(57)【要約】  【課題】  【解決手段】  本発明は、血液透析に関し、特に、本発明の実施例によるマイクロチャネル分離を用いて透析膜を通る物質移動効率を改善した透析器に関する。一実施例によれば、複数の半透過性膜シートと、複数のフローセパレータを具える透析器が提供されている。この膜シートとフローセパレータは、交互に配置されており、薄膜スタックに連結されて複数の平行マイクロチャネル層を規定する。各マイクロチャネル層は複数の第１のマイクロチャネルと複数の第２のマイクロチャネルを具える。各マイクロチャネル層の第１及び第２のマイクロチャネルは、その間にある複数の膜シートの一つを介して互いに液通している。ＭＥＣＳ透析器は、高い表面積対体積比と、高い物質移動係数を有することで特徴付けられる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
透析器において；
複数の半透過性膜シートと；及び
複数のフローセパレータとを具え、前記膜シートとフローセパレータが交互に配置されており、複数の平行マイクロチャネル層を規定する薄膜スタックに連結されており、各マイクロチャネル層が、複数の第１のマイクロチャネルと、複数の第２のマイクロチャネルを具えており、各マイクロチャネル層の前記第１及び第２のマイクロチャネルがその間の前記複数の膜シートの一つを介して互いに液通していることを特徴とする透析器。
【請求項２】
請求項１に記載の透析器において、各マイクロチャネル層の前記第１のマイクロチャネルが平行であり、各マイクロチャネル層の前記第２のマイクロチャネルが平行であることを特徴とする透析器。
【請求項３】
請求項２に記載の透析器において、前記マイクロチャネル層の前記第１及び第２のマイクロチャネルが平行であることを特徴とする透析器。
【請求項４】
請求項２に記載の透析器において、前記マイクロチャネル層の前記第１及び第２のマイクロチャネルが直交していることを特徴とする透析器。
【請求項５】
請求項１に記載の透析器において、前記フローセパレータが：
第１の側部と、当該第１の側部に対向する第２の側部を具え、当該第２の側部がその中に平行な溝を具える複数の第１のマイクロチャネルシートと；
第１の側部と、当該第１の側部に対向する第２の側部を具え、当該第１及び第２の側部がその中に平行な溝を有している複数の第２のマイクロチャネルシートを具え、前記薄膜スタックが、薄膜スタック上側部と薄膜スタック底側部とを具え、各マイクロチャネル層が、間に膜シートを伴い、そこに連結されている第１及び第２のマイクロチャネルシートであって、前記対向関係にある溝が前記薄膜スタック上側部と底側部において前記膜シートによって分離されている第１及び第２のマイクロチャネルシートか、間に膜シートを伴い、そこに連結されている２枚の第２のマイクロチャネルシートであって、前記対向関係にある溝が前記膜シートで分離されている２枚の第２のマイクロチャネルシートのいずれかを具える薄膜サブスタックを具えることを特徴とする透析器。
【請求項６】
請求項１に記載の透析器において、前記フローセパレータが：
第１の側部と、当該第１の側部に対向する第２の側部と、第１の端部と当該第１の端部に対向する第２の端部を具え、少なくとも一方の側部が前記第１の端部から前記第２の端部へ延在する平行な溝を有する複数の第１のマイクロチャネルシートと；
第１の側部と、当該第１の側部に対向する第２の側部と、第１の端部と当該第１の端部に対向する第２の端部を具え、少なくとも一方の側部が前記第１の端部から前記第２の端部へ延在する平行な溝を有する複数の第２のマイクロチャネルシートを具え、各マイクロチャネル層が、間に膜シートを有し、そこに連結されている第１及び第２のマイクロチャネルシートを具える薄膜サブスタックを具え、前記対向関係にある溝が前記膜シートで分離されていることを特徴とする透析器。
【請求項７】
請求項６に記載の透析器において、前記複数の第１のマイクロチャネルシートが更に、前記第１及び第２の各端部に第１のプレナム溝を具え、前記第１のプレナム溝が、前記第１のマイクロチャネルシート上の前記溝と液通しており、前記複数の第２のマイクロチャネルシートが更に、前記第１及び第２の各端部に第２のプレナム溝を具え、前記第２のプレナム溝が前記第２のマイクロチャネルシート上の溝と液通していることを特徴とする透析器。
【請求項８】
請求項１に記載の透析器において、各膜シートが第１の側部と、当該第１の側部に対向する第２の側部、及び第１の端部と前記第１の端部に対向する第２の端部を有し、前記フローセパレータが前記第１及び第２の側部から突出して前記第１の端部から前記第２の端部へ延在する平行な溝を規定しており、各マイクロチャネル層が、少なくとも２枚の膜シートを具える単位薄膜スタックを具え、前記溝が対向関係にあり、前記フローセパレータが互いに隣接してそこに連結して、第１及び第２のマイクロチャネルの交互の層を規定することを特徴とする透析器。
【請求項９】
請求項８に記載の透析器が更に、第１のヘッダと第２のヘッダを具え、前記第１のヘッダが前記第１の端部で前記第１のマイクロチャネルと液通する入口と、前記第１の端部で前記第２のマイクロチャネルと液通する出口とを具え、前記第２のヘッダが、前記第２の端部で前記第２のマイクロチャネルと液通する入口と、前記第２の端部で前記第１のマイクロチャネルと液通する出口と、を具えることを特徴とする透析器。
【請求項１０】
請求項８に記載の透析器が更に、第１のヘッダと第２のヘッダを具え、前記第１のヘッダが前記第１の端部で前記第１のマイクロチャネルと液通する第１の入口と、前記第１の端部で前記第２のマイクロチャネルと液通する第２の入口とを具え、前記第２のヘッダが、前記第２の端部で前記第１のマイクロチャネルと液通する第１の出口と、前記第２の端部で前記第２のマイクロチャネルと液通する第２の出口と、を具えることを特徴とする透析器。
【請求項１１】
透析システムにおいて：
血液取扱い装置と；
透析液取扱い装置と；
複数の半透過性膜シートを具える透析器と；及び
複数のフローセパレータとを具え、前記膜シートとフローセパレータが交互に配置されており、薄膜スタックに連結されて複数の平行マイクロチャネル層を規定しており、各マイクロチャネル層が複数の第１のマイクロチャネルと、複数の第２のマイクロチャネルを具え、各マイクロチャネル層の前記第１及び第２のマイクロチャネルがその間の前記複数の膜シートの一つを介して互いに液通しており、前記血液取扱い装置が前記第１のマイクロチャネルと液通しており、前記透析液取扱い装置が前記第２のマイクロチャネルと液通していることを特徴とする透析システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の透析システムにおいて、前記血液取扱い装置が、第１の端部において前記第１のマイクロチャネルへ血液を供給し、第２の端部において前記第２のマイクロチャネルから血液を排出するように構成されており、前記透析液取扱い装置が、前記第２の端部において前記第２のマイクロチャネルへ透析液を供給し、前記第１の端部において前記第２のマイクロチャネルから透析液を排出するように構成されていることを特徴とする透析システム。
【請求項１３】
請求項１１に記載の透析システムにおいて、前記血液取扱い装置が、第１の端部において前記第１のマイクロチャネルへ血液を供給し、第２の端部において前記第２のマイクロチャネルから血液を排出するように構成されており、前記透析液取扱い装置が、前記第１の端部において前記第２のマイクロチャネルへ透析液を供給し、前記第２の端部において前記第２のマイクロチャネルから透析液を排出するように構成されていることを特徴とする透析システム。
【請求項１４】
請求項１１に記載の透析システムにおいて、各膜シートが第１の側部と当該第１の側部に対向する第２の側部と、第１の端部と当該第１の端部に対向する第２の端部を有し、前記フローセパレータが前記第１及び第２の側部から突出して前記第１の端部から前記第２の端部へ延在する平行な溝を規定しており、各マイクロチャネル層が、少なくとも２枚の膜シートを具える単位薄膜スタックを具え、前記溝が対向関係にあり、前記フローセパレータが互いに隣接しており、そこに連結されて第１及び第２のマイクロチャネルの交互の層を規定することを特徴とするシステム。
【請求項１５】
血液透析方法において：
複数の半透過性膜シートと；
複数のフローセパレータとを具える透析器を提供するステップであって、前記膜シートとフローセパレータが交互に配置されており、複数の平行なマイクロチャネル層を規定する薄膜スタックに連結されて、各マイクロチャネル層が複数の第１のマイクロチャネルと複数の第２のマイクロチャネルを具え、各マイクロチャネル層の前記第１及び第２のマイクロチャネルが、その間にある前記複数の膜シートの一つを介して互いに液通しており、前記血液取扱い装置が前記第１のマイクロチャネルと液通しており、前記透析液取扱い装置が前記第２のマイクロチャネルと液通している透析器を提供するステップと；
第１の端部において前記第１のマイクロチャネルに血液を供給するステップと；
第２の端部において前記第２のマイクロチャネルに透析液を供給するステップと；
第２の端部において前記第１のマイクロチャネルから血液を排出するステップと；
第１の端部において前記第２のマイクロチャネルから透析液を排出するステップと；
を具えることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法において、前記第１のマイクロチャネルセットを通る血液の流れが非乱流であることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法において、前記第１のマイクロチャネルセットを通る血液の流れが層流であることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法において、前記第１のマイクロチャネルセットを流れる血液の流れが前記第２のマイクロチャネルセットを流れる透析液の流れに対して向流であることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の方法において、前記第１のマイクロチャネルセットを流れる血液の流れが前記第２のマイクロチャネルセットを流れる透析液の流れに対して並流であることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１５に記載の方法において、前記第１のマイクロチャネルセットを流れる血液の流れが前記第２のマイクロチャネルセットを流れる透析液の流れに対して交流であることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１５に記載の方法において、前記第１及び第２のマイクロチャネルが最大１０００ミクロンの内寸を有することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
この出願は、２００４年１０月６日に出願された暫定出願第６０／６１６，７５７号に対して米国特許法(３５ＵＳＣ)第１１９条（ｅ）の利益を請求する非暫定出願である。この暫定出願はここに全体的に引用されている。
【０００２】
発明の属する技術分野
本発明は血液透析に関するものであり、特に、マイクロ技術に基づく透析方法及び装置に関する。
【０００３】
発明の背景
慢性透析は、１９６０年代の初めから、腎臓疾患を有する患者に行われてきた。これを可能にしたのは、１９３０年代および１９４０年代に始まった技術革新の結果である透析器または「人工腎臓」である。透析器は、血液からの老廃物や溶質及び流体を半透過性膜を通して透析液として知られている透析液に拡散させて対流させるプロセスによる、血液透析を介して血液を浄化する装置である。透析システムは、透析器と、配管やポンプなどの透析器を支持する関連機材とを具えるアッセンブリである。
【０００４】
最初に使用された透析システムは、大きな丸い木製のフレームの上に巻きつけたソーセージケーシングを半透過性膜として用いた大きな回転ドラムでできていた。血液は、このケーシングを通して送られ、このケーシングは透析液の中に漬けられていた。１９７０年代までに、この業界は中空糸透析器を開発した。この装置は、長さ３０ｃｍ、直径６ｃｍのチューブの中に収納した１０，０００乃至１４，０００の中空状半透過性膜ファイバでできており、ファイバ内を流れる血液に最大２平方メートルの表面積を提供して、ファイバの外側周辺を流れる透析液と相互作用させるものである。今日の中空糸透析器はこれより若干効率が良いが、この技術はこのとき以来大きくは変化していない。
【０００５】
この中空糸透析器は、個々のファイバ間のスペースにむらがあり、一致性がないため、透析液の流れが偏在する。流れが停滞している領域も、発達したシャントフローである領域も、同様に透析液側の物質移動効率を劇的に低減させる。個々のファイバ間のスペースは一般的に小さく、従って、拡散が、内部ファイバスペース内での物質移動の重要なメカニズムである。拡散の改善、従って、改善した透析液使用効率は、中空糸透析器固有の物理的特性によって制限される。
【０００６】
現在は、中空糸透析器は、透析治療を行うために主に水を含む１２０乃至２００リットルの透析液を使用している。透析液の流れはファイバ周囲にでたらめに流れるので、比較的大量の透析液が使用される。このように大量の透析液が必要であるため、透析機械が非常に大きなものでなくてはならない。また、透析に使用される水は、化学的汚染物質および微生物学的汚染物質を取り除いたものでなくてはならず、このことが、機材の量と、透析治療を行うのに必要な技術的ノウハウを増やしている。
【０００７】
この複雑な機器の信頼性の結果として、ほとんどの透析治療は、専門家のチームによるスタッフのいる透析センタで行われる。自宅で自身で治療を行っている血液透析患者は１％以下である。センタでは、透析治療は短時間で非常に速く行われる。各患者は１週間に３回治療を受ける。患者によりゆっくり、より長く、より頻繁に透析を行うと、多大な改善があることが研究によってわかっている。患者の結果がより良好であるばかりでなく、投薬および入院費用が少なくなり、この治療の全体のコストがより安くなる。
【０００８】
患者がより頻繁に透析治療を受けるために経済的に実行可能な唯一の方法は、自宅で自身の透析治療を行うことである。これを技術的に可能にするためには、技術を改良して、透析機械をより小さくし、より持ち運び可能とし、水の消費を少なくして、世話人の操作をより簡単なものにする必要がある。
【０００９】
この技術には、血液を透析液から分離する透析膜を通る物質移動効率が改善された透析器が必要である。
【００１０】
発明の概要
本発明は血液透析に関するものであり、特に、本発明の実施例によって提供されるマイクロチャネル分離を用いて透析膜を通る物質移動効率を改善した透析器に関する。一実施例によれば、複数の半透過性膜シートと、複数のフローセパレータを具える透析器が提供されている。これらの膜シートと、フローセパレータは交互に配置されており、複数の平行マイクロチャネル層を規定する薄膜スタックに連結されている。各マイクロチャネル層は、複数の第１のマイクロチャネルと複数の第２のマイクロチャネルを具えている。各マイクロチャネル層の第１及び第２のマイクロチャネルは、その間にある前記複数の膜シートの一つを介して互いに液通している。
【００１１】
一の実施例では、各マイクロチャネル層の第１のマイクロチャネルは平行であり、各マイクロチャネル層の第２のマイクロチャネルも平行である。
【００１２】
一の実施例では、マイクロチャネル層の第１及び第２のマイクロチャネルが平行である。
【００１３】
一の実施例では、マイクロチャネル層の第１及び第２のマイクロチャネルが直交している。
【００１４】
一の実施例では、フローセパレータが、複数の第１のマイクロチャネルシートと第２のマイクロチャネルシートを具える。第１のマイクロチャネルシートは、第１の側部と、第１の側部に対向する第２の側部を具え、第２の側部はその中に平行な溝を有している。第２のマイクロチャネルシートは、第１の側部と、第１の側部に対向する第２の側部を具え、第１及び第２の側部はその中に平行な溝を有している。薄膜スタックは、薄膜スタック上側部と、薄膜スタック底側部を具える。各マイクロチャネル層は、その間に膜シートを有し、そこに連結されている第１及び第２のマイクロチャネルシートを各々具える薄膜サブスタックであって、前記対向関係にある溝がこの薄膜スタックの上側部と底側部において膜シートによって分離されている薄膜サブスタックか、あるいはその間に膜シートを有して、そこに連結されており、対向関係にある溝が膜シートによって分離されている２枚の第２のマイクロチャネルシートを具える。
【００１５】
一の実施例では、フローセパレータは、複数の第１及び第２のマイクロチャネルシートを具える。第１のマイクロチャネルシートは、第１の側部と、この第１の側部に対向する第２の側部と、第１の端部と、この第１の端部に対向する第２の端部を具え、少なくとも一方の側部が、第１の端部から第２の端部へ延在する平行な溝を有する。第２のマイクロチャネルシートは第１の側部と、この第１の側部に対向する第２の側部と、第１の端部とこの第１の端部に対向する第２の端部とを具え、少なくとも一方の側部が第１の端部から第２の端部へ延在する平行な溝を有する。各マイクロチャネル層は、その間に膜シートを有し、そこに連結されている第１及び第２のマイクロチャネルシートを具える薄膜サブスタックを具え、対向関係にある溝は前記膜シートによって分離されている。
【００１６】
一の実施例では、複数の第１のマイクロチャネルシートが更に、第１及び第２の各端部に第１のプレナム溝を具える。第１のプレナム溝は、第１のマイクロチャネルシート上の溝と液通している。複数の第２のマイクロチャネルシートは、更に、第１及び第２の各端部に第２のプレナム溝を具えており、この第２のプレナム溝は第２のマイクロチャネルシート上の溝と液通している。
【００１７】
一の実施例によれば、複数の半透過性膜シートと複数のフローセパレータを具える透析器が提供されている。この膜シートとフローセパレータは、交互に配置されており、複数の平行マイクロチャネル層を規定する薄膜スタックに連結されている。各マイクロチャネル層は、複数の第１のマイクロチャネルと複数の第２のマイクロチャネルを具える。各マイクロチャネル層の第１及び第２のマイクロチャネルは、その間の複数の膜シートの一つを介して互いに液通している。各膜シートは、第１の側部と、この第１の側部に対向する第２の側部、及び、第１の端部とこの第１の端部に対向する第２の端部を具える。フローセパレータは、第１及び第２の側部から突出しており、第１の端部から第２の端部へ延在する平行な溝を規定している。各マイクロチャネル層は、少なくとも２枚の膜シートと、対向関係にある溝と、互いに隣接し、そこで連結されて、第１及び第２のマイクロチャネルの交互の層を規定しているフローセパレータとを具える単位薄膜スタックを具える。
【００１８】
一の実施例では、透析器は、第１のヘッダおよび第２のヘッダを具える。第１のヘッダは、第１の端部で第１のマイクロチャネルと液通する入口と、第１の端部で第２のマイクロチャネルと液通する出口を具える。第２のヘッダは、第２の端部で第２のマイクロチャネルと液通する入口と、第２の端部で第１のマイクロチャネルと液通する出口を具える。
【００１９】
一の実施例では、透析器は、第１のヘッダおよび第２のヘッダを具える。第１のヘッダは、第１の端部で第１のマイクロチャネルと液通する入口と、第１の端部で第２のマイクロチャネルと液通する入口を具える。第２のヘッダは、第２の端部で第１のマイクロチャネルと液通する出口と、第２の端部で第２のマイクロチャネルと液通する出口を具える。
【００２０】
一の実施例では、血液取扱い装置、透析液取扱い装置、及び透析器を具える透析システムが提供されている。透析器は、複数の半透過性膜シートと複数のフローセパレータを具える。膜シートとフローセパレータは、交互に配置されており、複数の平行マイクロチャネル層を規定する薄膜スタックに連結されている。各マイクロチャネル層は、複数の第１のマイクロチャネルと、複数の第２のマイクロチャネルを具える。各マイクロチャネル層の第１及び第２のマイクロチャネルは、その間にある複数の膜シートの一つを介して互いに液通している。血液取扱い装置は、第１のマイクロチャネルと液通しており、透析液取扱い装置は第２のマイクロチャネルと液通している。
【００２１】
一の実施例では、血液取扱い装置は、第１の端部において第１のマイクロチャネルへ血液を供給し、第２の端部において第２のマイクロチャネルから血液を排出するように構成されている。透析液取扱い装置は、第２の端部において第２のマイクロチャネルへ透析液を供給し、第１の端部において第２のマイクロチャネルから透析液を排出するように構成されている。
【００２２】
一の実施例では、血液取扱い装置は、第１の端部において第１のマイクロチャネルへ血液を供給し、第２の端部において第２のマイクロチャネルから血液を排出するように構成されている。透析液取扱い装置は、第１の端部において第２のマイクロチャネルへ透析液を供給し、第２の端部において第２のマイクロチャネルから透析液を排出するように構成されている。
【００２３】
一の実施例では、各膜シートは、第１の側部と、この第１の側部に対向する第２の端部、および第１の端部とこの第１の端部に対向する第２の端部を具える。フローセパレータは、第１及び第２の側部から突出しており、第１の端部から第２の端部へ延在する平行溝を規定している。各マイクロチャネル層は、少なくとも３枚の膜シートを具えるスタックと、対向関係にある溝と、互いに隣接しそこに連結されているフローセパレータを具え、第１及び第２のマイクロチャネルの交互の層を規定している。
【００２４】
一の実施例によれば、血液透析方法は、複数の半透過性膜シートと複数のフローセパレータを具える透析器を提供するステップを具える。膜シートとフローセパレータは、交互に配置されており、複数の平行マイクロチャネル層を規定する薄膜スタックに連結されている。各マイクロチャネル層は、複数の第１のマイクロチャネルと、複数の第２のマイクロチャネルを具える。各マイクロチャネル層の第１及び第２のマイクロチャネルは、その間にある複数の膜シートの一つを介して互いに液通している。血液取扱い装置は、第１のマイクロチャネルと液通しており、透析液取扱い装置は、第２のマイクロチャネルと液通している。この方法は更に、第１の端部において第１のマイクロチャネルに血液を供給するステップと、第２の端部において第２のマイクロチャネルに透析液を供給するステップと、第２の端部において第１のマイクロチャネルから血液を排出するステップと、第１の端部において第２のマイクロチャネルから透析液を排出するステップとを具える。
【００２５】
本発明によって作った透析器は、透析のアプリケーションにおいて物質移動を促進することができる埋め込み型の高密度に平行または垂直であるマイクロチャネルアレイを提供する。マイクロチャネルによって提供される小さいという特徴のサイズは、表面積対体積比が大きいという利点、薄膜フロー条件、および高圧で動作する機会を提供する。
【００２６】
マイクロチャネルでは、非常に高速で物質移動を行うことができる。マイクロチャネルジオメトリと、マイクロ薄膜製造技術を組み入れたＭＥＣＳ透析器は、透析アプリケーションにおける物質移動に必要な特性または滞留時間を急進的に低減する。マイクロ技術ベースのデザインは、膜の両側に均等にマイクロスケールの径を維持する。本発明による実施例では、マイクロ技術ベースのＭＥＣＳ透析器に、１００ミクロンの透析液フローチャネル径が提供されている。従来の中空糸透析器に比べて、このジオメトリは、同じ動作パラメータについて、１０乃至１００のファクタ分、透析器のサイズを小さくする。
【００２７】
本発明によるＭＥＣＳ透析器の主な利点は、透析液の流れを利用率１００％に近づけるように最適化することができる点である。本発明の実施例によるＭＥＣＳ透析器は、固定幅マイクロチャネルを介した透析液の構造化フローを使用している。マイクロチャネルの間隔は、血液を浄化するのに使用する透析液を有効利用するように予め決定されている。透析液溶質が少ないほど、透析機械のサイズが小さくなる。
【００２８】
更に、構造化したフロー路は、停滞するフロー面積を最小にし、シャントフローを取り除いて、透析液の流れに晒される全体の膜面積を確実に最大利用する。このことは、溶質の浄化値を大きく改善し、現在入手可能な中空糸透析器に比べて、透析器が所定の性能要求に対してより少ない面積ですむようにしている。低減された膜長と表面積が、血液に対する圧力を低減し、溶血を少なくして、治療中の患者の外側にある回路内の血液量を低減させる。
【００２９】
詳細な説明
図に示す実施例と、実施例の説明に用いられる特定の用語を参照する。しかしながら、これは本発明の範囲の限定を意図するものではなく、ここに示す本発明の原理の更なるアプリケーションと同様に、図に示す装置の更なる代替および変形は、本発明が関連する分野の当業者には自明なことである。
【００３０】
用語「マイクロチャネル」は、最大約１０００ミクロンの幅、または高さの内寸を少なくとも一つ有するチャネルを意味する。
【００３１】
用語「非乱流」は、層流または転流であるマイクロチャネルを通る流体の流れを意味する。マイクロチャネルを通る流体の流れのレイノルズ数は、最大約４０００である。ここで用いられているレイノルズ数は、マイクロチャネルの実際の形状に基づく水力直径を用いて計算されている。
【００３２】
用語「ＭＥＣＳ」は、特許協力条約（ＰＣＴ）の下に公開された国際出願第ＷＯ２００５／０４５８９４  Ａ２号、「装置の大容量マイクロラミネーション製造（High Volume Microlamination Production of Devices）」に提供されているような、マイクロ技術ベースのエネルギィ及び化学システム（Microtechnology-based Energy and Chemical Systems）、及び、ＭＥＣＳ装置を製造する方法を意味する。この文献は、全ての目的のためにここに引用されている。
【００３３】
膜の意味もある半透過性膜は、限定するものではないが、Mika et al. の米国特許第６，２５８，２７６号に開示されている多孔性ポリスルホン及びこれらの膜などの、拡散透析に好適に用いられるあらゆる膜を使用することができる。この文献は、全ての目的のためにここで引用されている。
【００３４】
透析液は、血液透析用に好適ないずれかの透析液であっても良い。
【００３５】
用語「滞留時間」は、「平均滞留時間」としても良いが、ＭＥＣＳ透析器内で膜を通って血液と透析液との間で拡散が行われる時間である。
【００３６】
本発明は、ＭＥＣＳ技術に基づく超小型透析器を提供する。ＭＥＣＳ透析器は、溶質と過剰流体を半透過性膜を介して透析液へ拡散させ、対流させるプロセスによって血液透析を介して血液を浄化する装置である。
【００３７】
図１は、本発明による透析システム２の概略図である。血液は、ＭＥＣＳ透析器１０内で血液入口ライン６を通って一またはそれ以上の第１のマイクロチャネルに流れ、血液出口ライン７と血液バルブ３１を通って出てゆく。透析液は、ＭＥＣＳ透析器１０内で透析液入口ライン８を通って一またはそれ以上の第２のマイクロチャネルに流れ、透析液出口ライン９と血液バルブ３２を通って出てゆく。第１のマイクロチャネルと、第２のマイクロチャネルは膜によって互いに分離されている。
【００３８】
ＭＥＣＳ透析器１０では、溶質と過剰流体が第１のマイクロチャネルを通って流れている血液から、膜を通り、第２のマイクロチャネルを流れている透析液へ拡散される。ＭＥＣＳ透析器は、膜で二等分されている第１及び第２のマイクロチャネルに対応する複数のマイクロチャネル層を具えている。このマイクロチャネル層は、後述するように、所望のシーケンスで交互に重ねて整列させることができる。
【００３９】
図２は、本発明の実施例による並流ＭＥＣＳ透析器１１の斜視図である。ＭＥＣＳ透析器１１は、交互に重ねて配置して、マイクロチャネル層２０の繰り返しユニット２９ａを規定している複数のマイクロチャネル層２０を具える。マイクロチャネル層２０は、血液を流すために提供されている第１の複数のマイクロチャネル２１と、透析液を流すために提供されている第２の複数のマイクロチャネル２３を具える。第１及び第２のマイクロチャネル２１、２３は、間にある膜３０によって、及び後述するようにマイクロチャネルフローセパレータによって規定される。第１及び第２のマイクロチャネル２１、２３は、膜３０を介して液通している。
【００４０】
各マイクロチャネル層２０内の第１のマイクロチャネル２１の数は、例えば、１０、１００、１０００、といった所望の数であってよく、対応する同じ数の第２のマイクロチャネル２３がある。同様に、マイクロチャネル層２０の繰り返しユニット２９ａの数も、例えば、１０、１００、１０００というように所望の数であってよい。
【００４１】
各マイクロチャネル層２０の第１のマイクロチャネル２１は、平行に配置されており、第１の端部３２から、第１の端部３２に対向する第２の端部３４へと、マイクロチャネル層２０の長さに沿って延在している。各マイクロチャネル層２０の第２のマイクロチャネル２３も、平行に配置されており、第１の端部３２から第２の端部３４へマイクロチャネル層２０の長さに沿って延在している。
【００４２】
ＭＥＣＳ透析器１１を含む本発明の実施例による方法では、血液は、第１の端部３２から第２の端部３４へ第１のマイクロチャネル２１を通って流れ、透析液は、第２の端部３４から第１の端部３２へ第２のマイクロチャネル２３を通って流れる。すなわち、この流れは逆方向であり、向流と呼ばれる。向流は、膜３０を通る血液と透析液間の拡散特性を改良し、老廃物浄化に必要な膜表面積の量を最小にし、必要な透析液量を最少にする。
【００４３】
ＭＥＣＳ透析器１１を含む本発明の実施例による別の方法では、血液は、第１の端部３２から第２の端部３４へ第１のマイクロチャネル２１を通って流れ、透析液は、第１の端部３２から第２の端部３４へ第２のマイクロチャネル２３を通って流れる。すなわち、この流れは同方向であり、並流と呼ばれる。
【００４４】
図３は、本発明の実施例による交流ＭＥＣＳ透析器１２を示す斜視図である。ＭＥＣＳ透析器１２は、互いに重ねて配置して、マイクロチャネル層２５の繰り返しユニット２９ｂを規定する複数のマイクロチャネル層２５を具える。マイクロチャネル層２５は、血液を流すために提供されている第１の複数のマイクロチャネル２１と、透析液を流すために提供されている第２の複数のマイクロチャネル２３を具える。第１及び第２のマイクロチャネル２１、２３は、間にある膜３０によって、及び後述するようにマイクロチャネルフローセパレータによって規定される。第１及び第２のマイクロチャネル２１、２３は、膜３０を介して液通している。
【００４５】
各マイクロチャネル層２５の第１のマイクロチャネル２１は、平行に配置されており、第１の端部３２から第１の方向を規定している第２の端部３４へと、マイクロチャネル層２５の長さに沿って延在している。各マイクロチャネル層２５の第２のマイクロチャネル２３も、平行に配置されており、第３の端部３３から、第２の方向を規定している第３の端部３３に対向する第４の端部３７へマイクロチャネル層２５の長さに沿って延在している。第１及び第２の方向は互いに直交しており、従って、第１のマイクロチャネル２１と第２のマイクロチャネル２３とが互いに直交している。
【００４６】
ＭＥＣＳ透析器１２を含む本発明の実施例による方法では、血液は、第１の端部３２から第２の端部３４へ第１のマイクロチャネル２１を通って流れ、透析液は、第３の端部３３から第４の端部３７へ第２のマイクロチャネル２３を通って流れ、交流と呼ばれる。
【００４７】
図２に示す実施例と同様に、各マイクロチャネル層２５内の第１のマイクロチャネル２１の数は、例えば、１０、１００、１０００、といった所望の数であってよく、対応する同じ数の第２のマイクロチャネル２３がある。同様に、マイクロチャネル層２５の繰り返しユニット２９ａの数も、例えば、１０、１００、１０００というように所望の数であってよい。
【００４８】
本発明の実施例によれば、膜で分離されたマイクロチャネル２１、２３を具えるマイクロチャネル層２０、２５を製造する方法はいくつもある。
【００４９】
図２と、ＭＥＣＳ透析器１１の分解端面図である図４を参照すると、本発明の一実施例によれば、ＭＥＣＳ透析器１１は、重ね合わせて配置された複数の第１のマイクロチャネルシート２０ａと、第２のマイクロチャネルシート２０ｂと、膜シート３０を含む薄膜スタックを具える。第１のマイクロチャネルシート２０ａは、第１の側部３６ａと、第１の側部に対向する第２の側部３８ａを有する。第１の側部３６ａは、比較的滑らかであり、第２の側部３８ａは、複数の溝２２ａを具える。溝２２ａは、平行に配置されており、第１の端部３２から第２の端部３４へ第１のマイクロチャネルシート２０ａの長さに沿って延在している。
【００５０】
第２のマイクロチャネルシート２０ｂは、第１の側部３６ｂと第２の側部３８ｂを有しており、これらは両方とも複数の溝２２ａを具える。溝２２ａは、平行に配置されており、第１の端部３２から第２の端部３４へ第１のマイクロチャネルシート２０ｂの長さに沿って延在している。
【００５１】
第１及び第２のマイクロチャネルシート２０ａ、ｂが重なると、溝２２ａは平行フローチャネルを規定し、形成するように構成されている。図２及び４に示す実施例では、異なるマイクロチャネルシート２０ａ、ｂ上の溝２２ａの対が、互いに平行に整列し、互いに液通するように構成されている。図３に示す実施例では、異なるマイクロチャネルシート２０ａ、ｂ上の溝２２ａの対は、直交して交差し、互いに部分的に液通するように構成されている。
【００５２】
図４に示す実施例では、第１のマイクロチャネルシート２０ａが、ＭＥＣＳ透析器１１の上側部４２および底側部４０に設けられている。複数の第２のマイクロチャネルシート２０ｂは、第１のマイクロチャネルシート２０ａの間に設けられている。第１及び第２のマイクロチャネルシート２０ａ、２０ｂの間には、膜シートが挟み込まれており、この膜シートは、異なるマイクロチャネルシート２０ａ、ｂ上の溝２２ａの共通部分を二等分して、第１及び第２のマイクロチャネル２１、２３を規定している。薄膜スタックは、公知の適当なプロセスのいずれかで、以下に更に述べるように連結されている。
【００５３】
図４に示す実施例の第１及び第２のマイクロチャネルシート２０ａ、ｂの溝２２ａは、約２のアスペクト比、すなわち、幅と高さ比を有しているように示されている。マイクロチャネルシートの溝のアスペクト比は、特定の目的のために予め決められている。図５は、本発明の一実施例による、アスペクト比が約５の複数の溝２２ｂを具える、第１の側部３６ｃと第１の側部に対向する第２の側部３８ｃを有する第３のマイクロチャネルシート２０ｃの端面図である。アスペクト比の高い溝は、特定の目的に好適にするように、第１及び第２のマイクロチャネル２１、２３間の膜３０の表面積を大きくする。
【００５４】
マイクロチャネルシートは、材料が血液適合特性を有している限り、さまざまなもので製造することができる。例として、材料がポリスルホンなどのポリマを具える場合がある。更に、マイクロチャネルシート材料は、溝２２ａ、ｂを形成するのに使用される製造プロセスに応じて、成形、マイクロマシーニング、型抜き、パターン印刷、あるいは膜表面上へのマイクロ流体スプレイが可能な材料特性を有していなければならない。
【００５５】
マイクロチャネルシート２０、２５内に溝２２ａ、ｂを製造する製造オプションは公知であり、特に、型抜き、マイクロマシーニング、蒸着、シリコンマイクロ製造技術、Ｎｄ：ＹＡＧマイクロマシーニングレーザシステムを用いたレーザアブリメーション（laser ablimation）、型押し、粉末射出成形、あるいはマイクロチャネルシートの形成または成形、電気化学マイクロマシーニング、フォトリソグラフィ、およびソフトリソグラフィ、およびこれらの組み合わせを含む。
【００５６】
図２乃至図４に示すＭＥＣＳ透析器１１、１２の実施例の薄膜構造によって、特定の目的に合わせて、マイクロチャネル層からマイクロチャネル層へ、または一端から他端へ延びる溝の異なるアスペクト比を組み合わせることができる。
【００５７】
図６Ａは、本発明の実施例に係る様々なアスペクト比のマイクロチャネルを有するＭＥＣＳ１３透析器の平面図である。図６Ｂは、ＭＥＣＳ透析器１３の切断面６Ｂ−６Ｂにおけるマイクロチャネルシート２０ｄの端面図であり、この断面において、マイクロチャネルシート２０ｄは比較的低アスペクト比の溝２２ａを具えていることを示している。図６Ｃは、ＭＥＣＳ透析器１３の切断面６Ｃ−６Ｃにおけるマイクロチャネルシート２０ｄの端面図であり、この断面において、マイクロチャネルシート２０ｄは比較的高アスペクト比の溝２２ｂを具えていることを示している。図６Ｄは、ＭＥＣＳ透析器１３の切断面６Ｄ−６Ｄにおけるマイクロチャネルシート２０ｄの端面図であり、この断面において、マイクロチャネルシート２０ｄは、溝２２ｂにわたって膜（図示せず）を支持するように構成された支持ウエブ５２を更に具え、その結果フローチャネルを形成している、比較的高アスペクト比の溝２２ｂを具えていることを示している。
【００５８】
図２乃至４、及び図６のＭＥＣＳ透析器の実施例の薄膜構造によって、マイクロプレナムまたはマイクロマニフォールドの集合をマイクロチャネルシートに組み込むことができる。マイクロプレナムは、血液及び透析液の各々について単一の入口ポートから、それぞれマイクロチャネルに血液と透析液を分配する。
【００５９】
図７は、本発明の実施例による、複数の溝２２と、この溝２２と液通しているプレナム溝５２と、プレナム溝５２に液通した入口５４を具えるマイクロチャネルシート２０ｅの平面図である。プレナム溝５２は、入口５４から入ってくる流体を複数の溝２２の方向に向ける。同様の構成をマイクロチャネルシート２０ｅの第２の端部に設けて、以下に述べるように溝２２から出てゆく流体の出口用プレナムを提供することができる。
【００６０】
図８Ａ及び８Ｂは、本発明の実施例による、複数の溝２２と、溝２２に液通した二つのプレナム溝５６と、第１及び第２の端部５１、５３の一方と、入口５７と、プレナム溝５６の一方または他方と液通した出口５８とを具えるマイクロチャネルシート２０ｆ、２０ｇの平面図である。プレナム溝５６は、複数の溝２２から／への入口５４または出口５８から入ってくるまたは出てゆく流体を方向付ける。図８Ｃは、連結したマイクロチャネルシート２０ｆ、２０ｇのスタックの入口５７と出口５８を示すマイクロチャネルシート２０ｆ、２０ｇで作ったＭＥＣＳ透析器１４の端面図である。
【００６１】
ＭＥＣＳ透析器の実施例の薄膜構造によって、連続するマイクロチャネルシートを隣接するマイクロチャネルシートに対して９０°回転させて、図３に示すように交流構造に構成した直交する方向に延在する２セットのマイクロチャネルを形成することができる。
【００６２】
薄膜スタックは、さまざまな方法を用いて互いに連結または接着することができる。これらの接着方法には、限定するものではないが、接着剤による接着、接着剤を被覆した接着面と熱リフロープロセスにかけたスタック、超音波溶接、高周波溶接、圧力接着、拡散接着、膜またはマイクロチャネルシート材料に加えた接着剤、その他が含まれる。
【００６３】
本発明に係る方法の実施例では、薄膜の温度を上げて、薄膜スタックの構成部品を柔軟にする及び／又は選択的に溶かして、隣接する面を接着する。
【００６４】
特に有望な熱接着法は、熱膨張接着固定具を用いたものであり、ここでは接着固定具と薄膜を用いて、特許協力条約（ＰＣＴ）の下に公開された特許出願第ＷＯ２００５／０４５８９４  Ａ２号、装置の大容量マイクロラミネーション製造（High Volume Microlamination Production of Devices）に記載されているような、いわゆる熱強化エッジレジストレーション（thermal-enhanced edge registration：ＴＥＥＲ）法で、固定具内で薄膜を自己整合させている。この文献は、全ての目的でここに引用されている。
【００６５】
図９Ａは、本発明の実施例による並流ＭＥＣＳ透析器１５の端面図である。ＭＥＣＳ透析器１５は、第１の側部９１と第２の側部９２を有する複数の膜シート３０を具える。膜シート３０は更に、所定のパターンで第１及び第２の側部９１と９２から突出している複数のフローセパレータ９０を具える。図９Ｂは、図９Ａの実施例のＭＥＣＳ透析器１６のフローセパレータ９０を有する２枚の膜シート３０の分解端面図である。図９Ｃは、図９Ａに示す実施例のＭＥＣＳ透析器１５のフローセパレータ９０を有する膜シート３０の平面図である。フローセパレータ９０は、平行に配置されており、第１の端部９３から第１の端部９３に対向する第２の端部９５へ膜シート３０の長さに沿って延在している。フローセパレータ９０は、２枚の隣接する膜シート９０が薄膜スタック内に配置されている場合に交差するように構成されている。
【００６６】
フローセパレータ９０付の膜シート３０は、互いに上に積み重ねられマイクロチャネル層１２０の繰り返しユニット１２９を提供する。フローセパレータ９０と膜シート３０は、複数の平行な第１及び第２のマイクロチャネル２１、２３を規定している。ＭＥＣＳ透析器１５は、更に、このスタックの上側部４２と底側部４０上に端部シート９４を具えており、隣接するフローセパレータ９０を包含して、流体を密封する。
【００６７】
マイクロチャネル層１２０は、血液流用に提供されている複数の第１のマイクロチャネル２１と、透析液流用に提供されている第２のマイクロチャネル２３とを具える。第１及び第２のマイクロチャネル２１、２３は、間の膜３０によって、およびマイクロチャネルフローセパレータ９０によって規定される。第１及び第２のマイクロチャネル２１、２３は、膜３０を介して液通している。薄膜スタックが緻密化する間に、フローセパレータ９０は、互いに接合して、限定するものではないが、リフロー接合および接着剤接合を含むいずれかの好適な方法を用いて、液密シールを形成する。
【００６８】
図９Ａ−Ｃに示す実施例では、各第１のマイクロチャネル２１は、端部シート９４近傍の部分を除いて、膜３０を介して二つの第２のマイクロチャネル２３に液通しており、従って、ほぼ同じサイズの第１のマイクロチャネル２１について、図２−４に示す実施例の約２倍の膜表面積を提供する。
【００６９】
フローセパレータ９０は、特定の目的に好適な数々の公知のプロセスにおいて膜３０の上に設けることができる。本発明の実施例では、フローセパレータ９０は、限定するものではないが、ジェット印刷、シルクスクリーン印刷、インサイチュー接合、および蒸着などの方法を用いて膜の上に設けることができる。
【００７０】
図１０は、本発明の実施例による、ＭＥＣＳ透析器１６と二つのヘッダ６２ａ、ｂを具えるＭＥＣＳ透析器ユニット６０の分解斜視図である。二つのヘッダ６２ａ、ｂは各々、入口５７、出口５８、および血液と透析液回収して、これらの流体をＭＥＣＳ透析器１６の適宜のマイクロチャネル２１、２３へ分配するためのチャネルを具える。第１のヘッダ６２ａは、体外血液ラインから血液を受け取って、この血液を、血液の流れにおけるせん断を最小限にするために薄膜フローとしてＭＥＣＳ透析器１６の第１のマイクロチャネル２１へ分配するように構成されている。第１のヘッダ６２ａ内の流れ場は、血球が第１のヘッダ６２ａを通ってＭＥＣＳ透析器１６へ移動するときに血球へのダメージを最小限にするように制御されている。次いで、この血液は、ＭＥＣＳ透析器１６を離れるときにマイクロチャネル２１から第２のヘッダ６２ｂへ回収される。この回収された血液は、次いで、体外血液ラインへ送られ、患者に戻される。第２のヘッダ６２ｂは、流れ場を出る血液中のせん断を低減する特性を具え、出てゆく血球へのダメージを低減する。
【００７１】
同様の構成において、第２のヘッダ６２ｂは、透析液処理システムから透析液を受け取って、ＭＥＣＳ透析器１６の第２のマイクロチャネル２３へ分配するように構成されている。透析液は、次いで、ＭＥＣＳ透析器１６を離れるときに第２のマイクロチャネル２３から、第１のヘッダ６２ａによって回収される。回収された透析液は、次いで、透析液処理システムに送られる。この構成は、血液と透析液の間に向流を提供する。
【００７２】
血液と透析液間の並流構造では、第１のヘッダ６２ａが透析液処理システムから透析液を受け取って、ＭＥＣＳ透析器１６の第２のマイクロチャネル２３に分配するように構成されている。次いで、透析液はＭＥＣＳ透析器１６を離れるとき第２のヘッダ６２ｂによって、第２のマイクロチャネル２３から回収される。この回収された透析液は、次いで、透析液処理システムに送られる。
【００７３】
ＭＥＣＳ透析器ユニットの一実施例では、ヘッダはコンプライアントインターフェースと、ＭＥＣＳ透析器とヘッダとの間に設けたシールを組み入れている。このシールによって、ＭＥＣＳ透析器とヘッダとは、高い製造精度を要することなく液通して連結することができる。
【００７４】
第１のマイクロチャネル２１は、各々、限定するものではないが、正方形、矩形、あるいは半円形といった、どのような形状の断面を有していても良い。第１のマイクロチャネル２１は各々、最大約１０００ミクロンの内部高さまたは幅を有していても良く、一の実施例では、高さが約１００ミクロン、幅が約２００ミクロンである。各第１のマイクロチャネル２１の長さは、最大約０．５ｃｍであっても良い。
【００７５】
ＭＥＣＳ透析器１１、１２の実施例において、第１のマイクロチャネル２１を流れる血流は、層流、転流、あるいは乱流であってもよい。一の実施例では、この血流が第１のマイクロチャネル２１を流れる血液のレイノルズ数が約３０００未満の層流である。別の実施例では、血流が第１のマイクロチャネル２１を流れる血液のレイノルズ数が約４０００未満の層流又は転流である。もう一つの実施例では、この血流が第１のマイクロチャネル２１を流れる血液のレイノルズ数が約４０００以上の乱流である。血液は、非ニュートン流体であり、したがって、不均一であり、血液に適用する場合のレイノルズ数の概念は、血液が所定の粘度のニュートン流体であることを想定して使用されている。例えば、ダメージをあたえる血球や血小板といったいくつかの血液の構成成分の脆弱性によって、及び／又は、乱流の中で生じることがある高いせん断応力への凝固カスケードの開始によって、層流特性が所望され、本発明の実施例によるＭＥＣＳ透析において達成することができる。
【００７６】
第２のマイクロチャネル２３を流れる透析液流は層流、転流、または乱流であってもよい。第２のマイクロチャネル２３は各々、限定するものではないが、正方形、矩形、半円形といったどのような形状の断面を有していても良い。第２のマイクロチャネル２３は各々、最大で約１０００ミクロンの内部高さまたは幅を有していても良く、一の実施例では、高さが約１００ミクロンで、幅が約２００ミクロンである。各第１のマイクロチャネル２３の長さは、限定するものではないが、長さあたりの滞留時間の関数としての透析液利用率といった、特定の目的のために予め決められた好適な長さであってもよい。一の実施例では、この流れが第２のマイクロチャネル２３を通る透析液が約３０００未満のレイノルズ数を有する層流である。別の実施例では、この流れは、第２のマイクロチャネル２３を通る透析液が約４０００未満のレイノルズ数を有する層流又は転流である。もう一つの実施例では、この流れは、第２のマイクロチャネル２３を通る透析液が約４０００以上のレイノルズ数を有する乱流である。
【００７７】
中空糸透析液のほとんどのデザインに現在使用されている膜材料は、ポリスルホンである。多孔率は、製造時に制御されるが、構築方法に制限がある。ＭＥＣＳ透析器に使用されている平らなシート膜によれば、膜のデザインに多くの改良を加えることができる。デザインの改良は、脈動流状態にある間に透析器のコンプライアンスを低減するためにより剛性が高く、薄い膜を支持すると共に、血液透析と血液適合性を改善するためにより透過性のある膜を支持するナノ構造の膜の成層を含む。このコンポジット構造は、ナノ粒子を埋め込んで、浄化のために特定の溶質をターゲットにすること、膜内に抗凝結剤を埋め込むこと、膜マトリックス内に腎性たんぱく質及び／又は腎尿細管細胞を埋め込んで、強化された血液溶質浄化値がより良好な合成天然腎臓機能をＭＥＣＳ透析器に提供することを含む、膜性能を強化する能力を提供する。
【００７８】
本発明によって作られたＭＥＣＳ透析器は、透析アプリケーションにおける物質移動を促進することができる埋め込み型の高密度に平行または垂直であるマイクロチャネルアレイを提供する。マイクロチャネルによって提供される小さいという特徴のサイズは、表面積対体積比が大きいという利点、薄膜フロー条件、および高圧で動作する機会を提供する。
【００７９】
マイクロチャネルでは非常に高速での物質移動が可能である。マイクロチャネルジオメトリとマイクロ薄膜製造技術を組み入れたＭＥＣＳ透析器は、透析アプリケーションにおいて物質移動に必要な特徴または滞留時間を急進的に低減する。従来の透析ユニットと異なり、マイクロ技術ベースのデザインが、膜の両側に均等にマイクロスケールの径を維持する。また、従来の中空糸透析器と異なり、マイクロチャネルジオメトリとマイクロ薄膜技術によって、より良好にまたより容易に、透析膜の両側において正確に特別設計した流れを実現することができる。本発明による実施例では、例えば、マイクロ技術ベースのＭＥＣＳ透析器に、１００ミクロン径の透析液フローチャネルが設けられている。中空糸を用いた従来の透析器と比較すると、このジオメトリは、同じ動作パラメータについて１０乃至１００のファクタ分、透析器のサイズを小さくする。
【００８０】
ＭＥＣＳ透析器は、最小の膜表面で血液浄化値を最大にするようにデザインされている。血流の場は、透析器内で最小血液滞留時間で血液浄化値を最大にするように特別設計されており、膜にかかる圧力損失を最小にして、血球のダメージを最小に抑える。透析液流の場は、最小の量の透析液で拡散プロセスを最大にするように特別に設計されている。
【００８１】
透析は、拡散によって血液から老廃物や、溶質を除去する。透析液は膜に短時間露出するだけであり、溶質分子は、比較的大量の透析液内へ均等に拡散するのに十分な時間がなく、最適でない場合には拡散勾配を大きくする。従って、透析中の効果的な拡散は、膜近くでのみ生じ、膜からの距離が遠くなるにつれて効率が下がる。
【００８２】
本発明によるＭＥＣＳ透析器の主な利点は、利用率１００％に近づくように、透析液流を最適化する能力である。標準的な中空糸透析器では、例えば、血液側の勾配は、ファイバ内の血液路の比較的小さな径によって相対的に制御される。しかし、透析液側の勾配は、比較的大きなフロー路と透析液の量によって制御できない。膜の透析液側の拡散勾配を制御不可能であることは、透析液流体の利用率が低くなる。標準的透析器を通過する透析液は、ほとんど膜に晒されずに、血液を浄化するのに使用されることなく透析器を離れる。
【００８３】
比較すると、本発明の実施例によるＭＥＣＳ透析器は、幅が固定したマイクロチャネルを通る透析液の構造的流れを使用している。マイクロチャネルの間隔は、血液を浄化するのに使用する透析液を効果的に利用するように予め決められている。透析液溶質が少ないほど、透析機械のサイズが小さくなる。
【００８４】
更に、構造的フロー路は停滞流の面積を最小にして、シャントフローを取り除き、透析液流に晒される膜の全面積を確実に最大利用する。このことは、溶質の浄化値を大きく改良し、透析器が現在入手可能な中空糸透析器と比較して、所定のパフォーマンス要求に対して少ない表面積を有するようにする。低減した膜長さと表面積が、血液に対する圧力を低減し、溶血を低減し、治療中に患者の外側にある回路内の血液量を低減する。
【００８５】
本発明の特定の実施例に関連させて本発明について述べたが、更なる変更が可能であり、この出願は、上述した本質的な特徴に適用可能であり、本発明の範囲内と特許請求の範囲の限定内にあるかぎり、本発明の原理に続く、本発明が関連する分野における公知のあるいは慣習的な実用の範囲内にある本発明からの逸脱を含み、本発明のあらゆる変形、使用、改作をカバーすることを意図していると解される。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
同じ符号は、一般的に図中の対応する要素を示す。
【図１】図１は、本発明による透析システムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施例による並流ＭＥＣＳ透析器を示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明の実施例による交流ＭＥＣＳ透析器を示す斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施例による、重ね合わせて構成した複数の第１マイクロチャネルシートと、第２のマイクロチャネルシートと、膜シートを具える薄膜スタックの分解端面図である。
【図５】図５は、本発明の実施例による、第１の側部と、第１の側部に対向する第２の側部を有し、アスペクト比が約５の複数の溝を具える第３のマイクロチャネルシートの端面図である。
【図６】図６Ａは、本発明の実施例による、複数のアスペクト比のマイクロチャネルを有するＭＥＣＳ透析器の平面図である。図６Ｂは、図６Ａに示す実施例のＭＥＣＳ透析器の６Ｂ−６Ｂに沿って切った断面図であり、この面においてマイクロチャネルシートは比較的アスペクト比が低い溝を具えている。図６Ｃは、図６Ａに示す実施例のＭＥＣＳ透析器の６Ｃ−６Ｃに沿って切った断面図であり、この面においてマイクロチャネルシートは比較的アスペクト比が高い溝を具えている。図６Ｄは、図６Ａに示す実施例のＭＥＣＳ透析器の６Ｄ−６Ｄに沿って切った断面図であり、この面においてマイクロチャネルシートは比較的アスペクト比が高い溝を具えており、更に、この溝に渡る膜を更に支持してフローチャネルを作るように構成された支持ウエブを具えている。
【図７】図７は、本発明の実施例による、複数の溝と、これらの溝と液通しているプレナム溝と、このプレナム溝と液通している入口を具えるマイクロチャネルシートを示す平面図である。
【図８】図８Ａおよび８Ｂは、本発明の実施例による、複数の溝と、これらの溝と第１又は第２の端部のいずれかで液通している二つのプレナム溝と、この二つのプレナム溝のいずれかと液通している入口および出口を具える２枚のマイクロチャネルシートを示す平面図である。
【図９】図９Ａは、本発明の実施例による、並流ＭＥＣＳ透析器の端面図であり、図９Ｂおよび９Ｃは、それぞれ、図９Ａに示す実施例のＭＥＣＳ透析器の分解端面図および平面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例による、マイクロチャネルシートのスタックと、二つのヘッダを具えるＭＥＣＳ透析器の分解斜視図である。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2008515551.tif 000013
【図８Ｃ】
2008515551.tif 000014
【図９Ａ】
2008515551.tif 000015
【図９Ｂ】
2008515551.tif 000016
【図９Ｃ】
2008515551.tif 000017
【図１０】
2008515551.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成18年8月4日(2006.8.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透析器において：
複数の半透過性膜シートと；及び
複数のフローセパレータとを具え、前記膜シートとフローセパレータが交互に配置されており、複数の平行マイクロチャネル層を規定する薄膜スタックに連結されており、各マイクロチャネル層が、複数の第１のマイクロチャネルと、複数の第２のマイクロチャネルを具えており、各マイクロチャネル層の前記第１及び第２のマイクロチャネルがその間の前記複数の膜シートの一つを介して互いに液通しており、前記第１のマイクロチャネルが血液を含む第１の流体ストリームを受け、前記第２のマイクロチャネルが透析液を含む第２の流体ストリームを受けることを特徴とする透析器。
【請求項２】
請求項１に記載の透析器において、各マイクロチャネル層の前記第１のマイクロチャネルが平行であり、各マイクロチャネル層の前記第２のマイクロチャネルが平行であることを特徴とする透析器。
【請求項３】
請求項２に記載の透析器において、前記マイクロチャネル層の前記第１及び第２のマイクロチャネルが平行であることを特徴とする透析器。
【請求項４】
請求項２に記載の透析器において、前記マイクロチャネル層の前記第１及び第２のマイクロチャネルが直交していることを特徴とする透析器。
【請求項５】
請求項１に記載の透析器において、前記フローセパレータが：
第１の側部と、当該第１の側部に対向する第２の側部を具え、当該第２の側部がその中に平行な溝を具える複数の第１のマイクロチャネルシートと；
第１の側部と、当該第１の側部に対向する第２の側部を具え、当該第１及び第２の側部がその中に平行な溝を有している複数の第２のマイクロチャネルシートを具え、前記薄膜スタックが、薄膜スタック上側部と薄膜スタック底側部とを具え、各マイクロチャネル層が、間に膜シートを伴い、そこに連結されている第１及び第２のマイクロチャネルシートであって、前記対向関係にある溝が前記薄膜スタック上側部と底側部において前記膜シートによって分離されている第１及び第２のマイクロチャネルシートか、間に膜シートを伴い、そこに連結されている２枚の第２のマイクロチャネルシートであって、前記対向関係にある溝が前記膜シートで分離されている２枚の第２のマイクロチャネルシートのいずれかを具える薄膜サブスタックを具えることを特徴とする透析器。
【請求項６】
請求項１に記載の透析器において、前記フローセパレータが：
第１の側部と、当該第１の側部に対向する第２の側部と、第１の端部と当該第１の端部に対向する第２の端部を具え、少なくとも一方の側部が前記第１の端部から前記第２の端部へ延在する平行な溝を有する複数の第１のマイクロチャネルシートと；
第１の側部と、当該第１の側部に対向する第２の側部と、第１の端部と当該第１の端部に対向する第２の端部を具え、少なくとも一方の側部が前記第１の端部から前記第２の端部へ延在する平行な溝を有する複数の第２のマイクロチャネルシートを具え、各マイクロチャネル層が、間に膜シートを有し、そこに連結されている第１及び第２のマイクロチャネルシートを具える薄膜サブスタックを具え、前記対向関係にある溝が前記膜シートで分離されていることを特徴とする透析器。
【請求項７】
請求項６に記載の透析器において、前記複数の第１のマイクロチャネルシートが更に、前記第１及び第２の各端部に第１のプレナム溝を具え、前記第１のプレナム溝が、前記第１のマイクロチャネルシート上の前記溝と液通しており、前記複数の第２のマイクロチャネルシートが更に、前記第１及び第２の各端部に第２のプレナム溝を具え、前記第２のプレナム溝が前記第２のマイクロチャネルシート上の溝と液通していることを特徴とする透析器。
【請求項８】
請求項１に記載の透析器において、各膜シートが第１の側部と、当該第１の側部に対向する第２の側部、及び第１の端部と前記第１の端部に対向する第２の端部を有し、前記フローセパレータが前記第１及び第２の側部から突出して前記第１の端部から前記第２の端部へ延在する平行な溝を規定しており、各マイクロチャネル層が、少なくとも２枚の膜シートを具える単位薄膜スタックを具え、前記溝が対向関係にあり、前記フローセパレータが互いに隣接してそこに連結して、第１及び第２のマイクロチャネルの交互の層を規定することを特徴とする透析器。
【請求項９】
請求項８に記載の透析器が更に、第１のヘッダと第２のヘッダを具え、前記第１のヘッダが前記第１の端部で前記第１のマイクロチャネルと液通する入口と、前記第１の端部で前記第２のマイクロチャネルと液通する出口とを具え、前記第２のヘッダが、前記第２の端部で前記第２のマイクロチャネルと液通する入口と、前記第２の端部で前記第１のマイクロチャネルと液通する出口と、を具えることを特徴とする透析器。
【請求項１０】
請求項８に記載の透析器が更に、第１のヘッダと第２のヘッダを具え、前記第１のヘッダが前記第１の端部で前記第１のマイクロチャネルと液通する第１の入口と、前記第１の端部で前記第２のマイクロチャネルと液通する第２の入口とを具え、前記第２のヘッダが、前記第２の端部で前記第１のマイクロチャネルと液通する第１の出口と、前記第２の端部で前記第２のマイクロチャネルと液通する第２の出口と、を具えることを特徴とする透析器。
【請求項１１】
透析システムにおいて：
血液取扱い装置と；
透析液取扱い装置と；
複数の半透過性膜シートを具える透析器と；及び
複数のフローセパレータとを具え、前記膜シートとフローセパレータが交互に配置されており、薄膜スタックに連結されて複数の平行マイクロチャネル層を規定しており、各マイクロチャネル層が複数の第１のマイクロチャネルと、複数の第２のマイクロチャネルを具え、各マイクロチャネル層の前記第１及び第２のマイクロチャネルがその間の前記複数の膜シートの一つを介して互いに液通しており、前記血液取扱い装置が前記第１のマイクロチャネルと液通しており、前記透析液取扱い装置が前記第２のマイクロチャネルと液通しており、前記第１のマイクロチャネルが血液を含む第１の流体ストリームを受け、前記第２のマイクロチャネルが透析液を含む第２の流体ストリームを受けることを特徴とする透析システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の透析システムにおいて、前記血液取扱い装置が、第１の端部において前記第１のマイクロチャネルへ血液を供給し、第２の端部において前記第１のマイクロチャネルから血液を排出するように構成されており、前記透析液取扱い装置が、前記第２の端部において前記第２のマイクロチャネルへ透析液を供給し、前記第１の端部において前記第２のマイクロチャネルから透析液を排出するように構成されていることを特徴とする透析システム。
【請求項１３】
請求項１１に記載の透析システムにおいて、前記血液取扱い装置が、第１の端部において前記第１のマイクロチャネルへ血液を供給し、第２の端部において前記第１のマイクロチャネルから血液を排出するように構成されており、前記透析液取扱い装置が、前記第１の端部において前記第２のマイクロチャネルへ透析液を供給し、前記第２の端部において前記第２のマイクロチャネルから透析液を排出するように構成されていることを特徴とする透析システム。
【請求項１４】
請求項１１に記載の透析システムにおいて、各膜シートが第１の側部と当該第１の側部に対向する第２の側部と、第１の端部と当該第１の端部に対向する第２の端部を有し、前記フローセパレータが前記第１及び第２の側部から突出して前記第１の端部から前記第２の端部へ延在する平行な溝を規定しており、各マイクロチャネル層が、少なくとも２枚の膜シートを具える単位薄膜スタックを具え、前記溝が対向関係にあり、前記フローセパレータが互いに隣接しており、そこに連結されて第１及び第２のマイクロチャネルの交互の層を規定することを特徴とするシステム。
【請求項１５】
血液透析方法において：
複数の半透過性膜シートと；
複数のフローセパレータとを具える透析器を提供するステップであって、前記膜シートとフローセパレータが交互に配置されており、複数の平行なマイクロチャネル層を規定する薄膜スタックに連結されて、各マイクロチャネル層が複数の第１のマイクロチャネルと複数の第２のマイクロチャネルを具え、各マイクロチャネル層の前記第１及び第２のマイクロチャネルが、その間にある前記複数の膜シートの一つを介して互いに液通しており、前記血液取扱い装置が前記第１のマイクロチャネルと液通しており、前記透析液取扱い装置が前記第２のマイクロチャネルと液通している透析器を提供するステップと；
前記第１のマイクロチャネルに血液を供給するステップと；
前記第２のマイクロチャネルに透析液を供給するステップと；
前記第１のマイクロチャネルから血液を排出するステップと；
前記第２のマイクロチャネルから透析液を排出するステップと；
を具えることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法において、前記第１のマイクロチャネルを通る血液の流れが非乱流であることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法において、前記第１のマイクロチャネルを通る血液の流れが層流であることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法において、前記第１のマイクロチャネルに血液を供給するステップと、前記第２のマイクロチャネルに透析液を供給するステップと、前記第１のマイクロチャネルから血液を排出するステップと、前記第２のマイクロチャネルから透析液を排出するステップが：
第１の端部において前記第１のマイクロチャネルに血液を供給するステップと；
第２の端部において前記第２のマイクロチャネルに透析液を供給するステップと；
第２の端部において前記第１のマイクロチャネルから血液を排出するステップと；及び
第１の端部において前記第２のマイクロチャネルから透析液を排出するステップと；
を具え、及び
前記第１のマイクロチャネルを流れる血液の流れが、前記第２のマイクロチャネルを流れる透析液の流れに対して向流であることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の方法において、前記第１のマイクロチャネルに血液を供給するステップと、前記第２のマイクロチャネルに透析液を供給するステップと、前記第１のマイクロチャネルから血液を排出するステップと、前記第２のマイクロチャネルから透析液を排出するステップとが：
第１の端部において前記第１のマイクロチャネルに血液を供給するステップと；
第１の端部において前記第２のマイクロチャネルに透析液を供給するステップと；
第２の端部において前記第１のマイクロチャネルから血液を排出するステップと；及び
第２の端部において前記第２のマイクロチャネルから透析液を排出するステップと；
を具え、及び
前記第１のマイクロチャネルを流れる血液の流れが、前記第２のマイクロチャネルを流れる透析液の流れに対して並流であることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１５に記載の方法において、前記第１のマイクロチャネルを流れる血液の流れが前記第２のマイクロチャネルを流れる透析液の流れに対して交流であることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１５に記載の方法において、前記第１及び第２のマイクロチャネルが最大１０００ミクロンの内寸を有することを特徴とする方法。
【請求項２２】
透析器において：
複数の半透過性膜シートと；及び
複数のフローセパレータとを具え、前記膜シートとフローセパレータが交互に配置されており薄膜スタック内に連結されて複数の平行なマイクロチャネル層を規定しており、各マイクロチャネル層が複数の第１のマイクロチャネルと複数の第２のマイクロチャネルを具え、各マイクロチャネル層の前記第１及び第２のマイクロチャネルがその間の前記複数の膜シートのうちの一つを介して互いに液通しており、前記第１のマイクロチャネルが第１の入口と第１の出口を規定しており、前記第２のマイクロチャネルが第２の入口と第２の出口を規定していることを特徴とする透析器。
【請求項２３】
透析器において：
複数の半透過性膜シートと；及び
複数のフローセパレータとを具え、前記膜シートが前記フローセパレータの間に配置されており、前記膜シートとフローセパレータがマイクロチャネル層を規定する薄膜スタック内に連結されており、前記マイクロチャネル層が複数の第１のマイクロチャネルと複数の第２のマイクロチャネルを具え、前記第１及び第２のマイクロチャネルがその間の前記膜シートを介して互いに液通しており、前記第１のマイクロチャネルが血液を含む第１の流体ストリームを受け、前記第２のマイクロチャネルが透析液を含む第２の流体ストリームを受けることを特徴とする透析器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008515551.tif 000019
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2008515551.tif 000020
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2008515551.tif 000021
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2008515551.tif 000022
【国際調査報告】
2008515551.tif 000023