JP2021010466A - 中空糸膜及び人工肺 - Google Patents

Abstract

【課題】中空糸をその内腔が閉塞なく適度の力で保持して結束することができる中空糸膜と、人工肺を提供する。【解決手段】この中空糸膜１は、シリコーンゴムからなる中空糸２を緯糸に用い所定巾で折り返しながら面状に配置するとともに、該糸膜の折り返し部となる両端部を経糸として合成繊維糸３で経編みし膜状物としたものであって、中空糸２は、肉厚をｔとし、潰れたときの短径の内径をａ、潰れない自然状態のときの内径をＨとした場合、ａ≧Ｈ／４−ｔ （１）式が成り立ち、かつ潰れたときの長径の内径をｂ、潰れたときの中空糸２の断面積をｓ、潰れない自然状態のときの断面積をＳとした場合、１／２Ｓ≦ｓを満たし、かつ１／２Ｓ≦１/２ａ×１/２ｂ×π（円周率）→Ｓ≦１/２ａｂπ （２）式が成り立つことを特徴とする。【選択図】図１

Description

この発明は、中空糸膜及び人工肺に関し、さらに詳しくは中空糸を内腔が潰れないように結束することができて、血液の酸素化を効率よく行なうことができる技術に係るものである。

人工肺は、患者の自己肺に代わり血液中の二酸化炭素を除去し血液を酸素化させる人工臓器であり、主に心臓外科手術の体外循環に用いられている。このような中空糸膜人工肺は、中空糸膜と呼ばれる糸状の細いチューブを束ね膜状物としたものが内蔵されたガス交換装置であり、現在、主に用いられている中空糸の材料はポリプロピレンやポリメチルペンテンなどの多孔質材料（壁面に微細孔が空いている材料）からなっており、中空糸膜の微細孔を介して酸素と血液を直接接触させ血液中の二酸化炭素と酸素を交換し血液を動脈血化している。この中空糸膜の欠点として、長期間使用すると血液中の血漿が微細孔に詰まりガス交換性能が低下してしまうという問題が挙げられる。

そこで長期間にわたり使用可能な中空糸膜の検討がなされ、出願人においても過去に物理的な微少孔が無い均質膜であるシリコーン中空糸膜に関する特許文献１を提案した。しかし、シリコーンゴム中空糸は機械的強度が弱く、かつ弾性体であるため血流によりシリコーン中空糸が伸長してしまい等間隔に配置した中空糸に隙間が発生し、そこに血液が流れ込むことで中空糸と血液の接触部位が偏り、ガス交換性能が低下してしまう問題があった。

特許文献１のほかにも、先行技術文献を調べてみると、下記の特許文献２−４があり、その中の特許文献２には多孔質中空糸膜を繊維状物で鎖編み状に編成された中空糸膜が記載され、特許文献３には複数本の多孔質中空糸膜を緯糸に用いた経編物が記載されている。しかし、いずれにも合成繊維に関しては記載がない。また、特許文献４には編み込んだ多孔質中空糸膜を内蔵した人工肺が記載されているが、中空糸膜に関する詳細な記載はない。

特許第３８０３４２１号公報 特公平４−２６８８６号公報 実用新案登録第２５７５０８０号公報 特表２０１６−５２５８９４号公報

そこで、発明者は、鋭意研究して、血流によって中空糸が移動しないように中空糸膜を等間隔に結束することができる中空糸膜と、この中空糸膜を組み込んだ人工肺を開発するに至った。すなわち、この発明は、前記のような従来の問題を解決することができ、中空糸膜をその内腔が潰れることなく適度の力で保持して結束することができる中空糸膜と、人工肺を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、シリコーンゴムからなる中空糸を緯糸に用い所定巾で折り返しながら面状に配置するとともに、該糸膜の折り返し部となる両端部を経糸として合成繊維糸で経編みし膜状物として結束した簾状の中空糸膜であって、
前記中空糸は、肉厚をｔとし、内腔が潰れたときの短径の内径をａ、潰れない自然状態のときの内径をＨとした場合、次式（１）が成り立ち、
ａ≧Ｈ／４−ｔ （１）
かつ内腔が潰れたときの長径の内径をｂ、潰れたときの中空糸膜の断面積をｓ、潰れない自然状態のときの断面積をＳとした場合、１／２Ｓ≦ｓを満たし、かつ次式（２）が成り立つことを特徴とする中空糸膜。
１／２Ｓ≦１/２ａ×１/２ｂ×π（円周率）→Ｓ≦１/２ａｂπ （２）

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記中空糸は、外径Ｄが０．７５ｍｍ〜０．１５ｍｍ、肉厚ｔが０．０５５ｍｍ〜０．０３ｍｍ、隣接する中空糸と中空糸の間隔Ｌ１がＤ／２ｍｍ〜２Ｄｍｍ、隣接する合成繊維糸の結束部と合成繊維糸の結束部の間隔Ｌ２が２ｍｍ〜１０ｍｍ、に設定されている。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の中空糸膜を長さ方向に所定長さで交互に折り畳んで作成した複数層からなる中空糸膜積層体が、その幅方向両端部を各中空糸の折り返し部が開口するように切断され、それら開口部が密閉ハウジング内にハウジングの相対向壁との間に形成される密閉ガス溜まり部に開口するように樹脂ポッティング部で支持された状態で収納され、前記ハウジングに前記気体溜まり部と連通する気体導入口及び気体導出口が設けられ、さらにハウジング内において中空糸膜積層体の表面側と裏面側に液体を供給する供給口及び排出する排出口が設けられていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記中空糸膜積層体の、ハウジングの内容量に対する充填量は、３０〜７０％である。請求項５に記載の発明は、請求項３又は４において、液体が血液、気体が二酸化炭素であり、両気液体が中空糸膜積層体により、血液から二酸化炭素が抜かれ、酸素が血液に送り込まれることによって血液からの二酸化炭素の除去及び血液の酸素化が行われる。

この発明は、前記のようであって、請求項１に記載の発明によれば、前記したような構成からなるので、合成繊維糸で経編みし膜状物としたシリコーンゴムからなる中空糸を血流によって移動しないように等間隔に結束することができるとともに、中空糸をその内腔が潰れることなく適度の力で保持することができる。請求項２に記載の発明によれば、内腔が潰れるのをより効果的に抑止することができ、実使用に耐えることができる。

請求項３に記載の発明によれば、中空糸膜をそのハウジングに収納した人工肺によって気体交換を支障なく、スムーズに行うことができる。請求項４に記載の発明によれば、ハウジングの内容量に対する中空糸膜積層体の充填量が３０〜７０％であるため、適度な圧損失とガス交換能力を保つことができ、血液の通過性に優れたものとなり、体外循環が困難になるようなことがなくなる。請求項５に記載の発明によれば、血液からの二酸化炭素の除去及び血液の酸素化を効率的に行うことができる。

この発明の一実施の形態に係る中空糸膜の平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図である。 （Ａ）は中空糸が潰れない自然状態と潰れた状態の内径比を示し、（Ｂ）は中空糸が潰れない自然状態と潰れた状態の断面積比を示す図面である。 同上の中空糸膜が折り畳まれている状態を示す斜視図である。 同上の中空糸膜が人工肺のハウジングに収納された状態を示すイメージ斜視図である。 同上の人工肺をハウジングのセンターで破断した状態を示すイメージ斜視図である。 同上の人工肺における血流を示すイメージ縦断面図である。 同上の人工肺を用いた作用説明図である。

以下、図面を参照しながら、この発明の一実施の形態に係る中空糸膜とそれを利用した人工肺について説明する。

図１において、１は中空糸膜である。この中空糸膜１は、肉厚の薄いガス交換性能に優れた１本の長いシリコーンゴム製のチューブからなる中空糸２を具え、該糸を所定の長さ位置で平面視、左右交互に折り返して面状なっている。３は網目状の合成繊維からなる繊維状糸であり、中空糸２の一方の折返部から他方の折返部へ向けた該糸の長さ方向に所定間隔で結束するように配置される。ここでは中空糸２が緯糸として、繊維状糸３が経糸として用いられている。これにより図１に示すような中空糸２と繊維状糸３からなる簀の子状の面状体である中空糸膜１が構成される。

中空糸２と繊維状糸３との結束部は、中空糸２に対して繊維状糸３を図２に示すように経編みすることにより括り付けられている。中空糸２は、例えば外径Ｄが０．７５ｍｍ〜０．１５ｍｍ、肉厚ｔが０．０５５ｍｍ〜０．０３ｍｍ、隣接する中空糸２と中空糸２の間隔Ｌ１がＤ／２ｍｍ〜２Ｄｍｍ、隣接する繊維状糸３の結束部と繊維状糸３の結束部の間隔（ループ幅）Ｌ２が２ｍｍ〜１０ｍｍに設定されている。中空糸２の外径Ｄと肉厚ｔを前記のように設定すると、中空糸２の材質がシリコーンゴムからなっているので、従前のシリコーンゴム製中空糸膜に比べ物理的強度が強くなり中空糸が移動せずに、更には内腔が閉塞することもなく、実使用に耐えうるようになることが実験によりわかった。

このことを図３（Ａ）に示す中空糸２の内腔が潰れていない自然状態のときの内径Ｈと潰れた状態のときの内径ａ、及び（Ｂ）に示す中空糸２の内腔が潰れていない自然状態のときの断面積Ｓと潰れた状態のときの断面積ｓにより説明する。すなわち、同図（Ａ）において中空糸２の内腔が潰れていない自然状態のときの内径をＨとし、潰れたときの短径の内径をａとすると、中空糸２の内腔が潰れたときの短径の内径ａは、自然状態の中空糸２の内径Ｈの半分以上の高さを保持しなければならないため、この例ではａ≧Ｈ／４−ｔ（中空糸の肉厚）と設定し、中空糸２の内腔の潰れに対応している。

また、同図（Ｂ）において中空糸２の内腔が潰れていない自然状態のときの断面積をＳとし、潰れたときの断面積をｓとすると、中空糸２の内腔が潰れたときの断面積ｓは、自然状態の中空糸２の断面積Ｓの半分より大きな断面積を保持しなければならない（１／２Ｓ≦ｓ）ため、この例では１／２Ｓ≦１/２ａ×１/２ｂ×π（円周率）からａ≧Ｈ／４−ｔ（中空糸の肉厚）と設定し、中空糸２の内腔の潰れに対応している。ｂは中空糸２の内腔が潰れたときの長径の内径を示す。

前記のように中空糸２を繊維状糸３により等間隔で結束する方法としては、該糸を網物の横糸（緯糸）と見立て、繊維状糸３の縦糸（経糸）にて経編み込んでいく方法が適当であるが、薄肉の中空糸が編み糸によって潰れないように中空糸２を結束する繊維状糸３の結束部の間隔（ループ幅）Ｌ２を前記のような寸法に調整して設定している。この結束した中空糸膜１の編物を図４に示すように方形など任意の形状に重ね合わせ多層構造で直方体形状の中空糸膜積層体５を作成する。そして、この中空糸膜積層体５を図５−７に示すように人工肺６のハウジング７内に収納し、収納したハウジング７において中空糸２の折返部となっている両端部が切断され、その開口部がハウジング７の相対向壁との間に形成される密閉ガス溜まり部８に開口するように樹脂ポッティング部９で支持された状態に置かれている。

すなわち、中空糸膜１は直線状に延びた多数の束状中空糸膜積層体５になってハウジング７内に収納され、その両端開口部がハウジング７の相対向する壁とポッティング部９の壁とで形成された密閉ガス溜まり部８に開口した状態になっている。この状態を示すのが図５，６である。図７において１１は人工肺６のハウジング７下面中央部に設けた血流路入り口、１２は同ハウジング上面中央部に設けた血流路出口、１３はハウジング７内であってポッティング部９の内部に形成された血流路を示す。なお、この図７は人工肺６内の中空糸２の配置状況を示した概略図である（説明の便宜上、中空糸２の数を減らした簡易なイメージ図としている）。この図から明らかなようにハウジング７の中空糸２が配置されたポッティング部９内は血流で充満した状態ではあるが、血流は中空糸２の外周面に接触しながらその入り口１１から出口１２に向けて流れる。

ガスは一方のガス溜まり部８から他方のガス溜まり部８へ中空糸２内部に形成されるガス流路１４を流れる。つまり、ガス流路として中空糸２の内腔に送り込まれるガス（酸素）はその通過の間に空糸膜２の外周面に接触しながら流れる血液との間で気体交換が行われる。すなわち、高圧側の気体分子がシリコーンゴムに溶解し（ゴムに入る）、次にその気体分子がゴム中を拡散していき（ゴムを通る）、最後に低圧側で外界に拡散（ゴムから出て行く）するというプロセスをとる。

人工肺６のガス交換能は通常膜面積に依存しており膜面積は大きい方がよいが、人工肺６の内容量に対し目一杯に中空糸２を充填すると血液の通過性が劣り、体外循環が困難になる。そこで、適度な圧損失とガス交換能力を保つために人工肺６のハウジング７の内容量に対し中空糸２の充填量を３０〜７０％と設定している。

中空糸２の材質であるシリコーンゴムはポリプロピレン等に比して生体適合性が高く、膜に微細孔が開いていないため血漿が詰まることが無く気体交換性能が低下することが無い、という特徴を有する。そして、その構造は、中空糸２の壁を気体分子が溶解し、拡散することでガス交換を行う。

中空糸２を繊維状糸３で結束して経編みし等間隔で結束する方法は、シリコーンゴムの物理的強度が弱いため、ループ長が短いと中空糸２の内腔が潰れてしまう。そして内腔が潰れて閉塞するような状態になると、中空糸２内にガスが通過できなくなる。そこで各部の寸法等を前記のような設定構成として適度なループ長を持たせることで、中空糸２の内腔を保持しながら結束することが可能になった。

肺の主な機能は、血液からの二酸化炭素の除去及び血液の酸素化である。現在、呼吸器の重篤疾患の治療は、人工肺によって血液からの二酸化炭素の除去及び血液の酸素化を補助させることに主に中心が置かれている。そこで前記で示した人工肺６は体外循環と補助循環の２種で使用される。体外循環とは、心臓の外科的処置（開心術）を行う際に用いられる方法で、心臓の動きを止めるため、ポンプ（心臓の代用装置）と人工肺（肺の代用装置）で全身の酸素化を行う。一方、補助循環とは、その名の通り、心臓と肺の働きを補助するための方法で、心臓や肺の機能不全を起こしてしまった患者に対して用いる。そのため、この方法では、心臓を動かしたまま体外循環を行う。

心臓外科手術時の体外循環イメージを示す図８を用いて、作用を説明する。施術前に、まず人工肺６の血流路入り口１１にチューブ１５を介して血液ポンプ１６を接続するとともに、血流路出口１２にチューブ１７を介して送血カニューレ１８を接続する。また、血液ポンプ１６にチューブ１９を介して貯血リザーバー２０を接続するとともに、該リザーバーにチューブ２１を介して脱血カニューレ２２を接続する。これにて人工肺等の体外循環装置が専用回路で連結されて組み立てられた状態になる。

次に、人工肺６のガス流入ポートに酸素ガスの供給ラインを接続し、送気を行う。この時、ガス排出ポート側にはチューブ類は接続せずにそのまま排出する。このシステム内にプライミング液（空気抜き用の生理食塩水などの輸液）を注入して、システム内の空気を排出する。しかる後、目的の血管に送血用カニューレ１８と脱血カニューレ２２を挿入する。そして、システムの血液流入側と脱血カニューレ２２を、システムの血液流出側と送血カニューレ１８を空気が入らないように連結する。

次に、血液ポンプ１６を作動させ体外循環を開始する。血液ポンプ１６の出力を徐々に上げていき、体外循環に必要な送血量を確保するとともに、心臓に流入する血液量を減らしていく。その後の手技に応じて、心臓の拍動を止める（心臓を動かしたまま行う手技もある）。それから手技が開始される。

補助循環の場合では血液ポンプ１６と人工肺６とを専用回路（接続コネクタや活栓などが設けられた接続チューブ）で連結する（以下、システムという）。このシステム内にプライミング液（空気抜き用の生理食塩水などの輸液）を注入して、システム内の空気を排出する。次に、人工肺６のガス流入ポートに酸素ガスの供給ラインを接続し、送気を行う。この時、ガス排出ポート側にはチューブ類は接続しない。

経皮的に送血カニューレ１８と脱血用のカニューレ２２を血管内に穿刺し所定の位置まで挿入する。システムの血液流入側と脱血カニューレ２２を、システムの血液流出側と送血カニューレ１８を空気が入らないように連結する。血液ポンプ１６を作動させ補助循環を開始する。補助循環状態を維持し、患者の心臓や肺の機能不全の回復を図る。

前記したように人工肺は体外循環と補助循環のいずれにも使用することができる。また、臓器移植を待機している患者にも用いることができる。なお、前記は基本的な操作手順を示したもので、その使用手順としては様々なやり方がある。

シリコーンゴムからなっている中空糸２は均一な肉厚を有していれば円形の他に楕円形、多角形でもよい。中空糸２を結束して固定する繊維状糸３は、ポリエステルの他ポリプロピレンなどの医療用材料に使用可能な材料からなっている。

前記実施の形態で示す中空糸膜１や中空糸膜積層体５、それから該積層体を収納するハウジング７等の構成は、好ましい一例を示したにすぎず、同効の構成であれば他の構成としてもよい。そのほか、この発明は特許請求の範囲に記載した範囲内であれば細部の設計等は任意に変更、修正が可能であることは言うまでもない。

１ 中空糸膜
２ 中空糸
３ 繊維状糸
５ 中空糸膜積層体
６ 人工肺
７ ハウジング
８ ガス溜まり部
９ ポッティング部
１１ 血流路入り口
１２ 血流路出口
１３ 血流路
１４ ガス流路
１５，１７，１９，２１ チューブ
１６ 血液ポンプ
１８ 送血カニューレ
２０ 貯血リザーバー
２２ 脱血カニューレ

Claims (5)

1. シリコーンゴムからなる中空糸を緯糸に用い所定巾で折り返しながら面状に配置するとともに、該中空糸の折り返し部となる両端部を経糸として合成繊維糸で経編みし膜状物として結束した簾状の中空糸膜であって、
   前記中空糸は、肉厚をｔとし、内腔が潰れたときの短径の内径をａ、潰れない自然状態のときの内径をＨとした場合、次式（１）が成り立ち、
   ａ≧Ｈ／４−ｔ （１）
   かつ内腔が潰れたときの長径の内径をｂ、潰れたときの中空糸の断面積をｓ、潰れない自然状態のときの断面積をＳとした場合、１／２Ｓ≦ｓを満たし、かつ次式（２）が成り立つことを特徴とする中空糸膜。
   １／２Ｓ≦１/２ａ×１/２ｂ×π（円周率）→Ｓ≦１/２ａｂπ （２）
2. 前記中空糸は、外径Ｄが０．７５ｍｍ〜０．１５ｍｍ、肉厚ｔが０．０５５ｍｍ〜０．０３ｍｍ、隣接する中空糸と中空糸の間隔Ｌ１がＤ／２ｍｍ〜２Ｄｍｍ、隣接する合成繊維糸の結束部と合成繊維糸の結束部の間隔Ｌ２が２ｍｍ〜１０ｍｍ、に設定されている請求項１に記載の中空糸膜。
3. 請求項１又は２に記載の中空糸膜を長さ方向に所定長さで交互に折り畳んで作成した複数層からなる中空糸膜積層体が、その幅方向両端部を各中空糸の折り返し部が開口するように切断され、それら開口部が密閉ハウジング内にハウジングの相対向壁との間に形成される密閉ガス溜まり部に開口するように樹脂ポッティング部で支持された状態で収納され、前記ハウジングに前記気体溜まり部と連通する気体導入口及び気体導出口が設けられ、さらにハウジング内において中空糸膜積層体の表面側と裏面側に液体を供給する供給口及び排出する排出口が設けられていることを特徴とする人工肺。
4. 前記中空糸膜積層体の、ハウジングの内容量に対する充填量は、３０〜７０％である請求項３に記載の人工肺。
5. 液体が血液、気体が酸素であり、両気液体が中空糸膜積層体により、血液から二酸化炭素が抜かれ、酸素が血液に送り込まれることによって血液の酸素化及び血液からの二酸化炭素の除去が行われる請求項３又は４に記載の人工肺。