JPH0788177A - 中空糸膜型人工肺 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】新規な構造を有する中空糸膜型人工肺を提供す
る。 【構成】本発明は、中空糸膜を炭酸ガス−酸素交換膜と
して用いる中空糸膜型人工肺であって、中空糸膜部分が
チューブ状に編んだ中空糸編物で構成され、この中空糸
編物を偏平にし、これを複数枚積み重ねて多重層として
中空糸膜部分を形成させた中空糸膜型人工肺に関する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は開心術を施行するに当っ
て血液から炭酸ガス−酸素の交換反応を膜を通して行う
膜型人工肺に関し、更に詳しくは、中空繊維膜を用いた
新しい中空糸人工肺に関する。

【０００２】

【従来の技術】心臓手術において、術中に心臓に入るべ
き静脈血液をポンプで体外に導き、体外で静脈血の炭酸
ガスを酸素に置換して動脈血液化し、それを患者の全身
に導いて心臓と肺の代用を行わせその間に心臓の手術を
完遂する、いわゆる開心手術は近代ますますその症例を
増やし救命に役立っている。医療技術の進歩、医療手法
の改良によって治療成績は年々向上し、これに伴って、
従来手術不能と思われていた重篤な患者の手術も手がけ
られるようになって、救命率の向上とともに重篤患者へ
の術式の拡大適用も年とともに広がりつつある。

【０００３】このようなより重篤な患者への開心術が適
用されるようになると、それに従って医療用具について
もさらなる改良が要求されるのは当然である。このよう
な新しい要求として、小型高性能型を切望する機運が急
速に高くなっている。人工肺に要求される性能も、適用
が重篤患者になる程厳しくなって来る。そして体外に導
出される血液量を少しでも少なくするため、人工肺への
充填血液を最小にすることが最重要課題となる。

【０００４】膜型人工肺は膜の片側に血液を流し、膜の
別の側に酸素又は酸素量の多い気体を流し、膜を介して
血液中の炭素ガスを除き、逆に膜を介して血液に酸素で
付加するものであり、このガス交換能を向上させるため
には血液と膜との接触面に必然的に生じる、いわゆる境
界膜層を破壊する乱流を生じさせる必要がある。

【０００５】従来、中空糸膜型人工肺は中空糸膜を直線
上に束ねてその両末端をポリウレタンなどのポッティン
グ剤で固める形が主流であった。この型のものには、中
空糸の膜を介して内部を血液が流れ、外部を酸素が流れ
るいわゆる内部灌流型と、逆に中空繊維の外側に血液を
流し、中空繊維の内側に酸素を流す、いわゆる外部灌流
型に分けられるが、ガス交換能と血液の膜間移動を伴う
圧損の関係から外部灌流型がその有用性が認められ次第
に広がって来ている。しかし、このタイプは中空繊維の
長さ方向と、血液あるいは酸素の流れの方向が同じため
に、境界層の破壊という面からみると真に不利である。
境界層の破壊という面からみると中空糸束を形成する中
空糸に対して直角に血液が衝突するタイプがより理想的
である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】中空繊維束の長さ方向
に対して直角に血液を流し、血液も外部灌流させ中空繊
維の内腔に酸素を流す人工肺が提案されたが大きい問題
が生じている。この方式では流れる血液は並列に並ぶ中
空糸と直角に流れるので血液は常に中空糸と衝突しつつ
中空糸の間隙を縫うように進むことになり、当然そこに
乱流を惹起し、中空糸膜と血液との間に必然的に生成す
る境界膜を破壊する、という点では正に理想のものであ
ったが、思わぬ伏兵に遭遇することになった。

【０００７】それは血液が中空糸群に突当って自らの流
路を求める結果、血液が並列に並んだ中空糸を押し広げ
て流路をつくり、一旦この流路が出来かかると順次その
周辺の中空糸を押し広げていき、血液は自然にそこに集
中していき、ついにチャネリングと呼称する通路を確保
してしまう。すなわち血液は抵抗の大きい中空糸に衝突
しつつ乱流をおこしつつ流れることをやめて、自ら作っ
た抵抗の少ない流路を主に流れるようになる。換言すれ
ばあらゆるところに血液のチャネリング流路が生じてし
まい、乱流を生じるどころかチャネリング路を流れる血
液が多くなり、最初のもくろみの通りに高性能化の達成
からはるかにはずれてしまうのである。これでは中空糸
の性能を有効に使えないことになる。これを防ぐため
に、換言すれば中空糸の束の中空繊維の長さ方向と直角
に、各繊維を互いに結びつけるように一定間隔毎に中空
繊維を別の糸で織り込むという複雑な加工を中空繊維束
に施して解決を図っているが、これは大変なコスト高を
生じている上に充分に上述の血液のチャネリングを防止
するに至っていない。

【０００８】言いかえると未だ中空繊維のもつ本来の性
能を引き出していないのである。血液のチャネリングを
生じると当然血液の人工肺の中を通過するときに生じる
圧力損失は少ないが、これはあくまでチャネリングによ
る結果であるため真の意味の圧損の低下ではない。すな
わちチャネリングによる不均一な流れによる圧損の低下
は全く意味がない上、中空糸の相当部分が死に体になる
わけである。本発明者は中空糸を用いた膜型人工肺の、
中空糸のガス交換能を最大に発揮させる方法について従
来の問題点を掌握し、その解決のために鋭意検討を進め
た結果本発明に到達したものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、小型高性能
の中空糸膜型人工肺の実現には、従来の人工肺が充分に
中空糸膜の性能を引き出していない点に着目し、その問
題点を直視して、新しいアイデアを折込んで本発明に到
達したものである。その主眼点は（１）血液は中空糸の
外側を流れる外部灌流型とし（２）血液の流れは中空糸
の長さ方向と直角に配置し中空糸と衝突しつつ乱流を伴
って流れること、（３）中空糸束の長さ方向と直角に流
れつつも、中空糸の一部に血液によって押し拡げられる
ことのないように、すなわちチャネリング流路を生じる
ことをこれを完全に防止することである。

【００１０】以上の基本思想のもとに本発明者は種々の
検討を行い、確実かつ安価にかつ簡単な操作で理想的な
中空糸束をつくる方法を見出し、これを用いて本発明を
完成したものである。

【００１１】本発明は、中空糸膜を炭素ガス−酸素交換
膜として用いる膜型人工肺であって、ガス交換膜である
中空糸膜部分が、チューブ状に編んだ中空糸編物によっ
て構成され、このチューブ状の中空糸膜構成体を偏平に
し、これを複数枚積み重ねて多重層として中空糸膜部分
を形成したことを特徴とする中空糸膜型人工肺である。

【００１２】これまで中空糸を編物に編んで構成した部
分をガス交換に使う人工肺は存在しない。中空糸束をチ
ューブ状の編物の積層としたものも本発明者のこの提案
が最初のものである。チューブ状の編物は、繊維工業で
は公知である。これは軍手にみる指部分、軍手型靴下の
チューブ部分、あるいはセーターの腕部分、胴部分を想
定すれば容易に理解出来るであろう。

【００１３】編物はチューブ状に編みあげるのが普通で
ある。最も普通のものはメリヤス編み（横編み）であ
り、トリコット（縦編み）も知られている。本発明を実
施するに当ってチューブ状に編めるものであればどのよ
うな編物でも適用出来る。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）
にジャージ編み、ミシン縫い編み、メリヤス編みの例を
示した。本図では中空糸は１本で例示してあるが複数本
を構成単位で編んでもよいことはいうまでもない。

【００１４】図２はチューブ状に編まれたメリヤス編み
のものを偏平化し、それを積層して人工肺に装填される
中空糸層に至る様態を理解のために図示したものであ
る。

【００１５】図３は本発明のガス交換部分の構成を理解
を助けるために図解したものであり、図３（ａ）は酸素
及び血液の入口と出口に位置関係、ガス交換部分の容器
の長さ（Ｌ）、巾（Ｗ）及び厚み（Ｔ）を示した。図３
（ｂ）はガス交換部の断面図であり、血液の流れを示し
た。

【００１６】ガス交換部は図２に示したようなチューブ
状の編物中空糸の積層束が装填され、中空糸群は図３
（ａ）のＬ方向に並んでいる。酸素は中空系の内腔に図
３（ａ）に示すように片側（本図では右）より導入さ
れ、メリヤス編みに編まれた中空糸の内部を流れて、左
側より流出するようになっている。中空糸は図２の如く
偏平化したチューブ状編物が積層しているので、図３
（ｂ）に示すようにこれと直角に血液が導入されても血
液の流れによって中空糸が押し分けられることがなくチ
ャネリング路をつくることはない。しかも図１（ａ）、
（ｂ）又は（ｃ）のように編まれたものが何重層にもな
っているため、流れる血液は絶えず中空糸と衝突してい
くことが理解されよう。しかもメリヤス編み等であるの
で血液は中空糸に衝突して乱流を生じつつも血液の微細
流路は適格に確保されており、これが血液側の圧損を最
小にしている。

【００１７】すなわち本発明の実施によって、理想的な
乱流の惹起が可能で、かつ最も性能の低下につながる血
液のチャネリング路の生成を皆無にするわけであり、し
かも最も問題として常につきまとう血液の圧損が極小に
抑えられるという驚くべき効果を生じることを本発明者
は見出したものである。

【００１８】図３はガス交換部を説明のために図解した
ものであって、実際にはこのガス交換部の血液入口の前
に熱交換器を中空繊維束部分に密着して一体としてもよ
く、あるいは別に設けて組合わせてもよいことは勿論で
ある。図４はガス交換部と熱交換部を一体にした断面を
模式的に図示した。

【００１９】図３、図４において中空糸の偏平チューブ
の積層部分を収納する容器の、収納部分の長さ（Ｌ）、
巾（Ｗ）、厚み（Ｔ）の関係は Ｗ／Ｌ＝１／６〜３／１ の間にあり 好ましくは Ｗ／Ｌ＝１／５〜２／１ 更に好ましくは Ｗ／Ｌ＝１／２〜１／１ の間であ
る。この値が１／６未満だと中空繊維の内腔を流れる酸
素の圧損が大きくなり過ぎるし、３／１を越えると中空
繊維をポッティングするときの中空糸のポッティング材
に埋没する部分が有効部分に比して大となり好ましくな
い。

【００２０】又、厚み（Ｔ）と巾（Ｗ）の関係は Ｔ／Ｗ＝１／３〜６／１ の間にあり 好ましくは Ｔ／Ｗ＝１／２〜４／１ の間にあ
る。この値（Ｔ／Ｗ）が１／３未満だと、充分な中空糸
膜の膜面積を確保出来ず、６を越えると血液の流れによ
る圧損が大き過ぎて好ましくない。

【００２１】また、偏平化チューブ状の中空糸層の積層
枚数は１０〜２００層の間であり、更に好ましくは２０
〜１００層である。この積層枚数が１０層未満では必要
なガス交換を行う膜面積を確保出来ず、２００層を越え
ると厚みが大きくなり過ぎて血液充填量増加につながり
実用的ではない。

【００２２】本発明に用いられる中空糸膜の素材は特に
限定されるものではないが、ポリエチレン、ポリプロピ
レンのようなポリオレフィン類、ポリスルホン、セルロ
ースアセテート、ポリアクリロニトリルなどガス交換能
を有するものであれば何でも用いられることは本発明の
主旨から容易に理解出来る。

【００２３】本発明に用いられる中空糸の内径は５μｍ
〜５００μｍの間、好ましくは１０μｍ〜４００μｍ、
更に好ましくは１５μｍ〜３５０μｍの間である。内径
が５００μｍより大きいと、例えばメリヤス編みにする
とき中空糸がキンキング（折れ現象：これが生じると内
腔を遮断して酸素の流通を不能とする）を生じ、５μｍ
より小さいとキンキングの現象が生じないが、酸素の流
れの圧損が大きくなって好ましくない。

【００２４】本発明は中空糸をチューブ状に編みあげる
ため極めて均質かつ高速度にチューブ状に出来、従来の
中空糸のバンドリング、マット状への配列などの操作が
すべて省略出来、偏平化した中空糸チューブの積み上げ
も自動化可能で、積層化もヒートセット可能で従来の配
糸バンドリングのすべての工程をも省略出来、コストダ
ウン効果も顕著である。

【００２５】

【実施例】

実施例１ ポリプロピレン製の内径１２０μｍ、膜厚１１μｍの人
工肺用中空繊維よりメリヤス編み機でチューブ状のメリ
ヤスに編み出し、これを偏平にして巾７ｃｍ、長さ１２
ｃｍのシート状にし、これを８０枚重ね合わし両端をヒ
ートシールし、断面長方形の中空糸束をつくった。これ
を弁当箱状のケースに充填し図３（ａ）（ｂ）に示した
ような人工肺モデルを組立てた。この人工肺モデルは膜
面積０．６２ｍ² であった。牛血を用いての性能試験の
結果、この人工肺の血液充填量は１１１ｍｌ、血液流
１．５ｌ／ｍｉｎにおいての圧力損失は５４ｍｍＨｇ、
酸素移動は牛血のヘマトクリット値３２％で６６．２ｍ
ｌ／ｍｉｎ、炭酸ガス移動は、ガス／血液比１／１にお
いて５７．９ｍｌ／ｍｉｎであり極めて高性能で小型の
人工肺の提供を可能とすることが示された。

【００２６】実施例２ 人工肺用のポリスルホン中空糸（内径１８０μｍ、膜厚
１６μｍ）をメリヤス編み機でチューブ状に編み上げた
ものを偏平にし、これを６０枚積層して、断面長方形状
の中空糸層をつくった。中空糸層の厚みは５．５ｃｍ、
巾は７．５ｃｍ、長さは１３ｃｍであった。これを図３
（ａ）のようなケースに装填して人工肺のモデルを組立
てた。牛血を用いてこの性能試験を行った。牛血のヘマ
トクリット値は３９％であった。血液充填量を測定した
ところ１２３ｍｌであった。血液流を１．５ｍｌ／分に
固定し、酸素移動量と炭酸ガス移動量を常法で測定した
ところ、それぞれ６９．２ｍｌ／ｍｉｎ、６２ｍｌ／ｍ
ｉｎであった。この場合、ガス／血液比は１／１とし
た。以上の結果、極めて性能がよく、しかも血液のガス
交換部通過時の圧損も少ないことが示された。

【００２７】

【発明の効果】中空糸膜をガス交換膜に用いる人工肺に
おいては中空糸をチューブ状の編物とし、これを偏平化
して積み重ねた多重層として集積したものをガス交換容
器中に配設し、この偏平チューブの長さ方向に対して直
角に血液を流すことによって、乱流を惹起させ、その上
血液によって中空糸を押し分けてチャネリング流路を形
成することもないので極めて品質の均一な高性能の人工
肺を提供出来るものであり、しかも編まれた中空糸の間
に適度の間隙が極めて均質に確保されているので血液の
流れに伴う圧損も少なく好ましいバランスのとれた高性
能の人工肺の提供を可能にするものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 中空糸編物の例 （ａ） ジャージ編み （ｂ） ミシン縫い編み （ｃ） メリヤス編み

【図２】 チューブ状に編んだメリヤス編みのものを偏
平化し、それを積層にして人工肺に装填される中空糸層
に至る様態。

【図３】 ガス交換部 （ａ） 斜視図 （ｂ） 断面図

【図４】 熱交換部とガス交換部を一体化した断面図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空糸膜を炭酸ガス−酸素交換膜として
   用いる中空糸膜型人工肺であって、ガス交換膜である中
   空糸膜部分が、チューブ状に編んだ中空糸編物で構成さ
   れ、このチューブ状中空糸編物を偏平にし、これを複数
   枚積み重ねて多重層として中空糸膜部分を形成させたこ
   とを特徴とする中空糸膜型人工肺。