JP2006304827A - 血液浄化器 - Google Patents

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Abstract

【課題】血液適合性および選択透過性に優れ分離特性のバランスが良く、かつ血液接触使用時の性能保持性安定性の高い血液浄化器を提供する。
【解決手段】主としてポリスルホン系高分子とポリビニルピロリドン(PVP)よりなり、0.1〜1.2μmのスキン層を有し、外表面最表層のPVPの含有量が25〜50質量%で、(外表面最表層のPVPの含有量)/(内表面最表層のPVPの含有量)≧1.1である選択透過性中空糸膜を用いて作製されてなる血液浄化器であって、下記特性を同時に満足する血液浄化器。(1)37℃の特定牛血液を特定流量で流したとき、15分後のアルブミンの篩い係数[A]が0.01以上0.1以下であること。(2)2時間後のアルブミンの篩い係数[B]が0.005以上0.04未満であること。(3)中空糸膜に特定牛血液を封入し、等張液に10分間浸漬した後の該封入血に凝固および凝固に起因する中空糸膜のつまりを生じないこと。
【選択図】なし

Description

本発明は、体外循環による血中老廃物の除去を目的とした血液浄化器に関する。
腎不全治療などにおける血液浄化療法では、血液中の尿毒素、老廃物を除去する目的で、天然素材であるセルロース、またその誘導体であるセルロースジアセテート、セルローストリアセテート、合成高分子としてはポリスルホン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリルなどの高分子を用いた透析膜や限外濾過膜を分離材として用いた血液透析器、血液濾過器あるいは血液透析濾過器などのモジュールが広く使用されている。特に中空糸型の膜を分離材として用いたモジュールは体外循環血液量の低減、血中の物質除去効率の高さ、さらにモジュール生産時の生産性などの利点から透析器分野での重要度が高い。
上記した膜素材の中で透析技術の進歩に最も合致したものとして透水性能が高いポリスルホン系樹脂が注目されている。しかし、ポリスルホン単体で半透膜を作った場合は、ポリスルホン系樹脂が疎水性であるために血液との親和性に乏しく、エアーロック現象を起こしてしまうため、そのまま血液処理用などに用いることはできない。
上記した課題の解決方法として、ポリスルホン系樹脂に親水性ポリマーを配合し製膜することにより、膜に親水性を付与する方法が提案されている。例えば、ポリエチレングリコール等の多価アルコールを配合する方法が開示されている(例えば、特許文献1,2参照)。
特開昭61−232860号公報 特開昭58−114702号公報
また、ポリビニルピロリドンを配合する方法が開示されている(例えば、特許文献3,4参照)。
特公平5−54373号公報 特公平6−75667号公報
特に、後者のポリビニルピロリドンを用いた方法が安全性や経済性の点より注目されており、該方法により上記した課題は解決される。しかしながら、ポリビニルピロリドンを配合することによる親水性化技術に於いては、透析時にポリビニルピロリドンが溶出し浄化された血液に混入するという課題が発生する。該ポリビニルピロリドンの溶出が多くなると人体に取り異物であるポリビニルピロリドンの長期透析時の体内蓄積が増え副作用や合併症等を引き起こす可能性がある。そこで、ポリビニルピロリドンの溶出量は、透析型人工腎臓装置製造承認基準により定められている。該透析型人工腎臓装置製造承認基準においては、ポリビニルピロリドン等の溶出量はUV吸光度で定量されている。該透析型人工腎臓装置製造承認基準で溶出量制御の効果を判定した技術が開示されている(例えば、特許文献5〜7参照)。
特許第3314861号公報 特開平6−165926号公報 特開2000−350926号公報
上記方法により上記の課題は解決される。しかしながら、ポリビニルピロリドンを配合することによる親水性化技術に於いては、血液と接触する膜内面(内表面と称する)および反対面の膜外面(外表面と称する)に存在するポリビニルピロリドンの含有量により選択透過性中空糸膜の膜性能が大きく影響し、その最適化が重要となる。例えば、膜内面のポリビニルピロリドン含有量を高めることにより血液適合性を確保できるが、該表面含有量が高くなりすぎると該ポリビニルピロリドンの血液への溶出量が増加し、この溶出するポリビニルピロリドンの蓄積により長期透析時の副作用や合併症が起こるので好ましくない。
一方、反対面の外表面に存在するポリビニルピロリドンの含有量が高すぎると、透析液に含まれる親水性の高いエンドトキシン(内毒系)が血液側へ浸入する可能性が高まり、発熱等の副作用を引き起こすことに繋がるとか、膜を乾燥させた時に外表面に存在するポリビニルピロリドンが介在し中空糸膜同士がくっつき(固着)し、モジュール組み立て性が悪化する等の新たな課題が引き起こされる。逆に、外表面に存在するポリビニルピロリドン量を低くすることは、エンドトキシンの血液側への浸入を抑える点では好ましいことであるが、外表面の親水性が低くなるため、モジュール組み立て後に組み立てのために乾燥した中空糸膜を湿潤状態に戻す際に、湿潤のために用いる生理食塩水との馴染みが低くなるので、該湿潤操作の折の空気の追い出し性であるプライミング性が低下するという課題の発生に繋がるので好ましくない。
上記した課題解決の方策として、選択透過性中空糸膜の内表面の緻密層に存在するポリビニルピロリドンの含有量を特定範囲とし、かつ内表面の上記緻密層に存在するポリビニルピロリドンの含有量が外表面に存在するポリビニルピロリドンの含有量の少なくとも1.1倍以上にする方法が開示されている(特許文献5参照)。すなわち、上記技術は内表面の緻密層表面に存在するポリビニルピロリドンの含有量を高め血液適合性を改善し、逆に外表面に存在するポリビニルピロリドンの含有量を低くし、膜を乾燥させた時に発生する中空糸膜同士の固着の発生を抑える思想の技術である。本技術により固着発生の課題に加え、上記した課題の一つである透析液に含まれるエンドトキシン(内毒系)が血液側へ浸入する課題も改善されるが、外表面に存在するポリビニルピロリドンの含有量が低く過ぎるために前記したもう一つの課題であるプライミング性が低下すると言う課題の発生に繋がるという問題が残されておりその改善が必要である。
また、赤外線吸収法で定量された表面近傍のポリビニルピロリドンの選択透過性中空糸膜の内表面、外表面および膜中間部におけるポリビニルピロリドンの含有量が特定化することにより、前記した課題の一つである透析液に含まれるエンドトキシン(内毒系)が血液側へ浸入する課題を改善する方法が開示されている(例えば、特許文献8参照)。該技術により上記課題の一つは改善されるが、例えば、前記技術と同様に、プライミング性が低下すると言う課題が解決されないし、また、該技術で得られた選択透過性中空糸膜は膜外表面の開孔率が25%以上と高くなるので膜強度が低くなり血液リーク等の課題に繋がるという問題を有している。
特開2001−38170号公報
さらに、選択透過性中空糸膜の内表面のポリビニルピロリドンの表面含有量を特定化することにより、血液適合性とポリビニルピロリドンの血液への溶出量を改善する方法が開示されている(例えば、特許文献9〜11参照)。
特開平6−296686号公報 特開平11−309355号公報 特開2000−157852号公報
上記技術は、いずれもが中空糸膜の反対面の外表面のポリビニルピロリドンの含有量に関しては全く言及されておらず、前記した外表面のポリビニルピロリドンの含有量による課題の全てを改善できてはいない。
上記した課題の内、エンドトキシン(内毒系)が血液側へ浸入する課題に関しては、エンドトキシンが、その分子中に疎水性部分を有しており、疎水性材料へ吸着しやすいという特性を利用した方法が開示されている(例えば、特許文献12参照)。すなわち、中空糸膜の外表面における疎水性高分子に対するポリビニルピロリドンの比率を5〜25%にすることにより達成できる。確かに、該方法はエンドトキシンの血液側への浸入を抑える方法としては好ましい方法ではあるが、この特性を付与するには、膜の外表面に存在するポリビニルピロリドンを洗浄で除去する必要があり、この洗浄に多大の処理時間を要し、経済的に不利である。例えば、上記した特許の実施例では、60℃の温水によるシャワー洗浄および110℃の熱水での洗浄をそれぞれ1時間づつ掛けて行われている。
特開2000−254222号公報
また、外表面に存在するポリビニルピロリドン量を低くすることは、エンドトキシンの血液側への浸入を抑える点では好ましいことであるが、外表面の親水性が低くなるため、モジュール組み立て後に組み立てのために乾燥した中空糸膜を湿潤状態に戻す際に、湿潤のために用いる生理食塩水との馴染みが低くなるので、該湿潤操作の折の空気の追い出し性であるプライミング性が低下すると言う課題の発生に繋がるので好ましくない。この点を改良する方法として、例えばグリセリン等の親水性化合物を配合する方法が開示されている(例えば、特許文献13、14参照)。しかし、該方法は親水性化合物が透析時の異物として働き、かつ該親水性化合物は光劣化等の劣化を受けやすいため、モジュールの保存安定性等に悪影響をおよぼす等の課題に繋がる。また、モジュール組み立てにおいて中空糸膜をモジュールに固定する時の接着剤の接着阻害を引き起こすという課題もある。
特開2001−190934号公報 特許第3193262号公報
一方、膜の外表面の開孔率や孔面積を特定値化した膜が開示されている(例えば、特許文献15参照)。
特開2000−140589号公報
また内表面のポリビニルピロリドン含有量は、選択透過性中空糸膜の分離の選択性に関しても大きな影響を与える。すなわち、慢性腎不全患者の血液処理法に関しては有効蛋白質であるアルブミンの漏れは最小限に抑えつつ、その他の低分子蛋白を積極的に除去する必要がある。例えば、アルブミンの透過率が0.5〜0.0001%であるポリスルホン系選択分離膜に関する技術が開示されている(特許文献16参照)。確かに、該特許文献の技術はアルブミンの透過率が極めて低いレベルに抑えられている点では優れた技術であるが、該技術で得られた選択透過性中空糸膜は、例えばα1−マイクログロブリンの除去率が低いという課題がある。近年、長期透析患者の増加に伴う透析合併症が注目されており尿素、尿酸、クレアチニンなどの低分子量物質だけでなく、分子量5000ダルトン前後の中分子量領域から分子量一万ダルトン以上の低分子量蛋白まで除去対象が広がっている。血中に存在するα1−マイクログロブリンに代表される分子量3万程度の尿毒症物質を効率よく除去できることが求められているが、特許文献16の技術は蛋白質分離の選択性が劣るので、この要求には答えることが出来ない。一方、卵白アルブミンの篩い係数が0.2以上のポリスルホン系選択分離膜に関する技術が開示されている(特許文献17参照)。該特許文献で得られた選択透過性中空糸膜は尿毒症物質を効率よく除去できる点では有効である。また、有効蛋白質の除去率との選択透過性がよいことや、血液適合性にも優れていることが記述されているが、該効果に関しての詳細については言及されていない。さらに、血液浄化器としての実用性において重要な特性である、血液透析の実施における経時によるこれらの特性変化、すなわち経時安定性に関しては全く言及されていない。従って、アルブミンとα1−マイクログロブリンの両者の除去バランスや血液適合性の付与およびこれらの特性の経時安定性が改善された選択透過性中空糸膜の開発が強く嘱望されている。
特開平11−309356号公報 特開平7−289863号公報
上記課題の一つである血液適合性に関しては、血液接触表面の凹凸を制御することによって向上させる技術が開示されている(特許文献18、19参照)。これらの技術においては表面の凹凸はいずれも白色干渉顕微鏡によって測定された値から規定されている。特許文献1では血小板の粘着として、10-6個/cm2−膜面積以下であるのが好ましいとされている。この特性を持つ膜は、本発明における血小板保持率(詳細については後述する)がほぼ100%と概算される。しかしながら、極端に血小板保持率が高い膜では、膜との接触によって活性化された血小板が血液中に放出され、これが引き金となって体内の循環血液全体の活性化を招き、結果として生体適合性悪化の原因となることが考えられ、むしろ好ましくない。従って、表面の物理的な性状の制御は血液適合性向上のひとつの手法として有効であると考えられるが、生体にとって本質的に異物である材料を使用している以上、このアプローチのみでは十分な血液適合性は望めない場合がある。
特開2000−126286号公報 特開平11−309353号公報
本発明は、血液適合性および選択透過性に優れ分離特性のバランスが良く、かつ血液接触使用時の性能保持性安定性の高い血液浄化器を提供することにある。
本発明は上記課題を解決するため、鋭意研究した結果、遂に本発明を完成するに到った。即ち本発明は、主としてポリスルホン系高分子とポリビニルピロリドンよりなり、0.1〜1.2μmのスキン層を有し、外表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量が25〜50質量%で、(外表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量)/(内表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量)≧1.1である選択透過性中空糸膜を用いて作製されてなる血液浄化器であって、下記特性を同時に満足することを特徴とする血液浄化器である。
(1)ヘマトクリット30%、総タンパク濃度6〜7g/dl、クエン酸ナトリウムを添加した37℃の牛血液を200ml/分、濾過流量20ml/分で流したとき、15分後のアルブミンの篩い係数[A]が0.01以上0.1以下であること。
(2)2時間後のアルブミンの篩い係数[B]が0.005以上0.04未満であること。
(3)中空糸膜の内腔にクエン酸加牛血液を封入し、カルシウムを含有する等張液に10分間浸漬した後の該封入血に凝固および凝固に起因する中空糸膜のつまりを生じないこと。
この場合において、2時間後のアルブミンの篩い係数[B]が15分後のアルブミンの篩い係数[A]より小さいことが好ましい。
また、この場合において、15分後のアルブミンの篩い係数[A]と2時間後のアルブミンの篩い係数[B]の関係が下記式を満足することが好ましい。
[B]/[A]=0.1〜0.4
また、この場合において、中空糸膜の内表面側の表面の最大突起高さ(PV値)が0.5μm以下であることが好ましい。
また、この場合において、選択透過性中空糸膜の膜厚が25〜50μmであることが好ましい。
また、この場合において、選択透過性中空糸膜における外表面の開孔率が20〜35%であることが好ましい。
本発明の血液浄化器は、選択透過性に優れ分離特性のバランスが良く、かつ本発明の血液浄化器に充填されている選択透過性中空糸膜は、内表面(血液接触側表面)の表面粗さや荷電状態や親水性−疎水性バランス等の尺度であるカチオン性染料吸着率が最適化されており、血液灌流時の血小板保持率が所定範囲にあることで、血液適合性が高レベルで実現されている。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の血液浄化器に用いられる選択透過性中空糸膜は、ポリビニルピロリドンを含有するポリスルホン系樹脂で構成されているところに特徴を有する。本発明におけるポリスルホン系樹脂とは、スルホン結合を有する樹脂の総称であり特に限定されないが、例を挙げると
Figure 2006304827
Figure 2006304827
で示される繰り返し単位をもつポリスルホン樹脂やポリエーテルスルホン樹脂がポリスルホン系樹脂として広く市販されており、入手も容易なため好ましい。
本発明に用いられるポリビニルピロリドンは、N−ビニルピロリドンをビニル重合させた水溶性の高分子化合物であり、例えばBASF社より「コリドン」、ISP社より「プラスドン」、第一工業製薬社より「ピッツコール」の商品名で市販されており、それぞれ各種の分子量の製品がある。一般には、親水性の付与効率では低分子量のものが、一方、溶出量を低くする観点では高分子量のものを用いるのが好適であるが、最終製品の中空糸膜の要求特性に合わせて適宜選択される。単一の分子量のものを用いても良いし、分子量の異なる製品を2種以上混合して用いても良い。また、市販の製品を精製し、例えば分子量分布をシャープにしたものを用いても良い。ポリビニルピロリドンの分子量としては質量平均分子量10,000〜1,500,000のものを用いることができる。具体的には、例えばBASF社より市販されている分子量9,000のもの(K17)、以下同様に45,000(K30)、450,000(K60)、900,000(K80)、1,200,000(K90)を用いるのが好ましく、目的とする用途、特性、構造を得るために、それぞれ単独で用いてもよく、適宜2種以上を組み合わせて用いても良い。
本発明の選択透過性中空糸膜は、ポリビニルピロリドンとして過酸化水素含有量が300ppm以下のものを用いて製造することが好ましい。250ppm以下がより好ましく、200ppm以下がさらに好ましく、150ppm以下がよりさらに好ましい。原料として用いるポリビニルピロリドン中の該過酸化水素含有量を300ppm以下にすることは、選択透過性中空糸膜中の過酸化水素溶出量を5ppm以下に安定させる第一の要素であり、選択透過性中空糸膜の品質安定化が達成できるので好ましい。
上記した原料として用いるポリビニルピロリドン中に含有される過酸化水素は、ポリビニルピロリドンの酸化劣化の過程で発生すると推定される。従って、過酸化水素含有量を300ppm以下にするには、ポリビニルピロリドンの製造工程でポリビニルピロリドンの酸化劣化を抑える方策をとることが有効である。また、ポリビニルピロリドンの搬送や保存時の劣化を抑える手段を取る事も有効であり推奨される。例えば、アルミ箔ラミネート袋を用いて、遮光し、かつ窒素ガス等の不活性ガスで封入するとか、脱酸素剤を併せて封入し保存することが好ましい実施態様である。また、該包装体を開封し小分けする場合の計量や仕込みは不活性ガス置換をして行い、かつその保存についても上記の対策を取るのが好ましい。また、中空糸膜の製造工程においても、原料供給系での供給タンク等を不活性ガス置換する等の手段をとることも好ましい実施態様として推奨される。また、再結晶法や抽出法で過酸化水素量を低下させる方法をとることも排除されない。また、該ポリビニルピロリドンを溶媒に溶解する場合は70℃以下の温度で溶解するのが好ましい。
該溶解を不活性ガス置換した状態で行うのも好ましい実施態様である。
このように、本発明においては、上記のポリビニルピロリドンのみを使用することが好ましいが、例えば、ポリグリコール等の他の親水性高分子を、本発明の目的の範囲内で併用しても構わない。
本発明の選択透過性中空糸膜の製造方法は何ら限定されるものではないが、例えば特開2000−300663号公報に知られるような中空糸膜タイプのものを製造する方法が好ましい。例えば、該特許文献に開示されているポリエーテルスルホン(4800P、住友化学社製)16質量部とポリビニルピロリドン(K−90、BASF社製)5質量部、ジメチルアセトアミド74質量部、水5質量部を混合溶解し、脱泡したものを製膜溶液として、50%ジメチルアセトアミド水溶液を芯液として使用し、これを2重管オリフィスの外側、内側より同時に吐出し、50cmの空走部を経て、75℃、水の凝固浴中に導き中空糸膜を形成し、水洗後まきとり、10000本束ねたところで筒状ポリプロピレン製フィルムに装填して27cmの長さにカットし、ウェットの中空糸膜を製造し、得られたウェットの中空糸膜を60℃のエアを中空糸膜束の長手方向に、一方向から20時間通風することによる乾燥が例示できる。
上記のごとく、本発明の選択透過性中空糸膜は、その構成成分である上記のポリスルホン系高分子とポリビニルピロリドンとを溶媒に溶解した製膜溶液を用いた乾湿式製膜法で製造できる。そのような溶媒としては両成分を溶解することのできるジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン等のアミド系やジメチルスルホキサイド等のスルホキサイド系の極性溶媒が用いられる。また、10質量%以下であれば水やアルコール等のポリスルホン系高分子に対する非溶媒を併用しても良い。このことによりポリスルホン系高分子に対するポリビニルピロリドンの相分離の制御ができる。
本発明の血液浄化器は、上記組成よりなる選択透過性中空糸膜を装填して作製したモジュールに、ヘマトクリット30%、総タンパク濃度6〜7g/dl、クエン酸ナトリウムを添加した37℃の牛血液を200ml/分、濾過流量20ml/分で流したとき、15分後のアルブミンの篩い係数[A]が0.01以上0.1以下で、かつ2時間後のアルブミンの篩い係数[B]が0.005以上0.04未満であることが好ましい(要件1)。15分後のアルブミンの篩い係数は0.01以上0.09以下がより好ましく、0.01以上0.08以下がさらに好ましい。一方、2時間後のアルブミンの篩い係数[B]は0.005以上0.035以下がより好ましく、0.005以上0.03以下がさらに好ましい。15分後および2時間後のアルブミンの篩い係数がそれぞれ大きすぎる場合、有用蛋白質であるアルブミンの透過率が高くなり、患者に対する負担が大きくなる可能性がある。一方、15分後および2時間後のアルブミンの篩い係数がそれぞれ小さすぎる場合は、アルブミンの透過率が低い点では好ましいが、α1マイクログロブリン等の尿毒症物質を効率よく除去できない可能性がある。
アルブミンは生体にとって有用なタンパク質であり、臨床においては血液透析治療1回(除水量3L)あたりのアルブミン漏出量は3g以下が適当と考えられている。アルブミン漏出量が多すぎると、食事摂取量の少ない患者では低アルブミン血症などの障害を引き起こす可能性がある。したがって、血液透析1回あたりのアルブミン漏出量は2.5g以下がより好ましく、2.0g以下がさらに好ましく、1.5g以下がよりさらに好ましい。逆に、生体内にはアルブミンに結合する毒素の存在も知られており、アルブミン漏出量が少なすぎても、種々の障害を引き起こすことがある。したがって、透析治療1回あたりのアルブミン漏出量は0.05g以上が好ましく、0.1g以上がより好ましく、0.15g以上がさらに好ましい。
また、本発明においては、2時間後のアルブミンの篩い係数[B]が15分後のアルブミンの篩い係数[A]より小さいことがより好ましい実施態様である(要件2)。該要件を満たすことにより本発明の効果が顕著に発現できる。さらに、15分後のアルブミンの篩い係数[A]と2時間後のアルブミンの篩い係数[B]の関係が、[B]/[A]=0.1〜0.4を満足することがさらに好ましい実施態様である(要件3)。[B]/[A]=0.15〜0.38がより好ましい。[B]/[A]が大きすぎる場合は、有用タンパク質であるアルブミンの透過率が高くなり、患者に対する負担が大きくなることがある。一方、[B]/[A]が小さすぎる場合は、α1マイクログロブリン等の尿毒症物質を効率よく除去できなくなる可能性がある。
本発明においては、α1マイクログロブリン(分子量33,000)のクリアランスが10ml/min(1.0m2)以上であることが好ましい実施態様である(要件4)。α1マイクログロブリンのクリアランスが小さすぎると、分子量30,000程度の物質の除去量が少ないため、透析合併症の予防効果や痒み・痛みといった臨床症状の改善効果を得られないことがある。したがって、α1マイクログロブリンのクリアランスは12ml/min(1.0m2)以上がより好ましく、15ml/min(1.0m2)以上がさらに好ましく、17ml/min(1.0m2)以上がよりさらに好ましく、20ml/min(1.0m2)以上が特に好ましい。また、α1マイクログロブリンの除去性を高める意味でクリアランスは大きい方が好ましいが、クリアランスを大きくしすぎると有用タンパクであるアルブミンの漏出量を抑えることが難しくなるので、α1マイクログロブリンのクリアランスは100ml/min(1.0m2)以下が好ましく、80ml/min(1.0m2)以下がより好ましく、60ml/min(1.0m2)以下がさらに好ましい。
本発明において血液ろ過開始直後のろ液中タンパク濃度の測定を15分後としているのは以下の理由による。本発明において発明の目的から明らかなように血液ろ過直後の膜の細孔径がある値以上を取ることが必要であり、そのため血液ろ過開始後出来るだけ早い時間のろ液中タンパク濃度を正確に測定することが望ましい。しかしながら膜は血液と接触する前に予め生理食塩水でプライミング処理を施してあり膜中およびモジュール中のろ液側は生理食塩水で満たされている。このため血液を流しろ過を始めても最初に得られるろ液は生理食塩水で希釈された状態になっており、正確なろ液中タンパク濃度を得ることは困難である。ろ液流量が15ml/min程度の場合、生理食塩水による希釈の影響を無視できる最短時間はろ過開始後15分である。
本発明において120 分後のろ液中タンパク濃度は0.005以上0.04未満が必要である。120 分後のろ液中タンパク濃度が0.005以上であれば分子量3 万程度の分子量物質の除去が治療時間全域にわたって効率的に行われる。0.005未満の場合には治療開始初期の物質除去性能は高いが治療時間全域にわたって除去効果が持続できず好ましくない。また、120 分後のろ液中タンパク濃度が大きすぎると治療時間全域にわたってタンパク質の漏出が多くなり低タンパク血症を引き起こしやすくなる。
痒みやいらいら感の原因物質は分子量3 万程度と推定されているが、まだ特定されていない。また、分子量は同じでも分子の形が異なると膜で濾過した時の除去特性は一概に定義できない。われわれの検討では15分後のろ液中タンパク濃度が0.01以上のとき、α1マイクログロブリン(分子量33,000)のクリアランスが10ml/min(1.0m2)以上となることが認められている。われわれは実験室的に臨床効果を客観的に判断できる基準として、α1マイクログロブリン(分子量33,000)のクリアランスを導入し、このクリアランスが10ml/min(1.0m2)以上のときに痒みやいらいら感を解消できると考えた。
慢性腎不全患者の血液処理において、有用なタンパク質であるアルブミンの漏れを最小限に抑えることが重要であるが、これを抑えると、一方でα1マイクログロブリンなどの除去率が非常に低下してくる。その適正なバランスを持たせるために、選択透過性中空糸膜の性能について検討すると、ポリスルホン系高分子とポリビニルピロリドンよりなる選択透過性中空糸膜を装填して作製したモジュールに、ヘマトクリット30%、総タンパク濃度6〜7g/dl、クエン酸ナトリウムを添加した37℃の牛血液を200ml/min、ろ過流量20ml/minで流したとき、15分後のアルブミンの篩い係数[A]が0.01以上0.1以下で、かつ2時間後のアルブミンの篩い係数[B]が0.005以上0.04未満の範囲に収まるような特徴を有する選択透過性中空糸膜とすることが最適な条件であることを見出した。このような最適な条件を備えた分離膜を製造するためには、各種の材料、その仕様、製造プロセス、乾燥条件などを制御する重要があるが、この分離膜の構造的な特徴と、アルブミン篩い係数の関係を解析するのも一つの手法である。
本発明の分離膜の有する特性の最も典型的な特徴の一つである中空糸膜の内表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量[C]と外表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量[D]の関係における[D]/[C]と、15分後のアルブミン篩い係数[A]と2時間後のアルブミン篩い係数[B]との関係を表わしたものが図2である。これによると、本発明の請求項1で特定している[D]/[C]が1.1倍以上になると、アルブミン篩い係数[A]に関しては、実施例1〜3においては、所定の0.01以上0.1以下と、0.005以上0.04未満の範囲に適正に収まり、アルブミンとα1マイクログロブリンとのバランスの取れた、安定した分離膜が得られる。もちろん、ポリビニルピロリドンの分子量、分離膜中の含有量が、そのアルブミン篩い係数に影響するものと考えられるが、本件実施例において検証した範囲では、[D]/[C]が1.1超であることが、アルブミン篩い係数が所定の範囲に収まるという点で、大きな影響を与える要因の一つであることが容易に理解できる。
同様に、アルブミン篩い係数の比である[B]/[A]とポリビニルピロリドン含有比である[D]/[C]の関係を調べると(図3参照)、本件実施例1〜3においては、[D]/[C]が1.1超の場合に、[B]/[A]が、0.1〜0.4の範囲に適性に収まるが、比較例1、2および5においては、分布が大きく外れる。
本発明において、選択透過性中空糸膜に上記した蛋白質分離の選択性バランスを付与する方法は限定されないが、本発明における血液浄化用中空糸膜は、内表面にスキン層を有し、外表面に向かって孔径が拡大する所謂非対称構造を有することが好ましい。さらに、スキン層の厚みは0.1〜1.2μmであることが好ましい(要件6)。実質の分離活性層であるスキン層の厚みは薄い方が、溶質の移動抵抗が小さくなるため好ましく、1.1μm以下がより好ましく、1.0μm以下がさらに好ましい。しかし、スキン層の厚みが薄すぎると、潜在的な細孔構造の欠陥が顕在化しやすくなり、有用タンパクであるアルブミンの漏出を抑えることができなくなるとか、耐圧性を確保するのが難しくなるなどの問題が発生することがある。したがって、スキン層厚みは0.2μm以上が好ましく、0.3μm以上がより好ましく、0.4μm以上がさらに好ましい。
また、前記の製造方法において、製膜溶液がポリスルホン系高分子、ポリビニルピロリドンおよび溶剤からなり、ポリスルホン系高分子に対するポリビニルピロリドンの比率が10〜18質量%であり、内液がアミド系溶剤を30〜60質量%含む水溶液であり、該内液の液温を製膜溶液の液温より30〜60℃低くし、かつその液温が0〜40℃である条件で吐出することも好ましい実施態様である。ポリビニルピロリドン比率としては12.0〜17.5質量%がより好ましく、13.0〜17.5質量%がさらに好ましい。内液のアミド系溶剤量は32〜58質量%がより好ましく、34〜56質量%がさらに好ましく、35〜54質量%がよりさらに好ましい。内液の液温を製膜溶液の液温の差は30〜60℃がより好ましく、30〜55℃がさらに好ましく、35〜50℃がよりさらに好ましい。内液の液温は0〜35℃がより好ましく、5〜30℃がさらに好ましく、10〜30℃がよりさらに好ましい。これらの条件を選ぶことにより選択透過性中空糸膜のスキン層厚み、内表面のポリビニルピロリドン含有量、平均孔径や孔径分布等の内表面特性が最適化され蛋白質の選択性が向上し、本発明の選択透過性中空糸膜が具備すべき必要特性が達成できる。
また、内液の温度を前記範囲に設定することにより、内液をノズルより吐出した際、溶け込んでいた溶存気体が気泡となって発生するのを抑制できる。すなわち、内液中の溶存気体の気泡化を抑制することにより、ノズル直下での糸切れや、ノブの発生を抑えるという副次効果も有する。
内液の液温と製膜溶液の液温に温度差を付ける方法も限定されないが、チューブインオリフィス型ノズルとして内液タンクからノズルまでの配管およびノズルブロック内に熱交換器が設けられ製膜溶液の温度とは別個に液温調整ができる熱媒循環型ブロックを用いるのが好ましい実施態様である。
また、前記の蛋白質の選択性のバランスを付与する達成手段として、ポリビニルピロリドンが実質的に非架橋であることが挙げられる(要件8)。本発明においては選択透過性中空糸膜中に存在するポリビニルピロリドンの血液通過による膨潤効果により、上記の蛋白質の選択性のバランスを付与することをその達成手段の一つの要素としている。すなわち、治療開始時は蛋白質の透過性を高くしておき、透析の進行による血液の通過にともなって選択透過性中空糸膜中のポリビニルピロリドンの膨潤が進行することによりアルブミンの透過性を低減させることにより蛋白質分離の選択性を向上させるという効果を利用している。ポリビニルピロリドンが架橋されるとポリビニルピロリドンの分子運動性や血液による膨潤性が低下するので該作用機能が低下し蛋白質分離の選択性が低下することがある。
本発明において、不溶分の含有率は、選択透過性中空糸膜中に存在する全ポリビニルピロリドンに対して30質量%以下が好ましい。25質量%以下がより好ましく、20質量%以下がさらに好ましく、15質量%以下がよりさらに好ましく、10質量%以下が特に好ましく、5質量%未満が最も好ましい。該不溶分の含有率はポリビニルピロリドンの架橋度の尺度であり、不溶分の含有率が30質量%を超えた場合は、選択透過性中空糸膜中に存在するポリビニルピロリドンの架橋が進行しているということであり、上記の作用機能が低下し蛋白質の選択性の低下や、選択透過性中空糸膜の血液適合性低下に繋がることがある。ただし、本願発明の選択透過性中空糸膜は、乾燥後の含水率を1〜10質量%に保つのが好ましいため、照射滅菌時にわずかに存在する水分の影響によりある程度の架橋反応が起こる。また、極わずかに架橋(不溶化)させることにより、血液通液時の残血等に悪影響を及ぼさず、かつ溶出物量を減ずるという副次的な効果を発現することができる。したがって、不溶分の含有率は0.1質量%以上が好ましく、0.2質量%以上がより好ましく、0.3質量%以上がさらに好ましく、0.5質量%以上がよりさらに好ましい。
上記の不溶分の含有量は、簡易的には選択透過性中空糸膜をジメチルホルムアミドに浸漬し溶解させて得られる溶液の不溶分の有無により判断ができる。すなわち、選択透過性中空糸膜10gを100mlのジメチルホルムアミドに溶解して目視で観察して不溶分が見えないものを非架橋と判定する。
本発明においては、選択透過性中空糸膜の膜厚が25〜50μmであることが好ましい(要件7)。膜厚が薄すぎると、耐圧性が低下することがある。また、選択透過性中空糸膜の腰が弱くなりモジュールの組み立て性が低下するという課題にも繋がることがある。したがって、膜厚は26μm以上がより好ましく、27μm以上がさらに好ましい。一方、膜厚が厚すぎると、α1マイクログロブリンのクリアランの低下やポリビニルピロリドンの溶出量増大につながる。また、膜厚の増大に伴いモジュールを大きくする必要があるなど、例えば、中空糸膜の場合、モジュールがコンパクトであるというメリットを損なうおそれがある。したがって、膜厚は47μm以下がより好ましく、45μm以下がさらに好ましく、43μm以下がよりさらに好ましい。
本発明においては、選択透過性中空糸膜の内表面の最表層におけるポリビニルピロリドンの含有量が20〜40質量%であることが好ましい(要件9)。内表面最表層におけるポリビニルピロリドンの含有量が少なすぎると、中空糸膜内表面の親水性が低く血液適合性が悪化し中空糸膜表面で血液の凝固が発生しやすくなり、凝固した血栓による中空糸膜の閉塞が発生し中空糸膜の分離性能が低下したり、血液透析に使用した後の残血が増えたりすることがある。したがって、中空糸膜内表面の最表層のポリビニルピロリドンの含有量は、21質量%以上がより好ましく、22質量%以上がさらに好ましく、23質量%以上がよりさらに好ましい。一方、内表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量が多すぎると、血液に溶出するポリビニルピロリドン量が増大し、該溶出したポリビニルピロリドンの蓄積による副作用や合併症が起こる可能性がある。中空糸膜内表面の最表層のポリビニルピロリドンの含有量は38質量%以下がより好ましく、36質量%以下がさら好ましい。
また、血液適合性は血漿タンパクの吸着量によっても影響を受ける。すなわち、親水性の蛋白質である血漿タンパクが、選択透過性中空糸膜の内表面(血液接触側表面)に吸着されることにより、表面の親水性が増し血液適合性が向上する。本発明においては、臨床症状(痒み・痛み)改善効果および選択透過性中空糸膜の血液適合性の指標として、血漿タンパク中のα1マイクログロブリン(分子量33,000)の吸着量が2.0〜20mg/m2であることが好ましい(要件5)。また、α1マイクログロブリンは、血液(血漿)中で免疫グロブリン(分子量10万以上)と結合しやすい性質を有する。免疫グロブリンに結合したα1マイクログロブリンは選択透過性中空糸膜の細孔よりも大きくなるため、篩い効果だけでは十分に除去しきれない問題がある。そのため、臨床症状の改善効果を高める目的で、選択透過性中空糸膜への吸着という効果により除去量を高めるのが本発明の別の態様である。α1マイクログロブリンの吸着量が少なすぎると、血液適合性の低下や臨床症状改善効果が不足することがある。したがって、該吸着量は2.5mg/m2以上がより好ましく、3.0mg/m2で以上がさらに好ましく、3.5mg/m2がよりさらに好ましい。逆に、該吸着量が多すぎると、有効細孔径の減少につながり、ひいては中分子量物質〜低分子量タンパクの除去性が低下する可能性がある。したがって、該吸着量は19mg/m2以下がより好ましく、18mg/m2以下がさらに好ましく、17mg/m2がよりさらに好ましい。
α1マイクログロブリンの吸着量を上記範囲にするためには、前述の内表面の最表層ポリビニルピロリドンの含有量の最適化が大きく寄与している。その他、内表面の表層の形態によっても影響を受ける。これらの特性を付与する方法は限定されないが、例えば、前述および後述の製造条件を組み合わせることにより達成することができる。特に、内液の液温の影響を大きく受ける。従って、前述の内液の液温を製膜溶液の液温より30〜60℃低くし、かつその液温が0〜40℃である条件で吐出することが重要である。このことにより、内表面の最表層面ポリビニルピロリドンの含有量が最適化される。さらに、上記条件において製膜時のドラフト比を高めることで、内表面の表層に中空糸膜の長手方向に連続した筋状のミクロの凹凸が形成される。このミクロの凹凸により、内表面の表面積が増大し吸着量が最適化される。加えて、α1マイクログロブリンの吸着量は中空糸膜の内表面のポリビニルピロリドンの配向度の影響を受ける。配向度が高い方が吸着量が増大する。従って、図1に示すように、製膜時のチューブインオリフィスノズル内の製膜溶液の剪断応力を1×104〜1×108-1の範囲にすることが好ましい実施態様である。剪断応力が小さすぎる場合には、中空糸膜内表面のポリビニルピロリドンの配向度が小さくなるためα1マイクログロブリンの吸着量が減少する可能性がある。したがって、ノズル内での剪断応力は5×104-1以上がより好ましく、1×105-1以上が更に好ましく、5×105-1以上がより更に好ましい。また、剪断応力が大きすぎる場合には、中空糸膜内表面のポリビニルピロリドンの結晶化が進行し、溶質の透過性が低下する可能性がある。したがって、剪断応力は5×107-1以下がより好ましく、1×107-1以下がさらに好ましく、5×106-1以下がよりさらに好ましい。また、同様に製膜原液が剪断応力を受ける時間を規定することも重要な要件である。剪断応力時間は1×10-5〜0.1secが好ましい。より好ましくは5×10-4〜5×10-2sec、さらに好ましくは1×10-4〜1×10-2secである。これらの要件を達成するための具体的なノズル形状としては、製膜原液吐出孔の最大外径が100〜700μm、ランド長が0.1〜5mmであることが好ましい。最大外径は150〜600μmがより好ましく、180〜550μmがさらに好ましく、200〜500μmがよりさらに好ましい。このようなノズルを用いることにより、ノズル内で剪断を受けた製膜原液が、ノズルより吐出後、適度に配向し、かつ血液接触表面にミクロな凹凸を形成することが可能となる。
また、該α1マイクログロブリンの吸着量は、中空糸膜の血液接触側表面の荷電状態の影響も受ける。本発明においては、中空糸膜の製造に用いる水はRO水を用いることが効果的である。例えば、中空糸膜の洗浄工程において、RO水を使用することで、膜に付着している帯電性物質を効率よく除去することができる。当然のことながら、RO水にはイオン性物質は含有されていないので、イオンが膜に吸着することもない。使用するRO水は比抵抗が0.3〜2MΩcmのものが好ましく、さらには0.4〜1.9MΩcmのものが好ましい。
前記α1マイクログロブリンの吸着量は、血液適合性の向上のみでなくα1マイクログロブリンの除去に対しても寄与しており、透析合併症の予防効果や痒み・痛みといった臨床症状の改善効果にも好結果を及ぼすものと思われる。
本発明においては、選択透過性中空糸膜の内表面の表面近傍層におけるポリビニルピロリドンの含有量が5〜20質量%であることが好ましい(要件10)。7〜18質量%がより好ましい。上記のごとく選択透過性中空糸膜における内表面の最表層のポリビニルピロリドンの含有量は、血液適合性の点より高い方が好ましいが、該含有量が増加すると血液へのポリビニルピロリドンの溶出量が増大するという二律背反の現象となる。本発明においては、選択透過性中空糸膜の最表層のポリビニルピロリドンの含有量を血液適合性が発現できる最低のレベルに設定した。ただし、該最表層の含有量では、初期の血液適合性は満足できるが長期透析をすると該最表層に存在するポリビニルピロリドンが少しずつであるが血液に溶出していき、透析の経過とともに段々と血液適合性が低下していくという課題が発生する。本発明は、該課題を表面近傍層に存在するポリビニルピロリドンの最表層への移動により補給することで解決するという技術思想により完成したものである。中空糸膜内表面近傍層のポリビニルピロリドンの含有量が少なすぎると、最表層へのポリビニルピロリドンの供給が行われないため、溶質除去性能や血液適合性の経時安定性が低下する可能性がある。したがって、中空糸膜内表面近傍層のポリビニルピロリドンの含有量は、6質量%以上がより好ましく、7質量%以上がさらに好ましい。一方、中空糸膜内表面近傍層のポリビニルピロリドンの含有量が多すぎると、血液に溶出するポリビニルピロリドンの量が増大し長期透析による副作用や合併症が起こる可能性がある。したがって、中空糸膜内表面近傍層のポリビニルピロリドンの含有量は、19質量%以下がより好ましく、18質量%以下がさらに好ましい。
本発明においては、選択透過性中空糸膜における外表面の表面最表層におけるポリビニルピロリドンの含有量が25〜50質量%であり、かつ(外表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量)/(内表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量)≧1.1であることが好ましい(要件11)。外表面の最表層におけるポリビニルピロリドンの含有量が少なすぎると、中空糸膜の支持層部分への血中タンパクの吸着量が増えるため血液適合性や透過性能の低下が起こる可能性がある。また、乾燥膜の場合、プライミング性が悪化することがある。したがって、外表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量は27質量%以上がより好ましく、29質量%以上がさらに好ましく、31質量%以上がよりさらに好ましい。逆に、外表面のポリビニルピロリドンの含有量が多すぎると、透析液に含まれるエンドトキシン(内毒素)が血液側へ浸入する可能性が高まり、発熱等の副作用を引き起こすことに繋がるとか、膜を乾燥させた時に該表面に存在するポリビニルピロリドンが介在し、中空糸膜同士が固着し、モジュール組み立て性が悪化する等の課題を引き起こす可能性がある。外表面におけるポリビニルピロリドンの含有量は43質量%以下がより好ましく、41質量%以下がさらに好ましく、39質量%以下がよりさらに好ましい。
また、外表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量は、内表面の最表層のポリビニルピロリドンの含有量の1.1倍以上であることが好ましい。ポリビニルピロリドンの含有量は、製膜後の中空糸膜の収縮率に影響を与える。すなわち、ポリビニルピロリドンの含有量が高くなるに従い、中空糸膜の収縮率は大きくなる。例えば、内表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量が外表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量よりも高い場合、内表面側と外表面側の収縮率の違いにより、内表面側にミクロな皺が発生したり、中空糸膜が破断することがある。内表面側に皺が入ると、例えば、血液透析に使用した場合、血液を流したときに血中タンパク質等が膜面に堆積しやすくなるため、経時的に透過性能が低下するなどの問題に繋がる可能性がある。このような理由から、外表面側のポリビニルピロリドンの含有量を高くするのが好ましい。さらに、本発明の中空糸膜は、内表面に緻密層を有し、外表面に向かって次第に孔径が拡大する構造を有している。すなわち、内表面側に比較して外表面側の方が空隙率が高いため、より外表面側の収縮率が大きくなる特性を有している。そのあたりの影響も加味すると、外表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量は、内表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量の1.1倍以上であることが好ましい。より好ましくは、1.2倍以上、さらに好ましくは1.3倍以上である。
前記理由により、外表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量は高い方が好ましいが、2.0倍を超えるとポリスルホン系高分子に対するポリビニルピロリドンの含量が高くなりすぎ、強度不足や中空糸膜同士の固着、血液透析使用時のエンドトキシンの逆流入、ポリビニルピロリドン溶出などの問題を引き起こす可能性がある。より好ましくは1.9倍以下、さらに好ましくは1.8倍以下、よりさらに好ましくは1.7倍以下である。
内表面最表層と内表面近傍層に関して、詳細にその二層の違いをみると、親水性高分子の含有量差による二層構造であり、選択透過性中空糸膜は一般に、内表面のスキン層(緻密層)から外表面に向かうに従い、孔径が拡大する傾向にあるから、最表層部分と表面近傍部分で密度差のある二層構造となることもある。この各層の厚み及びその境界線は、選択透過性中空糸膜の製造条件により任意に変わるものであり、また、その層の構造は性能にも多少なりとも影響する。そうすると、溶媒交換による中空糸膜の製造工程から推測しても、最表層と表面近傍層がほとんど同時に、しかも両層が隣接して製造されている事情からすれば、一応二層が形成されることは認識できても、境界は鮮明に線引きできるようなものではなく、二層に跨る親水性高分子の含有量の分布曲線をみるなら、連続線で繋がるような場合が多く、ポリビニルピロリドンにおいて親水性高分子の含有量の分布曲線に断層ができるために、材料挙動の違う不連続な2つの層ができると仮定することは技術的に無理があろう。ポリビニルピロリドンの含有量を最表層で20〜40質量%、表面近傍層のそれを5〜20質量%ということが最適範囲として一応規定しているが、ポリビニルピロリドンが表面近傍層から最表層へと拡散移動するという機構からすれば、例えば、最表層が40質量%で表面近傍層が5質量%というような設計では機能上十分に作用しないこともありうる。要するに、二層に存在する単純なポリビニルピロリドンの含有量の較差に着目して設計することも重要である。その適正な較差値としては、すなわち、表面近傍層ポリビニルピロリドン含有量に対する最表層ポリビニルピロリドン含有量の比を1.1倍以上であるということは、具体的には、ニ層のポリビニルピロリドンの含有量の差が、1〜35質量%程度、最適には5〜25質量%程度の違いがあれば、ポリビニルピロリドンの表面近傍層から最表層への拡散移動が円滑に行なわれることを意味する。例えば、最表層を32質量%とすると、表面近傍層は、7〜27質量%程度の範囲にあることになり、これは1.1〜10倍という程度の要件を満たすことになる。
なお、上記ポリビニルピロリドンの選択透過性中空糸膜最表層の含有量は、後述のごとくESCA法で測定し算出したものであり、選択透過性中空糸膜の最表層部分(表層からの深さ数Å〜数十Å)の含有量の絶対値を求めたものである。通常は、ESCA法では、表面より深さが10nm(100Å)程度までのポリビニルピロリドン含量を測定可能である。また、表面近傍層のポリビニルピロリドンの含有量は、表面赤外分光法(ATR法)によって測定したもので、ATR法(表面近傍層)では、表面より深さ1000〜1500nm(1〜1.5μm)程度までのポリビニルピロリドン含有量を測定可能である。
内表面および外表面のポリビニルピロリドンの含有量は、ポリビニルピロリドンの分子量にも関係することがある。例えば、分子量120万程度という高い分子量のポリビニルピロリドンを使用した場合より、分子量45万程度の低い分子量のポリビニルピロリドンを使用すると、凝固において、ポリビニルピロリドンの溶解性や溶出量が大きいことや、拡散移動が大きいという理由などにおいて、ポリスルホン系高分子に対するポリビニルピロリドンの比率1〜20質量%に対して、最表層20〜40質量%および表面近傍層5〜20質量%というように、相対的に高いポリビニルピロリドンの含有量のものが製造できるという傾向にある。
本発明における上記要件5、9、10および11を達成する方法としては、例えば、ポリスルホン系高分子に対するポリビニルピロリドンの構成割合を前記した範囲にすることや、選択透過性中空糸膜の製膜条件を最適化する等により達成できる。具体的には、選択透過性中空糸膜内表面側に形成される緻密層において最表層部分と表面近傍部分で密度差のある2層構造とするのが好ましい。すなわち、詳細な理由はわからないが、製膜溶液中のポリスルホン系高分子とポリビニルピロリドンの質量割合および内液濃度と温度を後述するような範囲にすることにより、中空糸膜内表面の最表層部分と表面近傍部分の凝固速度および/または相分離速度に差が生じ、かつポリスルホン系高分子とポリビニルピロリドンの溶媒/水への溶解性の違いが上記要件の特性を発現するのではないかと考える。また、要件9に対しては乾燥条件の適正化が重要なポイントである。すなわち、湿潤状態の中空糸膜を乾燥する際、水に溶解しているポリビニルピロリドンは水の移動に伴い、中空膜内部より表面側に移動する。ここで、後述するような乾燥条件を用いることにより、水の移動にある程度の速度を持たせ、かつ中空糸膜全体で移動速度を均一にすることができ、中空糸膜内部のポリビニルピロリドンは斑なく速やかに両表面側に移動する。膜面からの水の蒸発は中空糸膜内表面側よりも外表面側からの方がより多くなるので、したがって外表面側に移動するポリビニルピロリドンの量が多くなり本願発明の選択透過性中空糸膜の特徴である要件9を達成できるものと推測する。また、要件9を達成することに対しては、中空糸膜の洗浄方法や条件も重要であり最適化が望ましい。
本発明においては、選択透過性中空糸膜における外表面の開孔率が25〜35%であることが好ましい(要件12)。27〜33%がより好ましい。開孔率が小さすぎると、選択透過性中空糸膜を中空糸膜として使用する場合に中空糸膜内での中空糸膜間の固着が起こりやすくなる可能性がある。逆に、開孔率が大きすぎると、選択透過性中空糸膜の空隙率が大きくなるため、所期のバースト圧を得ることが難しくなり、有用タンパクであるアルブミン等の漏出を抑えきれない可能性がある。
開孔率を上記範囲にする方法は限定されないが、例えば特許文献6に記載の方法に準じて実施する方法が挙げられる。ただし、該方法で実施した場合は、膜強度が低くなり血液リーク等の課題に繋がるという可能性を有している。従って、選択透過性中空糸膜のバースト圧が0.5MPa以上(要件13)をクリアできないので、この課題解決のための方策の導入が必要になる。なお、選択透過性中空糸膜のバースト圧とは、選択透過性中空糸膜の耐圧性能の指標で、中空糸膜内側を気体で加圧し、加圧圧力を徐々に上げていき、中空糸膜が内部圧に耐えきれずに破裂(バースト)したときの圧力である。バースト圧は高いほど使用時の中空糸膜の切断やピンホールの発生が少なくなるので0.55MPa以上がより好ましく、0.6MPa以上がさらに好ましい。バースト圧が0.5MPa未満では潜在的な欠陥を有している可能性がある。また、バースト圧は高いほど好ましいが、バースト圧を高めることに主眼を置き、膜厚を上げすぎたり、空隙率を下げすぎると所望の膜性能を得ることができなくなることがある。したがって、血液透析膜として仕上げる場合には、バースト圧は2.0MPa未満が好ましい。より好ましくは、1.7MPa未満、さらに好ましくは1.5MPa未満、よりさらに好ましくは1.3MPa未満、特に好ましくは1.0MPa未満である。
上記特性は、従来公知の膜強度等のマクロな特性により支配される血液リーク特性では長期透析における中空糸膜の安全性を十分に証明することができないという知見に基づいて見出したものである。すなわち、血液浄化器に用いられる中空糸型の選択透過性中空糸膜(以下、単に中空糸膜と称する)の物理的性質について検討した結果、通常、血液浄化に用いる中空糸膜は、製品となる最終段階で、中空糸膜や血液浄化器の欠陥を確認するため、中空糸膜内部あるいは外部をエアによって加圧するリークテストを行う。加圧エアによってリークが検出されたときには、血液浄化器は不良品として廃棄あるいは欠陥を修復する作業がなされる。このリークテストのエア圧力は血液浄化器の保証耐圧(通常500mmHg(0.067MPa))の数倍であることが多い。しかしながら、特に高い透水性を持つ中空糸型血液浄化膜の場合、通常の加圧リークテストで検出できない中空糸膜の微小な傷、つぶれ、裂け目などが、リークテスト後の製造工程(主に滅菌や梱包)、輸送工程、あるいは臨床現場での取り扱い(開梱や、プライミングなど)時に、中空糸の切断やピンホールの発生につながり、ひいては治療時に血液がリークする等のトラブルの元になっていることを本発明者らは見出した。上記事象に関して鋭意検討したところ、臨床使用時の中空糸膜の切断やピンホールの発生につながる潜在的な糸の欠陥は、通常の加圧エアリークテストにおける圧力では検出することができず、より高い圧力が必要であり、また中空糸膜の偏肉糸の混入を抑えることが、上記した潜在的な欠陥の発生抑制に対して有効であることを見出し、本発明に至った。
本発明は、従来公知の膜強度等のマクロな特性では中空糸膜の安全性を十分に保証することができないという知見に基づいて見出したものである。すなわち、本発明の中空糸膜においては、α1マイクログロブリンに代表される分子量3万程度の物質の透過性を向上させるために、膜厚およびスキン層を非常に薄くしている。そうすると、中空糸膜が潜在的に擁する欠陥(ピンホール、傷など)が特に臨床使用時に顕在化する可能性がある。本発明では、安全性を確保するために、マクロな特性に加え、上記したような潜在的な欠陥を無くすことが極めて重要である。
また、本発明の血液浄化器は、上記特性を満足し、かつ中空糸膜の内腔にクエン酸加牛血液を封入し、カルシウムを含有する等張液に10分間浸漬した後の該封入血に凝固および凝固に起因する中空糸膜のつまりを生じないことが好ましい。
従来、血液適合性を示す指標として、血液と接触した際の血小板の粘着を評価する方法がある。血液適合性向上のために、血小板粘着量を減少させることを目標に検討がなされてきているが、生体にとって異物である材料との接触による血液成分の活性化は、その程度の差はあってもある意味で不可避であると考えられる。血小板粘着量が非常に少ない膜では、見かけの血液適合性は良好であると判断されてしまうが、実際は、異物である材料との接触で活性化された血小板までもが血液中に放出されてしまっている可能性がある。このようなことから、血小板粘着量の評価のみでは血液適合性を評価するには十分でないと考え、血液適合性評価について鋭意検討を行った結果、実際に血液を封入し、材料に接触した血液全体を観察する方法、すなわち、血液の凝固状態を観察する方法が適切であるということがわかり、本発明に到った。血液を中空糸膜内に封入する試験において、血液封入10分後に、封入した血液が中空糸膜を詰まらせていないこと、また中空糸膜から押し出した血液が生理食塩水に均一に分散し塊がない状態であることが好ましい。この評価方法では、従来の血小板粘着を評価する方法で見落とされていた、材料に吸着しなかった血液の状態を調べることが可能となる。
本発明における中空糸膜の血液との適合性は次の方法によって行う。
(1)20cmに切りそろえた中空糸膜を10本束ね、両末端をシリコンチューブに差しこみ、接着剤で固定したマイクロ血液浄化器を作成する。
(2)マイクロ血液浄化器の中空糸膜部分をキンダリー液に浸漬する。
(3)クエン酸を添加した(ACD)牛血液をシリンジを用いマイクロ血液浄化器内腔に充填する。
(4)充填後、マイクロ血液浄化器両末端は鉗子で挟んで閉じる。
(5)血液封入10分後、鉗子をはずし、マイクロ血液浄化器片端からシリンジで内封した血液を生理食塩水を満たしたシャーレ内に押し出す。
(6)(5)の血液押し出し時に、内封血液が出てこない場合を「つまり」とする。
(7)シャーレ中に押し出した血液が生理食塩水中で均一にならずに、塊状になっているものを「凝固」とする。
(8)シャーレ中に押し出した血液が生理食塩水中で均一になった場合は「凝固反応無し」とする。
上記血液適合性を満たすには、中空糸膜の内表面側の表面の最大突起高さ(PV値)が0.5μm以下であることが好ましい。0.4μm以下がより好ましく、0.3μm以下がさらに好ましい。下限は限定されないが、工業的生産において平滑度を確保するには限界があり0.01μm程度が好ましい。最大突起高さ(PV値)が0.5μmを超えると血液が流れることによって血小板が刺激を受けて残血が起こりやすくなる。
なお、PV値とは、膜表面の凹凸を測定した際の、基準点に対する全測定点の凹凸の最大値と最小値の差を表わす。また、これら膜表面の平滑性は、走査型白色干渉法を用いた3次元表面構造解析顕微鏡のような解析装置により得られ、測定値から算出することができるもので、測定装置は公知の装置が利用でき、例えば、試験片に対し、走査型白色干渉顕微鏡によって干渉対物レンズを光軸方向に走査しながら干渉像を収集し、デジタル化された干渉強度の情報をワークステーションで処理し、目的のPV値を得ることができる。
上記の中空糸膜の内表面側の表面の平滑性を上記範囲にするには、中空糸膜形成過程における内表面のポリビニルピロリドンの含有量や凝固速度の影響を受ける。他の特性をも満足するためには後述の条件で製膜することが好ましい。
また、上記血液適合性を満たすには、上記表面の平滑性を満足することに加えて、中空糸膜の内表面の陰性荷電の最適化を同時に行うことが好ましい。該中空糸膜の内表面の陰性荷電の状態はメチレンブルーの吸着率で評価が可能である。
該中空糸膜のメチレンブルーの吸着率は、40%以上70%以下が好ましい。メチレンブルーはカチオン性の化合物であり、アニオン性の物質と接触すると結合する性質を持つ。また、メチレンブルーが膜表面に物理的に吸着することも考えられる。よって、ここでいうメチレンブルー吸着率とは膜内表面の荷電状態、親水性−疎水性バランス、非特異的な吸着能の指標として考えることができる。メチレンブルーの吸着率が40%以上80%以下の範囲であるとき、膜表面状態が最適化され、血液適合性に優れた性質となると考えられる。メチレンブルーの吸着率が低過ぎると、陰性荷電が少なくなりすぎ、表面が陰性に荷電している血小板との静電的な相互作用が強くなり血小板が粘着しやすく血液適合性が低下する傾向になる。したがって、メチレンブルーの吸着率は42%以上がより好ましく、44%以上がさらに好ましく、47%以上がよりさらに好ましい。また、メチレンブルーの吸着率が高すぎると、陰性荷電が強くなりすぎ、疎水性相互作用、非特異な吸着が増し、血液成分が吸着しやすくなり、血液浄化機能の耐久性に劣ることがある。さらに、陰性荷電が強いと血液中のキニン産生を誘発するため血液適合性に劣ることがある。したがって、メチレンブルーの吸着率は65%以下がより好ましく、60%以下がさらに好ましい。
本発明におけるメチレンブルーの吸着率とは、次の方法によってメチレンブルー溶液灌流前後の溶液中のメチレンブルー濃度から算出した値を示す。
(1)メチレンブルーを0.5ppmの濃度になるよう水に溶解してメチレンブルー溶液を調製する。
(2)膜と接触する前のメチレンブルー溶液をサンプリングしておく。
(3)メチレンブルー溶液1000mLを測り採り、膜面積1.5m2の血液浄化器の血液側、透析液側を満たす。
(4)血液浄化器充填後、余ったメチレンブルー溶液をプールし、血液浄化器の血液側に200mL/minの流量で灌流する。この際、溶液プールから流れ出た溶液は血液浄化器の血液側を通過し、プールに戻るように回路を組む。
(5)5分の灌流を行った後、血液浄化器に充填されたメチレンブルー溶液と、プールされたメチレンブルー溶液を併せ、サンプリングを行う。
(6)メチレンブルー水溶液の紫外吸収スペクトルの最大吸収波長490nmの吸光度から、検量線を作成し、膜接触前後のメチレンブルー溶液の濃度を測定する。
(7)次の式からメチレンブルー吸着率を算出する。
(メチレンブルー吸着率)[%]=100×(灌流後の溶液のメチレンブルー濃度)/灌流前の溶液のメチレンブルー濃度)
上述した中空糸膜の内表面最表層および外表面最表層におけるポリビニルピロリドンの含有量および細孔径を上記した範囲にする方法として、例えば、製膜溶液中のポリスルホン系樹脂に対するポリビニルピロリドンの構成割合を65:35〜90:10にしたり、中空糸膜の製膜条件を最適化する等により達成できる。また、製膜された中空糸膜を洗浄することも有効な方法である。製膜条件としては、ノズル出口のエアギャップ部の湿度調整、延伸条件、凝固浴の温度、凝固液中の溶媒と非溶媒との組成比等の最適化が、また、洗浄方法としては、温水洗浄、アルコール洗浄および遠心洗浄等が有効である。該方法の中で、製膜条件としては、エアギャップ部の湿度および外部凝固液中の溶媒と非溶媒との組成比の最適化が、洗浄方法としてはアルコール洗浄が特に有効である。
エアギャップ部は外気を遮断するための部材で囲むのが好ましく、エアギャップ内部の湿度は、紡糸原液組成とノズル温度、エアギャップ長、外部凝固浴の温度、組成により調整するのが好ましい。例えば、ポリエーテルスルホン/ポリビニルピロリドン/ジメチルアセトアミド/RO水=10〜25/0.5〜12.5/52.5〜89.5/0〜10.0からなる紡糸原液を30〜60℃のノズルから吐出し、50〜1000mmのエアギャップを通過し、濃度0〜70質量%、温度50〜80℃の外部凝固浴に導く場合、エアギャップ部の絶対湿度は0.01〜0.3kg/kg乾燥空気となる。エアギャップ部の湿度をこのような範囲に調整することで、外表面開孔率および外表面平均孔面積、外表面ポリビニルピロリドン含有率を適正な範囲にコントロールすることが可能となる。
エアーギャップ長は100〜900mmがより好ましく、200〜800mmがさらに好ましい。エアギャップ長が長すぎると、糸切れ、糸揺れによる融着が発生しやすくなり紡糸安定性が低下することがある。また、エアギャップ長が短すぎると、相分離の進行が不十分になるため均一な細孔径が得られなくなることがある。
中空糸膜を紡糸する際には、製膜溶液を内液とともに二重管型のノズルから吐出し、空走部分を経て凝固浴に導き凝固させる。ノズルから吐出された直後の内液吐出線速度と製膜溶液吐出線速度が、内液吐出線速度>製膜溶液吐出線速度の関係にあると中空糸膜内表面と内液の界面にてずり応力が働き、摩擦が生じ、適度な荷電が付与されるので好ましい。内液吐出線速度は製膜溶液吐出線速度の3倍〜10倍の大きさであることがより好ましい。3倍未満であると中空糸内表面と内液の界面での応力が小さく適度に荷電をコントロールできない可能性がある。10倍を超えると紡糸口金の圧損が大きくなり吐出むらが発生し膜の形状が不均一になることがある。また、製膜溶液吐出速度は6000cm/min以下であることが好ましい。これ以上の製膜溶液吐出速度の場合、紡糸口金の圧損が大きくなり吐出むらが発生し紡糸が不安定になったり、内表面の表面平滑度が低下する可能性がある。
吐出線速度と線速度比は次の式で算出できる。
(吐出直後の吐出線速度)(cm/min)=(吐出量)(ml/min)/(吐出孔面積)(cm2
(線速度比)=(内液の線速度)/(製膜溶液の線速度)
内液としては、0〜80質量%のジメチルアセトアミド(DMAc)水溶液が好ましい。より好ましくは、20〜70質量%、さらに好ましくは25〜60質量%、よりさらに好ましくは35〜50質量%である。内液濃度をこの範囲で制御することにより、溶質透過性とポリビニルピロリドンおよびエンドトキシンカット性を両立する細孔径を得ることが可能となる。また、詳細な理由はわからないが、ジメチルアセトアミドと水との混合溶液を用いることにより、ポリスルホン系樹脂とポリビニルピロリドンのモビリティに変化が生じ、製膜後の中空糸膜の血液接触側表面の親疎水比が適度にバランスするものと考えられる。内液濃度が低すぎると、血液接触面の緻密層が厚くなるため、溶質透過性が低下する可能性がある。また内液濃度が高すぎると、緻密層の形成が不完全になりやすくポリビニルピロリドンや膜中に含まれるエンドトキシン(フラグメント)が血液側に溶出しやすくなり、生体(血液)適合性が低下することがある。
外部凝固液は、10〜80℃、0〜40質量%のNMPまたはDMAc水溶液を使用するのが好ましい。外部凝固液の温度、濃度が高すぎる場合は、透析液側表面(外表面)開孔率および透析液側表面(外表面)平均孔面積が大きくなりすぎ、透析使用時エンドトキシン(フラグメント)の血液側への逆流入が増大する可能性がある。また、外部凝固液の温度、濃度が低すぎる場合には、紡糸原液から持ち込まれる溶媒を希釈するために大量の水を使用する必要があり、また廃液処理のためのコストが増大する。そのため、外部凝固液の温度、濃度はより好ましくは20〜80℃、0〜35質量%、さらに好ましくは30〜80℃、0〜30質量%、よりさらに好ましくは40〜80℃、5〜30質量%、特に好ましくは50〜80℃、10〜30質量%である。
本発明の中空糸膜の製造において、完全に中空糸膜構造が固定された後に実質的に延伸をかけないことが好ましい。実質的に延伸を掛けないとは、外部凝固液から引き出した中空糸膜をその後の工程において走行する中空糸膜に弛みが生じない程度の張力のみを与えて走らせ、最終的に綛に巻き取ることを意味する。完全に膜構造が固定された中空糸膜に延伸をかけると、孔の変形や、潰れ、裂け、配向が起こり、ポリビニルピロリドンの溶出が増加したり、エンドトキシンが血液側に浸出しやすくなることがある。製膜工程中の接触部材との摩擦や液抵抗により、走行中の中空糸膜には伸びが発生するため全てのローラー速度を等速にして製膜することは困難である。弛みが生じない程度の張力とは、具体的にはノズルから吐出された紡糸原液に弛みや過度の緊張が生じないように紡糸工程中のローラー速度をコントロールすることを意味する。ここで言う延伸比とはローラー間の速度比である。ローラー間の延伸比の好ましい範囲は、0.01〜1.5%である。より好ましい範囲は、0.05〜1%、さらに好ましい範囲は0.1〜0.7%である。吐出線速度/凝固浴第一ローラー速度比(ドラフト比)は0.95〜1.8が好ましい範囲である。前記比が0.95未満では、中空糸膜内表面の平滑性の低下に繋がることがあるので、ドラフト比は0.98以上がより好ましく、1.0以上がさらに好ましい。ドラフト比が1.8を超える場合には、中空糸膜の緻密層が裂けるなど膜構造が破壊されることがある。そのため、ドラフト比は、より好ましくは1.7以下、さらに好ましくは1.6以下、よりさらに好ましくは1.5以下、特に好ましくは1.4以下である。ドラフト比をこの範囲に調整することにより細孔の変形や破壊を防ぐことができ、膜孔への血中タンパクの目詰まりを防ぎ経時的な性能安定性やシャープな分画特性を発現することが可能となる。
また、紡糸工程で親水性、疎水性バランスをある程度整えた後、洗浄工程で中空糸膜の親水性、疎水性バランスを最適化するのが好ましい。さらに、乾燥条件を適正化することにより中空糸膜中のポリビニルピロリドンを固定化することが好ましい。洗浄工程では、凝固工程で固定化しきれなかった過剰のポリビニルピロリドンを洗い落とすとともに、膜表面に存在するポリビニルピロリドンの表面への局在化と膨潤を促す。一方、乾燥工程では、ポリスルホン系樹脂とポリビニルピロリドンの物理的な相互作用、すなわちポリスルホン系樹脂鎖とポリビニルピロリドン鎖の絡み合いの程度を強くし、親疎水バランスを整えることができる。洗浄方法としては、凝固浴から引き上げた中空糸膜を、RO水からなる水洗槽に導き30℃以上で60秒以上かけて通過させるのが好ましい。使用するRO水は、水道水をRO装置により純水化したもので、比抵抗が0.3〜2MΩcmのものが好ましく、0.4〜1.9MΩcmのものがより好ましい。0.5〜1.7MΩcmがさらに好ましく、0.7〜1.5MΩcmがよりさらに好ましい。温度が低すぎると、過剰のポリビニルピロリドンを洗浄しきれず、水洗槽を長くしたり、紡糸速度を遅くしたりする必要があるなどコストアップに繋がることがある。また、温度が高すぎると水が沸騰してしまい中空糸膜が安定して走行しなくなることがあるし、ポリビニルピロリドンが熱により劣化することがある。したがって、水洗槽の温度は90℃以下が好ましい。より好ましい温度は35〜80℃、さらに好ましくは35〜75℃、よりさらに好ましくは35〜60℃である。
適度な陰性荷電を持たせるためには、膜表面の静電気を少なくすることが好ましい。膜表面の静電気は主に乾燥や摩擦により発生する。中空糸膜の乾燥を防ぐ方法として、乾燥工程で絶乾しないことやグリセリン処理をすることが挙げられる。グリセリン処理に用いるグリセリン水溶液の濃度は10〜70質量%が好ましく、15〜65質量%がより好ましい。また、別の手段として、乾燥時のエアーを除電することが有効である。除電処理はプラスとマイナスを発生する除電機器を用いて、膜の帯電量に応じた中空糸膜の耐電極性とは反対極性のイオンを与えることによって膜の静電気を中和することによって行われる。帯電量に応じた反対極性のイオンを供給する方法としては、Ion Current Control方式を取り入れた除電機器を用いた方法を用いて中空糸膜を直接除電することができる。Ion Current Control方式とは、帯電物と除電機器のアース電極との電位差によって生じるイオン電流をセンシングすることで、帯電物の帯電状況を把握し、その帯電量に応じた反対極性のイオンを供給するように、プラス、マイナスそれぞれの電極針に高電圧をかける時間(パルス幅)を制御するものである。静電気を起こす摩擦を防ぐ方法として、紡糸機のローラーやガイドの素材を適正化することも効果的である。ローラーやガイドの素材としては、テフロン(登録商標)、ベークライト、ステンレス、プラスチックなどがあるが、中空糸膜との摩擦を最小限にするステンレスが適している。またそれらの形状は中空糸膜との摩擦を最小限にするために、接触部が滑らかな曲線になっていることが好ましい。また、アースをつけることも好ましい。このように静電気や摩擦が起こらないような工程管理をすることにより、ポリスルホン系樹脂が本来もっている陰性荷電を適度にコントロールすることができる。
本発明においては、血液浄化器に充填する長さ単位で中空糸膜を長手方向に10分割し、各々について測定した時の過酸化水素の溶出量が全ての部位で5ppm以下であることが好ましい実施態様である。
従来、中空糸膜からの溶出物量は、透析型人工腎臓装置製造承認基準により定められている。該透析型人工腎臓装置製造承認基準においては、該膜からの溶出物量はUV吸光度で定量されている。本発明者等は該膜からの溶出挙動について、詳細な検討をした結果、主としてポリスルホン系高分子とポリビニルピロリドンからなる中空糸膜において、上記の透析型人工腎臓装置製造承認基準により定められた試験法で抽出された抽出液中には、従来公知のUV吸光度では測定できない過酸化水素が含まれていることを見出した。該過酸化水素が存在すると、例えばポリビニルピロリドンの酸化劣化を促進し、中空糸膜を保存した時に該ポリビニルピロリドンの溶出量が増加するという保存安定性が悪化する事を見出した。また、従来技術においては、いずれもが中空糸膜の特定部位について評価されたものである。例えば、モジュール組み立て等において中空糸膜を乾燥する等の処理を行うと、乾燥条件の変動等の影響により上記の過酸化水素溶出量が中空糸膜の長さ方向で大きく変動することを見出し、上記特定部位のみの評価では高度な安全性の要求に答えられないことを明らかにした。特に、本発明者らが明らかにした過酸化水素は、中空糸膜の特定部位に存在しても、その個所より中空糸膜素材の劣化反応が開始され中空糸膜の全体に伝播していく。したがって、用いられる中空糸膜の長さ方向の過酸化水素の含有量が全領域に渡り、一定量以下に維持する必要がある。
本発明においては、中空糸膜からの過酸化水素の溶出量が5ppm以下であることが好ましい。4ppm以下がより好ましく、3ppm以下がさらに好ましい。該過酸化水素の溶出量が5ppmを超えた場合は、該過酸化水素による酸化劣化等で前記したような保存安定性が悪化し、例えば、長期保存した場合にポリビニルピロリドンの溶出量が増大することがある。保存安定性としては、該ポリビニルピロリドンの溶出量の増加が最も顕著な現象であるが、その他、ポリスルホン系高分子の劣化が引き起こされて中空糸膜が脆くなるとか、モジュール組み立てに用いるポリウレタン系接着剤の劣化を促進し該劣化物の溶出量が増加し安全性の低下に繋がる可能性がある。該長期保存における過酸化水素の酸化作用により引き起こされる劣化起因の溶出物量の増加は透析型人工腎臓装置製造承認基準により設定されているUV(220−350nm)吸光度の測定により評価できる。
本発明における過酸化水素の溶出量は、透析型人工腎臓装置製造承認基準の溶出試験法に準じた方法で抽出された抽出液について定量されたものである。すなわち、該中空糸膜から任意に中空糸膜を取り出し、乾燥状態で1.0gをはかりとる。これに100mlのRO水を加え、70℃で1時間抽出を行う。
該過酸化水素溶出量を上記の規制された範囲に制御する方法としては、例えば、前述したごとく原料として用いるポリビニルピロリドン中の過酸化水素量を300ppm以下にすることが有効な方法であるが、該過酸化水素は上記した中空糸膜の製造過程でも生成するので、該中空糸膜の製造条件を厳密に制御する必要がある。特に、該中空糸膜を製造する際の乾燥工程での生成の寄与が大きいので、乾燥条件の最適化が重要である。特に、この乾燥条件の最適化は、中空糸膜の長手方向の溶出量の変動を小さくすることに関して有効な手段となる。
また、過酸化水素の発生を抑制する他の方法として、製膜溶液を溶解する際、短時間に溶解することも重要な要件である。そのためには、通常、溶解温度を高くすることおよび/または撹拌速度を上げればよい。しかしながら、そうすると温度および撹拌線速度、剪断力の影響によりポリビニルピロリドンの劣化・分解が進行してしまう。事実、発明者らの検討によれば、製膜溶液中のポリビニルピロリドンの分子量は溶解温度の上昇に従い、分子量のピークトップが分解方向に移動(低分子側にシフト)したり、または低分子側に分解物と思われるショルダーが現れる現象が認められた。以上より原料の溶解速度を向上させる目的で温度を上昇させることは、ポリビニルピロリドンの劣化分解を促進し、ひいては中空糸膜中にポリビニルピロリドンの分解物をブレンドしてしまうことから、例えば、得られた中空糸膜を血液浄化に使用する場合、血液中に分解物が溶出するなど、製品の品質安全上、優れたものとはならなかった。そこで、ポリビニルピロリドンの分解を抑制する目的で低温で原料を混合することを試みた。低温溶解とはいっても氷点下となるような極端な条件にするとランニングコストもかかるため、通常5℃以上70℃以下が好ましい。60℃以下がより好ましい。しかし、単純に溶解温度を下げると溶解時間の長時間化によるポリビニルピロリドン劣化分解、操業性の低下や設備の大型化を招くことになり工業的に実施する上では問題がある。
低温で時間をかけずに溶解するための溶解条件について検討を行った結果、溶解に先立ち紡糸溶液を構成する成分を混練した後に溶解させることが好ましいことを見出し本発明に到達した。該混練はポリスルホン系高分子、ポリビニルピロリドンおよび溶媒等の構成成分を一括して混練しても良いし、ポリビニルピロリドンとポリスルホン系高分子とを別個に混練しても良い。前述のごとくポリビニルピロリドンは酸素との接触により劣化が促進され過酸化水素の発生につながるので、該混練時においても不活性ガスで置換した雰囲気で行う等、酸素との接触を抑制する配慮が必要であり別ラインで行うのが好ましい。混練はポリビニルピロリドンと溶媒のみとしてポリスルホン系高分子は予備混練をせずに直接溶解槽に供給する方法も本発明の範疇に含まれる。
該混練は溶解槽と別に混練ラインを設けて実施し混練したものを溶解槽に供給してもよいし、混練機能を有する溶解槽で混練と溶解の両方を実施しても良い。前者の別個の装置で実施する場合の、混練装置の種類や形式は問わない。回分式、連続式のいずれであっても構わない。スタチックミキサー等のスタチックな方法であっても良いし、ニーダーや攪拌式混練機等のダイナミックな方法であっても良い。混練の効率より後者が好ましい。後者の場合の混練方法も限定なく、ピンタイプ、スクリュータイプ、攪拌器タイプ等いずれの形式でもよい。スクリュータイプが好ましい。スクリューの形状や回転数も混練効率と発熱とのバランスより適宜選択すれば良い。一方、混練機能を有する溶解槽を用いる場合の溶解槽の形式も限定されないが、例えば、2本の枠型ブレードが自転、公転するいわゆるプラネタリー運動により混練効果を発現する形式の混練溶解機が推奨される。例えば、井上製作所社製のプラネタリュームミキサーやトリミックス等が本方式に該当する。
混練時のポリビニルピロリドンやポリスルホン系高分子等の樹脂成分と溶媒との比率も限定されない。樹脂/溶媒の質量比で0.1〜3が好ましい。0.5〜2がより好ましい。
前述のごとくポリビニルピロリドンの劣化を抑制し、かつ効率的な溶解を行うことが本発明の技術ポイントである。従って、少なくともポリビニルピロリドンが存在する系は窒素雰囲気下、70℃以下の低温で混練および溶解することが好ましい実施態様である。ポリビニルピロリドンとポリスルホン系高分子を別ラインで混練する場合にポリスルホン系高分子の混練ラインに本要件を適用してもよい。混練や溶解の効率と発熱とは二律背反現象である。該二律背反をできるだけ回避した装置や条件の選択が本発明の重要な要素となる。そういう意味で混練機構における冷却方法が重要であり配慮が必要である。
引き続き前記方法で混練されたものの溶解を行う。該溶解方法も限定されないが、例えば、攪拌式の溶解装置による溶解方法が適用できる。低温・短時間(3時間以内)で溶解するためには、フルード数(Fr=n2d/g)が0.7以上1.3以下、攪拌レイノルズ数(Re=nd2ρ/μ)が50以上250以下であることが好ましい。ここでnは翼の回転数(rps)、ρは密度(Kg/m3)、μは粘度(Pa・s)、gは重力加速度(=9.8m/s2)、dは撹拌翼径(m)である。フルード数が大きすぎると、慣性力が強くなるためタンク内で飛散した原料が壁や天井に付着し、所期の製膜溶液組成が得られないことがある。したがって、フルード数は1.25以下がより好ましく、1.2以下がさらに好ましく、1.15以下がよりさらに好ましい。また、フルード数が小さすぎると、慣性力が弱まるために原料の分散性が低下し、特にポリビニルピロリドンがダマ状になり、それ以上溶解することが困難となったり、均一溶解に長時間を要することがある。したがって、フルード数は0.75以上がより好ましく、0.8以上がさらに好ましい。
本願発明における製膜溶液は所謂低粘性流体であるため、撹拌レイノルズ数が大きすぎると、撹拌時、製膜溶液中への気泡のかみこみによる脱泡時間の長時間化や脱泡不足が起こるなどの問題が生ずることがある。そのため、撹拌レイノルズ数はより好ましくは240以下、さらに好ましくは230以下、よりさらに好ましくは220以下である。また、撹拌レイノルズ数が小さすぎると、撹拌力が小さくなるため溶解の不均一化が起こりやすくなることがある。したがって、撹拌レイノルズ数は、35以上がより好ましく、40以上がさらに好ましく、55以上がよりさらに好ましく、60以上が特に好ましい。さらに、このような紡糸溶液で中空糸膜を製膜すると気泡による曳糸性の低下による操業性の低下や品質面でも中空糸膜への気泡の噛み込みによりその部位が欠陥となり、膜の気密性やバースト圧の低下などを引き起こして問題となることがわかった。紡糸溶液の脱泡は効果的な対処策だが、紡糸溶液の粘度コントロールや溶剤の蒸発による紡糸溶液の組成変化を伴うこともありうるので、脱泡を行う場合には慎重な対応が必要となる。
さらに、ポリビニルピロリドンは空気中の酸素の影響により酸化分解を起こす傾向にあることから、紡糸溶液の溶解は不活性気体封入下で行うのが好ましい。不活性気体としては、窒素、アルゴンなどが上げられるが、窒素を用いるのが好ましい。このとき、溶解タンク内の残存酸素濃度は3%以下であることが好ましい。窒素封入圧力を高めてやれば溶解時間短縮が望めるが、高圧にするには設備費用が嵩む点と、作業安全性の面から大気圧以上2kgf/cm2以下が好ましい。
その他、本願発明に用いるような低粘性製膜溶液の溶解に用いられる撹拌翼形状としては、ディスクタービン型、パドル型、湾曲羽根ファンタービン型、矢羽根タービン型などの放射流型翼、プロペラ型、傾斜パドル型、ファウドラー型などの軸流型翼が挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。
以上のような低温溶解方法を用いることにより、親水性高分子の劣化分解が抑制された安全性の高い中空糸膜を得ることが可能となる。さらに付言すれば、製膜には原料溶解後の滞留時間が24時間以内の紡糸溶液を使用することが好ましい。なぜなら製膜溶液が保温されている間に熱エネルギーを蓄積し、原料劣化を起こす傾向が認められたためである。
該過酸化水素溶出量およびその変動抑制に対しては、さらに、中空糸膜を絶乾しないことが好ましい。絶乾してしまうと、ポリビニルピロリドンの劣化が増大し、過酸化水素の生成が大幅に増大するので好ましくない。また、使用時の再湿潤化において濡れ性が低下したり、ポリビニルピロリドンが吸水しにくくなるため中空糸膜から溶出しやすくなる可能性がある。乾燥後の中空糸膜の含水率は0.5質量%以上が好ましく、0.7質量%以上がより好ましく、1.0質量%以上がさらに好ましい。一方、本発明においては前記のようにポリビニルピロリドンが実質的に非架橋であることが好ましい。例えば、血液浄化器用として使用する場合は、γ線照射による滅菌処理が実施されるが、該γ線照射によりポリビニルピロリドンが架橋される。本発明においては該γ線照射によるポリビニルピロリドンの架橋をできるだけ少なくするのが好ましい。該ポリビニルピロリドンの架橋反応は中空糸膜の含水率の影響を受ける。含水率が10質量%を超えると架橋反応が顕著になる。従って、含水率は10質量%以下が好ましい。7質量%未満がより好ましく、4質量%未満がさらに好ましい。
乾燥工程に関しては従来技術では、例えば特開2000−300663号公報に開示されているように60℃のエアを中空糸膜束の長手方向に、一方向から20時間程度通風することにより中空糸膜束を乾燥させていた。しかし、この方法では過酸化水素溶出の中空糸膜束の長手方向での変動が大きく好ましい範囲を超える部分が多発し、本発明を満足することができなかった。この理由についてはよくわからないが、エアを一定方向から通風して中空糸膜束の乾燥を行うと、中空糸膜束のエア入口部より出口部に向かって順次乾燥が進行するため、エア入口部では速く乾燥が終了し、エア出口部で遅れて乾燥が終了する。すなわち、エア入口部では中空糸膜束が過乾燥になることによって、中空糸膜束素材の分解劣下が進行し、結果として入口部は該中空糸膜束の構成材料、特に、ポリビニルピロリドンの酸化劣化が増大することにより引き起こされたのではないかと推測する。そこで本発明者ら、中空糸膜束の部分的な過乾燥を防ぎ、均等に乾燥させることを目的とし、乾燥時のエアの向きを定時毎(例えば、1時間毎や30分毎)に180度反転しながら中空糸膜束の乾燥処理を行った。また、他の目的として、乾燥時の熱による酸化反応速度を抑制するために、乾燥器内温度および乾燥エアの温度を従来の60℃から40℃に低下させることによって本発明の中空糸膜束を得ることができた。上記のごとく、酸化劣化が過酸化水素溶出量の変動要因になっていると推定されることより、乾燥時の雰囲気を窒素ガス等の不活性ガスに置換して実施する方法も有効である。
乾燥器内の風量および風速は、中空糸膜束の量、総含水量に応じて通風乾燥器を調整すればよいが、通常は風量が0.01〜5L/sec(中空糸膜束1本)程度で足りる。通風媒体としては不活性ガスを用いるのが好ましいが、通常の空気を使用する場合には、除湿したものを使用するのが好ましい。乾燥温度は20〜80℃であればよいが、温度を高くすると、中空糸膜束の損傷を大きくし、乾燥が部分的にアンバランスになりがちであるから、常温から最高60℃程度までにするのが好ましい。例えば、含水率200〜1000質量%の状態では、60〜80℃と比較的高い温度で乾燥可能であるが、乾燥が進行し、例えば含水率が1〜50質量%程度に低下した場合、比較的温度の低い常温〜最高60℃程度の範囲において乾燥するのが好ましい。乾燥は、中空糸膜の中心部分および外周部分は勿論のこと、それを束ねた中空糸膜束の中心部分および外周部分の含水率に較差がないのが理想的である。実際には中空糸膜や中空糸膜束の中心部および外周部の含水率に若干の差がある。そして、中空糸膜束の中心部、中間部および外周部などの含水率の較差が小さいということは、品質のよい製品を造るための好ましい実施態様であるから、それを製造する乾燥方法に技術的な配慮をする必要がある。通風媒体として、例えば、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガスを使用する場合には、実質的に無酸素状態での乾燥であるため親水性高分子の劣化分解が起こりにくく、乾燥温度を高めることが可能である。
風量および乾燥温度は、中空糸膜束に含まれる含水率により決まる。含水率が高い場合に風量を例えば0.1〜5L/sec(中空糸膜束1本)という比較的高く設定し、温度も50〜80℃と比較的高く設定する。乾燥が進行し、中空糸膜束の水分含有量が低くなったら、風量を、例えば0.1L/sec(中空糸膜束1本)以下に徐々に下げるという風量を調整し、一方で、温度もそれに連動させ徐々に常温に近づける乾燥方法を採用することが乾燥の工夫の一つである。中空糸膜束の中心部、中間部および外周部などの含水率の較差が小さいということは、各部の乾燥を同時に均一に進行させることでもある。このため、中空糸膜束を通風乾燥するときに送風向きを交互に逆転させるということは、通風乾燥における中空糸膜束に対する送風の向きを180度変えた方向から交互に送風することである。勿論、その送風方向の反転は内容物である中空糸膜束それ自体を通風方向に対して180度交互に反転させるというように装置を工夫する場合もある。又、乾燥のための中空糸膜束を固定し、送風装置に工夫して通風方向を交互に180度程度変えた方向から送風する方法もあるが、送風手段に関しては特に限定する必要はない。特に循環型送風乾燥機の場合には、内容物の中空糸膜束それ自体を交互に180度反転させるような装置が設計上は勿論のこと、運転上も合理的に機能する。この一見ありふれたような反転を含む本発明の乾燥方法は、特に中空糸膜束という特殊な材料において、一束の部分固着を防ぐという品質管理において、汎用の材料の乾燥には見られない予期しえぬ成果をあげることができたというものである。
乾燥における通風の交互反転時間は、乾燥するための中空糸膜束の水分総量および風速、風量、乾燥温度、空気の除湿程度などの要因により変わる性格のものであるが、均一乾燥を求めるなら、送風方向をこまめに反転させることが好ましい。工業的に実用上設定される風向反転時間は乾燥開始後の含水率にも影響するが、例えば60〜80℃程度の高温で、例えば65℃で1〜4時間、25〜60℃において、例えば30℃程度において1〜20時間乾燥するという、総乾燥時間が24時間という時間を設定した場合に、30〜60分程度の間隔で機械的に風向を反転させることができる。水分総量が多い初期の乾燥段階において、例えば60〜80℃程度の高温において、0.1〜5L/sec(中空糸膜束1本)程度の比較的風量が多い条件で乾燥する場合には、最初に風の直接当たる部分の乾燥が比較的早いから、10〜120分程度の間隔で風向の反転を、1〜5時間程度繰り返す。特に、最初の段階は10〜40分間隔で風向を反転させることが好ましい。中空糸膜束の中心部および外周部の含水率の較差が小さくなるに従い、乾燥温度も徐々に30℃程度の常温に近づけ、反転時間も30〜90分程度の間隔で風向の反転を繰り返すことができる。その際の風量および温度の切り換えは、中空糸膜束の含水率を考慮して任意に決めることができる。より定量的に示せば、中空糸膜束の中心部および外周部の水分含有量を算定の根拠にした、含水率が50〜100質量%程度以下になったら、乾燥の状況を観察しながら乾燥時間と反転時間を適宜変更することができる。
乾燥は、固定した時間間隔で機械的に風向反転時間を設定して行うことができる。一方で、乾燥の進行の程度を観察しながら風向反転時間、総乾燥時間を決めるという状況判断や経験則に頼るような要素もある。なお、本発明の含水率(質量%)は、乾燥前の中空糸膜束の質量(a)乾燥後の中空糸膜束の質量(b)を測定し、
含水率(質量%)=(a−b)/b×100
により容易に算定できる。
また、減圧下でマイクロ波を照射して乾燥するのも有効な手段の一つである。該乾燥方法の乾燥条件としては、20KPa以下の減圧下で出力0.1〜100KWのマイクロ波を照射することが好ましい実施態様である。また、該マイクロ波の周波数は1,000〜5,000MHzであり、乾燥処理中の中空糸膜束の最高到達温度が90℃以下であることが好ましい実施態様である。減圧という手段を併設すれば、それだけで水分の乾燥が促進されるので、マイクロ波の照射の出力を低く抑え、照射時間も短縮できる利点もあるが、温度の上昇も比較的小さく抑えることができるので、全体的には中空糸膜束の性能低下に与える影響が少ない。さらに、減圧という手段を伴う乾燥は、乾燥温度を比較的下げることができるという利点があり、特に親水性高分子の劣化分解を著しく抑えることができるという有意な点がある。適正な乾燥温度は20〜80℃で十分足りるということになる。より好ましくは20〜60℃、さらに好ましくは20〜50℃、よりさらに好ましくは30〜40℃である。
減圧を伴うということは、中空糸膜束の中心部および外周部に均等に減圧が作用することになり、水分の蒸発が均一に促進されることになり、中空糸膜の乾燥が均一になされるために、乾燥の不均一に起因する中空糸膜束の障害を是正することになる。それに、マイクロ波による加熱も、中空糸膜束の中心および外周全体にほぼ等しく作用することになるから、均一な加熱と減圧が相乗的に機能することになり、中空糸膜束の乾燥において特有の効果を奏する。減圧度についてはマイクロ波の出力、中空糸膜束の有する総水分含量および中空糸膜束の本数により適宜設定すれば良いが、乾燥中の中空糸膜束の温度上昇を防ぐため減圧度は20kPa以下、より好ましくは15kPa以下、さらに好ましくは10kPa以下で行う。20kPa以上では水分蒸発効率が低下するばかりでなく、中空糸膜束を形成するポリマーの温度が上昇してしまい劣化してしまう可能性がある。また、減圧度は高い方が温度上昇抑制と乾燥効率を高める意味で好ましいが、装置の密閉度を維持するためにかかるコストが高くなるので0.1kPa以上が好ましい。より好ましくは0.25kPa以上、さらに好ましくは0.4kPa以上である。
乾燥時間短縮を考慮するとマイクロ波の出力は高い方が好ましいが、例えばポリビニルピロリドンを含有する中空糸膜束では過乾燥や過加熱によるポリビニルピロリドンの劣化、分解が起こったり、使用時の濡れ性低下が起こるなどの問題があるため、出力はあまり上げないのが好ましい。また0.1kW未満の出力でも中空糸膜束を乾燥することは可能であるが、乾燥時間が延びることによる処理量低下の問題が起こる可能性がある。減圧度とマイクロ波出力の組合せの最適値は、中空糸膜束の保有水分量および中空糸膜束の処理本数により異なるものであって、試行錯誤のうえ適宜設定値を求めるのが好ましい。
例えば、本発明の乾燥条件を実施する一応の目安として、中空糸膜束1本当たり50gの水分を有する中空糸膜束を20本乾燥した場合、総水分含量は50g×20本=1,000gとなり、この時のマイクロ波の出力は1.5kW、減圧度は5kPaが適当である。
より好ましいマイクロ波出力は0.1〜80kW、さらに好ましいマイクロ波出力は0.1〜60kWである。マイクロ波の出力は、例えば、中空糸膜の総数と総含水量により決まるが、いきなり高出力のマイクロ波を照射すると、短時間で乾燥が終了するが、中空糸膜が部分的に変性することがあり、縮れのような変形を起こすことがある。マイクロ波を使用して乾燥するという場合に、例えば、中空糸膜に保水剤のようなものを用いた場合に、高出力やマイクロ波を用いて過激に乾燥することは保水剤の飛散による消失の原因にもなる。それに特に減圧下の条件をともなうと中空糸膜への影響を考えれば、従来においては減圧下でマイクロ波を照射することは意図していなかった。本発明の減圧下でマイクロ波を照射するということは、水性液体の蒸発が比較的温度が低い状態においても活発になるため、高出力マイクロ波および高温によるポリビニルピロリドンの劣化や中空糸膜の変形等の中空糸膜の損傷を防ぐという二重の効果を奏することになる。
本発明において、減圧下におけるマイクロ波照射による乾燥は、マイクロ波の出力を一定にした一段乾燥を可能としているが、別の実施態様として、乾燥の進行に応じて、マイクロ波の出力を順次段階的に下げる、いわゆる多段乾燥を好ましい態様として包含している。そこで、多段乾燥の意義を説明すると次のようになる。減圧下で、しかも30〜90℃程度の比較的低い温度で、マイクロ波で乾燥する場合に、中空糸膜束の乾燥の進み具合に合わせて、マイクロ波の出力を順次下げていくという多段乾燥方法が優れている。乾燥をする中空糸膜の総量、工業的に許容できる適正な乾燥時間などを考慮して、減圧の程度、温度、マイクロ波の出力および照射時間を決めればよい。多段乾燥は、例えば、2〜6段という任意に何段も可能であるが、生産性を考慮して工業的に適正と許容できるのは、2〜4段乾燥にするのが適当である。中空糸膜束に含まれる水分の総量にもよるが、比較的多い場合に、多段乾燥は、例えば、90℃以下の温度における、5〜20kPa程度の減圧下で、一段目は30〜100kWの範囲で、二段目は10〜30kWの範囲で、三段目は0.1〜10kWというように、マイクロ波照射時間を加味して決めることができる。マイクロ波の出力を、例えば、高い段で90kW、低い段で0.1kWのように、出力の較差が大きい場合には、その出力を下げる段数を例えば4〜8段と多くすればよい。本発明の場合に、減圧というマイクロ波照射に技術的な配慮をしているから、比較的マイクロ波の出力を下げた状態でもできるという有利な点がある。例えば、一段目は10〜20kWのマイクロ波により10〜100分程度、二段目は3〜10kW程度で5〜80分程度、三段目は0.1〜3kW程度で1〜60分程度という段階で乾燥する。各段のマイクロ波の出力および照射時間は、中空糸膜に含まれる水分の総量の減り具合に連動して下げていくことが好ましい。この乾燥方法は、中空糸膜束に非常に穏やかな乾燥方法であり、先行技術においては期待できないことから、本発明の作用効果を有意にしている。
別の態様を説明すると、中空糸膜束の含水率が400質量%以下の場合には、12kW以下の低出力マイクロ波による照射が優れている場合がある。例えば、一度に乾燥を行う中空糸膜束の水分総量が1〜7kg程度と比較的少量の場合には、80℃以下、好ましくは60℃以下の温度で、3〜10kPa程度の減圧下において、12kW以下の出力の、例えば1〜5kW程度のマイクロ波で10〜240分間中空糸膜束を均一に加熱した後、マイクロ波照射を停止すると同時に減圧度を1〜3kPaに上げることにより水分を蒸発させる。中空糸膜束の温度が下がり、水分が蒸発しにくくなったら、減圧度を3〜10kPaに戻し、マイクロ波照射を再開し0.5〜1kW未満のマイクロ波で1〜240分程度中空糸膜束を加熱する。中空糸膜束の温度が上がったら、マイクロ波照射を停止し、減圧度を0.5〜1.5kPaに上げ水分を蒸発させる。中空糸膜束より水分が蒸発しにくくなれば、再度減圧度を3〜10kPaに下げ、0.1〜0.5kW未満のマイクロ波を照射し1〜240分程度加熱するという、乾燥の程度に応じてマイク口波の照射出力および照射時間を調整すれば乾燥が均一に行われる。減圧度は各段において、一応0.1〜20kPaという条件を設定しているが、中空糸膜の水分含量の比較的多い一段目を例えば0.1〜5kPaと減圧を高め、マイクロ波の出力を10〜30kWと高める、ニ段目、三段目を5〜20kPaの減圧下で0.1〜5kWによる一段目よりやや高い圧力下でマイクロ波を照射するという、いわゆる各段の減圧度を状況に応じて適正に調整して変えることなどは、中空糸膜束の含水率の低下の推移を考慮して任意に設定することが可能である。各段において、減圧度を変える操作は、本発明の減圧下でマイクロ波を照射するという意義をさらに大きくする。勿論、マイクロ波照射装置内におけるマイクロ波の均一な照射および排気には常時配慮する必要がある。
中空糸膜束の乾燥を、減圧下でマイクロ波を照射して乾燥することと、通風向きを交互に逆転する乾燥方法を併用することも乾燥において工程が煩雑にはなるが、有効な乾燥方法である。マイクロ波照射方法および通風交互逆転方法も一長一短があり、高度の品質が求められる場合に、これらを併用することができる。最初の段階で、通風交互逆転方法を採用して、含水率が20〜60質量%程度に進行したら、次の段階で減圧下でマイクロ波を照射して乾燥することができる。この場合に、マイクロ波を照射して乾燥した後に、次に通風向きを交互に逆転する乾燥方法を併用することもできる。これらは、乾燥により製造される中空糸膜の品質、特に中空糸膜における長さ方向において部分固着がないポリスルホン系中空糸膜束の品質を考慮して決めることができる。これらの乾燥方法を同時に行うこともできるが、装置の煩雑さ、複雑さ、価格の高騰などの不利な点があるため実用的ではない。しかし、遠赤外線等の有効な加熱方法を併用することは本発明の乾燥方法の範囲からは排除しない。
乾燥中の中空糸膜束の最高到達温度は、不可逆性のサーモラベルを中空糸膜束を保護するフィルム側面に貼り付けて乾燥を行い、乾燥後に取り出し表示を確認することで測定することができる。この時、乾燥中の中空糸膜束の最高到達温度は90℃以下が好ましく、より好ましくは80℃以下に抑える。さらに好ましくは70℃以下である。最高到達温度が90℃以上になると、膜構造が変化しやすくなり性能低下や酸化劣化を起こしてしまう場合がある。特にポリビニルピロリドンを含有する中空糸膜束では、熱によるポリビニルピロリドンの分解等が起こりやすいので温度上昇をできるだけ防ぐ必要がある。減圧度とマイクロ波出力の最適化と断続的に照射することで温度上昇を防ぐことができる。また、乾燥温度は低い方が好ましいが、減圧度の維持コスト、乾燥時間短縮の面より30℃以上が好ましい。
マイクロ波の照射周波数は、中空糸膜束への照射斑の抑制や、細孔内の水を細孔より押出す効果などを考慮すると1,000〜5,000MHzが好ましい。より好ましくは1,500〜4,000MHz、さらに好ましくは2,000〜3,000MHzである。該マイクロ波照射による乾燥は中空糸膜束を均一に加熱し乾燥することが重要である。上記したマイクロ波乾燥においては、マイクロ波照射時に付随発生する反射波による不均一加熱が発生するので、該反射波による不均一加熱を低減する手段を取る事が重要である。該方策は限定されず任意であるが、例えば、特開2000−340356号公報において開示されているオーブン中に反射板を設けて反射波を反射させ加熱の均一化を行う方法が好ましい実施態様の一つである。
以上、本発明を構成する主要件および該要件を達成するために必要な重要ポイントについて記述したが、本願発明の中空糸膜を得るための紡糸、後処理について具体例を挙げてより詳細に説明する。
製膜溶液にはポリマーと溶媒、必要に応じて非溶媒の各成分を用いる。中空内液には製膜溶液に用いたのと同じ溶媒と水からなる混合液を用いるのが好ましいが、目的とする膜性能・膜特性を得るために適宜非溶媒を添加してもよい。ポリスルホン系高分子としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンは勿論のこと、二種のポリマーを混合して使うこともできる。溶媒としては、ポリスルホン系高分子とポリビニルピロリドンを共に溶解する溶媒を用いるのが好ましい。具体的には、例えばジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミドなどを使用することができる。ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドンがより好ましい。本発明において非溶媒とは、溶媒とはある程度任意の割合で混合できるがポリスルホン系高分子を溶解する能力のないものをいう。本発明では、水、エチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、1,3−ブチレングリコール、グリセリン、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテルなどが好ましい。作業安全性、入手のしやすさ、コストの面より、水、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコールがより好ましい。
製膜溶液を室温〜130℃に加温されたチューブインオリフィス型の二重管ノズルより吐出し、所謂乾湿式紡糸法により膜を形成させる。ノズルから製膜溶液と該製膜溶液を凝固させるための中空内液とを同時に空中に押し出し、外気と遮断された空中を通過後ノズル直下に設けた凝固浴槽に導き、ミクロ相分離により膜を形成させる。得られた中空糸膜は、引き続き水洗槽を通すことで過剰の溶媒・非溶媒・ポリビニルピロリドンを膜から除去する。一定本数を綛に巻きとり、中空糸膜束を保護するフィルムに挿入した後、一定長さに切断する。更に遠心分離により内液を除去した後、再度洗浄を行い過剰のポリビニルピロリドン、劣化分解物の除去および膜中の含有量の制御を行う。得られた中空糸膜は、低温で乾燥をおこなう。
ノズルの製膜溶液吐出孔幅は100μm以下であることが好ましい。より好ましくは80μm以下、さらに好ましくは60μm以下である。該吐出孔幅は小さい方が膜厚を薄くできるため好ましいが、小さすぎるとノズル詰まりを起こしやすくなるとか、洗浄しにくくなるといった問題が発生することがあるため、20μm以上が好ましく、30μm以上がより好ましい。また、前述のごとく該製膜溶液流路の吐出外径(D)とランド長(L)との比であるL/D値は2〜6が好ましい。該対応で中空糸膜内表面のポリビニルピロリドンの配向が好ましい範囲となる。
本発明においては、上記したポリビニルピロリドンの溶出量と内毒素であるエンドトキシンの血液側への浸入を阻止したり、中空糸膜を乾燥する折の中空糸膜同士の固着を防止する等の特性をバランスするために中空糸膜の外表面におけるポリビニルピロリドンの含有量を特定範囲にすることが求められる。該要求に答える方法として、例えば、ポリスルホン系高分子に対するポリビニルピロリドンの構成割合を前記した範囲にしたり、中空糸膜の製膜条件を最適化する等により達成できる。また、製膜された中空糸膜を洗浄することも有効な方法である。製膜条件としては、延伸条件、凝固浴の温度、凝固液中の溶媒と非溶媒との組成比等の最適化が、また、洗浄方法としては、温水洗浄、アルコール洗浄および遠心洗浄等が有効である。
水洗浴を通過した中空糸膜は、湿潤状態のまま綛に巻き取り、3,000〜20,000本の束にする。ついで、得られた中空糸膜を洗浄し、過剰の溶媒、ポリビニルピロリドンを除去する。中空糸膜の洗浄方法として、本発明では、70〜130℃の熱水、または室温〜50℃、10〜40vol%のエタノールまたはイソプロパノール水溶液に中空糸膜を浸漬して処理するのが好ましい。
(1)熱水洗浄の場合は、中空糸膜を過剰のRO水に浸漬し70〜90℃で15〜60分処理した後、中空糸膜を取り出し遠心脱水を行う。この操作をRO水を更新しながら3、4回繰り返して洗浄処理を行う。
(2)加圧容器内の過剰のRO水に浸漬した中空糸膜を121℃で2時間程度処理する方法をとることもできる。
(3)エタノールまたはイソプロパノール水溶液を使用する場合も、(1)と同様の操作を繰り返すのが好ましい。
(4)遠心洗浄器に中空糸膜を放射状に配列し、回転中心から40℃〜90℃の洗浄水をシャワー状に吹きつけながら30分〜5時間遠心洗浄することも好ましい洗浄方法である。
前記洗浄方法は2つ以上組み合わせて行ってもよい。いずれの方法においても、処理温度が低すぎる場合には、洗浄回数を増やす等が必要になりコストアップに繋がることがある。また、処理温度が高すぎるとポリビニルピロリドンの分解が加速し、逆に洗浄効率が低下することがある。上記洗浄を行うことにより、外表面ポリビニルピロリドンの含有量の適正化を行い、固着抑制や溶出物の量を減ずることが可能となる。
本発明においては、中空糸膜を乾燥状態で保管する場合は、過酸化水素の発生を抑制する意味で、20℃以下の温度で保存するのが好ましい。また、脱酸素された状態で密封包装することも好ましい実施態様である。たとえば、酸素ガスおよび水蒸気をほぼ実質的に遮断できるアルミ箔を構成層とした外層がポリエステルフイルム、中間層がアルミ箔、内層がポリエチレンフイルムよりなる不透過性とヒートシール性を兼ね備えた素材よりなる包装袋に、不活性ガス置換あるいは脱酸素剤の存在下で封入方法が挙げられる。この場合、中空糸膜の含水率が1質量%〜飽和含水率の状態で保存するのが好ましい。より好ましくは1〜10質量%、さらに好ましくは1〜7質量%である。また、中空糸膜の含水率が1質量%未満の場合は、包装袋内雰囲気の室温における相対湿度が50%RH以上の状態で保存するか、または水分放出型の脱酸素剤を同梱するのが好ましい。
本発明においては、γ線や電子線照射により滅菌する場合は、ポリビニルピロリドンの架橋反応を抑制する意味において中空糸膜束を乾燥状態で行うのが好ましい。該方法においては、γ線や電子線照射によるポリビニルピロリドンの劣化による過酸化水素生成を抑制する意味で上記の保存方法で記述したと同様の方法で行うのが好ましい。
以下、本発明の有効性を実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、以下の実施例における物性の評価方法は以下の通りである。
1、アルブミンの篩い係数
(1%牛血漿アルブミン溶液の調製)
A液;純水3Lに対してNa2HPO4・12H2O53.72gとNaCl26.30gを溶解する。
B液;純水3Lに対してKH2PO420.42gとNaCl26.30gを溶解する。
A液にB液を添加し、pH=7.5±0.1にあわせる。このリン酸緩衝液3Lに牛血漿アルブミン(和光純薬社製)30gを溶解させる。溶解後、再度1N-NaOHを用いてpH=7.5±0.1に調整する。
(通液)
血液浄化器の透析液側流路に純水を500mL/minで5分間通液し、ついで血液側流路に200mL/minで5分間通液した。ついでモジュールの透析液側流路に先のリン酸緩衝液500mL/minで5分間通液し、ついで血液側流路に200mL/minで5分間通液した。その後血液側から透析液側にろ過をかけながら3分間通液した。
(測定)
回路を血液側に接続し、透析液側のプライミング液(リン酸緩衝液)を廃棄する。モジュールを37℃の恒温槽中に置き、透析液側を封止し、血液側の流量を200mL/minで1分間通液し、血液側に残っていたプライミング液を除去する。ついで透析液入り口部に回路を接続し、血液側200mL/min、透析液入り口部につないだ濾過回路の流量を30mL/minに設定し、血液側透過液、濾液ともに試験液に戻す循環系で試験を実施する。循環開始から15分後の試験液、血液側透過液、濾液をそれぞれ採取した。この採取したサンプルを純水で10倍希釈し(濾液は希釈なしが好ましい)280nmの波長で分光器により吸光度を測定した。アルブミンの篩係数はそれぞれの吸光度より下式を用いて算出した。
SCalb=2×Cf/(Cb+Co)
ここでCfは濾液の吸光度、Cbは試験液の吸光度、Coは血液側透過液の吸光度を表し、希釈した場合にはそれぞれの希釈倍率を乗じるものとする。
2、α1マイクログロブリンのクリアランス
ヒトα1マイクログロブリン(カタログ#133007 コスモ・バイオ社)を牛血液(クエン酸ナトリウム添加、ヘマトクリット30%、総蛋白質濃度6〜7g/dlに調整)に溶解し、100mL/Lの濃度になるように調製する。この牛血液を37℃に加温し、内径基準で1.0m2のモジュールの血液側(中空糸内部)へ小型ポンプで10ml/minで送り、透析液側は37℃に加温した透析液を同様に25ml/minで血液側と向流方向に流す。また、血液側出口流量を10ml/minに維持する。流量設定をした後、30分後に血液側入口、出口、透析液側出口からサンプリングをおこなった。イライザ(ELISA)法によりα1MGの濃度を測定して、次式によりクリアランスCLを算出した。
CL=(Cbi−Cbout)/Cbi×Qb
ここで、CL:クリアランス(ml/min)
Cbi:血液側入口濃度
Cbout:血液側出口濃度
Qb:血液流量(ml/min)
3、α1マイクログロブリン吸着量測定
(100mg/Lα1MG溶液の調製)
A液;純水3LにNa2HPO4・12H2O53.72gとNaCl26.30gを溶解する。
B液;純水3LにKH2PO420.42gとNaCl26.30gを溶解する。
A液にB液を添加し、pH=7.5±0.1にあわせる。このリン酸緩衝液3Lに牛血漿アルブミン(和光純薬社製)300mgを溶解させる。溶解後、再度1N-NaOHを用いてpH=7.5±0.1に調製する。
(通液)
血液浄化器の透析液側流路に純水500mL/minで5分間通液し、ついで血液側流路に200mL/minで5分間通液した。ついでモジュールの透析液側流路に先のリン酸緩衝液500mL/minで5分間通液し、ついで血液側流路に200mL/minで5分間通液した。その後血液側から透析液側にろ過をかけながら3分間通液した。
(測定)
測定液回路を血液側に接続し、透析液側のプライミング液(リン酸緩衝液)を廃棄する。モジュールを37℃の恒温槽中に置き、透析液側を封止し、血液側の流量を200mL/minで1分間通液し、血液側に残っていたプライミング液を除去する。ついで透析液入り口部に回路を接続し、血液側の流量を200mL/min、透析液入り口部につないだ濾過回路の流量を30mL/minに設定し、血液側透過液、濾液ともに試験液に戻す循環系で試験を実施する。循環開始時と15分後の試験液をそれぞれ採取した。この採取したサンプルをイライザ法により濃度を決定し、吸着量を求めた。
α1MGの吸着量(mg)=Cb0×試験液量−Cb15×試験液量
ここでCb0、Cb15はそれぞれ循環開始時および15分後の試験液の濃度を表し、希釈した場合にはそれぞれの希釈倍率を乗じるものとする。
4、透水性
血液浄化器の血液出口部回路(圧力測定点よりも出口側)を鉗子により流れを止め全ろ過とする。37℃に保温した純水を加圧タンクに入れ、レギュレーターにより圧力を制御しながら、37℃高温槽で保温した血液浄化器へ純水を送り、透析液側から流出した濾液量をメスシリンダーで測定する。膜間圧力差(TMP)は
TMP=(Pi+Po)/2
とする。ここでPiは血液浄化器入り口側圧力、Poは血液浄化器出口側圧力である。TMPを4点変化させ濾過流量を測定し、それらの関係の傾きから透水性(mL/hr/mmHg)を算出する。このときTMPと濾過流量の相関係数は0.999以上でなくてはならない。また回路による圧力損失誤差を少なくするために、TMPは100mmHg以下の範囲で測定する。中空糸膜の透水性は膜面積と透析器の透水性から算出する。
UFR(H)=UFR(D)/A
ここでUFR(H)は中空糸膜の透水性(mL/m2/hr/mmHg)、UFR(D)は血液浄化器の透水性(mL/hr/mmHg)、Aは透析器の膜面積(m2)である。
5、膜面積の計算
血液浄化器の膜面積は中空糸膜の内径基準として求める。
A=n×π×d×L
ここで、nは血液浄化器内の中空糸膜本数、πは円周率、dは中空糸膜の内径(m)、Lは血液浄化器内の中空糸膜の有効長(m)である。
6、血液リークテスト
クエン酸を添加し、凝固を抑制した37℃の牛血液を、血液浄化器に200mL/minで送液し、20mL/minの割合で血液を濾過する。このとき、ろ液は血液に戻し、循環系とする。60分間後に血液浄化器のろ液を採取し、赤血球のリークに起因する赤色を目視で観察する。この血液リーク試験を各実施例、比較例ともに30本の血液浄化器を用い、血液リークしたモジュール数を調べる。
7、中空糸膜内外表面の最表層におけるポリビニルピロリドン(PVP)の含有量
X線光電子分光法(ESCA法)で求めた。
中空糸膜1本を試料台にはりつけてESCAでの測定を行った。測定条件は次に示す通りである。
測定装置:アルバック・ファイ ESCA5800
励起X線:MgKα線
X線出力:14kV,25mA
光電子脱出角度:45°
分析径:400μmφ
パスエネルギー:29.35eV
分解能:0.125eV/step
真空度:約10-7Pa以下
窒素の測定値(N)と硫黄の測定値(S)から、次式により表面でのPVP含有量を算出した。
<PVP添加PES(ポリエーテルスルホン)膜の場合>
PVP含有量(Hpvp)[質量%]
=100×(N×111)/(N×111+S×232)
<PVP添加PSf(ポリスルホン)膜の場合>
PVP含有量(Hpvp)[質量%]
=100×(N×111)/(N×111+S×442)
8、中空糸膜全体でのPVP含有量の測定方法
サンプルを、真空乾燥器を用いて、80℃で48時間乾燥させ、その10mgをCHNコーダー(ヤナコ分析工業社製、MT−6型)で分析し、窒素含有量からPVPの含有量を下記式で計算し求めた。
PVPの含有量(質量%)=窒素含有量(質量%)×111/14
9、中空糸膜の内表面の表面近傍層でのPVPの含有量
測定はフーリエ変換赤外分光光度計(SPECTRA TECH社製IRμs/SIRM)を用い、ATR(Attenuated Total Reflection)法により測定した。上記7と同様の方法で準備した測定サンプルを使用し、内部反射エレメントとしてダイヤモンド45°を使用し赤外吸収スペクトルを測定した。赤外吸収スペクトルにおいて1675cm-1付近のPVPのC=Oに由来するピークの吸収強度Apと1580cm-1付近のポリスルホン系高分子に由来するピークの吸収強度Asの比Ap/Asを求めた。ATR法においては吸収強度が測定波数に依存しているため、補正値としてポリスルホン系高分子のピーク位置υsおよびPVPのピーク位置υp(波数)の比υp/υsを実測値にかけた。次の式で血液接触面の近傍層におけるPVPの含有量を算出した。
表面近傍層でのPVPの含有量(質量%)=Cav×Ap/As×υp/υs
ただし、Cavは前記8で求めたPVPの含有量(質量%)である。
10、中空糸膜外表面の開孔率
中空糸膜外表面を10,000倍の電子顕微鏡で観察し写真(SEM写真)を撮影する。その画像を画像解析処理ソフトで処理して中空糸膜外表面の開孔率を求めた。画像解析処理ソフトは、例えばImage Pro Plus (Media Cybernetics,Inc.)を使用して測定する。取り込んだ画像を孔部と閉塞部が識別されるように強調・フィルタ操作を実施する。その後、孔部をカウントした。その際、孔内部に下層のポリマー鎖が見て取れる場合には、下層のポリマー鎖を無視してカウントした。測定範囲の面積(A)、および測定範囲内の孔の面積の累計(B)を求めて開孔率(%)=B/A×100で求めた。これを10視野実施してその平均を求めた。初期操作としてスケール設定を実施するものとし、また、カウント時には測定範囲境界上の孔は除外しないものとする。
11、中空糸膜の膜厚測定
倍率200倍の投影機で中空糸膜の断面を投影し、各視野内で最大、最小、中程度の大きさの中空糸膜の内径(A)および外径(B)を測定し、各中空糸膜の膜厚を次式で求め、
膜厚=(B−A)/2
1視野5個の中空糸膜の膜厚の平均を算出した。
12、スキン層厚みの測定
本発明における中空糸膜のスキン層の厚みは、以下のようにして求めた。
中空糸膜断面を3000倍の倍率で走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察を行い、明らかに孔が観察されない部分をスキン層と定義し、その厚みを測定した。
13、血液適合性
中空糸膜の血液との適合性は次の方法によって行う。
(1)20cmに切りそろえた中空糸膜を10本束ね、両末端をシリコンチューブに差しこみ、接着剤で固定したマイクロ血液浄化器を作成する。
(2)マイクロ血液浄化器の中空糸膜部分をキンダリー液に浸漬する。
(3)クエン酸を添加した(ACD)牛血液をシリンジを用いマイクロ血液浄化器内腔に充填する。
(4)充填後、マイクロ血液浄化器両末端は鉗子で閉じる。
(5)血液封入10分後、鉗子をはずし、マイクロ血液浄化器片端からシリンジで内封した血液を生理食塩水を満たしたシャーレ内に押し出す。
(6)(5)の血液押し出し時に、内封血液が出てこない場合を「つまり」とする。
(7)シャーレ中に押し出した血液が生理食塩水中で均一にならずに、塊状になっているものを「凝固」とする。
(8)シャーレ中に押し出した血液が生理食塩水中で均一になった場合は「凝固反応無し」とする。
14、メチレンブルーの吸着率
中空糸膜のメチレンブルーの吸着率は、次の方法によってメチレンブルー溶液灌流前後の溶液中のメチレンブルー濃度から算出した。
(1)メチレンブルーを0.5ppmの濃度になるよう水に溶解してメチレンブルー溶液を調製する。
(2)膜と接触する前のメチレンブルー溶液をサンプリングしておく。
(3)メチレンブルー溶液1000mLを測り採り、膜面積1.5m2の中空糸膜血液浄化器の血液側、透析液側を満たす。
(4)血液浄化器充填後、余ったメチレンブルー溶液をプールし、血液浄化器の血液側に200mL/minの流量で灌流する。この際、溶液プールから流れ出た溶液は血液浄化器の血液側を通過し、プールに戻るように回路を組む。
(5)5分の灌流を行った後、血液浄化器に充填されたメチレンブルー溶液と、プールされたメチレンブルー溶液を併せ、サンプリングを行う。
(6)メチレンブルー水溶液の紫外吸収スペクトルの最大吸収波長490nmの吸光度から、検量線を作成し、膜接触前後のメチレンブルー溶液の濃度を測定する。
(7)次の式からメチレンブルー吸着率を算出する。
(メチレンブルー吸着率)[%]=100×(灌流後の溶液のメチレンブルー濃度)/(灌流前の溶液のメチレンブルー濃度)
15、比抵抗の測定
水の比抵抗は電気伝導率計(東亜電波工業株式会社製CM-40V)にて測定した電気伝導率より算出する。
(比抵抗)[MΩcm]=1/(電気伝導率)
16、エンドトキシン透過性
エンドトキシン濃度200EU/Lの透析液を血液浄化器の透析液入り口より流速500ml/minで送液し、中空糸膜の外側から内側へエンドトキシンを含有する透析液を濾過速度15ml/minで2時間濾過を行い、中空糸膜の外側から中空糸膜の内側へ濾過された透析液を貯留し、該貯留液のエンドトキシン濃度を測定した。エンドトキシン濃度はリムルスESIIテストワコー(和光純薬工業社製)を用い、取り説の方法(ゲル化転倒法)に従って分析を行った。
17、プライミング性
血液浄化器の透析液側ポートに蓋をした状態で血液側入口ポートから200mL/minで注射用蒸留水を流し、出口側ポートに注射用蒸留水が到達した時点から10秒間カンシで5回血液浄化器容器を軽くたたき脱泡した後、1分間の気泡の通過個数を目視にて確認した。
以下の基準で判定した。
10個/分以下:○
11〜30個/分:△
30個以上/分:×
18、PVP不溶物量の測定
血液浄化器に液体が充填されている場合は、まず充填液を抜き、つぎに透析液側流路に純水を500mL/minで5分間流した後、血液側流路に同じように純水を200mL/minで5分間流す。最後に血液側から透析液側に膜を透過するように200mL/minの純水を通液し洗浄処理を終了する。得られた血液浄化器より中空糸膜束を取り出し、フリーズドライしたものを不溶成分測定用サンプルとした。乾燥中空糸膜束血液浄化器の場合も、同様の洗浄処理を行い測定用サンプルとした。
本発明におけるポリビニルピロリドンの架橋による不溶化は、架橋後の膜におけるジメチルホルムアミドに対する溶解性で判定される。すなわち、架橋後の膜10gを取り、100mlのジメチルホルムアミドに溶解した溶液の濁りを肉眼観察し、濁りのある場合を架橋あり、濁りの無い場合を架橋なしと判定した。
19、過酸化水素溶出量
透析型人工腎臓装置製造基準に定められた方法で抽出液を得、該抽出液中の過酸化水素を比色法で定量した。該定量は、中空糸膜を長手方向に10個に等分し、各々の部位について行った。
乾燥中空糸膜の場合は中空糸膜束1gに純水100mlを加え、70℃で1時間抽出した。得られた抽出液2.6mlに塩化アンモニウム緩衝液(pH8.6)0.2mlとモル比で当量混合したTiCl4の塩化水素溶液と4−(2−ピリジルアゾ)レゾルシノールのNa塩水溶液との混合液を0.4mMに調製した発色試薬0.2mlを加え、50℃で5分間加温後、室温に冷却し508nmの吸光度を測定。標品を用いて同様に測定して求めた検量線にて、過酸化水素溶出量を定量した。
湿潤中空糸膜血液浄化器の場合は、血液浄化器の透析液側流路に生理食塩水を500ml/minで5分間通液し、ついで血液側流路に200ml/minで通液した。その後血液側から透析液側に200ml/minで濾過をかけながら3分間通液した後にフリーズドライをして乾燥膜を得て、該乾燥膜を用いて上記定量を行った。
20、ポリビニルピロリドン(PVP)溶出量
上記方法で抽出した抽出液2.5mlに、0.2molクエン酸水溶液1.25ml、0.006規定のヨウ素水溶液0.5mlを加えよく混合し、室温で10分間放置した後に470nmでの吸光度を測定した。定量は標品のポリビニルピロリドンを用いて上記方法に従い求めた検量線にて行った。
21、アルブミン漏出量
クエン酸を添加し、凝固を抑制した37℃の牛血液を用いた。牛血漿で希釈し、ヘマトクリットを30%に調製した。該血液を血液浄化器に200mL/minで送液し、20mL/minの割合で血液をろ過した。このとき、ろ液は血液に戻し、循環系とする。溶血を防止する目的で血液浄化器は予め生理食塩水で十分に置換しておく。循環開始後5分後に所定のろ過流量を得ていることを確認し、開始15分後から15分おきにろ液を約1ccずつサンプリングした。また、開始後15分、60分、120分時に血液浄化器入り口側と出口側の血液をサンプリングし、遠心分離により血漿を得て、これを試験液とした。採取したサンプルをA/G B−テストワコー(和光純薬工業社製)を用いてブロムクレゾールグリーン(BCG法)により、ろ液及び血液・血漿中のアルブミン濃度を算出する。その濃度を基にアルブミンの篩係数を次式により求めた。
SCalb=2*Cf/(Ci+Co)
ここでCfはろ液中のアルブミン濃度、Ciは血液浄化器入り口での血液・血漿中のアルブミン濃度、Coは血液浄化器出口での血液・血漿中のアルブミン濃度をそれぞれ示す。この式に15分及び120分時のデータを代入することにより、15分及び120分でのアルブミンの篩係数を得ることができる。
また、3L除水換算のアルブミンリーク量は次のように求めることができる。30分、45分、60分、75分、90分、105分、120分時にサンプリングし、同様にA/G B−テストワコーのBCG法により、ろ液中のアルブミン濃度を算出する。これらのデータを用い、縦軸にアルブミンリーク(TAL[mg/dL])、横軸にln(時間[min])(lnT)をとり、表計算ソフト(ex.マイクロソフト社製EXCEL−XP)を用いて一次近似によりフィッティングカーブを描き、その関係式TAL=a×lnT+bにおける定数aおよびbを求める(相関係数は0.95以上が好ましく、0.97以上がさらに好ましく、0.99以上がより好ましい)。この式TAL=a×lnT+bを用いてT=0からT=240で積分し、これを240[min]で除することにより、平均のアルブミンリーク濃度[mg/dL]を算出する。求めた平均のアルブミンリーク濃度に30dLを乗ずることにより、本願での3L除水換算でのアルブミンリーク量を得ることができる。
22、中空糸膜の含水率
本発明における選択透過性中空糸膜の含水率は、以下の式により計算した。
含水率(質量%)=100×(Ww−Wd)/Wd
ここで、Wwは選択透過性中空糸膜質量(g)、Wdは、120℃の乾熱オーブンで2時間乾燥後(絶乾後)の選択透過性中空糸膜質量(g)である。また、Wwは1〜2gの範囲内とすることで、2時間後に絶乾状態(これ以上質量変化がない状態)にすることができる。
(実施例1)
ポリエーテルスルホン(住化ケムテックス社製スミカエクセル(登録商標)5200P)18質量%、ポリビニルピロリドン(BASF社製コリドン(登録商標)K−90)3質量%、ジメチルアセトアミド(DMAc)27質量%を2軸のスクリュータイプの混練機で混練した。得られた混練物をDMAc47.5質量%および水4.5質量%を仕込んだ攪拌式の溶解タンクに投入し、3時間攪拌して溶解した。混練および溶解は溶液温度が30℃以上に上がらないように冷却しながら実施した。ついで製膜溶液の脱泡を行った。なお、ポリビニルピロリドンの過酸化水素含有量は100ppmであった。原料供給系の供給タンクや前記の溶解タンク内は窒素ガスで置換した。溶解時のフルード数および撹拌レイノルズ数はそれぞれ1.1および120であった。得られた製膜溶液を15μm、10μmの2段の焼結フィルターに順に通した後、70℃に加温したチューブインオリフィスノズルから吐出量2.3cc/minで吐出し、同時に内液として予め脱気処理した25℃の46質量%DMAc水溶液を吐出し、紡糸管により外気と遮断された700mmの乾式部(エアギャップ部)を通過後、70℃の20質量%DMAc水溶液中で凝固させ、湿潤状態のまま綛に捲き上げた。またノズルスリット幅は平均60μmであり、ノズル内の圧力損失は2.9×108Pa・sであり、製膜溶液流路での剪断応力は1.5×106-1、流路通過時間は1.3×10-3secと計算された。製膜溶液のドラフト比は1.04であった。吐出直後の線速度は内液、製膜溶液それぞれ18390cm/min、4840cm/minであった。線速度比は3.8であった。製膜工程で用いた水は全てRO水を用いた。比抵抗は1.1MΩcmであった。紡糸工程中、中空糸膜束が接触するガイドおよびローラーはテフロン(登録商標)で表面加工したものを用いた。また、巻き取り直前の走行中の中空糸膜束にミスト状の水を噴霧した。これらの製造条件の一部を表1に示す。
該中空糸膜約10,000本の束の周りにポリエチレン製のフィルムを巻きつけた後、30℃の40vol%イソプロパノール水溶液で30分×2回浸漬洗浄し、洗浄処理後の中空糸膜束をRO水で軽く濯いでイソプロパノールを水に置換した後、遠心脱液器で600rpm×5min間脱液した。得られた湿潤中空糸膜束を乾燥装置内の回転テーブル上に12本×2段にセットし、以下の条件で乾燥処理を行った。7kPaの減圧下、1.5kWの出力で30分間中空糸膜束を加熱した後、マイクロ波照射を停止すると同時に減圧度を1.5kPaに上げ3分間維持した。つづいて減圧度を7kPaに戻すと同時にマイクロ波を照射し0.5kWの出力で10分間中空糸膜束を加熱した後、マイクロ波を切断し減圧度を上げ0.7kPaを3分間維持した。さらに減圧度を7kPaに戻し、0.2kWの出力で8分間マイクロ波の照射を行い中空糸膜束を加熱した。マイクロ波切断後、減圧度を0.5kPaに上げ5分間維持することにより中空糸膜束のコンディショニングを行い乾燥を終了した。この際の中空糸膜束表面の最高到達温度は65℃であった。乾燥前の中空糸膜束の含水率は310質量%、1段目終了後の中空糸膜束の含水率は38質量%、2段目終了後の中空糸膜束の含水率は14質量%、3段目終了後の中空糸膜束の含水率は2.3質量%であった。得られた中空糸膜の内径は198μm、膜厚は27μm、スキン層厚みは0.9μmであった。
得られた中空糸膜を長手方向に10個に等分し、各々の部位から乾燥状態の中空糸膜1gをはかりとり、過酸化水素溶出量を定量した。該過酸化水素溶出量は最大値で2ppmであった。全部位において低レベルで安定していた。
得られた中空糸膜束を充填率60容量%で血液浄化器容器に装填し、端部をウレタン樹脂で接着し、樹脂を切り出して中空糸膜端部を開口させて血液浄化器を組み立てた。膜面積は1.5m2であった。中空糸膜束の血液浄化器容器への装填作業に際しては、挿入する中空糸膜束は事前に除電ブロワー(キーエンス社製 梗塞除電ブロワーSJ−F020)により除電処理を行った。また、装填作業も、同様の除電環境下で実施した。該血液浄化器を汎用タイプの脱酸素剤(王子タック株式会社製タモツ(登録商標))およびシリカゲルに塩化カルシウムを担持した調湿剤とともに外層がポリエステルフイルム、中間層がアルミ箔、内層がポリエチレンフイルムよりなる酸素透過率および水蒸気透過率がそれぞれ1cm3/m2・24h・MPa(20℃,90%RH)以下および5g/m2・24h・MPa(40℃,90%RH)以下のアルミラミネートシートよりなる包装袋にて熱シール法でシールし密封し、25kGyのγ線を照射し滅菌を行った。滅菌処理品と同時に密封した包装体の包装袋内の酸素濃度を測定した。0.1容量%以下で実質的な無酸素状態になっていた。また、相対湿度は75%RHであった。
血液浄化器は複数個作製した。完成した血液浄化器より、中空糸膜を取り出し中空糸膜の内表面の表面粗さを測定した。最大突起高さ(PV値)は0.11μmであり、内表面の平滑性は良好であった。また、取り出した中空糸膜10本を束ねマイクロ血液浄化器を作成し、血液適合試験およびメチレンブルー吸着率を測定した。メチレンブルー吸着率は適度な値を有しており、陰性荷電制御が適性であり、かつ上記内表面の平滑性が良好であることで血液適合性は良好であった。また、アルブミンの篩い係数、α1マイクログロブリンのクリアランス、α1マイクログロブリン吸着量を評価した。これらの選択透過性は良好であった。また、血液リーク性やエンドトキシン透過性も良好であった。また、滅菌処理された血液浄化器より中空糸膜束を取り出し、UV吸光度(220−350nm)および過酸化水素量を測定した。これらの測定は、10分割した試料の全部について測定しその最大値で評価した。また、γ線照射をしてもUV吸光度(220−350nm)は悪化せず、透析型人工腎臓装置製造承認基準試験の基準値である0.1未満が維持されていた。また、中空糸膜中の過酸化水素溶出量の増大もみられなかった。
これらの評価結果を表2に示す。
Figure 2006304827
Figure 2006304827
(比較例1)
実施例1の方法において、製膜溶液組成をポリエーテルスルホン(住化ケムテックス社製スミカエクセル(登録商標)5200P)18.0質量%、ポリビニルピロリドン(BASF社製コリドン(登録商標)K−90)0.5質量%、ジメチルアセトアミド(DMAc)77.0質量%、RO水4.5質量%に、内液の温度を50℃に、また凝固液をRO水に変更する以外は、実施例1と同様にして比較例1の中空糸膜およびモジュールを得た。製膜溶液中のポリスルホン系高分子に対するポリビニルピロリドンの比率は2.8質量%、ノズル吐出時の製膜溶液温度と内液の温度差は20℃であった。製造条件の一部および特性値を表1および表2に示す。
本比較例で得られた中空糸膜は、中空糸膜の内表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量が低すぎ、かつスキン層厚みが厚いため、蛋白質の選択透過性が劣っていた。また内表面のポリビニルピロリドンの含有量が低すぎるために残血性が劣っていた。さらに、中空糸膜の内表面および外表面のポリビニルピロリドンの含有量が低いためプライミング性が良くなかった。従って、本比較例で得られた血液浄化器は実用性の低いものであった。
(比較例2)
実施例1の方法において、製膜溶液組成をポリエーテルスルホン(住化ケムテックス社製スミカエクセル(登録商標)5200P)18.0質量%、ポリビニルピロリドン(BASF社製コリドン(登録商標)K−90)10.0質量%、ジメチルアセトアミド(DMAc)67.5質量%、RO水4.5質量%に、内液の濃度を65質量%、液温を45℃に変更する以外は、実施例1と同様にして比較例2の血液浄化器を得た。製膜溶液中のポリスルホン系高分子に対するポリビニルピロリドンの比率は55.5質量%であった。製造条件の一部および特性値を表1および表2に示す。
本比較例で得られた血液浄化器は、充填されている中空糸膜の内表面のポリビニルピロリドンの含有量が高く、細孔径が大きいので蛋白質の選択透過性に劣るものであった。また、ポリビニルピロリドンの溶出量が高かった。なお、蛋白質の選択性の低いことに関しては、内表面のポリビニルピロリドンの含有量が高いこと以外にも、内表面の平均孔径や孔径分布等の蛋白質の透過性に影響を及ぼす他の要因も実施例1の血液浄化器に充填されている中空糸膜とは異なっており、このことも影響を及ぼしているものと推察している。また、中空糸膜の外表面のポリビニルピロリドンの含有量が高いので中空糸膜同士の固着が発生した。また、エンドトキシンの透過が見られた。
また、本比較例で得られた血液浄化器は、エアリークテストの結果、モジュール接着部より気泡が発生するものがみられた。中空糸膜同士の固着に起因する接着不良を起こしたものと思われる。従って、本比較例で得られた血液浄化器は実用性の低いものであった。
(比較例3および4)
実施例1において、内液吐出線速度をそれぞれ12100および53240cm/minに変え、線速度比をそれぞれ2.5および11.0とし、紡糸工程で用いる全ての水を水道水とし、かつ血液浄化器容器への中空糸膜束の装填作業時の除電処理を省略するように変更する以外は、実施例1と同様の方法で比較例1および2の中空糸膜束および血液浄化器を得た。該製造条件の一部および血液浄化器の評価結果をそれぞれ表1および2に示す。
両比較例で得られた中空糸膜束は血液適合性が劣っていた。比較例1で得られた中空糸膜束は、吐出直後の線速度の比が2.5倍と低く、製膜溶液と内液界面での摩擦が十分でなく、適度な陰性荷電にコントロールすることが出来なかったことの寄与が大きかったと考えられる。一方、比較例2で得られた中空糸膜束は、吐出直後の線速度の比が11.0倍と高く、製膜溶液と内液界面での摩擦が過剰であり、適度な陰性荷電にコントロールすることが出来なかったたうえに、安定した紡糸ができなかったため、均一な中空糸膜が得られず、内表面の表面平滑性が悪くなったことの寄与が大きかったと考えられる。
(比較例5)
比較例2において、内液吐出線速度を12100cm/minに変え、線速度比を2.5とし、紡糸工程のガイドおよびローラー表面のテフロン(登録商標)加工を省略し、金属製のものを、製膜工程で用いた水は全て水道水を用い、製膜工程の巻き取り時のミスト水の噴霧およびモジュールハウジングへの中空糸膜束の装填作業時の徐電処理を省略し、かつ血液浄化器にRO水を充填してγ線照射をするように変更する以外は、比較例1と同様の方法で比較例6の血液浄化器を得た。該製造条件の一部および血液浄化器の評価結果をそれぞれ表1および2に示す。
本比較例で得られた血液浄化器は、比較例2で得られた血液浄化器の課題に加えて、比較例3と同様の理由で血液適合性が劣っていた。さらに、本比較例で得られた血液浄化器に充填されている中空糸膜はウエット状態でγ線照射が行われたために、ポリビニルピロリドンの架橋が進行するために、選択透過性が比較例2よりさらに低下した。
(実施例2)
実施例1と同様の方法で、ポリエーテルスルホン(住化ケムテックス社製スミカエクセル(登録商標)4800P)18.0質量%、ポリビニルピロリドン(BASF社製コリドン(登録商標)K−90)2.5質量%、ジメチルアセトアミド(DMAc)74.5質量%、RO水5.0質量%よりなる製膜溶液を調製した。なお、製膜溶液中のポリスルホン系高分子に対するポリビニルピロリドンの比率は13.8質量%であった。原料ポリビニルピロリドンの過酸化水素含有量は100ppmであった。得られた製膜溶液を15μm、10μmの2段の焼結フィルターに順に通した後、70℃に加温したチューブインオリフィスノズルから製膜原液吐出量2.1cc/minで吐出し、同時に内液として予め脱気処理した30℃の50質量%DMAc水溶液を吐出し、紡糸管により外気と遮断された750mmのエアギャップ部を通過後、65℃の25質量%DMAc水溶液中で凝固させ、湿潤状態のまま綛に捲き上げた。ノズルスリット幅は平均60μmであり、ノズル内での製膜溶液の圧力損失は2.15×108Pa・sであり、剪断応力は1.1×106-1、流路通過時間は1.2×10-3secであった。ドラフト比は1.06であった。吐出直後の線速度は内液、製膜溶液それぞれ28070cm/min、4840cm/minであった。線速度比は5.8であった。紡糸工程で用いた水は全てRO水を用いた。比抵抗は1.0MΩcmであった。凝固浴から引き揚げられた中空糸膜束は85℃の水洗槽を45秒間通過させ溶媒と過剰のポリビニルピロリドンを除去した後巻き上げた。紡糸工程中の糸道変更のためのガイドおよびローラーはテフロン(登録商標)で表面加工したものを用いた。また、巻き取り直前の走行中の中空糸膜束にミスト状の水を噴霧した。
得られた中空糸膜約10,000本の束の周りにポリエチレン製のフィルムを巻きつけた後、30℃の40vol%イソプロパノール水溶液で30分×2回浸漬洗浄した。洗浄後の湿潤中空糸膜束を実施例1と同様の方法で乾燥した。乾燥後の選択透過性中空糸膜の含水率は2.8質量%であった。これらの製造条件の一部を表1に示す。
得られた中空糸膜の内径は202μm、膜厚は29μmであった。スキン層厚みは0.8μmであった。得られた中空糸膜の特性値を表1に示す。
得られた中空糸膜を長手方向に2.7cmづつに10個に等分し、各々の部位から乾燥状態の中空糸膜1gをはかりとり、過酸化水素溶出量を定量した。該過酸化水素溶出量は最大値で2ppm以下であった。
上記方法で調製した中空糸膜を用いて実施例1と同様にして血液浄化器を組立て、滅菌処理をおこなった。得られた血液浄化器は、実施例1で得られた血液浄化器と同様に高品質で実用性の高いものであった。これらの評価結果を表2に示す。
(実施例3)
実施例1と同様の方法で、ポリスルホン(アモコ社製P−3500)18.5質量%、ポリビニルピロリドン(BASF社製コリドン(登録商標)K−60)3.0質量%、ジメチルアセトアミド(DMAc)74.5質量%、RO水4.0質量%よりなる製膜溶液を得た。なお、製膜溶液中のポリスルホン系高分子に対するポリビニルピロリドンの比率は16.2質量%、原料ポリビニルピロリドン中の過酸化水素含有量は150ppmのものを用いた。得られた製膜溶液を15μm、10μmの2段の焼結フィルターに順に通した後、50℃に加温したチューブインオリフィスノズルから吐出量2.4cc/minで吐出し、同時に内液として脱気処理した15℃の35質量%DMAc水溶液を吐出し、紡糸管により外気と遮断された650mmのエアギャップ部を通過後、60℃の15質量%DMAc水溶液中で凝固させ、湿潤状態のまま綛に捲き上げた。使用したチューブインオリフィスノズルのノズルスリット幅は平均60μmであり、ノズル内での製膜溶液の圧力損失は2.3×108Pa・s、剪断応力は1.2×106-1、流路通過時間は1.5×10-3secであった。ドラフト比は1.09であった。吐出直後の線速度は内液、製膜溶液それぞれ18390cm/min、4840cm/minであった。線速度比は3.8であった。紡糸工程で用いた水は全てRO水を用いた。比抵抗は1.0MΩcmであった。凝固浴から引き揚げられた中空糸膜は85℃の水洗槽を45秒間通過させ溶媒と過剰のポリビニルピロリドンを除去した。これらの製造条件の一部を表1に示す。
該中空糸膜約10,000本の束の周りにポリエチレン製のフィルムを巻きつけた後、30℃の40vol%イソプロパノール水溶液で30分×2回浸漬洗浄し、洗浄処理後の中空糸膜束をRO水で軽く濯いでイソプロパノールを水に置換した後、遠心脱液器で600rpm×5min間脱液した。得られた湿潤中空糸膜束を均一加熱ができるように装置内にマイクロ波反射板を設置した乾燥装置内の回転テーブルに48本×2段にセットし、以下の条件で乾燥した。7kPaの減圧下、12kWの出力でマイクロ波を照射し15分間加熱処理を行った。つづいてマイクロ波照射を停止するとともに減圧度を1kPaに上げ3分間維持することにより水分を蒸発させた。次に減圧度を7kPaに戻すとともにマイクロ波を照射し、出力3.5kWにて7分問加熱処理を行った。加熱後、マイクロ波照射を停止し減圧度を0.7kPaに上げて3分間維持した。さらに減圧度を7kPaに戻してマイクロ波照射を再開し、出力を2.5kWにて6分間再加熱したのち、マイクロ波照射を停止し減圧度を0.5kPaに上げて7分間乾燥処理を行った。さらに、該中空糸膜束を通風乾燥器において35℃にて3時間含水率均一化処理を行った。マイクロ波乾燥前の中空糸膜束の含水率は306質量%、1段目終了後の含水率は33質量%、2段目終了後の含水率は16質量%、3段目終了後の含水率は6質量%、通風乾燥終了後の含水率は1.7質量%であった。乾燥処理中の中空糸膜束の最高到達温度は54℃であった。得られた中空糸膜の内径は199μm、膜厚は29μmであった。スキン層厚みは0.8μmであった。得られた中空糸膜の特性値を表1に示す。
得られた中空糸膜を長手方向に2.7cmずつ10個に等分し、各々の部位から乾燥状態の中空糸膜1gをはかりとり、過酸化水素溶出量を定量した。該過酸化水素溶出量は最大値で2ppm以下であった。
上記方法で調製した中空糸膜を用いて実施例1と同様にして血液浄化器を組立て、滅菌処理をおこなった。得られた血液浄化器は、実施例1で得られた血液浄化器と同様に高品質で実用性の高いものであった。これらの評価結果を表2に示す。
本発明の血液浄化器は、分離特性のバランスが良く、安全性や性能の安定性が高く、かつ本発明の血液浄化器に充填されている中空糸膜は、内表面(血液接触側表面)の荷電状態や親水性−疎水性バランス等の尺度であるカチオン性染料吸着率が最適化されており、血液灌流時の血小板保持率が所定範囲にあることで、血液適合性、血液接触使用時の性能保持性が高レベルで実現されている。従って、産業界に寄与することが大である。
本発明で用いるチューブインオリフィスノズルの模式図を示す。 中空糸膜の内外表面のPVP含有量比とアルブミン篩い係数の関係を示す模式図である。 中空糸膜の内外表面のPVP含有量比とアルブミン篩い係数の経時変化との関係を示す模式図である。
符号の説明
1:内液吐出孔
2:製膜原液吐出孔
L:ランド長
D:ノズル外径

Claims (6)

  1. 主としてポリスルホン系高分子とポリビニルピロリドンよりなり、0.1〜1.2μmのスキン層を有し、外表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量が25〜50質量%で、(外表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量)/(内表面最表層のポリビニルピロリドンの含有量)≧1.1である選択透過性中空糸膜を用いて作製されてなる血液浄化器であって、下記特性を同時に満足することを特徴とする血液浄化器。
    (1)ヘマトクリット30%、総タンパク濃度6〜7g/dl、クエン酸ナトリウムを添加した37℃の牛血液を200ml/分、濾過流量20ml/分で流したとき、15分後のアルブミンの篩い係数[A]が0.01以上0.1以下であること。
    (2)2時間後のアルブミンの篩い係数[B]が0.005以上0.04未満であること。
    (3)中空糸膜の内腔にクエン酸加牛血液を封入し、カルシウムを含有する等張液に10分間浸漬した後の該封入血に凝固および凝固に起因する中空糸膜のつまりを生じないこと。
  2. 2時間後のアルブミンの篩い係数[B]が15分後のアルブミンの篩い係数[A]より小さいことを特徴とする請求項1に記載の血液浄化器。
  3. 15分後のアルブミンの篩い係数[A]と2時間後のアルブミンの篩い係数[B]の関係が下記式を満足することを特徴とする請求項1または2に記載の血液浄化器。
    [B]/[A]=0.1〜0.4
  4. 中空糸膜の内表面側の表面の最大突起高さ(PV値)が0.5μm以下である請求項1〜3いずれか記載の血液浄化器。
  5. 選択透過性中空糸膜の膜厚が25〜50μmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の血液浄化器。
  6. 選択透過性中空糸膜における外表面の開孔率が20〜35%であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の血液浄化器。
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