JPH0798061B2 - 血液処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は中空糸を利用した血液処理装置に関するもので
ある。本発明の血液処理装置は一般に人工肺、血液透析
器、血漿分離器として使用される。ここでは説明の便宜
上、人工肺として使用した場合について説明する。

（従来の技術） 人工肺は生体肺のもつ機能を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
であつて、現在気泡型人工肺と膜型人工肺が使用されて
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指摘されている。

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、気泡型人工肺に比べて血液損傷
が少ない、プライミングボリユームが小さいなどの利点
を有し、近年、気泡型人工肺に代って次第に用いられる
ようになつた。

現在開発されている膜型人工肺は、ポリオレフインなど
の疎水性高分子からなる多孔性中空糸や、シリコンなど
の気体透過性の均質中空糸を用いて、中空糸壁膜を介し
て気体と血液間でガス交換を行わせるものであり、中空
糸の内部に血液を流し、中空糸の外部にガスを流す内部
潅流型（特開昭62−106770号、同59−57661号など）
と、中空糸の内部にガスを流し、外部に血液を流す外部
潅流型（特開昭59−57963号、同60−28806号など）との
二つの方式がある。

（発明が解決しようとする課題） 内部潅流型人工肺では多数の中空糸の内部に血液を均等
に分配すれば血液のチヤンネリング（偏流）はないもの
の、中空糸の内部を流れる血液は完全な層流である。そ
のためガス交換能（単位膜面積あたりのガス移動速度）
を上げるために中空糸の内径を小さくすることが必要で
あり、現在150〜300μｍの内径を有する中空糸が開発さ
れている。

しかしながら、内径を小さくしても血液が層流状態で流
動する限りガス交換能が飛躍的に向上するものではな
い。そのため内部潅流型人工肺では成人の開心術の際に
要求される200〜300cc/minのガス交換能を達成するため
に約6m²の膜面積を必要とし大型で重く、取り扱い難
く、プライミングボリユームが大きくて患者の負担が大
きいものになつている。人工肺を小型化して、取り扱い
性を向上させるために中空糸の内径をさらに細くすると
クロツテイング（凝血による中空部の閉塞現象）が多発
する。しかもこの型の人工肺は血液流路側の抵抗が大き
いため落差潅流が適用されず、拍動流型の血液ポンプの
適用が困難である。またガスの分散供給が不充分である
場合には、炭酸ガス除去能（単位膜面積当りの炭酸ガス
移動速度）が低下するが、内部潅流型人工肺では、数千
〜数万本の中空糸に充分にガスを分散して供給すること
が困難で、多数の中空糸に充分に分散供給するためには
特別の配慮が必要である。

一方、外部潅流型人工肺ではガスの分配は良好であり、
かつ血液の流れに乱れが発生することが期待されるもの
の、血液のチヤンネリングによる酸素化不足あるいは血
液の滞留による凝血が生じ易いことが指摘されている。
また現在市販されている外部潅流型人工肺では、血液の
チヤンネリングによる酸素化不足を補うために大きな膜
面積を必要としプライミングボリユームが大きくなると
いう問題がある。そのためプライミングボリユームの大
きな人工肺を血液量の少ない患者に使用する場合には、
輸血が必要でそれに伴つて肝炎、AIDS等の感染が心配さ
れる。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは圧力損失が小さく、かつ単位面積当りのガ
ス交換能の向上が期待される外部潅流型人工肺に着目
し、その欠点である血液のチヤンネリングと血液の滞留
を簾状中空糸シートを用いて解消しようと試みた。しか
しながら、角筒状のハウジング内に簾状中空糸シートの
積層体を収容しただけでは逆に血液のチヤンネリングが
増大するとともに単位膜面積当りのガス交換能が低下す
るという問題が生じた。本発明者らは、かかる問題が以
下の原因、すなわち中空糸シートの積層体とハウジング
側壁で形成される間隙を血液がショートパスすることお
よび中空糸の外部を流れる血液の圧力損失が大きく中空
糸が血流で揺動してチャンネリングを起こすこと、によ
つて生じることを突きとめ、さらに検討した結果本発明
に到達したものである。

すなわち本発明は簾状中空糸シートの積層体を、角筒状
のハウジング内に収容して、該中空糸の両端が開口する
ようにハウジングの両端を閉塞する隔壁で支持し、かつ
該中空糸シートの積層体の両側部とハウジング側壁との
間隙を封止し、該ハウジングの上端に中空糸の外部空間
と連通する第１の流体の入口または出口を有するヘツド
カバーと、該ハウジングの下端に第１の流体の出口また
は入口を有するヘツドカバーを設け、しかも該ハウジン
グの両側端に中空糸の内部空間と連通する第２の流体の
入口と出口を設けるとともに、単位断面積当りの第１の
流体の流量が50ml/min/cm²のときの圧力損失をΔP₅₀（m
mHg）としたとき、 ΔP₅₀/T・Ｉ・ｎ≦1.0 ただしn:簾状中空糸シートの１本の横糸を形成する中空
糸の本数（本） I:積層された中空糸シートの単位厚さ当りの積層枚数
（枚/cm） Ti中空糸シートの積層厚み（cm） なる関係をもつことを特徴とする血液処理装置である。

（作 用） 本発明の血液処理装置は中空糸シートの積層体の両側部
とハウジングの側壁で形成される間隙を封止することに
より、該間隙をシヨートパスする流体の流れが防止で
き、かつ中空糸シートの積層形状を規定して中空糸の外
部を流れる流体の圧力損失を小さくすることにより中空
糸の揺動が防止できる。

（実施例） 次に本発明の血液処理装置の一実施例を図面にて説明す
る。第１図には本発明の血液処理装置の一例である人工
肺の斜視図が示されている。図面に示すように角筒状の
ハウジング１内に、簾状中空糸シートの積層体、例えば
1000〜60000本の中空糸２がハウジング１と平行に配置
されている。中空糸２の両端はハウジングの両端部で樹
脂隔壁３によつて液密に支持固定され樹脂隔壁からその
開口を露出している。同時にこの２つの隔壁３によつて
ハウジング１内に血液室7,7′を形成している。そして
ハウジングの上下面にはそれぞれ血液出口４′および入
口４が設けられている。隔壁３はガス入口６およびガス
出口６′を有するヘツドカバー５によつてそれぞれ覆わ
れている。上記ヘツドカバー5,5′と樹脂隔壁３でガス
室８が形成される。上記ガス出口６′側のヘツドカバー
は必ずしも設ける必要はない。この場合にはガスは隔壁
に埋め込まれた中空糸の端部開口から直接大気に放出さ
れる。

このような外部潅流型の人工肺において、角筒状のハウ
ジング１内に収容される簾状中空糸シートの積層体は、
例えば第２図に示すように平行に配列された１本の中空
糸または複数の中空糸の束10（以下中空糸という）を縦
糸11で簾状に形成した中空糸シートを折り畳んで積層し
ても、あるいは予め所定の形状に切断された中空糸シー
トを一枚づつ積層してもよい。中空糸シートを一枚づつ
積層する場合には隣接する中空糸シートを交互に角度を
もたせて積層することが好ましい。中空糸10を縦糸11で
簾状に形成するには縦糸で中空糸を編組しても、あるい
は縦糸を中空糸に接着してもよいが、中空糸を縦糸で編
組する方法は簾状シートの製作が容易で好ましい。中空
糸を縦糸で簾状に編組するにはどのような組み方を用い
ても構わないが、縦糸11が中空糸10の周りに編目を形成
して各中空糸を一本ずつ縦糸で固定する（例えば鎖編み
など）と中空糸のずれがなく常に隣接する中空糸間の隙
間を一定に保持することができて好ましい。

簾状に形成される中空糸はガス透過性があればよく、例
えばポリエチレン、ポリ−４−メチルペンテン−１、ポ
リプロピレンなどのポリオレフイン系樹脂や、ポリテロ
ラフロオロエチレン、ポリスルフオンなどの樹脂を素材
とした多孔質膜、あるいはシリコンゴムなどの均質膜が
用いられる。

ポリオレフイン系樹脂からなる中空糸は膜厚が薄くても
簾状に形成した際の中空糸の圧潰や変形が少なく好適で
ある。中でもポリ−４−メチルペンテン−１からなる中
空糸は気体透過係数が大きく、しかも補体活性価が低く
て、血液との親和性にも優れているので好ましい。

簾状に形成される一本の中空糸外径（Ｄ）は50〜2000
μ、膜厚は３〜500μである。外径や膜厚がこれより小
さいと簾状に形成するときに折れたり割れたりすること
があり、反対にこれより大きいと人工肺としてのコンパ
クト性が実現し難い。通常外径（Ｄ）100〜500μ、膜厚
６〜100μの中空糸が好ましく用いられる。

中空糸の有効長は通常３〜10cmである。有効長がこれよ
り小さいと人工肺の組立工程での中空糸切断ロスが大き
く、反対にこれより大きいと血液による中空糸の揺動、
中空糸の伸びによるチヤンネリングの発生等によりガス
交換効率が低下するとともに人工肺としてのコンパクト
性が実現し難い。

中空糸は１本または複数本の中空糸の束を一単位の横糸
として簾状に形成される。複数本の中空糸の束を簾状に
形成する場合には35本以下、好ましくは24本以下の中空
糸の束が用いられる。35本以上の中空糸の束では各中空
糸が血液と十分に接触できなくなり、ガス交換効率が低
下する恐れがあつて好ましくない。通常は１本の中空糸
を横糸として簾状のシートが形成される。この場合には
各中空糸の表面積がほぼ100％がガス交換に活用される
だけでなく、縦横の糸によつて形成されるほぼ四角の小
さい均一なスリツトによつて微少な単位で血液の分割、
混合が極めて効率よく行われるためか、小さい膜面積で
予想外に高いガス交換能が達成でき、圧力損失も小さ
い。

中空糸を簾状に形成する縦糸は特に限定されないが、例
えばポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリアク
リルニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレンポリアリ
レート、ポリビニルアルコールなどのように細くても強
度の強い糸が用いられる。なかでもマルチフイラメント
よりなる10〜150デニール、好ましくは25〜75デニール
のポリエステルやポリアミドのヤーンは適度な柔らかさ
と機械的強度を兼ね備えているため、簾状に加工する際
に中空糸を傷つけることがなく好ましく用いられる。

人工肺などの医療用途に用いる際には、人体への悪影響
を考慮して、縦糸への油剤の使用はできるだけ避けるべ
きであるが、簾状に形成する際などにやむを得ず使用す
る場合には、安全性が確認されているもの、もしくは洗
浄除去が可能な油剤を用いる必要がある。

上記簾状に形成された中空糸シートを所定の枚数に積層
し、積層体の形状が保持されればそのままで、積層体の
形状保持が困難であれば積層体の上下面のどちらか一面
に、多孔板状体などの積層体の形状保持手段を設けた
後、角筒状のハウジング内に収容される。しかしハウジ
ング内に収容された中空糸シートの積層体とハウジング
の側壁に間隙が形成されると、血液がこの間隙を流れて
シヨートパスし、ガス交換能が低下する。このため、第
１図に示すように間隙９にポリウレタン、シリコーン、
エポキシ樹脂等を充填して封止するか、あるいは積層体
の両側に熱可塑性樹脂フイルム等を貼着し、このフイル
ムをハウジング側壁に固定して間隙を封止する。中空糸
シートの積層体を収容したハウジングは中空糸の両開口
端を粘度の高い樹脂で目詰めした後、または中空糸の両
開口端をヒートシールや圧潰により閉塞した後、遠心接
着機に装着される。そしてハウジングの両端部にポリウ
レタン、シリコーン、エポキシ樹脂等を注入して所定の
硬化を行つた後樹脂の外端部を切断して中空糸の両端を
開口させる。

上記中空糸の積層体とハウジング側壁で形成される間隙
９を封止すると該間隙を流れる血液のチヤンネリングは
防ぐことができるが、血液圧によつて中空糸が揺動する
と中空糸の積層体内で血液のチヤンネリングが発生す
る。かかる積層体内での血液のチヤンネリングを防止す
るため血液が接触する中空糸の有効長（Ｌ）と一枚の中
空糸シートの幅（Ｄ）の比が小さいことが望ましい。通
常この比（L/D）は2.0以下である。しかし、L/Dが小さ
ければ中空糸の揺動が完全に防止されるわけではない。
本発明者らは中空糸の揺動防止のための最適なパラメー
タを種々検討した結果、かかる中空糸の揺動は、中空糸
シートの積層厚みＴ（cm）、単位厚さ当りの積層枚数Ｉ
（枚/cm）、簾状中空糸シートの１本の横糸を形成する
中空糸の本数ｎ（本）、断面積1cm²当りの血液流量が50
ml/minの時の圧力損失ΔP₅₀（mmHg）との間に密接な関
係があることを見出した。すなわち、Ｔおよび／または
Ｉが増加するにつれて人工肺のガス交換能は明らかに向
上するが、同時に血液側の圧力損失も増加する。さらに
血液側の圧力損失が増加すると、中空糸の揺動が起こ
り、ガス交換能が低下する。したがつて中空糸の揺動を
防止してガス交換能の高い人工肺を実現するためには、 ΔP₅₀/T・Ｉ・ｎ≦1.0 の関係をもたせる必要がある。

ΔP₅₀/T・Ｉ・ｎがこの範囲より大きいと、中空糸にか
かる抵抗が大きすぎて、中空糸の伸びによるチヤンネリ
ングや血流による揺動が起る。

本発明において中空糸シートの積層体は、さらにその厚
みＴ（cm）が0.5≦Ｔ≦12.0であることが好ましい。中
空糸シート積層体の厚みは特に圧力損失と関係するが、
これ以上の厚みでは圧力損失が大きくなりすぎて、拍動
流型ポンプの利用の際に問題になる。またこれ以下では
装置が薄い平板状になりすぎて、プライミング時のエア
ー抜き、人工心肺装置との配置、接続性などの面で取扱
が面倒になる。

簾状中空糸シートの縦糸の密度Ｗ（本/cm）は、高いガ
ス交換能を有し、かつ滞留やチヤンネリングを生じる事
のない、低圧力損失、低プライミングボリユームの人工
肺を再現性良く与えるために 0.2≦Ｗ≦4.0 であることが好ましい。

すなわち縦糸の密度Ｗが0.2よりも小さいときには、縦
糸間に納まる中空糸の長さが長いために、その間で中空
糸のたるみが起こり易い。その結果、横糸である中空糸
を実質上一定の間隔で平行に配列するよう規制すること
が困難となり、中空糸の分布密度が不均一になり人工肺
として利用する際に血液が中空糸のたるみの多い疎なと
ころを多く流れて、高いガス交換能が達成できない恐れ
がある。

密度Ｗが4.0よりも大きいときには、中空糸は極めて均
一な間隔で平行に規制され、その結果として中空糸間の
間隙を流れる血液流量は均一化される。しかしながら縦
糸の密度が大きくなるにつれて、縦糸と中空糸の接触面
積が増加し、中空糸膜と血液との接触面積（有効膜面
積）が減少するほか、縦糸と中空糸の接触部分（織り
目）は血液が流れにくいため、ガス交換能の低下と圧力
損失の上昇が起こる恐れがある。

さらに横糸である中空糸の長手方向の単位長さあたりの
糸密度Ｆ（本/cm）、積層された中空糸シートの単位厚
さあたりの積層枚数Ｉ（枚/cm）は本発明者らの実験に
よればＦおよび／またはＩが増加するにつれて、人工肺
のガス交換能は明らかに向上するが、同時に血液側の圧
力損失も増加する。したがつて低圧力損失で高いガス交
換率の人工肺を実現するためには、 10⁸/（3.0×Ｄ）^２≦Ｆ×Ｉ＜10⁸/（0.93×Ｄ）^２ の関係が存在していることが好ましい。

Ｆ×Ｉがこの範囲より小さいとガス交換能が低く、また
Ｆ×Ｉがこれ以上だと圧力損失が大きい。なおこの式で
Ｄは、簾状シートの横糸として１本ずつの中空糸を用い
るときは使用される中空糸の外径（μ）、複数本の中空
糸の束を用いる場合には、所定の本数の中空糸が圧潰し
ないように細密に充填した円筒の外径（μ）を表す。

本発明装置を人工肺として使用する場合にはハウジング
内に形成された血液入口室または血液出口室に熱交換用
のステンレスやアルミニウムなどの金属等のパイプを組
み込んで人工肺と熱交換器を一体化してもよい。

本発明の血液処理装置は上述の人工肺にとどまらず、そ
の他の血液処理においても使用される。例えば、その一
つとして中空糸を介して血液と透析液との間で物質移動
を行わせる血液透析に使用される。この場合、血液は中
空糸の内部または外部のどちらに流してもよいが、通常
中空糸内部に流すことが好ましい。また、血漿分離、血
液中に含まれる特定の物質を分離する血液濾過、あるい
は血液濃縮などにも使用される。これらの場合、血液は
中空糸の内部または外部のどちらを流してもよい。

本発明者らは、本発明装置の効果を確認するため以下に
示す種々の実験を行った。

実験例１ 外径260μ、内径210μのポリ−４メチルペンテン−１か
らなる中空糸を１本づつ長さ方向の密度（Ｆ）が22本/c
mとなるように配列して、縦糸として30デニール（12フ
イラメント）のポリエステル糸を用いて密度（Ｗ）が１
本/cmとなるように中空糸を簾状に偏組した中空糸シー
トを形成した。この中空糸シートを単位厚さ当りの積層
枚数（Ｉ）が36枚/cm、幅が4cmとなるように折り畳んで
厚さ（Ｔ）3cmに積層した。この積層体のＦ×Ｉは792で
あり、中空糸の長効長は4cm、有効膜面積は0.22m²であ
った。この積層体を角筒状のハウジング内に収容し、中
空糸の両端をポリウレタン樹脂の隔壁でハウジングに液
密に接着し、かつ、中空糸シートの積層体の両側とハウ
ジングの側壁に形成された間隙９に樹脂を充填して第１
図に示す人工肺を作製した。

上記人工肺を37℃に加温された牛血を用いて、酸素と血
液の流量比が1.0になるように血液と純酸素を流し、人
工肺性能評価基準案（日本人工臓器協会）に従って試験
した結果最大血液流量は5500（ml/min/m²）、圧力損失
は45（mmHg）でΔP₅₀/T・Ｉ・ｎは0.278であつた。

実験例２ 実験例１と同一の中空糸シートを用いて積層厚さ（Ｔ）
を変えた４種類の人工肺を作製し、実験例１と同一の試
験を行つた結果を表−１に示す。その時の中空糸の有効
長は10cm、積層体の幅は5cmであつた。

なお、以下の評価において最大血液流量が2000（ml/分/
m²）以下、または血液流量が１／分のときの圧力損失
が300（mmHg）以上は実用上問題があり、本発明の範囲
外とし右端に※を記した。

実験例３ 縦糸の密度（Ｗ）を変えた４種類の中空糸シートを作製
して、実験例１と同様に積層厚みＴが3cm、膜面積0.22m
²の積層体を形成して、実験例１と同様の人工肺を作成
した。上記人工肺を用いて実験例１と同一の試験を行っ
た結果を表−２に示す。

実験例４ 実験例１と同一の中空糸を用い、該中空糸の長さ方向の
密度（Ｆ）を変えて配列して実験例１と同様に縦糸密度
（Ｗ）が１本/cmとなるように簾状に偏組した中空糸シ
ートを形成し、そして該中空糸シートの単位厚さ当りの
積層枚数Ｉを変えて積層厚みＴが4cmの積層体を形成し
て、実験例１と同様の人工肺を作成した。そして実験例
１と同一の試験を行った結果を表−３に示す。

実験例５ 実験例１に示された中空糸を複数本束ね、かつ中空糸束
の配列を変えて、実験例１と同様に縦糸で偏組した中空
糸シートを作成した。そして積層厚み当りの積層枚数Ｉ
を変えて厚さ3cmの積層体を得た。この積層体を用いて
実験例１と同様の人工肺を作製し同様の試験を行つた結
果を表−４に示す。

実験例６ 中空糸として、外径360μ、内径280μ、空孔率約50％の
ポリプロピレン多孔性中空糸を１本づつ縦糸で偏組した
中空糸シートの積層体を用い、表−６に示すように各パ
ラメータを変えた実験例１と同様な４種類の人工肺を作
製し、実施例１と同様な試験を行つた結果を表−５に示
す。

（発明の効果） 以上のように本発明の血液処理装置は、中空糸シートの
積層体の両側部とハウジングの側壁で形成される間隙を
ショートパスする流体の流れが防止でき、かつ中空糸の
外部を流れる流体の圧力損失を小さくすることにより中
空糸の揺動を防止できる。本発明の血液処理装置は、特
に人工肺として使用した場合、中空糸を介しての単位面
積当りの酸素および炭酸ガスの交換量が大きく、血液の
チャンネリングや滞留部の発生はほとんどなく、人工肺
として優れた性能が発揮できる。また、容易に作製でき
るため安価で、かつコンパクトなため体外への血液運搬
量が少なくなり、患者の負担を軽減するという利点を有
している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の流体処理装置斜視図であり、第２図は
中空糸シートの積層方法を示す斜視図である。 １……角筒状ハウジング ２……中空糸 ３……樹脂隔壁 ４……血液入口 ４′……血液出口 ５……ヘツドカバー ６……ガス入口 ６′……ガス出口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三垣 孝夫 岡山県倉敷市酒津1621番地 株式会社クラ レ内 (56)参考文献 特開 平２−86817（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−51210（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−28966（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−34248（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】簾状中空糸シートの積層体を、角筒状のハ
   ウジング内に収容して、該中空糸の両端が開口するよう
   にハウジングの両端を閉塞する隔壁で支持し、かつ該中
   空糸シートの積層体の両側部とハウジング側壁との間隙
   を封止し、該ハウジングの上端に中空糸の外部空間と連
   通する第１の流体の入口または出口を有するヘッドカバ
   ーと、該ハウジングの下端に第１の流体の出口または入
   口を有するヘッドカバーを設け、しかも該ハウジングの
   両側端に中空糸の内部空間と連通する第２の流体の入口
   と出口を設けるとともに、単位断面積当りの第１の流体
   の流量が50ml/min/cm²のときの圧力損失をΔP₅₀（mmH
   g）としたとき、 ΔP₅₀/T・Ｉ・ｎ≦1.0 ただしn:簾状中空糸シートの１本の横糸を形成する中空
   糸の本数（本） I:積層された中空糸シートの単位厚さ当りの積層枚数
   （枚/cm） T:中空糸シートの積層厚み（cm） なる関係をもつことを特徴とする血液処理装置。
2. 【請求項２】人工肺として使用される請求項１記載の血
   液処理装置。