JP2013532544A

JP2013532544A - 人工腎単位装置

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Publication number: JP2013532544A
Application number: JP2013521670A
Authority: JP
Inventors: ボムキョーチョイ; スンジュンイ
Original assignee: インダストリー−ユニバーシティコーペレイションファウンデイションソガンユニバーシティ
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2013-08-19
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: CN103096948A; US20130123936A1; EP2586473A1; WO2012015124A1; KR101227453B1; JP5688457B2; US9072593B2; EP2586473A4; KR20120011389A; EP2586473B1

Abstract

本発明は、人工腎単位装置に関する。本人工腎単位装置は、老廃物が含まれている血液と水を通過させると、前記血液から前記老廃物が分離されて前記血液は浄化され、前記分離された老廃物は前記水に対して濃縮されて排出される多重マイクロ流路を含み、前記多重マイクロ流路は、糸球体（Ｇｌｏｍｅｒｕｌｕｓ）を模写する糸球体マイクロ流路、細尿管（Ｔｕｂｕｌｅ）を模写する細尿管マイクロ流路、およびヘンレのループ（Ｈｅｎｌｅ'ｓＬｏｏｐ）を模写するヘンレのループマイクロ流路を含む。本発明によれば、装置の小型化および最適化が可能であり、装置の直列および並列組み合わせを通じて高効率の人工腎臓の構成が可能となり、携帯用人工腎臓および在宅血液透析システムの需要増加が誘導され得、慢性腎不全症患者の生活の質が改善され得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、人工腎単位装置に関する。

人口の高齢化傾向が加速化するに伴い、年齢が５０代以上である診療患者の比率が８０％を越える慢性腎不全症患者が増加しており、そのため、関連市場規模も毎年１０％以上高成長している。

このような慢性腎不全症患者のための国内外関連技術現況を考察してみると、まず血液透析装置（人工腎臓）がある。これは現在病院で慢性腎不全症患者を治療することに利用され、週３回および１回当り４〜５時間がかかる。血液透析装置で治療が行われるためには、動静脈瘻手術が先行されなければならない。これは血液透析のための太い注射針を血管に挿入するためには、患者が有している普通の血管を利用することはできないため、隣接した動脈と静脈を連結して血管を太くさせる手術である。動静脈瘻手術の後に血液透析装置を厚く且つ太く拡張された静脈に連結して血液透析が行われる。

また、患者の身体外部に着用することができる携帯用人工腎臓が開発されている。上述した血液透析装置とは異なり、在宅治療が可能であるという長所があるが、携帯用であるため、治療効率が落ちて高効率の装置の開発に関する研究が国内外で依然として進行中にある。

最近はこのような従来の人工腎臓の限界を克服するためには人工腎臓に対する新たな方式へのアプローチが必要であるという雰囲気が広まっている。

本発明は、前記問題点を解決するために案出されたものであって、本発明が解決しようとする課題は、装置の小型化および最適化が可能であり、装置の直列および並列組み合わせを通じて高効率の人工腎臓の構成が可能となり、慢性腎不全症患者の生活の質が改善され得る人工腎単位装置を提供することにある。

前記課題を達成するための本発明の一実施形態による人工腎単位装置は、老廃物が含まれている血液と水を通過させると、前記血液から前記老廃物が分離されて前記血液は浄化され、前記分離された老廃物は前記水に対して濃縮されて排出される多重マイクロ流路を含み、前記多重マイクロ流路は、糸球体（Ｇｌｏｍｅｒｕｌｕｓ）を模写する糸球体マイクロ流路、細尿管（Ｔｕｂｕｌｅ）を模写する細尿管マイクロ流路、およびヘンレのループ（Ｈｅｎｌｅ’ｓＬｏｏｐ）を模写するヘンレのループマイクロ流路を含む。

本発明の一実施形態による人工腎単位装置は、前記血液が流入される血液流入部、前記血液が前記多重マイクロ流路を経て浄化された後に排出される血液排出部、および、前記血液流入部、前記糸球体マイクロ流路、前記細尿管マイクロ流路、前記ヘンレのループマイクロ流路、および前記血液排出部を順次に連結する血液通路を備えた血液浄化経路；前記糸球体マイクロ流路、前記細尿管マイクロ流路、および前記ヘンレのループマイクロ流路に水を流入させる水流入部；および前記多重マイクロ流路を経て前記水に前記老廃物が濃縮された後に排出される老廃物排出部、および、前記糸球体マイクロ流路、前記細尿管マイクロ流路、前記ヘンレのループマイクロ流路、および前記老廃物排出部を順次に連結する老廃物通路を備えた老廃物濃縮経路をさらに含むことができる。

前記糸球体マイクロ流路は、前記血液から小分子を分離して前記水に合流させ、大分子は前記血液に残し、前記大分子は、ヘモグロビンを含み、前記小分子は、葡萄糖と尿素を含むことができる。

前記糸球体マイクロ流路は、前記大分子と前記小分子との間の粒子分離のために前記水を流入させて拡散を利用することができる。

前記細尿管マイクロ流路は、前記小分子を含む水を前記葡萄糖を含む水と前記尿素を含む水とに分離することができる。

前記細尿管マイクロ流路は、前記小分子の間の粒子分離のために前記小分子を含む水とは別途に水を流入させて拡散および電気浸透圧を利用することができる。

前記ヘンレのループマイクロ流路は、前記葡萄糖を含む水、前記尿素を含む水、および前記葡萄糖を含む水および前記尿素を含む水とは別途に流入される水のそれぞれにおける水の量を浸透圧により調節した後、前記葡萄糖を含む水は、前記ヘモグロビンが残された血液に合流させて浄化された血液として排出し、前記尿素を含む水は、前記老廃物を含む水として排出することができる。

本発明によれば、装置の小型化および最適化が可能であり、装置の直列および並列組み合わせを通じて高効率の人工腎臓の構成が可能となり、携帯用人工腎臓および在宅血液透析システムの需要増加が誘導され得、慢性腎不全症患者の生活の質が改善され得る。

本発明の一実施形態による人工腎単位装置のブロック図である。糸球体マイクロ流路の概念図である。細尿管マイクロ流路の概念図である。ヘンレのループマイクロ流路の概念図である。本発明の一実施形態による人工腎単位装置を利用した糸球体マイクロチャンネル粒子分離流動実験結果を血液分析器を通じて観察した濃度の変化を示すグラフである。本発明の一実施形態による人工腎単位装置を利用して糸球体マイクロチャンネル粒子分離流動実験結果で糸球体マイクロチャンネルの各地点での各粒子別血液分析器結果の変化推移を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳しく説明する。

本発明の一実施形態による人工腎単位装置１００は、拡散、電気浸透圧および浸透圧の原理を利用する多重マイクロ流路（ＭｕｌｔｉＭｉｃｒｏＣｈａｎｎｅｌ）から構成される人体の腎単位（糸球体、細尿管、ヘンレのループ）を模写する装置に関するものであって、図１を参照すれば、老廃物３００が含まれている血液２００と水４００を通過させると、血液２００から老廃物３００が分離されて血液２００は浄化され、分離された老廃物３００は水４００に対して濃縮されて排出される多重マイクロ流路１を含む。つまり、多重マイクロ流路１を通じて血液２００は浄化され（ＢｌｏｏｄＰｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、老廃物３００は水４００に対して尿として濃縮される（ＵｒｉｎｅＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）。

図１乃至図４を参照すれば、このような多重マイクロ流路１は、糸球体（Ｇｌｏｍｅｒｕｌｕｓ）を模写する糸球体マイクロ流路（Ｇ）１１、細尿管（Ｔｕｂｕｌｅ）を模写する細尿管マイクロ流路（Ｔ）１２、そしてヘンレのループ（Ｈｅｎｌｅ’ｓＬｏｏｐ）を模写するヘンレのループマイクロ流路（Ｌ）１３を含む。

例えば、糸球体マイクロ流路１１は、老廃物３００を含む血液２００に含まれているヘモグロビン（Ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ）２２１、葡萄糖（Ｇｌｕｃｏｓｅ）２１１、そして尿素（Ｕｒｅａ）２１２のうち、ヘモグロビン２２１は血液２００にそのまま残して葡萄糖２１１と尿素２１２を血液２００から分離する役割を果たすことができる。また、細尿管マイクロ流路１２は、このように分離された葡萄糖２１１と尿素２１２を別々に分離する役割を果たすことができる。そして、ヘンレのループマイクロ流路１３は、分離された葡萄糖２１１と尿素２１２をそれぞれ含む水の量を浸透圧によりバランスよく調節した後、葡萄糖２１１を含む水４００は血液２００に再合流させて浄化された血液２００として排出し、尿素２１２を含む水４００は老廃物３００を含む水４００として排出することができる。このような多重マイクロ流路１の作用については、本人工腎単位装置１００の作用および効果について説明する時により詳しく説明する。

また、図１を参照すれば、本発明の一実施形態による人工腎単位装置１００は、血液浄化経路２、水流入部３、そして老廃物濃縮経路４をさらに含むことができる。

図１を参照すれば、血液浄化経路２は、血液２００が流入される血液流入部２１、血液２００が多重マイクロ流路１を経て浄化された後に排出される血液排出部２２、そして血液流入部２１、糸球体マイクロ流路１１、細尿管マイクロ流路１２、ヘンレのループマイクロ流路１３、および血液排出部２２を順次に連結する血液通路２３を備えることができる。

そして、水流入部３は、糸球体マイクロ流路１１、細尿管マイクロ流路１２、およびヘンレのループマイクロ流路１３に水４００を流入させることができる。例えば、図１乃至図４を参照すれば、拡散、電気浸透圧、浸透圧などを利用することができるように水流入部３はそれぞれのマイクロ流路１１、１２、１３ごとに備えられ得る。つまり、糸球体マイクロ流路１１には糸球体マイクロ流路水流入部３１、細尿管マイクロ流路１２には細尿管マイクロ流路水流入部３２、そしてヘンレのループマイクロ流路１３にはヘンレのループマイクロ流路水流入部３３が備えられ得る。このようなそれぞれの水流入部３１、３２、３３に沿って他の成分が含まれていない水４００が流入され得る。

また、老廃物濃縮経路４は、多重マイクロ流路１を経て水４００に老廃物３００が濃縮された後に排出される老廃物排出部４１、そして糸球体マイクロ流路１１、細尿管マイクロ流路１２、ヘンレのループマイクロ流路１３、および老廃物排出部４１を順次に連結する老廃物通路４２を備えることができる。ここで、上述した血液排出部２２や血液通路２３は、老廃物排出部４１や老廃物通路４２と連結され得る。ただし、このような連結なしにそれぞれのマイクロ流路１１、１２、１３内で血液２００と水４００にそれぞれ含まれている成分の交換が行われるように構成されることもできる。

以下、本人工腎単位装置１００の作用および効果を上述した多重マイクロ流路１の下位構成に重点をおいて説明する。

まず、糸球体マイクロ流路１１の構成の作用および効果を説明する。

図１および図２を参照すれば、糸球体マイクロ流路１１は、血液２００から小分子２１０を分離して水４００に合流させ、大分子２２０は血液２００に残すことができる。ここで、大分子２２０はヘモグロビン２２１を含み、小分子２１０は葡萄糖２１１と尿素２１２を含むことができる。

そして、糸球体マイクロ流路１１は、このような大分子２２０と小分子２１０との間の粒子分離のために水４００を流入させて拡散を利用することができる。ここで、拡散（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）とは、密度差や濃度差により物質をなしている粒子が自ら運動して濃度（密度）が高い側から濃度（密度）が低い側へ液体や気体中に分子が拡散していく現象をいう。グレアムの拡散速度の法則によれば、同じ温度と圧力で気体の拡散速度は分子量（または密度）の自乗根に反比例するため、分子量が小さく、密度が小さいほど、拡散速度が速いことが分かる。

例として図１および図２を参照すれば、血液流入部２１にヘモグロビン２２１、葡萄糖２１１、尿素２１２などを含む血液２００が流入され、糸球体マイクロ流路水流入部３１に水４００が流入されると、拡散が起きて葡萄糖２１１や尿素２１２に比べて遥かに大きくて重い大分子２２０に属するヘモグロビン２２１は大部分血液２００にそのまま残って血液通路２３に抜け出、小分子２１０である葡萄糖２１１と尿素２１２は濃度や密度が低い流入された水４００側に移動して水４００と共に老廃物通路４２に抜け出る。

次に、細尿管マイクロ流路１２の構成の作用および効果を説明する。

図１および図３を参照すれば、細尿管マイクロ流路１２は、小分子２１０を含む水４００を、葡萄糖２１１を含む水４００と尿素２１２を含む水４００とに分離することができる。上述した糸球体マイクロ流路１１が大分子２２０と小分子２１０との間の粒子分離機能を果したとすれば、細尿管マイクロ流路１２は小分子２１０の間の粒子分離機能を果たすことができる。

また、細尿管マイクロ流路１２は、小分子２１０の間の粒子分離のために小分子２１０を含む水４００とは別途に水４００を流入させて拡散および電気浸透圧を利用することができる。ここで、電気浸透圧（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｓｍｏｓｍｏｔｉｃｆｌｏｗ）は、電気的二重層（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｄｏｕｂｌｅｌａｙｅｒ）で溶液中の電気を帯びた粒子が静電気的引力により、まるでコンベヤーベルトが動くように力を受けて動くようになる流動を意味する。図面において、電気浸透圧を利用するための装置に関する図示は省略された。

例として図１および図３を参照すれば、上述した糸球体マイクロ流路１１から老廃物通路４２に水４００と共に抜け出た葡萄糖２１１と尿素２１２は、再び細尿管マイクロ流路１２に流入され、細尿管マイクロ流路水流入部３２に水４００が流入されると、粒子がない水４００が流入される細尿管マイクロ流路水流入部３２で電気浸透圧が起きるようになる。また、老廃物通路４２に流入された葡萄糖２１１と尿素２１２を含む水４００と、水流入部３２に流入された粒子がない水４００とがぶつかるようになる細尿管マイクロ流路１２の部分では、上述した糸球体マイクロ流路１１と同様に拡散が起きるようになる。このような電気浸透圧と拡散によって、図３に示されているように、小分子２１０である葡萄糖２１１と尿素２１２のうち、尿素２１２は大部分そのまま残って連結される老廃物通路４２側に抜け出るようになり、葡萄糖２１１は新たに流入された水４００に移動して血液通路２３側に抜け出るようになる。この時、血液通路２３には、上述した糸球体マイクロ流路１１で血液２００に大部分そのまま残っているようになるヘモグロビン２２１を含む血液２００が移動されていてもよい。これに対して、葡萄糖２１１を含む水４００はこれと区分される別途の血液通路２３に移動されていてもよく、またはヘモグロビン２２１を含む血液２００と合流されてもよい。

または、葡萄糖２１１を含む新たに流入された水４００は、図３に示されたものとは異なり、直ちに血液通路２３側に抜け出ずに、老廃物通路４２のうち尿素２１２を含む水４００が抜け出る通路と区分される通路に移動されることもできる。つまり、老廃物通路４２が二重に備えられることもできる。

次に、ヘンレのループマイクロ流路１３の構成の作用および効果を説明する。

図１および図４を参照すれば、ヘンレのループマイクロ流路１３は、葡萄糖２１１を含む水４００、尿素２１２を含む水４００、そして葡萄糖２１１を含む水４００および尿素２１２を含む水４００とは別途に流入される水４００のそれぞれにおける水の量を浸透圧により調節した後、葡萄糖２１１を含む水４００はヘモグロビン２２１が残された血液２００に合流させて浄化された血液２００として排出し、尿素２１２を含む水４００は老廃物３００を含む水４００として排出することができる。ここで、浸透圧（ｏｓｍｏｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ）とは、濃度が異なる二つの液体を半透膜で塞いでおいた時、溶質の濃度が低い側から濃度が高い側に溶媒を移していく現象により現れる圧力でありうる。

例として１および図４を参照すれば、このような浸透圧によって、上述した血液通路２３を通じて流入される葡萄糖２１１を含む水４００と、上述した老廃物通路４２を通じて流入される尿素２１２を含む水４００と、そしてヘンレのループマイクロ流路水流入部３３に流入される粒子がない水４００との間の濃度のバランスが取れ得、この時、拡散も共に起きることができる。その後、水分の量が調節された葡萄糖２１１を含む水４００は血液排出部２２にヘモグロビン２２１を含む血液２００と合流して排出され得、水分の量が調節された尿素２１２を含む水４００は老廃物３００を含む水４００、つまり、尿として老廃物排出部４１を通じて抜け出ることができる。

ただし、葡萄糖２１１を含む水４００は、上述したとおり、ヘモグロビン２２１を含む血液２００とヘレンのループマイクロ流路１３に進入する前から合流することもできる。また、葡萄糖２１１を含む水４００は、血液通路２３でない、老廃物通路４２のうち、尿素２１２を含む水４００が移動する老廃物通路４２と区分される通路を利用してヘンレのループマイクロ流路１３に進入することもできることは上述したとおりである。

参考までに、本人工腎単位装置１００は、マイクロマシニング（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ）工程によりほぼ横２．０ｃｍ、縦１．０ｃｍ、高さ０．１ｃｍの大きさの装置として備えられ得る。また、本人工腎単位装置１００を通じて血液２００内の尿素２１２を完全に除去するのではなく、血液２００内の尿素２１２の濃度を３００ｍＭ以下に下げることで実際の人体の腎単位を模写することができる。腎臓機能の検査時、血液浄化効率（掃除率）は、ほぼ５４ｍｌ/ｍｉｎ以上を達成するように実際の人体の腎単位を模写することができる。そして、本人工腎単位装置１００の複数個の集積化を通じて超高効率の人工腎臓が備えられ得る。

図５は、本発明の一実施形態による人工腎単位装置を利用した糸球体マイクロチャンネル粒子分離流動実験結果を、血液分析器を通じて観察した濃度の変化を示すグラフであり、図６は、本発明の一実施形態による人工腎単位装置を利用して糸球体マイクロチャンネル粒子分離流動実験結果で糸球体マイクロチャンネルの各地点での各粒子別血液分析器結果の変化推移を示すグラフである。

図５および図６を参照すれば、入口（ｉｎｌｅｔ）に流動が流入され、反対側では水（ｗａｔｅｒ）が供給され、流動は出口１および２に排出されるように構成された。図５および図６のグラフを参照すれば、糸球体マイクロチャンネルを通過した粒子は互いに異なる拡散移動距離を示し、出口１（ｏｕｔｌｅｔ１）にはアルブミンが一つも進行しないことを確認することができ、出口２（ｏｕｔｌｅｔ２）ではアルブミンの濃度が小幅に上昇することを確認することができる。このような結果を分析してみれば、設計時に考慮した糸球体マイクロチャンネルの機能であるアルブミンの葡萄糖と尿素から分離作用が予測のとおり良好に行われていることが分かる。

以上で本発明の実施形態を説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、本発明の実施形態から本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者により容易に変更されて均等なものと認められる範囲のすべての変更および修正を含む。

１…多重マイクロ流路
２…血液浄化経路
３…水流入部
４…老廃物濃縮経路
１１…糸球体マイクロ流路
１２…細尿管マイクロ流路
１３…ヘンレのループマイクロ流路
２２…血液排出部
２３…血液通路
３１…糸球体マイクロ流路水流入部
３２…細尿管マイクロ流路水流入部
３３…ヘンレのループマイクロ流路水流入部
４１…老廃物排出部
４２…老廃物通路
１００…人工腎単位装置
２００…血液
２１０…小分子
２１１…葡萄糖
２１２…尿素
２２０…大分子
２２１…ヘモグロビン
３００…老廃物
４００…水

Claims

老廃物が含まれている血液と水を通過させると、前記血液から前記老廃物が分離されて前記血液は浄化され、前記分離された老廃物は前記水に対して濃縮されて排出される多重マイクロ流路を含み、
前記多重マイクロ流路は、糸球体を模写する糸球体マイクロ流路、細尿管を模写する細尿管マイクロ流路、およびヘンレのループを模写するヘンレのループマイクロ流路を含む、人工腎単位装置。
前記血液が流入される血液流入部、前記血液が前記多重マイクロ流路を経て浄化された後に排出される血液排出部、および、前記血液流入部、前記糸球体マイクロ流路、前記細尿管マイクロ流路、前記ヘンレのループマイクロ流路、および前記血液排出部を順次に連結する血液通路を備えた血液浄化経路；
前記糸球体マイクロ流路、前記細尿管マイクロ流路、および前記ヘンレのループマイクロ流路に水を流入させる水流入部；および
前記多重マイクロ流路を経て前記水に前記老廃物が濃縮された後に排出される老廃物排出部、および、前記糸球体マイクロ流路、前記細尿管マイクロ流路、前記ヘンレのループマイクロ流路、および前記老廃物排出部を順次に連結する老廃物通路を備えた老廃物濃縮経路
をさらに含む、請求項１に記載の人工腎単位装置。
前記糸球体マイクロ流路は、前記血液から小分子を分離して前記水に合流させ、大分子は前記血液に残し、
前記大分子は、ヘモグロビンを含み、
前記小分子は、葡萄糖と尿素を含む、請求項１にまたは２に記載の人工腎単位装置。
前記糸球体マイクロ流路は、前記大分子と前記小分子との間の粒子分離のために前記水を流入させて拡散を利用する、請求項３に記載の人工腎単位装置。
前記細尿管マイクロ流路は、前記小分子を含む水を前記葡萄糖を含む水と前記尿素を含む水とに分離する、請求項３に記載の人工腎単位装置。
前記細尿管マイクロ流路は、前記小分子の間の粒子分離のために前記小分子を含む水とは別途に水を流入させて拡散および電気浸透圧を利用する、請求項５に記載の人工腎単位装置。
前記ヘンレのループマイクロ流路は、前記葡萄糖を含む水、前記尿素を含む水、ならびに前記葡萄糖を含む水および前記尿素を含む水とは別途に流入される水のそれぞれにおける水の量を浸透圧により調節した後、前記葡萄糖を含む水を、前記ヘモグロビンが残された血液に合流させて浄化された血液として排出し、前記尿素を含む水を、前記老廃物を含む水として排出する、請求項５に記載の人工腎単位装置。