JP2001038171A

JP2001038171A - 中空糸膜

Info

Publication number: JP2001038171A
Application number: JP11219913A
Authority: JP
Inventors: Motoki Kyo; 基樹京; Noriaki Kato; 典昭加藤; Isamu Yamamoto; 勇山本
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 1999-08-03
Filing date: 1999-08-03
Publication date: 2001-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】生体適合性が高く、耐熱性に優れたポリエー
テルスルホンを膜の素材とし、膜の親水化剤であるポリ
ビニルピロリドンの膜からの溶出を極力抑え、かつ乾燥
状態でモジュールを製作でき、溶質除去性に優れた血液
透析膜を提供する。【解決手段】実質的にポリエーテルスルホンとポリビ
ニルピロリドンから成り、外表面の開孔率が２５% 以上
であり、非対称スポンジ構造を有することを特徴とする
中空糸膜。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は新規な中空糸膜に関
する。詳しくは腎不全などの治療に用いる血液浄化膜で
あり、溶質除去性能、生体適合性、耐熱性に優れる中空
糸膜に関する。

【０００２】

【従来の技術】中空糸膜に多く用いられているポリスル
ホン系ポリマーにはポリスルホン（ＰＳｆ）とポリエー
テルスルホン（ＰＥＳ）がある。下記化１を繰り返し単
位とするＰＳｆは成形性に優れ、膜構造の制御は比較的
容易であり、スポンジ構造において膜断面の孔径を段階
的に拡大する膜構造や、膜内部のある部分に孔径の極大
が存在したり、マクロボイドが存在する膜構造にするこ
ともできる。それに加え、外表面の開孔率の制御も容易
であり、紡糸条件の制御により外表面開孔率２５％以上
の膜から、外表面に緻密層をもった膜も可能である。

【０００３】

【化１】

【０００４】

【化２】

【０００５】上記化２を繰り返し単位とするＰＥＳはＰ
Ｓｆに比べ生体適合性、耐熱性に優れるためにＰＳｆよ
り優れた血液透析膜になることが期待できるが、ＰＥＳ
において膜構造の制御は困難である。特にスポンジ構造
にするためには紡糸原液の粘度を高く保たなければなら
ない。そのためにはポリマー濃度を高くすることや、膜
の親水化剤であるポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）を多
量に添加する必要があり、紡糸条件の範囲が限られる。
しかもスポンジ構造において断面の膜孔径を制御するの
は困難である。これはＰＥＳの溶解性が高く、相分離が
おこりにくいためであろう。外表面において相分離が進
行しないために開孔率を高くするのも困難である。外表
面の開孔率が低いと膜内部に残留するフリーのＰＶＰが
紡糸工程にて十分に洗浄できず、膜内に閉じこめられ
る。膜内に閉じこめられたフリーのＰＶＰは透析治療の
際に膜が血液と接触したとき、血液へと溶出し患者の体
内に入りアナフィラキシー反応がおこる危険性がある。
また、外表面の開孔率が低いことで、糸同士の接触面積
が大きくなって、糸の束（バンドル）を乾燥させたとき
に糸同士がくっつき（固着）、糸と糸の間隙に接着樹脂
が浸透しないためにバンドルをモジュールとしたときに
リークが生じる。また、モジュール製作が可能だったと
しても、膜の有効面積が小さいために溶質除去性能に劣
ったモジュールとなる。糸の固着を抑制する方法として
中空糸にスペーサーヤーンを巻き付ける方法があるもの
の、手間とコストが必要となる。また、製膜した中空糸
膜を完全に乾かせてから巻き取る方法でも固着を回避す
ることはできるが、乾燥段階における糸のつぶれが発生
する危険性が高いとともに多大なエネルギーの消費が必
要となるため好ましくない。

【０００６】このようにＰＥＳとＰＶＰからなる血液透
析膜において、ＰＶＰの溶出が低減されて安全性が高い
とともに、乾燥状態でモジュールを製作でき、溶質除去
性能に優れた膜はまだ得られていない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】生体適合性が高く、耐
熱性に優れたＰＥＳを膜の素材とし、膜の親水化剤であ
るＰＶＰの膜からの溶出を極力抑え、かつ乾燥状態でモ
ジュールを製作でき、溶質除去性に優れた血液透析膜を
得る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は以下のものであ
る。実質的にポリエーテルスルホンとポリビニルピロリ
ドンから成り、外表面の開孔率が２５% 以上であり、非
対称スポンジ構造を有することを特徴とする中空糸膜。中空糸膜を膜面積１．５m²のモジュールに充填し、
尿素とビタミンＢ₁₂を含んだ水溶液流量２００ｍｌ／ｍ
ｉｎ、透析液流量５００ｍｌ／ｍｉｎで流したときの尿
素クリアランスが１８５ｍｌ／ｍｉｎ以上、ビタミンＢ
₁₂クリアランスが１３０ｍｌ／ｍｉｎ以上である上記
記載の中空糸膜。中空糸膜にクリンプが付与されており、クリンプの
波長が１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下、振幅が０．３ｍｍ以
上である上記または記載の中空糸膜。中空糸膜の平均膜厚が２０μm 以上３５μm 以下で
ある上記ないしのいずれかに記載の中空糸膜。エアーギャップ部滞留時間が０．５秒以上、凝固浴
温度７０℃以上、ノズル温度が凝固浴温度より２０℃以
上低い紡糸方法にて得られうる上記ないしのいずれ
かに記載の中空糸膜。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明における血液浄化膜は実質
的にＰＥＳとＰＶＰからなる。ＰＥＳはポリスルホン系
ポリマーの一種であるが、ＰＳｆより生体適合性と耐熱
性に優れるため、血液浄化膜に適したポリマーと言え
る。しかし、ＰＥＳはＰＳｆと異なり、膜構造の制御は
困難である。その理由はＰＥＳが溶媒への溶解性が高
く、相分離が起こりにくいためである。

【００１０】しかし、膜の外表面の開孔率は２５％以上
に制御することが好ましい。開孔率を高くすることによ
って二つの効果が得られる。第一に、膜からのＰＶＰ溶
出の抑制であり、第二に糸の固着の抑制である。前者に
ついては外表面を大きく開孔させることで、紡糸工程に
おける糸の洗浄効率が向上し、膜内に存在するフリーの
ＰＶＰを洗い流し、膜内にＰＶＰを閉じこめない。その
結果、糸からのＰＶＰ溶出量を低減できる。

【００１１】後者については開孔率が小さいと糸同士の
接触面積が大きくなり、糸を乾燥させた場合に糸同士が
くっついて固まる（固着）。糸の固着が生じると、糸と
糸の間に樹脂が浸入せず、リークが起こる原因となる。
また、リークが起こらなかったとしても、有効膜面積が
小さくなるために、溶質除去性能が低下する。よって、
外表面の開孔率は２５％以上であることが好ましい。

【００１２】外表面の開孔率をあげる手段は乾湿式紡糸
法におけるＡＧ長さを長くする、あるいは紡速を低下さ
せるのが有効である。すなわち、ＡＧ部の滞留時間を長
くする。具体的にはＰＥＳにおいて０．５秒以上が必要
である。ＰＥＳ血液浄化用中空糸膜は二重紡糸口金の外
側から紡糸原液（ドープ）を押し出し、中央部分から凝
固性内液を出して紡糸する。ＡＧ滞留時間を長くするこ
とで凝固性内液によって膜の構造を決定させることがで
きる。すなわち、外表面からの強い凝固によって外表面
に緻密層が形成するのを避けるためにＡＧ滞留時間を長
くする。膜は内液によって構造が決定された後に凝固浴
へと導入される。この方法によって外表面に緻密層がな
く、開孔した膜が得られる。

【００１３】ＡＧ部の滞留時間を長くすることで、外表
面が開孔した膜が得られるが、開孔率を上げるために
は、それだけでは不十分である。外表面の開孔率を上げ
るためには、ＡＧ部における水分の存在が不可欠であ
る。二重紡糸口金から吐出した紡糸原液はＡＧ部に存在
する水蒸気を吸収して相分離がおこり、外表面が大きく
開孔した膜が得られる。具体的には、ＡＧ部の温度を４
０℃以上、湿度を９０％以上に保つことで、外表面開孔
率を２５％以上にすることができる。前述の通り、ＰＥ
ＳはＰＳｆと比べて相分離しにくい傾向があるため、Ａ
Ｇ部の温度と、湿度を調整するのはＰＥＳの場合、非常
に重要である。

【００１４】ＡＧ部の温度を４０℃以上、湿度を９０％
以上にする具体的手段は凝固浴温度７０℃以上、ノズル
温度を凝固浴温度より２０℃以上低くする方法が有効で
ある。凝固浴から蒸発する水蒸気によって、外表面の相
分離を促進する。外表面開孔率の測定方法は、中空糸サ
ンプルの外表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で倍率１
０，０００倍にて撮影し、画像処理装置を用いる方法、
あるいはトレーシングペーパーでＳＥＭ像を写しとっ
て、開孔部分を切り取り、紙の重量を測定して求める方
法がある。その中でも画像処理で求める方法が定量性が
高く好ましい。画像処理で求める方法としては東洋紡績
株式会社製画像処理装置イメージアナライザーＶ２０を
用いるのが好ましい。ＴＯＫＳ法自動二値化法により開
孔部を白色、その他を黒色とし、白色部分の面積と全体
の面積の比を求めて外表面開孔率とする。

【００１５】固着を抑制する手段として糸にクリンプを
付与する方法も有効である。前述のＡＧ部調整による外
表面開孔率を２５％以上に上げるとともに、紡糸工程に
おいて糸を巻き取る直前にクリンプ付与装置を用いて、
波長１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下、振幅０．３ｍｍ以上の
クリンプを付与することで、固着を完全に抑制できる。
モジュール組立工程における歩留まりが向上すると同時
に、膜の有効面積を最大限に活用できるため溶質除去性
能が向上する。また、パイプフィルム巻きのバンドルを
製作した場合に、バンドルが嵩高くなり、パイプフィル
ムとバンドルがずれなくなり、バンドルでの保存が可能
となる。波長１０ｍｍ以下の場合は固着抑制の効果が低
下するとともに、バンドルが嵩高くならないため好まし
くない。４０ｍｍ以上の場合もまた、固着抑制の効果が
低下するとともに、チャネリングを抑制できないために
必要な溶質除去性能が発現できない。

【００１６】膜構造はマクロボイドが存在する膜より、
スポンジ構造であることが好ましい。マクロボイドが存
在すると、透過性能、すなわち溶質を拡散で除去する能
力が劣るためである。マクロボイド構造では相分離にお
けるスピノーダル分解を促進して膜が形成されるため
に、孔径にばらつきのある膜となり、濾過性能に優れて
も、透過性能には劣り、血液浄化膜としては適さない。
スポンジ構造を得るためには激しいスピノーダル分解を
抑制する必要がある。具体的には、膜素材にＰＥＳ、親
水化剤にＰＶＰ、溶媒にジメチルアセトアミド（ＤＭＡ
Ｃ）、非溶媒に水を用いた場合、ドープ粘度を１０ｐｏ
ｉｓｅ以上で紡糸する必要がある。

【００１７】膜厚は２０〜３５μm であることが好まし
い。膜厚が３５μｍ以上と厚い場合、ドープ粘度が高い
場合でもマクロボイドが形成されて必要とされる性能が
発現できないことがあるのに加え、水洗浴による膜内部
の洗浄効率が低下するため、膜内に残ったフリーのＰＶ
Ｐを洗浄するのが困難となるためである。この場合、フ
リーのＰＶＰを完全に除去するため、バンドルをアルコ
ール類や熱水などで洗浄するといった特別な工程が必要
となるため好ましくない。膜厚が２０μm 以下の場合は
糸強度が低下し、糸のハンドリングが困難となるため好
ましくない。

【００１８】こうして、本発明によって得られた膜はＰ
ＶＰの溶出を低減できて安全であり、糸の固着もなく糸
が乾燥した状態でのモジュール組み立てが容易であり、
かつ必要な溶質除去性能、具体的には、本発明の中空糸
膜を用いて膜面積１．５m²のモジュールを組み立て、尿
素とビタミンＢ₁₂を含んだ水溶液流量２００ｍｌ／ｍｉ
ｎ、透析液流量５００ｍｌ／ｍｉｎで流し、濾過流量は
０ｍｌ／ｍｉｎとしたときの尿素クリアランスが１８５
ｍｌ／ｍｉｎ以上、ビタミンＢ₁₂クリアランスが１３０
ｍｌ／ｍｉｎ以上の性能を発現することができる。

【００１９】クリアランス（ＣＬ）を求める式は以下の
通りである。ＣＬ＝（Ｑｉｎ×Ｃｉｎ−Ｑｏｕｔ×Ｃｏｕｔ）／Ｃｉｎ（式１）ここでＱｉｎは水溶液入口流量（ｍｌ／ｍｉｎ）、Ｑｏ
ｕｔは水溶液出口流量（ｍｌ／ｍｉｎ）、Ｃｉｎは溶質
入口濃度（ｇ／ｍｌ）、Ｃｏｕｔは溶質出口濃度（ｇ／
ｍｌ）である。なおこれらの値にはマスバランスエラー
（ＭＢＥ）が５％以下であるものを採用した。ＭＢＥは
以下の式２から算出する。ＭＢＥ＝（Ｑｉｎ×Ｃｉｎ−Ｑｏｕｔ×Ｃｏｕｔ−Ｑｄ×Ｃｄ）／（Ｑｉｎ×Ｃｉｎ−Ｑｏｕｔ×Ｃｏｕｔ）（式２）ここで、Ｑｄは透析液出口流量、Ｃｄは透析液出口濃度
である。

【００２０】

【実施例】以下に実施例を挙げて、本発明を説明する
が、本発明はなんら限定されるものではない。

【００２１】（実施例１）ポリエーテルスルホン（ＰＥ
Ｓ）が１７．０重量％、親水化剤にポリビニルピロリド
ンＫ−９０（Ｋ９０）を３．０重量％、非溶媒として水
を５．０重量％、溶媒にジメチルアセトアミド（ＤＭＡ
Ｃ）７５．０％、内液濃度（ＤＭＡＣ＋水）が５０％と
して、紡糸原液を４０℃に保った二重紡糸口金の外側か
ら、内液を二重紡糸口金の内側から吐出し、ＡＧ長さ６
００ｍｍ、紡速６０ｍ／分、すなわちＡＧ滞留時間０．
６秒としたあと、７０℃の凝固浴濃度（ＤＭＡＣ＋水）
１０％の凝固浴へと浸漬した後、純水４５℃にて１分
間、純水８０℃にて４５秒間洗浄し、クリンプ付与装置
にて糸へクリンプを付与させた後、カセへと巻き取り、
内径１９８．２μm 、膜厚２９．４μｍの中空糸膜を得
た。このときのノズルから２５０ｍｍの部分におけるＡ
Ｇ部の温度は４５℃、湿度は９５％であり、ＡＧ部の水
分によって外表面の相分離を促進できていると考えられ
る。

【００２２】得られた中空糸膜の断面ＳＥＭ像（倍率
１，０００倍）と外表面ＳＥＭ像（倍率１０，０００
倍）を図１と図２に示す。断面ＳＥＭ像から、内面に緻
密層をもつ非対称スポンジ膜が得られていることが確認
できる。図２の外表面ＳＥＭ写真を、東洋紡績株式会社
製イメージアナライザーＶ２０を用いＴＯＫＳ法二値化
にて画像処理を行った画像を図３に示す。これから求め
た外表面開孔率は３０．１％であった。

【００２３】糸の固着は全く観察されず、モジュール組
立は容易であると同時に、透析液のチャネリングはみら
れず、表１に示すように必要とされる溶質除去性能は発
現できていた。この中空糸９９７６本をケースへ充填し
て樹脂で接着し、端部を刃で切り出すことでモジュール
を得た。モジュールの充填率は５７％、有効長は２４．
０ｃｍ、膜面積は１．４９m²だった。４０％エタノール
水溶液を使ってこのモジュールから溶出するＰＶＰの量
を測定したところ、１．５ｍｇとその量は軽微であり、
臨床で使用しても全く問題がないと考えられた。

【００２４】モジュール性能（クリアランス）を水溶液
で確認するため、透析液（キンダリー希釈液）に尿素１
ｇ／Ｌ、ビタミンＢ₁₂０．０２ｇ／Ｌの濃度で溶解させ
測定液とした。

【００２５】モジュールの入口より２００ｍｌ／ｍｉｎ
の速度で３７℃の測定液を導入し、透析液は３７℃に保
ち、５００ｍｌ／ｍｉｎにて向流で導入した。測定液の
入口と出口の液と透析液の出口の液をサンプリングし
た。測定中に流量を測定して正しく測定できているかど
うかを確認した。サンプリングした液の定量は、尿素に
ついては和光純薬製尿素窒素テストワコーＢを用い濃度
を求め、ビタミンＢ１２に関しては吸光度３６０ｎｍに
おける吸光度を求め濃度に換算した。これらの値から式
１、２にてクリアランス（ＣＬ）を算出したところ、尿
素ＣＬは１９１ｍｌ／ｍｉｎ、ビタミンＢ₁₂ＣＬは１４
７ｍｌ／ｍｉｎと非常に高い値を示した。

【００２６】（比較例１）ポリエーテルスルホン（ＰＥ
Ｓ）が１７．０重量％、親水化剤にポリビニルピロリド
ンＫ−９０（Ｋ９０）を３．０重量％、非溶媒として水
を５．０重量％、溶媒にジメチルアセトアミド（ＤＭＡ
Ｃ）７５．０％、内液濃度（ＤＭＡＣ＋水）が５０％と
して、紡糸原液を４０℃に保った二重紡糸口金の外側か
ら、内液を二重紡糸口金の内側から吐出し、ＡＧ長さ６
００ｍｍ、紡速６０ｍ／分、すなわちＡＧ滞留時間０．
６秒としたあと、４０℃の凝固浴濃度（ＤＭＡＣ＋水）
１０％の凝固浴へと浸漬した後、純水４５℃にて１分
間、純水８０℃にて４５秒間洗浄した後、カセへと巻き
取り、内径１９９．４μm 、膜厚３０．１μｍの中空糸
膜を得た。このときのノズルから２５０ｍｍの部分にお
けるＡＧ部の温度は３７℃、湿度は５０％であり、温
度、湿度ともにあまり高くなく、相分離へ与える影響は
大きくない。

【００２７】得られた中空糸膜の断面ＳＥＭ像（倍率
１，０００倍）と外表面ＳＥＭ像（倍率１０，０００
倍）を図４と図５に示す。断面ＳＥＭ像から、内面に緻
密層をもつ非対称スポンジ膜が得られていることが確認
できる。図５の外表面ＳＥＭ写真を、東洋紡績株式会社
製イメージアナライザーＶ２０を用いＴＯＫＳ法二値化
にて画像処理を行った画像を図６に示す。これから求め
た外表面開孔率は７．３％であり、開孔率は低かった。

【００２８】糸の固着はあったものの、糸をほぐして実
施例１と同様に１．５m²モジュールを組み立てたが、透
析液のチャネリングのため、表１に示すように溶質除去
性能は低く、満足できる性能ではなかった。膜面積１．
５m²のモジュールを組み立て、４０％エタノール水溶液
を使ってモジュールから溶出するＰＶＰの量を測定した
ところ、９．７ｍｇと多く、開孔率が低いために洗浄が
不十分であることが示唆される。

【００２９】（比較例２）ポリエーテルスルホン（ＰＥ
Ｓ）が１７．０重量％、親水化剤にポリビニルピロリド
ンＫ−９０（Ｋ９０）を３．０重量％、非溶媒として水
を５．０重量％、溶媒にジメチルアセトアミド（ＤＭＡ
Ｃ）７５．０％、内液濃度（ＤＭＡＣ＋水）が５０％と
して、紡糸原液を４０℃に保った二重紡糸口金の外側か
ら、内液を二重紡糸口金の内側から吐出し、ＡＧ長さ５
０ｍｍ、紡速３０ｍ／分、すなわちＡＧ滞留時間０．１
秒としたあと、４０℃の凝固浴濃度（ＤＭＡＣ＋水）１
０％の凝固浴へと浸漬した後、純水４５℃にて１分間、
純水８０℃にて４５秒間洗浄した後、カセへと巻き取
り、膜厚２９．５μｍの中空糸膜を得た。このときのノ
ズルから２５ｍｍの部分におけるＡＧ部の温度は３８
℃、湿度は８０％であった。

【００３０】得られた中空糸膜の断面ＳＥＭ像（倍率
１，０００倍）と外表面ＳＥＭ像（倍率１０，０００
倍）を図７と図８に示す。図７の断面ＳＥＭ像から、内
面と外面に緻密層をもつ非対称スポンジ膜が得られてい
ることが確認できる。図８の外表面には全く開孔部がみ
られず、外表面開孔率は０％とみなされた。糸を乾燥さ
せたところ、糸の固着が激しくモジュール化は不可能で
あった。

【００３１】

【表１】

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１で得られた中空糸膜の断面の走査型電
子顕微鏡写真（倍率１，０００倍）を示す。

【図２】実施例１で得られた中空糸膜の外表面の走査型
電子顕微鏡写真（倍率１０，０００倍）を示す。

【図３】図２の外表面走査型電子顕微鏡写真を、東洋紡
績株式会社製イメージアナライザーＶ２０を用いＴＯＫ
Ｓ法二値化にて画像処理を行った画像を示す。

【図４】比較例１で得られた中空糸膜の断面の走査型電
子顕微鏡写真（倍率１，０００倍）を示す。

【図５】比較例１で得られた中空糸膜の外表面の走査型
電子顕微鏡写真（倍率１０，０００倍）を示す。

【図６】図５の外表面の走査型電子顕微鏡写真を、東洋
紡績株式会社製イメージアナライザーＶ２０を用いＴＯ
ＫＳ法二値化にて画像処理を行った画像を示す。

【図７】比較例２で得られた中空糸膜の断面の走査型電
子顕微鏡写真（倍率１，０００倍）を示す。

【図８】比較例２で得られた中空糸膜の外表面の走査型
電子顕微鏡写真（倍率１０，０００倍）を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4D006 GA13 HA02 JA02B MA01 MA23 MA25 MA31 MA33 MA40 MB06 MB15 MC40X MC63X NA04 NA10 NA16 NA18 PA01 PB09 PC46 PC47

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】実質的にポリエーテルスルホンとポリビ
ニルピロリドンから成り、外表面の開孔率が２５% 以上
であり、非対称スポンジ構造を有することを特徴とする
中空糸膜。
【請求項２】中空糸膜を膜面積１．５m²のモジュール
に充填し、尿素とビタミンＢ₁₂を含んだ水溶液流量２０
０ｍｌ／ｍｉｎ、透析液流量５００ｍｌ／ｍｉｎで流し
たときの尿素クリアランスが１８５ｍｌ／ｍｉｎ以上、
ビタミンＢ₁₂クリアランスが１３０ｍｌ／ｍｉｎ以上で
ある請求項１記載の中空糸膜。
【請求項３】中空糸膜にクリンプが付与されており、
クリンプの波長が１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下、振幅が
０．３ｍｍ以上である請求項１または２記載の中空糸
膜。
【請求項４】中空糸膜の平均膜厚が２０μm 以上３５
μm 以下である請求項１ないし３のいずれかに記載の中
空糸膜。
【請求項５】エアーギャップ部滞留時間が０．５秒以
上、凝固浴温度７０℃以上、ノズル温度が凝固浴温度よ
り２０℃以上低い紡糸方法にて得られうる請求項１ない
し４のいずれかに記載の中空糸膜。