KR20070083967A

KR20070083967A - Ｍｅｃｓ 투석기

Info

Publication number: KR20070083967A
Application number: KR1020077010150A
Authority: KR
Inventors: 데비드 엠. 브라우닝; 제임스 알. 커티스; 고란 나데즈다 조바노빅; 브라이언 케빈 폴; 선다 아트레
Original assignee: 더 스테이트 오브 오레곤 액팅 바이 앤드 쓰루 더 스테이트 보드 오브 하이어 에쥬케이션 온 비해프 오브 오레곤 스테이트 유니버시티; 홈 다이얼리시스 플러스, 리미티드
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2007-08-24
Also published as: US20140069861A1; US20120223015A1; WO2006042079A1; CA2583360A1; EP1804959B1; CN101084054B; JP2008515551A; CA2583360C; ES2458140T3; US20080093298A1; CN101084054A; US8419945B2; EP1804959A1; US8128822B2; AU2005294236A1; EP1804959A4

Abstract

본 발명은 혈액투석에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 본 발명의 실시예들에 따라서 제공된 마이크로채널 분리(separation)를 이용하여 투석막을 통한 물질 이동(mass transfer)의 효율을 개선한 투석기에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따라서, 복수개의 반투과성 막시트(membrane sheet)들 및 복수개의 유동 분리자(flow separator)들을 포함하는 투석기가 제공된다. 상기 막시트들과 유동 분리자들은 교호하는 형상으로 배열되고, 복수개의 평행한 마이크로채널 층들을 정의하는 층더미(laminae stack) 내로 결합된다. 상기 각각의 마이크로채널 층은 복수개의 제1 마이크로채널들 및 복수개의 제2 마이크로채널들을 포함한다. 상기 각각의 마이크로채널 층의 상기 제1 및 제2 마이크로채널들은 이들 사이의 복수개의복수개의들 중 어느 하나의 막시트를 통하여 상호 유체 소통(fluid communication)을 한다. 상기 MECS 투석기는 용적에 비해 높은 표면적 및 높은 물질 이동율을 갖는 것을 특징으로 한다.

MECS, 투석기, 혈액투석, 물질 이동(mass transfer), 반투과성 막, 유동 분리자, 마이크로채널

Description

ＭＥＣＳ 투석기{Mecs dialyzer}

본 발명은 혈액 투석에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 마이크로공학 기반의 투석기에 관한 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 출원 명세서는 2004년 10월 6일 출원된 가출원 출원번호 60/616,757에 기초하여 35 USC§119(e)에 따른 우선권을 주장하며, 상기 가출원은 그 전문을 본 명세서에 참고로 병합한다.

1960년대 초기부터 신장장애를 겪는 환자들에 대하여 만성 투석(chronic dialysis)이 수행되어 왔다. 이를 가능하게 하는 투석기 또는 인공 신장들은 1930년대 및 1940년대에 시작된 기술 혁명의 결과였다. 투석기는 혈액으로부터 노폐물, 용해된 용질 및 유체를 반투과막을 통해 투석액(dialysate)으로 알려진 투석 용액으로 내보내는 대류(convection) 및 확산(diffusion) 과정에 의한 혈액투석을 통해 혈액을 정화하는 장치이다. 투석기 시스템은 투석기 및 상기 투석기를 지원하는 배관 및 펌프와 같은 관련 장비를 포함하는 집합체이다.

처음 사용된 투석기 시스템은 커다랗고 원형의 목재 프레임에 덮어씌운 반투과성 막으로서 소시지 외피(sausage casing)를 사용한 대형 회전 드럼으로 만들어졌다. 혈액은 상기 외피를 통해 순환하고, 상기 외피는 투석용액에 담겨져 있었다. 1970년대 무렵 당해 산업분야에서 공동 섬유(hollow fiber) 투석기가 개발되었다. 상기 공동 섬유 투석기는 길이 30 센티미터 및 직경 6 센티미터의 튜브에 내장된 10,000 내지 14,000 개의 공동의 반투과성 막 섬유들로 만들어졌으나, 상기 섬유들의 둘레 외부에 유동하는 투석액과 접촉하는, 섬유 내부에서 유동하는 혈액에 대해 최대 2평방미터의 표면적을 제공하였다. 오늘날의 공동 섬유 투석기들은 조금 더 효율적이긴 하나, 그 당시 이후로 기술이 크게 변화하지는 않았다.

공동 섬유 투석기는 각 섬유 간의 불균일, 불일치한 간격으로 인하여 투석액 유동이 이상분포(mal-distribution)되는 현상을 갖는다. 유동이 정체된 영역은 물론, 유동이 현저하게 단락된(shunt) 영역에서 투석액측 물질 이동(mass transfer)의 효율을 급격히 감소시킨다. 각 섬유 간의 공간은 일반적으로 작아서, 확산이 섬유 간 공간의 물질 이동에 있어서 중요 메카니즘으로 작용한다. 확산을 개선하고, 그에 따라 개선된 투석액 사용 효율은 공동 섬유 투석기들의 고유의 물리적 특성으로 인하여 제한된다.

현재, 공동 섬유 투석기는 투석치료를 수행하기 위하여 물을 주성분으로 하는 120-200리터의 투석액을 이용한다. 섬유 주변의 투석액 유동이 무질서하여(haphazard) 상대적으로 많은 양의 투석액이 사용된다. 이렇게 많은 양의 투석액을 필요로 하는 까닭에 투석장치의 크기가 클 수밖에 없었다. 또한, 투석에 사용될 물은 투석 치료를 수행하는데 요구되는 대량의 장비와 기술적 전문 지식에 가해진 화학적, 미생물학적 오염으로부터 정제된 것이어야 한다.

이러한 복잡한 장비에 의존한 결과로서, 대부분의 투석 치료는 전문가팀으로 구성된 투석센터에서 수행된다. 전체 혈액투석 환자들 중 1% 미만의 환자들만이 집에서 투석 치료를 행하고 있다. 센터에서의 투석 치료는 짧은 시간 동안 매우 빠르게 수행된다. 각 환자는 1주일에 3번의 치료를 받는다. 연구에 의하면, 환자들이 더욱 천천히, 오랫동안, 그리고 더욱 자주 투석을 받을 경우, 더 큰 진전 효과가 있는 것으로 나타났다. 환자들의 결과가 더 양호해질 뿐 아니라, 투약 및 입원 비용의 감소로 인하여 이들을 보살피는데 필요한 제반 비용이 줄어든다.

환자들이 더욱 자주 투석 치료를 받을 수 있는 경제적으로 실행가능한 방법은 바로 집에서 스스로 투석 치료를 수행하는 것이다. 이를 기술적으로 실행가능하게 하기 위하여 투석 장치가 더욱 소형화되고, 휴대가 간편하고, 더욱 적은 양의 물을 소비하고, 누운 사람이 간편하게 작동할 수 있도록 기술을 발전시키는 것이 필요하다.

당해 기술 분야에서 필요한 것은 투석막을 통해 투석 용액으로부터 혈액을 분리추출하는 개선된 물질이동의 효율을 갖는 투석기이다.

본 발명은 혈액투석에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 본 발명의 실시예들에 따라서 제공된 마이크로채널 분리(separation)를 이용하여 투석막을 통한 물질 이동의 효율을 개선한 투석기에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따라서, 복수개의 반투과성 막시트들 및 복수개의 유동 분리자들을 포함하는 투석기가 제공된다. 상기 막시트들과 유동 분리자들은 교호하는 형상으로 배열되고, 복수개의 평행한 마이크로채널 층들을 정의하는 층더미 내로 쌍을 이루어 들어간다. 상기 각각의 마이크로채널 층은 복수개의 제1 마이크로채널들 및 복수개의 제2 마이크로채널들을 포함한다. 상기 각각의 마이크로채널 층의 상기 제1 및 제2 마이크로채널들은 이들 사이의 복수개의 막시트들 중 어느 하나의 막시트를 통하여 상호 유체 소통을 한다.

일실시예에서, 상기 각각의 마이크로채널 층의 상기 제1 마이크로채널은 평행하고, 상기 각각의 마이크로채널 층의 상기 제2 마이크로채널도 평행하다.

일실시예에서, 상기 마이크로채널 층들의 상기 제1 및 제2 마이크로채널들은 평행하다.

일실시예에서, 상기 마이크로채널 층들의 상기 제1 및 제2 마이크로채널들은 직각이다.

일실시예에서, 상기 유동 분리자는 제1 측면 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 가지며, 상기 제2 측면은 내부에 평행 장홈(groove)들을 갖는 복수개의 제1 마이크로채널 시트들; 제1 측면 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 가지며, 상기 제1 및 제2 측면들은 내부에 평행 장홈들을 가지며, 상기 층더미는 층더미 상부측 및 층더미 바닥측을 갖는 복수개의 제2 마이크로채널 시트들을 포함하고, 상기 각각의 마이크로채널 층은 상기 층더미의 상부 및 바닥측에서 막에 의하여 분리되는 대향 관계에 있는 상기 장홈들 및 사이에 연결되는 막시트를 갖는 제1 및 제2 마이크로채널 시트, 또는 상기 막시트에 의하여 분리되는 대향 관계에 있는 상기 장홈들 및 사이에 연결되는 막시트를 갖는 2개의 제2 마이크로채널 시트들 중 어느 하나를 포함하는 하위 층더미를 포함한다.

일실시예에 있어서, 상기 유동 분리자는 제1 측면 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면, 제1 단부 및 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부, 및 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 연장되는 평행 장홈들을 갖는 적어도 하나의 측면을 포함하는 복수개의 제1 마이크로채널 시트들; 및 제1 측면 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면, 제1 단부 및 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부, 및 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 연장되는 평행 장홈들을 갖는 적어도 하나의 측면을 포함하는 복수개의 제2 마이크로채널 시트들을 포함하고, 상기 각각의 마이크로채널 층은 상기 막시트에 의하여 분리되는 대향 관계에 있는 상기 장홈들 및 사이에 연결되는 막시트를 갖는 제1 및 제2 마이크로채널 시트들을 포함하는 하위 층더미를 포함한다.

일실시예에 있어서, 상기 복수개의 제1 마이크로채널 시트들은 상기 각각의 제1 및 제2 단부들에 제1 충만홈을 더 포함하고, 상기 제1 충만홈은 상기 제1 마이크로채널 시트들 상의 상기 장홈들과 유체 소통을 하며, 상기 복수개의 제2 마이크로채널 시트들은 상기 각각의 제1 및 제2 단부들에 제2 충만홈을 더 포함하고, 상기 제2 충만홈은 상기 제2 마이크로채널 시트들 상의 상기 장홈들과 유체 소통을 한다.

본 발명의 일실시예에 따라서, 복수개의 반투과성 막시트들 및 복수개의 유동 분리자들을 포함하는 투석기가 제공된다. 상기 막시트들과 유동 분리자들은 교호하는 형상으로 배열되고, 복수개의 평행한 마이크로채널 층들을 정의하는 층더미 내로 쌍을 이루어 들어간다. 상기 각각의 마이크로채널 층은 복수개의 제1 마이크로채널들 및 복수개의 제2 마이크로채널들을 포함한다. 상기 각각의 마이크로채널 층의 상기 제1 및 제2 마이크로채널들은 이들 사이의 복수개의 막시트들 중 어느 하나의 막시트를 통하여 상호 유체 소통을 한다. 상기 각각의 막시트는 제1 측면 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면, 및 제1 단부 및 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 가지며, 상기 유동 분리자들은 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 연장되는 평행 장홈들을 정의하는 제1 및 제2 단부에 매달리며, 각각의 마이크로채널 층은 적어도 2개의 막시트들, 대향 관계에 있는 상기 장홈 및 제1 및 제2 마이크로채널들의 교호층들을 정의하는 상호 인접하고 연결된 상기 유동 분리자들을 포함하는 단위 층더미를 포함한다.

일실시예에 있어서, 제1 헤더 및 제2 헤더를 더 포함하며, 상기 제1 헤더는 상기 제1 단부에서 상기 제1 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 유입구 및 상기 제1 단부에서 상기 제2 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 토출구를 포함하고, 상기 제2 헤더는 상기 제2 단부에서 상기 제2 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 유입구 및 상기 제2 단부에서 상기 제1 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 토출구를 포함한다.

일실시예에 있어서, 제1 헤더 및 제2 헤더를 더 포함하며, 상기 제1 헤더는 상기 제1 단부에서 상기 제1 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 유입구 및 상기 제1 단부에서 상기 제2 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 유입구를 포함하고, 상기 제2 헤더는 상기 제2 단부에서 상기 제1 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 토출구 및 상기 제2 단부에서 상기 제2 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 토출구를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따라서, 혈액 처리 장치; 투석 처리 장치; 복수개의 반투과 막시트들을 포함하는 투석기; 및 복수개의 유동 분리자를 포함하고, 상기 막시트들과 유동 분리자들은 교호하는 형상으로 배열되고, 복수개의 평행한 마이크로채널 층들로 정의되는 층더미 내로 쌍을 이루어 들어가고, 상기 각각의 마이크로채널 층은 복수개의 제1 마이크로채널들 및 복수개의 제2 마이크로채널들을 포함하고, 상기 각각의 마이크로채널 층의 상기 제1 및 제2 마이크로채널들은 이들 사이의 복수개의 막시트들 중 어느 하나의 막시트를 통하여 상호 유체 소통을 하고, 상기 혈액 처리 장치는 상기 제1 마이크로채널들과 유체 소통을 하고, 상기 투석액 처리 장치는 상기 제2 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 투석 시스템이 제공된다.

일실시예에 있어서, 상기 혈액 처리 장치는 제1 단부에서 상기 제1 마이크로채널들에 혈액을 공급하고 제2 단부에서 상기 제2 마이크로채널들로부터 혈액을 인출하도록 적용되고, 상기 투석액 처리 장치는 제2 단부에서 상기 제2 마이크로채널들에 투석액을 공급하고 제1 단부에서 상기 제2 마이크로채널들로부터 투석액을 인출하도록 적용된다.

일실시예에 있어서, 상기 혈액 처리 장치는 제1 단부에서 상기 제1 마이크로채널들에 혈액을 공급하고 제2 단부에서 상기 제2 마이크로채널들로부터 혈액을 인출하도록 적용되고, 상기 투석액 처리 장치는 제1 단부에서 상기 제2 마이크로채널들에 투석액을 공급하고 제2 단부에서 상기 제2 마이크로채널들로부터 투석액을 인출하도록 적용된다.

일실시에에 있어서, 상기 각각의 막시트는 제1 측면 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면, 및 제1 단부 및 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 가지며, 상기 유동 분리자들은 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 연장되는 평행 장홈들을 정의하는 제1 및 제2 단부에 매달리며, 각각의 마이크로채널 층은 적어도 3개의 막시트들, 대향 관계에 있는 상기 장홈, 및 제1 및 제2 마이크로채널들의 교호층들을 정의하는 상호 인접하고 연결된 상기 유동 분리자들을 포함하는 단위 층더미를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따라서, 복수개의 반투과 막시트들; 및 복수개의 유동 분리자를 포함하고, 상기 막시트들과 유동 분리자들은 교호하는 형상으로 배열되고, 복수개의 평행한 마이크로채널 층들로 정의되는 층더미 내로 쌍을 이루어 들어가고, 상기 각각의 마이크로채널 층은 복수개의 제1 마이크로채널들 및 복수개의 제2 마이크로채널들을 포함하고, 상기 각각의 마이크로채널 층의 상기 제1 및 제2 마이크로채널들은 이들 사이의 복수개의 막시트들 중 어느 하나의 막시트를 통하여 상호 유체 소통을 하고, 상기 혈액 처리 장치는 상기 제1 마이크로채널들과 유체 소통을 하고, 상기 투석액 처리 장치는 상기 제2 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 투석기를 제공하는 단계; 제1 단부에서 상기 제1 마이크로채널들에 혈액을 공급하는 단계; 제2 단부에서 상기 제2 마이크로채널들에 투석액을 공급하는 단계; 상기 제2 단부에서 상기 제1 마이크로채널들로부터 혈액을 인출하는 단계; 및 상기 제1 단부에서 상기 제2 마이크로채널들로부터 투석액을 인출하는 단계를 포함하는 혈액 투석 방법이 제공된다.

본 발명의 실시예들에 따른 투석기들은 투석 응용에 있어서 물질 이동을 가속화할 수 있는 포매된(embedded) 고도로 평행 또는 수직인 마이크로채널들의 배열을 제공한다. 마이크로채널들에 의하여 제공된 소형의 특징적인 크기들은 용적에 비해 큰 표면적, 층류 조건 및 상승 압력에서의 작동 기회 등 이점들을 제공한다.

마이크로채널에서 고도로 높은 물질 이동률을 얻을 수 있다. 마이크로채널의 기하학적 형상을 합체한 MECS 투석기 및 마이크로-적층구조 제조 기술은 투석 응용예에서의 물질 이동에 필요한 특징 또는 체류 시간을 급격히 감소시킨다. 종래의 투석 장치와는 달리, 마이크로기술 기반 설계는 막의 양쪽에서 균등한 마이크로규모의 치수를 유지한다. 본 발명의 일실시예에서, 예를 들어, 마이크로기술 기반 MECS 투석기는 100 마이크론 크기의 투석액 유동 채널 치수가 제공된다. 공동 섬유들을 갖는 종래의 투석기에 비교하여, 이러한 형상은 동일 작동 변수(operating parameter)에 대해 10 내지 100배 만큼 투석기의 크기를 감소시킨다.

본 발명에 따른 MECS 투석기의 주요 이점은 100% 이용효율(utilization)에 근접하기 위하여 투석액 유동을 최적화할 수 능력이다. 본 발명의 실시예들에 따른 MECS 투석기는 고정된 너비를 지닌 마이크로채널을 통과하는 구조화된 투석액 유동을 이용한다. 혈액을 정화하는데 이용되는 투석액을 효율적으로 이용하기 위하여 마이크로채널들의 간격은 미리 정하여 진다. 더 적은 양의 투석 용액으로 투석 장치의 크기는 감소한다.

추가적으로, 구조화된 유량 경로는 정체 유량(stagnant flow)의 영역을 최소화하고, 단락 유량(shunt flow)을 감소시키고, 투석액 유동에 노출되는 막 전체 면적의 이용효율을 극대화한다. 이는 용질 제거율(solute clearance)을 크게 개선하고, 투석기로 하여금 현행 공동 섬유 투석기와 비교하여 주어진 성능 조건에 비하여 더 적은 표면적을 갖는 것을 허용한다. 감소된 막의 길이 및 표면적은 혈액에 미치는 압력을 감소시켜, 용혈현상의 감소 및 처치 중 환자 몸 밖에서 순환하는 혈액의 양의 감소의 결과를 가져온다.

동일 참조 번호들은 일반적으로 도면에서 동일 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 투석 시스템의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 평행류(parallel flow) MECS 투석기의 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 직교류(cross flow) MECS 투석기의 사시도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 적층된 배열의 복수개의 제1 마이크로채널 시트, 제2 마이크로채널 시트 및 막시트들을 포함하는 층더미(laminae stack)의 분해 단면도이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 약 5의 종횡비를 갖는 복수개의 장홈(groove)들을 포함하는 제1 측면 및 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 갖는 제 3 마이크로채널 시트의 단면도이다.

도 6A는 본 발명의 일실시예에 따른 복수개의 종횡비를 갖는 마이크로채널을 포함하는 MECS 투석기의 평면도이다.

도 6B는 도 6A의 일실시예에 따른 6B-6B 단면에서 마이크로채널 시트가 상대적으로 낮은 종횡비 장홈들을 포함하는 것을 보여주는 MECS 투석기의 단면도이다.

도 6C는 도 6A의 일실시예에 따른 6C-6C 단면에서 마이크로채널 시트가 상대적으로 높은 종횡비 장홈들을 포함하는 것을 보여주는 MECS 투석기의 단면도이다.

도 6D는 도 6A의 일실시예에 따른 6D-6D 단면에서 마이크로채널 시트가 장홈 에 걸쳐 막을 더 지지하여 유동 채널을 형성하도록 적용된 지지 웹(support webs)을 더 포함하는 상대적으로 높은 종횡비 장홈들을 포함하는 것을 보여주는 MECS 투석기의 단면도이다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 복수개의 장홈, 상기 장홈들과 유체를 소통하는 충만홈(plena groove) 및 상기 충만홈과 유체를 소통하는 유입구를 포함하는 마이크로채널 시트의 평면도이다.

도 8A 및 8B는 본 발명의 실시에에 따른 복수개의 장홈, 제1 또는 제2 단부 중 어느 한 곳에서 상기 장홈들과 유체를 소통하는 2개의 충만홈 및 상기 충만홈들 중 어느 하나와 유체를 소통하는 유입구 및 토출구를 포함하는 2개의 마이크로채널 시트의 평면도이다.

도 9A는 본 발명의 일실시예에 따른 평행류 MECS 투석기의 단면도이다.

도 9B 및 9C는 각각 도 9A의 일실시예에 따른 MECS 투석기의 분해 단면도 및 평면도이다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로채널 시트 더미 및 2개의 헤더 를 포함하는 MECS 투석기의 분해 사시도이다.

본 발명에 따른 MECS 투석기가 이하 도면에 도시된 실시예들과 이들을 기술하는데 이용된 특별한 표현을 참조하여 상세하게 기술될 것이다. 그러나, 이는 본 발명의 범위를 제한하고자 함이 아니며, 오히려 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 기술을 가진 자가 통상적으로 도출해 낼 수 있는, 본 발명의 개선된 적용예로서 본 발명의 본질적 범위에 속하는, 본 명세서 등에 도시된 장치의 교체 및 변경이 가능하다는 점은 자명하다.

"마이크로채널"은 적어도 하나의 약 1000 마이크론에 이르는 넓이 또는 높이의 내부 치수를 갖는 채널을 가리킨다.

"비난류(non-turbulent)"는 마이크로채널을 통과하는 층류 또는 난류로 천이중인 유체의 유동을 의미한다. 마이크로채널을 통과하는 유체의 유동에 있어서 레이놀드수는 약 4000까지 올라갈 수 있다. 본 명세서에 사용된 상기 레이놀드수는 마이크로채널의 실제 형상에 기초한 수력 지름(hydraulic diameter)을 이용하여 계산한 것이다.

"MECS"는 특허협력조약(PCT) 하에 공개되고 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 "High volume microlamination production of devices"란 명칭의 국제출원 출원번호 WO 2005/045894 A2에 제공된 바와 같은 마이크로공학 기반 에너지 및 화학 시스템(Microtechnology-based energy and chemical system)과 MECS 장치들을 제조하는 방법을 의미한다.

막으로도 언급되는 반투과막은 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 Mika외의 미국 특허 6,258,276에 개시된 다공성 폴리술폰(polysulfone) 및 그들의 막과 같은 확산 투석기에 사용하기 적합한 임의의 막일 수 있다.

투석액은 혈액투석에 이용하기 적합한 임의의 투석액일 수 있다.

"평균 체류 시간"으로 언급될 수 있는 "체류 시간(residence time)"은 MECS 투석기 내의 막을 통해 혈액과 투석액 간에 확산이 발생 및 진행하는 시간이다.

본 발명은 MECS 기술에 기반한 초소형 투석기를 제공한다. MECS 투석기는 반투과막을 거쳐 투석액 쪽으로 용질과 잉여 액체(excess liquid)를 확산 및 대류하는 과정에 의한 혈액투석을 통해 혈액을 정화하는 장치이다.

도 1은 본 발명에 따른 투석 시스템(2)의 개략도이다. 혈액은 혈액 유입 라인(6)을 통해 MECS 투석기(10)의 하나 이상의 제1 마이크로 채널로 흐르도록 하고, 혈액 토출 라인(7) 및 혈액 밸브(31)을 통해 빠져나간다. 투석액은 투석액 유입 라인(8)을 통해 MECS 투석기(10)의 하나 이상의 제2 마이크로 채널로 흐르도록 하고, 투석액 토출 라인(9) 및 투석액 밸브(32)를 통해 빠져나간다. 상기 제1 마이크로 채널 및 제2 마이크로 채널은 막(membrane)에 의하여 서로 분리되어 있다.

상기 MECS 투석기(10)에서, 용질 및 잉여 유체는 상기 제1 마이크로 채널을 통해 흐르는 혈액으로부터, 상기 막을 통과하여, 상기 제2 마이크로 채널을 통해 흐르는 투석액 내로 분산된다. 상기 MECS 투석기는 막에 의해 양분된 제1 마이크로 채널 및 제2 마이크로 채널에 해당하는 복수개의 마이크로채널들을 포함한다. 마이크로 채널 층들은, 아래에 기술되는 바와 같이, 소정의 순서로 어느 한 층이 다른 층의 위에 정렬될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 평행류(parallel flow) MECS 투석기(11)의 사시도이다. 상기 MECS 투석기(11)는 마이크로채널 층들(20)의 반복부(repeating unit)(29a)를 한정하는, 하나의 마이크로채널 층이 다른 층의 위에 적층된 구조의 복수개의 마이크로채널 층들(20)을 포함한다. 상기 마이크로채널 층들(20)은 혈액의 유동을 위하여 제공된 복수개의 제1 마이크로채널들(21) 및 투석액의 유동을 위하여 제공된 복수개의 제2 마이크로채널들(23)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 마이크로 채널들(21 및 23)은 그들 사이의 막(30) 및 아래에 기술될 마이크로채널 유동 분리자(flow separator)들에 의하여 한정된다. 상기 제1 및 제2 마이크로채널들(21 및 23)은 상기 막(30)을 경유하여 유체 소통(fluid communication)을 한다.

상기 각각의 마이크로채널 층들(20)의 제1 마이크로채널(21)의 숫자는 예컨대, 상기 제2 마이크로채널(23)의 숫자에 해당하는 수십, 수백, 수천 개 등의 소정의 숫자에 이를 수 있다. 이와 유사하게, 상기 마이크로채널 층들(20)의 반복부(29a)의 숫자 또한 수십, 수백, 수천 등의 소정의 숫자에 이를 수 있다.

각각의 마이크로채널 층(20)의 제1 마이크로 채널들(21)은 평행하게 배열되어 제1 단부(32)로부터 상기 제1 단부의 반대쪽 제2 단부(34)에 이르는 마이크로채널 층(20)의 길이를 따라 연장된다. 각각의 마이크로채널 층(20)의 상기 제2 마이크로채널들(23) 또한 평행하게 배열되어 상기 제1 단부(32)로부터 상기 제2 단부(34)에 이르는 마이크로채널 층(20)의 길이를 따라 연장된다.

MECS 투석기(11)을 포함하는 본 발명의 일실시예에 따른 방법에서, 혈액은 제1 마이크로채널들(21)을 통해 제1 단부(32)로부터 제2 단부(34)로 흐르고, 투석액은 제2 마이크로채널들(23)을 통해 상기 제2 단부(34)로부터 상기 제1 단부(32)로 흐른다. 즉, 각각의 유동은 반대 방향으로서 역류(countercurrent flow)로 언급된다. 상기 역류는 막(30)을 통한 혈액과 투석액 간의 분산 특징을 개선하며, 노폐물 정화를 위하여 필요한 막의 표면 면적의 양을 최소화하고, 필요한 투석액의 양을 최소화한다.

MECS 투석기(11)를 포함하는 본 발명의 일실시예에 따른 다른 방법에서, 혈액은 제1 마이크로채널들(21)을 통해 제1 단부(32)로부터 제2 단부(34)로 흐르고, 투석액은 제2 마이크로채널들(23)을 통해 상기 제1 단부(32)로부터 상기 제2 단부(34)로 흐른다. 즉, 각각의 유동은 동일 방향으로서 병류(concurrent flow)로 언급된다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 직교류(cross-flow) MECS 투석기(12)의 사시도이다. 상기 MECS 투석기(12)는 마이크로채널 층들(25)의 반복부(29b)로 정의되는 적층구조를 갖는 복수개의 마이크로채널 층들(25)을 포함한다. 상기 마이크로채널 층들(25)은 혈액의 유동을 위하여 제공된 복수개의 제1 마이크로채널들(21) 및 투석액의 유동을 위하여 제공된 제2 마이크로채널들(23)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 마이크로채널들(21 및 23)은 그들 사이의 막(30) 및 아래에 기술될 마이크로채널 유동 분리자들에 의하여 경계를 짓는다. 상기 제1 및 제2 마이크로채널들(21 및 23)은 상기 막(30)을 경유하여 유체 소통(fluid communication)을 한다.

각각의 마이크로채널 층(25)의 제1 마이크로 채널들(21)은 평행하게 배열되어 제1 방향으로 정의되는, 제1 단부(32)로부터 상기 제1 단부의 반대쪽 제2 단부(34)에 이르는, 마이크로채널 층(25)의 길이를 따라 연장된다. 각각의 마이크로채널 층(25)의 상기 제2 마이크로채널들(23) 또한 평행하게 배열되어 제2 방향으로 정의되는, 제3 단부(33)로부터 상기 제3 단부(33)의 반대쪽 제4 단부(37)에 이르는 마이크로채널 층(25)의 길이를 따라 연장된다. 상기 제1 및 제2 방향들은 서로 직각을 이루므로, 상기 제1 마이크로채널들(21) 및 제2 마이크로채널들(23)도 서로 직각을 이룬다.

MECS 분석기(12)를 포함하는 본 발명의 일실시예에 따른 방법에서, 혈액은 제1 마이크로채널들(21)을 통해 제1 단부(32)로부터 제2 단부(34)로 흐르고, 투석액은 제2 마이크로채널들(23)을 통해 상기 제3 단부(33)로부터 상기 제4 단부(37)로 흐른다. 즉, 각각의 유동은 직각 방향으로서 십자류(crosscurrent flow)로 언급된다.

도 2의 실시예와 유사하게, 각각의 마이크로채널 층들(25)의 제1 마이크로채널(21)의 숫자는 예컨대, 제2 마이크로채널(23)의 숫자에 해당하는 수십, 수백, 수천 개 등의 소정의 숫자에 이를 수 있다. 이와 유사하게, 상기 마이크로채널 층들(25)의 반복부(29b)의 숫자 또한 수십, 수백, 수천 등의 소정의 숫자에 이를 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따라서, 막에 의해 분리된 마이크로채널들(21 및 23)을 포함하는 마이크로채널 층들(20 및 25)의 조립을 위한 다양한 방법들이 제공된 다.

MECS 투석기(11)의 분해단면도인 도 2 및 도 4를 다시 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따라서 상기 MECS 투석기(11)는 복수개의 제1 마이크로채널 시트들(20a), 제2 마이크로채널 시트들(20b) 및 적층된 배열의 막시트들(30)을 포함하는 층더미(laminae stack)를 포함한다. 상기 제1 마이크로채널 시트들(20a)은 제1 측면(36a) 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면(38a)을 갖는다. 상기 제1 측면(36a)는 상대적으로 부드러우나, 상기 제2 측면(38a)은 복수개의 장홈(groove)(22a)을 포함한다. 상기 장홈들(22a)은 평행하게 배열되며, 제1 단부(32)로부터 제2 단부(34)까지 상기 제1 마이크로 채널 시트들(20a)의 길이를 따라 연장된다.

상기 제2 마이크로채널 시트들(20b)은 제1 측면(36b) 및 제2 측면(38b)을 포함하며, 상기 측면들 모두는 복수개의 장홈(22a)을 포함한다. 상기 장홈들(22a)은 평행하게 배열되며, 상기 제1 단부(32)로부터 제2 단부(34)까지 상기 제2 마이크로채널 시트들(20b)의 길이를 따라 연장된다.

상기 제1 및 제2 마이크로채널 시트들(20a 및 20b)이 적층되는 경우, 상기 장홈들(22a)은 평행류(parallel flow) 채널들의 경계를 확정짓거나 형성하도록 적용된다. 도 2 및 도 4의 실시예에서, 서로 다른 마이크로채널 시트들(20a 및 20b) 상의 장홈들(22a)의 쌍들(pairs)은 서로 간에 평행하게 배열되고 유체 소통을 하도록 적용된다. 도 3의 실시예에서, 서로 다른 마이크로채널 시트들(20a 및 20b) 상의 장홈들(22a)의 쌍들은 서로 간에 직각으로 교차하고, 부분적으로 유체 소통을 하도록 적용된다.

도 4의 실시예에서, 제1 마이크로채널 시트(20a)는 MECS 투석기(11)의 상부(42) 및 바닥(40)에 제공된다. 제2 마이크로채널 시트들(20b)은 상기 제1 마이크로채널 시트들(20a) 사이에 제공된다. 상기 제1 및 제2 마이크로채널 시트들(20a 및 20b) 사이에는 막 시트가 삽입되어, 서로 다른 마이크로채널 시트들(20a 및 20b) 상의 장홈들(22a)의 교차점을 양분하여 제1 및 제2 마이크로 채널(21 및 23)의 경계를 정의한다. 층더미는 연결되어 있거나, 알려진 적합한 과정들 중 어느 하나의 과정에 의하여 연결되며, 이하에서 더 상세히 기술하도록 한다.

도 4의 실시예에서, 제1 및 제 2 마이크로채널 시트들(20a 및 20b)의 장홈들(22a)은 종횡비(aspect ratio) 즉, 넓이 대비 높이의 비가 약 2:1로 나타난다. 마이크로채널 시트의 장홈들의 종횡비는 특별한 목적을 위하여 미리 정하여진다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따라서 종횡비 5:1의 복수개의 장홈들(22b)이 구비된 제1 측면(36c) 및 상기 제1 측면(36c)에 대향하는 제2 측면(38c)을 포함하는 제3 마이크로채널 시트(20c)의 단면도이다. 더 높은 종횡비의 장홈들은, 특별한 목적에 적합하도록 상기 제1 및 제2 마이크로 채널(21 및 23) 사이의 막(30)의 표면 면적을 증가시킨다.

마이크로채널 시트는 그 물질이 혈액적합성(hemocompatibility)을 갖는 한 다수의 서로 다른 물질로부터 제조될 수 있다. 상기 물질의 예로는 폴리술폰과 같은 중합체들이 있다. 추가적으로, 마이크로채널 시트 물질은 장홈들(22a 및 22b)을 형성하는데 이용되는 제조 공정에 기초하여, 막 표면에 대하여 몰딩, 미세기계가 공(micromachining), 엠보싱가공(embossing), 패턴 프린팅(pattern printing) 또는 미세 유체 분무(micro fluidically spraying)가 가능한 물질 특성들을 가져야 한다.

상기 마이크로채널 시트들(20 및 25)의 장홈들(22a 및 22b)의 형성을 위한 제조시의 선택사항들은 알려진 바이며, 그 중에서도 특히, 엠보싱가공, 미세기계가공, 증착(deposition), 실리콘 미세가공(silicon microfabrication) 기술, Nd:YAG 미세기계가공 레이져 시스템을 이용한 레이저 어블리메이션(ablimation), 스탬핑(stamping), 마이크로채널 시트를 몰딩 또는 그 밖에 형성하거나 몰딩하는 파우더 인젝션(powder injection), 전기화학적 미세기계가공, 포토리소그라피, 소프트 리소그라피(soft lithography) 기술 및 이들의 조합들을 포함한다.

도 2 내지 4에서, MECS 투석기(11 및 12)의 실시예들에 나타난 층구조(laminae structure)는, 특별한 목적에 적합하도록, 마이크로채널 층들 또는 단부들 사이 중 어느 하나에서 서로 다른 종횡비의 장홈들이 혼합될 수 있다.

도 6A는 본 발명의 실시예들에 따라서, 복수개의 종횡비의 마이크로채널들을 갖는 MECS 투석기(13)의 평면도이다. 도 6B는 상기 MECS 투석기(13)를 6B-6B를 따라 자른 마이크로채널 시트(20d)의 단면도로서, 상기 마이크로채널 시트(20d)는 상대적으로 낮은 종횡비의 장홈들(22a)을 포함하는 것을 볼 수 있다. 도 6C는 상기 MECS 투석기(13)를 6C-6C를 따라 자른 마이크로채널 시트(20d)의 단면도로서, 상기 마이크로채널 시트(20d)는 상대적으로 높은 종횡비의 장홈들(22b)을 포함하는 것을 볼 수 있다. 도 6D는 상기 MECS 투석기(13)를 6D-6D를 따라 자른 마이크로채널 시 트(20d)의 단면도로서, 상기 마이크로채널 시트(20d)는, 장홈들(22b)에 대하여 막(도시되지 않음)을 지지하여 유동 채널(flow channel)을 형성하도록 적용된 지지웹들(support webs)을 더 포함하는, 상대적으로 높은 종횡비의 장홈들(22b)을 포함하는 것을 볼 수 있다.

또한, 도 2 내지 4 및 6에서, MECS 투석기(11 및 12)의 실시예들에 나타난 층구조에는 마이크로-플레나(micro-plena) 또는 마이크로-매니폴드(micro-manifold)가 마이크로채널 시트들에 합체될 수 있도록 한다. 상기 마이크로-플레나는 혈액 및 투석액 각각을 위한 단일 유입 포트(port)로부터 혈액과 투석액을 각각의 마이크로채널로 분산하도록 제공된다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른, 복수개의 장홈들(22), 상기 장홈들(22)과 유체 소통(fluid communication)을 하는 충만홈(52) 및 상기 충만홈(52)과 유체 소통을 하는 유입구(54)를 포함하는 마이크로채널 시트(20e)의 평면도이다. 상기 충만홈(52)는 유입되는 유체를 상기 유입구(54)로부터 복수개의 장홈들(22)로 안내한다. 아래에서 기술하는 바와 같이, 상기 장홈(22)로부터 유출되는 유체를 위한 토출구를 위한 충만를 제공하기 위하여 마이크로채널 시트(20e)의 제2 단부에 상기와 유사한 배열이 제공될 수 있다.

도 8A 및 8B는 본 발명의 일실시예에 따른, 복수개의 장홈들(22), 제1 및 제2 단부(51 및 53)에 하나씩 구비되어 상기 장홈들(22)과 유체 소통을 하는 2개의 충만홈들(56) 및 상기 충만홈들(52) 중 어느 하나 또는 다른 하나의 장홈과 유체 소통을 하는 유입구(57) 및 토출구(58)를 포함하는 마이크로채널 시트(20f, 20g)의 평면도이다. 상기 충만홈들(56)은 상기 유입구(54) 또는 토출구(58)로부터 유입 또는 유출되는 유체를 복수개의 장홈들(52)을 통과하도록 안내한다. 도 8C는 쌍을 이루어 적층된 마이크로채널 시트들(20f 및 20g)의 유입구(57) 및 토출구(58)를 보여주는, 상기 마이크로채널 시트들(20f 및 20g)에 따라 제조된 MECS 투석기(14)의 단면도이다.

MECS 투석기의 실시예들의 층구조는, 도 3에 도시된 바와 같은 직교류(cross-flow) 형태로 배열된, 직각으로 연장하는 2개의 마이크로채널 세트를 형성할 수 있도록 연속하는 마이크로채널 시트들이 인접한 마이크로채널 시트들에 대하여 90도 회전이 가능하다.

층더미는 다양한 방법에 의하여 결합되거나 서로 접착될 수 있다. 이러한 접착 방법에는 그 중에서도 특히, 점착성 접착(adhesive bonding); 접착물질로 코팅된 접착 표면 및 열적 환류 과정을 거치는 적층(stack); 초음파 용접, 고주파 용접, 압력 접착(pressure bonding), 확산 접착(diffusion bonding), 막 또는 마이크로채널 시트 물질에 첨가된 접착 물질을 포함하나 이에 제한되지는 않는다.

본 발명에 따른 방법에 관한 일실시예에서, 층의 온도를 올려 층더미의 성분을 부드럽게 하거나 선택적으로 녹여 인접 표면들을 접착하도록 한다.

특히, 유망한 열적 접착 방법은 열적 확장 접착 고정장치를 사용하며, 상기 접착 고정장치 및 층은, 본 명세서에 일체의 목적에 부합하여 참조로서 합체된 특허협력조약(PCT) 하에 국제출원되어 공개된 출원번호 WO 2005/045894 A2(발명의 명칭:High volume microlamination production of devices)에 기술된 소위 열적 보강 모서리 등록(thermal-enhanced edge registration(TEER)) 방법을 이용하여 상기 고정장치에서 층을 자가 정렬(self-align)하는데 이용된다.

도 9A는 본 발명의 일실시예에 따른 평행류(parallel flow) MECS 투석기(15)의 단면도이다. 상기 MECS 투석기(15)는 제1 측면(91) 및 제2 측면(92)를 포함하는 복수개의 막시트들(30)을 포함한다. 상기 막시트들(30)은 소정 패턴으로 상기 제1 및 제2 측면들(91, 92)에 매달린 복수개의 유동 분리자들(flow separators)(90)을 포함한다. 도 9B는 도 9A의 실시예에 따른 MECS 투석기(16)의 유동 분리자들(90)을 갖는 막시트들(30)의 분해단면도이다. 도 9C는 도 9A의 실시예에 따른 MECS 투석기(15)의 유동 분리자들(90)을 갖는 막시트들(30)의 평면도이다. 상기 유동 분리자들(90)은 평행하게 배열되고 제1 단부(93)으로부터 상기 제1 단부(93)에 대향하는 제2 단부(95)까지 상기 막시트(30)의 길이를 따라 연장된다. 상기 유동 분리자들(90)은 2개의 인접한 막시트들(90)이 층더미 형태로 배치될 때 상호 교차하도록 적용된다.

유동 분리자들(90)을 갖는 막시트들(30)은 하나의 막시트가 다른 막시트 위에 적층되어, 마이크로채널 층들(120)의 반복부(repeating unit)(129)를 제공한다. 상기 유동 분리자들(90) 및 상기 막시트(30)는 복수개의 평행한 제1 및 제2 마이크로채널들(21 및 23)의 경계를 정의한다. 상기 MECS 투석기(15)는 적층구조의 상단(42) 및 바닥(40)에 말단시트(94)를 더 포함하여 인접한 유동 분리자들(90)을 둘러싸 유체역학적으로 밀봉한다.

마이크로채널 층들(120)은 혈액의 유동을 위하여 제공된 복수개의 제1 마이 크로채널들(21) 및 투석액의 유동을 위하여 제공된 복수개의 제2 마이크로채널들(23)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 마이크로채널들(21, 23)은 그들 사이의 막(30)과 마이크로채널 유동 분리자(90)에 의하여 경계가 정하여진다. 상기 제1 및 제2 마이크로채널들(21 및 23)은 막(30)을 통하여 유체 소통을 한다. 층더미가 합체 형성되는 과정 중, 상기 유동 분리자들(90)은, 이에 제한되지는 않으나, 환류 접착 및 점착성 접착 등을 포함하는 소정의 적당한 방법을 이용하여 서로 접착하여 유체 밀봉(fluid-tight seal)을 형성한다.

도 9A 내지 9C의 실시예에서, 말단시트(94)와 인접한 채널을 제외하고는, 각각의 제1 마이크로채널(21)은 2개의 제2 마이크로채널(23)과 막(30)을 통하여 유체 소통을 하여, 실질적으로 유사한 크기의 제1 마이크로채널들(21)에 대한 도 2 내지 4의 실시예들에 비하여 약 2배의 막표면 면적을 제공한다.

상기 유동 분리자들(90)은 특별한 목적에 적합한 복수개의 알려진 과정으로 막(30) 상에 제공될 수 있다. 본 발명에 따른 실시예들에서, 상기 유동 분리자들(90)은, 이에 제한되지는 않으나, 제트 프린트(jet printing), 실크 스크린 프린팅, 정위치 접착(insitu bonding) 및 기상 증착(vapor deposition) 등과 같은 방법을 이용하여 막 상에 제공된다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 MECS 투석기(16) 및 2개의 헤더(62a 및

62b)를 포함하는 MECS 투석 장치(60)의 분해 사시도이다. 2개의 헤더들 각각은 유입구(57), 토출구(58) 및 혈액 및 투석액을 모으고 이들 유체를 MECS 투석기(16)의 적절한 마이크로채널들(21 및 23)에 배분하는 채널들을 포함한다. 제1 헤 더(62a)는 체외 혈액 라인으로부터 혈액을 공급받아, 상기 혈액 유동 내의 전단(shear)을 최소화하기 위하여 층류(laminar flow)의 형태로 MECS 투석기(16)의 제1 마이크로채널들(21)로 상기 혈액을 배분하도록 적용된다. 상기 제1 헤더(62a) 내의 유동장(flow field)은 혈액 세포들이 제1 헤더(62a)를 통해 상기 MECS 투석기(16)내부로 진행하는 동안 받을 수 있는 손상을 최소화하도록 제어된다. 이후, 혈액은 MECS 투석기(16)을 떠날 때, 마이크로채널(21)로부터 제2 헤더(62b)에 수집된다. 그리고 난 후, 상기 수집된 혈액은 체외 혈액 라인에 의하여 환자에게 되돌리도록 운반된다. 상기 제2 헤더(62b)는 외부로 배출되는 혈액 세포들에 대한 손상을 줄여주는 혈액 배출 유동장(blood exit flow field)에서의 전단력을 감소시키는 특징들을 포함한다.

이와 유사한 배열로, 상기 제2 헤더(62b)는 투석액 처리 시스템으로부터 투석액을 수취하여 상기 MECS 투석기(16)의 제2 마이크로채널들(23)에 배분하도록 적용된다. 이때 상기 투석액은 MECS 투석기(16)을 떠날 때, 제1 헤더(62a)에 의하여 제2 마이크로채널(23)로부터 수집된다. 이후, 상기 수집된 투석액은 투석액 처리 시스템으로 운반된다. 이러한 설정에 의하여 혈액과 투석액 간에 역류(coutercurrent flow)를 제공한다.

혈액과 투석액 간에 병류(concurrent flow)로 설정되는 경우, 제1 헤더(62a)는 투석액 처리 시스템으로부터 투석액을 수취하고, 이를 MECS 투석기(16)의 제2 마이크로채널들(23)으로 배분한다. 이때, 투석액은 MECS 투석기(16)을 떠날 때, 상기 제2 헤더(62b)에 의하여 제2 마이크로채널들(23)로부터 수집된다. 상기 수집된 투석액은 투석액 처리 시스템으로 운반된다.

MECS 투석 장치의 일실시예에서, 헤더들은 컴플라이언트(compliant) 인터페이스 및 MECS 투석기와 상기 헤더들 간에 제공된 실링재(seal)를 합체한다. 상기 실링재에 의하여 MECS 투석기 및 헤더들은 제조시 고도의 정확도를 필요로 하지 않고 연결되어 유체 소통을 할 수 있다.

각각의 제1 마이크로채널(21)은, 이에 국한되지는 않으나, 정방형, 장방형, 반원형과 같은 임의의 형상을 갖는 교차점을 가질 수 있다. 각각의 제1 마이크로채널(21)은 최대 약 1000 마이크론에 이르는 내부 높이 또는 너비를 가질 수 있으며, 일실시예에 있어서, 높이는 약 100 마이크론이고, 너비는 약 200 마이크론이다. 각각의 제1 마이크로채널(21)의 길이는 최대 0.5 센티미터에 이를 수 있다.

MECS 투석기(11 및 12)의 실시예들에서, 제1 마이크로채널들(21)을 통화한 혈액의 유동은 층류(laminar), 전이형 또는 난류(turbulent)일 수 있다. 하나의 실시예에서, 혈액의 유동은, 제1 마이크로채널들(21)을 통과하는 혈액에 있어서, 약 3000 미만의 레이놀즈수를 갖는 층류이다. 다른 실시예에서는, 상기 유동은, 제1 마이크로채널(21)을 통과하는 혈액에 있어서, 약 4000 미만의 레이놀즈수를 갖는 층류이다. 혈액은 비뉴턴유체, 즉 비균질(non-homogeneous)이어서, 혈액에 적용되는 레이놀즈수의 개념은 혈액이 소정 점성을 갖는 뉴턴 유체인 것으로 가정하여 이용된다는 점은 자명하다. 본 발명의 실시예들에 따른 MECS 투석기에서는 예컨대, 혈액 세포 및 혈소판과 같은 혈액의 몇몇 구성성분의 취약성, 혈액 응고 기전(clotting cascade)의 개시 및/또는 손상, 또는 난류에서 발생할 수 있는 높은 전단 응력(shear stress)으로 인하여, 층류 특성을 갖는 것이 바람직하며, 목적달성에 적합하다.

제2 마이크로채널들(23)을 통과하는 투석액의 유동은 층류, 전이형, 또는 난류일 수 있다. 각각의 제2 마이크로채널들(23)은 이에 국한되지는 않으나, 정방형, 장방형, 반원형과 같은 임의의 형상을 갖는 교차점을 가질 수 있다. 각각의 제2 마이크로채널(23)은 최대 약 1000 마이크론에 이르는 내부 높이 또는 너비를 가질 수 있으며, 일실시예에 있어서, 높이는 약 100 마이크론이고, 너비는 약 200 마이크론이다. 각각의 제2 마이크로채널(23)의 길이는 예컨대 길이에 대한 체류시간의 함수로써 투석액 이용률(utilization)과 같은 특별한 목적을 위하여 적당한 소정 길이일 수 있다. 하나의 실시예에서, 유체유동은 제2 마이크로채널들(23)을 통과하는 투석액에 있어서 약 3000 미만의 레이놀즈수를 갖는 층류이다. 다른 실시예에서, 유체유동은 제2 마이크로채널들(23)을 통과하는 투석액에 있어서 약 4000 미만의 레이놀즈수를 갖는 층류 또는 전이형이다. 또 다른 실시예에서, 유체유동은 제2 마이크로채널들(23)을 통과하는 투석액에 있어서 약 4000 미만의 레이놀즈수를 갖는 난류이다.

대부분의 공동 섬유 투석기 설계에 이용되는 막재질은 폴리술폰이다. 다공도(porosity)는 제조단계에서 제어되나, 구성 방법에 있어 제한이 따른다. MECS 투석기에 이용되는 평평한 시트형 막들에 대한 막설계에 있어서 다양한 개선점들이 허용된다. 설계 개선점들에는 맥동류(pulsatile flow) 조건하에서 투석기 순응률(compliance)을 낮추기 위한 더 질기고(stiff), 얇은 막을 포함할 뿐 아니라, 혈 액투석 및 혈액적합성(hemocompatibility)을 위한 더 투과성 있는 막들을 포함한다. 이런 합성 구조는 제거하기 위한 특정 용질을 표적화하고, 막사이에 항응고제를 포매하고(embedding), MECS 투석기에 자연 신장 기능이 더욱 합체 보강된 혈액 용질 제거율(clearance)을 제공하기 위하여, 신장 단백질 및/또는 신장 관세포(tube cell)들을 막 기질(matrix)에 포매하는 것을 포함하는 막의 성능을 제고하기 위하여 나노 입자들을 삽입하는 능력을 제공한다.

마이크로채널에서 고도로 높은 물질 이동률을 얻을 수 있다. 마이크로채널의 기하학적 형상을 합체한 MECS 투석기 및 마이크로-적층구조 제조 기술은 투석 응용예에서의 물질 이동에 필요한 특징 또는 체류 시간을 급격히 감소시킨다. 종래의 투석 장치와는 달리, 마이크로기술 기반 설계는 막의 양쪽에서 균등한 마이크로규모의 치수를 유지한다. 또한, 종래의 공동 섬유 투석기들과는 달리, 마이크로채널 형상 및 마이크로적층 기술은 투석막의 양쪽에서 정확하게 제어된 유동을 보다 훌률하고 용이하게 구현할 수 있도록 한다. 본 발명의 일실시예에서, 예를 들어, 마이크로기술 기반 MECS 투석기는 100 마이크론 크기의 투석액 유동 채널 치수가 제공된다. 공동 섬유들을 갖는 종래의 투석기에 비교하여, 이러한 형상은 동일 작동 변수(operating parameter)에 대해 10 내지 100 배 만큼 투석기의 크기를 감소시킨 다.

MECS 투석기는 최소화된 막표면으로 혈액 정화를 최대화할 수 있도록 설계된다. 혈액 유동장은 투석기 내부에서 최소의 혈액 체류 시간으로 혈액 정화를 최대화하고, 막을 지나서 최소의 압력 강하를 제공하고, 혈액 세포 손상을 최소화하도록 설계 감독된다. 투석액 유동장은 최소량의 투석액으로 확산 과정을 최대화하도록 설계 감독된다.

투석은 확산현상에 의하여 혈액으로부터 노폐 산물, 용질을 제거하는 것이다. 투석액은 단지 짧은 시간 동안 막에 노출되어, 용질 분자들은 비교적 큰 용적의 투석액으로 균일하게 확산될 충분한 시간을 갖지 못하고, 최적화되지 않는다면 확산 기울기(diffusion gradient)를 전개할 것이다. 그러므로, 투석에 있어서 효과적인 확산은 막에서 가장 가까운 곳에서 발생하며, 막으로부터의 거리가 증가할수록 그 효과는 감소한다.

본 발명에 따른 MECS 투석기의 주요 이점은 100% 이용효율(utilization)에 근접하기 위하여 투석액 유동을 최적화할 수 능력이다. 표준 공동 섬유 투석기에서, 예를 들어, 혈액측의 기울기는 섬유 내에서 상대적으로 작은 직경의 혈액 경로로 인하여 상대적으로 제어된다. 그러나 투석액측의 기울기는 상대적으로 투석액의 유동 경로 및 용적이 크기 때문에 제어되지 않는다. 막의 투석액측의 확산 기울기를 제어하지 못함으로써 투석액의 이용효율이 낮아지게 된다. 표준 투석액을 통과하는 대다수 투석액은 막에 노출되지 않으며, 혈액을 정화하는데 이용되지 않고 투석기로부터 배출된다.

비교해보면, 본 발명의 실시예들에 따른 MECS 투석기는 고정된 너비를 지닌 마이크로채널을 통과하는 구조화된 투석액 유동을 이용한다. 상기 마이크로채널들의 간격은 혈액을 정화하는데 이용되는 투석액을 효율적으로 이용하는데 미리 정하여진다. 더 적은 투석액 용질은 투석기 장치의 크기를 줄인다.

추가적으로, 구조화된 유량 경로는 정체 유량(stagnant flow)의 면적을 최소화하고, 단락 유량(shunt flow)을 감소시키고, 투석액 유동에 노출되는 막 전체 면적의 이용효율을 극대화한다. 이는 용질 제거율(solute clearance)을 크게 개선하고, 투석기로 하여금 현행 공동 섬유 투석기와 비교하여 주어진 성능 조건에 비하여 더 적은 표면적을 갖는 것을 허용한다. 감소된 막의 길이 및 표면적은 혈액에 미치는 압력을 감소시켜, 용혈현상의 감소 및 처치 중 환자 몸 밖에서 순환하는 혈액의 양의 감소의 결과를 가져온다.

본 발명은 특정한 실시예와의 관계에서 기술되었으나, 더욱 다양한 변경예로써 구현이 가능하고, 이러한 적용예는 일반적으로 본 발명의 본질에 속하는 임의의 변형, 이용, 적용예들을 모두 포괄하고자 하는 의도이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 알려지거나 관례적으로 행해지는 실시예에 포함되고, 앞서 기술한 필수적인 특징들에 적용가능한 본 명세서의 내용에서 벗어난 내용을 포함하며, 이는 본 발명의 범위 및 첨부된 청구항의 범위 내에 포함된다는 점은 자명하다.

Claims

복수개의 반투과 막시트들; 및

복수개의 유동 분리자들을 포함하고,

상기 막시트들과 유동 분리자들은 교호하는 형상으로 배열되고, 복수개의 평행한 마이크로채널 층들을 정의하는 층더미 내로 결합되고, 상기 마이크로채널 층 각각은 복수개의 제1 마이크로채널들 및 복수개의 제2 마이크로채널들을 포함하고, 상기 각각의 마이크로채널 층의 상기 제1 및 제2 마이크로채널들은 이들 사이의 복수개의 막시트들 중 어느 하나의 막시트를 통하여 상호 유체 소통을 하는 것을 특징으로 하는 투석기.
제1항에 있어서,

상기 각각의 마이크로채널 층의 상기 제1 마이크로채널은 평행하고, 상기 각각의 마이크로채널 층의 상기 제2 마이크로채널도 평행한 것을 특징으로 하는 투석기.
제2항에 있어서,

상기 마이크로채널 층들의 상기 제1 및 제2 마이크로채널들은 평행한 것을 특징으로 하는 투석기.
제2항에 있어서,

상기 마이크로채널 층들의 상기 제1 및 제2 마이크로채널들은 직각인 것을 특징으로 하는 투석기.
제1항에 있어서,

상기 유동 분리자는 제1 측면 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 가지며, 상기 제2 측면은 내부에 평행 장홈들을 갖는 복수개의 제1 마이크로채널 시트들; 및

제1 측면 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 가지며, 상기 제1 및 제2 측면들은 내부에 평행 장홈들을 가지며,

상기 층더미는 층더미 상부측 및 층더미 바닥측을 갖는 복수개의 제2 마이크로채널 시트들을 포함하고, 상기 각각의 마이크로채널 층은 하위 층더미를 포함하고, 상기 하위 층더미는 상기 층더미의 상부 및 바닥측에서 막에 의하여 분리되는 대향 관계에 있는 상기 장홈들 및 사이에 연결되는 막시트를 갖는 제1 및 제2 마이크로채널 시트, 또는 상기 막시트에 의하여 분리되는 대향 관계에 있는 상기 장홈들 및 사이에 연결되는 막시트를 갖는 2개의 제2 마이크로채널 시트들 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 투석기.
제1항에 있어서,

상기 유동 분리자는 제1 측면 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면, 제1 단부 및 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부, 및 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 연장되는 평행 장홈들을 갖는 적어도 하나의 측면을 포함하는 복수개의 제1 마이크로채널 시트들; 및

제1 측면 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면, 제1 단부 및 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부, 및 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 연장되는 평행 장홈들을 갖는 적어도 하나의 측면을 포함하는 복수개의 제2 마이크로채널 시트들을 포함하고,

상기 각각의 마이크로채널 층은 막시트에 의하여 분리되는 대향 관계에 있는 상기 장홈들 및 사이에 연결되는 막시트를 갖는 제1 및 제2 마이크로채널 시트들을 포함하는 하위 층더미를 포함하는 것을 특징으로 하는 투석기.
제6항에 있어서,

상기 복수개의 제1 마이크로채널 시트들은 상기 각각의 제1 및 제2 단부들에 제1 충만홈을 더 포함하고, 상기 제1 충만홈은 상기 제1 마이크로채널 시트들 상의 상기 장홈들과 유체 소통을 하며, 상기 복수개의 제2 마이크로채널 시트들은 상기 각각의 제1 및 제2 단부들에 제2 충만홈을 더 포함하고, 상기 제2 충만홈은 상기 제2 마이크로채널 시트들 상의 상기 장홈들과 유체 소통을 하는 것을 특징으로 하는 투석기.
제1항에 있어서,

상기 각각의 막시트는 제1 측면 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면, 및 제1 단부 및 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 가지며, 상기 유동 분리자들은 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 연장되는 평행 장홈들을 정의하는 제1 및 제2 측면에 매달리며, 각각의 마이크로채널 층은 적어도 2개의 막시트들, 대향 관계에 있는 상기 장홈 및 제1 및 제2 마이크로채널들의 교호층들을 정의하는 상호 인접하고 연결된 상기 유동 분리자들을 포함하는 단위 층더미를 포함하는 것을 특징으로 하는 투석기.
제8항에 있어서,

제1 헤더 및 제2 헤더를 더 포함하며, 상기 제1 헤더는 상기 제1 단부에서 상기 제1 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 유입구 및 상기 제1 단부에서 상기 제2 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 토출구를 포함하고, 상기 제2 헤더는 상기 제2 단부에서 상기 제2 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 유입구 및 상기 제2 단부에서 상기 제1 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 토출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 투석기.
제8항에 있어서,

제1 헤더 및 제2 헤더를 더 포함하며, 상기 제1 헤더는 상기 제1 단부에서 상기 제1 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 제1 유입구 및 상기 제1 단부에서 상기 제2 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 제2 유입구를 포함하고, 상기 제2 헤더 는 상기 제2 단부에서 상기 제1 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 제1 토출구 및 상기 제2 단부에서 상기 제2 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 제2 토출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 투석기.
혈액 처리 장치;

투석 처리 장치;

복수개의 반투과 막시트들을 포함하는 투석기; 및

복수개의 유동 분리자를 포함하고,

상기 막시트들과 유동 분리자들은 교호하는 형상으로 배열되고, 복수개의 평행한 마이크로채널 층들로 정의되는 층더미 내로 결합되고, 상기 마이크로채널 층각각은 복수개의 제1 마이크로채널들 및 복수개의 제2 마이크로채널들을 포함하고, 상기 마이크로채널 층 각각의 상기 제1 및 제2 마이크로채널들은 이들 사이의 복수개의 막시트들 중 어느 하나의 막시트를 통하여 상호 유체 소통을 하고, 상기 혈액 처리 장치는 상기 제1 마이크로채널들과 유체 소통을 하고, 상기 투석액 처리 장치는 상기 제2 마이크로채널들과 유체 소통을 하는 것을 특징으로 하는 투석 시스템.
제11항에 있어서,

상기 혈액 처리 장치는 제1 단부에서 상기 제1 마이크로채널들에 혈액을 공급하고 제2 단부에서 상기 제2 마이크로채널들로부터 혈액을 인출하도록 적용되고, 상기 투석액 처리 장치는 제2 단부에서 상기 제2 마이크로채널들에 투석액을 공급 하고 제1 단부에서 상기 제2 마이크로채널들로부터 투석액을 인출하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 투석 시스템.
제11항에 있어서,

상기 혈액 처리 장치는 제1 단부에서 상기 제1 마이크로채널들에 혈액을 공급하고 제2 단부에서 상기 제2 마이크로채널들로부터 혈액을 인출하도록 적용되고, 상기 투석액 처리 장치는 제1 단부에서 상기 제2 마이크로채널들에 투석액을 공급하고 제2 단부에서 상기 제2 마이크로채널들로부터 투석액을 인출하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 투석 시스템.
제11항에 있어서,

상기 각각의 막시트는 제1 측면 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면, 및 제1 단부 및 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 가지며, 상기 유동 분리자들은 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 연장되는 평행 장홈들을 정의하는 제1 및 제2 측면에 매달리며, 각각의 마이크로채널 층은 적어도 2개의 막시트들, 대향 관계에 있는 상기 장홈, 및 제1 및 제2 마이크로채널들의 교호층들을 정의하는 상호 인접하고 연결된 상기 유동 분리자들을 포함하는 단위 층더미를 포함하는 것을 특징으로 하는 투석기.
복수개의 반투과 막시트들; 및

복수개의 유동 분리자를 포함하고, 상기 막시트들과 유동 분리자들은 교호하는 형상으로 배열되고, 복수개의 평행한 마이크로채널 층들로 정의되는 층더미 내로 결합되고, 상기 마이크로채널 층 각각은 복수개의 제1 마이크로채널들 및 복수개의 제2 마이크로채널들을 포함하고, 상기 각각의 마이크로채널 층의 상기 제1 및 제2 마이크로채널들은 이들 사이의 복수개의 막시트들 중 어느 하나의 막시트를 통하여 상호 유체 소통을 하고, 혈액 처리 장치가 상기 제1 마이크로채널들과 유체 소통을 하고, 투석액 처리 장치가 상기 제2 마이크로채널들과 유체 소통을 하는, 투석기를 제공하는 단계;

제1 단부에서 상기 제1 마이크로채널들에 혈액을 공급하는 단계;

제2 단부에서 상기 제2 마이크로채널들에 투석액을 공급하는 단계;

제2 단부에서 상기 제1 마이크로채널들로부터 혈액을 인출하는 단계; 및

제1 단부에서 상기 제2 마이크로채널들로부터 투석액을 인출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈액 투석 방법.
제15항에 있어서,

상기 일련의 제1 마이크로채널들을 통과하는 혈액의 유동은 비난류(non-turbulent)인 것을 특징으로 하는 혈액 투석 방법.
제15항에 있어서,

상기 일련의 제1 마이크로채널들을 통과하는 혈액의 유동은 층류(laminar)인 것을 특징으로 하는 혈액 투석 방법.
제15항에 있어서,

상기 일련의 제1 마이크로채널들을 통과하는 혈액의 유동은 상기 일련의 제2 마이크로채널들을 통과하는 투석액의 유동에 대하여 역류(countercurrent)인 것을 특징으로 하는 혈액 투석 방법.
제15항에 있어서,

상기 일련의 제1 마이크로채널들을 통과하는 혈액의 유동은 상기 일련의 제2 마이크로채널들을 통과하는 투석액의 유동에 대하여 병류(concurrent)인 것을 특징으로 하는 혈액 투석 방법.
제15항에 있어서,

상기 일련의 제1 마이크로채널들을 통과하는 혈액의 유동은 상기 일련의 제2 마이크로채널들을 통과하는 투석액의 유동에 대하여 십자류(crosscurrent)인 것을 특징으로 하는 혈액 투석 방법.
제15항에 있어서,

상기 제1 및 제2 마이크로채널들은 1000 마이크론 까지의 내부 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 혈액 투석 방법.