JP3803421B2 - 気体交換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、体外血液循環回路に接続して人工肺としての使用をはじめ、液相−気相間ガス交換器としての人工えら、液体、気体への酸素富化器及び脱酸素器などに使用できる、シリコーン膜中空糸を用いた気体交換装置に関すものである。
【０００２】
【従来の技術】
（従来例１）
従来の気体交換装置としては、例えば膜型人工肺（特公平３−６０５０８号）が知られている。
【０００３】
この膜型人工肺は、ガス流路を形成する貫通した微細孔を有する多孔質ガス交換膜を介してガス交換を行う膜型人工肺であって、その多孔質ガス交換膜の微細孔に微粒子を保持させてガス流路の横断面積を低減し、さらに微粒子または微粒子間に血液抗凝固剤を保有させたものである。
【０００４】
この人工肺によれば、微細孔内に微粒子または微粒子間に血液抗凝固剤を保持することにより、長期循環時における血液成分（例えば、水分、血漿）の漏出を防止でき、かつガス交換膜表面部での血栓の発生を防止できるので、少ないへパリン投与量で体外循環を行うことができる。
【０００５】
（従来例２）
このほか、「シリコーン膜中空糸（膜厚５０〜１５０μｍ）」を使用した気体交換装置、例えば、抗血栓繊維型人工肺（特開昭６３−９７１７２号）も知られている。
【０００６】
この人工肺は、中空繊維膜の外表面に親水性単量体をグラフト重合し、これをハウジング内に収納して中空繊維膜の外側に血液を流すとともに、内側に酸素含有気体を流すようにした中空繊維型のものである。
【０００７】
この人工肺によれば、親水性単量体をグラフト重合して抗血栓性処理をした中空繊維膜外表面と血液とが接触するので、血栓が生成しにくい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来例１の気体交換装置にあっては、「多孔質中空糸」を使用し、血漿流出（シーラムリーケージ）を防止するために、微細孔内に微粒子等を保有させており、実施例２の気体交換装置にあっては、膜厚の厚い「シリコーン膜中空糸」を使用しているので、単位膜面積当たりの気体交換率が悪い。
【０００９】
このため、気体交換量を多くすると、装置（人工肺）が大型になり、その結果、装置（人工肺）に満たされる血液の量、つまり、プライミングボリュームが大きくなる。逆に、プライミングボリュームを小さくすると、装置は小型になるが、気体交換量が減少し、したがって、気体交換率が下がる、という問題があった。
【００１０】
この発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたもので、小型で、気体交換率が大きく、かつプライミングボリュームの小さい、高性能の気体交換装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明が提供する気体交換装置は、基本的には、図１に示す形状、構造になっている。
【００１２】
すなわち、複数本のシリコーン膜中空糸１を綾巻き状に集束してなる中空糸モジュールＭ1 を、ハウジングＨ1 の中に収納し、その中に、中空糸モジュールＭ1 の内部灌流路と外部灌流路を形成するとともに、前記ハウジングＨ1 に、前記内部灌流路に通ずる気体または液体の第１入口Ａと第１出口Ｂを、前記外部灌流路に通ずる液体または気体の第２入口Ｃと第２出口Ｄを、それぞれ設けた構造になっている。
【００１３】
上記シリコーン膜中空糸１としては、例えば、本件出願人の先の出願（特願平７−１５９８９９号）において提案した、下記（ａ）〜（ｅ）の組成分からなるシリコーンゴム組成物を用いた、外径が４００μｍ以下、膜厚が５０μｍ以下、引張り荷重（Ｍ100 ）（１００％モジュラス、すなわち、１００％延伸荷重）が５ｇ以上の中空糸が使用される。
【００１４】
（ａ）２５℃で１０，０００〜１０，０００，０００ポイズの粘度を有する少なくとも２個のアルケニル基を含有するオルガノポリシロキサンを１００重量部
（ｂ）下記式
Ｒ３ＳｉＯ１／２（式中、Ｒは炭素数１〜１０の非置換または置換一価炭化水素基を示す。）
で示されるトリオルガノシロキシ単位及びＳｉＯ２単位とから本質的に構成され、ＳｉＯ２単位に対するトリオルガノシロキシ単位のモル比が０．６〜１．２の範囲であるオルガノポリシロキシサン共重合体を５〜５０重量部
（ｃ）１分子当たり少なくとも２個のケイ素原子直結水素原子を含有するオルガノ水素シロキサンを、（ａ），（ｂ）成分のビニル基に対し０．５〜１０倍モルになるケイ素原子直結水素原子を供給する量
（ｄ）触媒量の白金または白金化合物
（ｅ）比表面積５０ｍ２／ｇ以上の微粉末シリカを１０〜１５０重量部
上記シリコーン膜中空糸１の製造は、押し出し機のダイスとニップルの間から前記シリコーンゴム組成物を押し出して加硫炉で加熱、加硫しながら延伸加工する際に、ダイスとニップルの間から押し出されるチューブの断面積Ｓ１と延伸加工したチューブの断面積Ｓ２の比であらわされる延伸断面積比Ｓ１：Ｓ２ を１：０．０１とすることによって行われる。
【００１５】
中空糸モジュールＭ1 は、例えば、図１に示すように、シリコーン膜中空糸１を巻き芯２に、交差角（θ）３０〜１６０度で綾巻きして両端部の中空糸相互間をシリコーン樹脂で密封シールし、しかるのち、その両端シール部を径方向に切断してシリコーン膜中空糸１の両端末を開口させることによって作られる。したがって、中空糸モジュールＭ1 は、一定の長さのシリコーン膜中空糸１が巻き芯２を中心に綾巻き状に集束された形状なっている。中空糸モジュールＭ1 の断面形状は円形である。
【００１６】
シリコーン膜中空糸１は、外径４００μｍ以下、膜厚５０μｍ以下の範囲において、内径と外径がそれぞれ同一のものを１種類使用してもよいし、内径が同一で、外径が異なるものを複数種類使用してもよい。
【００１７】
シリコーン膜中空糸１の集束密度は、均一であってもよいし、不均一であってもよい。シリコーン膜中空糸１のハウジングＨ1 の内容積に対する容積比率（中空糸膜充填量）は１０〜７０％が好ましい。
【００１８】
ハウジングＨ1 は、図１に示すように、円筒の両端開口部を閉塞した断面形状が円形の円筒体で、第１入口Ａと第１出口ＢはハウジングＨ1 の両端壁にそれぞれ設けられている。第２入口Ｃと第２出口ＤはハウジングＨ1 の側壁に長さ方向に一定の間隔をおいて径方向に１８０度間隔で設けられている。ハウジングＨ1 は、断面形状が楕円形であってもよい。この場合、中空糸モジュールＭ1 の断面形状も、ハウジングＨ1 に合わせて楕円形にする。
【００１９】
中空糸モジュールＭ1 は、ハウジングＨ1 の中に収納され、その両端部のシール部３とハウジングＨ1 の間がシリコーン樹脂でシールされている。そして、巻き芯２の両端はシリコーン樹脂で閉塞されている。
【００２０】
収納状態においては、上述のように、ハウジングＨ1 の中に中空糸モジュールＭ1 の内部灌流路と外部灌流路が形成されている。内部灌流路は、シリコーン膜中空糸１の中に形成される流路で、第１入口Ａと第２出口Ｂに通じている。外部灌流路は、シリコーン膜中空糸の外に形成される流路で、第２入口Ｃと第２出口Ｄに通じている。
【００２１】
図２〜図９に示す気体交換装置は、図１の変形例を例示したものである。この発明は、これらの構成も包含する。
【００２２】
図２と図３の気体交換装置は、それらのハウジングＨ2 とＨ3 の形状が図１と異なる。すなわち、図１のハウジングＨ1 を湾曲させてへの字形とＵ字形にした例である。
【００２３】
図４，図５及び図６の気体交換装置は、それらのハウジングＨ4 、Ｈ5 及びＨ6 を、長さ方向の径が一端から他端にかけて漸減する形状にした例である。
【００２４】
図２〜図６の気体交換装置に使用する中空糸モジュールＭ2 、Ｍ3 、Ｍ5 、Ｍ6 は、その巻き芯を抜き取ってからハウジングＨ2 、Ｈ3 、Ｈ5 とＨ6 に収納される。また、図４〜図６の中空糸モジュールＭ4 〜Ｍ6 を綾巻きする場合には、径の小さい方の集束密度を相対的に大きくする。
【００２５】
図７は、図１の気体交換装置を、隔壁６を介して、２個連結した直列構造のものである。図中、Ａ，Ｅは第１入口、Ｂ，Ｆは第１出口、Ｃ，Ｇは第２入口、Ｄ，Ｈは第２出口である。
【００２６】
直列構造の気体交換装置は、例えば、次のように利用できる。すなわち、一方の装置の第１入口Ｅを閉じて第１出口Ｆにおいて減圧することにより、第２入口Ｇから導入して第２出口Ｈから排出する静脈血の中のＣＯ2 ，Ｎ2 ，Ｏ2 の各ガスを抜き取る。そして、これを他方の装置の第２入口Ｃに導いて第１入口Ａから導入したＮ2 ，Ｏ2 ガスと微量のＣＯ2 を供給して動脈血とし、これを第２出口Ｄから取り出すことができる。
【００２７】
図８の気体交換装置は、中空糸モジュールＭ7 の巻き芯４を延長してハウジングＨ7 の外に出し、これを外部灌流路に通ずる第２入口Ｃとし、ここから巻き芯４に設けた穴５を通して液体または気体を外部灌流路に導入して第２出口Ｄから排出するように構成したものである。
【００２８】
図９の気体交換装置は、図７の直列構造の気体交換装置における左側の装置を、図８の気体交換装置に置き換えた構造のものである。
【００２９】
図２〜図９に示す気体交換装置の上記以外の構成は、図１に示すそれと本質的に異なるところはない。
【００３０】
【作用】
（１）この発明においては、外径が４００μｍ以下、膜厚が５０μｍ以下、引張り荷重（Ｍ100 ）が５ｇ以上の細くて膜厚が薄く、かつ充分な強度を有するシリコーン膜中空糸を使用するので、同中空糸１を綾巻きする場合に、テンションをかけても、伸びや巻き締めが生じなくなる。
【００３１】
このため、中空糸モジュールを任意の密度で形成することができる。また、ハウジングの内容積に対するシリコーン膜中空糸の容積比率を任意に設定できる。このとき、異なるサイズの中空糸を用いれば、集束密度を変えたのと同じ効果が得られる。
【００３２】
また、この発明においては、中空糸モジュールにおけるシリコーン膜中空糸の集束密度と交差角とハウジングの内容積に対する容積比率（中空糸膜充填量）を任意に設定できるとともに、ハウジングの形状を任意に設定できる。
【００３３】
このため、内部、外部灌流路における気体または液体の流れ、特に、外部灌流路における気体または液体の乱流を任意に制御して気体交換率を上げることができる。
【００３４】
したがって、この発明によれば、ハウジングの単位容積当たりの気体交換率を上げることができる。また、気体交換率を上げることができるので、装置を小型にすることができるとともに、プライミングボリュームを小さくすることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を実施例によって説明する。
【００３６】
実施例では、気体交換装置として、図１に示す構成の人工肺を、下記の要領で製作して、ｉｎ−ｖｉｔｒｏ評価を行ったところ、下記の結果を得た。
【００３７】
Ａ．人工肺の製作
上述した（ａ）〜（ｅ）の組成からなるシリコーンゴム組成物を用いた、外径が４００μｍ、膜厚が５０μｍ、引張り荷重（Ｍ100 ）が５ｇのシリコーン膜中空糸１を綾巻き状に集束して下記のＩ型とII型の中空糸モジュールＭ1 を作り、これらを下記のＩ型とII型のハウジングＨ1 の中にそれぞれ収納し、それぞれのハウジングＨ1 の中に、第１入口Ａと第１出口Ｂに通ずる内部灌流路と第２入口Ｃと第２出口Ｄに通ずる外部灌流路を形成した。
【００３８】
Ｉ型の中空糸モジュール：
外径８mmの巻き芯２を中心にシリコーン膜中空糸１を、４０００本、交差角（θ）１２０度で綾巻き状に均一に集束した、外径５０mm、長さ２００ mm、両端のシール部３の長さ５mmの円筒型のモジュール
II型の中空糸モジュール：
外径８mmの巻き芯２を中心にシリコーン膜中空糸１を、４６００本、交差角θ１２０度で綾巻き状に均一に集束した、外径５７mm、長さ２００mm、両端のシール部３の長さ８mmの円筒型の中空糸モジュール
Ｉ型のハウジング：
内径４８mmφ、長さ２００mmのポリカーボネイト製の両端閉塞の円筒容器で、第１入口Ａと第１出口Ｂ及び第２入口Ｃと第２出口Ｄを設けたハウジング
II型のハウジング：
内径５５mmφ、長さ２００mmのポリカーボネイト製の両端閉塞の円筒容器で、第１入口Ａと第１出口Ｂ及び第２入口Ｃと第２出口Ｄを設けたハウジング
Ｉ型，II型の各中空糸モジュールＭ1 は、外形８mmの巻き芯２に交差角（θ）１２０度でシリコーン膜中空糸１を綾巻きし、両端部の中空糸相互間をシリコーン樹脂で密封シールしてから、その両端シール部を径方向に切断することによって形成した。
【００３９】
Ｉ型、II型の中空糸モジュールＭ1 を構成するシリコーン膜中空糸１のハウジングＨ1 に対する容積比率（中空糸膜充填量）は約３５％である。また、有効膜面積はＩ型の中空糸モジュールで１．６ｍ2 、II型の中空糸モジュールで２ｍ2 であった。
【００４０】
上記シリコーン膜中空糸１の膜の破断強度は、９５０〜１２００ｇ／mm2 であり、従来のシリコーン膜中空糸のそれに比べ、約２倍であった。
【００４１】
Ｉ型とII型の中空糸モジュールＭ1 の内部灌流路と外部灌流路は、ハウジングＨ1 と中空糸モジュールＭ1 のシール部３との間をシリコーン樹脂でシールするとともに、巻き芯２の両端部をシリコーン樹脂で閉塞することによって形成した。
【００４２】
中空糸モジュールＭ1 のハウジングＨ1 への収納状態においては、Ｉ型、II型いずれの場合も、ハウジングＨ1 の中に中空糸モジュールＭ1 の内部灌流路と外部灌流路が形成される。そして、第１入口Ａと第１出口Ｂは内部灌流路の出入口となり、第２入口Ｃと第２出口Ｄは外部灌流路の出入口となる。
【００４３】
実施例においては、上述のようにして構成したＩ型の中空糸モジュールとＩ型のハウジングからなるＩ型の人工肺を３本、II型の中空糸モジュールとII型のハウジングからなるII型の人工肺を３本、それぞれ製作し、次のｉｎ−ｖｉｔｒｏ評価に供した。
【００４４】
Ｂ．人工肺のｉｎ−ｖｉｔｒｏ評価
製作したＩ型の人工肺とII型の人工肺のｉｎ−ｖｉｔｒｏ評価を行った。ｉｎ−ｖｉｔｒｏ評価は、新鮮な牛の血液を用いて行った。すなわち、採取時に抗凝固剤としてＡＣＤ−Ａ液を加えた牛の血液を２０リットル用意し、これを市販の人工肺で標準静脈血として、ｉｎ−ｖｉｔｒｏ評価に供した。
【００４５】
血液は、外部灌流路に通し、酸素（ガス）は内部灌流路に供給した。
【００４６】
血液回路は、内径３／８インチのチューブを第２入口Ｃと第２出口Ｄに連結して構成し、その入口Ｃと出口Ｄの近傍に採血及び圧力測定用のポートを設けた。血液の循環はチューブに設けたローラーポンプにて行った。
【００４７】
血液流量は、１，２，３ l/minにて灌流し、酸素流量は、Ｉ型の人工肺では、血液流量（Ｑ）に対する酸素流量（Ｖ）の比（Ｖ／Ｑ）で１及び２にて灌流し、II型の人工肺では、１にて灌流した。
【００４８】
評価は１回灌流法にて行った。人工肺の血液の循環で採血した血液は、コーニング社製の血液ガス分析器で分析して血液ガス性状を求めた。
【００４９】
酸素移動量と炭酸ガス移動量は、血液ガス分析器の分析によって得られた酸素分圧、炭酸ガス分圧、ｐＨ等の値をもとに算出した。
【００５０】
参考のために、Ｉ型，II型の人工肺の各１本について、第２入口Ｃと第２出口Ｄにより圧力の測定を行い、圧力損失を求めた。
【００５１】
シリコーン膜中空糸の機械的強度の参考とするために、血液側とガス側に水を充填し、血液側に５００mmHgの圧力を付加することにより、ガス側の体積変化を充填した水のオーバーフローの量より求めた。また、同様に、ガス側へも圧力を付加し、血液側の体積変化を求めた。
【００５２】
Ｃ．評価結果
図１０及び図１１は気体交換能を示す。酸素移動量に関しては、Ｉ型，II型のいずれの人工肺も、各流量の第２出口Ｄ側の酸素飽和度は９９〜１００％を示した。炭酸ガス移動量は、Ｉ型の人工肺では、血液流量３ l/minのとき、Ｖ／Ｑ＝１にて、１１０±２ml/min、Ｖ／Ｑ＝２にて、１４３±３ml/minであり、気体流量を増加させることで、移動量が３０％上昇した。
【００５３】
一方、II型の人工肺では、同様の血液流量にて、１６１±９ml/minの炭酸ガス移動量を示した。
【００５４】
圧力損失は、Ｉ型、II型の人工肺とも、血液流量に比例して上昇し、各々３ l/minの血液流量では、１９６．６４mmHgを示した。
【００５５】
血液充填量（プライミングボリューム）は、Ｉ型の人工肺で１５０ml、II型の人工肺で２４０mlであった。圧力付加による血液充填量の変化の計測では、５００mmHgの付加圧における気体側、血液側の体積変化量は、Ｉ型、II型いずれも、０．２〜０．３ml程度であり、血液充填量の０．１％程度の量であった。
【００５６】
予備的に行った気体による耐圧試験では、５ｋｇ／ｃｍ2 （約３，７６０mmHg）の圧力まで人工肺の気体側へ付加したが、膜の破裂等は確認されなかった。
【００５７】
Ｉ型、II型の人工肺による評価では、気体交換能に関し、評価を行った血流領域において市販の多孔質ポリプロピレン膜中空糸の人工肺との差は見られず、良好な性能を示した。また、従来の膜面積５〜７ｍ2 を有するシリコーン膜中空糸の人工肺と比較しても、約１／３の膜面積にて同等以上の気体交換能を示した。
【００５８】
Ｄ：結論
上述のｉｎ−ｖｉｔｒｏ評価とその結果から以下の結論を得た。
【００５９】
（１）シリコーン膜中空糸１を用いた人工肺は、ポリプロピレン多孔質中空糸を用いた人工肺と同等の気体交換能を示し人工肺として十分な性能を有することが確認された。
【００６０】
（２）シリコーン膜中空糸１は、従来のシリコーン膜中空糸に比較して約１／２のサイズであるため、従来のシリコーン膜中空糸を用いた人工肺に比較して、同体積のハウジングであれば、その中に、２倍近い膜面積を得ることが可能になった。
【００６１】
このため、Ｉ型、II型いずれの人工においても、ハウジングの単位容積当たりの気体交換率を上げることができるともに、プライミングボリュームを小さくすることができた。したがって、小型化も可能になった。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、上述のような構成としたので、小型で、気体交換率が大きく、かつプライミングボリュームの小さい、高性能の気体交換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図７】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図８】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図９】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】 実施例の気体交換装置の気体交換能を示すグラフ
【図１１】 実施例の気体交換装置の気体交換能を示すグラフ
【符号の説明】
Ｈ1 〜Ｈ6 ハウジング
Ｍ1 〜Ｍ6 中空糸モジュール
Ａ，Ｅ 第１入口
Ｂ，Ｆ 第１出口
Ｃ，Ｇ 第２入口
Ｄ，Ｈ 第２出口
Ｓ 閉塞部
１ シリコーン膜中空糸
２，４ 巻き芯
３ シール部
５ 穴
６ 隔壁
【発明の属する技術分野】
この発明は、体外血液循環回路に接続して人工肺としての使用をはじめ、液相−気相間ガス交換器としての人工えら、液体、気体への酸素富化器及び脱酸素器などに使用できる、シリコーン膜中空糸を用いた気体交換装置に関すものである。
【０００２】
【従来の技術】
（従来例１）
従来の気体交換装置としては、例えば膜型人工肺（特公平３−６０５０８号）が知られている。
【０００３】
この膜型人工肺は、ガス流路を形成する貫通した微細孔を有する多孔質ガス交換膜を介してガス交換を行う膜型人工肺であって、その多孔質ガス交換膜の微細孔に微粒子を保持させてガス流路の横断面積を低減し、さらに微粒子または微粒子間に血液抗凝固剤を保有させたものである。
【０００４】
この人工肺によれば、微細孔内に微粒子または微粒子間に血液抗凝固剤を保持することにより、長期循環時における血液成分（例えば、水分、血漿）の漏出を防止でき、かつガス交換膜表面部での血栓の発生を防止できるので、少ないへパリン投与量で体外循環を行うことができる。
【０００５】
（従来例２）
このほか、「シリコーン膜中空糸（膜厚５０〜１５０μｍ）」を使用した気体交換装置、例えば、抗血栓繊維型人工肺（特開昭６３−９７１７２号）も知られている。
【０００６】
この人工肺は、中空繊維膜の外表面に親水性単量体をグラフト重合し、これをハウジング内に収納して中空繊維膜の外側に血液を流すとともに、内側に酸素含有気体を流すようにした中空繊維型のものである。
【０００７】
この人工肺によれば、親水性単量体をグラフト重合して抗血栓性処理をした中空繊維膜外表面と血液とが接触するので、血栓が生成しにくい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来例１の気体交換装置にあっては、「多孔質中空糸」を使用し、血漿流出（シーラムリーケージ）を防止するために、微細孔内に微粒子等を保有させており、実施例２の気体交換装置にあっては、膜厚の厚い「シリコーン膜中空糸」を使用しているので、単位膜面積当たりの気体交換率が悪い。
【０００９】
このため、気体交換量を多くすると、装置（人工肺）が大型になり、その結果、装置（人工肺）に満たされる血液の量、つまり、プライミングボリュームが大きくなる。逆に、プライミングボリュームを小さくすると、装置は小型になるが、気体交換量が減少し、したがって、気体交換率が下がる、という問題があった。
【００１０】
この発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたもので、小型で、気体交換率が大きく、かつプライミングボリュームの小さい、高性能の気体交換装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明が提供する気体交換装置は、基本的には、図１に示す形状、構造になっている。
【００１２】
すなわち、複数本のシリコーン膜中空糸１を綾巻き状に集束してなる中空糸モジュールＭ1 を、ハウジングＨ1 の中に収納し、その中に、中空糸モジュールＭ1 の内部灌流路と外部灌流路を形成するとともに、前記ハウジングＨ1 に、前記内部灌流路に通ずる気体または液体の第１入口Ａと第１出口Ｂを、前記外部灌流路に通ずる液体または気体の第２入口Ｃと第２出口Ｄを、それぞれ設けた構造になっている。
【００１３】
上記シリコーン膜中空糸１としては、例えば、本件出願人の先の出願（特願平７−１５９８９９号）において提案した、下記（ａ）〜（ｅ）の組成分からなるシリコーンゴム組成物を用いた、外径が４００μｍ以下、膜厚が５０μｍ以下、引張り荷重（Ｍ100 ）（１００％モジュラス、すなわち、１００％延伸荷重）が５ｇ以上の中空糸が使用される。
【００１４】
（ａ）２５℃で１０，０００〜１０，０００，０００ポイズの粘度を有する少なくとも２個のアルケニル基を含有するオルガノポリシロキサンを１００重量部
（ｂ）下記式
Ｒ３ＳｉＯ１／２（式中、Ｒは炭素数１〜１０の非置換または置換一価炭化水素基を示す。）
で示されるトリオルガノシロキシ単位及びＳｉＯ２単位とから本質的に構成され、ＳｉＯ２単位に対するトリオルガノシロキシ単位のモル比が０．６〜１．２の範囲であるオルガノポリシロキシサン共重合体を５〜５０重量部
（ｃ）１分子当たり少なくとも２個のケイ素原子直結水素原子を含有するオルガノ水素シロキサンを、（ａ），（ｂ）成分のビニル基に対し０．５〜１０倍モルになるケイ素原子直結水素原子を供給する量
（ｄ）触媒量の白金または白金化合物
（ｅ）比表面積５０ｍ２／ｇ以上の微粉末シリカを１０〜１５０重量部
上記シリコーン膜中空糸１の製造は、押し出し機のダイスとニップルの間から前記シリコーンゴム組成物を押し出して加硫炉で加熱、加硫しながら延伸加工する際に、ダイスとニップルの間から押し出されるチューブの断面積Ｓ１と延伸加工したチューブの断面積Ｓ２の比であらわされる延伸断面積比Ｓ１：Ｓ２ を１：０．０１とすることによって行われる。
【００１５】
中空糸モジュールＭ1 は、例えば、図１に示すように、シリコーン膜中空糸１を巻き芯２に、交差角（θ）３０〜１６０度で綾巻きして両端部の中空糸相互間をシリコーン樹脂で密封シールし、しかるのち、その両端シール部を径方向に切断してシリコーン膜中空糸１の両端末を開口させることによって作られる。したがって、中空糸モジュールＭ1 は、一定の長さのシリコーン膜中空糸１が巻き芯２を中心に綾巻き状に集束された形状なっている。中空糸モジュールＭ1 の断面形状は円形である。
【００１６】
シリコーン膜中空糸１は、外径４００μｍ以下、膜厚５０μｍ以下の範囲において、内径と外径がそれぞれ同一のものを１種類使用してもよいし、内径が同一で、外径が異なるものを複数種類使用してもよい。
【００１７】
シリコーン膜中空糸１の集束密度は、均一であってもよいし、不均一であってもよい。シリコーン膜中空糸１のハウジングＨ1 の内容積に対する容積比率（中空糸膜充填量）は１０〜７０％が好ましい。
【００１８】
ハウジングＨ1 は、図１に示すように、円筒の両端開口部を閉塞した断面形状が円形の円筒体で、第１入口Ａと第１出口ＢはハウジングＨ1 の両端壁にそれぞれ設けられている。第２入口Ｃと第２出口ＤはハウジングＨ1 の側壁に長さ方向に一定の間隔をおいて径方向に１８０度間隔で設けられている。ハウジングＨ1 は、断面形状が楕円形であってもよい。この場合、中空糸モジュールＭ1 の断面形状も、ハウジングＨ1 に合わせて楕円形にする。
【００１９】
中空糸モジュールＭ1 は、ハウジングＨ1 の中に収納され、その両端部のシール部３とハウジングＨ1 の間がシリコーン樹脂でシールされている。そして、巻き芯２の両端はシリコーン樹脂で閉塞されている。
【００２０】
収納状態においては、上述のように、ハウジングＨ1 の中に中空糸モジュールＭ1 の内部灌流路と外部灌流路が形成されている。内部灌流路は、シリコーン膜中空糸１の中に形成される流路で、第１入口Ａと第２出口Ｂに通じている。外部灌流路は、シリコーン膜中空糸の外に形成される流路で、第２入口Ｃと第２出口Ｄに通じている。
【００２１】
図２〜図９に示す気体交換装置は、図１の変形例を例示したものである。この発明は、これらの構成も包含する。
【００２２】
図２と図３の気体交換装置は、それらのハウジングＨ2 とＨ3 の形状が図１と異なる。すなわち、図１のハウジングＨ1 を湾曲させてへの字形とＵ字形にした例である。
【００２３】
図４，図５及び図６の気体交換装置は、それらのハウジングＨ4 、Ｈ5 及びＨ6 を、長さ方向の径が一端から他端にかけて漸減する形状にした例である。
【００２４】
図２〜図６の気体交換装置に使用する中空糸モジュールＭ2 、Ｍ3 、Ｍ5 、Ｍ6 は、その巻き芯を抜き取ってからハウジングＨ2 、Ｈ3 、Ｈ5 とＨ6 に収納される。また、図４〜図６の中空糸モジュールＭ4 〜Ｍ6 を綾巻きする場合には、径の小さい方の集束密度を相対的に大きくする。
【００２５】
図７は、図１の気体交換装置を、隔壁６を介して、２個連結した直列構造のものである。図中、Ａ，Ｅは第１入口、Ｂ，Ｆは第１出口、Ｃ，Ｇは第２入口、Ｄ，Ｈは第２出口である。
【００２６】
直列構造の気体交換装置は、例えば、次のように利用できる。すなわち、一方の装置の第１入口Ｅを閉じて第１出口Ｆにおいて減圧することにより、第２入口Ｇから導入して第２出口Ｈから排出する静脈血の中のＣＯ2 ，Ｎ2 ，Ｏ2 の各ガスを抜き取る。そして、これを他方の装置の第２入口Ｃに導いて第１入口Ａから導入したＮ2 ，Ｏ2 ガスと微量のＣＯ2 を供給して動脈血とし、これを第２出口Ｄから取り出すことができる。
【００２７】
図８の気体交換装置は、中空糸モジュールＭ7 の巻き芯４を延長してハウジングＨ7 の外に出し、これを外部灌流路に通ずる第２入口Ｃとし、ここから巻き芯４に設けた穴５を通して液体または気体を外部灌流路に導入して第２出口Ｄから排出するように構成したものである。
【００２８】
図９の気体交換装置は、図７の直列構造の気体交換装置における左側の装置を、図８の気体交換装置に置き換えた構造のものである。
【００２９】
図２〜図９に示す気体交換装置の上記以外の構成は、図１に示すそれと本質的に異なるところはない。
【００３０】
【作用】
（１）この発明においては、外径が４００μｍ以下、膜厚が５０μｍ以下、引張り荷重（Ｍ100 ）が５ｇ以上の細くて膜厚が薄く、かつ充分な強度を有するシリコーン膜中空糸を使用するので、同中空糸１を綾巻きする場合に、テンションをかけても、伸びや巻き締めが生じなくなる。
【００３１】
このため、中空糸モジュールを任意の密度で形成することができる。また、ハウジングの内容積に対するシリコーン膜中空糸の容積比率を任意に設定できる。このとき、異なるサイズの中空糸を用いれば、集束密度を変えたのと同じ効果が得られる。
【００３２】
また、この発明においては、中空糸モジュールにおけるシリコーン膜中空糸の集束密度と交差角とハウジングの内容積に対する容積比率（中空糸膜充填量）を任意に設定できるとともに、ハウジングの形状を任意に設定できる。
【００３３】
このため、内部、外部灌流路における気体または液体の流れ、特に、外部灌流路における気体または液体の乱流を任意に制御して気体交換率を上げることができる。
【００３４】
したがって、この発明によれば、ハウジングの単位容積当たりの気体交換率を上げることができる。また、気体交換率を上げることができるので、装置を小型にすることができるとともに、プライミングボリュームを小さくすることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を実施例によって説明する。
【００３６】
実施例では、気体交換装置として、図１に示す構成の人工肺を、下記の要領で製作して、ｉｎ−ｖｉｔｒｏ評価を行ったところ、下記の結果を得た。
【００３７】
Ａ．人工肺の製作
上述した（ａ）〜（ｅ）の組成からなるシリコーンゴム組成物を用いた、外径が４００μｍ、膜厚が５０μｍ、引張り荷重（Ｍ100 ）が５ｇのシリコーン膜中空糸１を綾巻き状に集束して下記のＩ型とII型の中空糸モジュールＭ1 を作り、これらを下記のＩ型とII型のハウジングＨ1 の中にそれぞれ収納し、それぞれのハウジングＨ1 の中に、第１入口Ａと第１出口Ｂに通ずる内部灌流路と第２入口Ｃと第２出口Ｄに通ずる外部灌流路を形成した。
【００３８】
Ｉ型の中空糸モジュール：
外径８mmの巻き芯２を中心にシリコーン膜中空糸１を、４０００本、交差角（θ）１２０度で綾巻き状に均一に集束した、外径５０mm、長さ２００ mm、両端のシール部３の長さ５mmの円筒型のモジュール
II型の中空糸モジュール：
外径８mmの巻き芯２を中心にシリコーン膜中空糸１を、４６００本、交差角θ１２０度で綾巻き状に均一に集束した、外径５７mm、長さ２００mm、両端のシール部３の長さ８mmの円筒型の中空糸モジュール
Ｉ型のハウジング：
内径４８mmφ、長さ２００mmのポリカーボネイト製の両端閉塞の円筒容器で、第１入口Ａと第１出口Ｂ及び第２入口Ｃと第２出口Ｄを設けたハウジング
II型のハウジング：
内径５５mmφ、長さ２００mmのポリカーボネイト製の両端閉塞の円筒容器で、第１入口Ａと第１出口Ｂ及び第２入口Ｃと第２出口Ｄを設けたハウジング
Ｉ型，II型の各中空糸モジュールＭ1 は、外形８mmの巻き芯２に交差角（θ）１２０度でシリコーン膜中空糸１を綾巻きし、両端部の中空糸相互間をシリコーン樹脂で密封シールしてから、その両端シール部を径方向に切断することによって形成した。
【００３９】
Ｉ型、II型の中空糸モジュールＭ1 を構成するシリコーン膜中空糸１のハウジングＨ1 に対する容積比率（中空糸膜充填量）は約３５％である。また、有効膜面積はＩ型の中空糸モジュールで１．６ｍ2 、II型の中空糸モジュールで２ｍ2 であった。
【００４０】
上記シリコーン膜中空糸１の膜の破断強度は、９５０〜１２００ｇ／mm2 であり、従来のシリコーン膜中空糸のそれに比べ、約２倍であった。
【００４１】
Ｉ型とII型の中空糸モジュールＭ1 の内部灌流路と外部灌流路は、ハウジングＨ1 と中空糸モジュールＭ1 のシール部３との間をシリコーン樹脂でシールするとともに、巻き芯２の両端部をシリコーン樹脂で閉塞することによって形成した。
【００４２】
中空糸モジュールＭ1 のハウジングＨ1 への収納状態においては、Ｉ型、II型いずれの場合も、ハウジングＨ1 の中に中空糸モジュールＭ1 の内部灌流路と外部灌流路が形成される。そして、第１入口Ａと第１出口Ｂは内部灌流路の出入口となり、第２入口Ｃと第２出口Ｄは外部灌流路の出入口となる。
【００４３】
実施例においては、上述のようにして構成したＩ型の中空糸モジュールとＩ型のハウジングからなるＩ型の人工肺を３本、II型の中空糸モジュールとII型のハウジングからなるII型の人工肺を３本、それぞれ製作し、次のｉｎ−ｖｉｔｒｏ評価に供した。
【００４４】
Ｂ．人工肺のｉｎ−ｖｉｔｒｏ評価
製作したＩ型の人工肺とII型の人工肺のｉｎ−ｖｉｔｒｏ評価を行った。ｉｎ−ｖｉｔｒｏ評価は、新鮮な牛の血液を用いて行った。すなわち、採取時に抗凝固剤としてＡＣＤ−Ａ液を加えた牛の血液を２０リットル用意し、これを市販の人工肺で標準静脈血として、ｉｎ−ｖｉｔｒｏ評価に供した。
【００４５】
血液は、外部灌流路に通し、酸素（ガス）は内部灌流路に供給した。
【００４６】
血液回路は、内径３／８インチのチューブを第２入口Ｃと第２出口Ｄに連結して構成し、その入口Ｃと出口Ｄの近傍に採血及び圧力測定用のポートを設けた。血液の循環はチューブに設けたローラーポンプにて行った。
【００４７】
血液流量は、１，２，３ l/minにて灌流し、酸素流量は、Ｉ型の人工肺では、血液流量（Ｑ）に対する酸素流量（Ｖ）の比（Ｖ／Ｑ）で１及び２にて灌流し、II型の人工肺では、１にて灌流した。
【００４８】
評価は１回灌流法にて行った。人工肺の血液の循環で採血した血液は、コーニング社製の血液ガス分析器で分析して血液ガス性状を求めた。
【００４９】
酸素移動量と炭酸ガス移動量は、血液ガス分析器の分析によって得られた酸素分圧、炭酸ガス分圧、ｐＨ等の値をもとに算出した。
【００５０】
参考のために、Ｉ型，II型の人工肺の各１本について、第２入口Ｃと第２出口Ｄにより圧力の測定を行い、圧力損失を求めた。
【００５１】
シリコーン膜中空糸の機械的強度の参考とするために、血液側とガス側に水を充填し、血液側に５００mmHgの圧力を付加することにより、ガス側の体積変化を充填した水のオーバーフローの量より求めた。また、同様に、ガス側へも圧力を付加し、血液側の体積変化を求めた。
【００５２】
Ｃ．評価結果
図１０及び図１１は気体交換能を示す。酸素移動量に関しては、Ｉ型，II型のいずれの人工肺も、各流量の第２出口Ｄ側の酸素飽和度は９９〜１００％を示した。炭酸ガス移動量は、Ｉ型の人工肺では、血液流量３ l/minのとき、Ｖ／Ｑ＝１にて、１１０±２ml/min、Ｖ／Ｑ＝２にて、１４３±３ml/minであり、気体流量を増加させることで、移動量が３０％上昇した。
【００５３】
一方、II型の人工肺では、同様の血液流量にて、１６１±９ml/minの炭酸ガス移動量を示した。
【００５４】
圧力損失は、Ｉ型、II型の人工肺とも、血液流量に比例して上昇し、各々３ l/minの血液流量では、１９６．６４mmHgを示した。
【００５５】
血液充填量（プライミングボリューム）は、Ｉ型の人工肺で１５０ml、II型の人工肺で２４０mlであった。圧力付加による血液充填量の変化の計測では、５００mmHgの付加圧における気体側、血液側の体積変化量は、Ｉ型、II型いずれも、０．２〜０．３ml程度であり、血液充填量の０．１％程度の量であった。
【００５６】
予備的に行った気体による耐圧試験では、５ｋｇ／ｃｍ2 （約３，７６０mmHg）の圧力まで人工肺の気体側へ付加したが、膜の破裂等は確認されなかった。
【００５７】
Ｉ型、II型の人工肺による評価では、気体交換能に関し、評価を行った血流領域において市販の多孔質ポリプロピレン膜中空糸の人工肺との差は見られず、良好な性能を示した。また、従来の膜面積５〜７ｍ2 を有するシリコーン膜中空糸の人工肺と比較しても、約１／３の膜面積にて同等以上の気体交換能を示した。
【００５８】
Ｄ：結論
上述のｉｎ−ｖｉｔｒｏ評価とその結果から以下の結論を得た。
【００５９】
（１）シリコーン膜中空糸１を用いた人工肺は、ポリプロピレン多孔質中空糸を用いた人工肺と同等の気体交換能を示し人工肺として十分な性能を有することが確認された。
【００６０】
（２）シリコーン膜中空糸１は、従来のシリコーン膜中空糸に比較して約１／２のサイズであるため、従来のシリコーン膜中空糸を用いた人工肺に比較して、同体積のハウジングであれば、その中に、２倍近い膜面積を得ることが可能になった。
【００６１】
このため、Ｉ型、II型いずれの人工においても、ハウジングの単位容積当たりの気体交換率を上げることができるともに、プライミングボリュームを小さくすることができた。したがって、小型化も可能になった。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、上述のような構成としたので、小型で、気体交換率が大きく、かつプライミングボリュームの小さい、高性能の気体交換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図７】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図８】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図９】 この発明に係る気体交換装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】 実施例の気体交換装置の気体交換能を示すグラフ
【図１１】 実施例の気体交換装置の気体交換能を示すグラフ
【符号の説明】
Ｈ1 〜Ｈ6 ハウジング
Ｍ1 〜Ｍ6 中空糸モジュール
Ａ，Ｅ 第１入口
Ｂ，Ｆ 第１出口
Ｃ，Ｇ 第２入口
Ｄ，Ｈ 第２出口
Ｓ 閉塞部
１ シリコーン膜中空糸
２，４ 巻き芯
３ シール部
５ 穴
６ 隔壁
Claims (1)
- 複数本のシリコーン膜中空糸を綾巻き状に集束してなる中空糸モジュールを、ハウジングの中に収納し、その中に、中空糸モジュールの内部灌流路と外部灌流路を形成するとともに、前記ハウジングに、前記内部灌流路に通ずる気体または液体の第１入口と第１出口を、前記外部灌流路に通ずる液体または気体の第２入口と第２出口を、それぞれ設けた気体交換装置であって、
前記シリコーン膜中空糸は、
（ａ）２５℃で１０，０００〜１０，０００，０００ポイズの粘度を有する少なくとも２個のアルケニル基を含有するオルガノポリシロキサンを１００重量部、
（ｂ）下記式
Ｒ ３ ＳｉＯ １／２ （式中、Ｒは炭素数１〜１０の非置換または置換一価炭化水素基を示す。）
で示されるトリオルガノシロキシ単位及びＳｉＯ ２ 単位とから本質的に構成され、ＳｉＯ ２ 単位に対するトリオルガノシロキシ単位のモル比が０．６〜１．２の範囲であるオルガノポリシロキシサン共重合体を５〜５０重量部、
（ｃ）１分子当たり少なくとも２個のケイ素原子直結水素原子を含有するオルガノ水素シロキサンを、（ａ），（ｂ）成分のビニル基に対し０．５〜１０倍モルになるケイ素原子直結水素原子を供給する量、
（ｄ）触媒量の白金または白金化合物、
（ｅ）比表面積５０ｍ ２ ／ｇ以上の微粉末シリカを１０〜１５０重量部、含有するシリコーン膜組成物を用いた、外径が４００μｍ以下、膜厚が５０μｍ以下、１００％延伸荷重が５ｇ以上のものであることを特徴とする気体交換装置。
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