(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部灌流型中空糸膜型気液ガス交換装置において、中空糸膜の外径が１５０μｍ〜３９０μｍであり、中空糸膜の間隔が１２０μｍ〜２８０μｍである中空糸膜が実質的に平行に配列された中空糸膜シートを使用し、（式１）
Ｄｖ＝４×（シート積層体の占める全空間体積）／（中空糸膜の全有効外表面積）
で計算される相当直径（Ｄｖ）が１６５μｍ〜３２５μｍとなるように積層された状態でハウジング内に組み込まれていることを特徴とする外部灌流型中空糸膜型気液ガス交換装置。
【請求項２】
中空糸膜の外径が１８０μｍ〜２５０μｍであり、且つ中空糸膜シートの中空糸膜間隔が１５０μｍ〜２６０μｍであり、且つＤｖが２１５μｍ〜３２５μｍであることを特徴とする請求項１記載の外部灌流型中空糸膜型気液ガス交換装置。
【請求項３】
中空糸膜が 中空糸膜の酸素透過速度が５×１０−５［ｃｍ３（STP）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］〜３５０×１０−５［ｃｍ３（STP）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］であるポリ（４−メチルペンテン−１）系樹脂からなる中空糸不均質膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の外部灌流型気液ガス交換装置。
【請求項４】
外部灌流型中空糸膜型気液ガス交換装置において、中空糸膜の外径が１５０μｍ〜３９０μｍであり、中空糸膜の間隔が１２０μｍ〜２８０μｍである中空糸膜が実質的に平行に配列された中空糸膜シートを使用し、（式１）
Ｄｖ＝４×（シート積層体の占める全空間体積）／（中空糸膜の全有効外表面積）
で計算される相当直径（Ｄｖ）が１６５μｍ〜３２５μｍとなるように積層された状態でハウジング内に組み込まれている外部灌流型中空糸膜型気液ガス交換装置を使用し、液体を積層された中空糸膜シートに実質的に垂直にクロスして流すことによりガス交換を行う事を特徴とする気液ガス交換方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、中空糸膜を利用した外部灌流型気液ガス交換装置として使用され、例えば工業用途として、ボイラー用水の脱酸素、配管の腐食防止を目的としたビル空調用水の脱気、半導体の製造に使用される超純水の脱気、イオン交換水の脱気、逆浸透膜供給水の脱気、発電用水の脱酸素及び脱炭酸ガス等に使用される。また、食品工業用途として、ビール及び清酒の製造、食品製造用水の脱気等に使用される。さらに、本発明は医療用途として透析モジュールの充填液の脱気や注射用水の脱気等に使用され、特に心臓手術時等の血液体外循環において患者の血液を蘇生させる人工肺に好適に適用できる。
【０００２】
【従来の技術】
人工肺は開心術時あるいは長期の呼吸補助時に生体肺の代替または補助として使用され、種々のタイプが開発されている。これら人工肺は生体肺の持つ機能の中で血液に酸素を供給し、二酸化炭素を除去するガス交換機能を代行するものである。現在、中空糸膜型人工肺が主流となっており、大きく２つの種類に分類される。一つは血液を中空糸内部に流しガス交換を行ういわゆる内部灌流型人工肺であり、もう一つは血液を中空糸の外側に接触させ、中空糸内部に酸素混合ガスを流しガス交換を行ういわゆる外部灌流型人工肺である。外部灌流型人工肺は血液流れの圧力損失を低く抑える事ができ且つ、ガス交換効率に優れ、中空糸膜型人工肺の主流となりつつある。
【０００３】
例えば特公平５−２０１１１にはシート状に配列されたガス透過性中空糸を多孔性芯体に巻回し、酸素を中空糸内部を通し、血液を中空糸の外部に流し、ガス交換を行う人工肺が開示されている。
【０００４】
特公平４−２０６６号公報には、隣接する中空糸同士が互いに交差するよう環状に巻かれて、その中心に中空部を有する環状の中空糸層を形成しているとともに、該中空糸層における中空糸の充填率を０．４５〜０．８０とした人工肺が開示されている。
【０００５】
特公平６−９６０９８号公報には中空糸シートを積層してハウジング内に組み込んだ人工肺において中空糸シートを形成する縦糸の密度及び、シートの厚みを特定の値とするとともにシートの中空糸密度とシートの積層密度の積を中空糸外径をもとに計算される値の特定値範囲値とする事により血液のチャネリングおよび滞留を抑えた人工肺が開示されている。
【０００６】
特公平７−９８０６１号公報には簾状中空糸シートの積層体を角筒状のハウジングに組み込んだ人工肺において、血液を流す方向に垂直な単位断面積当たりの血液流量が５０ｍＬ／ｍｉｎ／ｃｍ２の時の圧力損失を△Ｐとした時に△Ｐ／Ｔ・Ｉ・ｎ≦１なる関係を保つことにより血流のチャネリングと滞留を抑えた人工肺が開示されている。
【０００７】
通常、気液ガス交換装置に必須な要求性能は優れたガス交換能力である。特に医療用途である人工肺には、血液への優れた酸素供給能力及び血液からの二酸化炭素の優れた除去能力が要求される。これに加え人工肺には、患者に対する生体負担が小さいことが要求され、血液と直接接触する膜面積が小さく、小型で血液のプライミング量が小さく、且つ血流の圧力損失が小さく、体外循環中に血液損傷を起こさない事が要求される。
【０００８】
膜型人工肺のガス交換性能は血液側の境膜が律速となっていることが広く知られており、血液側の境膜を可能な限り破壊すべく種々の人工肺の構造が盛んに検討されている。
【０００９】
近年、血流の圧力損失を低く抑えることができ且つ単位膜面積当たりのガス交換能力の向上が期待できる中空糸膜外部灌流型人工肺の研究開発が活発に行われ、商品化されつつある。しかしながら、従来の技術は性能向上、特に血液側の境膜を効率的に破壊しそのガス交効率を向上する為に必要となる技術要素が不明確であり、その結果としてそのガス交換効率おいて未だ満足のゆく人工肺が開発されていない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本研究者らは、中空糸膜シートを積層してハウジング内に組み込んだ外部灌流型中空糸膜型気液ガス交換装置の最適設計について鋭意研究し、驚くべき事に、特定の範囲の外径を有する中空糸を使用し、中空糸膜を実質的に平行に配列した特定の中空糸膜間隔を有する中空糸シートを使用し、該中空糸膜シートを特定の相当直径となるよう積層してハウジング内に組み込むことにより従来のものと比較し飛躍的にガス交換効率を向上でき、且つ液流（血流）圧損をも極めて低値に抑える事ができる外部灌流型中空糸膜型気液ガス交換装置にかかる発明を提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち本発明は、
（１）外部灌流型中空糸膜型気液ガス交換装置において、中空糸膜の外径  が１５０μｍ〜３９０μｍであり、中空糸膜の間隔が１２０μｍ〜２８０μｍである中空糸膜が実質的に平行に配列された中空糸膜シートを使用し、（式１）Ｄｖ＝４×（シート積層体の占める全空間体積）／（中空糸膜の全有効外表面積）
で計算される相当直径が１６５μｍ〜３２５μｍとなるよう積層された状態でハウジング内に組み込まれていることを特徴とする外部灌流型中空糸膜型気液ガス交換装置であり、
（２）中空糸膜の外径が１８０μｍ〜２５０μｍであり、且つ中空糸シートの中空糸間隔が１５０μｍ〜２６０μｍであり且つＤｖが２１５μｍ〜３２０μｍであることを特徴とする（１）の外部灌流型中空糸膜型気液ガス交換装置であり、（３）中空糸膜が  中空糸膜の酸素透過速度が５×１０−５［ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］〜３５０×１０−５［ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］であるポリ（４−メチルペンテン−１）系樹脂からなる中空糸非対称膜であることを特徴とする（１）または（２）に記載の外部灌流型気液ガス交換装置であり、（４）外部灌流型中空糸膜型気液ガス交換装置において、中空糸膜の外径  が１５０μｍ〜３９０μｍであり、中空糸膜の間隔が１２０μｍ〜２８０μｍである中空糸膜が実質的に平行に配列された中空糸膜シートを使用し、（式１）
Ｄｖ＝４×（シート積層体の占める全空間体積）／（中空糸膜の全有効外表面積）で計算される相当直径が１６５μｍ〜３２５μｍとなるよう積層された状態でハウジング内に組み込まれていることを特徴とする外部灌流型中空糸膜型気液ガス交換装置を使用し、液体を積層された中空糸膜シートに実質的に垂直にクロスして流すことによりガス交換を行う事を特徴とする気液ガス交換方法である。
【００１２】
ここで言う相当直径（Ｄｖ）とは
（式１）
Ｄｖ＝４×（シート積層体の占める全空間体積）／（中空糸膜の全有効外表面積）で計算される値であり、ここで式の分子は中空糸膜シート積層体の占める体積から中空糸膜の占める体積を差し引いた空間の体積である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の典型的なもの及び最良の状態は、後記の実施例に具体的に示されるが、その概要は以下の通りである。
【００１４】
本発明の中空糸の外径は１５０μｍ〜３９０μｍであれば良く、適用用途により適切な外径を選択できる。
【００１５】
また、中空糸膜の膜厚は１５μｍ〜８０μｍである事が好ましい。膜厚は中空糸膜の強度及び耐久性を支配し、膜を構成する素材及び膜の構造、及び本発明の適用用途等に最適な膜厚を選定できる。一般に外径が細ければ強度、耐久性保持のために必要となる膜厚も薄くできる。
【００１６】
驚くべき事に本発明において、膜モジュール内の中空糸の充填率を同じとしても中空糸の外径を本発明の範囲内において細くするほどガス交換効率を向上させることができる。さらに、細径化により中空糸の耐久性及び強度を飛躍的に向上でき好ましいが、中空糸外径が１５０μｍ以下となると膜モジュール製造時におけるハンドリングが困難となる。
【００１７】
中空糸内側に酸素含有気体を流し中空糸外側を流れる血液とガス交換を行う人工肺用途として好適に使用する場合、ガス交換効率を高め、少ない膜面積で十分なガス交換能力を有し、小型で血液のプライミング量が小さい人工肺モジュールを実現する為には細径中空糸が好ましいが、一方中空糸外径を細くする事により内径は必然的に細くなる。
【００１８】
気相側の気体圧力は、血液側に気泡が発生しないように、血液側の圧力と比較し十分に低く保つ必要がある。また、臨床使用中には血液側から中空糸内に相当量の水蒸気が透過し、使用条件によっては、この水蒸気が人工肺ガス出口で凝集し、中空糸膜が閉塞し、ガス交換能力の経時的な低下を引き起こす場合がある。これらを現象を防止するために中空糸の内径はある程度の太さが必要とされる。
【００１９】
人工肺用途として好ましくは外径が１８０μｍ〜２５０μｍの範囲であり、内径は１４０μｍ以上が好ましい。特にＥＣＭＯやＰＣＰＳ用途等の数日から数週間に亘る連続使用の可能性のある用途においては、中空糸の外径は２００μｍ〜２５０μが好ましく、内径は１５０μｍ以上が好ましい。
【００２０】
本発明では、中空糸膜が少なくとも同一積層面においては中空糸膜間隔が均等間隔で平行に配列された中空糸膜シートを積層しハウジング内に組み込んで使用する事をも特徴とする。
【００２１】
中空糸膜シートの形成方法に制限は無く例えばポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、ポリアクリルニトリル等からなるのモノフィラメント又はマルチフィラメントからなる糸を縦糸として、横糸となる中空糸膜を均等間隔で編組する事により好ましく形成できる。工業的に中空糸膜シートを形成する方法として例えばラッセル編み等が知られている。
【００２２】
縦糸の太さは５〜３０デニールが好ましい。特にポリエステルからなる１０〜２５デニールのマルチフィラメントは柔軟性と強度に優れ、また経時変化が少なく、シート形成時及び経時的にも中空糸に損傷与える事がなく、特に好ましい。
【００２３】
本発明は中空糸膜シートの中空糸膜の間隔が１２０μｍ〜２８０μｍの範囲であり、且つ（式１）で表される積層された中空糸シートの相当直径Ｄｖが１６５μｍ〜３２５μｍの範囲である事を特徴とする。これにより高いガス交換効率と低液流圧損を同時に満足する外部灌流型気液ガス交換装置を実現できる。
【００２４】
また、中空糸膜シートの積層数は２０層以上である事が好ましく、さらに好ましくは５０層以上であり、最も好ましくは７０層以上である。
本発明に記載の外部灌流方式によるガス交換効率は中空糸膜シートの中空糸膜間隔を狭くし、且つＤｖを小さくすることにより程飛躍的に向上できるが、中空糸膜の間隔が１２０μｍ以下及び／又はＤｖが１６５μｍ以下となると液流の圧損が極めて大きくなり、各種産業実用用途への展開の範囲が限られる。
【００２５】
シートの中空糸膜間隔及びＤｖは気液ガス交換装置の適用用途の要求性能に応じて本発明の範囲で適宜選択することができる。
【００２６】
例えば、水からの溶存気体の脱気用として使用される半導体製造用超純水の製造において、比較的処理流量が少なく、溶存酸素濃度１ｐｐｂ以下の高度の脱気が要求されるサブシステムでの適用を目的とする場合、中空糸間隔は１２０μｍ〜２６０μｍが好ましく、Ｄｖは１６５μｍ〜２６０μｍが好ましい。
【００２７】
また、電力用水の製造等の溶存酸素濃度５０ＰＰＢ程度の比較的低脱気水準の水を多量に必要とする用途には中空糸シートの中空糸膜の間隔は２００μｍ〜２８０μｍが好ましく、Ｄｖは２００μｍ〜３２５μｍが好ましい。
【００２８】
医療用途である人工肺に使用する場合、低血流圧損と高い気体交換効率が要求されることから中空糸膜シートの中空糸間隔は１５０μｍ〜２６０μｍが好ましく、Ｄｖは２１５μｍ〜３２５μｍであることが好ましい。
【００２９】
人工肺用途に於いて特に数日に亘る長期連続使用を前提とするＰＣＰＳ及びＥＣＭＯ等の用途においては、中空糸間隔が１８０μｍ〜２６０ｍであり、Ｄｖが２３０μｍ〜３２５μｍが好適である。
【００３０】
本発明に適用する中空糸膜は適度の耐久性と機械的強度及びガス透過性を有しておれば良くその素材、製法、膜構造等特に制限は無く、例えば、膜素材としてポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリ（４−メチルペンテン−１）等のポリオレフィン系樹脂、ジメチルシロキサン等のシリコーン系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシフッ素樹脂等の各種フッ素樹脂、各種ポリイミド系樹脂が好適に使用できる。
【００３１】
また、中空糸膜の膜構造においては、微多孔膜、均質膜、不均質膜、複合膜、ウレタン等の薄膜を微多孔膜で挟んだいわゆるサンドイッチ構造を有する各種膜が適用できる。
【００３２】
また、これら膜の製造法にも制限は無く例えば、溶融法、湿式法、乾湿式等で製造された膜が適用できる。
【００３３】
特に、ポリ（４−メチルペンテン−１）系樹脂を膜素材とする膜壁に緻密層を有する中空糸不均質膜は酸素、窒素、炭酸ガス等のガスの透過性に優れ、疎水性が高く水蒸気バリヤー性に優れ工業用及び、医療用の気液ガス交換装置に最も好適である。
中空糸膜の緻密層の形成位置に特に制限は無く、中空糸膜の外表面及び／又は内表面に形成していても良いが、特に中空糸膜の外表面に緻密層を形成しているポリ（４−メチルペンテン−１）系樹脂からなる中空糸膜は、血液の補体活性が低く、血液との親和性に優れ、且つ長期に亘り血漿リークが無く、ガス交換性能の低下も無く外部灌流型人工肺用として最も好適に適用される。また、ポリ（４−メチルペンテン−１）系樹脂は人工肺用として一般使用されているポリプロピレンと比較し素材自体のガス透過性が約１０倍であり、本質的に中空糸膜壁を連通した微多孔部分でのみしかガス交換を行わないポリプロピレン微多孔膜と比較し、膜表面全体でガス交換を行うことができ極めて好ましい。
【００３４】
溶融法によるポリ（４−メチルペンテン−１）系樹脂を膜素材とする不均質膜については、例えば特願平５−６６５６号公報、及び特公平７−１２１３４０号公報に開示されている。
【００３５】
また、湿式法もしくは乾湿式法等の溶剤を使用し樹脂溶液の相分離を利用して膜を形成させるポリ（４−メチルペンテン−１）系樹脂を膜素材とする不均質膜は、例えば、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  １１８（１９９６）４９−６１及びＰＯＬＹＭＥＲ，１９８９，Ｖｏｌ  ３０，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ページ２２７９−２２８２等に記載の方法を応用して公知の紡糸法により容易に製造する事ができる。本発明は、膜のガス透過性の指標となる中空糸膜の酸素透過速度が５×１０−５［ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］〜３５０×１０−５［ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］のポリ（４−メチルペンテン−１）系樹脂を膜素材とする不均質膜を適用する事を特長とし、適用用途分野に応じて本発明の範囲内で最適なガス透過特性を有する膜を選択できる。
【００３６】
人工肺に適用する場合、膜の酸素透過速度は好ましくは１０×１０−５［ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］〜３５０×１０−５［ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］であり、さらに好ましくは２５×１０−５［ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］〜３５０×１０−５［ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］である。酸素透過速度はＡＳＴＭ  Ｄ１４３４に準じて測定した値である。
【００３７】
膜の酸素透過速度が５×１０−５［ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］以下であると、特に血液からの炭酸ガスの除去能力に劣り、必要となる膜面積の増大を招きコンパクトな人工肺の実現が困難となる。
【００３８】
本発明の中空糸膜型気液ガス交換装置に適用する、ガス交換にあずかる実質的な有効膜面積が大きいポリ（４−メチルペンテン−１）系樹脂からなる不均質膜の酸素透過速度の上限は３５０×１０−５［ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］である。
【００３９】
膜の酸素透過速度が高い事自体による不都合は特に無いものの、膜の酸素透過速度のさらなる増加は、製膜時において血漿の漏出を許す膜壁を貫く大きな孔径、いわゆるピンホールの発生の可能性を増長する結果を招く。人工肺に適用する場合、膜の緻密層の緻密度は連通孔の孔径は大きくとも０．０４μｍ以下である事が好ましくまたその面積開口率は３％以下である事が好ましい。
本発明はまた液流圧損を極めて低く抑え、気体と液体との間で高効率でガス交換を行う方法を提示する。即ち、外部灌流型中空糸膜型気液ガス交換装置において、中空糸膜の外径 が１５０μｍ〜３９０μｍであり且つ隣り合う中空糸膜の間隔が１２０μｍ〜２８０μｍとなるよう中空糸膜が実質的に平行に配列された中空糸膜シートがＤｖが１６５μｍ〜３２５μｍとなるよう積層された状態で人工肺ハウジング内に組み込まれていることを特徴とする中空糸膜型気液ガス交換装置を使用し、液体を積層された中空糸膜シート面に実質的に垂直に横切るように流しガス交換を行う事を特徴とする。
【００４０】
液体を中空糸膜シートとクロスフローとすることにより液流の撹拌効率を高め、これにより、気体ー液体系のガス交換効率の律速となっているガスの移動に対する液体側の境膜の厚さを効率良く低減できる。これにより極めて高いガス交換効率を実現できる。
【００４１】
驚くべき事に、本発明によれば、液体の流量増加に伴う膜を介しての気体と液体間のガス移動効率の向上度合いを特異的に高める事ができる。これによりガス交換能を大幅に向上を実現している。これは本発明により、液体側のガス移動境膜層の薄膜化の液体流速依存性を極めて大きくできる為であると推定している。むろんこれは本発明をなんら制限するものでは無い。
【００４２】
本発明に記載のごとく中空糸膜シートを積層する事によりクロスフローでの液流圧損が、中空糸膜シートの中空糸の方向に平行して液体を流す場合の液流圧損と比較し、極めて低くできる。これにより、クロスフーロータイプの気液ガス交換装置を容易に構成することができる。
【００４３】
本発明を実施するにあたり、本発明に記載の外部灌流型中空糸膜型気液ガス交換装置の好ましい実施形態のいくつかの例のモデルを図１、図２、図３に示す。
【００４４】
図１は多孔のパイプの周りに中空糸膜シートを巻気付け、円筒状のハウジングに組み込んだ外部灌流型気液ガス交換装置のモデル図である。図中実線で示す矢印は液体の流れをモデル的に示している。図中６は樹脂封止部であり、ウレタン樹脂及び／又はエポキシ樹脂及び／又はシリコーン樹脂等を使用し中空糸をハウジングに液密に支持固定している。中空糸膜は両封止樹脂の外側にその内側を開口している。人工肺として使用する場合は図中１より血液を中空糸簾を巻き付けた多孔パイプに流し入れる。血液は主にその多孔部より中空糸簾巻体の半径方向に均等に流れ、シート巻き体とハウジングの空間部を流れて図中２から排出される。この間、図中３より、例えば酸素混合ガスを適切な流量で中空糸内部に流し込み中空糸膜を介して血液に酸素を供給すると共に、血液から炭酸ガスを除去する。また、必要に応じて、例えば、多孔パイプの内部及び／又は外側にフィンタイプやチューブタイプ゜等の熱交換機構を付与する事ができる。
図３に示す外部灌流型気液ガス交換装置のモデル図は中心の多孔パイプを中央の仕切で二つの部分に分割している事を特長としている。図中１より流し入れた液体は多孔パイプの多孔部より中空糸膜シート巻き体の中空糸間隔をクロスフローで半径方向に流れ、再び中空糸膜シートをクロスして多孔パイプ内に流入して図中２より流出する。
【００４５】
人工肺として使用する場合、血液を流すと同時に図３中３より酸素混合ガスを中空糸の内側に流し入れガス交換を行う事ができる。また、工業用途として脱気された水等を製造する場合、図３中の３及び／又は４から真空ポンプ等で中空糸内部を減圧し液体の脱気を行うことができる。
【００４６】
図３にモデルで示す基本構造を有する気液ガス交換装置は、液体がシートとクロスして流れる実質のシート厚を厚くでき、液流速度を上げる事ができる。これにより、液体側の撹拌効果向上させ、液側境膜をさらに薄くでき、ガス交換効率の大幅な向上が期待できる。
【００４７】
図４は角筒型ハウジングに中空糸膜シートを積層し組み込んだ形状を有する気液ガス交換装置のモデル図である。人工肺用として使用する場合は図中１より血液を流し入れ中空糸シート積層面に垂直に血液を流しガス交換を行う事ができる。また必要に応じて血液入り側に熱交換機構を付与する事ができる。
【００４８】
【実施例】
実施例１
中空糸外径２６０μｍ、内径２０５μｍ、膜の酸素透過速度４０×１０−５［ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］のポリ（４−メチルペンテン−１）系樹脂を素材とする中空糸不均質膜を使用し、２０デニールのポリエステルのマルチフィラメントを縦糸として中空糸打ち込み本数を２１本／ｃｍとした中空糸間隔が２２７μｍの中空糸膜シートをラッセル編みにより形成した。この中空糸膜シートを相当直径Ｄｖが３２０μｍとなるように図５にモデル図で示す様に折り畳み積層した。次いでこの中空糸シート積層体を図４にモデル図で示すごとく角筒型モジュールに組み込み、中空糸の両端をポリウレタン樹脂で公知の遠心封止法により封止し、モジュールの両端面に中空の内側が開口するよう端面をカッティングした。また、液体（血液）がシート折り畳み体の側面からリークしないようにシート積層体の両側面とハウジング側面をウレタン樹脂を使用し接着し、血液が通過する有効断面積が約５０ｃｍ２で有効膜面積（中空糸外径）が約１．２ｍ２である角筒型のモジュールを作成した。ＡＡＭＩ（ＡＳＳＯＣＩＡＴＩＯＮ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＡＤＯＶＡＮＣＥＭＥＮＴ  ＯＦ  ＭＥＤＩＣＡＬ  ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ）に準じ、酸素飽和度：６５％、ヘモグロビン：１２ｇ／ｄＬ、過剰塩基：０ｍＥｑ／Ｌ、溶存二酸化炭素分圧：４５ｍｍＨｇ、温度３７℃に調整した牛血を使用して、図４中１より牛血を流し入れると同時に図中３より酸素ガスをＶ／Ｑ＝１（ガス流量／血液流量）で中空糸内部に流し入れモジュールのガス交換性能能を測定した。標準Ｏ２（酸素）血液流量が６．５Ｌ／ｍｉｎであり、標準ＣＯ２（二酸化炭素）血液流量が５．８Ｌ／ｍｉｎであった。またモジュールを流れる血液流量が６Ｌ／ｍｉｎの時の血流圧力損失は４８ｍｍＨｇであった。
【００４９】
ここで、標準Ｏ2血液流量とは、３７℃で１２ｇ／ｄＬのＨｂを含有し、Ｏ2飽和度６５％で過剰塩基（ＢＥ）０の血液が、人工肺を通ることによりそのＯ2含有量が４５ｍＬ／Ｌ（標準状態）だけ増加させることのできる最大血液流量を示し、標準ＣＯ2血流量とは３７℃で１２ｇ／ｄＬのＨｂを含有し、Ｏ2飽和度６５％で過剰塩基（ＢＥ）０の血液が、人工肺を通ることによりそのＣＯ2含有量が３８ｍＬ／Ｌ（標準状態）だけ減少させることのできる最大血液流量を示す。
【００５０】
実施例２
外径２２５μｍ、内径１７０μｍ、膜の酸素透過速度５４×１０−５［ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］のポリ（４−メチルペンテン−１）系樹脂を素材とする中空糸膜不均質膜を使用し、２０デニールのポリエステルのマルチフィラメントを縦糸として中空糸打ち込み本数を２４本／ｃｍとし、中空糸間隔を２００μｍとした中空糸膜シートをラッセル編みにより形成した。このシートを相当直径が２８０μｍとなるように積層し、実施例１と同様に血液が通過する有効面積が約５０ｍ２で有効巻き面積が１．２ｍ２である角筒型のモジュールを作成した。実施例１と同様に牛血を使用してモジュールのガス交換性能を測定した。結果、標準Ｏ２血液流量が１５．３Ｌ／ｍｉｎであり、標準ＣＯ２血液流量が１３Ｌ／ｍｉｎであった。またモジュールを流れる血液流量が６Ｌ／ｍｉｎの時の血流圧力損失は５２ｍｍＨｇであった。
【００５１】
実施例３
外径２０５μｍ、内径１５０μｍ、膜の酸素透過速度が６７×１０−５［ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］のポリ（４−メチルペンテン−１）系樹脂を素材とする中空糸膜不均質膜を使用し、２０デニールのポリエステルのマルチフィラメントを縦糸として中空糸の打ち込み本数を約２８本／ｃｍとし、中空糸間隔を約１５８μｍとした中空糸膜シートをラッセル編みにより作成した。このシートを相当直径が２１５μｍとなるよう積層し、実施例１と同様に血液が通過する有効面積が約５０ｃｍ２で有効巻き面積が１．２ｍ２である角筒型のモジュールを作成した。実施例１と同様に牛血を使用してモジュールのガス交換能を測定した。血液流量が１６Ｌ／ｍｉｎの時に酸素移行量が４８ｍＬ／ｍｉｎであり標準Ｏ２血液流量は測定不能であった。標準ＣＯ２血液流量は１５．２ｍＬ／ｍｉｎであった。またモジュールを流れる血液流量が６Ｌ／ｍｉｎの時の血流圧力損失は１２０ｍｍＨｇであった。
【００５２】
実施例４
外径３３０μｍ、内径２２０μｍ、膜の酸素透過速度が７２×１０−５［ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｃｍＨｇ］のポリ（４−メチルペンテ−１）系樹脂を素材とした中空糸膜不均質を使用し、２０デニールのポリエステルからなるマルチフィラメントを縦糸として中空糸打ち込み本数２１本／ｃｍとし、中空糸間隔約１５４μｍとした中空糸シートをラッセル編みににより形成した。この中空糸シートを図１中７にモデル図で示す多数の孔をあけた直径約２ｃｍの円筒パイプに、パイプと中空糸シートの巻き初めのクリアランスが約０．２ｃｍであり、中空糸シートの占める部分の相当直径が２９０μｍとなるようスパイラル状に巻きつけた。次いでこの中空糸シート巻き体を、内径約７．５ｃｍの円筒状ハウジングに組み入れ、モジュールの両端をポリウレタン樹脂を使用し公知の遠心封止法により封止し、次いでモジュールの両端面をカッティングし中空糸膜の内側を開口させた。中空糸シート巻き体の有効長が約６ｃｍで、中空糸シート巻体の外周部と円筒ハウジングとのクリアランスが約０．５ｃｍで、中空糸有効膜面積が１．２ｍ２の円筒型モジュールを作成した。
【００５３】
実施例１と同様に牛血を調整し、図１中１より牛血を流し入れると同時に図中３より酸素ガスをＶ/Ｑ＝１で中空糸内側に流し入れガス交換性能を測定した。結果、標準Ｏ2血液流量が７．８Ｌ／ｍｉｎであり、標準ＣＯ2血液流量が６．３Ｌ／ｍｉｎであった。
【００５４】
また、モデル実験により中心部の多孔管から流れ出た血液は中空糸巻き体をほぼ垂直に半径方向に流れ中空糸シート巻き体とモジュール外側ハウジングとの間隙に達し図１中２より流出する事を確認した。
【００５５】
実施例５
実施例２で使用した中空糸膜シートを使用し、図３中９にモデル図で示す中心部に仕切を設けた外周に多数の孔を有する直径約３０ｍｍの円筒パイプに、パイプと中空糸シートの巻き初めのクリアランスが約０．２ｃｍであり、中空糸シートの占める部分の相当直径が２６５μｍとなるようにスパイラル状に巻きつけた。次いでこの中空糸シート巻き体を、内径約７ｃｍの円筒状ハウジングに組み入れ、モジュールの両端をポリウレタン樹脂を使用し公知の遠心封止法により封止し、次いでモジュールの両端面をカッティングし中空糸の内側を開口させた。中空糸シート巻き体の有効長が約６ｃｍで、中空糸膜有効膜面積が１．２ｍ２の円筒型モジュールを作成した。
【００５６】
実施例１と同様に牛血を調整し、図３中１より牛血を流し入れると同時に図中３より酸素ガスをＶ/Ｑ＝１で中空糸内側に流し入れガス交換性能を測定した。
血液流量が１６ｍＬ／ｍｉｎにおいて、血液への酸素移行量は約５０ｍＬ／ｍｉｎで、ＣＯ2除去量は約４２ｍＬ／ｍｉｎであり、酸素、二酸化炭素共に標準血液流量は測定できないほど大きかった。また、血液流量６Ｌ／ｍｉｎの時の血流圧力損失は７７ｍｍＨｇであった。
【００５７】
また、モデル実験により図３に実線の矢印で流れを示すように、中心部の多孔管から流れ出た血液は中空糸シート巻き体をほぼ垂直に半径方向に流れ中空糸シート巻き体とモジュール外側ハウジングとの間隙に達し、次いで中空糸膜シート巻き体をほぼ垂直に多孔パイプ側に流れ込み図３中２より流出する事を確認した。
【００５８】
実施例６
中空糸外径が１８０μｍ、内径１２０μｍ、膜の酸素透過速度が２５×１０−５［ｃｍ３／ｃｍ２／ｃｍＨｇ］のポリ（４−メチルペンテ−１）系樹脂を素材とした中空糸不均質膜を使用し、２０デニールのポリエステルからなるマルチフィラメントを縦糸として中空糸打ち込み本数３１本／ｃｍとし、中空糸間隔約１４７μｍとした中空糸膜シート作成した。このシートを外周に多数の穴を開口させた呼び径約３ｃｍのパイプにシート巻き体の相当直径が１９０μｍとなるように巻付け、中空糸膜外径基準の膜面積が９０ｍ２のシート巻き体を作成した。このシート巻き体を呼び径２５ｃｍの硬質塩化ビニルパイプからなる長さ約５０ｃｍのモジュールケースに装填し、封止樹脂としてウレタン樹脂及びエポキシ樹脂を使用して公知の遠心封止法により第１図にモデル図で示す工業用の外部灌流型モジュールを作成した。図１中の３及び４を排気速度約４８ｍ３／ｈｒの油回転式真空ポンプに接続し、中空糸膜の内側の真空圧力を約２３ｍｍＨｇに保ちながら、図１中１より２５℃の空気で飽和した水を流し入れた。図１中２より流れ出た脱気水の溶存酸素濃度をポーラグラフィック酸素濃度計により測定した。溶存酸素濃度が約１ｐｐｂに脱気された水を約３６Ｌ／ｍｉｎ得ることができた。
【００５９】
比較例１
外径２６０μｍ、内径２０５μｍ、膜の酸素透過速度３０×１０−５［ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］のポリ（４−メチルペンテン−１）系樹脂を素材とする  中空糸不均質膜を使用し、３０デニールのポリエステルのマルチフィラメントを縦糸として中空糸打ち込み本数を２２本／ｃｍとした中空糸間隔を２０４μｍの中空糸シートをラッセル編みにより形成した。このシートを相当直径Ｄｖが３６０μｍとなるように積層し、実施例１と同様に血液が通過する有効断面積が５０ｃｍ２で有効膜面積が（中空糸外径基準）が１．２ｍ２である角筒型のモジュールを作成した。
【００６０】
実施例１と同様に牛血を使用してガス交換性能を測定した。結果、標準Ｏ2血液流量が４．２Ｌ／ｍｉｎであり、標準ＣＯ2血液流量が３．８Ｌ／ｍｉｎであった。まモジュールを流れる血液流量が６Ｌ／ｍｉｎの時の血流圧力損失は４６ｍｍＨｇであった。
【００６１】
比較例２
外径約２６０μｍ、内径約２００μｍ、膜の酸素透過速度が約４００×１０−５［ｃｍ３／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］のポリプロピレン系樹脂を素材とする中空糸微多孔膜を使用し、３０デニールのポリエステルからなるマルチフィラメントを縦糸として中空糸打ち込み本数を１８本／ｃｍとし、中空糸間隔を３１３μｍとした中空糸シートを形成した。このシートを相当直径Ｄｖが２７５μｍとなるよう積層し、実施例１と同様に血液が通過する有効断面積が約５０ｃｍ２で有効膜面積が１．２ｍ２である角筒型のモジュールを作成した。実施例１と同様に牛血を使用してモジュールのガス交換性能を測定した。結果、標準Ｏ２血液流量が２．９Ｌ／ｍｉｎであり、標準ＣＯ２血液流量が２．５Ｌ／ｍｉｎであった。またモジュールを流れる血液流量が６Ｌ／ｍｉｎの時の血流圧力損失は４６ｍｍＨｇであった。
【００６２】
比較例３
外径約３８０μｍ、内径約３３０μｍ、膜の酸素透過速度が約７００×１０−５［ｃｍ３／ｃｍ２／ｓ／ｃｍＨｇ］のポリプロピレン系ポリマーを素材とする中空糸微多孔膜を使用し、３０デニールのポリエステルからなるマルチフィラメントを縦糸として中空糸打ち込み本数を１７本／ｃｍとし、中空糸間隔を約２２０μｍとした中空糸シートを形成した。この中空糸シートを相当直径Ｄｖが約４７０μｍとなるよう積層し、実施例１と同様に血液が通過する有効面積が約５０ｃｍ２で有効巻き面積が１．２ｍ２である角筒型のモジュールを作成した。実施例１と同様に牛血を使用してモジュールのガス交換性能を測定した。結果、標準Ｏ２血液流量が２．３Ｌ／ｍｉｎであり、標準ＣＯ２血液流量が２．２Ｌ／ｍｉｎであった。またモジュールを流れる血液流量が６Ｌ／ｍｉｎの時の血流圧力損失は４２ｍｍＨｇであった。
【００６３】
【発明の効果】
中空糸膜シートを積層してモジュールに組み込んだ外部灌流型気液ガス交換装置において、中空糸膜の外径及び、実質的に中空糸を平行に配列したシートの中空糸膜間隔及び、（式１）
Ｄｖ＝４×（シート積層体の占める全空間体積）／（中空糸膜の全有効外表面積）
で表される相当直径を規定し、液体をシート積層面にクロスして流す事により外部灌流型気液ガス交換装置のガス交換効率を大幅に向上できる。
特に、血液への優れた酸素供給能力と、血液からの優れた二酸化炭素除去能力が要求され、且つ小型で、低プライミング量で、且つ低血流圧損であることが要求される人工肺に最適に適用できる。
【００６４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例で用いた円筒型の外部灌流型気液ガス交換装置の構造を示すモデル図であり、図中矢印は液体の流れのモデルを示す。
【図２】図１及び図３に構造のモデル図を示す円筒型の外部灌流型気液ガス交換装置に組み込んだ中空糸膜シートの積層状態を示すモデル図である。
【図３】本発明の実施例で用いた多孔パイプの中心部に仕切を有する円筒型の外部灌流型ガス交換装置の構造モデル図である。図中矢印は液体の流れのモデルを示す。
【図４】本発明で用いた角筒型の外部灌流型気液ガス交換装置の構造モデル図であり、図中矢印は液体の流れのモデルを示す。
【図５】図４の角型の外部灌流型気液ガス交換装置に組み込んだ中空糸膜シートの積層状態を示すモデル図である。
【符号の説明】
１，２  液体流入／流出口
３，４  ガス流入／流出口，脱気口
５      中空糸膜
６      封止樹脂部
７      多孔パイプ
８      中空糸膜シート縦糸
９      多孔パイプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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