JP3656303B2 - 高気体透過性シリコーンゴム中空糸及びそれを使用した人工肺 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は低膜厚、小口径（膜外径）で機械的強度が大きく、かつ高い気体透過性を有するシリコーンゴム中空糸およびそれを使用した人工肺に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
心臓外科領域における体外循環や心臓手術において、人工肺は広く使用されている。人工肺は血液と酸素の接触の方法により、フィルム型人工肺、気泡型人工肺、膜型人工肺等の幾つかのタイプに分類される。近年、特にその有利な特性（生理的条件、酸素化能）により、膜型人工肺が使用されるケースが多くなっており、その中でも特に中空糸膜型人工肺の占める割合は大きい。
中空糸膜型人工肺において、抗血栓性や気体透過性の改善のために、膜の素材や形状における研究が盛んに行われてきた。
抗血栓性の改善の目的には、例えばヘパリン等の抗血栓性材料を固定したものであるとか、或は血液適合性とされているシリコーンやポリスルフォンの素材を使用したもの等が提案されている。
また、気体透過性の改善の目的には、素材自体が高気体透過性であるシリコーンを選択したり、或は中空糸の径や厚みを薄くすることで、高気体透過性を実現した膜等が提案されている。
径や厚みを薄くすることのできる中空糸としては、機械的強度が大きいポリオレフィン製の膜を挙げることができる。該ポリオレフィン製の膜は、気体透過性に劣るため多孔質膜にして使用することが一般的である。しかし、多孔質膜は長時間血液と接触すると、膜が親水化され、血液漏出が起こる。多孔質膜はこの血液漏出のために性能低下が起こり、問題となっていた。
一方、シリコーンゴムは均質膜であるため、血液漏出が基本的になく、長時間の使用が可能である。また、シリコーンゴムは血液適合性及び気体透過性に優れているので、素材としては人工肺用の膜に最適のものであるが、シリコーンゴムは柔軟で機械的強度が小さいという欠点を有するため、低膜厚、小口径（膜外径）化が難しく、かつ膜厚の薄い中空糸を製造したり、加工する際に糸切れや伸び等の問題があり、品質基準が管理しにくいという欠点があったので高効率の膜の作製は困難であった。
その結果、膜全体としての性能や気体透過性（特に炭酸ガスの透過性）は多孔質の膜に比べて劣っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は機械的強度に優れ、且つ内径、及び膜厚の小さい気体透過性の優れた血液処理用中空糸、特に人工肺用中空糸を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１は、内径が１４０〜２６０μｍ、膜厚が３０〜５０μｍおよび外径が２００〜３６０μｍで、且つ軸方向の破断強度８００ｇ／ｍｍ²以上、好ましくは１０００〜１６００ｇ／ｍｍ²で、破断伸びが３００〜６００％であることを特徴とする血液処理用シリコーン中空糸にある。
本発明の中空糸は、その破断強度が８００ｇ／ｍｍ²未満のように小さすぎると、該中空糸を人工肺等の製造のため加工する際に糸切れが起きやすく、取り扱いにくい。逆に破断強度が１６００ｇ／ｍｍ²を越えるように大きすぎると、該中空糸を巻き取りにくく、また、巻き取ったものが嵩高くなって好ましくない。
また、その破断伸びが３００％未満のように小さすぎると、該中空糸を人工肺等の製造のため加工する際に糸切れ等の原因となり、逆に６００％を越えるように大き過ぎると、均一な層の中空糸として品質基準が保持できず、人工肺等の使用には好ましくない。
本発明のシリコーン中空糸の断面形状は、血液の流れ易さ、血液との接触表面積等の点から実質的に円形状であることが望ましい。
また、その寸法としては、中空糸の内径は１４０〜２６０μｍ、より好ましくは１８０〜２２０μｍである。内径が大きいと単位体積当たりに収容できる中空糸の本数が少なくなり、そのために血液に接触できる中空糸の表面積が低減する。また、内径があまり小さいと、ガスの圧力損失が増大し、膜内腔を通過するガス流量も減少するためガス交換率が低下する。
中空糸の膜厚は好ましくは３０〜５０μｍ、さらに好ましくは３０〜４０μｍである。前記膜厚が５０μｍより大きいと気体透過性が減少するが、膜厚が３０μｍより小さくなると、シリコーンゴムの素材では製造工程上、連続してシリコーン膜を製造するのが困難であり、人工肺として使用可能な均一な層の中空糸を製造することが困難である。
また、硬度はＪＩＳ Ｋ ６３０１スプリング式硬さ試験によって６０〜８０のものが好ましい。
中空糸の構造は、血液処理用の中空糸として長時間使用したときの性能低下（血液漏出が起きたり、多孔質膜の孔に血しょう蛋白が付着して性能が落ちる）がみられない膜全体が実質的に同等の透過性を有する均質層であることが好ましい。
【０００５】
本発明の中空糸の製造法は、例えば以下のようなものである。
本発明の中空糸を製造するにはシリコーンゴム、加硫剤および必要に応じてその他の添加剤を配合したシリコーンゴム配合物を使用する。
シリコーンゴムは、医療用として使用できるものならば良く、例えばミラブルタイプ、液状タイプ等が挙げられるが、特にその種類は制限されるものではない。
使用する加硫剤としては、例えば有機過酸化物のベンゾイルパーオキサイド、ビス−２，４−ジクロロパーオキサイド、ｔ−ブチルパーベンゾエート、ジクミルパーオキサイドおよびこれらの混合物が挙げられる。該加硫剤の添加量はシリコーンゴム１００重量部に対して０．０５〜５重量部の範囲とするのが好ましい。
前記シリコーンゴム配合物を押し出しに先立って、ミラブルゴムタイプの場合には２本のロール、ニーダー等を使用して、また液状タイプゴムの場合には撹拌機ミキサー等を用いて均一な配合物を調製する。この予備加硫前のシリコーンゴム配合物は、そのウィリアムス可塑度が３５０〜５００であるものが好ましい。シリコーンゴム配合物のウィリアムス可塑度が３５０より小さいと引き伸ばしたりする際の潰れの生じる原因となり、また５００より大きいと糸切れが起きたり、膜厚が不均一になり、中空糸として品質基準が保持できず好ましくない。
前記シリコーンゴム配合物を所定の形状の中空糸に押し出し、次に該中空糸を１０ｍ／ｍｉｎ以上、好ましくは６０〜９０ｍ／ｍｉｎの成形（巻き取り）速度で引き伸ばしながら予備加硫した後、本（二次）加硫を行って中空糸を形成する。
前記成形速度が９０ｍ／ｍｉｎより速すぎると、糸切れが起きたり、中空糸が均一に引き伸ばせないので好ましくない。逆に成形速度が遅いと、製造効率が低下する。
前記予備加硫温度としては、成形速度が６０〜９０ｍ／ｍｉｎのときには、４００〜５００℃が好ましく、また、前記成形速度を大きくする程加硫温度を上昇させるのが好ましい。
【０００６】
前記のようにシリコーンゴム素材の種類あるいは製造条件を適当に組み合わせることによって、前記のような内径が１４０〜２６０μｍ、膜厚が３０〜５０μｍ、従って外径が２００〜３６０μｍで、且つ軸方向の破断強度が８００ｇ／ｃｍ²以上で、破断強度が３００〜６００％であるような、低膜厚、小口径（膜外径）化され、かつ機械的強度が大きく、さらには高い気体透過性を同時に実現できた新規なシリコーンゴム血液処理用中空糸が得られた。
【０００７】
本発明の第２は、上述した高い気体透過性の新規なシリコーンゴム血液処理用中空糸を組み込んだ人工肺、さらには該人工肺を使用した人工心肺装置にある。
例えば、上記のようにして得た中空糸により人工肺モジュールを作製し、得られたモジュールの気体透過性によって、中空糸の性能を評価したところ、前記中空糸の気体透過性は、酸素ガス移動量；２．５〜５．０×１０⁴ｃｃ／ｍ²・ｈｒ・ａｔｍ、炭酸ガス移動量；１２．５〜２５．０×１０⁴ｃｃ／ｍ²・ｈｒ・ａｔｍであり、前記人工肺に組み込んだ中空糸はＩｎ ｖｉｔｒｏ試験において十分なガス交換能を有していた。
以下、本発明の具体的な実施例を示し本発明を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【０００８】
［実施例１］
シリコーンゴム１００部に対して、有機過酸化物系のシリコーンゴム用加硫剤を０．９０部の割合で添加した後、２本ロールを使用して室温で混練りしてウィリアムス可塑度が３５０〜５００のシリコーンゴム原材料を得た。シリコーンゴム用押出機で前記ゴム原材料を押し出し、４００℃の加硫温度で予備加硫しながら成形速度６０ｍ／ｍｉｎで引き伸ばして中空糸を得た。この得られた中空糸の物性あるいは機械的特性および形状の測定を行った。該中空糸の内径：１７３．８ｍｍ、膜厚：４１．５ｍｍであり、機械的強度としては破断強度：１００２．３ｇ／ｍｍ²、破断伸び３８６．７％であった。得られた中空糸の気体透過性は酸素ガス移動量；３．１×１０⁴ｃｃ／ｍ²・ｈｒ・ａｔｍ、炭酸ガス移動量；１４．９×１０⁴ｃｃ／ｍ²・ｈｒ・ａｔｍであった。
【０００９】
［比較例１］
シリコーンゴム１００部に対して、有機過酸化物系のシリコーンゴム用加硫剤及び金属錯体を含む加硫剤をそれぞれ０．２７部、０．０３５部の割合で添加した以外は、上記の条件と同じようにしてウィリアムス可塑度が２７０〜３００のシリコーンゴム原材料を得た。押出機で前記ゴム原材料を押し出し、５７０℃の加硫温度で予備加硫しながら成形速度６０ｍ／ｍｉｎで引き伸ばして中空糸を得た。実施例１と同じように、上記の条件で作製した中空糸の測定を行った。該中空糸の内径：２６５．３ｍｍ、膜厚：７３．９ｍｍであり、機械的強度としては破断強度：８７９．１ｇ／ｍｍ²、破断伸び５６２．１％であった。得られた中空糸の気体透過性は酸素ガス移動量；１．９ｃｃ／ｍ²・ｈｒ・ａｔｍ、炭酸ガス移動量；１０．０ｃｃ／ｍ²・ｈｒ・ａｔｍであった。
【００１０】
［実施例２］
実施例１と同様にして、内径１９３μｍ、外径２７３μｍ、膜厚４０．０μｍのシリコーン中空糸を成形し、該中空糸の約１０，０００本を使用して、有効膜面積５．１ｍ²の人工肺モジュールを作製した。該中空糸外部にウシ血液をシングルパスで６．０ｌ／ｍｉｎの流量で流し、中空糸内部に純酸素６．０ｌ／ｍｉｎの流量で流したときの、中空糸を介しての酸素ガス移動量及び炭酸ガス移動量を算出した。流出したウシ血液の各パラメーターはＨｂ；１２±１ｇ／ｄｌ、温度；３７±１℃、静脈血酸素飽和度；６５±５％、静脈血炭酸ガス分圧；４５±５ｍｍＨｇ、ＢＥ（Ｂａｓｅ Ｅｘｃｅｓｓ）；０±５ｍｍｏｌ／ｌであり、前記モジュールは酸素移動量４０４ｍｌ／ｍｉｎ、炭酸ガス移動量２４７ｍｌ／ｍｉｎと高いガス交換能を示した。
【００１１】
次に本発明の実施態様を示す。
１．内径が１４０〜２６０μｍ、膜厚が３０〜５０μｍおよび外径が２００〜３６０μｍのシリコーンゴム中空糸であり、かつ軸方向の破断強度が８００ｇ／ｍｍ²以上で、破断伸びが３００〜６００％であることを特徴とする血液処理用中空糸。
２．軸方向の破断強度が８００〜１６００ｇ／ｍｍ²である前記１の血液処理用中空糸。
３．硬度が６０〜８０度である前記１または２記載の血液処理用中空糸。
４．断面形状が実質的に円形状で、且つ全体が均質な層からなるシリコーンゴム中空糸である前記１、２または３の血液処理用中空糸。
５．中空糸の気体透過性が、酸素ガス移動量が２．５〜５．０ｃｃ／ｍ²・ｈｒ ・ａｔｍ、炭酸ガス移動量が１２．５〜２５．０ｃｃ／ｍ²・ｈｒ・ａｔｍであることを特徴とする前記１、２、３または４の血液処理用中空糸。
６．ウィリアムス可塑度が３５０〜５００のシリコーンゴム配合物を所定の形状の中空糸に押し出し、次に該中空糸を１０ｍ／ｍｉｎ以上の成形速度で引き伸ばしながら予備加硫し、更に本（二次）加硫を行うことを特徴とする前記１、２、３、４または５の血液処理用中空糸の製造方法。
７．予備加硫温度が４００℃で成形速度が６０〜９０ｍ／ｍｉｎである前記６の血液処理用中空糸の製造方法。
８．成形された中空糸の硬度がＪＩＳ Ｋ ６３０１スプリング式硬さ試験によって６０〜８０である前記６または７の血液処理用中空糸の製造方法。
９．前記１、２、３、４または５の血液処理用中空糸を使用したことを特徴とする人工肺。
１０．人工肺が中空糸膜型である前記９の人工肺。
１１．前記９または１０の人工肺を用いたことを特徴とする人工心肺装置。
【００１２】
【効果】
本発明のシリコーンゴム中空糸は機械的強度の点で優れているため、製造・加工時の糸切れ、伸び等の問題が低減する。また、前記シリコーンゴム中空糸は優れた機械的強度を有するため、中空糸の径を細く、膜厚を薄くすることが可能になる。従って、中空糸の径を細くできるので、該中空糸を人工肺に組み込む際に、単位体積当たりに収容できる中空糸本数が増加し、その結果血液に接触できる表面積が増加し単位体積当たりのガス交換能が増加するし、同じガス交換能を有する人工肺を製作するのであれば、そのサイズを小型化することができ、装置の簡略化、プライミングボリュームの低減化等が可能となる。また、膜厚を薄くすることができるので膜の気体透過性をさらに向上させることができ、したがって人工肺のサイズをさらに小型化することができる。

Claims (6)

1. 内径が１４０〜２６０μｍ、膜厚が３０〜５０μｍおよび外径が２００〜３６０μｍのシリコーンゴム中空糸であり、かつ軸方向の破断強度が８００ｇ／ｍｍ²以上で、破断伸びが３００〜６００％であることを特徴とする血液処理用中空糸。
2. シリコーン中空糸が実質的に円形状で、且つ全体が均質な層からなるシリコーンゴム中空糸であることを特徴とする請求項１記載の血液処理用中空糸。
3. 中空糸の気体透過性が、酸素ガス移動量が２．５〜５．０×１０⁴ｃｃ／ｍ²・ｈｒ・ａｔｍ、炭酸ガス移動量が１２．５〜２５．０×１０⁴ｃｃ／ｍ²・ｈｒ・ａｔｍであることを特徴とする請求項１または２記載の血液処理用中空糸。
4. ウィリアムス可塑度が３５０〜５００のシリコーンゴム配合物を所定の形状の中空糸に押し出し、次に該中空糸を１０ｍ／ｍｉｎ以上の成形速度で引き伸ばしながら予備加硫し、更に本（二次）加硫を行うことを特徴とする請求項１、２または３記載の血液処理用中空糸の製造方法。
5. 予備加硫温度が３５０〜５００℃で成形速度が６０〜９０ｍ／ｍｉｎである請求項４記載の血液処理用中空糸の製造方法。
6. 請求項１、２または３記載の血液処理用中空糸を使用したことを特徴とする人工肺装置。