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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6513085
(24)【登録日】2019年4月19日
(45)【発行日】2019年5月15日
(54)【発明の名称】ガス交換器および人工肺
(51)【国際特許分類】
A61M 1/32 20060101AFI20190425BHJP
【ＦＩ】
A61M1/32
【請求項の数】28
【全頁数】19
(21)【出願番号】特願2016-526724(P2016-526724)
(86)(22)【出願日】2014年7月15日
(65)【公表番号】特表2016-528965(P2016-528965A)
(43)【公表日】2016年9月23日
(86)【国際出願番号】IB2014002308
(87)【国際公開番号】WO2015008163
(87)【国際公開日】20150122
【審査請求日】2017年6月20日
(31)【優先権主張番号】61/846,888
(32)【優先日】2013年7月16日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】501320755
【氏名又は名称】パルティ、ヨーラム
(74)【代理人】
【識別番号】110001612
【氏名又は名称】きさらぎ国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】パルティ、ヨーラム
【審査官】
細川 翔多
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２０１３／０４１９５０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２０１１／０９１０７４（ＷＯ，Ａ２）
【文献】
特開２００３−３１５３４９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ａ６１Ｍ １／３２
Ａ６１Ｍ １／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
血液細胞および血漿を含む血液を処理するためのガス交換ユニットであって、
第１の面および第２の面を有する基板と、
前記基板の前記第２の面上に間隔をおいて配置された複数のナノチューブであって、前記ナノチューブが、前記ナノチューブによって囲まれた複数の血液流路を残す構成で前記基板上に配置されており、前記流路のそれぞれが、流入端部および流出端部を有し、前記流路のそれぞれが、前記血液が通って流れるのに十分なほど広く、前記ナノチューブが、前記血液が前記流路を通って流れるときに前記流路内に前記血漿を保持するのに十分なほど互いに近接して離間されており、前記基板が、前記基板の前記第１の面と前記基板の前記第２の面との間に延在する複数の穴を有し、前記穴のそれぞれが、前記流路のそれぞれに位置合わせされている、複数のナノチューブと、
前記基板の前記第１の面に前記血液を供給するように構成された血液入口であって、該血液入口を介して到来する前記血液が前記穴を通って流れ、続いて前記流路を通るように前記穴と流体連通している、血液入口と、
前記流路の前記流出端部から到来する前記血液を受け入れるように構成された血液出口と、
前記基板および前記ナノチューブのアレイを収容するように構成されたハウジングであって、前記ナノチューブ間の空間にガスを送るために構成されたガス入口および前記ナノチューブ間の前記空間から離れる方向に前記ガスを送るために構成されたガス出口を有するハウジングと
を備えるガス交換ユニット。
第１の面および第２の面を有する基板と、
前記基板の前記第２の面上に間隔をおいて配置された複数のナノチューブであって、前記ナノチューブが、前記ナノチューブによって囲まれた複数の血液流路を残す構成で前記基板上に配置されており、前記流路のそれぞれが、流入端部および流出端部を有し、前記流路のそれぞれが、前記血液が通って流れるのに十分なほど広く、前記ナノチューブが、前記血液が前記流路を通って流れるときに前記流路内に前記血漿を保持するのに十分なほど互いに近接して離間されており、前記基板が、前記基板の前記第１の面と前記基板の前記第２の面との間に延在する複数の穴を有し、前記穴のそれぞれが、前記流路のそれぞれに位置合わせされている、複数のナノチューブと、
前記基板の前記第１の面に前記血液を供給するように構成された血液入口であって、該血液入口を介して到来する前記血液が前記穴を通って流れ、続いて前記流路を通るように前記穴と流体連通している、血液入口と、
前記流路の前記流出端部から到来する前記血液を受け入れるように構成された血液出口と、
前記基板および前記ナノチューブのアレイを収容するように構成されたハウジングであって、前記ナノチューブ間の空間にガスを送るために構成されたガス入口および前記ナノチューブ間の前記空間から離れる方向に前記ガスを送るために構成されたガス出口を有するハウジングと
を備えるガス交換ユニット。
【請求項2】
前記ナノチューブのそれぞれが、前記基板に対して垂直であり、前記流路のそれぞれが、前記基板に対して垂直である、請求項１に記載のガス交換ユニット。
【請求項3】
前記ナノチューブが、アレイの構成で前記基板上に配置されており、前記アレイ内には、複数の空隙があり、該空隙のそれぞれが、前記流路のそれぞれに対応する、請求項１に記載のガス交換ユニット。
【請求項4】
前記流路のそれぞれが、２〜５００μｍの直径を有する、請求項１に記載のガス交換ユニット。
【請求項5】
前記ナノチューブが、５〜２０ｎｍの直径を有する、請求項１に記載のガス交換ユニット。
【請求項6】
前記ナノチューブの中心が、前記ナノチューブの直径の１．５倍〜前記ナノチューブの直径の５倍だけ離間されている、請求項１に記載のガス交換ユニット。
【請求項7】
前記ナノチューブのそれぞれが、前記基板に対して垂直であり、前記流路のそれぞれが、前記基板に対して垂直であり、前記流路のそれぞれが、２〜５００μｍの直径を有し、前記ナノチューブが、５〜２０ｎｍの直径を有する、請求項１に記載のガス交換ユニット。
【請求項8】
前記ナノチューブの中心が、前記ナノチューブの直径の１．５倍〜前記ナノチューブの直径の５倍だけ離間されている、請求項７に記載のガス交換ユニット。
【請求項9】
前記ナノチューブが、アレイの構成で前記基板上に配置されており、前記アレイ内には、複数の空隙があり、該空隙のそれぞれが、前記流路のそれぞれに対応する、請求項８に記載のガス交換ユニット。
【請求項10】
血液細胞および血漿を含む血液を処理するためのガス交換器であって、
複数のガス交換ユニットであって、該ガス交換ユニットのそれぞれが、（ａ）第１の面および第２の面を有する基板、（ｂ）前記基板の前記第２の面上に間隔をおいて配置された複数のナノチューブであって、前記ナノチューブが、前記ナノチューブによって囲まれた複数の血液流路を残す構成で前記基板上に配置されており、前記流路のそれぞれが、流入端部および流出端部を有し、前記流路のそれぞれが、前記血液が通って流れるのに十分なほど広く、前記ナノチューブが、前記血液が前記流路を通って流れるときに前記流路内に前記血漿を保持するのに十分なほど互いに近接して離間されており、前記基板が、前記基板の前記第１の面と前記基板の前記第２の面との間に延在する複数の穴を有し、前記穴のそれぞれが、前記流路のそれぞれに位置合わせされている、複数のナノチューブ、（ｃ）前記基板の前記第１の面に前記血液を供給するように構成された血液入口であって、該血液入口を介して到来する前記血液が前記穴を通って流れ、続いて前記流路を通るように前記穴と流体連通している、血液入口、および（ｄ）前記流路の前記流出端部から到来する前記血液を受け入れるように構成された血液出口を含む、複数のガス交換ユニットと、
前記複数のガス交換ユニットを収容するように構成されたハウジングであって、前記ナノチューブ間の空間にガスを送るために構成されたガス入口および前記ナノチューブ間の前記空間から離れる方向に前記ガスを送るために構成されたガス出口を有するハウジングと、
流入する前記血液を前記ガス交換ユニットの少なくとも１つに送るために構成された血液流入路と、
前記ガス交換ユニットの少なくとも１つから、流出する前記血液を送るために構成された血液流出路と
を備えるガス交換器。
複数のガス交換ユニットであって、該ガス交換ユニットのそれぞれが、（ａ）第１の面および第２の面を有する基板、（ｂ）前記基板の前記第２の面上に間隔をおいて配置された複数のナノチューブであって、前記ナノチューブが、前記ナノチューブによって囲まれた複数の血液流路を残す構成で前記基板上に配置されており、前記流路のそれぞれが、流入端部および流出端部を有し、前記流路のそれぞれが、前記血液が通って流れるのに十分なほど広く、前記ナノチューブが、前記血液が前記流路を通って流れるときに前記流路内に前記血漿を保持するのに十分なほど互いに近接して離間されており、前記基板が、前記基板の前記第１の面と前記基板の前記第２の面との間に延在する複数の穴を有し、前記穴のそれぞれが、前記流路のそれぞれに位置合わせされている、複数のナノチューブ、（ｃ）前記基板の前記第１の面に前記血液を供給するように構成された血液入口であって、該血液入口を介して到来する前記血液が前記穴を通って流れ、続いて前記流路を通るように前記穴と流体連通している、血液入口、および（ｄ）前記流路の前記流出端部から到来する前記血液を受け入れるように構成された血液出口を含む、複数のガス交換ユニットと、
前記複数のガス交換ユニットを収容するように構成されたハウジングであって、前記ナノチューブ間の空間にガスを送るために構成されたガス入口および前記ナノチューブ間の前記空間から離れる方向に前記ガスを送るために構成されたガス出口を有するハウジングと、
流入する前記血液を前記ガス交換ユニットの少なくとも１つに送るために構成された血液流入路と、
前記ガス交換ユニットの少なくとも１つから、流出する前記血液を送るために構成された血液流出路と
を備えるガス交換器。
【請求項11】
前記ガス交換ユニットが、前記血液が直列の前記ガス交換ユニットを通って流れるように相互接続されている、請求項１０に記載のガス交換器。
【請求項12】
前記ガス交換ユニットのそれぞれにおいて、前記ナノチューブのそれぞれが、前記基板に対して垂直であり、前記流路のそれぞれが、前記基板に対して垂直であり、前記流路のそれぞれが、２〜５００μｍの直径を有し、前記ナノチューブが、５〜２０ｎｍの直径を有する、請求項１１に記載のガス交換器。
【請求項13】
前記ガス交換ユニットのそれぞれにおいて、前記ナノチューブが、アレイの構成で前記基板上に配置されており、前記アレイ内には、複数の空隙があり、該空隙のそれぞれが、前記流路のそれぞれに対応する、請求項１２に記載のガス交換器。
【請求項14】
前記ガス交換ユニットが、前記血液が並列の前記ガス交換ユニットを通って流れるように相互接続されている、請求項１０に記載のガス交換器。
【請求項15】
第１の面および第２の面を有する基板と、
前記基板の前記第２の面上に間隔をおいて配置された複数のナノチューブであって、前記ナノチューブが、前記ナノチューブによって囲まれた複数の流体流路を残す構成で前記基板上に配置されており、前記流路のそれぞれが、流入端部および流出端部を有し、前記流路のそれぞれが、前記流体が通って流れるのに十分なほど広く、前記ナノチューブが、前記流体が前記流路を通って流れるときに前記流路内に前記流体を保持するのに十分なほど互いに近接して離間されており、前記基板が、前記基板の前記第１の面と前記基板の前記第２の面との間に延在する複数の穴を有し、前記穴のそれぞれが、前記流路のそれぞれに位置合わせされている、複数のナノチューブと、
前記基板の前記第１の面に前記流体を供給するように構成された流体入口であって、該流体入口を介して到来する前記流体が前記穴を通って流れ、続いて前記流路を通るように前記穴と流体連通している、流体入口と、
前記流路の前記流出端部から到来する前記流体を受け入れるように構成された流体出口と、
前記基板および前記ナノチューブのアレイを収容するように構成されたハウジングであって、前記ナノチューブ間の空間にガスを送るために構成されたガス入口および前記ナノチューブ間の前記空間から離れる方向に前記ガスを送るために構成されたガス出口を有するハウジングと
を備える機器。
前記基板の前記第２の面上に間隔をおいて配置された複数のナノチューブであって、前記ナノチューブが、前記ナノチューブによって囲まれた複数の流体流路を残す構成で前記基板上に配置されており、前記流路のそれぞれが、流入端部および流出端部を有し、前記流路のそれぞれが、前記流体が通って流れるのに十分なほど広く、前記ナノチューブが、前記流体が前記流路を通って流れるときに前記流路内に前記流体を保持するのに十分なほど互いに近接して離間されており、前記基板が、前記基板の前記第１の面と前記基板の前記第２の面との間に延在する複数の穴を有し、前記穴のそれぞれが、前記流路のそれぞれに位置合わせされている、複数のナノチューブと、
前記基板の前記第１の面に前記流体を供給するように構成された流体入口であって、該流体入口を介して到来する前記流体が前記穴を通って流れ、続いて前記流路を通るように前記穴と流体連通している、流体入口と、
前記流路の前記流出端部から到来する前記流体を受け入れるように構成された流体出口と、
前記基板および前記ナノチューブのアレイを収容するように構成されたハウジングであって、前記ナノチューブ間の空間にガスを送るために構成されたガス入口および前記ナノチューブ間の前記空間から離れる方向に前記ガスを送るために構成されたガス出口を有するハウジングと
を備える機器。
【請求項16】
前記ナノチューブのそれぞれが、前記基板に対して垂直であり、前記流路のそれぞれが、前記基板に対して垂直である、請求項１５に記載の機器。
【請求項17】
前記ナノチューブが、アレイの構成で前記基板上に配置されており、前記アレイ内には、複数の空隙があり、該空隙のそれぞれが、前記流路のそれぞれに対応する、請求項１５に記載の機器。
【請求項18】
複数のユニットであって、該ユニットのそれぞれが、（ａ）第１の面および第２の面を有する基板、（ｂ）前記基板の前記第２の面上に間隔をおいて配置された複数のナノチューブであって、前記ナノチューブが、前記ナノチューブによって囲まれた複数の流体流路を残す構成で前記基板上に配置されており、前記流路のそれぞれが、流入端部および流出端部を有し、前記流路のそれぞれが、前記流体が通って流れるのに十分なほど広く、前記ナノチューブが、前記流体が前記流路を通って流れるときに前記流路内に前記流体を保持するのに十分なほど互いに近接して離間されており、前記基板が、前記基板の前記第１の面と前記基板の前記第２の面との間に延在する複数の穴を有し、前記穴のそれぞれが、前記流路のそれぞれに位置合わせされている、複数のナノチューブ、（ｃ）前記基板の前記第１の面に前記流体を供給するように構成された流体入口であって、該流体入口を介して到来する前記流体が前記穴を通って流れ、続いて前記流路を通るように前記穴と流体連通している、流体入口、および（ｄ）前記流路の前記流出端部から到来する前記流体を受け入れるように構成された流体出口を含む複数のユニットと、
前記複数のユニットを収容するように構成されたハウジングであって、前記ナノチューブ間の空間にガスを送るために構成されたガス入口および前記ナノチューブ間の前記空間から離れる方向に前記ガスを送るために構成されたガス出口を有するハウジングと、
流入する前記流体を前記ユニットの少なくとも１つに送るために構成された流体流入路と、
前記ユニットの少なくとも１つから流出する前記流体を送るために構成された流体流出路と
を備える機器。
前記複数のユニットを収容するように構成されたハウジングであって、前記ナノチューブ間の空間にガスを送るために構成されたガス入口および前記ナノチューブ間の前記空間から離れる方向に前記ガスを送るために構成されたガス出口を有するハウジングと、
流入する前記流体を前記ユニットの少なくとも１つに送るために構成された流体流入路と、
前記ユニットの少なくとも１つから流出する前記流体を送るために構成された流体流出路と
を備える機器。
【請求項19】
前記ユニットが、前記流体が直列の前記ユニットを通って流れるように相互接続されている、請求項１８に記載の機器。
【請求項20】
前記ユニットのそれぞれにおいて、前記ナノチューブのそれぞれが、前記基板に対して垂直であり、前記流路のそれぞれが、前記基板に対して垂直であり、前記流路のそれぞれが、２〜５００μｍの直径を有し、前記ナノチューブが、５〜２０ｎｍの直径を有する、請求項１９に記載の機器。
【請求項21】
前記ユニットのそれぞれにおいて、前記ナノチューブが、アレイの構成で前記基板上に配置されており、前記アレイ内には、複数の空隙があり、該空隙のそれぞれが、前記流路のそれぞれに対応する、請求項１９に記載の機器。
【請求項22】
前記ユニットが、前記流体が並列の前記ユニットを通って流れるように相互接続されている、請求項１８に記載の機器。
【請求項23】
産業用流体流システム内において流体とガスとを相互作用させるための方法であって、
ナノチューブによって囲まれた複数の流体流路を設けるステップであって、前記流路のそれぞれが、流入端部および流出端部を有し、前記流路のそれぞれが、前記流体が通って流れるのに十分なほど広く、前記ナノチューブが、前記流体が前記流路を通って流れるときに前記流路内に前記流体を保持するのに十分なほど互いに近接して離間される、ステップと、
前記流体に前記流路を通過させるステップと、
ガスに、前記流体流路の外の前記ナノチューブ間の空間を通過させるステップであって、前記ガスが、前記流路内の前記流体と相互作用する、ステップと
を含む方法。
ナノチューブによって囲まれた複数の流体流路を設けるステップであって、前記流路のそれぞれが、流入端部および流出端部を有し、前記流路のそれぞれが、前記流体が通って流れるのに十分なほど広く、前記ナノチューブが、前記流体が前記流路を通って流れるときに前記流路内に前記流体を保持するのに十分なほど互いに近接して離間される、ステップと、
前記流体に前記流路を通過させるステップと、
ガスに、前記流体流路の外の前記ナノチューブ間の空間を通過させるステップであって、前記ガスが、前記流路内の前記流体と相互作用する、ステップと
を含む方法。
【請求項24】
前記流路のそれぞれが、２〜５００μｍの直径を有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項25】
前記ナノチューブが、５〜２０ｎｍの直径を有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項26】
前記ナノチューブの中心が、前記ナノチューブの直径の１．５倍〜前記ナノチューブの直径の５倍だけ離間されている、請求項２３に記載の方法。
【請求項27】
前記ガスと前記流路内の前記流体との前記相互作用が、ガスの交換を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項28】
前記ガスと前記流路内の前記流体との前記相互作用が、熱の交換を含む、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
肺の主な機能は、周囲空気と血液との間でガスを交換することである。この枠組みにおいて、Ｏ２は、環境から血液に移動され、一方でＣＯ２は、体から排出される。
【0002】
通常の休んでいるヒトでは、これらの過程は、約２００〜２５０ｃｍ３／分のＯ２入力およびほぼ同じ量のＣＯ２の出力と関連する。この交換は、肺血液から肺胞気を分離する、表面積が５０〜１００ｍ２で厚さが０．５〜１μｍの生体膜を介して行われる。この過程は、同様の量の血液および空気の流量（約５リットル／分）と関連する。特定の流量で、血液は、膜に「接触」し、この膜を介して、１／３〜１／５秒の期間に拡散が起こる。
【0003】
肺などの天然のシステムにおいて、ガス交換は、２つの区画（肺胞内のガスおよび肺毛細血管の血液中に含まれるガス）を分離する薄い生体膜において起こる拡散によって達成される。肺胞区画内のガスは、呼吸運動により空気またはガスを肺の内外に移動させることによって周囲空気またはガスに近い組成に維持される。ガス交換は、極めて大きな表面積（約７０ｍ２）の交換膜を介する拡散によって達成される。血液の内外へのガスの拡散のための駆動力は、肺毛細血管を通る非常に多くの血流によって維持される。
【0004】
ナノチューブ（「ＮＴ（ｎａｎｏｔｕｂｅ）」）は、約１〜１００ｎｍの直径を有する不活性の円筒構造である。炭素ＮＴの場合、これらは、六方晶炭素原子メッシュの１つ以上の層から構成される。これらの長さは、ｃｍ範囲の値に達する場合がある。図１Ａは、炭素から作られた単一壁ＮＴを描いている。現時点で、ＮＴは、よく知られている構造であり、ＮＴを作る方法もよく知られている。図１Ｂは、互いに平行に配列された炭素ナノチューブのマトリックスの走査型電子顕微鏡写真を描いている。
【0005】
ナノファイバーは、炭素、ケイ素などから作られる同様の構造であり、市販もされている。ナノファイバーは、直径１００ナノメートル未満の繊維として定義される（参考文献１参照）。繊維工業において、この定義は、多くの場合、直径１０００ｎｍ程度の大きさの繊維を含むように拡大される（参考文献２参照）。炭素ナノファイバーは、触媒合成によって生産される黒鉛化繊維である。無機ナノファイバー（場合によりセラミックナノファイバーと呼ばれる）は、様々な種類の無機物質から調製され得る。最も頻繁に言及される、ナノファイバーの形態を有するセラミック材料は、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）、窒化チタン（ＴｉＮ）、またはプラチナ（Ｐｔ）である。
【発明の概要】
【0006】
本発明の一態様は、血液細胞および血漿を含む血液を処理するためのガス交換ユニットに関する。このガス交換ユニットは、第１の面および第２の面を有する基板を含む。複数のナノチューブは、ナノチューブ間に空間を空けて基板の第２の面上に配置され、ナノチューブは、ナノチューブによって囲まれる複数の血液流路（ｂｌｏｏｄ ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）を残す構成で基板上に配置され、流路のそれぞれは、流入端部（ｉｎｆｌｏｗ ｅｎｄ）および流出端部（ｏｕｔｆｌｏｗ ｅｎｄ）を有する。流路のそれぞれの幅は、血液が通って流れるのに十分なほど広く、ナノチューブは、血液が流路を通って流れるときに流路内に血漿を保持するのに十分なほど互いに近接して離間される。基板は、基板の第１の面と基板の第２の面との間に延在する複数の穴を有し、穴のそれぞれは、流路のそれぞれに位置合わせされる。また、このガス交換ユニットは、基板の第１の面に血液を供給するように構成される血液入口を含み、血液入口は、血液入口を介して到来する血液が、穴を通って流れ、続いて流路を通るように穴と流体連通する。また、このガス交換ユニットは、流路の流出端部から到来する血液を受け入れるように構成される血液出口を含む。また、このガス交換ユニットは、基板およびナノチューブのアレイ（ａｒｒａｙ ｏｆ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ）を収容するように構成されるハウジングを含み、ハウジングは、ナノチューブ間の空間にガスを送るために構成されるガス入口およびナノチューブ間の空間から離れる方向にガスを送るために構成されるガス出口を有する。
【0007】
一部の実施形態において、ナノチューブのそれぞれは、基板に対して垂直であり、流路のそれぞれは、基板に対して垂直である。一部の実施形態において、ナノチューブは、アレイの構成で基板上に配置され、アレイ内には、複数の空隙があり、空隙のそれぞれは、流路のそれぞれに対応する。一部の実施形態において、流路のそれぞれは、２〜５００μｍの直径を有する。一部の実施形態において、ナノチューブは、５〜２０ｎｍの直径を有する。一部の実施形態において、ナノチューブの中心は、ナノチューブの直径の１．５倍〜ナノチューブの直径の５倍だけ離間される。一部の実施形態において、ナノチューブのそれぞれは、基板に対して垂直であり、流路のそれぞれは、基板に対して垂直であり、流路のそれぞれは、２〜５００μｍの直径を有し、ナノチューブは、５〜２０ｎｍの直径を有する。ナノチューブの中心は、ナノチューブの直径の１．５倍〜ナノチューブの直径の５倍だけ離間されてもよい。一部の実施形態において、ナノチューブは、アレイの構成で基板上に配置され、アレイ内には、複数の空隙があり、空隙のそれぞれは、流路のそれぞれに対応する。
【0008】
本発明の別の態様は、血液細胞および血漿を含む血液を処理するためのガス交換器に関する。このガス交換器は、複数のガス交換ユニットを含む。これらのガス交換ユニットのそれぞれは、（ａ）第１の面および第２の面を有する基板、（ｂ）複数のナノチューブであって、該ナノチューブ間に空間を空けて基板の第２の面上に配置される複数のナノチューブであって、ナノチューブが、ナノチューブによって囲まれる複数の血液流路を残す構成で基板上に配置される複数のナノチューブを含む。流路のそれぞれは、流入端部および流出端部を有し、流路のそれぞれの幅は、血液が通って流れるのに十分なほど広い。ナノチューブは、血液が流路を通って流れるときに流路内に血漿を保持するのに十分なほど互いに近接して離間される。基板は、基板の第１の面と基板の第２の面との間に延在する複数の穴を有し、穴のそれぞれは、流路のそれぞれに位置合わせされる。また、これらのガス交換ユニットのそれぞれは、（ｃ）基板の第１の面に血液を供給するように構成される血液入口であって、血液入口が、血液入口を介して到来する血液が、穴を通って流れ、続いて流路を通るように穴と流体連通する血液入口および（ｄ）流路の流出端部から到来する血液を受け入れるように構成される血液出口を含む。また、このガス交換器は、複数のガス交換ユニットを収容するように構成されるハウジングを含む。このハウジングは、ナノチューブ間の空間にガスを送るために構成されるガス入口およびナノチューブ間の空間から離れる方向にガスを送るために構成されるガス出口を有する。また、このガス交換器は、流入する血液をガス交換ユニットの少なくとも１つに送るために構成される血液流入路およびガス交換ユニットの少なくとも１つから、流出する血液を送るために構成される血液流出路を含む。
【0009】
一部の実施形態において、ガス交換ユニットは、血液が直列のガス交換ユニットを通って流れるように相互接続される。一部の実施形態において、ガス交換ユニットのそれぞれでは、ナノチューブのそれぞれが、基板に対して垂直であり、流路のそれぞれが、基板に対して垂直であり、流路のそれぞれが、２〜５００μｍの直径を有し、ナノチューブが、５〜２０ｎｍの直径を有する。一部の実施形態において、ガス交換ユニットのそれぞれでは、ナノチューブが、アレイの構成で基板上に配置され、アレイ内には、複数の空隙があり、空隙のそれぞれが、流路のそれぞれに対応する。一部の実施形態において、ガス交換ユニットは、血液が並列のガス交換ユニットを通って流れるように相互接続される。
【0010】
本発明の別の態様は、血液細胞および血漿を含む血液を処理するための方法に関する。この方法は、ナノチューブによって囲まれる複数の血液流路であって、流路のそれぞれが、流入端部および流出端部を有する複数の血液流路を設けるステップを含む。流路のそれぞれの幅は、血液が通って流れるのに十分なほど広く、ナノチューブは、血液が流路を通って流れるときに流路内に血漿を保持するのに十分なほど互いに近接して離間される。また、この方法は、血液に流路を通過させるステップおよびガスに、血液流路の外のナノチューブ間の空間を通過させるステップであって、ガスが、流路内の血液と相互作用するステップを含む。
【0011】
一部の実施形態において、流路のそれぞれは、２〜５００μｍの直径を有する。一部の実施形態において、ナノチューブは、５〜２０ｎｍの直径を有する。一部の実施形態において、ナノチューブの中心は、ナノチューブの直径の１．５倍〜ナノチューブの直径の５倍だけ離間される。
【0012】
本発明の別の態様は、第１の面および第２の面を有する基板を含む機器に関する。複数のナノチューブは、ナノチューブ間に空間を空けて基板の第２の面上に配置され、ナノチューブは、ナノチューブによって囲まれる複数の流体流路を残す構成で基板上に配置される。流路のそれぞれは、流入端部および流出端部を有し、流路のそれぞれの幅は、流体が通って流れるのに十分なほど広く、ナノチューブは、流体が流路を通って流れるときに流路内に流体を保持するのに十分なほど互いに近接して離間される。基板は、基板の第１の面と基板の第２の面との間に延在する複数の穴を有し、穴のそれぞれは、流路のそれぞれに位置合わせされる。また、この機器は、基板の第１の面に流体を供給するように構成される流体入口を含む。流体入口は、流体入口を介して到来する流体が、穴を通って流れ、続いて流路を通るように穴と流体連通する。また、この機器は、流路の流出端部から到来する流体を受け入れるように構成される流体出口ならびに基板およびナノチューブのアレイを収容するように構成されるハウジングを含む。このハウジングは、ナノチューブ間の空間にガスを送るために構成されるガス入口およびナノチューブ間の空間から離れる方向にガスを送るために構成されるガス出口を有する。
【0013】
一部の実施形態において、ナノチューブのそれぞれは、基板に対して垂直であり、流路のそれぞれは、基板に対して垂直である。一部の実施形態において、ナノチューブは、アレイの構成で基板上に配置され、アレイ内には、複数の空隙があり、空隙のそれぞれは、流路のそれぞれに対応する。
【0014】
本発明の別の態様は、複数のユニットを含む機器に関する。ユニットのそれぞれは、（ａ）第１の面および第２の面を有する基板ならびに（ｂ）複数のナノチューブであって、該ナノチューブ間に空間を空けて基板の第２の面上に配置される複数のナノチューブを含む。ナノチューブは、ナノチューブによって囲まれる複数の流体流路を残す構成で基板上に配置され、流路のそれぞれは、流入端部および流出端部を有する。流路のそれぞれの幅は、流体が通って流れるのに十分なほど広く、ナノチューブは、流体が流路を通って流れるときに流路内に流体を保持するのに十分なほど互いに近接して離間される。基板は、基板の第１の面と基板の第２の面との間に延在する複数の穴を有し、穴のそれぞれは、流路のそれぞれに位置合わせされる。また、ユニットのそれぞれは、（ｃ）基板の第１の面に流体を供給するように構成される流体入口であって、流体入口が、流体入口を介して到来する流体が、穴を通って流れ、続いて流路を通るように穴と流体連通する流体入口および（ｄ）流路の流出端部から到来する流体を受け入れるように構成される流体出口を含む。また、機器は、複数のユニットを収容するように構成されるハウジングを含み、ハウジングは、ナノチューブ間の空間にガスを送るために構成されるガス入口およびナノチューブ間の空間から離れる方向にガスを送るために構成されるガス出口を有する。また、機器は、流入する流体をユニットの少なくとも１つに送るために構成される流体流入路およびユニットの少なくとも１つから、流出する流体を送るために構成される流体流出路をさらに含む。
【0015】
一部の実施形態において、ユニットは、流体が直列のユニットを通って流れるように相互接続される。一部の実施形態において、ユニットのそれぞれでは、ナノチューブのそれぞれが、基板に対して垂直であり、流路のそれぞれが、基板に対して垂直であり、流路のそれぞれが、２〜５００μｍの直径を有し、ナノチューブが、５〜２０ｎｍの直径を有する。一部の実施形態において、ユニットのそれぞれでは、ナノチューブが、アレイの構成で基板上に配置され、アレイ内には、複数の空隙があり、空隙のそれぞれが、流路のそれぞれに対応する。一部の実施形態において、ユニットは、流体が直列のユニットを通って流れるように相互接続される。
【0016】
本発明の別の態様は、流体とガスとを相互作用させるための方法に関する。この方法は、ナノチューブによって囲まれる複数の流体流路であって、流路のそれぞれが、流入端部および流出端部を有し、流路のそれぞれの幅が、流体が通って流れるのに十分なほど広く、ナノチューブが、流体が流路を通って流れるときに流路内に流体を保持するのに十分なほど互いに近接して離間される複数の流体流路を設けるステップを含む。また、この方法は、流体に流路を通過させるステップおよびガスに、流体流路の外のナノチューブ間の空間を通過させるステップであって、ガスが、流路内の流体と相互作用するステップを含む。
【0017】
一部の実施形態において、流路のそれぞれは、２〜５００μｍの直径を有する。一部の実施形態において、ナノチューブは、５〜２０ｎｍの直径を有する。一部の実施形態において、ナノチューブの中心は、ナノチューブの直径の１．５倍〜ナノチューブの直径の５倍だけ離間される。一部の実施形態において、ガスと流路内の流体との相互作用は、ガスの交換を含む。一部の実施形態において、ガスと流路内の流体との相互作用は、熱の交換を含む。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1A】炭素から作られた単一壁ナノチューブを描いている。
【図1B】互いに平行に配列された炭素ナノチューブのマトリックスの走査型電子顕微鏡写真である。
【図2A】直列に接続された第１のタイプの２つのガス交換ユニットを有するガス交換器の概略図である。
【図2B】直列に接続された第２のタイプの２つのガス交換ユニットを有するガス交換器の概略図である。
【図5】並列に接続されたガス交換ユニットを有する１０個のガス交換器を描いている。
【図6A】ガス交換器を人工肺として使用し得る方法を描いている。
【図6B】ガス交換器を人工肺として使用し得る別の方法を描いている。
【図6C】ガス交換器を人工肺として使用し得るさらに別の方法を描いている。
【図7】ガス交換器を呼吸補助装置として使用し得る方法の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
本発明は、ガス交換器（「ＧＥ（Ｇａｓ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）」）に関し、このガス交換器は、ここでは、区画間（ヒト（または動物）の血液と周囲空気または何らかの他のガスとの間など）の効率的なガス交換（Ｏ２、ＣＯ２など）のための人工肺の枠組み内で説明される。本明細書で説明される主な例は、ナノチューブから作られる構造に基づく人工肺および呼吸補助である。
【0020】
ＧＥシステムは、１つ以上のガス交換ユニット１１０（ＧＥＵ（ｇａｓ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｕｎｉｔ））を含み、図２Ａは、直列に接続された２つのこのようなＧＥＵの概略図である。ＧＥＵ１１０のそれぞれは、互いに平行に配列された血液流路２（「ＢＦＣ（Ｂｌｏｏｄ Ｆｌｏｗ Ｃｈａｎｎｅｌ）」）のマトリックスを含む。図２Ａは、左の１つのＧＥＵの、４つの平行なＢＦＣの第１の組２０および右の第２のＧＥＵの、４つの平行なＢＦＣの第２の組２０’を概略的に描いており、第１のＧＥＵは、第２のＧＥＵと直列に接続されている。図２Ａは、各ＧＥＵにおいて４つの平行なＢＦＣしか概略的に描いていないが、実際には、より多くのＢＦＣが、各ＧＥＵに存在し得ることに留意されたい。例えば、ＢＦＣの直径が、２０μｍであり、ＢＦＣの中心が、４０μｍ離間される場合、６２，５００のＢＦＣが、１ｃｍ２の面積に入る。また、図２Ａは、直列の２つのＧＥＵを描いているが、その数は変更されてもよく、特定のＧＥは、直列の２つより多くのＧＥＵまたは１つのみのＧＥＵを有してもよいことに留意されたい。代替的な実施形態において、複数のＧＥＵは、直列の代わりに並列に接続されてもよい。
【0021】
各ＢＦＣは、図３Ｂに示されている（が、図２Ａには示されていない）ナノチューブによって囲まれている。図３Ｂは、図２Ａの実施形態のためにＢＦＣを形作るようにＮＴを配置する好ましい方法を描いており、ＮＴは、領域パターンに配置されている。図３Ｂに描かれている図は、ＢＦＣおよびＮＴの断面であり、ＮＴの領域には、ＢＦＣ２を形作る空隙がある。一部の実施形態において、空隙の直径は、２〜５００μｍであり、一部の実施形態では、直径は、５〜および２０μｍである。（本明細書のすべての図は一定の縮尺で描かれていないことに留意されたい）。領域内（すなわち、空隙の外）のＮＴは、好ましくは、二次元マトリックスとして配置される。ＮＴは、好ましくは１〜１００ｎｍ、より好ましくは５〜２０ｎｍ、さらにより好ましくは１０〜２０ｎｍのオーダーの直径を有する。ＮＴの中心間の最適な距離は、ＮＴが互いに離れ過ぎないようにＮＴの直径に関係し得る。より具体的には、より細いＮＴが使用される場合、ＮＴは、好ましくは、互いにより近接して密集されるべきである。好ましくは、ＮＴ間の間隔は、ＮＴの直径の少数個分以下であり、より好ましくは、直径１個分のオーダーであり。例えば、直径１０ｎｍのＮＴが使用される場合、ＮＴの中心は、好ましくは、互いに約２０ｎｍ離間される。これは、隣り合うＮＴ間の間隔が、約１個分の直径であることを意味する。しかしながら、直径２０ｎｍのＮＴが使用される場合、ＮＴは、好ましくは、もっと離間される（ＮＴの中心は、約４０ｎｍ離間される）。ＮＴの直径とＮＴの間隔との適切な関係は、ＮＴの直径の１．５倍〜ＮＴの直径の５倍にＮＴの中心を離間させることである。例えば、直径１０ｎｍのＮＴが使用される場合、ＮＴの中心は、好ましくは、１５〜５０ｎｍ離間されるべきである。より好ましくない実施形態において、ＮＴの中心は、ＮＴの直径の１倍〜１０倍（さらにはＮＴの直径の０．５倍〜２０倍に）離間される。ＮＴの密集度（ｐａｃｋｉｎｇ）または密度は、ＮＴの「森」を通るガスの流れに対する抵抗に影響を及ぼし、この抵抗は、特定の必要性に応じて調整されてもよい付加的な考慮項目であることに留意されたい。
【0022】
図１Ｂに描かれているような、互いに平行な炭素ＮＴの大きな集合体を作製するための方法は、Ｈｉｇｈｌｙ−Ｏｒｄｅｒｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ａｒｒａｙｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ（１９９９）；７５，３６７−３６９においてＬｉらによって説明されている。ＮＴの所望の配置は、標準的な技術を用いて所望の位置にＮＴを配置することによって達成されてもよい。例えば、ＮＴは、リソグラフィベースの行程を用いて基板（ＮＴベースとしの役割を果たす）上の所望の位置に作製されてもよい。これは、所望のパターンを形成するためにマスキングされた基板上に触媒を堆積させ、次に、これを炭素ガスにさらすことによって達成されてもよい。次に、ガスからの炭素が、触媒が堆積されたスポット上にＮＴを形成する（自己組織化によって）。ＮＴは、基板の他の部分上には成長しない。
【0023】
図２Ａに戻ると、血液は、左から右に（血流方向１０７に）、描かれている装置を通って流れる。人の血液循環に由来する血液は、流入通路１０６を通って、左の支持体１００、右の第１のＮＴベース１２０、およびケーシング１１１によって血流方向１０７に対して垂直な方向に画成された最初の血液プール１０５に流入する。代替的な実施形態において、血流方向１０７に対して垂直な方向の、血液プールの境界は、適切なリング筐体を用いて実施されてもよい。最初の血液プールの幅は、ｄ１であり、ｄ１に適した寸法は、０．１〜４ｍｍである。しかしながら、この代わりに、著しい抵抗を流れに加えることなく血流を可能にする任意の距離ｄ１が使用されてもよい。
【0024】
ＮＴベース１２０は、好ましくは、基板であって、その上にＢＦＣを囲むＮＴが作製された基板であり、ＮＴベース１２０は、各ＢＦＣの中央に位置する孔または穴１０４を有するべきである。ＮＴは、ＮＴベース１２０から右に延在し、ＢＦＣを形作るように距離ｄ２に及ぶ。ＢＦＣは、血流の方向１０７と平行かつガス流方向１０８に対して垂直に配置されている。一部の好ましい実施形態において、距離ｄ２は、０．１〜１ｃｍである。ＮＴが、ＮＴベース１２０上に成長され、これに付着したままであるため、ベースの近傍での漏れはないと予期される。ＮＴは、このようなｎｍスケールの構造を特徴付ける極めて強いファンデルワールス力によって適所にしっかりと保持される。この構成の結果として、プール１０５に流入する血液は、右に向かって流れてＮＴベース１２０の穴１０４を通り、右に進み続けて第１のＧＥＵのＢＦＣ２の第１の組２０に入り、これを通る。
【0025】
第２のＮＴベース１２０は、好ましくは、ＢＦＣ２の第１の組２０を形作るＮＴの右端から短い距離（例えば、一部の実施形態では０．１〜４ｍｍまたは一部の実施形態では０．５〜２ｍｍ）を離して配置される。血液は、ＢＦＣの第１の組から流出するとき、（ａ）ＢＦＣ２の第１の組２０を形作るＮＴの右端と、（ｂ）第２のＮＴベース１２０との間の隙間に流入する。第２のＧＥＵは、構造がＢＦＣ２の第１の組２０と同様である、ＢＦＣ２の第２の組２０’を有し、各ＢＦＣは、位置合わせされた穴１０４をＮＴベースに有する。隙間に流入する血液は、次に、右に向かって流れて第２のＮＴベース１２０の穴１０４を通り、右に進み続けて、第２のＧＥＵのＢＦＣ２の第２の組２０’に入り、これを通る。
【0026】
血液が、ＢＦＣ２の第１の組２０から流出して、隙間に流入するとき、血液（水ベースの液体である）の表面張力は、炭素ＮＴの疎水性と共に、血液がＢＦＣ２の第１の組２０を形成するＮＴ間の非常に小さな空間に溢れ出ることを防止するはずであることに留意されたい。その代わりに、血液は、第２のＧＥＵのＢＦＣの直径の桁数が、第１のＧＥＵのＮＴ間の非常に小さな空間よりも大きいことから、右に向かって流れて第２のＧＥＵのＢＦＣ２の第２の組２０’に入るはずである。このとき、血液は、後方にではなく、圧力勾配によって第２のＧＥＵを通って流れる（すなわち、血流方向１０７に流れて、第２のＮＴベース１２０の孔を通り、次に、第２のＧＥＵのＢＦＣ２の第２の組２０’を通る）。隣り合うＮＴ間の距離（すなわち、ＮＴの直径の少数個分未満、好ましくは、直径１個分のオーダーの）は、血漿（または水）がＮＴ間の空間を通り抜けることを表面張力に起因して防止するのに十分なほど小さいことに留意されたい。
【0027】
代替的な実施形態において、さらなる段（図示せず）が、直列に追加されてもよい。血液は、最終的に最後のＧＥＵに到達する。最後の支持体１００は、好ましくは、ＢＦＣ２の最後の組２０’を形作るＮＴの右端から短い距離（例えば、一部の実施形態では０．１〜４ｍｍまたは一部の実施形態では０．５〜２ｍｍ）を離して配置される。血液は、ＢＦＣの最後の組から流出するとき、（ａ）ＢＦＣ２の最後の組２０’を形作るＮＴの右端と、（ｂ）最後の支持体１００との間の隙間に流入する。そこから、血液は、血液流出通路１１８に流入する。
【0028】
血液が、段のいずれかのＢＦＣ２内にある間、血液は、ガス流領域１０１でガスと相互作用する機会を有する。これらのガスは、好ましくは血流の方向１０７（すなわち、図２Ａの右への）に対して垂直なガス流方向１０８（すなわち、図２Ａの上への）に流れる。この過程の最後に、血液は、進み続けて流出通路１１８を通り、血液循環に戻る。ＢＦＣが、血液がＢＦＣから漏れないようにするために被覆または膜を有さないことに留意することは重要である。しかしながら、ＢＦＣを囲む高密度の疎水性ＮＴおよび水の高い表面張力に起因して、水ベースの流体（血液など）は、ＢＦＣを占有するか、これに流れ込むとき、ＢＦＣからガス流領域１０１に漏れ出ない。言い換えれば、ＢＦＣを囲むＮＴは、液体の流れのための事実上の境界を形成する。
【0029】
ケーシング１１１（剛性の生体適合性のハウジング）は、最初の血液プール１０５およびケーシング１１１内に含まれる１つ以上のＧＥＵ１１０をシールする。これは、ＢＦＣ内の血液とガス流領域１０１内の空気（または他のガス）との間のガス交換を可能にする。
【0030】
図２Ｂは、追加の血液プール１０５が隣り合うＧＥＵ段の間に追加されている点を除いて図２Ａの実施形態と同様である代替的な実施形態を描いている。この実施形態において、１つのＧＥＵから流出する血液は、次のＧＥＵに流入する前に、平面状の支持体１００（左の）とそれに続くＮＴベース１２０との間に画成された血液プール１０５内に集められる。各ＧＥＵ段のための平面状の支持体１００は、前の段のＧＥＵのＢＦＣ２の位置に位置合わせされた孔または穴１０４を有する（最初の段の入力および最後の段の出力（これらはそれぞれ、好ましくは、単一のより大きなポートを有する）を除いて）。特定の段に関して、平面状の支持体１００とそれに続くＮＴベース１２０との間の距離は、ｄ１であり、ｄ１の適切な寸法は、０．１〜４ｍｍである。しかしながら、この代わりに、著しい抵抗を流れに加えることなく血流を可能にする任意の離隔距離が使用されてもよい。ケーシング１１１（剛性の生体適合性のハウジング）は、すべての血液プール１０５およびケーシング１１１内に含まれるすべてのＧＥＵ１１０をシールする。
【0032】
図３Ａは、図２Ｂの実施形態のＢＦＣを形作るようにＮＴを配置するための第１の代替的な手法を描いている。この手法において、ＮＴは、リング１のそれぞれの内側境界がＢＦＣ２を形作るようにリング１のパターンに配置される。描かれている図は、ＢＦＣおよびＮＴの断面である。リングの内側境界の直径は、一部の実施形態では２〜５００μｍであり、一部の実施形態では５〜２０μｍである。この手法において、各リングの厚さ（すなわち、リングの最も内側のＮＴとリングの最も外側のＮＴとの間の距離）は、好ましくは１００ｎｍ〜および１０μｍであり、リング内のＮＴの中心は、好ましくは、互いに１０〜１００ｎｍ離間される。図３Ｂの手法と同様に、ＮＴの中心間の距離は、好ましくは、ＮＴが互いに離れ過ぎないようにＮＴの直径に関係する。図３Ｄは、図３Ａのリング１およびＢＦＣ２の詳細図である。リング１のＮＴは、図３Ｄに示されているように二次元マトリックスにまたはＮＴの中心間の適切な間隔を維持する任意の他のレイアウトに配置されてもよい。
【0033】
図３Ｃは、図２Ｂの実施形態のＢＦＣを形作るようにＮＴを配置する第２の代替的な手法を描いている。描かれている図は、ＢＦＣおよびＮＴの断面である。この手法は、追加のＮＴが構造支持体を設けるために追加されている点を除いて図３Ａに描かれている手法と同様である。追加のＮＴは、図３Ｃに示されているように支持ブリッジ１１７を形成するように構成されてもよいが、この代わりに、追加のＮＴのための代替的なレイアウトが使用されてもよい。このような代替的なレイアウト（図示せず）の例は、縞および格子を含む。追加のＮＴのレイアウトは、空気流に対する抵抗を過度に増加させることなく構造強度を実現するように選択されてもよい。別の例（図示せず）は、隣り合うＢＦＣの中間点にＮＴの集団（構造支持体を付加するために柱状に配置される）を追加することである。例えば、直径１０μｍの円を埋めるように配置される１組のＮＴ（この組のＮＴの中心は、互いに１０〜１００ｎｍ離間される）が、支柱としの役割を果たしてもよい。このような支柱の各ＮＴは、ＢＦＣを囲むリングのＮＴと同じ長さｄ２を有する。
【0034】
上で説明した実施形態のすべてに関して、流入通路１０６の血液は、好ましくは、酸素が少なく、かつＣＯ２が豊富な静脈血である。２つの血液ガスは、ＢＦＣの周囲のガス流領域１０１に、好ましくはＢＦＣ血流方向１０７に対して垂直な方向１０８に流れ込むガスとの交換を受ける。好ましくは、この流入ガスは、ガス交換が濃度勾配に沿って拡散により行われるように酸素が豊富であり、低濃度またはゼロ濃度のＣＯ２を有する。この結果、流出通路１１８の血液は、流入血液よりもＯ２がより豊富となる。
【0035】
ガス交換の効果は、流れる血液と、酸素または空気であってもよい流れるガスとの接触の面積の関数である。上で言及したように、通常の１対の肺において、この接触面積は、一般的に約７０ｍ２であり、一方、血液流量は、５〜７Ｌ／分であり、空気流量も同様である。通常のヒトの肺で交換される酸素またはＣＯ２の量は、一般的に２００〜２５０ｃｍ３／分である。
【0036】
ここで、通常の生理的要求を満たすガス交換のパラメータを計算しよう。ガス交換に必要とされるＢＦＣの総表面積は、ＢＦＣの直径および密集度（すなわち、ＢＦＣ間の距離およびＧＥの容積内のＢＦＣの総数）の一次関数である。２リットル（例えば、１０ｃｍ×１０ｃｍ×２０ｃｍ）の全容積を有するＧＥに関して、交換に利用可能な表面積は、ＧＥ内のＧＥＵの配置（すなわち、直列もしくは並列の）またはそれらの空間構成とは無関係である。このようなＧＥに関して、ＢＦＣの半径が１０μｍであり、ＢＦＣの中心から中心までの距離が４０μｍであると仮定した場合、ガス−血液交換の総面積は、一般的な１対の肺とほぼ等しい約８０ｍ２に近づく。したがって、Ｏ２の拡散能力は、毎分２０００ｃｍ３（これは、２５０ｃｍ３／分の要求を上回る）を上回り、血液量は、約４００ｃｍ３（これは、大人のヒトの呼吸システムと同程度である）になる。
【0037】
図４Ａは、図２Ｂの変種の単一のＧＥＵ１１０のより詳細な図であり、ここでは、ＮＴは、リング１として配置されている（図３Ａおよび図３Ｄに示されているように）。ＧＥＵ１１０は、左にある第１の支持体１００および第１のＮＴベース１２０と、右にある１対の支持体１００との間に配置された１組の互いに平行なＢＦＣを有する。Ｏ２の豊富なガスは、ガス入口１１６に流入し、ＢＦＣ２を通って流れ、ガス出口１１４から流出する。ガスは、ＢＦＣ２を通って流れるとき、ＢＦＣ内の血液と接触し、これにより、ガスが交換され得る。４Ａ−１は、第１の支持体１００の断面であり、支持体内の孔を示しており、４Ａ−２は、１組のＢＦＣ２の断面である。ＮＴベース１２０内の孔は、図４Ａの領域４Ａ−３の拡大図である図４Ｂに最もよく見られるようにＢＦＣに位置合わせされている。支持体１００内の孔もまた、図４Ｂに最もよく見られるように前の段のＢＦＣに位置合わせされている。図４Ａは、２２のＢＦＣのみを概略的に示しているが、実際には、上で説明したように互いにかなり近接して離間されたより多くのＢＦＣが存在し得ることに留意されたい。
【0038】
全体的なＧＥは、好ましくは、互いに接続された複数のＧＥＵを含む。ＧＥＵは、ＧＥを形成するために直列または並列に接続されてもよい。ＧＥＵを直列に接続すると、流れ抵抗が増加するため、直列に接続されるＧＥＵの数は、好ましくは制限されるべきである（例えば、１０以下に）。また、ＧＥＵは、直列／並列の組み合わせで接続されてもよい。例えば、３つのＧＥＵが、直列に接続されてもよく、次に、結果として得られた３つで１組のＧＥＵが、３つの直列に接続されたＧＥＵの５つの同様の組と並列に接続されてもよい。また、異なる直列／並列の組み合わせが使用されてもよい。
【0039】
特定のＧＥに使用されるＧＥＵの数は、拡散に必要な表面積に応じて異なってもよい。一部の実施形態において、ＧＥは、直列に接続された２〜２０のＧＥＵまたは直列に接続された２〜１０のＧＥＵを含んでもよい。
【0040】
随意に、複数のＧＥＵは、サブシステムとして組み合わされてもよく、これらのサブシステムは、全体的なＧＥを形成するために直列に、並列に、または直列／並列の組み合わせで接続されてもよい。ＢＦＣの直径が２０μｍであり、ＢＦＣの中心が、互いに４０μｍ離間される場合、６２，５００のＢＦＣが、１ｃｍ２の面積に入り、１．６３・１０５ｇ／（ｓ ｃｍ４）の抵抗をＢＦＣを通る流れに加える。ＧＥで用いるサブシステムの適切な寸法の一例は、幅１０ｃｍ、高さ１０ｃｍ、および厚さ約１．１ｃｍである。１．１ｃｍの厚さは、両端の付加的な血液プール１０５に加えて、１０のＧＥＵであって、それぞれが、０．１ｃｍの厚さであり、図２Ａに描かれているように直列に配置され、９つのＮＴベース１２０（それぞれが、ＧＥＵ間の０．１ｍｍの厚さをなす）によって分離された１０のＧＥＵから作られてもよい。このとき、これらの１０×１０×１．１ｃｍのサブシステムは、完全なＧＥを作るために並列に構成されてもよい。図５は、並列に接続された１０のこのようなサブシステム２００を描いている。２０のこのようなサブシステムが、並列に配置される場合、流れに対する抵抗が十分に低くなるため、必要な５〜７Ｌ／分の血流量を発生させるためには、５０ｍｍＨｇ未満が必要とされる（上で説明したＢＦＣの直径および間隔をそれぞれに有する１０ｃｍ×１０ｃｍ×１．１ｃｍのサブシステムに関して）。この構成に関するドウェル時間（すなわち、流れる血液が入力から出力まで流れるときにガス交換にさらされる時間）は、１秒（これは、０．２〜０．４秒の必要最小値を十分に上回る）を上回る。
【0041】
代替的な構成において、サブシステムは、より小さくてもよく、例えば、幅２ｃｍ、高さ２ｃｍ、および厚さ約１ｃｍであり、上で説明した２０×２０×１．１ｃｍのサブシステムと同様の内部構造を有してもよい。このとき、これらの２×２×１ｃｍのサブシステムは、完全なＧＥを形成するために並列および／または直列に構成されてもよい。他の代替的な実施形態において、サブシステムは、より大きくてもよい（例えば、幅２０ｃｍ、高さ２０ｃｍ、および厚さ約２ｃｍであってもよい）。
【0042】
ＧＥを形成するための、ＧＥＵのさらに別の可能な構成は、２０００の１ｃｍ２のユニットを並列に接続してサブシステムにし、次に、１０のこのようなサブシステムを直列に接続することである。このようなＧＥシステムにおいて、酸素拡散の表面積は、生理的な安静呼吸に十分であり、ＢＦＣにおける流れに対する抵抗は、わずかに８１５ｇ／（ｓ ｃｍ４）である。また、この構成は、５〜７Ｌ／分の血液がシステムを通って流れるときに５０ｍｍＨｇ未満の血圧低下を有する。
【0043】
本明細書に述べられているＧＥの拡散能力は、０．５〜１μｍの膜（生細胞および基底膜から作られる）が空気と血液との間に挟まれているヒトの肺よりも大幅に高くなり得ることに留意されたい。対照的に、ＧＥでは、空気−血液の直接接触がある。ＧＥのＢＦＣの周囲の連続的なガス流も、自然呼吸中の肺における空気の流入／流出よりも効率的である。
【0044】
次に、ＣＯ２に関してガス交換器の効果について考えよう。ＣＯ２およびＯ２の水拡散係数は同様であるが、ＣＯ２の溶解度は、Ｏ２よりも約２４倍高い。酸素化された血液と低減された血液との間のＯ２およびＣＯ２の濃度の差が同様であるとき、ＣＯ２の拡散速度は、Ｏ２の約２０倍である。したがって、すべての上記の過程におけるＣＯ２運搬は、Ｏ２よりも優れていると予期される。
【0045】
臨床用途の２つの例は、ＧＥを人工肺として使用することおよびＧＥを呼吸補助装置として使用することである。
【0046】
図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃは、ＧＥ７５を人工肺として使用し得る方法を描いており、この場合、ＧＥ７５は、片方または両方の肺に取って代わる。この用途において、ＧＥは、埋め込まれてもよい（図６Ｂおよび図６Ｃに示されているように）し、あるいは外部にあってもよい（図６Ａに示されているように）。いずれの場合も、血液は、管類７３を介して肺動脈７１からＧＥ７５に流入し、血液は、管類７３を介してＧＥから肺静脈７２に戻される。図６Ａおよび図６Ｂに示されているように、空気または酸素は、ガス入力チューブ７７を介してポンプ７６によりＧＥ７５内に圧送されてもよく、排出物は、排出チューブ７８を介して出て行く。
【0047】
あるいは、空気は、図６Ｃに示されているように気管および主気管支を介して自然呼吸により駆動されてもよい。この場合、空気は、気管支から、チューブ８１を介して膨張可能ガスバッグ８２（これは膨張し、収縮する（すなわち、吸息および呼息のそれぞれの最中に容積を変化させる））に接続されたＧＥ７５に向かってチューブ８０内を流れる。チューブ８０および８１は、ＧＥ７５を介してバッグ８２から流出して主気管支および環境に戻されるガスのための排出チューブとしての役割も果たす。
【0048】
これらの実施形態のすべてにおいて、血流は、右心室または適切な血管によって生じる自然圧力によって維持され得る。あるいは、血流は、長期間にわたって血流を発生させるように設計された外部ポンプまたは埋め込みポンプによって駆動されてもよい。このようなポンプは市販されている。ＧＥから流出した血液は、肺静脈７２もしくは複数の肺静脈または任意の他の適切な血管を介して体に戻される。
【0049】
血液および空気の両方の流量は、好ましくは、人の必要性などに適合するように調整可能である。この調整は、必要性の変化（例えば、運動中の）に応じて動的であってもよい。調整は、関連する生理的パラメータ（血液中のＯ２および／またはＣＯ２の分圧、Ｈｂ、Ｏ２飽和度（酸素測定法）、ｐＨなど）のセンサによって制御されてもよい。Ｏ２（または他のガス）の必要分（これは、休んでいる成人男性の場合、約２５０ｃｍ３／分になる）を供給するためには、約５〜７Ｌ／分の酸素化された血液の流量が必要であり、これは、運動中は最大で４〜５倍に増加される必要があり得る。好ましくは考慮されるべきである付加的な要素は、流れる血液がガス拡散過程にさらされる時間（ドウェル時間）である。通常の休んでいるヒトの肺において、この持続時間は、１秒の約１／３〜１／５であり、一方、流速は、通常１００ｃｍ／ｓを下回る。ＧＥにおける血流は、これらの要求に適合する。対象の心臓が健康な場合、血流は、患者の心臓によって生成されてもよい。ＧＥ内のＧＥＵの直列／並列の構成は、所望の流れ抵抗を実現するために前もって選択されてもよいことに留意されたい。抵抗を増加させるためには、直列に接続されるＧＥＵの数を増加させるべきである。抵抗を低減するためには、直列に接続されるＧＥＵの数を低減すべきであり、また、並列接続の数を増加させるべきである。
【0050】
また、対応する空気（または酸素）の流量は、安静時は約５〜８Ｌ／分であり、運動中はこれよりも最大で５倍大きい。埋め込まれるとき、ガス入口１１６およびガス出口１１４（図４に示されている）は、図６Ｃに示されているように患者の気管支システムに接続されてもよく、流れは、呼吸運動によってまたは適切なポンプによって維持されてもよい。ＧＥが、外部にある（図６Ａに示されているように）場合または呼吸器の換気能力を使用しないように埋め込まれる場合（図６Ｂ）、ガスの入口＆出口は、好ましくは、適切なフィルタを介して周囲空気またはガスリザーバに連通する。この場合、ガス流は、適切なポンプによって連続的に駆動されてもよく、適切なセンサによって調節されてもよい。
【0051】
図７は、機能不全の呼吸システムを有する患者に対して血液の補足的な酸素添加を行うためにＧＥを呼吸補助装置として使用し得る方法の概略図である。これらの場合、ＧＥ３００は、図示のように外部に配置されるか、あるいは埋め込まれる。この用途において、ＧＥを通って流れる血液は、好ましくは、ここでは大血管（例えば、大腿静脈）から引き出される。ＧＥから流出する血液は、大腿静脈もしくは複数の大腿静脈または任意の他の適切な血管に入れ戻されてもよい。
【0052】
上で説明した実施形態は、ナノチューブを用いて説明されていることに留意されたい。代替的な実施形態において、ナノファイバーが、それらのナノチューブの代わりに使用されてもよい。
【0053】
本発明は、血液へのＯ２の供給および血液からのＣＯ２の除去との関連で上で説明されている。しかしながら、本発明は、この用途に限定されず、他のガスを血液に供給するために使用されてもよい。例えば、本発明は、専用の循環を有する体の部分（下肢、脳、腎臓など）に関連して、所望のガスをこの体の部分に供給するために使用されてもよい。これは、局所的に作用することを目的とした化学物質（麻酔ガスまたは治療ガスなど）を供給するために使用されてもよい。このような場合、ガスは、動脈に入力され、静脈などを介して出力される（排出される）。
【0054】
他のタイプのＧＥでは、血液以外の流体が利用されてもよいことに留意されたい。また、本発明は、医学的利用に限定されず、他のタイプの流体流システム（産業用途を含む）でガスを交換するために使用されてもよい。
【0055】
上で説明した機器のさらなる使用は、熱交換器としてのものである。ガスが、ガスと、装置を通って流れる液体との間で交換されるか否かに関係なく、ガスと流体との間では、それでも熱伝達が起こり得る。結果として、高温流体は、ガスを加熱するために使用されてもよく、低温流体は、ガスを冷却するために使用されてもよく、高温ガスは、流体を加熱するために使用されてもよく、または低温ガスは、流体を冷却するために使用されてもよい。熱伝達は、接触面積が非常に大きく、ガスと流体との間に物理的障壁がないことから、従来技術の装置に比べて非常に効果的であると予期される。随意に、センサおよびポンプが、所望の温度を維持する目的で交換を制御するために使用されてもよい。これらのセンサおよびポンプは、主目的が上で説明した実施形態の場合のようにガス交換である場合にも使用され得る。本発明について、特定の実施形態を参照して説明してきたが、添付の特許請求の範囲で規定されるような、本発明の領域および範囲から逸脱することなく、説明されている実施形態への多数の修正、改変、および変更が可能である。したがって、本発明は、説明されている実施形態に限定されず、本発明は、以下の特許請求の範囲の文言によって規定される完全な範囲およびその均等物を有することが意図されている。