DE69534038T2 - Vorrichtung und verfahren zum in-vivo-züchten von verschiedenen gewebezellen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum in-vivo-züchten von verschiedenen gewebezellen Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Transport und die Kultivierung von Zellen.
  • Die medizinische Wiederherstellung von Knochen und Gelenken des menschlichen Körpers weist erhebliche Schwierigkeiten auf, welche zum Teil auf die beteiligten Materialien zurück zu führen sind. Jeder Knochen weist einen harten, kompakten äußeren Anteil auf, der ein schwammartiges, weniger dichtes Inneres umgibt. Die langen Knochen der Arme und Beine, der Oberschenkelknochen oder Femur, haben einen inneren Anteil, welcher Knochenmark enthält. Das Material, aus dem Knochen zusammengesetzt sind, besteht hauptsächlich aus Calcium, Phosphor und der als Kollagen bekannten Bindegewebssubstanz.
  • Knochen treffen an mehreren unterschiedlichen Typen von Gelenken aufeinander. Die Bewegung der Gelenke wird durch den glatten hyalinen Knorpel der die Knochenenden bedeckt und durch die synoviale Membran verstärkt, die das Gelenk säumt und schmiert. Man stelle sich beispielsweise einen Querschnitt durch ein Hüftgelenk vor. Der Kopf des Femur wird von hyalinem Knorpel bedeckt. Dem Knorpel anschließend befindet sich die Gelenkpfanne. Über der Gelenkpfanne befindet sich der hyaline Knorpel des Acetabulums, welcher am Ilium befestigt ist. Das Ilium ist der ausgedehnte obere Anteil des Hüftknochens.
  • Durch Krankheiten wie Arthritis oder Trauma verursachter Knorpelschaden ist eine Hauptursache physischer Deformierung und Dehabilitation. In der heutigen Medizin besteht die vorherrschende Therapie bei Knorpelverlust im Ersatz durch ein prosthetisches Material, wie etwa Silikon für kosmetische Reparaturen oder Metalllegierungen zur Gelenkneuordnung. Die Verwendung einer Prothese geht für gewöhnlich mit beträchtlichem Verlust des darunter befindlichen Gewebes und Knochens einher, ohne daß die vollständige Funktion, die durch den ursprünglichen Knorpel ermöglicht wird, wiederhergestellt wird. Die Prothese ist ebenso ein Fremdkörper, der zu einem Reizpunkt in den Geweben werden kann. Weitere langfristige Probleme, die mit dem permanenten Fremdkörper einhergehen, können Infektion, Abnutzung und Instabilität umfassen.
  • Der Mangel an einer wirklich kompatiblen, funktionellen Prothese setzt Personen, die Nasen oder Ohren auf Grund von Verbrennungen oder Trauma verloren haben, weiteren chirurgischen Eingriffen aus, die das Ausschneiden eines Stücks Knorpel aus einem Stück der unteren Rippe beinhaltet, um sich den notwendigen Konturen anzunähern, sowie das Einfügen des Knorpelstücks in eine Hauttasche in dem Bereich, wo die Nase oder das Ohr fehlen.
  • In der Vergangenheit wurde Knochen unter Verwendung wirklicher Segmente sterilisierten Knochens oder von Knochenpulver oder porösem chirurgischem Stahl, der mit Knochenzellen besät wird, ersetzt, welche daraufhin implantiert wurden. In den meisten Fällen wurde eine Reparatur von Verletzungen chirurgisch durchgeführt. Patienten, die unter einer Degeneration des Knorpels litten, hatten zu ihrer Erleichterung nur Schmerzmittel und Entzündungshemmer zur Verfügung.
  • Bis vor kurzem war das Wachstum neuen Knorpels entweder durch Transplantation oder aus autologem oder allogenem Knorpel weitgehend erfolglos. Man betrachte das Beispiel einer Läsion, die sich durch den Knorpel in den Knochen innerhalb des Hüftgelenkes erstreckt. Man stelle sich die Läsion in Form eines Dreiecks vor, dessen Grundlinie parallel der Gelenkpfanne verläuft, sich vollständig durch den hyalinen Knorpel des Kopfes des Femur erstreckt und am Apex der Läsion endet, einen vollen Inch (2,54 cm) innerhalb des Femurkopfes. Es besteht gegenwärtig ein Bedarf darin, eine Implantatvorrichtung erfolgreich einzuführen, die aus einer Makrostruktur und einer Mikrostruktur zur Beinhaltung und zum Transport von Knorpelzellen und Knochenzellen besteht, gemeinsam mit unterstützenden Nährstoffen, Wachstumsfaktoren und Morphogenen, welche ein Überleben und eine richtige zukünftige Differenzierung dieser Zellen nach der Transplantation in den aufnehmenden Gewebedefekt gewährleistet. Gegenwärtig können Knorpelzellen, Chondrozyten genannt, wenn sie gemeinsam mit Knochenzellen implantiert werden, zu weiteren Knochenzellen degenerieren, da der hyaline Knorpel ein avaskuläres Gewebe ist und vor engem Kontakt mit Quellen hohen Sauerstoffdrucks, wie etwa Blut, geschützt werden muß. Im Gegensatz dazu benötigen Knochenzellen hohe Sauerstoffgehalte sowie Blut.
  • Erst kürzlich wurden zwei unterschiedliche Ansätze zur Behandlung von Knorpelläsionen vorgestellt. Ein Ansatz, wie in der U.S. Patentschrift Nr. 5,041,138 offenbart, besteht in der Beschichtung von bioresorbierbaren Polymerfasern einer Struktur mit chemotaktischen Grundsubstanzen. Es wird keine abgetrennte Mikrostruktur verwendet. Der andere Ansatz, wie in der U.S. Patentschrift 5,133,755 offenbart, verwendet chemotaktische Grundsubstanzen als Mikrostruktur in Leerräumen einer Makrostruktur und getragen und getrennt von dem biologisch abbaubaren Polymer, welches die Makrostruktur bildet. Die endgültige räumliche Beziehung dieser chemotaktischen Grundsubstanzen gegenüber der biresorbierbaren polymerischen Struktur ist somit in der U.S. Patentschrift Nr. 5,041,138 sehr unterschiedlich von der, die in der U.S. Patentschriftt Nr. 5,133,755 gelehrt wird.
  • Der grundlegende Unterschied zwischen diesen beiden Ansätzen zeigt drei verschiedene Auswirkungen hinsichtlich Entwurf und Technik auf. Erstens unterscheidet sich das Verhältnis der chemotaktischen Grundsubstanz zur bioresorbierbaren Polymerstruktur bei den beiden Ansätzen. Zweitens ist die Positionierung der biologischen Modifikatoren, die durch die Vorrichtung getragen werden, in Bezug auf die Materialien, aus denen sich die Vorrichtung zusammensetzt, verschieden. Zum dritten ist die anfängliche Positionierung der Parenchymzellen unterschiedlich.
  • In beiden Ansätzen finden eine bioresorbierbare Polymerstruktur und chemotaktische Grundsubstanzen Verwendung. Jedoch bestehen wie folgt drei Unterschiede zwischen den beiden Ansätzen.
  • I. Verhältnis der chemotaktischen Grundsubstanzen zur bioresorbierbaren Polymerstruktur.
  • Die Auswirkung der Beschichtung der Polymerfasern mit einer chemotaktischen Grundsubstanz auf Entwurf und Technik besteht darin, daß beide Materialien sich miteinander verbinden, um in struktureller und räumlicher Hinsicht eine einzige Einheit zu bilden. Die Räume zwischen den Fasern der Polymerstruktur bleiben frei von jeglichem Material bis nach dem Zeitpunkt, da die Zellkultursubstanzen zugesetzt werden.
  • Im Gegensatz dazu verwendet der Mikrostruktur-Ansatz chemotaktische Grundsubstanzen wie auch andere Materialien, getrennt und unterscheidbar von der bioresorbierbaren polymeren Makrostruktur. Die Mikrostruktur befindet sich innerhalb der leeren Räume der Makrostruktur und liegt nur gelegentlich neben der Makrostruktur. Zusätzlich verwendet der Mikrostruktur-Ansatz Polysaccharide und chemotaktische Grundsubstanzen, die von dem Polymer der Makrostruktur räumlich getrennt sind und bildet eine nachweisbare Mikrostruktur, getrennt und unterscheidbar von dem makrostrukturellen Polymer.
  • Der Vorteil des Entwurfs und der Technik einer getrennten und unterscheidbaren Mikrostruktur, die in der Lage ist, andere biologisch aktive Agenzien zu tragen, kommt bei der medizinischen Behandlung von Gelenkknorpel zur Geltung. Der RGD Bindungsanteil von Fibronektin ist eine erwünschte Substanz zur Befestigung von Chondrozyten an der Läsion. Jedoch ist der RGD Bindungsanteil von Fibronektin nicht von sich aus in der Lage, beim Mikrostruktur-Ansatz eine velourartige Mikrostruktur auszubilden. Stattdessen wird RGD vor dem Einsatz innerhalb der makrostrukturellen Interstitien mit einem mikrostrukturellen Material gemischt und schließlich von dem mikrostrukturellen Velour getragen.
  • II. Positionierung biologischer Modifikatoren, die von einer Vorrichtung getragen werden, hinsichtlich der Bestandsmaterialien der Vorrichtung.
  • Eine Beschichtung nur der Polymerstruktur mit chemotaktischen Grundsubstanzen bedeutet notwendigerweise, daß sich die Positionierung der chemotaktischen Grundsubstanz ausschließlich auf den bioresorbierbaren polymeren Strukturfasern befindet. Der Mikrostruktur-Ansatz verwendet die Mikrostruktur, um biologische Modifikatoren, wie etwa Wachstumsfaktoren, Morphogene, Medikamente etc. zu tragen. Der Beschichtungsansatz kann biologische Modifikatoren nur innerhalb der biologisch abbaubaren Polymerstruktur beherbergen.
  • III. Anfängliche Positionierung der Parenchymzelle.
  • Da der Beschichtungsansatz die chemotaktischen Grundsubstanzen an die Oberflächen des strukturellen Polymers bindet und keine mikrostrukturellen Bestandteile in den Leerräumen der Vorrichtung aufweist, schließt der Beschichtungsansatz die Möglichkeit aus, ein Netzwerk von extrazellulärem Matrixmaterial, speziell eine Mikrostruktur, innerhalb der Räume zwischen den Fasern der polymeren Struktur auszubilden, sobald die Vorrichtung vollständig mit Zellkulturmedium gesättigt ist. Beim Beschichtungsansatz ist vorausbestimmt, daß beliebige Zellen, die mittels des Kulturmediums einschleust werden, unmittelbar an die Oberfläche des strukturellen Polymers gezogen und daran befestigt werden, aufgrund der chemotaktischen Grundsubstanzen auf den Oberflächen des Polymers.
  • Als Folge der Beschränkung der chemotaktischen Grundsubstanzen ausschließlich auf die Oberflächen der Polymerstruktur wird die Anzahl der Zellen, die durch die beschichtete Vorrichtung aufgenommen werden können, stark begrenzt. Diese Begrenzungen der Zellkapazität werden durch zwei limitierende Faktoren verstärkt:
    • 1) eine stark limitierte Menge von chemotaktischer Grundsubstanz, die innerhalb der Vorrichtung enthalten sein kann; und
    • 2) ein Oberflächenbereich, der zur Zellanheftung zur Verfügung steht, welcher durch den von dem Strukturpolymer gelieferten Oberflächenbereich begrenzt wird.
  • Im Gegensatz zum Beschichtungsansatz stellt der Mikrostruktur-Ansatz durch Positionierung der chemotaktischen Grundsubstanzen in den leeren Räumen der Vorrichtung, das gesamte Leervolumen der Vorrichtung für die Aufnahme seiner chemotaktischen Grundsubstanzmikrostruktur zur Verfügung.
  • Insoweit als es sich auf eine biologische Zellfalle für kontrolliertes Wachstum und gesteuerte Gewebsregeneration bezieht, wurde in den vergangenen Jahren das Wissen in Bezug auf biologische Mechanismen, die an der Wiederherstellung periodontaler Defekte beteiligt sind, gemehrt, was zu einer Behandlungsmethode geführt hat, die als Gesteuerte Gewebsregeneration bekannt ist. Dieses Konzept beruht auf der Theorie der Beibehaltung der Räume für den behandelten periodontalen Knochendefekt. Weiches Gewebe wird aus dem Defekt entfernt und es wird eine Sperre zwischen das umgebende Weichgewebe und den periodontalen Defekt (Lücke) im Kieferknochen eingefügt. Die Sperre hindert das Weichgewebe daran, in den Defekt (Lücke) zurückzukehren, während dem langsamer wachsenden Knochen genügend Zeit eingeräumt wird, die Lücke zu schließen und die Anheftung an den Zahn wiederherzustellen. Diese Sperren können in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden: 1) bioresorbierbar/bioerodierbar; und 2) nicht-bioresobierbar/bioerodierbar. Solche Sperren, die nicht bioresorbierbar sind (Polytetrafluorethylen, Titan, etc.) müssen durch einen zweiten chirurgischen Eingriff entfernt werden, was zu einem zusätzlichen chirurgischen Trauma und dem Risiko der Zerstörung des frisch regenerierten Knochens durch Schaden an dessen kollateralen Kreislauf führt. Solche Sperren, die bioresorbierbar sind, haben einen von zwei Nachteilen. Sie sind entweder fest, in welchem Falle sie den Austausch der interstitiellen Flüssigkeit verhindern, oder sie sind durchlässig und ermöglichen die schnelle Durchdringung der Vorrichtung durch Weichgewebe. Somit wird ein einzigartiger Entwurf erforderlich, um die Gewebedurchdringung zu begrenzen oder zu verhindern, während gleichzeitig ein freier Austausch von interstitieller Flüssigkeit ermöglicht wird.
  • Die U.S. Patentschriften Nr. 4,181,983 und 4,186,444 beschreiben poröse bioresorbierbare Polymervorrichtungen. Diese zur Behandlung von Gewebedefizienzen entworfenen Vorrichtungen bestehen aus einem in seiner Architektur Spongiosaknochen ähnelnden bioresorbierbaren Polymer, welches eine rasche und vollständige Durchdringung der Vorrichtung mit weichem und hartem Gewebe erlaubt. Die U.S Patentschrift Nr. 3,902,497 entspricht der allgemeinen Beschreibung der U.S. Patentschriften Nr. 4,181,983 und 4,186,444 und erlaubt ebenfalls eine vollständige Durchdringung von Weichgewebe in einem kurzen Zeitraum.
  • Die U.S. Patentschrift Nr. 4,442,655 lehrt eine in einer wäßrigen Lösung gebildete Fibrinmatrix, die beim Einsetzen in Säugetiergewebe zerfällt und keine Sperrfunktion gegen das Eindringen von Weichgewebe bietet.
  • Die U.S. Patentschriften Nr. 4,563,489; 4,596,574 und 4,609,551 sind, obwohl von den U.S. Patentschriften Nr. 4,181,483 und 4,186,444 verschieden, zur Erfüllung desselben Ziels entworfen worden; zur Wiederherstellung von Gewebedefizienzen und Herstellung einer fortlaufenden, ununterbrochenen Ausbesserung. Dies ist auch die Zielvorgabe der U.S. Patentschrift Nr. 5,041,138, bei der die Vorrichtung aus verzweigten bioresorbierbaren Fäden besteht.
  • Keine der angesprochenen Vorrichtungen wurde jedoch dazu entworfen, als Zellfalle oder Sperre zu fungieren. Jede fördert das schnelle Einwachsen von Gewebe, welches aus der Vorrichtung austritt und in die beschädigte Lücke einwandert.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Erleichterung der Heilung von Gewebelücken bereit, welche die in Anspruch 1 ausgeführten kennzeichnenden Merkmale aufweist.
  • Die anatomisch spezifische Vorrichtung ist eine lebende Prothese oder ein Implantat zum Transport oder zur in vivo Kultivierung von Gewebezellen in vielfältigen Gewebeläsionen. Die gesamte Makrostruktur dieser Vorrichtung besteht aus einem bioresorbierbaren Polymer.
  • Die anatomisch spezifische Vorrichtung verinnerlicht eine Makrostruktur, Mikrostruktur, freie Vorläuferzellen, die in vitro kultiviert werden oder aus Gewebe stammen sowie biologische Agenzien, wie etwa assoziierte Wachstumsfaktoren, Morphogene, Medikamente und therapeutische Agenzien.
  • In der zur Behandlung einer Knorpel- und Knochenläsion entworfenen Ausführungsform weist die anatomisch spezifische Vorrichtung zwei Hauptregionen auf: eine Knorpelregion und eine Region subchondralen Knochens.
  • Die Knorpelregion weist eine Makrostruktur auf, die aus zwei verschiedenartigen Zonen besteht. Die Tangenzialzone der Knorpelregion hat direkten Kontakt mit synovialer Flüssigkeit. Die radiale Zone, welche sich zwischen der tangentialen Zone und der Region subchondralen Knochens befindet und etwa 70% bis 90% der Knorpelregion umfaßt, unterscheidet sich durch senkrecht angeordnete Platten, die mit einer Vielzahl von Leerräumen durchsetzt sind. Die radiale Zone der Knorpelregion ist eng mit der Makrostruktur der subchondralen Region an einer Grenzschichtoberfläche verbunden.
  • Das mikrostrukturelle Material der Knorpelregion besteht in der am meisten bevorzugten Form aus Alginat oder Hyaluronan. Alginat, auch als Alginsäure bekannt, wird zum Transport von sowohl in vitro als auch in vivo kultivierten Zellen und zur Ausbildung eines in vivo Zellkultursystems innerhalb der Vorrichtung verwendet. Alginsäure ist, obwohl sie keine chemotaktischen Fähigkeiten aufweist, besonders zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Behandlung von Gelenkknorpeldefekten geeignet, da sie die Kultur und den Transport von Chondrozyten erleichtert.
  • Die Struktur und die strategische Positionierung der Alginatmikrostruktur innerhalb der Makrostruktur eröffnet die Gelegenheit, mikrostrukturelles Material aus der Region subchondralen Knochens abzusondern. Die Alginatmikrostruktur hat die vornehmliche Funktion Chondrozyten ausschließlich in die Knorpelregion der Vorrichtung zu liefern, durch Abscheidung der Chondrozytenzellpopulation mit dem in vitro Zellkulturmedium in deren Alginatgel. Die Mikrostruktur hat die untergeordnete Funktion der Region subchondralen Knochens, die unmittelbar an die Knorpelregionen angrenzt, Chondrozyten in ausreichender Menge zuzuführen, um eine angemessene osteochondrale Bindung zu etablieren.
  • Der selektive Konzentrationsgradient des mikrostrukturellen Materials kann in selektiver Weise innerhalb bestimmter Regionen der makrostrukturellen Lücke variiert werden, um unterschiedliche biologische Eigenschaften gemäß der unterschiedlichen Anforderungen der Gewebe zu bewirken.
  • Die Mikrostruktur einer einzigen Vorrichtung kann aus vielerlei verschiedenen Materialien bestehen, einige ohne chemotaktische Eigenschaften, in unterschiedlichen Regionen der makrostrukturellen Leerräume in Abhängigkeit von den abweichenden Gewebs- und biologischen Eigenschaften und Anforderungen.
  • Die Region subchondralen Knochens der anatomisch spezifischen Vorrichtung umfaßt eine Makrostruktur, die aus einem biologisch verträglichen, bioresorbierbaren Polymer besteht, welches als poröser Körper in einem Stück mit „darin eingeschlossenen miteinander verbundenen Leerräume zufälliger Größe, zufälliger Anordnung und zufälliger Form, wobei jede Lücke mit allen anderen in Verbindung steht und mit im wesentlichen dem gesamten Äußeren des Körpers in Verbindung steht" (zitiert aus U.S. Patentschrift Nr. 4,186,448), angeordnet ist. Polymilchsäure (PLA), welche in der wie oben beschriebenen 3-D Architektur miteinander verbundener Leerräume hergestellt ist, ist das Polymer, welches derzeit zur Bildung der Makrostruktur verwendet wird. Andere Mitglieder der Gruppe von Hydroxysäureverbindungen können ebenso wie jedes beliebige bioresorbierbare Polymer Verwendung finden, wenn es in einer ähnlichen Architektur hergestellt wird.
  • Die Grob- oder Makrostruktur der Erfindung erfüllt drei Hauptfunktionen für die Chondrogenese und Osteogenese: 1) Wiederherstellung mechanischer architektonischer und struktureller Fähigkeiten; 2) Bereitstellung einer biologisch verträglichen und mechanisch stabilen Oberflächenstruktur, die zur Entstehung, Wachstum und Entwicklung neuen kalzifi zierten und nicht kalzifizierten Gewebes geeignet ist; und 3) Funktion als Träger anderer Bestandteile, die keine mechanischen und strukturellen Fähigkeiten aufweisen.
  • Die Mikrostruktur der Implantatvorrichtung besteht aus verschiedenen Polysacchariden, wobei es sich bevorzugt um Alginat aber ebenso um Hyaluronsäure (als HY abgekürzt) handeln kann. Die Interstizien der Polymilchsäure Makrostruktur des Körpers sind von der mikrostrukturellen Substanz in Form eines Velours ausgelegt, der dieselbe Architektur miteinander verbundener Leerräume aufweist wie für die Makrostruktur beschrieben, jedoch in einem mikroskopischen Maßstab. Die Funktionen der chemotaktischen Grundsubstanzmikrostruktur (d.h. HY) sind wie folgt: 1) Anziehung von Blutflüssigkeit in der gesamten Vorrichtung; 2) Chemotaxis für mesenchymale Zellwanderung und Aggregation; 3) Träger für ein oder mehrere osteoinduktive und chondroinduktive Agenzien; 4) Herstellung und Aufrechterhaltung einer elektronegativen Wundumgebung; sowie 5) Agglutinierung anderer Bindegewebssubstanzen untereinander und mit sich selbst. Weitere Beispiele chemotaktischer Grundsubstanzen sind Fibronektin und, besonders für die Wiederherstellung von Gelenkknorpel, ein RGD Bindungsanteil von Fibronektin.
  • Das osteoinduktive Agens, „bone morphogenic protein", besitzt die Fähigkeit einfache, mesenchymale Zellen zur Differenzierung in knochenbildende Zellen zu induzieren. Ein weiteres osteogenes Agens, „bone derived growth factor", stimuliert die Aktivität reiferer mesenchymaler Zellen zur Bildung neuen Knochengewebes. Andere biologisch aktive Agenzien, die, insbesondere zur Wiederherstellung von Gelenkknorpel, verwendet werden können, umfassen „transforming growth factor β (beta)" und „basic fibroblastic growth factor".
  • In weiterer Hinsicht agiert die anatomisch spezifische Implantatvorrichtung als Transportvorrichtung von Vorläuferzellen, die für die Herstellung von Bindewebe geerntet wurden. Die Vorrichtung mit ihren fest umschlossenen Vorläuferzellen kann unter Druck in die Stelle der Läsionsreparatur eingepaßt werden. In bevorzugter Hinsicht erleichtert der mit einem RGD Bindungsanteil von Fibronektin behandelte mikrostrukturelle Velour (d.h. in der am meisten bevorzugten Form Hyaluronan oder Alginat) die Anheftung freier Vorläuferzellen zum Transport an die Stelle der Läsionsreparatur.
  • Bedeutende Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung können umfassen:
    • 1. Die Anordnung von gefensterten Polymersträngen der tangentialen Zone bildet ein Netzwerk von miteinander verbundenen Leerräumen, die in Bezug auf Leerräume der radialen Zone horizontal ausgerichtet sind, womit dieser Aufbau anatomisch spezifisch für Gelenkknorpelgewebe wird.
    • 2. Die radiale Zone der Knorpelregion stellt Leerräume in horizontalen Ebenen bereit, welche die senkrecht orientierten Polymerschichten durchdringen und Verbindungen zwischen den senkrecht angeordneten Leerräumen schaffen.
    • 3. Die radiale Zone der Knorpelregion stellt an der Grenzoberfläche mit der Region subchondralen Knochens ein honigwabenartiges Muster von Poren bereit, mit einem ununterbrochenen Hohlraum von der Grenzoberfläche durch die radialen und tangentialen Zonen hin zu den Poren, die schließlich Zugang zur synovialen Flüssigkeit haben.
    • 4. Die hydrophobe Grenze bildet eine strategisch bedeutsame Zone, ohne die Kontinuität des makrostrukturellen Polymers der Region subchondralen Knochens zu unterbrechen und weiterhin ohne irgendeine chemische Veränderung in das makrostrukturelle Polymer einzuführen.
    • 5. Die Mikrostruktur ist strategisch innerhalb einer oder mehrerer eigenständiger Orte des makrostrukturellen Netzwerks von Leeräumen angeordnet, während andere Orte des makrostrukturellen Netzwerks von Leerräumen frei von mikrostrukturellem Material bleiben.
    • 6. Die Konzentrationsgradienten des mikrostrukturellen Materials werden innerhalb bestimmter Regionen der makrostrukturellen Leerräume selektiv variiert, um unterschiedliche biologische Eigenschaften zu bewirken, die für unterschiedliche Anforderungen der Gewebe von Bedeutung sind.
    • 7. Einer einzelnen, anatomisch spezifischen Vorrichtung wird eine Mikrostruktur bereitgestellt, die, entsprechend der variierenden Anforderungen an Gewebs- und biologische Eigenschaften, eine Zusammensetzung vielfältiger unterschiedlicher Materialien in verschiedenen Regionen der makrostrukturellen Leerräume aufweist.
    • 8. Die Verwendung einer Mikrostruktur innerhalb einer Makrostruktur stellt vielerlei Positionierungen zum Transport einer Fracht einer oder mehrerer Arten von biologischen Modifikatoren bereit:
    • 1) auf der Oberfläche der Makrostruktur;
    • 2) eingeschlossen zwischen der Makrostruktur und der Mikrostruktur;
    • 3) auf der Oberfläche der Mikrostruktur;
    • 4) innerhalb der Mikrostruktur; und/oder
    • 5) innerhalb der Hydrationsbereiche der Mikrostruktur und doch getrennt vom Polysaccharid der Mikrostruktur als auch getrennt vom Polymer der Makrostruktur.
    • 9. Die dreidimensionale Anordnung der Zelle wird beibehalten.
    • 10. Der gesamte Oberflächenbereich jeder Zelle wird unter optimalen Bedingungen für die Wechselwirkung mit der Mikrostruktur und deren Fracht biologisch aktiver Agenzien erhalten.
    • 11. Jede Zelle ist mit mikrostrukturellem Material beschichtet, welches, im Falle von Hyaluronsäure, aus einem hohen Prozentsatz natürlich vorkommender extrazellulärer Matrix besteht.
    • 12. Freie Zellen werden in einer halbflüssigen Umgebung gehalten, so daß sich die Zellen zur Ausbildung vielfältiger Regionen von optimaler Zelldichte bewegen können.
    • 13. Die Zellen werden in engem Kontakt zu hohen Konzentrationen freier, gelöster und ungebundener biologisch aktiver Agenzien gehalten.
    • 14. Ein Transport biologisch aktiver Agenzien wird bereitgestellt.
    • 15. Ein Transport für osteoinduktive/osteogene und/oder chondroinduktive/chondrogene Agenzien sowie andere therapeutische Substanzen (d.h. für das zu behandelnde Gewebe geeignete lebende Zellen, Zellnährmedien, eine Auswahl an Wachstumsfaktoren, Morphogenen und weiteren biologisch aktiven Proteinen) wird bereitgestellt.
    • 16. Es wird eine elektronegative Umgebung gebildet, die der Osteogenese/Chondrogenese förderlich ist.
    • 17. Ein Bedarf an weiteren chirurgischen Eingriffen zur Entfernung der Vorrichtung wird ausgeschlossen, da diese vollständig bioresorbierbar ist.
    • 18. Es wird ein Transport von Vorläuferreparaturzellen in die Vorrichtung und an die Reparaturstelle ausgebildet.
    • 19. Die Anlagerung freier Vorläuferzellen an die Vorrichtung und die Reparaturstelle wird erleichtert.
  • Aufgaben der vorliegenden Erfindung können sein:
    • 1. Einbindung bioresorbierbarer Polymere verschiedener Architekturen und chemischer Profile in eine einzelne Einheit, deren zusammengesetzte Architekturen spezifisch geordnet sind, um die Anordnungen von parenchymalen Zellen und Stromagewebe des zu behandelnden Gewebes oder Organs zu reproduzieren, und deren polymere Bestandteile in spezifischer Weise synthetisiert werden, um die für deren bestimmte Positionierung innerhalb des Gesamtgebildes geeigneten chemischen Profile zu erlangen. Dieser Gegenstand wird im Beispiel einer Vorrichtung zur Behandlung von Gelenkknorpeldefekten in der am meisten bevorzugten Form ausgeführt. Die Architektur der Knorpelregion wird mit der Architektur der Region subchondralen Knochens (Spongiosaknochen) verbunden, um ein bioresorbierbares polymeres Implantat zu bilden, welches eine anatomisch spezifische Architektur für Gelenkknorpel aufweist.
    • 2. Strategische Positionierung von mikrostrukturellem Material in diesem spezifischen Anteil der gesamten Vorrichtung, um die bestimmten, einzigartigen Funktionen, welche von den bestimmten zu behandelnden Geweben erfordert werden, auszuüben.
    • 3. Absonderung von mikrostrukturellem Material innerhalb der anatomisch spezifischen Vorrichtung gemäß der besonderen biologischen Funktionen eines bestimmten Implantats.
    • 4. Zuführung von Chondrozyten nur an die Knorpelregion der Vorrichtung, deren Lebensfunktionen im Knorpeldefekt durch Absonderung der Population von chondrozytischen Zellen mit dem in vitro Zellkulturmedium in das mikrostrukturelle (Alginat) Gel unterstützt werden.
    • 5. Zuführung von Chondrozyten in ausreichendem Maße an die Region subchondralen Knochens, die unmittelbar an die Knorpelregion anschließt, um zu gewährleisten, daß eine angemessene osteo-chondrale Bindung zwischen dem neu entwickelten Knorpel und dem neu entwickelten Knochen ausgebildet wird.
    • 6. Bereitstellung einer bioresorbierbaren Struktur als Träger und zur Unterstützung von Material, welches die Zellanheftung erhöht, wie etwa einer chemotaktischen Grundsubstanz in Form eines faserartigen Velours, der unvollständige, miteinander verbundene Interstitien aufweist.
    • 7. Ausbildung eines elektronegativen Potentials durch Aufrechterhaltung einer Alginat- oder HY-Flüssigphase und einer Grenzschicht struktureller PLA Phasen sowie durch die elektronegativen chemischen Eigenschaften von Alginat oder HY selbst.
    • 8. Ausbildung biophysikalischer Bedingungen und einer solchen Umgebung, so daß exogene elektrische Signale auf die Implantatvorrichtung angewendet werden können, um einen synergistischen Effekt mit den endogenen Strömen, die durch Alginat oder HY/PLA Oberflächenwechselwirkungen und die intrinsische Elektronegativität der Mikrostruktur hervorgerufen werden, zu bewirken.
    • 9. Bereitstellung einer einzigartigen Nebeneinanderstellung von Polylactat, Alginat/Hyaluronsäure und chemisch osteoinduktiven/osteogenen und/oder chondroinduktiven/chondrogenen Agenzien.
    • 10. Nebeneinanderstellung von die Zellanheftung steigerndem Material, wie etwa einer chemotaktischen Grundsubstanz, mit einem biologisch abbaubaren Material in Form eines festen, offenzelligen Netzwerks, in einer dieser Formen oder beiden Formen.
    • 11. Bereitstellung einer biologisch abbaubaren Struktur zum Transport und zur Unterstützung von Vorläuferreparaturzellen für die Reparaturstellen.
    • 12. Ausbildung von Bedingungen und Umgebungen zur Erleichterung der Anheftung von freien Vorläuferzellen zum Transport an die Reparaturstelle.
  • Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung in Form von Beispielen und mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben:
  • 1 stellt eine Aufsicht der Makrostruktur und Architektur der tangentialen Zone einer Knorpelregion dar, wobei kein mikrostrukturelles Alginat gezeigt wird;
  • 2 ist eine Aufsicht der Knorpelregion einer tangentialen Zone aus 1, die mit Alginat Mikrostruktur belegt ist;
  • 3 ist eine vergrößerte Ansicht von 1;
  • 4 ist eine vergrößerte Ansicht von 2;
  • 5 stellt einen Querschnitt durch die gesamte Vorrichtung ohne Mikrostruktur dar;
  • 6 stellt einen Querschnitt durch die gesamte, mit Alginat Mikrostruktur belegte Vorrichtung dar;
  • 7 stellt einen Querschnitt durch die gesamte Vorrichtung dar, welche eine hydrophobe Sperre zeigt;
  • 8 ist ein Querschnitt der radialen Zone der Knorpelregion an der Oberfläche der Grenzschicht;
  • 9 stellt einen Querschnitt der radialen Zone der Knorpelregion an der Oberfläche der Grenzschicht dar, wobei die Interstizien mit Alginat belegt sind;
  • 10 ist ein Querschnitt einer periodontalen Sperre;
  • 11 ist eine Ansicht der Oberfläche der periodontalen Sperre aus 10, die an das Mucoperiosteum angrenzt; und
  • 12 ist eine Ansicht der Oberfläche der periodontalen Sperre aus 10, die an die Knochenlücke angrenzt.
  • Es wird eine Vorrichtung zur Behandlung von Mängeln, Defekten, Lücken und Brüchen sowie konformativen Unterbrechungen von Knochen und Knorpel bei Säugetieren offenbart, die durch angeborene Mißbildungen, Knochen- und/oder Weichgewebskrankheiten, traumatischen Verletzungen durch Unfall und/oder Chirurgie, sowie funktionelle Atrophie hervorgerufen werden. Die Hauptaufgabe der anatomisch spezifischen Implantatvorrichtung ist es, die Mittel bereitzustellen, durch die Chondrozyten und diese begleitende Syntheseprodukte, grundsätzlich Kollagen vom Typ II, in vitro kulti viert, zu einem Gelenkknorpelschaden transportiert und darin sicher eingefügt werden können.
  • Die anatomisch spezifische Vorrichtung besteht insbesondere aus zwei Hauptbestandteilen, der Knorpelregion und der Region subchondralen Knochens, die über eine Grenzoberfläche miteinander verbunden sind. Sowohl die Knorpelregion als auch die Region subchondralen Knochens der Vorrichtung enthält eine Makrostruktur, die sich aus bioresorbierbarem Polymer zusammensetzen, entweder als homogene Polymere oder Kombinationen zweier oder mehrerer Copolymere, beispielsweise aus den Gruppen der Poly(alphahydroxysäuren), wie etwa Polymilchsäure oder Polyglykolsäure oder deren Copolymere, Polyanhydride, Polydepsipeptide oder Polyorthoester. Vorrichtungen, die als Prototypen von Tierstudien hergestellt werden, werden heutzutage aus dem Homopolymer D,D-L,L-Polymilchsäure gebildet.
  • Das bioresorbierbare Polymer in der Region subchondralen Knochens liegt in der am meisten bevorzugten Form in der Architektur von Spongiosaknochen vor, etwa von dem Typus wie in den U.S. Patentschriften Nr. 4,186,448 und 5,133,755 beschrieben, die hierin durch Querverweis einbezogen sind.
  • Die Knorpelregion umfaßt 10% bis 30% der anatomisch spezifischen Vorrichtung und enthält eine tangentiale Zone und eine radiale Zone, die jeweils ein architektonisch unterschiedliches Muster aufweisen. Die radiale Zone befindet sich inmitten oder zwischen der tangentialen Zone und der Region subchondralen Knochens. Die tangentiale Zone ist in senkrechter Richtung annähernd 100 Mikrometer dick und steht in direktem Kontakt mit der synovialen Flüssigkeit. Im Folgenden bezieht sich „senkrecht" auf eine Ausrichtung, die im rechten Winkel zu der Grenzschicht des Knorpelgewebes mit dem subchondralen Knochen steht, oder mit anderen Worten auf eine Ausrichtung, die im rechten Winkel zu der Grenzschichtoberfläche zwischen der Knorpelregion und der Region subchondralen Knochens der Vorrichtung steht. Diese tangentiale Zone wird von großen Polymersträngen gebildet, die parallel zueinander verlaufen und in einer horizontalen Ebene angeordnet sind, wodurch annähernd 100 bis 120 Mikrometer weite, horizontale Kanäle in horizontaler Ausrichtung gebildet werden. Im Folgenden bezieht sich „horizontal" auf eine Ausrichtung, die parallel zu der Grenzschicht des Knorpelgewebes mit dem subchondralen Knochen liegt, oder mit anderen Worten auf eine Ausrichtung, die parallel zu der Grenzschichtoberfläche zwischen der Knorpelregion und der Region subchondralen Knochens der Vorrichtung liegt. Die Kanäle, welche durch die großen Polymerstränge gebildet werden, sind voneinander durch ein Netzwerk von untergeordneten Polymersträngen getrennt. Diese untergeordneten Polymerstränge sind ebenfalls in einer horizontalen Ebene angeordnet, verbinden sich mit den großen Polymersträngen in annähernd rechtem Winkel und sind ungefähr 650 Mikrometer lang in horizontaler Richtung. Sämtliche Polymerstränge der tangentialen Zone sind von vielerlei Leerräumen gefenstert. Die Anordnung von gefensterten Polymersträngen bildet ein Netzwerk von miteinander in Verbindung stehenden Leerräumen, die bezüglich der Leerräume der radialen Zone horizontal ausgerichtet sind.
  • Die radiale Zone umfaßt 70% bis 90% der Knorpelregion. Die radiale Zone besteht aus senkrecht angeordneten dünnen Schichten aus Polymer, die von vielerlei Leerräumen gefenstert sind, welche sowohl in horizontalen als auch senkrechten Ebenen ausgerichtet sind. Die senkrecht orientierten Leerräume der radialen Zone dehnen sich ununterbrochen von der Grenzschichtoberfläche der Knorpelregion und der Region subchondralen Knochens zur tangentialen Zone hin aus. Leerräume in der horizontalen Ebene durchdringen die senkrecht ausgerichteten Polymerschichten und schaffen Verbindungen zwischen den senkrecht positionierten Leerräumen.
  • Die radiale Zone an der Grenzschichtoberfläche enthüllt die senkrecht ausgerichteten Leerräume der radialen Zone im Querschnitt. Das Muster, welches die radiale Zone an der Grenzschichtoberfläche bildet, kann als Honigwabenmuster, welches sich aus eigenständigen Poren zusammensetzt, beschrieben werden. Die Mehrzahl der eigenständigen Poren mißt annähernd 200 bis 250 Mikrometer im Feret-Durchmesser. Diese Poren sind im allgemeinen kreisförmig. Einige Poren werden teilweise durch eine dünne Polymermembran verschlossen. Durch diese Poren hindurch besteht eine ununterbrochene Leerraumverbindung von der Grenzschichtoberfläche durch die radiale und tangentiale Zone zu den Leerräumen der tangentialen Zone, die Zugang zur synovialen Flüssigkeit haben.
  • Die Architektur der Knorpelregion kann unter Verwendung von etablierten Techniken, die weithin durch den Fachmann auf dem Gebiet der bioresorbierbaren Polymeren ausgeübt werden, gebildet werden. Diese Verfahren umfassen Spritzgießen, Vakuumschäumung, Spinnen von Hohlfilamenten, Lösemittelverdampfung, Auslaugung löslicher Partikel und deren Kombinationen. Für einige Verfahren können Weichmacher erforderlich sein, um die Glasübergangstemperatur auf ein Niveau zu senken, welches niedrig genug ist, damit ein Polymerfluß ohne Zersetzung zustande kommt.
  • Für Vorrichtungen, die zur Verwendung bei einem Kaninchenknie hergestellt wurden, wurde die Knorpelregion auf eine Dicke von etwa 1000 Mikrometer plus oder minus 200 Mikrometer begrenzt. Bei einem Menschen kann die Knorpelregion auf ein Maximum von etwa 3,0 mm Dicke, sprich 3000 Mikrometer, erhöht werden.
  • Das makrostrukturelle Polymer der Knorpelregion wird mit dem makrostrukturellen Polymer der Region subchondralen Knochens zusammengefügt oder verbunden durch ein Verfahren wie etwa der Hitzefusion, welches keine Verwendung von Lösemitteln oder chemische Reaktionen zwischen den beiden Polymersegmenten umfasst. Die sich daraus ergebende Einheit zwischen den beiden architektonischen Regionen ist sehr stark und kann jeglicher Handhabung, die zur Verpackung der Vorrichtung erforderlich ist, sowie beliebigen Kräften, die ihr als Folge der Implantationstechnik auferlegt werden, Widerstand leisten, ohne die innere Architektur von Leerräumen der Vorrichtung zu zerstören.
  • Alginat ist das mikrostrukturelle Material, welches in der Knorpelregion besonders bevorzugt zum Transport von in vitro und in vivo kultivierten Zellen und zur Ausbildung eines in vivo Zellkultursystems innerhalb eines bioresorbierbaren Materials ist. Alginat ist besonders geeignet zur Verwendung in einer anatomisch spezifischen Vorrichtung zur Behandlung von Gelenkknorpelschäden, weil Alginat keine bekannten angiogenen Eigenschaften aufweist und von anderen erfolgreich zur Kultur und zum Transport von Chondrozyten eingesetzt wurde.
  • Alginat ist ein Polysaccharid aus Phaeophyceen, die auch als brauner Seetang bekannt sind. Die häufigste Quelle von Alginat ist die Spezies Macrocystis pyrifera, der Riesentang, der entlang der Küsten von Nord- und Südamerika, Neuseeland, Australien und Afrika wächst. Andere Polysaccharide, wie etwa Agar und Carrageenan, die aus verschiedenen Arten von Rotalgen extrahiert werden, sowie Hyaluronan ergeben ebenfalls geeignete mikrostrukturelle Materialien für bioresorbierbare Systeme, die zum Transport und zur Kultur von Chondrozyten bestimmt sind.
  • Alginat ist ein polysaccharidisches Polymer, welches aus aufeinanderfolgenden Einheiten von D-Mannuronsäure, aufeinanderfolgenden Einheiten von L-Guluronsäure oder alternierenden D-Mannuronsäure- und L-Guluronsäureresten zusammengesetzt ist. Die genaue Zusammensetzung einer bestimmten Alginatprobe hängt von der Unterart des Seetangs (Macrocystis pyrifera) ab, aus der es gewonnen wurde.
  • Die am meisten bevorzugte Ausführungsorm der Vorrichtung verwendet ein verfeinertes Natriumalginat, welches als Keltone-HV bezeichnet wird. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikrostrukturellen Materials ist mit Calcium quervernetztes Alginat oder jede beliebige andere Alginatverbindung, die ein hydrokolloidales Gel von Alginsäure bereitstellt, welches zum Zelltransport und zur Kultur des jeweiligen Gewebes geeignet ist.
  • In früheren Konstrukten, wie in U.S. Patentschrift 5,133,755, bestand die bevorzugte Mikrostruktur aus Hyaluronan, welches ein Synonym für Hyaluronsäure, Hyaluronat, HA und HY ist. Das Hyaluronan war gleichmäßig über die internen Leerräume der Vorrichtung verteilt. Hier wird nun eine Möglichkeit bereitgestellt, zu wählen, ob die Mikrostruktur über alle Leerräume zerstreut sein sollte oder nicht, in Abhängigkeit davon, ob diese Anordnung für die zu behandelnden Gewebe zuträglich ist. Die vorliegende Ausführungsform erlaubt unvollständige Verteilung, wenn gewünscht, oder vollständige Verteilung über das gesamte Volumen von Leerräumen der Vorrichtung, wobei jedoch Konzentrationsgradienten mikrostrukturellen Materials als Maßnahme zur Kontrolle der Anzahl transplantierter Zellpopulationen innerhalb der inneren Bereiche der Vorrichtung vorgesehen sind.
  • Der mikrostrukturelle Ansatz kann biologische Modifikatoren mit 1) der biologisch abbaubaren polymeren Makrostruktur, 2) dem mikrostrukturellen Protein oder 3) dem mikrostrukturellen Polysaccharid tragen.
  • Diese vielfältige Tragefähigkeit stellt fünf verschiedene Arten von Positionen zum Beladen mit biologischen Modifikatoren innerhalb der Vorrichtung bereit: 1) an die polymere makrostrukturelle innere Oberfläche gebunden; 2) an die chemotaktische Grundsubstanz auf der äußeren Oberfläche der Mikrostruktur gebunden; 3) zwischen dem biologisch abbaubaren Polymer und der chemotaktischen Grundsubstanz angeordnet; 4) innerhalb der chemotaktischen Grundsubstanz im Innern der Mikrostruktur getragen; und 5) innerhalb der Hydrationsbereiche der Hyaluronsäure oder der Alginsäure eingeschlossen, dennoch getrennt von dem Hyaluronan/Alginatpolysaccharid.
  • In der fünften Positionierung wird der biologische Modifikator bzw. werden die biologischen Modifikatoren von den Hydrationsbereichen der polysaccharidischen Mikrostruktur eingenommen, während die biologischen Modifikatoren weiterhin in ihrer ursprünglichen wäßrigen Lösung gelöst vorliegen. Das biologisch aktive Agens bzw. die biologisch aktiven Agenzien ist/sind an der Mikrostruktur aus Hyaluronsäure oder Alginsäure befestigt, jedoch nicht in physischem Kontakt mit dem Polysaccharid, da dieses weiterhin in Wasser gelöst ist, welches wiederum innerhalb der Hydrationsbereiche des Hyaluronans eingeschlossen ist. Dieses Verfahren der Zuführung biologisch aktiver Ladung zu einer Gewebebeschädigung ist mit dem Beschichtungsansatz von U.S. Patentschrift Nr. 5,041,138 nicht möglich.
  • Innerhalb der Leerräume der Vorrichtung kann ein trockenes, filamentöses Velour aus chemotaktischer Grundsubstanz eingerichtet werden, insbesondere der RGD Bindungsanteil von Fibronektin getragen von Hyaluronsäure- oder Alginsäurevelour. Nach Sättigung mit Wasser, wäßrigem Zellkulturmedium oder Blutflüssigkeit wird der trockene Velour chemotaktischer Grundsubstanz zu einem hochviskosen Gel gelöst, welches die chemotaktische Grundsubstanz als Netzwerk von gelösten Polysaccharidketten beibehält, das weiterhin in den Leerräumen der polymeren Makrostruktur suspendiert ist.
  • Falls das Zellkulturmedium eine Flüssigkeit ist, welche die Vorrichtung sättigt und das Gel bildet, dann sind die Zellen, welche im Kulturmedium suspendiert sind, zeitweilig innerhalb des Gels aufgrund der Gelviskosität gefangen. Der Grad der Gelviskosität und der Zeitraum, über den das Gel bedeutend hohe Viskositäten aufrechterhält, werden bestimmt durch: 1) das anfängliche Molekulargewicht der Mikrostruktur; 2) die Geschwindigkeit des in vivo Abbaus der Mikrostruktur; 3) die Verfügbarkeit von interstitieller Flüssigkeit zur Verdünnung der verbliebenen Mikrostruktur und Entfernung von mikrostrukturellen Abbauprodukten aus dem Bereich und 4) die anfängliche Konzentration der ursprünglich in die makrostrukturellen Interstitien eingebrachten Mikrostruktur.
  • Die zeitweilige Zurückhaltung von transportierten Parenchymzellen durch das mikrostrukturelle Gel, gibt den Zellen Zeit zur Ausführung zweier kritischer biologischer Prozesse. Der erste biologische Prozeß ist die Vereinigung mit der Mikrostruktur durch direkte Zusammenwirkung zwischen der Mikrostruktur und dem Plasmamembran CD44H Rezeptor der Zellen sowie die Vereinigung mit dem RGD Bindungsanteil von Fibronektin, der mit der Mikrostruktur aufgenommen werden kann. Der zweite biologische Prozeß umfaßt die Bindung mit beliebigen weiteren biologischen Modifikatoren, die ebenso mit der Mikrostruktur aufgenommen oder in Wasser, das durch die Hydrationsbereiche des mikrostrukturellen Polysaccharids eingenommen wird, gelöst sein können.
  • Nach annähernd 12–72 Stunden in vivo wird die Viskosität des mikrostrukturellen Gels in solchem Ausmaß verringert, daß dessen mikrostruktureller Inhalt, der nunmehr ein verringertes Molekulargewicht aufweist, gemeinsam mit der überlebenden Zellpopulation, direkt oder über den RGD Bindungsanteil von Fibronektin an der Mikrostruktur befestigt, gezwungenermaßen auf den durch das makrostrukturelle Polymer gebildeten strukturellen Oberflächen verbleibt.
  • Das einstmals von mikrostrukturellem Gel eingenommene Raumvolumen wird nun von interstitieller Flüssigkeit und einer zunehmenden Anzahl von Parenchymzellen, die durch Mitose der transplantierten Elternzellen gebildet werden, besetzt. Bei der Regeneration von Gelenkknorpel in der am meisten bevorzugten Ausführungsform ist es erwünscht, die transplantierten Zellen vor dem Zugang zu Blutflüssigkeit und kollateralem Kreislauf zu schützen. Daher kommen keine Blutprodukte in den Leerräumen der Knorpelregion vor. Bei anderen Situationen der Geweberegeneration ist jedoch, wünschenswert so schnell wie möglich Blutflüssigkeit in die Interstitien der Vorrichtung zu ziehen. In diesen Situationen sind daher Fibrin (d.h. Blutklumpen), endotheliale Knospungs- und Granulationsgewebe, die in die Interstitien der Vorrichtung aus Quellen lebensfähigen kollateralen Kreislaufs vorrücken, die Substanzen, die innerhalb der inneren Leerräume der Vorrichtung gemeinsam mit den anderen oben angeführten Materialien anzutreffen sind.
  • Das Zusammenwirken der Vorrichtung mit Zellrezeptoren ist ein bedeutender Vorteil des mikrostrukturellen Ansatzes, um einen Zelltransfer zu bewirken. Die in der U.S. Patentschrift Nr. 5,133,755 enthaltenen biologischen Prozesse des Zelltransfers, werden sämtlich durch das Zusammenwirken einer Vielzahl von Proteinen und Polysacchariden mit spezifischen Rezeptoren vermittelt, die sich in der Plasmamembran oder „Zellwand" der gegebenen Zellen befinden. Diese spezifischen Rezeptoren setzen sich ebenfalls aus Proteinen zusammen.
  • Die transplantierten Zellen binden an die Mikrostruktur und den RGD Bindungsanteil von Fibronektin unterstützt durch die Mikrostruktur über die Wechselwirkung von spezifischen Proteinrezeptoren der transplantierten Zellen, die sich in deren Plasmamembranen befinden, mit den spezifischen Aminosäuresequenzen oder Amingruppen des mikrostrukturellen Komplexes. Beispielsweise kommen Wechselwirkungen zwischen den Rezeptoren transportierter Zellen und dem RGD Bindungsanteil vor. Ein weiteres Beispiel ist die direkte Wechselwirkung eines Membranrezeptors einer transportierten Zelle, wie etwa CD44H, und der Hyaluronanmikrostruktur. Desweiteren ist die Wechselwirkung des Membranrezeptors der transportierten Zelle und der Alginatmikrostruktur beispielhaft.
  • Durch direkte Befestigung der transplantierten Zellen an die dreidimensionale Mikrostruktur unmittelbar nachdem die Zellen der Transportvorrichtung ausgesetzt wurden, werden die folgenden Ergebnisse erzielt, bis die Viskosität der Mikrostruktur unter einen kritischen Wert sinkt: 1) Erhaltung der dreidimensionalen Anordnung der Zelle; 2) Aufrechterhaltung des gesamten Oberflächenbereichs jeder Zelle in optimalem Zustand für das Zusammenwirken mit der Mikrostruktur und deren Ladung von biologisch aktiven Agenzien; 3) Beschichtung jeder Zelle mit mikrostrukturellem Material, welches im Fall von Hyaluronan einen hohen Prozentsatz natürlich vorkommender extrazellulärer Matrix bildet, 4) Erhaltung der Zellen frei in halbflüssiger Umgebung, so daß diese sich bewegen können, um vielfältige Regionen optimaler Zelldichte auszubilden; 5) Erhaltung der Zellen in unmittelbarer Nähe hoher Konzentrationen freier, gelöster und ungebundener biologisch aktiver Agenzien sowie 6) Aufrechterhaltung der Ladung biologisch aktiver, therapeutischer Proteine, die von den Hydrationsbereichen des mikrostrukturellen Polysaccharids getragen werden, in unbeeinflußter dreidimensionaler Konfiguration, wodurch deren biologische Aktivitäten optimiert werden.
  • Bei der Zelltransplantation kann die Verwendung von nur einer, auf eine polymere Struktur beschichteten, chemotaktischen Grundsubstanz, dem Überleben vieler transplantierter Zellen zuträglich sein. Jedoch als Folge ihrer Befestigung an die unnachgiebigen makrostrukturellen Oberflächen, können auf diese Weise gebundene transplantierte Zellen zerstörte dreidimensionale Strukturen zeigen und ihre Plasmamembranen können einen verringerten Oberflächenbereich aufweisen, der für das Zusammenwirken mit biologisch aktiven Agenzien zur Verfügung steht.
  • Die vorliegende Ausführungsform weicht von der Praxis des Standes der Technik ab, indem das mikrostrukturelle Material in dem spezifischen Anteil der Vorrichtung strategisch angeordnet wird, der besondere Funktionen ausübt, die für die in dieser Umgebung regenerierte vollentwickelte Anatomie einzigartig sind. Eine solche Segregation von mikrostrukturellem Material innerhalb der Vorrichtung beruht auf dem Bedarf, einen Anteil der Vorrichtung mit besonderen biologischen Funktionen auszustatten, die von dem Rest der implantierten Vorrichtung isoliert sein müssen.
  • In der bevorzugten Ausführungsform erfüllt die Mikrostruktur die vornehmliche Aufgabe, Chondrozyten ausschließlich in die Knorpelregion der Vorrichtung zu liefern und deren Lebensfunktion an der Knorpelschadensstelle des Säugetiers durch Absonderung der Chondrozytenzellpopulation gemeinsam mit dem in vitro Zellkulturmedium innerhalb ihres Alginatgels zu unterstützen. Die Mikrostruktur besitzt die untergeordnete Aufgabe der Region subchondralen Knochens, die unmittelbar an die Knorpelregion anschließt, in ausreichendem Maße Chondrozyten zur Verfügung zu stellen, um sicherzustellen, daß eine angemessene osteochondrale Bindung zwischen dem neu entwickelten Knorpel und dem neu entwickelten Knochen ausgebildet wird.
  • Die Konzentration der Mikrostruktur innerhalb des Netzwerks von Leerräumen der Makrostruktur kann variieren, um sicherzustellen, daß die aus der in vitro Kultur eingeführten therapeutischen Elemente innerhalb der Vorrichtung in größter Menge da vorliegen, wo sie am meisten benötigt werden. Beispiele biologische aktiver Agenzien, auch therapeutische Elemente genannt und aus der in vitro Kultur eingeführt sind Zellpopulationen, Wachstumsfaktoren, Morphogene, andere therapeutische Agenzien, Medikamente, etc. Solche Konzentrationsabweichungen können durch Variierung der Konzentrationen der Mikrostrukturlösungen vor dem Einsatz in den Leerräumen der Makrostruktur der Vorrichtung oder Regionen davon, bevor diese verbunden werden, verwirklicht werden.
  • In der bevorzugten Ausführungsform kommt der Alginatvelour in höchster Konzentration innerhalb der tangentialen Zone der Knorpelregion und den unmittelbar angrenzenden Stellen der radialen Zone vor. Die Konzentration der Alginatmikrostruktur nimmt vom Ort der höchsten Konzentration zur Grenzschicht der radialen Zone mit der Region subchondralen Knochens hin ab. Mikrostruktureller Alginatvelour kommt in der geringsten Konzentration im 500 bis 800 Mikrometer breiten Leerraum der Region subchondralen Knochens vor.
  • Es können zwei oder mehrere mikrostrukturelle Materialien an strategischen Positionen innerhalb desselben bioresorbierbaren Implantats angeordnet werden, um vielfältige und unterschiedliche biologische Funktionen auszuüben, aufgeteilt in spezifische anatomische Positionen der Implantatvorrichtung. Beispielsweise würde eine große osteochondrale Beschädigung Hyaluronanverlour als Mikrostruktur in der zur Osteoneogenese vorgesehenen subchondralen Region erforderlich machen. Im Gegensatz dazu würde Alginatvelour ein geeigneteres mikrostrukturelles Material für die zur Chondroneogenese vorgesehene Knorpelregion der Vorrichtung darstellen. Die Anordnung von unterschiedlichem mikrostrukturellem Material kann verwirklicht werden durch Einbringen des mikrostrukturellen Materials in die Regionen bevor diese verbunden werden, durch Ausstattung der Vorrichtung oder deren Regionen vor dem Verbinden von einer ersten Oberfläche aus mit einer erwünschten Menge mikrostrukturellen Materials, die geringer ist als das gesamte Leervolumen der Makrostruktur, und daraufhin Ausstattung von der gegen überliegenden Oberfläche aus mit einem Volumen unterschiedlichen mikrostrukturellen Materials, das ein Gleichgewicht mit dem Leervolumen der Makrostruktur herstellt.
  • Mit Ausnahme der kritischen Stelle an der Grenzschicht zur Knorpelregion ist das Polymer der Region subchondralen Knochens hydrophil, aufgrund der Behandlung mit einem Benetzungsmittel wie in der U.S. Patentschrift Nr. 4,186,448 ausgeführt. Beginnend bei etwa 500 bis 800 Mikrometern Abstand von der Grenzschichtoberfläche und sich zur Grenzschichtoberfläche erstreckend wird das makrostrukturelle Polymer der Region subchondralen Knochens hydrophob gemacht, wie etwa durch Behandlung der gesamten Vorrichtung oder der Region subchondralen Knochens mit einem Tensid und daraufhin Inaktivierung des Tensids auf den Oberflächen der hydrophoben Sperre oder durch Nichtbehandlung der Oberflächen der hydrophoben Sperre mit einem Tensid während die übrigen Anteile behandelt werden. Entsprechend kann eine hydrophobe Sperre innerhalb einer Vorrichtung einfacher (d.h. einzelner) oder komplexer (d.h. vielfältiger) innerer Architekturen durch andere Maßnahmen als die selektive Behandlung bestimmter polymerer Regionen gebildet werden. Beispielsweise kann ein getrenntes fibrilläres Konstrukt von bioresorbierbarem Material ohne Tensid hergestellt werden und zwischen zwei Segmente einer Vorrichtung eingeschoben werden, deren Polymere hydrophil gemacht wurden.
  • Wäßrige Flüssigkeiten, insbesondere Blutflüssigkeit, die durch kapillare Wirkung durch das hydrophile Polymer der Region subchondralen Knochens, welche dem subchondralen Knochen am nächsten ist, an diese Stelle gelangen, werden am weiteren Vordringen in Richtung der Knorpelregion durch das hydrophobe Polymer der Region subchondralen Knochens in der Umgebung gehindert. Die Interstitien der hydrophoben fibrillären Membran würden schlußendlich dem Zellwachstum förderlich sein, jedoch ist es die unmittelbare Wirkung einer solchen Membran, den Durchtritt wäßriger Flüssigkeiten über deren Grenzbereiche hinweg zu verhindern.
  • Die hydrophobe Sperre ist ein bedeutender Fortschritt und eine Entwicklung von Vorrichtungen, welche zur Verwendung bei der Chondroneogenese vorgesehen sind, da der hyaline Knorpel, insbesondere der artikuläre Knorpel der Gelenke, ein avaskuläres Gewebe darstellt und vor direktem Kontakt mit Quellen hohen Sauerstoffdrucks, wie etwa Blut, geschützt werden muß. Bei der Vorbereitung der empfangenden Beschädigung des Knorpelgewebes zur Aufnahme des Implantats ist es erforderlich, die Beschädigung in den darunterliegenden subchondralen Knochen, Spongiosaknochen genannt, fortzuführen, um sicherzustellen, daß ein neuer Knochen unterhalb der Knorpelregion gebildet wird, der eine angemessene Bindung zu dem neu entstehenden Knorpel ausbildet.
  • Ein solches Gewebepräparat nimmt den reichhaltigen kollateralen Kreislauf des subchondralen Spongiosaknochens und das mit diesem verbundene Knochenmark in Anspruch. Wenn die kultivierten Chondrozyten und insbesondere die Knorpelzellen in Kontakt mit der von dieser Quelle kollateralen Kreislaufs gebildeten Blutflüssigkeit kommen, können sie ihren chondrozytischen Phänotyp nicht aufrechterhalten.
  • Es ist wesentlich, daß die Mehrheit der kultivierten Chondrozyten vor direktem Kontakt mit dem kollateralen Kreislauf geschützt werden, so daß sie ihren chondrozytischen Phänotyp beibehalten und weiterhin Kollagen vom Typ II im architektonischen Muster, welches durch das makrostrukturelle Polymer der Knorpelregion bestimmt wird, bilden. Dieses Ziel wird durch die hydrophobe Sperre der oben ausgeführten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erreicht.
  • Überdies ist an der anatomisch spezifischen bioresorbierbaren Vorrichtung in der bevorzugten Ausführungsform zu schätzen, daß diese eine vorgefertigte Makrostruktur aufweist, die den reifen Geweben, die von dem vollständigen Implantat regeneriert werden sollen, sehr ähnlich ist. Weiterhin vereint die anatomisch spezifische bioresorbierbare Vorrichtung in der bevorzugten Ausführungsform die Makrostruktur, Mikrostruktur, in vitro kultivierte Zellen, Kulturmedium und damit verbundene Wachstumsfaktoren, Morphogene, Medikamente und andere therapeutische Agenzien.
  • Die anatomisch spezifische bioresorbierbare Vorrichtung in der bevorzugten Ausführungsform kann als Transportsystem für Chondrozyten, Wachstumsfaktoren, Morphogene und andere biologisch aktive Agenzien bei der Behandlung von Gelenkknorpelschäden verwendet werden. Insbesondere und in der bevorzugten Form wird geeignetes Ursprungsgewebe geerntet und die Zellen unter Verwendung üblicher Kultivierungsmethoden für Chondrozyten kultiviert, wobei der spezifische Zelltyp in der am meisten bevorzugten Form Chondrozyten des Gelenkknorpels darstellt. Der Knorpelschaden wird chirurgisch durch Entfernung erkrankten oder beschädigten Knorpels vorbereitet zur Herstellung einer Beschädigung von Knorpel und subchondralem Knochen, wobei sich die Beschädigung etwa 0,5 cm bis 1,0 cm in den subchondralen Spongiosaknochen ausdehnt. Da die Vorrichtung und die Beschädigung im allgemeinen dieselbe Gestalt aufweisen, wird die Vorrichtung in die Gewebebeschädigung durch Druckeinpassung eingesetzt. Es wird ein Anteil von in vitro Zellkultursuspension mit einer Mikroliterspritze abgemessen, der im allgemeinen genau dem Leervolumen der mit der Mikrostruktur ausgestatteten Makrostruktur der Knorpelregion entspricht, und auf die äußere Oberfläche der tangentialen Zone der Knorpelregion injiziert wird und der schlußendlich mit der synovialen Flüssigkeit in Kontakt kommt. Die zerlegte Anatomie kann daraufhin in genauer Position ersetzt werden, und die Wunde kann verschlossen werden.
  • Obwohl sich die bevorzugte Form auf den Transport und die in vivo Kultivierung von Chondrozyten bezieht, ist zu bemerken, daß die Lehren der vorliegenden Erfindung und die als Folge davon hergestellten nützlichen Vorrichtungen, zum Transport und zur Lebenserhaltung jeglichen Zelltyps, der von therapeutischem Wert für Tiere und Pflanzen ist, beabsichtigt sind. Beispiele weiterer Zellen von therapeutischem Wert außer Chondrozyten sind: Langerhans'sche Inseln, die Insulin produzieren, Leberparenchymzellen, welche die Fähigkeit aufweisen, Lebergewebe zu regenerieren sowie Tumorzellen, die zur Anregung des Immunsystems gegen eine bestimmte Tumorart verwendet werden.
  • Es wird weiterhin eine funktionell spezifische Vorrichtung und ein Verfahren zur Erleichterung der Heilung von Gewebelücken offenbart, durch welches eine zelluläre Durchdringung verzögert, begrenzt oder verhindert werden kann, bei gleichzeitiger Kontrolle und Steuerung zellulären Wachstums innerhalb der Interstitien der Vorrichtung, Förderung der Zellanheftung an strukturelle Elemente der Vorrichtung und Ermöglichung eines Austauschs interstitieller Flüssigkeit, die Nährstoffe zu und Abfallprodukten von den Zellen weg führt, gleich ob diese auf das Innere oder Äußere der Vorrichtung beschränkt sind. Diese Eigenschaften sind zur Behandlung von Geweben, die in direktem Kontakt mit einem anderen Gewebe stehen, von Nutzen, wobei dieser direkte Kontakt während des Einsetzen von Zellwachstum verzögert, begrenzt oder verhindert werden soll, wie etwa bei einer Reihe von medizinischen Anwendungen, welche umfassen aber nicht beschränkt sind auf künstliche Verbrennungstransplantate oder -verbände, Druckgeschwürverbände, Implantate des Orbitabogens, Hasenschartenverbände, Verbände der oralantralen Verbindung, Schädeldefektverbände, Kontrollen innerer Blutungen, venöse und arterielle Reparaturvorrichtungen, künstliche Organmatrices zur Regeneration von Leber, Niere und Pancreas, Organreparaturmatrices, Muskelreparaturmatrices, Knochen- und Knorpelregeneration, Verab reichung von Medikamenten und anderer biologischer Modifikatoren sowie periodontaler Schranken und Membranen. Im wesentlichen ist die Vorrichtung von Wert für jedwedes Heilgewebe, welches in direktem Kontakt mit einem anderen Gewebe steht, wobei dieser direkte Kontakt während des Einsetzens von Zellwachstum verzögert, begrenzt oder verhindert werden soll und wobei ein Austausch interstitieller Flüssigkeit, die Nährstoffe zu und Abfallprodukte von den Zellen weg führt, die entweder auf das Innere oder Äußere der Vorrichtung beschränkt sind, erforderlich ist. Zusätzlich kann sich die Vorrichtung außerhalb des wiederherzustellenden Gewebes befinden, um eine Beeinträchtigung des heilenden Gewebes durch unbeschädigtes Gewebe zu vermeiden. Die oben angeführten medizinischen Anwendung sind für den Fachmann offensichtlich hinsichtlich der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • Die hierin beschriebenen Ausführungsformen der biologischen Zellfalle können komplex und vielfältig erscheinen, können jedoch sämtlich in Analogie mit einer architektonischen Wechselbeziehung zahlreicher Strohhalme verdeutlicht werden. Jeder Strohhalm bildet eine verlängerte Kammer, die einen Durchmesser und eine Länge aufweist, welche nicht weniger als den zweifachen Durchmesser beträgt. Die verlängerter Kammern können in der Struktur zufällig angeordnet werden in Analogie mit dem Fallenlassen einer Vielzahl von Strohhalmen in eine Kiste, wobei ein Gewirr verlängerter Kammern gebildet wird, oder sie können in sehr ausgefeilten Entwürfen, wie etwa in Schichten, organisiert sein. Die verlängerten Kammern können von unterschiedlichem Durchmesser und unterschiedlichen Längen sein, wobei Längen umfaßt werden, die entlang der gesamten Dicke, Länge und/oder Breite der Struktur verlaufen. Die verlängerten Kammern können gerade oder gebogen sein. Andere geformte Kammern, die nicht verlängert sind, wie etwa Würfel, Kugeln, Kegel, Irreguläre etc. können in verschiedenen Konzentration mit den verlängerten Kanälen vermischt sein.
  • Die Anwesenheit von verlängerten Kammern oder Kanälen in der inneren dreidimensionalen Architektur der Struktur der Vorrichtung vermittelt drei Funktionen. Die erste ist eine strukturelle Unterstützung, wobei die zylindrische Gestalt eine der stärksten ist, die in der Technik bekannt ist. Die zweite Funktion stellt ein Netzwerk oder Kanalsystem bereit, welches Zugang zu der gesamten Vorrichtung hat, durch welches Nährstoffe zugeführt und Abfallprodukte entfernt werden können. Schließlich stellen die verlängerten Kammern weite abgeflachte Oberflächenbereiche zur Zellanheftung bereit.
  • Die ursprüngliche Verwendung der verlängerten Kammern oder Kanäle innerhalb der Vorrichtung ist die einer Falle für Zellen und der Kontrolle deren Wachstums mittels eines einzigartigen Verfahrens. Von zentraler Bedeutung für die Funktion der Vorrichtung ist die Tatsache, daß sich Zellen, die in Kontakt mit weiten, flachen Oberflächenbereichen biologisch verträglichen Materials kommen, schnell anheften und eine extrazelluläre Matrix ablagern. Diese zelluläre Aktivität verhindert sehr schnell ein Durchwandern durch die Vorrichtung, wobei Zellen in wirksamer Weise innerhalb der Vorrichtung gefangen werden und andere Zellen davon abgehalten werden, in die Vorrichtung einzudringen. Die Kombination einer bioresorbierbaren Vorrichtung und daran gebundener Zellen bildet eine lebende Gewebsbarriere. Im Laufe der Lebensdauer der Vorrichtung werden alle Kammern gefüllt, wobei eine Gewebsmasse gebildet wird, die der Gestalt der implantierten Vorrichtung ähnelt.
  • Die Eigenschaften der Vorrichtung können durch einfache Veränderungen der Architektur und durch Hinzufügen von Zusatzstoffen verbessert oder modifiziert werden. Die Architektur der Vorrichtung kann durch Verwendung von Verfah ren des Spritzgießens, der Vakuumschäumumg, des Spinnens hohler Filamente, der Lösemittelverdampfung oder Kombinationen davon gebildet werden.
  • Veränderungen der Struktur: Die Herstellung einer Vorrichtung, deren verlängerte Kammern von anderen verlängerten Kammern geschnitten werden, verursacht plötzliche Richtungsänderungen innerhalb der Vorrichtung, welche zur Kontrolle der Entwicklung aggressiver wachsender Gewebe, wie etwa fibröser Bindegewebe, verwendet werden kann. Weitere Kontrolle kann durch Schichtenbildung oder Erhöhung der Dicke der Vorrichtung erzielt werden. Das Hinzufügen weiterer Kammern in unterschiedlichen Konzentrationen, die nicht verlängert sind, stellt eine erhöhte Kontrolle über das Wachstum von Zellen und Geweben bereit.
  • Veränderungen der Oberfläche: Veränderungen der Vorrichtung, wie etwa Abtrennungen, welche eine Oberfläche der Vorrichtung teilweise oder vollständig abdichten, können den Zugang zum kollateralen Kreislauf begrenzen oder verhindern, wie auch die Positionierung und Anzahl von Zellen kontrollieren, die Zugang zu den zentralen Bereichen der Vorrichtung haben. Netzgewebe oder Geflechte können zum Größenausschluß von Zellen oder zur Schaffung von mehr Oberflächenbereich zum Zerkleinern von Blutplättchen vor dem Eintritt in die Vorrichtung Verwendung finden.
  • Kontrollierte Verwendung eines Tensids: Die Zugabe von physiologisch verträglichen Tensiden zu porösen, hydrophoben, bioresorbierbaren Polymeren erleichtert die vollständige Sättigung durch Körperflüssigkeiten. Beispiele von Tensiden umfassen anionische, kationische, amphotere und nicht ionische Tenside. Triethanolamindodecylbenzylsulfonat in einer Konzentration von 1 Gew.-% hat ausgezeichnete Ergebnisse zur augenblicklichen Sättigung der Vorrichtung geliefert, während geringere Mengen für eine langsamere, verzögerte Sättigung und verzögerte Zellwanderung verwendet werden können. Zusätzlich kann eine Vorrichtung, die eine Schicht oder einen Anteil eines Polymers, der keinem Tensid ausgesetzt wurde, neben einer Schicht oder einem Anteil der einem Tensid ausgesetzt wurde, beinhaltet, zur weiteren Steigerung der Fähigkeit zur Fallenbildung der Vorrichtung verwendet werden, wenn diese sich in Kontakt mit aggressiv wachsenden Zellen befindet, durch Herstellung einer luftdurchlässigen hydrophoben Sperre.
  • Eine weitere neuartige Verwendung eines Tensids in einer bioresorbierbaren porösen Vorrichtung ist zur Bereitstellung einer verzögerten Sättigung von hydrophoben Schichten. Eine Erhöhung der Tensidmenge oder -konzentration in den hydrophilen Schichten oder Anteilen, so daß eine ausreichende Konzentration durch interstitielle Flüssigkeit freigesetzt werden kann, erleichtert das Eindringen der Flüssigkeit in die hydrophobe Schicht. Die Eindringtiefe ist abhängig von der Masse der hydrophoben Schicht, da sie in Zusammenhang mit der Tensidkonzentration innerhalb der hydrophilen Schicht und der Verfügbarkeit interstitieller Flüssigkeit steht. Insbesondere zieht eine poröse D,D,L,L-Polymilchsäure-Vorrichtung mit einer Schicht oder einem Anteil einer Masse, enthaltend 1,5% Triethanolamindodecylbenzylsulfonat, die fötalem Rinderserum ausgesetzt ist, das fötale Rinderserum in die Vorrichtung zur Freisetzung einer genügenden Menge an Tensid, um die Aufnahme oder Durchdringung des fötalen Rinderserums in eine Schicht oder einen Anteil der Masse zu erleichtern, der keinem Triethanolamindodecylbenzylsulfonat ausgesetzt wurde oder dieses enthält, innerhalb von 5 Minuten, wenn der Strom der Flüssigkeit in Richtung der hydrophoben Schicht geleitet wird.
  • Dieser Zeitraum kann verlängert oder verkürzt werden durch verschiedene Methoden, die umfassen aber nicht beschränkt sind auf das Vorkommen einer Menge von Tensid innerhalb der hydrophoben Schicht, die gerade ungenügend ist, Hydrophilität zu bewirken, Erhöhung oder Senkung der Menge an Tensid in der hydrophilen Schicht, Beschichtung des Tensids auf die Polymeroberfläche, was eine Freisetzung in einem kürzeren Zeitraum erlaubt, oder jegliche Kombination davon. Die Vorrichtung kann folglich eine permanente, zeitweilige oder größenreduzierende hydrophobe Sperre verwenden, die auf der Freisetzung von Tensid beruht.
  • Kontrollierte Verwendung eines Weichmachers: Falls erforderlich, können Weichmacher in einer Masse, die 50% der Masse der gesamten Vorrichtung nicht überschreitet, in die Vorrichtung aufgenommen werden, um Flexibilität bereit zu stellen. Dieser Zusatz kann nötig werden, wenn das verwendete bioresorbierbare Polymer der Vorrichtung keine ausreichende Flexibilität verleiht oder das Molekulargewicht des Materials so gering ist, daß daraus eine spröde Vorrichtung resultiert.
  • Eine zusätzliche neuartige Verwendung eines Weichmachers in einem porösen bioresorbierbaren Polymer ist zur zeitweiligen Flexibilisierung. Ein Weichmacher wie etwa Triethylcitrat, der in Körperflüssigkeiten extrahierbar ist, wird zur Anpassung der Vorrichtung während der Implantation in das zu heilende und regenerierende Gewebe verwendet. Der Weichmacher wird aus der Vorrichtung extrahiert, wodurch diese weniger flexibel und relativ starr wird. Andere Citronensäureester sind mit Wasser extrahierbar, insbesondere solche mit einem Molekulargewicht von weniger als 402 Dalton.
  • Weitere Zusatzstoffe: Biologisch aktive Agenzien, wie etwa physiologisch verträgliche Medikamente, biologische Modifikatoren, Proteine, Hormone und Antigene sowie Gemische davon können ebenfalls in der Vorrichtung Verwendung finden, entweder durch Aufnahme der Zusatzstoffe in der bioresorbierbaren Masse oder durch Bindung dieser an die Oberflächen der bioresorbierbaren Masse. Diese Substanzen können zur Steigerung der vornehmlichen Aufgabe der Vor richtung verwendet werden oder können die Vorrichtung zum Erreichen einer untergeordneten Aufgabe nutzen.
  • Es kann verwirklicht werden, daß, ebenso wie das Tensid, die Weichmacher und/oder anderen Zusatzstoffe in Anteilen der Vorrichtung aufgenommen werden, während andere Anteile der Vorrichtung im wesentlichen frei von Weichmachern und/oder anderen Zusatzstoffen sein können.
  • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER BIOLOGISCHEN ZELLFALLE
  • Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt eine Art der Vorrichtung zur Verwendung als periodontale Sperre dar, die in der Wiederherstellungschirurgie verwendet wird. Insbesondere wird die Vorrichtung von biologisch verträglichem Material gebildet, welches bioerodierbare Materialien und polymere Materialien sowie bioresorbierbare Materialien und polymere Materialien, wie etwa polymerisierte Alphahydroxysäure, enthält. In der besonders bevorzugten Form wird D,D,L,L-Polymilchsäure in Gegenwart von 0,5 Gew.-% Triethanolamindodecylbenzylsulfonat, in Lagen einer Dicke im Bereich von 350 bis 500 Mikron hergestellt. Wie am besten aus 19 ersichtlich, ist der Körper der Vorrichtung aus einer Vielzahl von verlängerten Kammern aufgebaut, welche von anderen verlängerten Kammern geschnitten werden, was zu plötzlichen Richtungsänderungen führt, welche die Durchdringung mit aggressiv wachsenden Fibroblasten verzögert, bis sich genügende Mengen an neuem Knochen gebildet haben, um die Lücke zu füllen. Die Oberfläche der Vorrichtung an der Grenzschicht mit dem Mucoperiosteum ist, wie am besten aus 11 ersichtlich, aus einem eng gewobenen Maschengewebe von D,L-Polymilchsäure aufgebaut. Bei der sich in Kontakt mit der Knochenlücke befindlichen Oberfläche der Vorrichtung sind, wie am besten aus 12 ersichtlich, 20–35% der verlängerten Kammern von festen Abtrennungen abgedichtet. Wenn sie auf periodontale Beschädigungen von Pavianen aufgebracht wird und in Kontakt zu dem zu heilen den und regenerierenden Gewebe steht, wird diese Vorrichtung von Fibroblasten in einer Geschwindigkeit von 20% pro Monat befallen, was den Kontakt zu der heilenden Knochenlücke um 5 Monate verzögert.

Claims (34)

  1. Vorrichtung zur Erleichterung der Heilung von Gewebelücken, welche eine aus biokompatiblem Material hergestellte Struktur enthält, die eine interne dreidimensionale Architektur bereitstellt, welche eine Vielzahl an Kammern aufweist, wobei jede Kammer einen Durchmesser und eine Länge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern verlängert sind, wobei die Länge nicht weniger als zweimal dem Durchmesser der Kammer entspricht, derart, daß die Vorrichtung funktionell spezifisch ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Struktur eine Dicke aufweist, wo die verlängerten Kammern entlang der gesamten Dicke der Struktur verlaufen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Struktur eine Länge und Breite aufweist, wo die verlängerten Kammern entlang der gesamten Länge und Breite der Struktur verlaufen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die verlängerten Kammern innerhalb der Struktur geschichtet sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die verlängerten Kammern innerhalb der Struktur zufällig angeordnet sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, welche weiterhin in Kombination zusätzliche Kammern umfaßt, die nicht verlängert sind und mit den verlängerten Kammern vermischt sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Struktur wenigstens eine Oberfläche aufweist, die teilweise oder vollständig durch Abtrennungen abgedichtet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Struktur wenigstens eine Oberfläche enthält, die von einem Netzgewebe bedeckt ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei wenigstens ein Anteil der Struktur ein physiologisch aktives Tensid enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem anionischen, kationischen, amphoteren und nicht-ionischen Tensid.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Tensid Triethanolamindodecylbenzylsulfonat ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Tensidgehalt in ausreichendem Gehalt vorliegt, um Flüssigkeit in die Struktur zu ziehen zur Freisetzung einer Tensidmenge, die genügt, das Durchdringen der Flüssigkeit in einen Anteil der Struktur, der kein Tensid enthält, zu erleichtern.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei wenigstens ein erster Anteil der Struktur einen flüssigen extrahierbaren Weichmacher enthält, der während der Implantation zeitweilige Flexibilität bereitstellt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Weichmacher in der Struktur zu einem Gehalt vorliegt, der 50 Gew.-% der gesamten Struktur nicht überschreitet.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Weichmacher Triethylcitrat ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Struktur einen zweiten Anteil enthält, der im wesentlichen frei von dem Weichmacher ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei wenigstens ein erster Anteil der Struktur ein biologisch aktives Agens enthält.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Struktur einen zweiten Anteil enthält, der im wesentlichen frei von dem biologisch aktiven Agens ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das biologisch aktive Agens ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zellpopulationen, einem physiologisch verträglichen Medikament, einem biologischen Modifikator, einem Protein, einem Hormon, einem Antigen und Gemischen davon.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, worin das biokompatible Material ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus bioerodierbaren Materialien, bioresorbierbaren Materialien, bioerodierbaren polymeren Materialien und bioresorbierbaren polymeren Materialien ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei das biokompatible Material eine polymerisierte Alphahydroxysäure ist.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die polymerisierte Alphahydroxysäure DD,LL-Polymilchsäure ist.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei wenigstens einige der verlängerten Kammern mit anderen Kammern verbunden sind.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei sich wenigstens einige der verlängerten Kammern mit anderen Kammern überschneiden.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, die gekennzeichnet ist durch eine in der internen dreidimensionalen Architektur gebildete Sperre zur Vermeidung des Durchflusses von Flüssigkeit auf Wasserbasis.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Sperre hydrophob ist, und die interne dreidimensionale Architektur außerhalb der Sperre auf wenigstens einer Oberfläche hydrophil ist.
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur den Kontakt der heilenden Zellen mit dem angrenzenden Gewebe begrenzt, verzögert oder verhindert und dadurch funktionell spezifisch ist.
  27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, weiterhin in Kombination umfassend: wenigstens ein erstes Material zur Steigerung der Befestigung der Zellen an die dreidimensionale Architektur in der Vielzahl der Kammern.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei das die Zellbefestigung steigernde Material ein biologisch aktives Agens trägt.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, wobei das die Zellbefestigung steigernde Material in verschiedenen Konzentrationen vorliegt.
  30. Vorrichtung nach Anspruch 27, 28 oder 29, wobei Konzentrationsgradienten des die Zellbefestigung steigernden Materials selektiv in der dreidimensionalen Struktur verändert werden.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 27, 28, 29 oder 30, wobei das die Zellbefestigung steigernde Material eine che motaktische Grundsubstanz in der Form von Hyaluronsäure ist.
  32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 31, deren interne dreidimensionale Architektur wenigstens erste und zweite Positionen enthält, wobei das Material zur Steigerung der Befestigung der Zellen an die dreidimensionale Architektur durch die Struktur in der ersten Position getragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Position im wesentlichen frei von dem die Zellbefestigung steigernden Material ist.
  33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 32 zur Regeneration von wenigsten ersten und zweiten angrenzenden Geweben unterschiedlicher histologischer Muster, die einen ersten und einen zweiten Bereich enthalten, wobei die ersten und zweiten Bereiche jeweils die interne dreidimensionale Architektur enthalten und integral miteinander an einer Grenzoberfläche verbunden sind, wobei die Bereiche von einem bioresorbierbaren Polymer gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die interne dreidimensionale Architektur des ersten Bereichs dem histologischen Muster des ersten Gewebes gleicht und die interne dreidimensionale Architektur des zweiten Bereichs dem histologischen Muster des zweiten Gewebes gleicht, so daß die Regeneration in anatomisch spezifischer Weise erfolgt.
  34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 32 zur Regeneration von Knorpelgewebe, das an einer Grenzfläche an subchondralen Spongiosaknochen grenzt und zwischen dem subchondralen Spongiosaknochen und synovialer Flüssigkeit angeordnet ist, welche in Kombination umfaßt: eine tangentiale Zone, die ein Netzwerk miteinander verbundener Leerräume enthält, welche zu der Grenzfläche parallel ausgerichtet ist und in Verbindung mit der synovialen Flüssigkeit steht sowie eine radiale Zone, die durch die Struktur gebildet wird und zwischen der tangentialen Zone und der Grenzfläche angeordnet ist, wobei die radiale Zone Leerräume enthält, die sich zwischen der Grenzfläche und der tangentialen Zone ausdehnen und eine Verbindung zwischen diesen bereitstellen.
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