(57)【要約】      （修正有）【課題】膜を通した気体交換が改善され、且つ耐用寿命の長い気体輸送装置を提供する。【解決手段】少なくとも２つのチャンバと、少なくとも１つの気体透過性且つ液体不透過性膜１とを含み、チャンバが、膜により互いに隔てられ、膜の少なくとも片側が構造化され、この構造により膜上にチャネル５及び分岐構造の少なくともいずれかが形成されており、構造の壁４が、５００μｍ以下の間隔６を有し、間隔を有するチャネル及び分岐構造の少なくともいずれかが占める表面積の膜の全表面積に対する比率が、少なくとも５０％であり、膜の少なくとも片側が分岐構造を含む気体輸送装置に関する。【選択図】図１
2015042253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのチャンバと、少なくとも１つの気体透過性且つ液体不透過性膜とを含み、前記チャンバが、前記膜により互いに隔てられ、前記膜の少なくとも片側が構造化され、この構造により前記膜上にチャネル及び分岐構造の少なくともいずれかが形成されており、前記構造の壁が、５００μｍ以下の間隔を有し、
前記間隔を有する前記チャネル及び前記分岐構造の少なくともいずれかが占める表面積の前記膜の全表面積に対する比率が、少なくとも５０％であり、前記膜の少なくとも片側が、前記分岐構造を含むことを特徴とする気体輸送装置。
【請求項２】
少なくとも２つのチャンバが、膜又は膜構造により少なくとも部分的に形成される請求項１に記載の装置。
【請求項３】
膜の少なくとも片側上の構造の壁が、前記膜の平面から突出するか、チャンバの１つに突出又は伸長するかの少なくともいずれかである請求項１及び２のいずれかに記載の装置。
【請求項４】
少なくとも２つのチャンバが、生物学的液体を受容する第１のチャンバと、気体を受容する第２のチャンバとを含み、構造により形成されるチャネル及び分岐構造の少なくともいずれかが、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間で気体分子を輸送する機能を有する請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
以下の少なくともいずれかである請求項４に記載の装置：
装置が複数の第１のチャンバを含むように、前記第１のチャンバが複数のチャンバに細分され、前記複数のチャンバが、気体透過性且つ液体不透過性膜により第２のチャンバから隔てられる、及び
装置が複数の第２のチャンバを含むように、前記第２のチャンバが複数のチャンバに細分され、前記複数のチャンバが、気体透過性且つ液体不透過性膜により第１のチャンバから隔てられる。
【請求項６】
複数の第１のチャンバが、以下の少なくともいずれかのように配置される請求項５に記載の装置：
１以上の列において互いに隣接して、互いに離間して配置される、及び
複数の層において上下に配置される。
【請求項７】
複数の第２のチャンバが、以下の少なくともいずれかのように配置される請求項５及び６のいずれかに記載の装置：
１以上の列において互いに隣接して、互いに離間して配置される、及び
複数の層において上下に配置される。
【請求項８】
１又は複数の第１のチャンバの縦方向の配向が、１又は複数の第２のチャンバの縦方向の配向に対して横方向である請求項４から７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
以下の少なくともいずれかである請求項１から８のいずれかに記載の装置：
チャンバの少なくとも１つが、貫流チャンバとして構築される、及び
第１のチャンバが、第２のチャンバに対して逆方向又は横方向に、入口から出口へと貫通するよう構築される。
【請求項１０】
膜の両側が構造化される請求項１から９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
膜が有機材料からなる、又は有機材料を含む請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
有機材料が、ポリマー、ポリマー複合材料、又は多層ポリマーである請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
ポリマーがポリオレフィンである請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
ポリオレフィンがポリメチルペンテンである請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
膜が、ナノ多孔質膜と、該ナノ多孔質膜と交互に配置される構造化された非多孔質膜とからなる請求項１から１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
膜が、射出成形法、マイクロ射出成形法、又はホットスタンピング法により構造化される請求項１から１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
膜厚が１０μｍ〜１００μｍである請求項１から１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
膜厚が２０μｍ〜５０μｍである請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
膜が、酸素及び二酸化炭素の少なくともいずれかに対して選択的透過性である請求項１から１８のいずれかに記載の装置。
【請求項２０】
膜が窒素不透過性であるか、又は僅かな窒素しか透過しない請求項１から１９のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
膜が支持材により強化される請求項１から２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２２】
膜に細胞が定着する請求項１から２１のいずれかに記載の装置。
【請求項２３】
膜が、（多）糖、ヘパリン、核酸、タンパク質、及びアルブミンからなる群から選択される１以上の物質でコーティングされる請求項１から２２のいずれかに記載の装置。
【請求項２４】
チャンバの直径が１μｍ〜１ｃｍである請求項１から２３のいずれかに記載の装置。
【請求項２５】
第２のチャンバ又は更なるチャンバの直径が１μｍ〜１ｃｍである請求項４から２４のいずれかに記載の装置。
【請求項２６】
生物学的液体が、血液、血清、細胞懸濁液、細胞溶液、及び培養培地からなる群から選択される請求項４から２５のいずれかに記載の装置。
【請求項２７】
請求項１から２６のいずれかに記載の装置のうちの２以上からなる装置。
【請求項２８】
１又は複数の第１のチャンバの縦方向の配向が、１又は複数の第２のチャンバの縦方向の配向に対して直角である請求項８に記載の装置。
【請求項２９】
膜に上皮細胞が定着する請求項２２に記載の装置。
【請求項３０】
前記膜の片側が前記分岐構造を含み、前記膜の他の側が前記チャネルを含む、請求項１から２９のいずれかに記載の装置。
【請求項３１】
前記膜のいずれかの側が前記分岐構造及び前記チャネルを含む、請求項１から３０のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特殊に構造化された膜を備える気体輸送装置であって、膜の構造化により、膜が、特に液相と気相との間で、特に有効に気体交換することができる気体輸送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体輸送装置は、多くの技術分野で用いられている。かかる装置は、１以上の気体をある媒体から別の媒体へ移動させる気体供給装置若しくは気体除去装置、又は２つの媒体間で１以上の気体を相互交換させる気体交換装置である。気体輸送装置は、例えば、化学プロセス工学で用いられており、この場合、気体輸送装置は、気体／液体反応又は気体／固体反応用に気体を供給する機能を有する。しかし、気体輸送装置は、気体分離又は気体精製に用いてもよく、この場合、気体は導入されないが、その代わり気体混合物又は別の反応混合物から気体が取り除かれる。
【０００３】
更に、気体輸送装置は、バイオテクノロジー及び医療でも同様に用いられている。バイオテクノロジーにおける最も重要な用途は、培養反応器における使用である。気体輸送装置を用いて、特定の且つ制御された方式で、特定の培養に必要な気体を培養細胞に供給する、又は排出された気体を栄養培地から除去する。また、気体輸送装置は、医療でも用いられている。この場合、最も重要な対象用途は、血液に酸素を供給すると同時に血液から二酸化炭素を除去することである。かかる手段は、例えば、多様な外科手術及び各種肺疾患の治療で必要とされる。
【０００４】
肺疾患により年間９００万人が死亡しているため、肺疾患は、ＷＨＯの死因統計において３番目に多い疾患である。肺移植は、現在、末期の機能的肺疾患患者に対して長期有効性を有する唯一の治療の選択肢である。長期に亘って肺機能を代替するための他の医学的解決法は、現在のところ存在しない。従って、肺移植を検討することができない慢性肺疾患患者に使用できる長期人工肺置換法が特に必要とされている。更に、肺移植を待っている患者において使用できる肺置換装置も必要とされている。現在は、待ち時間が非常に長いため、医学的に指示されて肺移植を受ける前に患者の約８０％が死亡している。したがって、長期に亘って用いることができる好適な肺置換装置が役に立つ。
【０００５】
気化装置は、１９５０年代という遥か以前に上記目的のために開発された。酸素化装置、即ち、酸素気化装置として知られているこれら装置は、開発以来、継続的に進歩しているので、今日でも機能は更に改善されている。
【０００６】
かかる酸素化装置のプロトタイプは、篩を通してローラーポンプにより運ばれる血液を、ほぼ純粋な酸素環境下で酸素化するフィルム型酸素化装置であった。しかし、広い面積が酸素と直接接触するため、血漿タンパク質が変性することが、フィルム型酸素化装置の使用の重大な問題点であった。
【０００７】
次いで、血液のカラム中で気泡を用いて血液を酸素化する、「気泡型」酸素化装置が開発された。気流を変化させることにより、飽和度が調整される。この場合、気体交換は、気泡表面で直接進行する。泡型酸素化装置の最も重大な問題は、酸素化中に生じる血液の発泡であり、これは現在も解決されていない。血液の発泡は、体内で微小塞栓症を引き起こす恐れがある。従って、後に消泡を行う必要があるので、気泡型酸素化装置を用いる方法は複雑で且つコストがかかる。気泡型酸素化装置の例は、特に特許文献１〜４に記載されている。
【０００８】
気泡型酸素化装置が開発された直後、１９５６年というかなり以前に、膜型酸素化装置が最初に使用された。膜型酸素化装置では、気相は、膜により血液相から隔てられている。気体交換は、主に、関与する気体間の分圧差に起因する拡散によって、気体透過性膜において進行する。膜は、平膜、細管、又は繊維膜の形態をとり得る。より最近の先行技術による２種の膜型酸素化装置が、例えば、特許文献５及び６に記載されている。しかし、拡散により作動する膜型酸素化装置の一般的な問題点の１つは、特定の時間で血液と酸素との間の物質交換を効率的に行うために、膜の面積を広くしなければならないことである。膜を通じた拡散は、酸素圧の増加、又は血液の流動性の調節により影響を受け得る。しかし、血液損傷の可能性、血栓形成の傾向と、効率的な気体交換との妥協点を求めることは、根本的に非常に困難である。
【０００９】
今日主に用いられている繊維膜型酸素化装置では、総表面積の大きな膜を用いることにより、非常に効率的な拡散を実際に行うことが可能であるが、この酸素化装置の問題点は、繊維の製造にコストがかかり且つ複雑であることである。現在用いられている酸素化装置の更なる問題点は、耐用寿命が非常に短いことである。従って、先行技術の酸素化装置は、僅か数日間、最長でも１ヶ月間しか使用できない。慢性肺不全患者にとって特に望ましいように、十分長期に亘って使用することができない。
【００１０】
例として、医療で用いられている酸素化装置について述べた問題点は、化学及びバイオテクノロジーにおいてプロセス工学目的のために用いられる気体輸送装置でも同様に生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】独国特許第２２  ０８  ８６８号明細書
【特許文献２】独国特許第２３  １４  ６４４号明細書
【特許文献３】独国特許第２３  ３２  ４４５号明細書
【特許文献４】独国特許第３０  ０１  ０１８号明細書
【特許文献５】米国特許第５，１３７，５３１号明細書
【特許文献６】米国特許第６，６８２，６９８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本発明の目的は、特に血液に気体を供給するため、又は血液中で気体交換を行うための、化学、バイオテクノロジー、及び医療分野で用い得る改良された気体輸送装置を提供することである。具体的には、本発明は、膜を通した気体交換が改善され、且つ耐用寿命の長い気体輸送装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的は、少なくとも２つのチャンバと、少なくとも１つの気体透過性且つ液体不透過性膜とを含み、前記チャンバが、膜（１又は複数）により互いに隔てられ、前記膜（１又は複数）の少なくとも片側が構造化され、前記構造化又は構造により前記膜上にチャネル及び分岐構造の少なくともいずれかが形成されることを特徴とし、前記チャネル及び分岐構造の少なくともいずれかの壁が、５００μｍ以下、好ましくは２５０μｍ以下、より好ましくは１５０μｍ以下の間隔を有し、前記間隔を有するチャネル及び分岐構造の少なくともいずれかを含む膜の表面積の比率が、前記膜の全表面積の少なくとも５０％を占める、主クレームに係る気体輸送装置により、本発明によって達成される。
【００１４】
本発明に係る気体輸送装置は、気体交換チャネル及び分岐構造の少なくともいずれかを備える特に有利な構造化膜を特徴とする。これに関して、「分岐構造」とは、接触面、及び膜の接触面側上に、液相又は気相のために形成される経路に関するものと理解すべきである。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態では、気体輸送装置の少なくとも２つのチャンバのうちの少なくとも１つ、好ましくはチャンバそれぞれが、貫流チャンバとして構築されるべきである。従って、膜の構造化又は構造における「分岐構造」は、膜のそれぞれの側面上を又はチャンバを通じて液相又は気相を流すための分岐経路又は曲がりくねった経路である。分岐構造は、例えば、流れの方向に障害物として存在し、それぞれのチャンバを通じた流れをそらせる、及び／又は分裂若しくは細分させる膜構造中の点から構成され得る。この目的のために、構造の壁が膜の平面から突出する若しくは突き出る、及び／又はそれぞれの隣接するチャンバに突出する若しくは伸長するように、膜の少なくとも片側が構造化される。例えば、チャンバ内の液相又は気相が、これら壁の周りを流れ得る。膜の少なくとも片側に設けられる構造の壁は、例えば、立方形、菱形、円柱形、又は柱形等の、幾何学形状を有し得る突出部を形成し、膜の構造化された側面に分岐構造を形成する。これら壁は、同様に、膜の構造化された側面上のチャンバ内に液相又は気相を導くチャネル（例えば、分岐チャネル）を形成し得る。
【００１６】
本発明に係る膜の構造化又は構造により、先行技術に提供されているように膜の寸法を大きくする必要なしに、（特に、拡散性の改善による）膜を通じた物質交換を改善することができる。一方、これは、構造化により膜の表面積が大きくなり、それが気体輸送に対して正の影響を与えるという事実によるものである。他方、構造化により膜上に形成されるチャネル及び分岐構造の少なくともいずれかの壁の間隔を小さくして、膜を通じた拡散を加速させる。チャネル及び分岐構造の少なくともいずれかの間隔が小さいことにより、流れ耐性が著しく低下する。これは、例えば、生物学的液体等の液体にとって特に重要である。血液を用いる場合、「Ｆａｈｒａｅｕｓ−Ｌｉｎｄｑｖｉｓｔ効果」により、壁上に血漿膜が形成され、本発明に従って構造化されたチャネル及び分岐構造の少なくともいずれかを通して細胞が前記壁上を摺動する。
【００１７】
本発明によれば、チャンバを互いに隔てる、本発明に係る気体輸送装置の少なくとも１つの気体透過性且つ液体不透過性膜は、概して、少なくとも片側が構造化される。チャンバ（１又は複数）内で液体を用いる場合、膜の液体に面する側面が構造化されることが好ましい。気体輸送に対する構造化膜の利点（例えば、流れ抵抗の低減）は、液体の場合特に明らかである。
【００１８】
本発明によれば、チャンバの少なくとも１つ、好ましくはチャンバそれぞれが、膜により又は膜構造により、少なくとも部分的に形成される。言い換えると、本発明の好ましい実施形態では、各チャンバは、少なくとも部分的に膜により境界が形成される、又は膜に取り囲まれる。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態では、少なくとも２つのチャンバは、生物学的液体を受容する又は通過させるための第１のチャンバと、気体を受容する又は通過させるための第２のチャンバとを含む。したがって、前記構造により形成されるチャネル及び分岐構造の少なくともいずれかは、気体と生物学的液体との間で気体分子を輸送させるために機能する。
【００２０】
本発明に係る気体輸送装置の更に好ましい実施形態では、前記装置が、気体透過性且つ液体不透過性膜により第２のチャンバから隔てられる複数の第１のチャンバを含むように、第１のチャンバを、複数のチャンバに細分する。同様に、前記装置が、気体透過性且つ液体不透過性膜により第１のチャンバから隔てられる複数の第２のチャンバを含むように、第２のチャンバも、複数のチャンバに細分することが好ましい。前記複数の第１のチャンバは、１列以上の列において互いに隣接して配置され得るか、複数の層において上下に配置され得るかの少なくともいずれかである。同様の方法で、前記複数の第２のチャンバは、１列以上の列において互いに隣接して配置され得るか、複数の層において上下に配置され得るかの少なくともいずれかである。更に、第１のチャンバ（１又は複数）の縦方向の配向は、例えば、第２のチャンバ（１又は複数）の縦方向の配向に対して横方向に、好ましくは直角にあり得る。したがって、各第１のチャンバは、第２のチャンバ（１又は複数）の流れの一般的な方向の逆方向に、又は前記一般的な方向に対して横方向に、入口から出口へと通過するよう構築されることが好ましい。同様に、各第２のチャンバも、第１のチャンバ（１又は複数）の流れの一般的な方向の逆方向に、又は前記一般的な方向に対して横方向に、入口から出口へと通過するよう構築されることが好ましい。
【００２１】
本発明によれば、膜は、有機材料又は無機材料からなってもよく、前記材料を含んでもよい。無機膜材料としては、ガラス、セラミクス（例えば、酸化アルミニウム、二酸化チタン、又は酸化ジルコニウム）、金属、シリコーン、又は炭素が挙げられる。有機膜材料としては、特に、例えば、ポリアクリルアミド、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリブタジエン、ポリカーボネート、ポリジメチルシロキサン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンオキシド、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、他のハロゲン化炭化水素、及びセルロース等の高分子材料、並びに環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）が挙げられる。有機膜材料は、純ポリマー、ポリマー複合材料（即ち、異なるポリマー又はコポリマーの混合物）、又は多層ポリマー（即ち、ポリマー積層体）のいずれかを含んでもよい。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態では、膜材料は、上述の材料から選択される有機材料である。更により好ましくは、膜材料は、上述のポリマー、ポリマー複合材料、又は多層ポリマーである。
【００２３】
本発明の更に好ましい実施形態では、ポリマーは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブタジエン、若しくはポリペンテン等のポリオレフィン、又はこれらのメチル変異体である。膜材料は、ポリメチルペンテンからなる、又はポリメチルペンテンを含むことが最も好ましい。しかし、ＰＤＭＳを用いてもよい。
【００２４】
これに関連して特に好適な膜材料は、商品名ＴＰＸ（登録商標）として流通している三井化学株式会社製のメチルペンテンポリマーである。多くの有利な特徴（例えば、優れた生体適合性）に加えて、ＴＰＸ（登録商標）は、酸素透過性が特に高いことを特徴とする（例えば、２４ａｔｍ、２５℃、相対湿度（ＲＨ）９０％、及び膜厚２５μｍで１時間当たり４７，０００ｍＬ／ｍ２、即ち、２５℃、相対湿度（ＲＨ）９０％、及び膜厚２５μｍで、２４時間（２４ｈ）当たり、圧力差１バールあたりの酸素透過性が４７，０００ｍＬ／ｍ２（即ち、４７，０００ｍＬ／ｍ２・２４ｈ・バール）である）。ＴＰＸ（登録商標）は、更に、４０℃及び相対湿度（ＲＨ）９０％で、２４時間以内に、１ｍ２当たり水１１０ｇという低い水分透過性、並びに低い窒素透過性を示す。したがって、ＴＰＸ（登録商標）は、本発明に係る気体輸送装置用、特に酸素輸送に関する用途、例えば、血液の酸素化用の膜材料として特に好適である。
【００２５】
選択される膜材料によって、構造化膜を作製するため、又は既存の膜を構造化するための様々な選択肢が存在する。有機膜及び無機膜を両方作製するための標準的な方法は、焼結であり、加圧法、押出成形、流延成形、沈降法、及びゾル−ゲル法等の複数の方法により、焼結材料を次々に製造することが可能である。例えば、延伸（押出成形の方向に対して直角にポリマーを伸長させる）、核飛跡法（放射線を照射した後エッチングを行う）、転相法（沈殿反応）、及び発泡（ＣＯ２膨張による孔形成）等の、有機膜を作製する更なるプロセスが多数存在する。工業的には、一般に、有機膜の作製よりも無機膜の作製に注力されている。用いられる膜は、上述の方法のうちのいずれか１つ、又は先行技術から知られている他の方法を用いて作製又は構造化され得る。
【００２６】
膜は、リソグラフィー法、特にＬＩＧＡ技術を用いるリソグラフィー法により構造化されることが好ましい。ＬＩＧＡ（リソグラフィー、電気メッキ、及び複製成形の方法工程を示すドイツ語の略称）は、ディープリソグラフィー、電気メッキ、及びマイクロ複製成形の組み合わせに基づく方法である。ＬＩＧＡ法は、ウラン濃縮のための分離ノズル法の開発過程で１９８０年代前半に開発され、非常に小さな分離ノズルの製造を可能にした（Ｅ．Ｗ．Ｂｅｃｋｅｒ等，Ｎａｔｕｒｗｉｓｓｅｎｓｃｈａｆｔｅｎ６９，５２０−５２３（１９８２））。前記方法を用いると、プラスチック、金属、又はセラミクス等の様々な材料から微細なサイズのマイクロ構造を作製することができる（Ｅ．Ｗ．Ｂｅｃｋｅｒ等，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，４，３５−５６（１９８６））。特に、ＬＩＧＡ技術は、マイクロシステム工学の分野でも用いられる。
【００２７】
リソグラフィー法で用いられる放射線によって、Ｘ線ＬＩＧＡと紫外線ＬＩＧＡとは区別される。ＬＩＧＡ法は、概して、連続して実施される以下の工程からなる：先ず、Ｘ線又は紫外線に対する感度の高い最高１ｍｍの厚さのプラスチック材料（例えば、ＰＭＭＡ）の層を、導電性外層を備える基板上に置く。次いで、レジストに露光することにより、ディープリソグラフィーによる構造化を進行させる。次いで、好適な現像液を用いて、露光領域を溶解させ、電気メッキ工程で作製される金属構造のネガを残す。次の電気メッキ法では、現像中にレジストが除去された領域の基材上に金属を沈着させる。次いで、レジストを溶解させて、沈着した金属構造を残す。この金属構造は、特に有機膜（例えば、プラスチック膜）を作製し得るホットスタンピング及び射出成形等の複製成形技術のための複製成形用具として機能する。ホットスタンピング及び射出成形に加えて、複製成形には、ロールツーロール法又は真空熱成形を使用することもできる。成形型構築に用いられる技術の更なる例は、マイクロ精密ミリング及び超精密ミリングである。
【００２８】
本発明によれば、気体輸送装置で用いられる膜は、少なくとも片側が構造化され、前記構造化は、マイクロ射出成形又はホットスタンピング法を用いて得られ得ることが好ましい。更なる実施形態では、膜は、両側が構造化され、同様に、射出成形又はホットスタンピング法を用いて得られ得ることが好ましい。
【００２９】
ＬＩＧＡ法は、現在まで構造化膜材料の作製には用いられていなかった技術であるが、安価に且つ多数の製品を製造することができる。したがって、本発明は、同様に、ＬＩＧＡ法による構造化膜の作製方法、及び前記方法により得られる膜に関する。
【００３０】
膜は、マイクロメートルの単位で構造化される。本発明によれば、構造化により前記膜上にチャネル及び分岐構造の少なくともいずれかが形成され、前記チャネル及び分岐構造の少なくともいずれかの壁の間隔は、５００μｍ以下であり、３５０μｍ以下が好ましく、１５０μｍ以下がより好ましく、１００μｍ以下が更により好ましく、８０μｍ以下が更により好ましい。これら壁の寸法又は高さ、特に膜の平面からの寸法又は高さは、概して、間隔と同じ桁であり、１０μｍ〜３５０μｍが好ましく、１０μｍ〜２００μｍがより好ましく、１０μｍ〜１００μｍが更により好ましい。本発明によれば、チャネル及び分岐構造の少なくともいずれかを有する膜の表面積の比率は、膜の全表面積の５０％以上、好ましくは６０％以上、更により好ましくは７０％以上を占める。
【００３１】
膜上の構造の形状は、随意変更し得る。したがって、例えば、生体肺の毛細管構造を模倣するチャネル及び分岐構造の少なくともいずれかを、膜上の構造として用いてもよい。
【００３２】
また、このようなチャネル及び分岐構造の少なくともいずれかは、様々な幾何学形状を有するように膜を構造化することにより得ることもできる。有用な幾何学形状の例は、菱形、四角形、多角形、及び円形である。チャネルは、例えば、直線状であってもよいが、同様に、波状形状を想定した非直線状、又はミキサ構造であってもよい。
【００３３】
上記のように、膜は、構造化により突出した隆起領域を備える。これら領域の高さは、約１μｍ〜約１００μｍが好ましく、約５μｍ〜約５０μｍが好ましく、約１０μｍ〜約３０μｍが更により好ましく、約１０μｍ〜約２０μｍが最も好ましい。
【００３４】
膜上に形成されるチャネル及び分岐構造の少なくともいずれかは、全てが貫通通路から構成されて、一定量の媒体を流すことができる場合もあるが、行き止まりの分岐のみで構成されて、前記分岐に媒体が浸透し（気体輸送後、任意的に）同じ経路を再度戻る場合もある。前記膜は、チャネルを主に備えることが好ましく、チャネル及び分岐構造を主に備えることがより好ましい。
【００３５】
本発明によれば、膜上のチャネルは、媒体が、チャンバへの流入方向に対して平行に、反平行に、又は別の方式（例えば、波状等）で、チャネルを通して摺動し得るように、媒体用の貫通通路を構成する。対照的に、本発明に係る分岐構造は、媒体が入ることはできるが、袋小路のように流入点以外の点を通って再度分岐から出ることはできない分岐である。分岐構造は、チャンバへの流入方向に対して平行又は垂直に配置され得る。また、分岐構造は、平行配置と垂直配置との間の如何なる所望の角度、即ち、０°〜９０°の角度で配置されることも想定され得る。分岐構造は、流入方向に対して、好ましくは約１０°〜約８０°、より好ましくは約２０°〜約７０°、更により好ましくは約３０°〜約６０°、最も好ましくは約４０°〜約５０°の角度で配置される。チャンバへの流入方向に対する分岐構造のこのような配置では、分岐構造への入口は、主流に面する側面に位置する。この場合、分岐構造への流入は、主流に対して平行に、垂直に、又は上記角度のいずれか１つの角度をなして進む。分岐構造への流入が、主流に対して実質的に反平行に（即ち、反平行、又は反平行と垂直流入との間の任意の所望の角度で）進むように、垂直配置と平行配置との間の配置を生じさせる、流入方向に対する分岐構造の配置も、同様に考えられる。
【００３６】
チャネル及び分岐構造の少なくともいずれかに利用可能な表面積は、膜の全表面積の５０％超を占めることが特に有利であると証明されている。この比率は、膜の全表面積と、全表面積の値に対する構造が占める表面積（ｍ２）との差の値（ｍ２）を関連付けることにより、数学的に容易に算出することができる。
【００３７】
本発明に係る気体輸送装置で用いられる膜は、優れた気体透過性を示す如何なる所望の材料からなってもよい。気体透過性の値は、特定の所望の気体（具体的には、例えば、酸素又は二酸化炭素等）に関する所望の目的によって、２４ａｔｍ、２５℃、相対湿度（ＲＨ）９０％、及び膜厚約３０μｍで、１時間当たり、例えば、１００ｍＬ／ｍ２超、好ましくは１，０００ｍＬ／ｍ２超、より好ましくは５，０００ｍＬ／ｍ２超、更により好ましくは１０，０００ｍＬ／ｍ２超、最も好ましくは２０，０００ｍＬ／ｍ２超の値（即ち、雰囲気圧で２４時間以内に２０，０００ｍＬ／ｍ２超）であるとき良好であると見なされる。更に、前記膜は、概して実質的に液体不透過性である、即ち、２４時間、４０℃、ＲＨ９０％において、１，０００ｇ／ｍ２未満、好ましくは５００ｇ／ｍ２未満、より好ましくは１００ｇ／ｍ２未満、更により好ましくは１０ｇ／ｍ２（即ち、ｇＨ２Ｏ／ｍ２）未満の透湿性を有する。
【００３８】
一方、（気体）透過性膜は、多孔質膜、即ち、不連続な孔を含む膜であり得る。他方、前記膜は、ポリマーに対する透過物（即ち、気体）の溶解により物質移動が進行すると同時に、ポリマーに対する溶解度が異なることに基づいて分離も進行する、不連続な孔を有しない均質な溶解性膜であってもよい。前記膜は、非多孔質の浸透性膜であることが好ましい。気体交換は、対流性及び拡散性の物質交換によって進行し得る。気体交換は、拡散性であることが好ましく、膜の２つの側面における気体濃度の差により測定される。
【００３９】
本発明の１つの特定の実施形態では、膜は、酸素及び二酸化炭素の少なくともいずれかに対して実質的に選択的透過性である。本発明に係る気体輸送装置の用いる場所によって、前記膜は、特定の気体に対して特に高い透過性を示すが、他の気体に対して限定的な透過性しか有しないことも可能である。例えば、気体輸送装置を血液中の気体交換のために用いる場合、酸素及び二酸化炭素の少なくともいずれかに対して高い透過性を有することが重要である（上記透過性値を参照）。
【００４０】
別の特定の実施形態では、前記膜は、窒素不透過性であるか、又は僅かな窒素しか透過しない。例えば、気体交換で用いる場合、膜が僅かな窒素しか透過しないことが有利である。この場合、血液に気体を供給するために（純酸素の代わりに）空気を用いてもよい。
【００４１】
本発明に係る気体輸送装置の他の用途では、前記膜は、他の気体に対して高い透過性を示す。例えば、反応器（例えば、生物反応器等）として又は反応器用に用いる場合、前記膜は、Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２、Ｈ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｓ、ＣＨ３、他の炭化水素、又は他の気体（例えば、希ガス等）から選択される１以上の気体に対して優れた透過性を示し得る。例えば、気体精製、気体分離、又は反応等、化学分野において本発明に係る気体輸送装置を使用する場合、特定の気体に対する膜の透過性は、単離される気体の性質、精製される気体の性質、反応に供給される気体の性質、又は反応から除去される気体の性質に依存する。
【００４２】
本発明に係る気体輸送装置の所望の用途において、特定の気体（１又は複数）に対して好適な特定の透過性を有する膜材料を選択することは、当業者の裁量の範囲内である。多くの膜材料の透過性の値は、先行技術から知られている。
【００４３】
本発明によれば、膜厚は、約１μｍ〜２００μｍであり、約５μｍ〜約２００μｍが好ましく、約１０μｍ〜約１００μｍがより好ましく、約２０μｍ〜約５０μｍがより好ましい。本明細書では、膜厚とは、構造化により得られた突出領域を含まない膜厚である。
【００４４】
膜厚が薄いので、好適な支持材により膜を強化する必要がある場合もある。膜は、多孔質発泡体、セラミクス、ポリマーからなる群から選択される支持材により強化されることが好ましく、任意的にＴＰＸの支持層によっても支持される。
【００４５】
本発明の更なる実施形態によれば、前記膜は、積層膜の形態をとり得る。積層膜の使用は、概して、単層膜の使用に比べて少なくとも２つの利点を有する。１点は、気体交換に利用できる表面積が増えるにつれて、効率が上がることである。もう１点は、積層膜の強度が、単層膜よりも高いことである。対照的に、コンパクト設計の本発明に係る気体輸送装置が必要とされる用途では、例えば、小型化するために、積層膜の代わりに単層膜を選択することがより好ましい。
【００４６】
前記膜は、自動的に又は用手的に積み重ねることができる。本明細書では、前記膜は、平行に積み重ねてもよく、互いに対して特定の角度ずらして交互に配置してもよい。特に好ましい積層膜は、互いに対して９０°ずらして交互に配置される積層膜である。個々の膜は、膜の縁部及び隆起部の少なくともいずれかで互いに接合される。接着結合（例えば、ＵＶ接着剤等）、超音波溶接、熱溶接、結合、又は共有分子結合の形成（例えば、アミド結合を形成するためのＮＨ３−ＣＯＯＨ等）等の方法を用いることができる。
【００４７】
前記積層膜は、その構造化又は組成に関して同一である膜又は異なる膜のいずれかを含んでもよい。好ましい実施形態では、前記積層膜は、ナノ多孔質膜と交互に配置される構造化、透過性、非多孔質膜からなる。前記積層膜は、好ましくは約１０枚、好ましくは約５０枚、より好ましくは約１００枚、更により好ましくは約１００枚超、例えば、更には１，０００枚超の膜からなる。
【００４８】
本発明に係る気体輸送装置の耐用寿命に関わる重要な構成部品は、膜である。不所望の全身反応（炎症性免疫反応）を示した血液と接触する異種表面を用いる器官補助システムは、既に、広範囲に亘る臨床用途で用いることができる。長期間に亘って従来の血液接触表面を用いると、血漿タンパク質及び細胞の付着により、断面積が減少し、且つ血栓症が生じる。更に、長期間に亘る使用により、「新生内膜」として知られている増殖性内膜が形成される。この現象は、例えば、人工心肺等において肺の機能を補助するために用いられる酸素化装置で特に見られるが、人工心臓システム、心臓支援システム、又は血液透析器でも見られる。したがって、膜の耐用寿命は、様々な方法で改善することができ、また改善しなければならない。
【００４９】
本発明の１つの実施形態では、膜は、プラズマ活性化により後処理され得る。
【００５０】
本発明の更なる実施形態では、特に医療分野で本発明に係る気体輸送装置を使用する場合、膜に、細胞、好ましくは上皮細胞が定着し得る。（例えば、肺支援システム等として）医療分野で長期間に亘って使用できる本発明に係る気体輸送装置では、膜に細胞が定着することにより耐用寿命が延びる。その理由は、前記定着により、用いられる媒体から膜への物質の非特異的結合が阻止、又は強く阻害されるので、時間がたっても膜の気体透過性が全く又は殆ど損なわれないためである。
【００５１】
本発明の更に別の実施形態では、前記膜は、例えば、（多）糖、好ましくは、ヘパリン、核酸、好ましくはＤＮＡ、ＲＮＡ、若しくはＰＮＡ、タンパク質、好ましくはアルブミン、脂質、プロテオグリカン、又は有機ポリマー、例えば、ポリエチレングリコール等から選択される生体物質でコーティングされるか、これら物質の組み合わせでコーティングされる。
【００５２】
膜に細胞を定着させるために、又は膜を他の物質でコーティングするために、事前に膜の表面を改質することが有利であるか、又は必要である場合がある。膜を改質する方法は、先行技術から知られており、具体的な用途に基づいて当業者が選択することができる。例えば、接着性を改善するために、膜を物理的又は化学的に処理することにより、例えば、膜の疎水性／親水性／電荷密度を改質することが必要である場合がある。
【００５３】
本発明は、上記のような構造化膜を含む気体輸送装置、また気体輸送装置における構造化膜の使用に関する。
【００５４】
本発明によれば、「気体輸送装置」という用語は、気体供給装置、脱気装置、及び気体交換装置を含む。気体供給装置又は脱気装置では、逆方向の移動が全く生じることなく、あるチャンバから他のチャンバへ１以上の気体が通過する。対照的に、気体交換装置では、同じ気体、別の気体、又は複数の気体が、追加的に第１のチャンバに移動する。したがって、気体が互いに交換される。一方向に移動する気体の量は、本明細書では、反対方向に移動する気体の量と同一である必要はない。概して、輸送は、特定の濃度勾配に従って生じる。
【００５５】
本発明に係る気体輸送装置の少なくとも２つのチャンバは、いずれの場合も、媒体、即ち、気体、液体、固体、又はこれらの混合物を受容する機能を有する。本発明に係る気体輸送装置の適用分野によって、前記チャンバは、特定の媒体を受容する機能を有する。気体を精製するための用途では、分離される気体は、チャンバの１つにおいて気体混合物又は液体として存在し、同様に、分離される気体が通過する別のチャンバも、気体又は液体を収容する。しかし、後者のチャンバは、気体輸送を促進するために、空であるか、より弱い又は強い減圧下にあってもよい。
【００５６】
バイオテクノロジーにおいて用いる場合、チャンバの少なくとも１つが、液体、例えば、培養培地を受容する機能を有し、別のチャンバが、液体を通過する予定の気体を受容する機能を有することが好ましい。医療分野で酸素化装置として用いる場合、本発明に係る気体輸送装置は、少なくとも２つのチャンバを含み、前記チャンバのうちの１つが、液体を受容する機能を有し、更なるチャンバが、液体を通過する予定の気体を受容する機能を有することが好ましい。血液における気体供給又は気体交換に本発明に係る気体輸送装置を用いる場合、少なくとも１つのチャンバが液体、例えば、血液を受容し、少なくとも１つの更なるチャンバが、酸素又は酸素含有気体混合物を受容する。この場合、酸素は、あるチャンバから膜を通過して、血液で満たされたチャンバに入り、二酸化炭素は、任意的に、前記血液で満たされたチャンバから酸素を収容するチャンバに移動する。少なくとも１つの酸素収容チャンバへの二酸化炭素の輸送は、本明細書では、二酸化炭素が透過しないように膜を選択することにより、生じない場合もある。
【００５７】
本発明に係る気体輸送装置の用途によって、チャンバは、如何なる所望の好適な材料から製造することもできる。例えば、チャンバは、プラスチック、金属、ガラス、セラミクス、又は他の材料、例えば、複合材料からなり得る。反応器用途では、鋼製チャンバを用いてもよい。好ましいチャンバ材料は、プラスチックである。しかし、本発明に係る気体輸送装置の特定の用途に好適なチャンバ材料を選択することは、当業者の裁量の範囲内である。本明細書では、異なるチャンバを同じ材料から製造してもよく、異なる材料から製造してもよい。化学的用途では、材料の安定性が特に重要であり、一方、バイオテクノロジー及び医療分野において使用する場合は、特に、チャンバ内で用いられる媒体との適合性に注意を払わなくてはならず、具体的には、医療用途における規格（滅菌等）に注意しなければならない。
【００５８】
同様に、本発明に係る気体輸送装置の用途によって、チャンバの大きさは、好適な方法で選択することができる。本明細書では、チャンバは、同じ大きさであっても、異なる大きさであってもよく、また同一形状であっても、異なる形状であってもよい。例えば、１以上のチャンバは、（好ましくは、膜の構造化により）膜と（反対側の）チャンバ壁とが直接接触するほど小さくてもよい。他方、１又は複数のチャンバは、最大数メートルの寸法を有してもよい。例えば、（例えば、化学又はバイオテクノロジー分野において）反応器として使用する場合、チャンバの１つがそれ自体、例えば、最高約１０ｍの幅を有し得る反応器の形態をとってもよい。チャンバの寸法が小さい前者の場合、チャンバの少なくとも１つは、好ましくは約１μｍ〜約１ｃｍ、より好ましくは約５μｍ〜約５００μｍ、更により好ましくは約１０μｍ〜約２００μｍ、最も好ましくは約２０μｍ〜約１００μｍの直径を有する。後者の場合、例えば、反応器として用いる場合、チャンバの少なくとも１つは、好ましくは約１ｃｍ〜約１０ｍ、より好ましくは約５ｃｍ〜約５ｍ、更により好ましくは約１０ｃｍ〜約２ｍ、最も好ましくは約２０ｃｍ〜約１ｍの直径を有する。少なくとも２つのチャンバが、上記直径を有することが特に好ましい。しかし、特定の用途に好適な本発明に係る気体輸送装置のチャンバの大きさを特定することは、当業者の裁量の範囲内である。これは、チャンバの長さ及び高さの寸法決めにも同様に適用される。
【００５９】
いずれの場合も、本発明に係る気体輸送装置のチャンバは、媒体を受容するための少なくとも１つの開口部を含む。いずれの場合も、貫流チャンバの形態をとる場合、チャンバは、少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口を含むことが好ましい。チャンバの少なくとも１つが貫流チャンバの形態をとることが好ましく、全てのチャンバが貫流チャンバとして構築されることがより好ましい。更なるチャンバ又は設備との接続部を、入口及び出口の少なくとも１つに設けてもよい。媒体のチャンバへの導入、及び媒体の除去の少なくともいずれかの機能を有する管との接続部を、入口及び出口の少なくともいずれかに設けてもよい。少なくとも２つのチャンバが貫流チャンバの形態をとる場合、前記チャンバは、並流的に又は向流的に作動し得る。例えば、チャンバに媒体を通すためにポンプを用いることができる。媒体は、周囲圧、減圧、又は高圧下でチャンバを通過し得る。例えば、媒体は、１００ｍｂａｒ〜１０ｍｂａｒの減圧下で、又は５０ｍｂａｒ〜３００ｍｂａｒの高圧下で、チャンバを通過し得る。
【００６０】
本発明の１つの実施形態では、本発明に係る気体輸送装置は、２超、好ましくは１０超、より好ましくは２０超、更により好ましくは５０超、最も好ましくは１００超のチャンバを含み、前記チャンバは、いずれの場合も、膜によって互いに隔てられる。
【００６１】
本発明に係る気体輸送装置は、チャンバが、気体を吸収する媒体と、気体を放出する媒体か又は気体である媒体とを交互に収容するように構築されることが好ましい。
【００６２】
更に、本発明に係る気体輸送装置は、本発明の他の実施形態では、チャンバが、好ましくは上下に（即ち、互いに平行に）配置される２以上の上記装置からなる。或いは、チャンバは、同心円上に、直列的に、又は互いの周囲に配置され得る。
【００６３】
この場合においても、気体を吸収する媒体を収容するチャンバは、気体を放出する媒体を収容するチャンバと交互に配置されることが好ましい。
【００６４】
２超のチャンバを含む装置は、２つのチャンバしか含まない装置よりも確実に高効率である。本発明に係る気体輸送装置の小型化を犠牲にすれば、効率が改善される。
【００６５】
本発明によれば、気体輸送装置は、任意の所望の媒体（気体、液体、固体、これらの混合物等）における気体供給又は気体交換のために用いられる。
【００６６】
化学分野では、本発明に係る気体輸送装置は、概して、例えば、気体／気体反応、気体／液体反応、又は気体／固体反応等の、気体が何らかの役割を果たす反応のために用いることができる。更に、本発明に係る気体輸送装置は、同様に、気体精製及び気体分離にも用いることができる。
【００６７】
前記気体輸送装置は、バイオテクノロジー及び医療分野において用いられることが好ましい。バイオテクノロジーにおいては、具体的には、例えば、対象遺伝子を発現させるために、様々な細胞を培養するための生物反応器として、又は前記生物反応器内で用いられる。
【００６８】
医療分野においては、本発明に係る気体輸送装置は、長期間に亘る治療のために、外科手術、例えば、患者が人工心肺につながれている移植手術中に、又は救急治療のために、特に肺不全又は他の肺疾患の患者において、血液に気体を供給するために用いられることが好ましい。
【００６９】
特に好ましい用途では、本発明に係る気体輸送装置は、血液に気体を供給するために、又は血液中で気体を交換するために用いることができる。このように、前記気体輸送装置は、人工肺の機能を想定している。このような人工肺は、概して、外部装置の形態をとるが、患者に埋め込むこともできる。本発明に係る気体輸送装置が外部装置の形態をとるか、埋め込み型装置の形態をとるかによって、寸法が異なる。したがって、体内で使用可能な本発明に係る気体輸送装置は、例えば、患者の静脈に埋め込むのに特に適するように小型で作製される。
【００７０】
本発明に係る気体輸送装置の用途によって、前記気体輸送装置の複数のチャンバは、異なる媒体を受容するよう機能してもよい。例えば、複数のチャンバに複数の気体を充填してもよい。同様に、チャンバの１つ又は全てのチャンバが１つの液体を受容するよう機能してもよい。
【００７１】
医療又はバイオテクノロジー分野で用いられる場合、前記液体は、生物学的液体であることが好ましい。前記生物学的液体は、生体の体液である液体だけではなく、少なくとも１つの生物にとって生物学的に非毒性であるか、又は前記生物の成長に必要である液体をも意味すると解釈すべきである。本発明の１つの実施形態では、前記生物学的液体は、血液、血清、細胞懸濁液、細胞溶液、及び培養培地からなる群から選択される。本発明に係る気体輸送装置のチャンバの少なくとも１つが液体を受容する機能を有する場合、このチャンバを更なるチャンバから隔てる膜の液体側が上記のように構造化されることが好ましい。
【００７２】
既に記載した通り、本発明に係る気体輸送装置の複数のチャンバは、異なる寸法であってもよい。したがって、前記チャンバは、非常に小さな寸法であり、且つ例えば、反応器（化学反応器又は生物反応器）内で用いるための貫流チャンバとして用いることもできる。前記チャンバは、本明細書では、好適な接続を介して、体内で又は体外で、反応器と接続することができる。例えば、ある割合の媒体を、好適な接続具（例えば、管）を介して反応器から引き出し、気体輸送装置のチャンバのうちの１つに導入することができる。反応器から液体に気体を放出する、又は気体を吸収する別の媒体を、（例えば、貫流チャンバの形態の）他のチャンバに充填してもよい。
【００７３】
他方、チャンバの少なくとも１つは、それ自体反応器として機能するほど大きくてもよい。次いで、媒体は更なるチャンバを通過し、特定の気体を反応器の媒体に受容する又は放出するよう機能する。
【００７４】
血液に気体を供給するための体外気体輸送装置の一例である実施形態は、ノヴァラング社製ＩＬ−１０００−０１ノヴァラング（Ｎｏｖａｌｕｎｇ）（登録商標）−ｉＬＡ膜型人工呼吸器に基づいて製造することができる。この人工呼吸器は、アルブミン−ヘパリンコーティングを有する体外気体交換装置の分類に属する。このような人工呼吸器は、患者からバイパスされた血液に酸素を供給し、且つ前記血液から二酸化炭素を除去する機能を有する。前記システムは、気体輸送装置に相当する「人工肺」と、延長管を用いて前記装置へ／前記装置から血液を運ぶ機能を有する入口／出口ラインとからなる。このシステムは、非指向性であり、構造が対称的であるので、両側からの流入を受容することができる。前記システムの２つの入口／出口ライン及び延長管は、以下の部品で構成される：
−ねじれを防ぐための入口／出口曲がり管、
−雌迅速継手を備える３／８インチ×３／３２インチのＰＶＣ管、
−雄／雌迅速継手を備える延長管。
【００７５】
装置へ／装置から血液を運ぶ機能を有する入口／出口曲がり管は、管のねじれを防ぐために膜型肺の入口／出口領域に設置される。入口／出口ライン及び延長管への移行部は、流動領域におけるデッドゾーン、鋭い縁部等による血栓症のリスクを最低限に抑えるために、段ができないように構築される。
【００７６】
ノヴァラング（登録商標）−ｉＬＡ膜型人工呼吸器において先行技術に従って用いられる膜は、中空繊維膜であり、前記膜を通して酸素が血液中に放出され、（二酸化）炭素が血液から除去される。本発明によれば、前記中空繊維膜を、本発明において定義される構造化膜に置換してもよい。
【００７７】
ノヴァラング（登録商標）製ｉＬＡ膜型人工呼吸器システムは、以下の原理に従って機能する：血液は、大腿動脈から出て、ノヴァラング（登録商標）製の動脈カニューレであるノヴァポート（登録商標）を介して、供給用延長管及び入口ラインに入る。血液は、入口曲がり管を通過して、膜型肺の筐体に入る。下流のアンテチャンバでは、血液が分配され、上部で任意の流入空気が引き出される。脱気膜は、両側の膜型システムの頂点に設置される。これらは、気体物質は通過させるが、液体は保持する疎水性膜である。前記脱気膜は、前記方法中に空気の充填、脱気、及び永続的排出を促進する機能を有する。下流の主チャンバでは、上記のように気体交換が進行する。
【００７８】
二酸化炭素が除去された血液及び酸素化された血液は、出口曲がり管、膜型システム、延長管を備える出口ライン、及びノヴァラング（登録商標）製カニューレノヴァポート（登録商標）を介して、患者の大腿静脈に供給される。
【００７９】
更なる技術の詳細について、以下の表に記載する。
【表１】
2015042253.tif 000003
【００８０】
本発明に係る気体輸送装置は、更なる構成部品を更に含んでもよい。前記構成部品としては、例えば、任意の所望の材料から構築され得る筐体が挙げられる。
【００８１】
更に、気体輸送装置が適切に機能するために必要であるか、又は適切に機能するように有効である更なる構成部品を本発明に係る気体輸送装置に接続してもよい。例えば、チャンバ内に存在する又はチャンバを通過する媒体の温度を制御するために、熱交換器を気体輸送装置に接続してもよい。更に、チャンバ内に存在する若しくはチャンバを通過する媒体の特定のパラメータをモニタする又は予め規定する装置を、同様に、本発明に係る気体輸送装置に接続してもよい。例えば、（媒体として気体を用いる場合）気圧をモニタする装置を気体輸送装置に接続してもよい。
【００８２】
本発明は、同様に、人工肺又は生物反応器における、上記のような構造化膜の使用に関する。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
次に、添付図面に示される具体的な実施形態の一例を参照して本発明を説明する。同一の機構には、同一の参照番号を付す。
【図１】図１は、本発明の単純な実施形態の一例に係る気体輸送装置において使用するための構造化膜の概略斜視図である。
【図２】図２は、本発明の単純な実施形態に係る気体輸送装置の部分の概略断面図である。
【図３】図３は、本発明の好ましい実施形態の一例に係る気体輸送装置において使用するための構造化膜の斜視図である。
【図４】図４は、図３に示される構造化膜の部分の斜視図である。
【図５】図５は、図３に示される構造化膜の部分の更なる斜視図である。
【図６】図６は、本発明の好ましい実施形態の一例に係る気体輸送装置の斜視図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態の一例に係る単純な気体輸送装置内の試験液体における酸素化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００８４】
図１は、概略的且つ拡大された形態の、本発明の単純な実施形態の一例に係る気体交換装置において使用するための気体透過性且つ液体不透過性構造化膜の一部を示す。膜１の対向する２つの側面２、３には、ある構造が設けられ、この構造は、平行に延在する壁４と、前記壁４の間に形成されるチャネル５とからなる。壁４は、膜１の２つの外面２、３全体に亘って互いに一定間隔６で配置され、且つ膜１の平面から上方及び下方に実質的に垂直に突出する。この実施形態の一例における壁４の間隔６は、約２０μｍ〜約１５０μｍであり、チャネル５は、膜１の面２、３の総面積の５０％超を占める。図１から推測できるように、チャネル５は、膜の下側面３上のチャネル５に対して横方向又は直角に、膜１の上側面２上に延在する。
【００８５】
本発明に係る単純な気体輸送装置では、少なくとも２つのチャンバが、図１に示される気体透過性且つ液体不透過性膜により互いに隔てられる。膜１の上側面２上では、少なくとも１つの第１のチャンバが、膜１により部分的に形成され、下側面３上では、少なくとも１つの第２のチャンバが、膜１により部分的に形成される。膜の上側面２上の少なくとも１つの第１のチャンバは、例えば、血液等の生物学的液体を受容するためのものであり、膜の下側面３上の少なくとも１つの第２のチャンバは、例えば、酸素等の気体を受容するためのものである。各チャンバは、更に、それぞれのチャンバを通して、血液Ｂが、膜上を、例えば、前後に流れることができ、且つ酸素Ｏが、膜下を、例えば、左右に流れることができるように、貫流チャンバとして構築される。上記のように、膜表面の構造化は、液相と気相とが密接に接触するために大きな領域を提供することにより、気体の輸送を促進するよう機能する。しかし、これに加えて、構造化膜上における液相及び気相の流動性（例えば、乱流による）は、膜を通じた気体輸送も促進し得る。更に、特に拡散性の向上により、物質輸送は更に強化されるが、これは、壁４の間隔６が小さく、結果として流れ抵抗が低下することに起因する。
【００８６】
図２は、本発明の単純な実施形態の一例に係る気体輸送装置２０の部分の概略的断面図を示す。この例では、膜１は、２層の支持材７により強化される。支持材７は、膜１と同じポリマーからなることが好ましく、且つ（例えば、超音波又はレーザによる）溶接、又は共有結合により膜１に接合される。各支持層７は、膜１の壁厚以上の壁厚、例えば、最高１ｍｍ又は２ｍｍの非常に厚い壁厚を有し得る。図２から明らかであるように、膜１の上側面２のチャネル５は、互いに隣接して配置される生物学的液体（血液）用の第１のチャンバ２１の列を、上方支持層７と共に形成する。同様の方式で、膜１の下側面３のチャネル５は、互いに隣接して配置される気体（酸素）用の第２のチャンバ２２の列を、下方支持層７と共に形成する。この例では、膜１の上側面２及び下側面３のチャネル５は、互いに平行に延在するが、それにもかかわらず、血液Ｂ及び酸素Ｏは、逆方向に流れる。上側面２では、血液Ｂは、観察者から見たとき、例えば、第１のチャンバ２１を通じて図の平面に流れ、下面では、酸素Ｏが、図の平面から第２のチャンバ２２を通じて流れる。
【００８７】
次に、本発明の好ましい実施形態の一例に係る気体輸送装置２０で使用するための構造化膜１について、図３〜５を参照して記載する。これら図でも大きく拡大された形である図３〜５に示すように、この膜は、液相及び気相の流れが貫通するために、直線状チャネル５と、分岐構造、即ち、分岐又は被分岐経路８とを形成するよう構築される。これらの図では、主に膜の上側面２しか見えないが、下側面３も同様に構造化される。対向する端部９には、例えば、生物学的液体用に、互いに隣接して配置されるチャネル５の列を形成する、平行に延在する四角形の凹部が設けられる。これらチャネル５は、第１のチャンバ２１に属し、矢印Ａにより示される方向に流れる場合、第１のチャンバへの入口２３、又は第１のチャンバ２１からの出口２４を形成する。チャネル５は、膜の平面から実質的に垂直に突出する円筒形突出部、即ち隆起部１０が設けられた、膜の上側面２における広い中心部と連通する。図５から分かるように、膜の下側面３も同一の外観を有する。チャネル５の壁４と、突出部、即ち隆起部１０とは全て、互いに約２０μｍ〜約１５０μｍの距離６で存在する。更に、突出部、即ち隆起部１０は、流れ方向に障害物として存在し、それぞれのチャンバを通過する流れをそらせ且つ分離させるよう配置される。このように流れがそれ且つ分離することにより、流れの矢印で示されるように、チャンバ内の分岐構造８、言い換えれば被分岐又は分岐貫通流路８につながる。図２に示されるように、膜１が設けられ、支持材７を用いてその上下が強化されるので、上方の第１のチャンバ２１及び下方の第２のチャンバ２２を形成する空洞が生じる。支持層７は、上記のように配置され、且つ接合される。膜の上側面２（及び下面）の縁部には、膜１に層７で上から蓋をする場合、支持層７を受容するための矩形凹部１１が設けられる。支持層７の内側は、突出部、即ち隆起部１０の上端１２と接触且つ接続されてもよいが、必須ではない。突出部、即ち隆起部の上端１２は、それぞれのチャンバ内にて自立構造で立っていてもよい。
【００８８】
図６は、本発明の好ましい実施形態の一例に係る気体輸送装置２０を斜視図で示す。装置２０は、積層膜からなる。膜１は、図３〜５に示される膜と類似しているが、下側面３の入口２３及び出口２４が、図１のように上側面２の入口２３及び出口２４に対して直角に配向される。したがって、血液等の生物学的液体は、各膜１の上側をＢ方向に流れ、酸素は、各膜１の下側３を横方向Ｏに流れ得る。上下に個々の膜１を積み重ねることにより立方状配置が形成され、前記立方状配置は、対応する周辺シール及び管を接続するための好適な接続具と共に、例えば人工肺において気体輸送装置のモジュールとして機能する。
【００８９】
図７は、個々のマイクロチャネルにおける試験液体の酸素化による結果を表すグラフを示す。マイクロチャネルには、ミキサ構造（即ち、曲がりくねったチャネル）が設けられ、長さは６６ｍｍであり、深さ３２０μｍ及び幅３２０μｍの正方形状断面を有していた。試験液体は、２．４ｍＬ／分の体積流量でマイクロチャネルを通して汲み出された。本発明に係る気体輸送装置を用いる方法を行った後、（液体中の分圧として）著しく酸素化されたことがグラフから明らかである。
【００９０】
当業者は、特許請求の範囲に記載される発明の一般的な特徴から逸脱することなく、本発明に係る気体輸送装置を図とは異なるように構築し得ることを理解するであろう。例えば、第２のチャンバが、第１のチャンバ内に配置されてもよく、第１のチャンバに実質的に取り囲まれてもよい。或いは、第１のチャンバが、第２のチャンバ内に配置されてもよく、第２のチャンバに実質的に取り囲まれてもよい。当業者に理解されるように、本発明に係る装置は、生物学的液体の最大１つの処理を行う装置に限定されるものではない。代わりに、本発明に係る装置の構造は、同時に複数の可能な処理を行うことができる。
【符号の説明】
【００９１】
１  膜
２  上側面
３  下側面
４  壁
５  チャネル
６  間隔
７  支持材
８  分岐構造
９  対向する端部
１０  隆起部
１１  矩形凹部
１２  上端
２０  気体輸送装置
２１  第１のチャンバ
２２  第２のチャンバ
２３  入口
２４  出口
【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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