(57)【要約】  本発明は、物質移動装置の中に配置するための中空繊維束（１）に関わる。この中空繊維束（１）は、熱伝導及び／もしくは物質移動のための複数の中空繊維糸（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を有しており、これら中空繊維糸は、基本的に少なくとも部分的に特有の方向に沿って並べられており、これらの部分的な特有の方向に関して、少なくとも１つの第１のグループの中空繊維糸がほぼ第１の方向（Ｖ１）に向き、少なくとも１つの第２のグループの中空繊維糸がほぼ第２の方向（Ｖ２）に向き、少なくとも１つの第３のグループの中空繊維糸がほぼ第３の方向（Ｖ３）に向くように、互いに配置されており、これら３つの特有の方向は、互いに独立している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質移動装置中に収容するための中空繊維束において、  
この中空繊維束（１）は、少なくとも部分的にほぼ特有の方向に沿って並べられている物質移動及び／もしくは熱伝導のための複数の中空繊維糸（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を有しており、これら中空繊維糸は、少なくとも１つの第１のグループの中空繊維糸（１０ａ）がほぼ第１の特有の方向（Ｖ１）に向き、少なくとも１つの第２のグループの中空繊維糸（１０ｂ）がほぼ第２の特有の方向（Ｖ２）に向き、少なくとも１つの第３のグループの中空繊維糸（１０ｃ）がほぼ第３の特有の方向（Ｖ３）に向くように、部分的な特有の方向（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）に互いに対して配置されており、これら３つの特有の方向（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）は、互いに独立していることを特徴とする中空繊維束。
【請求項２】
前記中空繊維糸（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）の少なくとも１つは、複数の中空繊維（１１）によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の中空繊維束。
【請求項３】
前記少なくとも１つの中空繊維糸（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）の前記複数の中空繊維（１１）は、一緒に編み合わせられていることを特徴とする請求項２に記載の中空繊維束。
【請求項４】
中空繊維束（１）は、一緒に編み合わせられる複数の中空繊維（１１）を有している物質移動、もしくは物質移動及び熱伝導のための少なくとも１つの中空繊維糸（１０ａ）を有することを特徴とする、物質移動装置中に収容するための中空繊維束。
【請求項５】
前記中空繊維（１１）の前記編み合わせは、前記中空繊維（１１）が互いを安定化させるように為されることを特徴とする請求項４に記載の中空繊維束。
【請求項６】
前記少なくとも１つの中空繊維糸（１０ａ）は、少なくとも１つの更なる中空繊維糸（１０ｂ）と関連して、物質移動、もしくは物質移動及び熱伝導のために、前記中空繊維束（１）中で、一緒に編み合わせられている複数の中空繊維（１１）に接続されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の中空繊維束。
【請求項７】
前記中空繊維束（１）は、２つの互いに独立した特有の方向（Ｖ１、Ｖ２）に向いている２つのグループの中空繊維糸（１０ａ、１０ｂ）を有していることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１に記載の中空繊維束。
【請求項８】
前記中空繊維束は、他の特有の方向（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）から独立している１つの特有の方向（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）に各々向いている３つのグループの中空繊維糸（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１に記載の中空繊維束。
【請求項９】
前記３つの特有の方向（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）は、互いにほぼ直交するように配置されていることを特徴とする請求項８に記載の中空繊維束。
【請求項１０】
前記第１のグループの中空繊維糸（１０ａ）と、前記第２のグループの中空繊維糸（１０ｂ）と、前記第３のグループの中空繊維糸（１０ｃ）とは、互いに編み合わせられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１に記載の中空繊維束。
【請求項１１】
前記第１のグループの中空繊維糸（１０ａ）と、前記第２のグループの中空繊維糸（１０ｂ）と、前記第３のグループの中空繊維糸（１０ｃ）との前記編み合わせは、機械的な付勢に耐え得る独立した構造が結果として形成されるように、為されることを特徴とする請求項１０に記載の中空繊維束。
【請求項１２】
前記編み合わせは、前記中空繊維糸（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）に対して規則的な構造を形成することを特徴とする請求項３乃至１１のいずれか１に記載の中空繊維束。
【請求項１３】
前記第１のグループの中空繊維糸（１０ａ）と前記第２のグループの中空繊維糸（１０ｂ）とは、物質移動のために設けられ、前記第３のグループの中空繊維糸（１０ｃ）は、熱伝導のために設けられることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１に記載の中空繊維束。
【請求項１４】
前記第１のグループの中空繊維糸（１０ａ）と前記第２のグループの中空繊維糸（１０ｂ）とは、前記第３のグループの中空繊維糸（１０ｃ）の前記特有の方向にほぼ沿った１つもしくは複数のチャンネル（２０）を形成することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１に記載の中空繊維束。
【請求項１５】
少なくとも１つの中空繊維糸（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）の前記中空繊維（１１）は、１つもしくは複数の穿孔されたディスク（３１）の穴によって少なくとも一定の領域に位置づけられることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１に記載の中空繊維束。
【請求項１６】
少なくとも１つの中空繊維束（１）は、請求項１乃至１５のいずれか１に従って形成されていることを特徴とする、少なくとも１つの中空繊維束を収容するための物質移動装置。
【請求項１７】
物質移動もしくは物質移動及び熱伝導のための少なくとも複数の中空繊維（１１）を与える工程と、  
少なくとも１つの中空繊維糸（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）中の少なくとも複数の前記中空繊維（１１）を編み合わせによって配置する工程とによって特徴付けられる、物質移動装置（２）中に収容するための中空繊維束（１）を製造するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質移動装置中に収容するための請求項１及び４の序文に係る中空繊維束と、少なくとも１つのこのような中空繊維束を収容するための物質移動装置と、物質移動装置中に収容するための中空繊維束を製造するための請求項１７の序文に係る方法とに関わる。
【背景技術】
【０００２】
物質移動装置の使用領域は、化学もしくは物理学での一般的な産業上の適用から、医療技術での適用まで及ぶ。本発明に係る意味での物質移動装置は、第１の相と、この第１の相から透過性の膜によって離間されている第２の相との間での、気体もしくは液体の相の中に存在するであろう物質の移動に関係している。この場合では、物質移動は、前記第１の相と第２の相との間の濃度もしくは圧力勾配によって生じる。移動される１種もしくは複数種の物質に応じて、あるいはこのような物質が存在する相に応じて、前記膜の構成は、所望の物質移動を保証し得るように、基本的な技術的条件を要する。
【０００３】
本発明は、医療工学の適用のみに限定されないが、以下では医療工学での適用が主に前提とされており、これに基づいて、本発明の基本的な原則が説明される。
【０００４】
物質移動のための医療工学の適用では、患者の体からの有害物質の除去、患者の体への健康増進もしくは生命維持の物質の移動が、通例、主要な焦点である。血液透析の要点は、例えば、患者の血液から有害な分解産物もしくは有毒物質を除去することである。人工肺の場合、一方では、患者の血液に十分な酸素を供給することが最重要であり、他方では、発生された二酸化炭素を血液から除去することもまた、必要である。医療技術の更なる代表的な物質移動装置は、例えば、血漿分離（plasma separation）（血液分離）のために、もしくは人工肝臓のような複合臓器（hybrid organs）のために、形成され得る。
【０００５】
患者の血液と、更なる移動相、例えば酸素を含む気体混合物との間で物質移動が行われる場合、患者の血液が十分に処理されること、即ち物質移動が十分に行われることが、確実にされなければならない。この結果として、十分な酸素が、移動相から膜を通って患者の血液に導入されることが、人工肺において注意されなければならない。同様に、堆積している十分な量の二酸化炭素が、患者の血液から除去されることが、考慮されなければならない。物質移動量によっては、人工肺は、例えば、自然な肺機能、もしくは単にこれの完全な代用物のためにのみ、使用され得る。この場合、例えば、外科手術の間に患者の肺機能の代わりとなるように、人工肺を患者の血液循環の外側及び内側に提供することが、可能である。
【０００６】
必要条件に応じて、必要な前記膜は、所望の物質移動を可能にするために、特定の物質の特性と幾何学形状とを有する。医学技術での現代の物質移動装置の多くは、中空繊維の膜を使用し、このような膜の繊維壁は、移動される物質のための所定の透過性を有している。このような膜は、適切な重合体プラスチックと、シリコーンの重合体ポリプロピレンもしくは重合体ポリメチルぺンテンなどによって形成され得る。従来技術に従えば、この場合、比較的大きな移動面を得るように、互いに平行な複数の中空繊維が、１つのマットになるように組み合わされることが、代表的である。このようなマットは、単一の層、もしくは複数の層でそれぞれ使用され得る。複数のマットによって形成されている層の場合、単一の中空繊維同士が互いに入れ子状態にならないように、種々のマットの中空繊維の各々の長軸が、規定の開き角度を互いに保っている。人工肺中では、複数のマットから成るこのような層は、基本的に中空のシリンダの形態であり、このシリンダの径方向に流れる血液が個々の中空繊維を通過した時に、物質移動を受ける。医療技術で広く知られているこの技術の代表例として、特許文献１が参照される。この文献では、示されている中空繊維が、平行に配置された複数の中空繊維を各々有している二重の層のクロス編みされた（double-layer, cross-wound）中空繊維マットにある。１つの中空繊維マットの複数の中空繊維は、この場合、個々の中空繊維の相互移動を抑制するように、１つの中空繊維マットの個々の中空繊維の長軸に直交している平行な縦糸によって一緒に縫い合わせられている。第１の中空繊維マットの中空繊維の、第２の中空繊維マットの中空繊維に対する配置は、例えば２２°の角度で傾斜している。更に、個々の中空繊維マットは、場合によっては互いに層になっており、１つの束へと集められている。これら中空繊維の端部は、これらを固定するように、樹脂によって１つのチューブにはめ込まれている。
【０００７】
幾何学形状の制限の他に、物質移動装置は、一般に、患者の治療及び医学的考察に関わる安全面に基づいた種々の性能要件を、満たさなければならない。これに関して、例えば、血液充填量が、移動相側（transfer phase side）（例えば人工肺中の酸素を含む気体）と血液側の相（blood side phase）とでの圧力降下と、血液細胞の剪断応力と、膜の面の性質と、血液との相互作用時の表面効果（surface effect）と同様に、考慮されなければならない。多くの影響を考慮に入れた解決法が、医療技術で提案されているが、このような解決法では、特定の要件の達成の向上が、他の要件の達成を不利にすることを犠牲にして、果たされる。効率と、これによる物質移動装置中で移動される物質の量とに関する重要なパラメータは、血液相と移動相との局所的な温度、並びに、これらの間の局所的な温度差である。かくして、例えば、現代の人工肺もまた、一体化された熱交換器を有しており、この熱交換器は、例えばプレート形状の構造の熱伝達部材を使用することによって、物質移動中に物質移動装置中の温度差を広範囲で均一にすることを、意図されている。
【０００８】
物質移動装置中の物質移動、特に人工肺中の酸素移動を改良することが可能となるように、下記の方程式１が、人工肺中の気体移動率（gas transfer rate）を数学的に示すと見なされ得る。  
ｄＶ／ｄｔ＝Ｋ・Ａ・Δｐｌｎ  （１）
ここでは、ｄＶ／ｄｔは、中空繊維中の気体の移動相と、前記中空繊維の外の血液相との間の気体移動率を示している。これに関して、この気体移動率ｄＶ／ｄｔは、全物質移動係数（Ｋ）と、膜の面のサイズ（Ａ）と、物質移動の駆動力を示す部分的なガス圧力の対数平均値（Δｐｌｎ）との積として、計算される。物質移動係数Ｋは、（ここでは詳細に説明されないが、）気相、膜、血液相中のそれぞれの気体に関する個々の物質移動係数の関数として、示され得る。
【０００９】
上記の方程式から、理論的に多くの処置が、物質移動装置中の物質移動を改良するために実施され得ることが、明らかである。しかしながら、技術的な実施が、１つのパラメータを改良するための多くの処置が、他のパラメータの低下を伴うことを示している。中空繊維が物質移動装置に使用される場合は特に、技術的な成果が、前記物質移動装置のハウジングの形状を最適化することと、個々の中空繊維の位置づけと、前記物質移動装置中の血液相の流れに影響を与えることとに、主に集中していた。しかしながら、このような成果にも関わらず、物質移動の減少を生じさせる多くの深刻な欠点が、従来技術によって周知の物質移動装置の多くに見られる。これらは、例えば、内側のハウジングの壁と外側の中空繊維との間の血液相のウォール効果と、チャンネルの形成と、短絡流（short-circuit flows）と、デッドゾーンとを有しており、これらのすべてが、中空繊維の移動相と血液相との間の物質移動の著しい減少を伴う。
【００１０】
特に、中空繊維マットでの複数の中空繊維の配置、もしくは前記中空繊維束での複数のこのようなマットの配置において、前述の現象が、中空繊維マットもしくは中空繊維束が物質移動装置中の中心に配置されているシリンダの周りに巻かれる場合に特に、確認され得る。この場合では、中空繊維と相互作用する物質移動なしに前記シリンダの内部からこのシリンダの内側の壁に直接に流れ得る、径方向に流れる血液の短絡流が生じるだけではない。更に、前記中空繊維マットと前記シリンダの内側の壁との間の著しいウォール効果もまた、このような構成で時として生じ得、これによって、所望の物質移動が、大いに減じられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】EP 0 621 047 B1
【発明の概要】
【００１２】
前述の欠点に従って、物質移動装置中での収容のために設けられ、この物質移動装置中で物質移動の減少を生じさせる前述の欠点を減じる中空繊維もしくは中空繊維束の配置を提供することが、必要であると認識され得る。特に、本発明の課題は、物質移動装置中に収容された場合に改良された物質移動を可能にする中空繊維束を提供することである。更に、本発明の課題は、少なくとも１つの中空繊維束を収容するための対応した物質移動装置と、このような中空繊維束を製造する方法とを提供することである。
【００１３】
本発明に従えば、この課題は、物質移動装置中に収容するための請求項１及び請求項４に係る中空繊維束によって果たされる。更に、この課題は、請求項１６に係る物質移動装置と、物質移動装置中に収容するための中空繊維束を製造するための請求項１７に係る方法とによって、果たされる。
【００１４】
この課題は、以下の特徴を有する、物質移動装置中に収容するための中空繊維束によって、特に果たされる。この中空繊維束は、少なくとも部分的にほぼ特有の方向に沿って並べられた、物質移動及び／もしくは熱伝導のための複数の中空繊維糸を有しており、これら中空繊維糸は、少なくとも１つの第１のグループの中空繊維糸が、ほぼ第１の特有の方向に向き、少なくとも１つの第２のグループの中空繊維糸が、ほぼ第２の特有の方向に向き、少なくとも１つの第３のグループの中空繊維糸が、ほぼ第３の特有の方向に向くように、これらの局所的な特有の方向に、互いに対して配置されており、前記３つの特有の方向は、互いに独立している。
【００１５】
更に、この課題は、前記中空繊維束が、互いに編み合わされている複数の中空繊維から成る、物質移動、もしくは物質移動及び熱伝導のための少なくとも１つの中空繊維糸を有している、物質移動装置中に収容されるための中空繊維束によって、果たされる。
【００１６】
更に、この課題は、少なくとも１つの中空繊維束が本発明に係る中空繊維束に従って形成されている、少なくとも１つの中空繊維束を収容するための物質移動装置によって、果たされる。
【００１７】
更に、この課題は、物質移動、もしくは物質移動及び熱伝導のための少なくとも複数の中空繊維を与える工程と、少なくとも１つの中空繊維糸中の少なくとも複数の中空繊維を編み合わせによって配置する工程とを含む、物質移動装置中に収容するための中空繊維束を製造するための方法によって、果たされる。
【００１８】
本発明の基本的な考えは、種々の中空繊維糸が、立体構造を形成するために空間中に異なる特有の方向を有するように、中空繊維束中の複数の中空繊維糸を与えることである。本発明に従った意味で、中空繊維糸は、単一の中空繊維と複数の中空繊維との両方であり得る。中空繊維糸の特有の方向は、単一の中空繊維の場合には、中空繊維の長手方向の延びによって規定され、複数の中空繊維を有する中空繊維糸の場合には、前記中空繊維糸のほぼ中間の長手方向の延びによって規定される。従って、中空繊維は、通例、特有の方向が規定され得るように、互いに接続される。
【００１９】
個々の中空繊維及び前記中空繊維束中の中空繊維糸は、更にたわみを有し得るので、前記中空繊維束は、相互に独立した３つの空間的な方向を有する中空繊維もしくは中空繊維糸を少なくとも部分的に備えた立体構造によって、特徴付けられる。個々の特有の方向の独立は、独立した特有の方向を有する３つの中空繊維もしくは中空繊維糸によって立体構造が形成されるように、主に数学的な意味で理解されなければならない。ここで、及び下記では、１つの独立した特有の方向は、１つの異なる特有の方向と同じと見なされる。
【００２０】
従って、前記中空繊維束中の中空繊維糸の立体的な配置によって、一方では、空間の最適な利用が、可能な限り達成され、他方では、中空繊維の壁の外面に沿って流れる相の動的な流れを調整する幾何学的な中空繊維の骨組みが、形成され得る。かくして、例えば人工肺では、少なくとも一定の領域で適切な乱流を得ることが、血液相にとって決定的に重要である。これによって、一方では、前記中空繊維の壁の表面との接触が統計的に改良され、また、他方では、前記血液相の適切で完全な混合が行われる。特に、従来技術によって周知の、二次元のみの構造、もしくは２つの特有の方向のみを有する構造を多くの場合部分的に規定する中空繊維マットでは、前記血液相で発達する乱流の程度が、しばしば非常に低い。
【００２１】
本発明の更なる主な考えは、複数の中空繊維を編み合わせることによって中空繊維糸を更に形成することであり、これによって、一方では、自己安定構造が実現され、他方では、この構造が、単一の中空繊維の相互の組み合わせ（編み合わせ）によって、前記中空繊維糸の面に沿って動く層の乱流を部分的に改良する面の形状を有する。更に、複数の中空繊維によって形成された個々の中空繊維糸は、モジュール構造で接続されるか束ねられることによってより大きな中空繊維束を形成するために、非常に適していることを示している。
【００２２】
上記及び下記で、単一の中空繊維を一緒に編み合わせることは、単一の中空繊維が互いに組み合わされるという意味で、理解されなければならない。しかしながら、この場合での組み合わせは、編まれた中空繊維が、個々の中空繊維が自然に前記構造から離れるのを防ぐために安定した構造を形成するように、行われる。更に、個々の中空繊維の編み合わせは、互いに対して直角に向けられていない少なくとも２つの中空繊維を有することが、注意されなければならない。かくして、編み合わせは、前記中空繊維が交互に絡み合わされた２つのグループの中空繊維であるという点において、織り合わせること（interweaving）もしくは交わらせること（intercrossing）とは基本的に異なる。この結果、単一の中空繊維もしくは複数の中空繊維の相互の配置に対する制限が比較的少ないので、編み合わせは、中空繊維束の実現可能でより重要なスペクトルを、可能にする。
【００２３】
１つの好ましい実施形態では、中空繊維束は、中空繊維糸の少なくとも１つが複数の中空繊維によって構成されることを、特徴としている。複数の中空繊維によって形成された中空繊維糸の機械的な安定性が、単一の中空繊維と比較すると改良されているので、この結果として、中空繊維束全体の機械的な安定性の改良が為され得る。そして、この改良は、単一の中空繊維が互いに対してシフトするのを防ぐように複数の中空繊維が互いに固定されている場合に、特に行われる。このような固定は、例えば、固定部材もしくは固定繊維による適切な相互接合によって、もしくは、単純に互いに糊付けすることによって、果たされ得る。固定部材もしくは固定繊維の代わりに、横断して延びている更なる中空繊維によって固定が果たされることも、可能である。
【００２４】
本発明の更に展開された実施形態は、少なくとも１つの中空繊維糸の複数の中空繊維を編み合わせることを提供する。編み合わせによって、前記中空繊維の表面が、互いに一直線上になるように並べられるか、前記複数の中空繊維は、中空繊維糸中の個々の中空繊維のすべり即ち移動が不可能であるか少ない程度でのみ生じるように、絡み合わされる。従って、このことは、単一の中空繊維と比較すると、より機械的に安定した構造をもたらす。更に、中空繊維糸の表面全体が、個々の中空繊維を適切に編み合わせることによって、前記中空繊維の表面に接する相の流れに有効に影響を与えるように、調整され得る。
【００２５】
更なる一実施形態では、中空繊維束が、更に好ましくは互いに編み合わせられている複数の中空繊維から成る、物質移動、もしくは物質移動及び熱伝導のための少なくとも１つの中空繊維糸を有している。物質移動及び熱伝導の場合、少なくとも１つの中空繊維が物質移動のために設けられ、少なくとも１つの中空繊維が、熱伝導のために設けられる。
【００２６】
本発明に係る中空繊維束の更なる一実施形態では、前記中空繊維の編み合わせが、これらが互いを安定化させるように、為される。この結果として、少なくとも３つのグループの中空繊維糸が少なくとも部分的に異なる特有の方向に編み合わせられる場合にも、前記中空繊維束のより安定した構造が、与えられる。従って、このような編み合わせによって、前記中空繊維束は、適切な編み技術によって全体的に形成され得る。前記中空繊維束を機械的に安定化させることは、物質移動装置の使用時に前記中空繊維の外面に接する相がこの外面に流れ圧力を与える場合に特に、必要であることが判る。この実施形態に従えば、前記中空繊維の編み合わせによって生じる安定化は、中空繊維束の構造を基本的に変えないで、このような流れ圧力に抵抗するために、十分である。
【００２７】
更なる好ましい一実施形態では、中空繊維束の少なくとも１つの中空繊維糸は、一緒に編み合わせられている複数の中空繊維から成る物質移動もしくは物質移動及び熱伝導のための少なくとも１つの更なる中空繊維糸と関連して、中空繊維束中で互いに接続される。この結果、前記中空繊維束は、同様に複数の中空繊維によって形成される複数の中空繊維糸によって、形成され得る。個々の中空繊維糸の相互接続は、接続繊維もしくは輪、もしくは接続部材のような適切な手段によって、果たされ得る。更に、糊付けもしくは編み合わせによる接続が、可能である。
【００２８】
本発明に係る中空繊維束の更なる一実施形態では、前記中空繊維束は、２つの互いに独立した特有の方向に向いている２つのグループの中空繊維糸を有している。この場合、各中空繊維糸は、一緒に編み合わせられた複数の単一の中空繊維を更に有し得る。この結果、異なる特有の方向を有する個々の中空繊維束を配置することによって、中空繊維束の、特に有効で比較的可撓性の立体の構造が、可能となる。
【００２９】
更なる一実施形態では、中空繊維束が、各々が互いに独立した特有の方向に向いている３つのグループの中空繊維糸を有している。この結果、このことによって、所定のディメンション、例えば物質移動装置のハウジングのディメンションに応じた適切な中空繊維束の特に好ましい形成が、可能となる。
【００３０】
更に展開された一実施形態では、３つの特有の方向が、互いに対して直交するように基本的に配置されている。このように互いに対して直交した配置によって、中空繊維束中で生じる流れの力が３つの空間的な方向の全てに渡って広範囲に均一に配分され得るので、前記中空繊維束の特に安定した構造の形成を可能にする。相の１つで少なくとも部分的に乱流が生じる中空繊維束の場合に特に、適切な力の伝達が、全ての空間的な方向に結果として生じ得る。
【００３１】
更に、一実施形態は、第１のグループの中空繊維糸と、第２のグループの中空繊維糸と、第３のグループの中空繊維糸とが互いに編み合わせられることを提供する。編み合わせによる接続は、一方では比較的簡単に果たされ、他方では安定した中空繊維束の構造を与える。
【００３２】
更なる一実施形態では、第１のグループの中空繊維糸と、第２のグループの中空繊維糸と、第３のグループの中空繊維糸との編み合わせが、結果として機械的な付勢に耐え得る独立した構造を形成するように、為される。この構造の耐付勢能力は、前記中空繊維束中に生じる流れ圧力に抵抗するために、少なくとも十分である。
【００３３】
本発明の更なる実施形態に従えば、このような編み合わせは、前記中空繊維糸に対して規則的な構造を形成する。規則的な構造は、前記中空繊維の外面に接する相を均一に混在させるために、特に重要である。従って、物質移動の異なる効率、もしくは妨害、もしくは停止した流れ（dead flows）、もしくは死空間（dead volumes）が、広範囲で回避されるか、一定の領域で完全に防がれ得る。好ましくは、前記規則的な構造は、必要に応じて、前記物質移動装置のハウジングの形状の対称性に対応し得る対称性を有している。
【００３４】
本発明に係る中空繊維束の更なる実施形態に従えば、第１のグループの中空繊維糸と第２のグループの中空繊維糸とは、物質移動のために設けられており、第３のグループの中空繊維糸は、熱伝導のために設けられている。この結果として、繊維束中の温度勾配が、局所的に比較的良好に均一化され得る。中空繊維束中で、例えば人工肺中で高い安定性の熱レベルを保証することが必要な物質移動装置に関しては特に、熱が、前記中空繊維束の空間のほぼ全体に、導入もしくは吐出され得る。従って、中空繊維の外面に接する相が、前記中空繊維束の空間に渡って広範囲に一定の温度を有することが、保証され得る。また、対応した熱の吐出もしくは移動によってこの温度を変えることにより、前記中空繊維束中の物質移動率が、適切に調整され得る。
【００３５】
本発明に係る中空繊維束の一実施形態は、１つもしくは複数のチャンネルをほぼ第３のグループの中空繊維糸の特有の方向に沿って形成するために、第１のグループの中空繊維糸と第２のグループの中空繊維糸とを更に提供する。前記チャンネルによって、前記中空繊維の外面に接する相の適切な流れの調整が、為され得る。この結果として、物質移動率全体に、目標を定めて、同様に影響が与えられ得る。
【００３６】
本発明に係る中空繊維束の他の実施形態では、少なくとも１つの中空繊維糸の中空繊維が、１つもしくは複数の穿孔されたディスクの穴によって、少なくとも一定の領域に位置づけられる。このディスクの穴によって、前記中空繊維は、流体供給システムに、特に末端部のところで簡単に接続され得、前記穿孔されたディスクの領域に、機械的に取り付けられる。前記穿孔されたディスクは、この場合、単一の中空繊維もしくは複数の中空繊維から成る中空繊維糸を受けるように適合されている。
【００３７】
本発明の更なる実施形態は、従属請求項によってもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明に係る中空繊維束の実施形態の概略的な断面図である。
【図２】図２は、本発明に係る中空繊維束の更なる実施形態の概略的な断面図である。
【図３】図３は、本発明の更なる実施形態に係る中空繊維糸の六角形での配置の概略図である。
【図４】図４は、図３に示されている実施形態に係る中空繊維束の長手方向の分布ｓｌ、及び空隙率（porosity）εの数学的な図である。
【図５】図５は、３つの中空繊維によって構成されている本発明に係る中空繊維糸の実施形態の例示的な図である。
【図６】図６は、本発明に係る中空繊維糸の更なる実施形態の例示的な図である。
【図７】図７は、本発明に係る中空繊維糸の更なる実施形態の例示的な図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態に係る中空繊維束を収容するための物質移動装置の一実施形態の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明は、図によって詳細に説明される実施形態に基づいて、下記に説明される。  
同じ参照符号が、以下の説明で、同じ部材、もしくは同じ作用を有する部材に対して使用されている。
【００４０】
図１は、本発明に係る中空繊維束１の第１の実施形態の概略的な断面図を示している。この中空繊維束１は、合計３つのグループの種々の中空繊維糸１０ａ、１０ｂ、１０ｃを有しており、これらのそれぞれの特有の方向Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、互いに独立している。特に、これら特有の方向は、第１のグループの中空繊維糸１０ａが特有の方向Ｖ１を有し、第２のグループの中空繊維糸１０ｂが特有の方向Ｖ２を有し、第３のグループの中空繊維糸１０ｃが特有の方向Ｖ３を有するように、配置されている。より明瞭に示すために、各々が２つの中空繊維１１によって形成されている２つの中空繊維糸１０ａと、同様に各々が２つの中空繊維１１によって形成されている２つの中空繊維糸１０ｂとのみが、図示されている。これに関して、前記２つの中空繊維糸１０ａは、１平面に配置されており、前記２つの中空繊維糸１０ｂは、この真上に位置する平面に配置されている。この場合の平面は、参照符号によって示されていないが、グラフによる表示に基づいて、容易に特定され得る。前記中空繊維糸１０ａの特有の方向Ｖ１と、前記中空繊維糸１０ｂの特有の方向Ｖ２とは、この場合、互いに直交している。各中空繊維糸１０ａ及び１０ｂの２つの中空繊維１１は、第３のグループの中空繊維糸１０ｃの中空繊維糸１０ｃと、組み合わせて編み合わされている。判りやすくするために、前記第１及び第２のグループの中空繊維糸１０ａ、１０ｂは、図では、第３のグループの中空繊維糸１０ｃの中空繊維１１より細く示されている。しかしながら、前記３つのグループの中空繊維糸１０ａ、１０ｂ、１０ｃの中空繊維１１はすべて、同じ外径であり得る。
【００４１】
この断面図では、前記第３のグループの中空繊維糸１０ｃは、いずれも前記中空繊維束１の端縁に、３つの中空繊維１１を有している。これら３つの中空繊維１１は、図１に示されている断面図では、互いに三角形の構造になるように配置されている。更に、前記中空繊維束１の内側に図１の断面図に従って配置されている中空繊維糸１０ｃは、１つの中空繊維１１のみを有しており、これら中空繊維糸１０ｃは、これらが紙面上で互いに一直線上に配置されるように、前記端縁の中空繊維糸１０ｃの１つの延長上に、示されている断面図に従って配置されている。かくして、図示されている内側の中空繊維糸１０ｃは、各々が１つの中空繊維１１によって構成されている３つの中空繊維糸１０ｃが、各々が３つの中空繊維１１によって構成されている２つの中空繊維糸１０ｃの間に配置されるように、配置されている。かくして、前記特有の方向Ｖ３に直交するように位置されている１平面上の中空繊維１１を、互いにほぼ平行に配列されている単一の中空繊維から成る中空繊維糸１０ｃと組み合わせることによって、編み合わせることが可能である。例えば前記第１のグループの中空繊維糸１０ａの１つの中空繊維１１を組み合わせるために、この１つの中空繊維は、中空繊維束１の横方向に配置された中空繊維糸１０ｃの２つの中空繊維１１間に案内される。そして、更に内側に配置されている前記中空繊維束１の前述の中空繊維糸１０ｃに絡ませられて、編み合わせられる。
【００４２】
この説明は、本発明に係る中空繊維束１の第１の可能な実施形態の概略図に基づいているが、中空繊維糸１０ａ、１０ｂの２つの面のみが、示されている。より理解しやすくするために、図１は、単一の中空繊維から成る中空繊維糸１０ｃの相互の位置をより特定しやすくする複数の補助線を、更に示している。しかしながら、本発明の実施形態に従えば、３つの互いに異なるグループの中空繊維糸１０ａ、１０ｂ、１０ｃのみが、前記中空繊維束の実体の部分を形成している。当業者は、中空繊維糸１０ａ、１０ｂの任意の数の平面が、個々の中空繊維糸１０ｃと組み合わせることによって前記特有の方向Ｖ３に沿って互いに配置され得ることを、理解するだろう。この結果、立体の中空繊維束１、例えば立方体の中空繊維束が、形成され得る。この中空繊維束１の、前記特有の方向Ｖ３に沿った延びは、前記中空繊維糸１０ｃの長手方向の延びによって規定される。前記中空繊維糸１０ａと前記中空繊維糸１０ｃとの編み合わせと、前記中空繊維糸１０ｂと前記中空繊維糸１０ｃとの編み合わせと、特有の方向Ｖ３に沿った互いの一連のこのような配置とが、機械的に安定した中空繊維束１を形成する。
【００４３】
また、好ましくは、前記中空繊維糸１０ｃは、前記中空繊維束１中の熱伝導のために設けられ、前記中空繊維糸１０ａ、１０ｂのグループの２種類の中空繊維糸は、物質移動のために設けられている。前記中空繊維束１を人工肺に使用する場合、前記第１のグループの中空繊維糸１０ａと前記第２のグループの中空繊維糸１０ｂとは、（この図に示されていない）血液相内で酸素を移動するように、酸素によって灌流される（perfused）。更に、ＣＯ２の移動が、前記中空繊維１１中を流れる気相と血液相との間で生じ得る。これに対して、前記第３のグループの中空繊維糸１０ｃは、前記中空繊維束１中で広範囲に均一な熱分配を保証する熱交換流体によって灌流される。この実施形態に従えば、前記中空繊維糸１０ｃの中空繊維１１は、前記２つのグループの中空繊維糸１０ａ、１０ｂと類似するように形成され得るか、これらと異なり得る。特に、前記個々の中空繊維１１は、代表的に２００μｍ乃至２８０μｍの内径と、代表的に３００μｍ乃至３８０μｍの外径を有し得ることが、注意されなければならない。
【００４４】
個々のグループの中空繊維糸１０ａ、１０ｂ、１０ｃにそれぞれ流体を充填するために、これら中空繊維糸１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、これら中空繊維糸が例えば糊付けされるかシールされている接続部品を介して、適切な流体圧力を受け得る。従って、流体の所定の流れもまた、個々のグループの中空繊維糸１０ａ、１０ｂ、１０ｃ中で、目標を定めて設定され得る。
【００４５】
図１と比べると、図２は、本発明に係る中空繊維束１の更なる可能な実施形態を、断面図で示している。この場合、各々が１つの中空繊維１１によって構成されている前記第３のグループの中空繊維糸の個々の中空繊維糸１０ｃは、前記中空繊維糸１０ｃと組み合わされた前記第１のグループの中空繊維糸１０ａと前記第２のグループの中空繊維糸１０ｂとの中空繊維１１のための編み目（a braiding point）を、前記特有の方向Ｖ３に沿って、断面図で形成している。この編み目は、基本的に、中空繊維糸１０ａもしくは１０ｂを形成している２つの中空繊維１１の、断面図に示されている交点を規定している。これに対して、各々が１つの中空繊維１１によって形成されている図１に係る実施形態の中空繊維糸１０ｃは、編み目を示す必要が無い。代わって、１つのグループの中空繊維糸１０ｃの３つの中空繊維１１のうち２つのみが、編み目を構成している。編み方によっては、前記中空繊維束１のより緊密な、もしくは剛性である編み構造が、形成され得る。種々の編み方によって、前記中空繊維束１の自由空間（free volume）と前記中空繊維束１の全空間との関係に基づいた中空繊維束１の種々の空隙率の設定が、特に可能となる。
【００４６】
図３は、（この図には示されていない）物質移動装置２の六角形のハウジング中に収容するために設けられている（この図には示されていない）抽象的な中空繊維束１の概略的な断面図を示している。この場合、図３に示されている断面図は、図１及び図２に示されている断面図と比較され得る。しかしながら、前記第１のグループの中空繊維糸１０ａと前記第２のグループの中空繊維糸１０ｂとは、図３に示されていない。第３のグループの中空繊維糸１０ｃが、３つの中空繊維１１を有する１つの中空繊維糸１０ｃによって概略的に示されているのみである。この場合では六角形に形成されているハウジングの形状は、ハウジング３の周囲のラインによって示されている。
【００４７】
この実施形態に従えば、図示されている中空繊維糸１０ｃの３つの中空繊維１１の配置は、中空繊維束１の所望の幾何学形状及び空隙率を有する個々の中空繊維１１の編み合わせを形成するように、傾斜の角度βに関して最適化され得る。この角度βは、この場合では、図示されている正方形の参照パターン（square reference pattern）の想像上の側方の境界線と、この境界線の最も近くに位置されている中空繊維糸１０ｃの２つの中空繊維１１のそれぞれの中心点を通る接続線との間の角度によって規定されている。従って、所定の空隙率を有する中空繊維束１が、３つの中空繊維１１の互いに対する配置の関数として、即ち図示されている角度βの関数として、形成され得る。この空隙率は、前記中空繊維１１の横方向の分布ｓｑ及び長手方向の分布ｓｌの関数として示されることも可能である。前記長手方向の分布ｓｌは、ここでは、２つの中空繊維間の（前記中空繊維１１の長手方向の延びに沿った）軸方向の間隔の意味で定義されている。前記横方向の分布ｓｑは、前記中空繊維１１間の（これら中空繊維１１の長手方向の延びに直交した）径方向の間隔に基づいている。適切な角度βを算出することによって、一方では、前記中空繊維束１が有する中空繊維の周りを循環する流れの大きさと、前記中空繊維束１が物質移動装置２に使用される場合のウォール効果とが、決定され得る。この結果として、この場合では、中空繊維が、種々のタスク（物質移動、熱伝導）のためにグループで設けられ得ることが、理解され得る。
【００４８】
図３に示されている構成のための角度βの関数として前記長手方向の分布ｓｌと空隙率εとの例示的な算出が、図４から得られ得る。ここでは、前記横方向の分布ｓｑのパラメータが、１５０μｍに設定され、１つの中空繊維１１の外径ｄａが、３８０μｍに設定された。示されている算出値は、角度βの拡大によって前記長手方向の分布ｓｌと前記中空繊維束１の空隙率εとの両方が上昇することを、明らかにしている。前記２つの図示されている曲線に従えば、所定の物質移動装置２のために適切な長手方向の分布ｓｌと適切な空隙率εとを設定することが可能である。これに関して、前記空隙率εが、前記中空繊維束１の自由空間と前記中空繊維束１の全空間との関係に基づくことが、指摘されなければならない。
【００４９】
適切な配置、特に前記物質移動装置２中の前記中空繊維１１の斜めの配置によって、代表的に前記物質移動装置２を通って流れる気相に生じ得る濃縮水が滴り落ちることが、保証され得る。従って、妨害、もしくは望ましくない水溜りの形成が、生じない。
【００５０】
１つの中空繊維束１中の個々の中空繊維１１の、もしくは、中空繊維糸１０ａ、１０ｂ、１０ｃの適切な編み合わせによって、種々のパッキングの幾何学形状だけでなく種々の空隙率も設定することが、可能となる。この性質は、中空繊維束１が例えば人工肝臓のような人工器官（複合臓器（hybrid organs））中に収容されるために形成される場合に特に重要であることを、示している。
【００５１】
図５は、３つの個々の中空繊維１１によって構成されている本発明に係る中空繊維糸１０ａの可能な一実施形態を示している。前記３つの中空繊維１１の適切な編み合わせが、前記個々の中空繊維１１と比べて向上された機械的な安定性を有する中空繊維糸１０ａの形成を可能にする。更に、図示されている中空繊維糸１０ａは、個々の中空繊維１１の面に接する相の流れをこの流れの力学に関連して適切に調整し得る、特徴的な表面の形状（topography）を有している。かくして、特に人工肺では、局所的な乱流の形成が、個々の血液成分と前記個々の中空繊維１１の表面との統計上の接触の確立を高めるために、望ましい。
【００５２】
図５と比較すると、図６は、個々の中空繊維１１の代わりの編み合わせを示しているが、図６では、２つの異なるグループの、互いに直交する中空繊維糸１０ａ、１０ｃが、互いに重ねて設けられている。前記中空繊維糸１０ａの個々の中空繊維１１の編み合わせが、この場合では、明確に規定された平面で為され得るが、前記個々の中空繊維１１が明確に規定され得る平面では示されないように為されることも可能である。このような実施形態は、例えば図７に示されており、この図では、紙面に直交して延びている中空繊維１１のみが、明確に規定され得る平面にあり、前記中空繊維１１と組み合わされている中空繊維糸１０ａの中空繊維１１は、明確に規定され得る平面にない。
【００５３】
必要に応じて、中空繊維束１へと適切に束ねることが、個々の中空繊維１１を、もしくは中空繊維糸１０ａ、１０ｂ、１０ｃを適切に編み合わせることによって為され得る。これに関して、図５乃至図７に示されている中空繊維糸１０ａもしくは１０ｃは、複数の同じ構造体を配置することによって形成されている比較的大きな中空繊維束１のサブユニットとして、代表的に理解されなければならない。更に、いかなる他の形状の編み合わせも、特に任意の数の中空繊維を使用する場合に、適用され得ることが、当業者には明らかであろう。
【００５４】
図８は、本発明の中空繊維束１の一実施形態が中に収容されている本発明に係る物質移動装置２の一実施形態の横断面図を示している。ここでは、中空繊維束１は、概略的にのみ示されている。特に、前記中空繊維束１は、第１のグループの中空繊維糸１０ａ及び第３のグループの中空繊維糸１０ｃのみを図に示している。第２のグループの中空繊維糸１０ｂは、紙面に直交する特有の方向Ｖ２に配置され得る。
【００５５】
前記中空繊維束１の中空繊維１１は、前記物質移動装置２の必須の入口もしくは出口に、適切な接続部品によって接続されている。特に前記物質移動装置２は、移動媒体のための入口４１、人工肺の場合では血液用入口４１を特に有しており、この入口４１によって、移動媒体は、前記第１のグループの中空繊維糸１０ａの特有の方向Ｖ１に直交して、並びに、前記第２のグループの中空繊維糸１０ｂの特有の方向Ｖ２に直交して、前記物質移動装置２中に流れ込む。前記物質移動装置２を通って流れた後に、移動媒体は、出口４２、人工肺の場合では血液用出口４２を通って吐出される。第１のグループの中空繊維糸１０ａに適切な移動相（transfer phase）を与えるために、気体用入口４３、人工肺の場合では酸素用入口４３が、設けられており、この気体用入口４３を通って、酸素が、前記中空繊維糸１０ａ中に流れ得、物質移動が完了して前記特有の方向Ｖ１に沿って前記物質移動装置２を通過した後に、気体用出口４４、人工肺の場合では酸素／二酸化炭素用出口４４を通って、前記物質移動装置２から再び吐出される。更なる入口もしくは出口が、前記特有の方向Ｖ２で配置される第２のグループの中空繊維糸１０ｂを与えるために、設けられ得る。特に、任意の数の入口及び出口が、設けられ得る。
【００５６】
更に、前記物質移動装置２は、熱伝導もしくは熱調節のために設けられている第３のグループの中空繊維糸１０ｃを示している。これに関して、前記中空繊維糸１０ｃには、適切な接続部が設けられており、このような接続部を介して、熱媒体が導入もしくは吐出され得る。これに対応して、この実施形態は、熱媒体用入口４５と、熱媒体用出口４６とを示している。
【００５７】
この点において、前述の全ての構成要素、特に、図面に示されている詳細部分が、単独でも、組み合わせでも、本発明に不可欠なものとして請求されることが、強調されるべきである。本分野の当業者は、本発明の変形例に馴染みがあるだろう。
【符号の説明】
【００５８】
１…中空繊維束、２…物質移動装置、３…ハウジング、１０ａ…中空繊維糸、１０ｂ…中空繊維糸、１０ｃ…中空繊維糸、１１…中空繊維、２０…チャンネル、４１…移動媒体の入口／血液用入口、４２…移動媒体の出口／血液用出口、４３…酸素用入口、４４…酸素／二酸化炭素用出口、４５…熱媒体用入口、４６…熱媒体用出口、Ｖ１…特有の方向、Ｖ２…特有の方向、Ｖ３…特有の方向、β…傾斜の角度、ε…空隙率、ｓｌ…長手方向の分布、ｓｑ…横方向の分布、ｄａ…外径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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