JPS5819300B2 - 固着材に埋めこまれた複数の中空繊維を切断する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は中空繊維の切断方法に関するものであって、特
に、人工腎臓用の血液透析装置等の選択的透過装置を製
造する際に好適な方法を提供するものである。

液状又は気体状の混合物が薄膜を介して選択的に分離さ
れ得ることはよく知られている。

この場合、選択性や拡散速度は膜の材質、膜厚、有効表
面積、膜の両側の差圧、温度の関数であることもよく知
られている。

膜を通じての物質の透過速度の違いを利用した１つの有
効な方法として、高分子物質からなりかつ選択透過性能
を有する中空繊維膜を利用する方法がある。

この方法は、中空繊維を用いるために、小型でありなが
ら有効表面積の大きい装置が得られることから、将来多
方面に利用されるものと考えられている。

例えば、腎不全患者を死から救うことを目的とする血液
透析装置では、専らセルローズ膜又はアクリロニトリル
共重合体からなる中空繊維を多数密に束ね、この中空繊
維束を長い筒状または断面矩形状のケース内に装填する
ようにしている。

ケースの両端部においては、エポキシ樹脂、ポリウレタ
、ン、シリコーン樹脂等のポリマー組成物からなる固化
後の性状が適度な弾性を有する固化性液体によって中空
繊維束の両端部を固着する。

これによって、中空繊維は実質的に互いに平行でかつケ
ースの長さ方向にも平行な状態にて固定され、固化した
固着材中を互いに同一方向に貫通したものとなる。

この装置の組立てには新しい方法を導入することが必要
である。

例えば、中空繊維束の両端部をケースの両端部に固定す
るのにポリウレタンを用いる場合を想定すると、このポ
リウレタン組成物は各中空繊維の周囲及びケースの内側
を密でかつ完全に封緘するように固着されなければなら
ない。

この固着操作はポツティングと呼ばれ固着材はポツティ
ング材と呼ばれている。

この操作の１方法としては、例えば、組立てられた装置
を遠心機で回転させながら、ケースの両端部に取付けた
鋳型内に液状の固化性液体を導入することにより達成さ
れる。

そしてこの装置は導入された上記樹脂が充分に固まるま
で高速で回転されるようにし、これによって液状樹脂が
毛細管現象により中空繊維束に沿ってケースの中央部方
向に這い上がる現象（Ｗｉｃｋｉｎｇ）を防止すること
が出来る。

両端部の固着材を固化させ或いは熱処理した後に、上記
鋳型を取除き、更にその固着材に埋め込まれた状態でこ
れを貫通している各中空繊維を中空繊維の長手方向に直
交する方向で切断して中空繊維の末端を切断面に開口さ
せる。

そしてこの開口を通じて中空繊維の内側（中空部分）に
患者の血液を通し、外側に透析液を通すことにより、中
空繊維の壁膜を通じて血液中の諸成分を透析する。

上述した装置の組立てに際して遭遇する最大の困難は中
空繊維の切断である。

殊に、固着材の性質に起因するのであるが、例えば、ハ
ム切断機のような通常の切断機により通常の方法で切断
を行なうと、中空繊維末端に形成される開口は切断刃に
相尚量こすられ、中空繊維の閉塞や、固着材と中空繊維
との接着面の剥離あるいは切断面の凹凸を生じることが
判明した。

この原因としては、機械的に切断するときに発生する熱
によって前記固着材或いは発生した前記固着材の切りく
ずの一部に溶融や軟化が起こり、これらによって切断刃
の回転中に中空繊維の開口の一部又は全部が覆われて閉
塞されてしまうこと、及び、刃面と切断面が接触してい
ることにより生じるせん断応力により、固着材と中空繊
維との接着面との剥離や切断面の凹凸を生ずることによ
ると考えられる。

選択的透過装置を血液透析に用いるときには更に大きな
問題が生じる。

血液は異物と接触すると本質的に凝固する性質があるが
、この凝血性は血液の流れが乱されると加速される。

通常、腎不全患者が透析療法を受けるとき、たとえ抗凝
血剤としてヘパリンを使用しても若し上記切断面が平滑
でなかったり、切断時に中空繊維が固着材から僅かでも
剥離したり、中空繊維の切断が不均一であったり、或い
はまた中空繊維の切断面の位置が前記固着材の切断面よ
りずれていたりすると、その部分から凝血が生じて次々
に成長してしまう。

この結果、その成長した血液の固まりが中空繊維の開口
を覆ったり、その小片の一部分が剥離して中空繊維の中
空部分に入ったりしてこの中空部分を通じて血液が流れ
なくなり、透析効率の減少を招くのみならず、ついには
透析不能となる恐れがある３中空繊維をケースに固着（
ポツティング）するのに用いられる固化性液体であるポ
リウレタン、シリコーンゴム、エポキシ樹脂等の固着材
（ポツティング材）はゴムにみられるような特有の粘着
性と弾性とを有しているので、切断する際に切断刃がか
らまって平滑な切断を行なうことが出来なＧ）。

これは例えばポリウレタンのブロックのみを切断すると
きにも現われる現象であるが、血液透析装置のように、
ポリウレタン樹脂中に貫通した状態で埋め込まれたセル
ローズ製の中空繊維束をポリウレタンと共に切断する場
合にも問題となる。

即ち、ポリウレタンは粘着性と弾性とを有しているが、
セルローズの中空繊維はかなりの剛性を有しているので
、切断刃に対する両者の挙動が非常に違ったものとなる
。

これを図面につき説明すると、第１図に示す如く、固着
材１中に埋め込まれた中空繊維２を切断刃３により直角
方向に切断するに際し、まず弾性のある固着材１の一部
分が切断され、次いで中空繊維２が切断されようとする
。

ところが、このとき、中空繊維２の剛性が固着材１に比
べて大きいために、第２図に示す如く、中空繊維２はそ
のまＸ切断されずに切断刃３との接当部分から屈曲して
しまう。

このために切断面において中空繊維２が固着材１から部
分的に剥離し、これらの間に裂は目４が生じてしまう。

逆に上記接当部分とは反対側では中空繊維２が固着材１
に押し付けられるので裂は目が生じないが、上述のよう
に中空繊維２が屈曲した状態で切断されるために、切断
後の切断面の状態は第３図に示す如くになる。

即ち、裂は目４が残り、然も中空繊維２の切断面が斜め
になって切断面５が平滑にならずに中空繊維２の端面が
突出してしまう。

このような切断面を有する血液透析装置を用いると、凝
血を防止出来ないことは明らかになった。

本発明の目的は、固着材に埋め込まれた中空繊維を固着
材と共に切断するに際し、簡単かつ敏速で、精度が良く
、経済的な方法を提供することである。

本発明の別の目的は、切断面を傷付けたり或いは切断に
より形成された中空繊維の開口を部分的又は完全に閉塞
したりすることなく、切断面に中空繊維を開口させ、こ
れによって中空繊維の内側をスムースに流体が流れるよ
うにする方法を提供することである。

本発明の更に別の目的は、中空繊維をこの長さ方向と直
交する方向に切断し、極めて平滑な切断面を形成するこ
とにより、特に人工腎臓用の血液透析装置において血液
の凝固を防止し得るようにした方法を提供することであ
る。

本発明は、前記した欠点を完全に克服し上述の目的を達
成したものである。

すなわち、本発明は固着材に埋めこまれた中空繊維を前
記固着材とともにあらかじめ所定の位置まで予備切断し
、しかる後、該接断面と角度をなすように駆動軸に固定
された高速で滑走する直刃により、前記中空繊維を前記
固着材と共に切断し、この切断面に前記中空繊維を開口
させてなる中空繊維の切断方法に関するものであり、特
に、硬化後の固着材のデュロメーターＤ硬度が２０乃至
６０となる固着材に埋めこまれた中空繊維の切断方法に
係るものである３本発明の好ましい実施態様は、固着材
に埋めこまれた中空繊維を、通常の切断機、例えば、糸
鋸、帯鋸、又は丸鋸等の鋸刃を用いる切断機、あるいは
ハム切接、帯刀切断機等の直刃を用いる切断機、あるい
は砥石刃を用いる回転切断機等を用いて、第４図に示さ
れる所定の位置ｘ −ｘ’まであらかじめ切断し、しか
る後、該ケース１０に固着材１により固着された中空繊
維２を第５図に示される切断装置２０の固定台１３に固
定し、かつ、第６図及び第７図に示されるように、直刃
３のうら刃面Ａが切断面Ｃと接触しないように直刃３を
切断面Ｃと角度θ２をなし力り直刃３の刃先線Ｐが滑走
方向Ｘと角度θ３をなすように駆動軸１１に固定し、後
、駆動軸を高速で滑走させることにより前記中空繊維２
を前記固着材１と共に、必要に応じ、適度の厚さでくり
返し切断し、この切断面に前記中空繊維２を開口させる
ものである。

本発明における前述の直刃３による切断において、第６
図に示される刃先角度θ１は５°−６０）する必要があ
る。

５°未満では刃厚が薄くなりすぎて刃先が折損し易くな
り、６０°を越える場合は刃が厚くなりすぎて切断し難
くなるからである。

また、前記直刃３のうら刃面Ａと切断面Ｃとのなす角度
θ２を１°以上８５°未満とする必要がある。

１°未満では直刃のうら刃面Ａが切断面と接触し易くな
り、８５°以上では切断が垂直方向に行ない難くなって
、いずれも切断し難くなるためである。

これらより、前記直刃３の刃先角度θ１と前記直刃のう
ら刃面Ａが切断面Ｃとなす角度θ２との和θが６°以上
９０°未満の範囲とする必要がある。

９０°以上では所定方向に向けての切断ができなくなる
からである。

さらに、第７図に示される直刃３の刃先線Ｐが滑走方向
Ｘとなす角度θ３は１０°以上８０°以下である必要が
ある。

１０°未満では前記直刃のスライド部分が長くなってス
ライド時間も要し、また８００を超える場合は刃先の衝
当面が犬となりすぎて、いずれもスムースに切断し難く
なる。

また、前記直刃の滑走する速度は中空繊維を鋭利に切断
開口させるためには毎分１ｍ以上とする必要がある。

前述した切断は、第４図に示される所定の位置Ｙ −Ｙ
’までなされるのであるが、１回の切断厚さｄ２が５μ
〜２００μとなるように、例えば第５図に示される固定
台１３を上昇させて５〜１００回程度くり返し切断する
ことが好ましい。

前記切断厚さｄ２が５μ未満では切断厚みを制御するこ
とは難しくかつ所定の位置まで切断するための切断回数
が飛躍的に上昇し実用的でなくなり、２００μを超える
場合は被切断部分が厚くなって切断がスムースに出来な
くなるからである。

これらのことは後述の実施例によっても例証される。

本発明において用いられる前述の固着材はポリウレタン
、シリコーンゴム又はエポキシ樹脂等の１種又は２種以
上からなっていてよい。

これらは多少の弾性と粘着性とを有していて応力に対し
て変形し易い性質を有している。

また本発明において用いられる上述の中空繊維は合成高
分子、天然高分子又は半合成高分子等からなっていてよ
く、好ましくは外径１０〜５００μ、膜厚１〜１００μ
で物質の選択透過性を有していることが必要である。

中空繊維は従って上述の固着材と異なって粘着性及び弾
性がそれ程著しくなくむしろある程度の剛性を有してい
る場合が多く、応力に対して変形し難い性質がある。

なお、上述の合成高分子としては、ポリオレフィン、ポ
リエステル、ポリアミド、シリコーン、ポリエーテル、
ニトリルポリマー、ポリスルフィド等が挙げられ、具体
的に例示すれば、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフ
タレート、ナイロン、ポリアクリロニトリル、ポリメチ
ルメタクリレート、ポリベンジルグルクメート等のポリ
ペプチド、シリコーン系ポリマーを始め、フィルム形成
能のあるビニル重合体、これらを主成分とする共重合体
が挙げられる。

上述のポリマーは単一に或いは混合体として用いてよく
、またステレオコンプレックス、例えばシンジオタクチ
ックのポリメチルメタクリレートとアイソタクチックの
ポリメチルメタクリレートとのコンプレックスを用いて
もよい。

また上述の天然高分子としてはセルローズ、コラーゲン
等が挙げられ、上述の半合成高分子としてはセルローズ
アセテート等が挙げられる。

本発明において用いられる中空繊維の構成材料は、その
目的によって異なり、混合物から選択的に分離される物
質によって適当なものを選択することが出来る。

本発明の特徴は、直刃３のうら刃面Ａが切断面Ｃとなす
角度θ２を限定することにより、うら刃面Ａが切断面Ｃ
と接触することを防止し、その結果第８図に示される平
滑な切断面をうろことにある。

また、直刃３の刃先角度θ１、及び前記直刃３のうら刃
面Ａが切断面Ｃとなす角度θ２、及び前記角度θ１と前
記角度θ２とのなす角度の和θ及び直刃３の滑走速度を
限定することにより、平滑でかつ中空繊維を傷つけず、
中空繊維と固着材との間のさけ目を生じない良好な切断
面を得ることにある。

また本発明の特徴は直刃３の刃先線Ｐと滑走方向Ｘとの
なす角度θ３、及び切断厚さｄ２を限定することにより
、切断時の直刃３が固着材に食いこんで切断不能となる
事態や刃先の折損を防止し、短時間にくり返しの切断を
可能にすると同時に良好な切断面をうろことにある。

さらに、本切断方法で良好な切断面を得るためには、固
着材のデュロメーターＤ硬度が２０乃至６０の範囲が好
ましくこれより低ければ、平滑な切断面を得難くなり、
この範囲より高ければ刃の損耗が大きく、また切断所要
時間も犬となる。

さらに、本発明の特徴は、固着材と中空繊維の剛性が違
っていても、前述のような条件とすることにより、固着
材と中空繊維とが同一平面をなすように平滑に切断され
、その境界部分において前述したような裂は目が生じた
り或いは中空繊維の開口が変形したりすることがなく、
従って第８図に示す如く、本発明による切断面５は極め
て滑らかでありかつまた中空繊維２の端面が突出するよ
うなことはなく、開口の断面も真円に近いものとなる。

このような理想的な切断はエポキシ樹脂に埋め込まれた
シリコーン系中空繊維のように、中空繊維の方が剛性の
少いものでも同様であった。

本発明による切断方法を用いて中空繊維を切断した血液
透析装置によれば、凝血現象が起こらず、凝血による中
空繊維の中空部の閉塞現象が生じなくなった。

これは非常に意義深いものであり、人工腎臓の改良に課
せられていた最大の欠点を取除くものである。

なお本発明による切断方法は、血液透析装置以外の選択
透過装置、例えば中空繊維の壁膜を通じてガス相からガ
ス相、液相からガス相等へ物質を移動させる装置の製造
に際しても適用することが出来る。

次に本発明を以下の実施例に基づいて更に詳述するが、
本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、その
技術的思想に基づいて更に変形が可能であることが理解
されよう。

実施例 １ 約ｓ、ｏｏｏ本の外径３００μ、内径２００μのセルロ
ーズ製中空繊維を束ねて血液透析用の筒状ケース内の所
定の位置に収納し、遠心法によってこの中空繊維束の両
端部をスミジュールＰＦ（住友バイエル製）とヒマシ油
との１：２混合物からなるポリウレタンでケースの両端
部に固着した。

第４図に示すように中空繊維２はケース１０の長さ方向
に並び、ケースの両端部に固着した固着材１（ポリウレ
タン）中に埋めこまれた状態でこれを貫通していた。

硬化４８時間後のポリウレタンのデュロメーターＤ硬度
は測定瞬時で２８．１０秒後で２４であった。

この固着部分を第４図の固着部分の部分拡大図に示され
るｘ −ｘ′位置をあらかじめ糸のこで切断し、しかる
後第６図に示される如く直刃３の刃先角度θ１が７４式
最最大厚ｄ１が５ｍｍ、直刃３のうら刃面Ａと切断面Ｃ
とのなす角度θ２が２２１式前記角度θ１と前記角度θ
２との和θが３０°であり、第７図の平面図に示される
如く滑走方向Ｘと直刃３の刃先Ｐとのなす角度θ３が４
５℃切断速度を毎分４ｍ、切断厚さｄ２５０μとなるよ
うにして、切断を２０回くりかえし第４図に示される所
定のＹ −Ｙ′位置まで切断した。

この方法によると、中空繊維はポリウレタンと共に極め
てスムースにかつ高速で切断され、この切断面は非常に
平滑であった。

拡大鏡で観察すると、切断面の平滑さは従来例と比べて
比較にならない程良好であった。

また切断面における中空繊維の開口は真円に近く、従来
法による場合のように変形が全く認められず、然も均質
であった。

この開口を拡大鏡で詳細に調べてみると、従来法では必
ず発生していた微小な切断くずや開口の閉塞は全く認め
られず、中空繊維とポリウレタンとの境界面の剥離や裂
は目、中空繊維とポリウレタンとの間の段差等は全く観
察されなかった。

本実施例による切断方法を用いて組立てた人工腎臓を用
いて腎不全患者の血液透析療法を行なった結果、これま
でしばしばみられた凝血によるトラブルは皆無であった
。

実施例 ２ 約８０００本の外径３００μ、内径２００μのセルロー
ス製中空繊維を束ねて、血液透析用の断面矩形状のケー
スの所定の位置に収納し、遠心法によってこの中空繊維
束の両端部をポライド（Ｖｏｒｉｔｅ） ６８９ （Ｎ
Ｌ社製イソシアネート）とポリシン（Ｐｏ１ｉｃｉｎ
） ９３６ （ＮＬ社製ポリオール）の４８：５２の混
合物からなるポリウレタンでケースの両端部に固着した
。

ついで、第１表に示されるように、硬化時間を変えて硬
化後のポリウレタン硬度をコントロールし、切断速度及
び直刃３の刃先線Ｐと滑走方向とのなす角度θ３、を変
えて第１の実施例と同様に切断して切断状態を観察した
。

この結果を第１表に示す。

この結果から明らかなように、直刃３の刃先角度θ１が
５°以上６００以下、直刃３のうら刃面Ａと切断面Ｃの
なす角度θ２が１°以上８５°未満であって、角度θ１
と角度θ２の和が６°以上９０°未満であれば良好な切
断状態が得られることがわかる。

実施例 ４ 第３の実施例と同様にして、セルロース製中空繊維を血
液透析用断面矩形状ケースの両端部に固着した。

ついで、第３表に示されるように、切断厚さｄ２をかえ
、直刃３の刃先角度θ１７． ｓ ？該直刃のうら刃面
Ａと切断面Ｃのなす角度θ２２２．５？前記角度θ、と
前記角度θ２との和θ３０コ切断速度５ｍ／分、直刃３
の刃先線Ｐと滑走方向とのなす角度θ３４５°で２０回
くりかえし切断して所定の位置まで上記固着部分を切断
し、その切断状態を観察した。

（表中、＊（１）及び＊（２）は第１表の説明に同じ）
第３表の結果から明らかなように、切断厚さｄ２が５μ
〜２００μの範囲では良好な切断状態が得られる。

なお、切断厚さが５μ以下の場合でも良好な切断状態が
得られるが、５μ以下の切断厚みを制御することは難し
く、また、所定の位置まで切断するための切断回数が飛
躍的に上昇し、経済的ではなく、実用上は問題がある。

実施例 ５ アクリロニトリル９７１ｙ、＝メクリルスルフオン酸３
係との共重合体からなる約ｓ、ｏ ｏ ｏ本の半透性中
空繊維（内径２８０μ程度）を束ねて透析用の筒状ケー
スの所定位置に収納し、この中空繊維束の両端部をダウ
コーニング社製のシラスチック（商品名）からなるシリ
コーンゴムで固着した。

そしてこの固着部分を前記実施例１と同様の装置により
中空繊維の長さ方向と直角に切断した。

切断面は非常に均質かつ平滑であり、開口した中空繊維
の断面は真円に保たれていた。

この方法で切断した中空繊維束を具備する血液透析装置
を用いて実際に血液透析を行なったところ、殆んど凝血
を起さなかった。

実施例 ６ ポリメチルメタクリレートからなる約４，８００本の中
空繊維（内径２８０μ程度、外径３５０μ程度）を束ね
て透析用の円筒状ケース内に収納し、その両端部を東芝
シリコーンＴＳＥＲＴＶ３４０２（東芝シリコーン製）
からなるシリコーンゴムで固着した。

そしてこの固着部分を前記実施例１と同様の装置により
中空繊維の長さ方向と直角に切断した。

本実施例でも極めて平滑な切断面が得られ、中空繊維の
開口面での歪や変形は殆んど認められず、かつまた中空
繊維とシリコーンゴムとの剥離も認められなかった。

本実施例により切断した中空繊維束を具備する血液透析
装置を用いて実際に血液透析を行なってみると、中空繊
維での凝血現象が殆んどみられず、切断面の優れた平滑
性及び均質性が証明された。

実施例 ７ セルローズアセテートからなる約２０，０００本の中空
繊維（内径４６０μ程度、外径６３０μ程度）を束ねて
円筒状ケース内に収納し、その両端部をセメダイン社製
のエポキシ樹脂で遠心法により固着した。

この固着部分を前記実施例１と同様の装置を用いて切断
した。

この切断はスムースに行なわれ、極めて均質で平滑な切
断面が得られ、中空繊維の開口はきれいでかつ均一とな
り、変形、閉塞、剥離はなく、極めて良質であった。

実施例 ８ ガス透過性を有するシリコーンゴム薄膜からなる約３，
０００本の中空繊維（内径０．彊腸程度）を束ねて血液
透析用のケース内に収納し、その両端部をエポキシ樹脂
によりケースに固着した。

この固着部分を前記実施例１と同様に切断した３本実施
例でも極めて平滑な切断面が得られ、中空繊維の開口は
真円に近く、歪や変形は認められなかった。

本実施例により組立てられた透析装置を用いて、血液の
酸素−炭酸ガス交換（人工心肺）の実験を行なったが、
中空繊維の内側に凝血現象が認められなかった。

実施例 ９ セルローズの代りにナイロンからなる中空繊維（内径３
２０μ程度）を用いた以外は前記実施例１と同様に実施
した。

この場合にも平滑な切断面が得られ、中空繊維の切断面
とポリウレタンの切断面との間に凹凸がなく、中空繊維
の開口は真円形であって良質の切断面が得られた。

実施例 １０ ポリエピクロルヒドリンからなる約１，０００本の中空
繊維（内径３６０μ程度）を用いた以外は前記実施例３
と同様に実施した。

この場合にも切断面は極めてきれいで平滑であり、中空
繊維とシリコーンゴムとの境界で剥離やクラックがなく
、良質の切断面を得ることが出来た。

実施例 １１ ポリスルホンからなる中空繊維（内径２１０μ程度）を
用いた以外は前記実施例６と同様に実施した。

本実施例でも極めてきれいな切断面を得ることが出来た
。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は従来例を示すものであり、第１図は中
空繊維を固着材で固着した部分を切断刃で切断するとき
の主要部の断面斜視図、第２図は切断を更に進行させた
ときの第１図と同様の断面斜視図、第３図は中空繊維の
切断面の部分断面図である。 第４図〜第８図は本発明による方法の一例を示すもので
、第４図は固着材に埋めこまれた中空繊維の切断部分を
示す部分断面図であり、第５図は切断機の一例で、同側
面図であり、第６図は本発明方法による切断を示す部分
側面図であり、第７図は第６図における平面図であり、
第８図は中空繊維の切断面の縦断した主要部の断面斜視
図である。 なお、図面に用いられている符号において、１は固着材
、２は中空繊維、３は直刃、１０はケースである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 固着剤に埋めこまれかつこの固着剤と剛性の異なる
   中空繊維を前記固着材とともに、あらかじめ定められた
   位置まで切断を行（１、後、刃先が前記切断面と角度を
   有しかつ高速で滑走する直刃によって切断し、この切断
   面に前記中空繊維を開口させることを特徴とする固着材
   に埋めこまれた複数の中空繊維を切断する方法。