血液適合性を有する非対称ポリウレタン系膜の合成方法、及び該方法によって得られる膜
本発明は、ビソフトセグメントポリウレタン材料の水準の革新的な特性と、一体型非対称膜としての構造体の水準の革新的な特性とを組み合わせた高分子膜及びその合成に関する。高いフラックスのＯ２及びＣＯ２の透過性と組み合わせた血液適合性（非溶血性、非血栓形成性及び血小板の非付着性）が、体外血液酸素供給器のような血液との接触を伴う医療機器における膜の使用のために設計され、これはさらに、血液透析器及び免疫分離バリア用に設計することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
Instituto Superior Tecnicoにおいて開発された、化学技術分野及び生物医学技術分野における本発明は、血液を膜と接触させることを必要とする、体外血液酸素供給器及び体外医療機器又は体外医療装置に用いられる血液適合性の非対称ポリウレタン膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
体外血液酸素供給器は、酸素を血液に与えると共に二酸化炭素を血液から取り除くという通常の気体交換機能を肺が行えない開心術のような外科手術において用いられる医療機器である。１９５３年には、Ｇｉｂｂｏｎ型酸素供給器（人工肺）の使用によって、臨床的に成功した（１）。酸素供給器は、すぐ側を血液が下流方向に循環する一式の垂直金属スクリーンから成っている。酸素を血液に輸送すると共に二酸化炭素を血液から取り除くことを可能にしたこの一式は、チャンバ内に挿入したものである（１）。
【０００３】
その後２０年の間、この簡単な機器は、２つの主な指針：
１ 気泡型酸素供給器（酸素を血液に直接通気し、気泡から酸素を血流中に拡散させると共に、逆方向に、血液から二酸化炭素を気泡中に拡散させることを伴う）；
２ 膜型酸素供給器（血流と気相との間に挿入させた半透膜を組み込んでいるため、制御速度で酸素を血液中に浸透させると共に、血液から二酸化炭素を酸素流中へ送ることが可能である）
において数多くの開発のきっかけとなった。
【０００４】
第１の気泡型酸素供給器では、気泡及びフォームが赤血球を損傷させる危険性を示すことから、それらのその後の分離が必要であった。この欠点に関連して、それらの使用は、数時間という短時間の手術に限定されていた。それにもかかわらず、気泡型酸素供給器の使用は、大半が膜型酸素供給器に取って代わられた１９８０年まで続いた。
【０００５】
膜型酸素供給器は、より長時間の手術時間の間、患者のサポートを可能にした。それらは現在、省略形で「ＥＣＭＯ」（体外膜型酸素供給器)と称されている。
【０００６】
ＥＣＭＯは、血液損傷の危険性を減らすと共に、より長時間の手術のサポートを可能にするという優れた向上を示すものの、１９８０年では依然として：
気泡型酸素供給器よりも酸素輸送量がかなり低い；
コストが高い；
漏洩による失敗の危険性がより高い；
より多くの血液量が必要である
という幾つかの問題が付随していた。
【０００７】
初めに膜モジュールを静脈血のリザーバに結合した後、血液透析の体外機器のような他の体外機器の製造に関してなされた幾つかの改良体を組み込むことによって、漏洩の制御、堅牢性の改善、及びコストの削減という問題を解決することに成功した。
【０００８】
しかしながら、膜型血液酸素供給器の開発における課題は、平板モジュール及び中空繊維モジュールの膜の構成レベルにあるだけでなく、主に、血液適合性（hemocompability）とより高い酸素透過率とを関係付ける新たな膜の開発レベルにもある。
【０００９】
使用されるＥＣＭＯの大半の中空繊維モジュールは多くの場合、高い気体透過率を特徴とすることに起因して微孔質膜から成る。
【００１０】
しかしながら、微孔質膜の孔は、実質的に小さいサイズを有して赤血球又は血小板のような血液成分の通過を妨げるにもかかわらず、凝固カスケードの活性化、トロンビン（trombin）の形成、血小板の付着、及びトロンビンの形成をもたらす、血漿タンパク質の吸着によって生じる深刻な膜汚れを受けやすい。したがって、これは、これらの膜が血液適合性を有しないことを意味する。極めて一般的な用語において、血液適合性である膜とは、循環中の血液との接触によっていかなる血液の変化ももたらすことなく、特に、凝固カスケードの活性化を介した溶血、血栓形成、及び血小板の付着を誘発しないものである。
【００１１】
特許文献１によれば、微孔質膜に関連する別の問題は、ガスコンパートメント（gas compartment）への水の通過、並びに二酸化炭素の溶解、及び続いて起こる、ヒトの肺の平均値よりも低い値への濃度勾配及び気体透過率の減少である。特許文献１の発明者らは、より高い物質輸送量を維持するためにパルス流を使用している。
【００１２】
これらの問題を克服するための形態は、特許文献２及び特許文献３にそれぞれ記載されているような、膜のコーティングによるもの又は複合膜の使用によるものである。
【００１３】
特許文献４は、動作時間に伴い酸素側への血漿の侵入が生じて、これにより酸素供給器が動作不能になることに関する、微孔質膜に関連する別の問題を記載している。特許文献４の発明者は、非常に微細な孔を幾らか被覆しないものの、血漿の侵入によって酸素供給器が動作不能になる可能性がある時間を遅延させるコーティングの使用によって、この問題を最小限に抑えることができると述べている。
【００１４】
非特許文献１（３）は、略９μｍ程度の局所的な粗領域を有する塩化ビニルの膜では、平滑な外面を有する膜に比べて血小板の付着が３倍になったと記述している。
【００１５】
平板又は中空繊維のいずれかの形態の均質な緻密膜が、微孔質膜とは異なり、平滑膜／血液境界面を保証する表面モルフォロジを示すことに起因して、このような膜は、血液適合性を改善する上で重要な役割を果たし得る。しかしながら、この緻密膜は通常、必要とされる生理学的レベル未満である可能性のある低い気体透過率を示すため、必要な酸素供給率を満たすには、酸素供給器の膜表面積を増大する必要がある。そして、血液／膜境界面をより大きくすることによって、血液の損傷という危険性がより高まるおそれがある。
【００１６】
さらに、特許文献５及び特許文献６で報告されているもののような非血栓形成性ポリマーの開発によって、成膜性を有することが示され、且つ、適切なフラックス透過率、及び血液適合性の適切な特性に関連する表面モルフォロジを有する膜の形成が可能になるのであれば、このような開発しか上記課題の解決に有益でない。
【００１７】
目下、体外膜血液酸素供給器及び血液透析器の臨床用途は常に、患者に対するヘパリンの投与と関連付けられるものである。これは、血液と、膜及び機器との接触が、血栓形成効果、血小板の付着及び凝固カスケードの活性化を誘起しないことを保証している。膜及び機器表面のヘパリンによるさらなるコーティングを介してこのような効果を最小限に抑えるという主張も報告されているが、非特許文献１（３）は、反対に、全身のヘパリンとの負の相互作用が誘起されると言及している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】英国特許第１５９５０５８号
【特許文献２】米国特許第４，６２２，２０６号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２／００２８１５６１１号
【特許文献４】欧州公開特許第ｌ０４３０３５Ａ１号
【特許文献５】米国特許第５，００４，４６１号
【特許文献６】米国特許第４，５２１，５６４号
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Janvier, G., Baquey, C., Roth, C. Benillan, N., Belisle, S,, Hardy, J. F., "Extracorporeal circulation, hemocompability, and biomaterials", Ann Thorac Surg (1996), 62, 1926
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、体外血液酸素供給器における使用のための気体透過及び血液適合性という適切な特性を組み合わせた新規な膜に関する。
【００２１】
膜は、適切な膜表面積を有して生理学的要件を満たす酸素及び二酸化炭素の透過率を与えるように設計される。
【００２２】
新規な高分子材料の開発は、血液と接触する膜表面のモルフォロジ及び非対称断面膜構造の革新的なカスタマイズに有益である。
【００２３】
拡散材料特性と膜構造との組合せにより、非溶血性で非血栓形成性であり且つ血小板の付着を示さないことに鑑みて、要求される気体透過率は血液適合性と関連付けられる。
【００２４】
膜の材料特徴及び構造特徴は、革新的な単一工程において、均質相重合の触媒反応を、キャスト条件を最適化することによって与えられる物理化学的特徴を有するポリマー溶液の形成、即ち、一体型非対称膜構造体（図１）の作製と組み合わせた結果である。
【００２５】
典型的な一体型非対称膜は、Ｌｏｅｂ−Ｓｏｕｒｉｒａｊａｎ相（基本的にポリマー溶液の堆積／キャストの物理プロセスである転移技法）に関連するものである。
【００２６】
本発明において、均質相中で行われる重合の化学プロセスは、ポリマー構造の決定、ポリマー／溶剤系の相互作用、それゆえキャストされた膜構造体の前駆体として機能するポリマー溶液の最終構造において重要である。
【００２７】
重合試薬は２つのプレポリマーであり、これらのうち一方はイソシアネートの３つの末端官能基を有し、他方は２つの末端ヒドロキシル基を有する。２つの末端ヒドロキシル基を有するプレポリマーは、グリコール、ラクトン及び炭化水素から選択することができ、これは、膜の血液適合性に関して重要な役割を果たす。
【００２８】
２つのソフトセグメントを有するポリウレタンが得られる２つのプレポリマー間の反応は、血液適合性を改善するソフトセグメント表面への優先的な移行に影響を与え得る溶剤の混合物の均質相中で行われる。
【００２９】
これらの溶剤は、プレポリマー適合性に応じて選択されるだけでなく、全く異なる沸点及び揮発性を有するという要件に関しても選択される。これは、より揮発性の溶剤の蒸発速度を制御するのに重要であり、また
１）一体型非対称膜の緻密層の厚み、
２）循環中の血液と接触する緻密層の表面の低表面粗さ、
を確定する。
【００３０】
項目１）は、膜を通過する気体の拡散流の増大に関与する、一体型非対称膜の非常に薄い緻密層の作製を可能にする。実際に、この拡散流は対称緻密膜のものと比べて１桁増大し得る。
【００３１】
項目２）は、極めて平滑であり、且つ循環中の血液に剪断応力を誘起させることがある粗さを示さないことを特徴とする緻密層の外表面に関する。
【００３２】
要約すると、本発明の膜は、血液と接触する表面の照射又は化学作用のいずれかによる活性化を伴わない単純な作製プロセスに関連するものであり、その作製プロセスは、非血栓形成性基をグラフト化して膜を血液適合性とする上で必要とされる。
【００３３】
本発明の膜は、Ｏ２及びＣＯ２の高透過率を有する血液適合性に関連する。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
このため、本発明の第１の目的は、血液適合性高分子膜を合成する方法であって、
ａ）異なる揮発性を有する２つの溶剤の混合物中に溶解した２つのプレポリマー間の触媒反応工程、
ｂ）フィルム状に広げた後の上記溶液の制御蒸発工程、
ｃ）非溶剤を用いた交換による低揮発性溶剤の抽出工程、
ｄ）水又は水溶液中にフィルムを浸漬することによる触媒及び残留溶剤の抽出工程、及び
ｅ）乾燥工程、
に従う、新たなポリウレタン系ポリマーと、非対称膜のキャストポリマー溶液前駆体との同時合成を含む、血液適合性高分子膜を合成する方法である。
【００３５】
上記プロセスにおいて、好ましくは、ポリウレタン系ポリマーは、３つの末端イソシアネート（ＮＣＯ）基（ＰＰ ＮＣＯ）を含むプレポリマーと、２つの末端ヒドロキシル（ＯＨ）基（ＰＰ ＯＨ）を含むプレポリマーとの間の反応から、キャスト溶液の同時形成を伴って合成される。
【００３６】
通常、プレポリマーＰＰ ＮＣＯは、２８００ドルトン〜４５００ドルトン(Dalton)の範囲の分子量を有し、且つプレポリマーＰＰ ＯＨは、４００ドルトン〜２５００ドルトンの範囲の分子量を有する。
【００３７】
上記プロセスは通常、２つの溶剤、数滴（２滴又は３滴）の触媒、および全濃度が３０％（ｐ／ｐ）〜４５％（ｐ／ｐ）の範囲である２つのプレポリマーの反応混合物を含む。概して、２つのプレポリマーの相対比（重量％）は、８５ ＰＰ ＮＣＯ／１５ ＰＰ ＯＨ〜９５ ＰＰ ＮＣＯ／５ ＰＰ ＯＨである。
【００３８】
好ましいプレポリマー ＰＰ ＯＨは、ラクトン、グリコール及び炭化水素の化学群から選択される。
【００３９】
通常、本発明の方法において、溶剤の混合物（低揮発性溶剤／高揮発性溶剤）はそれぞれ、７５％（ｐ／ｐ）／２５％（ｐ／ｐ）〜９５％（ｐ／ｐ）／５％（ｐ／ｐ）の範囲である。
【００４０】
好ましくは、反応時間は、反応混合物の組成に応じて１時間〜２時間である。
【００４１】
最終的な高分子溶液は通常、蒸発時間を３０秒〜１００秒の範囲で制御しながら、平滑表面にわたってフィルム状にキャストされる。
【００４２】
好ましくは、膜に含浸する溶剤及び触媒を、２０℃〜２５℃の範囲の温度の水浴又は水溶液浴を用いて抽出及び交換する。
【００４３】
本発明の方法に従って得られる膜は、血液適合性で非溶血性且つ非血栓形成性の膜であり且つ酸素及び二酸化炭素に透過性である。
【００４４】
本発明の第２の目的は、ポリウレタン血液適合性一体型非対称膜であって、
ａ）血液と接触するものとなる極めて平滑な外側を有する０．１μｍ〜１μｍの範囲の極めて薄い緻密層、及び
ｂ）外側が、前記膜を透過する酸素と接触する、約１００μｍの厚みを有する下位の多孔質層、
を示す一体型非対称構造体を有する、ポリウレタン血液適合性一体型非対称膜である。
【００４５】
好ましくは、上記膜において、緻密層の外側は、１ｎｍ（ナノメートル）未満の平均孔径を有し、たんぱく質の吸着を避け、且つトロンビンの形成を阻害する。
【００４６】
緻密層を通じた酸素及び二酸化炭素の透過は一般に、拡散機構に関連するものである。
【００４７】
緻密層の下位の層は通常、気体透過、即ち酸素及び二酸化炭素の透過に対して有意な抵抗を与えない多孔質構造を有する。
【００４８】
これらの膜は、体外膜血液酸素供給器、及び膜／血液接触を伴う他の機器等、並びに細胞治療における免疫分離バリアのような医療機器における、且つ製薬産業及び食品産業等の他産業における用途を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】一体型非対称膜の断面図である。
【実施例】
【００５０】
実施例１
２つのプレポリマーと、２つの溶剤及び数滴（２滴又は３滴）の触媒（オクタン酸第一スズ）とから成る反応混合物において、重合反応を実施した。
【００５１】
２つのプレポリマーの混合物のパーセンテージは４０％（ｐ／ｐ）であり、溶剤の一方を６０％（ｐ／ｐ）とした。
【００５２】
２つのプレポリマー、例えば、ポリ（酸化プロピレン）及びポリ（カプロラクトン）ジオールのそれぞれの割合は９０：１０とした。
【００５３】
２つの溶剤の混合物、例えば、ジメチルホルムアミド及びジエチルエーテルのそれぞれの割合は、５５％（ｐ／ｐ）及び５％（ｐ／ｐ）とした。
【００５４】
プレポリマー、溶剤及び触媒の混合物を攪拌し、均質にした後、反応を窒素の不活性雰囲気下で２時間実施した。
【００５５】
膜形成
上記の高分子溶液を、極めて清潔で且つファットフリーのガラスプレート上に２５０μｍの較正ナイフで広げた。１分間空気に曝した後、プレートを室温で２４時間水中に浸漬させた。
【００５６】
その後、形成された膜をガラスプレートから剥がし、乾燥させるようにオーブンにかけた。
【００５７】
その後、気体に対する透過について膜を試験し、緻密膜のうちの幾つかのものよりも高い、Ｏ２に対する１７．６バーラー(barrer)の透過率、及びＣＯ２に対する１８３．２バーラーの透過率が示された。
【００５８】
溶血に関する標準試験ＡＳＴＭ Ｆ−７５６（４）によって、これらの膜について、溶血指数（ＨＩ）（ＨＩ＜２（膜が非溶血性であることを意味する））を判断した。
【００５９】
Imai及びNose（５）の方法によって、トロンビンの形成が観測されない１０分間の血液と膜の接触時間中に、血栓形成試験を実施した。
【００６０】
１０分を超える時間では常に、トロンビンの形成率が既存の結果よりもずっと低かった。
【００６１】
実施例２
溶剤の混合物において、４５％（ｐ／ｐ）のジメチルホルムアミド及び１５％（ｐ／ｐ）のジエチルエーテルとした以外は、実施例１の記載に従った。
【００６２】
空気に曝した時間は３０秒とした。
【００６３】
これらの膜を気体透過について試験し、Ｏ２及びＣＯ２に対する透過率はそれぞれ３２．５バーラー及び２２５．３バーラーであった。
【００６４】
血液適合性の結果は、１０分において溶血及び血栓形成はなく、同様であった。
【００６５】
参考文献
（１）Haworth, W. S., "The development of the modern oxygenator", Ann Thorac Surg (2003), 76, S2216
（２）Leonard, R. J., "The transition from the bubble oxygenator to the microporous membrane oxygenator" ,Perfusion (2003), 18, 179
（３）Janvier, G., Baquey, C., Roth, C. Benillan, N., Belisle, S,, Hardy, J. F., "Extracorporeal circulation, hemocompability, and biomaterials", Ann Thorac Surg (1996), 62, 1926
（４）Standard practices for assessment of hemolytic properties of materials: ASTM F 756-00 (ASTM, West Conshohocken, PA, USA, 2000)
（５）Y. Imai and Y. Nose: Biomed mater. Res. Vol 6 (1972), p.573
【技術分野】
【０００１】
Instituto Superior Tecnicoにおいて開発された、化学技術分野及び生物医学技術分野における本発明は、血液を膜と接触させることを必要とする、体外血液酸素供給器及び体外医療機器又は体外医療装置に用いられる血液適合性の非対称ポリウレタン膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
体外血液酸素供給器は、酸素を血液に与えると共に二酸化炭素を血液から取り除くという通常の気体交換機能を肺が行えない開心術のような外科手術において用いられる医療機器である。１９５３年には、Ｇｉｂｂｏｎ型酸素供給器（人工肺）の使用によって、臨床的に成功した（１）。酸素供給器は、すぐ側を血液が下流方向に循環する一式の垂直金属スクリーンから成っている。酸素を血液に輸送すると共に二酸化炭素を血液から取り除くことを可能にしたこの一式は、チャンバ内に挿入したものである（１）。
【０００３】
その後２０年の間、この簡単な機器は、２つの主な指針：
１ 気泡型酸素供給器（酸素を血液に直接通気し、気泡から酸素を血流中に拡散させると共に、逆方向に、血液から二酸化炭素を気泡中に拡散させることを伴う）；
２ 膜型酸素供給器（血流と気相との間に挿入させた半透膜を組み込んでいるため、制御速度で酸素を血液中に浸透させると共に、血液から二酸化炭素を酸素流中へ送ることが可能である）
において数多くの開発のきっかけとなった。
【０００４】
第１の気泡型酸素供給器では、気泡及びフォームが赤血球を損傷させる危険性を示すことから、それらのその後の分離が必要であった。この欠点に関連して、それらの使用は、数時間という短時間の手術に限定されていた。それにもかかわらず、気泡型酸素供給器の使用は、大半が膜型酸素供給器に取って代わられた１９８０年まで続いた。
【０００５】
膜型酸素供給器は、より長時間の手術時間の間、患者のサポートを可能にした。それらは現在、省略形で「ＥＣＭＯ」（体外膜型酸素供給器)と称されている。
【０００６】
ＥＣＭＯは、血液損傷の危険性を減らすと共に、より長時間の手術のサポートを可能にするという優れた向上を示すものの、１９８０年では依然として：
気泡型酸素供給器よりも酸素輸送量がかなり低い；
コストが高い；
漏洩による失敗の危険性がより高い；
より多くの血液量が必要である
という幾つかの問題が付随していた。
【０００７】
初めに膜モジュールを静脈血のリザーバに結合した後、血液透析の体外機器のような他の体外機器の製造に関してなされた幾つかの改良体を組み込むことによって、漏洩の制御、堅牢性の改善、及びコストの削減という問題を解決することに成功した。
【０００８】
しかしながら、膜型血液酸素供給器の開発における課題は、平板モジュール及び中空繊維モジュールの膜の構成レベルにあるだけでなく、主に、血液適合性（hemocompability）とより高い酸素透過率とを関係付ける新たな膜の開発レベルにもある。
【０００９】
使用されるＥＣＭＯの大半の中空繊維モジュールは多くの場合、高い気体透過率を特徴とすることに起因して微孔質膜から成る。
【００１０】
しかしながら、微孔質膜の孔は、実質的に小さいサイズを有して赤血球又は血小板のような血液成分の通過を妨げるにもかかわらず、凝固カスケードの活性化、トロンビン（trombin）の形成、血小板の付着、及びトロンビンの形成をもたらす、血漿タンパク質の吸着によって生じる深刻な膜汚れを受けやすい。したがって、これは、これらの膜が血液適合性を有しないことを意味する。極めて一般的な用語において、血液適合性である膜とは、循環中の血液との接触によっていかなる血液の変化ももたらすことなく、特に、凝固カスケードの活性化を介した溶血、血栓形成、及び血小板の付着を誘発しないものである。
【００１１】
特許文献１によれば、微孔質膜に関連する別の問題は、ガスコンパートメント（gas compartment）への水の通過、並びに二酸化炭素の溶解、及び続いて起こる、ヒトの肺の平均値よりも低い値への濃度勾配及び気体透過率の減少である。特許文献１の発明者らは、より高い物質輸送量を維持するためにパルス流を使用している。
【００１２】
これらの問題を克服するための形態は、特許文献２及び特許文献３にそれぞれ記載されているような、膜のコーティングによるもの又は複合膜の使用によるものである。
【００１３】
特許文献４は、動作時間に伴い酸素側への血漿の侵入が生じて、これにより酸素供給器が動作不能になることに関する、微孔質膜に関連する別の問題を記載している。特許文献４の発明者は、非常に微細な孔を幾らか被覆しないものの、血漿の侵入によって酸素供給器が動作不能になる可能性がある時間を遅延させるコーティングの使用によって、この問題を最小限に抑えることができると述べている。
【００１４】
非特許文献１（３）は、略９μｍ程度の局所的な粗領域を有する塩化ビニルの膜では、平滑な外面を有する膜に比べて血小板の付着が３倍になったと記述している。
【００１５】
平板又は中空繊維のいずれかの形態の均質な緻密膜が、微孔質膜とは異なり、平滑膜／血液境界面を保証する表面モルフォロジを示すことに起因して、このような膜は、血液適合性を改善する上で重要な役割を果たし得る。しかしながら、この緻密膜は通常、必要とされる生理学的レベル未満である可能性のある低い気体透過率を示すため、必要な酸素供給率を満たすには、酸素供給器の膜表面積を増大する必要がある。そして、血液／膜境界面をより大きくすることによって、血液の損傷という危険性がより高まるおそれがある。
【００１６】
さらに、特許文献５及び特許文献６で報告されているもののような非血栓形成性ポリマーの開発によって、成膜性を有することが示され、且つ、適切なフラックス透過率、及び血液適合性の適切な特性に関連する表面モルフォロジを有する膜の形成が可能になるのであれば、このような開発しか上記課題の解決に有益でない。
【００１７】
目下、体外膜血液酸素供給器及び血液透析器の臨床用途は常に、患者に対するヘパリンの投与と関連付けられるものである。これは、血液と、膜及び機器との接触が、血栓形成効果、血小板の付着及び凝固カスケードの活性化を誘起しないことを保証している。膜及び機器表面のヘパリンによるさらなるコーティングを介してこのような効果を最小限に抑えるという主張も報告されているが、非特許文献１（３）は、反対に、全身のヘパリンとの負の相互作用が誘起されると言及している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】英国特許第１５９５０５８号
【特許文献２】米国特許第４，６２２，２０６号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２／００２８１５６１１号
【特許文献４】欧州公開特許第ｌ０４３０３５Ａ１号
【特許文献５】米国特許第５，００４，４６１号
【特許文献６】米国特許第４，５２１，５６４号
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Janvier, G., Baquey, C., Roth, C. Benillan, N., Belisle, S,, Hardy, J. F., "Extracorporeal circulation, hemocompability, and biomaterials", Ann Thorac Surg (1996), 62, 1926
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、体外血液酸素供給器における使用のための気体透過及び血液適合性という適切な特性を組み合わせた新規な膜に関する。
【００２１】
膜は、適切な膜表面積を有して生理学的要件を満たす酸素及び二酸化炭素の透過率を与えるように設計される。
【００２２】
新規な高分子材料の開発は、血液と接触する膜表面のモルフォロジ及び非対称断面膜構造の革新的なカスタマイズに有益である。
【００２３】
拡散材料特性と膜構造との組合せにより、非溶血性で非血栓形成性であり且つ血小板の付着を示さないことに鑑みて、要求される気体透過率は血液適合性と関連付けられる。
【００２４】
膜の材料特徴及び構造特徴は、革新的な単一工程において、均質相重合の触媒反応を、キャスト条件を最適化することによって与えられる物理化学的特徴を有するポリマー溶液の形成、即ち、一体型非対称膜構造体（図１）の作製と組み合わせた結果である。
【００２５】
典型的な一体型非対称膜は、Ｌｏｅｂ−Ｓｏｕｒｉｒａｊａｎ相（基本的にポリマー溶液の堆積／キャストの物理プロセスである転移技法）に関連するものである。
【００２６】
本発明において、均質相中で行われる重合の化学プロセスは、ポリマー構造の決定、ポリマー／溶剤系の相互作用、それゆえキャストされた膜構造体の前駆体として機能するポリマー溶液の最終構造において重要である。
【００２７】
重合試薬は２つのプレポリマーであり、これらのうち一方はイソシアネートの３つの末端官能基を有し、他方は２つの末端ヒドロキシル基を有する。２つの末端ヒドロキシル基を有するプレポリマーは、グリコール、ラクトン及び炭化水素から選択することができ、これは、膜の血液適合性に関して重要な役割を果たす。
【００２８】
２つのソフトセグメントを有するポリウレタンが得られる２つのプレポリマー間の反応は、血液適合性を改善するソフトセグメント表面への優先的な移行に影響を与え得る溶剤の混合物の均質相中で行われる。
【００２９】
これらの溶剤は、プレポリマー適合性に応じて選択されるだけでなく、全く異なる沸点及び揮発性を有するという要件に関しても選択される。これは、より揮発性の溶剤の蒸発速度を制御するのに重要であり、また
１）一体型非対称膜の緻密層の厚み、
２）循環中の血液と接触する緻密層の表面の低表面粗さ、
を確定する。
【００３０】
項目１）は、膜を通過する気体の拡散流の増大に関与する、一体型非対称膜の非常に薄い緻密層の作製を可能にする。実際に、この拡散流は対称緻密膜のものと比べて１桁増大し得る。
【００３１】
項目２）は、極めて平滑であり、且つ循環中の血液に剪断応力を誘起させることがある粗さを示さないことを特徴とする緻密層の外表面に関する。
【００３２】
要約すると、本発明の膜は、血液と接触する表面の照射又は化学作用のいずれかによる活性化を伴わない単純な作製プロセスに関連するものであり、その作製プロセスは、非血栓形成性基をグラフト化して膜を血液適合性とする上で必要とされる。
【００３３】
本発明の膜は、Ｏ２及びＣＯ２の高透過率を有する血液適合性に関連する。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
このため、本発明の第１の目的は、血液適合性高分子膜を合成する方法であって、
ａ）異なる揮発性を有する２つの溶剤の混合物中に溶解した２つのプレポリマー間の触媒反応工程、
ｂ）フィルム状に広げた後の上記溶液の制御蒸発工程、
ｃ）非溶剤を用いた交換による低揮発性溶剤の抽出工程、
ｄ）水又は水溶液中にフィルムを浸漬することによる触媒及び残留溶剤の抽出工程、及び
ｅ）乾燥工程、
に従う、新たなポリウレタン系ポリマーと、非対称膜のキャストポリマー溶液前駆体との同時合成を含む、血液適合性高分子膜を合成する方法である。
【００３５】
上記プロセスにおいて、好ましくは、ポリウレタン系ポリマーは、３つの末端イソシアネート（ＮＣＯ）基（ＰＰ ＮＣＯ）を含むプレポリマーと、２つの末端ヒドロキシル（ＯＨ）基（ＰＰ ＯＨ）を含むプレポリマーとの間の反応から、キャスト溶液の同時形成を伴って合成される。
【００３６】
通常、プレポリマーＰＰ ＮＣＯは、２８００ドルトン〜４５００ドルトン(Dalton)の範囲の分子量を有し、且つプレポリマーＰＰ ＯＨは、４００ドルトン〜２５００ドルトンの範囲の分子量を有する。
【００３７】
上記プロセスは通常、２つの溶剤、数滴（２滴又は３滴）の触媒、および全濃度が３０％（ｐ／ｐ）〜４５％（ｐ／ｐ）の範囲である２つのプレポリマーの反応混合物を含む。概して、２つのプレポリマーの相対比（重量％）は、８５ ＰＰ ＮＣＯ／１５ ＰＰ ＯＨ〜９５ ＰＰ ＮＣＯ／５ ＰＰ ＯＨである。
【００３８】
好ましいプレポリマー ＰＰ ＯＨは、ラクトン、グリコール及び炭化水素の化学群から選択される。
【００３９】
通常、本発明の方法において、溶剤の混合物（低揮発性溶剤／高揮発性溶剤）はそれぞれ、７５％（ｐ／ｐ）／２５％（ｐ／ｐ）〜９５％（ｐ／ｐ）／５％（ｐ／ｐ）の範囲である。
【００４０】
好ましくは、反応時間は、反応混合物の組成に応じて１時間〜２時間である。
【００４１】
最終的な高分子溶液は通常、蒸発時間を３０秒〜１００秒の範囲で制御しながら、平滑表面にわたってフィルム状にキャストされる。
【００４２】
好ましくは、膜に含浸する溶剤及び触媒を、２０℃〜２５℃の範囲の温度の水浴又は水溶液浴を用いて抽出及び交換する。
【００４３】
本発明の方法に従って得られる膜は、血液適合性で非溶血性且つ非血栓形成性の膜であり且つ酸素及び二酸化炭素に透過性である。
【００４４】
本発明の第２の目的は、ポリウレタン血液適合性一体型非対称膜であって、
ａ）血液と接触するものとなる極めて平滑な外側を有する０．１μｍ〜１μｍの範囲の極めて薄い緻密層、及び
ｂ）外側が、前記膜を透過する酸素と接触する、約１００μｍの厚みを有する下位の多孔質層、
を示す一体型非対称構造体を有する、ポリウレタン血液適合性一体型非対称膜である。
【００４５】
好ましくは、上記膜において、緻密層の外側は、１ｎｍ（ナノメートル）未満の平均孔径を有し、たんぱく質の吸着を避け、且つトロンビンの形成を阻害する。
【００４６】
緻密層を通じた酸素及び二酸化炭素の透過は一般に、拡散機構に関連するものである。
【００４７】
緻密層の下位の層は通常、気体透過、即ち酸素及び二酸化炭素の透過に対して有意な抵抗を与えない多孔質構造を有する。
【００４８】
これらの膜は、体外膜血液酸素供給器、及び膜／血液接触を伴う他の機器等、並びに細胞治療における免疫分離バリアのような医療機器における、且つ製薬産業及び食品産業等の他産業における用途を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】一体型非対称膜の断面図である。
【実施例】
【００５０】
実施例１
２つのプレポリマーと、２つの溶剤及び数滴（２滴又は３滴）の触媒（オクタン酸第一スズ）とから成る反応混合物において、重合反応を実施した。
【００５１】
２つのプレポリマーの混合物のパーセンテージは４０％（ｐ／ｐ）であり、溶剤の一方を６０％（ｐ／ｐ）とした。
【００５２】
２つのプレポリマー、例えば、ポリ（酸化プロピレン）及びポリ（カプロラクトン）ジオールのそれぞれの割合は９０：１０とした。
【００５３】
２つの溶剤の混合物、例えば、ジメチルホルムアミド及びジエチルエーテルのそれぞれの割合は、５５％（ｐ／ｐ）及び５％（ｐ／ｐ）とした。
【００５４】
プレポリマー、溶剤及び触媒の混合物を攪拌し、均質にした後、反応を窒素の不活性雰囲気下で２時間実施した。
【００５５】
膜形成
上記の高分子溶液を、極めて清潔で且つファットフリーのガラスプレート上に２５０μｍの較正ナイフで広げた。１分間空気に曝した後、プレートを室温で２４時間水中に浸漬させた。
【００５６】
その後、形成された膜をガラスプレートから剥がし、乾燥させるようにオーブンにかけた。
【００５７】
その後、気体に対する透過について膜を試験し、緻密膜のうちの幾つかのものよりも高い、Ｏ２に対する１７．６バーラー(barrer)の透過率、及びＣＯ２に対する１８３．２バーラーの透過率が示された。
【００５８】
溶血に関する標準試験ＡＳＴＭ Ｆ−７５６（４）によって、これらの膜について、溶血指数（ＨＩ）（ＨＩ＜２（膜が非溶血性であることを意味する））を判断した。
【００５９】
Imai及びNose（５）の方法によって、トロンビンの形成が観測されない１０分間の血液と膜の接触時間中に、血栓形成試験を実施した。
【００６０】
１０分を超える時間では常に、トロンビンの形成率が既存の結果よりもずっと低かった。
【００６１】
実施例２
溶剤の混合物において、４５％（ｐ／ｐ）のジメチルホルムアミド及び１５％（ｐ／ｐ）のジエチルエーテルとした以外は、実施例１の記載に従った。
【００６２】
空気に曝した時間は３０秒とした。
【００６３】
これらの膜を気体透過について試験し、Ｏ２及びＣＯ２に対する透過率はそれぞれ３２．５バーラー及び２２５．３バーラーであった。
【００６４】
血液適合性の結果は、１０分において溶血及び血栓形成はなく、同様であった。
【００６５】
参考文献
（１）Haworth, W. S., "The development of the modern oxygenator", Ann Thorac Surg (2003), 76, S2216
（２）Leonard, R. J., "The transition from the bubble oxygenator to the microporous membrane oxygenator" ,Perfusion (2003), 18, 179
（３）Janvier, G., Baquey, C., Roth, C. Benillan, N., Belisle, S,, Hardy, J. F., "Extracorporeal circulation, hemocompability, and biomaterials", Ann Thorac Surg (1996), 62, 1926
（４）Standard practices for assessment of hemolytic properties of materials: ASTM F 756-00 (ASTM, West Conshohocken, PA, USA, 2000)
（５）Y. Imai and Y. Nose: Biomed mater. Res. Vol 6 (1972), p.573
【特許請求の範囲】
【請求項１】
血液適合性高分子膜を合成する方法であって、
ａ）異なる揮発性を有する２つの溶剤の混合物中に溶解した２つのプレポリマー間の触媒反応工程、
ｂ）フィルム状に広げた後の上記溶液の制御蒸発工程、
ｃ）非溶剤を用いた交換による低揮発性溶剤の抽出工程、
ｄ）水又は水溶液中におけるフィルムの浸漬による触媒及び残留溶剤の抽出工程、及び
ｅ）乾燥工程、
に従う、新たなポリウレタン系ポリマーと、非対称膜のキャストポリマー溶液前駆体との同時合成を特徴とする、血液適合性高分子膜を合成する方法。
【請求項２】
３つの末端イソシアネート（ＮＣＯ）基（ＰＰ ＮＣＯ）を含むプレポリマーと、２つの末端ヒドロキシル（ＯＨ）基（ＰＰ ＯＨ）を含むプレポリマーとの間の反応から、キャスト溶液の同時形成を伴って前記ポリウレタン系ポリマーを合成することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記プレポリマーＰＰ ＮＣＯが、２８００ドルトン〜４５００ドルトンの範囲の分子量を有し、且つプレポリマーＰＰ ＯＨが、４００ドルトン〜２５００ドルトンの範囲の分子量を有することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
２つの溶剤、数滴（２滴又は３滴）の触媒、および全濃度が３０％（ｐ／ｐ）〜４５％（ｐ／ｐ）の範囲である前記２つのプレポリマーの反応混合物を特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記２つのプレポリマーの相対比（重量％）が、８５ ＰＰ ＮＣＯ／１５ ＰＰ ＯＨ〜９５ ＰＰ ＮＣＯ／５ ＰＰ ＯＨであることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記プレポリマーＰＰ ＯＨが、ラクトン、グリコール及び炭化水素の化学群から選択されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記溶剤の前記混合物（低揮発性溶剤／高揮発性溶剤）が各々、７５％（ｐ／ｐ）／２５％（ｐ／ｐ）〜９５％（ｐ／ｐ）／５％（ｐ／ｐ）の範囲であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記反応時間が、前記反応混合物の組成に応じて１時間〜２時間であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
最終的な高分子溶液を、蒸発時間を３０秒〜１００秒の範囲で制御しながら、平滑表面にわたってフィルム状にキャストすることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記膜に含浸する前記溶剤及び前記触媒を、２０℃〜２５℃の範囲の温度の水浴又は水溶液浴を用いて抽出及び交換することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
血液適合性で非溶血性且つ非血栓形成性の膜であり且つ酸素及び二酸化炭素に対して透過性である一体型非対称膜の製造を特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
ポリウレタン血液適合性一体型非対称膜であって、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法によって得られ、
ａ）前記血液と接触するものとなる極めて平滑な外側を有する０．１μｍ〜１μｍの範囲の極めて薄い緻密層、及び
ｂ）外側が、前記膜を透過する前記酸素と接触する、約１００μｍの厚みを有する下位の多孔質層、
を示す一体型非対称構造体を特徴とする、ポリウレタン血液適合性一体型非対称膜。
【請求項１３】
前記緻密層の前記外側が、１ｎｍ（ナノメートル）未満の平均孔径を有し、たんぱく質の吸着を避け、且つトロンビンの形成を阻害することを特徴とする、請求項１２に記載のポリウレタン血液適合性一体型非対称膜。
【請求項１４】
前記緻密層を通じた酸素及び二酸化炭素の透過が、拡散機構に関連することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載のポリウレタン血液適合性一体型非対称膜。
【請求項１５】
前記緻密層の下位の前記層が、気体透過、即ち酸素及び二酸化炭素の透過に対して有意な抵抗を与えない多孔質構造を有することを特徴とする、請求項１４に記載のポリウレタン血液適合性一体型非対称膜。
【請求項１６】
前記ポリウレタン血液適合性一体型非対称膜が、体外膜血液酸素供給器、及び膜／血液接触を伴う他の機器等、並びに細胞治療における免疫分離バリアのような医療機器における、且つ製薬産業及び食品産業等の他産業における用途を有することを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載のポリウレタン血液適合性一体型非対称膜。
【請求項１】
血液適合性高分子膜を合成する方法であって、
ａ）異なる揮発性を有する２つの溶剤の混合物中に溶解した２つのプレポリマー間の触媒反応工程、
ｂ）フィルム状に広げた後の上記溶液の制御蒸発工程、
ｃ）非溶剤を用いた交換による低揮発性溶剤の抽出工程、
ｄ）水又は水溶液中におけるフィルムの浸漬による触媒及び残留溶剤の抽出工程、及び
ｅ）乾燥工程、
に従う、新たなポリウレタン系ポリマーと、非対称膜のキャストポリマー溶液前駆体との同時合成を特徴とする、血液適合性高分子膜を合成する方法。
【請求項２】
３つの末端イソシアネート（ＮＣＯ）基（ＰＰ ＮＣＯ）を含むプレポリマーと、２つの末端ヒドロキシル（ＯＨ）基（ＰＰ ＯＨ）を含むプレポリマーとの間の反応から、キャスト溶液の同時形成を伴って前記ポリウレタン系ポリマーを合成することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記プレポリマーＰＰ ＮＣＯが、２８００ドルトン〜４５００ドルトンの範囲の分子量を有し、且つプレポリマーＰＰ ＯＨが、４００ドルトン〜２５００ドルトンの範囲の分子量を有することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
２つの溶剤、数滴（２滴又は３滴）の触媒、および全濃度が３０％（ｐ／ｐ）〜４５％（ｐ／ｐ）の範囲である前記２つのプレポリマーの反応混合物を特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記２つのプレポリマーの相対比（重量％）が、８５ ＰＰ ＮＣＯ／１５ ＰＰ ＯＨ〜９５ ＰＰ ＮＣＯ／５ ＰＰ ＯＨであることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記プレポリマーＰＰ ＯＨが、ラクトン、グリコール及び炭化水素の化学群から選択されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記溶剤の前記混合物（低揮発性溶剤／高揮発性溶剤）が各々、７５％（ｐ／ｐ）／２５％（ｐ／ｐ）〜９５％（ｐ／ｐ）／５％（ｐ／ｐ）の範囲であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記反応時間が、前記反応混合物の組成に応じて１時間〜２時間であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
最終的な高分子溶液を、蒸発時間を３０秒〜１００秒の範囲で制御しながら、平滑表面にわたってフィルム状にキャストすることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記膜に含浸する前記溶剤及び前記触媒を、２０℃〜２５℃の範囲の温度の水浴又は水溶液浴を用いて抽出及び交換することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
血液適合性で非溶血性且つ非血栓形成性の膜であり且つ酸素及び二酸化炭素に対して透過性である一体型非対称膜の製造を特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
ポリウレタン血液適合性一体型非対称膜であって、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法によって得られ、
ａ）前記血液と接触するものとなる極めて平滑な外側を有する０．１μｍ〜１μｍの範囲の極めて薄い緻密層、及び
ｂ）外側が、前記膜を透過する前記酸素と接触する、約１００μｍの厚みを有する下位の多孔質層、
を示す一体型非対称構造体を特徴とする、ポリウレタン血液適合性一体型非対称膜。
【請求項１３】
前記緻密層の前記外側が、１ｎｍ（ナノメートル）未満の平均孔径を有し、たんぱく質の吸着を避け、且つトロンビンの形成を阻害することを特徴とする、請求項１２に記載のポリウレタン血液適合性一体型非対称膜。
【請求項１４】
前記緻密層を通じた酸素及び二酸化炭素の透過が、拡散機構に関連することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載のポリウレタン血液適合性一体型非対称膜。
【請求項１５】
前記緻密層の下位の前記層が、気体透過、即ち酸素及び二酸化炭素の透過に対して有意な抵抗を与えない多孔質構造を有することを特徴とする、請求項１４に記載のポリウレタン血液適合性一体型非対称膜。
【請求項１６】
前記ポリウレタン血液適合性一体型非対称膜が、体外膜血液酸素供給器、及び膜／血液接触を伴う他の機器等、並びに細胞治療における免疫分離バリアのような医療機器における、且つ製薬産業及び食品産業等の他産業における用途を有することを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載のポリウレタン血液適合性一体型非対称膜。
【図１】
【公表番号】特表２０１１−５０２８０８（Ｐ２０１１−５０２８０８Ａ）
【公表日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５２７２２３（Ｐ２００９−５２７２２３）
【出願日】平成１９年１１月２日（２００７．１１．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００７／００３３４０
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０４１１２６
【国際公開日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【出願人】（５０９０６３０３０）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２日（２００７．１１．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００７／００３３４０
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０４１１２６
【国際公開日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【出願人】（５０９０６３０３０）
【Ｆターム（参考）】
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