücke, wird im folgenden die Herstellung einer thermo -responsiven, elektrisch schaltbaren, nanoporösen Membran 2 beschrieben:

1. Herstellung einer Ionenspur-Filtermembran

Ein 19 µm dicker Polyethyleneterephtalate-Film wird mit (5,4±0,5)×10⁵ Gold Ionen von 11,6 MeV/Nukleon (MeV/u) pro cm² bestrahlt und in 5 N NaOH Lösung bei 40°C während 260 min geätzt. Dies führt zu ungefähr zylindrischen Poren mit Durchmessern von 2.9±0,2 µm und Längen von 17,7 µm.

2. Pfropfen der thermo-responsiven Gelschicht

Zum chemischen Propfen wird die geätzte Ionenspurmembran in einer 10 gewichtsprozentigen ausgegasten wässrigen Lösung eines N-isopropylacrylamide Monomers getränkt und bei 60°C im Vakuum mit Gammastrahlen einer ⁶⁰Co-Quelle bei einer Do sisrate von kGy pro Stunde bestrahlt. Hieraus ergibt sich eine thermo-responsive Membran mit den erforderlichen Ei genschaften.

Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet nun eine ganze Reihe von Vorteilen:

- eine elektrische Sensorfunktion, d. h. der Stofftransport ist elektrisch überwachbar
- das Verfahren ist in ein Medikamenten-Abgabesystem inte grierbar
- der apparative Aufwand für das Verfahren ist gering
- es ist ein elektro-osmotisches Pumpen und Ein/Aus Schal ten möglich
- die Membran bedarf nur weniger Herstellungsschritte und ist monolitisch herstellbar
- durch hohe Porendichte ist ein hoher Durchsatz möglich, wobei Poren unterschiedlichster, auch asymmetrischer Geo metrie zum Einsatz kommen können.

Bezugszeichenliste

1

Zelle

2

nanoporöse Membran

3

responsive Pore

4

Elektrolyt

5

Elektrolytbereich Innenraum

6

Elektrolytbereich Außenraum

7

Elektroden

8

Temperierung

9

Stromquelle

Claims

1. Verfahren zum Steuern eines chemischen Ventiles aus ei ner porösen Matrix und einer durch ihre Umgebungstempe ratur quellbaren Gelschicht, bei der die Matrix zum Bei spiel eine Mikroporenmembran ist, deren Einzelpore oder Poren durch Ätzen von Teilchenspuren, vorzugsweise schwerer Ionen in der Matrix erzeugt ist oder sind und die Matrix aus einem Material besteht oder mit einem solchen ausgekleidet ist, aus welchem selbst an seiner Oberfläche die quellbare Gelschicht erzeugbar ist, da durch gekennzeichnet, daß die Matrix mit der/den Poren in ein Elektrolyt ein gebracht und auf beiden Seiten der Poren über die bei den Elektrolytbereiche eine Spannungsdifferenz in Form einer elektrischen Wechsel- oder einer Gleichspannung zu der elektro-thermischen oder elektro-osmotischen Steue rung der Poren aufgebracht wird, wobei die Elektrolyt bereiche beider Seiten der Matrix voneinander getrennt und elektrisch gegeneinander isoliert sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur direkt lokal in der/den Poren durch den elektrischen Widerstand über die Länge der/den Po ren durch Aufbringen der elektrischen Spannung auf bei den Seiten der/den Poren in der Matrix gezielt verän dert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß bei teilweise geöffneter/n Poren durch Polung des erzeugten elektrischen Stromes über die Poren eine elektro-osmotische Druckdifferenz erzeugt wird, die dem hydrostatischen Druck unterschiedlicher Flüssigkeits spiegel der beiden Elektrolytbereiche entweder entgegen- oder gleichgerichtet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mikroporenmembran zusätzlich ein- oder beidsei tig einem chemischen Reiz ausgesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der chemische Reiz bei einer mit Glucose-responsivem Gel ausgekleideten Membran aus dem Konzentrationsgra dienten von Glucose Molekülen in einer wässrigen Lösung als Elektrolyt besteht.