专利名称：Mecs透析器的制作方法
技术领域：
本发明涉及血液透析，更特别地，涉及用于基于微技术(micro-technology)的透析器的方法和装置。
背景技术：
自20世纪60年代以来，就对肾衰(kidney failure)病人进行长期血液透析。使这成为可能的透析器或“人造肾”，是开始于20世纪30年代和20世纪40年代的技术革新的产物。透析器是一种通过血液透析来净化血液的装置，它利用废物、溶解溶质和流体从血液通过半渗透膜进入被称作是透析液的透析溶液的扩散或回流过程。透析器系统是一种成套设备，包括透析器及支持透析器的辅助设备，比如，管路装置和泵。
所使用的第一台透析器系统是用大旋转鼓制造的，该旋转鼓用肠衣作为半渗透膜缠绕在大的圆形木制框架上。血液流经肠衣，且肠衣浸在透析溶液中。到20世纪70年代，该工业已经研制出中空纤维透析器。这种设备是由装在长30厘米、直径6厘米的管子中的10,000至14,000个中空半渗透膜纤维制成的，还为在纤维内流动的血液提供了达到2平方米的表面积，以与环绕纤维外部流动的透析液相互作用。虽然目前的中空纤维透析器更加有效，但从那时起该技术并没有重大变化。
由于各个纤维之间的间隔不均匀和不一致，中空纤维透析器具有分配不均的透析液流。停滞流的面积和展开分流(developed shunt flow)的面积剧烈地降低了透析液一侧的物质转移(mass transfer)效率。各个纤维之间的间隔通常很小，因此扩散就是纤维内部空间中物质转移的重要机理。由于中空纤维透析器的固有物理特性，扩散的改进，以及由此而来的透析液利用率的改进，都是有限的。
目前，中空纤维透析器利用120-200公升透析液溶液，主要包括水，进行透析治疗。因为纤维周围的透析液流具有偶然性，所以需要相对大量的透析液溶液。对大量透析液溶液的需求要求透析机也必须十分庞大。用于透析的水必须净化以除去化学和微生物污染物，这增加了进行透析治疗所需的设备和技术专家的数量。
作为依靠这种复杂设备的结果，大多数透析治疗都是在由一组专业人员作为职员的透析中心进行的。少于百分之一的血液透析病人是在家进行他们自我治疗的。在透析中心，透析治疗是以非常快的方式、在非常短的时间内进行的。每个病人每周接受三次治疗。研究表明，当病人透析得慢一些、时间长一些、频率高一些的时候，会有很大的改善。不仅病人的治疗效果更好，由于药物治疗和住院费用的减少，总护理费用也会更少。
病人接受频率更高的透析治疗的唯一经济可行的办法是他们在家进行自我透析治疗。为这了使这一办法在技术上可行，需要改进技术，以使透析机器更小，更便携，消耗更少的水，并且更简单以便外行人使用。
本领域需要的是一种具有改进的跨过透析膜的物质转移效率的透析器，所述透析膜将血液和透析液溶液分离。
图中相同的参考编号一般指示相应的元件。
图1是依据本发明的透析系统的示意图；
图2是依据本发明实施方式的平行流MECS透析器的透视图；图3是依据本发明实施方式的交叉流MECS透析器的透视图；图4是依据本发明实施方式的叠层堆的分解侧视图，所述叠层堆包括成堆布置的多个第一微通道薄片、第二微通道薄片和膜片；图5是依据本发明实施方式的第三微通道薄片的侧视图，所述第三微通道薄片具有第一侧面和与第一侧面对的第二侧面，所述侧面包括多个宽高比(aspect ratio)大约为5的凹槽；图6A为依据本发明实施方式的MECS透析器的俯视图，所述MECS透析器具有多个宽高比的微通道；图6B是图6A实施方式中MECS透析器在剖面6B-6B处的截面图，其显示在该部分，微通道薄片包括宽高比相对低的凹槽；图6C是图6A实施方式中MECS透析器在剖面6C-6C处的截面图，其显示在该部分，微通道薄片包括宽高比相对高的凹槽；图6D是图6A实施方式中MECS透析器在剖面6D-6D处的截面图，其显示在该部分，微通道薄片包括宽高比相对高的凹槽，进一步包括支撑腹板(support web)，该支撑腹板适合于进一步跨过凹槽支撑膜，并形成流通道；图7是依据本发明实施方式的微通道薄片的俯视图，所述微通道薄片包括多个凹槽、一个增压凹槽(plena groove)和一个入口，所述增压凹槽与所述多个凹槽流体连通，所述入口与所述增压凹槽流体连通；图8A和图8B是依据本发明实施方式的两个微通道薄片的俯视图，所述微通道薄片包括多个凹槽、两个增压凹槽、一个入口和一个出口，所述两个增压凹槽在第一末端和第二末端中与所述多个凹槽流体连通，所述入口和出口与所述增压凹槽中的每一个流体连通；图9A是依据本发明实施方式的平行流MECS透析器的侧视图；图9B和图9C分别是图9A实施方式中MECS透析器的分解侧视图和分解俯视图；
图10是依据本发明实施方式的MECS透析器的分解透视图，所述MECS透析器包括一堆微通道薄片和两个集管(header)。
发明内容
本发明涉及血液透析器，更特别地，涉及透析器，该透析器利用依据本发明实施方式提供的微通道分隔，具有改进的跨过透析膜的物质转移效率。依据一个实施方式，所提供的透析器包括多个半渗透膜片和多个流分离器。半渗透膜片和流分离器以交替结构布置，进而结合成界定多个平行微通道层的叠层堆。每个微通道层包括多个第一微通道和多个第二微通道。每个微通道层的第一和第二微通道经由它们之间的多个半渗透膜片中的一个相互流体连通。
在一个实施方式中，每个微通道层的第一微通道是平行的，且每个微通道层的第二微通道是平行的。
在一个实施方式中，微通道层的第一微通道和第二微通道是平行的。
在一个实施方式中，微通道层的第一微通道和第二微通道是垂直的。
在一个实施方式中，流分离器包括多个第一微通道薄片和第二微通道薄片。第一微通道薄片具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面，第二侧面其中具有平行的凹槽。第二微通道薄片具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面，第一侧面和第二侧面其中具有平行的凹槽。叠层堆具有叠层堆顶面和叠层堆底面。每个微通道层包括叠层子堆，该叠层子堆或者包括第一和第二微通道薄片，膜片位于它们之间且与它们结合，处于面对关系(facing relationship)的凹槽由叠层堆顶面和底面的膜片分离，或者包括两个第二微通道薄片，膜片位于它们之间且与它们结合，处于面对关系的凹槽由膜片分离。
在一个实施中，流分离器包括多个第一和第二微通道薄片。第一微通道薄片具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面，以及第一末端和与第一末端相对的第二末端，至少一个侧面具有从第一末端延伸到第二末端的平行凹槽。第二微通道薄片具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面，以及第一末端和与第一末端相对的第二末端，至少一个侧面具有从第一末端延伸到第二末端的平行凹槽。每个微通道层包括叠层子堆，该叠层子堆包括第一和第二微通道薄片，膜片位于它们之间且与它们结合，处于面对关系的凹槽由膜片分离。
在一个实施方式中，多个第一微通道薄片进一步包括位于每个第一和第二末端的第一增压凹槽，第一增压凹槽与第一微通道薄片上的凹槽流体连通。多个第二微通道薄片进一步包括位于每个第一和第二末端的第二增压凹槽，第二增压凹槽与第二微通道薄片上的凹槽流体连通。
依据一个实施方式，透析器包括多个半渗透膜片和多个流分离器。膜片和流分离器以交替结构布置，进而结合成界定多个平行微通道层的叠层堆。每个微通道层包括多个第一微通道和多个第二微通道。每个微通道层的第一和第二微通道经由它们之间的多个膜片中的一个相互流体连通。每个膜片具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面，以及第一末端和与第一末端相对的第二末端。流分离器垂挂在第一和第二侧面上，界定从第一末端延伸到第二末端的平行凹槽。每个微通道层包括单元叠层堆，该单元叠层堆包括至少两个膜片、呈面对关系的凹槽以及彼此相邻且与其结合的流分离器，以界定第一和第二微通道的交替层。
在一个实施方式中，透析器包括第一集管和第二集管。第一集管包括在第一末端与第一微通道流体连通的入口以及在第一末端与第二微通道流体连通的出口。第二集管包括在第二末端与第二微通道流体连通的入口以及在第二末端与第一微通道流体连通的出口。
在一个实施方式中，透析器包括第一集管和第二集管。第一集管包括在第一末端与第一微通道流体连通的入口以及在第一末端与第二微通道流体连通的入口。第二集管包括在第二末端与第一微通道流体连通的出口以及在第二末端与第二微通道流体连通的出口。
依据一个实施方式，所提供的透析系统包括血液处理设备、透析液处理设备和透析器。透析器包括多个半渗透膜片和多个流分离器。膜片和流分离器以交替结构布置，进而结合成界定多个平行微通道层的叠层堆。每个微通道层包括多个第一微通道和多个第二微通道。每个微通道层的第一和第二微通道经由它们之间的多个膜片中的一个相互流体连通。血液处理设备与第一微通道流体连通，透析液处理设备与第二微通道流体连通。
在一个实施方式中，血液处理设备适合于在第一末端向第一微通道供给血液，并在第二末端从第二微通道抽回血液。透析液处理设备适合于在第二末端向第二微通道供给透析液，并且在第一末端从第二微通道抽回透析液。
在一个实施方式中，血液处理设备适合于在第一末端向第一微通道供给血液，并在第二末端从第二微通道抽回血液。透析液处理设备适合于在第一末端向第二微通道供给透析液，并且在第二末端从第二微通道抽回透析液。
在一个实施方式中，每个膜片具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面，以及第一末端和与第一末端相对的第二末端。流分离器垂挂在第一和第二侧面上，界定从第一末端延伸到第二末端的平行凹槽。每个微通道层包括堆，该堆包括至少三个膜片、呈面对关系的凹槽以及彼此邻近且与其结合的流分离器，以界定第一和第二微通道的交替层。
依据一个实施方式，一种用于血液透析的方法包括提供一个具有多个半渗透膜片和多个流分离器的透析器。膜片和流分离器以交替结构布置，进而结合成界定多个平行微通道层的叠层堆。每个微通道层包括多个第一微通道和多个第二微通道。每个微通道层的第一和第二微通道经由它们之间的多个膜片中的一个相互流体连通。血液处理设备与第一微通道流体连通，透析液处理设备与第二微通道流体连通。该方法进一步包括在第一末端向第一微通道供给血液，在第二末端向第二微通道供给透析液，在第二末端从第一微通道抽回血液，在第一末端从第二微通道抽回透析液。
依据本发明制造的透析器具有嵌入式高度平行或垂直的微通道阵列，该微通道阵列能够加速透析应用中的物质转移。微通道具备的小特征尺寸提供的好处包括大的表面积体积比、层流条件和在升压下操作的机会。
在微通道中可获得极高的物质转移速率。引入了微通道几何结构和微叠层制造技术(micro-lamination manufacturing technologies)的MECS透析器，从根本上减少了透析应用中物质转移所需要的特征或滞留时间。基于微技术的设计在膜的两侧都保持了均匀的微型(micro-scale)尺寸。在一个依据本发明的实施方式中，基于微技术的MECS透析器具有100微米的透析液流通道尺寸。与具有中空纤维的常规透析器相比，对于相同的操作参数，这种几何结构能将透析器的尺寸减少到十分之一到百分之一。
依据本发明的MECS透析器的最大好处是优化透析液流以致于达到100％利用率的能力。依据本发明一个实施方式的MECS透析器，使用透析液的结构流(structured flow of dialysate)通过固定宽度的微通道。为有效利用用于净化血液的透析液，微通道的间距是预先确定的。更少的透析液溶液能减少透析机器的尺寸。
此外，结构流通道(structured flow path)使停滞流的面积降到了最小，消除了分流，并确保最大程度利用暴露于透析液流的半渗透膜区域。这在很大程度上改进了溶质清除率，并且与目前能利用的中空纤维透析器相比，允许透析器在给定性能要求下具有更小的表面积。减少的膜长度和表面积降低了对血液的压力，从而减少血液透析，并减少在治疗期间位于病人体外回路中的血量。
具体实施例方式
现在对图中所示实施方式以及将用于描述该实施方式的具体语言做出说明。尽管如此，应该理解，希望本发明的范围没有因此受到限制，本发明相关领域的技术人员将会考虑到对所示设备的替换和进一步修改，以及对如其中所示的本发明原理的进一步运用。
术语“微通道”是指一种宽度或高度的至少一个内部尺寸达到约1000微米的通道。
术语“非湍流”是指流体通过微通道的流是层流(laminar)或处于过渡状态(in transition)。流体通过微通道的流的雷诺数(Reynold Number)可达到约4000。这里使用的雷诺数是使用基于微通道实际形状的水力直径来计算的。
术语“MECS”是指基于微技术的能量和化学系统(Microtechnology-based Energy and Chemical System)以及制造MECS设备的方法，如按照2007年12月5日 申请日期2005年10月6日 优先权日2004年10月6日
发明者大卫·M·布朗宁, 詹姆士·R·柯蒂斯, 格伦·娜杰日达·乔万诺维克, 布赖恩·凯文·保罗, 桑达·艾特瑞 申请人:俄勒冈州，由高等教育州委员会代表俄勒冈州立大学, 霍姆透析有限公司