JPS631861B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 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100μｍ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。また数万本束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。そして、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
いので結露水によつて性能が低下するだけなく、
長期間血液を循環させて使用すると、血漿が漏出
する場合があつた。 このような多孔質膜の諸欠点を解消するため
に、直径10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
繊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つた。 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つた。 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、人工肺のモジユールを組立
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
して中空繊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つた。 これに対し、本発明者らは先に、微細孔をシリ
コーンゴム、あるいはシリコーンゴムとシリコー
ンオイルとの混合物で閉塞する旨の提案を行つて
いる。 これによれば前記の欠点は解消する。 発明の目的 本発明の目的は、多孔質中空繊維膜基材の微細
孔を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、下記の本発明によつて達成
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
100〜1000μｍ、肉厚５〜200μｍで、空孔率20〜
80％にて、平均孔径0.01〜5μｍ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
オイルと常温硬化型シリコーンゴムとを含むシリ
コーン混合物によつて閉塞されており、 しかも、 O₂ Flux＝Ｑ／△Ｐ×Ａ ［ここに、Ｑは酸素透過量（ml／min）、△Ｐは
圧力差（mmHg）、Ａは膜面積（m²）］ が、1.0〜50ml／min・m²・mmHgであることを特
徴とする中空繊維膜型人工肺である。 そして、本発明の実施態様としては下記のもの
がある。 (i) 本発明において、 前記シリコーンオイルが、ジメチルシリコー
ンオイルまたはメチルフエニルシリコーンオイ
ルであること。 (ii) 本発明または上記(i)において、前記シリコー
ンオイルと常温硬化型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常温
硬化型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。 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、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、中空繊維膜１２の繊維束１３
が収納されている。 中空繊維膜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、ヘツダー１６，
１７がハウジング１１に螺合されるカバー１８に
よつて固着されている。 ヘツダー１６の内面と隔壁１４とは、中空繊維
膜１２の内部空間に連通する第２の流体流入室と
しての血液流入室１９を画成し、ヘツダー１６に
は、第２の流体流入口としての血液流入口２０が
形成されている。 ヘツダー１７の内面と隔壁１５とは、中空繊維
膜１２の内部空間に連通する第２の血液流出室と
しての血液流出室２１を画成し、ヘツダー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に連通する第
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な機能をはたすもので
ある。 通常、この隔壁１４，１５は、極性の高い高分
子ポツテイング剤、例ばポリウレタン、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つて目止めした後、
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つて、ハウ
ジング１１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ポツテイング
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イ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内を常温硬化型
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、
ポリブ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
はポリオレフインであり、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＝Ｐ×△ｐ×Ａ／ｌ （ただし、式中、Ｐはガス透過係数、△ｐは透過
気体の圧力差、Ａは膜面積、ｌ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ｌの
範囲は５〜200μｍ、好ましくは10〜50μｍであ
る。 中空繊維膜の内径は100〜1000μｍ、好ましく
は100〜300μｍ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0.01〜5μｍ、好ましくは0.01〜1μｍである。 内径が100μｍ未満となると、圧力損失が高く
なつ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、1000μｍをこえると、性能、特に酸素添
加能が低下し、またプ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、中空繊維膜基材の強度
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、0.01μｍ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、5μｍをこえると、細孔を閉塞した常温
硬化型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
肺のモジユールに組み込んでから、常温硬化型シ
リコーンゴムとシリコーンオイルの混合物の溶液
を流通させて充分含浸させ、ついでガスを流通さ
せ、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、さらにまた必要に応じ加熱
架橋させることによつて製造される。 使用されるシリコーンゴムは室温硬化型
（RTV）ものである。そして、いわゆる１液型、
２液型のいずれのものを用いてもよい。 ２液型のものは、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
ムが一般的である。 そして、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、このような常温硬化型シリ
コーンゴムを後述するシリコーンオイルと併用し
て用いる。これは、シリコーンゴムのみでは、液
状態時の粘度が高く、中空内部への流入等が困難
であるからである。 本発明において用いられるシリコーンオイル
は、シロキサン結合をもつ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
フエニルシリコーンオイル、メチルクロロフエニ
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
およびメチルフエニルシリコーンオイル、最も好
ましはジメチルシリコーンオイルである。 シリコーンゴムとシリコーンオイルとの混合物
中を用いた場合の、シリコーンゴム（固形分）と
シリコーンオイル（液状分）の比は、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。 このシリコーン混合物は、通常20〜80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0.5〜10vol％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
せによつても相違するが、２〜6vol％が好適とい
える。 ここでシリコーンゴムとシリコーンオイルを実
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CO₂の充分な透過が確保さ
れるからである。 また、微細孔の全てが完全にシリコーン混合物
で閉塞されていなくてもよい。 この場合、実質的に閉塞しているとは、90％以
上の微細孔が閉塞している状態である。 なお、95％以上の細孔が閉塞していることが好
ましい。 本発明の中空繊維膜型人工肺において、長時間
循環しても血漿の露出がほとんどなく、またCO₂
除去能も実用的に十分であるためには、微細孔を
有する中空繊維膜に含浸させるシリコーン混合物
溶液の濃度を制御することによりシリコーンゴム
からなる微細孔を透過する酸素流量を厳密に制御
することが必要である。 本発明の中空繊維膜型人工肺において、長時間
循環しても血漿の漏出がほとんどなく、またCO₂
除去能も実用的に十分であるためには、微細孔を
有する中空繊維膜に含浸させるシリコーン混合物
溶液の濃度を制御することにより、シリコーン混
合物からなる微細孔を透過する酸素流量を厳密に
制御することが必要である。 すなわち、酸素流量をO₂ Fluxとして下記式(2)
で示した場合に、O₂ Fluxの値が下記式(1)の範囲
にあることが必要である。 1.0（ml／min・m²・mmHg）＜O₂ Flux＜5.0（ml／
min・m²・mmHg）……(1) O₂ Flux＝Ｑ／△Ｐ×Ａ ……(2) ここで、Ｑ：酸素透過量（ml／min）、△Ｐ：
圧力差（mmHg）、Ａ：膜面積（m²）である。 この場合、O₂ Fluxは、人工肺モジユールを組
み、単位膜面積当りのガス流が300〜3000ml／
minとなるような条件で、透過量と圧力差とを実
測すればよい。 なお、O₂ Fluxが1.0ml／min・m²・mmHg未満
となると、CO₂除去能が急激に減少してしまう。 また、50ml／min・m²・mmHgをこえると、血
漿流出量が急激に増加し、実用に耐えない。 発明の具体的効果 本発明は微細孔を有する多孔質中空繊維膜に、
制御された量のシリコーン混合物を含浸させ、微
細孔におけるO₂ Fluxを厳密に制御することによ
つて長時間循環しても血漿の漏出がほとんどな
く、かつ十分なCO₂除去能を有している。 これにより本発明はシリコーン膜を使用した中
空繊維膜型人工肺より装置を小型化することがで
きガス交換効率が良くコストが低く加工性のよい
人工肺が実現する。 この場合、前記実施態様(i)〜(ii)によれば、性能
が向上し、製造が容易となる。 本発明者らは、本発明の効果を確認するために
種々の実験を行つた。 以下にその一例を示す。 実験例 １ 延伸法により軸方向に延伸されて形成された内
径200μｍ、肉厚25μｍで、平均孔径700Åの貫通、
微細孔を有するポリプロピレン製の中空繊維（空
孔率45％）を用いて第１図に示すような人工肺
（膜面積1.6m²）を製作した。 この血液の流通路に、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２液型で塩化
白金酸等の触媒添加したシリコーンゴムと、ジメ
チルシリコーンオイルとの60％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
を充填した中空繊維膜型人工肺を得た。 そしてトルエン／ジプロピレングリコール溶液
の中のトルエン濃度をかえ、下記表１に示される
モジユールＡ〜Ｅを得、下記表１に示されるO₂
ガス500ml／minでのO₂ Fluxを得た。

【表】 この人工肺について新鮮ヘパリン加牛血を用
い、酸素飽和度65％、炭酸ガス分圧45mmHgとな
る静脈血を作製し、これを被検人工肺（モジユー
ルＡ〜Ｅ）に流通させて性能評価を行なつた。ヘ
モグロビン含量は12ｇ／dl、温度は37℃であつ
た。 血液流量1000ml／min／m²、酸素流量３／
min／m²のときの炭酸ガス除去能を示すと、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
環試験を行つた。 循環時間と血漿漏出量との関係は、それぞれ第
４図のとおりであつた。 第４図から明らかなように、モジユールＥは血
漿が激しく漏出した。モジユールＣおよびＤは血
漿は漏出したが生体管理上問題になる程の量には
達せず、また増加傾向はなかつた。モジユール
Ａ・Ｂは漏出しなかつた。 また第３図に示すように、CO₂除去能におい
て、モジユールＡは実用的な性能を示さなかつ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるホローフアイバー人工肺
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アイバーの拡大模
式図、第３図は人工肺のCO₂除去能を示すグラ
フ、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、１１……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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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繊維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100〜1000μｍ、肉厚
   ５〜200μｍで、空孔率20〜80％にて、平均孔径
   0.01〜5μｍ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オイルと常温硬化型
   シリコーンゴムとを含むシリコーン混合物によつ
   て実質的に閉塞されており、 しかも、 O₂ Flux＝Ｑ／△Ｐ×Ａ ［ここに、Ｑは酸素透過量（ml／min）、△Ｐは
   圧力差（mmHg）、Ａは膜面積（m²）］ が、1.0〜50ml／min・m²・mmHgであることを特
   徴とする中空繊維膜型人工肺。 ２ 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エニルシリコーンオイル
   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 前記シリコーンオイルと常温硬化型シリコー
   ンゴムとを含むシリコーン混合物が、シリコーン
   オイルと常温硬化型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。