(57)【要約】本発明は光分解セル、およびこのようなセルを組み込んだ光分解人工肺に関する。光分解人工肺は水を変換して血液が吸収する酸素とし、ｐＨを調節し、二酸化炭素を除去し、そして、電力を同時に生成する。光分解人工肺は光分解セルを含み、ここで全ての化学反応が起こる。更に、本発明は酸素の生成のための光分解的に感受性のある材料に関する。これらの材料は気体非含有人工肺作成に有用である。本明細書に開示する光分解セルはまた肺以外の臓器における化学反応を意図して使用できる。これはまた閉鎖系における呼吸空気を維持するためにも使用できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
血液を酸化するための光分解人工肺であって、以下：
少なくとも部分的に脱酸素された血液を受容し、血液を光分解セルに輸送するための導入口であって、該光分解セルが光透過性の基板、導電層および光反応性表面を有し、該光反応性表面が光活性化により血液中の水を溶存酸素に変換する能力を有する、導入口；
該光分解セルに光量子を提供し、そして、該光反応性表面を活性化するための光源；および
該光分解セルの外部に酸化された血液を輸送するための排出口、
を含む、光分解人工肺。
【請求項２】
前記光反応性表面が光活性化触媒を含む、請求項１に記載の光分解人工肺。
【請求項３】
前記光活性化触媒が金属酸化物である、請求項２に記載の光分解人工肺。
【請求項４】
前記金属酸化物が性能増強ドープ剤の存在下または非存在下にアナターゼ型の（ＴｉＯ２）、ＷＯ３またはＺｎＯ、これらの組み合わせを含む、請求項３に記載の光分解人工肺。
【請求項５】
前記光源が３５０〜３９０ｎｍの範囲で発光する紫外線レーザー光である、請求項１に記載の光分解人工肺。
【請求項６】
前記光源が３５０〜３９０ｎｍの範囲で発光するＵＶ光である、請求項１に記載の光分解人工肺。
【請求項７】
前記光源が３５０〜５００ｎｍの範囲で発光するＵＶ光である、請求項１に記載の光分解人工肺。
【請求項８】
前記光反応性表面が更に不均化触媒を含む、請求項１に記載の光分解人工肺。
【請求項９】
前記不均化触媒がＭｎＯ２を含む、請求項８に記載の光分解人工肺。
【請求項１０】
前記光分解セルが一連の光化学的に開始される反応により水を溶存酸素に変換する、請求項１に記載の光分解人工肺。
【請求項１１】
前記光分解人工肺が更に該光分解セルに連結したＣＯ２ガス収着装置を含む、請求項１に記載の光分解人工肺。
【請求項１２】
前記光分解人工肺が更にＣＯ２ガス透過性脱気材料を含む、請求項１に記載の光分解人工肺。
【請求項１３】
前記光反応性表面が該光透過性基板上に配置された光活性化光分解触媒および該光活性化光分解触媒上に配置された不均化触媒を含む、請求項１に記載の光分解人工肺。
【請求項１４】
前記光活性化光分解触媒が光分解性照射を受けると血液中の水を水素イオン、電子および活性酸素に変換する、請求項１３に記載の光分解人工肺。
【請求項１５】
前記不均化触媒が活性酸素を溶存酸素に変換する、請求項１３に記載の光分解人工肺。
【請求項１６】
前記光分解セルが水から溶存酸素を、そして、血液中に存在する重炭酸イオンから二酸化炭素を同時に生成する、請求項１に記載の光分解人工肺。
【請求項１７】
患者の血液から酸素を生成し、そして、二酸化炭素を除去するための光分解人工肺であって、以下：
患者から血液を受容し、血液を光分解セルに輸送するための導入口と、
光活性化触媒を有する光分解セルであって、該光活性化触媒が光活性化により水を溶存酸素に変換する能力を有する、光分解セル；
該光分解セルに光量子を提供し、そして、該触媒を活性化して溶存酸素の生成および二酸化炭素の形成をもたらす一連の化学反応を開始するための光源；
該光分解セルの外部に酸化された血液を輸送し、そして血液を患者に戻すための排出口；および
気体拡散管によるか、または、固体への収着により、血液から気体ＣＯ２を除去するための排出口、
を含む、光分解人工肺。
【請求項１８】
前記光活性化触媒がアナターゼ型（ＴｉＯ２）である、請求項１７に記載の光分解人工肺。
【請求項１９】
前記光源が３５０〜３９０ｎｍの範囲の紫外線レーザー光である、請求項１７に記載の光分解人工肺。
【請求項２０】
前記光分解人工肺が更に該光分解セル内の化学反応をモニタリングするセンサーを含む、請求項１７に記載の光分解人工肺。
【請求項２１】
前記肺が更に該センサーに応答して該光分解セルを調節するためのプロセッサーを含む、請求項１７に記載の光分解人工肺。
【請求項２２】
前記光分解セルが一連の光化学的に開始される反応により水を溶存酸素に変換する、請求項１７に記載の光分解人工肺。
【請求項２３】
前記光分解人工肺が更に二酸化炭素ガス収着装置を含む、請求項１７に記載の光分解人工肺。
【請求項２４】
光分解セルであって、以下：
透明基板；
該基板上に配置された光活性化光分解触媒；および
該光活性化光分解触媒上に配置された不均化触媒、
を含む光分解セル。
【請求項２５】
前記光活性化光分解触媒が金属酸化物である、請求項２４に記載の光分解セル。
【請求項２６】
前記金属酸化物がＴｉＯ２アナターゼ、ＷＯ３およびＺｎＯよりなる群から選択される、請求項２５に記載の光分解セル。
【請求項２７】
前記不均化触媒がＦｅＩＩ、ＦｅＩＩＩ、ＣｕＩ、ＣｕＩＩ、ＣｏＩＩ、ＣｏＩＩＩ、ＭｎＩＩ、ＭｎＩＩＩ、ＭｎＩＶおよびＭｎＯ２の少なくとも１種を含む、請求項２４に記載の光分解セル。
【請求項２８】
前記触媒がＭｎＯ２である、請求項２７に記載の触媒。
【請求項２９】
前記光分解セルが水を溶存酸素に変換する、請求項２４に記載の光分解セル。
【請求項３０】
前記光活性化光分解触媒が水を活性酸素に変換する、請求項２４に記載の光分解セル。
【請求項３１】
前記不均化触媒が活性酸素を溶存酸素に変換する、請求項２４記載の光分解セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は２００１年８月１日出願の米国特許出願０９／９２０，３８５号、２００２年２月２０日出願の米国特許仮出願６０／３５８，４４８号、および、２００２年６月１４日出願の米国特許仮出願６０／３８８，９７７号の優先権を主張する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は主に流体中の生理学的ガス交換を行なうために光エネルギーを利用する光分解セル（またはモジュール）に関する。光分解セルは患者の血流中または閉鎖空間における呼吸可能な空気の維持の場合のように、酸素の発生を与えるために使用できる。本発明はまた、このようなセルを組み込んだ光分解人工肺（ＰＡＬ）に関する。本発明は、人工臓器および医療技術の分野において特定の用途を有する。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
人工肺機能を達成するために過去４０年間多大な試みが成されてきた。残念なことに、重度の致命的肺疾患を有する患者のための新しい革新的な呼吸補助療法は開発されていない。これは主に肺の病理生理学の知見が不十分であること、新しい治療法が無いこと、および、中期〜長期間の呼吸支援を与えるための機序が不充分であることに起因している。崩壊しつつある肺機能を有する患者のための呼吸支援のための十分な技術が無いことは、とりわけ、この益々増加する患者集団のクオリティーオブライフ（生活の質）に対して深刻な影響を及ぼしている。
【０００４】
全肺疾患による年間死亡数は約２５０，０００人（１５０，０００人が急性の潜在的に可逆的な肺不全に関連し、１００，０００人が慢性の不可逆的な呼吸不全に関連する）と推定され、疾患の経済的負担は年間７２０億ドル程度と推定されている。更にまた、進行性の呼吸不全の心理的負担は、特にこれが進行性肺疾患を有する小児および青年層に影響することから、深刻である。この公的健康問題の影響は、集中的な亜急性期および長期のヘルスケアサービスに関る直接の費用、ならびに患者および患者の家族の報酬および生産性の損失、ならびに支援サービスの必要性の増大に関る間接的な費用の観点から問題視されている。
【０００５】
心臓血管疾患、癌および多くの他の主要疾患の死亡率は近年大きく低下しているが、慢性肺疾患（ＣＰＬＤ）に関る死亡率は５４％増大している。肺疾患はまた、乳幼児の死亡の主要原因の１つであり、１歳未満の全死亡例の４８％に相当する。このような患者のためには、この様式に関る多大な費用および罹患率にも関らず、換気療法を用いることにより、肺不全の間の呼吸補助が行なわれている。
【０００６】
更にまた、短期間にわたり中等度の強度レベルで行なわれる閉鎖陽圧機械的換気は、急性の呼吸不全を有する患者においてガス交換を改善するための幾分安全で効率的な手段である。しかしながら、集中呼吸支援の期間が長くなれば、重篤な副作用が起こり得る。これらの作用（酸素中毒、気圧外傷、ホルモンおよび酵素系の変調ならびに栄養障害を含む）は、不全の肺を更に損傷し得るか、或いは、これらの患者の罹患率および死亡率を大きく上昇させ得る。その結果、機械的換気が不十分であるか、安全に適用できない場合の血液のガス交換を増強する代替法が模索されている。
【０００７】
上記および他の理由に鑑みて、循環血液に対して直接生理学的ガス交換を行ない、患部の肺をバイパスするための人工的手段の開発に多くの関心が向けられている。これまでの試みにより幾つかの良好な手段が提供されたが、それらは有用性に限界があるか、過剰な費用による問題を伴っていた。
【０００８】
人工肺機能のための１つのアプローチは、血液供給部内部に設置された中空繊維の膜表面を経由するガス散布またはガスの拡散によるものであった。これまでの研究で幾分良好な結果が得られ、肺生理学者に多くの知見が与えられたが、ガスの散布または拡散は望まれる最適ガス交換の程度を達成したのみであった。
【０００９】
更にまた、空気散布により気体酸素を導入することから、他の方法および人工肺システムも開発されている。しかしながら、ガスの散布は、赤血球のような生物組織に対して極めて損傷を与えやすい。更にまた、ガス散布は、多孔質壁中空繊維で観察されるような気／液薄膜を越える差圧を制御することを試みる。
【００１０】
人工肺機能のための別のアプローチである体外膜酸化法（ＥＣＭＯ）は長期間の肺バイパスのための機序を構成し、これは数十年に渡り開発され最適化されてきたが、人工肺の技術水準としては現在では臨床用途が限定されている。ＥＣＭＯシステムには、体外ポンプおよび膜経由のガス移動を行なう膜システムが含まれる。長年にわたるＥＣＭＯの施行における多くの進歩にもかかわらず、その中核となる技術は不変であり、重大な限界に直面しつづけている。ＥＣＭＯの限界には、大型で複雑な血液ポンプおよび人工心肺のシステム；カニューレ挿入のための外科的手順の必要性；全身抗凝固処置の必要性；出血や感染症を含む合併症の高い発生率、人工心肺膜の表面へのタンパク質吸着及び血小板付着；労働集約的な施行法；および非常に高い費用が包含される。これらの限界の結果として、ＥＣＭＯは、可逆性が非常に高いと考えられる新生児の呼吸不全の症例を選択することに、その用途が限定されている。
【００１１】
静脈内膜酸化法（ＩＶＯＸ）の開発もまた、下大静脈内部に設置された中空繊維膜の列を経由する体内ガス交換を行なうことができるが、いずれの形態の血液ポンプをも必要としなかったので、人工肺の技術の自然な選択肢となっている。ＩＶＯＸの挿入は、全身の血流力学を変化させることなく、大量のガス転移表面積（６０００ｃｍ２まで）を効率的に導入した。残念なことに、ＥＣＭＯの場合と同様、ＩＶＯＸシステムには多くの限界（例えば僅か中等度の速度でしか行なえないガス交換；装置の設置の困難さ；比較的高い有害事象発生率；およびかなりの頻度での装置の誤作動（例えば破損した中空繊維糸による血液からガスへの漏出）が見とめられる。
【００１２】
肺疾患の処置のためのさらなるアプローチは、肺移植を用いるものである。患者に生体肺を移植するための方法の改善は、基本的には、慢性肺疾患の治療における最も重要な最近の進歩である。肺移植の最も一般的な適応症は、気腫、肺線維症、嚢胞性線維症、および肺高血圧である。選択条件が強調するものは、呼吸系に局在する不可逆性疾患の存在、ならびに長期間の肺リハビリテーションを行なえる能力を裏付ける社会的および精神的な状態である。一方、このような条件が無いことは、このアプローチに対する相対的禁忌を示す。ドナーの臓器は、６５歳未満の比較的健康で感染の無い個体に由来するものでなければならない。このような指針に従って、米国中で、漸増数の患者において良好な結果が得られている。
【００１３】
ドナー臓器数が深刻に制限されていることにより、この選択肢は、最も利益を受けるべき患者の大多数において非現実的なものとなっている。全ての移植可能な臓器について配給が基本となっているが、配給の必要性は肺の場合は特に急性のものであり、これは、以下の問題に起因する：（１）ドナー数とレシピエント数との大きな相違（１９９９年の移植用肺の登録は３３５０件であるのに対し僅か８６２例のみ実施されている）；（２）比較的低い未使用肺の収率、即ち、移植のために許容できる肺を与える多臓器ドナーの僅か５〜１０％のみであること；および（３）移植の前の待機期間中の血液ガス交換を支援する効果的な一時的方法が無いことである。この問題の複雑性は、最も重篤で最も利益を受けるべきであるが、結果は一般的に不良となってしまうような患者と、必要性は低いがより良好な結果が予測される合併症を持たない相対的には健康な患者との間で、臓器の供給に回避不可能な妥協があることを考慮すると、更に深刻になる。例えば、気腫を有する患者は移植によりポジティブな結果を達成する可能性が高いが、一般的に生存率の改善を示さない。対照的に、嚢胞性線維症を有する患者は、疾患に多臓器が関与していることに起因して、手術の危険性はかなり高くなるが、これらの若い患者では移植の成功が生存率を高めるのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、重度の肺不全に罹患している患者の中期〜長期の呼吸支援を与える能力のある新しい技術および治療アプローチの必要性は重大である。更にまた、血液中のガスの持続的交換を行ない、これにより慢性的な換気に依存することなく患部の肺をバイパスすることができる、効率的で安価な技術の必要性がなお明確に存在している。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（発明の要旨）
１つの局面において、本発明は、光分解セル、より具体的にはこのようなセルを組み込んだ光分解人工肺に関する。光分解人工肺は、患者の血液中のガス交換を促進することができ、一方で肺胞−毛細管境界面をバイパスすることができる。これは肺の置換のため、および／または、血流の酸化補給のために利用してよい。更にまた、これは多数の肺の苦痛の処置のために特に有用である。
【００１６】
光分解人工肺は、血流中の生理学的および治療的なガス交換を行なうためのレーザーまたはランプのような光を利用する、身体内外の装置である。このような交換においては、酸素は血流中に溶解し、一方で二酸化炭素が除去され、ｐＨが制御される。これは光化学の利用によるものである。光分解人工肺は、直接のガス散布に関る赤血球への悪影響（即ち、血球溶解、ｐＨ均衡の困難等）を伴うことなく血液を酸化し、一方で同時に血液のｐＨと二酸化炭素含量とを制御する。
【００１７】
とりわけ、光分解人工肺は、光電子化学セル（「光分解セル」または「光分解モジュール」）を含み、これは部分的には、緑色植物において起こる光合成過程と同様に機能する。光分解人工肺は、水から酸素、有用な酸性度、および、電気エネルギーを同時に発生するために、光分解セルを利用して光エネルギーを変換する。光分解セルはまた、血流から二酸化炭素を除去する。所望のガス交換の量、質等に応じて、１個以上の光分解セルを、本発明の光分解人工肺に含めることができる。
【００１８】
本発明において利用される光エネルギーは、紫外線（ＵＶ）光または可視光であり、レーザーの形態が最も好ましい。しかしながら、光エネルギーはまた広バンドであることもでき、「光パイプ」ファイバー光ケーブルを用いて、または、減衰総反射（ＡＴＲ）リンクを用いて受容される。
【００１９】
人工肺においては、溶存酸素は、光依存性の化学反応、光分解および不均化により血流中に存在する水から発生される。この後、重炭酸イオンのプロトン化および脱水の反応により、二酸化炭素が除去ないしは排出される。
【００２０】
光分解は、１量子以上の吸収の結果としての化学反応の開始である。ここでは、水は、光活性化触媒（例えば半導体金属酸化物）により酸素に変換される。金属酸化物は、光吸収材料または光吸収要素として利用される。これは、光分解的に照射されて、流体または血流中に存在する水から、水素イオン、過酸化水素、または他の形態の酸素ガス前駆体（活性酸素「ＡＯ」）、および電磁気照射の量子１個以上の吸収により電子を形成する。次に、発生した自由電子を電気的に導電排除することにより反応の逆行を回避し、そして場合によりこれを利用してポンプのような電気装置を駆動する。
【００２１】
例えば、活性酸素は、光吸収材料としてチタニア（ＴｉＯ２（ａ））のアナターゼ型を使用することにより、本発明においては容易に発生することが判っている。紫外線レーザー光（約３５０ｎｍ）のような光の光エネルギーは、最小限の材料照射または透過でＴｉＯ２半導体の遷移（約３５０〜３９０ｎｍのバンドまたは約３．１ｅＶ）を選択的に励起する。紫外線エネルギーは、ＴｉＯ２のアナターゼ型において電荷の分離をもたらし、これに次いで活性酸素（ＡＯ）および自由電子が生成する。次に自由電子は、アナターゼの半導体特性に起因して、その後導電排除される。或いは、エネルギーが活性酸素を生成するのに充分である限り、他の適当な光吸収材料を、種々の波長で本発明において利用することができる。
【００２２】
不均化は単一の化合物が酸化剤および還元剤の両方として機能し、そして、それにより、より酸化された誘導体およびより還元された誘導体に変換されるような化学反応である。例えば、光分解の間に生成した過酸化水素（活性酸素）は、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）または他の不均化触媒因子および／または過程により、溶存酸素（ＤＯ）および水に変換できる。この反応により、水から溶存酸素（ＤＯ）が生成し、有害なガス状態をバイパスする。
【００２３】
更に、本発明の人工肺においては、二酸化炭素は、プロトン化および脱水の反応により血流中から除去される。本質的に、光分解の間に形成した水素イオンは、血流中に存在する重炭酸イオン（ＨＣＯ３−）および炭酸イオン（ＣＯ３−）と反応し、これらのイオンを炭酸に変換する。血液成分である炭酸アンヒドラーゼの存在下、炭酸は急速に解離して水と二酸化炭素になる。次いで二酸化炭素ガスは環境に放出される。
【００２４】
或いは、ヒト肺補助用途における感染症の問題に起因して、分子吸収によるシステムからの二酸化炭素の除去に関する新しい方法および装置もまた、ここに開示する。本実施態様においては、二酸化炭素は、二酸化炭素吸収装置（即ち収着器）または他の同様のガス除去装置を用いて、滅菌条件下で血流から除去される。
【００２５】
その結果、本発明の人工肺は、血流中に存在する水から直接溶存酸素を生成し、他の血液酸化技術において以前より圧力、剪断力、重量および嵩の問題を起こしていたガス状態を省くことができる。同時に、人工肺はまた水から生成した水素イオンを利用して二酸化炭素を放出させる。さらに、人工肺で起こっている反応には、以前の装置および／または工程に伴っていた高い温度または圧力の発生や使用が伴わない。光分解人工肺は、好ましくは自給型および自己調節型に設計される。これは、外部からのガスの供給を必要としない。
【００２６】
光吸収材料としてアナターゼ（即ち光分解触媒として、そして、不均化触媒としてのＭｎＯ２）を利用した本発明の実施態様に関る反応の簡単な説明を以下に示す。
光分解：
【００２７】
【数１】
2004536682.tif 000003
式中、Ｈ２Ｏ２は「活性酸素」中間体を示すために使用する。
不均化：
【００２８】
【数２】
2004536682.tif 000004
ＤＯ＝呼吸可能な空気維持用途の気体酸素Ｏ２（ｇ）に容易に変換できる血中溶存酸素プロトン化（光分解反応由来のＨ＋イオン）：
【００２９】
【数３】
2004536682.tif 000005
ＣＯ２ガス発生：
【００３０】
【数４】
2004536682.tif 000006
触媒された脱水反応（任意）：
【００３１】
【数５】
2004536682.tif 000007
ＣＡ＝炭酸アンヒドラーゼ（既に血液成分である）。
【００３２】
上記した情報は、溶存酸素を生成するための光分解セル内に含まれる一般的な化学反応を示す。この生成の後、電子は導電排除され、溶存酸素は膜表面から拡散し血中に存在するヘモグロビンを酸化する。
【００３３】
結果として、本発明の光分解人工肺の主要な機能は、急性および慢性の両方の状態の肺疾患患者において呼吸補助を与えることである。しかしながら、本発明の光化学反応および／または光分解電力の利便性をまた必要とする他の医療用途も実施可能である。これには特に、体内薬剤濃度の維持および放出、ならびに腎臓および肝臓のような他の臓器の機能への寄与が挙げられる。
【００３４】
より特定の実施態様においては、本発明の光分解人工肺は、患者の血流からの血液を受容するための導入口（ｉｎｌｅｔ）を含む。ポンプが患者から血液を抽出し、導入口を介してフロースルーの光分解セルの少なくとも１つに血液を移動させる。光分解セルは、光活性化光分解触媒および上記した通り血中の水を溶存酸素に変換し、同時に二酸化炭素を除去する不均化触媒を含む光分解コーティングを含む。光の供給により、光エネルギーが光分解セルに供給される。排出口（ｏｕｔｌｅｔ）は血液を光分解人工肺の外部に移動させ、患者に戻す。
【００３５】
光分解セルは血液に匹敵し、高収率で溶存酸素を血流に提供する。得られる光分解人工肺は、患者により体外または体内で、そして、定置型または持ち運び型で使用されることができる。更にまた、この人工肺は、小型の着用可能な体外装置において、または、患者の静脈血供給部に挿入された体内装置において光活性化ガス交換が行なわれるように拡大縮小することができる。このような微細加工装置、例えば人工肺毛細管の例は、後に詳述する。
【００３６】
更に別の局面において、本発明は光分解セルにも関する。光分解セルは、透明基板またはウィンドウを含む。アノード（例えば金属膜）が透明ウィンドウに隣接する。光活性化触媒および不均化触媒を含有する光分解コーティングは、アノードに接している。セルフロースルー領域は、光活性化触媒に隣接する。陽イオン交換膜は、セルフロースルー領域と境界を接している。アノード液は陽イオン交換膜に接している。カソードはアノード液に隣接し、アノードに連結されている。
【００３７】
別の局面において、本発明は更に、二酸化炭素のような気体を採取して溶液または固体に変換するためのガス吸収または収着装置に関する。ガス収着装置は、ガスヘッドスペースを含むコアレセンスコンパートメントおよびそれに連結されたコエレサー（ｃｏｅｌｅｓｏｒ）を含み、ここでガスが蓄積し、そして／または、ガスがヘッドスペース中に濃縮される。コアレセンスコンパートメントに連結されているガス収着器は、ガスヘッドスペースからガス収着器へのガスの移動を可能にし、ガス収着器はガスを溶液または固体に変換する。収着器は廃棄され得るか、または、再生され得、これにより周囲への二酸化炭素の連続排出を回避する。
【００３８】
更なる局面において、本発明は更に、酸素を水性重炭酸イオン溶液に送達する方法に関する。この方法は、溶液を光分解セルに移動させ、そこで光活性化触媒により光を利用して水から酸素を生成し、僅かなｐＨの変化を同時に起こして二酸化炭素を放出する工程、および酸化された溶液を光分解セルの外部に移動させる工程を包含する。
【００３９】
更に別の特徴においては、本発明は、患者の血液を酸化するための方法になおさらに関する。この方法は、脱酸素された血液を光分解セルに移動させる工程；水を光分解セル内で溶存酸素に変換する工程；溶存酸素を血中ヘモグロビンと結合させる工程；光分解セル内で二酸化炭素を形成する工程；光分解セル内で形成した二酸化炭素を除去する工程；および酸化された血液を光分解セル外に移動させる工程を包含する。この過程は、ある程度までは、植物が酸素を生成する天然の過程（即ち光合成）の選択された部分、および、肺が二酸化炭素を除去する、即ちｐＨ低下による過程を模倣するものである。この方法は、気体状態をもたらすことなく水から直接溶存酸素を生成する。これは呼吸不全を有する患者において治療上のガス交換を行なうために利用できる。
【００４０】
更に別の局面において、本発明は、二酸化炭素の均衡クリアランスを伴う液相の酸素（溶存酸素）への水の直接の光分解変換に関する。ガラス基質への積層物として適用される蒸着されたチタン（Ｔｉ）金属の導電性コーティング、粘着性のＴｉＯ２（アナターゼ）およびＭｎＯ２を有するテストフローセルが提供される。次に装置を、Ｌｏｃｋｅｓ−Ｒｉｎｇｅｒ溶液（合成血清）および／または血液に浸積した。透明ガラススライドに向けた長波長（低エネルギー）のＵＶレーザー光により、反復してＨ２Ｏ２、酸素の活性型（活性酸素）が生成され、これがその後、ＭｎＯ２の触媒作用により溶存酸素に変換された。光活性化が無いことにより、完全な無反応が可能となった。これらの結果およびその他の結果に基づき、光分解の誘導の後の富溶存酸素流体からの気相分子の選択的膜拡散を介して、システムの収率とＣＯ２クリアランスを改善するために、複数の平行光分解表面を用いながら、光分解セルまたはモジュールを使用してよい。
【００４１】
更に別の局面において、本発明は、光分解人工肺における中間細孔性の材料の使用に関する。メソポーラスな材料を用いて、高表面積の光分解的に活性なコーティングを与えることにより、コーティング／材料に隣接する流体流中に化学変化、光化学変化、電気の発生、および／または電気化学的変化を光分解的に駆動し、或いは、電気の場合は、直接または導電性中間材料を介して、コーティングに取り付けられたワイヤ内に電流が供給される。
【００４２】
好ましくは、メソポーラスな材料はメソポーラスな支持体上の自己組立型単層「ＳＡＭＭＳ」である。この技術による特に有用な材料は「メソポーラスシリカ」として知られている。更にまた、モレキュラーシーブ、例えば３Ｄの多孔質構造（孔径約７〜１００Å）のゼオライト、（ゼオライトＸ、ＹおよびＢ、および、シリカならびに／またはシリカ／チタニアＭＣＭ（孔径約２０〜８０Å））が有益である。同様にチタニア（特にアナターゼ型）が本発明の要件によれば有用である。他の有用なコーティング化学は酸化亜鉛、タングステン酸塩等に基づく。
【００４３】
光分解されたメソポーラスなコーティングは水から酸素、特に溶存酸素への変換をもたらす光活性材料よりなる。更に、重炭酸イオンもそこで水素イオンにより二酸化炭素に変換され、排気および／または除去される。
【００４４】
メソポーラスな材料を利用する本実施態様は、光分解肺（ＰＡＬ、より一般的には光分解的に駆動された電気化学的変換、ＰＤＥＣ）技術の次の重要な技術の部分、即ち光分解コンストラクトの組織化顕微鏡構造（ＯＭＡＰＣ）の部分を示している。流体／感光性コーティング／膜構造の設計は、小型装置（実際の歩行中の使用、および身体への移植）および光分解変換効率（低コストおよび低電力の要求）を提供することによる技術の市場価値の調節のために重要である。
【００４５】
ＳＡＭＭＳ技術および他のいずれかの高品位の構造支持体のミクロ−またはナノ−加工された材料、例えば集積回路加工、光ボルタ電池加工、または光ファイバー加工に用いられるものは、例えば、以下の少なくとも３つの理由、即ち、
１．近ＵＶおよび／または可視光透過性（シリカおよび金属酸化物）；
２．大きな流体が通過する固／液界面の面積；
３．工学的光ガイドを内部に設計できるような組織化構造；
から市場価値のあるＰＤＥＣ技術の候補となる。
【００４６】
結果として、本発明の更に別の実施態様は人工肺毛細管を構築する（ＰＡＬの場合）ための微小加工材料等の使用に関する。最終装置の全体的形状は必要に応じた如何なる適当な形状であることもできる（例えば身体肺腔部、静脈、体外装置内に設置するモジュール等）。メソポーラス（等）の材料から必要とされる重要な構造は、その微細構造、および、それがどのように流体（血液、呼吸空気）に隣接する領域への光路の調節に関っているかである。
【００４７】
本発明のこれら、およびその他の目的および特徴は、以下に示す詳細な記述より明確となる。
【００４８】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明は他の成分と共に光分解セルを有する光分解人工肺に関する。光分解セルは本発明の基本的な機能単位である。これは全体的目的として酸素発生器、二酸化炭素除去器およびｐＨ調節器として働く。光分解セルは血流中の酸素および二酸化炭素の交換を可能にする種々の化学反応を行なう際に使用される光化学的に活性な材料を誘導する。光活性化、光分解セル表面積および血流の間の相対的バランスを最適化することにより、効率的なガス転移を最大限に行なえるように設計される。光分解セルは肺の置換／補充のための光分解人工肺用途として使用される場合、直接のガス不足に伴う赤血球への悪影響を伴うことなく血液を酸化すると同時に、血液のｐＨおよび二酸化炭素の接触を制御する。
【００４９】
更に人工肺以外の多くの装置が光分解セルから誘導され、これに基づいて実施される。例えば、光分解セルは化学過程、醗酵系、薬物レベルの調節、および、１種以上の臓器機能の置き換えまたは補助を含む多くの操作を実施するために利用することがされ得る。結果として、幾分類似した関与する光電気化学的転換の結果として、本発明の光分解セル要素は人工臓器分野以外のさらなる用途も有することができる。
【００５０】
好ましい実施態様においては、本発明は新しい呼吸補助装置および方法、即ち光分解人工肺における光分解セルの使用に関する。光分解人工肺は光化学的に活性な材料および酸素の生成、ｐＨの調整、二酸化炭素の除去、および、電力の同時生産のための関連の成分を有する１種以上の光分解セルを含む。電力はさらなる化学的変化または反応をおこすために使用され得る。必要に応じて、本発明は所望のガス交換の速度を実行するために十分な数量の積載または組立てられた光分解セルを収容または保有するための光分解チャンバを含んでよい。
【００５１】
本発明の技術は部分的には光合成の天然の過程をある程度まで摸倣した光開始性の電気化学的転換に基づいている。光合成においては、太陽光に由来するエネルギーは、酸素の生成を伴いながら植物の生育のための糧を与える重要な代謝反応を駆動するために用いられる。
【００５２】
本発明の光分解人工肺は光合成の特徴と肺の作用を組み合わせたものである。肺においては、酸素は、身体組織へ輸送するためのヘモグロビン（Ｈｂ）に結合することのできる溶存酸素として空気から血液に転移され、二酸化炭素が血液から空気に放出される。平衡は溶存酸素の結合からＨｂ側にシフトし、二酸化炭素の放出はガス圧の差および炭酸無水触媒により駆動される。
【００５３】
本発明においては、光分解人工肺は水から溶存酸素を生成するために光エネルギーを使用する。同時に起こる僅かなｐＨの変化により全血または血清からの二酸化炭素の放出が起こる。好ましい実施態様においては、光分解人工肺から化学過程において形成される物質は不溶性の固体であり、これにより血液の汚染が防止される。
【００５４】
上記した通り、本発明は光分解化学により駆動される装置を創生するために天然より誘導される物理的原理を適用している。現時点での好ましい実施例はプロトタイプの「肺胞」表面を創生することに着目しており、その化学的活性は光と高吸収性の表面（例えばＴｉＯ２表面）との相互作用により測定する。この装置の原理的機能は、一連の光調節化学反応（電荷の分離と不均化のための光分解による酸素の生成）、それに続く副生成物の二酸化炭素の化学的散逸（プロトン化および脱水）を介した、水からの酸素の生成である。効率的で生体適合性のある光伝導材料が考えられ、その吐出物を流動血液と連結させることができ、これによりヒトの肺胞と機能的に同様である光分解ユニットが創生される。今日まで作成されている例は光分解表面の材料の寄与度を最適化するように設計されており、これにより、量子収率および流量に対して相対的な溶存酸素の生成量を最大限とし、これにより、血液接触部の単位面積当たりのガス交換を最大限としていた。
【００５５】
従って、本発明は、植物が水から直接溶存酸素（ＤＯ）を生成し、ガス状態を省く天然の過程を摸倣している。この天然の基本的原理に従って、化学反応のカスケードの光活性化を介して液体中の溶存酸素（ＤＯ）の量を有意に増大させる方法を開発している。この技術を用いて先ず体外装置、次に患者において生理学的ガス交換を達成できる高度に細密化された体内装置を創生することができる。方法には初期の様式における幾つかの十分特徴付けられた光化学反応の組み合わせが包含される。如何なる肺補給技術もｐＨバランスを変えたり血球の溶解を誘発することもなく生理学的ガス交換を達成しなければならない。ここでは酸素を、圧力、温度およびｐＨの穏やかな条件下で光分解エネルギーを用いて触媒中心において水から光分解的に発生させ、その間水素イオンを放出させる。血清中に存在する重炭酸イオンの溶液中に放出される水素イオンは、これらのイオンを炭酸に変換し、そしてこれは、血中の天然の成分である炭酸アンヒドラーゼの存在下、自発的に水とＣＯ２に解離する。
【００５６】
初期のモデルは光吸収要素としての半導体金属酸化物、チタニアのアナターゼ型、またはＴｉＯ２を使用していた。この酸化物の光分解により、光合成色素（即ちクロロフィル）よりもかなり長時間持続する様式で活性酸素が発生する。重要な点は、３５４ｎｍのＵＶレーザー光による活性化に関連する光エネルギーは選択的にＴｉＯ２半導体電子遷移を励起し（３５０〜３８９ｎｍバンド、すなわち約３．２ｅＶ）、無駄な放射または透過は最小限である。エネルギーの必要性を低減したり、更には、可視光の範囲内での活性化を行うために、特殊なドーパントでこの波長を調節して良い。ＵＶエネルギーはアナターゼ内に荷電分離をもたらし、これが次に活性酸素および自由電子を生成し、後者が電気的に導電排除される。拡散層は、光分解的透明性により、そして、電気化学的導電により、光分解部位に出入りする電子の電気伝導度の使用により（自然の光合成の場合と同様）最小限にされる。次に活性酸素は、ＭｎＯ２のような不均化触媒の使用により溶存酸素に変換される。重要な点は、本出願人等は流体相の酸素（即ち溶存酸素）および気相の酸素（即ちＰＯ２）の両方を効率的に発生させるこの装置の能力を明らかにしている点である。
【００５７】
広範な観点において、本発明は以下のシステムの要素、即ち、１）感受的で複合化された水相、２）薄膜内に「電荷分離」をもたらす光分解エネルギー、３）「荷電分離」光分解反応の電子よりもたらされる電気エネルギー、４）装置の治療上の要素、即ちＤＯ生成から光化学により駆動される化学反応、および５）血中からのＣＯ２の除去の場合のような低い圧力における脱気、を包含する。試験により、これらの要素が顕微鏡レベルで機能して「肺胞型」のガス交換を達成することができることを明らかにした。これらの結果は次の段階、即ち、許容できる量子収率およびＤＯ発生効率を与えるためのコーティング／薄膜無機材料の選択に移行するための強力な合理性を与えている。明らかに複合化されているものの、このような成分のアレイは益々一般的になっており、「チップ上のラボ」、「コンビナトリアルな化学」および「ミクロ技術化学製造」型の装置が出現している。このような装置はミクロファブリケーション（μＦＡＢ）の発展的科学から誘導されており、半導体産業の集積回路の製造に用いられている単純であるが頑健な方法を用いている。このようなμＦＡＢ技術を用いて、人工肺装置に適用される技術のための複合高表面積光分解駆動薄膜コーティング（「コンストラクト」）を製造することができる。
【００５８】
本発明はまたメソポーラス、不定形、微孔性、結晶性、不均質または均質な材料およびコーティングなどを、単独でまたは組み合わせての用いることにより、高表面積の活性コーティングを得て、これにより、好ましくはコーティング／材料に隣接する流体流中で化学変化、光化学変化、電気の発生、および／または、電気化学的変化を光分解的に駆動するか、あるいは、電気の場合は、電流を直接または導電性の中間材料を介してコーティングに連結されたワイヤ内に駆動される。上記流体は液体または気体またはゾルゲルまたは導電性固体または多孔性固体であることができる。好ましい流体は水溶液であり、最も好ましい媒体はヒト血液または血清である。
【００５９】
好ましいメソポーラス材料はＳＡＭＭＳ（メソポーラス支持体上の自己組立型単層）である。この技術による特に有用なコーティング／膜／材料は「メソポーラスシリカ」として知られる種類の物と考えられる。チタニア（特にアナターゼ型）が本発明において有用であることが見出された。他の有用なコーティング化学は酸化亜鉛およびタングステン酸塩に基づく。好ましい用途は光分解されたメソポーラスコーティングが水から酸素、Ｏ２、特に溶存酸素（ＤＯ）への変換をもたらすような光活性材料よりなり、そして、この様にして発生した水素イオンにより重炭酸イオンがＣＯ２ガスに変換されて排気に供されるような人工肺である。
【００６０】
光分解化学により遍在する光エネルギーの有用な化学反応への変換のための自然で効率的な機構が形成される。本発明は差し迫った臨床課題、即ち光分解的に駆動される人工肺および／または人工的に挿入された肺毛細管の創生を解決するためにこのような基礎的な化学的考え方を適用する。この技術の達成は一方では慢性肺疾患により重度の障害を有する患者のための呼吸支援装置として大きな有用性を有し、そして、他方では、多くの用途が生じると考えられる新しい技術的プラットホームの根拠となることができる。
【００６１】
好ましくは、本発明の光分解人工肺は血液導入口カニューレ、ポンプ、少なくとも１個の光分解セル、光分解セルを照射する光源、酸化血液排出口カニューレ、および、二酸化炭素廃棄および／または吸収装置を含む。電源および／または電池を設けてポンプまたは光源に電力供給することができる。１つ以上のインラインのセンサーおよびプロセッサーを設けてシステムを通過する流動、酸素および／または二酸化炭素の発生の量、毒素の存在等をモニタリングして最適化することができる。装置を循環する脱飽和された血液を光分解セルを通して送液し、ここで光活性化を行なうことにより溶存酸素の発生および最終的な二酸化炭素の除去を行なう。
【００６２】
より詳しくは、図１は体外呼吸補助システムとして開発された光分解人工肺１０の実施態様を示す。人工肺１０は患者から人工肺１０に血液を挿管連絡する血液導入口１２を含む。血液導入口１２は患者から人工肺１０に血液を引き込むポンプ１４に連結されている。ポンプ１４は脱飽和血液を１個以上の光分解セル１６に送り込み、ここで光活性化（例えば３５０〜３９０ｎｍのレーザー）により酸素が発生し、二酸化炭素収着装置２４を介するか、外部への排気により最終的に二酸化炭素が除去される。電源１８または任意の電池１９により光源２０が作動する。光源２０は光分解セル１６を照射する光量子２１を発射する。次に光分解セル１６は血液から酸素を生成して二酸化炭素を除去する一連の化学反応を光化学的に開始する。酸化された血液は人工肺１０から血液排出口２２を通って患者に戻る。結果として、人工肺１０は患者の静脈血循環から血液を引き出し、そして動脈循環に戻す。
【００６３】
本発明の光分解人工肺は他の血液酸化技術を制約している問題の原因となる気体状態を回避しつつ二酸化炭素を消費する。これはまた外部の酸素源の必要性も無くし、中空繊維技術により生じる炎症の危険性を最小限にする。
【００６４】
また、本発明の光分解人工肺は温度または圧力の慎重な制御を必要としない。既に概説した通り、本発明の光分解人工肺で使用するための全ての材料は不溶性固体のまま残存し、血液の汚染を防止する。コーティングとの血液の接触は最小限となる。良好な光分解的透明性ならびに電気的および電気化学的な伝導性を有する薄膜を組み込むことにより、光合成の場合と同様、光分解部位に出入りする電子および陽イオンの電気伝導度を用いて、酸化速度を低下させ得る拡散層を最小限にする。
【００６５】
光源の波長、ビームサイズ、パルス持続時間、光源の周波数および流動性を調節することにより最大および／または効率的なガス交換を行なう。同様に、光分解セルのポンプ速度、フロースルー容量などもまた調節される。これは反応化学、毒素等もモニタリングするセンサーおよびレギュレータにより達成される。センサーおよびレギュレータはセンサーによりモニタリングされる条件に応答してシステムの種々のパラメータを自動調節する能力を有する。
【００６６】
最も好ましくは、光分解人工肺はヒト患者に対してはシステムを通過する血流５Ｌ／ｍｉｎにおいて分当たり溶存酸素少なくとも約１５０ｍｌを供給するように設計する。また、光活性化ガス交換のために利用される成分は生体適合性である。
【００６７】
光分解人工肺はそれが体外装置または体内装置であるように設計することができる。例えば、光分解人工肺は小型化された移植可能なユニットとして設計できる。このようなユニットは移植可能な形状とし、経皮エネルギー伝達システムおよび／またはエネルギー変換のための内部光源を使用する。例えば図１８を参照できる。
【００６８】
図２Ａは体外装置としての光分解人工肺１０に連結した患者を簡単に示したものである。図２Ｂおよび２Ｃは光分解人工肺１０の種々の実施態様の成分を示す拡大図である。図２Ｄは人工肺の種々の実施態様の各コンパートメント内で生じる化学的転換を示している。
【００６９】
光分解人工肺１０は血液導入口１２を通じて患者から静脈血を光分解人工肺１０に送り込む。静脈血はフローディストリビューター２５により１個以上の光分解セル１６に侵入する。光分解セルは必要に応じて積載された光分解セル２７を形成するように配置してよい。光分解セル１６に出入りする血液の量はフローディストリビューター２５により制御される。図２Ｂを参照できる。
【００７０】
光源２０は光分解セル１６を照射し、これにより血液ヘモグロビン（Ｈｂ）に結合する溶存酸素を最終的に形成する光分解セル１６内の光化学反応が開始される。光分解セル１６内の化学反応により生じる過剰な二酸化炭素および水素は、保存および／または排気排出口２８を通る最終的な排気のための１個以上のガス収着装置２４に入る。一旦、血液が酸化され、二酸化炭素が除去されると、血液は血液排出口２２を通って患者の動脈に戻る。本実施態様に記載しない光分解人工肺の成分としては、血液ポンプ、電源、コントロール用電子部品および反応作用発生した酸素、二酸化炭素等の量、潜在的毒素の存在などをモニタリングするセンサー手段、である。
【００７１】
光分解人工肺の主要要素は光分解セル１６である。例えば図２Ｃを参照のこと。光源２０より生じる光エネルギー２１は透明基板またはウィンドウ３０を通って光分解セル１６に入り、光活性化触媒３２の層を活性化する。後に更に詳述する通り、このような光活性化触媒の例はアナターゼ（ＴｉＯ２）である。使用する触媒３２に応じて、光活性化触媒３２は水を中間体活性酸素、水素イオンおよび過剰な電子に変換するか、または、直接水を溶存酸素に変換する。任意の第２の触媒、即ち、不均化触媒３４は中間体活性酸素を溶存酸素Ｏ２に変換するために使用できる。このような第２の触媒の例は二酸化マンガン（ＭｎＯ２）である。水から溶存酸素への変換の間に過剰の電子が形成され、触媒３２から伝導され金またはチタンの金属膜のようなアノード導電層３６に至る。チャンバ３７においては、溶存酸素は血中のヘモグロビン（Ｈｂ）と結合し、酸化された血液は動脈血排出口２２を経由して患者に戻る。
【００７２】
更にまた、チャンバ３７においては、脱酸素された血液中にも存在する重炭酸イオンが上記生成した水素イオンと反応して炭酸を形成する。次に炭酸は炭酸アンヒドラーゼにより水と二酸化炭素に変換される。形成された水はカソード３８において電子と反応し、水素ガス（Ｈ２）とヒドロキシル基を形成する。ヘモグロビンもまた、酸素がヘモグロビンと結合すると、二酸化炭素を放出する。光分解セル１６内で生じる反応から形成される過剰な二酸化炭素および水素は１個以上のガス収着装置２４に入り、保存または排気に付される。
【００７３】
図３は光分解セル１６のフロースルー実施態様を示す。フロースルーセル実施態様においては、光分解セル１６の以下の主要要素、即ち、真空蒸着Ｔｉ金属３６の導電性コーティング、付着ＴｉＯ２（アナターゼ）３２のコーティング、任意のＭｎＯ２粒子層３４を組み立て、その後、重炭酸溶液を用いて試験する。ＵＶレーザー光２０を透明ガラスまた石英の基板３０上に露出し、反応を開始させる。後述する通り、本発明の有効性を示すレーザーＵＶ照射の関数としてｐＨおよびデータを収集するためにこのセルを利用する。
【００７４】
この点に関し、図３の光分解セル１６は、紫外線レーザー光のような光源２０から光量子２１の形態で光エネルギーが入ってくるための透明ウィンドウ３０またはウエーブガイドを含んでいる。ガラススライドの一端にはチタン（Ｔｉ）金属膜のようなアノード導電層３６が設けられている。アナターゼ（ＴｉＯ２）のような光活性化触媒３２の層が、アノード導電層３６に連結している。二酸化マンガンのような任意の触媒の層３４は光活性化触媒層３２に隣接している。光分解セル１６はシリコーンのガスゲットまたはスペーサー４０の１つ以上の層およびアクリルハウジング４２を含む。１対のアノード液（ａｎｏｌｙｔｅ）４４（ｉｎ／ｏｕｔ）を光活性化触媒層３２または任意の触媒層３４に連結し、光分解セル１６を通り、透明ウィンドウ３０から離れて伸長する。光分解セル１６は更に、ＤｕＰｏｎｔのＮＡＦＩＯＮ（登録商標）膜のような陽イオン交換部材４６を含む。１対のカソード液（ｃａｔｈｏｌｙｔｅ）４８（ｉｎ／ｏｕｔ）を陽イオン交換部材４６に連結し、光分解セル１６を通り、透明ウィンドウ３０より全体的に離れて外側に伸長する。光分解セル１６は更にＰｔホイルのようなカソード層３８を陽イオン交換部材４６に隣接して含む。本発明のこの実施態様の作動および使用は後述する実施例において更に詳述する。
【００７５】
図４は光分解人工肺１０の光分解セル１６内で起こる電気的および化学的転換を示す模式図である。患者の静脈血（低酸素、高二酸化炭素）は蠕動ポンプ１４を用いて導入口１２を通って光分解セル１６に入る。光源２０より発生する光量子（ｈｖ）２１は透明ウィンドウ３０またはウエーブガイドを通って入り、１００μｍＴｉＯ２（アナターゼ）のような光活性化触媒３２を活性化させる。光活性化触媒３２は水を溶存酸素に直接変換するか、または、水を活性酸素と水素イオンに変換し、そして多孔質膜上の任意の第２の触媒３４（例えば二酸化マンガン（ＭｎＯ２））は、活性酸素（例えばＨ２Ｏ２）を溶存酸素（ＤＯ）に変換する。次に溶存酸素が血中に存在するヘモグロビンに結合する。
【００７６】
水から酸素への変換により放出される電子はコレクター電子アノード３６内に収集される。電池４９から形成される電流は電子をアノード３６からカソード３８、例えばグラファイトまたはニッケルに流れさせ、これにより電子が活性酸素と反応して逆反応を起こし、水の再形成を起こすことがないようにする。
【００７７】
電流および電子の流れは、電流調節器５０または抵抗器５２により調節できる。電子は水と反応して水素ガスＨ２およびヒドロキシルイオン（ＯＨ−）を形成することができる。形成された水素ガスはガス収着器に移動し、ここで保存および／または放出（即ち吐出）される。血液のナトリウムイオン（Ｎａ＋）が陽イオン交換膜４６を通過して移行し、ヒドロキシルイオンと反応してカソード液４８中に水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を形成する。光活性化触媒において水の変換により形成された水素イオンは重炭酸イオンと反応して炭酸を形成し、これは血中に存在する、または添加された炭酸アンヒドラーゼ酵素により変換され、二酸化炭素と水を形成する。光分解セル１６内で形成された二酸化炭素は血中から放出された二酸化炭素と共にガス収着器２４の１個以上に移動するか、排気される。酸化した血液は排出口２２を通って光分解セル１６から退出し、患者の動脈に戻る。
【００７８】
本発明のフロースルー光分解セル実施態様の種々の特定の要素および／または工程は以下により詳細に説明する。
【００７９】
（１．透明基板またはウィンドウ３０）
透明ウィンドウ３０はガラス、石英スライド、石英などから形成できる。ガラスはＵＶ透過性が必要な波長において十分である限り、透明ウィンドウの形成に有用である。石英スライドもまた、その高いＵＶ透過性により、有用である。透明ウィンドウについては、透明ウィンドウへの光の侵入と通過は、背面、側面または底面から可能である。透明ウィンドウを通過する端部照明は場合によりレンズまたはウエーブガイドを含むことができる。
【００８０】
透明ウィンドウは更にウエーブガイドを含むことができる。ウエーブガイドは光活性化触媒の表面全体に渡り、光の光量子（ｈｖ）を均一に分散する。特にウエーブガイドは、光量子が光活性化触媒の全層に最大限接触できるような光路をとおるように光量子を移動させる。光は透明ウィンドウに連結されている光活性化触媒の表面にほぼ平行な透明ウィンドウの側面のウエーブガイドに入る。ウエーブガイドは透明ウィンドウに連結された光活性化触媒全体の側面を直接照明することなく光活性化触媒への光量子の最大接触を可能とする。ウエーブガイドはまた、光が光活性化触媒を直接照明する必要が無く、むしろ透明ウィンドウ内で側面または端部の侵入により間接的に照明されることができるため、最大の光分解セルの設置を可能とする。ウエーブガイドは、光が光活性化触媒の表面全体を横切って拡散することができるため、光分解セル内で使用される光を更に効率的なものとする。
【００８１】
（２．アノード導電層３６）
アノード導電層３６は水から酸素への反応で形成された電子をアノード外に伝導する。アノード導電層は電子が酸素と逆反応して水を再形成することを防止しており、これにより酸素の形成を最大限としている。アノード導電層は透明ウィンドウの少なくとも片側に適用または連結する。
【００８２】
アノード導電層は少なくとも２種の方法で形成することができる。アノード層は蒸着を用いて透明ウィンドウに均質な金属導体の薄膜を結着させることにより形成される。膜は好ましくは約０．２μｍ未満の膜厚を有する。好ましくは、膜は金またはチタンから形成する。金は全ての条件下で金属でありつづけるが、ＵＶ光の遮断または反射において極めて効率的である．チタンは蒸着チャンバにＯ２を添加することによりＴｉＯ２を酸化し、優れた付着性を有する使用可能な触媒層を与えることができる。
【００８３】
アノード導電層３６はまたフォトレジスト技術により形成することもできる。フォトレジスト技術においては、蒸着によりマスクを有するグリッドを作成する。過剰な減衰を防止し、光活性化触媒層から電子を一掃できるように十分近接した導電領域を与えるためには、導電体の線の間隔、幅および厚みの最適化が必要である。
【００８４】
（３．触媒３２および３４）
光活性化触媒３２はアノード導電層上にコーティングされる。光活性化触媒は光化学的に活性化され、水と反応して溶存酸素、または、最終的に溶存酸素に変換されるフリーラジカル酸素中間体を形成する。本発明においては活性酸素（ＡＯ）という用語は最終的には溶存酸素に変換される水の光分解触媒反応において形成されるいずれかのフリーラジカルの酸素中間体と定義する。形成される活性酸素は過酸化物、例えば過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）または過酸化物イオンの塩、ヒドロキシルフリーラジカル、スーパーオキシドイオン等の形態であり、触媒存在下で溶存酸素に変換される。形成される活性酸素は使用する光活性化触媒により異なる。更にまた、使用する光活性化触媒に応じて、活性酸素を先ず形成すること無く、水を直接光分解敵に変換して溶存酸素としてもよい。
【００８５】
数種類の触媒が光化学的に溶存酸素を生成するために使用できる。光化学的に酸素を生成するために使用できる１つの触媒は酸化亜鉛である。酸化亜鉛を使用することにより、過酸化物（Ｈ２Ｏ２）が血中ｐＨで水から直接生成する。Ｈ２Ｏ２は、十分な潜在的拡散距離を得るため、および、カタラーゼおよび他のヒドロパーオキシダーゼによる金属イオン補助不均化により３４０ｎｍ未満で光化学的に起こる固体ＭｎＯ２触媒（緑色植物Ｏ２発生部位と同様）を介した溶存酸素および水に対する不均化反応のために、優れた形態の活性酸素である。酸化亜鉛膜は公知の膜形成法（例えば亜鉛／硝酸塩／グリシン反応による）、低毒性の問題および低コストを含むその他の好都合な特徴を有している。
【００８６】
溶存酸素を光化学的に生成するために使用できる他の触媒は、可視光に曝露され、ｅ−ｓｃｂ除去を用いるタングステン酸塩（ＷＯ３）である。ＷＯ３は活性酸素種を先ず生成する必要無く水から直接酸素（Ｏ２）を生成する。酸素は化学量論的に生成させ、溶存酸素の直接の形成に対する大きな競合が無いように「逆反応」が起こらないほうがよい。約４９６ｎｍを超えない可視光のみがＷＯ３から溶存酸素を生成するために必要である。ＷＯ３膜の毒性の問題は小さい。好ましくは、ＷＯ３の使用には水からの酸素の形成の間に形成される過剰なｅ−ｓｃｂの除去が含まれる。
【００８７】
水と反応させるために適する別の触媒はＴｉＯ２（アナターゼ）照射であり、これと同時、またはこの後に、ＭｎＯ２のような金属触媒または他の同様の触媒における溶存酸素生成が行なわれる。ＴｉＯ２はｅ−ｓｃｂを効率的に生成領域から除去し、これにより最終的に良好な溶存酸素生成を確保し、反応体の再形成を起こす如何なる逆反応も最小限としている。ｅ−ｓｃｂの除去は小さいＤＣバイアス電圧の適用を介して増強されるＴｉＯ２（ａ）の半導体特性を介した導電により行なわれる。ＴｉＯ２照射はまた毒性の問題も小さい。ＴｉＯ２は極めて高い不溶性および反応速度論的不活性度を与え、これにより使用および維持管理の間の溶解および劣化を最小限とする。好ましくは、ＴｉＯ２照射の間、ＵＶ光は、連続照射ではｅ−ｓｃｂの蓄積が起こり強制的な逆反応により水の形成が起こるため、チョッピングまたはパルシングすることにより化学反応が起こる時間を与える。照射時の中断時間は、より遅いがなお極めて早い秒またはミリ秒の範囲の照射が起こる時間を存在させるのである。
【００８８】
水と反応して最終的に溶存酸素を形成する別の触媒は半導体粉末（ＳＣＰ）充填ＵＶ／ＶＩＳ光透過性熱可塑性膜である。ＳＣＰ充填熱可塑性膜は比較的安価に製造し、形状付与することができる。ＳＣＰ膜は容易に成型、押出し、切断および機械処理される。ＳＣＰは表面に適用された唯一の形態において極めて効率的に使用できる。またＳＣＰは毒性の問題が小さい。最適化された市販品（導電性プラスチック充填剤粉末）は、本発明の光分解人工肺に使用できるような、分散性、粒子間の導電性（例えばｅ−ｓｃｂ除去性）および剥離耐性に関して良好な特性を有するものが入手可能である。
【００８９】
以下の別の好ましい条件を上記した触媒の各々に対して使用してよい。第１に低いバイアス電圧（例えば数ボルトのＤＣ）をかけることによりｅ−ｓｃｂが確実に迅速に生成部位より導電排除されるようにすることができる。第２に連続適用された照明ではなくチョッピングされた照明により第２の化学反応を起こすが、その理由は、第２の化学反応は光化学反応より緩やかであり、励起した電子がシステムから退出して原料、即ち水の再生のために存在することが無いようにすることにより、光収率を上昇させるからである。
【００９０】
上記した触媒のうち、ＴｉＯ２（アナターゼ）触媒、次いで不均化のための第２の金属触媒を用いることが最も好ましい。ＴｉＯ２触媒を使用する場合は、光−チタニア相互作用が溶存酸素の最終的形成における第１段階となる。表面水和粒子状ＴｉＯ２（アナターゼ）固体、ＴｉＯ２（ａ）−ＯＨ２またはＴｉＩＶ−Ｏ２（ａ）−ＯＨは３９０ｎｍ未満の波長における効率的なＵＶ光（ｈν）のアクセプターであり、収着された水およびヒドロキシル基から活性酸素を形成する。最も可能性の高い反応は以下の通りであると考えられている。
【００９１】
【数６】
2004536682.tif 000008
Ｔｉへの他の結合は明確化のために省略してある。上記反応の反応体および生成物は固体材料である。上記した反応において、Ｈ２Ｏは既にＨ２Ｏまたはヒドロキシルイオン（ＯＨ）として、即ちそれぞれＴｉＩＶＯ２（ａ）−ＯＨ２またはＴｉＩＶＯ２（ａ）−ＯＨとして、ＴｉＯ２（ａ）触媒の表面に結合している。従って、極めて高速の光量子の吸収過程の間に原子が移動する必要が無い。＊は低水準の励起電子状態を示し、この場合、光子のエネルギーは酸素上の非結合軌道からチタンイオン上に中心を有する分子軌道に電子を遷移または励起し、これにより、チタニウムを３価の酸化状態に変換するために用いられる。チタンイオン上に中心を有する分子軌道は半導体バンド（”ｓｃｂ”）の一部として知られており、従って、電子は発生部位から容易に導電排除され、２極荷電された粒子を形成するか、または、閉鎖されたＤＣ電気回路に連結されている場合は、完全な荷電の分離、即ち、下記状態をもたらす。
【００９２】
【数７】
2004536682.tif 000009
ｅ−ｓｃｂが導電排除されないか、または、溶液中に存在する酸化物との反応により他の態様で除去されない場合は、ｅ−ｓｃｂはヒドロキシルフリーラジカルと反応して逆行または「逆反応」を起こし、これにより、システムがその初期状態に戻り、水を形成する。この後者の場合は、実質的な反応は無く、光分解エネルギー例えば僅かな熱として出現する。従って、電荷の分離の過程およびｅ−ｓｃｂの除去は光分解セルの溶存酸素発生過程の重要な第１段階であると考えられる。
【００９３】
活性酸素が効率的にＯ２に変換されること、および、ＴｉＩＶに配位している酸素が再度２価となることも重要である（下記参照）。存在するヒドロキシルフリーラジカル（・ＯＨ）基は光分解過程により発生する活性酸素の初期の形態を示すために使用される。ＴｉＯ２（ａ）が光分解される場合に・ＯＨが優勢種であるかどうかは不確実であり、この種は使用される金属酸化物に応じて変化する。形成された活性酸素は一般的にスーパーオキシド、過酸化水素またはヒドロキシルフリーラジカルの形態にある。重要な点は、この生成した活性酸素の形態は水から酸素（例えばＤＯ）を形成するのに十分な熱力学的駆動力を有する点である。中性ｐＨでのＴｉＯ２（ａ）触媒については、この高反応性ヒドロキシルフリーラジカルは上記した通り逆反応するか、または、急速に二量体化して（μ−パーオキソ）チタン（ＩＶ）および水素イオンを以下の通り形成する。
【００９４】
【数８】
2004536682.tif 000010
これらのＨ＋イオンは血中ＣＯ２レベルの制御のために価値あるものである。溶存酸素生成の速度は、下記の通り、活性酸素が分離してＯ２（ａｑ）を形成し、ＴｉＯ２（ａ）を再形成する（すなわち：
【００９５】
【数９】
2004536682.tif 000011
）速度である。
【００９６】
呼吸空気の維持のためには重要では無いが、酸素の活性形態（例えばＯＨ、Ｈ２Ｏ２等）は毒性があるためこれに赤血球が接触することは望ましくない。このような活性酸素種はまたＯ２Ｈｂを酸化してＭｅｔＨｂとすることができ、これはもはやＯ２を運搬しない。
【００９７】
望ましくはないが血液に有害ではない第２の副反応において、生成した如何なるＯ２（ａｑ）も以前より生成されているがまだ導電排除されていないｅ−ｓｃｂと反応して量子効率を低下させる場合がある。このようなｅ−ｓｃｂの負荷電は、負荷電が大部分分離されるように、ＴｉＯ２粒子表面に残存する傾向がある。従って、これらのｅ−ｓｃｂ電子はＯ２−、Ｏ＝、Ｏ−等のような種を生成するＯ２またはμ−過酸化物結合との還元反応に使用され、これにより溶存酸素の収率を低下させる。副反応を最小限とする１つの手段は連続ではなくパルス状に照明を行なうことである。照明パルスにより生じる遅延によりｅ−ｓｃｂは一方向に導電除去され、溶存酸素は他方向に拡散する（Ｅ．Ｐｅｌｉｚｚｅｔｔｉ，Ｍ．Ｂａｒｂｅｎｉ，Ｅ．Ｐｒａｍａｕｒｏ，Ｗ．Ｅｒｂｓ，Ｅ．Ｂｏｒｇａｒｅｌｌｏ，Ｍ．Ａ．ＪａｍｉｅｓｏｎおよびＮ．Ｓｅｒｐｏｎｅ，Ｑｕｉｍｉｃａ  Ｎｏｖａ（Ｂｒａｚｉｌ），２８８（１９８５））。また、照明パルスは、Ｏ２（ａｑ）およびｅ−ｓｃｂの局所的集団がそれらの間の反応が高速となるような高い値となるのを防止する。関連するパルス速度は極めて短く、マイクロ秒−ミリ秒の範囲であるためＯ２（ａｑ）生成速度には殆ど影響しない。
【００９８】
向上した収率はまた、バイアス電圧がコーティングを横切って存在する場合には、光分解的に確立された電荷分離についても可能である（Ｘ．Ｚ．Ｌｉ、Ｈ．Ｌ．ＬｉｕおよびＰ．Ｔ．Ｙｕｅ、Ｅｎｖｉｓｏｎ−Ｓｃｉ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、２０００、３４、４４０１−４４０６）。従って、小さいバイアス電圧は、存在するｅ−ｓｃｂの量を低減し、より多い溶存酸素を生成し得る。
【００９９】
ＴｉＯ２（ａ）システムにおいて溶存酸素生成量を増大させる別の方法は、捕獲されたμ−過酸化物の過酸化水素として放出速度を、活性酸素に対して上昇させる手段を提供することである。
【０１００】
【数１０】
2004536682.tif 000012
Ｈ２Ｏ２はそれが容易に移行し容易に触媒されて不均化し、溶存酸素と水になることから、活性酸素種のための優れた形態である。
【０１０１】
【数１１】
2004536682.tif 000013
安定フリーラジカル（ＳＦＲ）は過酸化水素として捕獲された＠−過酸化物を放出するために使用できる。ＳＦＲはヒドロキシルフリーラジカルト比較してより長時間フリーラジカルとして存在できる。ＳＦＲは電子転移反応を促進するために有用であることが判っている。それらは電子的に、そして、可逆的に、反応条件により設定された通り１回に１電子、還元または酸化された物質種に転位する。生物系は、キノン補酵素、例えばユビキノン、ビタミンＫ等のような呼吸キャリアとしてＳＦＲを使用していることが知られている。ＳＦＲは反応性を発生地点からＨ２Ｏ２生成地点まで、或いは、むしろ、直接金属イオンＭｎＯ２触媒まで運搬し、溶存酸素生成に供する。ビタミンＥ、Ｃ、Ｋ等のような生物系に検出される成分はまた再使用されない以外は、ＳＦＲの役割において機能していると考えられる。少なくとも４クラスのＳＦＲが存在し、それより適当な物質、即ち、ヒンダードヒドロキシル化芳香族（キノン、置換フェノール類）、有機過酸化物前駆体（アルコール等）、過酸前駆体（アシル化剤等）、および、ニトロオキシド、ＲＮ→Ｏを選択することができる。
【０１０２】
従って、ＴｉＯ２（ａ）光触媒が有用であるためには、Ｈ２Ｏ２は拡散してＭｎＯ２に至り溶存酸素の生成に供されるので、可溶なＨ２Ｏ２のようなμ−過酸化物エネルギーを放出するための手段、または、溶存酸素生成に使用できる隣接溶液中のＳＦＲのような別の活性酸素形態に酸化力を伝導するか、または、ＭｎＯ２クラスター／粒子から電子を電子的に除去するためにＴｉＩＶ−Ｏ−Ｏ−ＴｉＩＶ成分を使用することが必要になる（緑色植物における「Ｄ」蛋白による光合成の場合と同様）。最後の手段においては、１個の電子のみが、水からＭｎＯ２によりμ−パーオキソ結合に向けて脱局在化結合を介して流出する。この電子はｅ−ｓｃｂとしてＴｉＯ２（ａ）−ＯＨ系からのｅ−の損失を置きかえる。ＭｎＯ２コーティングまたは他のこのようなコーティングもまた活性酸素との直接の接触から血液を保護する。
【０１０３】
活性酸素としてのＨ２Ｏ２の形成は、Ｈ２Ｏ２が多くの種類の方法、即ち、熱的方法、金属イオン触媒作用、粒子／表面触媒作用、塩基触媒作用、およびフリーラジカル反応に還元剤開始を伴う方法を用いて１００％収率で溶存酸素に急速に変換され得ることから価値あるものである。好ましくは、金属イオン触媒、例えばＭｎＯ２（Ｓ）は薄膜基板コンストラクト上の水およびＯ２に対するＨ２Ｏ２不均化のための効率的な触媒である。
【０１０４】
【数１２】
2004536682.tif 000014
酸化亜鉛（ＺｎＯ）のような光触媒系はＴｉＯ２よりも急速に活性酸素として過酸化物を放出する。ルイス酸／塩基理論の定義のもとのより酸性度の低い金属イオンは水のプロトン化（Ｈ２Ｏ２のｐＫａ１は、１１．３８である（２５℃））と比較して、高度にアルカリ性の過酸化物イオンを、それが固相内に形成されるほど十分には、安定化することができず、そして、過酸化水素Ｈ２Ｏ２がＺｎＯから容易に形成される。
【０１０５】
【数１３】
2004536682.tif 000015
種々の管理された組成、形態および多孔性を有するＺｎＯの膜および粒子は、多くの方法で調製できる。例えば、亜鉛、ドープ処理された亜鉛および亜鉛合金の鏡面をスパッタリングにより光学的に透明な支持体上に形成し、その後Ｏ２（ｇ）により酸化する。この処理により金属／金属酸化物（Ｚｎ／ＺｎＯ）膜が生成される。ＺｎＯ系膜を半導体化するための別の高度に効果的な方法は光学ガラスコーティングのための工程を使用することである。（Ｌ．Ｒ．Ｐｅｄｅｒｓｏｎ，Ｌ．Ａ．Ｃｈｉｃｋ  ａｎｄ  Ｇ．Ｊ．Ｅｘａｒｈｏｓ，米国特許４，８８０，７７２（１９８９））。光学ガラスコーティング法は、浸積または噴霧により硝酸亜鉛／グリシン水溶液を適用し、その後乾燥し（１１０℃、１５分）、その後、加熱（４５０〜５００℃、３分）して自己酸化反応を開始し、その間、炭素および窒素をガス状態で退出し、下層表面（例えばガラス）に結着した粘着性で多孔性の膜を離れる操作に基づいており、そしてこれは硝酸グリシン法と称されている。（Ｌ．Ｒ．Ｐｅｄｅｒｓｏｎ，Ｌ．Ａ．Ｃｈｉｃｋ  ａｎｄ  Ｇ．Ｊ．Ｅｘａｒｈｏｓ，米国特許４，８８０，７７２（１９８９））。ＺｎＯ膜は通常、初回浸積用の水性処方中の硝酸アルミニウムを含有させることによりアルミナでドープ処理され、生成される。多くの他の金属イオンのブレンド物もまたこの方法で使用できる。
【０１０６】
タングステン酸塩は溶存酸素を生成するために可視光を必要とするのみであり、溶存酸素の形成のために第２の触媒を必要とすることなく溶存酸素を直接生成する。ＷＯ３のより少ない光量子エネルギーの要求性は、ＴｉＯ２（ａ）で少なくとも３ｅＶに対して２．５ｅＶという小さいバンドギャップによるものである。ＴｉＯ２アナターゼ系の場合と同様、ｅ−ｓｃｂを除去すればＷＯ３触媒を用いて高収率が可能である。ＲｕＯ２（酸化ルテニウム）をＷＯ３の表面に添加する場合、Ｏ２の生産はきわめて顕著に増大する。このことはＲｕＯ２がＯ２生成のための良好な触媒であることが知られているという事実と合致しており、他の方法を改善するための経路を示す。
【０１０７】
溶存酸素生成膜が充填プラスチックであることができれば好都合である。このような材料はしばしば安価で容易である。プラスチックに配合するための準備済みの状態で供給されているプラスチック用の半導体低光吸収性の無機充填剤が市販されており、プラスチックを導電性にする。例えば、Ｅ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ  Ｎｅｍｏｕｒｓ，Ｉｎｃ．はこのような目的のために、ＺＥＬＥＣ（登録商標）ＥＣＰという商品名の元で導電性粉末（ＥＰＣ）を販売している。ＺＥＬＥＣ（登録商標）ＥＣＰ中の導電性物質はアンチモンドープ処理酸化スズ（ＳｎＯ２：Ｓｂ）である。導電物質をコーティングしたこれらの材料塊は、雲母片、ＴｉＯ２および中空シリカシェル、即ちそれぞれ、ＥＣＰ−Ｍ、ＥＣＰ−ＴおよびＥＣＰ−Ｓのようなよく知られた無機物である。純粋なＳｎＯ２：Ｓｂ系の材料はＥＣＰ−ＸＣと命名されており、他の材料よりもはるかに小型の粒子である。ＥＣＰ製品の約２５〜４５重量％を使用して、その結果、粒子を互いに十分近接させ、本来非導電性のプラスチック全体の内部を通る電気的な連絡を付与する。ＥＣＰ−ＳおよびＥＣＰ−Ｍは通常はより低い濃度で良好に機能する。ＥＣＰ−ＸＣの薄膜は、それらが極めて細密に粉砕されており強力な光吸収性を示すことから、興味深いコーティングを与え得る。
【０１０８】
ＴｉＯ２層は種々の方法で形成できる。ＴｉＯ２層はゾルゲル、乾燥およびベーキングにより形成できる。水中のＴｉ（ＯＲ）４型の物質を加水分解してＴｉＯ２および４ＲＯＨを形成する、Ｍｅｒｃｋ＆Ｃｏ．，ＩｎｃよりＬＩＱＵＩＣＯＡＴ（登録商標）の商標で販売されている製品を、ゾルゲル／乾燥／ベーキング工程に基づいてＴｉＯ２層を形成するために使用することができる。ＴｉＯ２はまた乾燥粉末からアナターゼの懸濁液を調製し、浸積し、乾燥し、そして懸濁液をベーキングしてＴｉＯ２層を形成することにより形成することもできる。ＴｉＯ２層を形成することのできる別の方法は、チタンをｅ−ｂｅａｍで蒸発させ、その後チタンを蒸着チャンバ中でＯ２に曝露することによる方法である。ＴｉＯ２層はまた水にチタン塩を添加し、ｐＨを約２〜７に合わせて懸濁液とし、次に懸濁液に浸積し、懸濁液を乾燥させることにより形成することもできる。
【０１０９】
活性酸素はＵＶ光の照射によりＴｉＯ２から生成されるが、活性酸素の化学的形態は極めて反応性であり、活性酸素が生成したＴｉＯ２粒子表面の近接部で起こる副反応により消失され得る。望ましくない副反応に関して活性酸素の消失を最小限にするためには少なくとも以下の３通りの方法：１）活性酸素を活性酸素発生地点により近い溶存酸素変換地点に移動させる、即ち、金属イオン触媒を可能な限りＴｉＯ２に近づける方法、ただしこれにはこれら２種の物質の間の緊密な接触（オングストローム程度）が必要であり得る、方法、２）電子を伝導できる蛋白による光合成の場合と同様に、電気的に２点を連絡する方法、または３）溶存酸素の変換のために、より遠位のＭｎＯ２中心まで移行する時間を有するより長い寿命の中間体活性酸素種に活性酸素を変換する方法がある。
【０１１０】
副反応による活性酸素消失量は、活性酸素キャリア分子を媒体、すなわち「Ｄ」に、光合成系と同様にして導入することにより最小限にすることができる。物質種Ｄと共に使用するための薬剤は２種の群、即ち有機過酸化物を容易に形成するもの、および、「安定な」（即ち寿命の長い）フリーラジカルを形成するものから選択できる。有機過酸化物は、ＭｎＯ２と接触するとそれらは容易に溶存酸素を生成し、酸素の挿入により容易に生成するので、有用である。有機過酸化物の反応は、以下：
【０１１１】
【数１４】
2004536682.tif 000016
の通りである。
式中、励起した電子状態はリガンド−金属の電荷転移（フリーラジカル対）に相当し、以下の反応：
【０１１２】
【数１５】
2004536682.tif 000017
に従う。
式中、ｅ−から半導体導電性バンドへの導電、および、・ＯＨ近傍の粒子側からの退去によりそのｅ−の再取り込みが防止される。上記した反応に示すとおり、ＴｉＯ２アナターゼが再生される。上記した反応は最終的なＣＯ２除去のための水素イオンを生成する。また、上記反応で生成した活性酸素はフリーラジカルヒドロキシル基・ＯＨとしてＴｉＯ２の近接部にある。
【０１１３】
・ＯＨは極めて反応性であり、極めて短時間しか存続せず、遠方まで拡散しない。・ＯＨが存在する時間を延長する１つの方法は、・ＯＨを安定化させる物質種を導入することである。光合成と同様、物質種「Ｄ」を試験系に導入することにより、より長時間存続する物質種内にヒドロキシルフリーラジカルを捕捉する。物質種Ｄは一般的に以下の化学反応：
【０１１４】
【数１６】
2004536682.tif 000018
において示される。
式中、ＤはＲＣ（Ｏ）ＯＨ：
【０１１５】
【数１７】
2004536682.tif 000019
であるか、またはＤはＲ３ＣＯＨ：
【０１１６】
【数１８】
2004536682.tif 000020
であるか、またはＤは安定なフリーラジカルを形成するフリーラジカルスカベンジャ−：
【０１１７】
【数１９】
2004536682.tif 000021
であるか、またはＤは２，６−ジ−ｔｅｒｔブチルフェノール：
【０１１８】
【数２０】
2004536682.tif 000022
であり得る。
【０１１９】
無駄な反応においてＯＨ−および［ＴｉＯ２］−ＴｉＩＩＩを消費し、出発物質を再生し、そして低い光化学収率をもたらす強力還元性の・Ｈラジカルは形成されないため、２，６−ジ−ｔｅｒｔブチルフェノールは最も望ましいＤ物質種である。
【０１２０】
溶存酸素に活性酸素を変換するために使用する触媒は、酸化還元サイクルが可能な金属イオン、例えば、ＦｅＩＩ、ＦｅＩＩＩ、ＣｕＩ、ＣｕＩＩ、ＣｏＩＩ、ＣｏＩＩＩ、ＭｎＩＩ、ＭｎＩＩＩ、ＭｎＩＶ等、または、酸化還元サイクルが可能な金属イオンから形成された金属酸化物、例えば二酸化マンガンＭｎＯ２を包含する。本反応は、水から直接溶存酸素を生成し、ガス状態を迂回する。ＭｎＯ２触媒は、それが効率的に溶存酸素を形成し、活性酸素型に関して高度に選択性がないことから、最も好ましい。
【０１２１】
Ｏ２への活性酸素の変換を促進する１つの方法は、マンガン（Ｍｎ）を用いてＴｉＯ２アナターゼの表面をドープ処理することである。ＭｎによるＴｉＯ２の表面ドープ処理は、Ｏ２変換触媒に極めて生産性の高い活性酸素を供給する。活性酸素の不均化はＭｎドープ処理アナターゼ上に付された場合に急速になる。或いは、活性酸素はまた導電性形態のアナターゼの表面にＭｎＯ２を配置することによりＯ２に変換することもできる。この形態においては、電子は水からアナターゼの活性酸素領域に触媒作用により渡される。このような配置は光合成のＯ２生産をより緊密に摸倣している。このようなコーティングはまた、血液と活性酸素発生光分解コーティングとの間の直接的な接触を保護している。
【０１２２】
光分解セルにおいて活性酸素をＯ２に変換するもう１つの方法は、ＭｎＯ２８面体モレキュラーシーブ（ＭＯＭＳ）材料を溶存酸素触媒として使用することである。ＭＯＭＳ材料は解放ゲル様構造を有し、構造においてゼオライトに緊密に関連している。ＭＯＭＳ材料は沈殿および乾燥によりマンガン塩から容易に形成される。
【０１２３】
活性酸素はまた、スーパーオキシドジスムターゼ（ＳＯＤ）触媒により光分解セル内でＯ２に変換され得る。ＳＯＤ触媒はヒト身体内に既に利用可能であり、そして、活性酸素（例えば、Ｏ２−）から溶存酸素前駆体（即ち、Ｈ２Ｏ２）への必要な変換を提供することにより光分解セルおよびＭｎドープ処理アナターゼを補充している。
【０１２４】
血液は日常的に活性酸素型に曝露されており、血液は既に、低レベルの過剰な活性酸素に対する自己保護のための内蔵手段（ｂｕｉｌｔ  ｉｎ  ｍｅａｓｕｒｅ）を保有している。（「Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」，Ｇ．Ｌ．Ｅｉｃｈｈｏｒｎ（Ｅｄ），Ｃｈａｐ．２８，ｐ９８８（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｐｕｂｌ．，ＮＹ（１９７５）および「Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  ａｎｄ  Ｂｉｏｉｎｏｒｇａｎｉｃ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ」，Ａ．Ｇ．Ｓｋｅｓ（Ｅｄ），ｐ１２８（１９８６）（Ａｃａｄｅｍｙ  Ｐｒｅｓｓ，ＮＹ））活性酸素は、身体内で過酸化物（Ｒ−Ｏ−Ｏ−Ｒ）およびスーパーオキシド（Ｏ２−（ａｑ））のような物質種の形態で形成し、これらはヒドロパーオキシダーゼ（例えば、亜鉛イオンを含むカタラーゼ、鉄イオンを含むパーオキシダーゼ等）および、スーパーオキシドジスムターゼ金属イオン系酵素（例えば、フェリプロトフィリンＩＸ（ｆｅｒｒｉｐｒｏｔｏｐｈｙｒｉｎ  ＩＸ））によりそれぞれ溶存酸素およびＨ２Ｏに対して不均化される。或いは、これらの酵素は活性酸素型を利用することにより広範な種類の化学還元剤（例えば、アスコルビン酸）および他のビタミン類（例えば，ビタミンＥおよびビタミンＫ）を酸化することができる。光分解人工肺は、このような保護機序に依存していないものの、低いレベルのこのような分子が身体の化学的状態にとって新規なものではなく、このような曝露を取り扱う従来の機序が存在していることは注目に値する。
【０１２５】
（４．血液交換）
血液に由来するヘモグロビンは光分解セル内では以下の反応工程に従う：
【０１２６】
【数２１】
2004536682.tif 000023
2004536682.tif 000024
２個のα鎖（ｐＫａτ８．０）およびＨｉｓβ１４６（ｐＫａτ６．５）の残基のＮ−はＨ＋反応の塩基である
【０１２７】
【数２２】
2004536682.tif 000025
水が光活性化触媒と反応する際に、急速に放出される水素イオンはＨＣＯ３−イオンと反応し、Ｈ２ＣＯ３を形成する。光分解セルは、水素イオンと反応するための過剰なＨＣＯ３−イオンを有している。Ｏ２は低ｐＨでＨｂにより放出されるので、ＣＯ２は除去される必要があり（全体的な血液／空気の回復目的による）、そしてこれは、ｐＫａ平衡［即ちｐ１４＝ｌｏｇ（［ＨＣＯ３−］／ＰＣＯ２）−ｐＫａ］により、［ＨＣＯ３−］／ＰＣＯ２比を大きくすることによりｐＨを再度上昇させる。
【０１２８】
光分解セルは、血液が適切な質量バランスを達成できるようにする。光分解セルを通過する血液の質量バランスは以下の通りである：
【０１２９】
【数２３】
2004536682.tif 000026
或いは、キノンをニッケル、鉄鋼、Ｐｔ、ｅｔＡｕ、Ｆｅ（ＣＮ）６３−、第二鉄イオン（Ｆｅ３＋ａｑ）等のカソードで置きかえることができる。キノンはその重合の防止により、その安定性を増強させるために置換基を含むことができる。キノンまたはＦｅ（ＣＮ）６３−Ｑは、均質な溶液または膜形態であることができる。
【０１３０】
（５．陽イオン交換膜４６）
陽イオン交換膜４６は、光分解セル内の陽イオンの拡散を可能とする。特に、陽イオン交換膜は、血液由来のナトリウムイオン（Ｎａ＋）のような陽イオンが膜を通過して拡散し、その後、アノード液（ｃａｔｈｏｌｙｔｅ）中で水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を形成できるようにする。陽イオン交換膜は、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）の商標で市販されており、Ｅ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ  Ｎｅｍｏｉｒｓ  Ｉｎｃより入手可能である。ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）陽イオン交換膜は酸性型のパーフルオロスルホン酸／ＰＴＦＥ共重合体である。ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）陽イオン交換膜が好ましい膜であるが、当業者は、他の陽イオン交換膜もまた光分解セルに適することを認識する。
【０１３１】
光分解セルのアノードコンパートメントは以下の一連の反応を有する：
【０１３２】
【数２４】
2004536682.tif 000027
上記反応のうち、全体の正味のアノード反応は以下の通りである。
【０１３３】
【数２５】
2004536682.tif 000028
アノード反応で形成される２個の電子は、導電排除されてアノード導電層を経由しカソードに至る。２個のＮａ＋イオンは陽イオン交換膜を経由してアノード液に移動する。
【０１３４】
（６．アノード液４８）
水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）が光分解セル内の一連の反応の間、アノード液中に形成される。ＮａＯＨはアノード液から度々パージされることが好ましい。ＮａＯＨの代わりにアノード液に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を使用する場合、ＮａＣｌは最終的にはアノード液内に形成され、周期的にパージされる。
【０１３５】
光分解セルのカソードで起こる反応は以下の通りである：
【０１３６】
【数２６−１】
2004536682.tif 000029
【０１３７】
【数２６−２】
2004536682.tif 000030
全体での正味のカソード反応は以下の通りである：
【０１３８】
【数２７】
2004536682.tif 000031
生成するＮａ２ＣＯ３がｐＨを上昇させる。全体でのアノードおよびカソードでのセルの反応に基づいて、全体での正味の光分解セル反応は以下の通りである：
【０１３９】
【数２８】
2004536682.tif 000032
（７．電池／電流レギュレータ）
図４に示すとおり、光分解セルは、電池４９および他のＤＣ電圧源、電流レギュレータ５０、または抵抗器５２を備え得る。電池４９から形成される電流により、電子はアノード３６からカソード３８に流れる。電池から供給される電流により起こる初期のバイアス電圧が、水から溶存酸素への変換の間に形成される電子の除去を開始させ、そして、電子が活性または溶存酸素と反応して水を再形成するのを防止する。初期バイアス電圧はまた、電子の除去が水の再形成を最小限にするので、より多くの溶存酸素を生成させる。さらなる外部からの電気的接触により光分解セルへの特定の電圧をモニタリングまたは適用することができる。
【０１４０】
電流レギュレータおよび抵抗器はアノードからカソードへの電子の流れの制御を補助し、これにより、溶存酸素形成量を制御する。抵抗器は電流を一定に制御するのに対し、電流レギュレータは電流の抵抗が増大または低減するように調節できる。電流の抵抗を増大させるとアノードからカソードに流れる電子の数が低減され、これにより、溶存酸素の全体的生成が低減される。電流の抵抗を低減すると、アノードからカソードへの電子の流れが増大し、これにより生成する溶存酸素の量が増大する。
【０１４１】
（８．最適ガス収着装置２４）
二酸化炭素ガスを光分解セルの外部に持続して排気することは、血液酸化用途において潜在的な感染の問題を呈する。ガス収着装置は、大気へのＣＯ２の持続的排気を回避することにより潜在的な感染の危険性を最小限にし、この制御を提供する。ガス収着装置は、濃縮された形態で酸化された血液から放出されたＣＯ２ガスを捕捉する。光分解セルの滅菌性がＣＯ２ガスの持続的排気により汚染の可能性に連続的にさらされることがないように、濃縮物は時折、処理または廃棄することができる。さらに、ガス除去のための、種々のガス透過性表面の使用は、後述する実施例３に記載する。
【０１４２】
ＣＯ２は、ガス収着装置２４により多くの種類の方法を用いて捕捉することができる。ガス収着装置は化学収着の過程を用いており、ＣＯ２を濃縮された固体または溶液の形態に変換する。次にガス収着装置において形成された濃縮物は、液体または固体のＣＯ２を含む使い捨てのカートリッジとして廃棄されるか、または再生され得る。
【０１４３】
図５はＣＯ２を吸収するためのガス収着装置２４およびガス収着装置２４へのＣＯ２の通過経路の全般的な模式図を示す。光分解セル１６はセルを通過して流動する脱酸素された血液と会合する溶存酸素を形成する。重炭酸イオンから炭酸への変換により光分解セル１６のアノードにおいて生成したＣＯ２は、炭酸アンヒドラーゼの活性の結果として小さい気泡として存在する。これらの気泡は、膜の使用を回避するようにコアレセンスコンパートメント５４内で容易に放出される。形成されるＯ２ガスの１モル当たり４モルのＣＯ２ガスが放出される。Ｏ２がＳＴＰにおいて１５０ｃｃ／分のガスの目標流量で形成される場合、湿潤したＣＯ２の流量はＳＴＰにおいて約６００ｍＬ／分となる。ＣＯ２はコアレセンスコンパートメント５４に進入する際にガスコエレサー５６により捕獲される。ガスコエレサー５６の底部または近傍において、進入点５８がカソードコンパートメントから来る水素ガス（Ｈ２）用に存在する。Ｈ２ガスは、コアレセンスコンパートメント５４内のガスコエレサー５６上部のヘッドスペース６０を単に通り抜け、ＣＯ２ガスを採取する。流動は、光分解セル１６に血液を供給するために使用したものと同じポンプ１４により与えられる。なぜなら、光分解セル１６は、完全に液体が充填された閉鎖系であるか、または、カスケードオーバーフロー（ただし非ポータブル）系であるためである。ＣＯ２／Ｈ２ガス混合物は、血液進入点の近傍のガスヘッドスペース６０の上部より退出する。Ｏ２がＳＴＰにおいて１５０ｃｃ／分のガスの目標流量で形成される場合、Ｈ２の流量は、Ｏ２の流量の少なくとも約２倍、または３００ｍＬ／分（ＳＴＰ）となる。次にガス混合物の流れは収着器６２に至る。
【０１４４】
図６はコアレセンスコンパートメント５４を示す。コアレセンスコンパートメント５４は比較的小容量の小型プラスチックリザーバであることができ、そして如何なる形状であることもできる。好ましくは、コアレセンスコンテナー５４は下行傾斜部を有する。全血液はコエレサー５６を経由してコアレセンスコンテナー５４を通過し、傾斜部の底面において患者に戻る。Ｈ２ガスは進入点５８よりガスヘッドスペース６０に進入し、ガスヘッドスペース６０を通過してＣＯ２を一掃し、収着器（図示せず）に至る。コアレセンスコンテナー５４は温度制御点として使用することができる。
【０１４５】
図７は収着器６２を示す。収着器６２は、機械的混合または送液を必要とすること無く、収着器６２内で使用される収着材６４に応じて溶液または固体にＣＯ２ガスを変換する。ＣＯ２ガス用の大容量で低圧損の収着器６２は、中等度の圧力と重力供給において作動し、高表面積の接触部を必要としない。ＣＯ２／Ｈ２ガス混合物は、収着器６２の底部近傍の進入口６６において収着器６２に進入する。ガスと液体の緊密な混合は、９０°のフローパス変化、クロスパスガス／液体パスおよび逆流の構成により行なう。ＣＯ２は、収着器６２内の収着材６４と反応して固体または溶液を形成する。形成した固体または溶液は、排出口７０を通過して除去され得る。水素ガスは掃出排出口６８を通って一掃され、コアレセンスコンパートメント（図示せず）内で再使用され得る。好ましくは収着器６２は小型であり、約２５ｃｃの総内容量を有する。収着器６２の全体が滅菌ユニット内に収納されている。血液は収着器６２に関与しないため、血液における潜在的な有害な影響は回避される。また、大型のオリフィスおよび膜を用いない（ｍｅｍｂｒａｎｅ−ｆｒｅｅ）作動により、潜在的な汚れを防ぐ。収着器６２は垂直方向にあり得るが、広範な方向で収納されるように設計することができる。収着器６２全体は滅菌ユニット内に収容される。
【０１４６】
収着器６２内の収着材６４は、固体または溶液であることができる。溶液として、収着器は光分解セル用のアノード液であることもできる。溶液としての収着材６４は、ＳＴＰにおけるＣＯ２ガス流量６００ｍＬ／分では、２〜６ｍＬ／分の速度で消費される。ＣＯ２ガスに対して高容量の低圧損（ｌｏｗ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｄｒｏｐ）の収着器６２は、中等度の圧力と重力供給において作動し、高表面積の接触部を必要としない。或いは、収着器６２は固体収着材６４を使用でき、その場合、収着材６４は収着剤顆粒の充填床となる。血液は収着器６２に関与しないので、血液における潜在的な有害な影響は回避される。また、大型のオリフィスおよび膜を用いない作動により、潜在的な汚れを防ぐ。収着器６２は垂直方向にあるが、広範な方向で収納されるように設計することができる。収着材料は、ＣＯ２ガスと反応して重炭酸塩および炭酸塩を溶液、固体またはその組み合わせとして形成するように選択される。個々の収着材はブレンドすることにより、例えば、純粋な材料よりも、より急速に反応し、より費用効果が高く、そして／またはより多くの二酸化炭素等価物を保持できる相乗作用混合物を得ることができる。表１は、収着材料およびそのＣＯ２収容能力等価物の列挙である。
【０１４７】
（表１：ＣＯ２に対する収着材の溶液および固体）
【０１４８】
【表１】
2004536682.tif 000033
１．ＭＥＡおよびＤＥＡは、それぞれモノエタノールアミンおよびジエタノールアミンである。ポリオールアミン、ポリアミンおよび両性イオン物質は他の適当な有機ＣＯ２収着材である。
２．ＣａＣＯ３は再生可能であると期待できない。
３．Ｌｏｃｋｅｓ−Ｒｉｎｇｅｒ液、生理食塩水等のようなブラインとして提示されるハロゲン化物の塩系統、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＣａＣｌ２およびＭｇＣｌ２またはこれらの混合物は、カソード生成されたＯＨ−を用いてＣＯ２を収着し、塩は膜および電極において、そして、収着器／脱着器内において電荷のバランスを与えているのみである。
４．ＴＢＯ−最適化。
【０１４９】
ＨＣＯ３−は容易にＣＯ２を失い、収着材は熱的に再生でき、使い捨てカートリッジとして廃棄されるか、または、自己滅菌および自己洗浄様式の苛性加熱操作を穏やかな温度と圧力において行なうことにより連続再生される。或いは、収着材は連続的に再生される。炭酸収着材系においては、ｐＨは１１．６の初期ｐＨから消耗時にはｐＨ８．３まで変化し、ｐＨ指示薬またはｐＨ電極を使用してモニタリングできる。
【０１５０】
カソードで生成し、血液からコアレセンスコンパートメントにＣＯ２を一掃する水素ガスは排気されない限り蓄積する。非常に低分子であるＨ２は大部分の非金属材料、特にプラスチック、セラミック等を通過して容易に拡散する。Ｈ２の排気は拡散を可能とする構造材料を選択することにより制御することができる。Ｈ２の拡散のためには特別な膜、容器、ポンプ、フィルター、一方弁等を必要としない。一掃ガスとしてのＨ２の役割は適切な機能のために許容される流量の範囲が極めて広範であるが、その理由は、ＣＯ２はこれの非存在下でも自己流動性であり、化学反応が定量的であるので、ＣＯ２収着器内には陰圧が生じるからである（ＣＯ２は効率的に吸収され低ＰＣＯ２値となる）。
【０１５１】
（９．光供給器２０）
光供給器は光分解セル内で水から酸素に変換する触媒の活性化に必要な光量子エネルギーを得るために用いる。光源は如何なる公知の光源であることもでき、使用する光活性化触媒の活性化条件に応じて、太陽光、ＵＶ光、レーザー光、白熱光等が挙げられるがこれらに限定されない。好ましくは、光分解人工肺を通過して流動する血液は、血液の照射を防止するためには、光に曝露されない。
【０１５２】
光源は使用する触媒に応じて特定の波長の光を提供してよい。タングステン酸塩（ＷＯ３）を光活性化触媒として使用する場合は、ＷＯ３を活性化するためには光源は可視光を曝露する。ＴｉＯ２またはＺｎＯを光活性化触媒として使用する場合は、使用する光源はＵＶ領域の波長を有する。
【０１５３】
好ましくは、光分解人工肺において使用する光源はレーザー光である。レーザー光の波長は光活性化触媒の励起および活性酸素の形成においてより高い効率を得るために調節することができる。更にまた、レーザー光によれば光分解人工肺はより少ない全体的熱を散逸させることができる。レーザー光は光活性化触媒にエネルギー付与するために狭い領域に指向させることができ、光分解人工肺の他の成分との接触または照射を回避できる。ＴｉＯ２を活性化させるために用いることができる特に好ましいレーザー光は３６４ｎｍにおけるアルゴンレーザーであり（４００ｍｗａｔｔ／ｃｍ２）、これは約２ワットの総出力を有するが、他のＵＶ源（例えば、３６５ｎｍ線のＨＧアーク灯を含む）も利用可能である。
【０１５４】
光源から出される光は光分解セル内で均一に広がることが好ましい。光源から出される光が均一に広がることにより、さらなる水を活性酸素または溶存酸素に変換するための最大の励起を触媒にもたらすことができる。このようにして、光源から出された光は多くの位置から透明ウィンドウを通過して光分解セルに進入することができる。光源から出された光は直接透明ウィンドウに進入して触媒と接することができる。或いは、光は側面、背面、底面または角部の位置から透明ウィンドウに進入し、ウエーブガイドにより透明ウィンドウを通過して光量子エネルギーを与え、光活性化触媒を励起することができる。光分解セルの透明ウィンドウへの光の側面からの進入は少なくとも約６８°の角度で起こる。好ましくは透明ウィンドウへの光の側面からの進入は約７０°〜約８０°の角度で起こる。
【０１５５】
（１０．ポンプ）
蠕動ポンプまたは何らか別の簡素なポンプで血液を光分解人工肺に通す。ポンプは患者から静脈脱酸素血液を引きだし、光分解人工肺を通過して血液を移動させる。好ましくは、光分解人工肺は患者から血液を引き出すポンプを要するのみであり、その理由は患者から血液を引き出すポンプにより生じる流動は、血液を、酸化のために光分解セルを通過させて患者に戻すからである。
【０１５６】
（１１．反応化学をモニタリングするセンサー）
光分解人工肺は光分解セル内で起こっている種々の化学反応をモニタリングするセンサー１個以上を含むことができる。センサーは潜在的な毒素および毒素レベルを測定するために用いることができる。種々のセンサーおよびセンサーシステムを用いることができ、酸化還元指示薬の変色や気泡の形成の目視による観察、閉鎖電流測定およびｐＨ測定、ならびに溶存酸素プローブ分析を行なうことができる。ガスクロマトグラフィーアッセイもまた実施できる。溶存酸素プローブを用いてリアルタイムで溶存酸素としてのＯ２の生成を試験し、そしてモニタリングすることができる。更にまた、光分解人工肺は溶存酸素プローブ、ＣＯ２プローブ、ｐＨモニター等を必要に応じて種々の位置に挿入するための１個以上の入口を組み込むことができる。光分解人工肺はまた試験のために気泡を捕獲するための別個のサンプリングチャンバーを組み込むこともできる。これらのサンプリングチャンバーはまた、例えば更に試験するためにサンプルを取得するための皮下注射用針のためのセプタムのような装置を組み込むこともできる。当業者の知るとおり、光分解セル内で起こっている反応化学をモニタリングするために多くのセンサーが使用できる。
【０１５７】
光分解人工肺および光分解セルはまたセンサーにより与えられる読み取り値に応じた１種以上の工程レギュレータ装置を含むことができる。この工程レギュレータ装置は、患者または光分解セルの要求に応じて、溶存酸素またはＣＯ２の供給量を増大または低減し、毒素レベルなどを低下させる。このような工程レギュレータ装置が必要であるかを決定することは光分解人工肺を使用している者の判断による。
【０１５８】
光分解人工肺内の密封部分全ては、光分解人工肺を通過して流動する血液を適切に密封して不測の汚染を防止できる不活性材料から製造される。光分解肺の密封部分はまた、血液と相互作用しない材料から形成しなければならない。好ましくは、密封部分はシリコーンベースの材料から形成される。
【０１５９】
光分解人工肺内では層流は最小限とする。層流の最小限化は現在の市販のセル、例えば電気透析、電気脱イオン等を用いて行なう。市販のセルは、電極、膜および流動分布を伴う薄い液体チャンバを収容でき、良好な密封部分および腐食耐性を与える。セルは工程の開発作業のための実験室規模のユニットとして入手できる。特に好ましい市販のセルはＩＣＩ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ  ａｎｄ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｃｈｅｓｈｉｒ，  ＵＫ製のＦＭ０１−ＬＣ装置である。
【０１６０】
（多重光分解セル）
好ましくは、光分解人工肺は複数の光分解セルを積載された形態で使用する。複数の光分解セルは静脈血循環から血液を受容し、指向性のレーザー光源により光活性化に付される。複数の光分解セルを積載することにより溶存酸素への最大限の曝露を血液が受けられるような広い全体的表面積が得られるようになる。更にまた、複数の光分解セルを積載することにより、全体としての光分解人工肺の大きさがより小さくなり、これにより光分解人工肺を小型化することができる。
【０１６１】
更に、光分解表面の材料の特性を制御することができることがわかり、これにより、反応表面積およびレーザー出力の関数として溶存酸素を増大（または二酸化炭素を減少）する最大速度の表示が可能となる。所望ならば、本明細書に記載した材料を使用することにより、最適反応速度および光分解表面に対する血流の流体力学的モデリングを組み込んだ光分解チャンバを作製できる。選択された材料は、肺胞表面と肺毛細管との間の基本的関係を摸倣する全チャンバの境界条件を選択する際に使用できる。
【０１６２】
（標的光分解ガス交換を達成するための材料と反応のインターフェイス特性の組み合わせが確立される）
研究の全体的目的は光分解的に駆動される電子化学（Ｐ−ＤＥＣ）技術の確立であった。この技術は薄膜に「電荷分離」を与える光分解エネルギーの使用、次いで、得られた静電エネルギーの重要な化学反応の駆動のための使用に基づいている。現在は光分解エネルギーを用いて血液中の二酸化炭素に対する酸素の交換を駆動し、これにより「肺胞」ガス交換を実施している。光分解的に溶存酸素（ＤＯ）を発生させ、それと同時にＣＯ２を放出するという概念の実行可能性が明らかにされている。光分解の間にセルから多大な電流を捕獲できること、および、活性酸素（ＡＯ）を調製してＤＯに変換できることも明らかにされている。Ｏ２−ＣＯ２交換が行なわれる化学反応の一般的順序は上記した通りである。これらの反応の全ては今日まで実験室において明らかにされている。
【０１６３】
データは光変換を実施するための重要な材料として二酸化チタンを用いる、液相および気相の酸素を光分解的に生成することの現実性を明らかにしている。本発明は、１）光分解薄膜材料の性能の選択および組み合わせを開発すること、および、２）以下の３変換、即ちｈυ→ＡＯ、ＡＯ→ＤＯおよびｅ−→導電体を効率的に行える、必要な界面構造化学を同定することのうちの１つを可能にする。更に、膜界面が未損傷でありつづける時間が長いほど、ＰＡＬユニットの性能寿命が長くなる。即ち、膜付着の頑健さも重要である。従って、これらの材料および界面の加工技術の開発のための基本的な選択基準は、１）流束として報告されているＤＯの生成速度（ＦＤＯ流束、μＬＯ２（ＳＴＰ）／ｃｍ２表面積として）、２）量子収率（Φ、生成した電流および生成したＡＯまたはＤＯの量に関して報告される）、ならびに３）このようなＤＯおよびΦ値が維持される時間、である。本発明により得られた結果によれば、光分解肺装置の大きさ、エネルギー要求性、重量および熱生成を最小限にすることができる。
【０１６４】
本発明は下記：
１．光分解エネルギーを効率的に吸収する特性の望ましい組み合わせ（吸収のための最高Φ値）を有するＰＡＬ装置の組み立てのための膜形成材料および膜界面化学の開発、
２．ＤＯを生成するための光分解エネルギーを効率的に使用できる、またはＡＯが主な生成物である場合は、水性媒体中のＤＯにＡＯを効率的に変換できる態様でのこれらの材料の組み立て、
３．電流コレクターへの効率的な自由電子の導電、
４．電流コレクターに適する材料の同定、
のための手段を提供する。
【０１６５】
性能を制御する重要なパラメータは、反応表面、即ち電解質（即ち血液）の光分解コーティング界面において露出している領域の単位面積当たりの光量子エネルギーおよび光量子流束の関数としてのＤＯ、ＣＯ２ガスおよび電流の生成速度である。これらの生成速度パラメータは血液ガス制御法のための光分解膜を構築するための組成および組み立て方法を選択するための重要条件である。
【０１６６】
本発明の光活性膜システムは光量子吸収に関する高効率を所要な物理的特性、例えば導電性、機械的強度、ＤＯ生成のための触媒活性、機能的寿命、および、基板への接着性と組み合わせた種々の材料から調製した。必要な性能基準を満足する適当な材料は、ＴｉＯ２（アナターゼ）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＺｒＯ２（立方体、Ｙ安定化）、Ｆｅ２Ｏ３、ＷＯ３、Ｖ２Ｏ５、ＳｎＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＭｎＯ２等、およびこれらの組み合わせのナノ粒子（高表面積）のいずれかの固体形態である。これらの材料は、結晶性、メソポーラス、微孔性、不定形、水和型、ナノ粒子、単結晶およびこれらの組み合わせであってよい。光吸収領域を変化させるか光収集効率を増大させる（「増感剤」）ために使用してよい潜在的ドープ材にはＣｒ、Ｖ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、ＰｄおよびＮｉの痕跡量が包含される。これらのドープ剤は更に上記金属イオンのキレート錯体を用いて増強することができる。特に効果的な電荷分離は、増感部分のためのキレート剤が電子の伝導を促進する化学基を含有する場合に達成され、例えば貴金属のキレート剤の芳香環上のカルボキシレート基の使用が挙げられる。例えば、金属酸化物、特にＴｉＯ２（アナターゼ）の表面に結合したルテニウム（ＩＩ）の錯体として１，１０−オルトフェナントロリンのジカルボキシレート誘導体を使用する。このような電気伝導基の他の候補はホスフェート、ホスホネート、ホスフィン類、スルホネート等である。他の芳香族基は、２〜７のデンティシティ（ｄｅｎｔｉｃｉｔｙ）を有するジヒドロピロンリジン、２−ヒドロキシ−ピリジンＮ−オキシド等に基づく化合物である。
【０１６７】
ＵＶおよび可視光の療法の選択肢をカバーするためには、３５０〜６００ｎｍの範囲で発光する光源を使用でき、厳密には、波長は試験する膜材料により決定される。
【０１６８】
（人工肺毛細管を製造するためのメソポーラス材料の使用）
上記した通り、メソポーラス材料を用いて種々の構造のうち人口肺毛細管を製造することができる。このような人工肺毛細管を含む装置の例は図１４〜１６に示すとおりである。
【０１６９】
この点に関し、図１４において、微細加工毛細管１０１を含む装置１００を示す。装置１００において、血清中の血漿１０３および脱酸素された赤血球１０４を含む静脈血１０２を１個以上の静脈血導入口１０５および１０６を介して患者（図示せず）より採取する。脱酸素された赤血球１０４が照明された経路１０８を通過する際に、血球は部分的１１０〜完全１１２に酸化される。血清中血漿１１６および酸化された赤血球１１２を含有する酸化された血液１１４は、その後、１個以上の動脈血排出口１１８および１２０により患者に戻される。
【０１７０】
人工肺毛細管１０１はメソポーラス材料のような種々の組成物から形成されることができるチャンネルまたは細孔である。チャンネルの幅は内径が赤血球の大きさより大きい限り、変化することができる。好ましくは、１０〜１００μの幅が望ましい。毛細管チャンネル／細孔の長さもまたガス発生速度などのような種々の特性により変化することができる。５０〜５００μの長さが現在では意図されている。
【０１７１】
光路１０８および／または毛細管１０１の内面は好ましくは、積層体として貼りつけられた（好ましい例）または構築された、透明表面材料、任意の導電性コーティング材料、例えばチタン（Ｔｉ）金属、接着性光吸収材料、例えば光分解触媒ＴｉＯ２（アナターゼ）および不均化触媒、例えばＭｎＯ２を含む材料でコーティングおよび／または構築される。次に、長波長（低エネルギー、即ち、約３５０〜３９０ｎｍ）のＵＶレーザー光を光路に適用する。ＵＶ光はＴｉＯ２層に吸収されて、（光活性化を介して）水をＨ２Ｏ２、活性形態の酸素（ＡＯ）に変換し、これと同時に水素イオンおよび自由電子を放出する。次に活性酸素は不均化の間ＭｎＯ２の触媒作用により、溶解（または水性）相の酸素および水に変換される。溶存酸素は積層体の表面から拡散して血液中に存在するヘモグロビン（即ち赤血球の鉄含有色素）を酸化する。遊離の水素イオンはプロトン化の間炭酸塩および重炭酸塩と複合化し、炭酸を形成する。次に炭酸は血液中に存在する炭酸アンヒドラーゼにより急速に水および二酸化炭素に変換される。二酸化炭素副生成物はその後例えば気管等に排気されることによりシステムから除去される。更にまた、発生した自由電子は、電子ドレン等の適用によるなどして反応の逆行を回避するべく導電排除される。
【０１７２】
図１５は人工肺毛細管を含む代替の装置に関するものである。この装置においては、光路（ｈｖ）１０８は人工血液毛細管（Ｂ）１０１と平行して伸長している。光路１０８および血液毛細管１０１は、好ましくは積層体として貼付けまたは構築された、光透明性基板材料、金属（ｍ）の任意の導電性コーティング、例えばチタン（Ｔｉ）金属、接着性ＴｉＯ２（アナターゼ）および金属酸化物、例えばＭｎＯ２を含む界面により好ましくは分離されている。血液は多孔性の金属酸化物内部に拡散し、その内部の水が上記した過程により溶存酸素に変換される。本実施態様においては、導電性材料１２２のような電気的伝導体もまた電子の除去のために供される。
【０１７３】
更に、図１６は類似の人工肺装置の構築のための材料の配置またはパターンを示すものである。図１６において、光ファイバーまたはパイプは「ｈｖ」（ＵＶ／光経由）と表示されており、血液チャンネルは「Ｂ」と標識されており、金属酸化物は「ＭＯ」と標識されており、電気的伝導体は「Ｍ」と標識されている。上記した人工肺毛細管は血液中の水から溶存酸素を生成するために有用である。
【０１７４】
（液体媒体結果）
溶存酸素は酸性、塩基性および中性の媒体中で生成されている。図１０は硫酸溶液（ｐＨ＝１．９）中の溶存酸素の生成を示す。二酸化チタンのスラリーは、紫外線照射により照明された場合（λ＝３６５ｎｍ）電子正孔対を生成する。電子受容体として塩化鉄を使用することにより電子正孔対の電荷分離が行なわれる。この厳密な工程により正孔は水分子と反応し、酸素および水素を生成することができる。図１０に示すとおり、酸素濃度はシステムが照明されている場合のみ増大し、観察された酸素の生成は光触媒によるものであることが示された。
【０１７５】
図１１は水酸化カリウム溶液（ｐＨ約１４）中の溶存酸素の生成を示すものである。ここでは電荷の分離は電流コレクターおよび外部のバイアス電圧の使用により行なわれ、基板上のチタン層がアノードとして、白金線がカソードとして使用される。光活性層ＴｉＯ２はチタンアノード上にコーティングされ、水の分解のために必要な正孔を供給する。酸素濃度は光活性層が照明されバイアス電圧が適用された場合にのみ増大する。ＵＶ照射またはバイアス電圧のいずれかの要素が排除されると、酸素の生成は停止する。
【０１７６】
溶存酸素の生成はまたＬｏｃｋｅｓ  Ｒｉｎｇｅｒ溶液（ｐＨ７．２）として知られる血液代替物中でも明らかにされている。システムはここでも電荷の分離を行なうための外部のバイアス電圧および光活性層としてのチタン上のＴｉＯ２を使用している。図１２において理解され得るように、酸素の生成はＵＶ照射およびバイアス電圧の両方が存在する場合にのみ起こっている。図１３はＬｏｃｋｅｓ  Ｒｉｎｇｅｒを使用する別のシステムを説明している。ここでは、光活性層ＴｉＯ２は透明な導電性膜（酸化スズインジウム、即ちＩＴＯ）上にコーティングされている。これにより液体媒体ではなく基板を通したＵＶ照射の方向付けが可能となる。ここでもまた、バイアス電圧およびＵＶ照射が溶存酸素の生成のために必要である。
【０１７７】
（ＤＯ生成効率）
ＤＯの生成のために光分解エネルギーを効率的に使用するためには（電子の生成のための最高Φ値（光分解表面のμＡ／ｃｍ２単位の電流）およびＡＯ（酸化力、例えば単位時間当たりのメチレンブルー濃度の低下、例えば活性表面のμＭ／分／ｃｍ２として測定される））、バイアス電圧を使用することにより電荷の再取り込みを防止する。
【０１７８】
別の技術は、クリスタライトの電気伝導度のバンドが重複するように（膜抵抗性により測定）構成された薄膜（例えば０．１〜５０μｍ）の微結晶膜構造を含む。このような配置はスピンコーティング、ゾルゲル処理、スパッタコーティング、化学蒸着（ＣＶＤ）コーティング、金属表面の制御された酸化（例えばアノダイジング）、導電性粒子または繊維の複合加工等を用いることにより可能である。このような構築物は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、ＥＤＳおよび他の表面技術を用いて可視化および分析することができる。
【０１７９】
細密加工により、ＤＯ反応表面のための広い表面積を得ることができる。赤血球の１０ミクロンのチャンネルおよび光分解感受性材料のための１０ミクロンの厚みのためには、１０ｃｍ辺の立方体装置内に１３３，０００ｃｍ２の活性表面積を含むことになる。即ち、微細加工は小型（歩行用）装置をもたらし、患者に運動の自由を広く与えることから、ＰＡＬ技術の開発のために用いられる極めて魅力的な手段である。
【０１８０】
試験によればＤＯの発生は中間体、即ち「活性」型の酸素が関与する多段階の工程であり得る。従って、特定の材料につき、ＤＯを生成するためには２枚の積層膜が必要である（１枚は活性酸素（ＡＯ）の形成用、１枚はＡＯ→ＤＯ変換用）。例えばアナターゼチタニアコーティングは極めて反応性の高いＡＯ（例えばヒドロキシルフリーラジカル）を生成し、従ってこの場合ＡＯ→ＤＯ変換が必要であること示されている。他のコーティング、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）はＨ２Ｏ２の形態のＡＯを生成し、これはＭｎＯ２の第２の膜内で容易でかつ急速にＤＯに変換される。Ｒｕドープ処理タングステン酸塩のような一部の物質はＯ２を直接放出する。本発明者らの意図は、これらの潜在的なＤＯ発生源の各々にかかわる利点と難点を評価することである。生成効率はＤＯ生成およびΦとして報告することができる。ＡＯは照射された表面の近傍で生成し、その後、半導体挙動または拡散によりこの酸化力を逆側に転移し、ここでＤＯ中間体（例えばＨ２Ｏ２）に、または直接ＤＯに変換される。
【０１８１】
理論に制約されないが、血液中の水が酸素を供給し、これが最終的にＤＯとなると考えらえる。ＤＯ発生表面に隣接する水の約５５．５Ｍの極めて高い濃度は、反応のためのＨ２Ｏの利用性が律速とならないほど高いものである。Ｈ２Ｏはまた、極めて小さい分子であるため、その拡散性は細孔内であっても、特に高濃度の駆動力がある場合には、高値となる。同様にＨ＋イオンは容易に水を通過して「ホップ」し、常時高い見かけの拡散速度を有している。従って、ＤＯの拡散のみが調節されなければならない。ＤＯは既に血中に溶解しているため、拡散の限界は既にＰＡＬ設計概念において調節されている。
【０１８２】
（光電子除去）
電流コレクターに効率的に自由電子を導電させる（即ち光活性層は電気伝導性、即ち少なくとも半導電性である必要がある）ためには、バイアス電圧を照明開始時に適用しておくか、または、照明中維持することにより、膜内に電場を与え、光量子の吸収点から離れていく電子の急速な流れを生じさせることにより、電荷分離収率を増大させる。この場合、電極表面の水の直接の電気分解を防止し、或いは、何らかの他の電気化学的反応を促進するために、バイアス電圧は低値に維持する。選択されるバイアス電圧は電荷の再取り込みを防止するために自由電子を吸収するのにかろうじて十分である程度である必要がある。バイアス電圧の電流の必要性は光反応性膜の導電性の増大により、そして、前記した電荷再取り込み防止要素の使用により、低下すると予測される。
【０１８３】
電子の除去の効率は半導体をドープ処理し、半導体コーティング内部に高度に導電性の金属クラスターを発生させることにより更に増強され得る。これにより電子の運動性が亢進し、外部回路へのより良好な電荷の移動が可能となる。
【０１８４】
（電流コレクター材料の開発）
電流コレクターの材料は、典型的には耐久性があり所望の波長領域において透過性であり、そして高度に導電性である。この材料は、印加された、および／または生成した電圧のもとにおける長期間の照射試験に基づいて選択することにより必要な耐久性を保証することができる。可能性のある候補は、活性コーティングのために選択される波長領域において十分透過性であるが、電流の流れを可能にするのに十分な導電性を有する金属薄膜（約５０−１００Å）である。このような薄膜（Ｔｉ、Ｎｉ、ＣｕまたはＰｔよりなる）はＣＶＤまたは電子線蒸発を用いて基板上に付着させてよい。別の確実な材料は透過性導電性酸化スズインジウム（ＩＴＯ）である。この材料は約１５００Åの厚みで基板上に付着させ、所望の波長領域において透明である効果的な電流コレクターを与えてよい。これらの材料を、活性層から電子を標的波長領域において伝達し効率的に導電する能力および寿命に基づいて、評価した。
【０１８５】
（試験装置および方法）
コーティングを評価するスクリーニング操作法は前の試験において使用したものと同様の技術を使用する。比較的小型のＨａｎｓａｔｅｃｈガスおよび液体バッチセル光合成装置は、それらが広範な化学コーティング法（例えば、化学蒸着、真空スパッタリングコーティング、ゾルゲル法（例えば浸漬またはスピンコーティング）、乾燥および硬化法（例えば制御された雰囲気のオーブンおよび高温炉を用いる方法））に適合していることから、方法の検討において特に有用である。この装置は内部セル抵抗を最小限にする（低いフローセル電気抵抗は光活性層からの電子の除去を促進する）。更にこの装置は、究極の市販用装置で期待される制御された閉鎖系の空間を提供する。新しい光活性コーティングをスクリーニングする場合、溶存酸素（ＤＯ）の測定を使用する。ＤＯプローブは一連のＤＯ直接測定に含まれることができる。酸素を測定するこの直接の方法はＤＯ生成速度、経時的ＤＯ性能に関する実時間のデータを与え、容量分析的なガス採取法よりも感度が高い。
【０１８６】
幾つかのスケールアップ試験ではレーザー光源、２種の蠕動ポンプ、リザーバ、メーターおよびセンサー、および、インラインまたは実時間の測定のためのＤＯ／ｐＨ／Ｔ／Ｉセル／血液ガスパラメーター用の試料ポートよりなる予備作用において使用する光分解フロースルーセルを使用することができる。全血液を使用するが、血液ガス分析の全体を実施することができる。
【０１８７】
表面分光分析法を用いて調製の最中およびその後、そして使用後の光分解コーティングを特徴づけることができる。このような技術には画像化のための光学顕微鏡および走査電子顕微鏡（それぞれＯＭおよびＳＥＭ）、ならびに薄膜の元素分析のための電子分散分光分析（ＥＤＳ）が包含される。これらの方法は、コーティングの付着性、多孔性、層内結合、厚み、緻密化度、均質性および脆弱さの定量的および／または定性的な測定を提供する。
【０１８８】
染料は特定の試験において光活性膜の選択および設計を容易にするために使用することができる。メチルビオロゲンを用いて電子の光化学的発生を示すことができ、メチレンブルーは単なるＯ２ではない高度に活性な酸素（ＡＯ）の生成を選択的に示す。すなわち、ＭＢの消失速度はＡＯ生成に関する量子収率の尺度となり、ＤＯプローブまたは血液ガス分析のいずれかにより測定したＤＯ生成速度は、ＤＯ生成に関する量子収率を示す。
【０１８９】
量子収率を決定するには幾つかのキャリブレーションが必要である場合がある。量子収率はアノード電流生成（Ｉセル）、ＤＯ生成、および酸の生成の変化（後者はオンラインでｐＨから測定）または採取試料中のＴＩＣ（ＴＩＣ＝総無機炭素、すなわち全炭酸種の濃度の合計）について必要である。量子収率を計算するためには、感光性／ＤＯ生成表面と電解質との間の界面における光量子の流束、すなわちΦを、セルにおいて標準シュウ酸鉄溶液を用いた従来の化学光量測定法により測定しておく。供給液および処理済液中のシュウ酸鉄濃度はＵＶ／可視光分光分析を用いた従来の方法で測定する。光源のレーザーの電力レベルおよび光線の強度はフローセルではなく標準的な光量子計数を用いてカリブレーションすることができる。スパッタコーティングされた金属膜の厚みは％光減衰カリブレーション曲線を用いて測定できる。これらの膜は厚みが１００ｎｍ未満であり、ＤＯ生成試験で使用されるＵＶ波長において約５０％透過性である。
【０１９０】
ＰＣＯ２およびｐＨの測定は、それらが７および８ページに記載した反応式（数１〜５）によりわかる通り光分解による活性酸素の生成を反映していることから、フォトセルの性能をモニタリングする有用な手段である。
【０１９１】
（多層コンストラクトの微細加工）
これらのコンストラクトは血液が通過する光分解的に電力付与されたセルに組み込まれ、生物学的液体モデリング設計に基づいた形状に組み立てられ、これにより血液の劣化を最小限とし、生体適合性となる。この作業における材料の選択は、コーティングが光分解的にエネルギー付与されるように光学的に透明な表面上に薄膜を固定することを包含する。セルコンストラクトに光学的特徴を組み込むことは、コンピューターモデリングのパラレルパターンとその後の実験的評価および検証に従うものとなる。
【０１９２】
（光化学的活性化により生じる溶存酸素粒子の分散体に血流を関連付けるコンピューターモデルの開発）
コンピューター流体力学（ＣＦＤ）技術を用いて可変の形状の単一の表面を通過する流れをシミュレーションするためのモデルを開発することができる。光分解過程に関する情報および赤血球の剪断限界をモデルの境界条件に組み込む。流動シミュレーション試験の所見に応じて、表面反応性セルの形状および大きさの調節を行う。光分解反応は表面で起こるため、表面の体積に対する比は血液の容量の十分な酸化を可能とするほど十分大きくなければならない。それと同時に、フローチャンバーの形状および大きさは混合を可能とするほど十分大きくなければならない。最終的なデザインは最適反応速度および最適境界条件を組み込んだ、事実上は肺胞表面と肺毛細管膜との間の界面を摸倣した、高収率の光分解表面を与えるものとする。実際、この過程は肺毛細管と肺胞膜の生来の特性および立体配置を緊密に摸倣している。生理学的設定においては、未酸化の肺の血液は毛細管系を通過し、その際Ｏ２−ＣＯ２交換の過程への緊密に調節された曝露を伴う。同様に、本発明者らのシステムは光分解的に駆動されるガス交換の発生源に隣接して並列したフローチャンバーを創生する。このモデルの目的は、このフローチャンバーを特定する最適な幾何学的および機械的拘束要件を決定することである。
【０１９３】
流動のモデリングはＣＦＤ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｈｕｎｔｓｖｉｌｌｅ，ＡＬ）より入手可能な市販のＣＦＤソフトウエアを用いて行なう。流動区域は有限要素に離散され、質量、モーメントおよび溶存酸素の対流−拡散輸送に関する数式を有限要素分析法を用いて積分する。コンピューターモデルは、どのように種々の流動上および幾何学的な立体配置が光分解過程およびコントロールシステムにより呈される拘束の範囲内において流動する血液中の溶存酸素の収率に影響するかを調べる頑健な手段を与える。このモデルは個々の表面反応セルの流動特性および大きさおよび形状、ならびにアレイ化されたセルの立体配置を、光分解収率と溶存酸素回収との間にバランスが生じるように最適化するために用いることができる。種々の幾何学的および流動の立体配置は境界におけるＤＯの生産速度に従って試験することができる。ＣＦＤＲＣソフトウエアを用いて幾何学的特徴のＣＡＤモデルを作成し、それらを未構造の４面体有限要素に離散させることができる。Ｎａｖｉｅｒ−Ｓｔｏｋｅｓ式を有限要素空間全体に渡って積分することによりモデルの全区分に渡る詳細な流れの場を求めることができる。流れの場が判明した後、これを用いて、溶存酸素の質量輸送に関する受動対流−拡散式を求めることができる。ヘモグロビンの結合により促進された輸送を排除した血液中の質量輸送を決定する偏微分方程式は以下の通りである。
【０１９４】
【数２８ａ】
2004536682.tif 000034
式中、Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）は酸素分圧、Ｄは酸素の拡散係数、Ｖ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）は速度の場、そして、ｆは酸素の降下／発生源の項を加味している。促進された輸送は有効拡散係数でＤを置きかえることにより考慮される。ここでは適切な境界条件を加味することによりモデルの境界における溶存酸素の生成を取り扱う。溶存酸素の拡散係数はきわめて小さく（約１０−９ｍ２／ｓ）、これは通常は、小さいＲｅｙｎｏｌｄｓ数においても、対流優先の輸送をもたらす。対流優先の問題点は、薄膜の質量輸送境界膜により特徴付けられ、すなわちそのコンピューターによる分析には、数的安定性に起因する収束の問題を回避するためには、特殊な留意点と処理を必要とする。
【０１９５】
本発明者らは、モデル区分にわたるＤＯの分布を評価するために専用に開発した有限要素法を用いることを提案する。この手法においては、高次元のｏｐｅｒａｔｏｒ  ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ法を用いて対流−拡散方程式を放物線拡散式と双曲線対流式に分割する。拡散式は標準Ｇａｌｅｒｋｉｎ法を用いて取扱い、対流式はＬａｇｒａｎｇｉａｎのフレームワークにおいて指数線に沿って求める。アルゴリズムはＧａｕｓｓｉａｎ求積点の軌跡を使用して１タイムステップから次への数的情報を射影する。この手法は良好な保守と相の特性を示し、大量のタイムステップを可能とし、これにより定常状態までの対流−拡散式の効率的な積分を可能とする。このアルゴリズムはベンチマーク問題に対して広範に検証されており、輸送特性がこの問題と同様の性質のものである血流中の対流優先の質量輸送の問題に良好に適用されている。流れの場およびモデルの全区分にわたるＤＯの濃度のパターンを解明できれば、流れと幾何学的な導入口の立体配置を変更して流れ、光化学収率および溶存酸素の分布の間の最適化された均衡を達成することができる。この手法は以下に示す例により説明される。
【０１９６】
第１の例において、各々が中心部に単一の光分解環（直径ｄＴ）を有する幾つかの円筒状のユニット（直径ｄｕ）よりなる簡素化された設定を選択する。光分解表面と血液との間の質量輸送係数をＫ，Ｗ／ｍ２Ｋとし、血液中の酸素の拡散係数をＤとし、血液酸化の全能力の目標値（目標容量の流量Ｖ，ヘモグロビン結合を含む血液の酸素溶解度Ｓを加味する）をＱ、Ｗとし、すなわち光分解接触の必要表面積Ａｔｏｔは既知とする。従って、輸送に必要なユニット数はＡｔｏｔ／Ａ０となり、ここでＡ０＝πｄＴＬは長さＬの単一の環の接触表面積である。ユニットは平行で一連の立体配置となるように積載し、これが流速、およびその質量輸送係数を決定する。例えば、平行ユニット数がＮである場合、流れの平均の速度は質量保存、すなわち、ｕ＝Ｖ／（ＮＳ）から得られ、ここでＳはユニット内の流れの断面積である。ここで問題となるのは、どの積載立体配置、すなわち流速が最も望ましいものかという点である。配管を経由する流れの質量輸送係数は流速ｕの増加に従って、そして拡散係数、密度および媒体の溶解度に従って増大し、流体の粘度の上昇、および円筒ユニットの長さＬおよび直径ｄｕに従って減少することが知られている。正確な関係は流れの乱流／層流の法則および流体の溶解度と拡散性並びに酸素生産速度に基づいている。物理的特性（すなわち、質量輸送係数、液体の密度および酸素の溶解度、流体の粘度および酸素生成速度）、および質量輸送ユニットの寸法（すなわちユニットおよび光分解管の長さおよび直径）が固定されると、最も高い可能な流速ｕを選択することにより最も小さい質量輸送面積が得られ、よりコンパクトな全体的システムが得られる。しかし高い速度は、所定の流量および密度に対する送液力Ｗｐｕｍｐがユニット全体の圧力降下に比例している（Ｗｐｕｍｐ＝ＶΔＰ）ため、高経費を伴わずに得ることはできない。しかし、圧力降下はΔＰ＝μρｕ２ｎＬ／（２ｄｕ）であり、ここでｎＬは一連の全ユニットの全長である。すなわち、操作の経費は流速に対して二次方程式的に上昇するのである。
【０１９７】
第２の例においては、立体配置は流量および圧力降下が固定されている、すなわちポンプの特性が既知であるように選択した。このデザインは全体の流れの断面がカバーされるコンパートメントよりなる。所定の流量および圧力降下において、数個の大型の、または、多数の小型のコンパートメントを用いることにより必要な全流動断面積Ｓを得ることができる。ここで問題となるのは、最適コンパートメントサイズｄｎ、すなわちコンパートメントの最適数量の根拠が存在するかどうかという点である。輸送ユニットの必要数はＮｒｅｑ＝Ａｔｏｔ／ＳＮｕ／Ｐｅとしての流れと質量輸送の特性に基づいて決定される。ここでＮｕはＮｕｓｓｅｌｔ数であり、ＰｅはＰｅｃｌｅｔ数（Ｐｅ＝ＳｃＲｅ，  ここでＳｃおよびＲｅはそれぞれＳｃｈｍｉｄｔ数およびＲｅｙｎｏｌｄｓ数である）である。これより、コンパートメントの長さの直径に対する比は関係式Ｌ／ｄｎ＝ＮｒｅｑＰｅ／（４Ｎｕ）を満足する。乱流においては、Ｎｕｓｓｅｌｔ数はＬ／ｄｎに弱く依存しており、このことは、質量輸送収率が一旦決定されれば長さの直径に対する比は一定のＳｃｈｍｉｄｔ数およびスループットにおいてほぼ固定される。言いかえれば、端部長１００ｍｍおよび長さ１０ｍのコンパートメントは、端部長１０ｍｍおよび長さ１ｍのコンパートメントと比較して、１００倍も大きい輸送面積を有しているにも関らず、同じスループットでは、より大きい質量輸送をもたらさない。しかし圧力降下がより小さいコンパートメントにおいては４桁も高い値となる。これは層流を有する如何なるＮｒｅｑ数を実施することも可能であり、ＮｒｅｑはＰｅｄｎ／Ｌを特定することが判る。これによりｎＬに関する制約、すなわちｎＬ＝ＣＭがもたらされ、ここでＣＭは流れと質量輸送の特性、すなわち流量、物理的特性、酸素生成速度、光分解面における収率、および質量輸送のＮｕｓｓｅｌｔ数により決定される定数である。一方、圧力降下、従って、送液力は、以下の比が一定、すなわちＬ／ｎｄｎ４＝一定＝ＣＦである場合には一定のまま（Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ法則に従う）となり、ここでＣＦは流動特性およびコンパートメントの寸法に依存する定数である。これら２つの制約は比率Ｌ／ｄ２ｎ＝（ＣＭ／ＣＦ）１／２と固定することにより組み合わせることができる。全流動断面積が固定されているので、ｎｄ２ｎ＝（ＣＭ／ＣＦ）１／２は一定であり、これは一定の流速をもたらす。すなわち、輸送表面積Ａｔｏｔ＝ｎπｄｎＬはコンパートメント数の関数として決定することができ、Ａｔｏｔ＝（ＣＭ５／４／ＣＦ−１／４）ｎ−１／２となる。従って、コンパートメント化された輸送システムの表面積は、流れと輸送特性が同じである場合は、コンパートメント数の平方根に逆比例するように減少する。従って、全流動断面積Ｓを十分大きく選択すれば送液力は低く維持できる。上記した通り、より多くの（ただしより小さい）コンパートメントを同じ断面積となるように配置すれば、輸送面積を同じにすることができる
【０１９８】
【数２９】
2004536682.tif 000035
。
【０１９９】
上記した例において確立した基本的な化学則を用いて、血流にガス交換を特異的に関連付けるモデル系を開発することができる。デザインの検討には、流動血液中の溶存ガスの収率を最大限とするために、単位面積当たりの光化学的アウトプット、光分解セル表面積、フローチャンバーに関する幾何学的および機械的な制約事項、および血流の速度と乱流との間のバランスを最適化することが包含され得る。従ってこの特定の作業の最終目的は光分解表面からの溶存酸素の回収を最大限とするための流動特性をモデル化および試験することを包含する。この工程の究極の目的は顕微鏡レベルでフローチャンバーと光分解的に駆動されたガス交換との間の関係、肺胞膜と肺毛細管との間に存在する関係と生理学的な類似性を有するものを理解することである。
【０２００】
（光分解セルはより広い用途を有する）
上記した光分解セルは上記した好ましい実施態様を超えて光化学的過程のために使用してよい。光分解セルはシステム内で化学反応を起こしたりこれを調節するために他の臓器内でも使用してよい。光分解セルは例えば心臓、肺、脳、腎臓、肝臓等が挙げられるが、これらに限定されない器官で使用してよい。あるいは、光分解セルは特に閉鎖系における呼吸空気中の酸素およびＣＯ２濃度を制御するために生物学的系の外部で使用してもよい。また、当業者の知るとおり、光分解セルは電子の生成による潜在的エネルギー源としても使用できる。例えば電子はカソードにおいてＨ２（ｇ）を生成するために使用できる。
【実施例】
【０２０１】
上記詳述したことにより、以下の実施例は本発明をより良く理解するために説明を目的として記載しており、特段の記載が無い限り、本発明の範囲を限定する意図は無い。
【０２０２】
（実施例１）
その装置と付随プロセスが、同時にＣＯ２除去とｐＨコントロールを行いながら前記膜構築物を用いて合成血清（ロッケのリンゲル液（Ｌｏｃｋｅ‘ｓ  Ｒｉｎｇｅｒ液））を再酸素化する能力を実証するために、プロトタイプの光分解人工肺を製造した。この観点から、光分解テストフローセル（図３参照）を、光分解人工肺要素用例示的材料類―真空蒸着Ｔｉ金属の導電性コーティング、接着性ＴｉＯ２（アナターゼ）のコーティング、ＭｎＯ２微粒子層および次に重炭酸（塩）溶液を用いて構築した。Ｕ．Ｖ．レーザー光をこの透明ガラスすなわち石英基板に導入した。このセルを用いてｐＨおよびセル電流データをレーザーＵ．Ｖ．照射の関数として集めた。このようなプロトタイプ構築物の詳細とそれによって得られた結果とを下記で検討する。
【０２０３】
この観点から、図３に示したような光分解人工肺の光分解テストフローセルを作製した。具体的に述べると、他の成分の中でもとりわけ、光分解セルの下記層を組み立てた：光源２０；透明ウィンドウ３０；ｅ−コンダクター（アノード）３６；ＴｉＯ２光触媒３２；ＭｎＯ２触媒３４；ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）陽イオン交換膜４６；カソード液４８；およびコンダクター（カソード）３８。これらの成分類の特定パラメータ類およびその他については、下記のようである。
【０２０４】
（ガラス／石英スライド３０調節）
ガラススライドをトルエンまたはＭＥＫ中で振り動かすことによって脱脂した。スライドを約１分未満の間、瞬間的に風乾させた。このスライドを次に温Ｍｉｃｒｏ（登録商標）洗浄溶液中に約２分間浸漬した。次いで、このスライドを１８ＭΩのＤＩ水で完全に洗浄した。スライドをその後すぐに水浴中に約２分間、浸漬した。スライドを噴出瓶からの水で完全に洗浄し水を切ったが、乾燥させなかった。このスライドを濃硫酸溶液中に注意しながら沈め、２分間放置した。スライドを前記硫酸に入れたり／硫酸から取り出したりする際、プラスチックの止血鉗子を用いてそれを保持した。このスライドを取り出し、水切りし、水で十分に洗浄した。次にこのスライドを水浴に約２分間浸漬した。その後、水破壊試験をこのスライド上で行った。カバーウオッチガラス付きのプラスチック（Ｎａｌｇｅｎｅ（登録商標））ビーカーを用いて、スライドを０．１％ＨＦと１Ｎ  ＨＣｌ溶液に２分間浸漬した。ここで、ガラス表面は、Ｓｉ−ＯＨ結合基類を含有していた。これらのスライド類を湿ったままに保ち、５％ＨＮＯ３中で保存した。
【０２０５】
（触媒層３２の調節）
ＴｉＯ２（アナターゼ）約１．０ｇをカバーウオッチガラスと磁気攪拌棒付きのプラスチック（Ｎａｌｇｅｎｅ（登録商標））ビーカーに添加した。フード中で、０．１％ＨＦおよび１Ｎ  ＨＣｌ  ８０ｍｌをこのＴｉＯ２に添加した。固体が十分に懸濁されるまで、スターラーでビーカーを攪拌した。ビーカーを６０秒間混合し、すぐにこのスラリーを、５０ｍＬ容量の蓋付き遠心管２個に分割する次の段階に進んだ。遠心管を少なくとも５−１０分間遠心した。上清を捨てた。各遠心管を水４０ｍｌずつで３回洗浄した。遠心管に蓋をし、十分にボルテックスし、遠心し、捨て、前記段階を繰り返した。各遠心管をイソプロパノール（ｉＰｒＯＨ）４０ｍｌずつで３回洗浄した。適宜、１種以上の無機シランおよび／またはチタネート結合剤類をこの最終アルコール洗浄に添加でき、最終コーティングにおける集塊性と接着を促進し得る。使用中のＵＶ／ＴｉＯ２の強烈な酸化環境は有機系結合剤類を迅速に分解し得るので、無機結合剤類が望ましいであろう。
【０２０６】
（触媒のガラススライドへの適用）
前記遠心管のひとつから前処理ＴｉＯ２アナターゼ粒子類を、ガラス顕微鏡スライドを被覆できるだけ十分な深さにイソプロパノールを含む広口瓶中で磁気的に再懸濁させた。粒子を懸濁したままに保つため、磁気攪拌を始めた。使用粒子の量は、製造する最終コーティングの厚さを決定する際に、調整可能なパラメータである。
【０２０７】
十分量のＴｉ（ｉＯＰｒ）４（ＴＴＩＰ）を添加し、（例えば、  イソプロパノール８０．０ｍＬ当たり１６０μｌのＴＴＩＰを添加することによって）０．２容量％溶液を得た。プラスチック止血鉗子を用いてこのスライドを保持し、処理ガラススライドを水で完全に洗浄し、再度、水破壊試験で試験した。スライド表面を、イソプロパノールで完全に洗浄した。スライドをイソプロパノール中に２分間浸漬し、再度イソプロパノールで洗浄した。スライドをすぐにＴＴＩＰ／イソプロパノール溶液中につるし、攪拌した。容器に蓋をし大気からの湿分取り込みを最小とし、約１２０秒間反応させた。この間、ＴＴＩＰは、ガラススライド表面上のＳｉ−ＯＨ基と反応し、Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−Ｔｉ−ｉＯＰｒ結合を形成したが、この結合は下記の加熱段階までは迅速には形成されなかったかもしれない。スライドを非常にゆっくりと（例  １ｃｍ／分）止血鉗子を用いて取り出し、真空デシケータ中に逆さにしたボトルキャップ上に平らに置き、数分間乾燥させた。水蒸気はスライド表面に拡散して加水分解反応（ゾル−ゲル中の“ゾル”）を起こすので、室内大気中における放置時間（湿度レベルと接触時間）を調整可能とした。すなわち、
【０２０８】
【数３０】
2004536682.tif 000036
過剰の水分は、スライド表面シラノール基が反応するかもしれないので、避けなければならない（すなわち、
【０２０９】
【数３１】
2004536682.tif 000037
）。
【０２１０】
同様の反応が、ＴｉＯ２アナターゼ粒子をガラス表面に対しておよび互いに結合させる。
【０２１１】
【数３２】
2004536682.tif 000038
しかし、表面Ｓｉ−ＯＨおよびＴｉ−ＯＨ基の脱水が起こると低エネルギーでｉＰｒＯＨ生成物を製造するために必要な水素を除去してしまうので、完全乾燥（水非含有）表面も有用ではない。この室温条件で過ごす時間は、この間コーティングがゆっくりと反応するので、調整可能である。
【０２１２】
平らに置いたまま、このスライドを８０−９０℃で２０分間、オーブン乾燥させ、硬化を完了させる。時間、温度および加熱速度（℃／分）のパラメータは調整可能である。余りに早く加熱すると溶媒を噴出させ、ガス放出により膜のひどい破壊が起こり、余りに高い温度に加熱すると濃縮が余りに強く起こり、その結果収縮し、膜が引きはがれクラックが発生する。水が浸入しかつ活性酸素が反応域を出ることができるように、多孔性も重要であると考えられる。
【０２１３】
厚いＴｉＯ２コーティングを有するスライドを得るため、上記段階を１回以上繰り返す。
【０２１４】
前記スライドを２５０℃まで２時間加熱し、コーティングを完全に硬化し固化させた。この温度は、ＴＴＩＰから形成されたアモルファスＴｉＯ２をアナターゼに変換するために必要であった。Ｉｎｄ．Ｅｎｇ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．１９９９  ３８（９）、３３８１。あるいは、３℃／分の速度で３５０℃までコーティングを加熱しこの温度に２時間保持することを除き、スライドを上記のようにして前処理することもできる。Ｍｉｌｌｅｒら、Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１９９９、３３、２０７０。別の代替としては、アナターゼ／ＴＴＩＰスラリーの代わりにゾル−ゲル溶液を調製することである。Ａｇｕａｄｏ、Ｍ．Ａ．ら、Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｓｏｌ．Ｃｅｌｌｓ、１９９３、２８、３４５中コロイドＣ。このスライドを次に取り出し、室温まで冷却させた。
【０２１５】
ガラススライドへのＴｉＯ２アナターゼコーティング接着を、ラバーポリースマンによる磨耗やテープテスト等によって試験した。また、コーティング接着を、厚み、くしゃくしゃになりやすさ／フレーク状になっての剥離、見た目等を含む他の性質についても試験した。
【０２１６】
実験は、接着および他の性質を向上させるために必要に応じて繰り返した。４００℃１時間処理の付加的段階を用いて、ＴｉＯ２（アナターゼ）粒子を石英砂スライド（Ｈａａｒｓｔｒｉｃｋら、１９９６）上で硬化させることができる。
【０２１７】
（ＴｉＯ２コーティング光化学試験）
２種のＴｉＯ２コーティング光化学試験操作を実施したが、第１は、電子が発生するかどうかを調べるため、第２は、活性酸素が発生するかどうかを調べるためであった。最初に、前記ＴｉＯ２を負電荷／電子発生試験によって試験した。メチルビオロゲン（ＭＶ２＋）ブルーカラー（ＭＶ＋）をアナターゼコーティングに適用し、レーザー光に曝した。電子形成を実証する濃いブルーカラーの定性的迅速出現としてのＭＶ＋ブルーカラーは、ＭＶ＋が遊離ラジカル／電荷移動錯体であるので永久的ではなかったが、これは、容易にｅ−を放出し無色の基底状態に戻る。乾燥コーティングは、コーティング性能を阻害した（乾燥無機物が表面部位をブロックする）が、容易に洗浄された。
【０２１８】
ＴｉＯ２コーティング層上で行った第２の試験は、活性酸素発生試験であった。メチレンブルーをＴｉＯ２コーティング上で用いて、活性酸素の存在を決定した。酸素化された酸素がメチレンブルーと反応するので、このメチレンブルーの色は、アナターゼコーティング存在下レーザー光の到達点で急激に破壊されたが、このことは活性酸素形成を証明している。
【０２１９】
（光源）
使用した光源は、利用可能（低電力に調整可能）な３６４ｎｍ線のアルゴンレーザー（４００ミリワット／ｃｍ２）であった。使用したアルゴンレーザーは、総電力２ワットを有している。あるいは、３６５ｎｍ線を用いるＨｇアークランプを含めていくつかのＵＶ源も使用可能であった。
【０２２０】
（アノードコンダクター層３６）
アノードコンダクター層は、約０．２＠ｍ未満の厚みを有する均一金属性コンダクターの超薄膜を透明ウィンドウ上に電子線蒸着を用いて配置することによって形成した。この薄膜は、Ｔｉ金属から形成されていた。コンダクターラインスの間隔、幅および厚みの最適化が、アノードコンダクター層が過剰の減弱を防止し、一方十分に近接した導電性エリアを提供しＴｉＯ２層から電子を一掃するために、必要であり得る。
【０２２１】
（溶存酸素発生触媒層３４）
溶存酸素発生触媒層は、前記ＴｉＯ２（アナターゼ）層の表面上にＭｎＯ２粒子から形成させた。このＭｎＯ２粒子は、アナターゼ／Ｔｉ（ｉＰｒＯ）４混合物のありなしに関わらずｉＰｒＯＨスラリーとして適用した（＜５ｕ）。ＴｉＯ２（アナターゼ）層のかなりの表面にＭｎＯ２を被覆した（約１／３）。ＭｎＯ２を滴下しそれを蒸発させるのが有効であった。ＭｎＯ２を添加し、ＭｎＯ２粒子被覆表面積％を増加させかつＴｉ（ｉＯＰｒ）４バインダーを用いてＭｎＯ２をさらに接着性とした。
【０２２２】
（フロースルーセル）
フロースルーセルは、同一側に流体入口と出口を有するように設計した。シリコンガスケット類およびスペーサー類、アクリル製外部ハウジングおよびステンレススチール管系コネクター類を、フロースルーセル形成に用いた。このフロースルーセル中において、アノードは連続Ｔｉプレートであり、カソードは白金箔片であった。
【０２２３】
（フロースルーセルの電気接続）
フロースルーセルの電気接続は、電流メーターと電流制御インラインを有する開回路として配線した。フロースルーセルの電気接続はまた、インライン電流メーターと電流レギュレータを付加しバイアス電圧を適用することによって、形成できた。フロースルーセルの電気接続はまた、レジスターとレジスター全面にわたって電圧読み取りを付けた電流メーターインラインを配置することによって、形成することもできた。
【０２２４】
（分割セル）
分割セルを、スルーアノード、スルーアクリルハウジングおよびシリコンスペーサー内部フローパスと同一側およびガラススライドの反対側に流体入口と出口の両者のセットを有するように設計した。分割セルはさらに、シリコンガスケット類またはスペーサー類、アクリル製外部ハウジング、ＮＡＦＩＯＮ／メンブレン、およびステンレススチール管系コネクター類を含むようにも設計した。
【０２２５】
（活性酸素試験）
ロッケのリンゲル生理食塩水試験溶液を、１５０ｐｐｍの酸化還元色素（メチルビオロゲン、ＭＶ２＋）により調製した。また、メチレンブルーの１０μＭ溶液は、ロッケのリンゲル液で調製した。Ｍａｔｔｈｅｗｓ，Ｒ．Ｗ．、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｆａｒａｄａｙ  Ｔｒａｎｓ．１，１９８９、８５（６）、１２９１。６６０ｎｍにおけるメチレンブルーのモル吸光度は、６６，７００±３５０ｃｍ−１Ｍ１であった。被覆試験スライドを付属ＵＶランプ／レーザーを有するように組み立てた。ロッケのリンゲル液をその後この被覆試験スライドに循環ポンプから添加した。安定条件が確立された後、ＵＶ光で直接／間接的にこの被覆体を照射した。生理食塩水溶液は、ブルーカラー（ＭＶ２＋（無色）＋ｅ−  →  ＭＶ＋（ブルー））と溶存酸素出現についてモニターした。ガスサンプルは、ＧＣアッセイ用にサンプリングした（空気由来ではないＣＯ２、Ｏ２）。
【０２２６】
（結果）
予測どおりの化学式が起こったかどうかを調べるため、人工肺を試験した。試験は、血液を模擬した生理食塩水溶液であるロッケのリンゲル液を用いて実行した。試験の定性的結果は次のようである。
【０２２７】
１．ＴｉＯ２（アナターゼ）薄膜による高効率のＵＶ光吸収がアナターゼマトリックスにエネルギーを付与したことが、ＵＶ光が実質的に吸収されることから可視的に明らかであった。存在するあらゆる金属導電性膜による減弱を測定し、別々に補正した。
【０２２８】
２．ＵＶ光由来エネルギーを用いたアナターゼ表面における活性酸素（ＡＯ）発生は、ＵＶレーザー照射側と反対のアナターゼ膜表面におけるメチレンブルー色素の消失によって証明された。
【０２２９】
３．ＵＶ光由来エネルギーを用いたアナターゼ表面における自由電子（ｅ−）発生は、照射側と反対側のアナターゼ表面および照射位置のみにおいて、メチルビオロゲンブルー色素色の出現によって証明された。
【０２３０】
４．上記で発生した自由電子（ｅ−）が導電性Ｔｉアノード表面へ運搬されその後自由電子が上記で同様に産生された活性酸素と再結合しないように一掃したが、そのことは、金属性コレクター、ワイヤおよびａｍｐメーターへのアナターゼセミコンダクター膜中における電流によって証明された。電流は、レーザーがオンであるときにのみ流れることがわかり、レーザーがオフであるときには電流は全く流れなかった。何回もオフ／オンサイクルを行ってその効果を観察し、測定した電流は、飽和点までレーザー強度に比例していた。
【０２３１】
５．水素イオン類（Ｈ＋）放出とｐＨ低下は、連続循環照射セル中アノードコンパートメントについて見られた。反対のｐＨ変化は、カソードコンパートメントについて見られ、水が活性酸素と水素イオン類にアナターゼ表面で分離する時予測されるｐＨ効果と一致していた。図９は、光分解セルを用いた光分解時におけるアノード液およびカソード液のｐＨプロフィールをプロットしたものを示す。プロット中の反対傾向は、光合成模擬化学、アノード液中ｐＨ低下とカソード液中ｐＨ上昇に基づき予測した通りである。試験１／６におけるカソード液中低い当初のｐＨは、わずかに低いｐＨのスタート時点での条件を反映している。試験１／７では、事前に平衡化した光分解セルを用い、スタート時点条件において矛盾する読み取り値を全て除外した。
【０２３２】
６．合成血清電解質すなわちロッケのリンゲル液からＨＣＯ３−イオン類のＣＯ２への変換は、より多くのＨ２Ｏ形成によって過去にも観察されていた。Ｈ２Ｏは、活性酸素形成中に放出されるＨ＋イオン類を用いた重炭酸イオンの炭酸への変換ならびにＨ２ＯとＣＯ２への最終的変換の間、ＣＯ２とともに形成される予測生成物である。ＣＯ２産生は、オフガスのガスクロマトグラフィ（ＧＣ）分析によって測定するかまたはｐＨ変化から計算した。ＧＣ分析によってわかったＣＯ２レベルは、大気中レベルよりも有意に高く、さらにＣＯ２形成を示唆していた。
【０２３３】
７．カソードにおけるアルカリ性の発生と関連ｐＨ変化は、水の活性酸素への反応中産生される自由電子類がアノードから運ばれ去り、非Ｏ２還元様式ですなわち水の水酸化イオンとＨ２ガスへの還元によって消費されたことを示唆していた。
【０２３４】
８．試験媒体に添加された酸素の活性形態からアナターゼ上のＭｎＯ２触媒コーティングからの溶存酸素としてのＯ２発生が見られた。
【０２３５】
証明した段階の全てが、良好な速度で反応するようであった。発生した電流を用いて、１００ｍｌ／分  Ｏ２フロー速度のための光分解セルユニットのおおまかな大きさを計算し、妥当であることがわかった。また、コーティングまたはドーパントとしてのＭｎＯ２粒子類が長寿命の可溶性活性酸素形態と反応するように設計した多数のコーティング組み立て加工物についても、試験を実施した。これらのＭｎＯ２コーティングは、多量の溶存酸素を試験条件下で発生することがわかった。
【０２３６】
（必要な光分解セルの大きさの計算）
光分解セルで予備試験を行い、正常成人血流速度の平均である５Ｌ／分血流について平均的成人体内における標的酸素速度約１５０ｍＬ／分（ＳＴＰ）をもたらすために必要なセルサイズを決定した。図８は、０．６０ｇ／Ｌ  ＮａＨＣＯ３と４％  ＭｅＯＨ電解質中レーザー電力セットに対するセル電流測定を示している。示したように、光吸収がレーザー強度に比例して試験セル中で電流を発生させる。このレーザー電力セットが実際の侵襲性レーザー光エネルギーと同じというよりはむしろ、このレーザー電力セットが実際のレーザー光エネルギーよりも大きく、係数約２で比例していることに注意されたい。また、前記電力セットは前記レーザーそれ自体のものであり、レーザーにより発生した他の２種の線から分離した後の３６３．８ｎｍビームのものではない。このレーザー電力セットは、レーザーが光学構成周辺を動きガラススライドおよびＴｉコレクター膜を貫通した後、測定した。
【０２３７】
図８のデータは初期の予備試験を示しており最適化されたものからは程遠いが、それを用いて標的酸素速度１５０ｍＬ（ＳＴＰ）／分を発生させるために必要なセルサイズを計算した。図８から、限定的セル電流密度７０μＡ／ｃｍ２が推定できる。この値を用いて、１５０ｃｃ  Ｏ２ガス／分（ＳＴＰ）発生に必要なセル表面積を計算した。もし１個の平坦シート状セルを血液に接触させ用いると、１５０ｍＬ  Ｏ２ガス／分を付与するために面積で７．５×７．５メートル（５６ｍ２）が必要であろう。今日まで速度を向上できる最適化は全く行っておらずかつ正味で大表面積を得るために小さいプレートを積み重ねることが電気化学セル技術では通常のことなので、この性能レベルは、初期試験結果としては見込みあるものと考えられる。量子効率はこの定性的試験で求めなかったが、低そうである。量子収率向上のために多くのオプションを利用可能である。１０倍向上させるには、片側で７５ｃｍの血液接触面積（ＢＣＡ）を必要とするであろうし、ダブルサイディングセル、すなわちカソード１個とアノード２個によってそれを５３ｃｍ平方に（面積で）半分に切断できるであろう。例えば自動車バッテリで行われているように６個のペアを用いて、これらの大きさを片側約２０ｃｍの立方体に小さくするが、それは、補助装置なしでも緊急使用体外装置についての許容できる大きさの範囲におさまっている。したがって、小さく積み重ねた光分解セルを有する十分に小さい光分解人工物は可能であるようであり、現在の生産速度を１０倍向上させ、セル電流と溶存酸素発生の間に高い相関が期待されるであろう。最適化光電流効率について妥当な標的値は、０．１−１０％範囲にあると期待される。
【０２３８】
図８はまた、約１ｃｍ２にレーザービームを拡大すると、ビームを３〜４ｍｍスポットとしたままと同一の電流発生が結果として得られた。この結果は、消費できるよりも迅速に光子が供給できていたことを示唆している。したがって、レーザー電力を有意に高めた利用は、可能であると考えられる。ビームをパルスして、化学反応がそれを維持しおよび／またはさらに光学構成物を用いてそれを拡大させることによって、効率増強が達成できるかもしれない。
【０２３９】
（実施例２）
光分解反応シークエンスのＤＯ発生能力を実証するため、２個のＨａｎｓａｔｅｃｈバッチ反応容器を配置し、１個は液相（ＤＯ）用で１個は気相酸素（ＰＯ２）検出用であった。気密反応容器両者に対して、酸素メンブレンセンサーと照射用ウィンドウを設置した。これらの反応容器は、酸素発生と量子収率の定量的評価が可能となるように設計した。しかし、結果は、ＤＯが水から光分解で産生できることおよびＯ２が薄膜触媒を用いＡＯから産生できることを証明している。
【０２４０】
Ｈ２ＯからのＤＯ光分解産生の重要段階は、アナターゼチタニア（ＴｉＯ２）光子アブソーバーおよび溶存第２鉄イオンのｐＨ１．９のスラリーを電子アブソーバーとして用いる液相中で示した。最終装置で使用することを意図しているわけではないが、ここでの第２鉄イオンの使用により電気的に単離したセルの設定内部で試験ができるようになり、その中で、第２鉄イオンは、比較的低ｐＨによって溶液として維持される。第２鉄イオンは、アナターゼからの光分解移動電子（Ｆｅ３＋ａｑ＋ｅｓｃｂ−→Ｆｅ２＋ａｑ）の吸収によって光分解中に第１鉄イオン（Ｆｅ２＋ａｑ）に変換されることを特徴としている。この光活性化アナターゼはこの時電子欠乏で高エネルギーであり、これが隣接水分子からの電子に取って代わる。これは、液体水の高熱動態安定性にかかわらず光子の高エネルギーレベルにより起こる。第２鉄イオンがないと、ＤＯ交換もＯ２枯渇もない。Ｏ２は電子による化学的還元によって枯渇し、それは、光分解とともに集積する。これらのブランク条件（空気ありおよびなし）の両者ともに、第２鉄イオン不在下における記載の実験装置により具体的に説明した。同様に、適切な光分解時間後、第２鉄イオンはほとんど完全に第１鉄イオンに変換された。したがって、第２鉄イオンの大半が枯渇したという事実により、Ｏ２発生産速度が低下する。この現象は、Ｏ２が反応に現在利用可能な光分解発生電子と再結合することが原因であった。ＵＶ光をオンおよびオフに循環させることによって、セルを照射したときにのみＯ２発生が起こったことおよび他では起こらなかったことを示した。
【０２４１】
第２の重要段階であるＡＯおよび触媒コーティングからのＯ２発生のそれは、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）をＡＯ形態として用いて実験的に示した。この試験は、ロッケ−リンゲル合成血清（ｐＨ７．４）溶液と接触させ気相反応容器中に１インチ平方のＴｉＯ２／ＭｎＯ２被覆ガラス管を配置することによって、行った。Ｈ２Ｏ２は、触媒コーティングの反対側のスポンジ層中３％（ｗ／ｗ）水溶液として導入した。中間体気泡の存在が時間的遅延を付与したが、これは、気泡孔を介して電解質全体をＨ２Ｏ２が拡散しそれによって膜に到達するために要する時間に起因していた。この時間的遅延により反応容器は、Ｏ２を産生する触媒不均衡反応の開始前に大気中Ｏ２を脱ガス化した。ＰＯ２は、光分解時間関数として測定した。純粋Ｈ２Ｏ２は安定であるが、Ｏ２およびＨ２Ｏに対して不均衡反応を媒介する多くの触媒類が存在しており、ブランク補正を必要としている。触媒表面のＯ２寄与は、参考（触媒非含有）試験を行うことによって残りの媒体から分離した。大気中Ｏ２をアルゴン噴射によって取り除いた後、セル中総Ｏ２レベルが７６５０ｎｍｏｌで一定であることが確認された。前記過酸化物と照射（ただし触媒コーティングなし）により、Ｏ２が１．４５ｍｍｏｌｅ  Ｏ２／ｈｒで３００分を超えて集積した。１インチ平方ＴｉＯ２／ＭｎＯ２被覆ウエファ存在下において、同一試験により、一定速度２．４４ｍｍｏｌｅ  Ｏ２／ｈｒまたはバックグランドより高い１．０ｍｍｏｌｅ  Ｏ２／時間のＯ２が得られたが、これは、ブランク条件に比較して６９％の増加であった。したがって、この試験では、ＡＯがそれに利用可能であるとして、Ｏ２がＴｉＯ２／ＭｎＯ２コーティングによってＡＯから産生できることを証明している。全部とはいわないまでもほとんどのＡＯ形態がこのコーティングと反応し同様にＯ２を形成するであろうと想定される。Ｈ２Ｏ２を触媒コーティングに直接適用した時、Ｏ２形成が即時的かつ完全に起こることが実証された。したがって、観察されたＰＯ２発生速度はＨ２Ｏ２拡散をほとんど反映している。
【０２４２】
示したデータを用いて、生理的酸素発生速度を近似するために必要な表面積を計算した。７０μＡ／ｃｍ２の限定的セル電流値を用いかつこのセルが平坦シートであると想定すると、前記標的酸素速度生産に必要な表面積は、７．５×７．５メートルすなわち５６ｍ２であろう。効率向上は、光反応性物質の表面性質を最適化することならびにセルをダブルサイディングする（カソード１個、アノード２個）ことを含む設計の改良、光反応性表面の積み重ね、およびレーザー活性化効率の向上によって、期待される。妥当な最適化光電流効率範囲は、０．１〜１０％であるはずである。試験では、光感受性表面積をさらにもっと利用することが可能であろうということを示していた。最適化段階により約１００倍収率が向上できるであろうと推定され、表面積の正味増加を達成するための小平板の積み重ねを用いるであろうことから、生理的酸素濃度の発生も達成できるはずである。
【０２４３】
（実施例３）
試験セルを作製し、示唆された化学変換が照射中のみに起こる程度を活性表面材料と関連させ調べた。図３は、必須設計要素、導電性真空蒸着Ｔｉ金属コーティング、接着性ＴｉＯ２（アナターゼ）コーティングおよびＭｎＯ２微粒子層で構築したフローセルの図を示している。ＵＶレーザー光を透明ガラスすなわち石英基板に導入照射した。このセルを用いて、レーザー照射の関数として、ｐＨ、電流、溶存酸素ならびに気相ＣＯ２データを得た。
【０２４４】
（光活性層の合成）
光活性構築物は、ガラス基板、導電層および光活性層から構成されていた。このガラス基板は、大きさが２５ｍｍ×９ｍｍで、所望の波長で透過性が９８％であった。真空スパッタコーティング操作を用いて、この（Ｔｉ）導電層（類）を前記のガラス基板上に載せた。Ｔｉ効率証明のため、Ｎｉ、Ｃｕ、ＣｒおよびＡｕを含むさまざまな金属および混合金属酸化物であるインジウムスズオキサイド（ＩＴＯ）も、Ｔｉに対して試験した。表面に接着機能性を付与するため、導電材料と層厚に応じて、これらのサンプルを１Ｎ  ＨＣｌ中で１５、３０または６０秒間処理した。水とイソプロパノールで洗浄後、光活性層を次に適用した。
【０２４５】
この光活性層は、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、ＭｎＯ２およびＴｉＯ２、またはＲｕＯ２／ＰｔをドピーングしたＴｉＯ２のいずれかから構成されていた。二酸化チタンは、ＤｅｇｕｓｓａからＴｉｔａｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ  Ｐ２５として得た。この粉末は主要粒子径約２０ｎｍで、７０〜８０％がアナターゼであり３０〜２０％がルチルであった。このＴｉＯ２粉末を、接着を高めるため、蒸着前にＴｉＯ２  １ｇを１Ｎ  ＨＣｌと０．１％  ＨＦ溶液８０ｍｌ中に混合することによって、１分間酸処理した。生成したスラリーを２個の遠心管に等分し、沈殿ができるまで遠心した。酸を捨て、水に交換し、粒子を再度懸濁させた。サンプルを遠心し、液体を捨てた。この水洗浄を次に繰り返した。二回目の水洗浄とデカント操作の後、イソプロパノール４０ｍｌを添加した。この酸化マンガン（ＩＶ）は５μｍ未満の粒子径を有しており、受け取ったままの状態で使用した。ＲｕＯ２／ＰｔドープＴｉＯ２は、二段階操作によって調製した。第１段階は、ＴｉＯ２  １ｇとＲｕＣｌ３  ３１ｍｇを０．１ｍＭ  ＨＮＯ３溶液８０ｍｌ中で混ぜ１時間混合することによって、湿潤浸漬した。溶液を加熱により蒸発させ、乾燥固体を得た。第２段階では、ＴｉＯ２／ＲｕＯ２  ０．１２５ｇをＨ２Ｏ  １００ｍｌと３７％ホルムアルデヒド（メタノールで安定化）６ｍｌを含む真空フラスコに添加する光白金合金化を行った。この溶液を混合しアルゴンを５分間通気した。次に、６塩化白金（ＩＶ）水素（Ｈ２ＰｔＣｌ６）１９．８ｍｇを添加し、混合し、フラスコを密封した。高圧水銀灯を用いて、この溶液を２時間照射した。照射後、溶液をビーカーに移し、加熱して液体を除去した。サンプルを次に真空オーブン中に３日間置き、過剰の有機物を除去した。
【０２４６】
これらの酸化物材料類は、スピンコーティング法を用いて基板に添加した。導電層を含むガラススライドを真空チャック上に置き、１０００ｒｐｍで回転させた。ＴｉＯ２コーティングのため、前記酸処理材料０．５ｇをｉＰｒＯＨ  ４０ｍｌに添加し、３０分間混合した。Ｈ２Ｏ  ０．０５０ｍｌとチタニウムイソプロポキシド（ＴＴＩＰ）０．１００ｍｌをこの溶液に添加した。３０分間混合後、溶液を回転中の基板に対して総容量約１２ｍｌで滴下した。ＭｎＯ２を含む構築物の場合、ＴｉＯ２を９ｍｌ添加した後、ＭｎＯ２  ０．２０ｇを残りのスラリーに添加した。生成した溶液を正確に４ｍｌ基板に滴下、添加した。ＲｕＯ２／ＰｔドープＴｉＯ２（０．１２５ｇ）をｉＰｒＯＨ  １０ｍｌに添加した。１５分間混合後、水５０μｌとＴＴＩＰ２５μｌを添加し、さらに１５分間混合させた。この溶液を次に前記基板に対して総容量９ｍｌだけ滴下した。
【０２４７】
被覆サンプルは全て、室温で一晩風乾させた。それらを次に、予め加熱した管状炉に入れ、窒素流量１Ｌ／分の条件下で４５分間加熱した。サンプルを加熱する温度は、導電層の組成に大きく依存していた。最低温度においてさえもいくつかの材料が部分的または完全に酸化されることが初期に観察された。したがって、ＴｉまたはＩＴＯの導電層を含むサンプルを３５０℃で加熱し、一方、ＮｉまたはＣｒを含むサンプルは、２０９℃で加熱した。
【０２４８】
（活性酸素測定）
酸化還元色素（メチルビオロゲン、ＭＶ２＋）１５０ｐｐｍとともにロッケ溶液により、試験溶液を調製した。安定状態条件になった後、この溶液にＵＶ光を照射し、ブルーカラー出現［ＭＶ２＋（無色）＋ｅ−  →  ＭＶ＋（ブルー）］と溶存酸素をモニターした。気体サンプル（大気によらない（Ａｒ存在によって証明）ＣＯ２、Ｏ２）をＧＣアッセイ用に集めた。これらの段階を、メチレンブルーの１０μＭ生理食塩水溶液ＭＢを用いて繰り返し、照射時間とともにＭＢ濃度低下（ブルーカラーの退色）を認めたが、他では認めなかった。メチレンブルー（濃６６０ｎｍ）に使用したモル吸光度は、６６，７００±３５０ｃｍ−１Ｍ−１であった。
【０２４９】
（溶存酸素発生の測定）
液相反応チャンバを用いて、溶存酸素発生をモニタリングした。この装置は、クラークエレクトローデ（Ｃｌａｒｋ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を用いて溶存酸素を測定する。溶存酸素センサーについて２点校正操作を用いた。３６℃の空気飽和水（２１７．２ｎｍｏｌ／ｍｌ）２．３５ｍｌをセルに添加し、測定値を得た。次に、セルを空にし、窒素でフラッシュし、ゼロ酸素測定値を得た。次に、血液代替え物を温度３６℃で容量２．３５ｍｌでバッチセルに添加した。この血液代替え物は一般的にロッケ−リンゲル液（登録商標）と称されており、０．１５Ｍ  ＮａＣｌ、５．６ｍＭ  ＫＣｌ、４．２ｍＭ  ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏおよび７．１ｍＭ  ＮａＨＣＯ３を含んでいる。添加してまもなく、前記溶液の脱酸素化を窒素通気によって行った。いったん酸素含量が最小レベルに低下すると、窒素通気を停止し、光反応性構築物およびＰｔ配線対向電極を添加し、反応チャンバを密封する。噴射管をとりのぞきチャンバを密封するプロセスにより、大気から酸素が一部システムに再度入るようになる。酸素濃度が平衡に達するにはしばらく時間がかかる。いったんこれが起こると、セルにバイアス電圧を印加し、電場を作り、光産生電子類の瞬間除去を促進するが、電気化学的反応を起こすには不十分である。ＤＣ電源を用いて、このシステムにこの定電位を付与する：Ｐｔ配線はカソードとして接続され、光活性構築物から伸びているが試験溶液には暴露されていないＣｕ配線がアノードとして接続される。電流を、高インピーダンスＶＯＭマルチメーターにより測定する。ＵＶ線源は、液体光導体を介して反応チャンバに向ける。この導体から出た光をフィルター通過させ、３６５ｎｍのみの光を作らせる；この波長における強度は８８．１ｍＷ／ｃｍ２である。システムを反応チャンバ側面の小さい石英ウィンドウを介して照射する。実験のほとんどについて、ＵＶ光はオンとオフを数回循環させ、酸素産生が確実に光触媒現象の結果であり化学反応による電気すなわち電解によるものでないようにした。照射中における溶液加熱は、反応チャンバを取り囲む水ジャケット使用により防止した。このジャケットを流れる恒温、循環水浴からの水はこのシステムを実験中ずっと一定３６℃に保持した。
【０２５０】
（追加的方法およびさらに詳細の開示）
（バッチセル溶存酸素産生）
Ｈａｎｓａｔｅｃｈ液相反応チャンバを用いて溶存酸素産生をモニタリングした。この装置は、クラークエレクトローデ（Ｃｌａｒｋ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を用いて溶存酸素を測定する。溶存酸素センサーについて２点校正操作を用いた；３６℃の空気飽和水（２１７．２ｎｍｏｌ／ｍｌ）２．３５ｍｌをセルに添加し、測定値を得、次にセルを空にし、窒素でフラッシュし、ゼロ酸素測定値を得た。次に、血液代替え物を温度３６℃で容量２．３５ｍｌでバッチセルに添加した。この血液代替え物は一般的にロッケ−リンゲル液と称されており、０．１５Ｍ  ＮａＣｌ、５．６ｍＭ  ＫＣｌ、４．２ｍＭ  ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏおよび７．１ｍＭ  ＮａＨＣＯ３を含んでいる。添加してまもなく、前記溶液の脱酸素化を窒素通気によって行う。いったん酸素含有量が最小レベルに低下すると、窒素通気を停止し、光反応性構築物およびＰｔ配線対向電極を添加し、反応チャンバを密封する。噴射管をとりのぞきチャンバを密封するプロセスにより、大気から酸素がシステムに入るようになる。酸素濃度が平衡に達するにはしばらく時間がかかる。いったんこれが起こると、セルにバイアス電圧を印加する。ＤＣ電源を用いて、このシステムに一定電位を付与する：Ｐｔ配線は、カソードとして接続され、光活性構築物から伸びるＣｕ配線がアノードとして接続される。電流を、マルチメーターにより測定する。ただし、この回路が完成しておらずシステムにＵＶ光を照射しないと電流が観察されない。ＵＶ線源を、液体光導体を介して反応チャンバに向ける。この導体から出た光をフィルター通過させ、３６５ｎｍのみの光を作らせる；この波長における強度は８８．１ｍＷ／ｃｍ２である。システムを反応チャンバ側面の小さい石英ウィンドウを介して照射する。実験のほとんどについて、ＵＶ光はオンとオフを数回循環させ、酸素産生が確実に光触媒現象の結果であり電気電解によるものでないようにした。照射中における溶液加熱は、反応チャンバを取り囲む水ジャケット使用により防止した。このジャケットを流れる水が、このシステムを実験中ずっと一定３６℃に保持した。
【０２５１】
（量子収率計算）
光化学反応全てについて非効率が起こり、吸収光子類全てが生成物につながるわけではない。したがって、量子収率をこの反応について計算した。吸収光子の数は、フェリオキサレートアクチノメトリによって決定した。フェリオキサレート（Ｆｅ３＋）溶液にＵＶ光を照射すると、Ｆｅ２＋が作られる。Ｆｅ２＋収率は、１，１０−フェナンスロリンと錯体形成させることによって求める。３６６ｎｍにおける□Ｆｅ２＋が１．２１であることが周知であり、従って、形成されたＦｅ２＋のモル数（ｎＦｅ２＋）を測定することによって、問題の反応の量子収率（□ＤＯ）を
【０２５２】
【数３３】
2004536682.tif 000039
によって計算できる。
【０２５３】
カリウムフェリオキサレートは、１．５Ｍ  ＦｅＣｌ３水溶液２５０ｍｌと１．５Ｍ  カリウムオキサレート水溶液７５０ｍｌを混ぜることによって、調製した。強く混合すると緑色の沈殿が生成され、それを次にろ過し、熱水に再溶解させ、再結晶させた。生成したカリウムフェリオキサレートの純粋結晶を５０℃のオーブン中で１時間乾燥させた。６ｍＭカリウムフェリオキサレート含有０．１Ｎ  硫酸溶液を、反応チャンバに添加し、１０分間照射した。照射後、前記溶液１．０ｍｌをチャンバから取り出し、水０．８ｍｌ、０．１ｗｔ％の１，１０−フェナンスロリン溶液０．２ｍｌおよび１．７Ｎ  酢酸ナトリウム１００ｍｌおよび１Ｎ硫酸６０ｍｌから調製した緩衝液と混ぜ、１６６ｍｌに希釈した。同一溶液を調製したが照射せず、ブランクとして使用した。これらの溶液を暗所に１時間保持し、Ｈａｃｈ  ＤＵ／４０００１２  ＵＶ−ｖｉｓスペクトロホトメーターによって１ｃｍパス長のセルを用いて分析した。形成されたＦｅ２＋モル数は、下記の等式によって求めた
【０２５４】
【数３４】
2004536682.tif 000040
式中、Ｖ１＝照射アクチノメーター溶液容量、Ｖ２  ＝  チャンバから抽出したアリコット容量、Ｖ３＝アリコット希釈後の最終容量、ｌ＝スペクトロホトメーターセルのパス長、および□＝Ｆｅ２＋錯体のモル吸光係数であった。
【０２５５】
０．５ｍＭ  硫酸第２鉄とともに０．１Ｎ硫酸溶液を０、１、２、３、４および５ｍｌを含む６種の一連の溶液を用いてＨａｃｈを校正した。これらの溶液を次に０．１Ｎ  硫酸で１０ｍｌに希釈した。次に、０．１ｗｔ％１，１０−フェナンスロリン溶液２ｍｌ、前記緩衝液５ｍｌ、および水３ｍｌを各サンプルに添加した。暗所で１時間放置した後、これらの溶液を用いて、ＵＶ−ｖｉｓスペクトロホトメーターによって５１００オングストロームで決定したＦｅ２＋錯体のモル濃度に対してｌｏｇ（Ｉ０／Ｉ）をプロットすることによって、モル吸光係数を得た。得た値は、１．１７＊１０４リットル／ｍｏｌ−ｃｍであった。
【０２５６】
（ガラス／石英スライド調製）
１．スライドをトルエン（またはＭＥＫ）中で振り動かすことによって脱脂する。瞬間的に風乾させる（１分未満しかかからないはずである）。
【０２５７】
２．温Ｍｉｃｒｏ（登録商標）洗浄溶液中に（２分間）浸漬。
【０２５８】
３．噴出瓶からの１８ＭΩのＤＩ水（以下、“水”）で完全に洗浄。
【０２５９】
４．直ぐ水浴中に２分間、浸漬。
【０２６０】
５．噴出瓶からの水で完全に洗浄。水切り、しかし乾燥させない。
【０２６１】
６．注意しながら濃硫酸溶液中に沈める。（硫酸を今後の試験でも使えるように蓋つき瓶を使用）。２分間放置。スライド出し入れする際にはＰＰ止血鉗子を用いスライドを支持。
【０２６２】
７．スライドを取り出し、水切り、ビーカーからそれを動かして硫酸から離し、次に水で完全洗浄。（注意：濃硫酸に水滴が添加されると、それをはじけさせる。）
８．水浴に２分間浸漬。
【０２６３】
９．水破壊試験を実施。
【０２６４】
１０．カバーウオッチガラス付きのプラスチック（Ｎａｌｇｅｎｅ（登録商標））ビーカーを用いフード中で、スライドを０．１％ＨＦと１Ｎ  ＨＣｌ溶液に２分間浸漬（浸漬時間は、今後の試験のために調整可能なパラメータである）。
【０２６５】
１１．ここで、ガラス表面は、Ｓｉ−ＯＨ結合基類を多量に含有している。これらのスライド類を湿潤のままに保つことで、５％ＨＮＯ３中に無限に保存可能。
【０２６６】
（粒子調製）
１．ＴｉＯ２（アナターゼ）１．０ｇをカバーウオッチガラスと磁気攪拌棒付きのプラスチック（Ｎａｌｇｅｎｅ（登録商標））ビーカーに添加し、次にフード中で、０．１％ＨＦおよび１Ｎ  ＨＣｌ  ８０ｍｌをこれに添加。攪拌開始。固体が十分に懸濁されるまで攪拌。６０秒間混合し、すぐに次の段階に進む。（この段階でのＨＦレベルと反応時間は調整可能なパラメータである。粒子重量を測定可能なほど減少させないことが重要。目的は、それらの表面を変化させることだけである。）
２．このスラリーを５０ｍＬ容量の蓋付き遠心管２個に分割し、遠心し（５分間で十分であろう）、もしそうでなければ１０分間試す。
【０２６７】
３．上清を廃棄物容器に捨てる。
【０２６８】
４．各遠心管を水４０ｍｌずつで３回洗浄（添加し、蓋をし、十分にボルテックスし、遠心し、捨て、繰り返す）。これらの細かい粒子の沈殿特徴−上清は透明であるか？稠密ケーキが産生されるか？沈殿が迅速に起こるか？など−に注意する。
【０２６９】
５．各遠心管に対してイソプロパノール４０ｍｌずつで３回洗浄（添加し、蓋をし、十分にボルテックスし、遠心し、捨て、繰り返す）。
【０２７０】
（コーティングのガラススライドへの適用）
１．前処理アナターゼ粒子類を段階Ｂ．５からの遠心管のひとつからイソプロパノール（イソプロピルアルコール、ｉＰｒＯＨ）をガラス顕微鏡スライドをカバーするだけ十分に深い長く／細い瓶中で磁気的に再懸濁させる。粒子を懸濁したままに保つため、磁気攪拌を始める。使用粒子の量は、製造する最終コーティングの厚さを決定する際に、調整可能なパラメータである。
【０２７１】
２．十分量のＴｉ（ｉＯＰｒ）４（ＴＴＩＰ）を添加し、０．２容量％溶液を得る（例えば、使用したｉＰｒＯＨ８０．０ｍＬ当たり１６０μｌのＴＴＩＰを上記段階で添加することによって）。
【０２７２】
３．プラスチック止血鉗子を用いてこのスライドを保持し、セクションＡの処理ガラススライドを噴出瓶からの水で完全に洗浄。表面がまだ水破壊試験に合格することを確認。次いで、スライド表面は洗浄ボトルからの噴出を用いてｉＰｒＯＨで完全に洗浄。スライドをｉＰｒＯＨ中に２分間浸漬し、再度、洗浄ボトルからの噴出を用いてｉＰｒＯＨで洗浄。すぐに次の段階に進む。
【０２７３】
４．前の段階からのスライドをすぐに、上記の段階Ｃ．１とＣ．２で作製した混合スラリー中につるす。攪拌を良好に維持するようにする。容器に蓋をし、大気からの湿分取り込みを最小とし、１２０秒間反応させる（この反応時間は調整可能なパラメータであるが、数分後にはおそらく強いものではない。この間、ＴＴＩＰはガラススライド表面上のＳｉ−ＯＨ基と反応し、Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−Ｔｉ−ｉＯＰｒ結合を形成するが、これらは下記の加熱段階までは迅速には形成されないかもしれない）。
【０２７４】
５．スライドを非常にゆっくりと（例  １ｃｍ／分）４／３止血鉗子を用いて取り出し、このスライドを真空デシケータ中に逆さにしたボトルキャップ上に平らに置き（数分間だけ）乾燥させる。どの側が“上”かを追跡し続ける。水蒸気はスライド表面にまで拡散して加水分解反応（ゾル−ゲル中の“ゾル”）を起こすので、室内大気中における放置時間（湿度レベルと接触時間）は調整可能パラメータである。すなわち、
【０２７５】
【数３５】
2004536682.tif 000041
過剰の水分は、スライド表面シラノール基が反応するかもしれないので、避けなければならない。すなわち、
【０２７６】
【数３６】
2004536682.tif 000042
同様の反応が、アナターゼ粒子をガラス表面に対しておよび互いに結合させる、
【０２７７】
【数３７】
2004536682.tif 000043
しかし、表面Ｓｉ−ＯＨおよびＴｉ−ＯＨ基の脱水が起こると低エネルギーでｉＰｒＯＨ生成物を作成する（すなわち単純なＨ変換反応である）ために必要な水素を除去してしまうため、完全乾燥（水非含有）表面も有用ではない。
【０２７８】
この室温条件で過ごす時間は、この間コーティングが上記反応によって“硬化”する（ゆっくりと反応する）ので、調整可能である。時間とともにコーティング外観がどのように変化するかに注意。
【０２７９】
６．平らに置いたまま、このスライドを８０〜９０℃で２０分間オーブン乾燥させ、硬化を完結させる。これらのパラメータ（Ｔおよびｔ）もまた、加熱速度（℃／分）のように調整可能である。余りに早く加熱すると溶媒を“噴出”させ、ガス噴出により膜の大きな破壊が起こる。余りに高い温度に加熱すると濃縮が余りに強く起こり、その結果収縮し、膜が引きはがれクラックが発生する。この過熱効果は、特に次の段階で真実である。しかし、水が浸入しかつ活性酸素が反応域を出ることができるように、多孔性も重要であると予期されることに注意。
【０２８０】
７．３〜６段階をさらに３個のスライドについて繰り返す。しかし、これらのスライドについて、前記プロセスを２、４および８回それぞれ繰り返し、より厚い膜およびより薄い膜を有する一連のスライドが得られるようにする。
【０２８１】
８．全スライドを２時間、２５０℃まで加熱し、前記コーティングを完全に硬化固化させる。この温度は、ＴＴＩＰから形成されたアモルファスＴｉＯ２をアナターゼに変換するために必要である。
【０２８２】
９．段階８を変化させたものでは、前記コーティングを３℃／分の速度で３５０℃まで加熱しこの温度に２時間保持することを除き、上記のようにして前処理した別のスライドを用いて、別個の試験を行う。
【０２８３】
１０．段階８の別に変化させたものでは、上記で用いたアナターゼ／ＴＴＩＰスラリーの代わりに参考文献４４のようにゾル−ゲル溶液を作製する。
【０２８４】
１１．取り出し、室温まで冷却させる（どの側面が上かを追跡続ける）。
【０２８５】
１２．コーティング接着（ラバーポリースマンによる磨耗、テープテスト等）を試験し、厚み、くしゃくしゃになりやすさ／フレークはがれ、見た目等について測定／推定する。
【０２８６】
１３．接着および他の性質改良のため、必要に応じて実験を繰り返す（実験説明本文で示した調整可能パラメータを参照）。さらに、４００℃１時間処理を用いて、ＴｉＯ２（アナターゼ）粒子を石英砂上で硬化させた。
【０２８７】
１４．この被覆したスライドを活性酸素産生試験に供する。
【０２８８】
（活性酸素試験）
１５０ｐｐｍの酸化還元色素（メチルビオロゲン、ＭＶ２＋）を有する（ロッケ溶液）生理食塩水試験溶液を調製した。被覆試験スライドを付属ＵＶランプ／レーザーとともに組み立てた。第１溶液を第２溶液にバッチとしてまたは循環ポンプにより添加。安定条件確立後、ＵＶ光でこのコーティングを照射した。生理食塩水溶液は、ブルーカラー［ＭＶ２＋（無色）＋ｅ−→ＭＶ＋（ブルー）］出現と溶存酸素をモニターした。ガスサンプルをＧＣアッセイ用に集めた（空気由来ではない（Ａｒ存在により証明）ＣＯ２、Ｏ２）。これらの段階は、メチレンブルーの１０μＭ生理食塩水溶液（参考文献４５）ＭＢを用いて繰り返し、照射時間とともにＭＢ濃度低下（ブルーカラーの退色）を観察したが、他ではなかった。６６０ｎｍにおける下記メチレンブルー濃度について用いたモル吸光度は、６６，７００±３５０ｃｍ−１Ｍ−１であった。
【０２８９】
（ガラススライドに対するアナターゼナノ粒子の高分子ゾル−ゲルバインダー）
全般操作は、Ｊ．Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ３９（１９８８）、２４３からである。
全般条件
＊  Ｈ２Ｏ／Ｔｉ（ｉＯＰｒ）４＝４．０（モル比）
＊  ＨＮＯ３／Ｔｉ（ｉＯＰｒ）４＝０．０２５（モル比）
＊  ｉＰｒＯＨ／Ｔｉ（ｉＯＰｒ）４＝２８（モル比）
＊  ゲル化時間＝１．５時間（比Ｈ２Ｏ／Ｔｉ（ｉＯＰｒ）４の低下とともに急激に増加するが、コーティングのクラッキングは、Ｈ２Ｏ／Ｔｉ（ｉＯＰｒ）４増加とともに急激に増加する）
＊  スライド類および微粒子類は、脱脂、ＨＦ前処理（Ｔｉ被覆スライド用ＨＦを除く）等による通常の方法で前と同じく前処理した。
【０２９０】
（操作）
１．超音波処理、表面活性化アナターゼ粒子０．５ｇをｉＰｒＯＨ２５ｍｌ中に調製する（これまでの操作それぞれについてと同じく、ＨＦ処理を含める）。
【０２９１】
２．ディスク磁気スターラーとカバーガラスを有する５０ｍＬのビーカーに移す（１）。
【０２９２】
３．強い攪拌を開始する。
【０２９３】
４．Ｔｉ（ｉＯＰｒ）４  ２１０μＬ（７０４μモル）を添加する（ＦＷ  ２８４．２６ａｍｕ、ｄ＝０．９６３ｇ／ｃｃ）。
【０２９４】
５．強い攪拌を続けながら、ｉＰｒＯＨ  ５．０ｍＬ中に溶解させたｈ．ｐ．（高純度）ＤＩ水５０μＬ（２．８１ｍｍｏｌ）を添加する。
【０２９５】
６．ウオッチガラスでカバーし、３０秒間強く攪拌し、その後ゆっくりと３０分間攪拌する。その後停止、攪拌棒を取り除く。
【０２９６】
７．３０分後の生成物は、ＴｉＯ２高分子ゾル中に懸濁したアナターゼ粒子類を示す。視覚的外観（色、コロイド安定性、沈殿（ｐｐｔ）または凝集傾向等）を記録する。この混合物は時間（調整可能パラメータ）とともに濃厚になる（ゲル）。
【０２９７】
８．ピペットを用いて、段階７からのアナターゼ粒子を含む高分子ゲル１．００ｍＬをペトリ皿内部に平坦に置いた調製ガラススライドに移す（スライドは、通常の脱脂／ＨＦ操作を用いて調製）。
【０２９８】
９．ペトリ皿に蓋をし、室温で一晩放置する。
【０２９９】
１０．アナターゼ粒子を含む透明支持ゲルに膜が出てきたはずである。
【０３００】
１１．この膜を２５０Ｃで３０分間、加熱速度１０Ｃ／分を用いて硬化させる。
【０３０１】
１２．冷却させ、その後、試験、造影等する。
【０３０２】
Ｔｉ被覆スライド類を用いて上記試験を繰り返す。
【０３０３】
メチルビロロゲンジクロリド水和物は、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍ．Ｃｏ．から（Ｃａｔ．Ｎｏ．８５，６１７−７）から入手した。この色素は、ＵＶ（＜４１８ｎｍ）光活性化アナターゼＴｉＯ２から電子を拾うとブルーに変わる。もし活性化酸素が同様に（例  添加メタノール、蟻酸等によって）消費されるならば、その際には、発色がより強くなる（電子移動高収率）。
【０３０４】
（結果の要約）
当初の目的は、薄膜構築物を用いて合成血清（ロッケのリンゲル）を再酸素化するための光分解概念の可能性を試験することであった。上記の試験セルは、（ＭｎＯ２層ありおよびなしで）照射中のみ前記化学変換が活性表面材料と関連して起こったことを証明できた。アナターゼマトリックスへのＴｉＯ２薄膜のエネルギー供給とそれによる上述の化学反応シークエンスの活性化が、いくつかの基準によって示された。
【０３０５】
ＵＶ光由来エネルギーを用いるアナターゼ表面での活性酸素発生は、ＵＶレーザー照射側と反対のアナターゼ膜表面におけるメチレンブルー色素の消失によって証明された（図示せず）。次に、等式１由来エネルギーを用いた“自由電子”すなわちｅ−のアナターゼ表面における発生は、照射側と反対のアナターゼ表面におけるメチルビオロゲンブルー色の出現によって証明された。電子が産生されつつある活性酸素と再結合しないように電子が導電性表面へ運搬され、そこでそれらが除去されるが、このことは、アナターゼセミコンダクター膜中での金属性コレクター、配線およびａｍｐメーターへの電流によって証明された。電流は、レーザーがオンであるときのみ流れるのが観察され、オフの時には全く観察されなかった。この効果は多くのオフ／オンサイクルで観察され、測定電流は、レーザー強度に比例していた。Ｈ＋イオンの発生は、光分解誘導の関数として、光分解セル中でのアノードおよびカソードにおける反対方向への等価ｐＨ変化によって示唆された。最後になるが、重炭酸イオンのＣＯ２への変換は、排出ガスの直接ガスクロマトグラフィ分析によって測定し、大気中レベルよりも有意に高いことがわかった。
【０３０６】
溶存酸素の光分解発生は、アナターゼチタニア（ＴｉＯ２）光子アブソーバーと溶存第２鉄イオンのｐＨ１．９のスラリーを電子アブソーバーとして用いて、液相セル中に示した。ここでの第２鉄イオンの使用により電気的に単離したセル配置内部で試験ができるようになり、その中で、第２鉄イオンは、比較的低ｐＨによって溶液として維持される。第２鉄イオンは、アナターゼからの光分解移動電子（Ｆｅ３＋＋ｅｓｃｂ−＝Ｆｅ２＋ａｑ）の吸収によって光分解中に第１鉄イオン（Ｆｅ２＋ａｑ）に変換されることを特徴としている。この光活性化アナターゼはこのとき電子欠乏で高エネルギーであり、これが隣接水分子からの電子に取って代わる。これは、液体水の高熱動態安定性にかかわらず光子の高エネルギーレベルにより起こる。第２鉄イオンがないと、溶存酸素交換も酸素枯渇もない。酸素は電子による化学的還元によって枯渇し、それらは光分解とともに集積する。これらのブランク条件（大気ありおよびなし）の両者ともに、第２鉄イオン非存在下における記載の実験装置により実証された。同様に、適切な光分解時間後、第２鉄イオンはほとんど完全に第１鉄イオンに変換された。したがって、第２鉄イオンの大半が枯渇したという事実により、Ｏ２発生速度が低下する。この現象は、Ｏ２が反応に現在利用可能な光分解生産電子と再結合することに原因していた。ＵＶ光をオンおよびオフに循環させることによって、セルを照射したときにのみ酸素発生が起こったことおよび他では起こらなかったことを示した。
【０３０７】
前記構築物の導電層とＰｔ対極間に電位が照射中存在することにより、光分解層全体に電場を生じ、それは、電子をＴｉＯ２層から遠く離れて流れるようにし、かつその結果、溶存酸素発生が増強した。電圧バイアスを取り除きＵＶ光照射をやめると、酸素濃度が低下し電流フローが短時間に逆転することが観察されている。この電流の逆転は、照射中光分解構築物内部で電荷集積が起こることを示唆している。一旦、光源とバイアス電圧を停止すると、電子はまた半導体層中に流れ出し、酸素は等式１にあるように吸着される。
【０３０８】
上記に述べた可能性結果に基づき、本出願人らは、プロトタイプの光分解モジュールを設計し、それを、物理的かつ化学的構造の観点から図示する。このシステムの重要な特徴は、１）ガス相物質類すなわちＣＯ２、Ｎ２または過剰のＨ２の選択的除去が、孔径が選択的に溶存酸素のような大きな水和分子類を排除するようになっている気体透過性管系セットを介して、光分解誘導直後に溶存酸素を豊富に含む流体に対して行われるであろうということ、２）“積み重ね”構造の光分解表面構造はそれによって単一光源が比較的限定された物理的空間内部のいくつかの表面で光分解変換を誘導できるようにすることを含み、その入口および出口フローは、各端部のフローディストリビューターを介して緊密に制御されている。この構造の結果、光分解誘導のための機能性表面積が大きく増加し、さらに分子収率に対してレーザー電力が有意により効率的に使用されることになる。
【０３０９】
（詳細な結果）
３６℃のロッケリンゲル溶液（ｐＨ約７．２）に接触したＴｉＯ２を高圧水銀灯（３６５ｎｍにおける０．９３ｍＷ／ｃｍ２）を用いて照射しても、酸素発生には至らなかった。実際、電子アクセプターが全く存在しないと、等式：
【０３１０】
【数３８】
2004536682.tif 000044
に従って、ＴｉＯ２表面への酸素の光吸着が起こる。以下の実験では、電子引き抜き方法２種を用いた−溶液状になった別の電子アクセプターイオン類と電圧バイアスで電流フローを誘導する。
【０３１１】
次いで、第２鉄イオンを電子アクセプターとして硫酸溶液（ｐＨ＝１．９）中で用いた。酸素産生は、高圧水銀灯（ＨＰ  Ｈｇ）または高強度ＥＦＯＳランプ（３６５ｎｍにおける８８．９ｍＷ／ｃｍ２）のいずれかを用いたときに、観察された。より高い電力ランプによると、産生速度がはるかに大きくなった。ＥＦＯＳ照射の時１１２．８ｎｍｏｌ／ｍｌ／ｓであり、ＨＰ  Ｈｇ照射の時５．０７６ｎｍｏｌ／ｍｌ／ｓであった。また、システムが照射されているときのみＯ２産生が起こることが観察された。ＥＦＯＳランプをオフにすると、酸素発生が止まり、Ｏ２濃度がわずかに低下した。濃度のこうした低下はまた、電子除去第２方法−電圧バイアス適用を用いた実験中にも観察された。照射中構築物の導電層とＰｔ対向電極の間に＋１ｖ電位が存在すると、ＴｉＯ２層から電子を遠く流れるようにし、その結果、酸素産生が起こる。しかし、電圧バイアスを取り除きＵＶ照射を停止すると、Ｏ２濃度が低下し、電流フローが短時間に逆転するのが観察される。この電流逆転は、照射中に光分解構築物内部で電荷集積が起こることを示唆している。一旦、光源とバイアス電圧をオフにすると、電子は、半導体層中にまた流れ始め、酸素は等式１に示したように吸着される。
【０３１２】
導電層としてチタンを含む光分解構築物を、表１に含めた。これらのサンプル全てをＴｉＯ２を光活性層として使用した。表からわかるように、チタン金属厚が酸素産生速度に影響した。導電層の抵抗が、酸化のため熱処理後に増加した。この薄層の導電性の喪失は有意であり、それらが電子溜め（シンク）として作用しないように防止した。酸素産生がほとんどないかまたは全くないことが、これらのサンプルについて観察された。酸素産生は、ＵＶおよびバイアス電圧両者がサンプルに適用されたときのみ起こった。光源または電圧源のいずれかがオフになると、酸素産生が停止した。
【０３１３】
（表１）
（導電層として種々の厚さのチタン金属を有するサンプル）
【０３１４】
【表２】
2004536682.tif 000045
（溶存酸素生成実験を、ＥＦＯ光源（３６５ｎｍで、８８．９ｍＷ／ｃｍ２）および＋１ｖのバイアス電圧を用い、３６℃で、２．３５ｍｌロッケリンゲル溶液中で実施した。）
他の材料についても光分解構築物の導電層としての用途を試験した。表２はこれらの材料を示し、酸素産生実験結果を示している。前記材料には、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、クロム、ニッケルおよび銅が含まれていた。一旦、光活性層が適用されると金属Ｃｕは室温においてさえも完全に酸化するので、導電層として銅を含むサンプル類をＤＯ実験では使用しなかった。ニッケルを含むサンプル類は、酸素を産生しなかった。電流フローが観察されたが、Ｏ２の光吸着が主要なプロセスであった。クロム含有サンプルは、少量の酸素放出に成果をあげた。合成パラメータの効果が、この一連の構築物中で観察された。加熱硬化も、サンプル番号９０−１６−３およびサンプル番号９０−２３−４で観察できる。前者のサンプルは３５０℃で４５分加熱し、後者のサンプルは、２０９℃で４５分加熱した。高温では導電性が大きく損なわれる結果となり、それは酸素発生ゼロと言い換えられた。酸処理も酸素発生に効果を有している。サンプル番号７５−９４−３は、１Ｎ  ＨＣｌで３０秒処理し、サンプル番号７５−１００−１は、６０秒間処理した。３５０℃における同様の熱処理後において、生成した構築物は同様の抵抗を有していることがわかった。しかし、酸処理の効果は、サンプル番号７５−１００−１の酸素産生速度低下でみることができる。
（表２）
（導電層として種々の厚さのＮｉ、Ｃｒ、およびＩＴＯを有するサンプル）
【０３１５】
【表３】
2004536682.tif 000046
（ＤＯ生成実験を、ＥＦＯ光源（３６５ｎｍで、８８．９ｍＷ／ｃｍ２）および＋１ｖのバイアス電圧を用い、３６℃で、２．３５ｍｌロッケリンゲル溶液中で実施した。）
ＩＴＯは透明、導電性材料でありＵＶ光を基板を介して通過させることによって光活性層の照射を可能とするであろうことから、それを使用した。この方法は、溶液媒体とＵＶ光の直接相互作用を防止するので、重要である。これらのサンプルは全て、酸素放出する結果となった。前記ＩＴＯ含有サンプルの３個について得た酸素濃度値を比較することによって、前記酸処理が導電性および半導体（光活性）層の間の連続電子通路を形成する点で重要であることが明らかである。１Ｎ  ＨＣｌ中で６０秒間処理したサンプルは最大Ｏ２放出を示し、電荷集積はほとんどなかった。しかし、酸中で３０秒間処理したサンプルは、低酸素産生速度と光活性層における電荷集積増加を結果として起こした。
【０３１６】
光分解反応は元来いたるところにあるメカニズムであり、それによって光を用いて代謝を稼動させる。一番知られている光分解反応のひとつは一連の反応である光合成であり、それによって緑色植物はおよびある菌類は太陽光を利用して、ＡＴＰを産生しつつ二酸化炭素と酸素との交換を触媒する。本発明において、これらの原則を新規形態の人工肺開発に適用しようとしたが、それは、外来からのガス運搬を行うことなくすなわち“タンクなし”の呼吸器補助システムとして血液中でガス交換を実行する能力を有するであろう。本発明は、一連の光触媒化学反応を介して血液に類似した水性媒体中で直接溶存酸素を発生させる能力を有するシステムを提供する。プロトタイプの体外光分解モジュールを構築し、その中では、溶存酸素発生がＣＯ２クリアランスと結びつけられており、後者はＣＯ２、Ｈ２、およびＮ２のようなガス相分子類の選択的拡散を介して、溶存酸素のような液相分子類を保持しつつ、実施された。このミクロスケールにおける人工酸素発生の実証は高収率のマクロスケール装置に拡大でき、生理的ガス交換用体外光分解機構を有効に構築できる。
【０３１７】
この問題について述べるため、本発明は、植物が溶存酸素を水、光合成から直接産生し、それによって気体状態を全くなくしてしまう自然プロセスを模倣している。本発明は、化学反応カスケードの光活性化を介して液体中溶存酸素量を有意に増大させる方法を提供する。第１の目標は、患者における治療のためのガス交換を達成するために体外装置、次に高度に小型化した体内装置を提供する。この一般的手法は新規であるが、それには、数種の十分に特性解析された光化学反応を組み合わせることが必要である。いかなる人工肺技術もｐＨバランスを変えることなくまたは血球溶解を誘導することなく、生理的ガス交換を達成できなければならないと認識されている。光合成の間、酸素は、圧力、温度およびｐＨの緩和な条件下で光分解エネルギーを用いて、水から光分解的に発生し、その間、水素イオン類を放出する。水素イオン類は血清中に存在する重炭酸イオンの溶液中に放出されるが、これらのイオン類の炭酸への変換を起こさせ、それらは血液の天然成分であるカルボニックアンヒドラーゼ存在下において水およびＣＯ２に自動的に分解される。
【０３１８】
本発明のため、十分に特性解析されている半導体金属酸化物すなわちチタニアすなわちＴｉＯ２のアナターゼ形態を光吸収要素として選択した。この酸化物が光分解されると、活性酸素が光合成色素類（すなわち、クロロフィル類）よりもかなり長く持続して発生するように活性酸素が発生する結果となる。重要であるのは、３５４ｎｍのＵＶレーザー光による活性化と関連した光エネルギーが、選択的に、前記のＴｉＯ２半導体電子遷移（３５０−３８９ｎｍバンドまたは約３．２ｅＶ）を励起し、無駄になる放射線または送波（トランスミッション）は最小である。エネルギー必要性を低下させるためおよび可視光線範囲で活性化させるためにさえも、特定のドーパントをこの波長に合わせることもできる。ＵＶエネルギーはアナターゼ中で電荷分離を起こし、次にそれは、活性酸素と自由電子を産生するが、後者は電気的に運ばれ去ってしまう。一般的手法では、光エネルギーを利用して血液酸素化のため活性酸素を溶存酸素に変換する。一般に、拡散層は、光分解透明性によっておよび電気化学的伝導によって光分解部位へおよび光分解部位からの電子の電気伝導を用いることによって（自然界での光合成におけると同様に）最小にした。我々の研究による重要な知見は、１）ＴｉＯ２（アナターゼ）の薄膜が高効率ＵＶ吸収とエネルギー伝達が可能であり、および“活性酸素”またはＨ２Ｏ２ならびにアナタ−ゼ表面への自由電子発生が可能であること；２）溶存酸素は活性酸素から活性酸素形状の過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を用いて光分解的に発生させることができることである。従って、光分解酸素発生の重要化学的面全ての可能性を我々の試験系で確立した。
【０３１９】
本発明におけるさらなる開示は、酸素化プロセスで産生される二酸化炭素および水素が血流から除去できるようにするためのガス透過性表面を提供することである。典型的には、平坦表面形状の膜類（それらは巻いてしまうことができる）または管状物が使用される。典型的には、二酸化炭素および水素の透過性が高く酸素透過性の低い管状物が使用される。典型的には、テフロン（登録商標）系膜類および管状物は本発明で最も有用である。特に好適な材料は、テフロン（登録商標）ＡＦ管状物（または平らな平板または巻いてあるもののような異なる形状の同一材料）である。このような表面の孔径は単細胞生物またはウイルス類のような微生物類の通過に必要なそれよりもはるかに小さいと考えられる。
【０３２０】
好適なテフロン（登録商標）ＡＦ管状物は、Ｂｉｏｇｅｎｅｒａｌ、９９２５  Ｍｅｓａ  Ｒｉｍ  Ｒｏａｄ，Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，ＣＡ９２１２１から入手可能である。
【０３２１】
それは下記の有用な性質を有している。
【０３２２】
【表４】
2004536682.tif 000047
ｃＢ＝センチバーラー
要約すると、光誘導を介して溶存酸素を発生し選択的膜拡散により比例してＣＯ２およびＨ２クリアランスを提供する装置が開示されている。本発明の典型的態様において、光分解化学は常にどこにもある光エネルギーを有用な化学反応に変換する自然のメカニズムを形成する。結果は、従って、光分解誘導が人工肺用途に可能であることを実証している。この技術は、慢性肺疾患で重度障害を受けている患者に対しての呼吸器補助装具として優れた用途を約束し、さらに、多数の他の適用が出現するかも知れない新規技術基準のための基礎を含むであろう。
【０３２３】
（実施例４）
（光分解人工肺：フロースルーセルシステム中における酸素産生の実証）
（実験操作）
（１．光活性層の合成）
光活性構築物は、パイレックス（登録商標）ガラスまたは石英基板、導電層および光活性層から構成した。基板大きさは、９インチ×２インチであった。スパッタコーティング操作を用いて導電層をガラス上に載せ、厚さ１２５０オングストロームのインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）から構成されていた。この光活性層は、大表面積、ナノ粒子、二酸化チタン（ＴｉＯ２）（ほとんどアナターゼ形態であるがルチルも含む）から構成されており、ＤｅｇｕｓｓａからＴｉｔａｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ  Ｐ２５として入手した。
【０３２４】
ＩＴＯ被覆石英プレートに、下記のようにして調製したＴｉＯ２粉末を被覆した：使用に先立ち、市販材料を、約２．５ｇのＴｉＯ２を１Ｎ  ＨＣｌおよび０．１％  ＨＦ溶液１００ｍｌ中に混合することによって、１分間酸処理した。生成したスラリーを２個の遠心管に等分し、沈殿ができるまで遠心した。酸を捨て、水に交換し、粒子を再度懸濁させた。サンプルを遠心し、液体を捨てた。この水でのリンスを次に繰り返した。二回目の水でのリンスとデカント操作の後、２個のＴｉＯ２バッチをイソプロパノール（ｉＯＰｒＯＨ）２５０ｍｌと混ぜ、混合した。高純度脱イオン水（０．２５０ｍｌ）とチタニウムイソプロポキシド（ＴＴＩＰ、０．５００ｍｌ）をその後添加し、３０分間混合した。石英プレート（ＩＴＯ被覆）は、１％ＨＣｌ溶液で３０秒間処理後、水でリンスした。約５ｍｌ（またはプレートを完全に覆うのに十分なだけ）の溶液を添加して、このＴｉＯ２スラリーを前記プレートに添加した。このコーティングが乾燥した後、乳白色層が形成されるまで添加段階を繰り返した（総計１２回の添加を必要とする）。同様の操作をパイレックス（登録商標）プレートについても行った。しかし、このＴｉＯ２粉末は酸中で処理せず、添加５回だけが必要であった。前記プレート類を３００℃の炉で４５分間加熱した。各プレートに対して銀ペイントを用いて２個の銅線セットを取り付け、非導電性コーティング（Ｈｕｍｉｓｅａｌ）で覆い、電気リード類のショートを防止しかつ電流全てがＴｉＯ２／ＩＴＯ膜へおよびＴｉＯ２／ＩＴＯ膜から流れるようにした。石英構築物の電気抵抗は、３４７□□として測定し、一方、パイレックス（登録商標）構築物のそれは、６９０□□□抵抗であり、測定値は銅リード間で得た（ｃｍ当たりではない）。
【０３２５】
（２．フローセルＤＯ産生）
フローセルシステムは、マスターフレックス（Ｍａｓｔｅｒｆｌｅｘ）ポンプ（蠕動ポンプ）、溶存酸素プローブまたはＤＯＰ（Ｌａｚａｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｌａｂｓから）、シェル＆管熱交換器、および改良型ＦＭ０１−ＬＣエレクトロライザー（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ）から構成されていた。このシステムではビトン（Ｖｉｔｏｎ）管状物を利用して、透過によりこのシステムに侵入するＯ２量を制限していた。当該技術で周知であるように、他より耐久性が高くガス非透過性の管系材料も用いることができた。熱交換器は流体を恒温に保持し、ＵＶ光がサンプルを加熱するのを防止している。このＦＭ０１−ＬＣは、下記の順序で組み立てた：バックプレート、ガスケット、光活性構築物、ガスケット、乱流プロモータ付きフローディストリビューター、ガスケット、Ｎｉ対極、ガスケット、支持プレート、およびフロントプレート。前記ガスケット類は、ゴム質のラバーから作られていた。バックプレートは本発明者らの研究室でアクリルから機械加工し、このアクリルを通過することによる減弱もなく光活性構築物上にＵＶ光が導かれるように長方形の孔を有していた。改良ＦＭ０１−ＬＣエレクトロライザーセル（または簡便のためにセル）は、１−１０ｍｍの電極間ギャップと総内部容積約４０ｍｌを有していると記載されている。血液による実験では、システム中の流体が再循環する管状物中に別の要素、シリンジサンプリング用隔壁アダプターを付加した。液体フローパスは、下記のようである：ＤＯＰ、ポンプ、セル、熱交換器、隔壁アダプター（もし含まれているならば）、およびＤＯＰへのバックである。
【０３２６】
【表５】
2004536682.tif 000048
典型的実験では、ＤＯＰを介して所望の流速で所望の温度（ロッケ溶液を使用するときには２０℃、血液を使用するときには３７℃）で空気を飽和させた水を流し、得られた測定値を水の酸素含量のそれ（２０℃では８．８５ｐｐｍ、または３７℃では６．８７ｐｐｍ）にマッチするように調整することによって、ＤＯＰを校正することが必要であった。次にこのシステムの水を空にし、所望の試験電解質溶液を満たした。ロッケリンゲル溶液を使用した時、前記溶液は２０℃で事前に平衡にし、空気を飽和させた。次いで、この溶液を、所望の流速でこのシステムを介してポンピングした。当初の酸素測定値が得られた後、前記溶液中に窒素ガスを通気し、酸素を除去した。次にこのシステムを閉とし、データ収集が始まった。血液を使用する時、３５−４５℃で約１−２時間血液にＣＯ２を流すことによって血液サンプルをエクスサイチュで脱酸素化した。これらのサンプル類は、空気を介してフローセルに移す時、ある程度は再酸素化された。この部分的再酸素化は開始時点の現象に過ぎず、完璧に脱酸素化された血液で開始するのが望ましいならば、シュレンク（Ｓｃｈｌｅｎｋ）ライン技術を用いて希望に応じて避けることができる。
【０３２７】
一旦、セル中に入ると全ての場合において酸素レベルは上昇し、一方、管状物およびガスケットを通して酸素が透過することが主な理由で、閉じた前記システムを介して脱酸素化溶液をポンプで入れた。一旦、ＵＶとバイアス電圧が適用されると、酸素レベルはすぐに低下した。この低下は再現可能で、ＴｉＯ２コーティングに関連し、電荷分離を確立していると考えられる。もし導電層に十分な光電気電流フローが生じると、酸素レベルはある程度時間が経つと増加した。この当初の酸素レベル低下は、（先に述べた）バッチセル試験でも観察されており、誘導期間と言われており、Ｏ２／電子再結合によると考えられている。文献および関連光動電気半導体技術から、半導体膜組み立て技術がより均一になるに伴い、電荷再結合がはるかに少ししか起こらず、はるかに高い量子収率が得られると考えられている（ミクロファブリケーション技術についての先の記載を参照）。
【０３２８】
血液使用実験のため、サンプル（約０．２５ｍｌ）を定期的に採血し、ＮＰＴ７ブラッド−ガス（Ｂｌｏｏｄ−Ｇａｓ）アナライザー（Ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ社）を用いて分析した。これは、ヘモグロビン、オキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビンの濃度測定値、Ｏ２分圧、ｐＨ等を付与した。ＤＣ電源を用いて、アノードコーティングに対して一定バイアス電位を供給し、あらゆるＴｉＯ２膜接着困難、ＴｉＯ２粒子面の非配列、導電バンド電子分子軌道に必要とされる重複を阻害し光分解で励起された電子の電荷分離を可能とするスピンまたはドリップ被覆材料等中にあるかも知れない過剰多孔性、および残された“ホール”または“活性酸素”（一緒になって、必要電荷分離を形成する）を補償する。このような接着性かつ顕微鏡的に整然とした膜ならびに付加層（例  ＭｎＯ２、ＺｎＯ、ＷＯ３等の）が、真空中ＣＶＤおよびスパッタコーティングによって容易に調製されるが、コストが高い。前記Ｎｉプレートはカソードとして接続され、光活性構築物から延びるＣｕ配線は銀ペイントと非導電性の有機ポリマー接着剤によりアノードとして接続される。電流は、ボルト−オームマルチメーター（ＶＯＭ）により測定される。ＵＶ光源は、２つの液体光導体を介して光活性構築物に向けられている。２つの導体から放出された光がフィルターを通り３６５ｎｍの光のみを可能とする；この波長における強度は、８８．９ｍＷ／ｃｍ２である。
【０３２９】
（結果）
（１．ロッケリンゲル溶液）
ロッケリンゲル溶液を前記フローシステムで使用すると、バッチシステムで得られたものと類似の結果が得られる。ＵＶおよびバイアス電圧を負荷すると、高電流フローが生じ酸素濃度はすぐに低下する。この誘導期間後、濃度が増加し始める。石英光分解構築物で得られた結果を表１に含める。両者の実験中、酸素濃度の最初の低下後、溶存酸素レベルが上昇した。酸素濃度は、プラトーに達するまで約３０分間上昇した。その後、酸素レベルは再度低下した。
（表１：石英光分解構築物および血液置換で得られた結果）
【０３３０】
【表６】
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（２．ヒト血液）
ヒト血液による実験を、石英およびパイレックス（登録商標）構築物の両者で実施した。全ての場合において、システム温度は３７℃（体温）に維持し、液体流速は８０ｍｌ／ｍｉｎであった。目的の基本的データは、ＮＰＴ７により行った測定値である。血液ガス測定には、ｐＨ、酸素分圧（ｐＯ２）、総ヘモグロビン濃度（ｃｔＨｂ）、オキシヘモグロビンとして存在するヘモグロビン分画（ＦＯ２Ｈｂ）、デオキシヘモグロビンとして存在するヘモグロビン分画（ＦＨＨｂ）、メトヘモグロビンとして存在するヘモグロビン分画（ＦＭｅｔＨｂ）およびヘモグロビンの酸素飽和度（ｓＯ２）を含む。結果は、全ての実験において、いったんＵＶおよびバイアス電圧が負荷されると、このシステムは、血清代替え液体（ロッケ−リンゲル溶液）を用いるバッチおよびフロースルーセルの両者による他の試験で見られた典型的誘導期間を通る。したがって、誘導期間は、観察されたと同じようにすなわち酸素レベル、溶存酸素とオキシヘモグロビン両者の濃度低下として示される。この挙動は、表２および３に示される。しかし、結果は、イオン交換膜がないことから予測されるように他のシステム（ロッケリンゲル溶液を充填したバッチおよびフロースルーセル）で見られたように、誘導期間後も酸素レベル上昇を全く示さなかった。ＤＯが迅速に気体状Ｏ２を形成し溶液から消失するので、このイオン交換膜は代替え物の場合必要でない。一方、血液は、ヘモグロビンとそれを錯体化することによって、Ｏ２を可溶化する（生理食塩水単独の場合のＯ２溶解度の約３０倍であると公知となっているレベルまで）。分割セル配置ではこのＯ２が溶液中に効果的に溶解し（赤血球との場合のように、ヘモグロビンとの可溶性複合体として）、従って、このＯ２はカソードで容易に利用され水に還元されて戻される（低ＰＯ２値における戻り平衡によってヘモグロビンがＯ２を体内筋肉組織が利用できるようにするのと同様に）。したがって、ＤＯレベル増加は、未分割セルでは予測されず、実際見られなかった。しかし、結果は、前記試験装置が代替え物ならびにバッチセル試験システムと同等に機能し、そのことはこの技術が供給電解質としての血液に敏感に反応することを示唆している。膜を有する分割フローセルを用いて次の複雑なレベルに作業を進めることは従って保証されており、現在（すなわち、“分割セル”を用いて）進行中である。これらの試験は、膜（カチオン交換膜、ＮａｆｉｏｎＴＭ）が大分子（すなわち、蛋白質類）に対して非多孔性であり、特に赤血球のような生細胞が侵入しやすくなっていないので、ＤＯレベル上昇を示すと予測されている。分割セルにより、Ｏ２はカチオンでも高水溶性でもないので膜を拡散せず、そのことが、オキシヘモグロビン濃度を膜のアノード側において飽和レベル近くまで増大させることになるであろう。
（表２：Ｐｙｒｅｘ光分解構築物およびヒト血液で得られた結果。ＵＶ照射（４５分で開始した）および＋１．００Ｖのバイアス電圧（６５分）は、５ｍＡの電流を生じた。２１０分において、バイアス電圧を＋２．００Ｖに増加させると、６ｍＡの電流を生じる。確立された電流が代理の電解質ケースよりも約４０％大きいことに注記すべきである。この増加した電流は、赤血球細胞による周知の高効率のＯ２収着の存在によって得られる減少された電荷組換えに起因して予測されることと一致する。）
【０３３１】
【表７】
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（表３：石英光分解構築物およびヒト血液で得られた結果。＋２．００Ｖのバイアス電圧（５分）およびＵＶ照射（１０分）は、５〜６ｍＡの電流を生じた。４１３分で＋４．００Ｖに増加したバイアス電圧は、１５ｍＡの電流を生じたが、カソードにおける再還元に基づいて予測されるようなＤＯ産生は観察されなかった（本文を参照のこと）。）
【０３３２】
【表８】
2004536682.tif 000051
（３．分割セル）
分割セルを用い、ヒト血液をアノード液としておよびロッケリンゲル溶液をカソード液として用い、酸素発生を試験した。Ｎａｆｉｏｎ膜を用いて、アノードからニッケルカソードを分離した［ＩＴＯ／ＴｉＯ２（アナターゼ）光活性構築物］。反応は、流速６０ｍｌ／ｍｉｎ、３７℃で行った。そうでなければ、条件は、先の実施例についてと同様であった。結果を表４に含める。
（表４：Ｐｙｒｅｘ光分解構築物およびヒト血液で得られた結果。分割細胞構成は、アノードとカソードとの間にＮａｆｉｏｎ膜を加えることによって使用された。ロッケリンゲル溶液をカソード液として使用した。＋４．００Ｖ（１０分）のバイアス電圧およびＵＶ照射（１５分で開始）は、９．５ｍＡの初期電流を生じた。未分割細胞に対するバイアス電圧の増加を使用して膜を横切る電圧降下に適応した。）
【０３３３】
【表９】
2004536682.tif 000052
分割セル使用により、カソードにおける酸素還元が防止され、この効果は、先の実施例に対して長い誘導期間が観察されたことによって示される。この結果は、血中Ｏ２がカソードで電気化学的に還元されるのではないこと、したがって、アノードで産生した自由光電子から還元されることを示すと解釈される（説明を参照）。表４から、観察された酸素レベルが３００分をかなり過ぎても低下しなかった。未分割セル中では、誘導期間は血液使用の時にはたったの約１３０分後に開始し、電解質としてのロッケリンゲル溶液によるとすぐに起こった。このことは、未分割セル中では起こり分割セル中では起こらないカソードにおける酸素還元が、溶液中低下酸素レベルに大いに寄与していることを示唆している。ロッケリンゲル液はＯ２キャリアを含有していないので、ＤＯレベルは存在する総Ｏ２を示し、Ｏ２の水溶性が低いことから極めて低いレベルに限定されている。ヘモグロビンＯ２キャリアを有する血液は、かなりの量のＯ２を保持し、したがって、カソードで電気化学的に還元されるには長時間（約１３０分）を要する。
【０３３４】
起こっているＯ２還元と分割セル中におけるＯ２還元反応のみの他のメカニズムは、光活性構築物による酸素吸着である。バッチセルシステムでは、ある表面被覆が得られるまで酸素吸着が誘導期間に寄与していた。この時点以降、光活性層からの酸素の離脱が起こり、カソードの還元反応と競合していた。バッチシステム中光活性構築物の表面積はフローシステムにおけるよりも有意に小さくかつアノード／カソード表面積が１をはるかに超えているので、ＴｉＯ２表面におけるこのような反応化学のシフトは急速に起こり、ＤＯ産生が続く。フロースルーセル中におけるアノード／カソード比は１であり、それによって比例的に大きいカソード性の有意なＤＯ枯渇速度が付与される。したがって、好適なセル設計は、１を超えるアノード／カソード表面積、好適には１よりはるかに大きいアノード／カソード表面積を有するであろう。
【０３３５】
表４でわかるように、血液ｐＨは、実験中ずっと有意に低下した。本発明の説明で述べたように、この低下は、下記のような水からの水素イオン（Ｈ＋）と酸素（Ｏ２）の光分解によって推し進められた形成を示唆している：
【０３３６】
【数３９】
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水素イオン類は次に、血中重炭酸イオンと結合して、ＣＯ２を産生する（説明参照）。ｐＨが６．８未満に低下すると、これは、実際Ｏ２放出ｐＨ領域になっているので、Ｏ２がヘモグロビンから放出される（表４の下から２つの行）こと（説明参照）、およびこれが表４データ中でわかることであることに注意されたい。本発明の説明の項で述べたように、実際使用する時には、血液ｐＨは、脱ガス要素によってＣＯ２ガスを除去することにより６．８ｐＨより大きく保持されているが、これは、ｐＣＯ２（またはＰｃｏ２）を低下させ、それが、ｐＨ＝ｌｏｇ｛（ＨＣＯ３−）／Ｐｃｏ２｝−ｐＫａ）によりｐＨを増加させる。
【０３３７】
本発明者らはいかなる特定の理論に固執することを望むわけではないが、誘導期間中Ｏ２成分が活性Ｏ２としてＴｉＯ２コーティング中に最初に留まる（例えば、過酸化物として、説明および参考文献を参照）と考えられている。ＷＯ３およびＺｎＯのような他のコーティングもより少ない活性酸素保持力を有していると予測される（説明参照）。このＯ２等価保持効果はバッチセルでは観察されず、その理由はそれらがはるかに小型ではるかに少量の光感受性ソルベントを有しており、すぐに飽和されるからである。フロースルーセルは、約３０倍大きいＴｉＯ２表面積を有しており、従って、活性酸素保持能力はバッチセルと同じくはるかに大きい。さらに、フロースルーセルははるかに低い光子束を利用した。したがって、Ｏ２についての能力はフロースルーセルではるかに大きく、はるかに長い時間が飽和到達に必要であり、それを超えてＤＯ産生が起こる。観察される実際のＤＯ産生速度はＤＯ産生と副反応によるＤＯ還元の間の差に依存し、それは、膜とセル構造、および光子束の強い関数である。前記試験では同一ＵＶ灯を用いているので（２個のこのような灯を利用するフロースルーセルは良好な表面被覆を付与する）、はるかに長い誘導期間を予測するであろうし、このことが観察された。したがって、見かけのＤＯ産生速度は正でも負でもあり得、これらの２実施例では負であると観察されている。
【０３３８】
表４データ中に観察された二酸化炭素レベル増加もまた、光分解化学（説明を参照）によるもので、ｐＨの低下（ＣＯ２は酸性）とｐＣＯ２増加の両者として観察される。先にも述べたように、このＣＯ２は、人工肺装置中の脱ガス要素を用い除去され、それによって血液から望ましくないＣＯ２を押し出し、血液ｐＨを良好なＯ２収着に有効な６．８−７．６範囲に保つであろう。
【０３３９】
ヒト血液を用いるこの実施例および他の実施例を通して、メトヘモグロビンレベルはわずかしか増加しなかった；前記ヘモグロビンは、主に、デオキシヘモグロビンに変換される。デオキシヘモグロビンはまだ生命力のある（Ｏ２結合および運搬能力）血液運搬能力および受容容量をあらわしているので、このことは、血液がＵＶ照射光活性構築物との接触によって傷害されていないことを示唆する重要な観察であり、それは、長い時間にわたる実験の間、常に生命力を保持したままである。
【０３４０】
本発明を、好適な実施形態を参考に説明してきた。修飾および変更が、先の詳細な説明を読み理解すれば他者にもできるであろう。特に、当業者には、光分解セルを改変して数多くの他の反応および反応系に利用できることが明白である。また、本発明の光分解セルが肺以外の臓器でも使用できること、および、このセルがヒト以外の生物系にも使用できることが明白である。さらに、当業者は先の詳細な説明に基づき、光分解セルを全血以外の溶液中で化学反応を形成する際に使用できることがわかるであろう。本発明は、このような修飾および変更を全て、それらが添付の特許請求の範囲またはその等価物の範囲内に留まる限りにおいて、含むものとして見なすべきである。
【図面の簡単な説明】
【０３４１】
本発明は以下の詳細な説明および添付する図面からより完全に理解される。説明文および図面は例示のみによって与えられ、本発明を限定するものではない。
【図１】図１は外部または体外用途に設計された光分解人工肺の実施態様の斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａ〜２Ｄは図１に示した光分解人工肺の種々の実施態様を示す。図２Ａは患者に外部から連結した光分解人工肺の一般的説明を示す。
【図２Ｂ】図２Ａ〜２Ｄは図１に示した光分解人工肺の種々の実施態様を示す。図２Ｂは光分解人工肺の１実施態様の要素の内部の見取り図を示す。
【図２Ｃ】図２Ａ〜２Ｄは図１に示した光分解人工肺の種々の実施態様を示す。図２Ｃもまた光分解人工肺の別の実施態様の内側の見取り図を示す。
【図２Ｄ】図２Ａ〜２Ｄは図１に示した光分解人工肺の種々の実施態様を示す。図２Ｄはその中で起こる化学反応を説明する。
【図３】図３は本明細書に記載した実験データを収集するために使用したモデルの光分解セル装置の模式図を示す。特にこの見取り図はコーティングされた試験表面、光源、およびシステムの化学的収率をモニタリングするために設置された化学センサーの相対的位置を示す。
【図４】図４は本発明の光分解人工肺の好ましい実施態様の全体の模式的ダイアグラムを示す。
【図５】図５はガス収着装置のダイアグラムを示す。
【図６】図６はコアレセンスコレクターの模式的ダイアグラムを示す。
【図７】図７はガス収着装置の内部の見取り図を示す。
【図８】図８は光分解セルによりアノード−カソードのワイアーループ内に発生した電流観測値  対  レーザー出力強度をプロットしたグラフを示す。
【図９】図９は光分解セルを用いた場合の光分解の間のアノード液およびカソード液のｐＨ特性の関係（即ち光分解時間、分）を示すグラフを示す。
【図１０】図１０は酸性の媒体中のＴｉＯ２に関する溶存酸素濃度（縦軸）  対  時間（横軸）のグラフである。
【図１１】図１１は塩基性の触媒のＴｉＯ２に関する溶存酸素濃度（縦軸）  対  時間（横軸）のグラフである。
【図１２】図１２はＬｏｃｋｅｓ  Ｒｉｎｇｅｒ溶液中のＴｉＯ２／Ｔｉ系に関する溶存酸素濃度（縦軸）  対  時間（横軸）のグラフである。
【図１３】図１３はのＬｏｃｋｅｓ  Ｒｉｎｇｅｒ溶液中のＴｉＯ２／ＩＴＯ系に関する溶存酸素濃度（縦軸）  対  時間（横軸）のグラフである。
【図１４】図１４は微細加工された人工肺毛細管を含む装置を示す。
【図１５】図１５は図１４に示した装置の別の実施態様を示す。
【図１６】図１６は微細加工された人工肺毛細管を含む装置の構築のための材料のパターンを示す。
【図１７】図１７は本発明の光分解セルの光反応（光分解）表面のデザインを示す。
【図１８】図１８は共通の電源と制御部を有する移植可能な心室補助物と連結された本発明の光分解セル（モジュール）を利用した全体的に移植可能な心肺装置を示す。
【図２Ｄ】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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