JPS60249969A - 中空繊維膜型人工肺 - 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】 ■１発明の背景 技術分野 本発明は、中空繊維膜型人工肺に関する。

先行技術 一般に心臓手術等において、患者の血液を体外に導き、
これに酸素を添加するために、体外循環回路内に中空繊
維膜型人工肺が用いられている。

このような人工肺において使用される中空繊維膜として
は、均質膜と多孔質膜の２種類がある。

均質膜はシリコーン膜を用いるので、強度的に膜厚を１
ＯＯ−以下にすることができず、このためガス透過に限
界があり、特に炭酸ガスの透過が悪い。　また数万本末
ねたときに装置が大型化しプライミング量の増大をきた
し、また、加工性が悪くコストが高いという欠点がある
。

一方、多孔質膜は、膜の有する微細孔が透過すべき気体
分子に比べて著しく大きいため、体積流として細孔を通
過する。　例えば、マイクロポーラスポリプロピレン膜
等の多孔質膜を使用した人工肺が種々提案されている。

しかしながら、多孔質膜は水蒸気の透過性が高いので結
露水によって性能が低下するだけでなく、長期間血液を
循環させて使用すると、血漿が漏出する場合があった。

このような多孔質膜の諸欠点を解消するために、直径１
０ミクロン以下の貫通した微細孔を有する側壁をもつ中
空繊維基体の側壁に、メチルハイドロジエンポリシロキ
サンの非通気性の薄膜を形成させてなる中空繊維が提案
されている（特公昭５４−１７０５２号）。

しかしながら、このような中空繊維は、中空繊維基体の
微細孔内だけでなく、該中空繊維基体の内外両表面にも
メチルハイドロジエンポリシロキサンの被膜が形成され
るために、その分だけ中空Ｈ＆維基体の中空内径が小さ
くなるので交換能力が低下するだけでなく、またその分
だけ微細孔内に充填されるメチルハイドロジエンポリシ
ロキサンの量（充填厚み）が増大するので、酸素、炭酸
ガス等のガス透過率が低いという欠点があった。

また、前記中空繊維はアクアラング等には使用し得ても
、人工肺として長時間使用すると、血漿が漏出し始める
という欠点があった。

このような欠点をさらに改良するために、本出願人は中
空繊維膜の微細孔を有する側壁にはシリコーンオイル層
を形成させることなく、微細孔内のみをシリコーンオイ
ルで閉塞してなる中空繊維−シリコーン膜複合人工肺を
提案している（特願昭５８−９２３２５号）。

この提案の場合は、人工肺のモジュールを組立てたのち
シリコーンオイルの溶液を中空繊維に含浸させ、ついで
このシリコーンオイルを除去し、シリコーンオイルの溶
媒と非溶媒との混合物を流して中空Ｈ＆維基体壁面に付
着したシリコーンオイルを除去し、微細孔内のみをシリ
コーンオイルで閉塞しようとするものである。

これによれば、血漿漏出量は改善されるが、シリコーン
オイルが血液中に流出することがあった。　これら欠点
が改善される旨を提案している。

ＩＩ　、発明の目的 本発明の目的は、多孔質中空糸基材の微細孔をシリコー
ンゴムまたはシリコーンオイルとシリコーンゴムとの混
合物で閉塞する場合において、ｃｏ２除去能、血漿漏出
量等の点で最適の特性を得る中空繊維膜型人工肺を提供
することにある。

このような目的は、下記の本発明によって達成される。

すなわち本発明は、 ハウジングと、該ハウジング内に挿入された多数のガス
交換用中空繊維膜からなる中空繊維束と、該中空ｍ離脱
の外表面と前記／＼つ′ジング内面とにより形成される
第１の流体室と、該第１の流体室に連通する第１の流体
流入口および流出口と、前記中空繊維膜の各端部をそれ
ぞれ支持する隔壁と、前記中空ｌＩｉ維膜離脱部空間に
連通ずる第２の流体流入口および流出口とよりなる人工
肺において。

前記中空繊維膜が、内径１００〜１０００−１肉厚５〜
２００−で、空孔率２０〜８０％にて、乎均孔径０．Ｏ
１〜５−の微細孔を有する多孔質中空糸を基材とし、該
微細孔がシリコーンゴム、またはシリコーンオイルとシ
リコーンゴムとを含むシリコーン混合物によって閉塞さ
れており、 中空繊維の長さをＬ、外径を′ＤＯ１内径をＤｌ、微細
孔の空孔率をＰ、シリコーン混合物の比重をｄとしたと
き、中空ａｍ膜中のシリコーン混合物重量ｓｗが、 であることを特徴とする中空膜型人工肺である。

また、その実施態様は下記のとおりである。

１）本発明において前記シリコーンゴムが常温硬化型シ
リコーンゴムであること。

■）本発明または上記１）において前記シリコーンオイ
ルがジメチルシリコーンオイルまたｔ±メチルフェニル
シリコーンオイルであること。

ｉｎ）本発明または上記１）もしくはｎ）におｌ、）て
前記シリコーンオイルとシリコーンゴムとを含むシリコ
ーン混合物が、シリコーンオイルとシリコーンゴムとが
２＝８〜８：２の割合で混合されたものであること。

■１発明の具体的構成 以下、本発明の具体的構成について詳細に説明する。

第１図は、本発明の中空繊維膜型人工肺の全体図を示す
。

すなわち、第１図に示すように１本発明による人工肺は
、人工肺１０を構成する筒状ハウジング１１の内部空間
には、中空繊維膜１２の繊維束１３が収納されている。

中空＃Ｉｒａ膜１２の両端部は、隔壁１４．１５を介し
てハウジング１１に液密に保持されている。

ハウジング１１の両端部には、ヘッダー１６．１７がハ
ウジング１１に螺合される力Ａ　−１８によって固着さ
れている。

ヘッダー１６の内面と隔壁１４とは、中空繊＃Ｉ膜１２
の内部空間に連通ずる第２の流体流入室としての血液流
入室１９を画成し、ヘッダー１６には、第２の流体流入
目としての加液流入口２０が形成されている。

ヘッダー１７の内面と隔壁１５とは、中空繊維膜１２の
内部空間に連通ずる第２の流体流出室としての血液流出
室２１を画成し、ヘッダー１７には、第２の流体流出口
としての血液流出口２２が形成されている。

また、隔壁１４，１５、ハウジング１１の内壁および中
空繊維膜１２の外壁とは、第１の流体室としてのガス室
２３が形成され、ハウジング１１の両端側には、それぞ
れガス室２３に連通ずる第１の流体流入口としてのガス
流入口２４および第１の流体流出口としてのガス流出口
２５が形成されている。

なお、ハウジング１１の内壁中央部には、繊維束１３の
外形を縮径する絞り用拘束部２６を設けることが好まし
い。　その結果、第２図に示すように軸方向の中央にお
いて絞り込まれ、絞り部が形成される。

拘束部を設けると、中空繊維膜１２の充填率は、軸方向
に沿う各部において異なり、中央部分において最も高く
なる。

隔壁１４．１５は、中空繊維膜１２の内部と外部とを隔
離するという重要−機能をはだすものである。

通常、この隔壁１４．１５は、極性の高い高分子ボッテ
ィング剤、例えばポリウレタン、シリコーン、エポキシ
樹脂等をハウジング１１の両端内壁面に遠心注入法を利
用して流し込み、硬化させることにより作られる。

さらに詳述すれば、まずハウジング１１の長さより長い
多数の中空繊維膜１２を用意し、この両開口端を粘度の
高い樹脂によって目止めした後、ハウジング１１内に並
べて位置せしめる。

この後、カバーで各両端を完全に覆って、ハウジング１
１の中心軸を中心にそのハウジング１１を回転させなが
ら両端部から高分子ボッティング剤を流入したのち硬化
し、さらにカバーを外したのち硬化したポツティング剤
の外側面部を鋭利な刃物で切断して、中空繊維膜１２の
両開口端を表面に露出させることにより形成される。

しかして、前記人工肺に使用される中空繊維膜は、第２
図に示すように、貫通した微細孔３１を有する側壁３２
をもつ多孔性中空繊維基体３３の壁面３４に、実質的に
シリコーン層を形成させることなく、側壁３２の微細孔
３１内をシリコーンゴム、またはシリコーンゴムとシリ
コーンオイルとを含むシリコーン混合物３５で閉塞して
なる中空繊維膜型ガス交換膜である。

この中空繊維膜に使用される多孔性中空繊維基体として
は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフロロ
エチレン、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリ
エチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート
。

ポリカーボネート、ポリウレタン、ナイロン−６，６、
ナイロン−６、セルロースアセテート等があり、好まし
くはポリオレフィンであり、特に好ましくはポリプロピ
レンである。

この中空繊維基体を用いて製造されたガス交換膜を使用
する人工肺としての実用可能な性能を得るためには、膜
厚および空孔率に自ずと制限を生じる。　一般に膜を介
しての気体の透過量ｑは、次式で表わされる。

ｑ＝ＰＸ△　ｐＸＡ／文 （ただし、式中、Ｐはガス透過係数、Δｐは透過気体の
圧力差、Ａは膜面積、文は肉厚である。） 本発明の中空繊維膜は、気体の透過する部分がシリコー
ン混合物で閉塞された微細孔であるため、実質膜面積は
多孔質膜と比較して非常に小さくなる。

これを補うためには前記式から明らかなように肉厚を薄
くする必要がある。

このため、本発明において中空繊維膜の肉厚文の範囲は
５〜２００Ｍ、好ましくは１０〜５０−である。

中空繊維膜の内径は１００〜１０００４、好ましくは１
００〜３００−であり、空孔率の範囲は２０〜８０％、
好ましくは４０〜８０％である。　微細孔の平均孔径は
０．０１〜５−１好ましくは０．０１−１−である。

内径が１００−未満となると、圧力損失が高くなって血
液損傷の原因となり、また中空糸閉塞の危険性が増す。

また、１０００−をこえると、性能、特に酸素加能が低
下し、またブライミング量も増大する。

空孔率が２０％未満となると、実質膜面積が低下して、
ガス交換性能が悪くなる。

また８０％をこえると、中空糸基材の強度が低下する。

微細孔の平均孔径は、公知の水銀圧入法、または電子顕
微鏡法に従い算出されるが、０．０１−未満では、シリ
コーン溶液を細孔に均一に導入できない。

また、５−をこえると、細孔を閉塞したシリコーンゴム
またはシリコーンオイルとシリコーンゴムとの混合物の
強度が低く、血液中に流出する危険性がある。

本発明による人工肺は、前記中空繊維膜を人工肺のモジ
ュールに組み込んでからシリコーンゴムまたはシリコー
ン混合物の溶液を流通させて充分含浸させ、ついでガス
を流通させ、また必要に応じ加熱架橋させ、さらに溶媒
と非溶媒との混合物を中空繊維の少なくとも内面に流通
させることによって製造される。

使用されるシリコーンゴムは室温硬化型（ＲＴＶ）であ
る。　そしてｌ液型、２液型いずれのものでもよい、　
２液型としては、原料モノマーないしオイルにビニル基
および／または水素を含み、混合後Ｃ−Ｈ間で架橋して
なる２次元ポリマーの固形状のゴムである。

例えば、２液型のＲＴＶシリコーンゴムとしては、ビニ
ルメチルシロキサンとメチルハイドロジエンシロキサン
の重合体が好ましい。

なお、これらの硬化架橋に際しては、白金族金属の単体
、酸化物、化合物等、例えば塩化白金酸などが用いられ
ている。

また、その硬化温度２０℃〜３０℃以上である。

本発明においては、シリコーンゴムのミラ用いてもよい
。

しかし、シリコーンゴムのみでは液状態時の粘度が高く
中空繊維内部への流入が困難な場合がある。

このため、シリコーンゴムとシリコーンオイルを併用す
ることが好ましい。

本発明において用いられるシリコーンオイルは、シロキ
サン結合を持っている液状物質であり、例えば、ジメチ
ルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル
、メチルクロロフェニルシリコーンオイル、分岐状ジメ
チルシリコーンオイル、メチルハイドロジエンシリコー
ンオイル等があり、好ましくはジメチルシリコーンオイ
ルおよびメチルフェニルシリコーンオイル、最も好まし
くはジメチルシリコーンオイルである。

、７１Ｊコ一ン混合物中でのシリコーンゴム（固形分）
とシリコーンオイル（液成分）との比は１重量比で２：
８〜８：２であり、好ましくは４：６程度である。

シリコーンゴムが８以上であると溶液の粘度が上昇して
、中空繊維膜基体壁面に付着したシリコーンの除去が困
難であり、シリコーンゴムが２以下であると混合された
シリコーンオイルが血液中に流出する可能性がある。

このシリコーンゴムまたはシリコーン混合物は、通常２
０〜８０重量％、好ましくは３０〜６０重量％の溶液と
して使用される。

また、その溶媒としては、ベンゼン、トルエン、キシレ
ン、ヘキサン、ジクロルメタン、メチルエチルケトン、
ジクロルエタン、酢酸エチル、トリフロルトリクロルエ
タン（フレオン）等がある。

中空繊維基体壁面に付着したシリコーン混合物を実質的
に除去する液体（洗浄液）は、前記溶媒では含浸させた
シリコーンが溶出してしまうため、シリコーンが溶解し
ない溶媒（アルコール系）と前記溶媒の混合溶媒を用い
る。

たとえば、トルエンとプロピレングリコール、トルエン
とジプロピレングリコール、ジクロルメタンとジエチレ
ングリコール、ジクロルエタンとエチレングリコール、
メチルエチルケトンとエチレングリコール等の混合液が
用いられる。

また、前記溶媒と非溶媒との混合物中の溶媒の濃度は０
．５〜１０マ０１％である。０．５％以下では、中空内
壁に付着したシリコーンゴムとシリコーンオイルを完全
に除去できない場合があり、また１０％以上では、微細
孔を閉塞しているシリコーンゴムとシリコーンオイルが
流出し、閉塞を維持できない場合がある。

特に好ましい範囲は、用いられる溶媒の組み合せによっ
ても相違するが、２〜６％が好適といえる。

ここでシリコーンゴム、またはシリコーン混合物を実質
的に除去するとは、中空繊維膜内壁に付着したシリコー
ンゴムとシリコーンオイルの層を５００Å以下の厚みと
するという意味であり、５００Å以下にすれば気体透過
には実質的に影響を与えないし、後に述べるように００
２の充分な透過が確保されるからである。

また、微細孔は、全てが、完全にシリコーンゴム化合物
で閉塞されていなくてもよい。

実質的に閉塞されているとは、９０％以上の微細孔が閉
塞している状態である。

なお、好ましくは９５％以上の微細孔が閉塞しているこ
とが好ましい。

このように構成される人工肺における中空繊維膜が、ガ
ス交換膜として長時間循環しても血漿の漏出がほとんど
なく、また炭酸ガス除去能も実用的に十分であるために
は、中空繊維膜中に含浸される、シリコーン混合物の重
量ＳＷ（ｇ）と、基材である多孔質中空繊維の諸サイズ
との間に次の関係式が成立する必要がある。

すなわち式、 である。

この場合、各記号は下記のとおりである。

Ｄｏ　＝中空繊維膜内径（０，０１〜０．１Ｃｍ） Ｄｌ　＝Ｄｏ　＋２文：中空繊維膜外径（０，０１１−
０，１４ｃ＋＊） Ｌ：中空Ｎ＆維膜長（好ましくは５〜３０ｃＩＩ）Ｐ：
空孔率（２０〜８０％） ｄ：シリコーンゴムまたはシリコーン混合物比重（通常
０．８〜１．２） ｄ（以下Ｗ）は、中空繊維膜の計算上の全微細孔が、シ
リコーンで充填しているとした場合のシリコーン膜の全
重量を示す頃であって、この全重量の３０％から９０％
の範囲の数値となるように実際°に充填するシリコーン
混合物の重量を制御するものである。　そして、Ｓｗが
０．３ｗ未満となると血漿水漏出量が急激に増大して実
用に耐えなくなる。

マタ、ｓｗがｏ、９ｗをこえると、ｃｏ２除去能が急激
に減少して実用に耐えない。

そして、シリコーンゴムまたは混合物の充填量の制御は
、シリコーンゴムまたはシリコーン混合物の溶液濃度、
洗浄液におけるシリコーンゴムやシリコーン混合物の溶
媒の混合量等によって行うことができる。

■１発明の具体的効果 本発明によれば、炭酸ガス除去能が生体管理上問題にな
る程には低下しない範囲で、長時間使用しても１漿流出
量の増大が実質的にはない中空繊維膜型人工肺を得るこ
とができるので、シリコーン膜を使用した均質膜型人工
肺より装置を小型化することができ、ガス交換効率のよ
い、低コストの加工性の良い人工肺を得ることができ、
しかも多孔質Ｍ型人工肺より、長時間循環しても血漿の
流出の少ない人工肺を得ることができる。

本発明者らは、本発明の効果を確認するため種々実験を
行った。

以下にその一例を示す。

実験例 外径り、　２５０ｐ＋ａ、内径００２００．、空孔率Ｐ
ｊ５％、長さＬ１３ｃｍのポリプロピレン中空繊維を用
いて、膜面積１．６ｒｎ’の第１図に示される人工肺を
作製し常温硬化型シリコーンゴムおよびシリコーンオイ
ルを溶液状態で含浸させ硬化させた。

モジュールＢ、Ｃは本発明の範囲のものである。

モジュールＡ、Ｄとしては比較のためのＳＷ／Ｗ０．２
のものと、０のものを作製した。

これらのシリコーン混合物含浸量とＳＷ／Ｗを表１に示
す。

この４つのモジュールを用いて長時間動物実験および性
能評価を行った。　結果は第１図。

第２図に示すとおりである。

この場合、シリコーン混合物の含浸は以下のように行っ
た。

すなわち、モジュール組立後、ビニルメチルシロキサン
とメチルハイドロジエンシロ＋　９７の２液型で塩化白
金酸触媒を添加したシリコーンゴムと、ジメチルシリコ
ーンオイルのフレオン溶液に、３分間浸漬した。

こののち空気を流通させ、さらに３０％トルエン／ジプ
ロピレングリコール溶液を内外面に流通させることによ
り、実質的に微細孔内にのみシリコーンゴムとシリコー
ンオイルとのシリコーン混合物を充填した。

なお、シリコーン混合物中のシリコーンゴム量は４０ｕ
ｔ％であった。

シリコーン」ムの重量調製法としては、シリコーン混合
物の溶液濃度と下記表１に示されるように、調整して行
った。

性能評価は下記のように行った。

すなわち、各モジュールについて新鮮ヘパリン加生血を
用い、酸素飽和度６５％、炭酸ガス分圧４５　ｍ＋＊Ｈ
ｇとなる静脈血を作製し、これを被検人工肺（モジュー
ルＡ　、　Ｂ　、　Ｃ、Ｄ）に流通させて性能評価を行
なった。　ヘモグロビン含量は１２ｇ／ｄｉ、温度は３
７℃であった。

血液流量ＱＢｌ　０００ｄ／＋ｎｉｎ　／ｒｎ’、　Ｖ
／Ｑ　＝３．０のときの炭酸ガス除去能との関係を示す
と、第３図のとおりである。

さらに、雑犬を用いて静脈−動脈の部分体外循環試験を
行った。

循環時間と血漿漏出量との関係は、それぞれ第４図のと
おりであった。

第３図、第４図に示される結果から、本発明の効果があ
きらかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるホローファイバー人工肺の一例を
示す部分縦断面図、 第２図は本発明による人工肺に使用されるホローファイ
バーの拡大模式図、 第３図はＣＯ２除去能を示すグラフであり、また 第４図は静脈−動脈の部分、体外循環時間と血漿漏出量
との関係を示すグラフである。 １０・・・人工肺、　１】・・・ハウジング、１２・・
・中空繊維膜、１３・・・中空繊維束、１４．１５・・
・隔壁、２０−・・血液流入口、２１・・・血液流出口
、２３・・・ガス室、３１・・・微細孔、　３３・・・
中空繊維基体、特許出願人　チル七株式会社 代理人　弁理士　石　井　陽　−・ η１図 ↑ 第２図 檗１図 モジュール −瞥Ａ図 之 さ 扁環Ｂ守間（ｈｒ　）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ハウジングと、該ハウジング内に挿入された多数
   のガス交換用中空縁＃Ｉ膜からなる中空繊維束と、該中
   空繊維膜の外表面と前記ハウジング内面とにより形成さ
   れる第１の流体室と、該第１の流体室に連通ずる第１の
   流体流入口および流出口と、前記中空繊維膜の各端部を
   それぞれ支持する隔壁と、前記中空繊維膜の内部空間に
   連通する第２の流体流入口および流出口とよりなる人工
   肺において、 前記中空繊維膜が、内径１００〜１００〇−１肉厚５〜
   ２００−で、空孔率２０〜８０％にて、平均孔径０．０
   １〜５−の微細孔を有する多孔質中空系を基材とし、該
   微細孔がシリコーンゴム、またはシリコーンオイルとシ
   リコーンゴムとを含むシリコーン混合物によって実質的
   に閉塞されており、 中空繊維の長さをし、外径をｎｏ、内径をＤＪ、微細孔
   の空孔率をＰ、シリコーン混合物の比重をｄとしたとき
   、中空繊維膜中のシリコーン混合物重量ＳＷが、 であることを特徴とする中空繊維膜型人工肺。
2. （２）前記シリコーンゴムが常温硬化型シリコーンゴム
   である特許請求の範囲第１項に記載の中空繊維膜型人工
   肺。
3. （３）前記シリコーンオイルがジメチルシリコーンオイ
   ゛ルまたはメチルフェニルシリコーンオイルである特許
   請求の範囲第１項または第２項に記載の中空繊維膜型人
   工肺。
4. （４）前記シリコーンオイルとシリコーンゴムとを含む
   シリコーン混合物が、シリコーンオイルとシリコーンゴ
   ムとが２二８〜８：２の割合で混合されたものである特
   許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の中
   空繊維膜型人工肺。