JP2017513625A - 血液酸素供給器 - Google Patents

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Abstract

本開示は、格子状の配列の、流体(例えば血液) 通路および気体(例えば酸素)通路を含む血液酸素供給器を記載する。酸素供給器の通路のそれぞれを通る断面として見た場合、格子状の構成は、x軸(例えば面内)およびy軸(例えば面外)の両方向で交互になった気体通路および流体通路を含む。本明細書において記載した酸素供給器は、非対称の通路デザインを含む第一、第二、および第三高分子層を用いることによって製造の複雑さを軽減する。通路デザインは、周囲雰囲気に露出した「開口した」気体通路を含む。開口した気体通路のそれぞれに気体を送入するために酸素供給器が圧力容器内に設置され、これによりいくつかの実施形態では気体多岐管の必要性がなくなる。

Description

関連特許出願の相互参照
本願は、2014年4月23日に出願の「血液酸素供給器」と題した米国仮特許出願第61/983,314号の優先権を主張し、該出願はその全体において参照により本明細書に組み入れられる。
開示の背景
酸素供給器は、損傷したかまたは疾患のある肺によって行われる酸素化を補うための肺補助装置として使用することができる。血液酸素供給器のための標準的な構成は、中空繊維ネットワークに基づく。中空繊維ネットワークは、酸素供給器を流れる血液に損傷をもたらす傾向がある高濃度の抗凝血剤を必要とする場合がある。中空繊維酸素供給器は、比較的長い血液流路、滞留時間、および多くの血液導入量(blood prime volume)を有する場合もある。
開示の概要
開示の一局面によれば、酸素供給器は、第一の複数の気体通路および第一の複数の流体通路を画定する第一高分子層、第二の複数の気体通路および第二の複数の流体通路を画定する第二高分子層を含む。第二の複数の気体通路のそれぞれは、第一の複数の流体通路の1つと重なる。第二の複数の流体通路のそれぞれは、第一の複数の気体通路の1つと重なる。酸素供給器は、第三の複数の気体通路および第三の複数の流体通路を画定する第三高分子層も含む。第三の複数の気体通路のそれぞれは、第二の複数の流体通路の1つと重なり、第三の複数の流体通路のそれぞれは、第二の複数の気体通路の1つと重なる。第二高分子層は、複数の気体ビアも画定する。複数の気体ビアのそれぞれは、第一の複数の気体通路の1つを第三の複数の気体通路の1つに結合する。
いくつかの実施形態では、第一高分子層は、第二の複数の気体ビアを画定し、第三高分子層は、第三の複数の気体ビアを画定する。第一の複数の気体通路および第三の複数の気体通路は、第一気体流ネットワークを規定し、第二の複数の気体通路は、第二気体流ネットワークを規定する。
いくつかの実施形態では、酸素供給器は、第一、第二、および第三高分子層を収容する圧力容器を含む。第一、第二、および第三の複数の気体通路への流入口は、圧力容器内の周囲環境に開口している。
いくつかの実施形態では、第一の複数の気体通路および第一の複数の流体通路は、非対称の通路配列で構成される。第二の複数の気体通路および第二の複数の流体通路も、非対称の通路配列で構成される。いくつかの実施形態では、第二および第三高分子層は、それぞれ第一高分子層の複製である。いくつかの実施形態では、第二高分子層は、第一および第三高分子層に対して180度回転したものである。
いくつかの実施形態では、第一、第二、および第三の複数の気体通路の各通路は、閉端部を含む。いくつかの実施形態では、第一、第二、および第三高分子層はそれぞれ、ポリ(ジメチルシロキサン)を含む。いくつかの実施形態では、第一、第二、および第三高分子層はそれぞれ、約1×10-6mL/s/cm2/cm Hgより大きい気体透過度を有する。いくつかの実施形態では、第一、第二、および第三の複数の流体通路の深さは、約40μm〜約250μmである。いくつかの実施形態では、複数の気体ビアのそれぞれは、第二高分子層の複数の流体通路の2つの間に位置する。いくつかの実施形態では、複数の気体ビアのそれぞれは、第二高分子層における複数の流体通路の1つの長軸と一列に並ぶ。
いくつかの実施形態では、第二の複数の流体通路のそれぞれは、第一の複数の気体通路の1つと実質的に垂直に一列に並び、第三の複数の気体通路のそれぞれは、第二の複数の流体通路の1つと実質的に垂直に一列に並び、第三の複数の流体通路のそれぞれは、第二の複数の気体通路の1つと実質的に垂直に一列に並ぶ。いくつかの実施形態では、第一、第二、および第三高分子層の気体通路および流体通路は、交互パターンで配置される。いくつかの実施形態では、交互パターンは、気体通路および流体通路の厳密な繰り返しを含む。
開示の別の局面によれば、酸素供給器を製造する方法は、第一高分子層に第一の複数の気体通路および第一の複数の流体通路を画定することを含む。方法は、第二高分子層に第二の複数の気体通路、第二の複数の流体通路、および複数の気体ビアを画定することも含む。方法は、第三高分子層に第三の複数の気体通路および第三の複数の流体通路を画定することをさらに含む。方法は、第一および第三高分子層に対して第二高分子層を回転させること、次いで複数の気体ビアのそれぞれを第一の複数の気体通路のそれぞれの流入口および第三の複数の気体通路のそれぞれの流入口と一列に並べることも含む。第一および第三高分子層は、次いで第二高分子層に連結される。
いくつかの実施形態では、方法は、第一高分子層を第二高分子層の第一面に結合することおよび第三高分子層を第二高分子層の第二面に結合することも含む。第一面は第二面の反対である。
いくつかの実施形態では、第二高分子層は、第一および第三高分子層に対して約180度回転したものである。いくつかの実施形態では、第二および第三高分子層はそれぞれ、第一高分子層の複製である。
いくつかの実施形態では、方法は、第一の複数の気体通路を第二の複数の流体通路と一列に並べること、および第一の複数の流体通路を第二の複数の気体通路と一列に並べることも含む。
いくつかの実施形態では、方法は、第一高分子層に第二の複数の気体ビアを画定することおよび第三高分子層に第三の複数の気体ビアを画定することも含む。方法は、第一、第二、および第三の複数の流体通路の少なくとも1つに、1つまたは複数の機械的なミキサーを形成することも含む。いくつかの態様では、第一高分子層および第三高分子層は、第二高分子層に、浸透性接着剤、ホットメルト接着剤、プラズマボンディング、超音波溶接、摩擦溶接、またはレーザー溶接で結合される。
開示の別の局面によれば、血液を酸素化するための方法は、本明細書において記載する酸素供給器の1つを提供することを含む。次いで酸素供給器を収容する圧力容器に酸素が導入される。少なくとも部分的に脱酸素化された血液が酸素供給器に導入され、次いで少なくとも部分的に酸素化された血液が酸素供給器から受け取られる。
いくつかの態様では、方法は、導入した酸素で約1.0atm〜約2.5atmまたは約2.0atm〜約3.0atmの圧力まで圧力容器を加圧することを含む。いくつかの態様では、方法は、少なくとも部分的に脱酸素化された血液を約500mL/分〜約7L/分の速度で酸素供給器に導入することを含む。
当業者であれば、本明細書において記載する図表は、例示目的のためのみであることを理解するであろう。いくつかの事例では、記載の実施形態の様々な局面は、記載の実施形態の理解を促すために強調または拡大して示されている場合があることを理解されたい。図面においては、同様の参照符号は、概して、様々な図面全体にわたって同様の特徴、機能的に類似のおよび／または構造的に類似の要素を指す。図面は必ずしも正確な縮尺ではなく、代わりに教示の原理を図示する際に強調されている。図面は、決して本教示の範囲を限定することを意図したものではない。システムおよび方法は、次の図面を参照して次の例示的な記載からよりよく理解されうる。
血液を酸素化するための例示的なシステムを示す。 図1に示すシステムとの使用のための例示的な酸素供給器の分解図を示す。 図3Aおよび3Bは、図1に示す酸素供給器における使用のための例示的な高分子層の上面図を示す。 互いに積層された3つの高分子層を示す。 図4に示す3つの高分子層の積層体の切断面に沿って作成した切断図を示す。 図4に示す3つの高分子の積層体の切断面に沿って作成した断面図の概略を示す。 図1に示すシステムの血液酸素供給器を製造するための例示的な方法のフローチャートを示す。
詳細な説明
上で紹介しかつ下により詳細に述べる様々な概念は、記載の概念が任意の特定の実施形態の様式に限定されるものではないので、種々のやり方のいずれで実施されてもよい。具体的な実施形態および用途の例は、主に例示を目的として提供される。
本開示は、複数の気体通路および流体通路を含む血液酸素供給器を記載する。いくつかの実施形態では、複数の気体通路および流体通路は、格子状のレイアウトで配置された、酸素および血液の通路である。いくつかの実施形態では、格子状のレイアウトによって気体および流体の通路間で4方向への拡散が可能になる。例えば、酸素供給器の通路のそれぞれを通る断面として見た場合、格子状の構成は、x軸(例えば面内)およびy軸(例えば面外)の両方向で交互になった気体通路および流体通路を含む。格子状の構成によって4方向(例えば、上、下、左、および右)への拡散が可能になる一方で、血液および酸素流層が交互になった酸素供給器では、2方向(例えば、上および下)への拡散が可能になるのみであるため、格子状の構成は、血流層および酸素流層が交互になった酸素供給器と比べて拡散効率を高めることができる。いくつかの実施形態では、本明細書において記載する酸素供給器は、「開口した」気体通路を含む非対称の層デザインを用いることによって製造の複雑さを軽減している。開口した気体通路の流入口は、周囲雰囲気に露出している。いくつかの実施形態では、酸素供給器は、開口した気体通路のそれぞれに気体を導入するために圧力容器内に設置される。いくつかの実施形態では、別個の気体多岐管が必要ではないため、開口した気体通路も製造の複雑さを軽減している。
図1は、血液を酸素化するための例示的なシステム100を示す。システム100は、圧力容器104内に収容された酸素供給器102を含む。流体ポンプ106は、酸素供給器102を通じて流体(例えば血液)を流す。気体ポンプ108は、圧力容器104へ気体(例えば酸素)を流す。1つまたは複数の圧力調整器110は、圧力容器104内の圧力を調整する。ポンプ106および108は、いくつかの実施形態では圧力容器104に関する圧力読み取り値を圧力調整器110から受け取る制御装置112によって制御される。
図2〜5Bに関連して酸素供給器102をさらに説明する。通常、酸素供給器102は、複数の高分子基材層を含む。高分子基材層のそれぞれは、複数の気体通路および複数の流体通路を含む。各高分子基材層では、気体通路のそれぞれおよび流体通路のそれぞれ(高分子基材層の端にある通路を除く)が、各々2つの流体通路および2つの気体通路間にあるように、気体通路および流体通路が交互になっている。酸素供給器102は、第一高分子基材層の流体通路のそれぞれが、第二高分子基材層の気体通路と垂直に一列に並びかつ重なるようにも構成されている。同様に、第一高分子基材層の気体通路のそれぞれが、第二高分子基材層の流体通路と垂直に一列に並びかつ重なっている。この一列の構成を格子状の構成と呼ぶ。格子状の構成では、気体通路は、各内部流体通路(例えば、上方、下方、および両側にある)を囲み、流体通路は、各内部気体通路を囲む。下にさらに記載するように、いくつかの実施形態では、気体通路および流体通路は、開示の範囲から逸脱することなく、より複雑な交互パターンにしたがって交互になっている。
システムの酸素供給器102は、圧力容器104内に収容されている。酸素供給器102の気体通路のそれぞれに気体を送る多岐管システムの複雑さを軽減するために、酸素供給器102の気体通路に気体を供給する通気孔が、圧力容器104内に作り出された周囲の雰囲気条件に開口しかつ露出している。これらの実施形態では、気体通路は、気体通路のそれぞれへの気体(例えば酸素)の分配のための複雑な多岐管を必要としない。これらの実施形態では、酸素供給器102の流体通路のみが多岐管に結合されている。圧力容器104は、高圧に耐えるように構成された硬質シェルを含む耐圧ハウジングである。圧力容器104は、ポリカーボネートなどの気体不浸透性プラスチックまたは金属から製造されている。制御装置112は、酸素などの気体を圧力容器104に圧送して圧力容器104を加圧する気体ポンプ108を制御する。いくつかの実施形態では、圧力容器104は、約1atm〜約5atm、約1atm〜約4atm、約1atm〜約3atm、または約1.5atm〜約2.5atmまで加圧される。
システム100の圧力容器104は、圧力容器104内の圧力を調整しかつ圧力容器104内の所定圧力を維持するための1つまたは複数の圧力調整器110を含む。いくつかの実施形態では、圧力調整器110は、制御装置112へ圧力読み取り値を送信する圧力センサーを含んでおり、圧力容器104内の圧力の閉ループ制御が可能になる。いくつかの実施形態では、圧力調整器110は、所定圧力を実質的に越える圧力の上昇を防ぐ圧力解放弁である。例えば、圧力調整器110は、圧力容器104内の圧力が2.5atmに達した場合に自動的に開く圧力弁であってもよい。圧力容器104内の圧力を開放することによって、圧力容器104内の酸素を新たな酸素で一新することが可能になる。作動中には、CO2は血液から(例えば高分子層を通じてなど)、圧力容器104へ拡散する。圧力容器104内の圧力を開放することによって、CO2濃度が圧力容器104内で上昇しないようにCO2が圧力容器104を抜け出すことも可能になる。
システム100は、制御装置112によって制御され、かつ酸素供給器102に流体を流すように構成された流体ポンプ106も含む。例えば、流体ポンプ106は、酸素供給器102の流体通路に血液を流すように構成される。流体ポンプ106は、酸素供給器102の流体通路のそれぞれに流体を分配する酸素供給器102の多岐管に流体的に結合されている。流体ポンプ106は、約500mL/分〜約7L/分、約1.5L/分〜約5.5L/分、または約3L/分〜約5L/分の速度で酸素供給器102に流体を流すように構成される。
図2は、図1に示すシステム100との使用のための例示的な酸素供給器200の分解図を示す。酸素供給器200は、複数の高分子層202を含む。高分子層202のそれぞれは、複数の気体通路および複数の流体通路を含む。共に結合された場合には、高分子層202は、別個の流体流ネットワークおよび別個の気体流ネットワークを作り出す。いくつかの実施形態では、結合した高分子層202は、1つの流体流ネットワークおよび2つの別個の気体流ネットワークを作り出す。酸素供給器200は、流体流入口多岐管204および流体流出口多岐管206も含む。血液などの流体は、流体流入口多岐管204を通じて異なる高分子層の流体通路のそれぞれに流れ、流体が高分子層202のそれぞれを出るに伴って流体流出口多岐管206が流体を収集する。酸素供給器200は、最上層210および最下層212内に通気孔208(a)および208(b)を各々含む。最上層210および最下層212は、気体通路および流体通路を含まず、通気孔208は、最も上および最も下の高分子層における気体通路への流入口を提供する。通気孔は、気体通路への流入口に、酸素供給器200を収容する圧力容器内の周囲環境へのアクセスを提供する。通気孔208(a)は、第一気体流ネットワークの気体通路へのアクセスを提供し、通気孔208(b)は、第二気体流ネットワークの気体通路へのアクセスを提供する。
流入口多岐管204および流出口多岐管206は、血液に実質的なダメージを与えずに血液を導入しかつ高分子層202のそれぞれから受け取るように構成される。例えば、流入口多岐管204および流出口多岐管206はいずれも直角ではなくむしろ緩やかに湾曲した通路を含む。いくつかの実施形態では、多岐管内の通路は血管を模倣している。例えば、通路は二股に分岐する。分岐後、通路の大きさはMurrayの法則にしたがって縮小される。
酸素供給器200の高分子層202のそれぞれは、第一高分子層202における通路が第一高分子層202のいずれかの側の高分子層202の通路と実質的に重なりかつ平行に延在するように、互いに積層されている。いくつかの実施形態では、酸素供給器200は、積層された高分子層202を10〜100、30〜80、または40〜60層含む。いくつかの実施形態では、高分子層202は、ポリ(ジメチルシロキサン)(PDMS)から製造され、互いに直接積層される。例えば、高分子層202の通路がPDMS層内に画定された場合、酸素は気体通路からPDMSへと飽和することができる。PDMSは、次いで、気体通路と水平および垂直に一列に並んだ流体通路のための酸素供給源として機能する。別の実施形態では、高分子層202は、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリイミド、もしくは環状オレフィンコポリマー(COC)などの熱可塑性物質、ポリカプロラクトン(PCL)などの生分解性ポリエステル、またはポリセバシン酸グリセロール(PGS)などの軟質エラストマーから製造される。これらの実施形態では、高分子層202のそれぞれは、流体通路と気体通路の間の酸素または別の気体の拡散を許容するように選択された半多孔質膜により互いから隔てられる。
いくつかの実施形態では、高分子層202は、気体通路および流体通路が交互になった通路パターンを含む。例えば、交互パターンは、各流体通路が2つの気体通路間にあり、各気体通路が2つの流体通路間にある(高分子層202の端において以外は)厳密に交互になったパターンを含みうる。別の実施形態では、交互パターンは、互いに隣り合った複数の気体通路または複数の流体通路を含んでもよい。例えば、高分子層202は、2つの気体通路、次いで2つの流体通路、次いで2つの気体通路、次いで2つの流体通路等々を含む交互パターンを含む場合もある。いくつかの別の実施形態では、交互パターンは、複数の流体通路の幅と各々の流体通路を隔てる壁の幅との合計とほぼ同じ幅を有する1つの気体通路と交互になった複数の流体通路と、続く別の一連の流体通路とを含んでもよい。積層された場合には、所与の高分子層202における各気体通路は、対応する一連の複数の流体通路と実質的に一直線に、および下または上に、位置するであろう。各種の交互パターンが本明細書において記載するシステムに適しうる一方で、開示の残りの部分は厳密な交互パターンを前提としているが、しかしながら、当業者であれば、本明細書において記載するシステムが任意の交互パターン内で実施されてもよいことを認識するであろう。
図3Aおよび3Bは、図1の酸素供給器102における使用のための例示的な高分子層300の上面図を示す。各高分子層300は、複数の流体通路302および複数の気体通路304を画定している。一次(primary)流入口通路306は、複数の流体通路302のそれぞれと流体的に結合している。一次流入口通路306は、図2に関連して記載した流体流入口204などの酸素供給器の流体流入口と流体通路302のそれぞれに流体を提供する。同様に、一次流出口通路308は、流体通路302のそれぞれを出た流体を収集する。一次流出口通路は、図2に関連して記載した流体流出口206などの酸素供給器の流体流出口に流体を提供する。高分子層300は、複数の気体ビア310も含む。気体ビアは、高分子層300の上方の高分子層における気体通路を高分子層300の下方の高分子層における気体通路と結合する。この例では、高分子層300の気体通路は、第一気体流ネットワークにあり、高分子層300の上方および下方の高分子層における気体通路は第二気体流ネットワークにある。気体ビア310のそれぞれは、流体通路302の1つと一列に並んでいる。気体ビア310は流体通路302と一列に並び、隣接する高分子層における、流体通路302と重なる気体通路302に気体ビア310が気体を提供することが可能になる。
図示するように、流体通路302のそれぞれは、流体通路302と同じ高分子層300内の一次流入口306により供給される。また、流体は流体通路302を出て、同じく流体通路302と同じ高分子層300内にある一次流出口通路308まで達する。一方で、気体通路304のそれぞれは、高分子層300の上方または下方の高分子層に形成された気体ビア310から気体を受け取る気体流入口312を含む。気体流入口312の反対にある気体通路304の端部314は閉端部であり、別の通路または層には出ていかない。いくつかの実施形態では、閉端部は、気体通路304内の圧力を高め、気体通路304へ流入する気体を高分子層300および／または高分子層300を別の高分子層と隔てる膜に送り込む。
いくつかの実施形態では、流体通路302は血液の健康を守りつつ血液を分配するように構成されている。例えば、流体通路302の壁は、血液が流体通路302を流れることに伴う血液の凝固を防止するために抗凝血剤でコーティングすることができる。また流体通路302を流れる血液の健康を守るために、流体通路302は、直角よりもむしろ緩やかな角度を含むことができる。例えば、一次流入口通路306は緩やかに流体通路302へと移行し、流体通路302は緩やかに一次流出口通路308へ移行する。
いくつかの実施形態では、通路の相対寸法は、Murrayの法則に従うように選択される。いくつかの実施形態では、流体通路302は、長さが約1cm〜約40cm、約10cm〜約30cm、または約15cm〜約25cmである。流体通路302は(それらの長さの大部分にわたって)、幅が約100μm〜約1000μm、約300μm〜約800μm、または約500μm〜約600μmである。流体通路302は、深さが約40μm〜約250μm、約100μm〜約200μm、または約100μm〜約150μmである。図示するように、高分子層300は、流体通路302を5本および気体通路304を5本含む。いくつかの実施形態では、各高分子層300は、流体通路302を約5〜約100、約20〜約80、または約40〜約60本含む。いくつかの実施形態では、各高分子層300は、気体通路304を約5〜約100、約20〜約80、または約40〜約60本含む。
いくつかの実施形態では、流体通路302は、通路を流れるに伴って血液の混合を促す機械的な特徴を含む。例えば、流体通路302の1つまたは複数の壁は、血液が流体通路302を流れるに伴って血液をかき混ぜる窪み、杭、***、溝、またはこれらの組み合わせを含むことができる。
いくつかの実施形態では、高分子層300は、非対称のデザインを有する。高分子層300が対称軸を含んでいないので高分子層300は非対称である。例えば、高分子層300の右側316が気体ビア310を含む一方で、高分子層300の左側318は気体ビア310を含まない。高分子層300は、前後に非対称でもある。例えば、高分子層300の前側320の最も前方の通路は、気体通路304であり、高分子層300の後側322の最も後方の通路は、血液通路302である。同じ高分子層のデザインを何度も複製することができ、次いで積層工程の際に交互の高分子層を180度回転させて格子状の構成を作り出すことができるので、非対称の構成は、製造の複雑さを軽減する。非対称の構成によって、異なるタイプの高分子層を製造すること、または積層して格子状の構成を作成する場合にずらされる(offset)対称の高分子層を製造することを必要とせずに格子状の構成が可能になる。対称の高分子層を移動させることは、流体および気体通路のそれぞれに流体および気体を提供するために複雑な多岐管システムを要する場合がある。
いくつかの実施形態では、気体ビア310のそれぞれは、高分子層300における流体通路302の上方および下方にある気体通路304に気体ビア310が気体を供給することができるように流体通路302の1つと一直線になっている。流体通路302の1つと一直線になった場合には、気体ビア310は、流体通路302の長軸と一列に並ぶ。いくつかの実施形態では、気体ビア310の直径は、気体通路304の幅と同じである。いくつかの実施形態では、気体ビア310は、気体通路304の幅より大きい直径を有する。いくつかの実施形態では、各気体通路304は、複数の気体ビア310に接続されていてもよい。気体ビア310は、流体通路302が一次流入口306から分岐しかつ気体ビア310間を通ることが可能な間隔および大きさになっている。
図3Bは、高分子層350を示す。高分子層350は、高分子層350が180度回転している以外は、図3Aに示す高分子層300と同じ構成である。回転させた場合には、高分子層300の前側320の最も前方の通路は、現在は流体通路302であり、高分子層300の後側322の最も後方の通路は、現在は気体通路304である。高分子層300および350が積層されたならば、気体通路304は、流体通路302のそれぞれと重なり、流体通路302は、気体通路304のそれぞれと重なるであろう。
図4は、互いに積層された3つの高分子層300(高分子層300(a)、300(b)、および300(c))を示す。高分子層300(b)は、気体通路および流体通路が面内(層内で)および面外(積層された層に沿って)の両方で交互になった格子状の構成を作り出すために、高分子層300(a)および300(c)に対して180度回転している。図4は、1層おきの気体通路304が気体ビア310を通じて接続されていることを示している。例えば、高分子層300(b)に画定される気体ビア310(a)は、高分子層300(a)における気体通路304を高分子層300(c)における気体通路304と接続する。高分子層300(a)および300(b)の気体通路304は、第一気体流ネットワークを規定している。気体ビア310(b)は、高分子層300(b)における気体通路302に気体を供給する。高分子層300(b)における気体通路304は、第二気体ネットワークを規定している。第一および第二気体ネットワークは、互いに直接連通していない。
図5Aは、図4に示す3つの高分子の積層体の切断面402に沿って作成した切断図を示す。切断図は、面内および面外の両方で気体通路および流体通路が交互になった上述の格子状のデザインを示す。格子状のデザインは、図5Bにさらに示されている。高分子層300(a)の気体通路304は、閉端部314で終了し、高分子層300(b)の気体通路304に気体を供給する気体ビア310には結合していない。
図5Bは、図4に示す3つの高分子の積層体の切断面402に沿って作成した断面図の概略を示す。上に記載のように、通路は格子状のデザインに配置されている。例えば、流体通路302(a)は、気体通路304(a)および304(b)によって面内に、ならびに気体通路304(c)および304(d)によって面外に囲まれている。気体通路304(a)〜304(d)のそれぞれからの気体は、それら各々の高分子層へ拡散し、流体通路302(a)の4つの壁のそれぞれに沿って気体源を提供する。
いくつかの実施形態では、高分子層を気体源として作用させることで、酸素供給器を構築するために必要な位置決め公差を軽減する。例えば、気体通路が流体通路と完全に一列に並んでいなくても、酸素が気体通路を通過するのに伴って、酸素は高分子層を飽和させかつ流体通路への気体源として作用することができる。気体不浸透性通路を含有する2層を膜が隔てている装置では、拡散は、気体通路および流体通路が重なる位置で膜を通して実質的に起きるのみである。本明細書において記載の酸素供給器のいくつかの実施形態では、気体通路および流体通路が重なる領域での膜の一部分だけよりもむしろ高分子層のかなりの部分が流体通路への気体源として作用するので、気体通路および流体通路の位置決めおよび重複公差は、膜に基づいた装置と比べて本明細書において記載の装置ではより低くなりうる。したがって、いくつかの実施形態では、本明細書において記載の装置の異なる高分子層における気体通路および流体通路は、本発明の範囲から逸脱することなく、互いから少なくとも部分的にずれていてもよい。
図示するように、気体通路304および流体通路302のそれぞれは、高分子層の表面に樋として画定されている。樋は、気体通路304および流体通路302の側壁および床を画定する。通路のそれぞれの天井は、樋を画定する高分子層300の表面に積層された高分子層の底面により提供される。例えば、図5Bに示す酸素供給器の通路が高分子層300のそれぞれを通る樋として製造されたならば、高分子層300(a)の底面が高分子層300(b)に画定される樋に天井を提供するであろう。いくつかの実施形態では、通路を全く含まない最上層が、高分子層300(a)に画定された通路に天井を提供する。
いくつかの実施形態では、隣接する通路を隔てる壁の厚さは、気体通路304と流体通路302の間の拡散を制御するように選択される。いくつかの実施形態では、隣接する通路を隔てる壁の厚さは、約1μm〜約100μm、約10μm〜約100μm、または約10μm〜約25μmの厚さである。いくつかの実施形態では、隣接する高分子層における通路を隔てる床(または天井)の厚さは、約1μm〜約100μm、約10μm〜約100μm、または約10μm〜約25μmの厚さである。いくつかの実施形態では、高分子層のそれぞれの厚みの合計は、約45μm〜約350μm、約100μm〜約300μm、約150μm〜約250μm、または約150μm〜約200μmである。通常、気体通路304および流体通路302は、酸素に対して比較的高い透過性を有する物質、例えばPDMSで形成される。いくつかの実施形態では、高分子層は、約1×10-6mL/s/cm2/cm Hgより大きい、約1×10-5mL/s/cm2/cm Hg、約3×10-5mL/s/cm2/cm Hg、約7×10-5mL/s/cm2/cm Hg、または約1×10-4 mL/s/cm2/cm Hgより大きい酸素ガス透過度をもつ高分子から製造される。
いくつかの実施形態では、比較的酸素に対する透過性が高い物質から高分子層300を製造することによって、高分子層300間に気体透過膜を必要とせずに高分子層300を互いに直接積層することが可能になる。いくつかの実施形態では、気体通路304および流体通路302は、約25μm〜約200μm、約25μm〜約150μm、約25μm〜約100μm、または約25μm〜約75μm互いから(面内および面外に)隔てられている。
図6は、血液酸素供給器を製造するための例示的な方法600のフローチャートを示す。方法600は、第一、第二、および第三高分子層を製造すること(工程602)を含む。第二高分子層は、第一および第二高分子層に対して回転している(工程604)。第二高分子層の気体ビアは、第一および第三高分子層の気体流入口と一列に並べられる(工程606)。第一高分子層は、第二高分子層に結合され(工程608)、第三高分子層は、第二高分子層に結合される(工程610)。
上記のように、方法600は、第一、第二、および第三高分子層を製造すること(工程602)を含む。第一、第二、および第三高分子層のそれぞれは、複数の気体通路および複数の流体通路を含む。高分子層のそれぞれは、所与の高分子層内の気体通路に接続することなく高分子層の上方および下方の高分子層における気体通路を接続する気体ビアも含む。いくつかの実施形態では、図3Aに示すように、高分子層の気体通路のそれぞれは、近隣の高分子層の気体ビアに結合する流入口312を含む。流入口312の反対の気体通路の端部は、閉端部314である。高分子層のそれぞれの気体通路および流体通路は、エッチング、フライス削り(milling)、スタンピング、スタンピング、直接マイクロマシニング、射出成形、またはこれらの組み合わせにより高分子層のそれぞれに画定することができる。
方法600は、第二高分子層を回転させること(工程604)も含む。上に記載したように、高分子層のそれぞれは非対称であり、高分子層は対称軸を有さない。高分子層の非対称の構成によって、第一、第二、および第三高分子層のそれぞれを互いの複製とすることが可能になる。第二高分子層を180度回転させることによって、酸素供給器が上述の格子状のデザインを有することが可能になる。
方法600は、第二高分子層の気体ビアを第一および第三高分子層の気体流入口と一列に並べること(工程606)も含む。図3Aに関連して上に記載したように、高分子層のそれぞれの一方側は気体流入口312を含み、高分子層の他方側は気体ビア310を含む。第二高分子層を回転させた場合には、第二層の気体ビア310を第一および第二高分子層の気体流入口312と一列に並べることができる。また、第二高分子層の気体通路は、第一および第三高分子層の流体通路と一列に並べられ、第二高分子層の流体通路は、第一および第三高分子層の気体通路と一列に並べられる。
方法は、第一高分子層を第二の高分子層に結合すること(工程608)および第三高分子層を第二高分子層に結合すること(工程610)も含む。第一高分子層は、第二高分子層の第一面に結合され、第三高分子層は、第二高分子層の第二面に結合される。第二面は、第二高分子層が第一および第三高分子層の間に挟まれるように第二高分子層の第二面の反対にある。いくつかの実施形態では、酸素供給器の層は、例えば層を互いにクランプすることによって、可逆的に結合される。別の実施形態では、層は、浸透性接着剤(例えばRTV)、ホットメルト接着剤(例えば、3Mスコッチ・ウェルド3738および3762)、プラズマボンディング、超音波溶接、摩擦溶接、またはレーザー溶接で永続的に結合される。いくつかの実施形態では、追加の高分子層が、3つの高分子層の積層体に結合される。
いくつかの実施形態では、方法600は、追加の高分子層を製造することを含む。これらの実施形態では、別の高分子層であっても、積層された高分子層に高分子層を結合する前に回転される。いくつかの実施形態では、酸素供給器は、高分子層を5〜100層含む。
開示のシステムおよび方法は、その精神または基本的な特徴から逸脱することなく別の特定の形態で具体化されてもよい。前述の実施形態は、したがって発明の限定というよりもむしろすべての点で例示であると見なされる。

Claims (28)

  1. 第一の複数の気体通路および第一の複数の流体通路を含む第一高分子層と；
    第二の複数の気体通路のそれぞれが、第一の複数の流体通路の1つと重なり、第二の複数の流体通路のそれぞれが、第一の複数の気体通路の1つと重なる、第二の複数の気体通路および第二の複数の流体通路を含む第二高分子層と；
    第三の複数の気体通路のそれぞれが、第二の複数の流体通路の1つと重なり、第三の複数の流体通路のそれぞれが、第二の複数の気体通路の1つと重なる、第三の複数の気体通路および第三の複数の流体通路を含む第三高分子層と；
    複数の気体ビアのそれぞれが、第一の複数の気体通路の1つを第三の複数の気体通路の1つに結合する、第二高分子層に画定された複数の気体ビアと
    を含む、酸素供給器。
  2. 第一高分子層に画定された第二の複数の気体ビアおよび第三高分子層に画定された第三の複数の気体ビアをさらに含む、請求項1記載の酸素供給器。
  3. 第一の複数の気体通路および第三の複数の気体通路が、第一気体流ネットワークを規定し、第二の複数の気体通路が、第二気体流ネットワークを規定する、請求項1記載の酸素供給器。
  4. 第二の複数の流体通路のそれぞれが、第一の複数の気体通路の1つと実質的に垂直に一列に並び、第三の複数の気体通路のそれぞれが、第二の複数の流体通路の1つと実質的に垂直に一列に並び、第三の複数の流体通路のそれぞれが、第二の複数の気体通路の1つと実質的に垂直に一列に並ぶ、請求項1記載の酸素供給器。
  5. 第一の複数の気体通路および第一の複数の流体通路が、交互パターンで配置され、第二の複数の気体通路および第二の複数の流体通路が、交互パターンで配置され、第三の複数の気体通路および第三の複数の流体通路が、交互パターンで配置された、請求項1記載の酸素供給器。
  6. 交互パターンが、気体通路および流体通路が厳密に交互であることを含む、請求項5記載の酸素供給器。
  7. 第一、第二、および第三高分子層を収容する圧力容器をさらに含む、請求項1記載の酸素供給器。
  8. 第一、第二、および第三の複数の気体通路への流入口が、圧力容器内の周囲環境に開口している、請求項7記載の酸素供給器。
  9. 第一の複数の気体通路および第一の複数の流体通路が、非対称の通路配列で構成され、第二の複数の気体通路および第二の複数の流体通路が、非対称の通路配置で構成されている、請求項1記載の酸素供給器。
  10. 第二および第三高分子層がそれぞれ、第一高分子層の複製である、請求項1記載の酸素供給器。
  11. 第二高分子層が、第一および第三高分子層に対して180度回転している、請求項10記載の酸素供給器。
  12. 第一、第二、および第三の複数の気体通路の各通路が、閉端部を含む、請求項1記載の酸素供給器。
  13. 複数の気体ビアのそれぞれが、第二高分子層の複数の流体通路のうちの2つの間に位置している、請求項1記載の酸素供給器。
  14. 複数の気体ビアのそれぞれが、第二高分子層における複数の流体通路のうちの1つの長軸と一列に並ぶ、請求項1記載の酸素供給器。
  15. 第一、第二、および第三の複数の流体通路の深さが、約40μm〜約250μmである、請求項1記載の酸素供給器。
  16. 第一、第二、および第三高分子層がそれぞれ、ポリ(ジメチルシロキサン)を含む、請求項1記載の酸素供給器。
  17. 第一、第二、および第三高分子層がそれぞれ、約1×10-6mL/s/cm2/cm Hgより大きい気体透過度を有する、請求項1記載の酸素供給器。
  18. 請求項1記載の酸素供給器を提供する工程、
    酸素供給器を収容する圧力容器に酸素を導入する工程、
    少なくとも部分的に脱酸素化された血液を酸素供給器に導入する工程、および
    少なくとも部分的に酸素化された血液を酸素供給器から受け取る工程
    を含む、血液を酸素化する方法。
  19. 導入した酸素で約1.0atm〜約2.5atmの圧力まで圧力容器を加圧する工程をさらに含む、請求項18記載の方法。
  20. 導入した酸素で約2.0atm〜約3.0atmの圧力まで圧力容器を加圧する工程をさらに含む、請求項18記載の方法。
  21. 少なくとも部分的に脱酸素化された血液を約500mL/分〜約7L/分の速度で酸素供給器に導入する工程をさらに含む、請求項18記載の方法。
  22. 第一高分子層に第一の複数の気体通路および第一の複数の流体通路を画定する工程、
    第二高分子層に第二の複数の気体通路、第二の複数の流体通路、および複数の気体ビアを画定する工程、
    第三高分子層に第三の複数の気体通路および第三の複数の流体通路を画定する工程、
    第一および第三高分子層に対して第二高分子層を回転させる工程、
    複数の気体ビアのそれぞれを、第一の複数の気体通路のそれぞれの流入口および第三の複数の気体通路のそれぞれの流入口と一列に並べる工程、
    第一高分子層を第二高分子層に結合する工程、ならびに
    第三高分子層を第二高分子層に結合する工程
    を含む、酸素供給器を製造する方法。
  23. 第一高分子層を第二高分子層の第一面に結合する工程、および
    第三高分子層を第二高分子層の第二面に結合する工程
    をさらに含む、請求項22記載の方法。
  24. 第一および第三高分子層に対して第二高分子層を約180度回転させる工程をさらに含む、請求項22記載の方法。
  25. 第二および第三高分子層がそれぞれ、第一高分子層の複製である、請求項22記載の方法。
  26. 第一の複数の気体通路を第二の複数の流体通路と一列に並べる工程、および
    第一の複数の流体通路を第二の複数の気体通路と一列に並べる工程
    をさらに含む、請求項22記載の方法。
  27. 第一高分子層に第二の複数の気体ビアを画定する工程、および
    第三高分子層に第三の複数の気体ビアを画定する工程
    をさらに含む、請求項22記載の方法。
  28. 第一高分子層および第三高分子層が、第二高分子層に、浸透性接着剤、ホットメルト接着剤、プラズマボンディング、超音波溶接、摩擦溶接、またはレーザー溶接により結合される、請求項22記載の方法。
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