JP2873967B2 - ポリアクリロニトリル系中空糸膜およびその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、溶質透過性が高く、物質分離能に優れた高
性能ポリアクリロニトリル系中空糸膜及びその製造法に
関するものであり、該中空糸膜は医療用分野において透
析膜及び限外濾過膜として用いることができる。

（従来の技術） 従来、医療分野においては、血液中の老廃物を除去す
る目的で、キュプラアンモニウムレーヨン、セルロース
アセテート、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロ
ニトリル等の透析膜及び限外濾過膜が用いられている。
特に、これらの膜を中空糸状に成型した中空糸膜は、膜
面積が大きくコンパクトな装置化が可能となるため、そ
の研究開発が広く進められている。一般に、これらの膜
に要求される特性は、溶質透過性が高いこと、溶質分離
能に優れていること、機械的強度及び化学的安定性に優
れていること等が挙げられる。ポリアクリロニトリル系
重合体（以下PAN系重合体と略する）は、機械的強度に
優れ、化学的安定性にも優れている。また、PAN系重合
体は、疎水性重合体でありながら水に濡れやすい特性を
有し、湿式紡糸法により中空糸膜を形成する際の凝固条
件を適当に選ぶことにより、比較的密な構造から疎な構
造を有する中空糸膜まで作成することが可能である。特
に、PAN系重合体は、血液に対する適合性が優れている
ため、人工腎臓用膜あるいは、血液濃縮用膜等として利
用されている。近年、人工腎臓分野においては、人工腎
臓の長期使用に伴なって発症する合併症を防止する目的
で、比較的分子量の大きな低分子量蛋白質を透過させる
ことのできる人工腎臓用膜の使用が試みられている。こ
れら医療分野において使用され得るPAN系中空糸膜とし
て、例えば、特開昭54-55623号、特開昭59-67964号及び
特開昭59-132904号が開示されている。これらの先行技
術で得られる膜の欠点は、いずれも孔径が100Å以下と
小さいため、近年その必要性が求められている低分子量
蛋白質の効率的な除去が困難な点にあった。又、これら
先行技術で得られる中空糸膜は、いずれも限外濾過速度
が小さく、限外濾過膜としては不適であった。更に、特
開昭54-55623号で開示されている中空糸膜は、溶質の透
過性が低かった。以上の如く、これらの先行技術で開示
されている中空糸膜は本願発明が解決しようとする課題
とはかけ離れたものであった。

本発明者らは、このような従来技術の欠点を克服する
ために鋭意検討した結果、本発明に到達したものであ
る。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、従来のPAN系中空糸膜に比較して、
比較的分子量の大きな低分子量蛋白質の透過性が高く、
有用な蛋白質であるアルブミンをほとんど透過させな
い、高溶質透過性、且つ、優れた分離能を有すると同時
に、限外濾過速度の大きなPAN系中空糸膜及びその製造
法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は次の構成を有する。

（１）中空糸の最内層部に、平均孔径が100Å〜200Åの
層を有し、内層部から最外層部にかけて、上記最内層部
よりも大きな孔からなり、巨大空孔が存在しない孔径が
５μｍ以下の空孔からなる微多孔質構造を有し、蛋白質
希薄溶液系における分画分子量が６万から15万であり、
且つ分子分画曲線で阻止率50％に対応する分子量Ｍ
₅₀の、阻止率９％に対応する分子量Ｍ₉₅に対する比θ＝
Ｍ₉₅/M₅₀が2.5以下であることを特徴とするポリアクリ
ロニトリル系中空糸膜。

（２）ポリアクリロニトリル系重合体溶液から鞘芯型中
空糸用口金を用いてポリアクリロニトリル系中空糸膜を
製造するに際し、芯部より濃度５〜50重量％のポリビニ
ルピロリドン水溶液又は水溶液系溶液を注入することを
特徴とするポリアクリロニトリル系中空糸膜の製造法。

本発明の特徴は従来技術では得られなかった100Å〜2
00Åの大きな平均孔径からなる層を最内層部に有し、内
層部から最外層部にかけて、上記最内層部よりも大きな
孔からなり、巨大空孔が存在しない孔径が５μｍ以下の
空孔からなる微多孔質構造を有する中空糸膜を提供する
ことにある。本発明で得られる中空糸膜は、高い溶質透
過性、優れた溶質分離能及び、高い限外濾過性能を有す
る。又、５μｍよりも大きな巨大空孔が存在しないため
に、機械的強度に優れている。更には、巨大空孔が存在
すると、人工腎臓等に組み立てた場合、中空糸端面の巨
大空孔が血液と接触する際に、血液の滞留を生じたり血
球成分に対し損傷を与える等の問題があったが、本発明
によって得られる中空糸膜はそのような巨大空孔が存在
しないために、血液に与える損傷も少ない。

このような構造及び特性を有する中空糸膜は、芯部に
ポリビニルピロリドン溶液を注入する方法により得るこ
とができる。

本発明で得られる中空糸膜構造の模式図を第１図に、
走査型電子顕微鏡写真を第２図に例示するが、本発明は
これらの例に限定されるものではない。

本発明で得られる中空糸膜は、最内層部分に平均孔径
が100Å〜200Åの層を有するが、平均孔径が100Å未満
であると、比較的分子量の大きな低分子量蛋白質（例え
ば、β₂−ミクログロブリン、分子量11800）の透過率が
低下し、平均孔径が200Åを越えると、有用な蛋白質で
あるアルブミンの透過量が大きくなり好ましくない。β
₂−ミクログロブリンの透過率を大きくするには、分画
分子量は６万から15万の範囲が好ましい。（ここで、分
画分子量とは、例えば第３図に示す分子分画曲線で阻止
率95％に対応する分子量、Ｍ₉₅を意味する。）又、本発
明で得られる中空糸膜は溶質の分離能にも優れている。

溶質分離能の指標は、例えば第３図に示す分子分画曲
線の勾配の大きさで示すことができ、勾配が大きい程分
離能に優れており好ましい。溶質分離能は、例えば次式
で表わすことができる。

θ＝Ｍ₉₅/M₅₀ （ここで、Ｍ₉₅は、分子分画曲線から求めた阻止率95％
に、Ｍ₅₀は、分子分画曲線から求めた阻止率50％に各々
対応する分子量を意味する。又θは、その比であり、θ
が小さいほど勾配が大きく分離能に優れていることを意
味する。） θの値は、理想的には１に近い方が良く、実用的には
2.5以下が好ましい。

本発明で言う中空糸膜最内層部の平均孔径が100Å〜2
00Åの層１とは、中空糸膜の内表面から内層部にかけて
存在する緻密な部分であり、物質透過の律速となる部分
である。この部分と、内層部から最外層部３にかけて存
在する微多孔質構造２との間に明確な境界層を有するも
のではない。本願発明で得られる中空糸膜の構造を第２
図に例示するが、本発明はこの例に何ら限定されるもの
ではない。平均孔径が100Å〜200Åの層１の厚みは膜厚
の1/10以下が好ましく、更に好ましくは、1/20以下であ
る。又、本発明で言う微多孔質構造２とは、前述の平均
孔径が100Å〜200Åの層よりも大きな孔からなり、５μ
ｍ以上の巨大空孔を含まないスポンジ上の疎な構造であ
る。

本発明に用いるPAN系重合体は、その素材特性を発揮
させるには、アクリロニトリル80重量％以上を含有して
いるのが好ましく、アクリロニトリルと共重合可能なビ
ニル単量体の少なくとも１種類を０〜20重量％含有する
ものである。ビニル単量体の例としては、アクリル酸メ
チル、メタクリル酸メチル、ヒドロキシエチルメタクリ
レート、酢酸ビニル、アクリル酸、メタクリル酸、イタ
コン酸、メタリルスルホン酸ソーダ、アリルスルホン酸
ソーダ、スチレンスルホン酸ソーダ、ジメチルアミノエ
チルメタクリレート、ジエチルアミノメチルメタクリレ
ート、ビニルピロリドン等の公知のビニル単量体を例示
することができる。

本発明の中空糸膜は、芯部にポリビニルピロリドン溶
液を注入する方法により製造することができる。その際
に、芯部に注入するポリビニルピロリドン溶液は、実用
上は水溶液が好ましい。濃度は、用いるポリビニルピロ
リドンの分子量により最適な範囲は左右されるが、分子
量１万（Ｋ−15、米国GAF社製）から120万（Ｋ−90、同
社製）のものであれば、５〜50重量％の範囲内で使用で
きる。この際、ポリビニルピロリドンの分子量が大きく
なると溶液粘度が高くなり、実用的な面からは分子量が
大きい程、低濃度に設定することが必要となる。上記範
囲の分子量のポリビニルピロリドンを使用する場合、分
子量１万のものでも濃度は50重量％以下が実用面からは
好ましい。一方、分子量120万のポリビニルピロリドン
を用いた場合でも５重量％以下になると巨大空孔を生成
しやすくなる。

又、中空糸膜最内層部の緻密な層の平均孔径をコント
ロールする目的で、ポリビニルピロリドン溶液中に、PA
N系重合体の溶媒又は、硝酸塩等の塩を添加することも
できる。その添加量は、重合体濃度、ポリビニルピロリ
ドンの分子量により異なるが、30重量％以下であれば、
紡糸性に問題はない。医療用途の場合には、比較的洗浄
除去の容易な硝酸あるいは硝酸塩のなかでも硝酸ナトリ
ウムが好ましい。

本発明で用いられるPAN系重合体溶液の重合体濃度
は、平均孔径を支配する１つの因子であり、５〜20重量
％の範囲が好ましい。

重合体溶液の作成に用いる溶媒は、公知のPAN系重合
体の溶媒、例えばＮ、Ｎ′−ジメチルホルムアミド、ジ
メチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド等の有機溶
媒、硝酸、塩化亜鉛水溶液、ロダン塩水溶液等の無機溶
媒を挙げることができるが、医療用途の場合には、比較
的洗浄除去の容易な硝酸が好ましい。

PAN系重合体溶液を、鞘芯型中空糸方口金より吐出
し、芯部から中空形成剤を導入する。空中走行させた
後、水中へ導入し凝固せしめて中空糸状を形成させる。
然る後、洗浄工程、熱処理工程等を経た後、形態保持の
目的でグリセリン等を付着させる。乾燥工程を経て乾燥
状態の乾燥中空糸膜を得ることができる。

以下、実施例を示すが、本発明はこれらの例に限定さ
れるものではない。実施例中、分画分子量の測定、平均
孔径の算出、血漿系中での透過率の測定及び破裂強度の
測定は、下記の方法に従った。又、使用したポリビニル
ピロリドンは、すべて米国GAF社製（国内販売：五協産
業株式会社）であり、使用グレードは、Ｋ値で示した。

（１） 分画分子量の測定（蛋白質希薄溶液系） 膜面積120cm²の小モジュールを組み、各標識蛋白質20
0ppmを含有する生理食塩水を濾過し、阻止率を測定し
た。使用した蛋白質は、チトクロームＣ（分子量:1240
0）、トリプシン（分子量:23000）、卵アルブミン（分
子量:47000）、牛アルブミン（分子量:67000）、γ−グ
ロブリン（分子量:156000）である。これにより得られ
た分子分画曲線より95％阻止点の分子量を分画分子量と
した。

（２） 平均孔径の算出 前記（１）の分子分画曲線より、50％阻止点に相当す
る分子量を求め、下記式［D.M.Green等、アメリカン
ソサイエティオブアーティフィシャルインターナルオル
ガン第627頁以降、1976］より分子径を求めた。得られ
た分子径を、下記式で示される修正細孔理論の式［竹
沢他、人工臓器13巻６号1460頁以降、1984年］に代入し
て平均孔径（dp）を求めた。

ds＝1.32×（分子量）^1/3 sc＝0.5＝｛２（１−ｑ）²−（１−ｑ）⁴｝｛１−（2/
3）ｑ²−0.202q⁵｝／｛１−0.759q⁵｝ （ここで、ｑ＝ds/dp,ds:式で得られた分子径、dp:
平均孔径、sc:ふるい係数） （３） 血漿系での透過率測定 120cm²の小モジュールを用い、ヒトβ₂−ミクログロ
ブリン（シグマ社製）加牛血漿（β₂−ミクログロブリ
ン濃度5mg/l）を2ml/分の流量設定で、濾過圧100mmHgの
条件下で４時間通液した。得られた濾液、入口側液、出
口側液各々のβ₂−ミクログロブリン濃度を測定した。
４時間目の値を使用して、下記式より透過率を求め
た。

アルブミンの透過率も同様にして求めた。

（４） 限外濾過速度の測定 120cm²の小モジュールを用い、一方を閉鎖し他端から
生理食塩水を導入した。限外濾過圧力を200mmHgとし、1
5分間の限外濾過を行なった。中空糸膜を介して得られ
た濾過量を、膜面積及び濾過圧力で換算し、限外濾過速
度として表示した。

（５） 中空糸膜の破裂強度の測定 長さ25cmの中空糸膜100本よりなる小モジュールを組
み、一方は中空糸内部をエポキシ樹脂で目詰めをした、
開放になっている他端から窒素ガスで圧力をかけ、徐々
に昇圧した。中空糸膜が破裂した時点の圧力を破裂強度
とした。

（実施例） （実施例１） アクリロニトリル92重量％、アクリル酸メチル６重量
％、アクリル酸1.5重量％、メタリルスルホン酸ソーダ
0.5重量％からなる重合体を、水系懸濁重合で得た。該
重合体を70％硝酸に溶解し、重合体濃度13％の紡糸原液
を得た。該原液を、鞘芯型中空糸用口金の鞘部より吐出
し、芯部より20重量％のポリビニルピロリドン（Ｋ−1
5）水溶液を導入した。空中走行の後、50℃の水中へ導
入し中空糸状を形成させた。水洗工程を経て、40wt％の
グリセリン水溶液中で40℃×６時間浸漬した。然る後、
40℃の真空乾燥機内で乾燥して、内径230μｍ、膜厚30
μｍの中空糸膜を得た。得られた中空糸膜を小モジュー
ルに組み、前述の方法で分画分子量及び平均孔径を求め
た。その結果、下記の結果が得られた。平均孔径120
Å、分画分子量90000、及びMW₉₅/MW₅₀＝1.5であった。
又、血漿系でのβ₂−ミクログロブリン及びアルブミン
の透過率は、各々、0.55及び0.002であり、限外濾過速
度は、480ml/m²・hr・mmHgであった。得られた中空糸膜
は最内層部に平均孔径が100Å〜200Åの孔を有し、外表
面にかけて微多孔質構造であった。破裂強度は8Kg/cm²
であった。

（実施例２） アクリロニトリル96重量％、アクリル酸3.5重量％、
メタリルスルホン酸ソーダ0.5重量％からなるPAN系重合
体を、ジメチルホルムアミドに溶解し重合体濃度17％の
紡糸原液を得た。該原液を、50℃に保ち、鞘芯型中空糸
用口金の鞘部より吐出し、芯部より15重量％のポリビニ
ルピロリドン（Ｋ−15）水溶液を導入した。吐出した糸
条を空中走行させ、40℃の水中へ導入し中空糸状を形成
させた。以下実施例−１と同様にして乾燥中空糸膜を得
た。得られた中空糸膜を実施例−１と同様にして測定し
た結果、次の値が得られた。分画分子量89000、平均孔
径110Å、MW₉₅/MW₅₀＝2.1及び血漿系でのβ₂−ミクログ
ロブリン及びアルブミンの透過率は、各々、0.51及び0.
002であり、限外濾過速度は、320ml/m²・hr・mmHgであ
った。又、得られた中空糸膜の構造は、最内層部に平均
孔径が100Å〜200Åの層を有し、外表面にかけて微多孔
質な構造であった。破裂強度は9.5Kg/cm²であった。

（実施例３） アクリロニトリル90重量％、アクリル酸メチル８重量
％、アクリル酸1.5重量％、メタリルスルホン酸ソーダ
0.5重量％からなるPAN系重合体を用い、10重量％の重合
体濃度となるよう70％硫酸に溶解した。該原液を、鞘芯
型中空糸用口金の鞘部より吐出し、芯部より20重量％の
ポリビニルピロリドン（Ｋ−30）水溶液を導入した。空
中走行の後、50℃の水中へ導入し、中空糸状を形成させ
た。実施例−１と同様の方法で乾燥中空糸膜を得た。内
径235μｍ、膜厚35μｍであった。実施例−１と同様の
方法で、分画分子量及び平均孔径を求めた。その結果、
下記の値が得られた。平均孔径150Å、分画分子量11000
0、及びMW₉₅/MW₅₀＝1.8であり、限外濾過速度は、643ml
/m²・hr・mmHgであった。得られた中空糸膜の最内層部
に平均孔径が100Å〜200Åの層を有し、外表面にかけて
多孔質構造であった。破裂強度は6Kg/cm²であった。

（実施例４） 実施例１で用いたポリビニルピロリドン水溶液を、表
１に示す種々のポリビニルピロリドン水溶液系に変更し
た以外は、実施例１に示す条件と同一条件で中空糸膜を
作成し、同様の測定を実施した。得られた結果を一括し
て表１に示す。

得られた中空糸膜は、いずれも最内層部に平均孔系が
100Å〜200Åの層を有し、外表面にかけて微多孔質構造
であった。

（比較例１） 実施例１で用いたポリビニルピロリドン水溶液のかわ
りに、水及び硝酸水溶液を用いた以外は実施例１と同一
条件で中空糸膜を作成し、測定した。その結果を一括し
て表２に示す。いずれも最外層にかけて５μｍ以上の巨
大空孔を有し、破裂強度が低かった。

（比較例２） 従来技術で得られた中空糸膜の水系の限外濾過速度を
表３に引用して示す。

（発明の効果） 本発明のPAN系中空糸膜は、溶質分離能及び溶質透過
性に優れ、高い限外濾過性能を有するとともに、巨大空
孔を有しないため機械的強度にも優れている。特に、医
療分野における血液透析膜及び血液濾過膜として好適で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明で得られる中空糸膜の模式図を示す。
第２図は、本発明で得られた中空糸膜の繊維の形状を示
す走査型電子顕微鏡写真である。第３図は分子分画曲線
の１例を示す。 １……平均孔径が100Å〜200Åの層 ２……微多孔質構造 ３……最外層部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｄ０１Ｆ 6/38 Ｄ０１Ｆ 6/38 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B01D 71/42 B01D 69/08 D01F 6/18 D01F 6/38 A61M 69/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中空糸の最内層部に、平均孔径が100Å〜2
   00Åの層を有し、内層部から最外層部にかけて、上記最
   内層部よりも大きな孔からなり、巨大空孔が存在しない
   孔径が５μｍ以下の空孔からなる微多孔質構造を有し、
   蛋白質希薄溶液系における分画分子量が６万から15万で
   あり、且つ分子分画曲線で阻止率50％に対応する分子量
   Ｍ₅₀の、阻止率95％に対応する分子量Ｍ₉₅に対する比θ
   ＝Ｍ₉₅/M₅₀が2.5以下であることを特徴とするポリアク
   リロニトリル系中空糸膜。
2. 【請求項２】ポリアクリロニトリル系重合体溶液から鞘
   芯型中空糸用口金を用いてポリアクリロニトリル系中空
   糸膜を製造するに際し、芯部より濃度５〜50重量％のポ
   リビニルピロリドン水溶液又は水溶液系溶液を注入する
   ことを特徴とするポリアクリロニトリル系中空糸膜の製
   造法。