Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
841~
L'invention concerne une membrarle microporeuse à base
de polydiméthylsiloxane ainsi qu'un procéclé de fabrication de
cette membrane. Plus précisément, l'invention se rapporte au
développement d'une membrane microporeuse pour poumons arti~
ficiels faisant intervenir dans une solution de polymère poly-
siloxanique, éventuellement en présence d'un catalyseur, un
additif, de préf~rence le perchlorate de lithium ou dè rnagné-
sium, cet additif étant capable de donner naissance à de.s
micropores traversant la membrane, lorsqu'on ~vapore la solu-
tion.
En chiruryie cardiaque, les cas de transplantation etde réparation du coeur et des poumons défaillants sont devenus
de plus en plus nombreux. Tout au long de ces opérations, l'acte
chirurgical nécessite que toute la circulation sanguine arri-
vant au coeur soit drainée à l'extérieur de l'organisrne et
renvoyée dans la circulation artérielle. Cette dérivation
circulatoire totale doit donc avoir recours à la fois à une
pompe, analogue du coeur naturel, et à un oxygénateur ou pou-
mon artificiel capable de fournir à l'organisme un sang oxyg~-
né débarassé de tout excédent de gaz carbonique.
Des recherches ont été menées de facon constante afinde réaliser des dispositifs aussi efficaces que possible. Tan-
dis que les pompes impliquent presque toujours un écrasement
de tuyau, les échanges gazeux peuvent se faire suivant diffé-
rents mécanismes, soit pas contact direct du sang avec la pha-
se gazeuse comme dans les oxygénateurs à bulles, à films ou à
disques, soit par la perm~ation des gaz à -travers une surface
solide comme dans les oxygénateurs à membrane.
Dans le cas des oxygénateurs à contact direct, à cause
des dommages excessifs causés aux constituants sanguins, l'u-
tilisation ne peut être prolongée au-delà de 4 à 6 heures.
~.
:, :
~5641 ~
Les oxygénateurs à membrane, au contraire, permettent des
traiternents qui peuvent durer plusieurs jours, voire plu-
sieurs sema:ines. Cette tol~rance, en terme de durée d'appli-
cation, devient particulièrement intéressante et meme essen-
tielle lorsqu'on envisage l'utilisation de ces appareils pen-
dant de longues périodes comme aide respiratoire.
Etant donné l'intérêt croissant des poumons artifi-
ciels à membrane, de nombreuses e5tudes ont été menées depuis
quelques années dans le but d'améliorer la performance de ces
appareils. Au point cle vue rnécanique, le design des circuits
d'écoulement particuliers dans la phase sanguine a apporté un
accroissement substantiel des transferts gazeux. Cependant,
pour réaliser des rendements comparables à deux des oxygéna-
teurs à contact direct, il reste encore à r~duire davantage
la r~sistance au passage gazeux de la membrane. On a proposé
de remplacer les membranes continues et épaisses en poly-
diméthylsiloxane utilisées fréquemment jusqu'à maintenant,
par des membranes ultraminces support~es par l'incorporation
d'un réseau de tissus. On a aussi propos~ l'utilisation des
fibres cellulosiques imprégnées de polysiloxane ou de films
poreux en polypropylène recouverts d'une couche très fine d'un
polymère hémocompatible tel les polyalkylsulphones ou le
per-fluorobutyrate d'éthylcellulose. Cependant, une solution
plus simple serait de créer directement une structure poreuse
dans les membranes en polysiloxane déjà existantes.
Dans la recherche des membranes synthétiques qui peu-
vent donner un rendement acceptable aux oxygénateurs artifi-
ciels à membrane, plusieurs critères ont été établis. D'abord
au point de vue de transfert gazeux, la membrane doit être
extrêmement perméable à l'oxygène et au gaz carbonique. Elle
doit de préférence être plus perméable au gaz carbonique
--2--
~56411
qu'à l'oxygène a~in de compenser partiellement l'in~galité des
gradients de pression partielle (de l'ordre de 7~0 mmHg pour
1'oxygène et de ~7 mmHg pour le gaz carbonique). Ceci vient
du fait que dans le sang veineux, les pressions partielles de
C~2 et d'~2 sont respectivement 8~ et 46 mmHg tandis que dans
la phase gazeuse de l'appareil, celles-ci sont de 750 et 0
mmHg respectivement - la pression partielle de CO2 ne pouvant
etre en effet inférieure à zéro.
Aussi, dans le but de réaliser des transferts gazeux
comparables à ceux du poumon naturel surtout lorsqu'on a une
surface d'échange limitée - habituellement inférieure à 5 m2
(dans le poumon naturel, cette surface est supérieure à 50 m2)
- très souvent on doit fabriquer des membranes artificielles
minces. Elles doivent, dans ce cas, être exemptes de perfo-
rations (communément appelées "pinholes" ou trous d'épingle,
c'est-a-dire des perforations dont l'ouverture tout en étant
petite, et presque invisible à l'oeil nu, est assez grande pour
que des bulles d'air puissen' y passer) et avoir des proprie-
tés mécaniques convenables pour pouvoir r~sister aux diffé-
rences de pression utilisées. Enfin, pour satisfaire un der-
nier critère également important, ces membranes doi~ent être
anti-thrombogènes (c'est-à-dire empêcher la formation de
caillots dans le sang~, chimiquement non-réactives avec le
sang et posséder une constante diélectrique élevée de fa,con
à ne pas avoir de forces de surface suffisamment importantes
pour dénaturer les protéines du plasma.
Dans le but de rencontrer ces normes, plusieurs mem-
branes à base de cellophane, de polyéthylène, d'éthyl cellulo-
se et de Teflon (marque de commerce) ont été fabriquées et
mises aux essais. Elles ont cependant toutes été éliminées -
principalement à ~ause de leurs trop faibles taux de diffu-
1~56~
sion gazeux - et remplacés par des membranes à base de poly-
siloxane. Ces dernières rencontrent plusieurs des critères
cités ci-dessus. Elles sont biologiquement inertes et pos-
sèdent une perm~abilité particulièrement élevée à l'oxygène.
Le tableau 1 montre les valeurs de la perméabilité à l'oxy-
gène des membranes fabriquées à partir de diff~rents poly-
mères en commençant avec celle à base de polydiméthylsilo-
xane. Les membranes fabriquées à partir de ce dernier poly-
mère possèdent aussi une autre propriété unique à savoir celle
d'être sélectivement perméables à certains gaz. Utilisées
dans un système gaz-gaz, elles laissent passer de 4 à 6 fois
plus de qaz carbonique que d'oxygène. Cette sélectivité est
encore ampli~iée lorsque ces membranes sont utilisées dans
un système gaz-sang puisque le gaz carbonique est plus solu-
ble dans le plasma que ne l'est l'oxygène.
11S6~1~
TABLEAU I - Perméabi.llté à l'oxygène des membranes fabriquées
à partir de différents polymères.
Polymère v.... .__ _ _ ~ Po (barrer)*
.. .... __ . ... ~ ~
Dim~thyl.si.loxane 600
Fluorosilicone 110
Caoutchouc naturel 24
Ethyl cellulose 21
Polyéthylane, basse densité 8
Polycarbonate 1.6
Polystyrène 1.2
Polyéthylène, hau-te densité 1.0
Acétate de cellulose 0.8
Polychlorure de vinyle 0.1
Nylon 6 0.04
Teflon (marque de commerce) 0.004
~ 1 barrer = 10 10 cm3 (STP) cm
sec cm2 cmHg
.
Malgré toutes ces caractéristiques fort intéressantes
en soi, le plus grand défaut des membranes à base de pol~si-
loxane utilisées dans les oxygénateurs artificiels reste en-
core au niveau de leurs résistances mécaniques. Le manque de
force de cohésion dans le polymère nécessite en effet que des
membranes relativement épaisses soient fabriquées. La per-
formance des oxygénateurs se trouve ainsi diminuée, tandis que
son volume d'amorçage augmente proportionnellement avec la
surface totale de la membrane utilisée.
Pour pallier a cet inconvénient du polysiloxane, deux
solutions ont été proposées et mises en application:
1. ajouter un support aux membranes minces en leur
incorporant un réseau de tissus;
2. modifier la structure chimique du poly~ère.
Malheureusement, ni-l'un ni l'autre de ces deux métho-
des n'a donné des résultats satisfaisants. Dans le premier
cas, les membranes possèdent une résis~ance m~canique suffi-
sante mais l'existence meme du réseau-support r~duit considé-
rablement la surface utile d'~change. Dans cette catégorie,
seules les membranes ultraminces (25~ m) incorporant un sup-
port en polyester, fabriquées récemment par Kolobow et ses
collaborateurs (Kolobow, T.; ~ayano,, F., Weathersby, P.K.,
"Dispersion casting thin and ultrathin fabric-reinforced sili-
cone rubber membrane for use in the membrane lung". Medical
Instrumentation, Vol. 9, No. 3, May-June lg75). présentent
des taux de transfert gazeux acceptables. Les risques de
formation de "pinholes" étaient cependant élevés lors de la
fabrication de ces membranes, de sorte qu'une technique de
moulage à double épaisseur a dû etre employée. Quant à la
deuxième méthode, Peirce et Dibelius (Peirce, E.C., II,
Dibelius, N.R., "Ihe membrane lung: studies with a new high
~. , ~ . . ~
1 ~5B~
permeability copolymer membrane". Trans. Amer. Soc. Artif.
Int. Organs, Vol. 14, pO 220 (1968)) de la compagnie General
Electric ont développé un copolymère à base de polycarbonate
et de polydiméthylslloxane. Les membranes fabr.iquées par
ce produ.it (25~m épaisseur) sont solides, yrace a la struc-
ture cristalline du polycarbonate, mais leurs taux ~e diffu-
sion gazeux sont aussi beaucoup moins élevés - les coe~fi-
cients de perméabilité du copolymère étant inférieurs à ceux
des polysiloxanes purs. Petersen et Rozelle (Peters~n,
R.J., Rozelle, L.~., "Provide ultrathin membranes for evalua-
tion in blood oxygenators". Contract No. NIH-NHLI-71-2364D,
National Heart and Lung Institute, Bethesda, Maryland,Annual
Report, July 1972) ont suggéré de réduire l'épaisseur de ces
membranes, en les moulant sur une surface liquide telle que
l'eau, afin de diminuer leurs résistances au passage gazeux.
Avec cette technique, ils ont réussi en effet à produire des
membranes ultraminces, mesurant seulement 14,000 A (1.4 ~m)
en épaisseur, permettant ainsi des taux de transfert de gaz
de 10 à 15 fois plus grands que ceux des membranes commer-
ciales en polycarbonate-diméthylsiloxane. Le remaniement de
ces membranes trop minces est cependant extrêmement délicat.
Devant de tels inconvénients des membranes continues
à base de siloxane, certaines équipes se sont orientées vers
des membranes épaisses (de l'ordre de la centaine de microns)
mais de type microporeux.
Ainsi Lautier et ses collaborateurs ~Lau~ier, A.; Rey,
P., Bizot, J., Faure, A., Sausse, A., Laurent, D., ("Compari-
son of gaseous transfers through synthetic membranes for oxy-
genators". Trans. Amer. Soc. Artif. Int. Organs, Vol. 15,
: 30 p. 144 (1969)) ont publié en 1969 les résultats de leurs expé-riences in vitro effectuées avec plusieurs membranes fabri-
11564~
quées par la compagnie Rhône-Poulenc en France. Celles-ci qui
consistent simplement en une lndllction de siloxane sur un feu-
-trage de fibres synthékiques d'acétate de cellulose sont ex-
trêmement perméables aux gaz respiratoires (sans présenter
cependant aucune sélectivité en phase gaz-gaz) et restent im-
perméables à l'eau. Un peu plus tard, Eiseman ek son groupe
(Eiseman, B.; Birnbaum, D., Leonard, R.; Martinez, F.J., "A
new yas permeable membrane for b:lood oxygenators". Surgery,
Gynecology and Obstetrics, Vol. 135, p. 732, Nov. (1972))
réalisaient aussi avec succès des exp~riences in vitro et in
vivo, utilisant cette fois une membrane microporeuse fabri
quée en disposant du Teflon (marque de commerce) expansé sur
un support tissé synthétique. Cette membrane, mesurant 5 mm
en épaisseur et ayant des ouvertures de pore.s de 0.5 à 1.1
micron à la surface, est relativement inerte et possède des
taux de transfert gazeux de 3 à 4 fois plus grands que ceux
des membranes à base de siloxane conventionnelles.
Tout récemment, deux nouveaux polymères - les poly-
16 C18 et le perfluorobutyrate ~'éthyl
cellulose - ont été présentés respectivement par Ketteringham
(Ketteringham, J., Zapol, W., Birkett, J., ~elsen, L.,
Massucco, A., Raith, C., "A high permeabilit~, non porous,
blood compatible membrane for mem~rane lungs in vivo and in
vitro performance". Trans. Amer. Soc. Artif. Int. Organs, Vol.
21, p. 224 (1975)) and Petersen (Petersen, R.J., Roselle,
L.T., "Ethylcellulose perfluorobutyrate: a highly non-
thrombogenic fluoropolymer for gas exchange membranes". Trans.
Amer. Soc. Artif. Int. Organs, Vol. 21, p. 242 (1975)) co~me
étant des nouveaux produits encore plus hémocompatibles que
ceux à base de siloxane. Leurs perméabilités à l'oxygène et
au gaz carbonique ne se situent cependant qu'à environ un
1~564~
dixième de celles des polydiméthylsiloxanes, de sorte que des
membranes extrêmement minces (1 à 2 ~m) (moul~es sur un sub-
strat microporeux en polypropylène) ont d~ être fabriqu~es.
Au point de vue d'hémocompatibilit~, ces nouvelles
membranes sont très intéressantes, puisqu'elles pourraient per-
mettre une réduction de la dose d'héparine nécessaire au pro-
cessus d'anticoagulation du sang. Cependant leurs capacités
d'échange gazeux sont encore loin d'atteindre celles des mem-
branes microporeuses~
Afin de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus,
l'invention propose un procédé de fabrication de membranes
microporeuses, caractérisé en ce qu'il consiste à Eormer une
solution à base d'un polymère siloxanique, ajouter à la solu-
tion obtenue un additif capable de donner naissance à des
micropores traversant la membrane lorsqu'on évapore la
solution, solubiliser l'additi~ si ce dernier n'est pas déjà
complètement soluble dans la solution, obtenir une membrane
par moulage, et vulcaniser cette dernière.
Le polymère siloxanique qui est mis en solution est
de préférence un polydiméthylsiloxane. Par exemple, on peut
utiliser un polyphényl-diméthylsiloxane, ou un polyvinyl-
diméthylsiloxane, seul ou en présence de silice. C'est
ainsi qu'un'mélange approprié est constitué de polyphényl-
diméthylsiloxane contenant 18,5% de silice. Un autre mélange
est constitué de polyvinyl-diméthylsiloxane contenant 15% de
silice. Enfin, un autre m~lange est constitu~ de polyvinyl-
diméthylsiloxane contenant 22% de silice.
Le polymère siloxanique que l'on utiliser pour former
la solution se vulcanise de préférence à chaud, auquel cas,
on ajoute un catalyseur à la solution. Ce catalyseur, est
bien connu en soi, et peut comprendre un peroxyde, tel que
~ ~ 5B4 ~ 1
le peroxyde de 2,4-dichlorobenzoyle.
De préférence, le catalyseur est soluble dans la solu-
tion.
En ce qui regarde l'additif, on peut utiliser un sel
inorganique, inerte vis-à-vis du catalyseur et du polymère,
soluble dans la solution, qui ne joue qu'un rôle de précipi-
tant pendant l'évaporation et peut être extrait de la membrane
après sa vulcanisation.
On préfère utiliser un additif qui est soluble dans
l'eau et les alcools.
Par exemple, cet additif pourrait etre le perchlorate
de ]ithium, mais on pourrait aussi utiliser le perchlorate de
magnésium. Evidemment, tout autre sel inorganique remplis-
sant les conditions mentionnées ci-dessus pourrait aussi
être utilisé dans la préparation de la membrane selon l'in-
vention.
Selon une des réalisations de l'invention, on met
en une solution homogène tout l'ensemble constitué par le
polymère siloxanique, le catalyseur et l'additif.
~O La solution est forrnée de préférence à partir d'au
moins un solvant principal capable de dissoudre le polymère
siloxanique et d'un diluant capable de solubiliser l'addi-
tif. Le solvant principal a, de préférence, un point d'é-
bullition plus bas que celui du diluant. Le solvant prin-
cipal peut etre choisi dans le groupe constitué par le
chloroforme, le benzène, le toluène et le xylène tandis que
le diluant est, de préférence, constitué par l'isobutanol.
Le rnélange solvant principal/diluant aura de préfé-
rence le rapport 50/50.
Lorsque l'on utiliser comme solvant principal un
mélange constitué de chloroforme et de xylène, le diluant
-10-
l ~ S ~
comprendra de préférence l'isobutanol.
On préfère effectuer la vulcanisation à une tempéra-
ture inférieure à environ 418~K durant une période d'au plus
10 minutes.
Bien que la concentration du polymère dans la solution
ne soit pas critique, elle varie de préférence entre environ
9 g à 11 g par 100 ml de solution.
Quant au catalyseur, il est présent dans la solution
en quantités qui peuvent varier jusqu'à environ 20% en poids
par rapport au polymère. Par exemple, on pourra wtiliser
environ 2% de catalyseur, mais l'utilisation de quantités
variant entre 4 et 7% de catalyseur par rapport au poids de
polyrnère est aussi satisfaisante.
L'additif peut etre utilisé à raison de 2,5 à 10% en
poids par rapport au poids de polymère. On pr~fère utiliser
environ 7,5% en poids d'additi~ par rapport au polymère.
Selon un autre aspect de l'invention, la membrane mi-
croporeuse à base de pol~mere siloxanique est caractérisee par
une épaisseur entre environ 75 et 100~ m; un taux de transfert
gazeux exprimé en GTR x 10 3, d'environ 40,000 à 65,000 pour le
C~2 et environ 30,000 à 60,000 pour l'oxygène, une élongation
maximum exprimée en % variant entre 350 et 400, une contrainte
à la rupture exprimée en kPa variant entre 2000 et 3000, une
distribution de pores dont la densité varie entre 4 x 106 à
4.8 x 106 pores/cm2 dont environ 65% mesurent 0.7 + 0.1flm
et environ 35% mesurent 3.0 - 0.5~ m.
~'invention va maintenant etre illustrée à partir de
trois types de produits, soit:
--11--
1 ~$~4 ~ 1
- le Silastic ~45 *: un polyphényl-diméthyl~iloxane
contenant 18.5% de silice,
- le Silastic 436 *: un polyvinyl-diméthylsiloxane
contenant 22% de silice, et
- le Silastic 740 *: ~gaLement un polyvinyl-diméthyl-
siloxane mais contenant seulement 15% de silice.
Ces trois siloxanes sont de qualité dite médicale et
appartiennent à la cat~gorie des élastomères se vulcanisan-t à
chaud, i.e. nécessitant l'addition d'un catalyseur. A cette
fin, on a utilisé du Luperco CST *, un produit de (Pennwalt)
Lucidol, N.~. qui consiste en un peroxyde de 2,4 dichloro-
benzoyl mélangé à de l'huile de siloxane (50% actif). Celui-
ci se présente sous forme de pâte et possède l'avantage d'etre
~acilement dissous dans la solution de polymère.
Les siloxanes mentionnés ci-haut et le catalyseur,
s'ils sont mis en solution, évapor~s et vulcanisés, ne donne-
ront comme résultat que des membranes continues. Dans le but
d'obtenir des membranes microporeuses, il est nécessaire
d'ajouter à la solution de départ un additif, par exemple,
un sel inorganique - le perchlorate de lithium. Celui-ci,
tout en étant inerte vis-à-vis du catalyseur et du polymère,
ne jouera qu'un rôle de précipitant pendant l'étape d'évapo-
ration et sera extrait de la mernbrane après sa vulcanisa-
tion. Sa présence dans la solution cause, à mesure que les
solvants s'évaporent, une séparation de micro-phases, c'est-
à-dire des gouttelettes d'une phase liquide, contenant l'addi-
tif et le diluant, dispersées à l'int~rieur d'une seconde pha-
se (contenant le polymère et le solvant principal). Ceci don-
ne naissance, lorsque l'évaporation est complète, à des pores
très fins traversant la membrane.
* Marque de commerce
l ~S~
Parmi de nombreuses étapes conduisant à la formation
de la membrane proprement dite, la toute première et aussi
la plus importante du procéd~ actuel consiste à mettre en
une solution homogène tout l'ensemble polymère-catalyseur-
additif. Cette opération nécessite une attention particulière
puisqu'une variation dans la concentration de pol~nère ow dans
la composition du système de solvant utilisé peut avoir des
effets directs sur la qualité des membranes obtenues.
Selon l'invention, la mise en solution deg polysiloxa
nes peut comporter en plus des solvants principaux (bons sol-
vants, vis-à-vis le polymère), un diluant (solvant faible ou
non solvant). La présence de ce dernier non seulement solu-
bilise le perchlorate de lithium (qui, normalement n'est pas
dissous dans les bons solvants pour les polysiloxanes) mais
aussi crée la séparation de phases d~cri~es précédemrnent, la-
quelle est indispensable au processus de formation des micro-
pores.
Dans le choix des constituants pour ce système de
solvant, il serait utile de mentionner que les solvants prin-
cipaux doivent avoir de préférence un point d'~bullition plusbas que celui du diluant. Ceci, afin que le pouvoir solvant
du système diminue progressivement à mesure que les solvants
s'évaporent et que la s~paration de phases ait lieu aussi
lentement que possible.
Dans les exemples qui vont suivre, le chloroforrne
(point d'ébullltion 60~C~ a été choisi co~ne un des solvants
principaux, tandis que l'isobutanol (point d'ébullition
environ 107~C) a été utilisé comme diluant. La raison du
choix de ces 2 composés est tout d'abord que le CHC13 est
non seulement un solvant très volatil mais il est aussi un
des meilleurs solvants pour les ~lastomères de siloxane. La
-13-
1 ~5~4 1 3L
durée d'agitation requise pour mettre ces polyrnères en solu-
tion est moins longue avec ce solvant qu'avec d'autres hydro-
carbures tels le benzène, le toluène ou le xylène connus comme
étant leurs bons solvants. Notons aussi en passant que la
solution du Silastic 445* dans le chloroforme est transparen-
te, tandis que celles de ce meme polymère dans les autres sol-
vants sont opaques.
Quant à l'utilisation de l'isohutanol comme diluant,
alors que celui-ci est un non-solvant vis-à-vis les si]oxanes
comme tous les autres alcools, il est cependant le seul qui
possède une vitesse d'évaporation convenable. De plus, il
peut, dans un mélange 50/50 avec le chloroforme, dissoudre
des quantités importantes de perchlorate de lithium tout en
restant compatible avec les autres composants de la solution.
Mentionnons enfin que le chloroforme, s'il est employé
seul comme solvan-t principal, ne donnera pas toujours les
meilleurs résultats. Sa vitesse d'~vaporation trop grande peut
en effet laisser apparaltre des bulles dans la membrane à la
fin de la période de séchage. Par conséquent, il peut être
nécessaire d'ajouter à celui-ci un deuxième solvant qui aura
un point d'ébullition plus élevé. Le xylène (un mélange de
ses 3 isomères, point d'ébullition de 138 à 143~C) a été uti-
lisé à cette fin et plusieurs essais ont montr~ que les meil-
leurs résultats son-t obtenus lorsque ce dernier est présent
dans la système en proportion à peu près égale à celle du
premier solvant.
L'invention va maintenant etre illustrée à l'aide de
l'exemple qui suit, lequel est donné à titre purement illus-
tratif.
* Marque de Commerce
-14~
,
l~B4~1
EXEMPLE
La gomrne de siloxane (20 g) est coupée en petits
morceaux et laissée gonfler dans le chloroforme (100 ml) pen-
dant 12 heures. Le gel qui en résulte est so~nis à une ag.i-
tation mécanique au moyen d'un "Stedi-Speed Adjustable Stirrer"
réglé à une vitesse allant de 600 à 900 rpm, pendant une à
deux heures ou jusqu'à la dissolution complète du polymère.
Le volume total de la solution est ensuite ramene par ~vapo--
ration à environ 80 ml après quoi on ajoute au mélange le
xylène (70 ml) et ensuite l'isobutanol (60 ml~, portant la
concentration du polymère à environ 10 g/100 ml. Le cataly-
seur (Luperco CST *) est ajouté maintenant à la solution et
tout le système est bien agité à une vitesse de 1500 rpm pen-
dant une demi-heure ou jusqu'à ce qu'on obtienne un mélange
parfaitement homogène.
Dans le but d'obtenir des membranes microporeuses qui
font l'objet de la présente invention, des quantités appro-
priées de perchlorate de lithium - di.ssous préalablement
dans une petite quantité d'acétone (25 ml) - ont ~té ajoutées
à la solution de polymère, vers le fin des étapes décrites pré
cédemment.
La solution de siloxane et d'additifs obtenue au ter-
me de la période d'agitation, bien homogène en apparence, peut
contenir des microgels ou des grosses particules de silice.
Ceux-ci sont responsables, dans la plupart des cas, de la
formation des points faibles dans la membrane lesquels, sous
l'application d'une forte pression, pourront donner naissance
aux indésirables "pinholes". Ce problème peut etre évité en
effectuant une clarificatlon de la solution avant son utili-
sation dans les étapes subséquentes. Etant donné la viscosi-
* Marque de Commerce
':
1~5641 1
té élevée de la solution, c'est la centrifugation qui s'est
avérée etre le procédé le plus efficace pour effectuer cette
clarification. Pour uniformiser autant que possible les ré-
sultats (au point de vue des propriétés mécaniques), toutes
les solutions préparées ont été centrifugées à une rnêroe vites-
se équivalente, de 10,000 g pendant une demi-~eure,
A la fin de cette étape, la solution clarifiée a été
retirée avec soin des tubes à centrifugation afin d'~viter que
des bulles d'air soient entraînées à l'intérieur du liquide
visqueux. On procéda à ce moment à l'opération de moulage.
La méthode utilisée fut celle à l'air libre ("dispersion-
casting"), c'est-à-dire sans application d'une pression exté-
rieure dans des moules en aluminium recouverts d'une couche de
Teflon * tla présence de cette couche a pour but de fac;liter
le décollement de la membrane après sa vulcanisation). Ces
moules, d'un diamètre de 12 cm et d'une hauteur de 3 cm,
reposent sur un plateau à supports réglables ajusté parfai-
tement à l'horizontale. Tout ce système est placé durant la
phase d'évaporation à l'intérieur d'un four équipé d'un ven-
tilateur. Une fois la solution de polymère coulée dans lesmoules, les solvants s'évaporent à la température du four
(303 K) pendant environ une heure. En variant le volume de
la solution déposé dans chaque moule, on obtient des mem-
hranes ayant des épaisseurs mesurant de 25 à 150~ m.
L'évaporation des solvants une fois terminée, laisse
au fond des moules un mince film translucide d'un plastique
mou qui ne possède aucune résistance. La w lcanisation qui
suit consiste alors à créer des ponts entre les chaînes de
polymère de fa,con à transformer ce film en une membrane ayant
toute l'élasticité d'un véritable caoutchouc. Pour ce faire,
* Marque de Commerce
-16-
1~6~11
les moules contenant le ~ilm de polymère étaien-t placés à
l'intérieur d'un four chauffé à ~ pour environ 10 minutes.
L'agent de vulcanisa-tion, le peroxyde de 2,4-~ichlorobenzoyl
dispersé dans le film, se détruira sous l'action de la cha-
leur en libérant des radicaux libres, qui amorceront, dès
qu'ils rencontreront les groupements organiques attach~s aux
chai'nes de polymère, le processus de vulcanisation.
Lorsque cette opération est complétée, les moules sont
refroidis à l'air ambiant. Ensuite les membranes sont décol-
lées et coupées en disques de 8 cm de diamètre avant d'être
soumises aux différentes mesures de caractéri,sation qui sui-
vent. Pour les membranes continues, ceci termine la longue
procédure de fabrication. Cependant, dans le cas des membranes
microporeuses, un trempage d'une durée d'une heure dans un
excès de méthanol sera nécessaire afin d'enlever tout le per-
chlorate de lithium qui a été incorporé dans la solution de
départ et qui a été cristallisé au cours de l'étape d'~vapo-
ration. Ces membranes seront par la suite séchées à l'air
libre et seront disponibles pour la caractérisation.
Le paramètre de fabrication influençant le plus forte-
ment les caractéristiques physiques des membranes microporeu-
ses est le teneur de l'additif utilisé (le perchlorate de
lithium). Dans le tableau 2 nous présentons les résultats
obtenus lors des mesures de caractérisation des membranes
microporeuses fabriquées sous diverses conditions. Ces résul-
tats sont comparés à ceux rapportés dans la lit~éxature pour
différents autres types de membranes dont un grand nombre
sont disponibles sur le marché. Nous avons inclus également
dans la dernière colonne de ce tableau une analyse microsco-
pique de la surface des membranes, basée sur des données ob-
tenues à l'aide d'un microscope électronique à balayage.
-17-
~$~
. a) _ __ _ . . . __ ,, ~--
'~u ~ ~ ra ~ ~
~ o ~l u~ ~ ul o ~ ~ ~u~
U~ (1~ ~ a) ~ O ~ ::~
~,~ u~ a) 1~ a) ~N ~n u~ '~ h ~ ," ~ ~E
~) O u~ u~ :~ u~ t~ ~D a) ~ o O E~
~, 1~ ~ ~ u~ ::) ~ o ra h ~ 1~ In t'l
U ~ Q I h .,1 O h ~ u~ o7 ~ ~ ~
u~ ; U h O U O O + h ~I F ~3 O h h h h
U ~, ~1 .q U ~ ~, h h ~ hg~ ~ ~ r, g~ p O O Q
h ~ ~ ~ z; h F U ~ U r~ ~ F. ~d ~ U a~
~,~ _ . ~ . . _ _ __ _ .. _ ____
O F h h ~ l O I tJo tf) O O O
u~ U ~ t~o t~J t~it~ r~i r~
a~ ~ o
a _ C ~ _ .~
,q .~' ~,,, ~ o o o o In LO
4~ ~ ~ _, u~ a~ ~) o~ 1' t~
u~ oQI ~ ~ l ~ l ~ ~n ~) r~)
ph~ O X
r~ _ _ _ . I
~ ~ I o ou~ o u~ O o o
a~ ~ o o ,~0~ ~ ~ o o t~
E~ l ,~ O~ ~'1 t'3 u~ ~' ~ r-l u~ t~
,~ ~X ,~ d' ~n ,~
u~ ~ c~ _ ~ -- ----- -----I
~) ~ X t~J O r~ t~l O u~ $ O cn
'a~ x ~ C) ~1~ ~ ~g ~S) . t~ u~ t~l
Q ~ N ri r-l~1:) t~l t~l d' ~i u
h _ _ . _
Q
U~ ~ O OU~ O u~ O u~ U~
-l ~a ~ ~ u~~ t~ ~ O S~ u~
O ~~ ' ~1 ~1 ~1 ,~
S~ 1
~ _ r~ . ~
r~ l ~
s:: _ ,~ I ~ O a) a) a) o
O U S ~ h ,1
~, ~ ~ _ ~ Q. ~ r~
h 1~ U~ E~ O
~5 X (d rl ~1 1~ al h U U U C) O t~)
Q Or-l r~ ~j_ ~ Ql ~~ ~ ~ Q~ -~ Q~
~ t~ ~1-,1 1 5~ O ~ ~> t~ ~ ~ ~ t~ ~ ~
O ~1 ~ ~ 1 tJ~ ~ : t~ ~ O t~ d~ t~ ~ ~ d~ ~ ~ ~ a) t~
(I) ~ r--¦ t~ a) r--l r~l Ql Ir~ U) ~n Ul _ Lrl ~
r~ ~1 ~ ~ 1 ~ d~ E~ d~ E~ ~ ~ E~ ~ ~ E~ ~ E~ d'
h ,C ~ O ln a) d~ u~ ~ u~ O ~ u~ O ~ ~ ~ u~ O
-~-~1 ~ ~ ~ ~ ~ ~ U ,~ U ,~ ~ O U ,~
E~ '~ ~ (d F ~ rY ~ r~ O ~r-l O ~r-l ,rUI O .U ~r-l O ~ ~r~ O ~
~¢ ~ ~r-l O U (~1 ~ rl h ~ U ~ U ~ ~ U ~ ~ U-,l -~ U
r~ U ~ X ~ O ~q h la h ~q h u~ h ~1 ~ h
~1 ~ :~ O U ~Y Ql 1~ a~ (i~ a) ~ ~ a~ ~ (d a) Id
~~O ~o ~0 ~ 1~~1 'o ~QI(~I r--l Q r--l p ~r) ~'~1 ~QI~ r~l ~Ql~ r--l ~Ql~
. Q ~ u~ ~ ~ . ~q u~ ~ u~ ~ ~ u~ ~ r u~ ~ r~l U~ I--1 r--l
--18--
1 ~56~ 1 ~
On constate en premier lieu qu'en augmentant la teneur
en perchlorate de lithium de 2~5 à 10% (pourcentage en poids,
par rapport au polymère), le taw~ de transfert gazeux des
membranes au~mente rapidement. ~vec seulement une addition
de 7.5% du LiCl04 dans la sclution de moulage, la capacité
de transfert des yaz C02 et ~2 des membranes microporeuses
dépasse de lO à lOO fois celles de la plupart des membranes
non-microporeuses, y comprises les membranes minces préparées
à partir du copolymère poly(carbonate~dimé-thylsiloxane) ou
les membranes ultraminces en polyalkylsulphones sur support
de polypropylène.
Le pourcentage d'élonyation maximal et la contra:inte
à la rupture de ces membranes microporeuses diminuent par con-
tre avec l'augmentation du pourcentage d'additif. Cette dimi-
nu-tion n'est cependant pas significative et, bien que les
valeurs de la contrainte à la rupture de ces membranes de
polysiloxane soient inférieures à celles des membranes en
poly(carbonate-diméthylsiloxane) par exemple, ceci ne signi-
fierait pas que les premières membranes sont moins résistantes
Celles-ci ont et peuvent en effet avoir des épaisseurs beau-
coup plus importantes.
Enfin, l'analyse microscopi~ue de la surface des mem-
branes nous montre que les taux de transfert gazeux de ces
membranes microporeuses peuvent etre reliés à la distribution,
à la densité ainsi qu'à la dimension des pores. ~vec une te-
neur de 2.5% en LiCl04, les membranes ont une densité d'envi-
ron 4 x 106 pores/cm2 dont 35% de ces pores ont un diamètre
de l micromètre et le reste de 2.5 + 0.2 micromètres. Malgré
cette grande densité de pores, les taux de transfert du gaz
carbonique et de l'oxygène de ces membranes restent encore
près de ceux des membranes non-microporeuses. Ceci signifi~
--19--
: ' :
~ ~5~4 :~ ~
ra,it donc que la plupart des pores vus à l'un comme à l'autre
coté de la membrane ne traversent pas toute l'épaisseur de
celle-ci~
En augmentant la teneur en LiClO~ de 2.5 à 7.5, les
taux de transfert gazeux des membranes atteignent maintenant
une valeur de 4.~3 x lO GTR pour le C02 et 3.41 x 107 GTR
pour l'02, soit de 15 à 50 fois de plus que dans le dernier
cas. I.a densité des pores de ces membranes passe auss:i de
~ x 106 à ~.8 x 106 pores/cm2. Parmi ceux-ci, ~5% mesurent,
0.7 ~ O.l ~m en diamètre et un autre 35% 3.0 ~ O.5f~m.
En utilisant une teneur de 10% en LiCl04, soit la
valeur presque maximale de la solubilité de cet additif dans
le système de solvant utilis~, la distribution des pores à
la surface des membranes devient irrégulière. I,a dimension
des pores est aussi très variée, certains peuvent mesurer
plus de 7 micromètres en diamètre, ce ~ui explique les valeurs
élevées des taux de transfert gazeux de ces membranes.
Dans le but d'étudier I'effet d'autres additifs sux
les propriétés des membranes,lors de la préparation de la
solution de moulage, le perchlorate de lithium Eut substitué
par un de ses homologues, le perchlorate de magnésium (ce
sel inorganique étant plus soluble que le premier dans le
système de solvant actuel). Les résultats obtenus, bien
qu'acceptables, ne sont cependant pas aussi intéressantS~
Il est donc possible de préparer des membranes micro-
poreuses à base de polydiméthylsiloxane en utilisant un sys-
tème de solvan1, et un additif appropriés. Le système de sol-
vant peut contenir en plus des solvants principaux pour le
polymère, un solvant ~aible ou un non-solvant capable de dis-
soudre l'additif en question. La solution de polymère etd'additif doit cependant être homogène avant le moulage et les
-20-
~ ~ 5 ~
quantités solvant-non-sol.vant-additif devraient etre propor-
tionnées de fa,con à ce que la séparation de phases a.it lieu
à un moment faborable durant l'~vaporation.
L'utilisation d'une concentration d'environ 10 g/100 ml
de Silastic 4~5* dans un mélange composé de propor-tions a peu
près égales de chloroforme, de xylène et d'isobutanol sernble
donner des meilleurs résultats.
L'additif le plus approprié à ajouter dans la solution
de polymère pour causer une séparation de phases lors de
l'étape de formation de la membrane est le perchlorate de li-
thium. Dans ce dernier cas, une teneur d'environ 8% par rap-
port au polymère de ce composé inorganique est suffisan'ce pour
produire un accroissement substantiel du taux de transfert
des gaz, tout en limitant le diamètre des pores apparaissant
à la surface de la membrane à l'intérieur de 3 ou 4~m. Le but
de cette restriction étant d'~viter un bloquage éventuel des
pores du à une pénétration des constituants cellulaires du
sang tels que les globules rouges ou les plaquettes.
Avec une augmentation des taux de transfert des gaz
C02 et ~2 de l'ordre de 20 à 50 fois par rapport a ceux des
membranes en polysiloxane conventionnelles, les membranes mi-
croporeuses fabriquées selon le procédé de la présente inven-
tion présentent beaucoup d'avantages4 La dimension de l'oxygé-
nateur peut, par exemple, être r~duite de façon considérable,
diminuant du mëme coup la quantité de sang d'amor~age néces-
saire à chaque opération. Certains modèles de poumons arti-
ficiels implantables mis au point récemment pourront béné-
ficier également des avantages de ces nouvelles membranes. La
réduction du volume de l'appareil éviterait en effet certains
problèmes rencontrés lors de son installation dans la cage
thoracique.
* Marque de commerce
