JP3878675B2 - 中空ファイバー酸素付加装置 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、中空ファイバー酸素付加装置、特定の中空ファイバー構成、および血液に酸素付加する方法に関する。
発明の背景
体外血液循環を必要とすることが多い心肺外科の分野では、血液から二酸化炭素を除去して血液に酸素を供給することによって肺の呼吸機能の代わりをするために、血液酸素付加装置が要求されている。患者の心臓および血液循環系のすべての機能の代わりをして、血液の流れ、血液温度、二酸化炭素および酸素の交換に関する、心臓および血液循環系のすべての特殊な要求を満たすために、体外血液循環が必要とされている。体外血液循環系で、血液の生理学的特性を変えてははならない。心肺外科で使用するための種々の血液酸素付加装置が公知である。
EP-A-0 089 122は、多孔性コアの周囲に複数の近接するファイバー層からなるマットを有する中空ファイバー血液酸素付加装置であって、近接するファイバーマット層がコアの長軸からの分岐角を有し、分岐の向きが層ごとに変わる中空ファイバー血液酸素付加装置を開示している。血液は、ファイバーマットを半径方向に流れる。これらのファイバーは、コアの周囲の環状チャンバの全体を実質的には満たさない。
EP-B-0 187 708は、中空ファイバー血液酸素付加装置であって、ファイバーまたは小さいファイバーリボンがコアの周囲でらせん状に巻かれ、糸巻動作と同様に、第１の複数のファイバーが一方の向きに巻かれ第２の複数のファイバーが他方の向きに巻かれる中空ファイバー血液酸素付加装置を開示している。血液は、コアの周囲の環状チャンバの実質的にすべてを占めるファイバー巻線を軸方向に流れる。ガス流と血流とは、逆方向の流れであってもよい。
US-4,239,729は、中空ファイバー血液酸素付加装置であって、ファイバーが細長いハウジングに軸方向に配置され、ハウジングを実質的には満たさない中空ファイバー血液酸素付加装置を開示している。血液はファイバーを通って流れ、酸素付加ガスはファイバーに関して半径方向に流れる。
US-3,422,008は、中空ファイバー血液酸素付加装置およびその形成方法であって、中間のらせん状巻付層が逆向きになるように中空ファイバーがコアにらせん状に巻かれる装置および方法を開示している。従って、連続する層の巻付けの向きは、コア軸に関して逆である。血液の流れは半径方向である。ファイバーは、環状空間を実質的には満たしていない。
US-4,031,012は、酸素付加装置として使用することができる分離用装置であって、カード状コアを備え、該カード状コアの上に中空のファイバーが該コアに平行に巻かれるか、コア軸に対して角度を有するように巻かれるか、またはファイバの該コア軸に対する角度を連続する層同士で逆にして、該連続する層に対してファイバを十字（cries-cross）もしくはジグザクに配置するように巻かれる。血液の流れと酸素の流れとが逆方向になることが好ましく、血液は中空ファイバーの外側を流れる。
GB-1 481 064は、容器に入れられているが該容器を実質的には満たしていない中空ファイバー束を有する酸素付加装置であり得るメンブレン装置を開示している。隣接するファイバー束層間には10°から40°の角度が形成され得る。流体の流れは、原則的には半径方向である。
US-4,141,835は、多くの分離されたファイバーがハウジング内でまっすぐに配列された透析装置を開示している。ハウジングはファイバーで満たされてはおらず、ファイバーはらせん状にも配置され得る。流体は、ファイバーの外側を軸方向に流れる。
EP-A-0 093 677は、ロール状にされたファイバーマットが配置された、酸素付加装置として使用できる装置であって、ファイバーが１°と５°との間の角度で交差され得る装置を開示している。血液はファイバー中を流れる。
これらの公知の中空ファイバー酸素付加装置は、その構成に応じて、多くの不利な点を有する。これらの装置は、かさが高く、酸素付加装置内での血液流路が短く、従って、血液とガスとの接触ゾーンが小さく、その結果、血液が酸素付加装置内に滞在する時間が短くなるため、ガス交換率が低い。血液およびガスの圧力低下、ならびに、血液とガスとの接触ゾーン内のある特定の領域で血液のチャネリング（channeling）または血液の停滞が起こり得る。
発明の要旨
従って、本発明の目的は、小型でしかも高ガス交換率を維持する血液酸素付加装置を提供することである。
本発明の他の目的は、単純な構成で、特に、中空ファイバーのコアの構成を単純にし且つ該コアへの応用を簡単にすることができる血液酸素付加装置を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、血液とガスとの接触の向上を可能にする血液酸素付加装置を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、血液のチャネリングおよび血液の停滞領域を防ぐ血液酸素付加装置を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、酸素付加装置を流れる血液の圧力低下が少ない血液酸素付加装置を提供することである。
本発明の上記の目的およびその他の目的、利点、詳細、特徴、および実施形態は、以下に示す発明の詳細な説明、添付の請求の範囲、図面、および実施例から当業者に明らかとなるであろう。
本発明によれば、中空ファイバー酸素付加装置が提供される。この装置は、
−コア壁と、該コア壁から間隔をあけて配置される外壁とを備え、それにより該壁間にチャンバを形成し、
−該チャンバへの少なくとも１つの血液入口と、該チャンバからの少なくとも１つの血液出口と、
−該チャンバを第１および第２の端部でそれぞれ閉じる第１および第２のキャップであって、該キャップのうちの一方が少なくとも１つのガス入口を有し、該キャップのうちの他方が該ガス入口に関連する少なくとも１つのガス出口を有するキャップとをさらに備える、ハウジングと、
該チャンバの内部で該第１のキャップと該第２のキャップとの間に延びる、選択的に透過性を有する連続する中空ファイバーフィラメントとを備え、
該ファイバーの端部は、該キャップから間隔があけられた該チャンバの端部で、該コア壁と該外壁との間で封止され、それにより、封止部とキャップとの間にヘッダ空間を残し、該ファイバーの端部は開いており、
２つの封止部間の該ファイバーの円周角度差は、０°から180°の間である。
好ましい実施形態では、ファイバーは、第１の複数のファイバーおよび第２の複数のファイバーとして配置され、該第１の複数のファイバーおよび該第２の複数のファイバーは、方向は同じであるが異なる外周角度差を有し、該第１の複数のファイバーのファイバー長は、該第２の複数のファイバーのファイバー長とは異なる。
先行技術のデバイスでは、ファイバーは、ボビンに糸を巻く技術と同様の技術でコアの周囲に巻かれている（コアを連続的に回転させ、それに連結してファイバーガイドを軸方向に揺動することは、交差巻付けとして公知である）。従って、２つの封止部間の所与のファイバーの円周角度差は常に360°を十分に越えており、数回転、即ち、360°の数倍となることが多い。この先行技術の手順は、■ラッピングプロセスが必要であり従って封止部間の非常に長いファイバーが必要であるという不利な点を有していた。本発明はこの欠点を回避し、はるかに短いファイバーの使用を可能にし、なおかつ酸素付加装置をより簡単に生産できるようにする。
さらに、本発明によると、中空ファイバー酸素付加装置が提供される。この装置は、
−コア壁と、該コア壁から間隔をあけて配置される外壁とを備え、それにより該壁間にチャンバを形成し、
−該チャンバへの少なくとも１つの血液入口と、該チャンバからの少なくとも１つの血液出口と、
−該チャンバを第１および第２の端部でそれぞれ閉じる第１および第２のキャップであって、該キャップのうちの一方が少なくとも１つのガス入口を有し、該キャップのうちの他方が該ガス入口に関連する少なくとも１つのガス出口を有するキャップとをさらに備える、ハウジングと、
該チャンバの内部で該第１のキャップと該第２のキャップとの間に延びる、選択的に透過性を有する連続する中空ファイバーフィラメントとを備え、
該ファイバーの端部は、該キャップから間隔があけられた該チャンバの端部で、該コア壁と該外壁との間で封止され、それにより、封止部と該キャップとの間にヘッダ空間を残し、該ファイバーの端部は開いており、
該コア壁と該コア壁から間隔があけられた該外壁との間に少なくとも１つの仕切壁が配置され、該仕切壁は、該封止部の一方から他方に向かって延び、これにより該チャンバをセクションに分割し、該セクションは、他方のシール部の近傍で該セクション間に流れ連絡を有し、１つのセクションでは血液とガスとの流れを逆方向（向流）にし、別のセクションでは血液とガスとの流れを同じ方向（並流）にすることを可能にする。
ファイバーおよび／または仕切壁を特定の構成にすることにより、血液が酸素付加装置内に滞在する時間が増加し、それにより、酸素付加装置のガス交換率が向上する。ファイバーを酸素付加装置内で特定の向きにすることにより、血液の流路がより長くなり、これにより、より優れたガス移動が得られ、血液の滞在時間が長くなり、従って、酸素付加装置構成全体の大きさをより小型にし、なおかつ同じ性能またはさらに改善された性能を維持することが可能となる。酸素付加装置内のファイバーおよび血液流路を特定の構成にすることにより、血液のチャネリングが起こらず、血液が停滞する領域の発生が防がれ、血液の圧力低下がかなり少なくなり、従って、血液成分の損傷を防ぐまたは低減する適度な条件下で血液を処理することが可能となる。ファイバーを特定の構成にすることにより、血液酸素付加装置を非常に単純な構成にすることが可能となり、特に酸素付加装置のコア周囲のファイバの配置を非常に単純にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
本発明の好適な実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明による組み立てられた酸素付加装置の、一部断面図を伴う斜視図である。
図２は、本発明による組み立てられた酸素付加装置の第２の好適な実施形態の、一部断面図を伴う斜視図である。
図３は、図２の本発明による酸素付加装置の第２の好適な実施形態の断面図である。
図４は、本発明による中空ファイバー配置の斜視図である。
図５は、ファイバーフィラメントを通る血液流路を示す、本発明による中空ファイバー配置の斜視図であり、ファイバーの方向の定義を図示する。
好適な実施形態の説明
ハウジング
本発明による酸素付加装置２２、２２′のハウジング２０、２０′は、酸素付加装置を流れる血液および遊離酸素含有ガスにそれぞれ有害に干渉しない任意の適切な材料で形成され得る。適切な材料は、ガラス、セラミクス、金属および合金、ならびにポリカーボネート、ポリエステル、ポリアクリレート、およびポリメタクリレートのようなポリマー性材料を含むが、これらに限定されない。コポリマーおよびポリマーの混合物もまた適している。好適な材料は重合性材料およびそのアロイである。
酸素付加装置２２、２２′のハウジング２０、２０′は、コア壁２４、２４′を備え、これは任意の所望の形状であり得る。コア壁２４、２４′は円筒形であり得る。コア壁２４、２４′は円形または多角形の断面を有し得る。好適には、コア壁２４、２４′は円形の断面を有する円筒形であり、直径は円筒の高さとほぼ等しい。
酸素付加装置はさらに、コア壁２４、２４′から間隔をおいて配置された外壁２６、２６′を備え、これによって壁の間にチャンバ２８、２８′が形成される。好適には、外壁およびコア壁は互いに平行であり、壁間に等しい幅のスペースを残す。従って、チャンバ２８、２８′は、特に円形または多角形の断面を有する環状であり得る。好適な実施形態においては、外壁２６、２６′は、コアシリンダを囲み、壁間にチャンバを残す、円形の断面を有するシリンダを形成する。好適な実施形態においては、内部コア壁２４、２４′は100〜104mmの外径および130〜150mmの高さを有し、外壁２６、２６′は132〜134mmの内径を有する。従って、２つのシリンダの間には13〜17mmの幅の環状のスペースが存在する。
壁には、チャンバ２８、２８′への少なくとも１つの血液入口３０、３０′およびチャンバ２８、２８′からの少なくとも１つの血液出口３２、３２′が形成される。血液入口３０、３０′および血液出口３２、３２′はコア壁２４、２４′に、または外壁２６、２６′に、または両方の壁に形成され得る。血液入口および血液出口はそれぞれ、コア壁または外壁の反対側の端部または同じ側の端部に配置され得る。
図１に示す好適な実施形態においては、血液入口３０はコア壁２４の底部に形成される。好適には、複数の血液入口３０が、コア壁２４と外壁２６との間のスペースに導入される血液がコア壁の底の円周の周りに均等に分配され得るように、チャンバ２８またはコア壁２４の円周に形成される。
図１に示す好適な実施形態によると、血液出口ポート３４は外壁２６の外側の上部に形成される。血液入口３０と同様に、複数の出口３２がチャンバ２８の、特に外壁２６の上部の円周に配置される。これにより、外壁２６の円周の周りに均等に分配された血液は、コア壁２４と外壁２６との間のスペース２８から除去される。この構成により、血液は、コア壁２４と外壁２６との間のスペース２８を基本的に軸方向に流れる。
別の好適な実施形態によると、血液入口および血液出口はそれぞれ、コア壁および外壁の同じ側の端部に配置され得る。
図２および３に示す好適な実施形態においては、血液出口３２′は、図１の実施形態と同様に配置されるが、出口が外壁２６′の底部に配置されるという点が異なる。
コア壁２４′と外壁２６′との間に形成されるチャンバ２８′は、その第１および第２の端部で、それぞれ第１および第２のキャップ３６、３８によって閉じられる。キャップ３６、３８は、コア壁２４′および外壁２６′に一体的に形成され得るが、個別に形成し、後の段階でコア壁および外壁に結合させてもよい。
キャップ３６、３８には、少なくとも１つのガス入口４０および少なくとも１つのガス出口４２が形成され、これらは管系で接続され得、ガス、好適には遊離酸素含有ガスを供給しそして回収する。図２および３の好適な実施形態においては、ガス入口４０は上部キャップ３６に形成され、ガス出口４２は底部キャップ３８に形成される。
ガス入口、ガス出口、血液入口および血液出口に加えて、コア壁、外壁またはキャップに更なる接続を設け、例えば血液の温度を測定する手段を導入したり、あるいは血液検査試料を回収し得る。
中空ファイバー
本発明に使用される中空ファイバーまたは中空ファイバーフィラメントは、選択的に透過性であり、連続的な管腔を有する任意のファイバーであり得る。
ファイバーは、好適には、シリコーンまたはその他のタイプのポリマーで変性されたポリプロピレンで形成される。
中空ファイバーフィラメントは任意の所望の直径を有し得るが、外径365〜400μmが好適であり、365〜380μmが特に好適である。有用な中空ファイバーフィラメントは、AKZOおよびCELANESE社より、それぞれoxiphanおよびcelgardという名前で市販されている。
別の好適な中空ファイバーは、内径50μm、外径280μm、平均の孔の大きさ0.04μmおよび多孔度50％の微孔性ポリプロピレン中空ファイバーである。
中空ファイバー配置
図３の実施形態においては、選択的に透過性を有する連続する中空ファイバーフィラメント４４は、第１のキャップ３６と第２のキャップ３８との間のチャンバ２８′内に延びる。好適な実施形態においては、中空ファイバー４４は、コア壁２４′と外壁２６′との間のチャンバ２８′を実質的に満たす。
ファイバー４４の端部は、キャップ３６、３８から間隔をおいて配置されたチャンバの端部４６、４８で、コア壁２４′と外壁２６′との間で封止され、これにより封止部４６、４８とキャップとの間にヘッダ空間５０、５２が残される。ファイバー４４の端部は開いており、ガスはキャップの１つのガス入口４０からファイバーを通り、最終的にもう一方のキャップのガス出口４２を介して流れ得る。
図１に示す好適な実施形態においては、ファイバーは、２つの封止部の間のファイバーの円周角度差が０°と180°との間であるように、チャンバに配置される。「円周角度差」という用語は、中空ファイバーの一方の封止部から中空ファイバーのもう一方の封止部に到達するために、コアを長軸回りに回転しなければならない角度をさす。この用語はまた、コアの長軸と、ファイバーの第１の封止部と、ファイバーの第２の封止部とを、コアの長軸と垂直な平面に投影した点の間の角度としても説明できる。図５は「円周角度差」という用語を説明し、ここでは含まれる角度４１°である。
このファイバーの円周角度差は０°と180°との間であり、好適には、０°と90°との間である。
図４で詳細に示すように、中空ファイバーは、第１の複数のファイバー６０および第２の複数のファイバー６２に分けられる。複数のファイバーは両方とも、それらがなす円周角度差に対して同じ方向（directional sense）を有するが、円周角度差は異なる。これは、一方の複数のファイバーの一方の封止部からもう一方の封止部への経路が、もう一方の複数のファイバーの経路より急峻であることを意味する。
さらに、第１の複数のファイバー６０のファイバーの長さは、第２の複数のファイバー６２のファイバーの長さと異なる。これは、一方の複数のファイバーの経路が、もう一方の複数のファイバーの経路より急峻である結果である。従って、一方の複数のファイバーは、一方の封止部からもう一方の封止部までさらに長い経路を有し、このためこの複数のファイバーの長さは、もう一方の複数のファイバーと異なる。好適には、各複数のファイバーのフィラメントは互いに平行であり、実質的にいかなる付加的な湾曲または屈曲もなく、一方の封止部からもう一方の封止部へと進む。このように、より急峻な複数のファイバーの封止部間の長さは、必然的に、よりなだらかな複数のファイバーの封止部間の長さより短い。
円周角度差０°では、ファイバーフィラメントは、一方の封止部からもう一方の封止部まで、コアの長軸と基本的に平行に延びる。円周角度差180°では、ファイバーは、一方の封止部からもう一方の封止部までに、コアの周囲を半分進む。従って、酸素付加装置チャンバのコアの周囲を半分より多く進むファイバーはない。
従来技術による酸素付加装置においては、通常、複数のファイバーはコアの周りをらせん状に巻き付けられる。コアの端部では、巻きの方向（direction）は反転されるが、巻きの向き（sense）は維持される。従って、コア上のファイバーの巻き方は、紡ぎ糸を巻く操作と類似している。紡ぎ糸はそれが巻き付けられる回転するコア上を上下に進められる。このようなファイバーをコアの周りに巻く方法には、各ファイバーを、コアに固定させるために、何度かコアの周りに巻き付けなければならないなどの、いくつかの制限がある。従って、ファイバーの封止部間の円周角度差は、通常360°の倍数である。この大きな円周角度差は、ファイバーの巻きの方向がコアの端部で反転される場合、ファイバーをコア上に固定させるために必要である。でなければファイバーはコアから離れて落ちる。巻きの方向は反転するが、巻きの向きは反転しないということは、必然的に、（封止部の領域でファイバーを切断した後）一方の複数のファイバーはコア上にある方向およびある円周角度差を有し、第２の複数のファイバーはコアの周りに反対の方向および反対の方向の同じ円周角度差を有するファイバーの配置をもたらす。
その結果、180°を下回る（実際的な理由により、少なくとも数百度を下回る）円周角度差でファイバーをコアの周りに配置することはできない。さらに、第２の複数のファイバーの配置が第１のファイバーの配置と正反対であり、このため常に円周角度差は同じで方向が異なるので、２つの複数のファイバーの方向が同じで円周角度差が異なるという状況は起こり得ない。
その結果、本発明の第１の実施形態による中空ファイバー配置は、コアを回転させ、フィラメントの連続的なロールから、コアの上端部および下端部でフィラメントの送り方向を反転させてフィラメントをコアに巻き付けることによっては達成し得ない。これはこのファイバーマット製造プロセスが、第２の複数のファイバーが第１の複数に対して反対の向きで巻き付けられるときにのみ適用可能であるからである。本発明の好適な実施形態においては、第１の複数のファイバー６０および第２の複数のファイバー６２の円周角度差は、少なくとも５°異なる。
ファイバーのコアを取り巻く方向はさらに、ファイバーフィラメントとコアの長軸との間の傾斜角度によって表され得る。この傾斜角度が０°である場合、ファイバーフィラメントは、コアの長軸に基本的に平行である。この角度が90°であるとき、ファイバーはそれぞれ、コアの周りをコアの長軸に垂直な一平面に延びる。本発明の第１の実施形態によると、第１の複数のファイバー６０の好適には平行なファイバーは、コアの長軸に対して90°を下回る傾斜角度を有し、第２の複数のファイバー６２の好適には平行なファイバーは、コアの長軸に対して０°と第１の複数のファイバーのファイバー傾斜角度との間の傾斜角度を有する。従って、２つの複数のファイバーは、コアの長軸に対して異なる傾斜角度を有する。これは、図４中の20°および４°の傾斜角度で示される。
好適には、第１の複数のファイバー６０のファイバーは、コアの長軸に対して10°〜40°の傾斜角度を有し、第２の複数のファイバー６２のファイバーは、コアの長軸に対して０°と第１の複数のファイバーのファイバー傾斜角度との間の傾斜角度を有する。より好適な実施形態においては、第１の複数のファイバー６０のファイバーは10°〜25°、特に10°〜20°の傾斜角度を有し、第２の複数のファイバー６２のファイバーは、０°〜７°、好適には０°〜４°、より好適には２°〜４°の傾斜角度を有する。特に好適な実施形態においては、複数のファイバーはそれぞれ12°および４°の傾斜角度を有する。
チャンバの中空ファイバーフィラメント充填は、ファイバーフィラメントの層の連続した（continuous）ストリップをコアの周りに配置することによって達成し得る。ただし、前記ストリップの軸方向の幅は、封止部間の軸方向の距離よりも長いということを条件とする。従って、ファイバーフィラメントの層の連続したストリップが形成され、その後これらのストリップは第２の工程で、例えばコアの周りに連続したストリップを一巻きする（spirally winding）ことによって、コアの周りに配置される。ストリップの軸方向の幅が封止部間の軸方向の距離よりも長いため、連続したストリップをコアの周りにらせん状に巻き付ける必要はなく、その場合、連続したストリップをコアの長軸に沿って送る。従って、ファイバーフィラメントの層の連続したストリップの配置は、従来技術によるファイバーの糸巻状の巻き方と比較して、はるかに簡単である。
本発明の好適な実施形態によると、ファイバーフィラメントの層の２つの連続したストリップがコアの周りに配置され、このときストリップは２つの平行する縁部を有し、この間には平行に間隔をおいて配置されるファイバーフィラメントの少なくとも１つの層が、平行する縁部に対して傾斜して延びる。１つのストリップは、第１の傾斜角度を有する第１の複数の平行するファイバーを含み、第２のストリップは、第２の傾斜角度を有する第２の複数の平行するファイバーを含む。ストリップはファイバーフィラメントの単一の層を有し得、２つのストリップは、コアの半径方向に隣接する層が異なる傾斜角度を有するように、コアの周りに配置され得る。これは図４に示されている。
チャンバの中空ファイバーフィラメント充填は、ファイバーフィラメントの短い単一層織物マットの連続的な（successive）層によっても達成し得る。
これらの実施形態においては、ファイバーフィラメントの単一層のマットのストリップは、長い、平行な、互いに実質的に等間隔に配置されたファイバーの層を最初に配置し、その後、好適には小さな直径を有する可撓性のモノフィラメントである横糸である接続部材によって所定の位置に定着することによって準備される。糸は中空ファイバーの周りで容易に曲げられるに十分な可撓性を持つものでなければならない。さらに糸は、衣服の公知の組織におけるのと同様に、フィラメントを所定の位置に定着させるに足りるだけの引っ張り強さおよび張力を持つものでなければならない。このモノフィラメントは、短い単一ファイバーフィラメント間の規則的な間隔を可能にする。
各ストリップの本質的に平行なファイバーは、好適にはファイバーの直径の0.8〜1.2倍（0.8 to 1.2 fiber diameters）だけ互いに間隔をおいて配置される。好適には薄いフィラメント状のコネクタまたは横糸である接続部材は、ストリップにおいて、ストリップのすべてのファイバーを横行するように、またはその上縁部および下縁部と平行して配置される。
図２および３に示す本発明の実施形態においては、中空ファイバーフィラメント４４が、第１のキャップ３６と第２のキャップ３８との間のチャンバ２８′の内部で延びる、公知の中空ファイバーフィラメント充填が適用され得る。封止部４６、４８間のファイバーフィラメントの円周角度差は制限されず、ファイバーの方向もまた制限されない。しかし、本実施形態には以下に説明する仕切壁７０を設けなければならない。
中空ファイバーフィラメントは、従来技術から公知のように、コアの周りを交差状に巻き付けられ得る。これにより、第１の複数のファイバーはコアの周りをある傾斜角度を有するある向きで巻き付けられ、第２の複数のファイバーはコアの周りを反対の傾斜角度を有する反対の向きで巻き付けられる。円周角度差は両方の複数のファイバーで同じであり、この差は360°を超える。
好適には、中空ファイバーフィラメントは、第１の実施形態では上述の配置を有する。
中空ファイバーは、コア壁と外壁との間のスペース内において、その上部および下部で封止され、フィラメントの端部は、ガスがファイバーフィラメントを通って流れ得るように開いている。好適には、ファイバーは、中空ファイバーおよびハウジングと同じ熱膨張係数を有するポリマー樹脂で封止される。有用な樹脂は、ポリウレタン樹脂であり、ここでエポキシ樹脂が好適である。フィラメントの樹脂封止は、チャンバがコア壁、外壁および樹脂封止部の間で形成され、このチャンバでは血液は流れ得るが、封止部を透過し得ないように施される。好適な実施形態においては、封止部は、キャップと封止部との間に遊離酸素含有ガスの導入または除去のためのヘッダ空間が残されるように配置される。さらに、封止部は、血液入口および血液出口が、コア壁、外壁および封止部によって形成されるチャンバ内の壁に配置されるように配置される。
仕切壁
本発明の一局面によると、仕切壁７０（図３）がコア壁２４′と外壁２６′との間にそれらから間隔をおいた位置に設けられ、一方の封止部４８からもう一方の封止部４６へと延び、これによりチャンバ２８′にセクションが形成される。セクションはもう一方の封止部４６の近傍に流れ連絡を有する。もう一方の封止部４６の近傍の流れ連絡はいくつかの方法で設け得る。仕切壁７０はもう一方の封止部４６内へと延び、そこで封止され、このもう一方の封止部の近傍に開口部を提示し得る。この仕切壁７０には環状のスリットを設け得る。一方、仕切壁７０全体はもう一方の封止部４６から距離をおいたところまでしか延びず、これにより仕切壁の端部と封止部との間に環状のスペースを残し得る。このスペースの大きさまたは孔あるいは環状スリットの大きさは、血液の流動条件によって変更し得る。血液に流動制限が課される場合は、間隔あるいは孔またはスリットは小さく形成し得る。好適には、間隔あるいはスリットまたは孔は、血液の流動特性に影響を与えず、また血液に圧力降下をもたらさないほどの大きさである。この配置によって、チャンバ２８′は、血液およびガスの向流ならびに血液およびガスの並流ためのそれぞれのセクションに分けられる。
仕切壁７０は、本発明の各実施形態において、（すなわち、チャンバの封止部間のファイバーの円周角度差が０°と180°との間であり、ここで第１の複数のファイバーおよび第２の複数のファイバーは同じ方向を有するが、その円周角度差は異なり、第１の複数のファイバーのファイバーの長さは、第２の複数のファイバーのファイバーの長さと異なる中空ファイバーフィラメント配置；または中空ファイバーフィラメントが第１のキャップと第２のキャップとの間のチャンバ内で延びる配置と関連して）設けられ得る。
好適には、仕切壁は中空ファイバーフィラメントの第１の配置と組み合わされる。好適には、少なくとも１つの仕切壁がチャンバの一方の封止部からチャンバのもう一方の封止部から間隔を開けた位置まで延びる。
図２および３に関しては、１つの仕切壁７０が酸素付加装置に設けられる。仕切壁７０は、コア壁２４′と外壁２６′との間に円筒状に配置され、下部封止部４８で封止される。仕切壁７０は上部封止部４６から間隔を開けた位置まで延びる。
仕切壁７０は任意の適切な材料、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネートまたはポリメタクリレートのようなポリマー性材料のシートから構成され得る。好適な材料はポリカーボネートである。仕切壁は、５〜12μm、好適には８〜10μmの厚さを有し得る。仕切壁は環状のチャンバを２つのセクションに分け、これらを介して血液が流れる。環状チャンバの２つのセクションの大きさは、コア壁と外壁との間の仕切壁の位置によって異なり得る。仕切板はチャンバの中心に配置されて、等しい厚さの２つのセクションを形成し得るが、所望の流動特性または所望のガス交換特性に応じて、仕切壁はコア壁により近く、または外壁により近く配置され得る。仕切壁の位置は、血流をチャンバに通す際、酸素付加の結果に影響を及ぼし得る。仕切壁を外壁により近く配置することによって、ほぼ等しい体積の２つのセクションが得られ得、仕切壁をチャンバの中心に配置することによって、体積の異なる２つのセクションが得られる。コア壁の底部でチャンバに入る血液は、まずガスの流れと向流であり、チャンバの上部封止部へと上向きに流れる。チャンバの上部封止部に近い位置で血液の流動方向が反転し、第２のセクション内を下部封止部へと下向きに、従ってガスの流れと並流となって流れる。血液は血液出口でチャンバを出る。この配置によって、チャンバを通る血液経路はおおよそ２倍になる。さらに、血液の流れはガスの流れと並流または向流のみであるのではなく、ガスの流れと向流および並流である。これにより、血液とガスとの間のガス交換率が向上される。
下部封止部または上部封止部で封止される更なる仕切壁が、さらに血液の流動経路を拡大し、そしてガス交換率を向上させるために、チャンバ内に配置され得る。仕切壁と関連して、環状のチャンバは、第１の複数のファイバーのファイバーがコアの長軸に対して90°を下回る傾斜角度を有し、第２の複数のファイバーのファイバーがコアの長軸に対して０°と第１の複数のファイバーのファイバー傾斜角度との間の傾斜角度を有しており、それぞれ好適には10°〜25°および０°〜７°である配置の中空ファイバーフィラメントで充填され得る。
ファイバーが後者の如く配置されるとき、特に角度がそれぞれ４°および12°のときに最良の結果が得られる。
熱交換器
本発明による中空ファイバー酸素付加装置の血液入口には、入ってくる血液の温度を制御するための熱交換器を任意に設け得る。図１〜３に示す好適な実施形態によると、熱交換器は酸素付加装置のコア内部の酸素付加装置の底部に配置され、熱交換流体が循環される複数の金属管８０を備える。血液は、互いに間隔をおいて配置される金属管８０の外側に沿って流れる。熱交換器内部で温度制御に使用される流体は、好適には水である。
血液への酸素付加方法
本発明によると、遊離酸素含有ガスを、酸素付加装置チャンバの中を基本的に軸方向に延びる複数の中空ファイバーフィラメントに通す工程と、血液を酸素付加装置チャンバに通す工程とを含み、血液が複数のファイバーに沿ってチャンバを基本的に軸方向に流れる、血液に酸素付加する方法が提供され、この方法は、ファイバーが一体となって、チャンバの軸の周りにらせん状の血液の流れを引き起こすようにファイバーが配置されることを特徴とする。
本発明の第２の実施形態によると、遊離酸素含有ガスを、酸素付加装置チャンバの中を基本的に軸方向に延びる複数の中空ファイバーフィラメントに通す工程と、血液を酸素付加装置チャンバに通す工程とを含み、血液が複数のファイバーに沿ってチャンバを基本的に軸方向に流れる、血液に酸素付加する方法が提供され、この方法は、チャンバの第１のセクションの血液が、この第１のセクションのファイバーを流れる遊離酸素含有ガスの流れと本質的に反対方向に流れ、チャンバの第２のセクションの血液が、この第２のセクションのファイバーを流れる遊離酸素含有ガスの流れと本質的に同方向に流れることを特徴とする。
本発明の別の実施形態によると、血液を血液入口および血液出口を介して上述のように酸素付加装置に通す工程と、遊離酸素含有ガスをガス入口およびガス出口を介して酸素付加装置に通す工程と、特に本方法が人間または動物の身体の治療上の処置に使用されないという条件で、必要に応じて血液の温度を制御する工程とを含む、血液に酸素付加する方法が提供される。
操作条件
本発明による中空ファイバー酸素付加装置において使用されるガスは、半透性の中空ファイバーを介して血液に酸素を送り、そして血液から二酸化炭素を受け取りやすい遊離酸素を含有する任意のガスであり得る。好適には、ガスは21〜100vol.％、好適には60〜90vol.％の遊離酸素含有量を有するべきである。好適なガスは21％の酸素含有量を有する空気であり、好適には、第２の遊離酸素含有ガスと混合され、60〜90vol.％の好適な酸素含有量が得られる。ガス入口およびガス出口で付与されるガス圧力差は０〜13.3kPa、好適には０〜４kPaであり得る。これにより、図１〜３に示す本発明による酸素付加装置の好適な実施形態のための0.2〜10l/min.のガスの流れがもたらされる。
人体の心肺血流循環において有用であるためには、酸素付加装置を通る血液の流れは１〜６l/min.の範囲でなければならない。本発明による血液酸素付加装置においては、血液の流れは0.2〜６l/min.、好適には１〜６l/min.に調整され得る。この血液の流れを達成するためには、血液入口と血液出口との間に８〜27kPaの圧力差を付与しなければならない。６l/min.の血液の流れでは、本発明による中空ファイバー酸素付加装置内での血液の典型的な滞留時間は1/6分である。中空ファイバーに沿っての血液の流動経路は約180mmである。血液流路の詳細は図５に見ることができる。いかなる理論にも拘束されず、血液はチャンバの軸の周りをらせん状に、中空フィラメントファイバーに沿って流れると考えられる。これにより、血液は確実に効果的に中空ファイバーの外表面と接触し、これは酸素交換の向上をもたらす。
公知の血液酸素付加装置と比較して、本発明による中空ファイバー血液酸素付加装置は、中空フィラメントファイバーで充填されるチャンバの大きさが小さい一方で、高いガス交換率を示す。本発明による酸素付加装置では、血液のチャネリングは観察されず、血液が停滞する領域も観察されない。酸素付加装置を流れる血液の圧力降下は低い。
以下の実施例により、好適な実施形態に関し、本発明による中空ファイバー酸素付加装置の利点を示す。
実施例１
図１による中空ファイバー血液酸素付加装置を、AKZO ENKA GROUP製の中空フィラメントファイバーを3.2〜3.6ｍ²使用してコア壁と外壁との間の環状チャンバを充填することによって組み立てた。フィラメントの半分をコアの長軸に対して４°の傾斜角で配置し、ファイバーの残りの半分をコアの長軸に対して12°の傾斜角度でコアの周りに配置した。これはそれぞれ、８°および25°の円周角度差に対応する。異なる傾斜角度の一方をそれぞれ有するファイバーの２つのストリップをチャンバに配置した。血液酸素付加装置を使用して、最初の酸素含有量が11ml/dl、最初の二酸化炭素含有量が55ml/dlの、体外循環される患者からの血液を処理した。付与した血液圧力差は26.6kPaであり、付与した空気の圧力差は4kPaであった。従って、ガスの流量は6l/min.であり、血液の流量は6l/min.であった。酸素付加装置を出る血液は、19.3ml/dlの酸素含有量、および50ml/dlの二酸化炭素含有量を有していた。従って、本発明による血液酸素付加装置は優れたガス交換率を示した。血液の停滞およびチャネリングならびに血液粒子の凝集は観察されなかった。
実施例２
中空ファイバー血液酸素付加装置を、AKZO ENKA GROUP製の中空フィラメントファイバーを使用し、図２および３に従って準備した。環状チャンバを交差状巻線によりファイバーで充填した。更なる実験条件は以下の通りであった。
ポリプロピレン製の仕切壁を、外壁から等しく７〜８mmの距離をおいて、環状チャンバに挿入した。仕切壁をチャンバの下部封止部で封止した。仕切壁は外壁およびコア壁に平行して延び、上部封止部から13〜15mmの距離で成端した。
実施例２による血液酸素付加装置は高いガス交換率を示した。血液のチャネリングおよび停滞は観察されなかった。
実施例３
中空ファイバー血液酸素付加装置を、AKZO ENKA GROUP製の中空フィラメントファイバーを使用し、図２および３に従って準備した。環状チャンバを、実施例１で使用したのと同じ方法により、ファイバーで充填した。更なる実験条件は以下の通りであった。
ポリプロピレン製の仕切壁を、外壁から等しく７〜８mmの距離をおいて、環状チャンバに挿入した。仕切壁をチャンバの下部封止部で封止した。仕切壁は外壁およびコア壁に平行して延び、上部封止部から13〜15mmの距離で成端した。
実施例３による血液酸素付加装置は高いガス交換率を示した。血液のチャネリングおよび停滞は観察されなかった。
実施例４（比較例）
比較実験では、市販の中空ファイバー血液酸素付加装置（DIDECO 7003 ITALIAN COMPANY）を使用した。実験条件は以下の通りであった。
流入血液：CO₂含有量=60ml/dl
O₂含有量=11.2ml/dl
流出血液：CO₂含有量=54ml/dl
O₂含有量=17.6ml/dl
血液の圧力降下は22.6kPaであった。ガスの流量は６l/min.であり、血液の流量は６l/min.であった。
実施例１、２、および３ならびに比較例４の結果から、本発明による中空ファイバー血液酸素付加装置内での中空ファイバーフィラメントの特定の配置が、血液のチャネリングまたは停滞を防止しながら、ガス交換率の向上をもたらすことがわかる。

Claims (23)

1. 中空ファイバー酸素付加装置であって、
   内部に血流チャンバを規定するハウジングであって、該ハウジングが、外壁およびコア内壁によって規定され、該チャンバが、その間に形成される、ハウジングと；
   該チャンバ内に延びる複数の選択的に透過性を有する中空ファイバーであって、各ファイバーが、開いたガス入口端と開いたガス出口端とを有し、該ファイバーの該入口端および出口端がそれぞれ該チャンバとの流体連通から封止される、ファイバーと；
   該ファイバーの該入口端へのガス入口と；
   該ファイバーの該出口端からのガス出口であって、ガスは各中空ファイバー内を該入口端から該出口端に流れ得る、ガス出口と；
   該チャンバへの血液入口と；
   該チャンバからの血液出口であって、血液は、該チャンバを該血液入口から該血液出口に流れて該選択的に透過性を有するファイバーの外表面に接触し、該ファイバーは、該ファイバー内を流れるガスと該チャンバ内を流れる血液との間のガス移動を可能にする、血液出口と；
   該チャンバ内にあり、中空ファイバーが各セクションに延びる状態で該チャンバを少なくとも２つのセクションに分割する仕切壁であって、該セクションが、該血液入口から該血液出口までの血液流路を規定し、少なくとも一方のセクションでは、血液流路に沿った血流方向が、該セクション内の該中空ファイバー内のガス流に対して向流であり、少なくとも他方のセクションでは、血液流路に沿った血流方向が、該セクション内の該中空ファイバー内のガス流と並流である、仕切壁とを備える、中空ファイバー酸素付加装置。
2. 前記チャンバ内に、ほぼ同じ体積を有するセクションが２つだけ形成される、請求項１に記載の酸素付加装置。
3. 前記ハウジングに取り付けられ、血液の温度を変える熱交換デバイスをさらに備える、請求項１に記載の酸素付加装置。
4. 前記チャンバが、前記ハウジングの前記外壁と前記コア内壁との間に環状に形成される、請求項１に記載の酸素付加装置。
5. 前記ハウジングに取り付けられ、血液の温度を変える熱交換デバイスをさらに備え、該熱交換器は、その一部が前記コア壁内であって該コア壁の一方の軸方向端に配置され、血液入口ポートと、前記チャンバへの該血液入口に連通している血液出口ポートとを備える、請求項４に記載の酸素付加装置。
6. 前記血液入口および前記血液出口の両方が、前記環状チャンバの第１の軸方向端に配置される、請求項４に記載の酸素付加装置。
7. 前記仕切壁が、前記外壁と前記コア壁との間の前記チャンバ内に配置される、請求項６に記載の酸素付加装置。
8. 前記仕切壁が、ほぼ管状で、前記環状チャンバ内を前記第１の軸方向端から該第１の軸方向端と反対側にある第２の軸方向端に向かって軸方向に延び、該チャンバ内にはセクションが２つだけ形成され、第１のセクションが該仕切壁の一方の半径方向側にあり、第２のセクションが他方の半径方向側にあり、該チャンバの該第１の軸方向端から遠位にある流れ連絡が該仕切壁によって規定され、血液が該血液入口から該第１のセクションを通り、該流れ連絡を通って、その後該第２のセクションを通って該血液出口に流れる、請求項７に記載の酸素付加装置。
9. 前記ガス入口が、前記チャンバの前記第２の軸方向端に配置され、前記ガス出口が、前記第１の軸方向端に配置され、ガスが、前記ファイバー内を前記第２の端部から前記第１の端部に軸方向に流れ、前記第１のセクション内では前記血液流路と反対方向に流れ、前記第２のセクションでは前記血液流路と同じ方向に流れる、請求項８に記載の酸素付加装置。
10. 前記チャンバの前記第１の端部に、前記ガス出口から該チャンバを閉じる第１の封止部と、該チャンバの前記第２の軸方向端部に、前記ガス入口から該チャンバを閉じる第２の封止部とをさらに備え、前記仕切壁が、該第１の封止部と接している、請求項９に記載の酸素付加装置。
11. 前記仕切が前記第２の封止部まで延び、前記流れ連絡を規定する、該第２の封止部に近接する開口部を備える、請求項１０に記載の酸素付加装置。
12. 前記仕切壁が、前記第２の封止部に到達せずに終わり、その間に間隙を規定し、それにより前記流れ連絡を形成する、請求項１０に記載の酸素付加装置。
13. 前記血液入口が、前記コア壁に形成される開口部を備え、前記血液出口が、前記外壁に形成される開口部を備え、前記チャンバの前記第１のセクションが、前記第２のセクション内に、前記仕切壁を介在させて同心的に配置される、請求項８に記載の酸素付加装置。
14. 前記仕切壁が、前記外壁および前記コア壁のそれぞれから間隔をあけて配置され、前記チャンバ内に、ほぼ同じ体積を有する２つのセクションを形成する、請求項８に記載の酸素付加装置。
15. 前記複数の選択的に透過性を有する中空ファイバーが、連続するファイバー層を備え、各ファイバー層が、平行に整列され互いに接続されてマットを形成する複数のファイバーを備え、各層のファイバーが、隣接する各層のファイバーと角度を形成するような向きにされる、請求項１に記載の酸素付加装置。
16. 前記チャンバは環状であり、各ファイバーが該ファイバーの第１の軸方向端と第２の軸方向端との間で、１８０°以下の円周角度差でらせん状に延びる、請求項１４に記載の酸素付加装置。
17. 各ファイバーの円周角度差が９０°以下である、請求項１６に記載の酸素付加装置。
18. 前記隣接する層のファイバーが、前記チャンバ内で同じ回転の向きでらせん状に巻かれる、請求項１４に記載の酸素付加装置。
19. 前記隣接する層のファイバーが、互いに４０°以内の傾斜角度を有する、請求項１４に記載の酸素付加装置。
20. 前記チャンバが、第１の端部および第２の端部を有し、ほぼ長軸方向に延び、前記血液入口および前記血液出口両方が、該チャンバの該第１の端部に配置される、請求項１に記載の酸素付加装置。
21. 前記仕切壁が、前記チャンバ内を前記第１の端部から前記第２の端部に向かって、長軸方向に延び、該チャンバ内にはセクションが２つだけ形成され、第１のセクションが該仕切壁の一方の側にあり、第２のセクションが該第１の側を取り囲む他方の側にあり、該チャンバの該第１の端部から遠位にある流れ連絡が該仕切壁によって規定され、血流が該血液入口から該第１のセクションを通り、該流れ連絡を通って、その後該第２のセクションを通って該血液出口に流れる、請求項２０に記載の酸素付加装置。
22. 前記ガス入口が、前記チャンバの前記第２の端部に配置され、前記ガス出口が、前記第１の端部に配置され、ガスが、前記ファイバー内を該第２の端部から該第１の端部に流れ、前記第１のセクション内では前記血液流路と反対方向に流れ、前記第２のセクションでは前記血液流路と同じ方向に流れる、請求項２１に記載の酸素付加装置。
23. 前記チャンバの前記第１の端部に、前記ガス出口から該チャンバを閉じる第１の封止部と、該チャンバの前記第２の端部に、前記ガス入口から該チャンバを閉じる第２の封止部とをさらに備え、前記仕切壁は、該第１の封止部と接している、請求項２２に記載の酸素付加装置。

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