JPH01104271A - 膜型人工肺 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は血液体外循環において、血液に酸素を添加し、
二酸化炭素を除去するための膜型人工肺に関するもので
ある。

［従来の技術と解決しようとする課題］人工肺は関心術
の補助手段あるいは長期の呼吸補助手段として研究され
、種々のタイプのものが開発されている。これら人工肺
は生体肺の持つ機能のなかで血液に酸素を添加し、二酸
化炭素を除去するガス交換機能を代行するものであって
、関心術用の人工肺として現在気泡を人工肺と膜型人工
肺が実用化されている。また呼吸補助用の人工肺として
膜型人工肺が開発されている。

気泡型人工肺は臨床に広く用いられているが、酸素を血
液中に直接吹き込むために、溶血、蛋白変性、血液凝固
、微小血栓の゛発生、白血球や補体の活性化が生じ易く
、また長時間使用すると消泡効果が弱くなり、微小気泡
が血液中へ混入する恐れがあるなどの欠点を有する。

膜型人工肺は膜を隔てて静脈血とガスとを接触させて、
静脈血中へ酸素を吸収させると同時に、ガス中へ炭酸ガ
スを放出させるもので、気泡型人工肺にくらべて、より
生理的であり、血液損傷が少ない、プライミングボリュ
ームが小さいなどの利点を有し、近年、臨床的にも次第
に用いられるようになった。

現在膜型人工肺に用いられている膜には弗素系重合体や
シリコン系の高分子よりなる均質膜が知られている。

これらの均質膜を用いた人工肺のガス交換速度は、膜へ
のガスの溶解速度と膜中でのガスの拡散速度に大きく依
存するが、前者では溶解拡散速度が小さすぎるという問
題があり、また後者ではシリコンゴムの機械的強度が小
さくて、薄膜化が困難であるという問題がある。

また膜型人工肺のもう一つのタイプとして、いわゆる多
孔質人工肺即ち均質膜のような溶解拡散機構と全く異な
る透過機構による疎水性の連通孔型多孔質膜を用いた人
工肺が知られている。かかる人工肺では、膜の有する連
通細孔（例えば０゜０８〜４μｍ）が透過すべき気体分
子に比べて著しく大きいため、気体分子は体積流として
膜の細孔を通過する。従って、ガス透過速度は均質膜よ
り３ケタ程大きいが、水蒸気も多量に透過するため、気
相側の膜面での結露によって性能が低下するだけでなく
、長時間血液を循環させて使用すると、血漿が漏出する
という問題があった。この血漿の漏出は、血漿中の蛋白
成分等が膜表面に付着してゆくことによって次第に疎水
性が失なわれていくためと推定されるが、血漿の漏出が
起こると、膜のガス交換能は大巾に低下し、使用不能の
状態におちいる場合もある。

均質膜や多孔質膜が有するこの様な諸欠点を解消するた
めに、例えば特公昭５４−１７０５２号および特開昭６
０−２４９９６９号には、多孔質膜の細孔内部と膜表面
、または細孔内部のみを既知の物質の中でも特にガス透
過性の高いシリコン系化合物でコートあるいは目詰した
中空繊維膜による複合膜人工肺が提案されている。シリ
コンコートまたはシリコン目詰多孔膜人工肺は、原理的
には均質膜肺よりもシリコンコート層（目詰層）の厚み
を薄くできるため、ガスの拡散透過性が改善され、ガス
交換能が均質膜肺より高くなるが、例えば特開昭６０−
２４９９６９号に開示されているような複雑な目詰処理
を必要とし、目詰層の・厚さ、強度、ピンホール発生防
止などの制御が技術的に困難であり１、コストが高くな
るという問題があるなど技術的に未解決な問題が多く、
実用化されていない。

以上に述べたように、従来の膜塁人工肺において、均質
膜人工肺は、実質的に細孔を有さないので血漿の漏出が
ないという利点はあるものの、体積流が存在しないため
、細孔を通して、体積流でガスを透過させる多孔膜人工
肺よりもガス交換能が劣るという欠点を有する。一方、
連通孔を多孔膜人工肺は、膜の疎水性が維持されている
限りは高いガス交換能を有しているが、２０時間以上た
つと疎水性が失われ、血漿漏出と、それに伴うガス交換
能の大巾な低下が起るという本質的欠点を有する。さら
に、これまでの複合膜は低い生産性とそれによる高価格
という欠点を有している。

従って、膜人工肺には、均質膜や複合膜を人工肺と同様
に、長時間の使用が可能であること、多孔膜人工肺と同
等以上のガス交換能を有することおよび低コストで得ら
れること等の夫々の長所を兼ね備えることが求められて
いる。

［課題を解決する手段］ 本発明者らは、膜型人工肺に使用するための、血液−気
体間のガス交換能に優れかつ長時間の使用においても血
漿の漏出を完全に防止できる、安価な膜を探索した結果
、成る種の特徴的な膜構造を有するポリオレフィン系重
合体からなる膜が従来の人工肺用の膜に比べて優れた性
能を有する事を見出し、それを用いた膜型人工肺を発明
した。

即ち、本発明によれば、膜の一方の側に血液を流し膜の
他方の側に酸素もしくは酸素含有気体を流すことにより
膜を介して血液と気体間でガス交換を行う膜型人工肺に
おいて、＃膜は２５℃における酸素透過速度ｃｉ（ｏｘ
）がｌ　Ｘ　Ｉ　Ｏ−’　［ｃｍ”（ＳＴＰ）／ｃｍ”
ｓｅｃ−ｃｍＨｇ１以上でありかつ実質的にエタノール
を透過せず、空孔率が７〜５０％であり、主としてポリ
オレフィン系重合体からなり、内径が１０〜５００μｍ
でかつ厚さが５〜１１００ｐの中空繊維膜であることを
特徴とする膜型人工肺が提供される。

又、本発明によれば上記膜型人工肺に於いて、該膜の外
側に酸素含有気体を流し、一方該膜の内側に血液を流す
か、若しくは該膜の外側に血液を流し、一方該膜の内側
に酸素含有気体を流して血液と該気体とのガス交換を行
うことを特徴とする膜型人工肺の使用法が提供される。

本発明に用いる膜は、膜内部に微細な細孔（空隙）を有
するものの、膜の表裏は実質上細孔によって連通してい
ない、所謂非連通孔タイプの多孔質膜である。膜内部に
細孔が多く存在するほど酸素や二酸化炭素等のガス透過
速度が高くなり、血液への酸素移行量や血液からの二酸
化炭素の除去量が増す。しかしながら、空孔率を高くし
過ぎると細孔は互いに連結し、膜の表裏を連通ずる細孔
（連通孔）が発生し、血漿の漏出を生ぜしめる。従って
、本発明に用い得る膜は、その空孔率（体積空孔率）が
７〜５０％のものであり、膜の製造方法によって多少異
なるが、１０〜３５％のものがより好ましい。本発明に
用いる膜は、上記の様に実質上達通孔を有しない多孔質
膜、換言すると、部分的な連通孔および独立気泡の一方
または両方を複雑に保有する多孔質膜であるが、さらに
その構造について詳しく論じると、膜の一方の側（中空
繊維膜の外表面もしくは内表面）には細孔が開孔してい
るが他の側に細孔が開孔していない場合、膜の内部には
細孔が存在するものの膜の内外両表面には細孔が開孔し
ていない場合、膜の内外両表面共に細孔が開孔している
ものの該細孔が膜内部で途切れていて、表裏を連通して
いない場合等があり、実際にはこれらの構造が混在する
事が多い。

膜表面における細孔の開口状態は、走査型電子顕微鏡（
ＳＥＭ）による表面からの観察で視認できる。本発明に
用いる膜は上記のいずれの構造であっても良いが、膜の
少なくとも一方の側に細孔が開孔していない層を持つも
のが好ましい。細孔の大きさに特に制限は無いが、酸素
透過速度や膜強度等の点から、直径０．００５〜ＩＯｐ
ｍが好ましく、０．０３〜１μｍがさらに好ましい。

本発明に用いる膜は酸素透過速度Ｑ（ｏｘ）がｌ　Ｘ　
Ｉ　Ｏ−”　［ｃｍ３（ＳＴＰ）　／ｃｍ２・ｓｅｃ−
ｃｍＨｇ］以上、好ましくは７ＸＩＯ−・［ｃｍ３（Ｓ
ＴＰ）／ａｍ’　・ｓｅａ−ｃｍＨｇ　］以上、より好
ましくは５Ｘ１０−”〜ｌ　Ｘ　Ｉ　Ｏ−’　［ｃｍ’
（Ｓ　Ｔ　Ｐ）／　（ｃが・５ｅｃ−ｃＩＩＩＨｇ）］
のものである。（酸酸素透過度はＡＳＴＭＤｌ′４３４
に準拠して測定される）酸素透過速度がこの値より低い
場合は、血液とのガス交換速度が遅くなり、均質膜型人
工肺に比ベメリットが無くなる。本発明に用いる膜の場
合、二酸化炭素の透過速度は酸素の透過２速度はぼ同程
度若しくは高くなるため、酸素透過速度が上記値であれ
ば、血液からの二酸化炭素除去量は十分である。酸素透
過速度は高い方が好ましいのは勿論である。酸素透過速
度を高めるには酸素透過係数の大きな素材を選定するこ
と、空孔率を高めること、気体が膜素材の重合体中を溶
解・拡散機構で透過すべき実質膜厚を薄くすること、と
いった方法をとる事ができる。しかし、その達し得る酸
素透過速度には自ずと限界はあろうが、高いこと自体に
よる不都合はないので、その意味から酸素透過速度に上
限を定めることを要しない。

膜の表裏を連通した細孔、所謂連通孔が存在すると、酸
素透過速度は高くなるものの、血漿の漏出が生じ好まし
くない。連通孔の有無と存在量は、エタノールの透過量
で判定できる。エタノールは、膜に連通孔が存在すれば
、その内部に浸入して液状のまま膜を透過する。例えば
、多孔膜型人工肺に用いられる連通孔タイプのポリプロ
ピレン膜の場合、膜の一方の側よりＯ−５ｋｇｆ／　ｃ
ｍ”の加圧下に７０％エタノールを圧入すると、１００
０〜４００００　ｍ４／（ｍｉｎ−ｍりの速度でエタノ
ールが透過してくるが、本発明の膜ではエタノール透過
量は著しく少なく、実質的に不透過である。ここでいう
「実質的に不透過」とは、同じ測定条件下でエタノール
透過量が３０　ｍＱ／　（ｗｉｎ−ｍ”）以下であるこ
とを意味する。エタノール透過量は、好ましくはｌ　Ｏ
ｍＱ／　（ｗｉｎ−が）以下、さらに好ましくは２　ｍ
Ｑ／　（ｍｉｎ−ｍり以下である。

本発明の膜における連通していない部分、即ちこのエタ
ノールを「実質的に不透過」とするエタノール遮断層が
本発明の膜のどの位置に存在するかを特定することは、
本発明において必須ではなく、膜の表面の片側または両
側に存在しても良いことは勿論、膜の内部に、単層、複
層を問わず、複雑な形状で実質的に存在するのであって
も良い。

しかしながら、その様な遮断層が血液に接する側の膜表
面に形成された膜構造が、血漿あるいは凝結水分による
空隙部の閉そくを防ぐ意味で好ましい。即ち、血液を中
空繊維膜の外側に流す外部潅流型人工肺にあっては中空
繊維膜の外表面に、又、血液を中空繊維膜の内側に流す
内部潅流型人工肺にあっては中空繊維膜の内表面にエタ
ノール遮断層を形成する事が好ましい。さらに、遮断層
の厚みを薄くする目的から、遮断層は１層である事が好
ましい。この様な遮断層（非多孔層）が膜表面に形成さ
れているかどうかは、走査型電子顕微鏡（Ｓ　Ｅ　Ｍ）
で確認する事ができる。

エタノール遮断層の膜全体に於る平均的な全実質厚みは
気体透過速度の実測値から計算により推定する事ができ
る。即ち、膜を透過する気体は、膜中の遮断層を溶解・
拡散流れで透過する部分と膜の表裏を連結する連通孔を
クヌーセン流れで透過する部分の和であるとして（並列
構造）解いた式（１）を用い、酸素透過速度および窒素
透過速度の実測値から計算される。

ａｌｃａ−ａｘ）　　　Ｑ（０２） Ｑ（Ｎ２） 係数 ｐ（ｏｘ）　　［＊ｔｌ　　：素材ポリマーの酸素透過
係数 Ｐ（Ｎ２）　　［＊ｔｌ　　：素材ポリマーの窒素透過
係数 Ｑ（Ｏ□）［＊２］：膜の酸素透過速度（実測値）Ｑ（
Ｎ、）　　［＊２］　　：膜の窒素透過速度（実測値）
Ｌ　　　　［μｍ］：遮断層の平均厚み（注）　［＊　
ｌ　］　　：　ｃｍ３（Ｓ　Ｔ　Ｐ）・ｃｍ／（ｃｍ’
　・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ） ［＊２］　　：ｃｍ３（ＳＴＰ）／（ｃｍ”ｓｅｃ・ｃ
ｍＨｇ） 本発明者等は同じ酸素透過速度ｑ（ｏｘ）を示す膜でも
、（１）式で計算される遮断層の厚みＬが小さいほど血
液への酸素加能力が高い事を見出した。

その理由の詳細については不明であるが、血液への酸素
供給に際して、連通孔透過部の寄与は、遮断層透過部の
寄与に比べて小さい事によるものであろう。本発明に用
いる事のできる、（１）式で計算される中空繊維膜の遮
断層厚みは１０μｍ以下、好ましくは２μｍ以下、さら
に好ましくは０．７μｍ以下である。しかしながら製造
技術上、遮断層厚みを０．０１ｐ＋ａ以下にする事は極
めて困難である。

上記（１）式で計算される遮断層の厚みはａ＜１の場合
には誤差が大きくなる。この様な場合には、酸素／窒素
の測定の代わりに二酸化炭素／窒素の測定から求めるこ
とができる。

又、本発明に用いられる膜としては、上述のα（酸素／
窒素の分離係数）が好ましくは０．９４〜１．１５、よ
り好ましくは０．９５〜１．０９のものがより有効であ
る。

而して、中空繊維膜は、２５℃における酸素透過速度Ｑ
（Ｏ□）がｌＸｌ０−’以上、酸素／窒素の分離係数α
が０．９４〜１．１５、酸素透過速度と窒素透過速度か
ら計算される遮断層（非多孔層）の厚みが２μｍ以下で
あり、かつ圧力差０．５ｋｇｆ／ｃｍ２でのエタノール
透過量が３００　ｃｍ３／　（ｍｉｎ−ｍ”）以下、空
孔率が７〜５０％であり、内径が１０〜５００μｍで、
且つ厚さが５〜１００μｍであるものが好適である。か
かる膜は、特開昭５９−１９６７０６号に開示されてい
る、多孔質層と非多孔質層とからなり、酸素／窒素の分
離係数αが１゜２以上の中空繊維膜に比べて、人工肺に
適用した場合に於いて、より優れた血液処理量を呈する
ことになる。又、人工肺に限らず、一般の薄型気液接触
装置、例えばボイラー供給水の脱酸素、培養槽等に於い
ても、ガス交換速度が高く、装置がコンパクトにできる
メリットを有する。即ち、特開昭５９−１９６７０６号
の膜でも人工肺、その他の気液接触装置に用いて有効で
あるが、より優れた性能を指向して止まない市場要求か
らすれば、上記の好適な中空繊維膜が要望に応じ得るも
のである。

尚、上記中空繊維膜は、前述する如く、一般の模型気液
接触装置、即ち膜を介して液体と気体を接触せしめ、液
体中への気体の溶解若しくは液体中に含溶存する気体の
放出若しくはこれらの溶解と放出とを同時に行わしめる
ことを目的としたもの、例えばボイラー供給水の脱酸素
装置、培養槽、生物廃水処理における酸素供給装置等、
又、人工肺等の医療装置に利用できる。しかし、人工肺
用ガス交換膜と、一般の模型気液接触装置に於けるガス
交換膜では要求特性が異なる。人工肺においては、血液
中に濃厚な蛋白成分が存在し、膜表面に付着して表面を
親水化することが問題となるが、一般の気液接触装置に
おいては、特に素材がポリ−４−メチルペンテン−１の
場合、親水化されるような事態は生じない。この為、一
般の気液接触装置用ガス交換膜として用い得る膜のエタ
ノール透過量は３００　ｃｍ３／　（ｍｉｎ−ｍ”）以
下である。

本発明の膜型人工肺の特徴は、特徴的な構造と気体透過
特性を持った中空繊維膜を人工肺のガス交換膜に用いる
点にあり、その構造については外部潅流型、内部潅流型
その他任意の構造を採る事ができるが、本発明に用いる
中空繊維膜の特徴、即ち外表面に遮断層が形成可能な点
、小径の中空繊維膜でも高性能、安価に製造可能な点、
径に対して肉厚を薄くできる点等を十分生かす為には、
外部潅流型にする事が効果的である。さらに、外部潅流
を人工肺を組立てるに当って、中空繊維膜を扉状に織っ
たシートに形成して組み込み、血液のチャンネリングを
防止するといった方法を採る事により、膜性能をより発
揮させる事ができる。

尚、本発明の膜を人工肺は、内部潅流で用いる場合には
、通常中空繊維の内側の総面積が０．１〜７　ｍ　ｓで
、中空繊維の本数が１０００〜１００゜０００本となる
ように中空繊維を包含し、又、そのガス交換部の大きさ
が略、外径２５ｃｍ以下、及び長さ３０ｃｍ以下の円筒
タイプのものが代表的である。

また。外部潅流で用いる場合には、通常中空繊維の外側
の総面積が０．１〜３．５ｍ”で、中空繊維の本数が１
．０００〜６０．０００本となるように中空繊維を包含
し、又、そのガス交換部の大きさが略、外径２０ｃｍ以
下、及び長さ３０ｃｍ以下の円筒タイプのものが代表的
である。

本発明に用いる膜を構成する重合体はポリオレフィンが
好適である。ポリオレフィン系重合体は、素材としての
酸素および二酸化炭素の透過係数が大きいこと、血液適
合性に優れること、非連通孔形多孔質膜に成形し易いこ
と、残留溶剤の恐れの無い溶融法で膜を成形できること
、機械的強度が強くて膜厚を小さく出来るため装置がコ
ンパクトになること、有害な不純物を含有しにくいこと
、吸水性が無く取扱いが容易なこと、耐薬品性があり滅
菌が容易なこと、安価であること、といった特長を有し
ている。本発明に用いるポリオレフィン系重合体として
は、例えばポリ−４−メチルペンテン−１１ポリプロピ
レン、ポリエチレン、ポリブテン−１およびこれらの共
重合体等を例示することができるが、これらの中でポリ
−４−メチルペンテン−１が気体透過係数が大きいこと
により酸素透過速度Ｑ（Ｏ□）を嵩＜シて遮断層厚みＬ
を薄くする事ができ、かつ膜表面に遮断層を形成し易い
ので特に好ましい。また、素材の血液適合性からみて、
ポリオレフィンが膜素材として好適であることは前記し
たが、ポリ−４−メチルペンテン−１は、その表面エネ
ルギーが前記例示の各ポリオレフィン系重合体の中で最
も小さいため、いわゆるＷＥＴＬＵＮＧ（膜表面に凝縮
した水蒸気が膜を濡らして広がり、ガス交換面積を低下
させる現象）が起こりにくく、また血液学的には補体を
活性化する事が少ないなど、今後要望が高まって行くで
あろう長時間使用可能な膜型人工肺の素材として特に優
れた適性を有している。従って、この点からもポリ−４
−メチルペンテン−１は本発明において好適な素材であ
る。

本発明で用いられる主としてポリオレフィン系重合体か
ら成る素材は、ポリオレフィンの１種以上を主要成分と
するものであればよく、他の物質を含有することも可能
である。例えば、架橋剤や抗菌剤等を含有しても良いし
、他のポリマーとブレンドする事もできる。また、プラ
ズマ処理等の表面処理や放射線架橋等の処理を行なう事
も可能である。

本発明に用いる膜の形状は、中空繊維状もしくは管状で
あり、内径は１０〜５００μｍ１好ましくは１００〜３
００μｍ１膜厚は５〜ｔｏｏ、ｕｍ１好ましくは１０〜
４０μｍである。本発明の膜はシリコン均質膜に比べて
、内径に対する膜厚が小さく、人工肺モジュールに占め
る膜の体積が小さい為、高い気体透過速度を相まって人
工肺をコンパクトに製作でき、プライミングボリューム
を小さくできると同時に安価に製造する事が可能になる
。又、本発明の膜は、中空繊維を扉状のシートとして用
いるのが好ましい。かかる扉状シートは中空繊維に対し
て垂直方向に縦糸又は粘着テープで中空繊維を編組する
か、接着剤が付着した糸で中空接着剤を接着する等によ
って得たものが使用できる。勿論、該扉状シートは上記
のもののみに限定されるものではない。

この様に構成される本発明の人工肺は、例えば、ポリ−
４−メチルペンテン−１で作った膜厚２７μｍ１外径２
７２μｍ１空孔率１８％の中空膜内面に平滑な遮断層を
有する中空繊維膜を用いた、有効膜面積０．８ｍ”の人
工肺において、血液を中空繊維膜の内側に流し、血液温
度３７°Ｃ１血液の酸素分圧３８ｍｍＨｇ、二酸化炭素
分圧４５ｍｍ）（ｇの条件下で酸素移行量および二酸化
炭素の除去量を測定したところ、全く同様の膜面積およ
び条件で行っ−た膜厚１００μｍ１外径４００μｍのシ
リコン均質膜を用いた人工肺にくらべて酸素移行量は１
．４倍、二酸化炭素除去量は１．５倍となった。

また、膜厚２５μｍ１外径２５０μｍで空孔率４０％の
ポリプロピレン多孔膜を用いた人工肺にくらべて、本発
明の該人工肺は、酸素移行量および二酸化炭素除去量に
やや勝り、ポリプロピレン多孔膜が血漿の漏出を生じる
のに対しその漏出が全く認められな、かった。さらに中
空繊維の扉状シートのｍ、ｌｌ膜の外側に血液を流した
ところ繊維膜の内側に流した場合に比べて酸素移行量で
２．０倍、二酸化炭素除去量で２．０倍で、しかも圧力
損失が極めた小さかった。これらの事実は、本発明の人
工肺が従来の人工肺にくらべて優れた性能を有すること
を示している。

本発明に用いる膜は、その製法については特に限定はな
いが、一般には溶融法、乾式法および乾湿式法が適して
おり（中でも溶融法が膜の性能および生産性の両面に於
て特に好適であり）、例えば、特開昭５９−１９６７０
６、特開昭５９−２２９３２０、特開昭６１−１０１２
０６、特開昭６１−１．０１２２７に開示されている方
法で製造する事ができる。しかしながら、これらの溶融
成形法において、人工肺に要求される、高い血液酸素加
能力、血漿漏洩防止能力および長時間使用時に性能が劣
化しない能力を中空糸膜に与えるには、次の様な条件で
製造するのが好ましい。即ち、溶融温度を（Ｔｍ＋　１
５）　〜（Ｔｍ＋６５）”Ｏ（但し、Ｔｍはポリマーの
結晶融点）、非晶延伸のＤＲを１．０−１．１熱処理の
温度を（Ｔｍ−３５）〜（Ｔｍ−１０）”Ｏ１１熱処理
間を２〜３０秒、ＤＲを１．０〜１．２、冷延伸ＤＲを
１．１〜１．６、熱延伸ＤＲを１．３〜２．０の範囲で
製造する。そして各々の工程の条件を上記範囲で調節す
る事により実施例に記載の様に、酸素透過速度、空孔率
、。

遮断層厚み等を人工肺としての使用目的に合致するよう
、任意に設定する事ができる。又、到達結晶化度２０％
以上のポリオレフィン重合体を中空繊維状に溶融押出成
形し、これを必要に応じ配向延伸と熱処理を行ない、冷
延伸と熱固定を行なう事により中空繊維膜の少なくとも
一方の側に平滑な遮断層を有する多孔質膜を製造する事
ができる。

この方法で製造した膜は、その生成機構に由来して膜中
の細孔が膜表面に対して垂直方向に長い構造を持つため
か、比較的低い空孔率で十分に高い酸素透過速度と実質
的にアルコール不透過性を示し、しかも高い機械的強度
を持ち膜厚を小さくできる事、溶剤等を一切使用しない
ので有害物の溶出が無い事、生産性が高く複合膜に比べ
てはるかに低コストの膜を製造できる事、といった特徴
を持つ。

［発明の効果］ 本発明の人工肺は、従来の均質膜人工肺に比べた場合、
膜内部に細孔を持つ構造に由来する高い気体透過速度を
示し、これにより血液への酸素移行量及び血液からの二
酸化炭素除去量が大きくなる。従って、より小型の装置
で同じ目的を達する事ができ、装置のズライミングボリ
ュームの減少と廉価化が可能になる。また、シリコン均
質膜に比べて膜の剛性と強度が高く、取扱性と加工性に
優れるという特徴も有する。その一方で、均質膜型人工
肺の有していた長所すなわち血漿の漏出が無く長時間の
使用に耐えるという長所については、同等の性能を持っ
ている。

また、本発明の人工肺は、従来の連通孔型多孔質膜を用
いた人工肺が持っていた欠点すなわち長時間の使用に耐
えないという欠点を除去し、しかも血液とのガス交換能
力について同等以上の性能を有しておりながらその膜の
製造の難易度、強度、コスト等については全く損色がな
い。

さらにまた、本発明の人工肺は、複合膜型人工肺と比べ
て同等の性能を有するのみならず、複合膜型人工肺が多
孔質膜の製膜とその複合膜化という二工程が必要なのに
対して、−段階で製膜が可能である事、複合膜の製造に
は通常溶剤が用いられ、作業環境、大気汚染、残留溶剤
、乾燥時間等の点で問題があるのに対して、これらの問
題が全くない溶融法で膜の製造が可能である事、複合膜
と異なり中空繊維膜の内表面、外表面のいずれでも、あ
るいはその両面に平滑な遮断層を容易に形成でき、使用
目的に応じた膜が供給できる事、といった長所を有して
いる。

［実　施　例］ 以下実施例等によって本発明をさらに具体的に説明する
。

製造例１ メルトインデックス（ＡＳＴＭ　　Ｄ１２３８による）
２６のポリ−４−メチルペンテン−１ｔ−１直径６ｍｍ
の円環型中空繊維用ノズルを用いて、紡糸温度２９０°
Ｃ１引取速度３００ｍ／分、ドラフト２７０で溶融紡糸
し、外径３４３μｍ１膜厚３４μｍの中空繊維を得た。

この時ノズルロ下３〜３５ｃｍの範囲を温度２５℃、風
速１．５ｍ／秒の風で冷却した。得られた中空繊維を温
度３５℃、延伸倍率（ＤＲ）１．０５で、ローラー系を
用いて連続的に非晶延伸し、次いで２００℃、ＤＲｌ、
３で熱風循環型恒温槽中に導入して５秒間滞留させる事
により熱処理を行ない、引続き３５℃、ＤＲｌ、２の冷
延伸、１５０℃、ＤＲ１，２の熱延伸、および２００℃
、ＤＲｏ、９の熱固定を行なって、外径２７２μｍ１膜
厚２７μｍの中空繊維膜を得た。この膜の内外表面を１
２，０００倍のＳＥＭで観察したところ、第１図および
第２図に見られる様に、内表面は平滑で、細孔が全く認
められず、外表面には０．１μｍ程度の微細孔が多数説
められた。

この中空繊維膜０．５ｇを長さ約１０ｍｍに切って比重
びんに詰め、真空ポンプでＩ　Ｘ　Ｉ　Ｏ−”ｔｏｒｒ
以下に脱気したのち水銀を充填し、重量を計ったところ
２５℃における中空繊維膜の体積は０．７２Ｃ１１”で
あった。ポリ−４−メチルペンテン−１の真比重０．８
２を用いて計算すると、この中空繊維膜の空孔率は１８
％となる。またこの中空繊維膜をガラス管に封入し、Ａ
ＳＴＭ　　Ｄ１４３４圧力法に準拠して２５℃にて気体
透過速度を測定したところ、Ｑ　（Ｏｚ）＝４−５ＸＩ
Ｏ−’ｃｍ’（ＳＴＰ）　／（ｃｍ”−ｓｅｃ−ｃｍＨ
ｇ）、Ｑ　（Ｏｚ）　＝　３．４　ｘｌ　０−’ａｍ”
　（Ｓ　Ｔ　Ｐ）　／（ｃｍ”　・ｓｅｃ−ｃｍＨｇ）
、ａ（Ｏ１／Ｎｚ）”　１．２、Ｌ（遮断層）−１，３
μｍであった。

実施例１　− 製造例１で得た中空繊維膜を用いて第３図に示す如き人
工肺を製作した。

該人工肺はハウジング３、中空繊維膜５及び両端部の高
分子重合体隔壁６からなる。ハウジング３内には例えば
８０００本程度０中空ｃｍ膜５が配列され、その両端部
分で高分子重合体隔壁６によって液密に封止されると同
時に開口され、／Ｘウジング３とも液密に封止されてい
る。ノ１ウジング３にはガスの入口４及び出口４ａが設
けられると同時に隔壁６の外側にキャップｌ及びｌａが
リング２によってかぶせられており、キャップｌ及びｌ
ａには血液の入ロアと出ロアａが設けられている。

該人工肺（有効膜面積０．８ｍ”）の中空部側に、膜を
濡らす液体である７０％エタノールを２００ａｍ３／ｍ
ｉｎで流し、Ｑ　、　５　ｋｇｆ／　ａｍ”の膜間圧力
差を設定したところ、７０％エタノールの膜透過量は０
　、８　ｃｍ３／　（ｍｉｎ−ｍ　”）であり、該膜が
実質的に液体を透過させない遮断層を有する事が明らか
となった。

次いで、該人工肺のガス交換能を調べるため、。

新鮮ヘパリン添加牛血を用い、３６℃、ヘモグロビン含
量１２　、１　ｇ／ｄＱ、酸素飽和度６５％、炭酸ガス
分圧４５ｍ＋ｏＨｇの状態の標準静脈血を調製し、これ
を該人工肺の中空部に通し、中部繊維膜外部側には１０
０％酸素をＩｆｆ／ｍｉｎの流速で流した場合に、人工
肺出口側の酸素飽和度が９５％以上を保つ最大血液流血
（ＭＢＦ）を求めた。

さらに、雑種成犬を用い、静脈−人工肺−動脈の部分体
外循環を２４時間施行し、血漿の漏出量を測定した。表
−１に示した結果より、本発明の人工肺は血漿の漏出が
なく、実用上十分なガス交換能を有する事が明らかであ
る。

製造例２ 紡糸温度が３００°Ｃである事および非晶延伸の延伸倍
率が１．２である事以外は製造例１と全く同様にして中
空繊維膜を製造した。この中空繊維膜には、ＳＥＭ観察
によれば、内表面、外表面共にＳＥＭの解像力（約３０
人）以上の孔径の細孔は全く認められなかった。また、
この膜の外径は２５０μｍ、膜厚は２５μｍ１空孔率は
１１％、酸素透過速度Ｑ（０２）は８ＸｌＯ−’ｃｍ”
（ＳＴＰ）／（０ｍ２・ｓｅｃ−ｃｍＨｇ）、αは４．
１．Ｌは２．５μｍ、、Ｑ（Ｏｘ）は３．９　Ｘ　１０
−’ａｍ３（ＳＴＰ）／（Ｃｍ”　・ｓｅｃ　ｅｃｍＨ
ｇ　）であった。

実施例２ 製造例２で得た中空繊維膜を用いて実施例１と同様にし
て作製した人工肺は、７０％エタノールの透過量が０　
、１５　ａｍ３／　（ｍｉｎ−ｍつであった。この人工
肺について実施例１と同様にして測定したＭＢＦと血漿
漏出量を表−１に示す。

製造例３ メルトインデックス（ＡＳＴＭ　　Ｄ１２３８による）
３．５のポリプロピレンを、直径５ｍｍの円環型中空繊
維用ノズルを用いて、紡糸温度２５０°Ｃ１引取速度３
００ｍ／分、ドラフト２７０で溶融紡糸し、外径３４５
μｍ、膜厚３４μｍの中空繊維を得た。この時ノズルロ
下３〜３５ｃｍの範囲を温度８℃、風速１．５ｍ／秒の
風で冷却した。

得られた中空繊維を温度３５℃、延伸倍率（ＤＲ）１．
２で、ローラー系を用いて連続的に非晶延伸し、次いで
１４０℃、ＤＲｌ、３で熱風循環型恒温槽中に導入して
５秒間滞留させる事により熱処理を行ない、引続き１０
℃、ＤＲｌ、２の冷延伸、１４０℃、ＤＲｌ、２の熱延
伸、および１４０℃、ＤＲｏ、９の熱固定を行なって、
外径２５７μｍ、内径２０５μｍ、膜厚２６μｍの中空
繊維膜を得た。この膜の内外表面をｔ２．ｏｏｏ倍のＳ
ＥＭで観察したところ、内表面は平滑がほとんど認めら
れず、外表面には０．１ｐｍ程度の微細孔が多数存在し
た。この膜の空孔率は３１％、酸素透過速度Ｑ（０２）
は３．４　Ｘ　Ｉ　Ｏ−’ｃｍ”　（ＳＴＰ）／（ｃｍ
”ｓｅｃ−ｃｍＨｇ　）、αは０．９４、Ｌは１．６μ
ｍ５Ｑ（ｃ　Ｏりは２．９２Ｘ１０″″’ｃｍ”　（Ｓ
　Ｔ　Ｐ）　／（０ｍ２・ｓｅｃ−ｃｍＨｇ）であった
。尚、Ｌの計算はＱ　（ｏ　２）を用いた場合は誤差が
大きいため、ｑ（ｃｏｔ）に基づいた。

実施例３ 製造例３で得た中空繊維膜を用いて実施例１と同様にし
て人工肺を作製した。その７０％エタノールの膜透過量
は２２　ｃｍ３／　（ｗｉｎ−ｍ　”）であった。

人工肺としてのガス交換能および血漿漏出量を実施例１
と同様に測定した結果を、表−１に示す。

製造例４ メルトインデックス１．８、密度０．９６のボリエチレ
ンを、直径１０闘の円環型中空繊維用ノズルを用いて、
紡糸温度２３０°Ｃ１ドラフト７００、冷却風温１２°
Ｃ１冷却風速１．５ｍ／ｓで溶融紡糸した。得られた中
空繊維を、ローラー系にて連続的に、２０℃、ＤＲｌ、
２で非晶延伸し、８０’Ｏ，ＤＲｌ、２、滞留時間５秒
で熱処理し、２０’Ｏ，ＤＲｌ、３で冷延伸し、６０℃
、ＤＲｌ、２で熱延伸し、８０°Ｏ，ＤＲｌ、０で熱固
定して、内径２００μｍ１膜厚２４μｍの中空繊維膜を
得た。

ＳＥＭ観察によれば、この膜は、内外両表面共に細孔は
認められず、膜断面の内外表面間は孔径約ｌｐｍの細孔
から成る多孔質層であった。またこの膜の空孔率は２５
％、酸素透過速度Ｑ　（ｏ　ｚ）は１．５　Ｘ　１０−
’ｃｍ３（ＳＴ　Ｐ）／（ｃｍ”　ｓｅｃ−ｃｍＨｇ）
、αは０．９５、Ｌは０．６μｍ１Ｑ（ＣＯ２）は１．
３３　Ｘ　Ｉ　Ｑ−’ｃｍ３（Ｓ　Ｔ　Ｐ）　／（ｃｍ
”　ｓｅｃ−ｃｍＨｇ）であった。尚、Ｌは製造例３と
同様にして算出した。

実施例４ 製造例４で得た中空繊維膜を用いて実施例１と同様にし
て人工肺を作製した。７０％エタノールの透過速度は１
４　、８　ｃｍ３／　（ｍｉｎ−ｍりであり、本実施例
の膜も、実質的に液体が透過しないエタノール遮断層を
有していた。表−１にガス交換能と血漿漏出量の評価結
果を示す。

比較例　ｌ 中空繊維膜として、内径２００μｍ１膜厚３０μ、空孔
率４０％、最大孔径０．６μの連通孔タイプの多孔質ポ
リプロピレン中空繊維膜を用いた他は実施例１と同様に
して０．８ｍ”の人工肺を作製し、血液でのＭＢＦおよ
び血漿漏出量を測定した。結果を表−１に示す。

比較例　２ 中空繊維膜として、内径２００μ、膜厚１００μのシリ
コン中空繊維膜を用いた他は実施例１と同様にして０．
８　ｍ”の人工肺を作製し、血液でのＭＢＦおよび血液
漏出量を測定した。結果を表−１に示す。

表−１ 製造例５ 紡糸ドラフトが３５０、熱処理条件が２２０℃、ＤＲｌ
、Ｌ熱延伸ＤＲが１．４であること以外には実施例１と
同条件で製造した中空繊維膜は、外径２５５μｍ１膜厚
２６μｍであった。ＳＥＭにより観察すると、中空糸内
表面には孔径約０．１μｍり細孔がｌ　ｃｍ”当り約５
０ＸＩＯ’個開口しているのが観測されるのに対し、外
表面にはその１１５０程度の開口しか存在しなかった。

この膜の気体透過性はＱ（０１）−３Ｘ　１０−’Ｃｌ
１１”　（Ｓ　Ｔ　Ｐ）　／（ＣＩＩ＋！・ＳｅＣ−Ｃ
ｍＨｇ）、ｅ−１，０２、Ｌ−０，６μｍｓ　　Ｑ（Ｃ
Ｏ２）−３，４ｘ　１０−’ｃｍ”　（ＳＴＰ）／（ｃ
ｍ”　・ｓｅｃ−ｃｍＨｇ　）であり、第（１）式およ
びポリ４メチルペンテン−１の特性値Ｐ（Ｏ□）−２、
ＯＸｌ　０”ｃｍ”　（Ｓ　Ｔ　Ｐ）　／（ａｍ”　・
ｓｅｃ−ｃｍＨｇ）、α１−４．１．を、用いて計算し
た遮断層厚みは０．６μｍであった。製造例１と同様に
して測定したこの中空糸の空孔率は２３．５％であづな
。

実施例５ 製造例５で得た中空繊維膜Ｂを第４図に示すように縦糸
で原状に編組して成形した中空繊維シートＡを丸めて第
３図に示すように円筒状／１イジング３内に収容して、
膜面積２．５　ｍ”の膜を人工肺を組み立てた。この換
型人工肺の７０％エタノール透過速度は２−１　ｃｍ”
／　（ｍｉｎ　６　ｍりであった。また中空繊維膜の外
側に実施例１で使用した牛血液を流し、内側に１００％
酸素をｌＱ／ｍｉｎの流速で流した場合の人工肺出口側
の酸素飽和度が９５％以上を保つ最大血液流量は２９５
０　ｃｍ３／　（ｍｉｎ・１１２）であった。また、こ
の換型人工肺は１週間の連続使用においても、血漿のリ
ークは全くなく、ガス交換能の経時的低下も殆んど認め
られなかった。さらに使用後に生理食塩水で血液を洗浄
除去したところ、中空糸外表面への血栓の付着も極めて
少なかった。

実施例６ 製造例５と同じ膜を細い粘着テープを用いて原状に配列
した他は実施例５と同様にして膜面積２゜Ｑ　ｍ　２の
外部潅流型人工肺を組み立て、評価したところ、この肺
のＭＢＦは２２００　ａｍ”／　（ｍｉｎ　・ｍつであ
った。

製造例６ 熱処理の時間が１０秒、冷延伸倍率が１．３、熱延伸倍
率が１．８であること以外は製造例５と同様の方法で製
造した中空繊維膜の特性はｑ（ｏｘ）−３，ＯＸ　Ｉ　
Ｏ−’ａｍ”　（ＳＴＰ）　／（ｃｍ”ｓｅｃ−ｃｍＨ
ｇ）、ａ−０，９８、Ｌ−１−１／ＪＯＩＳＱ（Ｃｏｔ
）＝　３　、ＯＸ　１０−’ｃｍ”　（ＳＴＰ）　／（
ｃｍ”・ｓｅｃ−ａｍＨｇ）、空孔率−２７％であった
。

実施例７ 製造例６で得た中空繊維膜を用いて実施例５と同様にし
て人工肺を製作した。この肺のエタノール透過速度は３
　、９　Ｃｍ３／　（ｍｉｎ−ｍ”）であり、ＭＢＦは
２５００　Ｃｍ３／　（ｍｉｎ−ｍりであった。

実施例８ 中空繊維膜に実施例５と同じ物を用いたほかは実施例１
と同じ人工肺を製作し、実施例１と同じ試験を行った。

この人工肺のエタノール透過速度は２　、１　Ｃｍ３／
　（ｍｉｎ−ｍす、最大血流量は１４１０ｃｍ３／ｍｉ
ｎであった。

実施例９ 中空繊維膜に実施例７と同じ物を用いたほかは実施例１
と同じ人工肺を製作し、実施例１と同じ試験を行った。

この人工肺のエタノール透過速度は３　、９　ｃｍ’／
　（ｍｉｎ−ｍ”）、最大血流量は１２６０ｃｍ３／ｍ
ｉｎであ−った。

製造例７ 紡糸ドラフトが３８０、熱処理条件が２２０　’Ｃ！、
ＤＲｌ、１１熱延伸ＤＲが１．４であること以外には実
施例１と同条件で製造した中空繊維膜は、外径２４６μ
ｍ１膜厚２５μｍであった。ＳＥＭにより観察すると、
中空糸内表面には孔径約０．１μｍの細孔がｌ　ｃｍ”
当り約５０ＸｌＯ”個開口しているのが観測されるのに
対し、外表面にはその１１５０程度の開口しか存在しな
かった。この膜の気体透過性はＱ（ｏｘ）−２，０ｘｌ
Ｏ″″４Ｃが（ＳＴＰ）／（ｃｍ！・ＳｅＣ・ＣｍＨｇ
）、α−１，０９、であり、第（１）式およびポリ４−
メチルペンテン−１の特性値Ｐ（０２）−２，０ＸＩＯ
″″”Ｃｍ３．　（Ｓ　Ｔ　Ｐ　）　／　（ｃｎ＋”　
・ｓｅｃ−ｃｍＨｇ）、ａ、−４、ｌ　、を用いて計算
した遮断層厚みは０．５３μｍであった。製造例１と同
様にして測定したこの中空糸の空孔率は２３．８％であ
った。

参考例１ 製造例８で得た中空糸膜２０本（実効長１０ｃｍ）を第
５図に示した装置に組込み、液体が中空糸膜の外表面に
接する系での酸素の溶解速度を測定した。第５図におい
て、液体（水）を満すケース（８）は、バルブ（１６Ｘ
１７）が付された液体導入口（１２）および液体排出口
（１３）が設けられており、磁気撹拌機（９）上に配置
されている。（ｌＯ）は撹拌子であり、（１１）は酸素
センサーである。

繊維束状の中空糸膜（１８）は両端付近で樹脂封止部（
２０）により束ねられており、主体部分が液体中に浸漬
され、ゴム栓（１９）を介してケース（８）外にその開
口端が出ており、気体導入口（１４）および気体排気口
（１５）に接続されている。

測定に当っては、中空糸膜の中空部に酸素を通じ、水中
の酸素濃度を酸素センサー（１１）により測定した。搬
定及び解析はＹＡＳＵＤＡ等；Ｊ。

Ａｐｐｌ、Ｐｏｌｙｍ、Ｓｃｉ、、　　１６．　５９５
（１９７２）に記載されている方法によった。測定は２
５°Ｃ恒温室内で行ない溶存酸素濃度計として電気化学
計器（株）社製ＤＯＣ−１０ｆｆｉを用いた。また膜面
積の計算に当っては、中空糸外表面積を膜面積とした。

。 測定で得た気液系での酸素透過速度Ｑ　’（０２）は１
．２９ｘ　ｌ　Ｏ弓ａｍ’　（ＳＴＰ）　／（ｃｍ”ｓ
ｅｃ−ｃｍＨｇ）であった。　′ 製造例８ 紡糸ドラフトが３９０、熱処理条件が２２０　’０１Ｄ
Ｒ１，０５、熱延伸ＤＲが１．４、熱固定のＤＲが０．
９３であること以外には実施例１と同条件で製造した中
空繊維膜は、外径２４５μｍ１膜厚２４μｍであった。

ＳＥＭにより観察すると、中空糸内表面には孔径約０．
１μｍの細孔が１　ａｍ”当り約５０Ｘ１０’個開口し
ているのが観測されるのに対し、外表面にはその１１５
０程度の開口しか存在しなかった。この膜の気体透過性
はＱ　（ｏ　ｚ）＝　８．７　Ｘ　ｌ　Ｏ−’ａｍ”　
（ＳＴＰ）　／（ｃｍ”−ｓｅｃ−ａｍＨｇ）、α−０
，９６０、Ｓあり、第（１）式およびポリ−４メチルペ
ンテン−１の特性値ｐ（ｏｘ）−２゜ＯＸ　１０−”ｃ
ｍ’　（Ｓ　Ｔ　Ｐ）　／（ｃｍ”・５ｅｃｔ　ｃｍＨ
ｇ）、ｅ、−４，１，を用いて計算した遮断層厚みは０
゜６８μｍであった。製造例１と同様にして測定したこ
の中空糸の空孔率は２４．３％であった。

参考例２ 製造例８で得た中空糸膜を用いて参考例１と同様にして
測定を行なったところ気液系での酸素透過速度Ｑ　’（
Ｏｘ）は９．０５ｘ　ｌ　Ｏ−’ｃｍ３（ＳＴＰ）／（
Ｃｍ２・ＳｅＣ・ＣＩＩＩＨｇ）であった。

参考例３ 中空繊維膜として製造例１と同じ膜を用いて参考例１と
同様にして測定を行なったところ、この膜の気液系での
酸素透過速度Ｑ　’（０２）は６．６×１０−’ｃｍ３
（Ｓ　Ｔ　Ｐ）　／（Ｃｍ２・ｓｅｃ−ｃｍＨｇ）であ
った。

参考例４ 中空繊維膜として製造例２と同じ膜を用いて参考例１と
同様にして測定を行なったところ、この膜の気液系での
酸素透過速度Ｑ　’（０２）は４．６×１０−’Ｃｍ３
（Ｓ　Ｔ　Ｐ）　／（ａｍ”　ｓｅｃ−ｃｍＨｇ）であ
った。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、製造例１の中空繊維の形状（表
面の微細構造）を示すための走査型電子顕微鏡写真で、
第１図は該中空繊維の内表面（孔の存在は観察されない
）を示し、第２図は該中空繊維の外表面（約０．２μｍ
の細孔が認められる）を示す。写真の倍率は１２．００
０倍で、写真の右下の短かい白線の長さが０．５μｍに
相当する。 第３図は、本発明の人工肺の実施例の縦断面図である。 又、第４図は、実施例５〜７で用いられる簾状中空繊維
膜シートを示す状態図である。更に、第５図は、参考例
１〜３で用いられる気液接触装置の概略図である。尚、
第３図中の符号は次の通りである。 ■・・・キャップ、ｌａ・・・キャップ、２・・・リン
グ、３・・・ハウジング、４・・・ガス入口／血液入口
、４ａ・・・ガス出口／血液出口、５・・・中空繊維膜
、６・・・高分子重合体隔壁、７・・・血液入口／ガス
入口、７ａ・・・血液出口／ガス出口。 又、第４図中の符号は次の通りである。 Ａ・・・原状の中空繊維シート Ｂ・・・中空繊維膜。 更に、第５図中の符号は次の通りである。 ８・・・ケース、９・・・磁気撹拌機、ｌＯ・・・撹拌
子、１１・・・酸素センサー、１２・・・液体導入口、
１３・・・液体排出口、１４・・・気体導入口、１５・
・・気体排出口、１６．１７・・・バルブ、１８・・・
中空系膜、１９・・・ゴム栓、２０・・・樹脂封止部。 茅３図 ｒ−一人一一） 茅４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 膜の一方の側に血液を流し膜の他方の側に酸素もしくは
   酸素含有気体を流すことにより膜を介して血液と気体間
   でガス交換を行う膜型人工肺において、該膜は２５℃に
   おける酸素透過速度Ｑ（Ｏ＿２）が１×１０＾−＾■［
   ｃｍ＾３（ＳＴＰ）／ｃｍ＾２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ］以
   上でありかつ実質的にエタノールを透過せず、空孔率が
   ７〜５０％であり、主としてポリオレフィン系重合体か
   らなり、内径が１０〜５００μｍでかつ厚さが５〜１０
   ０μｍの中空繊維膜であることを特徴とする膜型人工肺
   。