JPS6244948B2

JPS6244948B2 -

Info

Publication number: JPS6244948B2
Application number: JP19039883A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Fukazawa; Hiroshi Hasegawa
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1983-10-12
Filing date: 1983-10-12
Publication date: 1987-09-24
Also published as: JPS59103670A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、中空糸膜を使用した中空糸型人工肺
に関する。従来、知られた人工肺は、大別して気泡型と膜
型に分類されるが、最近では、血液の損傷が少な
いことから膜型のものが推奨されている。一般
に、この膜型の人工肺は、シリコーンゴムからな
る平坦膜を用いてその平坦膜の一側面側に酸素を
供給し、他側面側に血液を供給することにより、
平坦膜を介して酸素と二酸化炭素の交換が行われ
るようになつている。しかし、この形式のもの
は、平坦膜を使用することからその装置自体が大
型化する。また、平坦膜は膜支持体との接触など
により、破損しやすく、強度的に不安なものであ
つて、その取扱にも細心の注意を払わなければな
らなかつた。本発明は、上記事情に着目してなされたもの
で、その目的とするところは、ガス交換効率の向
上を図ることができるとともに、平坦膜に比べ膜
強度が強く、コンパクトな構成でその取扱も容易
で、かつ血栓の発生が少ない中空糸型人工肺を提
供することにある。そして、上記目的を達成するものは、ハウジン
グと、該ハウジング内に並べて配列された内径約
100乃至1000μ、肉厚約10乃至50μ、空孔率約20
乃至80％を有する多孔性ポリオレフイン系樹脂製
の多数のガス交換用中空糸膜からなる中空糸束
と、上記中空糸膜の外表面と上記ハウジングの内
面との間によつて形成される酸素室と、上記ハウ
ジングに設けられた該酸素室と連通する入口およ
び出口と、上記ハウジングの端部にて上記中空糸
膜の各端部をそれぞれ支持し、該中空糸膜の開口
端を上記酸素室から隔離する隔壁と、上記中空糸
膜の内部空間に連通する血液用入口および出口
と、上記ハウジング内面または内面上に設けられ
上記中空糸束の中間部分の周囲を絞る拘束部とを
有し、さらに上記中空糸膜の血液と接触する表面
を抗血栓性材料でコーテイングした中空糸型人工
肺である。さらに、前記コーテイングは、ガス透過性に優
れた抗血栓性材料にて、肉厚１〜20μで、前記中
空糸膜の膜孔を覆うようにされていることが好ま
しい。さらに、前記ガス透過性に優れた抗血栓性
材料が、ポリアルキルスルホン、エチルセルロー
ス、ポリジメチルシロキサンのいずれかであるこ
とが好ましい。また、前記中空糸膜は、平均口径
が約200乃至1000Åであることが好ましい。さら
に、前記中空糸膜の充填率は拘束部においては約
60〜80％、その他のハウジング内では約30〜60％
であることが好ましい。さらに、前記隔壁内の中
空糸膜の充填率は約20〜40％であることが好まし
い。以下、本発明の一実施例を図面にもとずいて説
明する。図中１は、中空糸型人工肺のハウジングであ
り、このハウジング１は、筒状体２の両端部にそ
れぞれ環状の取付けカバー３，４を取り付けてな
り、このハウジング１内には、全体に広がつて多
数の、たとえば10000〜60000本のガス交換用中空
糸膜５が並列的に配置されている。そして、この
ガス交換用中空糸膜５の両端部は、取付けカバー
３，４内においてそれぞれ隔壁６，７により支持
されている。また、上記隔壁６，７は、中空糸膜
５の外周面と上記ハウジング１の内面との間によ
つて形成される酸素室８を閉塞し、かつ上記ガス
交換用中空糸膜５の内部から形成される血液流通
用空間（図示しない）と酸素室８を隔離するもの
である。なお、一方の取付けカバー３には、酸素を供給
する入口９が設けられ、他方の取付けカバー４に
は、酸素室８内の気体を排出する出口１０が設け
られている。一方、上記隔壁６，７の外面は、それぞれヘツ
ドカバー１１，１２によつてそれぞれ覆われてお
り、このヘツドカバー１１，１２の内面と上記隔
壁６，７の表面との間でそれぞれ血液の流入室１
３と流出室１４を形成している。さらに、ヘツド
カバー１１には血液の入口１５が形成されてお
り、ヘツドカバー１２には血液の出口１６が形成
されている。さらに、上記ハウジング１の筒状体２の内面に
は、軸方向の中央に位置して突出する絞り用拘束
部１７が設けられている。すなわち、拘束部１７
は上記筒状体２の内面に筒状体と一体に形成され
ていて、筒状体２内に挿通される多数の中空糸膜
５からなる中空糸束１８の外周を締め付けるよう
になつている。しかして、上記中空糸束１８は、
第１図で示すように軸方向の中央において絞り込
まれ、絞り部１９を形成している。したがつて、
中空糸膜５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つてい
る。なお、後述する理由により望ましい各部の充
填率は次のとおりである。まず、中央の絞り部１
９における充填率は約60〜80％、その他筒状体２
内では約30〜60％であり、中空糸束１８の両端、
つまり隔壁６，７の外面における充填率は、約20
〜40％である。次に、上記ガス交換用中空糸膜５と隔壁６，７
について述べておく。まず、中空糸膜５は多孔性
ポリオレフイン系樹脂、たとえばポリプロピレ
ン、ポリエチレンといつたものからなり、特に、
ポリプロピレンが好適である。この中空糸膜５は
壁の内部と外部を連通する細孔が多数存在するも
のが得られる。そして、その内径は約100〜1000
μ、肉厚は約10〜50μ平均孔径は約200〜1000
Å、かつ空孔率は約20〜80％とするものである。
したがつて、従来のシリコーン製膜のごときに気
体の移動が溶解、拡散というものとは異なり、気
体の移動が体積流として行われるため、気体の移
動における膜抵抗が少なくそのガス交換性能が著
しく高くなるものである。ところで、中空糸膜５の内部空間に血液を流し
ガス交換を行う場合には、その、内径が特に問題
となる。一般に、内径が約100μ以下になると、
流体力学的な抵抗が大きくなり、また目詰りを起
こしやすくなる。このため内径はそれ以上のもの
が望ましい。一方、内径の上限については、実験
を行い決定することができたのでここに説明す
る。肉厚約30μ、空孔率約45〜50％、平均孔径約
500〜650Åのポリプロピレンの中空糸膜の内径が
それぞれ約200μ、約300μ、約400μの３種類に
ついて血液量と酸素添加能、血液量と人工肺出口
の酸素飽和度の関係を測定したところ、その結果
が第２図と第３図で示すごとく得られた。なお、
本装置に送られる血液の人工肺入口の酸素飽和度
は約60％である。血液量と酸素添加能との関係を示す第２図の結
果によれば明らかに膜面積１m²に対する１分間の
所定の血液量について200μの内径のものが最も
よい結果を示し、内径が大きくなるに従つて悪く
なることを示している。さらに、血流量と人工肺
出口の酸素飽和度との関係を示す第３図の結果に
より、血液約４／minを処理する（通常、この
程度のものを処理する必要がある。）のに必要な
中空糸膜の膜面積およびプライミング量ならびに
コンタクトタイム〔中空糸膜の入口端と出口端の
酸素飽和度の差が35％（実際的に人工肺に要求さ
れる数値）になるための血液の中空糸膜内の必要
滞在時間〕を求めると、表１で示すようになる。

【表】この表１によれば、内径が約400μを超える
と、著しくコンタクトタイムが長くなり、また、
プライミング量、膜面積も増大する。膜面積が増
大すると、装置の規模が大きくなり、膜コストが
アツプし、また血液中の水蒸気蒸散、血液成分の
付着なとの問題が生じ、また、プライミング量が
多くなれば、患者に相当の負担をかける。以上のような結果から、中空糸膜の内部に血液
を流す場合、実際的な内径の範囲は、約100〜300
μ程度であるとみることができる。なお、中空糸膜５の膜孔についての他の要因す
なわち、肉厚、平均孔径、空孔率は、ガスの透過
および膜の強さなどから考察して上述した値に決
定したものである。さらに、本発明の人工肺では、中空糸膜５の素
材としての多孔性ポリプロピレン、ポリエチレン
といつたものを人工肺にそのまま使用するのでは
なく、血液と接触する表面を抗血栓性材料にてコ
ーテイング処理している。たとえば、ガス透過性
に優れたポリアルキルスルホン、エチルセルロー
ス、ポリジメチルシロキサンといつた材料を肉厚
１〜20μ程度にコーテイング処理する。この場
合、中空糸膜５のガス透過能に影響を及ぼさない
程度にその膜孔を覆うようにすれば、血液中の水
蒸気蒸散を防止することができる。また、この人
工肺作動中において通常血液側の圧力のほうが酸
素側のそれより高いが、何かの原因で逆転するこ
とがある。このような場合、マイクロバブル（気
泡）が血液中に流入するおそれがあるが、上述の
ように膜孔を抗血栓性材料でコーテイング処理さ
れていれば、その危険は生じない。さらに、言う
までもないが、血液の凝固（マイクロクロツトの
発生）を防ぐことにも役立つものである。次に、上記隔壁６，７の形成について述べる。
前述したように隔壁６，７は、中空糸膜５の内部
と外部を隔離するという重要な機能を果たすもの
である。通常、この隔壁６，７は、極性の高い高
分子ポツテイング剤、たとえばポリウレタン、シ
リコーン、エポキシ樹脂といつたものをハウジン
グ１の両端内壁面に遠心注入法を利用して入口１
５、出口１６側から流し込み、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１の長さより長い多数の中空糸膜５…を用
意し、この両開口端を粘度の高い樹脂によつて目
止めをした後、ハウジング１の筒状体２内に並べ
て位置せしめる。この後、取付けカバー３，４の
径以上の大きさのカバー（型）で、中空糸膜５…
の各両端を完全に覆つて、ハウジング１の中心軸
を中心にそのハウジング１を回転させながら、流
入室１３、流出室１４側から高分子ポツテイング
剤を流入する。流し終つて樹脂が硬化すれば、上
記カバーを外して樹脂の外端面部を鋭利な刃物で
切断して中空糸膜５…の両開口端を表面に露出さ
せるかくして隔壁６，７は形成されることにな
る。上述したように中空糸型人工肺は、たとえば開
心術などにおいて使用されるもので、患者の大静
脈より血液を取り出し、この血液を再び患者の大
動脈に戻す血液循環回路（図示しない）の途中に
設置される。なお血液は通常４／minの流量で
取り出される。しかして、人工肺の使用時において、血液は血
液用入口１５から流入室１３内に流入したのち流
入室１３に臨む開口端から各中空糸膜５…内に分
れて流入し、その中空糸膜５…の内部空間を流出
室１４側に向つて流れる。そして、流出室１４側
において再び集められ、血液用出口１６から流出
する。一方、酸素室８には、後述するように酸素
ガスの供給が行なわれているため、その各中空糸
膜５…を介してガス交換が行なわれる。すなわ
ち、血液中の二酸化炭素ガスが酸素室８側に移行
し、酸素室８側の酸素ガスが中空糸膜５…内の血
液に移行するのである。この場合、血液は、各中
空糸膜５…の内部空間に均一に流れ込むように規
制がなされているため、血液のチヤネリング（偏
流）は起こらない。しかし、酸素室８内の流れは
ガス流であるためガス交換用中空糸膜５…の分布
が均一でないとたちまちチヤネリングが起り、ガ
ス交換作用に支障を来たす。人工肺の場合、ガス
移動の推出力（Driving force―血液側とガス側
の分圧較差）は、酸素ガスで約680mmHg、炭酸ガ
スで約46mmHgである。したがつて、酸素室８内
でのチヤネリングは、特に炭酸ガスの移動度合に
大きく影響する。しかしながら、上記実施例では、中空糸束１８
の中央部分が拘束部１７によつて絞りこまれ両端
において拡げられているため、絞り部１９では中
空糸膜５…の充填率が大きくなるとともに、筒状
部では各中空糸膜５…が均一に分散する。したが
つて、絞り部１９を形成しない場合に比べ、酸素
ガスが均一に分散する安定した流れを形成する結
果酸素、炭酸ガスの交換効率が高まる。また、ハ
ウジング１の内断面積がその中央の絞り部１９に
おいて急激に変化するためこの部分での流速が急
激に変化し、その結果流れに乱れが起こり、ガス
の移動速度を増長する作用も生じる。なお、絞り部１９での中空糸膜５…の充填率は
約60〜80％とすることが望ましいが、この理由は
次の通りである。すなわち、充填率を約60％以下
とすると、拘束部１７によつて絞り込めない部分
が生じ、中空糸膜５…の分布が不均一になつてチ
ヤネリングを越し、性能を悪くする。さらに、中
空糸束１８を筒状体の中央に位置させるのが困難
になり、加工上の問題となる。一方、充填率を約
80％以上とすると、拘束部１７に接する中空糸膜
５…が強く押されて潰れがおき、血液が流れなく
なり、効率の低下を招くのみならずまた残血の原
因となる。さらに、加工上中空糸束１８を挿入す
る際、きつく作業がしにくくなるからである。また、筒状体２内での充填率を約30％〜60％と
したが、この理由は充填率を約30％以下とする
と、中空糸膜５…が筒状体２内で偏り、その結
果、交換効率の低下を招く。また、加工がやりに
くくなる。一方、充填率を約60％以上にすると、
中空糸膜５…同士の密着が起り、やはり性能に悪
い影響を与えるからである。また、隔壁６，７の外面における充填率は約20
〜40％としたが、この理由は約20％以下とする
と、中空糸膜５…の開口端の分布が加工上不均一
になりやすく、その結果血流分布の不均一、血栓
等の問題が起る。一方、充填率を40％以上とする
と、中空糸膜５…同士の密着が起り、隔壁６，７
の材料であるポツテイング剤が充填されない部分
が現れ、リークの原因となるからである。なお、上記実施例では拘束部１７部分のみをハ
ウジング１の内面から部分的に突き出すようにし
たが、本発明はこれに限定されず、別部材として
リング状のものを設けてもよく、また中央部の内
径を最も小さくし、両端側に大きくなるテーパ状
に形成してもよいのである。以上説明したように本発明は、ハウジング内の
酸素室に配置される多数の中空糸膜からなる中空
糸束の中間部分の周面を拘束部によつて絞り込ん
でなるから、その絞り部を中心として中空糸膜の
充填率が大きくなり、かつ各中空糸膜が均一に分
散することになる。したがつて、酸素ガスが均一
に分散する安定した流れを形成する結果酸素、炭
酸ガスの交換効率が高まる。また、絞り用拘束部
を設けたことにより、この部分での流速の急激な
変化が起こり、これによつてガスの移動を促進す
る。しかして、上記各作用により、チヤネリング
現象を防止しながら、中空糸膜全表面における均
一なガス交換を行うことができるとともに、その
ガス交換効率を高めることができる。また、絞り用拘束部で中空糸束の中央部を絞り
込み、中空糸膜を均一に分布させるため、その絞
り用拘束部を設けない場合に比べて高い製作制度
が要求されず、かつその製作が容易になる。たと
えば両端における分布が比較的不均一であつても
全体的に均一化することができる。また、本発明の中空糸型人工肺は、上述したよ
うな構成であるから、全体的にコンパクトで取扱
いが容易であり、しかも、平坦膜を使用するもの
とは異なり強度の向上を図ることができる。ま
た、本発明の人工肺では、中空糸膜の血液と接触
する表面を抗血栓性材料でコーテイングしたの
で、使用時に血栓の発生を少なくすることができ
る。さらに、コーテイングが、ガス透過性に優れた
抗血栓性材料にて、肉厚１〜20μで、前記中空糸
膜の膜孔を覆うようにされていれば、人工肺使用
時に血液中から水蒸気が蒸散するのを防止できる
とともに、使用時に何等かの原因で人工肺の血液
室側の圧力が酸素室側より高くなつても、気泡が
血液中に混入することを防止できる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すもので、第１図
はその人工肺の側断面図、第２図は中空糸膜の内
径と酸素添加能および血液量との関係を示すグラ
フ、第３図は中空糸膜の内径と人工肺出口の酸素
飽和度および血液量との関係を示すグラフであ
る。１…ハウジング、２…筒状体、３，４…取付け
カバー、５…ガス交換用中空糸膜、６，７…隔
壁、８…酸素室、９…入口、１０…出口、１１，
１２…ヘツドカバー、１３…流入室、１４…流出
室、１５…入口、１６…出口、１７…拘束部、１
８…中空糸束、１９…絞り部。

Claims

【特許請求の範囲】１ハウジングと、該ハウジング内に並べて配列
された内径約100乃至1000μ、肉厚約10乃至50
μ、空孔率約20乃至80％を有する多孔性ポリオレ
フイン系樹脂製の多数のガス交換用中空糸膜から
なる中空糸束と、上記中空糸膜の外表面と上記ハ
ウジングの内面との間によつて形成される酸素室
と、上記ハウジングに設けられた該酸素室と連通
する入口および出口と、上記ハウジングの端部に
て上記中空糸膜の各端部をそれぞれ支持し、該中
空糸膜の開口端を上記酸素室から隔離する隔壁
と、上記中空糸膜の内部空間に連通する血液用入
口および出口と、上記ハウジング内面または内面
上に設けられ上記中空糸束の中間部分の周囲を絞
る拘束部とを有し、さらに上記中空糸膜の血液と
接触する表面を抗血栓性材料でコーテイングした
ことを特徴とする中空糸型人工肺。２前記コーテイングは、ガス透過性に優れた抗
血栓性材料にて、肉厚１〜20μで、前記中空糸膜
の膜孔を覆うようにされている特許請求の範囲第
１項に記載の中空糸型人工肺。３前記ガス透過性に優れた抗血栓性材料が、ポ
リアルキルスルホン、エチルセルロース、ポリジ
メチルシロキサンのいずれかである特許請求の範
囲第２項に記載の中空糸型人工肺。４前記中空糸膜は、平均口径が約200乃至1000
Å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糸型人工肺。５前記中空糸膜の充填率は拘束部においては約
60〜80％、その他のハウジング内では約30〜60％
である特許請求の範囲第１項ないし第４項のいず
れかに記載の中空糸型人工肺。６前記隔壁内の中空糸膜の充填率は約20〜40％
である特許請求の範囲第５項に記載の中空糸型人
工肺。