JPH05177117A

JPH05177117A - 物質交換装置

Info

Publication number: JPH05177117A
Application number: JP3275774A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Akagi; 治彦赤城; Hisateru Takano; 久輝高野; Yoshiyuki Myonaka; 義之妙中; Takanobu Aoyanagi; 孝信青柳; Jun Kamo; 純加茂
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-10-23
Filing date: 1991-10-23
Publication date: 1993-07-20
Also published as: EP0576677A1; US5395525A; DE69221133D1; EP0576677B1; EP0576677A4; WO1993007957A1; DE69221133T2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、物質交換効率が高く、小型
化に好適な構造を有する中空糸膜型物質交換装置を提供
することにある。【構成】物質交換を行なうための中空糸膜を筒状に配
置し、その内部に中空糸膜の外壁面に対して連続的な液
体の供給を行なう液流発生手段を一体化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、中空糸膜を筒状または
環状に配置した物質交換部の内部に、中空糸膜に供給す
る液体の流れを発生させる液流発生手段を一体化させた
構成を有し、物質交換効率が高く、小型化に好適な構造
を有する中空糸膜型物質交換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】中空糸膜は、膜を介したガス交換等の物
質交換を高効率で行なうことができるという利点があ
り、種々の分野における物質交換に利用されるに至って
いる。

【０００３】例えば、中空糸膜を用いた人工肺は、ポリ
オレフィン等の疎水性高分子からなる微多孔質中空糸膜
や、シリコン等の気体透過性の均質中空糸膜を用いて、
中空糸膜面を介して酸素を含む気体と血液を接触させ、
その間でガス交換を行わせるものであり、中空糸膜の中
空部に血液を流し、中空糸膜の外部に気体を流す内部潅
流方式と、その逆に、中空糸膜の中空部に気体を流し、
外部に血液を流す外部潅流方式の二つの方式がある。

【０００４】内部潅流方式では、血液を多数の中空糸膜
に均等に分配供給すれば、血液のチャンネリング（偏
流）はないものの、中空糸膜の中空部を流れる血液は層
流であり、酸素加能（単位膜面積当たりの酸素移動速
度）を上げるためには中空糸膜の内径を小さくする必要
がある。このため１５０〜３００μｍ程度の内径を有す
る中空糸膜が人工肺用として開発されている。しかしな
がら、径を小さくしても血液が層流流動する限りは酸素
加能が飛躍的に向上するものではなく、更に径を小さく
するにつれてクロッティング（凝血による中空部の閉塞
現象）が多発し易くなり、この点が実用の大きな障害と
なっている。

【０００５】また、一般的に人工肺では、中空糸膜が数
万本束ねられた束として用いられているが、これら多数
の中空糸膜のそれぞれの外壁に十分かつ均等に気体を分
散供給するには特別の配慮が必要である。なお、気体の
分散供給が不十分である場合には、炭酸ガス排出能（単
位膜面積当たりの炭酸ガス移動速度）が低下する。

【０００６】一方、外部潅流方式は、気体の分配は良好
であり液体の圧力損失も小さく、かつ血液の流れに乱れ
を発生させるための構造を取り易いという点において、
内部潅流方式よりも優れている。

【０００７】外部潅流方式においては、血液のチャンネ
リングによる酸素化不足や血液の滞留部での凝血の発生
が血液通路の内部構造と密接に関連しており、血液通路
内の構造を選択することはこれらを防止する上で極めて
重要となる。

【０００８】血液のチャンネリングを防ぐための構造を
有する外部潅流方式の中空糸膜型人工肺モジュールとし
ては、血液通路内に邪魔板を配置したモジュールが知ら
れている。

【０００９】例えば、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示よう
に、特開昭６０−１９３４６９号公報には、断面が細長
い長方形の接触室２１に、邪魔板１７で幅がせばめられ
た血液流路１８を介して分割された複数の小室２０を設
けた構造を有する外部潅流式の中空糸膜型人工肺モジュ
ールが開示されている。

【００１０】一方、中空糸膜型物質交換装置の種々の分
野への応用において、多種多様な要望が出されており、
なかでも、コンパクト化された装置に対する要望が強ま
っている。

【００１１】例えば、人工肺においても、病院等に常設
する大型タイプではなく、小型化されたコンパクトな人
工肺が求められてきている。すなわち、人工肺をコンパ
クト化することで、携帯に便利であり、急性呼吸不全等
の緊急時に機敏に対応することが可能となる、装置の容
量を小さくすることで、装置内に最初に充填しておく液
体量を少なくすることができ、患者の血液を希釈する等
の悪影響を軽減できるなどの利点がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】中空糸膜型物質交換装
置を小型化する場合、中空糸膜の配置される装置内の容
積が必然的に小さくなるので、膜面積が減少する。従っ
て、装置の小型化においては、少ない膜面積でも十分な
物質交換を行なうための効率化が必要となってくる。例
えば、人工肺においては、チャネリングの発生がないよ
うに効率良く中空糸膜外壁に血液を供給し、かつ酸素を
獲得したガス交換終了後の血液を中空糸膜外壁及びその
近傍から速やかに除去する必要がある。

【００１３】なお、邪魔板を用いる中空糸膜型人工肺モ
ジュールでは、血液の流れにおける偏流が必ずしも十分
に解消されるとは限らず、また血流うっ滞部に血栓がで
きて機能が低下する場合があるという問題点を有してお
り、更に、コンパクト化に好適な構造であるとは必ずし
もいえない。

【００１４】本発明の目的は、物質交換効率が高く、小
型化に好適な構造を有する中空糸膜型ガス交換装置を提
供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の物質交換装置
は、中空糸膜を筒状または環状に配置した物質交換部を
有する中空糸膜モジュールの該筒状または環状の物質交
換部内に、前記中空糸膜に液体を連続的に供給する液流
発生手段を配したことを特徴とする。

【００１６】本発明においては、上記の構成としたこと
で、液体の流れを中空糸膜にチャネリングなく効率良く
中空糸に供給でき、小さい膜面積で効率よい物質交換が
可能となる。しかも、液流発生手段を装置内に内装した
ことで、装置の構成部材のコンパクトな配置が可能とな
り、小型化に好適な構造が得られ、小型化することによ
り装置内に充填しておく液体の量を低減できる。

【００１７】これらの利点は、特に人工肺として利用す
る場合に有用である。すなわち、本発明の装置ではチャ
ネリングが起きにくいので効率良いガス交換が可能であ
り、また血流うっ滞部ができにくいことから装置内での
血栓の発生の防止にも効果がある。また、構造的に、血
液の中空糸膜外壁への供給および中空糸膜外壁からの除
去を効果的に行なって、より小さな膜面積での効率化が
達成できる。更に、装置内容量を小さくすることで、装
置内を流れる患者の血液量を小さくすることができ、患
者に対する負担を軽減できる。特に、液流発生手段を装
置内に組み込んだことで、装置のコンパクトな小型化が
可能であり、小型化した場合、装置内に最初に充填して
おく液体の量を少なくして、患者の血液を希釈すること
等による悪影響を防止できる。

【００１８】本発明の物質交換装置における中空糸膜の
固定部材の材質としては、種々のものが利用でき、人工
肺とする場合には、中空糸膜の安定した固定と通液性の
良い血液通路の形成が可能であり、かつ必要に応じて安
全性を有するものであれば、制限なく利用できる。例え
ば、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレ
タン樹脂等を挙げることができ、人工肺等のメディカル
用途には、実績のあるポリウレタン樹脂が好ましい。

【００１９】中空糸膜としては、各種中空糸膜が利用で
き、人工肺などのメディカル用途には、実績のあるシリ
コンエラストマー系、ポリエチレン、ポリプロピレン、
セグメント化ポリウレタン、フッ素含有アルキル系、セ
ルロース系の中空糸膜等が挙げられる。人工肺の場合、
具体的には、例えば、短時間の使用には、微多孔質ポリ
プロピレン中空糸膜および微多孔質ポリエチレン中空糸
膜などを好適なものとして挙げることができ、また血漿
漏れが好ましくない場合には、それを防止するために非
多孔質膜を用いることが好ましく、たとえば非多孔質層
の両側に多孔質層が配置された三層複合中空糸膜を利用
するのが良い。

【００２０】以下、図面を参照しつつ本発明を更に詳細
に説明する。

【００２１】図１は、本発明の物質交換装置を人工肺と
して利用する場合の一例の主要部の縦断面図であり、図
２は図１の上蓋１を取り外した状態の平面図である。こ
の人工肺は、本体容器２内に、中空糸膜３を筒状に配置
して形成されたガス交換部と、該ガス交換部内に配置さ
れた中空糸膜３に血液を連続的に供給するための液流発
生手段とを有して構成されている。

【００２２】ガス交換部を構成する中空糸膜は、図３に
示すように、環状に成形された上下ポティング材１３
ａ、１３ｂ間にそれぞれの開口端の開口状態を保って固
定されることで筒状に配置されている。すなわち、図示
していないが、ポティング材１３ａの上面１３ａ−１、
１３ｂの下面１３ｂ−１には、各中空糸膜３の端部が開
口している。なお、図示した例では、中空糸膜を断面が
真円状の筒状に配置しているが、筒状形状における断面
の形状はこれに制限されることなく、例えば楕円状、角
部を曲線に変形した多角形状など種々の断面形状を取り
得る。また、図１、３の例ではポッティング材１３ａ、
１３ｂ対して各中空糸膜３が垂直に配置されているが、
例えば図５に示すような角度など垂直から水平の各角度
を所望に応じて利用できる。更に、中空糸膜の配列とし
ては、図４（Ａ）に示すように筒状形状の中心軸に向か
って各中空糸を１列に配置した配列や図４（Ｂ）に示す
ように互い違いに配置した配列等、種々の配列が利用で
きる。また、ポティング材１３ａ、１３ｂの間隔、中空
糸膜３の長さ（有効長）、中空糸膜の固定密度等は、所
望とする人工肺の機能に応じて適宜選択される。なお、
該人工肺のガス交換機能は、人工肺の所望とする用途に
応じて設定でき、例えば、患者の肺機能の全体または大
部分を負担するように、あるいは患者の肺機能の一部を
補助的に補う程度に設定することができる。

【００２３】各中空糸膜３のポティング材１３ａに固定
された上部開口端は、気体導入口１４と連通する領域１
２に開口しており、またポッティング材１３ｂに固定さ
れた各中空糸膜３の開口端は、気体排出口１５に連通す
る領域１６に開口している。各領域１２、１６と各中空
糸膜３の外壁が接触する本体２内の領域は、ポッティン
グ材１３ａ、１３ｂ及び本体２の外周壁とによって仕切
られている。なお、ガスの供給方向はこの逆でも良い。

【００２４】この人工肺においては、液流発生手段とし
て、板羽根４を有し、軸固定部材８、７によって固定さ
れた軸６に嵌合して軸６を中心に回転できるようにした
マグネットを内蔵するローター５を有して構成されたマ
グネチック遠心ポンプが利用されている。なお、ロータ
ー５は、本体２の底部に必要に応じて配置される適当な
モーター等によって回転駆動されるマグネットによって
与えられる磁界の変化に応じて軸６を中心に回転する。
なお、液流発生手段は、中空糸膜３への血液の効率良い
連続供給を可能とする構成を有するものであれば、どの
ような構成のものでも利用でき、例えば、図１に示した
マグネチックカップリング型の遠心ポンプの他に、回転
軸がモーターなどの駆動部に固定された遠心ポンプ、摩
擦ポンプ、また図１に示すようなインペラータイプでは
なく、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すバイオポンプのような
コーンタイプの遠心ポンプなどの液流発生手段が利用で
きる。なお、図７に示す装置では、各中空糸膜３は、環
状のポティング材１３ｃ、１３ｄ間に該環状形状の中心
軸を中心とする放射状に両端を開口状態で固定されてお
り、例えば、内側の環状ポティング材１３ｃの各中空糸
膜３の一方の端部が開口する面に各中空糸膜の中空部内
に導入される気体が供給され、外側の環状ポティング材
１３ｄの各中空糸膜３の他方の端部が開口する面からガ
ス交換後の気体が取り出される（なお、ガスの供給方向
はこの逆でも良い）。この図の装置では液体導入口９か
ら導入された血液はコ−ン型遠心ポンプによって中空糸
膜３に直交する流れとなって中空糸膜３の固定されたガ
ス交換部に供給される。

【００２５】一方、本発明の装置内における血液の中空
糸膜３への供給方向は特に制限されないが、中空糸膜３
と血流の方向とが直交するような供給方向が好ましい。
更に、液流発生手段の構造、本体２内の血液の流れる部
分の構造は、チャネリングを起こすことなく、効率良い
流れが達成できるように適宜選択される。また、本体２
内の血液が充填される部分の容積を小さくすることで、
最初に装置内に充填しておく液体の量を少なくすること
ができ、血液でない液体を充填しておく場合には患者が
該液体によって血液の希釈を受けることによる悪影響を
防止でき、また他人の血液を充填しておく場合には、患
者が他人の血液によって輸血されずにすむという利点が
ある。

【００２６】以下に、図示した人工肺におけるガス交換
操作について説明する。

【００２７】まず、装置内に液体を充填しておき、その
状態で血液導入口９から血液を供給し、外部の駆動手段
（不図示）によって磁界の変化をローター５に与え、ロ
ーター５を軸６を中心に一定速度で同一方向に回転させ
る。この時の回転速度は、所望とする人工肺の機能に応
じて設定すれば良い。このローター５の回転にともなっ
た板羽根４の回転によって、導入口９から導入される血
液は、回転中心から遠心方向への流れを形成し、中空糸
膜３対して垂直な流れとなって供給される。中空糸膜の
中空部には、気体導入口１０から供給された気体（酸素
自体、または酸素を窒素等で希釈した混合気体）が領域
１２を介して上部開口端から供給される。従って、各中
空糸膜３の外壁面に接触する血液と、中空部に供給され
た気体との間で膜を介したガス交換が行なわれる。中空
糸膜３の外壁との接触によって酸素濃度が高められた血
液は、板羽根４の回転によって形成された遠心方向への
流れによって、本体２の外周壁の内面に達し、排出口１
４から外部へ排出され、患者の体内に戻される。また、
中空糸膜３の中空部を流れた気体は、下部開口端から領
域１６を介して排出口１５から外部に排出される。な
お、ガス交換が行なわれた後の気体に排出は、中空糸膜
３の下部開口端を直接外気に露出した構成として行なっ
ても良い。

【００２８】以上、人工肺として用いる場合を一例とし
て本発明の物質交換装置について説明してきたが、本発
明の装置は単に人工肺としてではなく、補助心臓、開心
術用体外循環装置、臓器潅流保存装置としても利用で
き、更には、気体と液体の間での物質交換のみならず、
人工腎、人工肝などの液体と液体の間での物質交換を行
なう装置としても利用できる。なお、各部の具体的構造
は、所望とする用途に応じて適宜選択される。

【００２９】

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに詳細に説
明する。実施例１中空糸膜として、厚み５μｍの多孔質ポリエチレン層
（外層）、厚み１μｍの非多孔質セグメント化ポリウレ
タン層（中間層）及び厚み１９μｍの多孔質ポリエチレ
ン層（内層）の三層構造であって、外径２５０μｍ、内
径２００μｍ、孔径０．０５〜０．０１の複合中空糸膜
の多数を平行に並べ、横糸（２０μｍ径、ポリエステル
糸）を用いて、８０μｍ間隔に簾状に織り、それを円筒
状に巻いて上下両端をポリウレタンからなるポティング
材で固定し、その上下両面に切断によって中空糸膜の開
口端を形成して図３に示すのと同様の構成の筒状体を得
た。なお、得られた筒状体における中空糸膜の膜面積
は、０．３ｍ² であった。

【００３０】次にこの筒状体を、用いて図１に示すのと
同様な構成の人工肺を形成した。なお、板羽根４の図１
における上下方向での長さは、中空糸のポティング材間
の長ささに合わせ、中空糸膜全体に効果的に血液が供給
されるようにした。

【００３１】なお、更に、上記の操作で、小児用として
直径４．５ｃｍ、高さ２ｃｍ、膜面積０．２〜０．４の
人工肺、及び成人用として直径６ｃｍ、高さ３ｃｍ、膜
面積０．４〜０．６の人工肺を作製した。

【００３２】得られたモジュールの中空糸膜の単位膜面
積当たりの血液供給量（Ｑ／Ｓ：リットル／ｍｉｎ・ｍ
² ）に対する酸素加能（ＴＯ₂ ：ｍリットル／ｍｉｎ・
ｍ²）を以下の条件で測定した。その結果を図８に示
す。酸素加能測定条件；使用血液新鮮ヘパリン加牛血液（３７℃、ヘマトクリット３５
％、ｐＨ７．３２、酸素分圧６５ｍｍＨｇ、ヘモグロビ
ン濃度１２．５ｇ／デシリットル）中空糸膜への導入気体純酸素（３７℃、流速２リットル／ｍｉｎ）モジュール内温度３７℃ 酸素加能算定式；ＴＯ₂ ＝｛３×１０^−５・（ＰａＯ₂ −ＰｖＯ₂ ）＋１３４×１０^−４Ｈｂ（ＳａＯ_２−ＳｖＯ_２）｝×１０００・Ｑ／ＳＰＯ_２：酸素分圧（ｍｍＨｇ）ＰＣＯ_２：炭酸ガス分圧（ｍｍＨｇ）ＳＯ_２：酸素飽和度（％）ＣＣＯ_２：炭酸ガス含量（ｖｏｌ％）Ｈｂ：ヘモグロビン含量（ｇ／デシリットル）Ｑ：血液流量（リットル／ｍｉｎ）Ｓ：膜面積（ｍ² ）添字ａ，ｖはそれぞれ人工肺出口、入口を示す。比較例１実施例１と同様の中空糸膜を、ポリカーボネート製ハウ
ジング内の所定の位置に固定部材としてのポリウレタン
により両端を開口状態として固定して図６（Ａ）及び
（Ｂ）に示す構造の外部潅流型式中空糸膜型人工肺モジ
ュール（ｘ＝０．６ｃｍ、ｙ＝１．８ｃｍ、ｚ＝２０．
０ｃｍ、小室数＝５、各接触室の中空糸膜の充填率＝３
０％、接触室内総膜面積＝０．５ｍ² ）を作製した。

【００３３】このモジュールの酸素加能を、実施例１と
同様の条件で測定したところ図８の結果が得られ、実施
例１と比較して酸素加能は小さかった。

【００３４】

【発明の効果】本発明の物質交換装置では、液流発生手
段が、物質交換を行なう中空糸膜に対して、編流を起こ
さず効果的に中空糸膜に供給できる位置に効率良く一体
化されているので、物質交換効率が高く、小型化にも好
適な構造を有する。また、人工肺等として利用する場合
には、血流うっ滞部の解消が可能であり、装置内での血
栓の発生の防止にも有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガス交換装置の一例の要部の縦断面図
である。

【図２】図１に示したガス交換装置の上蓋を取り外した
状態での平面図である。

【図３】筒状に固定された中空糸膜の斜視図である。

【図４】中空糸膜の固定状態の例い示す部分図である。

【図５】中空糸膜の固定状態の他の例を示した中空糸膜
の筒状体の側面図である。

【図６】（Ｂ）は従来の中空糸膜型人工肺モジュールを
一部を縦断面図として示した図、（Ａ）は（Ｂ）のＢＢ
線での断面図である。

【図７】本発明の中空糸膜型人工肺モジュールの他の例
における液流発生手段と中空糸膜との位置関係を示す図
であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は縦断面図である。

【図８】実施例１及び比較例１で測定された血液流速に
応じた酸素加能の変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１上蓋２本体３中空糸膜４板羽根５ローター６、２３軸７軸固定部材８軸固定部材９液体導入口１０気体導入口１２上部領域１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄポッティング材１４液体排出口１５気体排出口１６下部領域１７邪魔板１８血液流路１９ハウジング２０小室２１接触室２２コーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者妙中義之大阪府吹田市藤白台五丁目125番23 国立循環器病センター研究所内 (72)発明者青柳孝信東京都中央区京橋二丁目３番19号三菱レイヨン株式会社内 (72)発明者加茂純広島県大竹市御幸町20番１号三菱レイヨン株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中空糸膜を筒状または環状に配置した物
質交換部を有する中空糸膜モジュールの該筒状または環
状の物質交換部内に、前記中空糸膜に液体を連続的に供
給する液流発生手段を配したことを特徴とする物質交換
装置。