JPH02213356A - 流体処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は中空糸を利用した流体処理装置、特に血液を処
理するために好適な装置に関するものである。この糧の
装置は一般に血液透析器、人工肺、血漿分離器、加湿器
などに用いられる。ここでは説明の便宜上、人工肺に適
用した場合について説明する。

（従来の技術） 人工肺は生体肺のもつ機能のなかで血液に酸素を添加し
、二酸化炭素を除去するガス交換機能を代行するもので
あって、現在気泡型人工肺と模型人工肺が使用されてい
る。

気泡型人工肺は臨床に広く用いられているが、酸素を血
液中に直接吹き込むために、溶血、蛋白変性、血液凝固
、微小血栓の発生、白血球や補体の活性化が生じ易く、
また長時間使用すると消泡効果が弱くなり、微小気泡が
血液中へ混入する恐れが指摘されている。

模型人工肺は膜を隔てて静脈血とガスとを接触させて、
静脈血中へ酸素を吸収させると同時に、ガス中へ炭酸ガ
スを放出させるもので、気泡型人工肺に比べて血液損傷
が少ない、プライミングボリュームが小さいなどの利点
を有し、近年、気泡型人工肺に代って次第に用いられる
ようになった。

現在開発されている模型人工肺は、ポリオレフィンなど
の疎水性高分子からなる多孔性中空糸や、シリコンなど
の気体透過性の均質中空糸を用いて、中空糸壁膜を介し
て気体と血液間でガス交換を行わせるものであり、中空
糸の内部に血液を流し、中空糸の外部にガスを流す内部
潅流型（特開昭６２−１０６７７０号、同５９−５７６
６１号など）と、中空糸の内部にガスを流し、外部に血
液を流す外部潅流型（特開昭５９−５７９６３号、同６
０−２８８０６号など）との二つの方式がある。

（発明が解決しようとする課題） 内ｉＰＩ流型大型人工肺多数の中空糸の内部に血液を均
等に分配すれば血液のチャンネリング（偏流）はないも
のの、中空糸の内部を流れる血液は完全な層流である。

そのためガス交換能（単位膜面積あたりのガス移動速度
）を上げるために中空糸の内径を小さくすることが必要
であり、現在１５０〜３００μ畷の内径を有する中空糸
が開発されている。

しかしながら、内径を小さくしても血液が層流状態で流
動する限りガス交換能が飛躍的に向上するものではない
。そのため内部潅流型人工肺では成人の関心術の際に要
求される２００〜３００ｃｃ／ｅｉｎのガス交換能を達
成するために約６ａ＋１の膜面積を必要とし大型で重く
、取り扱い難く、プライミングボリュームが大きくて患
者の負担が大きいものになっている。人工肺を小型化し
て、取り扱い性を向上させるために中空糸の内径をさら
に細くするとクロッティング（凝血による中空部の閉塞
現象）が多発する。しかもこの型の人工肺は血液流路側
の抵抗が大きいため落差部流が適用されず、拍動流型の
血液ポンプの適用が困難である。またガスの分散供給が
不充分である場合には、炭°酸ガス除去能（単位膜面積
当りの炭酸ガス移動速度）が低下するが、内部潅流型人
工肺では、数千〜数万本の中空糸に充分にガスを分散し
て供給することが困難で、多数の中空糸に充分に分散供
給するためには特別の配慮が必要である。

一方、外部潅流型人工肺ではガスの分配は良好であり、
かつ血液の流れに乱れが発生することが期待されるもの
の、血液のチャンネリングによる酸素化不足あるいは血
液の滞留による凝血が生じ易いことが指摘されている。

また現在市販されている外部潅流型人工肺では、血液の
チャンネリングによる酸素化不足を補うために大きな膜
面積を必要としプライミングボリュームが大きくなると
いう問題がある。そのためプライミングボリュームの大
きな人工肺を血液量の少ない患者に使用する場合には、
輸血が必要でそれに伴って肝炎、ＡＩＤＳ等の感染が心
配される。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは圧力損失が小さく、かつ単位面積当りのガ
ス交換能の向上が期待される外部潅流型人工肺に着目し
、その欠点である血液のチャンネリングと血液の滞留を
画状中空糸シートを用いて解消しようと試みた。しかし
ながら、角筒状のハウジング内に画状中空糸シートの積
層体を収容しただけでは逆に血液のチャンネリングが増
大するとともに単位膜面積当りのガス交換能が低下する
という問題が生じた。本発明者らはかかる問題は中空糸
シートの積層体とハウジング側壁で形成される間隙を血
液がショートパスすること及び中空糸の外部を流れる血
液の圧力損失が大きく中空糸が血流で揺動してチャンネ
リングを起すことを突きとめ、さらに検討した結果本発
明に到達したものである。

すなわち本発明は画状中空糸シートの積層体を、角筒状
のハウジング内に収容して、該中空糸の両端が開口する
ようにハウジングの両端を閉塞する隔壁で支持し、かつ
該中空糸シートの積層体の両側部とハウジング側壁との
間隙を封止し、該ハウジングの上端に中空糸の外部空間
と連通ずる第１の流体の入口または出口を有するヘッド
カバーと、該ハウジングの下端に第１の流体の出口また
は人口を有するヘッドカバーを設け、しかも該ハウジン
グの両側端に中空糸の内部空間と連通ずる第２の流体の
人口と出口を設けるとともに、単位断面積当りの血液流
量が５０ｍ＆／　ｓｉｎ／　ｃｏ＋１のときの圧力損失
をΔＰ、。（ｃｍＨｇ）としたとき、ΔＰｗｏ／Ｔ・Ｉ
・ｎ≦１．０ ただし　ｎ　：　中空糸シートを形成する中空糸、また
は中空糸束中の中空糸の本数 （本） ■　：　積層された中空糸シートの単位厚さ当りの積層
枚数（枚／Ｃ醜） Ｔ　：　中空系シートの積層厚み（Ｃｍ）なる関係をも
つことを特徴とする流体処理装置である。

（作　用） 本発明の流体処理装置は中空糸シートの積層体の両側部
とハウジングの側壁で形成される間隙を封止することに
より、該間隙をショートパスする流体の流れが防止でき
、かつ中空糸シートの積層形状を規定して中空糸の外部
を流れる流体の圧力損失を小さくすることにより中空糸
の揺動が防止できる。

（実施例） 次に本発明の流体処理装置の一実施例を図面にて説明す
る。第１図には本発明の流体処理装置の一例である人工
肺の斜視図が示されている。図面に示すように角筒状の
ハウジングｌ内に、簾状中空糸シートの積層体、例えば
ｔｏｏｏ〜６Ｇ０００本の中空糸２がハウジングｌと平
行に配置されている。中空糸２の両端はハウジングの両
端部で樹脂隔壁３によって液密に支持固定され樹脂隔壁
からその開口を露出している。。同時にこの２つの隔壁
３によってハウジングｌ内に血液室７．７″を形成して
いる。そしてハウジングの上下面にはそれぞれ血液出口
４゛および入口４が設けられている。隔壁３はガス人口
６およびガス出口６′を有するヘッドカバー５によって
それぞれ覆われている。上記へラドカバー５，５゜と樹
脂隔壁３でガス室８が形成される。上記ガス出口６′側
のへラドカバーは必ずしも設ける必要はない。この場合
にはガスは隔壁に埋め込まれた中空糸の端部開口から直
接大気に放出される。

このような外部潅流型の人工肺において、角筒状のハウ
ジング１内に収容される簾状中空糸シートの積層体は、
例えば第２図に示すように平行に配列された１本の中空
糸または複数の中空糸の束１０（以下中空糸という）を
縦糸１１で画状に形成した中空糸ンートを折り畳んで積
層しても、あるいは予め所定の形状に切断された中空糸
シートを一枚づつ積層してもよい。中空糸シートを一枚
づつ積層する場合には隣接する中空糸シートを交互に角
度をもたせて積層することが好ましい。中空糸ｌＯを縦
糸１１で画状に形成するには縦糸で中空糸を編組しても
、あるいは縦糸を中空糸に接着してもよいが、中空糸を
縦糸で編組する方法は画状シートの製作が容品で好まし
い。中空糸を縦糸で画状に編組するにはどのような組み
方を用いても構わないが、縦糸１１が中空糸ｌＯの周り
に編目を形成して各中空糸を一本ずつ縦糸で固定する（
例えば鎖編みなど）と中空糸のずれがなく常に隣接する
中空糸間の隙間を一定に保持することができて好ましい
。

画状に形成される中空糸はガス透過性があればよく、例
えばポリエチレン、ポリ−４−メチルペンテン−１１ポ
リプロピレンなどのポリオ、レフイン系樹脂や、ポリテ
トラフロオロエチレン、ポリスルフォンなどの樹脂を素
材とした多孔質膜、あるいはシリコンゴムなどの均質膜
が用いられる。

ポリオレフィン系樹脂からなる中空糸は膜厚が薄くても
画状に形成した際の中空糸の圧潰や変形が少なく好適で
ある。中でもポリ−４−メチルペンテン−！からなる中
空糸は気体透過係数が大きく、しかも補体活性価が低く
て、血液との親和性にも優れているので好ましい。

画状に形成される一本の中空糸外径（Ｄ）は５０〜２０
００μ、膜厚は３〜５００μである。外径や膜厚がこれ
より小さいと画状に形成するときに折れたり割れたりす
ることがあり、反対にこれより大きいと人工肺としての
コンパクト性が実現し難い。通常外径ＣＤ　）１００〜
５００μ、膜厚６〜１００μの中空糸が好ましく用いら
れる。

中空糸の有効長は通常３〜１０ｃｍである。有効長がこ
れより小さいと人工肺の組立工程での中空糸切断ロスが
大きく、反対にこれより大きいと血液による中空糸の揺
動、中空糸の伸びによるチャンネリングの発生等により
ガス交換効率が低下するとともに人工肺としてのコンパ
クト性が実現し難い。

中空糸は１本または複数本の中空糸の束を一単位の横糸
として譲状に形成される。複数本の中空糸の束を譲状に
形成する場合には３５本以下、好ましくは２４本以下の
中空糸の束が用いられる。３５本以上の中空系の束では
各中空糸が血液と十分に接触できなくなり、ガス交換効
率が低下する恐れがあって好ましくない。通常は１本の
中空糸を横糸として譲状のシートが形成される。この場
合には各中空糸の表面積がほぼ１００％がガス交換に活
用されるだけでなく、縦横の糸によって形成されるほぼ
四角の小さい均一なスリットによって微少な単位で血液
の分割、混合が極めて効率よく行われるためか、小さい
膜面積で予想外に高いガス交換能が達成でき、圧力損失
も小さい。

中空糸を譲状に形成する縦糸は特に限定されないが、例
えばポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリアク
リルニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレンボリアリ
レート、ポリビニルアルコールなどのように細くても強
度の強い糸が用いられる。なかでもマルチフィラメント
よりなる１０〜１５０デニール、好ましくは２５〜７５
デニールのポリエステルやポリアミドのヤーンは適度な
柔らかさと機械的強度を兼ね備えて・いるため、譲状に
加工する際に中空糸を傷つけることがなく好ましく用い
られる。

人工肺などの医療用途に用いる際には、人体への悪影響
を考慮して、縦糸への油剤の使用はできるだけ避けるべ
きであるが、譲状に形成する際などにやむを得ず使用す
る場合には、安全性が確認されているもの、もしくは洗
浄除去が可能な油剤を用いる必要がある。

上記譲状に形成された中空糸シートを所定の枚数に積層
し、積層体の形状が保持されればそのままで、積層体の
形状保持か困難であれば積層体の上下面のどちらか一面
に、多孔板状体などの積層体の形状保持手段を設けた後
、角筒状のハウジング内に収容される。しかしハウジン
グ内に収容された中空糸シートの積層体とハウジングの
側壁にｉＪ！隙が形成されると、血液がこの間隙を流れ
てショートパスし、ガス交換能が低下する。このため、
第１図に示すように間隙９にポリウレタン、シリコーン
、エポキシ樹脂等を充填して封止するか、あるいは積層
体の両側に熱可塑性樹脂フィルム等を貼着し、このフィ
ルムをハウジング側壁に固定して間隙を封止する。中空
糸シートの積層体を収容したハウジングは中空糸の両開
口端を粘度の高い樹脂で目詰めした後、または中空糸の
両開口端をヒートシールや圧潰により閉塞した後、遠心
接着機に装着される。そしてハウジングの両端１１にポ
リウレタン、シリコーン、エポキシ樹脂等を注入して所
定の硬化を行った後樹脂の外端部を切断して中空糸の両
端を開口させる。

上記中空糸の積層体とハウジング側壁で形成される間隙
９を封止すると該間隙を流れる血液のチャンネリングは
防ぐことができるが、血液圧によって中空糸が揺動する
と中空糸の積層体内で血液のチャンネリングが発生する
。かかる積層体内での血液のチャンネリングを防止する
ため血液が接触する中空糸の有効長（Ｌ）と−枚の中空
糸シートの幅（Ｄ）の比が小さいことが望ましい。通常
この比（Ｌ／Ｄ）は２．０以下である。しかし、Ｌ／Ｄ
が小さければ中空糸の揺動が完全に防止されるわけでは
ない。本発明者らは中空糸の揺動防止のだめの最適なパ
ラメータを種々検討した結果、かかる中空糸の揺動は、
中空糸シートの積層厚みＴ（ｃｍ）、単位厚さ当りの積
層枚数■（枚／ｃｓ）、中空糸シートを形成する中空糸
または中空糸束中の中空糸の本数ｎ（本）、膜面積１　
ｃｖ”当りの血液流量が５０ｓＱ／ｗｉｎの時の圧力損
失ΔＰ　ｇｏ（ｇｓ＋Ｈｇ）との間に密接な関係があり
、Ｔおよび／またはＩが増加するにつれて人工肺のガス
交換能は明らかに向上するが、同時に血液側の圧力損失
も増加する。

さらに血液側の圧力損失が増加すると、中空糸の揺動が
起こり、ガス交換能が低下する。したがって中空糸の揺
動を防止してガス交換能の高い人工肺を実現するために
は、 ΔＰ　ｓｏ／　Ｔ　”Ｉ　’　ｎ≦１．０の関係をもた
せる必要があることを見出した。

Δｐｅａ／’ｒ−Ｉ−ｎがこの範囲より大きいと、中空
糸にかかる抵抗が大きすぎて、中空糸の伸びによるチャ
ンネリングや血流による揺動が起る。

本発明において中空糸シートの積層体は、さらにその厚
みＴ　（ｃｍ）が０．５≦Ｔ≦１２，０であることが好
ましい。中空糸シート積層体の厚みは特に圧力損失と関
係するが、これ以上の厚みでは圧力損失が大きくなりす
ぎて、拍動流型ポンプの利用の際に問題になる。またこ
れ以下では装置が薄い平板状になりすぎて、プライミン
グ時のエアー抜き、人工心肺装置との配置、接続性など
の面で取扱が面倒になる。

簾状中空糸シートの縦糸の密度Ｗ（本／ｃｍ）は、高い
物質交換能を有し、かつ滞留やチャンネリングを生じる
事のない、低圧力損失、低プライミングボリュームの人
工肺を再現性良く与えるために０．２≦Ｗ≦４．０ であることが好ましい。

すなわち縦糸の密度Ｗが０．２よりも小さいときには、
縦糸間に納まる中空糸の長さが長いために、その間で中
空糸のたるみが起こり易い。その結果、横糸である中空
糸を実質上一定の間隔で平行に配列するよう規制するこ
とが困難となり、中空糸の分布密度が不均一になり人工
肺として利用する際に流体が中空糸のたるみの多い疎な
ところを多く流れて、高いガス交換能が達成できない恐
れがある。

密度Ｗカ（４，０よりも大きいときには、中空糸は極め
て均一な間隔で平行に規制され、その結果として中空糸
間の間隙を流れる流量は均一化される。

しかしながら縦糸の密度が大きくなるにつれて、縦糸と
中空糸の接触面積が増加し、中空糸膜と血液との接触面
積（有効膜面積）が減少するほか、縦糸と中空糸の接触
部分（織り目）は流体が流れにくいため、物質交換能の
低下と圧力損失の上昇が起こる恐れがある。

さらに横糸である中空糸の長手方向の単位長さあたりの
糸密度Ｆ（本／Ｃ１１）、積層された中空糸シートの単
位厚さあたりの積層枚数■（枚／ｃｍ）は本発明者らの
実験によればＦおよび／またはＩが増加するにつれて、
人工肺のガス交換能は明らかに向上するが、同時に血液
側の圧力損失ら増加する。したがって低圧力損失で高い
ガス交換率の人工肺を実現するためには、 １０’／　（３，ＯＸ　Ｄ　戸≦Ｆ　Ｘ　Ｉ　＜　１０
’／（０，９３Ｘ　Ｄ　）”の関係が存在していること
が好ましい。

ＦＸＩがこの範囲より小さいと物質交換能が低く、また
ＦＸ［がこれ以上だと圧力損失が大きい。

なおこの式でＤは、譲状シートの横糸として１本ずつの
中空糸を用いるときは使用される中空糸の外径（μ）、
複数本の中空糸の束を用いる場合には、所定の本数の中
空糸が圧潰しないように細密に充填した円筒の外径（μ
）を表す。

本発明装置を人工肺として使用する場合にはハウジング
内に形成された血液入口室または血液出口室に熱交換用
のステンレスやアルミニウムなどの金属等のパイプを組
み込んで人工肺と熱交換器を一体化してもよい。

本発明の流体処理装置は上述の人工肺にとどまらず他の
多くの流体の処理に用いられる。例えば、その一つとし
て中空糸を介して異なる２Ｍ類の液体間で物質移動を行
わせる透析等に使用される。

この場合には２種類の液体を中空糸の内部または外部の
どちらに流しても構わない。通常波透析物質を含む、流
体を中空糸内部に流すことが好ましい。

また本発明装置を中空糸を介して気体と液体間で物質移
動を行わせて、液体内へ気体を溶解させたり気体を放出
させるガス交換などの用途に使用される。この場合には
、上記人工肺と同様に気体を中空糸の内部に流し液体を
中空糸の外部に流すことが好ましい。さらに中空糸を介
して異なる２種類の気体間で物質移動を行わせる場合あ
るいは気体または液体に含まれる特定の物質を分離する
気体または液体の濾過、濃縮などにも使用される。

この場合には２種類の気体、あるいは気体または液体は
中空糸の内部または外部のどちらを流しても構わない。

本発明者らは、本発明装置の効果を確認するため以下に
示す種々の実験を行った。

実験例１ 外径２６０μ、内径２１０μのポリ−４メチルペンテン
−１からなる中空糸を１本づつ長さ方向の密度（Ｆ）が
２２本／ｃ＋ａとなるように配列して、縦糸として３０
デニール（１２フイラメント）のポリエステル糸を用い
て密度（Ｗ）が１本／ｃｍとなるように中空糸を譲状に
偏組した中空糸シートを形成した。この中空糸シートを
単位厚さ当りの積層枚数（１）が３６枚／ｃ１１１幅が
４ｃｍとなるように折り畳んで厚さ（Ｔ）３ｃａに積層
した。この積層体のＦＸｒは７９２であり、中空糸の長
幼長は４ｃｍ、有効膜面積は０．２２麿２であった。こ
の積層体を角筒状のハウジング内に収容し、中空糸の両
端をポリウレタン樹脂の隔壁でハウジングに液密に接着
し、かつ、中空糸シートの積層体の両側とハウジングの
側壁に形成された間隙９に樹脂を充填して第１図に示す
人工肺を作製した。

上記人工肺を３７℃に加温された牛血を用いて、酸素と
血液の流量比が１．０になるように血液と純酸素を流し
、人工肺性能評価基準案（日本人工臓器協会）に従って
試験した結果最大ガス流量は５５００　（Ｑ／　ｓｉｎ
／　ｍ’）　、圧力損失は４５　（＋ｕ＋Ｈｇ）でΔＰ
　ｓｏ／　Ｔ　・Ｉ　・ｎは０．２７８であった。

実験例２ 実験例１と同一の中空糸シートを用いて積層厚さ（Ｔ）
を変えた４糧類の人工肺を作製し、実験例１と同一の試
験を行った結果を表−■に示す。その時の中空糸の有効
長は１０ｃ■、積層体の幅は５ｃｍであった。

なお、以下の評価において最大血液流量が２０００（ｍ
（１／分／畷″）以下、または血液流量が１１２／分の
ときの圧力損失が３００　（＋ｕ＋Ｈｇ）以上は実用上
問題があり、本発明の範囲外とし右端に※を記した。

以下余白 実験例３ 縦糸の密度（Ｗ）を変えた４種類の中空糸シートを作製
して、実験例１と同様に積層厚みＴが３Ｃ１１１膜面積
０．２２ｍ”の積層体を形成して、実験例！と同様の人
工肺を作成した。上記人工肺を用いて実験例！と同一の
試験を行った結果を表−２に示す。

試験を行った結果を表−３ に示す。

以下余白 実験例４ 実験例１と同一の中空糸を用い、該中空糸の長さ方向の
密度（Ｆ）を変えて配列して実験例１と同様に縦糸密度
（Ｗ）が１本／ｃｍとなるように練状に偏組した中空糸
シートを形成し、そして該中空糸シートの単位厚さ当り
の積層枚数■を変えて積層厚みＴが４ｃｍの積層体を形
成して、実験例１と同様の人工肺を作成した。そして実
験例１と同一の実験例５ 実験例１に示された中空糸を複数本束ね、かつ中空糸束
の配列を変えて、実験例１と同様に縦糸で偏組した中空
糸シートを作成した。そして積層厚み当りの積層枚数！
を変えて厚さ３ｃｍの積層体を得た。この積層体を用い
て実験例１と同様の人工肺を作製し同様の試験を行った
結果を表−４に示す。

以下余白 実験例６ 中空糸として、外径３６０μ、内径２８０μ、空孔率的
５０％のポリプロピレン多孔性中空糸を１本づつ縦糸で
偏組した中空糸シートの積層体を用い、表−６に示すよ
うに各パラメータを変えた実験例１と同様な４種類の人
工肺を作製し、実施例１と同様な試験を行った結果を表
−５に示す。

以下余白 （発明の効果） 以上のように本発明の液体処理装置は、特に人工肺に適
用した場合と中空糸を介しての単位面積当りの酸素及び
炭酸ガスの交換量が大きく、血液のチャンネリングや滞
留部の発生は殆どなく、人工肺として優れた性能が発揮
できる。また、容易に作製できるため安価で、かつコン
パクトなため体外への血液運搬量が少なくなり、患者の
負担を軽減するという利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の流体処理装置斜視図であり、第２図は
中空糸シ、−トの積層方法を示す斜視図である。 角筒状ハウジング 中空糸 樹脂隔壁 血液入口 血液出口 ヘッドカバー ・・・・・ガス人口 ６°・・・・・ガス出口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　簾状中空糸シートの積層体を、角筒状のハウジング内
   に収容して、該中空糸の両端が開口するようにハウジン
   グの両端を閉塞する隔壁で支持し、かつ該中空糸シート
   の積層体の両側部とハウジング側壁との間隙を封止し、
   該ハウジングの上端に中空糸の外部空間と連通する第１
   の流体の入口または出口を有するヘッドカバーと、該ハ
   ウジングの下端に第１の流体の出口または入口を有する
   ヘッドカバーを設け、しかも該ハウジングの両側端に中
   空糸の内部空間と連通する第２の流体の入口と出口を設
   けるとともに、単位断面積当りの血液流量が５０ｍｌ／
   ｍｉｎ／ｃｍ＾２のときの圧力損失をΔＰ＿５＿０（ｍ
   ｍＨｇ）としたとき、 ΔＰ＿５＿０／Ｔ・Ｉ・ｎ≦１．０ ただしｎ：中空糸シートを形成する中空糸、または中空
   糸束中の中空糸の本数（本） Ｉ：積層された中空糸シートの単位厚さ当りの積層枚数
   （枚／ｃｍ） Ｔ：中空糸シートの積層厚み（ｃｍ） なる関係をもつことを特徴とする流体処理装置。