JPH06508547A - 中空繊維を形成するための装置と該繊維 - 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】 中空繊維を形成するための装置と該繊維発明の背景 中空繊維膜は、応用により、壁が浸透性、非浸透性又は半浸透性膜として機能す る中空毛細管である。多くの場合に、中空繊維は、壁を通した材料の選択的交換 を許容する円筒膜として使用される。それらはまた、特定材料の制御された放出 を行うための容器、又は化学的に活性化された中空繊維壁を通して拡散する浸透 を化学的に修正する反応器として使用される。中空繊維技術は、最近、浸透選択 性、生物学的適合性、免疫隔離性媒介物の生産のために有益になった。これらの 中空繊維媒介物は、生体細胞、蛋白質、又は薬剤の如く材料を含有する。それら は、中空繊維内の材料が、中空繊維媒介物の壁を浸透するように設計される。使 用において、中空繊維媒介物は、特別の材料が中空繊維の芯に存在することが必 要な場合に、身体の特定部位に送出される。そのような中空繊維が使用される特 定応用は、インシュリン生産の再生と、身体の特定部位への特別な神経伝達物質 の送出による、パーキンソン病の如く神経伝達物質欠乏症の処置を含む。

中空繊維媒介物の特別な応用がどのようなものであれ、繊維膜の形態と厚さは、 特別の応−のために適する所望の機械的及び輸送特性を獲得するために制御され なければならない。

中空繊維膜を生産するために従来４つの合成繊維紡糸方法が使用される。すなわ ち、（１）溶融紡糸、（２）乾式紡糸、（３）湿式紡糸と（４）乾式及び湿式紡 糸の組み合わせである。これらの各方法において、中空繊維の管状断面は、ポリ マー、コポリマー、セルロース材料、等の紡糸材料を、紡糸口金ノズルを通して 送り出すと同時に、繊維の芯において収納される材料を送り出すことにより形成 される。紡糸口金ノズル組立体は、米国特許第４．０３５．４５９号、第４．１ ２７．６２５号、第４．２２９．１５４号、第４．３２２．３８１号、第４．３ ２３．６２７号、第４．３４２．７１１号、第４．３８０．５２０号と第４．７ ４４．９３２号において示されたものの如く、多様な設計において存在する。

これらの先行技術のノズル組立体と中空繊維形成技法に関連した問題としては、 ノズル詰まりにより、高粘性の熱可塑性ポリマーから繊維を形成できないこと、 可変の膜厚及び形態を生産するためにノズル組立体を調整できないこと、種々の 形式及び形状の中空繊維の生産を許容するために組立体においてノズル形式又は ノズルキャップを変更できないこと、及び繊維壁内をほぼ縦に方向付けられ、繊 維壁内で互いに実質的に相互連結された棒状組織を有するＺ繊維を生産すること ができないことが挙げられる。

従って、種々の非常に可変の粘度を有する多様な材料で使用されるノズル組立体 を生産することが、本発明の目的である。

モジュラ−構成のノズル組立体を設けることが、本発明の別の目的であり、この 場合、組立体の部品は、種々のサイズ、形状、膜厚、及び表面形態の中空繊維の 生構゛峯容易にするために、容易に置換及び代用される。

発明の要約 従って、本発明の一つの見地は、非浸透性、半浸透性又は浸透性である中空繊維 を作製する際に使用されるノズル組立体に向けられる。繊維は、空であるか、あ るいは半浸透性又は浸透性である時、薬剤又は生体細胞又は蛋白質の如く生物材 料等の材料で満たされる。ノズル組立体は、一般に、筐体を具備し、筐体を通っ ている伸長ボア又は管と、内側基部に同心に配設された第２外側ボア又は管とを 含む。内側ボアは、可動であり、押出キャップと筐体に関してボアの精密かつ再 現可能な調整を設けるような方法で、定置外側ボアと筐体に関して引込及び伸張 される。

外側ボアの出力端は、除去可能なノズルキャップであり、内側ボアのための除去 可能なシール案内を含むように設計され、これらは、種々の形状で、種々の膜厚 及び形態を有する中空繊維の生産を許容するように他のキャップ及びシール案内 で交換できる。内側ボアはまた、中央管腔直径又は繊維壁形態を変化させるため に他の内側ボアと交換可能である。

本発明のノズル組立体は、生体細胞又は他の生物材料を含む中空繊維を作製する 際に特に有益である。

さらに、本発明は、ここで「Ｚ繊維」と呼ばれる新規な繊維構造に向けられる。

Ｚ繊維は、繊維壁内に棒状組織を含み、そして棒状組織は、（ｉ）互いに関して ほぼ縦に方向付けられ、（ｉｔ）繊維壁内で互いに実質的に相互連結され、そし て（州）部分的又は完全に繊維の外側と連続である。さらに、Ｚ繊維は、繊維管 腔を規定する半浸透性内側薄膜を有しそして免疫隔離機能を設けるために使用さ れる。

図面の簡単な説明 第１図は、完全に延ばされた内側ボアを示す本発明のノズル組立体の断面平面図 である。

第２図は、引込まれた内側ボアを示す本発明のノズル組立体の断面平面図である 。

第３ａ図は、異なるノズルキャップとシール案内を除いて、第１図のノズルで使 用されたノズルキャップの断面平面図であり、第１図とは異なる内側ボアのため のシール案内の底部の断面部分平面図をさらに含む。

第３ｂ図は、第３ａ図のノズルキャップとシール案内の出口端の断面拡大詳細平 面図である。

第４図は、棒状組織と縦関係をより良（示すために、種々の拡大度、すなわち、 （ｉ）１００Ｘ、（ｉｆ）２００Ｘと（ｆｉｉ）５００Ｘ１．ｍおける単−Ｚ繊 維膜の一連の３つの写真である。

好ましい実施態様の詳細な説明 図面に最良に示された如く、本発明によるノズル組立体１ｏは、耐溶剤材料から 作られた筐体１２を具備する。筐体１２内には、伸長中空内側ボア又は管１４が 配設しである。また、筐体１２内には、内側ボア１４と同心の外側ボア１６が配 設してあり、環状空間又は導管１８を規定している。内側ボア１４は貫装されて いて、外側ボア１６の上方部分２２において整合ねじ山を含む筐体１２にねじ込 められるねじ付き管継ぎ手２０に固定して取付けである。芯中空繊維膜内の包含 材料は、内側ボア１４の入力端２３においてノズル組立体に送り込まれる。内側 ボア１４はまた、導管１８に存在する流体が上方に流れ、筐体の頂部から流出す るのを防止するシール２４を通過する。シール２４は、バネ４６によって適所に 保持され田。筐体の下方部分において、内側ボア１４は、ノズルキャップ２８４ 寸げによって発生した圧縮力により筐体１２に除去可能に取付られたシール案内 ２６を通過する。シール案内２６は、伸張と引込中、内側ボア１４を心合わせし て維持し、そして導管１９の外側領域に侵入するように導管１８に存在する流体 を差し向けるための一つ以上の穴を含む。ノズルキャップ２８は、ねじ、ボルト 又は同等物の如く締結手段３０により、筐体１２に除去可能に取付けられる。そ れは、導管１８をノズル組立体の出口端３６に延ばすように設計される。図示の 如（、シール案内２６とノズルキャップ２８の底部の輪郭は、導管１９の次元と 経路を規定する。第１図と第２図に示された如（、ボア１４との交差部分のちょ うど前で、導管１９は、約４５°の角度を為す。外側ボア１８は、従来のルア管 継ぎ手等の管継ぎ手３２を用いて中空繊維膜の作成で使用される流体源に連結さ れる。図示の如く、管継ぎ手３２は、流体がノズル組立体と導管１６に流入する 管状人口３４を含む。シール３３は、流体密封を設け、管継ぎ手を通って外側へ の流体流を防止する。内側ボア１４の伸張と引込は、ねじ付き管継ぎ手２０に取 付けた内側ボア調整手段３８の回転により達成され、外側ボア１６の整合ねじ山 にねじ調整されるボア調整組立体を形成する。ボア調整組立体は、単一ユニット として回転し、そして回転方向により、内側ボア１４を上下に垂直に移動させる 。ピン４２が、第２図に示された内側ボア調整手段３８又は（不図示）管継ぎ手 ４０において固定され、介装しており、双方を一緒に回転させる。管継ぎ手４０ は調整手段３８と結合して回転するが、それは、バネ４４によって加えられた張 力により、垂直方向において密封さ邸いる。続く押出し間の伸張又は引込の再現 性は、管継ぎ手４０に添４た／、＜−ニヤ定規の如く測定具を使用して改良され る。伸張と引込は、コンピュータ制御（不図示）下で手動又は機械的に行われる 。

第１図は、全引込と全伸張の間の中間位置に内側ボア１４があるノズル組立体の 断面平面図を示す。

筐体を含むノズル組立体の構成要素のすべては、ステンレス鋼、ガラス、及ＵＴ ｅｆ　Ｊｏｎ、Ｄｅｌｒｉｎ又はポリプロピレンポリマーの如く耐有機溶剤材料 から作られる。融和性でなければならず、しがも押出プロセス中使用された溶剤 によって有害な影響を受けてはならないシールは、好ましくは、Ｔｅｆｌｏ、ｎ ポリマーから作られるが、ポリプロピレン、ニトリルポリマー等の材料からも作 られる。

動作において、中空繊維膜を形成するために使用された流体は、管継ぎ手３２を 通して外側ボア１６と導管１８へ、それから、シール案内２６を通した一つ以上 の穴を通って導管１９へ流れるようにポンプ（不図示）によって押しやられる。

使用流体の形式は、もちろん、望まれる特定中空繊維膜による。中空繊維膜とし て使用される適切な材料としては、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、ゲル 、及びヒドロゲルがある。

使用される特定材料としては、セルロース、アクリルコポリマー、ポリフッ化ビ ニリデン、ポリウレタンイソシアナート、アルギナート、ポリスルホン、ポリビ ニルアルコール、ポリアクリロニトリル、及びそれらの混合物がある。また、芯 材材として使用される材料が、膜を形成するために使用される。膜形成材料は溶 融物であるが、それは、好ましくは、溶液である。溶液を形成する際に使用され る適切な溶剤としては、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、アセト ン、ジメチルスルホキシド、Ｎメチルくロリドン、アセトニトリル、及びそれら の混合物の如く水溶性有機溶剛払ヘキサン、ジエチルエーテル、塩化メチレン、 及びそれらの混合物の如く他の溶剤がある。

多くの応用において、すべてではないとしても、発明の装置を使用して形成され た中空繊維は、芯材料及び／又は薬剤の如くプリバラプル、生体細胞又は蛋白質 の如く生物材料、又はここで記載された他の類似の材料がある。芯材料及び／又 はプリバラプルは、一般に、流体媒体、一般に水であり、芯材料組成を形成する 。組成は、しばしば、一つ以上の架橋剤、ゲル形成剤、又は粘度増大物質を含む 。芯材料組成に存在する他の材料は、Ｆｉニコル塩水、エタノール、組織培養媒 体、漿液、及びメタノールを含む。芯材料組成はまた、細胞を固定化させ、又は 成長基質を設けるために使用される生物適合性ヒドロゲルを含む。特定窓材料は 、アニオン［アルギナート］、カチオン［コラーゲン］、両向性［イオン側鎖を 随意的に有するポリ（ホスファゼン）］、又は中性［ポリ（エチレンオキシド） ］である。アルギナートは、液体形式であるか、又はＣａＣｌ２を液体芯に拡散 させることにより、押出の後、架橋される。芯材料組成は、内側ボア１４を通し て供給される。膜材料と芯材料組成は、ノズル出力端３６又はその近傍において 相接する。充填されない中空繊維を形成する時、流体、例えば、水、溶剤、又は それらの混合物が、内側ボア１４を通して設けられる。こうして、芯材料組成は 、流体を含み、随意的に、芯材料、プリバラプル、又は双方を含む。

ノズル出力端３６に関する内側ボア１４の位置を調整することにより、特にノズ ルキャップ部分における導管１８と１９の詰まりは、制御され、実質的に除去さ れろ。詰まりは、膜形成材料が溶液における熱可塑性ポリマーの如く高粘＊又は 急速沈殿材料である時特別な問題である。繊維膜形成中の幾つかの事例において 、ノズル内の流体流方位を制御し特定壁次元と繊維壁形態を生成する際に、拡張 時間が有益であることが見いだされたために、２つの材料がノズルを出る前に、 膜形成材料は、ノズル組立体内に、できる限り長く、芯材料組成と接触している ことが望ましい。結果として、２つの材料がノズル組立体を出る前に、長い接触 を許容するほぼ完全な引込位置において内側ボア１４を維持することが、しばし ば好ましい。しかし、初期の長い接触は、水性芯材料に接触する時、繊維膜形成 材料が沈殿し硬化するために、特にノズルキャップにおいて詰まりを生じさせる 。これは、通常、導管１８と１９において材料の流れを遅らせ、詰まりを生じさ せる。しかし、詰まりは、芯材料組成と膜形成材料がノズルを出るまで相接しな い如く、内側ボアを拡大して、中空繊維膜形成プロセスを始めることにより、本 発明の装置で克服される。それから、内側ボアは、一般に徐々に引込まれ、２つ の材料が、ノズルを出る前に接触している時間を増大させる。通常、いったん、 相反転、すなわち、液体から固体への遷移が、特定流量率において始まると、流 れは、材料間に長い接触があるとしても、実質的に一定である。２つの材料の流 量率は、外部ポンプ（不図示）によって維持される。詰まりを回避するためのこ の技法は、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）の如（ポリマー溶剤を使用する先 行技術の技法よりも好ましい。薬又は同等物を投与するために人体内で使用され る中空繊維膜の生産に係るもの等の多くの応用において、ＤＭＳＯの如く溶剤は 、有毒性のために使用することができない。

本発明の装置の別の恩恵は、除去及び交換可能ノズルキャップ２８とシール案内 ２６の便りである。ノズルキャップを他のノズルキャップと交換する及び／又は タール案内を他のシール案内と交換することにより、環状導管のサイズと構成は 、組立体の出力端の近くで変更され、合成膜を変化させる。さらに、膜形成材料 の流れ方向が変更される。例えば、第１図と第２図に示された如く、導管の領域 １９における導管１８の流れ方向は、内側ボア１４を出る材料の流れに関して約 ４５°の角度にある。他方、第３ａ図と第３ｂ図は、キャップ２８とシール案内 ２６を示し、この場合、導管１９の部分２１における流れ方向は、内側ボア１４ を出る材料の流れに対して９０°である。他の流れ角度を設けるいろいろな他の ノズルキャップとシール案内が、使用される。膜形成材料が芯材料組成に接触す る角度を変化させることにより、膜壁の形態が変化される。また、特にノズルキ ャップ２８における導管の部分の導管１９の直径及び／又は高さ２１を変化させ ることにより、合成膜の厚さが変更される。第３ａ図と第３ｂ図のノズルキャッ プは、さらに、導管１９の直径を狭めるためにノズルキャップ筐体２８の内側に スリーブ５０を含み、開口サイズを変更する又は繊維サイズ及び／又は形態に影 響を与えるオリフィス板５２の変化を容易にする。スリーブ５０はまた、ノズル キャップ締結手段３０を筐体１２に締めた時発生した力を伝達するために役立つ 。締結手段３０を締めた時、オリフィス板５２の下に位置するシール案内２６と シール５４は、有効なシールを達成するために圧縮される。スリーブ５０は、圧 縮によりスリーブ５０とシール５４の間の適所に一般に保持されるオリフィス板 ５２において終端するが、スリーブ５０に物理的に取付けることができる。オリ フィス板５２は、膜材料の流れ方向すなわち角度嶋成された膜の外径を変化させ る。

異方性膜において生産Ｊれた繊維壁の形態と棒状組織の形成は、この発明のノズ ルによって制御可能である。棒状組織の形成は、部分的に、相分離現象である。

一般用語において、繊維壁を生成するために使用されたポリマーは、全体システ ムの最無極性成分であるが、ポリマーが一般に溶解された溶剤は、ポリマーより も極性であり、かつ水溶性である。

押出中、内側ボアにおける芯材料組成の水又は水成分は、ノズルオリフィスの近 くで相接する時、ポリマー及び／又は溶剤繊維形成材料と接触する。この点にお いて、水は、ポリマーに拡散し、そして溶剤／ポリマー／水混合物は、溶剤／ポ リマーと溶剤／水のフェーズに仕切られる。溶剤／水フェーズは、ポリマーにお いて空隙を生成する。これらの空隙の総和は、繊維壁内に棒状組織網を生ずる。

通常、中空繊維の棒状組織は、４５°キヤツプ（第１図と第２図に示される）が 使用される時発生する如く、繊維壁に垂直に方向付けられる。

２つの材料の相対流量率の如く、多数の因子が変化され、棒状組織の方位を変更 させる。本ノズルは、棒状組織の形態を変更及び制御するための付加手段を設け る。９０°キヤツプとシール案内（第３図における如く）が使用される時、それ らは、内側ボアからの流れに垂直にポリマーの流路を指向させ、その結果、恐ら く、空隙形成は、流れがこの方向において指向される間に始まる。それから、突 然の９０’の方向変化は、初期の棒状組織の形状を繊維壁に斜め又は平行な角度 にゆがめさせ、これにより、ここで「Ｚ繊維」と呼ばれる繊維を形成する。

Ｚ繊維は、繊維壁内の棒状組織を含み、この棒状組織（ｉ）は、互いに関してほ ぼ縦に方向付けられ、（ｉｆ）繊維壁内で互いに実質的に相互連結され、及び（ ｉｉｉ）部分呼は完全に繊維の外側と連続である。さらに、Ｚ繊維は、繊維管腔 を塊虻し、免疫隔離機能を設ける半浸透性内側薄膜を有する。Ｚ繊維は、生きた 動物における移植装置として使用される時、繊維壁内への毛細内成長の誘導と向 上において、他の繊維形態よりもさらに有益であると考えられる。Ｚ繊維形態は 、膜の化学組成、次元、内側ボアを通って流れる組成のいずれにもよらないこと が見いだされた。

伝統的な非引込式同軸ノズルでは、中央ボアにおいて実質的な自由なあそびを有 する傾向があり外側ボアにおける材料の流れの不規則性に繊維を感応的にするた めに、本ノズルはまた、合成中空繊維の一様性を一般に増大させる。この感度は 、押出プロセス中、不規則な非対称繊維の生産につながる中央ボアの移動によっ て顕在化される。本ノズルにおけるシール案内２６は、内側ボアのオリフィスに 接近したその位置のために、中央ボアの自由なあそびを最小にし、これにより、 より一様な繊維の準備につながる。また、シール案内２６は、内側ボアの頻繁な 再センタリングの必要を縮小し、片寄りと同心性の変化なしに内側ボアの引込み と伸張を許容する。

本発明のノズルを使用して準備された繊維は、非浸透性、浸透性又は半浸透性で ある。好ましくは、それらは、ろ過装置、生物反応器において又は細胞被包媒介 物として使用される半浸透性繊維である。

実施例 次の実施例は、非充填Ｚ繊維の形成を示す。

第３図のノズル組立体は、９０°のキャップ及びシール案内で使用された。この 組立体は、膜形成ポリマーの流路を、内側ボアからの流れに垂直に指向させる。

繊維膜は、ジメチルスルホキシドにおける１２．５％Ｗ／Ｗポリ（アクリロ１訃 すルー塩化ビニル）コポリマーの流し込み溶液から準備された。Ｈ側余アは、蒸 留水を含んだ。流し込み溶液は、１ｍｌ／ｍｉｎの率においてポンピングされ、 そして水は５　ｍ　ｌ　／　ｍ　ｉｎの率においてポンピングされた。ノズルは 、環境温度及び圧力において１０リツトルの蒸留水を含む沈殿浴よりも７ｃｍ上 の距離に維持された。内側ボアは、ノズルの外光端よりも約０．５〜３ｍｍ上、 好ましくは、約１ｍｍ上の距離において位置付けられた。それから、２つの溶液 は、中空繊維ノズル組立体を通して同時にポンピングされ、そして合成中空繊維 が、沈殿浴において収集された。

合成繊維は、次の次元を示した。１．０００〜１．２００ミクロン外径と８０〜 １００ミクロン膜壁厚である。第４図は、合成Ｚ繊維の縦棒状組織方位を示すい ろいろな倍率における３つの走査電子顕微鏡写真図の一セットである。

合成Ｚ繊維は、繊維壁内への毛細内成長を誘導及び向上させるために使用される 細胞を手装填されるが、同一結果を達成するためにより容易な技術は、内側ボア を通ってポンピングされた蒸留水を適切な水性成長媒体における細胞で置き換え 、その形成の開始直後に繊維膜をタリンピングすることによる。

ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、３ａ ＦＩＧ、３ｂ 補正書の写しく翻訳文）提出書　（特許法第１８４条の８）平成５年１１月１７ 日

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．中空繊維膜を生産する際に使用されるノズル組立体において、筐体と、筐体 を通っている伸長第１管状手段とを具備し、筐体は、第１管状手段の少なくとも 部分と同心の第２管状手段を規定し、２つの管状手段の間に環状導管を形成し、 該第１管状手段は、該第２管状手段に関して可動であり、その結果、組立体の動 作において、引込及び伸張され、第１及び第２管状手段は、各々、入力及び出力 端を有し、第２管状手段の出力端は、筐体から取外しでき、種々のキャップの使 用により第１管状手段に関して環状導管の方位の変化を可能にするキャップを具 備するノズル組立体。
2. ２．該第１及び第２管状手段が、出力端において、環状導管が第１管状手段に垂 直である如く、互いに関して配設される請求の範囲１に記載のノズル組立体。
3. ３．該第１及び第２管状手段が、それらの出力端において、環状導管が第１管状 手段に対して約４５°の角度において方向付けられる如く、互いに関して配設さ れる請求の範囲１に記載のノズル組立体。
4. ４．第１管状手段が中空管である請求の範囲１に記載のノズル組立体。
5. ５．第２管状手段が、筐体内の空洞である請求の範囲１に記載のノズル組立体。
6. ６．第１管状手段を案内するための案内手段が、筐体内に配設される請求の範囲 １に記載のノズル組立体。
7. ７．第１管状手段が案内手段を通っている請求の範囲６に記載のノズル組立体。
8. ８．案内手段が筐体から取外しできる請求の範囲６に記載のノズル組立体。
9. ９．芯材料組成を供給するための内側ボアを有するノズル組立体を通して芯材料 組成の回りの膜形成流体材料の押出しにより中空繊維膜を形成する方法において 、改良が、（ｉ）芯材料組成と膜形成流体材料が、ノズルを出るまで一度も相接 しない如くノズルを位置付けて押出しを始めることと、（ｉｉ）２つの材料がノ ズルを出る前にノズル組立体内で接触する時間を増大させるように内側ボアを引 込めることとを含む方法。
10. １０．膜形成流体材料の相反転が始まった後、引込が始まる請求の範囲９に記載 の方法。
11. １１．（ａ）繊維管腔を規定する半浸透性内側薄膜と、（ｂ）繊維壁と、（ｃ） 外面とを有する繊維を具備する中空繊維膜において、繊維壁が、ほぼ縦に方向付 けられた棒状組織を含み、そして棒状組織の少なくとも部分が、繊維壁内で互い に相互連結され、少なくとも部分が、膜の外面と連続である中空繊維膜。
12. １２．管腔において生体細胞がある請求の範囲１１に記載の膜。