JP4042876B2 - 膜型血液透析器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、血液透析療法および血液透析濾過療法において利用される膜型血液透析器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分子量１１，８００ダルトンのβ２−ミクログロブリンが尿毒素物質といわれてから、本来の小分子物質および中分子物質のみならず分子量約２０，０００〜４０，０００ダルトンの低分子蛋白の除去をも目的として、血液透析膜の大孔径化および活性層の薄膜化という血液透析膜のハイパフォーマンス化が推進されてきたが、これによりエンドトキシンの血液側への侵入が懸念されるようになった。
発熱物質として知られるエンドトキシンは、グラム陰性菌の表皮の構成成分であり、生菌では通常ミセル状態で存在しその分子量は数百万ダルトンであるが、菌が死ぬと分子量数千〜数万ダルトンの小片（フラグメント）となって遊離する。
即ち、従来、血液透析膜の膜孔径はエンドトキシンのフラグメントが通過できない程度の大きさであったため、血液透析においては逆濾過によるエンドトキシンの血液側への混入は大きな問題とならなかったが、大孔径化によりエンドトキシンの侵入が問題となってきたのである。
また、血液透析濾過においても、血液透析膜の大孔径化によるエンドトキシンの侵入が懸念されている。特に、血液透析濾過療法の一種であるプッシュプル血液透析濾過法は、透析液側から強制的に大量の濾過・逆濾過を促進したものであるから、エンドトキシンの血液側への侵入の防止が大きな課題となる。
【０００３】
一方、血液透析濾過のコスト削減等を目的として、滅菌した置換液の代わりに透析液を患者の体内に注入するオンライン血液透析濾過等の試みがなされている。この場合の透析液には施設水、水道水等が用いられるが、これらの中には、エンドトキシンが多く存在するので問題となっている。
【０００４】
従来から、施設水や水道水、または透析液中のエンドトキシンのフラグメントを除去するためには、疎水性多孔質膜の分画分子量特性を利用した濾過による手法が利用されてきた。これは、エンドトキシンフラグメントの大きさでふるい分けできることを利用したものであり、透析器に流入する透析液を透析器入口以前の流路で濾過するものである。
しかし、前記の手法では濾過フィルターを再利用するため、エンドトキシン濃度を厳密に低く管理するのが困難であり、かつ、コストがかかるという欠点があった。また、濾過フィルターを通った透析液が、透析液回路用チューブと血液透析器の接合部において、エンドトキシンにより再汚染されてしまうという問題もあった。
従って、大孔径の血液透析膜を利用したハイパフォーマンス血液透析器であって、エンドトキシンの侵入が高い精度で防止され、かつ、コストの安価な膜型血液透析器が望まれていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、エンドトキシンの透析液側から血液側への侵入を防ぐ膜型血液透析器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、中空糸膜を含むハウジングを有し、中空糸内部に血液側流路が形成され、中空糸外部に透析液側流路が中空糸膜を隔てて形成されている膜型血液透析器において、該透析液側流路である中空糸膜間にエンドトキシン吸着材を介在させた膜型血液透析器を提供する。
【０００８】
前記エンドトキシン吸着材が、エンドトキシン吸着剤をコートした繊維、メッシュまたは不織布であることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面を参照しつつ説明する。
【００１０】
本発明の態様は、中空糸膜を含むハウジングを有し、中空糸内部に血液側流路が形成され、中空糸外部に透析液側流路が中空糸膜を隔てて形成されている膜型血液透析器において、該透析液側流路である中空糸膜間にエンドトキシン吸着材を介在させた膜型血液透析器である。
【００１１】
本発明に用いられるエンドトキシン吸着材は、エンドトキシンを吸着できる繊維、不織布またはメッシュ等であり、特に限定されず、エンドトキシン吸着剤で処理した繊維、メッシュ、不織布、スポンジ、多孔体等を用いることができる。エンドトキシン吸着剤は、例えば、カチオン性樹脂、キトサン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミドおよび／またはＮ，Ｎ−ジメチルアミノアルキルアクリルアミドと架橋型モノマーとの共重合体、グリシジルメタクリレートとエチレングリコールジメタクリレートとの共重合体、アミノアルキルメタクリレートおよびアルキルメタクリレートまたはビニル系単量体の共重合体、アミノ基を有するポリアルキレンオキサイド、ポリエチレンイミン、アリルアミン塩酸塩とジアリルアミン塩酸塩の共重合体、シリコンポリマー、パラフィン、ポリアリルアミンをグルタルアルデヒドにより架橋処理したポリマー、アリルアミン塩酸塩と共重合性ビニルモノマーとの共重合体、スルホン酸基を有するスチレン−ジビニルベンゼン共重合体、ポリアリレートとポリエーテルスルホンを有する重合体、固定化ポリミキシン、アジリジン化合物のポリマーが挙げられる。なかでも、繊維、メッシュ、不織布等に処理しやすいことから、ポリエチレンイミンが好ましい。
エンドトキシン吸着剤が固定される繊維、メッシュ、不織布等の素材は、例えば、ポリエステル、テトロン、ガラス繊維、レーヨン、キュプラ、アセテート、酢化アセテート、ビニロン、ナイロン、ビニリデン、アクリル、ポリウレタン（スパンデックス）、綿、羊毛、絹、ポリ塩化ビニル、ポリ尿素、ポリエチレン、ポリプロピレンが挙げられる。なかでも、耐熱性および加工性が優れるポリエステルが好ましい。
エンドトキシン吸着剤を繊維、メッシュ、不織布等に固定する処理は、コーティング、組成物として混合する方法等が挙げられるが、コーティングによるのが好ましい。コーティング処理は、浸漬、熱処理、共有結合等の化学処理が例示される。
【００１２】
また、本発明に用いられるエンドトキシン吸着材は、前記エンドトキシン吸着剤自体を繊維、メッシュ、不織布等に加工、成形したものであってもよい。
【００１３】
これらのエンドトキシン吸着材は、単独で用いてもよいが、形状、素材、エンドトキシン吸着剤の種類等の異なる２つ以上を併用することもできる。
【００１４】
本発明の態様において透析液側流路である中空糸膜間にエンドトキシン吸着材を介在させる態様について、以下に説明する。図１は、エンドトキシン吸着材の好適な一例であるエンドトキシンを吸着する繊維２１を中空糸膜間に介在させた本発明の態様の血液透析器１の例を模式的に示した縦断面図である。繊維２１を介在させる態様は、図２に表されるように中空糸膜間に繊維２１を配置してもよいし、図３に表されるように中空糸膜に繊維２１を編み込んでもよい。膜間の断面積（透析液流路断面積）に対するエンドトキシン吸着材の断面積の割合は、吸着材が繊維である場合、５〜９０％が好ましく、２０〜５０％がより好ましい。２０％以上であるとエンドトキシンンの吸着効率が高くなり、５０％以下であると血液透析器の組立てが容易になる。
【００１５】
図４は、エンドトキシン吸着材の好適な一例であるエンドトキシンを吸着するメッシュおよび／または不織布２２を中空糸間に介在させた本発明の態様の血液透析器２の例を模式的に示した縦断面図である。メッシュおよび／または不織布２２を介在させる態様は、図５に表されるように中空糸束とハウジング外壁との間にメッシュおよび／または不織布２２を巻いてもよいし、図６に表されるように中空糸外部の空間にメッシュおよび／または不織布２２を巻き込んでもよい。
【００１６】
また、上述したエンドトキシン吸着材の介在の各種態様をとる場合においては、エンドトキシン吸着材を透析液側流路の中空糸膜間に均一に分布させてもよいし、局所的に集中させる等不均一に分布させてもよい。特に、透析液入口付近の配置密度を高くすることは、エンドトキシンの血液側への侵入の効果的かつ効率的な防止を可能とするので好適な態様である。
【００１７】
本発明の膜型血液透析器は、透析液側流路にエンドトキシン吸着材を介在させたものなので、濾過フィルターによっては除去しきれない低濃度のエンドトキシンおよび濾過フィルター通過後の再汚染によるエンドトキシンをエンドトキシン吸着材が吸着し、血液側への侵入を高い精度で防止することができる。
また、エンドトキシン吸着性物質を塗布等により透析膜に加工する場合には、エンドトキシン吸着性物質を膜の細孔表面に吸着させることとなり、その吸着の程度により透析膜の物質透過性能が低下することがあるが、本発明の膜型血液透析器においてはそのような問題はない。
【００１８】
本発明の膜型血液透析器は、エンドトキシンの血液側への侵入を高い精度で防止するので、血液透析療法および血液透析濾過療法に好適に用いることができる。
血液透析濾過療法に用いる場合においては、大孔径のハイパフォーマンス血液透析器とすることができる。また、強制的に逆濾過を促進したプッシュプル血液透析濾過法にも好適に用いられる。
【００１９】
【実施例】
以下に実施例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限られるものではない。
（実施例１）
ポリエステル繊維（繊維直径：７μｍ）を、ポリエチレンイミン（数平均分子量１０，０００ダルトン）のメタノール溶液にピリジンを加えた溶液に浸漬し、１２０℃で８時間乾燥し、ポリエステル繊維にポリエチレンイミンを固定した。このポリエチレンイミン処理ポリエステル繊維を、ポリスルフォン中空糸膜（外径２８０μｍ、内径２００μｍ）をバンドル化する際に中空糸膜１本に対して３本一緒に巻き取り、ポリエチレンイミン処理ポリエステル繊維がポリスルホン中空糸と平行に存在する図２の態様の約１０，０００本の中空糸束（有効膜面積１．５ｍ² ）を作製した。この中空糸膜の束を、透析液流入口・流出口付きのポリカーボネート製の筒状のハウジング（有効長０．２３５ｍ、内径０．０３４５ｍ）に挿入した。
次に筒状ハウジング内に挿入された各中空糸膜の両端部にポリウレタンポッティング剤を注入、硬化して各中空糸膜を固定し、その両端をスライスして各中空糸膜を開口させた。筒状のハウジングの両端部に、それぞれ血液流入口ポート付きカバー・血液流出口ポート付きカバーを融着することにより、液密に固定して、膜型血液透析器を得た。
（実施例２）
ポリエステルメッシュ（７０メッシュ、線径１２０μｍ、オープニング２４３μｍ、開口率４５％、メッシュ厚み１８２μｍ）を、ポリエチレンイミン（数平均分子量１０，０００ダルトン）のメタノール溶液にピリジンを加えた溶液に浸漬し、１２０℃で８時間乾燥し、ポリエステル繊維にポリエチレンイミンを固定した。このポリエチレンイミン処理ポリエステルメッシュを、ポリスルフォン中空糸膜（外径２８０μｍ、内径２００μｍ）約１０，０００本の束（有効膜面積１．５ｍ² ）に巻き付け、図５の態様とした。この中空糸膜の束を、透析液流入口・流出口付きのポリカーボネート製の筒状のハウジング（有効長０．２３５ｍ、内径０．０３４５ｍ）に挿入した。
次いで、実施例１と同様の方法により、膜型血液透析器を得た。
（比較例１）
実施例２で用いたのと同様のポリスルフォン中空糸膜の束を、透析液流入口・流出口付きのポリカーボネート製の筒状のハウジング（有効長０．２３５ｍ、内径０．０３４５ｍ）に挿入した。
次いで、実施例１と同様の方法により、膜型血液透析器を得た。
【００２０】
実施例１、２および比較例１に使用したポリスルフォン膜の細孔半径は５．８ｎｍであった。細孔半径は、反発係数から以下の方法によって求めた（参考文献を以下に記す。▲１▼Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｊａｐａｎ，２０（１９８７）Ｓａｋａｉ Ｋ，Ｔａｋｅｓａｗａ Ｓ，Ｍｉｕｒａ Ｒ，Ｏｈａｓｈｉ Ｈ，Ｓｔｒｕｃｔｕａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｏｌｌｏｗ ｆｉｂｅｒ ｄｉａｌｙｓｉｓ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ ｆｏｒ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｕｓｅ．ｐ．３５１−３５６、▲２▼Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，１（１９６６）Ｓｐｉｅｇｌｅｒ Ｋ Ｓ，Ｋｅｄｅｍ Ｏ，Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｈｙｐｅｒｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ（ｒｅｖｅｒｓｅ ｏｓｍｏｓｉｓ）：ｃｒｉｔｅｒｉａ ｆｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ．ｐ．３１１−３２６、▲３▼Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，１（１９６６）Ｊａｇｕｒ−Ｇｒｏｎｄｚｉｎｓｋｉ Ｊ，Ｋｅｄｅｍ Ｏ，Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｓａｌｔｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｕｎｃｈａｎｇｅｄ ｈｙｐｅｒｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ．ｐ．３２７−３４１、▲４▼Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＭｅｍｂｒａｎｅＳｃｉｅｎｃｅ，５（１９７９）Ｗｅｎｄｔ Ｒ Ｐ，Ｋｌｅｉｎ Ｅ，Ｂｒｅｓｌｅｒ Ｅ Ｈ，Ｈｏｌｌａｎｄ Ｆ Ｆ，Ｓｅｒｉｎｏ Ｒ Ｍ，Ｖｉｌｌａ Ｈ，Ｓｉｅｖｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｈｅｍｏｄｉａｌｙｓｉｓ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ．ｐ．２３−４９）。
【００２１】
反発係数を測定する溶液を血液側流量を１００〜５００ｍｌ／ｍｉｎの４〜５点ふりダイアライザに導いた。それぞれの血液側流量において、濾過流量を５〜３０ｍｌ／ｍｉｎの５点ふり定速濾過実験を行った。血液側の入口、出口および濾過側出口よりサンプリングを行い、（１）式より篩係数ＳＣを求めた。各流量を変化させた後には、３０分以上定常待ちを行った。溶質には、リゾチーム（重量平均分子量１４，４００ダルトン、ストークス半径１９．３ｎｍ）１０ｍｇ／ｄｌ、ミオグロビン（重量平均分子量１７，０００ダルトン、ストークス半径１９．５ｎｍ）１０ｍｇ／ｄｌおよびα−キモトリプシノーゲン（重量平均分子量２５，７００ダルトン、ストークス半径２３．２ｎｍ）１０〜２０ｍｇ／ｄｌを用いた。
ＳＣ＝２×Ｃ_Fo／（Ｃ_Bi＋Ｃ_Bo） （１）
ここで、Ｃ：濃度、添字Ｂｉ：血液側入口、Ｂｏ：血液型出口、Ｆｏ：濾過側出口である。
反発係数の算出方法を以下に示す。濃度境界層内において次式が成立する。
Ｊｓ＝ｃ×Ｊｖ−Ｄ×（ｄｃ／ｄｘ）＝ｃ_P ×Ｊｖ （２）
ここで、ｃ：溶質濃度、Ｄ：溶質の拡散係数、Ｊｓ：溶質の透過流束、Ｊｖ：体積透過流束、ｘ：境界層厚み方向の変数、添字Ｐ：透過側である。
（２）式をＪｖが一定とみなして次の境界条件で積分すると（５）式が得られる。
ｘ＝０；ｃ＝ｃ_F （３）
ｘ＝δ；ｃ＝ｃ_M （４）
Ｊｖ＝ｋ×ｌｎ｛（ｃ_M −ｃ_P ）／（ｃ_F −ｃ_P ）｝ （５）
ここで、ｋ：物質移動係数＝Ｄ／δ、δ：境界層厚み、添字Ｆ：供給側、Ｍ：膜面である。
真の阻止率Ｒｉｎｔおよび見かけの阻止率Ｒｏｂｓは次式で表されるため、（６）〜（７）式より（８）式が導かれる。
Ｒｉｎｔ＝１−ｃ_P ／ｃ_M （６）
Ｒｏｂｓ＝１−ｃ_P ／ｃ_F （７）
ｌｎ｛（１−Ｒｏｂｓ）／Ｒｏｂｓ｝＝ｌｎ｛（１−Ｒｉｎｔ）／Ｒｉｎｔ｝＋Ｊｖ／ｋ （８）
また、管型モジュールの層流領域では、ｋにはＣｏｌｂｕｒｎの無次元相関式が成り立つため、（９）式よりｋを算出してある透過流束ＪｖにおけるＲｉｎｔを求め、それらの値の平均値をＲｉｎｔとした。
Ｓｈ＝１．６２×（Ｓｃ×Ｒｅ×ｄ／Ｌ）^0.333 （９）
ここで、Ｓｈ：シャーウッド数、Ｓｃ：シュミット数、Ｒｅ：レイノルズ数、ｄ：中空糸内径、Ｌ：中空糸長さである。
さらに、Ｊａｇｕｒ−ＧｒｏｎｄｚｉｎｓｋｉとＫｅｄｅｍにより２層からなる膜の反発係数σと真の阻止率Ｒｉｎｔの間には次式が成り立つことが導かれている。
Ｒｉｎｔ＝｛（１−ｆ_sk）×（１−σ_sp）＋ｆ_sk×（１−σ_sk）×（１−ｆ_sp×σ_sp）−（１−σ_sk）×（１−σ_sp）｝／｛（１−ｆ_sk）×（１−σ_sp）＋ｆ_sk×（１−σ_sk）（１−ｆ_sp×σ_sp）｝ （１０）
ｆ＝ｅｘｐ｛−（１−σ）×Ｊｖ／Ｐｍ｝ （１１）
ここで、Ｐｍ：溶質透過係数、添字ｓｋ：緻密層、ｓｐ：支持層である。
また、σ_sp＝０と仮定できるとき、（１０）式は次式で表される。
Ｒｉｎｔ＝σ_sp×（１−ｆ_sk）／（１−σ_sk×ｆ_sk） （１２）
よって、真の阻止率Ｒｉｎｔ対透過流束の逆数１／Ｊｖを点綴し、最小二乗法により、反発係数σ_skを決定した。この反発係数から、細孔理論に基づき、試行錯誤法を用いて細孔半径ｒ_skを決定した。
【００２２】
エンドトキシン阻止性能試験
実施例１、２および比較例１の膜型血液透析器のエンドトキシン阻止性能試験を、日本人工臓器工業協会で定める透析用エンドトキシンカットフィルター安全性・性能試験ガイドライン（案）（竹沢真吾編「透析液エンドトキシンがよくわかる本」（１９９５）（株）東京医学社ｐ．１４９−１５０）に準拠して行った。
図７に示すように、エンドトキシン濃度１００〜２５０ＥＵ／Ｌに調製した調製透析液８を透析液流量５００ｍｌ／ｍｉｎの条件で、透析液ポート（入口）４１から供給し、血液ポート（入口）５１から透過させる全濾過実験を行った。実験中、透析液ポート（出口）４２および血液ポート（出口）５２は閉鎖しておいた。また、定常待ちは１５分間以上行った。
供給液（全濾過前）および透過液（全濾過後）のエンドトキシン濃度をエンドスペシー法（生化学工業（株）社）により測定し、（１３）式を用いてエンドトキシンの透過率を算出した。結果を第１表に示す。
（エンドトキシン透過率）＝（透過液エンドトキシン濃度）／（供給液エンドトキシン濃度） （１３）
【００２３】

【００２４】
実施例１および２は、透過液のエンドトキシン濃度が検出限界以下であり、比較例１に比べてエンドトキシン阻止性能が優れていることが分かる。
【００２５】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の膜型血液透析器は、大孔径の血液透析膜を利用したハイパフォーマンス血液透析器とすることができ、その場合においてもエンドトキシンの透析液側から血液側への侵入が有効に防止される。
従って、血液透析療法および血液透析濾過療法に好適に用いることができる。また、逆濾過を促進したプッシュプル血液透析濾過法や、透析液を患者の体内に注入するオンライン血液透析濾過等の試みにおいても、好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるエンドトキシンを吸着する繊維を設けた例を模式的に示した図である。
【図２】 本発明によるエンドトキシンを吸着する繊維を設けた一例を示した断面図である。
【図３】 本発明によるエンドトキシンを吸着する繊維を膜に巻き付けた一例を示した図である。
【図４】 本発明によるエンドトキシンを吸着するメッシュおよび／または不織布を設けた例を模式的に示した図である。
【図５】 本発明によるエンドトキシンを吸着するメッシュおよび／または不織布を設けた一例を示した断面図である。
【図６】 本発明によるエンドトキシンを吸着するメッシュおよび／または不織布を設けた一例を示した断面図である。
【図７】 膜型血液透析器のエンドトキシン阻止性能試験の測定装置を示した図である。
【符号の説明】
１：外筒ハウジング
３：中空糸膜
６：ポンプ
８：調整透析液
１０：膜型血液透析器
２１：エンドトキシン吸着繊維
２２：エンドトキシン吸着メッシュまたは不織布
４１：透析液ポート（入口）
４２：透析液ポート（出口）
５１：血液ポート（入口）
５２：血液ポート（出口）
７１：透析液入口回路（供給液回路）
７２：血液入口回路（透過液回路）

Claims (2)

1. 中空糸膜を含むハウジングを有し、中空糸内部に血液側流路が形成され、中空糸外部に透析液側流路が中空糸膜を隔てて形成されている膜型血液透析器において、該透析液側流路である中空糸膜間にエンドトキシン吸着材を介在させた膜型血液透析器。
2. 前記エンドトキシン吸着材が、エンドトキシン吸着剤をコートした繊維、メッシュまたは不織布である請求項１記載の膜型血液透析器。

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