JP2020515369A - 微小流体拡散装置及びシステム、ならびにそれを製造及び使用する方法 - Google Patents

Abstract

本明細書に開示されているのは、ロール式膜微小流体拡散装置及び対応する製造方法である。本明細書にまた開示されているのは、３次元印刷微小流体装置及び対応する製造方法である。任意選択で、開示されている微小流体装置は、人工肺装置として機能することができる。【選択図】図５

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１７年４月３日に提出された米国仮出願第６２／４８０，８０９号の出願日の利益を主張する。この先行して提出された出願の内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

連邦政府主催の研究に関する声明
本発明は、１Ｉ０１ＲＸ０００３９０−０１Ａ１、２Ｉ０１ＲＸ０００３９０−０４Ａ２、１Ｉ２１ＲＸ００２４０３−０１Ａ１、及びＣ３８１９Ｃという認可番号で政府の支援を受けてなされ、米国復員軍人援護局によって授与される。米国政府は本発明に一定の権利を有している。

３，３００万人以上の米国人が慢性肺疾患を患いながら生活している。それは、毎年４０万人程度の死亡の原因を担い、死亡率の増加に関連する主要な疾患である。急性呼吸窮迫症候群（ＡＲＤＳ）は２５〜４０％の死亡率を有し、毎年１９０，０００人以上の米国人が罹患している。慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）は、米国の成人の５％と退役軍人人口の約１６％が罹患している。ＣＯＰＤは退役軍人の４番目に流行している疾患であり、ＶＡヘルスケアシステムが最もコストをかけているものの１つである。退役軍人では５０万以上の軍務関連呼吸障害が診断されており、湾岸戦争の軍務関連障害の６．５％は呼吸器系に関連している。不朽の自由作戦及びイラクの自由作戦の退役軍人は、ＣＡＲＣ塗料やクロムのダストを含む、急性及び慢性の呼吸状態を引き起こすことが知られている化学物質にさらされてきた。他の退役軍人は、爆風の傷害や煙の吸入による急性の肺の傷害及び障害を経験した。合計で、２３０万人以上の退役軍人が２００１年の退役軍人の全国調査で「肺の障害」を報告した。

臨床の設定では、肺疾患によって引き起こされる肺の不備を部分的に補償するために、陽性圧力換気（すなわち、機械的換気）が従来使用されてきた。しかし、高い気道の圧力と酸素濃度は、気圧性外傷、容量外傷、及び生体外傷を引き起こすことがあり、また元の疾患を悪化させ、多臓器不全をもたらす場合さえもある。人工肺の技術が、人工呼吸器による損傷の欠点なしに呼吸の支援を施すために開発されてきた。急性の場合、人工肺は患者がリハビリ中に肺を治癒することを可能にする呼吸の支援を施す。慢性の場合、人工肺は移植の橋渡し役となり、生存率が向上し、生活の質が向上する。Ｍａｑｕｅｔ ＱｕａｄｒｏｘとＮｏｖａｌｕｎｇ ｉＬＡ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｖｅｎｔｉｌａｔｏｒは、市販の人工肺技術の最先端を代表する。どちらも低い抵抗性を備えており、生来の心臓によって駆動することができる。Ｑｕａｄｒｏｘは最近、人工肺、血液ポンプ、コンピュータ、バッテリ、及び酸素ボンベを車輪付きポールに取り付け、ＩＣＵの設定で限られた移動性を提供するアンブレーションＥＣＭＯにおいて使用されている。単一のＱｕａｄｒｏｘは、全身性の抗凝固について、２ヶ月まで臨床的に使用されている。

進歩しているにもかかわらず、人工肺システムによる治療と結果は不十分なままである。現在のシステムは最低限のアンブレーションを可能にし、その使用は通常ＩＣＵに限られている。完全なアンブレーションを可能にする真の携帯型システムは、まさに現在の技術では不可能である。さらに、炎症、装置の凝固、及び溶血を含む装置媒介合併症は、特に長期の場合、現在のシステムでの治療中に一般的である。ほとんどの装置の臨床上の寿命は、日数で測定されるものである。最後に、現在のシステムは、安静時の患者の必要な呼吸を支援することに限定されている。したがって、人工肺が長期的な呼吸の支援とより効果的な短期のリハビリテーションの両方の潜在可能性を実現するためには、生体適合性、ガス交換、移植性の大幅な改善をしなければならない。

微小流体人工肺、つまりミクロンスケールの流経路と拡散膜を含む人工肺が、従来の人工肺システムの欠点を克服する手段として最近検討されてきた。拡散距離が短縮されたため、微小流体人工肺は優れたガス交換効率を実現し、それによって人口肺の小型化、携帯性の向上、及び血液接触表面積の減少を可能にする（それによって装置の寿命及び患者の転帰を増強させる）。微小流体人工肺はまた、自然の肺を密接に模倣する血流路を含むことができ、それによって生体適合性と寿命を増加させる可能性がある。しかし、これまでのすべての微小流体装置は、人間への応用に必要な血流のほんの一部しかサポートできず、サイズを容易かつ効率的にスケールアップする手段は現在存在していない。本明細書に開示されているのは、このハードルを克服できる例示的な微小流体人工肺トポロジ及び製造方法であり、それによって最初の人間規模の微小流体人工肺を可能にする。

本明細書に開示されているのは、３Ｄ印刷プロセスを用いて製造される微小流体装置である。これらの微小流体装置は、液流軸に沿って延びる液体分配経路（例えば、血液分配経路）を含むことができ、少なくとも１つの液体入口（例えば、血液入口）、少なくとも１つの液体出口（例えば、血液出口）、及び液流軸に対する少なくとも１つの液体入口と、少なくとも１つの液体出口の間に位置する毛細血管ベッドを含むことができる。毛細血管ベッドは、少なくとも１つの液体入口及び少なくとも１つの液体出口と流体連通にあるそれぞれの内腔を画定する複数の毛細血管要素を含むことができる。微小流体装置はまた、液流軸に対して垂直または実質的に垂直である気流軸に沿って延びる気流経路を形成することができる。気流経路は、毛細血管ベッドの少なくとも一部と交差してガス交換領域を画定することができる。複数の毛細血管要素は、複数の毛細血管要素内の液体（例えば、血液）への気流経路からのガスの拡散を可能にする材料から形成することができる。

また、本明細書に開示されているのは、微小流体装置（例えば、人工肺装置）であり、それはさらに本明細書に開示されているロールツーロール法を用いて製造することができる。微小流体装置は、円筒状基板を含むことができ、中心軸と外面を有する。微小流体装置はまた、円筒状基板の外面に円周状にロールされたパターン形成膜を含むことができ、円筒形の基板の中心軸から放射状に外側に延びる複数の同心膜層を画定することができる。複数の同心膜層の少なくとも１つの膜層は、スイープガスを受け取るように構成された複数の気流経路を画定するようにパターン形成することができ、複数の同心膜層のうちの少なくとも１つの膜層をパターン形成し、複数の液体（例えば、血液）流経路を画定し、液体（例えば、血液）を受け取るように構成され得る。少なくとも１つの膜層は、複数の液体（例えば、血液）流経路内の血液への複数の気流経路からのガスの拡散を可能にすることができる。

開示されている微小流体装置の使用及び製造方法も開示されている。本発明の追加の態様が、部分的に、詳細な説明、及びそれに続く特許請求の範囲に記載されているか、部分的に詳細な説明から導き出されているか、本発明の実践によって習得することができる。前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明の両方は、例示的かつ説明的であるのみであり、開示されている発明を制限するものではないことが理解されるべきである。

生来の肺におけるガス交換の基本ユニットの大きさを示す。参考に赤血球が図面に示されている。 従来の人工肺及び微小流体人工肺におけるガス交換の基本ユニットの大きさを示す。赤血球は図２Ａ（「赤血球」と標識された囲まれた領域内に位置する）及び図２Ｂ（「赤血球」と標識）に示されている。 ３Ｄ印刷された微小流体肺の１つの例示的な実施形態の設計を示す。図３Ａは、水平の装置の断面を示す。図３Ｂは、垂直の装置の断面を示す。図３Ｃは、分岐血液ネットワークの断面図を示す。図３Ｄは毛細血管ベッドの上面図を示す。関連する設計変数を図３Ｄに示す。 図４Ａは、図３Ａ〜図３Ｄでの設計に対する総合及び毛細血管の血液接触表面積に対する毛細血管の直径の影響を示す。図４Ｂは、毛細血管の直径が総血量及び毛細血管の血量に及ぼす影響を示す。図４Ｃは、装置のガス及び血液側の圧力降下に対する毛細血管の直径の影響を示す。図４Ｄは、ベッドまたは印刷領域への毛細血管の直径の影響を示す。定格流量（Ｑ_R−７０％の入口血液飽和を９５％の出口酸素飽和へと酸素化できる最大血流量は１．５Ｌ／ｍｉｎで固定され、毛細血管せん断応力は４０ｄｙｎ／ｃｍ²で固定された；スイープガスは１６Ｌ／ｍｉｎで純粋な酸素であった；毛細血管壁の厚さ（δ_M）は２０μｍであった；隣接する毛細血管間の距離は５０μｍであった；膜の材料はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）であった。 本明細書に開示されている例示的なロール式膜装置の異なる眺めを示す。図５Ａは、血流路（底部）を示すロール式膜の設計の上面図を示す。図５Ｂは、ロール式膜（上）及び完成した装置の断面（下）の側面図及び製作を示す。 ロールプロセスの開始、ロール式装置、及びロール式装置の断面を示す画像を示す。図６Ａは、シリコーンチューブ基板がＰＤＭＳシートの端に接合されたロールプロセスの始まりの画像を示す。図６Ｂは、本明細書に開示されるように、ポリマーシートを有するロール式装置を示し、それはロールツーロールポリマーシート処理と類似した様式で円筒状基板の周りに巻き付けられた、血液及びガスの両方の流経路からなる（図解のように、染色水が経路を流れる）。 ロールプロセスの開始、ロール式装置、及びロール式装置の断面を示す画像を示す。図６Ｃは、ロール式装置の断面の画像において示している。図６Ｄは、コネクタの付着前の完成した装置を示す。 Ｏ₂または空気のスイープガスを使用する装置のスイープガス及びＣＯ₂の除去データとしてＯ₂（図７Ａ、７Ｃ）または空気（図７Ｂ、７Ｄ）を用いたロール式膜装置（ｎ＝６）のガス移動能力を示す（ｎ＝６）。ウシの血液の測定されたＯ₂飽和度（図７Ａ、７Ｂ）及びｐＣＯ₂（図７Ｃ、７Ｄ）が、装置の設計に基づく理論値に沿ってプロットされている。エラーバーは、測定値の標準誤差を表す。破線は、測定された入口血中ガス濃度の±標準誤差を表す。＋ｎ＝５＊ｎ＝３。 様々な血流量における、ロール式膜装置（ひし形、ｎ＝６、ＨＣＴ＝２４．３±３．９）、及び同じ血流路を備える平坦な装置（三角形、ｎ＝２、ＨＣＴ＝１７）の測定上（データポイント）と理論上（点線）の血液側圧力降下を示している。エラーバーは、測定値の標準誤差を表す。＋ｎ＝５＊ｎ＝３。 本明細書に開示されている、例示的なウェアラブル人工肺システムを示す。 本明細損に開示されている、８ＷにおけるＰＤＭＳにおけるレーザ刻印経路を示す。表面の微粒子をアセトンリンスで除去した。 本明細書に開示されている、ロールツーロール（Ｒ２Ｒ）製造及びその能力の指標によって形成される例示的な人間規模の微小流体人工肺を示す。図１１Ａは、カスタムポリウレタンハウジング（ライトグレー）のＲ２ＲのＰＤＭＳ微小流体人工肺（黒い輪郭）の断面図を提供する。図１１Ｂ〜図１１Ｃは、気流経路と液流経路を示すＰＤＭＳ微小流体人工肺の断面図である。図１１Ｄは、関連する寸法を示すガス交換インターフェイスの断面図である。 本明細書に開示されている、ロールツーロール（Ｒ２Ｒ）製造及びその能力の指標によって形成される例示的な人間規模の微小流体人工肺を示す。図１１Ｅ〜図１１Ｈは、血液接触表面積（図１１Ｅ）であり、毛細血管壁のせん断応力（図１１Ｆ）、血液プライミング量（図１１Ｇ）、及び毛細血管の高さの関数としてのガス側圧力降下（図１１Ｈ）のプロットである。毛細血管の圧力降下＝５０ｍｍＨｇ；定格血流＝１Ｌ／ｍｉｎ。 本明細書に開示されている、例示的なロールツーロール製造システムの図表を示す。 本明細書に開示されている、液体供給源と流体連通に位置する液流経路と、ガス供給源と流体連通に位置する気体経路とを有する例示的な拡散装置の概略図である。この例では、気流経路から液流経路へのガスの拡散は、気流経路から液流経路に延びる流れの矢印を使用して描かれている。

本開示は、本明細書に含まれる以下の発明の詳細な説明、図面及び実施例を参照してより容易に理解することができる。

本組成物及び方法が開示及び記載される前に、特に指定されていない限り、それらは、特定の合成方法に限定されない、または特に指定されていない限り特定の試薬に限定されない、したがって当然多様であり得るということが理解されるべきである。また、本明細書で使用される用語は、特定の態様を記載する目的のみであり、限定する意図がないことも理解されるべきである。本明細書に記載されているものと類似または同等の任意の方法及び材料は、本発明の実践または試験に使用することができるが、例示的な方法及び材料がこれより記載される。

さらに、特に明記されていない限り、本明細書に記載されているいかなる方法も、そのステップが特定の順序で実行されることを要求するものと解釈されることを意図していないことが理解されるべきである。したがって、方法クレームが実際にそのステップの後に続く順番を記載していない場合、またはステップが特定の順序に限定されることを主張または説明に特に記載されていない場合、順番があらゆる点で推測されることを意図したものではない。これは、ステップまたは操作フローの構成に関する論理の問題、文法的な組織または句読点に由来する明白な意味、及び本明細書に記載された態様の数またはタイプを含む、解釈のためのいずれかの可能な非明示的な基礎に当てはまる。

定義
本明細書及び添付の特許性で使用される場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈が別段に明確に指示していない限り、複数形の言及を含む。

本明細書で使用される場合、単語「ｏｒ」は、特定の列挙の任意の１つの要素を意味し、その列挙の要素の任意の組み合わせも含まれる。

本明細書の説明及び特許請求の範囲を通じて、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（含む）」、及び「ｃｏｍｐｒｉｓｅｉｎｇ（含む）」「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（含む）」などの単語の変形は、「含むがこれらに限定されない」ことを意味し、例えば、他の添加物、構成要素、整数またはステップを除外することを意図するものではない。特に、１つ以上のステップまたは操作を含むと述べた方法では、各ステップが列挙されているものを含むことが特に企図され（そのステップに「からなる」などの制限的な用語が含まれている場合を除く）、各ステップが、例えばステップに記載されていない他の添加物、構成要素、整数、ステップを除外することは意図されていないことを意味する。

範囲は、本明細書で、「約（ａｂｏｕｔ）」または「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」の１つの特定の値から、及び／または「約」または「およそ」の別の特定の値までのものとして表すことができる。このような範囲が表現される場合、さらなる態様は、１つの特定の値から及び／または他の特定の値に含まれる。同様に、値が近似値として表される場合、先行する「約」または「およそ」を使用することによって、特定の値がさらなる態様を形成することがさらに理解される。各範囲の終点は、他の終点との関係において、また他の終点とは独立して重要であることがさらに理解される。また、本明細書に開示される複数の値が存在していること、及び各値はまた、その値自体に加えてその特定の値に「近いもの（ａｂｏｕｔ）」として本明細書に開示されていることも理解される。例えば、「１０」という値が開示されている場合、「約１０」も開示される。また、２つの特定の単位の間のそれぞれの単位も開示されることが理解される。例えば、１０と１５が開示されている場合、１１、１２、１３、及び１４も開示される。

本明細書で使用される場合、「任意選択の」または「任意選択に」という用語は、後で説明される事象または状況が発生する可能性がある場合としない場合があることを意味し、説明には、当該の事象または状況が発生する事例とそうでない事例が含まれることを意味する。

本明細書で使用される場合、「対象」という用語は、ヒトを指す。いくつかの態様において、本明細書に記載されているような対象は、本明細書に開示されているような微小流体拡散装置を用いて治療することができる状態、疾患、または障害を患う個人であることがある。「対象」という用語は、成人、児童、青年及び新生児の対象を含む。

本明細書で使用される場合、「患者」という用語は、本明細書に開示されている微小流体拡散装置を用いて治療することができる疾患または障害に罹患した対象を指す。「患者」という用語は、ヒトの対象を含む。開示されている方法のいくつかの態様において、「患者」は、本明細書に開示されている人工肺装置の必要性があると診断されている。

本明細書で使用される場合、「実質的に」という用語は、当業者に許容される述べられた特性からの許容性を示すことができる。任意選択に、「実質的に」という用語は、記載された特性の最大１５％上または下の許容範囲、記載された特性の最大１０％の上または下の許容範囲、または記載された特性の最大５％の上または下の許容範囲を示すことができる。例えば、第１の軸が第２の軸に「実質的に平行」である場合、第１の軸は最大１５％以内、最大１０％以内、または最大５％以内第２の軸に平行になっているということが理解される。

本明細書で使用される場合、「マイクロ」という用語は、一般に、約１μｍと約１ｍｍの間の範囲のサイズの尺度を指す。「微小流体」という用語は、一般に、このサイズの範囲（すなわち、約１μｍと約１ｍｍの間）における流れの閉じ込めまたは操作を意味する。本明細書で使用される場合、「拡散装置」は、正確に定義された液体及び／または気体の流路を有する拡散装置（通常、本明細書に開示されているもののような微細加工方法を用いて形成される）を指すことができ、その中で流路及び拡散膜の最も小さい寸法はおよそ２５０μｍより小さく、任意選択に約１０μｍ〜１００μｍの間にある。

導入
人工肺は、血液にＯ₂を添加し、血液からＣＯ₂取り除くことによって、自然の肺の機能を模倣する（図１及び図２Ａ〜図２Ｂ）。まず、血液は体内から人工肺にルーティングされる。人工肺の中では、血液はガス透過性膜の片側に沿って移動する。純粋な酸素は、通常、膜の反対側に沿って流れ、膜を通して拡散することによって血液に運搬される。二酸化炭素は、ガスの流れの分圧が低いため、血液から拡散する。酸素化された血液は、その後体に戻される。現在の市販の装置は、シリコーンシートの膜または、より主要なことに、中空糸の膜のいずれかを含有する（図２Ａ）。血液は、混合をもたらし、ガスの運搬を強化する回路で、繊維の外側に流れる。スイープガス（典型的には純粋なＯ₂）は中空糸の中に流れ、多孔質膜を通って血液中に拡散し、血液をＯ₂豊富にする。さらに、ＣＯ₂はガスの流れの分圧が低いため血液から拡散する。

現在の人工肺の性能と生体適合性には制限がある。新規の微小流体装置は、これらの分野の両方での改善の潜在可能性があることを実証しているが、現在の製造技術は、広い領域、人間規模の装置には適していない。さらに、現在の微細加工技術が平面的な性質であることは、設計上のトポロジの潜在可能性を制限し、非効率的な血流ネットワークにつながっている。

微小流体拡散装置 現在の人工肺装置とは対照的に、本明細書に開示されている微小流体拡散装置は、ガス交換、可搬性、及び生体適合性を、１）小径の人工毛細血管（図２Ｂ）において、大幅に拡散距離を減少させ、表面積対体積比を増加させること、及び２）自然の細胞の環境を模倣する血流ネットワークを提供することによって、改善させることができる。

現在の小規模の微小流体装置に有望な潜在可能性があるにもかかわらず、人間への応用に向けてそれらを効率的にスケールアップする製造技術は現在存在していない。さらに、現在の微細加工技術は２次元構造を効果的に作り出すことしかできないため、血流路とガス交換を完全に最適化することはできない。関連性のある例として、記録的なガス交換効率を示した１０μｍの人工毛細血管を備える微小流体人工肺を概観したが、ガス交換領域は装置の総血接触表面積の６％、血液量の２％を占めていた（非効率的な２Ｄ血流経路による）。したがって、３次元（３Ｄ）トポロジを用いて大面積拡散装置（例えば、微小流体肺）を迅速かつ簡単に作成する方法は、この分野におけるブレークスルーを表し、微小流体拡散装置（例えば人工肺）の臨床での応用に対する主要な障壁の克服となるだろう。

例示的な態様では、開示されている微小流体拡散装置は、人間規模の微小流体人工肺として提供することができ、これは、１）現在の技術の一部である表面積と血液プライミング量を含め、それにより、装置のサイズを縮小し、身体の免疫応答を低下させる；２）細胞や血小板が、圧力、せん断応力、及び人間の肺のものをコピーする分岐角度を経て、それによって生体適合性を改善する血流ネットワークを含む；３）室内空気で効率的に動作し、ガスボンベの必要性や高酸素血症に関連する合併症を排除する；４）バイオミメティック油圧抵抗を示し、自然な圧力での操作を可能にし、血液ポンプの必要性を排除する（適用に応じる）；５）アクティブな患者の呼吸の支援を可能にするガス交換能力の向上をもたらすことができる。

本明細書に記載されているように、人工肺技術は、１）アクティブな患者の呼吸の支援を可能にするために、現在の装置と比較してガス移動能力を向上させ；２）装置の寿命を増加させ、長期の治療を可能にし、患者の健康を増進するために生体適合性を高め、３）アンブレーションケアを可能にする可搬性を向上させ、患者の生活の質を向上させることを通して、呼吸障害に苛まれる患者のリハビリテーションを改善する潜在可能性を有する。様々な完全なシステムに統合した後、開示されている装置は、急性肺障害に苛まれている患者に肺の休息を提供することができ、慢性的な肺疾患及び肺癌を患う患者のための移植の橋渡しとして役立ち、半永久的な支援のための初の植込み型人工肺の開発につながることが企図されている。さらに、装置は戦場や他の場所での進んだ外科的ケアのために携帯用心肺機で使用することができる。

微小流体拡散装置
本明細書に開示されているのは、気流経路及び液流経路を有する微小流体拡散装置である。本明細書でさらに説明するように、開示されている微小流体拡散装置は、３次元（３Ｄ）印刷またはロールツーロール法によって形成され得る。開示されている核酸装置の気流経路及び液流経路は、膜によって分離でき、この膜は、気流経路から液流経路へのガスの拡散を可能にし、及び／または液流経路から気流経路への液体の拡散を可能にする。任意選択で、例示的な態様において、気流経路及び液流経路の少なくとも１つは、２５０μｍ未満の最小寸法を備えることができる。

現在の装置や製造技術とは異なり、開示されている核酸装置とその関連する製造技術（ロールツーロール及び３Ｄ印刷）を利用して、人間への応用または他の大規模な微小流体拡散の適用のために適した大規模な微小流体拡散装置（例えば、人工肺）を、効率的に構築できることが企図されている。任意選択で、微小流体拡散装置が臨床での応用（例えば、人工肺での応用）のために設計されている場合、液流経路は血液を受け取るように構成することができ、気流経路は酸素を含むガス（空気または酸素ガス）を受け取るように構成することができ、膜は、液流経路への酸素の拡散を可能にするように構成することができる。

拡散装置は、本明細書において微小流体装置として説明され、具体的には人工肺装置として記載されているが、開示されている核酸装置、システム、及び方法は、微小流体装置として、またはより具体的には、人工肺装置として使用することに限定されないということを理解すべきである。開示されている核酸装置は、非限定的に、ガス精製システム、透析または人工腎臓システム、炭素捕捉システムなどの他の多くの装置での使用に適することができることが企図されている。開示されている構造は、多くの用途、特に、１つの種（気体または液体）から別の種（気体または液体）まで膜を通した拡散を成す必要がある用途に関する大面積拡散装置である。

３Ｄ印刷の微小流体装置
本明細書に開示され、図３Ａ〜図３Ｄを参照するのは、３次元印刷された微小流体拡散装置である。例示的な態様において、本明細書に開示されている３次元印刷の微小流体拡散装置２００は、液体（例えば、血液）分配経路２１０及び気流経路２３０を含むことができる。液体（例えば、血液）分配経路２１０は、液流軸２１２に沿って延ばされ、少なくとも１つの液体入口２１４（任意選択で単一の入口）、少なくとも１つの液体出口２１５（任意選択で単一の出口）、及び毛細血管ベッド２２０を含むことができる。本明細書で使用される場合、「毛細血管ベッド」という用語は、一般に、本明細書に開示されているように液体を受け取る複数の小さな毛細血管様要素（すなわち、血管）を指す。必須ではないが、「毛細血管ベッド」は血液の流れを受け取り、許可することができる。毛細血管ベッド２２０は、液流軸２１２に対して少なくとも１つの液体入口２１４と少なくとも１つの液体出口２１５との間に配置することができる。例示的な態様において、毛細血管ベッド２２０は、少なくとも１つの液体入口２１４及び少なくとも１つの液体出口２１５との流体連通用であるそれぞれの内腔２２４を画定する複数の毛細血管要素２２２を含むことができる。気流経路２３０は、液流軸２１２に対して垂直または実質的に垂直である気流軸２３２に沿って延びることができる。図３Ａに示すように、気流経路２３０は、気体入口２３４と気体出口２３６を備えることができる。図３Ａ〜図３Ｃに示すように、気流経路２３０は、毛細血管ベッド２２０の少なくとも一部と交差してガス交換領域２２１を画定することができる。ガス交換を可能にするために、複数の毛細血管要素２２２は、気流経路２３０から複数の毛細血管要素２２２内部の液体（例えば、血液）へのガスの拡散を可能にする材料から形成（すなわち、印刷）できることが企図されている。

任意選択で、複数の毛細血管要素２２２は、液流軸２１２に平行または実質的に平行に向けることができる。しかし、毛細血管要素の他の向きが使用できることが企図されている。例えば、いくつかの毛細血管要素は、他の毛細血管要素とは異なる方向に向けることができることが企図されている。

任意選択で、複数の毛細血管要素２２２は、毛細血管ベッド２２０内に均等に分布する、または実質的に均一に分布することができる。しかし、毛細血管要素２２２の非均質（不均一）またはランダムな分布が所望通りに利用され得ることが企図されている。毛細血管要素の均質な分布が望まれる拡散装置においては、複数の毛細血管要素を複数の行と列に配置することができ、その中で各列の連続的な毛細血管要素間の間隔と、各行の連続的な毛細血管要素間の間隔は、均一または実質的に均一であることが企図されている。本明細書において例示的な態様で使用される場合、「間隔」という用語は、液流軸に垂直である基準面内にある、それぞれの毛細血管要素の中心点間の距離を指すことがある。

例示的な態様では、ガス交換領域２２１内で、気流経路２３０の一部が、複数の毛細血管要素の各毛細血管要素２２２の外面の少なくとも一部を円周状に囲む。任意選択で、これらの態様において、気流経路２３０の一部は、各毛細血管要素２２２の全長を円周状に囲むことができる。任意選択で、図３Ａに示すように、気流経路２３０は、気流軸２３２に沿って動く可変の幅または直径を備えることができることが企図されている。例えば、気体入口２３４及び気体出口２３６から毛細血管ベッド２２０に近づくにつれて、気流経路２３０の幅または直径が増加し得ることが企図されている。

さらなる例示的な態様では、液体（例えば、血液）分配経路２１０は、第１及び第２の液体（例えば、血液）分布領域２１６、２１８をさらに備えることができ、それらはそれぞれ、少なくとも１つの液体入口２１４と毛細血管ベッド２２０との間、及び毛細血管ベッドと少なくとも１つの液体出口２１５との間に位置する。任意選択で、これらの態様において、液体分布領域２１６、２１８は、毛細血管から外側に延びる分岐及び副次的な分岐の数、形状、及び向きを含む生理的血液分布ネットワークのパターンを模倣するように印刷することができることが企図されている。例示的な態様では、図３Ｃに示すように、第１及び第２の液体分布領域２１６、２１８は、毛細血管ベッド２２０の複数の毛細血管要素２２２に達するまで内径が徐々に減少する複数の分岐及び副次的な分岐を含むことができることが企図されている。

任意選択で、例示的な態様において、各毛細血管要素２２２の内腔２２４は、約５μｍ〜約２５０μｍ、約１０μｍ〜約２００μｍ、さらに具体的には、約３０μｍ〜約１００μｍの範囲の内径を備えることができる。しかし、各毛細血管要素の内径は、毛細血管要素の長さなどの特定の用途及び他の変数に応じて選択的に変化させることができることが企図されている。さらに例示的な態様では、液流軸に対する各毛細血管要素の長さは、圧力降下と標的適用に大きく依存する場合があり、少なくとも３００μｍから最大３ｍｍ以上の範囲を備えることができることが企図されている。

さらなる例示的な態様において、少なくとも複数の毛細血管要素２２２が感光性ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を含むことができることが企図されている。任意選択で、これらの態様において、液体分配経路２１０全体をＰＤＭＳから形成することができる。ＰＤＭＳは、開示されている３Ｄ印刷用装置に適した材料として開示されているが、３Ｄ印刷が可能である任意のガス透過性またはマイクロ／ナノ多孔質材料を使用できることが企図されている。

本明細書でさらに開示されているように、３次元プリンタを用いて、前述の微小流体拡散装置２００を形成することができることが企図されている。従来開発された感光ＰＤＭＳなどの既存の感光材料は、当技術分野において知られているような高解像度３Ｄプリンタを用いて、開示されている微小流体拡散装置２００を製造するために使用することができることが企図されている。このような高解像度３Ｄプリンタの適切な例は、高解像度ＭＣ−２ポリマー３Ｄ印刷システムである。光感度材料（例えば、ＰＤＭＳ）と光開始剤の比と、露光線量を変更して、適切な解像度及び印刷速度を達成できることが企図されている。その結果、３Ｄプリンタシステム及び感光材料は、本明細書に開示されているように流路を印刷するために使用することができる。

ロール式拡散装置
本明細書に同様に開示され、図５Ａ〜図１３を参照するのは、本明細書に開示されている、ロールまたはロールツーロール法を用いて製造することができる拡散装置１０（任意選択で、微小流体拡散装置）である。このような装置は、一般に、本明細書で「ロール式」装置または膜と呼ばれる。例示的な態様において、拡散装置１０は、人工肺装置、またはより具体的には、ロール式膜微小流体人工肺装置であることが可能である。いくつかの態様では、本明細書に開示されている人工肺装置は大面積の製造に向けて設計することができる。より具体的には、本開示は、新規でロール式で、円筒形トポロジの拡散装置を作成するための新規の製造技術を提供し、本明細書に提供される例は、微小流体人工肺への応用を実証する。製造技術は、製造性を向上させるために自動化できる大面積微小流体装置を作成する能力を提供することができる。本明細書に開示されている方法は、多くの用途のための大面積微小流体拡散装置をまさに作成する自動化された方法を提供することができる。

一態様において、微小流体拡散装置１０は、中心軸２２と外面２４を有する円筒状基板２０を含むことができる。例示的な態様において、円筒状基板２０は、シリコーンチューブなどの管状構造を備えることができる。しかし、他の円筒形構造は、それらが本明細書にさらに開示されるのと同じように膜層への接合または他の安全な付着のために構成されていれば、使用することができることが企図されている。別の態様では、微小流体拡散装置１０は、円筒状基板２０の中心軸２２から放射状に外側に延びる複数の同心膜層４０を画定する円筒状基板２０の外面２４上に、円周状にロールされるパターン形成膜３０を含むことができる。本明細書で使用される場合、「円周状にロールされる」という用語は、（ａ）例えば本明細書に開示されているロールツーロール法におけるように、円筒状基板が固定の位置にある（しかし自由に回転する）一方で円筒状基板の周りでパターン形成膜をロールすること、ならびに（ｂ）本明細書に開示されているパターン形成膜の全長に沿って円筒状基板をロールすることにより生じる構造を包含することを意図する。さらなる態様において、複数の同心膜層４０の少なくとも１つの膜層は、ガスを受け取るように構成された複数の気流経路４２（例えば、酸素ガスなどのスイープガス）を画定するようにパターン形成することができる。別の態様では、複数の同心膜層４０の少なくとも１つの膜層をパターン形成して、液体（例えば、血液）を受け取るように構成される複数の液流経路４６（例えば、血液流路）を画定することができる。本開示は、このような経路を「液流経路」と呼ぶが、例示的な態様において、本明細書に記載の液流経路は、血液流路である場合があり、したがって、このような液流経路に関連する本明細書に提供される任意の説明は、より具体的に血液流路に適用することもできることを理解されたい。これらの態様において、少なくとも１つの膜層４０は、複数の気流経路４２から複数の液流経路４６内の液体（例えば、血液）へのガスの拡散を可能にすることができる。さらに、または代わりに、少なくとも１つの膜層４０は、複数の液体経路４６から複数の気流経路４２内のガスへの液体の拡散を可能にすることができる。さらに、または代わりに、少なくとも１つの膜層４０は、複数の液体経路の異なる液体経路間の液体の拡散を可能にできる。いくつかの態様において、例えば図５Ａ〜図５Ｂに示すように、複数の同心膜層４０の少なくとも１つの膜層は、気流または液流経路４２、４６を含まないことが企図されている。さらなる態様において、図５Ａ〜図５Ｂに示すように、複数の気流経路４２及び複数の液流経路４６は、パターン形成膜３０のそれぞれの部分に刻印することができる。同心膜層のいくつかの特定の構成が本明細書に開示されているが、任意の所望の数の同心膜層が使用され得ることが企図されている。例示的な態様では、１００、２００、３００、４００、または５００もの同心膜層を使用して微小流体拡散装置を製造することができることが企図されている。

パターン形成された部材は、単一の連続した材料シートを含むことができることが企図されている。任意選択で、パターン形成膜３０は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のウェブまたはフィルムを含むことができる。例示的な態様では、パターン形成膜３０は、約１０μｍ〜約２５０μｍ、より具体的には約５０μｍ〜約１５０μｍの範囲の最大（放射状）の厚さを備えることができる。さらなる態様では、複数の気流経路４２をパターン形成して、約１０μｍ〜約２５０μｍ、より具体的には約３０μｍ〜約１２０μｍの範囲の厚さを有することができる。複数の液流経路４６は、約５μｍ〜約２５０μｍ、より具体的には約５μｍ〜約９５μｍまでの範囲の厚さを有するようにパターン形成することができる。したがって、いくつかの任意選択の態様では、１つ以上の気流経路は、パターン形成膜の厚さを通して完全に拡張することができる。さらに、または別に、他の任意選択の態様では、１つまたは複数の液流経路は、パターン形成膜の厚さを通して完全に拡張することができる。しかし、多くの用途では、液流経路４６と気流経路４２は、膜の厚さに部分的にしか延びないと理解される。

さらなる態様において、複数の同心膜層４０は、円筒状基板２０の外面２４に接合された液体流層６０（例えば、血流層）を含み、複数の液流経路４６を含むことができる。本明細書に記載の液体流層は、血流層であってよく、したがって、液体流層に関連する本明細書に提供される任意の説明を、より具体的には血流層に適用することもできることを理解されたい。

複数の同心膜層４０はまた、液体流層６０に半径方向に隣接して配置され、液体流層に接合された気体流層６４（例えば、空気層）を含むことができる。気体流層６４は、本明細書にさらに開示されるような複数の気流経路４２を含むことができる。任意選択で、複数の同心膜層４０は、さらに気体流層６４の外側に放射状に配置されたキャッピング層６６を含むことができ、この層は複数の気流経路４２をキャップする気体流層に接着する。これらの態様において、キャッピング層６６は、気流経路または液流経路を含まない。さらに、キャッピング層６６は、複数の気流経路４２を囲むことができる。これらの態様において、複数の気流経路４２及び複数の液流経路４６は、中心軸２２に平行または実質的に平行に向けることができる。本明細書では気体流層６４をキャッピングとして開示するが、キャッピング層６６は、液体流層６０の外側に放射状に配置して、液体流層の液流経路を同様にキャップまたは囲むことができることが企図されている。また、本明細書に開示されているキャッピング層６６は、任意の所望の数の膜層を有する拡散装置の最外層として位置付けされ得ることも理解されるべきである。キャッピング層６６は、順次ロール式膜層間に放射状に配置された中間層として提供することができることをさらに理解すべきである。

例示的な態様において、またさらに本明細書に開示されているように、複数の液流経路４６及び複数の気流経路４２は、膜の厚さを貫通して延びる必要がないことが企図されている。これらの態様において、図５Ｂに示すように、パターン形成膜が本明細書に開示されているように基板上にロールされると、パターン形成された流路の下にある膜の一部（ロール前）が、隣接する膜層の流路間の円周（中間）の障壁（拡散領域）を作成し得ることが企図されている。さらに、膜のパターン形成された表面が基板から遠く離れている場合（すなわち、膜の非パターン形成表面が膜のパターン形成された表面から放射状に内側に配置される）とき（図５Ｂ参照）、中間の障壁を画定する膜の部分は、基礎となる膜層のパターン形成された表面（これは、中間の障壁を画定する膜層から放射状に内側に配置される）に画定された流路に接触し、覆う、または「キャップ」することができることが企図されている。例えば、図５Ｂに示すように、形成された気流経路４２の基盤にある気体流層６４の膜の諸部分は、基盤にある液体流層６０の液流経路４６をカバーまたは「キャップ」する中間の障壁６２を形成することができる。他の態様において、膜のパターン形成された表面が対向する非パターン形成表面よりも基板に近い場合（図１２参照）、流層の諸部分、中間の障壁を画定する膜の諸部分は、基盤にある膜層のパターン形成された表面に画定された流経路の底部（内向き）の諸部分を囲むことができる（それは中間の障壁を画定する膜層から半径方向外側に配置される）ことがさらに企図されている。これらの態様において、基板２０は最も内側に配置された膜層の流経路を囲むことができることが、またさらに企図されている。使用において、中間の障壁は、複数の気流経路４２から複数の液流経路４６へのガスの拡散を可能にすることができる。しかし、中間の障壁６２は、任意の所望の液体／気体の拡散の特性をもたらすことができることが企図されている。さらに、拡散装置の最外層の気流経路または液流経路が膜を完全に貫通してはいない構成では、経路の外側に放射状に配置される膜の一部が拡散装置の外面を画定でき、キャッピング層が不要なることが、構成において企図されている。

任意選択で、いくつかの態様において、複数の同心膜層４０は、複数の気体流層６４を含むことができ、各気体流層６４は、複数の気流経路４２の一部を含む。さらに、複数の同心膜層４０は、複数の液体流層６０を含むことができ、各液体流層６０は、複数の液流経路４６の一部を含む。任意選択で、これらの態様では、気体流層６４及び液体流層６０は、中心軸２２から放射状に外側に移動する交互のパターンに配置することができる。しかし、膜層の任意の所望の配列が使用され得ることが企図されている。例えば、複数の同心膜層が、複数の順次放射状に配置された液体流層または複数の順次放射状に配置された気体流層を含むことができることが企図されている。任意選択で、各流層の流路を、複数の膜層のうちの一膜層により画定される中間の障壁（拡散領域）によって、順次放射状に配置された流層の流経路から分離することができることが企図されている。任意選択で、さらにさらなる態様において、複数の同心膜層が、流経路を欠き、複数の同心膜層の他の膜層間に放射状に配置される少なくとも１つの中間層をさらに含むことができることが企図されている。

さらなる態様において、複数の気流経路４２は、中心軸２２の周りを円周状に延びることができ、複数の液流経路４６は、中心軸２２に平行または実質的に平行に向けることができる。拡散装置１０は、気体入口経路７０と気体出口経路７２をさらに含むことができることが企図されている。気体入口経路７０は、パターン形成膜３０の外面２４から円筒状基板２０に向かって放射状に延びることができる。気体出口経路７２は、パターン形成膜３０の外面２４から円筒状基板２０に向かって放射状に延びることができる。気体入口経路７０と気体出口経路７２の両方は、複数の気流経路４２の少なくとも一部と流体連通に配置することができる。

あるいは、他の態様において、複数の気流経路４２は、中心軸２２に平行または実質的に平行に向けることができ、複数の液流経路４６は、中心軸２２の周りを円周状に延びることができる。

いくつかの態様において、拡散装置１０は、液体（例えば、血液）入口８２、液体（例えば、血液）出口８４、気体入口８６、及び気体出口８８を画定するハウジング８０をさらに含むことができる。これらの態様において、液体（例えば、血液）入口８２及び液体（例えば、血液）出口８４は、複数の液流経路４６の少なくとも一部と流体連通に配置することができ、気体入口８６と気体出口８８は、複数の気流経路４２の少なくとも一部と流体連通に配置することができる。任意選択で、いくつかの態様において、液体（例えば、血液）入口８２及び液体（例えば、血液）出口８４は、中心軸２２と実質的に位置合わせして向けることができ、及び気体入口８６と気体出口８８は、中心軸２２に垂直または実質的に垂直に向けることができる。

本明細書にまた開示されているのは、図１３に概略的に示す、開示されている核酸装置１０を用いる方法である。例示的な態様において、これらの方法は、本明細書に開示されている拡散装置１０の複数の液流経路４６との流体連通において、液体供給源（例えば、血液の供給源）９０（例えば、患者など）を位置決めすることを含むことができる。この方法は、さらに、ガス供給源１００との流体連通における拡散装置１０の複数の気流経路４２の位置決めを含むことができる。気流経路４２の位置決めに続いて、ガス供給源１００からくる気体は、複数の液流経路４６内の液体（例えば、血液）に複数の気流経路４２から拡散することができる。任意選択で、いくつかの態様では、ガス供給源１００は、拡散装置１０を取り囲む空気であってもよい。あるいは、他の態様において、ガス供給源１００は、酸素（または他の）ガスで満たされることができる。さらなる態様において、開示されている方法はまた、液体の流速の少なくとも１つ（例えば、血流量）、気流量、またはガス供給源によって供給される気体の組成物を選択的に調整する従来の方法を用いることを含むことができる。

本明細書にさらに開示されるのは、本明細書に記載されているロール式微小流体装置を形成する方法である。これらの方法は、複数の流経路を画定する膜１２０のパターン形成、及び円筒状基板２０の外面２４上にパターン形成膜３０を円周状にロールし、円筒状基板２０の中心軸２２から放射状に外側に延び、それにより装置を形成する複数の同心膜層４０を画定することを含むことができる。複数の流経路の各流経路は、流体の流れを受け取る及び許可するように構成することができる。本明細書でさらに説明するように、複数の同心膜層４０の少なくとも１つの膜層をパターン形成して、ガス（例えば、スイープガス）を受け取るように構成された複数の気流経路４２を画定することができ、複数の同心膜層４０の少なくとも１つの膜層は、液体（例えば、血液）を受け取るように構成された複数の液体（例えば、血液）流経路４６を画定するようにパターン形成することができる。いくつかの態様において、少なくとも１つの膜層は、複数の液流経路４６内の血液への複数の気流経路４２からのガスの拡散を可能にすることができる。さらに、または代わりに、少なくとも１つの膜層４０は、複数の液流経路４６から複数の気流経路４２内の気体へ液体が拡散するのを可能にすることができる。これらの態様において、円筒状基板２０と複数の同心膜層４０は、人工肺装置などの拡散装置１０を形成するために協働する。

本明細書に記載されているように、いくつかの態様において、パターン形成膜３０は、単一の連続した材料シートを含む。任意選択で、パターン形成膜３０は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のウェブまたはフィルムを含む。これらの態様において、装置を形成する方法は、膜のパターン形成前に膜１２０を展開することをさらに含むことができる。さらなる態様において、膜はレーザ１３０を用いてパターン形成することができ、複数の流経路は、レーザ１３０によってパターン形成膜の露出面から内側に延びることができる。しかし、膜１２０のパターン形成の前に、膜は、キャリア層１５０を伴う供給源用ローラ１４０に設けることができる。供給源用ローラ１４０は、膜及びキャリア層１５０を処理方向に進めるために回転することができ、膜の露出面１２２は、膜及びキャリア層１５０が処理方向に進むときにパターン形成することができる。第１の取り込みローラ１６０は、次いでパターン形成膜３０を受け取ることができ、第２の取り込みローラ１７０は、膜のパターン形成後にキャリア層１５０を受け取ることができる。これらの態様では、第１の取り込みローラ１６０は、円筒状基板２０を支持することができ、これは、本明細書に開示されているようにロールプロセス中に順次膜層を受け取るために取り込みローラの上に配置することができる。膜のパターン形成後、この方法は、膜の接合活性を活性化するために膜の露出面１２２に表面処理１８０を適用することをさらに含むことができる。表面処理１８０は、プラズマ、紫外線、オゾン、コロナ、または化学処理の適用を含むことができることが企図されている。

パターン形成膜３０は、約１０μｍ〜約２５０μｍ、より具体的には約５０μｍ〜約１５０μｍの範囲の最大の厚さを備えることができることが企図されている。さらなる態様では、複数の気流経路４２をパターン形成して、約１０μｍ〜約２５０μｍ、より具体的には約３０μｍ〜約１２０μの範囲の厚さを有することができる。複数の液流経路４６は、約５μｍ〜約２５０μｍ、より具体的には約５μｍ〜約９５μｍの範囲の厚さを有するようにパターン形成することができる。任意選択で、いくつかの態様において、複数の気流経路４２及び複数の液流経路４６は、パターン形成膜３０のそれぞれの部分に刻印することができる。

いくつかの態様において、複数の同心膜層４０の少なくとも１つの膜層は、気流経路４２または液流経路４６を含まない。さらなる態様において、本明細書に記載されているように、複数の同心膜層４０は、液体流層、気体流層、及びキャッピング層を形成するためにロールすることができる。任意選択で、キャッピング層は、装置の外面を画定することができる。あるいは、追加の膜層は、キャッピング層の外側に放射状に配置することができる。

他の態様において、複数の同心膜層４０は、各気体流層が複数の気流経路４２の一部を含む複数の気体流層６４；及び各液体流層が複数の液流経路４６の一部を含む複数の液体流層６０を含むことができる。これらの態様において、気体流層６４と液体流層６０は、中心軸２２から放射状に外側に移動する交互のパターンに配置することができる。さらなる態様において、複数の気流経路４２は、中心軸２２の周りを円周状に延びることができ、複数の液流経路４６は、中心軸２２に平行または実質的に平行に向けることができる。これらの態様において、装置を形成する方法はまた、パターン形成膜３０の外面２４から円筒状基板２０に向かって放射状に延びる気体入口経路７０を形成することも含むことができ、気体入口経路７０が複数の気流経路４２の少なくとも一部との流体連通に配置されるようにする。この方法は、さらに、パターン形成膜３０の外面２４から円筒状基板２０に向かって放射状に延びる気体出口経路７２を形成することも含むことができ、気体出口経路７２が複数の気流経路４２の少なくとも一部との流体連通用に位置付けられるようにする。例示的な態様では、膜層を選択的にパターン形成して、パターン形成膜層を円周状にロールしたら気体入口経路と気体出口経路を協働して形成することによって、気体入口経路と気体出口経路を形成することができることが企図されている。さらに、または代わりに、気体入口及び気体出口は、装置をロールした後に膜層を経るパターン形成または切断（例えば、物理的、レーザ、またはそれ以外の場合）によって形成され得ることが企図されている。

任意選択に、いくつかの態様において、装置を形成する方法は、ハウジング８０内に装置を配置することをさらに含むことができ、ハウジングは液体（例えば、血液）入口８２、液体（例えば、血液）出口８４、気体入口８６、及び気体出口８８を画定する。これらの態様において、液体入口８２及び液体出口８４は、複数の液流経路４６の少なくとも一部との流体連通において配置することができ、気体入口８６及び気体出口８８は、複数の気流経路４２の少なくとも一部との流体連通に配置することができる。さらなる態様において、液体入口８２及び液体出口８４は、中心軸２２と実質的に位置合わせして向けることができ、気体入口８６及び気体出口８８は、中心軸２２に対して垂直または実質的に垂直に向けることができる。あるいは、液体入口８２及び液体出口８４は、中心軸２２に垂直または実質的に垂直に向けることができ、気体入口８６及び気体出口８８を、中心軸と実質的に位置合わせして向けることができる。

開示されている核酸装置の追加の非限定的な詳細及び例示的な用途及び応用は、以下の実施例で開示される。

実施例
人工肺は、血液から二酸化炭素を取り除き、血液に酸素を供給することにより、患者の肺機能を補うために、数十年にわたりクリニックで成功裏に使用されてきた。従来の人工肺とは対照的に、微小流体人工肺は、大表面積対血量の比、バイオミメティック血流路、及びポンプレス操作と両立できる圧力降下を備えることができる。μＬ／ｍｉｎからｍＬ／ｍｉｎの範囲の血流量を備える初期の小規模な微小流体装置は、優れたガス移動効率を示すことができるが、現在の製造技術は、人間の応用へのスケールアップには適していない可能性がある。

クリニックで使用される現在の人工肺は、通常、中空糸の技術を採用している。これらの装置のガス交換は、スイープガスが供給される中空糸の束の周りに血液を流すことによって達成される。中空糸の技術に基づく既存の装置は、毎年数千人の命を救っているが、さらなる進歩を制限する欠点がある。第１に、その限られたガス交換効率のために、既存の装置は、通常、安静時または最小限アクティブな患者を助けるために、スイープガスとして１００％のＯ₂を使用して操作される。純粋なＯ₂はガスボンベに貯蔵され（アンブレーションを制限する）、高酸化血症に関連する合併症を引き起こす可能性がある。さらには、既存の装置は、比較的大きな血液接触表面積及び血量を有し、いずれも長期の不良な血友適合性に寄与する。市販されている酸素供給器の大半は高い抵抗性を有しているので、血液ポンプが必要であり、アンブレーションを制限し、潜在的に溶血及び血栓溶解事象を増加させる。中空糸間の血流経路の蛇行は、混合及びガス交換を強化するだけでなく、装置全体で不均一な流れと変化するせん断応力をもたらす。高せん断領域は、血小板の活性化及び溶解を惹起可能で、低せん断または停滞の領域が血栓形成を促進する可能性がある。

本明細書に開示されている微小流体人工肺（μＡＬ）は、ガス交換効率の向上及びバイオミメティック流路を通して、従来の人工肺に関連する欠点の多くに対処できる潜在可能性がある。微小流体装置は、大表面積対体積（ＳＡ／Ｖ）比が実証されており、その結果、１）優れたガス交換効率、２）小規模の血液プライミング量、３）スイープガスとして空気を使用して動作する能力、及び４）任意選択に、血液細胞が生来の血管系と同様の圧力、流れの速度、及びせん断応力を経るバイオミメティック流路を実装することに至る。

これらの進歩を遂げたにもかかわらず、μＡＬには、臨床的に適用し得るのに克服しなければならない課題がいくつかある。μＡＬの臨床での応用に対する大きなハードルは、製造である。μＡＬの製造は、血液とガスの経路を標準的なフォトリソグラフィーと成形の方法を介して形成し、次いでその間に挟まれた薄い膜と一緒に結合する多段階のプロセスであることができる。この多段階のプロセスは、μＬ／ｍｉｎからｍＬ／ｍｉｎの範囲の流れで血液を酸素化できる小規模な単一ガス交換ユニットを作成するのに適している可能性がある。臨床的な関連性のための十分なガス交換区域のμＡＬを達成するために、個々のガス移動ユニットは平行に結合することができる。これは、個々のガス移動ユニットを製造し、その後、平行に積み重ねることによって行うことができる。ただし、この方法で装置のさらなるスケールアップまたは自動製造を行う場合は、時間がかかり、問題が発生する可能性がある。大面積微小流体人工肺を作成する製造技術は、現在存在していない。

以下の記載は、微小流体人工肺などの大面積微小流体装置を作出するための製造技術の非限定的な例を提供する。

実施例１：３Ｄ印刷の微小流体人工肺
現在まで、３Ｄ印刷は、適切な材料と印刷の解像度の欠如に起因して、人工肺を作成するために使用されてこなかった。近年、高解像度３Ｄポリマー印刷が市販され利用できるが、人工肺やＰＤＭＳの印刷には適用されていない。したがって、現在この新たな応用のために３Ｄ印刷パラメータを決定できる。

すべての３Ｄ印刷技術の中で、ステレオリソグラフィ（ＳＬＡ）は、２つのフォトン重合と呼ばれる技術を利用して、またさらに最近では、カスタムの高解像度の光学及びマイクロミラーのアレイを利用して、高解像度（＜１μｍの解像度及び＜１０μｍの特徴）のポリマー構造を印刷することができる。ＳＬＡは１９８６年にハルによって開発され、固体の３Ｄのオブジェクトを構築するために層ごとに感光性液体ポリマーをＵＶ硬化することを含む。そのため、ＳＬＡは、低ボリュームから中ボリュームのスループットで、実質的にあらゆる感光性ポリマー材料の複雑な３Ｄ形状を自動的に生産することができる。例えば、ＳＬＡを使用して、直径が２０μｍまでの人工毛細血管を備えるＳＬＡ ３Ｄ印刷バイオリアクターを製造することができる。このような構造は、感光性ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）ヒドロゲルから形成でき、液流経路を含むことができる。しかし、最近まで、高解像度の３Ｄ印刷は、ビルドボリュームが小さい、カスタム構築された複雑な実験室のシステムを通じて可能であった。

高解像度のＳＬＡの３Ｄプリンタ（すなわち、Ｎａｎｏｓｃｒｉｂｅ（ドイツ）またはＯｌｄ Ｗｏｒｌｄ Ｌａｂｓ（米国）由来のもの）は、本発明の微小流体人工肺及び試験用構造を作成するために使用することができる。Ｏｌｄ Ｗｏｒｌｄ ＬａｂｓＭＣ−２は、１００ｎｍの解像度、５０ｎｍの位置の精度、標準的な１５×１５×１５ｃｍのビルドボリューム（カスタムオーダーによって増やすことができる）を有し、事実上あらゆる感光ポリマーを印刷できる。感光性ポリジメチルシロキサン（光開始剤を伴うＰＤＭＳ）を用いて、人工肺及び試験用構造を形成することができる。ＰＤＭＳは、Ｏ₂及びＣＯ₂に対する透過性が高く、良好な生体適合性特性を有し、市販の人工肺及び微小流体人工肺において実証済みである経緯がある。感光性ＰＤＭＳは、１０μｍ以上の特徴サイズを達成し、ＰＤＭＳ用の３Ｄ印刷パラメータ用にさらに開発することができる。開発中の他の３Ｄプリンタもすぐに、微小流体人工肺を印刷するのに必要な解像度及び必要な印刷の大きさを備え得る。

本明細書に開示されているのは、３Ｄ印刷を用いて形成された、ＣＯＰＤによる末期肺疾患（ＥＳＬＤ）に対するウェアラブル動脈系（ＡＶ）体外ＣＯ₂の除去（ＥＣＯＯＲ）システムである。肺移植はＥＳＬＤの単一の有効な治療法であるが、待機リストは長く、多くの患者は年齢や併存により候補にならない。末期ＣＯＰＤの患者はひどく苛まれる。呼吸困難は非常に重症になり、患者は文章を完成させたり、液体を飲み込んだりすることができない。補給した酸素は少し助けになるが、主な問題は肺胞の死んだスペースが多いことであり、その結果、分時換気量を増大させる必要があるＣＯ₂の保持、極度の疲労、衰弱、及び死に至る。最近の経験で、人工肺を介したＣＯ₂の除去が速やかに呼吸困難の症状を緩和し、酸素化を改善でき、肺高血圧を減少でき、リハビリテーションを可能にすることが示されている。さらなる研究は、代謝で産生されたＣＯ₂を除去するために必要な血流の量が全心拍出量の約２０％であることを示している。１００〜２５０ｍＬ／ｍｉｎの間のＣＯ₂の除去は、市販の人工肺（定格流量４．５Ｌ／ｍｉｎ）とカスタムの人工肺（定格流量１．５Ｌ／ｍｉｎの低さ）の両方で、１〜１．５Ｌ／ｍｉｎの血流とスイープガス流量（１〜１６Ｌ／ｍｉｎ）で達成されている。さらに、ＣＯ₂の除去は動脈血または静脈血で同じであり、したがって、ＣＯ₂の除去のための人工肺は、血液ポンプの必要性を排除する動脈圧によって駆動することができる。したがって、ウェアラブルＡＶ ＥＣＯＯＲシステム（幾分かの血液酸素化を伴う）は、多くのＥＬＳＤ患者に対して効果的な緩和を実現し、真のアンブレーションとリハビリテーションを可能にすることができる。このような装置の一例を図９に示す。本明細書に開示されている拡散装置１０、２００は、小さなエンクロージャ１１０内に含有することができる（例えば、股関節または胴体に縛られるパック）。バッテリパック１１４（または他の電源）、軽量エアポンプ１１２（例えば、ファン）、及びバッテリの充電及びポンプの制御のためのシンプルな電子制御システム（図示せず）はまた、エンクロージャ１１０内に設ける、またはエンクロージャ１１０に関連付けられる。血流は、ＡＶ圧によって駆動することができ、血管のアクセスは、アンブレーション（すなわち、鎖骨下動脈及び静脈）を可能にするために選択することができる。このようなシステムは、主にＣＯ₂を除去することができるが、また、１Ｌ／ｍｉｎ血流で幾分かのＯ₂を供給する（ＳａＯ₂が９０から１００％に増加した場合、１０〜２５ｍＬ／ｍｉｎ）。これは、吸入されるＯ₂が酸素発生器で補充されるときに患者に供給される酸素供給に類似している。ＥＳＬＤを患う一部の患者はまた、ＣＯ₂の保持に加えて深い低酸素血症を有し、低酸素血症が運動中に悪化する。こうした患者は本明細書に開示されている初期のシステムの恩恵を受けない可能性があるが、Ｏ₂の交換を増加させる静脈構成で対処することができる。簡単に言えば、二重内腔静脈カテーテルは頚部に挿入することができ、装置を通して血流を促進するために、小さいポンプ（例えば、Ａｂｉｏｍｅｄ Ｉｍｐｅｌｌａ）を追加することができる。

このウェアラブル微小流体人工肺は、３Ｄ印刷技術を通じて生産できると考えている。図３Ａ〜図３Ｄに示すように、本明細書に開示されている３Ｄ印刷の微小流体人工肺は、ガス交換領域２２１を特色とし（図３Ａ中央）、均等に間隔をあけた毛細血管ベッドのアレイにおける円筒状の人工毛細血管の大きなアレイを含む（図３Ａ及び図３Ｄ）。スイープガスは、すべての側面からのガス交換を可能にする各人工毛細血管の外側の周りに流れる。入口及び出口の液体流れネットワークは、人工毛細血管から液体をそれぞれ分配及び収集する。両方の分配ネットワーク共、生来の肺のスケーリング及び分岐の特性を模倣するように設計することができ、それによって流速、せん断応力及び圧力の点で自然な細胞の環境を提供する。

以前に証明された分析式（表１）が、様々な人工肺能力測定法をモデル化するために使用された（図４Ａ〜図４Ｄ）。小さい毛細血管の直径（内径ＤＣｉ＜２５μｍ）に対し、多数の短い毛細血管が、必要な定格血流（１．５Ｌ／ｍｉｎ）及び毛細血管せん断応力（４０ｄｙｎ／ｃｍ²）を満たすために要求される。多数の毛細血管は、大きな血液の分配ネットワークを必要とし、その結果、大きな総血液接触表面積及び血量をもたらす（図４Ａ及び図４Ｂ）。毛細血管の直径が大きくなるにつれて、同じせん断応力を維持するために毛細血管の長さが増加し、必要な毛細血管の数を減少させ、それによって総血流表面積と体積を減少させる。毛細血管の直径がさらに大きくなるにつれて（図４ＣではＤＣｉ＞５０μｍ）、拡散距離の増加によりガス交換が非効率になる。これによって、より大きな必要なガス交換表面積及びより多くの血量に至る。これらの現象により、表面積（図４Ａ）と血量（図４Ｂ）は、それぞれ３７μｍ及び２６μｍの人工毛細血管の内径（ＤＣｉ）で、局所的な最小値を有する。任意の血液接触装置について、異物の応答を最小限に抑え、患者の転帰を改善するために、血液接触表面積及び血量（「プライミング量」）を最小限に抑えることが望ましい。

臨床での応用のために、装置は末梢動脈圧を使用して血液ポンプなしで作動することができる必要がある。正常成人における平均末梢動脈圧と静脈圧の差は約８０ｍｍＨｇである。チューブ及びカニューレのために約２０ｍｍＨｇを可能にし、人工肺の血液側圧力は、その定格流量で６０ｍｍＨｇ未満であるべきである。血液側圧力降下（図４Ｃ）は、毛細血管内径（ＤＣｉ）の値に対して６０ｍｍＨｇ未満である。

膜を横切る圧力駆動ガスの流れを避けるために（したがって、血液中の気泡の形成）、人工肺の最大ガス側圧力は、その最小血液側圧力を超えるべきではない。最小血液側圧力は静脈圧に加えてチューブの圧力降下または約２０ｍｍＨｇである。この値は、ガス側圧力の上限を設定する。毛細血管径が２８μｍを超える場合、ガス側圧力降下は２０ｍｍＨｇ未満になる（図４Ｃ）。

血小板の活性化と細胞の溶解を最小限に抑えるために、人工肺のせん断応力は、生来の血管系に見られるものと同様であるべきである。ヒトの血管系では、せん断応力は動脈で１０〜７０ｄｙｎ／ｃｍ²、静脈では１〜６ｄｙｎ／ｃｍ²の間の範囲である。この設計では、毛細血管せん断応力は平均動脈せん断または４０ｄｙｎ／ｃｍ²で固定された。毛細血管せん断応力と圧力降下（＜６０ｍｍＨｇ）のこの組み合わせは、血液外傷因子が血球破壊に必要な要因よりもはるかに少ないことを確実にする。

最後に、３Ｄプリンタの限界を考慮しなければならない。ＯＷＬ ＭＣ−２は、より大きなビルドボリュームでカスタム注文することができるが、１５×１５×１５ｃｍのビルドボリュームを備える標準的なシステムが使用された。この装置の構造的マニホルドを考慮に入れた後、毛細血管ベッド用の残りの領域は１３．５×１３．５または１８２ｃｍ²である。図４ＤのＤＣｉ＞５２μｍは毛細血管ベッドの面積が１８２ｃｍ²未満の結果に至る。他の３Ｄ印刷技術にも、印刷領域に対して同様の限界がある。

表１ ３Ｄ印刷の人工肺の設計に使用される分析方程式
注：Ｑ_Rは定格血流。Ｑ_Gはガスの流れ。Ａ_GEはガス交換表面積。Ｓ_B,O2及びＤ_B,O2は血液中の有効な酸素溶解性及び拡散性。Ｒ_D,O2は酸素の拡散に対する耐性。ＰＯ２_Bi、ＰＯ２_B,o及びＰＯ２_Gはそれぞれ血液入口、血液出口、及びスイープガス中の酸素の分圧。δ_Mはガス拡散膜の厚さ。Ｐ_M,O2は、酸素に対する膜の透過性。Ｄ_Ciは毛細血管内径。ΔＰ_Cは毛細血管圧降下。μ_B及びμ_Gは血液及びスイープガスの粘度。Ｌ_Cは毛細血管の長さ。ｎは毛細血管の数。Ｌ、Ｈ、及びＷは、流れの方向の長さ、高さ、及び幅。ΔＰ_GASはガス側圧力降下（多孔質媒体を通る流れにブレイクコゼニー方程式を使用）。Ｄ_Pは多孔質媒体中の有効な粒子径であり、εは媒体多孔性。τｗは壁せん断応力。ｒ_親及びｒ_娘はバイオミメティック分岐システムの親と娘の血管の半径。

上記の制約を踏まえ、血液接触表面積と血量を最小限に抑えるために、ＤＣｉは５２μｍに設定され、総血液接触表面積は０．２５ｍ²、総血量は８．３ｍＬ、血液側圧力降下は１０ｍｍＨｇ（定格血流１．５Ｌ／ｍｉｎ）、ガス側圧力降下は７．５ｍｍＨｇ（ガスの流れ１６Ｌ／ｍｉｎ）、装置サイズ１５×１５×１５ｃｍ（流体分布と構造的なマニホルドを含む）。本明細書に記載されている装置は、ＶＶ構成でＯ₂の７０ｍＬ／ｍｉｎ（Ｏ₂スイープガス）に３０ｍＬ／ｍｉｎ（空気スイープガス）を交換でき、またはＡＶ構成でＯ₂の２５ｍＬ／ｍｉｎ（Ｏ₂スイープガス）に１０ｍＬ／ｍｉｎ（空気スイープガス）を交換できる。いずれの構成でも、装置は、同様の定格血流を備える以前の装置で示されているように、ＣＯ₂（１〜１６Ｌ／ｍｉｎのスイープガス）の１００〜２５０ｍＬ／ｍｉｎを除去することができる。比較のために、最先端のＮｏｖａｌｕｎｇ ｉＬＡ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｖｅｎｔｉｌａｔｏｒを定格流量１．５Ｌ／ｍｉｎに縮小した場合、血液接触表面積は０．４５ｍ²、総血量は５８ｍＬになる。様々な直径と壁の厚さの円筒状の流体導管（表２）は、３Ｄ ＣＡＤソフトウェアで設計し、その後印刷することができる。以前に開発された感光ＰＤＭＳは、高解像度ＭＣ−２ポリマー３Ｄ印刷システムまたは他の高解像度３Ｄプリンタで使用するように構成することができる。ＰＤＭＳと光開始剤の比及び露光線量を変更して、適切な解像度及び印刷速度を達成することができる。次いでＭＣ−２及び設定された感光ＰＤＭＳを使用して、試験用の流体導管を３Ｄ印刷できる（表２）。印刷された流体導管は、連続性、表面の粗さ、及び描画された特徴の複製を検査し、機械的な堅牢性（漏出及び破裂圧力）のために実験室で試験することができる。最低限の直径及び壁の厚さは目標の適用圧力（最大２５０ｍｍＨｇ）に基づいて判定することができる。

表２：３Ｄ印刷された流体の円筒状試験構造の物理的寸法

表面の粗さと機械的堅牢性（バースト圧力）の測定は三重に繰り返せ、各実験は４つの試験構造で繰り返すことができる。測定値は、平均値と標準偏差に変換し、スチューデントのｔ検定（ｐ値＝０．０５）を使用して比較することができる。

本明細書に記載されている方法とシステムは、１）３Ｄ印刷システムで使用するために構成された感光ＰＤＭＳ製剤、２）感光性ＰＤＭＳ（露光線量、印刷速度など）のための３Ｄ印刷レシピ、及び３）３Ｄ印刷された人工肺で使用するための最低限の流体導管の直径及び壁の厚さを生み出すことができる。本明細書に記載されている方法及びシステムは、５０μｍ未満の内径及び壁の厚さを各々有する流体導管について、印刷された円筒形、ＰＤＭＳをもたらせる。ポリマー製剤及び印刷パラメータは、成功が達成されるまで調整することができる。

構成されたパラメータは、上記の仕様を満たす３Ｄ印刷の微小流体人工肺を作成するために使用することができる。血流ネットワークは、生来の肺の圧力、流れの速度、及びせん断応力を模倣するように設計することができる。現在の微小流体人工肺とは対照的に、開示されている装置の各人工毛細血管はスイープガスで完全に囲むことができ、それによって以前の装置と比べてガス交換効率が向上する。計算流体力学（ＣＦＤ；ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ）を使用して、血流ネットワーク全体の流れとせん断分布を可視化し、圧力降下を確認し、印刷前に全体的な設計を構成することができる。最終的な３Ｄ ＣＡＤの設計は、上記の開発されたパラメータを使用して印刷することができる。追加の印刷を伴って進む前に、単一の装置を印刷及び試験できる。試験は、実験室にて、生理食塩水、全血、酸素または空気スイープガスで行って、圧力降下とガス交換を流量の関数として検証することができる。

本明細書に開示されている方法及びシステムは、大面積微小流体人工肺を単純かつ容易に製造する能力の進歩をもたらし、それによってこれらの装置の臨床での応用までの概算時間を加速することができる。本明細書に開示されている方法及びシステムは、肺のリハビリテーションのため急性的に肺の支援をすることを目的とするシステムでの応用を通じて、その後臨床的な設定に転換することができる大規模な動物実験用の３Ｄ印刷の人工肺を対象とすることができる。得られた３Ｄ印刷ＰＤＭＳフローネットワークは、例えば、バイオリアクター、透析、及び濾過プロセスに限定されない用途を備えることができる。

実施例２：バイオミメティック血流ネットワークを用いる大面積製造用に設計されたロール式膜微小流体人工肺
本明細書に記載されているのは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の単一のパターン形成層からの連続的な「ロール」及び接合手順を介して構造物が組み立てられる微小流体人工肺（μＡＬ）用の新規の製造技術である。パターン形成されたＰＤＭＳは、円筒状の基板の周りにロールすることができる。このロールプロセスでは、血液及びガス層はＰＤＭＳ膜によって自動的に分離することができる。単一の平らなテンプレートに交互に血液とガス層をパターン形成することによって、複数のガス交換ユニットは１ステップのロールプロセスにて互いの上に積み重ねることができる。また、この方法は、２つの気体経路間の人工毛細血管の上部と下部の両方にガス交換のための領域を設けることができる。対照的に、既存の設計は毛細血管の１つの表面だけを通してガスの移動を可能にする。

開示されている方法は、小規模な４層装置で実証できるが、より大きな面積の装置に容易に拡張することが期待される。例示的な装置は、バイオミメティック分岐血流ネットワーク、１０μｍの長い人工毛細血管、及び６６μｍの厚いガス移動膜を備えることができる。血液中のガス移動効率は、２つの異なるスイープガス（純粋なＯ₂、大気空気）について、血流量の範囲（０．１〜１．２５ｍＬ／ｍｉｎ）にわたって評価された。達成されたガス移動データは、酸素化とＣＯ₂の除去の予測理論値に厳密に従い、一方で圧力降下は予測よりもわずかに高かった。微小流体人工肺用に設計されているものであるが、本明細書に記載されている技術は、ＰＤＭＳで大面積微小流体装置を簡単かつ容易に作成することができる第１の製造方法を得ることができる。

円筒形μＡＬの製造が成功したことは、この方法を用いて実証できる。これらの装置にわたる圧力降下を、酸素化及びＣＯ₂の除去のためのガス移動効率と共に記録した。さらに、これらの装置の性能は、臨床で使用される人工肺及び他の微小流体人工肺と比較された。最後に、開示の方法はＰＤＭＳにおける大面積微小流体装置を作成するために使用することができることが、さらに企図されている。

実験方法
装置設計の概要：ロール式微小流体装置は、４層構造（血液層／膜／空気層／キャッピング層）を備えるものとして設計することができる。装置に入る脱酸素された血液は５４５０の人工毛細血管（１０μｍの高さ、４０μｍの幅、１０１４μｍの長さ）に分配することができ、スイープガス（純粋なＯ₂または空気）は１００μｍの高い経路の斜面を通して供給することができる。装置のプライミング量（チューブの回路を含まない）は、血液２７μＬであり得る。血液及び気体の経路は、６６μｍの厚いＰＤＭＳ膜により分離することができる。気体経路層が基板の周りに巻かれた後、気体経路の上部は外側に開くことができ、したがって、キャッピング層は気体経路を完全に囲むように含めることができる。血液が装置を流れると、スイープガス中のＯ₂はＰＤＭＳ膜を横切って、分圧の勾配を介して酸素が枯渇した血液に拡散できる。同時に、血液に蓄積したＣＯ₂は、膜を横切って拡散し、スイープガスと共に出ることができる。血流量、スイープガスの組成、及びスイープガスの流量は、装置から出る血液のＯ₂／ＣＯ₂含有量に影響を与えるよう変動させることができる。

血の流路を、生来の肺のスケーリングの関係を用いて設計して、全体の生理的せん断応力を確保して圧力降下を制御するようにする。親及び娘経路の相対的な直径は、マレーの法則に従うように設計された。これによると、作用を最小限に抑える流れのネットワークでは、親血管の半径の立方が娘血管の半径の立方の合計に等しい。この製造方法は、コーティングされたテンプレート上に円筒状基板をロールすることによって装置が形成され、それによって４つの層（血液／膜／空気／キャップ）を積み重ねるという点で異なる。シリコーンシートを円筒状基板の周りにロールした初期の人工肺での作業とは異なり、開示されている微小流体装置は、（ａ）小径の微小流体チャネルを統合し、（ｂ）バイオインスピレーションを得た流路を実装し、ポンプを使用しない操作と両立する圧力降下をもたらし、（ｃ）ＰＤＭＳから装置を完全に形成し、（ｄ）各層を恒久的に結合する。図５Ａ〜図５Ｂは、ロール式装置の製造の概略を示し、製造に用いられる基本的な手順を示す。血液及びガスの領域の長さは円筒状基板の円周と等しくでき、各層（血液／ガス）がロールされるときに基板の１回転を構成するようにする。血液／ガス層間の膜厚は、次いで、テンプレート上に鋳造されるＰＤＭＳシートの全体的な厚さと気体経路の高さの差に相応することができる。

装置の製造：型及びＰＤＭＳ層の構築は、本明細書に開示されている方法に従うことができる。簡単に言えば、ネガ型フォトレジスト（すなわち、ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ ＳＵ−８）、スピンコーター（すなわち、Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ（商標） Ｓｐｉｎｃｏａｔ Ｇ３Ｐ−１２スピンコーター）、及び露光ユニット（すなわち、Ｋｉｎｓｔｅｎ ＫＶＢ−３０Ｄ ＵＶ露光ユニット）を利用して、６インチシリコンウエハ基板上に型を形成した。図５Ａは、血液経路、ガス経路、及びキャップ（「キャッピング」）層のテンプレートを用いたシリコンウエハのパターン形成の概略図を示す。Ｓｙｌｇａｒｄ（登録商標）１８４シリコーンエラストマーベース及び硬化剤（１０：１、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ）（ＰＤＭＳ）を混合し、脱気し、１６６μｍの厚さにスピンし、８０℃で４５分間硬化させた。

図６Ａ〜図６Ｃは装置の製作を示し、図６Ａは、シリコーンチューブ基板がＰＤＭＳシートの端に接合されたロールプロセスの始まりの画像を示す。図６Ｂは、染色水が流れ込んだロール式装置の画像を示し、血液及びガスの流路を図示している。図６Ｃは、本明細書に開示されているロール式装置の断面の画像を示す。

現在パターン形成されたＰＤＭＳの丸みを帯びた側部をトリミングし、長方形のシートを生成した（図６Ａ）。約３インチのシリコーンチューブ（Ｍａｓｔｅｒｆｌｅｘ（登録商標）９６４１０−１８）をロール式装置の内部支持構造として使用した。支持チューブとパターン形成されたＰＤＭＳシートをＯ₂プラズマ（９００ｍＴｏｒｒ、２５Ｗ）で２５秒間活性化し、チューブはすぐにＰＤＭＳの端に接触した（図６Ａ）。ＰＤＭＳとチューブを再度Ｏ₂プラズマで処理し、チューブを約１／２のターンでゆっくりと手でロールした。この研究では、装置は手でロールされた。しかし、装置間のばらつきを減らし、将来スケールアップするために、このプロセスは、従来のモータ、アクチュエータ、及びフィードバック／プロセッサ制御を使用して自動化できることが企図されている。このプロセスは、ＰＤＭＳが支持チューブの周りに完全にロールされるまで繰り返すことができる。入口及び出口の穴は２ｍｍ生検用パンチを用いて切断した。シリコーンチューブの入口／出口ポートは、ＲＴＶシリコーンエポキシ（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ）を使用してこれらの穴の上に接着され、マイクロチャネルに直接流入した。

ロール手順自体が微小流体の特徴の著しい歪みを引き起こさないことを確認するために、平坦な装置が、ロール式装置の製造に使用されるのと同じ型を使用して製造された。これを達成するために、シリコンウエハの型を用いて、血流用とガス流用の２つの別々のパターン形成されたＰＤＭＳ基板／層を準備した。平らな基板上のロール式装置によって達成されるのと同じ厚さに膜を紡ぎ、血液とガスの流層の間で結合した。次に、ロール式装置及び平坦な装置の圧力降下と血流を測定し、比較した。

ガス交換モデル 数学的モデルを使用して、ロール式装置のガス交換能力を予測できる。このモデルは、装置の変数及び入口血液のガスの測定に基づいて、装置の出口の血中のＯ₂（ｐＯ₂）及びＣＯ₂（ｐＣＯ₂）の分圧を予測するために使用することができる。以下の方程式はｐＯ₂の計算を概説したもので、類似した方程式を使用してｐＣＯ₂を計算する。

人工毛細血管の出口にある血液中のｐＯ₂（ｐＯ_2B,o）は、スイープガス中のｐＯ₂（ｐＯ_2G）、入ってくる血液のｐＯ₂（ｐＯ_2B,i）、ガス交換表面積（Ａ）、血流量（Ｑ）、血中のＯ₂の有効溶解性（Ｓ_B,O2）_、及びＯ₂拡散に対する総抵抗（Ｒ_D,O2）の関数である。

酸素の拡散に対する総抵抗は、膜厚（δ_M）、酸素に対する膜透過性（Ｐ_M,O2）、血液側流体境界層（δ_B、人工毛細血管の高さの半分と推定される）、及び血中の有効な拡散性Ｏ₂（Ｄ_B,O2）の関数である。計算されたｐＯ_2B,oでは、分数のＯ₂の飽和（ＳＯ₂）はヒルの方程式（９）を使用して計算され、式中ＰＯ₂は血液中の酸素の分圧であり、Ｐ₅₀は血液が５０％飽和している酸素の分圧であり、ｎはヒル係数（正常なヒト血液の場合は２．７）である。ここで使用する場合、Ｐ₅₀及びｎは、係数が実験条件をより正確に表すように推定される。これは、ＳＯ₂の実験的に測定された値とヒルの方程式を使用して計算された値との間の二乗平均平方根誤差を最小化することによって行われる。ここでは、Ｐ₅₀＝３２．２とｎ＝２．９である。

圧力降下とせん断応力の計算 次の式を使用して、ロール式装置の各経路にわたる血液側圧力降下を予測できる。

長方形の経路における圧力降下は、経路の高さ（Ｈ）、幅（Ｗ）、長さ（Ｌ）、ならびに血中粘度及び血流量の関数である。ロール式装置全体の値に到達するために、各経路は抵抗（Ｑ／ΔＰ）として表され、その後Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆのルールを使用して単一の値に結合された。血中粘度は、インビトロの試験に使用される血液の測定ヘマトクリット値を用いて推定した。この値は、以下の式を使用して計算され、μ_Pがウシの血漿粘度（以前は１．７２ｃＰと測定）であり、Ｈが測定されたヘマトクリットである。

次いで、経路の下部と幅の中間点のせん断応力を近似できる。

式１２及び式１３では、ηは動的粘度（ｄｙｎ＊ｓ／ｃｍ²）、Φは流量（ｃｍ³／ｓ）、ｂは１／２の経路の幅（Ｗ）、ｈは１／２の経路の高さ（Ｈ）である。

インビトロの試験 装置は、プログラム可能なシリンジポンプ（すなわち、Ｈａｒｖａｒｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）を用いて０．１ｍＬ／ｍｉｎにて染色ＤＩ水で装置の血液側及びガス側（図６Ｂ）を充填することにより、結合及び膜の完全性の成功を確認するために試験した。装置はＤＩ水ですすいで、さらなる試験の前に乾燥させた。抗凝固（１６％ｖ／ｖクエン酸リン酸デキストロース）ウシ全血を購入（Ｌａｍｐｉｒｅ）し、細胞がＣＯ₂に酸素を代謝することを可能にするために４℃で１日保存し、それによって静脈血のガスレベルを供給する。製造された装置は、シリコーンチューブを介して血液及びガス供給源に接続され、３７℃の水浴に浸した。ガスは純粋なＯ₂シリンダーまたは圧縮した空気を介して供給され、ガス流制御器（すなわち、Ｏｍｅｇａ、モデルＦＭＡ５５０２）は１ｍＬ／ｍｉｎの流量で装置にガスを供給するために使用された。血液は、プログラム可能なシリンジポンプを使用して、様々な流量（０．１〜１．２５ｍＬ／ｍｉｎ）で装置の血液側入口に供給された。装置の入口と出口の血液及びガスの圧力を監視するために、圧力センサ（ＰＣシリーズ、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ）を使用した。各流量で、血液サンプルは、小径バイアルを充填し、血液カラムの底部からピペッティングすることによって採取した。血液はＡｂｂｏｔｔ Ｐｏｉｎｔ ｏｆ Ｃａｒｅ （ＡＰＯＣ） ｉＳＴＡＴ Ｈａｎｄｈｅｌｄ Ｂｌｏｏｄ Ａｎａｌｙｚｅｒで分析した。ＡＰＯＣ ＥＧ６＋カートリッジが、ｐＣＯ₂、ｐＯ₂、ＳＯ₂、ヘマトクリット及びヘモグロビンのレベルを含む関連する血中ガスの情報を提供するために使用された。

結果及び考察
装置の製造 成功裏に製造された装置が図６Ｂに示されており、血液及びスイープガスの流路を確認するために染色水が流れ込んでいる。全体の機能を確認したら、成功裏に製造された装置（ｎ＝６）をインビトロの試験に使用した。製造のための最良の方法を判定する際に、いくつかの一般的に経験される問題が発生しており、以下に強調して示す。

ＰＤＭＳとテンプレートの間の不要な接着により、基板の周りでロールしようとするときに、ＰＤＭＳが裂け出る可能性がある。これは、ＰＤＭＳでウエハをコーティングする前に少なくとも１時間（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）−１−トリクロロシランの一滴で真空デシケータにてウエハを前処理することによって事前に防止される。部分的または不完全な結合は、装置の損障を引き起こしたもう１つの一般的な問題であった。染色水で試験するとき、これらの装置は、層間の接合が完了しなかった目的の血液／ガスの流路から実質的に漏出している。活性化された表面が結合するとき、部分接着は、各々の活性化後に基板が１／２ターン以上ロールすると生じ得る。部分接着は、各々の連続するＯ₂プラズマ処理の後、基板を最高で１／２ターンで転がすことで回避できる。最後に、初期接合時に基板とＰＤＭＳシートを適切に整列させることが、製造を成功させるのに重要であった。基板のずれにより、完全にロールすると、入口／出口ポートの位置がずれ込む。ロール中に位置合わせを補正しようとすると、過剰なＰＤＭＳが基板に完全に連続して結合されたのではない「しわ」が発生する。適切な位置合わせを手動で実現することは困難な場合がある。

装置を手でロールして、装置間や各装置内でばらつく（ＰＤＭＳの伸長、しわなど）機会を生み出した。このプロセスを自動化させて、装置間及び装置内のばらつきの量を減少させ、製造手順の再現性を高める。

装置を構成する層の数は、ＰＤＭＳがロールされる型の長さによって制限される。本明細書に記載されているように、スピンコーティングは、装置の型を製造する際に、また完成した型をＰＤＭＳでコーティングする際に、フォトレジストの所望の厚さを堆積させるために使用される。インビトロでの性能：純粋なＯ₂スイープガス。Ｏ₂転写は分圧の勾配によって駆動されるので、最も効率的なＯ₂の血液への移動は、スイープガスとして純粋なＯ₂を使用して起こる。

図７Ａ〜図７Ｄは、スイープガスとしてＯ₂（Ａ、Ｃ）または空気（Ｂ、Ｄ）を採用したロール式膜装置（ｎ＝６）のガス移動能力を示す。図７Ａは、純粋なＯ₂スイープガス（ｎ＝６）を用いて血液出口装置のＳＯ₂を示す。健康な成人の正常な動脈ＳＯ₂レベルは９５〜１００％の範囲で、９０％未満の値は低いとみなされている。人工肺の血流の容量は、典型的には「定格流量」によって特徴付けられ、入ってくる静脈血中のＯ₂含有量（７０％ＳＯ₂）が９５％のＳＯ₂に上昇する最大血流量として定義される。言い換えれば、定格流量を超えて動作する人工肺は、＜９５％のＳＯ₂で血液が出て行く結果になる。スイープガスとしてＯ₂を備える装置の理論上の定格流量は１．４ｍＬ／ｍｉｎである（式７とヒル方程式を使用して計算）。実験では、出口酸素飽和度は０．５ｍＬ／ｍｉｎの流量で９５％であった（ｎ＝３、図７Ａ）。理論上の定格流量は、実験条件とは異なる特定の血液の状態のセットを使用して計算されるため、この値は理論上の定格流量よりも小さくなる。各実験の前に入口血液状態を測定し、これらの値を用いて図７Ａ〜図７Ｄに含まれる理論値（点線）を判定した。例えば、入口血液の酸素飽和度は、理論上の定格流量（７０％）の計算に用いられる理論入口Ｏ₂含有量を下回った。図７Ａにプロットした出口の数学的モデルは、実験で測定された入口血液のＯ₂含有量とヘマトクリットを用いて算出し、特に流量≦１ｍＬ／ｍｉｎで実験データとよく一致している。

インビトロの能力：空気スイープガス 空気をスイープガスとして使用すると、圧縮Ｏ₂シリンダーを輸送する必要がなくなり、装置の可搬性が向上するので有利である。スイープガスとして空気を使用する単一のガス交換ユニットの理論上の定格流量は、約０．２０ｍＬ／ｍｉｎで、スイープガスとして空気を備えている。実験的に、装置は約０．２ｍＬ／ｍｉｎ（ｎ＝６）の流量に対して９５％以上の出口血液ＳＯ₂を提供した。実験的な出口ＳＯ₂％は、実際の入口血液のＳＯ₂％を計算に使用する場合、数学モデルと密接に一致する（図７Ｂ）。

ＣＯ₂の除去 図７Ａ〜図７Ｄには、Ｏ₂または空気スイープガス（ｎ＝６）を使用する装置のＣＯ₂の除去データも含まれている。動脈血中のｐＣＯ₂の正常範囲は３８〜４２ｍｍＨｇである。０．５ｍＬ／ｍｉｎ未満の血液の流れでは、装置から出る血液は一貫してこの正常範囲内またはそれ以下であった。出口ｐＣＯ₂は血流量と共に増加し、ガス交換ユニット内の滞留時間が小さくなる。ＣＯ₂の除去は、入ってくるスイープガスのＣＯ₂含有量の差がごくわずかであるため、スイープガスとしてＯ₂または空気のいずれかを使用する場合とほぼ同じである。

装置の圧力降下とせん断応力 ロール式装置を経る理論上の圧力降下は、方程式（１０）を使用して計算され、経路の幾何学形状、流量、及び血中粘度に依存する。血中粘度は、実験で使用される血液に対するヘマトクリットの測定値を用いて推定される（式１１）。この実験で使用した入血液の平均ヘマトクリットを２４．２±３．９（平均±標準偏差）として測定し、推定血中粘度２．０４ｃＰを得た。

図８はロール式膜装置（ひし形、ｎ＝６、ＨＣＴ＝２４．３±３．９）及び平坦な装置（三角形、ｎ＝２、ＨＣＴ＝１７）の測定及び理論上の（破線）血液側圧力降下を、様々な血流量で提供する。エラーバーは、測定値の標準誤差を表している（＋ｎ＝５ ＊ｎ＝３）。図８では、作用する流体として抗凝固させたウシの血液を備える装置の血液側を横切る平均圧力降下を得る。生来の肺は約１０ｍｍＨｇの圧力降下を伴って作動する。ほとんどの体外膜酸素化（ＥＣＭＯ）回路は、約３００ｍｍＨｇの上限まで安全に動作することができる。ただし、高い圧力（≧８０ｍｍＨｇ）では血液ポンプを使用することが必要となる。圧力降下は、試験した範囲（０．１〜１．２５ｍＬ／ｍｉｎ）の流量で直線的に増加し、予測理論値（ｎ＝６）よりも約２〜３．５倍高かった。同様に設計された血中経路のレイアウトも、計算値の約２倍の圧力降下を引き起こした。理論値と実験値の違いは、理論上の計算が、入口／出口及び分岐における血流の方向の変化、経路の疎水性、及び計算された粘度と実験粘度の可能な違いを考慮に入れていないという事実によるものと考えられる。平坦な装置を通して観察された圧力降下は、ロール式装置のものとよく一致し、ロール製造方法自体が積み重ね方法と比較して血管の抵抗の顕著な増加をもたらさなかったことを示す。

毛細血管及び動脈のせん断応力の正常な生理的な値は、それぞれ約５３ダイン／ｃｍ²及び４３ダイン／ｃｍ²である。推定血中粘度を用いると、装置のせん断応力は、式（１２）及び（１３）を用いて推定することができる。装置の血管の推定せん断応力は、０．１ｍＬ／ｍｉｎで２．４〜１１．１ｄｙｎ／ｃｍ²から、装置の定格流量０．５ｍＬ／ｍｉｎで１１．８〜５５．４ｄｙｎ／ｃｍ²の範囲の生理学的な値に匹敵した。試験された最高流量（１．２５ｍＬ／ｍｉｎ）では、毛細血管のせん断応力は１３８．５ｄｙｎ／ｃｍ²と推定され、これは典型的な生理的せん断よりも高い。しかし、入口（２４．２±３．９％）及び出口（２６．１±４．９％）の血液ヘマトクリットの測定はせん断の増加によるいずれかの顕著な溶血の徴候ももたらさなかった。

他の装置との比較 表３は、いくつかの最近公開されたμＡＬと、市販のＭａｑｕｅｔ Ｑｕａｄｒｏｘ−ｉ Ｎｅｏｎａｔａｌ酸素供給器とロール式装置のガス交換能力を比較する。ここで、ガス移動速度（Ｏ₂またはＣＯ₂）と血流量の両方が有効なガス移動領域に標準化されて、これらの装置における性能の比較を実現させている。同じ標準化された血流で、Ｏ₂スイープガスを用いたロール式装置のガス交換効率は市販の装置よりも高い。空気スイープガスを使用した同じ標準化された血流では、ロール式装置は、商用の装置（Ｏ₂スイープガスを使用する）よりもわずかに効率が悪い。

ロール式装置は、Ｏ₂か空気スイープガスを使用する最近報告された他のμＡＬと同等の酸素交換効率を示す。

装置のスケールアップ 将来の微小流体人工肺は、ここで使用される単一ユニット設計ではなく、複数のガス交換ユニットで構成される。このガス交換ユニットを並列に積み重ねることは、あらゆるμＡＬに必要である可能性が高い。積み重ね合わせたユニットの数が増えるにつれて、定格流量が増加する。ユニットが平行に積み重ねられるとき、血液側圧力降下が大きく影響を受けるべきではない。

本明細書に開示されているロール設計の利点の１つは、定格流量の増加が、まさに平行なより多くのユニットを追加することにより予想される比例した増加よりも大きくなる点である。このロール式の設計によって、各内部の血液経路は２つのガス経路の間に置かれる。これにより、人工毛細血管の両側からのガスの拡散が可能にされ、それによって一方向への拡散よりも効率的なガス交換が実現する。ガス交換の増加は、上部及び下部の膜の拡散抵抗を計算し、並列抵抗Ｒ＝Ｒ１＊Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）を使用して組み合わせることによって推定することができる。本明細書に開示されているロール式装置の場合、各中間血液経路は、それぞれ約６６及び１００μｍの厚さを有する２つのガス交換膜にアクセスする。この場合の二方向の拡散は、単一ユニットの定格流量を約８０％増加させ、同じ定格流量に達するために必要なガス交換ユニットの量をほぼ半減すると推定される。

生来の肺は約１０ｍｍＨｇの圧力降下を伴って作動する。人工肺の要件は、用途、血管アクセスの種類（動脈、静脈など）、及び患者の必要性に応じて異なり得る。動脈アクセスを仮定すると、装置はポンプレス操作を提供するために８０ｍｍＨｇ未満の圧力降下を有するように設計される必要がある。ポンプレス操作では、体外回路全体（カニューレ、チューブ、人工肺など）は、生理的な圧力を利用して動作する必要がある。末梢動脈−静脈アクセスの場合、体外回路全体に対して利用可能な圧力は、通常の成人では約８０ｍｍＨｇに制限される。人工肺に利用可能な圧力は、幾分か約８０ｍｍＨｇを下回る。臨床的関連性の例として、ポンプレス構成での使用の歴史がある２つの市販の人工肺は、２Ｌ／ｍｉｎの血流で５．５ｍｍＨｇ（Ｎｏｖａｌｕｎｇ ｉＬＡ）及び１８ｍｍＨｇ（ａｑｕｅｔ Ｑｕａｄｒｏｘ−ｉ Ａｄｕｌｔ）の圧力降下を有している。生理的せん断応力は動脈で１０〜７０ダイン／ｃｍ²、静脈で１〜６ダイン／ｃｍ²の間の範囲である。スケールアップされた装置は生来の血管をできるだけ綿密に模倣するためにこれらの範囲内のせん断応力を備えているように設計されている。

μＡＬの重要な考慮事項は、臨床的に関連する血流量を支えるために必要なスケールアップである。現在使用されている人工肺との比較は、スケールアップされた微小流体人工肺の要件に関する洞察を提供することができる。人間への応用のために有用な最低定格流量の推定として、Ｍａｑｕｅｔ Ｑｕａｄｒｏｘ−ｉＮｅｏｎａｔａｌ酸素供給器は３８ｍＬのプライミング量を有し、Ｏ₂スイープガスを使用し、０．２Ｌ／ｍｉｎの低い流量、また１．５Ｌ／ｍｉｎの高い流速で作動する。１．５Ｌ／ｍｉｎで、装置はＯ₂交換の約９０ｍＬ／ｍｉｎを供給し、約６５ｍｍＨｇの圧力降下で、ＣＯ₂交換の７３ｍＬ／ｍｉｎを供給する。０．２Ｌ／ｍｉｎで、装置はＯ₂交換の約１５ｍＬ／ｍｉｎを供給し、約８ｍｍＨｇの圧力降下で、ＣＯ₂交換の１０ｍＬ／ｍｉｎを供給する。大型装置Ｍａｑｕｅｔ Ｑｕａｄｒｏｘ−ｉ Ｓｍａｌｌ Ａｄｕｌｔ酸素供給器は、０．５〜５Ｌ／ｍｉｎの推奨の血流の定格を備え、２１５ｍＬのプライミング量がある。血流０．５ｍＬ／ｍｉｎで動作するＭａｑｕｅｔ Ｑｕａｄｒｏｘ−ｉ Ｓｍａｌｌ Ａｄｕｌｔ酸素供給器は、約１０ｍｍＨｇの圧力降下で、約３０ｍＬ／ｍｉｎのＯ₂の移動と５５ｍＬ／ｍｉｎのＣＯ₂の移動をもたらす。

ロール式装置がより多くのガス交換層を含むようにスケーリングされると、対応する増加と装置の直径を考慮して、後続の各層が長くなる。装置の直径が大きくなり、後続の層が長くなるにつれて、各ガス交換ユニットは、ガス交換表面積（層ごとのプライミング量も）のおおよそ比例した増加をもたらす。また、装置の長さを増大すると、層あたりのガス交換表面積が増加する。スケールアップされた装置（本明細書に提示される装置の２倍の幅を備える）が最初の層のスイープガスとしてＯ₂を使用して１ｍＬ／ｍｉｎの定格血流を有すると仮定すると、約２１９のガス交換ユニットが、１．５Ｌ／ｍｉｎの血流を支えるために必要とされる。装置は６インチ（１５．２ｃｍ）の長さ及び５．６インチ（１４．２ｃｍ）の直径を備え、円柱状であり、約４１ｍＬのプライミング量を有する。空気をスイープガスとして使用すると、定格流量１．５Ｌ／ｍｉｎのロール式装置は、３５５個のガス交換ユニット、直径８．８インチ（２２．４ｃｍ）、プライミング量７１ｍＬを備える。理論上のロール式装置は、測定されたガス交換効率（表３）とスケールアップ装置のガス交換面積に基づいて、１０２ｍＬ／ｍｉｎのＯ₂の移動と２０１ｍＬ／ｍｉｎのＣＯ₂の移動をもたらす。多層装置の設計は、最適化することができ、ロール式アプローチにより潜在可能性を得ることを示している。本明細書に記載されている装置を生成する経路設計の最適化パラメータには、例えば最小化された大きさ、プライミング量、及び定格流量を最大化している間の圧力降下が、非限定的に含まれる。

表３ 微小流体人工肺に関する最近公表されたパフォーマンスデータの比較。データは、他の報告された研究のものか、報告された値から推定されたものである。Ｈは人工毛細血管の高さ。δ_Mは膜の厚さ。ＳＡＶは、有効なガス交換領域における表面積対血液量の比。ＳＡＧＥは、ガス交換に寄与する血液接触表面積の割合。表の値は、ガス交換の最大値を表す。値は、ガス交換に効率的に寄与する膜の領域について計算。括弧内の数字には、ガス交換領域と血液分布領域の両方が含まれ、該当する場合は装置の合計値を表示。

表４は、スケールアップ・ロール・平坦微小流体人工肺装置（１０２ｍＬのＯ₂／ｍｉｎガス交換）のサイジングの比較を示す。平坦な装置の計算は、Ｋｎｉａｚｅｖａら4（２０１２）及びＲｉｅｐｅｒら（２０１５）から得たデータを使用して実行され、本明細書に開示されているロール式装置の平面版である。Ｋｎｉａｚｅｖａ及びＲｉｅｐｅｒの装置のスケールアップさせた形態は、１分当たり１０２ｍＬのＯ₂交換に達するために、それぞれ３９２３及び１１３３のガス交換ユニットが必要である。表４の計算に基づくと、ロール式装置は、固定したガス交換用の平坦な装置と比較して、装置全体のサイズが小さくなることは明らかである。血流ネットワークと膜のサイズは装置ごとに異なり、そのことがガス交換効率、ひいては装置のサイズに影響を与え得ることは注目に値する。開示されている血流ネットワークを用いた理論上の平坦な装置と、Ｋｎｉａｚｅｖａら（２０１２）で使用されたものと同様の製造方法を仮定することも表に含まれる。Ｋｎｉａｚｅｖａの装置と同様のガス交換ユニットの厚さを仮定した場合、スケールアップさせた平坦な装置は、依然ロール構成の約２倍の大きさである。

表４：スケールアップさせた微小流体人工肺用の理論上の装置のサイジング。公開されたガス交換及びサイジングのデータは、１分あたり１０２ｍＬのＯ₂交換のベースにスケールアップするよう使用。装置の寸法は、ロール式装置の場合は「直径×長さ」、平坦な装置の場合は「長さ×幅×高さ」として得ている。「Ｎ／Ａ」は、計算に使用できなかったデータを示す。＊計算値は、ロール式装置内の双方向ガス交換による能力の向上を考慮しておらず、したがって最悪の場合の値を表している。

装置は、より増大した流量または臨床での応用へとスケールアップさせると、人工毛細血管の深さが重要な設計上の考慮事項となり得る。小さい毛細血管は、より効率的なガス交換を提供するが、特に圧力降下と凝固に関連する重要な課題も提示する。他のすべての変数が一定に保たれると、血管の直径が減少するにつれて、圧力降下が増加する。しかし、解決策は、圧力降下が低いままとなるように血管の長さを短くして、並列の小さな直径の血管の大きなアレイに至らせることである。この戦略は、生来の肺でも同様に明らかである。微小流体人工肺では、このアプローチの欠点は、複数の経路の深部を含む血流ネットワークの複雑さであり、所望の圧力降下とせん断応力を達成するように慎重に設計する必要がある。

小さい毛細血管はまた、そのサイズと高い表面積対体積比による凝固に起因して損障の影響を受けやすくなる。したがって、真の表面の生体適合性を実現して、装置内での凝固のリスクを低減することができる。それにもかかわらず、ガス交換効率と、最適化も可能である生体適合性との間には、固有のトレードオフがある。

ロール式の製造アプローチには多くの利点があるが、考慮すべき潜在的な課題がある。まず、装置が単一の型から形成されているため、困難に遭遇する可能性がある。装置のスケールアップに伴い、この型が長くなりすぎて器具を使用して処理できない場合がある。方法は臨床的に関連する定格の血流のロール式微小流体人工肺の作成を可能にするためにスケールにおいて変更し、増加させることができる。第２に、装置をスケールアップさせ、積み重ねられた層の数が増加するにつれて、生理的なせん断応力を維持しながら層を流動的に相互接続することが、より困難になる可能性がある。現在、メスまたは生検パンチが、複数の層間の固定の直径の流体接続を行うために使用されている。層と装置の厚さの数が増えると、固定の直径フィードスルーを備えることで、フィードスルー全体でせん断応力が変化する可能性があり、それによって血液の停滞及び凝固をもたらす潜在可能性が生じる。これらのフィードスルーの直径と切削角度を調整することで、深さが低減されてサイズが小さくなり、直径が小さくなったフィードスルーを作成することが可能である。このようなアプローチは、フィードスルー全体を通じて比較的一定で、生理学的せん断応力に近似する応力を生み出す可能性がある。最後に、ＰＤＭＳと基板との間の望ましくない接合が、ＰＤＭＳシートのリッピングを引き起こす可能性がある。これはロール製作法では珍しいことではないが、破断しやすい薄いＰＤＭＳシートを組み込んだ設計が懸念される。厚いシートは破断に対してより抵抗性を備えることができるが、より厚いガス交換膜を備える装置を生成する可能性があり、装置の性能と再現性の間の潜在的なトレードオフを提示している。しかし、ＰＤＭＳとパターン形成された基板との接着を最小限に抑えることで、破断のリスクを最小限に抑えることができる。

実施例３：微小流体人工肺
本明細書に開示されているシステム及び方法は、急性及び慢性の肺の支援が可能な可搬性人工肺を設計することによって、肺疾患からのリハビリテーションを改善するべく実施された。微小流体人工肺（μＡＬ）は、生来の肺のものを綿密に模倣している機構のサイズや血流ネットワークを通じて、新しいクラスの真に携行式の人工肺を可能にする見込みがある。これらの新しい人工肺は、１）現在の技術の一部である表面積とプライミング量を有し、それによって装置のサイズを小さくし、異物の応答を減らすこと、２）細胞や血小板が、ヒトの肺内にあるものをコピーしている圧力、せん断応力、及び分岐角度を経て、それによって生体適合性を改善している血流ネットワークを含み、３）部屋の空気と共に効率的に作動し、ガスボンベの必要性や高酸素血症に関連する合併症を排除し、４）バイオミメティック油圧抵抗を呈し、自然な圧力を伴う作動を可能にし、血液ポンプの必要性を排除し、５）アクティブな患者の呼吸の支援を可能にするガス交換能力の向上をもたらすことができる。本明細書に開示されているのは、これまでで最も効率の高い人工肺であり、スイープガスとして効果的に空気を使用できるようにし、μＡＬでガス交換を正確に予測する理論モデルであり、生物的適合性と装置の寿命が著しく増加したμＡＬの血液接触面へ親水性コーティングを適用することであり、μＡＬの包括的な設計最適化手順であり、現在までで最も高い定格流量のμＡＬであり、それによって、人間規模の装置を構築するために必要な層の数が大幅に減少し、スイープガスの一酸化窒素がインビトロで装置の寿命を延ばすことを実証する方法と、修整を加えて人間のスケールの人工肺を作成できるロールツーロール製造に似た製造技術とであるものである。また、以下で説明するように構築及び試験された人間規模のμＡＬも開示されている。本明細書では、優れたガス交換効率を備えた小規模の単層微小流体人工肺を開示し、空気をスイープガスとして効果的に使用できるようにする。空気をスイープガスとして使用すると、可搬性が向上し（ガスボンベを排除することで）、高酸素血症に関連する合併症（死亡率の増加や血小板の活性化／凝集の上方制御など）が減少する。微細加工によって提供される正確な制御により、血管径、分岐角度、圧力、及びせん断速度の点で自然の脈管構造を厳密に模倣する血流ネットワークが実装され、それによって血球に自然な環境が設けられる。生体適合性を改善するために、親水性表面コーティングが使用され、タンパク質と血小板の沈着を減らし、装置の寿命を延ばす。内皮細胞は、微小流体血流ネットワークの表面で密集して成長でき、血栓の面積を減少させることができる。これらの単層の微小流体人工肺の有望性にもかかわらず、それらの定格血流は、人間への応用に必要なもののほんの一部であった。したがって、微小流体人工肺の血流の能力を増大させ、これらの装置を臨床での応用に向けて動かすためのスケールアップの製造方法が必要である。これまでに、このような２つの手法が実証されている。１つ目は、平坦な２次元血流マニホルドからなる微小流体人工肺が垂直に積み重ねられ、共通する血流とガスの流れの入口と出口を介して接続される。この方法には多くの手動の手順が必要であり、自動化には問題がある。第２の例示的な方法では、図６Ｂ〜図６Ｃに示されるように、血流経路と気流経路の両方を含むポリマーシートは、ロールツーロールのポリマーシート処理と同様の方法で、円筒状基板の周りに巻き付けることができる。

ロールツーロール（Ｒ２Ｒ）処理は、フレキシブル基板に大きな領域のフレキシブル電子機器（太陽電池、ディスプレイ、スマートセンサ、薄膜電池など）を作成するために使用される産業及び研究の製造プロセスである。典型的なＲ２Ｒ法は、「フィルム」と呼ばれる薄いポリマーフィルムまたは「ウェブ」のロールから始まる。フィルムは供給源のスプールから展開して、追加的及び／またはサブトラクティブな製造を利用して処理して機構及び／または電子機器を追加し、その後出力スプールに再ロールすることができる。カスタムのＲ２Ｒシステムが、本明細書に開示されている人間規模の微小流体人工肺の製造に使用される（図１２）。

全体として、開示されているＲ２Ｒベースの人工肺技術は、１）アクティブな患者の完全なアンブレーション呼吸サポートを可能にする、現在の装置と比較して改善されたガス交換；２）装置の寿命を延ばし、長期の治療を可能にし、患者の健康を増進するための生体適合性の向上；３）アンブレーション診療を可能にする携帯性の向上と患者の生活の質の向上、という３つの手段を通じて呼吸障害に苛まれる患者のリハビリテーションの改善を実現することができる。様々な完全なシステムへの統合後、開示されている装置は、肺障害に苛まれる患者に肺の安静をもたらし、慢性肺疾患及び肺癌の患者の移植への架け橋として機能し、半ば永続するサポートをするための最初の移植可能な人工肺の開発につながる。さらに、装置は最初の応答者及び戦闘医用の携帯用心肺機で適用することができる。

開示されているのは、末期肺疾患（ＥＳＬＤ）に対するウェアラブル動脈系（ＡＶ）体外ＣＯ₂除去（ＥＣＯＯＲ）システムである。ＥＣＯＯＲは、ＥＳＬＤの症状を迅速に緩和し、酸素化を改善し、肺高血圧を減少させ、リハビリテーションを可能にすることができる。代謝で産生されたＣＯ₂を除去するために必要な血流量は、全心拍出量の約２０％である。＞２００ｍＬ／ｍｉｎ間のＣＯ₂除去は、１．５Ｌ／ｍｉｎの定格流量の人工肺で多大なスイープガス流量（４〜１６Ｌ／ｍｉｎ）を使用することによって達成された。さらに、ＣＯ₂の除去は動脈血または静脈血中で同じであり、したがってＣＯ₂の除去用の人工肺は動脈圧力によって駆動することができ、血液ポンプの必要性を排除する。したがって、ウェアラブルＡＶ ＥＣＯＯＲシステムは、多くのＥＬＳＤ患者に効果的な緩和を提供でき、アンブレーションとリハビリテーションを可能にすることができる。

また、本明細書に開示されているのは、人工肺、バッテリパック、軽量エアポンプ、及びバッテリパックの充電とエアポンプの調整を可能にするシンプルな制御システムを含む、股関節または胸部に縛られる小さなエンクロージャとしてのウェアラブルＡＶ ＥＣＯＯＲシステムである。血流は心臓及び血管アクセスによって駆動でき、アンブレーションを可能にする血管（すなわち鎖骨下動脈及び静脈）を利用して達成することができる。

このようなＡＬの仕様は、１）心拍出量の約２０％の血流（安静時１Ｌ／ｍｉｎ）；２）１００〜２５０ｍＬ／ｍｉｎのＣＯ₂クリアランス（安静時及び運動時に代謝で産生されたＣＯ₂の半分以上）；３）ＡＶ圧力で十分な血流を可能にする小さな血液側抵抗；及び４）十分なＣＯ₂の除去のための１〜１６Ｌ／ｍｉｎのガスのスイープの流れ、である。このようなシステムは、主にＣＯ₂を除去できるが、また１Ｌ／ｍｉｎの血流でいくらかのＯ₂を供給できる（ＳＯ₂が９０％から１００％に増加した場合、１０〜２０ｍＬ／ｍｉｎ）。これは、吸入されたＯ₂が酸素発生器で補充されたときに患者に供給される酸素の供給に似ている。ＣＯ₂の保持に加えて、ＥＳＬＤの一部の患者はまた、運動中に悪化する深い低酸素血症を有する。患者は本明細書に開示されている初期のシステムの恩恵を受けていない可能性があるが、本明細書に開示されているように、静脈（ＶＶ）構成で治療され得る。簡単に言えば、二重内腔静脈カテーテルを頚静脈に挿入することができ、小さいポンプ（例えば、Ａｂｉｏｍｅｄ Ｉｍｐｅｌｌａ）をシステムに加えて、血流を通して装置を動かすことができる。本明細書に記載の方法及びシステムは、急性及び慢性での動物の研究において検証された１Ｌ／ｍｉｎの定格血流を有する微小流動性人工肺をもたらす可能性がある。

また、本明細書に開示されているのは、ａ）大面積微小流体装置を作成することができる最初の製造プロセス；及びｂ）第１の人間規模の微小流体人工肺である。

ロール式膜構築プロセス 本明細書に開示されているのは、微小流体人工肺のロール式膜構築プロセスと、ウシの全血での試験を通じて小規模な装置で実証されている有効性である。このロール式膜プロセスは、実施例２で十分に説明され、微小流体人工肺用の開示されているＲ２Ｒ製造プロセスを使用して最初の人間規模の微小流体人工肺を作成するために、拡張及び修整することができる。ロール式膜プロセスにおいて、層が単一のポリジメスチルシロキサン（ＰＤＭＳ、ガス透過性生体材料）シートに含まれ、このシートを円筒状基板にロールして接合した際に多層の装置を形成した。ロールのプロセスの各回転は、新しい、重なり合う層を形成し、多くの密接に詰め込まれた血液、膜、及び空気の層を生じた。このプロセスを使用した２層（１つは血液、１つは空気）の装置の作成を図６Ａ〜図６Ｄに示す。まず、ＰＤＭＳを、空気及び血液の層の特徴を有するフォトレジストの型を含むシリコンウエハにスピンした。より詳細には、この特徴は、液体（例えば、血液）流層内の複数の液流経路及び気体流層内の複数の気流経路に対応していた。層はＰＤＭＳ膜の長さに沿って順次形成され、ＰＤＭＳチューブが成形されたＰＤＭＳ膜の長さに沿ってロールするとき、各層が円筒状基板の１つの完全な円周をカバーするように設計された（図６ＡのＰＤＭＳチューブ）。次いでローリングの前に、チューブと成形されるＰＤＭＳシートの接触する縁部を酸素プラズマに曝露し、初期の不可逆な結合を形成するために接触させた（図６Ａ）。その後、追加のプラズマ処理を行い、続いてＰＤＭＳシートの全長に沿ってチューブをロールして完成させた（図６Ｄ）。流体フィードスルーはメスを用いて多層装置で切断され（図６Ｄ）、シリコーンエポキシを用いて流体チューブを取り付けた（図６Ｂ）。図６Ｃは、ロール式膜の断面を示し、多層構造を示す。期待される血液側圧力降下とガス交換はウシの血液を用いて確認された。本明細書に記載されているロール式膜プロセス（及び実施例２の詳細）は、人間規模の微小流体人工肺を生産することができる真のロールツーロール法に拡張することができることが企図されている。

ＰＤＭＳにおけるレーザ彫刻流路 ＰＤＭＳにおけるレーザ彫刻流路を研究した。レーザ（Ｅｐｉｌｏｇ Ｚｉｎｇ ２４ ３０Ｗ）の電力は１〜１５％の間で変化し、３０〜２００μｍの深さと８０〜２５０μｍの幅のチャンネルに至る（図１１）。経路の断面の形状は、卵形（低出力）から丸みを帯びた三角形（高出力）まで様々である。アセトンですすいだ後、レーザ彫刻されたＰＤＭＳフィルムは、標準的なプラズマ酸化プロセスを用いて共に結合することに成功した。レーザ彫刻は、本明細書に開示されている人間規模の微小流体人工肺における流路を形成するために使用することができる。

人間規模のＲ２Ｒ微小流体人工肺の設計 本明細書に開示されているのは、本明細書に記載されている最適化手順を用いて開発された人間規模の微小流体人工肺用の設計である。（図１１Ａ〜図１１Ｄ）。設計は円柱トポロジ（図１１Ｂ）を特徴とし、レーザ彫刻されたＰＤＭＳシートをロールすることによって形成することができる。スイープガスの流れは、装置の上から下に、また放射状に内側に発生し得る。血液は、シリンダー内の人工毛細血管の側の中へ、それを通って流れることができる。射出成形ポリウレタンエンクロージャ（ライトグレー、図１１Ａ〜図１１Ｄ）は、人工毛細血管との間で血液をルーティングすることができる。Ｏ₂及びＣＯ₂の拡散は、人工毛細血管の上部と下部の両方を介して起こり得る（図１２Ｄ）。

分析方程式を使用して、この設計の様々な能力メトリックをモデル化した（図１１Ｅ〜図１１Ｆ）。装置の定格血流（７０％の酸素飽和度で人工肺に入る血液が９５％で装置を出る血流）は１Ｌ／ｍｉｎで固定され、人工毛細血管の圧力降下は５０ｍｍＨｇで固定された（周辺ＡＶの付着を介してポンプレス操作と両立できるようにする、上記の仕様を参照）。ＰＤＭＳ層／膜厚を１００μｍで固定した。スイープガスはＯ₂とした。気流経路及び液流経路は、ＰＤＭＳ膜にレーザ彫刻されていると仮定した。気体の経路の高さは７０μｍで固定し、人工毛細血管の高さは１０〜９０μｍの間で変動した。結果を図１１Ｅ〜図１１Ｈに示す。

いずれかの血液接触装置のために、血液接触表面積及び血液量（「プライミング量」）を最小化することが所望される。表面積を最小限に抑えることで、体の免疫応答を最小限に抑えられ、心肺バイパス処置中の人工肺回路のプライミング量を減らすことで、結果を改善することができる。膜を通る圧力駆動のガスの流れ（したがって、血液中のガスの塞栓）を避けるために、人工肺の最大ガス側圧力は、最小血液側圧力を超えるべきではない。ポンプレス構成の場合、最小血液側圧力は、静脈圧にチューブ圧力降下または約２０ｍｍＨｇを加えたものに近似する。毛細血管の高さが２５μｍを超える場合、ガス側圧力降下が２０ｍｍＨｇ未満（図１１Ｈ）に至った。血小板の活性化と細胞の溶解を最小限に抑えるために、人工肺のせん断応力は、生来の血管系に見られるものと同様でなければならない。人間の血管系では、せん断応力は、動脈で１０〜７０ｄｙｎ／ｃｍ²の範囲、静脈で１〜６ｄｙｎ／ｃｍ²の範囲である。また、人体は１５〜２０ｄｙｎ／ｃｍ²の間の平均動脈せん断応力を維持するために、自然に補足をしている。１２μｍを超えるすべての毛細血管の高さ（図１１Ｆ）は、生理学的な範囲におけるせん断応力をもたらす。

最後に、開示されている設計は製造システムの機能と両立できる。レーザシステム（Ｅｐｉｌｏｇ Ｚｉｎｇ ２４）の試験では、高さが４０μｍを超える人工毛細血管を確実に作り出すことが可能であることが示されている。したがって、血液接触表面積を最小限に抑えるために、人工毛細血管の高さは４０μｍに設定され、その結果、６０及び３０μｍの上下の膜厚が生じる（膜厚が１００μｍで固定されているため）。総血液接触表面積は０．１６ｍ²、総血量は４．８ｍＬであり、ガス側圧力は１５．４ｍｍＨｇである。５ｃｍの開始内径のために、開示されている装置は６．６ｃｍの外径及び７ｍｍの幅を有することができる。微小流体人工肺は７４層を備えることができ、１２．３ｍの長さのＰＤＭＳフィルムから構築され得る。微小流体人工肺は、酸素をスイープガスとして使用してＯ₂約４０ｍＬ／ｍｉｎ、または空気をスイープガスとして使用してＯ₂約１５ｍＬ／ｍｉｎを交換できる。ポリウレタンエンクロージャは、血液接触表面積にさらに約０．０３ｍ²を追加し、プライミング量に約８ｍＬ（０．１９ｍ²及び１３ｍＬの合計）を追加することができる。比較のために、最先端のＮｏｖａｌｕｎｇ ｉＬＡ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｖｅｎｔｉｌａｔｏｒを定格流量１Ｌ／ｍｉｎに縮小した場合、血液接触表面積は０．３１ｍ²、総血量は３９ｍＬになる。

人間規模の微小流体人工肺を作成する製造技術
上述したロール式膜プロセスを改変し、拡張し、第１の人間規模の微小流体人工肺（及び第１の大面積微小流体装置）を作成することができる、開示されているカスタムのロールツーロール（Ｒ２Ｒ）システムを得た。

現在、大面積の微小流体装置や人間規模の微小流体人工肺を作成する技術は存在しない。並行して複数の微小流体人工肺を積層する方法を調査したが、成人に適した定格血流を達成するためには、数百から数千の装置が必要になる。円筒状の微小流体肺を作成する手動の「ロール式膜」製造方法を、すでに開示している（実施例２）。この方法では、最初に型を使用してＰＤＭＳフィルムをパターン形成し、次いで表面を活性化し、円筒状基板にてロールして最終的な装置を形成することができる。このアプローチの主な欠点は、その手動の性質と物理的な型の必要性であった。人間規模の装置では、このような型は数メートルの長さが必要であり、そのためこのアプローチは実用的ではない。これらの欠点を克服するために、開示されている自動Ｒ２Ｒ製造方法が開発された。型の必要性を排除するために、システムは、例えば、フランクリンのＶｅｓｔａ Ｉｎｃ．によって製造された医療グレードのシリコーンシート（薄い１００μｍのＰＤＭＳフィルム）の前形ロールを使用することができ、ＷＩ、血流及び液流経路は、例えばＣＯ₂レーザを使用して、シリコーンシートの表面に刻むことができる。

方法 開示されているＲ２Ｒシステムの図表を図１２に示す。医療グレードのシリコーン（Ｖｅｓｔａ，Ｉｎｃ．；幅６インチ）の予め形成されたロール１４０を展開し、レーザ彫刻して様々な気流経路及び液流経路及び拡散膜を形成し、プラズマ処理して表面を活性化し、層間接着を可能にし、次に円筒面２０をロールアップして各層を次の層に結合させ、装置を形成した。円筒面２０は、出力ローラ１６０に配置した。構築後、人工肺は、ガス及び血流の接続を形成するために、カスタムのポリウレタンエンクロージャに密封した。微小流体人工肺の組み立てに関連するＲ２Ｒシステムの設計で説明されるべき考慮事項がある。まず、接合に成功するには、各シリコーン層を３０秒プラズマ活性化し、その後すぐに隣接する層と接触させる必要がある。第２に、正確なレーザ彫刻を行うために、ウェブは静止させ、レーザから一定の距離があるべきである。これらの懸念事項を考慮して、ロールプロセスは段階的に発生することが可能である。つまり、ウェブの５ｃｍの長さは、３０秒の間に、展開、停止、及び静止の維持をすることができる。静止している間、レーザの下のプレナムはウェブにてわずかな真空を引き込み、それを静止して維持し、レーザからフィルムへの反復可能な、固定された距離を設けることができる。そのときレーザ１３０は、その５ｃｍのウェブ内に流路を作成するために活性化することができる。また、静止している間、出力ロール１６０、１７０の近くにあるシリコーンウェブは、プラズマ処理１８０に曝露され、これは後続の接着のための表面を活性化する。３０秒の期間が終わったら、プレナム真空を放出し、フィルムを進めることができる。フィルムを進めると、ちょうど表面活性化をしたウェブの部分を出力ロール１６０にロールし、それをシリコーン層に直接接触させ、既に出力ロールにあるシリコーン層に接着させることができる。予想されるプラズマ露光幅が約５ｃｍの場合、生じるウェブの平均直線速度は約１．６ｍｍ／ｓである。人間規模の微小流体人工肺の設計のために、必要なシリコーンウェブ／フィルムの長さの合計は、約１２．３ｍ、合計製造時間約２時間に至った。各シリコーンロールは、約２０の人間規模の微小流体人工肺を６インチの幅で収めることができ、装置あたりの平均製造時間は６分になった。

次に、様々な構成要素の位置合わせは、最終的な装置の動作を達成するために重要である。脇から脇（左右）と回転のトラッキングは、シリコーンシートをレーザ領域と出力スプールに供給する際に重要である。Ｒ２Ｒシステムは手動で監視するシステムを組み込むことができ（ローラの拡大された端）、それはレーザの領域に供給されるようにシートのスキュー／テーパを調節する。１ｍｍを超える左右の偏差を検出すると、ローリングプロセスを一時的に停止し、手動で正確なスキュー／テーパの制御を用いて位置合わせを調整できる。このシステムは自動化することができる。ウェブ／シートに対する出力ロールのスキューと回転は、ロールフィルムのずれやしわを避けるためにも重要であり、本明細書に記載されている同じプロセスを使用して（必要に応じて）監視及び調整することができる。

微小流体人工肺の能力を最適化し、臨床での応用を図る
開示されているのは、臨床での応用のための、開示されている人間規模の微小流体人工肺、ＥＳＬＤ用のＡＶＥＣＯＯＲの表面積、圧力降下、プライミング量、大きさ、及びせん断応力を最適化するための方法である。

方法 開示されている最適化手順を用いて、人間規模の微小流体人工肺の初期の設計を開発した。その初期設計は単一の高さのまっすぐな液流経路の単純なアレイを含むことができる。その同じ手順は、より多くの設計のバリエーションに適用することができる（２つの経路の高さの分岐血流ネットワークを使用して、ガスと血流の向きを反転するなど）。最も能力の高い設計（固定の定格流量と圧力降下のための最小表面積及びプライミング量）は、流れの異常及び停滞を最小にするために計算上の流体ダイナミクス（ＣＦＤ）を使用してシミュレートすることができ、血流ネットワーク全体で均一の生理的せん断応力を付与する。完成した微小流体人工肺は、本明細書に開示されているＲ２Ｒシステムを用いて構築され、カスタムのポリウレタンエンクロージャ（図１１Ａ）に収容され、密封され（医療グレードのシリコーンを使用）、開示されているタンパク質耐性親水性コーティングで修整し、その後、ガス交換と圧力降下（対血球）を測定するために抗凝固ウシ全血をインビトロで試験し、ＰＢＳでフラッシュした後残留血栓を可視化した。

データ分析 少なくとも３つの装置をインビトロの実験で試験し、再現性を検証した。測定は、平均と標準偏差に変換され、Ｔｕｋｅｙの検定を使用して、各血流の理論値と比較した。結果はｐ＜０．０５で有意とみなされた。最適化された装置は１Ｌ／ｍｉｎを超える定格流量、７０ｍｍＨｇ未満の圧力降下を備え得る。

結果：ＡＶ操作に適した１Ｌ／ｍｉｎの定格血流と圧力降下を備える微小流体人工肺（１Ｌ／ｍｉｎにて＜７０ｍｍＨｇ）が開発された。

カスタムポリウレタンハウジングは漏れる可能性があり、必要に応じてシールを改善するために再設計することができる。ＰＤＭＳの接触角は、製造時間の延長により表面活性化とコーティングの間で変化してしまうことがある。もしそうなら、他の技術（例えば、オゾンまたは酸溶液への曝露）は、微小流体人工肺構築後にＰＤＭＳを修整するために使用することができる。Ｒ２Ｒシステムに問題が発生した場合、開示されている平坦な装置の約５０からなる微小流体人工肺を並列に積み重ねて（定格血流約１Ｌ／ｍｉｎ）使用できる。

急性及び慢性ヒツジモデルの能力及び生体適合性を検証する
開示されている人間規模の微小流体人工肺は、ＥＳＬＤのための動脈性二酸化炭素除去の臨床での応用を模倣する急性及び慢性両方のヒツジモデルで評価された。

インビトロの研究は、ガス交換と圧力降下を定量化し、生体適合性の初期の適応症を提供することができる。しかし、インビトロの研究は、急性及び慢性生体適合性、装置の全身的な有害作用、及び微小流体人工肺がＥＳＬＤの症状を防ぐのに有効であり得るかどうかを判定するために必要な情報を提供するのに十分ではない。動物全体の生理学の必要性のために、動物を用いて開示されている人間規模の人工肺の能力を検証した。動静脈（ＡＶ）の二酸化炭素除去の急性及び慢性ヒツジモデルを使用して、人工肺によるＡＶ二酸化炭素除去を具体的に検証した（つまり、人間規模のμＡＬのガス交換と生体適合性）。急性モデル（麻酔下のヒツジ）では、動物ＰａＣＯ２の正確な制御が微細換気（ＭＶ）の制御を通じて達成され、それによりＥＳＬＤの症状がヒツジで模倣される（また微小流体人工肺の介入を通じて緩和する）ことを可能にする。慢性モデル（覚醒時の健康なヒツジ）は、装置の生体適合性の長期試験だけでなく、動物の生理学に対する微小流体人工肺のＣＯ₂の除去の影響を可能にする（動物の呼吸数の変化による）。

微小流体人工肺の急性的な８時間のヒツジ研究（非回復）
微小流体人工肺機能、生体適合性、及び大規模な動物モデルにおける生理学への影響を検証するために、急性的なインビボの研究が行われた。インビトロの試験は、単に必要な情報を提供しない。得られた知識は、適宜、慢性的な動物研究の前に、設計変更を実施することを可能にする。

方法 動物を麻酔及び麻痺させ、次に鎖骨下ＡＶ体外ＣＯ₂の除去のために外科的に準備した。抗凝固のために、ヘパリン注入を滴定し、２００〜２５０秒間の活性化凝固時間（ＡＣＴ）を維持した。すべての準備が完了した後、微小流体人工肺はＡＶ回路に取り付けられ、最初はスイープの流れなしであった。１００％ベースラインから７５％及び５０％（それぞれ、８０ｍＬ／ｋｇ／ｍｉｎ、６０ｍＬ／ｋｇ／ｍｉｎ、及び４０ｍＬ／ｋｇ／ｍｉｎ）に分時換気量を減少させることによって、動物に高炭酸血症を誘発した。動物の動脈ＣＯ₂含有量（ＰａＣＯ₂）を安定化させた。５０％ＭＶは、動物のＰａＣＯ₂ ７４±７ｍｍＨｇに至り、それはＥＳＬＤに臨床的に関連していた。次いで、スイープガスの開始後の０分、１５分、３０分時点に、ガス交換とＰａＣＯ₂を、０．５、０．７５、１．０Ｌ／ｍｉｎの血流について測定し、１：１、１：２、１：４、及び１：８という血液のスイープ流（空気）に対する比を測定した。動物のＰａＣＯ₂は、同様の条件下において２０分で安定した。指定された血液とスイープの流れの測定が完了した後、スイープの流れをオフにし、動物のＰａＣＯ₂は次の試験開始前にベースラインに戻すことができた。これらの急性実験は８時間まで続行できる。全体の準備を５匹のヒツジで繰り返し、結果の再現性を評価し、統計的有意性を得た。測定のスケジュールは、以下の表５に示されている。

データ分析 主要エンドポイントは、動物のＰａＣＯ₂及び微小流体人工肺機能（ＣＯ₂交換及び血栓）である。各１５分の増分について、動脈ＣＯ₂、及び人工肺の設定（血流／スイープの流れ）は、研究の期間中ガス交換と血液動態の安定性を維持するように各分時換気量のシナリオ（１００％、７５％、及び５０％）で記録できる。５匹すべての動物に関する各データポイントでの動物のＰａＣＯ₂とガス交換を、平均と標準偏差に組み合わせた。ベースラインのＰａＣＯ₂は、Ｔｕｋｅｙの検定を用いて、微小流体人工肺での支援中に動物が安定した後のＰａＣＯ₂と比較した。結果はｐ＜０．０５で有意とみなされた。

結果：微小流体人工肺の適用は、成功裏に動物のＰａＣＯ₂を減少させ、血流とスイープの流れの増加に伴って減少が増した。微小流体人工肺は最適の血液及びスイープの流れの設定に対し代謝で産生した全ＣＯ₂を除去することができる。つまり、５０％ＭＶ（６０〜８０ｍｍＨｇの開始時の動物のＰａＣＯ₂）に対して、微小流体人工肺の適用は１０〜２０分の間で３０〜４０ｍｍＨｇ（ヒツジの場合は通常）の全身ＰａＣＯ₂を達成する。

微小流体人工肺の慢性での１４ｄのヒツジ研究（回復）
本明細書に開示されている方法は、１）微小流体人工肺の寿命と生体適合性を評価し、２）時間の経過とともにＣＯ₂の除去を監視し、３）１０匹の動物におけるＩＣＵの１４日間にわたるＡＶ ＥＣＯＯＲサポート中に微小流体人工肺が動物生理学（呼吸数の減少を介して）に及ぼす影響を判定するために行われた。１つの群（ｎ＝５）は修整されていない微小流体人工肺及び標準的なスイープガスを受け入れ、第２群（ｎ＝５）はスイープガスに１０００ｐｐｍのＮＯを含むコーティングされた微小流体人工肺（親水性スルホベタイン）（及び本明細書に記載されている任意の追加の抗血栓戦略）を受け入れた。

装置の実現可能性と有効性は、急性の研究中に実証し、この慢性の研究で継続した。インビトロの研究及び急性のインビボ研究は、動物の生理学に対する装置の寿命や長期的な影響を測定するために使用することはできない。２つの実験群（未修整の微小流体人工肺対スイープガスにＮＯを含むコーティングされた微小流体人工肺）が、開示の抗血栓戦略と、それが装置の寿命と動物の生理学へ与える影響を測定することができた。

方法 正常のヒツジにおいて、鎖骨下ＡＶアクセスが、本明細書に記載されているように確立された。カニューレが、動物の背部上方を出るために皮下に固定され、トンネルを通した。手術後、ヒツジは戻され、抜管され、監視の延長のためヒツジＩＣＵ（ＳｈＩＣＵ）に送られた。ＳｈＩＣＵでは、ヒツジはスタッフによる２４時間の監視の下、カスタマイズされた拘束ケージで維持された。回復及び安定化の後、微小流体人工肺は結晶体でプライミングされ、ＡＶシャントに取り付けられた。ヘパリンは、２００〜２５０ｓの目標ＡＣＴで動物に対して用量設定した。スイープガスは、５％のＣＯ₂及び９５％の空気で、微小流体人工肺がガス交換及び動物生理学に影響を与えないようにしたが、ただしガス交換と呼吸数は、本明細書に記載されているように測定される。この慢性的な動物プロトコルには、連続的かつ毎日のデータ収集が含まれていた（表５）。微小流体人工肺血栓症は、装置の抵抗を連続的に測定することによって推定した。１日２回、ＥＳＬＤの症状を緩和する微小流体人工肺の能力を、一時的に１００％空気スイープガスの流れに切り替え、ＣＯ₂除去率、ＰａＣＯ₂、及び呼吸数を測定することによって測定した。測定されたＣＯ₂交換はまた、凝固の二次的な尺度として役立たせることができる。装置の抵抗がベースラインの２倍である場合、装置を交換することができる。

データ分析：装置の損障に対する時間と１４日間の装置交換数が主要エンドポイントであった。経時的な装置の血栓の代替の測定が副次的エンドポイントであった（装置の抵抗・ガス交換）。他の多くの副次的エンドポイント（血液力学、血液学、生理学、血液化学）が安全データとして使用された。平均値、標準偏差、最大値、最小値がラボの値（１日目、４日目、７日目に取得）、血液力学及び生理学的データと推定及び要約された。凝固を含む定性的データ、ＡＬ凝固、及び組織学的な評価を評価した。重大なケアや機械の問題を説明的に文書化した。ガス交換率を血液ガスの測定から計算した。血液側の流体の抵抗は、圧力及び流量データから計算した。ベースライン（５％ＣＯ₂スイープガス）ＰａＣＯ₂と呼吸率を、Ｔｕｋｅｙの検定を用いてＥＣＯＯＲサポート（１００％空気スイープガス）中同じ値と比較した。結果は、ｐ＜０．０５で有意とみなされた。

結果 ヘパリン化されたヒツジの微小流体人工肺は１４日間凝固することがなく機能し、血行力学的データは、すべての動物で正常な範囲内であった。微小流体人工肺は、交換が必要な少なくとも３日前に動作することができ、ＥＳＬＤの悪化によるＣＯ₂保持を処置するためにＩＣＵの設定で初期の急性の臨床での応用を可能にする。

凝固、気相の水、または不十分なＣＯ₂クリアランスにより、微小流体人工肺が誤動作する可能性がある。気相の水は、瞬間的な高いスイープの流れを使用して除去できる。人工肺が凝固したら、交換できる。その他の潜在的な問題は、慢性的なヒツジの実験に固有のものである。採血と出血による貧血、ラインの凝固または機能不全、ヒツジの活動による機械的損傷、測定装置の故障である。スイープガスのＮＯにより、ｍｅｔＨｂが増加したり、ＭＡＰが減少したりする可能性はほとんどない。これが発生した場合、ＮＯの流れを減らすか停止して、試験を再開できる。Ｒ２Ｒ製造システムでいずれかの問題が発生した場合、約５０からなる開示された平坦な装置を並列に積み重ねた微小流体人工肺を使用して、定格血流を１Ｌ／ｍｉｎにすることができる。

本明細書に詳細に説明しているように、微小流体人工肺は、肺疾患からのリハビリテーションを進めるために応用することができる。開示されている自動ロールツーロール製造方法を採用することができ、これは初めて、大面積の微小流体装置を迅速かつ容易に構築することができる。開示されているシステムと方法は微小流体人工肺の凝固の根底にあるメカニズムの理解をもたらす。その結果、開示されている人間規模の微小流体肺が開発され、その動作は、本明細書に記載されているように、急性及び慢性の動物実験で証明された。

例示的な態様
記載された製品、システム、及び方法及びその変形版という観点から、本明細書では、本発明の特定のより具体的に記載された態様について後述する。しかし、これらの特に引用された態様は、本明細書に記載の異なるまたはより一般的な教示を含むいずれかの異なる請求項にいずれかの制限的な影響を及ぼす、または「特定の」態様がそこで使われている文字通り文言の本質的な意味以外に何らかの点で幾分か制限されていると解釈されるべきではない。

態様１．中心軸と外面を有する円筒状基板；
前記円筒状基板の前記中心軸から放射状に外側に延びる複数の同心膜層を画定する、前記円筒状基板の前記外面を円周状にロールしたパターン形成膜
を含み、
前記複数の同心膜層の少なくとも１つの膜層は、ガスを受け取るように構成された複数の気流経路を画定するようにパターン形成され、
前記複数の同心膜層の少なくとも１つの膜層は、液体を受け取るように構成された複数の液流経路を画定するようにパターン形成され、
前記少なくとも１つの膜層は、
（ａ）前記複数の気流経路から前記複数の液流経路内の前記液体に入るガス；
（ｂ）前記複数の液流経路から前記複数の気流経路内の前記気体に入る液体；または
（ｃ）（ａ）と（ｂ）の両方
の拡散を可能にする、微小流体拡散装置。

態様２．前記複数の気流経路がガスを受け取るように構成され、前記複数の液流経路が血液を受け取るように構成され、前記少なくとも１つの膜層は、前記複数の液流経路内の前記血液への前記複数の気流経路からの前記スイープガスの拡散を可能にする、態様１の微小流体拡散装置。

態様３．前記パターン形成膜が単一の連続した材料シートを含む、態様１または態様２の微小流体拡散装置。

態様４．前記パターン形成膜がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のウェブまたは膜を含む、態様３の微小流体拡散装置。

態様５．前記パターン形成膜が約１０μｍから約２５０μｍの範囲の最大の厚さを有する、先行の態様のいずれか１つの微小流体拡散装置。

態様６．前記複数の気流経路が約１０μｍから約２５０μｍの範囲の厚さを有するようにパターン形成される、態様５の微小流体拡散装置。

態様７．前記複数の液流経路が約５μｍから約２５０μｍの範囲の厚さを有するようにパターン形成される、態様５の微小流体拡散装置。

態様８．前記複数の気流経路及び複数の液流経路が前記パターン形成膜のそれぞれの部分に刻まれる、態様３〜７のいずれか１つの微小流体拡散装置。

態様９．前記複数の同心膜層の少なくとも１つの膜層は、気流経路または液流経路を含まない、先行の態様のいずれか１つの微小流体拡散装置。

態様１０．前記複数の同心膜層が、
前記円筒状基板の前記外面に接着し、前記複数の液流経路を含む液体流層；
前記中間層の外側に放射状に配置され、前記液体流層に接着した気体流層であって、前記複数の気流経路を含む前記気体流層；及び
前記気体流層の外側に放射状に配置され、前記複数の気流経路をキャップするために前記気体流層に接着したキャッピング層
を含み、
前記キャッピング層は、気流経路または液流経路を含まず、前記複数の気流経路と前記複数の液流経路との間に円周状に配置される前記パターン形成膜の一部が、前記複数の気流経路から前記複数の液流経路へのガスの拡散を可能にする、
態様３〜９のいずれか１つの微小流体拡散装置。

態様１１．複数の気流経路及び前記複数の液流経路が中心軸に平行または実質的に平行に向いている、態様１０の微小流体拡散装置。

態様１２．前記複数の同心膜層が、
複数の気体流層であって、各気体流層が前記複数の気流経路の一部を含む前記気体流層、及び
複数の液体流層であって、各液体流層が前記複数の液流経路の一部を含む前記液体流層を含み、
前記気体流層及び前記液体流層は、前記中心軸から放射状に外側に移動する交互のパターンに配置される、態様３〜９のいずれか１つの微小流体拡散装置。

態様１３．前記複数の気流経路が前記中心軸に対して円周状に延び、前記複数の液流経路が前記中心軸に平行または実質的に平行に向いている、態様１２の微小流体拡散装置。

態様１４．前記複数の液流経路が前記中心軸に対して円周状に延び、前記複数の気流経路が前記中心軸に平行または実質的に平行に向いている、態様１２の微小流体拡散装置。

態様１５．前記パターン形成膜の外面から前記円筒状基板に向かって放射状に延びる気体入口経路であって、前記複数の気流経路の少なくとも一部と流体連通に配置される前記気体入口経路；
前記パターン形成膜の外面から前記円筒状基板に向かって放射状に延びる気体出口経路であって、前記複数の気流経路の少なくとも一部と流体連通に配置される前記気体出口経路
をさらに含む、態様１３の微小流体拡散装置。

態様１６．血液入口、血液出口、気体入口、及び気体出口を画定するハウジングをさらに含み、前記血液入口及び前記血液出口は前記複数の液流経路の少なくとも一部と流体連通に位置し、前記気体入口及び気体出口は、前記複数の気流経路の少なくとも一部と流体連通に配置される、先行の態様のいずれか１つの微小流体拡散装置。

態様１７．前記血液入口と前記血液出口が前記中心軸と実質的に位置合わせされて向けられ、前記気体入口と前記気体出口が前記中心軸に垂直または実質的に垂直に向けられる、態様１６の微小流体拡散装置。

態様１８．前記血液入口と前記血液出口が前記中心軸に垂直または実質的に垂直に向き、前記気体入口と前記気体出口が前記中心軸と実質的に位置合わせされて向けられている、態様１６の微小流体拡散装置。

態様１９．態様２の拡散装置の前記複数の液流経路と流体連通で血液供給源を配置すること；
前記人工肺装置の前記複数の気流経路をガス供給源と流体連通に配置すること；
を含み、
前記ガス供給源からのガスは、前記複数の液流経路内の血液に前記複数の気流経路から拡散する、方法。

態様２０．前記血液供給源が患者である、態様１９の方法。

態様２１．前記ガス供給源が前記拡散装置を取り巻く空気である、態様２０の方法。

態様２２．前記ガス供給源が酸素ガスで満たされた容器である、態様２０の方法。

態様２３．血流量、ガス流量、または前記ガス供給源によって提供される前記ガスの組成物の少なくとも１つを選択的に調整することをさらに含む、態様１９〜２２のいずれか１つの方法。

態様２４．複数の流経路を画定するために膜をパターン形成すること；及び
円筒状基板の外面に前記パターン形成膜を円周状にロールし、前記円筒状基板の中心軸から放射状に外側に延びる複数の同心膜層を画定し、それによって前記装置を形成すること
を含み、
前記複数の流経路の各流経路は、流体の流れを受け取る及び許可するように構成される、装置を形成する方法。

態様２５．前記複数の同心膜層の少なくとも１つの膜層は、ガスを受け取るように構成された複数の気流経路を画定するようにパターン形成され、前記複数の同心膜層の少なくとも１つの膜層は、液体を受け取るように構成された複数の液流経路を画定するようにパターン形成され、
前記少なくとも１つの膜層は、
（ａ）前記複数の気流経路から前記複数の液流経路内の前記液体に入るガス；
（ｂ）前記複数の液流経路から前記複数の気流経路内の前記気体に入る液体；または
（ｃ）（ａ）と（ｂ）の両方
の拡散を可能にする、態様２４の方法。

態様２６．前記複数の気流経路がスイープガスを受け取るように構成され、前記複数の液流経路が血液を受け取るように構成され、前記少なくとも１つの膜層は、前記複数の液流経路内の前記血液への前記複数の気流経路からの前記スイープガスの拡散を可能にする、態様２５の方法。

態様２７．前記円筒状基板と前記複数の同心膜層が協働して人工肺装置を形成する、態様２６の方法。

態様２８．前記パターン形成膜が、単一の連続した材料シートを含む、態様２４〜２７のいずれか１つの方法。

態様２９．前記パターン形成膜がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のウェブまたはフィルムを含む、態様２８の方法。

態様３０．前記膜のパターン形成前に膜を展開することをさらに含む、態様２８の方法。

態様３１．前記膜がレーザを用いてパターン形成され、前記複数の流経路が前記レーザによってパターン形成された前記膜の露出面から内側に延びる、態様２８の方法。

態様３２．前記膜のパターン形成の前に、前記膜がキャリア層を備える供給源用ローラに設けられ、前記供給源用ローラが処理方向に前記膜及び前記キャリア層を進めるために回転し、前記膜の露出面は、前記膜と前記キャリア層が前記処理方向に進むにつれてパターン形成され、第１の取り込みローラは前記パターン形成膜を受け取り、第２の取り込みローラは、前記膜のパターン形成後に前記キャリア層を受け取る、態様３０の方法。

態様３３．前記膜のパターン形成後、前記膜の前記露出表面に表面処理を適用して前記膜の接合活性を活性化することをさらに含む、態様３２の方法。

態様３４．前記表面処理は、プラズマ、紫外線、オゾン、コロナ、または化学処理、またはその組み合わせを含む、態様３３の方法。

態様３５．前記パターン形成膜は、約１０μｍから約２５０μｍまでの範囲の最大の厚さを有する、態様２８〜３４のいずれか１つの方法。

態様３６．前記複数の気流経路が約１０μｍから約２５０μｍの範囲の厚さを有するようにパターン形成される、態様３５の方法。

態様３７．前記複数の液流経路が約５μｍから約２５０μｍの範囲の厚さを有するようにパターン形成される、態様３５の方法.

態様３８．前記複数の気流経路及び前記複数の液流経路が、前記パターン形成膜のそれぞれの部分に刻まれる、態様２８〜３７のいずれか１つの方法。

態様３９．前記複数の同心膜層の少なくとも１つの膜層は、気流経路または液流経路を含まない、態様２８〜３８のいずれか１つの方法。

態様４０．前記複数の同心膜層が、
前記円筒状基板の前記外面に接着し、前記複数の液流経路を含む液体流層；
前記液体流層の外側に放射状に配置され、前記液体流層に接着した気体流層であって、前記複数の気流経路を含む前記気体流層；及び
前記気体流層の外側に放射状に配置され、前記複数の気流経路をキャップするために前記気体流層に接着したキャッピング層
を含み、
前記キャッピング層は、気流経路または液流経路を含まず、前記複数の気流経路と前記複数の液流経路との間に放射状に配置される前記パターン形成膜の一部が、前記複数の気流経路から前記複数の液流経路へのガスの拡散を可能にする、
態様２８〜３９のいずれか１つの方法。

態様４１．前記複数の気流経路と複数の液流経路が中心軸に平行または実質的に平行に向いている、態様４０の方法。

態様４２．前記複数の同心膜層が、
複数の気体流層であって、各気体流層が前記複数の気流経路の一部を含む前記気体流層、及び
複数の液体流層であって、各液体流層が前記複数の液流経路の一部を含む前記液体流層を含み、
前記気体流層及び前記液体流層は、前記中心軸から放射状に外側に移動する交互のパターンに配置される、態様２８〜３９のいずれか１つの方法。

態様４３．前記複数の気流経路が前記中心軸に対して円周状に延び、前記複数の液流経路が前記中心軸に平行または実質的に平行に向いている、態様４２の方法。

態様４４．前記複数の液流経路が前記中心軸に対して円周状に延び、前記複数の気流経路が前記中心軸に平行または実質的に平行に向いている、態様４２の方法。

態様４５．パターン形成膜の外面から前記円筒状基板に向かって放射状に延びる気体入口経路を形成することであって、前記気体入口経路が前記複数の気流経路の少なくとも一部との流体連通に配置される前記形成すること；及び
前記パターン形成膜の外面から前記円筒状基板に向かって放射状に延びる気体出口経路を形成することであって、前記気体出口経路が前記複数の気流経路の少なくとも一部との流体連通に配置される前記形成すること
をさらに含む、態様４３の方法。

態様４６．ハウジング内に前記装置を配置することをさらに含み、前記ハウジングは血液入口、血液出口、気体入口、及び気体出口を画定し、前記血液入口及び前記血液出口は前記複数の液流経路の少なくとも一部と流体連通に位置し、前記気体入口及び気体出口は、前記複数の気流経路の少なくとも一部と流体連通に配置される、態様２８〜４５のいずれか１つの方法。

態様４７．前記血液入口と前記血液出口が前記中心軸と実質的に位置合わせされて向けられ、前記気体入口と前記気体出口が前記中心軸に垂直または実質的に垂直に向けられる、態様４６の方法。

態様４８．前記血液入口と前記血液出口が前記中心軸に垂直または実質的に垂直に向き、前記気体入口と前記気体出口が前記中心軸と実質的に位置合わせされて向けられている、態様４６の方法。

態様４９．３次元印刷された微小流体拡散装置であって、
液流軸に沿って延びる液体分配経路と、
少なくとも１つの液体入口；
少なくとも１つの液体出口；及び
前記液流軸に対して前記少なくとも１つの液体入口と前記少なくとも１つの液体出口との間に位置する毛細血管ベッドであって、前記少なくとも１つの液体入口と前記少なくとも１つの液体出口と流体連通する各々の内腔を画定する複数の毛細血管要素を含む前記毛細血管ベッド；
前記液流軸に対して垂直または実質的に垂直である気流軸に沿って延びる気流経路
を含み、
前記気流経路は、前記毛細血管ベッドの少なくとも一部と交差してガス交換領域を画定し、
前記複数の毛細血管要素は、前記複数の毛細血管要素内の液体への前記気流経路からのガスの拡散を可能にする材料から形成される、前記微小流体拡散装置。

態様５０．前記複数の毛細血管要素が前記液流軸に平行または実質的に平行に向けられる、態様４９の微小流体拡散装置。

態様５１．前記複数の毛細血管要素が前記毛細血管ベッド内に均等または実質的に分布している、態様５０の微小流体拡散装置。

態様５２．前記ガス交換領域内で、前記気流経路の一部が、前記複数の毛細血管要素の各毛細血管要素の外面の少なくとも一部を円周状に囲む、態様４９の微小流体拡散装置。

態様５３．前記液体分配経路が、前記少なくとも１つの液体入口と前記毛細血管ベッドとの間、及び前記毛細血管ベッドと前記少なくとも１つの液体出口との間にそれぞれ位置する第１及び第２の血液分布領域をさらに含む、態様４９の微小流体拡散装置。

態様５４．各毛細血管要素の前記内腔が１０μｍから約２００μｍの範囲の内径を有する、態様４９の微小流体拡散装置。

態様５５．前記複数の毛細血管要素が感光性ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を含む、態様４９の微小流体拡散装置。

態様５６．態様４９に記載の前記微小流体拡散装置を形成するために３次元プリンタを使用すること
を含む、方法。

態様５７．前記３次元プリンタが感光性ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から少なくとも前記複数の毛細血管要素を形成する、態様５６の方法。

態様５８．気流経路と液流経路を有する微小流体拡散装置を形成すること、
を含み、
前記微小流体拡散装置が、３次元（３Ｄ）印刷またはロールツーロール法によって形成され、
前記気流経路と前記液流経路が、前記気流経路から前記液流経路へのガスの拡散を可能にする膜によって分離され、
前記気流経路及び前記液流経路の少なくとも１つが、２５０μｍ未満の最小寸法を有する、方法。

態様５９．前記液流経路が血液を受け取るように構成され、前記気流経路が酸素を含むガスを受け取るように構成され、前記膜は酸素が前記液流経路の拡散を可能にするように構成される、態様５８の方法。

Claims (59)

1. 中心軸と外面を有する円筒状基板；
   前記円筒状基板の前記中心軸から放射状に外側に延びる複数の同心膜層を画定する、前記円筒状基板の前記外面を円周状にロールしたパターン形成膜
   を含み、
   前記複数の同心膜層の少なくとも１つの膜層は、ガスを受け取るように構成された複数の気流経路を画定するようにパターン形成され、
   前記複数の同心膜層の少なくとも１つの膜層は、液体を受け取るように構成された複数の液流経路を画定するようにパターン形成され、
   前記少なくとも１つの膜層は、
   （ａ）前記複数の気流経路から前記複数の液流経路内の前記液体に入るガス；
   （ｂ）前記複数の液流経路から前記複数の気流経路内の前記気体に入る液体；または
   （ｃ）（ａ）と（ｂ）の両方
   の拡散を可能にする、微小流体拡散装置。
2. 前記拡散装置が微小流体拡散装置であり、前記複数の気流経路がスイープガスを受け取るように構成され、前記複数の液流経路が血液を受け取るように構成され、前記少なくとも１つの膜層は、前記複数の液流経路内の前記血液への前記複数の気流経路からの前記スイープガスの拡散を可能にする、請求項１に記載の微小流体拡散装置。
3. 前記パターン形成膜が単一の連続した材料シートを含む、請求項２に記載の微小流体拡散装置。
4. 前記パターン形成膜がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のウェブまたは膜を含む、請求項３に記載の微小流体拡散装置。
5. 前記パターン形成膜が約１０μｍから約２５０μｍの範囲の最大の厚さを有する、請求項３に記載の微小流体拡散装置。
6. 前記複数の気流経路が約１０μｍから約２５０μｍの範囲の厚さを有するようにパターン形成される、請求項５に記載の微小流体拡散装置。
7. 前記複数の液流経路が約５μｍから約２５０μｍの範囲の厚さを有するようにパターン形成される、請求項５に記載の微小流体拡散装置。
8. 前記複数の気流経路及び複数の液流経路が前記パターン形成膜のそれぞれの部分に刻まれる、請求項３に記載の微小流体拡散装置。
9. 前記複数の同心膜層の少なくとも１つの膜層は、気流経路または液流経路を含まない、請求項１に記載の微小流体拡散装置。
10. 前記複数の同心膜層が、
    前記円筒状基板の前記外面に接着し、前記複数の液流経路を含む液体流層；
    前記液体流層の外側に放射状に配置され、前記液体流層に接着した気体流層であって、前記複数の気流経路を含む前記気体流層；及び
    前記気体流層の外側に放射状に配置され、前記複数の気流経路をキャップするために前記気体流層に接着したキャッピング層
    を含み、
    前記キャッピング層は、気流経路または液流経路を含まず、前記複数の気流経路と前記複数の液流経路との間に放射状に配置される前記パターン形成膜の一部が、前記複数の気流経路から前記複数の液流経路へのガスの拡散を可能にする、
    請求項３に記載の微小流体拡散装置。
11. 複数の気流経路及び前記複数の液流経路が中心軸に平行または実質的に平行に向いている、請求項１０に記載の微小流体拡散装置。
12. 前記複数の同心膜層が、
    複数の気体流層であって、各気体流層が前記複数の気流経路の一部を含む前記気体流層、及び
    複数の液体流層であって、各液体流層が前記複数の液流経路の一部を含む前記液体流層を含み、
    前記気体流層及び前記液体流層は、前記中心軸から放射状に外側に移動する交互のパターンに配置される、請求項３に記載の微小流体拡散装置。
13. 前記複数の気流経路が前記中心軸に対して円周状に延び、前記複数の液流経路が前記中心軸に平行または実質的に平行に向いている、請求項１２に記載の微小流体拡散装置。
14. 前記複数の液流経路が前記中心軸に対して円周状に延び、前記複数の気流経路が前記中心軸に平行または実質的に平行に向いている、請求項１２に記載の微小流体拡散装置。
15. 前記パターン形成膜の外面から前記円筒状基板に向かって放射状に延びる気体入口経路であって、前記複数の気流経路の少なくとも一部と流体連通に配置される前記気体入口経路；
    前記パターン形成膜の外面から前記円筒状基板に向かって放射状に延びる気体出口経路であって、前記複数の気流経路の少なくとも一部と流体連通に配置される前記気体出口経路
    をさらに含む、請求項１３に記載の微小流体拡散装置。
16. 液体入口、液体出口、気体入口、及び気体出口を画定するハウジングをさらに含み、前記液体入口及び前記液体出口は前記複数の液流経路の少なくとも一部と流体連通に位置し、前記気体入口及び気体出口は、前記複数の気流経路の少なくとも一部と流体連通に配置される、請求項１に記載の微小流体拡散装置。
17. 前記液体入口と前記液体出口が前記中心軸と実質的に位置合わせされて向けられ、前記気体入口と前記気体出口が前記中心軸に垂直または実質的に垂直に向けられる、請求項１６に記載の微小流体拡散装置。
18. 前記液体入口と前記液体出口が前記中心軸に垂直または実質的に垂直に向き、前記気体入口と前記気体出口が前記中心軸と実質的に位置合わせされて向けられている、請求項１６に記載の微小流体拡散装置。
19. 請求項２に記載の微小流体拡散装置の前記複数の液流経路と流体連通で血液供給源を配置すること；
    前記拡散装置の前記複数の気流経路をガス供給源と流体連通に配置すること；
    を含み、
    前記ガス供給源からのガスは、前記複数の液流経路内の血液に前記複数の気流経路から拡散する、方法。
20. 前記血液供給源が患者である、請求項１９に記載の方法。
21. 前記ガス供給源が前記拡散装置を取り巻く空気である、請求項２０に記載の方法。
22. 前記ガス供給源が酸素ガスで満たされた容器である、請求項２０に記載の方法。
23. 血流量、ガス流量、または前記ガス供給源によって提供される前記ガスの組成物の少なくとも１つを選択的に調整することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
24. 複数の流経路を画定するために膜をパターン形成すること；及び
    円筒状基板の外面に前記パターン形成膜を円周状にロールし、前記円筒状基板の中心軸から放射状に外側に延びる複数の同心膜層を画定し、それによって前記装置を形成すること
    を含み、
    前記複数の流経路の各流経路は、流体の流れを受け取る及び許可するように構成される、装置を形成する方法。
25. 前記複数の同心膜層の少なくとも１つの膜層は、ガスを受け取るように構成された複数の気流経路を画定するようにパターン形成され、前記複数の同心膜層の少なくとも１つの膜層は、液体を受け取るように構成された複数の液流経路を画定するようにパターン形成され、
    前記少なくとも１つの膜層は、
    （ａ）前記複数の気流経路から前記複数の液流経路内の前記液体に入るガス；
    （ｂ）前記複数の液流経路から前記複数の気流経路内の前記気体に入る液体；または
    （ｃ）（ａ）と（ｂ）の両方
    の拡散を可能にする、請求項２４に記載の方法。
26. 前記複数の気流経路がスイープガスを受け取るように構成され、前記複数の液流経路が血液を受け取るように構成され、前記少なくとも１つの膜層は、前記複数の液流経路内の前記血液への前記複数の気流経路からの前記スイープガスの拡散を可能にする、請求項２５に記載の方法。
27. 前記円筒状基板と前記複数の同心膜層が協働して人工肺装置を形成する、請求項２６に記載の方法。
28. 前記パターン形成膜が、単一の連続した材料シートを含む、請求項２４に記載の方法。
29. 前記パターン形成膜がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のウェブまたはフィルムを含む、請求項２８に記載の方法。
30. 前記膜のパターン形成前に膜を展開することをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
31. 前記膜がレーザを用いてパターン形成され、前記複数の流経路が前記レーザによってパターン形成された前記膜の露出面から内側に延びる、請求項２８に記載の方法。
32. 前記膜のパターン形成の前に、前記膜がキャリア層を備える供給源用ローラに設けられ、前記供給源用ローラが処理方向に前記膜及び前記キャリア層を進めるために回転し、前記膜の露出面は、前記膜と前記キャリア層が前記処理方向に進むにつれてパターン形成され、第１の取り込みローラは前記パターン形成膜を受け取り、第２の取り込みローラは、前記膜のパターン形成後に前記キャリア層を受け取る、請求項３０に記載の方法。
33. 前記膜のパターン形成後、前記膜の前記露出表面に表面処理を適用して前記膜の接合活性を活性化することをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
34. 前記表面処理は、プラズマ、紫外線、オゾン、コロナ、または化学処理、またはその組み合わせを含む、請求項３３に記載の方法。
35. 前記パターン形成膜は、約１０μｍから約２５０μｍまでの範囲の最大の厚さを有する、請求項２８に記載の方法。
36. 前記複数の気流経路が約１０μｍから約２５０μｍの範囲の厚さを有するようにパターン形成される、請求項３５に記載の方法。
37. 前記複数の液流経路が約５μｍから約２５０μｍの範囲の厚さを有するようにパターン形成される、請求項３５に記載の方法。
38. 前記複数の気流経路及び前記複数の液流経路が、前記パターン形成膜のそれぞれの部分に刻まれる、請求項２８に記載の方法。
39. 前記複数の同心膜層の少なくとも１つの膜層は、気流経路または液流経路を含まない、請求項２８に記載の方法。
40. 前記複数の同心膜層が、
    前記円筒状基板の前記外面に接着し、前記複数の液流経路を含む液体流層；
    前記液体流層の外側に放射状に配置され、前記液体流層に接着した気体流層であって、前記複数の気流経路を含む前記気体流層；及び
    前記気体流層の外側に放射状に配置され、前記複数の気流経路をキャップするために前記気体流層に接着したキャッピング層
    を含み、
    前記キャッピング層は、気流経路または液流経路を含まず、前記複数の気流経路と前記複数の液流経路との間に放射状に配置される前記パターン形成膜の一部が、前記複数の気流経路から前記複数の液流経路へのガスの拡散を可能にする、
    請求項２８に記載の方法。
41. 前記複数の気流経路と複数の液流経路が中心軸に平行または実質的に平行に向いている、請求項４０に記載の方法。
42. 前記複数の同心膜層が、
    複数の気体流層であって、各気体流層が前記複数の気流経路の一部を含む前記気体流層、及び
    複数の液体流層であって、各液体流層が前記複数の液流経路の一部を含む前記液体流層を含み、
    前記気体流層及び前記液体流層は、前記中心軸から放射状に外側に移動する交互のパターンに配置される、請求項２８に記載の方法。
43. 前記複数の気流経路が前記中心軸に対して円周状に延び、前記複数の液流経路が前記中心軸に平行または実質的に平行に向いている、請求項４２に記載の方法。
44. 前記複数の液流経路が前記中心軸に対して円周状に延び、前記複数の気流経路が前記中心軸に平行または実質的に平行に向いている、請求項４２に記載の方法。
45. パターン形成膜の外面から前記円筒状基板に向かって放射状に延びる気体入口経路を形成することであって、前記気体入口経路が前記複数の気流経路の少なくとも一部との流体連通に配置される前記形成すること；及び
    前記パターン形成膜の外面から前記円筒状基板に向かって放射状に延びる気体出口経路を形成することであって、前記気体出口経路が前記複数の気流経路の少なくとも一部との流体連通に配置される前記形成すること
    をさらに含む、請求項４３に記載の方法。
46. ハウジング内に前記装置を配置することをさらに含み、前記ハウジングは液体入口、液体出口、気体入口、及び気体出口を画定し、前記液体入口及び前記液体出口は前記複数の液流経路の少なくとも一部と流体連通に位置し、前記気体入口及び気体出口は、前記複数の気流経路の少なくとも一部と流体連通に配置される、請求項２８に記載の方法。
47. 前記液体入口と前記液体出口が前記中心軸と実質的に位置合わせされて向けられ、前記気体入口と前記気体出口が前記中心軸に垂直または実質的に垂直に向けられる、請求項４６に記載の方法。
48. 前記液体入口と前記液体出口が前記中心軸に垂直または実質的に垂直に向き、前記気体入口と前記気体出口が前記中心軸と実質的に位置合わせされて向けられている、請求項４６に記載の方法。
49. ３次元印刷された微小流体拡散装置であって、
    液流軸に沿って延びる液体分配経路と、
    少なくとも１つの液体入口；
    少なくとも１つの液体出口；及び
    前記液流軸に対して前記少なくとも１つの液体入口と前記少なくとも１つの液体出口との間に位置する毛細血管ベッドであって、前記少なくとも１つの液体入口と前記少なくとも１つの液体出口と流体連通する各々の内腔を画定する複数の毛細血管要素を含む前記毛細血管ベッド；
    前記液流軸に対して垂直または実質的に垂直である気流軸に沿って延びる気流経路
    を含み、
    前記気流経路は、前記毛細血管ベッドの少なくとも一部と交差してガス交換領域を画定し、
    前記複数の毛細血管要素は、前記複数の毛細血管要素内の液体への前記気流経路からのガスの拡散を可能にする材料から形成される、前記微小流体拡散装置。
50. 前記複数の毛細血管要素が前記液流軸に平行または実質的に平行に向けられる、請求項４９に記載の微小流体拡散装置。
51. 前記複数の毛細血管要素が前記毛細血管ベッド内に均等または実質的に分布している、請求項５０に記載の微小流体拡散装置。
52. 前記ガス交換領域内で、前記気流経路の一部が、前記複数の毛細血管要素の各毛細血管要素の外面の少なくとも一部を円周状に囲む、請求項４９に記載の微小流体拡散装置。
53. 前記液体分配経路が、前記少なくとも１つの液体入口と前記毛細血管ベッドとの間、及び前記毛細血管ベッドと前記少なくとも１つの液体出口との間にそれぞれ位置する第１及び第２の血液分布領域をさらに含む、請求項４９に記載の微小流体拡散装置。
54. 各毛細血管要素の前記内腔が１０μｍから約２００μｍの範囲の内径を有する、請求項４９に記載の微小流体拡散装置。
55. 前記複数の毛細血管要素が感光性ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を含む、請求項４９に記載の微小流体拡散装置。
56. 請求項４９に記載の前記微小流体拡散装置を形成するために３次元プリンタを使用すること
    を含む、方法。
57. 前記３次元プリンタが感光性ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から少なくとも前記複数の毛細血管要素を形成する、請求項５６に記載の方法。
58. 気流経路と液流経路を有する微小流体拡散装置を形成すること、
    を含み、
    前記微小流体拡散装置が、３次元（３Ｄ）印刷またはロールツーロール法によって形成され、
    前記気流経路と前記液流経路が、前記気流経路から前記液流経路へのガスの拡散を可能にする膜によって分離され、
    前記気流経路及び前記液流経路の少なくとも１つが、２５０μｍ未満の最小寸法を有する、方法。
59. 前記液流経路が血液を受け取るように構成され、前記気流経路が酸素を含むガスを受け取るように構成され、前記膜は酸素が前記液流経路の拡散を可能にするように構成される、請求項５８に記載の方法。