JPH04193178A - 中空糸膜型人工肺モジュール - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、中空糸膜を固定する固定部材（ボッティング
部材）が血液通路壁の構成を兼ねた構造を有し、ガス交
換能が高く、長期使用か可能であり、小型化に好適な構
造を有する外部潅流方式の中空糸膜型人工肺モジュール
に関する。

〔従来の技術〕

中空糸膜を用いた人工肺とは、ポリオレフィン等の疎水
性高分子からなる微多孔質中空糸膜や、シリコン等の気
体透過性の均質中空糸膜を用いて、中空糸膜面を介して
酸素を含む気体と血液を接触させ、その間でガス交換を
行わせるものであり、中空糸膜の中空部に血液を流し、
中空糸膜の外部に気体を流す内部潅流方式と、その逆に
、中空糸膜の中空部に気体を流し、外部に血液を流す外
部潅流方式の二つの方式がある。

内部潅流方式では、血液を多数の中空系膜に均等に分配
供給すれば、血液のチャンネリング（偏流）はないもの
の、中空糸膜の中空部を流れる血液は層流であり、酸素
加能（単位層面積当たりの酸素移動速度）を上げるため
には中空糸膜の内径を小さくする必要がある。このため
１５０〜３００μｍ程度の内径を有する中空糸膜が人工
肺用として開発さゎている。しかしながら、径を小さく
しても血液が層流流動する限りは酸素加能が飛躍的に向
上するものではなく、更に径を小さくするにつれてクロ
ッチインク（凝血による中空部の閉塞現象）が多発し易
くなり、この点が実用の大きな障害となっている。

また、一般的に人工肺では、中空糸膜が数万本束ねられ
た束として用いられているが、これら多数の中空糸膜の
それぞれの外壁に十分かつ均等に気体を分散供給するに
は特別の配慮が必要である。なお、気体の分散供給が不
十分である場合には、炭酸ガス排出能（単位層面積当た
りの炭酸ガス移動速度）が低下する。

一方、外部潅流方式は、気体の分配は良好であり気体の
圧力損失も小さく、かっ血液の流れに乱れを発生させる
ための構造を取り易いという点において、内部潅流方式
よりも優れている。

外部潅流方式においては、血液のチャンネリングによる
酸素化不足や血液の滞留部ての凝血の発生が血液通路の
内部構造と密接に関連しており、血液通路内の構造を選
択することはこれらを防止する上で極めて重要となる。

血液のチャンネリングを防ぐための構造を有する外部潅
流方式の中空糸膜型人工肺モジュールとしては、血液通
路内に邪魔板を配置したモジュールが知られている。

例えば、第８図（Ａ）及び（Ｂ）に示ように、特開昭６
０−１９３４６９号公報には、断面が細長い長方形の接
触室１２に、邪魔板１４で幅がせばめられた血液流路１
５を介して分割された複数の小室１３を設けた構造を有
する外部潅流式の中空糸膜型人工肺モジュールか開示さ
れている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、邪魔板を用いる中空糸膜型人工肺モジュール
では、血液の流わが必ずしも充分てなく、長期使用に際
して邪魔板に血栓ができて機能が低下する場合があると
いう問題点を有している。

本発明は、上述の従来の外部潅流方式の中空糸膜型人工
肺モジュールにおける問題を解決すべくなされたもので
あり、ガス交換能が高く、長期使用においても血栓等の
問題の発生がなく、かつ小型化に好適な構造を有する外
部潅流方式の中空糸膜型人工肺モジュールを提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成し得る本発明の中空糸膜型人工肺モジュ
ールは、固定部材内に設けた両端か開口する直管状の血
液通路と、多数の中空糸膜をそれぞれの開口端を前記固
定部材の外壁面に開口して固定することにより前記血液
通路内に設けられた中空糸膜スクリーンと、これら中空
糸膜内に酸素を流すための気体導入口及び気体導出口と
、前記血液通路に血液を流すための血液導入口及び血液
導出口とを有することを特徴とする。

本発明においては、直管状の血液通路内に多数の中空糸
膜シートからなるスクリーンを設け、かつ中空糸膜シー
トの固定部材が血液通路壁を兼ねる構成を有することに
より、血液通路内における血液に適当な乱れが生じてチ
ャンネリングの発生が防止され、ガス交換が効率良く行
われ、かっ血液通路内に血栓発生の原因となる構造が存
在しないのて良好な長期使用性が得られ、更に、これら
の特性を損なうことなく小型か可能である。

本発明の中空糸膜型人工肺モジュールにおける固定部材
の材質としては、中空糸膜の安定した固定と通液性の良
い血液通路の形成が可能であり、かつ安全性を有するも
のであれば、制限なく利用できる。例えば、不飽和ポリ
エステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂等を挙
げることかでき、これらの中では、メディカル用途とし
て実績のあるポリウレタン樹脂が好ましい。

中空糸膜スクリーンを構成する中空糸膜としては、各種
中空糸膜が利用でき、例えば、メディカル用途として実
績のあるシソコンエラストマー系、ポリエチレン、ポリ
プロピレン、セグメント化ポリウレタン、フッ素含有ア
ルキル系、セルロース系の中空糸膜等が挙げられる。

また、中空糸膜の種類は人工肺の用途に応して選択でき
、例えば、短時間の関心術には、微多孔質ポリプロピレ
ン中空糸膜および微多孔質ポリエチレン中空糸膜などを
好適なものとして挙げることができ、またＥＣＭＯ等の
長期使用には、血漿漏れを防止するために非多孔質膜を
用いることが好ましく、たとえば非多孔質層の両側に多
孔質層が配置された三層複合中空糸膜を挙げることがで
きる。

以下、図面を参照しつつ本発明をさらに詳細に説明する
。

第１図および第２図は、本発明の中空糸膜型人工肺モジ
ュールにおける中空糸膜スクリーンの固定例を、固定部
材６内に形成された直管状の血液通路６ｂに垂直な断面
で表した図である。

第１図のスクリーンは、中空糸膜１の多数を互いにほぼ
平行に１列固定することにより形成された並列型スクリ
ーンであり、各中空糸膜は血液通路６ｂをほぼ垂直な方
向で横断している。

各中空糸膜の両開口端は固定部材６対向する外壁面６ａ
−１，６ａ−２にそれぞれ開口して固定されている。

この並列型スクリーンにおける酸素を含む気体の流通は
、一方の外壁面６ａ−１（または６ａ−２）側からの酸
素を含む気体の各中空糸膜の中空部への導入と、他方の
外壁面６ａ−２（または６ａ−１）側からの中空糸膜壁
でのガス交換後の気体の導出により行われる。

第２図は、中空糸膜１ａからなるスクリーンと中空糸膜
１ｂからなるスクリーンとを互いにほぼ直交するように
交互に積層したスクリーンを血液通路６ｂにほぼ垂直に
固定したものである。

中空糸膜１ａの両開口端は固定部材６の“対向する外壁
面６ａ−１，６ａ−２にそわぞれ開口して固定されてお
り、また、中空糸膜１ｂの両開口端は対向する外壁面６
ａ−３，６ａ−４にそれぞれ開口して固定されている。

このタイプのスクリーンにおいては、隣合う外壁面６ａ
−１と６ａ−３（または６ａ−４）側から酸素を含む気
体の各中空糸膜の中空部への導入が行われ、これらと向
かい合う外壁面６ａ−２と６ａ−４（または６ａ−３）
側から中空糸膜壁でのカス交換の気体が導出される。

なお、第２図の交互積層タイプの代わりに、相Ｕに直交
するように織り込まれた中空糸膜スクリーンを用いるこ
ともできる。

これらのタイプのスクリーンにおける中空糸膜の種類及
びその配列密度は、得ようとするモジュールの機能に応
じて選択されるが、中空糸膜の配列密度（充填率）は通
常およびｌＯ〜５５％程度とされる。

次に、中空糸膜スクリーンを血液通路内に設けたガス交
換部の例を′Ｍ３図〜第５図に示す。

第３図に示すガス交換部は、第２図に示した交互直交積
層型中空糸膜型スクリーンを血液通路６ｂの血液の流れ
の方向に４段配置した構成を有する。

第４図に示すガス交換部は、第１図に示した並列型スク
リーンを血液の流れの方向に４段設けた構成を有し、各
スクリーンの中空糸Ｍ１の方向が、奇数段目のスクリー
ンと偶数段目のスクリーンでほぼ直交するように各スク
リーンが固定されている。

第５図に示すガス交換部は、第４図と同様に、第１図に
示した並列型スクリーンを４段設けた構成を有するが、
各スクリーンの中空糸膜１の方向は同方向となるように
各スクリーンが固定されている。

なお、ガス交換部に配置するスクリーンの構造は所望と
するモジュールの機能に応して適宜選択され、同一構造
のスクリーンを、あるいは異なる構造のスクリーンを、
各スクリーンにおける中空糸膜の固定方向を必要に応じ
て変化させて用いることができる。

また、血液通路６ｂ内でのスクリーンの個数及びそれら
の間隔は、所望とするモジュールの機能に応じて適宜選
択され、例えばスクリーンとして用いた中空糸膜シート
における中空糸の密度、膜面積、血液通路の内径や長さ
等との関連で決定することができる。

図示した例では、固定部材６は直方体形状を有し、その
内部に両端が開口する直管状の、すなわち断面が円形で
内径変化を伴わずに直線状に伸びた中空部からなる血液
通路６ｂが設けられている。このように、血液通路６ｂ
を直管状とし、それに交差させて中空糸膜スクリーンを
固定したことて、血液の滞留が起きにくく、かつ長期使
用時における血栓の発生を効果的に防止することができ
る。

なお、固定部材６の形状（外形）は通常は立方体形もし
くは直方体形とされるが円柱形や多角柱形等の形状であ
りでもよい。

血液通路６ｂの内径は、圧力損失の点から、およそ２ｃ
ｍ程度以上であることが好ましく、実用的観点から３０
ｃｍ程度以下であることか好ましい。

各スクリーンの血液通路６ｂに対する角度は、およそ６
０〜１２０度程度であることが好ましく、９０度（垂直
）であることか特に好ましい。

すなわち、図示したようにほぼ直交させることによって
、血液に適度な乱流を起させて、チャンネリングの発生
をより効果的に防止することができる。

また、血液通路６ｂ内でのスクリーンの個数及びそれら
の間隔は、所望とするモジュールの機能に応して適宜選
択され、例えばスクリーンとして用いた中空糸膜シート
における中空糸の密度、膜面積、血液通路の内径や長さ
等との関連で決定することができる。

以上の構成からなるガス交換部の外壁面に気体導入口、
気体導出口、血液導入口及び血液導出［］を設けて本発
明の外部潅流式中空糸膜型人工肺モジュールを作製する
ことかできる。

第６図にその一例を示す。第６図（Ａ）は本発明の外部
潅流式中空糸膜型人工肺モジュールの一例の血液導入口
４側を正面とした正面図、第６図（Ｂ）はその平面図、
第６図（Ｃ）は第６図（Ａ）におけるＡＡ線での断面図
である。なお、第６図（Ｃ）においては、横方向の中空
糸膜１ｂは省略されている。

このモジュールは、第２図で示した交互直交積層型中空
糸膜スクリーンを、同定部材６内の血液通路６ｂ内に血
液の流れにほぼ直交させて上流がら下流方向に１１段配
置したガス交換部と、キヤ”／ブ７ａ、７ｂ、８ａ、８
ｂ、９．１０及びそれぞれのキャップに接続された気体
導入口２ａ、３ｂ、気体導出口２ｂ、３ｂ、血液導入口
４、血液導出口５を有する。

固定部材６の各外壁面に接合された各キャップは、固定
部材６を取り囲んで互いに接合されており、気体導入口
２ａ、２ｂ、気体導出口３ａ、３ｂ、血液導入口４及び
血液導出口５とそれぞれ連通する各領域を互いに液密及
び気密に仕切っている。各キャップは、例えばポリメチ
ルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリエチレン、
又はポリブローピレン等から形成することができ、こわ
らの導入口、導出口を設ける位置やその個数、これらの
口と連通ずる領域の構造等は図示した例に限定されず、
用いた中空糸膜スクリーンの構造等に応して選択される
。

このモジュールにおけるガス交換は、酸素を含む気体（
酸素ガス自体、あるいは酸素ガスを窒素などの気体によ
って適当な濃度に希釈した混合気体）を気体導入口２ａ
、２ｂから所定の流量及び圧力で、また被処理面液を血
液導入口４から所定の流量及び圧力で導入することによ
って行われる。

気体導入口２ａ、２ｂから導入された気体は、これら導
入口側の固定部材６の外壁にある中空糸膜１ａ、１ｂの
開口からこれら中空糸膜の中空部内に流入し、各中空糸
膜の膜壁を介して、血液導入口４から血液通路６ｂ内に
導入された血液とのガス交換がおこなわわ、各中空糸膜
の他方の開口から気体導出口２ａ、３ｂを介してモジュ
ール外に排出される。また、血液通路６ｂ内を流れ、各
中空糸膜の膜壁におけるガス交換によって酸素濃度が高
められた血液は血液導出口５からモジュール外に取り出
される。

以上のような構成を有する本発明のモジュールは、例え
ば、以下のようにして作製することができる。

中空糸膜スクリーンを積層させたものを金型にセットし
、それを血液通路６ｂの中心になる部分を軸に高速回転
させる。この状態で金型に固定部材を流し込み、それが
硬化するまで高速回転を維持し、硬化後、金型からモジ
ュールを取り出す。

［実施例］ 以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。

実施例１ 中空糸膜として、厚み５μｍの多孔質ポリエチレン層（
外層）、厚み１μｍの非多孔質セグメント化ポリウレタ
ン層（中間層）及び厚み１９μｍの多孔質ポリエチレン
層（内層）の三層構造であって、内径２００μｍの複合
中空糸膜をポリウレタンからなる固定部材に固定すると
ともに血液通路を形成して、第４図に示す構成のガス交
換部を製作した。中空糸膜スクリーンは奇数段目と偶数
段目が互いに直交するように合計６０段配置し、ｘ＝１
０．０ｃｍ、ｙ＝１０．０ｃｍ、ｚ＝７．０ｃｍ、スク
リーン開路１１ニア５０４ｍ、スクリーン内中空糸膜間
隔：１０μｍ、血液通路内径ニア、Ｏｃｍ、血液通路内
組膜面積０．５ｍ２とした。

次にこのカス交換部に第６図（Ａ）〜（ｃｌ、）に示す
構成のポリカーボネート製の各キャップをそれぞれ接着
して、本発明の中空糸膜型人工肺モジュールを得た。

得られたモジュールの中空糸膜の単位膜面積当たりの血
液供給量（Ｑ／　Ｓ　：　ｆｌ、／ｍ　ｉ　ｎ・ｍ２　
）に対する酸素加能（Ｔｏ２　：ｍＩｌ／ｍｉｎ・ｍ２
）を以下の条件で測定したところ、第７図に示す結果を
得た。

酸素加能測定条件： 使用血液 新鮮ヘパリン加生血液（３７℃、ヘマトクリット３５％
、ｐＨ７，３２、酸素分圧６５ｍｍＨｇ、ヘモクロビン
濃度ｔ２．５ｇ／ｄＪ２）　　　　　− 中空糸膜への導入気体 純酸素（３７℃、流速２Ｊ１／ｍ’ｉｎ）モジュール内
温度 ３７℃ 酸素加能算定式： ％式％ ］ α：酸素ガス溶解度 （３７℃、０．０３ｍ１ｌ／Ｉｔ　・ｍｍＨｇ）ＰｖＯ
２：気体導入口側酸素分圧 Ｐａｄ２　：気体導出ロ側酸素分圧 Ｑ：血液流量（Ｊ２／ｍ１ｎ） Ｓ：血液通路内組膜面積（ｍ２） 比較例１ 実施例１と同様の中空糸膜を、ポリカーボネート製ハウ
ジング内の所定の位置に固定部材としてのポリウレタン
により両端を開口状態として固定して第８図（Ａ）及び
（Ｂ）に示す構造の外部潅流型式中空糸膜型人工肺モジ
ュール（ｘ−〇。６ｃｍ、ｙ＝１．８ｃｍ、ｚ＝２０．
０ｃｍ、小室数＝５、各小室の中空糸膜の充填率＝３０
％、接触室内組膜面積＝０．５ｍ’　）を作製した。

このモジュールの酸素加能を、実施例１と同様の条件で
測定したところ、第７図に示す結果を得た。実施例１と
比較すると酸素加能は／Ｊ％さがった。

実施例２ 血液通路内組膜面積を１．１ｍ２とする以外は実施例１
と同様の構成を有する中空糸膜型人工肺モジュールを得
た。

次に、この人工肺モジュールを右心補助人工心臓に接続
し、それを山羊の右心房と肺動脈間に装着した。

山羊に対してヘパリンによる抗凝血療法（１０〜４０　
Ｕ　／　ｋ　ｇ　／　ｈ　ｒ　）を施しながら、右心補
助人工心臓によって血液の流量を１．５４！／ｍｉｎと
し、３８〜４０℃の純酸素を２ｊ２／ｍｉｎの流量で人
工肺モジュール内の中空糸膜の吊空部に流し、この状態
を保ち、長時間血液接触時のガス交換性能の変化を血液
ガス分析計（コーニング社１５８型）を使用することに
より追跡し、また人工肺モジュール内における血栓形成
の有無を調べた。

その結果、測定開始７２時間後においても血栓の発生は
認められず、またガス交換性能も安定していた。

比較例２ 血液通路内組膜面積を１．１ｍ２とする以外は比較例１
と同様にして作製した人工肺モジュールを用い、実施例
２と同様にして長時間血液接触時のガス交換性能の変化
、及び人工肺モジュール内における血栓形成の有無を調
べた。

その結果、測定開始４０時間後にはモジュール内に血栓
の付着が確認され、ガス交換性能も低下した。

［発明の効果］ 本発明の中空糸膜型人工肺モジュールは、血液流路が直
管状であるために血液の滞留が起こりにくく、血栓の発
生が防止される。又、血液流路に交差させて中空糸膜ス
クリーンが固定された構造を有し、血液流に適度の乱流
を起こすことかできるので、チャンネリングのない血液
の効率良いながれを得ることができ、カス交換能を高め
ることができる。

しかも、上記の構造を有することで本発明の中空糸膜型
人工肺モジュールはこれらの特性を損なうことなく小型
化が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の中空糸膜型人工肺モジュー
ルにおける中空糸膜スクリーンの構成例を示す断面図、
第３図〜第５図は中空糸膜スクリーンの固定例を示すガ
ス交換部の斜視図、第６図（Ａ）本発明の中空糸膜型人
工肺モジュールの一例の正面図、第６図（Ｂ）はその平
面図、第６図（Ｃ）は第６図（Ａ）のＡＡ線での断面図
、第７図は実施例１及び比較例１において測定された血
液流速に応じた酸素加能の変化を示すグラフ、第８図（
Ｂ）は従来の中空糸原型人工肺モジュールを一部を縦断
面図として示した図、第８図（Ａ゛）は第８図ＣＢ＞の
ＢＢ線ての断面図である。 １．１ａ、１ｂ：中空糸膜 ２ａ、２ｂ、１６：気体導入口 ３ａ、３ｂ、１７：気体導出口 ４：血液導入口 ５：血液導出口 ６：固定部材 ６ａ−１〜６ａ−４：外壁面 ６ｂ：血液通路 ７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ、９．１０： キャップ １１：ハウジング １２：接触室 １３：小室 １４：邪魔板 １５：血液流路 特許出願人　三菱レイヨン株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）固定部材内に設けた両端が開口する直管状の血液通
   路と、多数の中空糸膜をそれぞれの開口端を前記固定部
   材の外壁面に開口して固定することにより前記血液通路
   内に設けられた中空糸膜スクリーンと、これら中空糸膜
   内に酸素を流すための気体導入口及び気体導出口と、前
   記血液通路に血液を流すための血液導入口及び血液導出
   口とを有することを特徴とする中空糸膜型人工肺モジュ
   ール。 ２）直管状の血液流路に対して中空糸膜スクリーンがほ
   ぼ垂直状態に配置されてなる請求項１記載の中空糸膜型
   人工肺モジュール。