JPH09234245A

JPH09234245A - 外部灌流型人工肺

Info

Publication number: JPH09234245A
Application number: JP4250096A
Authority: JP
Inventors: Takanori Anazawa; 孝典穴澤
Original assignee: Dainippon Ink and Chemicals Co Ltd
Current assignee: DIC Corp
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 1997-09-09

Abstract

(57)【要約】【解決手段】筒状に束ねられた中空糸膜束がハウジング
中に設けられてなる外部灌流型人工肺であって、該筒状
中空糸束の空洞部の横断面における長径に対する該長径
と直交する短径の比が１．５〜５０であることを特徴と
する外部灌流型人工肺。【効果】血液側の剪断速度や圧力損失が小さいため、溶
血が少なく、ガス交換効率を高くできるなど、人工肺の
設計の自由度が広い。また平行流型人工肺に比べて製造
が容易であり、高精度の人工肺を高い生産性で製造でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は体外循環させた血液
に気体透過性の膜を介して酸素含有流体を接触させ、膜
を通して血液に酸素を供給し、血液から炭酸ガスを除去
する人工肺に関し、血液を中空糸膜の外部に流し、酸素
含有流体を中空糸膜の内部に流す、外部潅流型人工肺に
関する。

【０００２】

【従来の技術】中空糸膜（以下、単に中空糸と称する場
合もある）を使用した人工肺は、血液を中空糸内側に流
す内部灌流型と血液を中空糸外側に流す外部灌流型に分
けられる。ここで、いずれの場合も中空糸膜の血液と反
対の側には酸素含有気体または酸素溶解液体を流す。外
部灌流型は、ガス交換効率が高いため、人工肺のコンパ
クト化によりプライミングボリュームを小さくでき、ま
た、血液と膜との間の剪断速度を低くできるため溶血
（赤血球の破壊）を抑制できる、などの特徴がある。外
部灌流型人工肺には、向流、並流、十字流などの方式が
あるが、化学工学的に最もガス交換効率が高いとされる
十字流式としては、管壁に多数の孔の開いた円筒形の芯
管の回りに、同心円状の筒状に中空糸束を配し、芯管の
口から人工肺に導入された血液は芯管壁の孔から流出
し、中空糸の間隙を放射状に外向きに流れて中空糸束の
外部へ出、ハウジングの接続口より人工肺外へ流出する
（またはその逆に、ハウジングに導入された血液は中空
糸束の外部から中空糸束に入り、中空糸の隙間を流れ
て、芯管壁の孔から芯管に入り、芯管の口から人工肺外
へ流出する）タイプ（以下、同心円タイプと称する）
（例えば、特開昭５８−１５５８６２）と、板状やブロ
ック状の中空糸束の中空糸の間隙を血液が一方向へ平行
に流れるタイプ（以下、平行流タイプと称する）が知ら
れていた（例えば特開平１−１０４２７１）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】同心円タイプの人工肺
は製造が容易でガス交換の効率も高いが、溶血が生じ易
く、溶血を生じないための運転条件の許容範囲が狭く、
このため人工肺の膜面積当りのガス交換量が低いという
問題があった。また血液側の圧力損失も大きいという欠
点があった。本発明者等は、これらの原因について検討
した結果、同心円タイプの十字流外部還流型人工肺にお
いては、芯管付近における血液の流速（従って、中空糸
膜との間の剪断速度）が外周部付近に比べて速く、これ
が上記の問題の原因であることを見いだした。例えば、
一般に膜を介してのガス交換効率は、血液の中空糸膜と
の間の剪断速度が高くなるほど高くなる。一方、剪断速
度が過剰に高くなると溶血が生じる。同心円タイプの人
工肺においては、ガス交換効率の向上を目指して人工肺
の血液剪断速度を高くすると、芯管付近の剪断速度が過
剰に高くなり溶血を招いていた。一方、平行流タイプは
このような欠点が無い代わりに、中空糸束とハウジング
との接触部において血液のショートパスが生じ易いた
め、該接触部への樹脂充填などの製造工程が必要な上、
中空糸束が中空糸シートの積層による場合には、高密度
に充填することが難しいなど、製造上の困難を有してい
た。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記考察に鑑
み鋭意検討した結果、同心円タイプの欠点を除去し、し
かも同心円タイプの製造の容易さを維持した人工肺構造
を見いだし、本発明に到達した。即ち本発明は、１．筒状に束ねられた中空糸膜束がハウジング中に設
けられてなる外部灌流型人工肺であって、該筒状中空糸
束の空洞部の横断面における長径に対する該長径と直交
する短径の比が１．５〜５０であることを特徴とする外
部灌流型人工肺、２．筒状中空糸束の空洞部に、管壁に多数の孔が開い
た芯管を有する上記１記載の人工肺、３．短径が、０．３〜２ｃｍである上記１又は２記載
の人工肺、４．長径に対する該長径と直交する短径の比が、２〜
２０である上記１、２又は３記載の人工肺、５．筒状中空糸束が、中空糸膜の編組体である上記１
〜４のいずれか１つに記載の人工肺、６．中空糸膜の編組体が、中空糸膜同士または中空糸
膜と他の糸条とで構成されたシート状物を筒状に巻いた
物である上記５記載の人工肺、および、７．中空糸膜の編組体が、中空糸膜と他の糸条とで構
成された簾状シートを筒状に巻いた物である上記５記載
の人工肺にある。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明の人工肺は筒状に束ねられ
た中空糸膜束（以下筒状中空糸束と称する）がハウジン
グ中に設けられたものであり、筒状中空糸束の中央には
中空糸膜が充填されていない部分、即ち空洞部を有す
る。本発明の人工肺の特徴は、筒状中空糸束の中央にあ
る空洞部の横断面（以下横断面を単に断面と記述する）
形状が偏平であることにあり、該空洞部の断面における
長径に対する該長径と直交する短径の比が１．５〜５０
である（以下この比を長径に対する短径の比と称す
る。）。ここでいう長径とは、空洞部の断面における最
も長い径を表わし、短径とは、該長径と直交する径のな
かで最も長い径を表す。本発明の人工肺において、長径
に対する短径の比は２〜２０が好ましく、３〜１０がさ
らに好ましい。空洞部の長径に対する短径の比が過小で
あると、同心円タイプと同じ欠点が発生するし、長径に
対する短径の比が過大であると、中空糸束空洞部や芯管
の加工精度の要求水準の増加や中空糸束を均一に充填す
る上での困難などの製造上の困難が生じる。

【０００６】筒状中空糸束の空洞部の断面形状は、長径
に対する短径の比が上記範囲内であれば任意であり、例
えば楕円、矩形、角を丸めた矩形、瓢箪型、菱形、三角
形その他の複雑な形状などであり得るが、楕円、矩形、
または角を丸めた矩形が、性能、コンパクトさ、製造の
容易さなどの面で好ましい。角を丸めた矩形は、短辺が
実質的に半円となるよう丸めた物であることが、本発明
の効果を発揮し、かつ血液の滞留に起因する凝血も生じ
にくいため好ましい。また、空洞部の寸法は設計すべき
人工肺の大きさ（即ち処理容量）により任意の値を選定
できるが、筒状中空糸束の空洞部断面の短径が０．３〜
２ｃｍであることが好ましく、０．５〜１ｃｍがより好
ましい。これより大きいとプライミングボリュームの増
加を招くし、小さいと製造が困難となる。筒状の中空糸
束の厚みについても任意であり、設計すべき人工肺の要
求特性によって任意の値を選定できるが、１〜１０ｃｍ
が好ましく、２〜５ｃｍがより好ましい。また、該厚み
の均一性についても任意であるが、筒状中空糸束のいず
れの部分においても厚みがほぼ等しいことが性能上好ま
しい。

【０００７】筒状の中空糸束における中空糸の充填形態
は任意である。中空糸束は多数の中空糸をほぼ平行に筒
状に束ねただけのものでも良いが、中空糸間隔を均一に
保って血液流路のショートパスを防止するために、中空
糸同士または中空糸と他の糸条とで構成された編組体で
あることがより好ましい。中空糸編組体の形状、様式は
任意であり、例えば中空糸の綾巻きにより構成されたも
の、中空糸同士の平織りや朱珠織り等により構成された
シート状物の積層体、中空糸と他の糸条とで構成された
簾状シートの積層体等が好ましく挙げられる。これらの
中で、中空糸の充填密度を高くしてコンパクトにするこ
とができ、また製造も容易であるため、シート状物の積
層体であることが好ましく、簾状シートの積層体である
ことがより好ましい。特にシート状物を筒状に巻いた構
造が製造が容易であり好ましい。簾状シートは、例えば
中空糸を緯糸とし、他の糸条を経糸として、編み、織
り、接着などにより製造することができる。また、本発
明の人工肺は、筒状中空糸束の内面および／または外面
を網などで被ったり、糸状物で縛るなどにより筒状中空
糸束の形状を固定することも好ましい。また、接着や融
着により中空糸同士の相互位置を固定することも好まし
い。

【０００８】人工肺の血液側剪断速度や圧力損失は、筒
状中空糸束の形状により変えることができる。例えば、
筒状中空糸束の周長を増すと剪断速度や圧力損失は低下
し、筒状中空糸束の厚みを増すと圧力損失は増加する。
また、中空糸の充填密度を増すとこれらの値は増加す
る。試行により、上記の寸法範囲内で、ガス交換能力と
剪断速度や圧力損失のバランスの最適値を求めることが
できる。

【０００９】本発明の人工肺は、筒状中空糸束の空洞部
に、管壁に多数の孔が開いた芯管を有する事が好まし
い。芯管の断面形状は任意であるが、単数または複数の
円、単数または複数の矩形、角を丸めた矩形であること
が好ましい。角を丸めた矩形は、短辺が実質的に半円と
なる様に丸めたものであることが好ましい。芯管は又、
複数の管の集合体であったり、芯管内側に部分的または
全面的に補強壁を有する物であることも、芯管断面形状
の安定性を増す上で好ましい。

【００１０】芯管と筒状中空糸束との間には部分的また
は全面的に空隙が有ってもよいし、芯管と筒状中空糸束
の内側境界面は全面的にまたは部分的に接していてもよ
い。また、芯管と筒状中空糸束との間に不織布や網など
を設置することも可能である。芯管と筒状中空糸束は、
直接または不織布や網を隔てて全面的に接触しているこ
とが好ましい。芯管の壁に穿たれている孔の形状、径、
数は任意であるが、人工肺の血液設定流量における剪断
速度や圧力損失を勘案して決定できる。芯管は焼結体の
ような多孔質体や網状のものであってもよい。芯管の一
部には配管接続口が設けられる。人工肺が芯管を有さな
い場合には、筒状の中空糸束の空洞部に直接、配管接続
口を設ける事ができる。

【００１１】本発明の人工肺で用いられる中空糸膜は、
気体は透過するが血液成分は透過しない膜であれば、素
材、膜形態、膜形状等は任意であり、従来、中空糸膜型
人工肺で用いられている膜が使用できる。例えば膜素材
としては、ポリプロピレン、ポリ−４−メチルペンテン
−１等のポリオレフィン系樹脂、ポリジメチルシロキサ
ン、その共重合体等のシリコン系樹脂、ＰＴＦＥ、フッ
化ビニリデン等のフッ素系樹脂等が挙げられ、膜形態と
しては、多孔質膜、不均質膜、複合膜、均質膜等が挙げ
られる。膜形状としては、中空糸外径は０．０５〜５ｍ
ｍで有り得る。また、中空糸束における中空糸の充填率
（単位断面積に中空糸が占める面積比）は２０〜７５
％、中空糸間隙は０．０５〜３ｍｍであり得る。本人工
肺に係るその他の寸法、形状は任意である。

【００１２】本発明の人工肺は、上述のような中空糸膜
束を、ハウジング中に設けたものである。ハウジングと
しては、外部灌流型として一般的に用いられているもの
を用いることができる。ハウジングの断面形状は筒状中
空糸束の外側形状と必ずしも相似形である必要はない
が、デッドボリュームの少ない構造が好ましい。人工肺
の外寸は、短辺２〜１５ｃｍ、長辺５〜３０ｃｍ、長さ
１０〜５０ｃｍであり得る。

【００１３】以下に、本発明の人工肺について実施例で
用いる図２〜４の構造の例でより具体的に説明する。ハ
ウジング（６）内に中空糸（１）が筒状の束にして設置
されており、ハウジング（６）にはハウジングの内外を
連絡する配管接続口（１３）が設けられている。また、
既知の外部灌流型人工肺と同様に、中空糸の内側に通じ
る空間と外側に通じる空間とを隔てるべく、筒状中空糸
束はその端部において、中空糸間に樹脂が気密に充填さ
れている（７、７’）。さらに、芯管と筒状中空糸束、
および該中空糸束とハウジング（６）間も中空糸束端部
において任意の方法により気密に封止されている（７、
７’）。封止方法は、例えば樹脂充填、接着、オーリン
グやパッキン、嵌合により実施できる。即ち、本人工肺
は、筒状中空糸束の空洞部の一端に設けられた配管接続
口（８）から筒状中空糸束の空洞部（１４）に導入され
た血液が、中空糸（１）の隙を流れて中空糸束の外部へ
出、中空糸束とハウジング（６）との間を流れてハウジ
ング（６）の管接続口（１３）から流出すべく、または
その逆に、ハウジング（６）の配管接続口（１３）から
導入された血液が中空糸束の外表面から中空糸束に入
り、中空糸（１）の間隙を流れて、中空糸束の空洞部
（１４）に入り、空洞部に接続された配管接続口（８）
から流出すべく構成されている。人工肺が芯管（４）を
有する場合には、芯管（４）に設けられた配管接続口
（８）から導入された血液が芯管（４）に設けられた多
数の穴（３）から筒状中空糸束の空洞部（１４）に入る
べく、またはその逆に、筒状中空糸束の空洞部（１４）
から、芯管（４）の管壁に設けられた多数の穴（３）か
ら芯管（４）に入り、芯管（４）に接続された配管接続
口（８）から外部に流出すべく構成されている。空洞部
（１４）は扁平であり、空洞部（１４）の断面における
長径（１５）に対する、該長径と直交する短径（１６）
の比は１．５〜５０である。

【００１４】一方、中空糸（１）の内側には酸素を含有
する流体、好ましくは酸素を含有する気体が中空糸の一
方の端から他の端へ流せるように構成されている。即
ち、中空糸束の両端部に於て、それぞれキャップ（９、
１０）が装着されており、中空糸の内側に通じる空間に
配管接続口（１１、１２）が設けられている。

【００１５】

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに具体的に
説明する。［実施例１］（人工肺の製作）外径０．２３ｍｍ、酸素透過速度１×
１０^-4［ｃｍ³／ｃｍ²・ｓ・ｃｍＨｇ］の外表面に非多
孔層を有するポリ（４−メチル−１−ペンテン）製の不
均質中空糸膜（１）を緯糸とし、ポリエステル糸（２）
を経糸として編むことにより、図１に示されたような、
編み密度２６本／ｃｍの簾状シートを作製した。次い
で、図２〜図４に示した人工肺を作製した。即ち、断面
の外径が、短辺８ｍｍ、長辺４０ｍｍの、短辺が半円に
なるように角を丸めた矩形で、管壁に直径３ｍｍの多数
の孔（３）が穿たれたポリカーボネート製の芯管（４）
の周りに、中空糸膜（１）の簾状シートを厚さ約２５ｍ
ｍだけ巻きつけ、その周囲に約１２メッシュのポリエチ
レン製の網（５）を巻いた。使用された中空糸は２４０
００本であった。これを断面が、短辺が実質的に半円で
あるように角を丸めた矩形であり、内径が６２×９４ｍ
ｍ、長さが１００ｍｍのポリカーボネート製のハウジン
グ（６）に装填し、ハウジングの両端部各１６ｍｍの厚
みにウレタン樹脂を充填することにより、この部分に於
て、中空糸間、中空糸束と芯管（４）の間、および中空
糸束とハウジング（６）の間を気密に封止（７）した。
芯管（４）の一方の口には配管接続口（８）を設けた。
芯管（４）の他方の口は樹脂にて密閉した。中空糸束の
両端部にはそれぞれキャップ（９、１０）を装着した。
キャップにはそれぞれ配管接続口（１１、１２）が設け
られており、ハウジングにも配管接続口（１３）が設け
られている。この人工肺の実効膜面積（中空糸外表面基
準）は１．２ｍ²であった。また、中空糸束の空洞部の
長径と短径の比は、５．１である。

【００１６】（測定）新鮮ヘパリン添加牛血を用い、温
度３６℃、ヘモグロビン含量１２０ｇ／ｌ、酸素飽和度
６５％、炭酸ガス分圧６．０ｋＰａ（４５ｍｍＨｇ）の
標準静脈血を調製し、これを、本人工肺の芯管に通じる
配管接続口（８）に導入し、ハウジングに設けられた配
管接続口（１３）より流出させ、一方、キャップに設け
られた配管接続口１１から１２へ、９９．９９％の酸素
ガスを血液流量と同じ量（Ｖ／Ｑ比１．０）だけ流し
た。血流量および酸素流量を変化させたところ、配管接
続口（１３）より流出する血液の酸素飽和度が９５％に
なる血流量（最大血流量）は、６２００ｍｌ／分であっ
た。また血液流量６０００ｍｌ／分の時の、配管接続口
（８）と配管接続口（１３）との間の圧力差（即ち、人
工肺の圧力損失）は８．８ｋＰａ（６６ｍｍＨｇ）であ
った。

【００１７】［実施例２］芯管の断面寸法（外寸）が短
径８ｍｍ、長径２０ｍｍであること、ハウジング寸法
（内寸）が６２×７４ｍｍであること、中空糸本数が２
１１００本であること、およびハウジング長さが１１０
ｍｍであること以外は実施例１と同様の、実効膜面積が
１．２ｍ²の人工肺を作成した。この人工肺を用いて、
実施例１と同様の試験を行ったところ、最大血流量は６
１００ｍｌ／分であり、また血液流量６０００ｍｌ／分
の時の圧力損失は１６．９ｋＰａ（１２７ｍｍＨｇ）で
あった。

【００１８】［比較例１］芯管として外径８ｍｍのポリ
カーボネート製の円管を使用したこと、ハウジングが内
径６２ｍｍの円筒であること、中空糸充填本数が１４８
００本であること、およびハウジング長さが１４３ｍｍ
であるこ以外は、実施例１と同様の、実効膜面積が１．
２ｍ²の同心円型人工肺を作製した。この人工肺を用い
て、実施例１と同様の試験を行ったところ、最大血流量
は６０００ｍｌ／分、また血液流量６０００ｍｌ／分の
時の圧力損失は２９．１ｋＰａ（２１８ｍｍＨｇ）であ
った。

【００１９】

【発明の効果】筒状中空糸束の空洞部断面が円である人
工肺に比べると、大部分の中空糸膜の稼働条件がほぼ同
等であり、血液側の剪断速度や圧力損失が小さいため、
溶血が少なく、ガス交換効率を高くできるなど、人工肺
の設計の自由度が広い。また平行流型人工肺に比べて製
造が容易であり、高精度の人工肺を高い生産性で製造で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１で使用する中空糸の簾状シートの見取
り図である。

【図２】実施例１で作製する人工肺の正面図（右下
図）、平面図（右上図）及び側面図（左下図）である。

【図３】図２におけるＡ部断面図である。

【図４】図２におけるＢ部断面図である。

【符号の説明】

１中空糸膜２ポリエステル糸３孔４芯管５網６ハウジング７、７’ 封止部８芯管の配管接続口９キャップ１０キャップ１１キャップの配管接続口１２キャップの配管接続口１３ハウジングの配管接続口１４空洞部１５長径１６短径

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒状に束ねられた中空糸膜束がハウジン
グ中に設けられてなる外部灌流型人工肺であって、該筒
状中空糸束の空洞部の横断面における長径に対する該長
径と直交する短径の比が１．５〜５０であることを特徴
とする外部灌流型人工肺。
【請求項２】筒状中空糸束の空洞部に、管壁に多数の
孔が開いた芯管を有する請求項１記載の人工肺。
【請求項３】短径が、０．３〜２ｃｍである請求項１
又は２記載の人工肺。
【請求項４】長径に対する該長径と直交する短径の比
が、３〜１０である請求項１、２又は３記載の人工肺。
【請求項５】筒状中空糸束が、中空糸膜の編組体であ
る請求項１〜４のいずれか１つに記載の人工肺。
【請求項６】中空糸膜の編組体が、中空糸膜同士また
は中空糸膜と他の糸条とで構成されたシート状物を筒状
に巻いた物である請求項５記載の人工肺。
【請求項７】中空糸膜の編組体が、中空糸膜と他の糸
条とで構成された簾状シートを筒状に巻いた物である請
求項５記載の人工肺。