JPH07108143A

JPH07108143A - 物質交換装置

Info

Publication number: JPH07108143A
Application number: JP28050193A
Authority: JP
Inventors: Hisateru Takano; 久輝高野; Yoshiyuki Myonaka; 義之妙中; Haruhiko Akagi; 治彦赤城; Rishichi Mimura; 理七三村; Hiroyuki Akasu; 弘幸赤須
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 1993-10-13
Filing date: 1993-10-13
Publication date: 1995-04-25

Abstract

(57)【要約】【構成】液体の貯留部と、中空糸膜を配置されてなる
物質交換部と、該中空糸膜に該貯留部に貯留された液体
を連続的に供給する液流発生手段を備えた送液部を有す
る物質交換装置であって、該物質交換部によって物質交
換された液体の一部を該貯留部または送液部に循環させ
る循環路を有することを特徴とする物質交換装置。【効果】少ない膜面積で高い物質交換効率を達成でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、中空糸膜を利用した物
質交換装置に関する。本発明の物質交換装置は、一般に
人工肺、バイオリアクター等の液体と気体との間で物質
交換を行う装置、あるいは血液透析器等の液体と液体と
の間で物質交換を行う装置として使用される。ここでは
説明の便宜上、人工肺に適用した場合について説明す
る。

【０００２】

【従来の技術】中空糸膜を利用した人工肺は、ポリオレ
フィンなど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に優れた均質中空糸膜を用
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、生体肺
の持つ機能の中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として従来より開心
術等の手術時の循環補助や呼吸補助として用いられてい
る。

【０００３】通常の開心術では、患者から脱血された血
液を貯血槽に貯留し、該貯血槽に貯留した血液を血液ポ
ンプによって人工肺へ送出し、該人工肺でガス交換させ
たのち患者へと送血している。通常貯血槽と人工肺は血
液回路で接続されているので、人工肺を含めた回路全体
の充填量（以下、プライミングボリュームという）が大
きくなる。そのため輸血を行うか、あるいは補充液を用
いる必要があり、肝炎やAIDSなどの感染の問題、輸血用
の血液の確保などの問題が生じる。

【０００４】近年、かかる問題を解決すべく小型化され
たコンパクトな人工肺が開発されている。例えば、特開
平２−４１１７２号公報および特開平５−１７７１１７
号公報には、血液処理手段と送血手段とを一体化して小
型化し、プライミングボリュ−ムの減少を図った血液処
理装置が開示されている。また、特開平２−９５３７８
号公報、特開平４−２１５７６１号公報および特開平５
−９５９９８号公報には、人工肺と、遠心ポンプと貯血
槽を一体化した人工心肺装置が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】中空糸膜型人工肺を小
型化する場合、装置内における中空糸膜の配置される部
分の容積は必然的に小さくなり、膜面積は減少する。従
って、中空糸膜型人工肺の小型化に際しては少ない膜面
積で十分なガス交換を行うための効率化が必要となる。
従来より知られている人工肺では、患者から脱血された
血液は人工肺内を１度通過するのみであるので、成人の
開心術の際に通常要求される200〜300ml/min程度のガス
交換能を達成するためには２ｍ↑2 以上の膜面積を必要
としている。しかしながら、かかる膜面積を維持したま
までプライミングボリュ−ムを減少させるべく人工肺を
小型化すると、必然的に中空糸膜の充填率が上昇し、装
置内における圧力損失が増加して溶血が起きるという問
題が生じる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、種々検討
の結果、患者から脱血された血液が人工肺内を複数回通
過するような構成とすることにより、血液の酸素化を高
い効率で行うことができ、上記の問題を解決できること
をつきとめ、さらに検討した結果本発明に到達したもの
である。すなわち本発明は、液体の貯留部と、中空糸膜
を配置されてなる物質交換部と、該中空糸膜に該貯留部
に貯留された液体を連続的に供給する液流発生手段を備
えた送液部を有する物質交換装置であって、該物質交換
部によって物質交換された液体の一部を該貯留部または
送液部に循環させる循環路を有することを特徴とする物
質交換装置である。

【０００７】

【作用】本発明の物質交換装置は、物質交換部によって
物質交換された液体の一部を上記液体の貯留部または送
液部に循環させ、該液体が物質交換部を複数回通過する
ように構成したので、少ない膜面積で高い物質交換効率
を達成することができる。

【０００８】

【実施例】次に本発明の実施例を図面によって説明す
る。図１に示されるように本発明の一実施例に係る人工
肺は、血液を貯留する貯留部１、液流発生手段を備えた
送液部２および中空糸膜を配置されてなる物質交換部３
から構成されており、これらが一体に成形されている。

【０００９】貯留部１の上部には血液導入口１１が設け
られており、患者から脱血された血液は、脱血ライン
（図示せず）を経て、該血液導入口１１より貯留部１へ
と導入される。７は血液濾過フィルタ−であって、微小
血栓などの微粒子や気泡などの除去を行う目的で必要に
応じて設けられる。かかる血液濾過フィルタ−として
は、通常、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレ
ン、ポリエチレン、ポリウレタン等を素材としたスポン
ジ、不織布、メッシュシ−トなど、２０μｍ〜５００μ
ｍ程度の孔径を有するものが使用される。貯留部１の上
部には空気抜き１３が設けられている。また、必要に応
じて輸血用の血液または輸液の注入口、熱交換器などを
貯留部１に備え付けてもよい。

【００１０】貯留部１の下端には血液導出口１２が開口
しており、後述する送液部２の血液流入口２１と送液路
４によって連結されている。また、貯留部１の下部に
は、後述する循環路５の一端が開口している。

【００１１】貯留部１の素材としては、従来より貯血槽
の素材として使用されているものが特に制限なく使用で
き、通常血液適合性に優れたポリカーボネート、ポリプ
ロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレ
ン、ポリメチルメタクリレート、アクリルニトリル−ブ
タジエン−スチレン共重合体、ポリエチレンテレフタレ
ートなどの高分子素材が用いられる。

【００１２】また、貯留部１の形状としては、円筒状、
角筒状、袋状、ハ−ドタイプシェルなど特に制限はない
が、最下部の形状が、例えば円錐状等、貯留部１に貯留
された血液が１ヵ所に集約される形状をしていることが
好ましい。また、血液導出口１２の付近には、例えば傘
状の部材で覆いを設けるなど、空気の巻き込みを防止す
る手段を設けることが好ましい。さらに、循環路開口部
５１の付近には、例えばド−ム状の覆い等、該循環路５
から貯留部１に流入する血液を貯留部１内に貯留された
血液と均一に混合する手段を設けることが好ましい。ま
た、貯留部１内に撹拌器を設けて、循環路５から貯留部
１に流入する血液を貯留部１内に貯留された血液と均一
に混合するように構成してもよい。貯留部としては、通
常0.5〜3lの範囲の容積を有するものが使用される。ま
た、貯留部１には、通常0.3〜0.5lの血液が貯留され
る。

【００１３】送液部２は、磁力により回転される被駆動
円板８１、回転軸８２および該回転軸に取り付けられた
インペラ−８３からなる液流発生手段を備えている。送
液部２の血液流入口２１は送液路４により貯留部１の血
液導出口１２と連結されており、また、送液部２の血液
送出口２２は後述する物質交換部３の血液入口３１と連
通している。上記遠心ポンプの作用により、貯留部１に
貯留された血液は血液導出口１２から血液流入口２１を
経て送液部２に流入し、血液送出口２２より物質交換部
３へと送出される。送液部２が備える液流発生手段とし
ては、液体の吐出能力が大きく、溶血等血液に対する影
響が小さいものであれば特に制限なく使用できるが、遠
心ポンプ、軸流ポンプが装置のコンパクト性の観点から
好ましい。

【００１４】３は物質交換部であり、多数の中空糸膜９
がその両端部の開口状態を保ったまま固定部材により集
束固定され、中空糸膜モジュ−ルが形成されている。図
１では、中空糸膜９は紙面に垂直な方向に集束固定され
ており、物質交換部３の血液入口３１から流入する血液
が中空糸膜９の外部を流れ、酸素を含んだ空気が中空糸
膜９の内部を流れる外部潅流方式となっている。物質交
換部３の血液出口３２には、送血ライン６が接続される
とともに、貯留部１と連通する循環路５が設けられてい
る。なお、物質交換部３は、血液入口３１から流入する
血液が中空糸膜９の内部を流れ、酸素を含んだ空気が中
空糸膜９の外部を流れる内部潅流方式としてもよい。

【００１５】物質交換部における中空糸膜９としては、
各種の中空糸膜が使用でき、人工肺などのメディカル用
途には、シリコンエラストマー系、セルロース系、セル
ロースアセテート系、ポリビニルアルコール系中空糸膜
や、ポリメチルペンテン、ポリプロピレン、ポリエチレ
ンなどのポリオレフィン系、セグメント化ポリウレタ
ン、ポリスルホン、ポリメチルメタクリレートの中空糸
膜やこれらの中空糸膜にシリコンやフッ素などをコーテ
ィングした中空糸膜などが挙げられる。人工肺の場合、
具体的には、例えば、短時間の使用には、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、例えば、血液接触面に
非多孔質の緻密層を有する２層構造の多孔質中空糸膜
や、非多孔質層の両側に多孔質層が配列された３層構造
中空糸を使用するのがよい。

【００１６】また、中空糸膜９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、制限なく使用できる。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、シリコン樹脂
などを挙げることができ、人工肺などのメディカル用途
には、実績のあるポリウレタン樹脂が好ましい。

【００１７】物質交換部３でガス交換された血液は、そ
の一部が上記送血ライン６を経て患者へと送血され、残
りは循環路５を経て貯留部１へと流入する。ここで、両
者を流れる血液の割合は上記送血ライン６および／また
は循環路５を流れる血液流量を制御することによって調
整できる。かかる血液流量の制御は、例えば、送血ライ
ン６を流れる血液の流量を制御する場合にあっては、該
送血ライン６にロ−ラ−ポンプ等の血液ポンプ（図示せ
ず）を設け、該血液ポンプの流量を制御することによっ
て達成される。また、送血ライン６および／または循環
路５にバルブを設けて血液流量を制御する構成としても
よい。ここで、患者へ送血される血液流量に対する物質
交換部を流れる血液流量の比である循環流量比Ｒは、血
液が物質交換部３を通過する回数に対応するパラメ−タ
−であり、通常循環流量比Ｒは１以上、好ましくは１．
５以上７以下の範囲に設定される。

【００１８】図２は本発明の第二の実施例に係る人工肺
を示す概略図である。図２に示す人工肺では、中空糸膜
９が送液部２の周辺部に同心円状あるいは環状に配置さ
れており、送液部２と物質交換部３が一体に成形された
構造となっている。その他の部分の構成は図１に示す第
一の実施例と同様であり、同一部分または相当部分に同
一符号を付してその説明を省略する。

【００１９】図３は本発明の第三の実施例に係る人工肺
を示す概略図である。図３に示す人工肺では、循環路５
は送液路４に接続されており、物質交換部３によってガ
ス交換された血液は送液部２へと循環される。その他の
部分の構成は図１に示す第一の実施例と同様であり、同
一部分または相当部分に同一符号を付してその説明を省
略する。

【００２０】上記第１の実施例においては、貯留部１、
送液部２および物質交換部３が一体に成形されており、
また、第２および第３の実施例においては送液部２およ
び物質交換部３が一体に成形されているが、本発明の物
質交換装置は、物質交換部３によって物質交換された液
体の一部が貯留部１または送液部２に循環される構成で
あればよく、貯留部１、送液部２および物質交換部３を
チュ−ブ等の血液回路で接続する構成であってもよい。
なお、上記第１、第２または第３の実施例のように、貯
留部１、送液部２および物質交換部３、あるいは送液部
２および物質交換部３が一体に成形された構造であれ
ば、装置全体のプライミングボリュ−ムを減少させるこ
とができ、小型化されたコンパクトな人工肺として好適
である。

【００２１】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たが、本発明の
物質交換装置は単に人工肺としてではなく、細胞などを
浮遊させた溶液への酸素添加を行うバイオリアクタ−
等、液体への酸素供給装置、または液体からの脱ガス装
置のような液体と気体との間で物質交換を行う装置とし
て利用できる。また、人工腎、人工肝などの液体と液体
との間で物質交換を行う装置としても利用できる。

【００２２】次に、本発明の物質交換装置の効果をより
明瞭にするために以下に試験例を示す。試験例１Ａ．人工肺の作製第１図に示す構造の人工肺を組み立てた。直径20cm、高
さ30cmの円筒形状をした、内容積5lのポリカーボネート
製の貯留部１の最上部に血液導入口１１および空気抜き
１３を設け、さらに最下部に送液部２に連通する血液導
出口１２を設けた。血液濾過フィルタ−７として孔径40
μｍのポリエステル製のメッシュシ−トを使用した。ま
た、貯血部１の下部には物質交換部３の血液出口３２と
連通する循環路５の一端を開口させた。送液部２には充
填量50mlの遠心ポンプを設けた。送液部２の血液出口２
２は、血液通路により物質交換部３と連通させた。ポリ
４−メチルペンテン−１からなる内径205μｍ、外径255
μｍの多数の中空糸膜９をウレタン系の樹脂により集束
固定し、膜面積0.8ｍ↑2 の外部潅流型の中空糸膜モジ
ュ−ルを作成し、物質交換部３として使用した。

【００２３】Ｂ．ガス交換効率の測定上記（試験例１のＡ）で作製した人工肺の貯留部１の血
液入口１１に脱血ラインを接続し、ガス組成を一定（酸
素飽和度65%、炭酸ガス分圧45mmHg）に保ったヘモグロ
ビン濃度12g/dlの牛血液を脱血ラインから貯留部１に供
給した。また、物質交換部３の血液出口３２にはロ−ラ
−ポンプ（図示せず）を備えた送血ライン６を接続し、
該送血ライン６に設けたロ−ラ−ポンプにより人工肺か
ら一定の速度で血液が取り出されるように設定した。ま
た、送液部２に設けた遠心ポンプを駆動させ、貯留部１
に貯留する血液を物質交換部３へと一定の速度で供給し
た。かくして、物質交換部３を通過してガス交換を終え
た血液は、その一部が血液出口３２から送血ライン６へ
と流出し、残りは循環路５を経て、貯血部１へと循環す
る。本試験例では循環流量比Ｒは、下式によって決定さ
れる。

【００２４】

【式１】

【００２５】なお、本試験例においては、ロ−ラ−ポン
プの流量を一定値（3l/min）とし、遠心ポンプの流量を
変化させることにより、種々の循環流量比Ｒにおける、
送血ライン６を流れる血液の酸素分圧を測定した（実験
番号１〜６）。測定結果を表１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】表１から明らかなように、同一の膜面積で
は、循環流量比Ｒを大きくすることにより、送血ライン
６を流れる血液の酸素分圧が上昇しており、酸素化の効
率が高めらることが確認された。

【００２８】試験例２Ａ．人工肺の組立て第２図に示す構造の人工肺を組み立てた。直径20cm、高
さ30cmの円筒形状をした、内容積5lのポリカーボネート
製の貯血部１の最上部に血液導入口１１および空気抜き
１３を設け、さらに最下部に送液部２に連通する血液導
出口１２を設けた。また、貯血部１の下部には物質交換
部３の血液出口３２と連通する循環路５の一端を開口さ
せた。送液部２には充填量50mlの遠心ポンプを設けた。
送液部２の血液出口２２は、血液通路により物質交換部
３と連通させた。ポリ４−メチルペンテン−１からなる
内径205μｍ、外径255μｍの多数の中空糸膜９をウレタ
ン系の樹脂により、遠心ポンプの周囲に同心円状に束ね
て、膜面積0.8ｍ↑2 の中空糸膜モジュ−ルを作成し、
物質交換部３として使用した。

【００２９】Ｂ．ガス交換効率の測定上記（試験例２のＡ）で組み立てた人工肺に、試験例１
と同様、脱血ラインおよびロ−ラ−ポンプを備えた送血
ライン６を接続した。試験例１と同じく、ガス組成を一
定（酸素飽和度65%、炭酸ガス分圧45mmHg）に保ったヘ
モグロビン濃度12g/dlの牛血液を使用し、ロ−ラ−ポン
プの流量を変化させることにより、種々の血液流量にお
ける、送血ライン６を流れる血液の酸素分圧を測定した
（実験番号７〜１０）。なお、本試験例では、ロ−ラ−
ポンプの流量に対応して遠心ポンプの流量を適宜調節
し、循環流量比Ｒを一定の値５に保った。比較のため、
循環路５をバルブにより閉塞して同様の測定を行った
（実験番号１１〜１４）。この場合には、循環流量比Ｒ
は１である。測定結果を表２に示す。

【００３０】

【表２】

【００３１】表２から明らかなように、同一の膜面積、
同一の血液流量では、循環路５を設けて物質交換部３で
ガス交換された血液の一部を貯留部へ循環させることに
よって、送血ライン６を流れる血液の酸素分圧が上昇し
ており、酸素化の効率が高められることが確認された。

【００３２】試験例３試験例２と同一の人工肺を用い、種々の酸素飽和度の牛
血液を使用して、試験例２と同様の測定を行った（実験
番号１５〜２０）。本試験例においては、ロ−ラ−ポン
プの流量を4l/min、循環流量比Ｒを５に保った。また、
試験例２と同様に、比較として、循環路５をバルブによ
り閉塞して同様の測定を行った（実験番号２１〜２
６）。測定結果を表３に示す。

【００３３】

【表３】

【００３４】表３から明らかなように、同一の膜面積、
同一の血液流量、同一の循環流量比Ｒであれば、循環路
５を設けて物質交換部３でガス交換された血液の一部を
貯留部へ循環させることによって、使用する血液の酸素
飽和度によらず、送血ライン６を流れる血液の酸素分圧
が上昇しており、酸素化の効率が高められることが確認
された。

【００３５】

【発明の効果】本発明によって提供される物質交換装置
は、少ない膜面積で高い物質交換効率を達成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る人工肺の概略構成
を示す図である。

【図２】本発明の第２の実施例に係る人工肺の概略構成
を示す図である。

【図３】本発明の第３の実施例に係る人工肺の概略構成
を示す図である。

【符号の説明】１貯留部２送液部３物質交換部４送液路５循環路６送血ライン７血液濾過フィルタ９中空糸膜１１血液導入口１２血液導出口１３空気抜き２１血液流入口２２血液送出口３１血液入口３２血液出口５１循環路開口部８１被駆動円板８２回転軸８３インペラ−

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三村理七岡山県倉敷市酒津1621番地株式会社クラレ内 (72)発明者赤須弘幸岡山県倉敷市酒津1621番地株式会社クラレ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体の貯留部と、中空糸膜を配置されて
なる物質交換部と、該中空糸膜に該貯留部に貯留された
液体を連続的に供給する液流発生手段を備えた送液部を
有する物質交換装置であって、該物質交換部によって物
質交換された液体の一部を該貯留部または送液部に循環
させる循環路を有することを特徴とする物質交換装置。
【請求項２】送液部および物質交換部が一体に成形さ
れていることを特徴とする請求項１記載の物質交換装
置。
【請求項３】液体の貯留部、送液部および物質交換部
が一体に成形されていることを特徴とする請求項１記載
の物質交換装置。
【請求項４】液体と気体との間で物質交換が行われる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の物質
交換装置。