CN100536937C - 生物人工植入物及其用途和降低植入后结缔组织形成的危险的方法 - Google Patents

生物人工植入物及其用途和降低植入后结缔组织形成的危险的方法 Download PDF

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Abstract

生物人工植入物，其包含半透性屏障，将该半透性屏障设计成允许或防止人体中产生的预定物质/材料/分子/细胞/细胞系从一侧扩散到所述屏障的对侧，和允许或防止与第一次提及的物质/材料/分子/细胞/细胞系相同或不同的预定物质从所述对侧扩散。所述半透性屏障至少在所述一侧具有一种生物活性金属，如钛的表面涂层，该表面涂层是可渗透的以允许所述扩散。在降低与包含半透性屏障的植入物有关的结缔组织形成/生长的危险的方法中，该屏障在至少一侧提供了生物活性金属的可渗透涂层。植入物用途的一个实例是生物人工胰脏。

Description

生物人工植入物及其用途和降低植入后结缔组织形成的危险的方法
发明领域
本发明的技术领域涉及以半透性屏障为基础的生物人工植入物。
发明背景
在器官移植技术中公知人体通过免疫防御引起的排斥现象对抗器官/组织的移植。为了避免免疫抑制药物(继发效应，免疫防御的损害)，已经开发了生物人工植入物，其包含用于植入的供者组织/细胞和半透性屏障或“过滤器”，其允许营养物和氧从受者身体扩散到植入的(即移植的)供者组织/细胞，但受者的免疫防御机制(细胞)不能扩散，同时允许供者组织/细胞产生的所希望的物质扩散到受者身体。关于此类生物人工植入物的专利文献的实例包括US-A-6,632,244和WO02/02745，其中尤其论述了植入所分离的胰岛(生物人工胰脏)用于在受者身体内产生胰岛素。US6,632,244也论述了在受者身体纤维质生成的(结缔组织的生长)风险，导致屏障孔隙被结缔组织覆盖，从而植入物被＂饥饿致死＂(缺氧)，因为它不能从受者身体中接收氧和营养物。在非生物相容的屏障材料中会出现这种现象。根据较后的专利，这种不足可采用生物相容的植入物避免，该植入物为3个组件的薄片形式：(a)核心，其由活组织、营养因子和滋养细胞、与例如钙交联的藻酸聚合物和增强强度的纤维网组成，(b)与钙交联的藻酸聚合物的涂层，其用于控制渗透性，和(c)涂层，其也由交联的藻酸聚合物组成。推荐植入物的厚度不超过400μm。
US 5,876,742公开了也用藻酸(多层)涂布的移植物。所述涂层据说是非-纤维形成的。涂层的厚度是20-200μm。
US-A-5,782,912公开了一种植入物，它具有第一层多孔膜组成的壁，该第一层多孔膜接近受者组织，并且据说它有利于在受者膜界面形成血管结构，并防止在那里形成结缔组织。植入物还具有第二层多孔膜，其形成免疫隔离空间。此空间围住组织，胰岛，它们必须被保护起来免受受者细胞的接触。第二层膜允许所包住的组织产生的组分扩散，例如产生胰岛素。第二层膜还允许营养物从受者扩散到隔离空间，以便给组织提供营养。膜由聚合物构成，第一层膜具有特别的三维孔结构。该专利公布声明“公知的生物相容的医学植入物由陶瓷和金属组成。假定这些材料能被操作以提供此处描述的三维结构，它们在该发明中也将也是有用的”。
US-A-5,782,912还公开该装置的用途，用作内置传感器和内置导管上的涂层、用作将生理因子运输到内置传感器的手段、用作将药物从腔或导管运输到受者组织的手段、和用作将移植细胞胶囊化以治疗细胞和分子缺乏的手段(免疫隔离)。
基于半透性屏障的上述植入物和其它的植入物设计复杂，难于生产。有理由相信这些情况不能导致具有所希望的性质的有很好重复性的植入物。由于没有考虑到在结缔组织和屏障之间充满液体的缝隙，有理由相信已知植入物的血管化屏障不能最有效地预防纤维质生成。
发明目的
本发明的目的在于提供一种上述类型的生物人工半透性植入物，即具有被血管化、抑制结缔组织生长(纤维质生成)的、比已知的植入物设计更简单和更容易制造的特性。
发明概述
由具有半透性屏障的植入物实现所述目的，将该半透性屏障设计成允许或防止人体中产生的预定物质/材料/分子/细胞/细胞系从一侧扩散到所述屏障的对侧，和允许或防止与第一次提及的物质/材料/分子/细胞/细胞系相同或不同的预定物质从所述对侧扩散。该半透性屏障具有生物活性金属的表面涂层，所述表面涂层是可渗透的以允许或防止所述扩散。还提供降低与包含半透性屏障的植入物有关的结缔组织形成/生长的危险的方法，通过该屏障在至少一侧提供生物活性金属的可渗透涂层实现了该目的。
本发明是基于我们令人惊奇的发现：如果提供具有生物相容的或生物活性金属的透性涂层的常规的半透性屏障、“过滤器”、“膜”，其适合于植入人体并能够有选择地透过营养物、氧、其它气体、组织/细胞物质、细胞系，但免疫防御机制不能通过该半透性屏障扩散，那么将显著消除纤维质生成问题。
已进行的实验使我们有理由相信：具有生物活性涂层的屏障所植入的受者中血管被“吸引”到涂层表面并沿着它生长而导致该纤维质生成消除效果。结果，接近于该表面的结缔组织的生长(纤维质生成)将被阻断，并且在接近生物活性涂层表面的血管生长前，结缔组织此类生长将没有时间再次开始。接近生物活性涂层表面的血管和血管生长又导致来自血管的营养物和氧转运(扩散)到不受结缔组织阻碍的植入物。
“吸引”在此不应解释成严格的科学表达，因为产生该效果的机理还没有确定。这种表达只意味着确立这样的事实：根据我们的发现，血管不生长(或生长不够充分)到和接近常规屏障的表面-称作生物相容的或不相容的-而血管生长到或接近常规屏障上由活性金属组成的此类涂层。
应该注意到除了其上沉积金属的常规半透性屏障外，不考虑金属涂层用作半透性屏障。金属涂层对下面的半透性屏障或膜增加了血管化，抑制纤维质生成的效果，这不同于上述专利中的藻酸盐层或聚合物膜。藻酸盐/聚合物层本身是半透性性的并产生植入物的渗透性，该渗透性不同于下面的半透性屏障的渗透性。根据本发明的植入物的金属涂层是不具有此类效应。
实施例1
图1和2中阐明了与没有活性金属涂层和根据本发明的具有生物活性金属涂层的半透性屏障植入物有关的结缔组织生长的差异。
图1是光学显微镜照相术，其阐明常规的植入物，该植入物包含包埋在藻酸盐屏障2中的胰岛1，此植入物处于移植的状态。第3层鉴定为结缔组织。照相表明结缔组织3位于植入物附近，植入物和受者组织/血管4之间。
图2显示了一种植入物，其由常规半透性屏障2’组成，根据本发明，该半透性屏障2’在一面用钛涂层T涂布，将组件4′鉴定为血管。它位于钛涂层附近，甚至轻微渗入涂层。在血管和屏障之间没有结缔组织。在屏障的没有钛涂层的另一面几乎没有血管。
本发明的具体实施方式
半透性屏障
植入物的半透性屏障由聚合物材料制成，关于上述提及的运输具有上述性质，所述半透性屏障可以是现有技术类型，例如根据上述提及的US6,372,244，或组织相容类型的一些其它材料，例如GoreTex。其它材料，例如糖、纤维素、塑料(例如聚碳酸酯)、水凝胶的半透性屏障已可在市场上得到，例如由MilliporeInc、Baxter Inc、Amicon and Pall Corporation推向市场。它们被推向市场或，应请求，以不同孔径生产，所述孔径取决于将被阻滞或允许的东西。市场上有例如，阻滞细胞扩散的半透性屏障(免疫防御)，但是其允许通过分子(营养物和氧以及来自被植入屏障的受者身体内的物质)和屏障中包住的来自供者的器官/器官部分/组织的物质向受者身体的扩散，例如由植入受者身体内的胰岛产生的胰岛素。屏障可以是片形式，其中待植入组织或细胞被包埋，或容器(袋子、套管)形式，其中待植入的细胞/组织被包住。在这种情况下，生物活性涂层至少在容器的外面排列。
生物活性金属涂层及其沉积
植入物的生物活性金属涂层应该是可渗透的，即，有孔/开口允许通过(扩散)营养物、氧和组织/细胞物质，也就是说涂层不应该干扰半透性屏障的功能和目的。然而，孔径不必防止免疫防御的扩散；这由半透性屏障来完成。因此，涂层的渗透性应该至少与屏障的渗透性一样大(考虑半透性屏障孔壁上的金属涂层的小效果)。涂层可以由粉/粉尘组成，采用一些现有技术雾化方法使其沉积在屏障上，或薄膜技术例如蒸发(PVD)、溅射，或以网的形式或以一些合适的方式贴附上的穿孔薄片(例如由激光穿孔)，例如使用生物胶胶粘到屏障或用激光焊接到屏障。通过缝纫附着薄片也是可接受的方法。另一选择是将颗粒“喷洒”到屏障。当选择这种方法将涂料沉积到屏障时，屏障材料的性质，尤其是耐温性，当然应该被考虑到。
涂层应该基本上是连续的，这意味着应该阻止结缔组织在下面的半透性屏障上生长。如果涂层由薄片组成，那么这种要求几乎不产生问题，当涂层由例如，通过喷射、蒸发、化学沉淀而沉积其上的颗粒组成时，这种要求必须使用一种方法留意涂层是否沉积在半透性屏障上。因此必须确保半透性屏障上的生物活性材料的涂层是平坦的，没有显著的能够引起结缔组织生长的疙瘩。另一方面，必须确保涂层上没有疙瘩的要求不会导致扩大沉积以至于涂层变得过分厚，并因此阻塞半透性屏障上的孔。
已经发现使用当今沉积技术实现了极好的结果(如上述说明的运输和防止纤维质生成)，金属涂层的厚度约5nm或以上，更优选约50-250nm，而不依赖屏障的孔径大小。
参照上述内容，应该注意到，根据本发明，只要孔/开口维持所述的运输或扩散，就不能排除在被沉积到屏障的孔/开口时生物活性材料的颗粒穿过-从而它们减少。
生物活性金属
就生物活性金属来说意指生物相容的金属，其除了生物相容性外，还能够-如上述提及的-“吸引”组织并锚定到它上面。此类材料是钛、锆、钽和它们合适的合金，这是已知的。根据本发明优选钛。
实施例2，图3
钛涂层沉积在来自Amicon的由Diaflo YM5LOT AN01383A组成的纤维素半透性屏障的一面。在来自Edwards Inc的蒸发器内通过蒸发技术进行沉积。涂层沉积厚度为30nm。结果显示在图3中，其中纤维素屏障的孔明显没有被钛颗粒阻塞，也就是说，屏障的表面结构基本上没有因涂布而改变。图2显示植入后一个月，作为小鼠体内植入物的具有涂层的该屏障。
实施例3
使用Millipore公司的型号SS3.0μm的过滤器重复该实施例。获得与实施例1相同的结果。
本发明的其他方面
发明的基本思想不仅适用半透性屏障，此半透性屏障围住待移植到受者的供者身体组织/细胞，在那里通过从受者身体提供营养物/氧而生存。本发明的思想也适用于器械，测量元件等，它们被插入活体内以允许物质一般从屏障壁的对侧通过半透性屏障运输。此类应用的一个实例是血糖检测传感器，该传感器元件周围是半透性屏障，它植入人体并连接到胰岛素泵，该胰岛素泵根据所检测到的血糖含量通过插入身体的输液器具递送胰岛素，也为该胰岛素泵提供了根据本发明的半透性屏障。发明问题，即，防止结缔组织接近屏障生长，在这样情况下通过上述可渗透的钛涂层得到解决。
本发明的其它应用的实例是药物分泌(化学疗法、镇痛药等)、器官移植(肾、肝等)、袋中产生红细胞生成素、凝固因子、生长激素、α干扰素、甲状旁腺激素、胰岛素等的细胞、人造器官(例如肝细胞)、微量透析技术。
显而易见，发明可以应用于人以及动物。
如果希望通过植入物选择性运输物质，那么金属涂层可以由一或多层分别沉积的金属层(薄片或粉剂)组成，植入物中的一层或多层钛层可以为具有一个/多个屏障的夹层结构。
更多实施例
实施例4和5
图4a-4c和图5a-5c图解了在来自Pall Corporation的具有商标名TF-200和
Figure C200480028566D00101
-200的常规半透性屏障(膜)上的研究。使用具有外部光源的LEICAM76显微镜研究钛涂布的和未涂布的膜的结构。当用钛层涂布的膜与未涂布的膜相比较时，不能检测到结构的改变。还研究了钛涂布的膜在水溶液中孵育后的膜结构，没有观察到改变。因此，在涂布步骤后和随后暴露到水溶液后均保持了膜结构。图4a图解了没有修饰，即没有钛层的膜-TF-200，图4b图解了涂布一层干燥钛层的膜-TF-200，图4c图解了涂布一层湿润钛层的膜-TF-200。图5a图解了没有修饰，即没有钛层的膜
Figure C200480028566D00102
图5b阐明了涂布一层干燥钛层的膜
Figure C200480028566D00103
图5c图解涂布一层湿润钛层的膜
Figure C200480028566D00104
实施例6和7
图6a-6d和7a-7c图解了Pall Corporation的和HT-200膜测试的透析性能，图6a图解了透析性能试验装置，使用烧杯10、透析腔11、膜12和磁力搅拌器13。透析腔11充满含0.5M葡萄糖和2.5U/L胰岛素的1ml人血，将膜装配到腔上。在装有50ml PBS的烧杯内进行透析。在0、15、30、60、120、180、240和300分钟时收集样品，并分析280nm处的吸收，其显示了葡萄糖浓度、蛋白质浓度和IgG含量。在未涂布的、钛涂布的
Figure C200480028566D00112
和HT 200膜之间没有发现透析性能的差异。图6b图解了葡萄糖通过
Figure C200480028566D00113
膜的透析，图6c图解了蛋白质通过
Figure C200480028566D00114
膜的透析，图6d图解了IgG通过
Figure C200480028566D00115
膜的透析。图7a图解了葡萄糖通过HT-200膜的透析，图7b图解了蛋白质通过HT-200膜的透析，图7c图解了IgG通过HT-200膜的透析。
实施例8
TheraCyteTM装置，参见图8a，基本上是两片膜之间形成的袋。每片由3层组成：完成为针织的聚酯，中间层为孔径5μm的PTFE，内层为孔径0.45μm的PTFE。2个外层假定用于引导血管形成。内层分离层，其分离内部和外部细胞。
使用具有外部光源的LEICA M76显微镜和Nikon Eclipse E600光学显微镜，在涂布1层或2层钛层前后研究上述TheraCyteTM装置。没有观察到由于钛涂布步骤引起的装置结构改变。图8b图解了没有修饰(没有钛涂布)的装置，图8c图解了具有1层钛层的装置，和图8d图解了具有2层钛层的装置。图8e-8g分别图解了没有修饰的、具有1个钛层和具有2个钛层的装置。图8h-8j分别图解了没有修饰的、具有1个钛层和具有2个钛层的装置。图8k-8m分别图解了没有修饰的、具有1个钛层和具有2个钛层的装置。
用上面的装置在0.9％氯化钠中进行透析。胰岛素和放射性标记的葡萄糖分别引进装置。开始透析后在0、15、30、60、120和180分钟时收集样品。使用液体闪烁计数器检测葡萄糖，使用Iso-Insuline Enzyme ImmunoAssay(EIA)检测胰岛素。结果：参见图8n和8o。图8n图解了葡萄糖从TheraCyteTM装置的透析。编号指出涂布到装置的钛层层数。K指出未修饰的装置。图8o图解了胰岛素从TheraCyteTM装置的透析。编号指出涂布到装置的层数。Control指出未修饰的装置。
将TheraCyteTM装置植入雄性LEWIS大鼠。17天后取出装置。在宏观水平上，未涂布的装置被含有血清液体的囊所围绕。横切面显示钛涂布的TheraCyteTM装置比未涂布装置具有更紧密的组织接触。参见图8p-8s，从顶部：图8p二层钛层，图8r对照(未涂布，未修饰)，图8s一层钛层。图8t图解了对照装置(没有修饰，无钛涂布)的横切面，图8u图解了具有一层钛层的装置的横切面，图8v图解了具有二层钛层装置的横切面。
图9a和9b图解了植入小鼠胸肌下的TheraCyteTM袋。将袋子放在动物体内41天，此后，将含有14C葡萄糖的30mMol/L葡萄糖溶液注射到袋中。图X中所示抽取血样。此图证明在使用未涂布的袋子(密闭环)的对照动物体内，以实际浓度和放射活性反映的葡萄糖浓度保持恒定在约10mmol/L直到20分钟，随后75分钟后增加到高达25mmol/L。相比，在接受具有钛涂层的袋子的动物体内，葡萄糖水平在5分钟后就已经开始上升。
该结果与如下发现完全一致：钛涂层更紧密地结合周围组织，从而允许葡萄糖直接地扩散到所述组织和周围血管中。相比，在对照动物内，袋子和组织之间的接触不是紧密的，这在材料、组织和纤维组织囊之间产生缝隙。这解释了葡萄糖浓度升高的延迟。
图10图解了在11500放大倍数下用电子显微镜看到的植入的TheraCyteTM袋的部分。靠左侧发白部分是针织聚酯层的细丝，接近它的黑线是钛涂层，其余部分是身体组织，其接近于钛涂层。钛涂层。厚约100nm。

Claims (16)

1.生物人工植入物，其包含半透性屏障，将该半透性屏障设计成
-允许或防止人体中产生的预定物质从一侧扩散到所述屏障的对侧，和
-允许或防止与第一次提及的预定物质相同或不同的预定物质从所述对侧扩散，
所述植入物的特征在于该半透性屏障具有生物活性金属的表面涂层，所述表面涂层是可渗透的以允许或防止所述扩散。
2.如权利要求1中要求保护的植入物，其特征在于所述预定物质选自人体中产生的材料、分子、细胞和细胞系。
3.如权利要求1中要求保护的植入物，其特征在于所述表面涂层是所述生物活性金属的网。
4.如权利要求1中要求保护的植入物，其特征在于所述生物活性金属选自钛、锆、钽和它们的合金之一。
5.如权利要求4中要求保护的植入物，其特征在于所述生物活性金属是钛。
6.如权利要求1中要求保护的植入物，其特征在于通过雾化方法应用所述金属。
7.如权利要求6中要求保护的植入物，其特征在于所述雾化方法选自溅射或蒸发之一。
8.如权利要求1中要求保护的植入物，其特征在于它是容器的形式。
9.如权利要求1中要求保护的植入物，其特征在于所述屏障在两侧均有所述表面涂层。
10.如权利要求1中要求保护的植入物，其特征在于所述涂层的厚度为5nm以上。
11.如权利要求10中要求保护的植入物，其特征在于所述涂层的厚度为50nm到250nm。
12.如权利要求1中要求保护的植入物，其特征在于将该半透性屏障设计成
-允许来自受者身体的体细胞营养物和氧从一侧扩散到该屏障的对侧，其中来自供者的身体器官/细胞位于该对侧，和
-允许供者的身体器官/细胞产生的预先选择的物质从所述对侧扩散。
13.如权利要求1中要求保护的植入物，其特征在于所述半透性屏障包围传感器元件，其中将该半透性屏障设计成
-允许物质从该屏障的一侧扩散到对侧，所述物质可以通过所述传感器元件检测，和
-允许所述物质从所述对侧扩散。
14.如权利要求13中要求保护的植入物，其特征在于所述物质是血糖并且所述传感器元件是血糖检测传感器元件。
15.如权利要求1中要求保护的植入物用于制造生物人工胰脏的用途。
16.提供包含半透性屏障并且具有降低结缔组织形成/生长的危险的植入物的方法，其特征在于用生物活性金属的可渗透涂层涂布该屏障的至少一侧。
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