(57)【要約】  電気手術トレーニングおよびシミュレーション用の手術シミュレータが提供される。該手術シミュレータは、1種またはそれ以上の、実質的にヒドロゲルで作られ、シミュレートされた組織構造を含み、該ヒドロゲルは、イオン的に架橋されたアルギネートおよび共有結合的に架橋されたアクリルアミドからなる2つの相互貫入している網状構造を含む。様々なシミュレートされた組織構造の組合せは、腹腔鏡下直腸間膜全切除、経肛門直腸間膜全切除、胆嚢摘出および経肛門低侵襲手術を包含する様々な電気外科処置を実行するための、手順-ベースのモデルを画成する。
2018514805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手術シミュレータの製造方法であって、以下の段階：
アクリルアミドポリマーを準備する段階；
アルギネートポリマーを準備する段階；
水を準備する段階；
該水と、該アクリルアミドおよびアルギネートとを混合して、溶液を形成する段階；
該溶液に過硫酸アンモニウムを添加する段階；
N,N-メチレンビスアクリルアミドを該溶液に添加する段階；
該過硫酸アンモニウムを添加する段階および該N,N-メチレンビスアクリルアミドを添加する段階の後に、該溶液に硫酸カルシウムを添加する段階；
該溶液を、解剖構造の代表的な形状に注入成形する段階；および
該溶液を硬化させて、電気外科手術を実践およびシミュレートするための、ヒドロゲル製のシミュレートされた電気外科手術用モデルを形成する段階、
を含む前記方法。
【請求項２】
電気外科術を実践するための手術シミュレータの製造方法であって、以下の段階：
共有結合により架橋されたアクリルアミド網状構造と交叉結合されたイオン的に架橋されたアルギネート網状構造を含む、未硬化のヒドロゲルを準備する段階；
ポリマー製バッグを準備する段階；
該未硬化ヒドロゲルを該ポリマー製バッグに流込む段階；
該ポリマー製バッグを密封する段階；
該ポリマー製バッグ内の該未硬化ヒドロゲルを硬化させて、硬化ヒドロゲルを形成する段階；および
該硬化ヒドロゲルを取り出す段階、
を含む前記方法。
【請求項３】
前記溶液に、アクリルアミドの約0.3質量％という量で、N,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミンを添加する段階を含み、
前記過硫酸アンモニウムを添加する段階が、前記溶液への、アクリルアミドの約0.3質量％という量での過硫酸アンモニウムの添加を含み；
前記N,N-メチレンビスアクリルアミドを添加する段階が、前記溶液への、アクリルアミドの約0.06質量％という量でのN,N-メチレンビスアクリルアミドの添加を含み；かつ
前記硫酸カルシウムを添加する段階が、前記溶液に、アルギネートの約13.6質量％という量での硫酸カルシウムの添加を含む、
請求項1〜2の何れか1項に記載の方法。
【請求項４】
更に、前記溶液をアルゴンガスでフラッシュする段階をも含む、請求項1〜3の何れか1項に記載の方法。
【請求項５】
前記水を混合する段階に先立って、前記アクリルアミドポリマーおよびアルギネートポリマーを乾式混合する段階を含む、請求項1〜4の何れか1項に記載の方法。
【請求項６】
前記方法が、以下の段階：
質量基準でのアクリルアミド対アルギネートに係る第一の比を持つ、ヒドロゲルの第一の層を形成する段階；および
質量基準でのアクリルアミド対アルギネートに係る第二の比を持つ、ヒドロゲルの第二の層をオーバーモールドする段階、
を更に含む、請求項1〜5の何れか1項に記載の方法。
【請求項７】
更に、以下の段階：
合成組織構造に対して選択された着色剤を準備する段階；および
該着色剤と前記水とを混合する段階、
を含み、ここにおいて該着色剤と該水とを混合する該段階が、該水と、前記アクリルアミドおよびアルギネートとを混合して、溶液を形成する段階に先立って行われる、請求項1〜6の何れか1項に記載の方法。
【請求項８】
前記過硫酸アンモニウムを添加する段階が、前記溶液に対する、アクリルアミドの約0.3質量％という量での過硫酸アンモニウムの添加を含む、請求項1〜7の何れか1項に記載の方法。
【請求項９】
前記N,N-メチレンビスアクリルアミドを添加する段階が、前記溶液に対する、アクリルアミドの約0.06質量％という量でのN,N-メチレンビスアクリルアミドの添加を含む、請求項1〜8の何れか1項に記載の方法。
【請求項１０】
前記硫酸カルシウムを添加する段階が、前記溶液に対する、アルギネートの約13.6質量％という量での硫酸カルシウムの添加を含む、請求項1〜9の何れか1項に記載の方法。
【請求項１１】
前記アクリルアミドを準備する段階が、約8質量部のアクリルアミドの準備を含み、かつ前記アルギネートを準備する段階が、約3質量部のアルギネートの準備を含む、請求項1〜10の何れか1項に記載の方法。
【請求項１２】
前記アクリルアミドを準備する段階が、約8質量部のアクリルアミドの準備を含み、かつ前記アルギネートを準備する段階が、約1質量部のアルギネートの準備を含む、請求項1〜11の何れか1項に記載の方法。
【請求項１３】
前記水を準備する段階が、シミュレートされた電気外科手術モデルに係る全水の約86質量％の準備を含む、請求項1〜12の何れか1項に記載の方法。
【請求項１４】
前記溶液に、N,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミンを添加する段階を含む、請求項1〜13の何れか1項に記載の方法。
【請求項１５】
前記溶液に、アクリルアミドの約0.3質量％という量で、N,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミンを添加する段階を含む、請求項1〜14の何れか1項に記載の方法。
【請求項１６】
更に、前記水にグリセリンを添加する段階をも含む、請求項1〜15の何れか1項に記載の方法。
【請求項１７】
前記注入成形段階が、前記溶液のマンドレル上での注入成形を含む、請求項1〜16の何れか1項に記載の方法。
【請求項１８】
更に、前記溶液を注入成形した後に、該溶液を加熱する段階をも含む、請求項1〜17の何れか1項に記載の方法。
【請求項１９】
前記注入成形段階が、前記溶液を円筒状金型内で注入成形して、シミュレートされた中空解剖構造を作り出すことを含む、請求項1〜18の何れか1項に記載の方法。
【請求項２０】
更に、前記硫酸カルシウムを添加する段階の後に、メタ重亜硫酸ナトリウムを前記溶液に添加する段階をも含む、請求項1〜19の何れか1項に記載の方法。
【請求項２１】
前記着色剤と前記水とを混合する段階が、該着色剤と該水の約1/2とを混合する段階を含む、請求項1〜20の何れか1項に記載の方法。
【請求項２２】
前記第一の比が前記第二の比と同一である、請求項1〜21の何れか1項に記載の方法。
【請求項２３】
前記第一の比が8:3または8:1であり、かつ前記第二の比が8:3または8:1である、請求項1〜22の何れか1項に記載の方法。
【請求項２４】
更に、以下の段階：
人工的組織構造を準備する段階；および
該人工的組織構造を、前記第一の層と前記第二の層との間に埋め込む段階、
を含む、請求項1〜23の何れか1項に記載の方法。
【請求項２５】
更に、前記人工的組織構造を前記第一の層に接着する段階をも含む、請求項1〜24の何れか1項に記載の方法。
【請求項２６】
更に、前記ポリマー製バッグを、2つの実質的に平坦な表面の間に配置する段階をも含む、請求項1〜25の何れか1項に記載の方法。
【請求項２７】
更に、前記2つの実質的に平坦な表面を一緒にプレス成型する段階をも含む、請求項1〜26の何れか1項に記載の方法。
【請求項２８】
更に、前記ポリマー製バッグ内部の前記未硬化ヒドロゲルに、熱を適用する段階をも含む、請求項1〜27の何れか1項に記載の方法。
【請求項２９】
更に、前記未硬化ヒドロゲルを前記ポリマー製バッグ内に注ぎ込んだ後に、あらゆるエアーポケットを実質的に除去する段階をも含む、請求項1〜28の何れか1項に記載の方法。
【請求項３０】
前記未硬化ヒドロゲルを硬化する段階が、前記ポリマー製バッグ内部の前記未硬化ヒドロゲルを硬化して、ヒドロゲル物質の実質的に板状のシートを形成することを含む、請求項1〜29の何れか1項に記載の方法。
【請求項３１】
手術手技トレーニング用の手術シミュレータであって、
共有結合により架橋されたアクリルアミド網状構造と交叉結合されたイオン的に架橋されたアルギネート網状構造を含むヒドロゲルにより実質的に構成される合成組織構造を含み；該合成組織構造は、質量基準でのアクリルアミド対アルギネートの第一の比を持つヒドロゲルで構成された第一の層、および質量基準でのアクリルアミド対アルギネートの第二の比を持つヒドロゲルで構成された第二の層を含み、該第二の層は該第一の層に隣接している、前記手術シミュレータ。
【請求項３２】
手術手技トレーニングのための手術シミュレータであって、
シミュレートされた器官モデルを含み、該シミュレートされた器官モデルが、
第一の管腔を画成する外側表面および内側表面を持つ第一のチューブ、この第一のチューブは、第一のアクリルアミド対アルギネートの比を持つ、イオン的に架橋されたアルギネートおよび共有結合的に架橋されたアクリルアミドの2つの相互貫入された網状構造を含むヒドロゲルで作られている；
第二の管腔を画成する外側表面および内側表面を持つ第二のチューブ、この第二のチューブは、第二のアクリルアミド対アルギネートの比を持つ、イオン的に架橋されたアルギネートおよび共有結合的に架橋されたアクリルアミドの2つの相互貫入された網状構造を含むヒドロゲルで作られている；
を含み、ここにおいて、該第一のチューブは該第二の管腔の内部に、該第一のチューブの該外側表面が、該第二のチューブの該内側表面と接触するように、同軸状に配置されている、前記手術シミュレータ。
【請求項３３】
手術手技トレーニングのための手術シミュレータであって、
少なくとも部分的に、共有結合的に架橋されたアクリルアミド網状構造と交叉結合されたイオン的に架橋されたアルギネート網状構造を含むヒドロゲルで構成された合成組織構造を含み、
ここにおいて、該合成組織構造は、少なくとも一つの人工肝臓または人工胆嚢を含み、該少なくとも一つの人工肝臓または人工胆嚢が、共有結合的に架橋されたアクリルアミド網状構造と交叉結合されたイオン的に架橋されたアルギネート網状構造を含むヒドロゲルで実質的に構成された少なくとも一つの管腔を含む、前記手術シミュレータ。
【請求項３４】
前記第一の比が約8:3であり、かつ前記第二の比が約8:3である、請求項31〜33の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項３５】
前記第一の比が約8:1であり、かつ前記第二の比が約8:1である、請求項31〜34の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項３６】
前記第一の比が約8:1であり、かつ前記第二の比が約8:3である、請求項31〜35の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項３７】
更に、前記第一の層と前記第二の層との間に埋め込まれた合成組織構造をも含む、請求項31〜36の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項３８】
更に、前記第一の層と前記第二の層との間に埋め込まれた合成組織構造をも含み、ここにおいて該埋め込まれた合成組織構造は該第一の層に接着されている、請求項31〜37の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項３９】
更に、前記第一の層と前記第二の層との間に埋め込まれた合成組織構造をも含み、ここにおいて該埋め込まれた合成組織構造は、シアノアクリレート接着剤を用いて該第一の層に接着されている、請求項31〜38の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項４０】
更に、前記第一の層と前記第二の層との間に埋め込まれた合成組織構造をも含み、ここにおいて該埋め込まれた合成組織構造は、少なくとも一つの管腔、人工脈管構造、人工神経および人工尿管をも含む、請求項31〜39の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項４１】
更に、前記第一の層と前記第二の層との間に埋め込まれた合成組織構造をも含み、ここにおいて該埋め込まれた合成組織構造は、シリコーンまたは第三のアクリルアミド対アルギネートの質量基準の比を持つ、共有結合的に架橋されたアクリルアミド網状構造と交叉結合されたイオン的に架橋されたアルギネート網状構造から形成されている、請求項31〜40の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項４２】
更に、前記第一の層と前記第二の層との間に埋め込まれた合成組織構造をも含み、ここにおいて該埋め込まれた合成組織構造は、約8:3または約8:1というアクリルアミド対アルギネートの質量基準の第三の比を持つ、共有結合的に架橋されたアクリルアミド網状構造と交叉結合されたイオン的に架橋されたアルギネート網状構造から形成されている、請求項31〜41の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項４３】
前記第一の比が約8:3または8:1であり、かつ前記第二の比が約8:3または8:1である、請求項31〜42の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項４４】
前記第一の比および前記第二の比が同一である、請求項31〜43の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項４５】
前記第一の比および前記第二の比異なっている、請求項31〜44の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項４６】
前記ヒドロゲルが、約8:3というアクリルアミド対アルギネート比を持つ、請求項31〜45の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項４７】
前記ヒドロゲルが、約86質量％の水を含む、請求項31〜46の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項４８】
更に、第三の管腔を画成する外側表面および内側表面を持つ第三のチューブをも含み、前記第一のチューブおよび第二のチューブが、該第三の管腔内部に配置されている、請求項31〜47の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項４９】
更に、1またはそれ以上の人工前立腺、人工精嚢、シミュレートされた膀胱、シミュレートされた尿道、およびシミュレートされた輸精管を含む、シミュレートされた前立腺系をも含む、請求項31〜48の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項５０】
更に、1またはそれ以上の人工前立腺、人工精嚢、シミュレートされた膀胱、シミュレートされた尿道、およびシミュレートされた輸精管を含む、シミュレートされた前立腺系をも含み、該シミュレートされた前立腺系が、前記第三の管腔内部に配置されている、請求項31〜49の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項５１】
前記シミュレートされた前立腺系が、前記第二のチューブの前記外側表面と前記第三のチューブの前記内側表面との間に配置されている、請求項31〜50の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項５２】
更に、第四の管腔を画成する外側表面および内側表面を持つ第四のチューブをも含み、前記第一および第二のチューブが、該第四の管腔内部に配置されている、請求項31〜51の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項５３】
更に、前記第一のチューブと前記第二のチューブとの間に配置されたコラーゲン層をも含む、請求項31〜52の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項５４】
更に、以下の位置：前記第一のチューブと前記第二のチューブとの間、および第二のチューブと第三のチューブとの間の1またはそれ以上に配置されたコラーゲン層をも含む、請求項31〜53の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項５５】
更に、メッシュ層をも含む、請求項31〜54の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項５６】
前記少なくとも一つの人工肝臓または人工胆嚢が人工肝臓である場合に、前記少なくとも一つの管腔が、一般的に、クイノーの分類に従ってセグメント化された脈管流入路および流出路を模倣する、請求項31〜55の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項５７】
前記少なくとも一つの人工肝臓または人工胆嚢が人工胆嚢である場合、前記少なくとも一つの管腔が、一般的に、クイノーの分類に従ってセグメント化された胆汁ドレナージ路を模倣する、請求項31〜56の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項５８】
前記少なくとも一つの人工肝臓または人工胆嚢が人工腹膜を含む、請求項31〜57の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項５９】
約86％という全含水量を持つ、請求項31〜58の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項６０】
第二の層に隣接する第一の層を持ち、該第一の層が、約8:3というアクリルアミド対アルギネートの質量基準の比を構成し、かつ該第二の層が、約8:1というアクリルアミド対アルギネートの質量基準の比を構成する、請求項31〜59の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項６１】
更に、前記ヒドロゲル内に埋め込まれたメッシュ強化材をも含む、請求項31〜60の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項６２】
前記ヒドロゲルが、着色剤を含む水を用いて形成される、請求項31〜61の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項６３】
前記ヒドロゲルが、前記アクリルアミドとアルギネートとを乾式混合し、その後該アクリルアミドとアルギネートとの混合物に水を添加することにより形成される、請求項31〜62の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項６４】
前記ヒドロゲルが、前記アクリルアミドおよびアルギネートを乾式混合し、その後着色剤を含む水を該アクリルアミドとアルギネートとの混合物に添加することにより形成される、請求項31〜63の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項６５】
前記管腔が一様である、請求項31〜64の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項６６】
更に、前記合成組織構造またはシミュレートされた器官モデルを実質的に閉じ込めるための包囲体をも含む、請求項31〜65の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項６７】
更に、近位端部および操作可能な遠位端部を持ち、該遠位端部においてエネルギーを放出するように構成され、かつ該近位端部においてハンドルで制御される、電機外科手術器をも含み、ここにおいて該電気外科手術器の該遠位端部と該ヒドロゲルとの接触が、電気外科手術をシミュレートする、請求項31〜66の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項６８】
前記手術シミュレータが、胆嚢摘出術、腹腔鏡下直腸間膜全切除、経肛門直腸間膜全切除、および経肛門低侵襲手術からなる群から選択される外科手術手順の、手術手技トレーニング用の手順ベースモデルを規定する、異なる合成組織構造の組合せを含む、請求項31〜67の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項６９】
前記手順ベースのモデルが、胆嚢摘出術モデルであり、かつ該胆嚢摘出術モデルが、2以上の、実質的に前記ヒドロゲルから形成された人工肝臓、人工胆嚢、人工腹膜、人工脈管構造、人工胆管、および管腔を含む、請求項31〜68の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項７０】
前記手順ベースモデルが経肛門低侵襲手術モデルであり、かつ該経肛門低侵襲手術モデルが、2以上の、実質的に前記ヒドロゲルから形成された人工直腸、人工筋組織、人工直腸間膜、人工ポリープ、および管腔を含む、請求項31〜69の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【請求項７１】
前記手順ベースモデルが、前記経肛門直腸間膜全切除モデルまたは腹腔鏡下直腸間膜全切除の内の一つであり、2以上の、実質的に前記ヒドロゲルから形成された人工直腸、人工筋組織、人工直腸間膜、人工仙骨前筋膜層、人工神経、人工腹膜、人工後腹膜腔、人工膀胱、人工前立腺、人工精嚢および管腔を含む、請求項31〜70の何れか1項に記載の手術シミュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件出願は、電気手術手技を実行するための合成組織および特に架橋されたヒドロゲルで製造された導電性合成組織物質およびこのような物質および合成組織モデルを製造する方法に関する。
【０００２】
［関連出願との相互引照］
本件出願は、同時継続中の、「電気手術トレーニングおよびシミュレーション用の合成組織(Synthetic tissue for electrosurgical training and simulation)」と題する、2015年5月14日付で出願された米国仮特許出願第62/161,322号および「電気手術トレーニングおよびシミュレーション用の合成組織トレーニング(Synthetic tissue training for electrosurgical training and simulation)」と題する、2015年11月20日付で出願された米国仮特許出願第62/257,877号に対する優先権およびこれらに係る利益を請求するものであり、これら米国仮特許出願全てを、言及することにより全体としてここに組入れる。
【背景技術】
【０００３】
技術における進歩は、結果として外科手術手技におけるエネルギーデバイスの一層の活用をもたらした。電気外科手術に対するヒト組織の応答に厳密に類似する、合成組織に対する要求がある。該合成組織は、トレーニングの目的に対して、外科医および実習生にとって好都合であろう。該合成組織は、ヒト組織と厳密に類似するためには、エネルギーデバイスで操作された場合に、焼灼、切断、および融合される能力を含む、数種の特徴を必要とする。更に、該組織は、実際の組織に係る機械的特性、例えば弾力性、丈夫さ、縫合可能性、触知性、色彩および肌理を模倣する必要がある。その上、該物質は、ヒトの解剖をシミュレートするために、様々なヒトの器官または膜とよく似た構造体に成形し得るものである必要がある。また、該合成組織は、様々な熱可塑性物質およびシリコーンに対して結合可能である必要があるかもしれない。本発明は、これらの要求を検討する。
【発明の概要】
【０００４】
本発明に係る一局面によれば、手術手技トレーニング用の手術シミュレータが提供される。該手術シミュレータは、少なくとも部分的にヒドロゲルで形成された合成組織構造を含み、該ヒドロゲルは、共有結合的に架橋されたアクリルアミド網状構造と交叉結合されたイオン的に架橋されたアルギネート網状構造を含んでいる。該合成組織構造は、少なくとも一つの人工肝臓または人工胆嚢を含む。該少なくとも一つの人工肝臓または人工胆嚢は、共有結合的に架橋されたアクリルアミド網状構造と交叉結合されたイオン的に架橋されたアルギネート網状構造を含むヒドロゲルから実質的に形成された、少なくとも一つの管腔を含む。
本発明のもう一つの局面によれば、手術手技トレーニング用の手術シミュレータが提供される。該手術シミュレータは、実質的にヒドロゲルで形成された合成組織構造を含み、該ヒドロゲルは、共有結合的に架橋されたアクリルアミド網状構造と交叉結合されたイオン的に架橋されたアルギネート網状構造を含む。該合成組織構造は、アクリルアミド対アルギネートの質量基準の第一の比を持つヒドロゲルで形成された第一の層およびアクリルアミド対アルギネートの質量基準の第二の比を持つヒドロゲルで形成された第二の層を含む。該第二の層は、該第一の層に隣接している。
【０００５】
本発明のもう一つの局面によれば、手術手技トレーニング用の手術シミュレータが提供される。該手術シミュレータは、シミュレートされた器官モデルを含む。該シミュレートされた器官モデルは、第一の管腔を画成する外側表面および内側表面を持つ第一のチューブを含む。該第一のチューブはヒドロゲルで作られており、該ヒドロゲルは、アクリルアミド対アルギネートの第一の比を持つ、イオン的に架橋されたアルギネートおよび共有結合的に架橋されたアクリルアミドの2つの相互貫入された網状構造を含む。該シミュレートされた器官モデルは、第二の管腔を画成する外側表面および内側表面を持つ第二のチューブを含む。該第二のチューブはヒドロゲルで作られており、該ヒドロゲルは、アクリルアミド対アルギネートの第二の比を持つ、イオン的に架橋されたアルギネートおよび共有結合により架橋されたアクリルアミドの2つの相互貫入された網状構造を含む。該第一のチューブは、該第二の管腔内に、該第一のチューブの外側表面が、該第二のチューブの内側表面と接触状態となるように、同軸状に配置されている。
【０００６】
本発明のもう一つの局面によれば、電気外科技術を実践するための手術シミュレータの製法が提供される。該方法は、アクリルアミドポリマーを準備する段階；アルギネートポリマーを準備する段階；水を準備する段階；該水と該アクリルアミドおよびアルギネートとを混合して、溶液を形成する段階；過硫酸アンモニウムを該溶液に添加する段階；N,N-メチレンビスアクリルアミドを該溶液に添加する段階；該過硫酸アンモニウムを添加しおよびN,N-メチレンビスアクリルアミドを添加する段階の後に、該溶液に硫酸カルシウムを添加する段階；該溶液を注入成形して、解剖構造を代表する形状とする段階；および該溶液を硬化させて、電気外科手術を実践しおよびシミュレートするための、ヒドロゲルで作られた、シミュレートされた電気外科手術用モデルを形成する段階を含む。
本発明のもう一つの局面によれば、電気外科技術を実践するための手術シミュレータの製法が提供される。該方法は、共有結合的に架橋されたアクリルアミド網状構造と交叉結合されたイオン的に架橋されたアルギネート網状構造を含む未硬化のヒドロゲルを準備する段階を含む。該方法は、ポリマーバッグを準備する段階；該未硬化のヒドロゲルを該ポリマーバッグに流込む段階；該ポリマーバッグを密封する段階；該ポリマーバッグ内の該未硬化のヒドロゲルを硬化させて、硬化されたヒドロゲルを形成する段階；および該硬化されたヒドロゲルを取り出す段階を含む。この得られた構造は、より大きな手順ベース(procedural-based)の手術手技トレーニングモデルの構築において使用し得る、ヒドロゲルの実質上平坦なシートである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図1は、本発明に従う器官モデルに係る分解上面斜視図である。
【図２】図2は、本発明に従う、シミュレートされた前立腺系を持つ直腸モデルの側部断面図である。
【図３Ａ】図3Aは、本発明に従う直腸モデルに係る第二のチューブと第三のチューブとの間に位置する2つのコラーゲン層に係る後方部分断面図である。
【図３Ｂ】図3Bは、本発明による直腸モデルに係る第二のチューブ、第三のチューブおよび薄いヒドロゲル層の後方部分断面図である。
【図３Ｃ】図3Cは、本発明による直腸モデルに係る第二のチューブ、第三のチューブおよびコラーゲン層の後方部分断面図である。
【図４Ａ】図4Aは、本発明による直腸モデルに係る、第二のチューブとシミュレートされた前立腺系との間に位置する2つのコラーゲン層の前方部分断面図である。
【図４Ｂ】図4Bは、本発明による直腸モデルに係る、第二のチューブとシミュレートされた前立腺系との間に位置する薄いヒドロゲル層の前方部分断面図である。
【図４Ｃ】図4Cは、本発明による直腸モデルの、第二のチューブとシミュレートされた前立腺系との間のコラーゲン層に係る前方部分断面図である。
【図５】図5は、モデルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明に係る物質は、2つの相互貫入した、架橋されたヒドロゲル網状構造から作られている。該ヒドロゲルは、2種の架橋されたポリマー、即ちイオン的に架橋されたアルギネート網状構造および共有結合的に架橋されたポリアクリルアミド網状構造の混合物である。該ゲル物質は、アクリルアミド対アルギネートの比率8:3で、水と混合することにより調製される。より現実的な器官または組織部分を製造するために、この工程に着色剤を組入れることが可能である。該着色剤は、脱イオン水が該アクリルアミドおよびアルギネート固体と混合される前に添加される。該ゲルを形成するのに利用される水の半分が、該着色剤を製造するのに使用される。希釈液(wash)を、該水とアクリル系塗料の滴で作り出す。使用される該塗料の量および色彩は、該器官に応じて変動する。特定の器官および/または組織部分に対して、どれ程多くの部数の各着色剤を一緒に混合する必要があるかを示す、器官の着色剤比(color ratios)については以下の表1を参照のこと。該着色された希釈液を、次に該水の他の半分と混ぜ合わせ、また該アクリルアミドおよびアルギネートと混合する。該ゲルの含水量は、約86質量％である。過硫酸アンモニウム(該アクリルアミドの質量の0.003)およびN,N-メチレンビスアクリルアミド(アクリルアミドの質量の0.006)を、該アクリルアミドに対する、夫々光重合開始剤および架橋剤として該溶液に添加する。更に、該溶液をアルゴンガスでフラッシュし、またN,N,N',N'-テトラメチルエチレンジアミン(アクリルアミドの質量の0.003)を、アルゴン雰囲気下で、該アクリルアミドに対する架橋促進剤として添加する。最終的な添加剤の硫酸カルシウム(アルギネートの質量の0.136)は、該アルギネート用のイオン性架橋剤である。このスラリーを、該溶液が均質になるまで、各段階全体を通して絶えず攪拌する。該ゲル溶液を、器官形状を持つ金型内で注入成形し、また硬化のために30分間に渡り85℃のオーブン内に置く。具体的なヒドロゲル手順の例については、以下の実施例を参照のこと。中空器官を得るためには、該ゲル溶液を、マンドレル上に塗布し、硬化のために加熱ランプの下に置くことができる。該硬化された製品は頑丈で、透明なヒドロゲルまたは該器官または組織の着色されたレプリカである。ヒドロゲル製器官の適用は、手術手技トレーニング用の該器官トレー(organ trays)をより動的にし、該トレーはより一層実物に近く、並びにエネルギーデバイスに適応性のあるものとなる。
【０００９】
もう一つの変形において、本発明に係る物質は、2つの相互貫入され架橋されたヒドロゲル網状構造から作られている。該ヒドロゲルは、2種の架橋されたポリマー、即ちイオン的に架橋されたアルギネート網状構造および共有結合的に架橋されたポリアクリルアミド網状構造の混合物である。該ゲル物質は、アクリルアミド対アルギネートの比8:3で水と混合することにより製造される。より一層現実的な器官または組織部分を製造するために、この工程に着色剤を組入れることが可能である。着色剤溶液を、該アクリルアミドとアルギネートとの混合物とは別に製造して、異なる顔料の利用可能性を許容し、同時に様々な組織または器官を成形する。該着色剤溶液は、アクリル系塗料を脱イオン水に溶解することにより調製される。使用される塗料の量および色彩は、該器官に応じて変動する。特定の器官および/または組織部分に対して、どれ程の部数の各着色剤を一緒に混合する必要があるかを示す、器官の着色剤比については表1を参照のこと。該ヒドロゲルを作り出すのに使用される水の全量から判断して、該水の半分は該着色剤溶液を由来とする。次いで、該着色された溶液は、該アクリルアミドおよびアルギネートと混合されている該水の他方の半分と、元通りに混ぜ合わされる。該ゲルの全含水量は、約86質量％である。過硫酸アンモニウム(該アクリルアミドの質量の約0.3％)およびN,N-メチレンビスアクリルアミド(アクリルアミドの質量の約0.6％)を、該アクリルアミドに対する、夫々光重合開始剤および架橋剤として添加する。更に、該溶液を、約10-15分間に渡りアルゴンガスでフラッシュして、その空気を不活性ガスで置換え、また次にN,N,N',N'-テトラメチルエチレンジアミン(アクリルアミドの質量の約0.3％)を、アルゴン雰囲気下で、該アクリルアミドに対する架橋促進剤として添加する。最終的な添加剤である硫酸カルシウム(アルギネートの質量の約13.6％)は、該アルギネートに対するイオン性架橋剤である。該スラリーを、各段階全体に渡り、該溶液が均一になるまで絶えず攪拌する。このゲル溶液を、器官形状の金型内で注入成形し、また硬化のために60分間に渡り85℃のオーブン内に置く。具体的なヒドロゲル手順の例については、以下の実施例を参照のこと。中空器官を得るためには、該ゲル溶液を、マンドレル上に塗布し、硬化のために加熱ランプの下に置くことができる。該硬化された製品は、丈夫で透明なヒドロゲルまたは該器官または組織の着色されたレプリカである。ヒドロゲル製器官の応用は、手術手技トレーニング用の該器官トレーをより一層動的にし、該トレーは、より一層実物に近く、並びにエネルギーデバイスと適合性のあるものとなる。
【００１０】
本発明のヒドロゲルでできた器官および/または組織は、ヒトの器官が行うものと同様な方法で、エネルギーデバイスによる操作に対して厳密に類似し、かつ対応する。本発明のヒドロゲルで作られた合成組織は、切断、焼灼および融合することができる。本発明に従う該ヒドロゲル製組織の2つの層は、様々なモノポーラまたはバイポーラデバイスを用いて所定の面に沿って分離することができる。更に、該ヒドロゲルで作られた脈管は、現実の血管のように融合させおよび横に切開することができる。同様に、ハサミ、把持器、および縫合糸等の機械デバイスを、本発明のヒドロゲルで作られた合成組織について使用することができる。該組織は縫合糸に適合する強度を持ち、また更に縫合糸の該合成組織を介する裂けおよび解けに配慮することなしに、実際の手術に対して使用される様式で、該縫合糸に適応する付随的な強度を与えるべく、メッシュで更に補強することができる。更に、湿潤した場合、該物質は滑らかで滑々になり、これは実物そっくりの感触に寄与する。該ヒドロゲルと他の物質との適合性は、大きなアセンブリー、例えばシミュレータのための複数の組織成分を含む器官トレーを製造する場合に有用となり、その理由は該合成器官が、相互に結合する必要があるばかりでなく、更に該トレーのプラスチックベースへの結合が可能となることにある。該ヒドロゲル物質で作られた該合成器官および組織は、使える状態になるまで、大気への暴露を最小限にするように、閉じられた容器内で保存されるべきである。主として水のために、該ヒドロゲル物質は、適切に保存されない場合には、経時に伴って完全に乾燥してしまう可能性がある。しかし、有利なことに、本発明のヒドロゲルは、水を再吸収する能力を持ち、これは該ヒドロゲルを、水分を失った後に再度水和させ、かつ使用することを可能とする。
【００１１】
本発明のもう一つの変形において、合成組織は以下のように製造される。メタ重亜硫酸ナトリウムを、一添加剤として上述のヒドロゲルに添加する。該メタ重亜硫酸ナトリウムは、該溶液に、上記硫酸カルシウムに先立って添加される。使用されるその量は、該ゲル溶液中に存在する過硫酸アンモニウムの量と等価である。該メタ重亜硫酸ナトリウムの添加は、該ゲルの室温における硬化を可能とする。一度注入成形すると、該ヒドロゲルは即座に硬化し始め、かくして二次的なオーブン硬化の必要性は、もはや不要となる。この工程は、該ゲルの製造に要する時間を短縮する。しかし、その得られる組織は、そのオーブン硬化された対照物と同様な引裂強さ、伸び、および作業時間に乏しいものである。
もう一つの方法は、上記ヒドロゲル溶液中に既に存在している成分に係る比率の調整を利用する。上記ハイブリッドヒドロゲルの上記2種のポリマーは、該ゲルが弾性であり、かつ依然としてその形状を維持することを可能とするものである。該ゲル中のアクリルアミド対アルギネートの8:3というポリマー比は、該ゲルの様々な特性を高めるために調整することができる。該アクリルアミドの量は、該ゲルの柔軟性および弾性を高める目的で増やすことができ、逆に該アルギネートの量を高めた場合には、脆性は高められ、かつ引裂抵抗は低下される。上記架橋剤は、更に特定の特徴の要因となる。該架橋剤は、本質的に該ポリマーストランドを一緒に絡み合せて、ポリマー網状構造を形成する。該架橋剤の量を増やすことは、該ヒドロゲルの迅速な硬化をもたらし、また弾性を欠き、また不十分な量の架橋剤は、ゲルというよりも寧ろゼリーの形成を引起す。同様に、水の量は変えることができ、水の量は、硬さと反比例する。より高い含水量を持つゲルは、より軟質であり、またゼリーの形成を示すであろう。最終的に、該ハイブリッドヒドロゲルの成分は、様々な物理的および機械的特性を高めるために利用することができる。
【００１２】
代替品のヒドロゲルに係る2つの他の例は、アクリル酸ベースのゲルおよびクレーベースのゲルである。該アクリル酸ヒドロゲルにおいて、アクリレートポリマーは、水酸化ナトリウムで中和された水性溶液におけるアクリル酸の重合を通して作り出される。メタ重亜硫酸さトリウム-過硫酸アンモニウムレドックス反応は、該重合反工程用の開始剤として作用する。該クレーベースのヒドロゲルは、ポリアクリル酸ナトリウムとクレーナノシートとの溶液である。樹脂状分子バインダ(G3-バインダ)を該溶液に添加して、結合を開始させる。この得られる生成物は、透明な成形性のヒドロゲルである。
ヒドロゲル物質以外に、半導電性シリコーンが合成器官を製造するのに利用し得る。半導電性シリコーンは、金属、通常はニッケル-グラファイトまたはアルミニウムの小粒子でドープされているシリコーンゴムである。これらの金属粒子は、本質的に、電気を流すための媒体を与えることによって、非導電性のシリコーンを半導電性とする。半導電性シリコーンは高価であり、しかも他の物質に対して結合することが難しい。更に、該シリコーンは、電流に対して十分に短いアーク距離を与えるためには、多量の金属粒子を含む必要がある。同様に、上記物質および方法は、エネルギー適合性の器官トレーを製造するために組合せることができる。
本明細書に記載されたヒドロゲル物質の組成物で作られた模範的な器官モデルを、図1〜3に示す。該器官モデルは、シミュレートされた直腸モデル100である。該シミュレートされた直腸モデル100は、ここに記載されまたピンク色に染色されたヒドロゲル組成物の何れか1種で作られた第一のチューブ102を含む。一変形において、該ヒドロゲルは、約8:1というアクリルアミド対アルギネートの比を持ち、かつ約86％の水を含むように選択される。該第一のチューブ102は、近位端部と遠位端部との間に伸びている第一の管腔103を画成する。
【００１３】
上記シミュレートされた直腸モデル100は、更に第二の管腔105を画成し、かつ近位端部と遠位端部との間に伸びている第二のチューブ104を含む。該第二のチューブ104は、ここに記載されたヒドロゲル組成物の何れか1種の、黄色に染色されたヒドロゲルで作られている。一変形において、該ヒドロゲルは、約8:1というアクリルアミド対アルギネートの比を持ち、かつ約86％の水を含むように選択される。該第二の管腔105は、同軸状の様式で該第二の管腔105の内部に該第一のチューブ102を受容れるような寸法で作られる。該第二のチューブ104は、シアノアクリレート接着剤を用いて、該第一のチューブ102に接着される。あるいはまた、該第二のチューブ104は、該第一のチューブ102上で硬化され、かつ如何なる接着剤も使用されない。該第二のチューブ104に係る黄色の色彩は、該第二のチューブ104がヒト結腸の直腸間膜を表すように選択される。
上記モデル100は、更に第三のチューブ106をも含む。該第三のチューブ106は、第三の管腔107を画成する。該第三の管腔107の径は、同軸的な様式で該第三の管腔107の内部に該第二のチューブ104を受容れるような寸法で作られている。該第三のチューブ106は、該第二のチューブ104の上部で硬化されることにより、該第二のチューブ104に接着される。該第三のチューブ106は、ここに記載されたヒドロゲル組成物の何れか1種で作られ、また仙骨前の脂肪層を表すように黄色および/またはオレンジ色に染色されている。一変形において、該ヒドロゲルは約8:1というアクリルアミド対アルギネート比を持ちかつ約86％の水を含むように選択される。
【００１４】
更に、上記シミュレートされた直腸モデル100は、第四のチューブ108をも含む。該第四のチューブ108は第四の管腔109を画成する。該第四の管腔109の径は、同軸状の様式で、該第四の管腔109の内部に上記第三のチューブ106を受容れるような寸法で作られている。該第四のチューブ108はここに記載されたヒドロゲル組成物の何れか1種で作られており、かつピンク色に染色されている。一変形において、該ヒドロゲルは、約8:1というアクリルアミド対アルギネートの比を持ち、かつ86％の水を含むように選択される。該第四のチューブ108は、シアノアクリレート接着剤等の接着剤、例えばオハイオ州、ウエストレーク(Westlake, Ohio)のロックタイト(LOCTITE)により製造されている、ロックタイト(LOCTITETM) 401または4902シアノアクリレート接着剤を用いて、該第三のチューブ106に接着される。あるいはまた、該第四のチューブ108は、該第三のチューブ106上で硬化され、かつ如何なる接着剤も使用されない。
上記シミュレートされた直腸モデル100に係る一変形において、該シミュレートされた直腸モデル100は、更に上記第三のチューブ106と上記第四のチューブ108との間に配置され、かつ埋め込まれた、シミュレートされた前立腺系110をも含む。一変形において、該シミュレートされた前立腺系110は、該第三のチューブ106の内部に配置され、かつ埋設されている。該シミュレートされた前立腺系110は、該モデル100の前方側部に配置されている。該シミュレートされた前立腺系110は、以下のシミュレートされた解剖構造:シミュレートされた前立腺、シミュレートされた精嚢、シミュレートされた膀胱、シミュレートされた尿道、およびシミュレートされた精管の内の任意の一つまたはそれ以上を含む。該シミュレートされた尿道およびシミュレートされた精管は、一様なチューブに形成されたシリコーンまたはその他のポリマーで作られている。該シミュレートされた精嚢は、該シミュレートされた精管上にオーバーモールドされたウレタンまたはその他のフォームで作られている。該シミュレートされた前立腺は、該シミュレートされた尿道上にオーバーモールドされたウレタンまたはその他のフォームで作られている。
【００１５】
上記シミュレートされた直腸モデル100に係る一変形において、該シミュレートされた直腸モデル100は、更に以下の位置の内の任意の一つまたはそれ以上に位置する、1種またはそれ以上のコラーゲン層(図示せず)をも含む：(1) 上記第二のチューブ104と上記第一のチューブ102との間；(2) 上記第三のチューブ106と該第二のチューブ104との間。該コラーゲン層は湿潤され、また上記硬化されたヒドロゲルチューブ上に置かれ、該ヒドロゲルチューブは、次いで該層を接着するためにオーブン内に設置される。一変形において、該第二のチューブ104は、薄いコラーゲンの層で覆われ、また該第三のチューブ106は薄いコラーゲンの層で覆われ、また電気外科的切開は、該2つの隣接するコラーゲン層間で起こる。もう一つの変形においては、薄いコラーゲン層が該第三のチューブ106のみに適用され、また切開は該第二のチューブ104と該第三のチューブ106上の該コラーゲン層との間で行われる。もう一つの変形においては、薄い第一のコラーゲン層が該第二のチューブ104に適用され、薄い第二のコラーゲン層が該第一のコラーゲン層に適用される。上記前立腺系110は、該第二のコラーゲン層に接着され、また該第一のコラーゲン層と該第二のコラーゲン層との間の該前立腺系の周辺を切開するように注意が払われる。もう一つの変形においては、薄いコラーゲン層が、該前立腺系110に適用され、また該前立腺系110を回避すべく、該第二のチューブ104と該薄いコラーゲン層との間で切開するように注意が払われる。
【００１６】
上記シミュレートされた直腸モデル100は、電気外科デバイスおよび電気外科技術を用いた、下部直腸内に位置する癌に関して、経肛門直腸間膜全切除(TaTME)を実践するのにとてつもなく適している。このような外科手術手順において、癌に侵された直腸には、チャンネルに接続されている密封可能な口を介して上記第一の管腔103内に肛門を通して接近する。巾着縫合糸は、該腫瘍を含む直腸に係る該癌に侵された位置を封鎖するように結ばれる。この縫合技術を実践するために、上記第一のチューブ102は場合により埋め込まれたメッシュ層を備えており、縫合糸は該第一のチューブ102に維持され、また引っ張られた際に上記ヒドロゲルを介して裂けることはないであろう。もう一つの変形において、該巾着縫合糸は、その製造工程中に予め作られており、結果として外科医は該縫合糸を視覚的に配置し、また単に、巾着縫合糸の配置に続く技法を実践することができる。この処置の実践において、該外科医は、後方に切開を開始し、第一のチューブ102を介して、直腸間膜を表す該第二のチューブ104へと、かつまた該第二のチューブ104と該第三のチューブ106との間の該第二のチューブ104近傍周辺を電気外科手術的に切断し、一方で図2において見ることができるように、該シミュレートされた前立腺系110を貫通しないように、しかも該第四のチューブ108を貫通しないように注意する。同様に、該シミュレートされた直腸間膜(第二のチューブ104)に入り込まないように、かつ該第一のチューブ102に入り込まないように注意を払う。ユーザーは、該第一のチューブ102近傍周辺の切開を注意深く行う。模範的な後部切開位置および切開経路は、図3A-3Cに示されている。図3Aは、該第二のチューブ104と該第三のチューブ106との間の後部切開位置および2つのコラーゲン層113が使用されている場合におけるこれらの間の切開面111を示す。図3Bは、該第二のチューブ104と該第三のチューブ106との間、および特に該第二のチューブ104と、該第三のチューブ106および該第二のチューブ104の間に位置する薄いヒドロゲル層112との間の切開経路と共に、後方切開位置を示す。図3Cは、後部切開位置を、該第二のチューブ104と該第三のチューブ106に接着されたコラーゲン層113との間の切開経路111と共に示す。後方に切開した後、前方切開を、図2において明らかな如く、該第三のチューブ106に達するまで、該第二のチューブ104のより薄い層を介して切開することにより開始する。切開を、該第二のチューブ104と該第三のチューブ106との間で、切開面111に沿って、該後方切開と遭遇するまで進める。模範的な前方切開位置および図3A、3Bおよび3Cに示されているように構成されたモデルの後方切開経路111に相当する切開経路111は、夫々図4A、4Bおよび4Cに示されている。図4Aは、前方切開位置を、2つのコラーゲン層113が与えられている場合の、これらの間に存在する切開面111と共に示す。図4Bは、前方切開位置を、該第二のチューブ104と該薄いヒドロゲル層112との間に存在する切開面111と共に示す。図4Cは、前方切開位置を、該第二のチューブ104とコラーゲン層113が与えられた場合の該コラーゲン層との間に存在する切開面111と共に示す。該前立腺系110を損傷する危険性を回避するために、該第三のチューブ106に入り込まないように注意が払われる。
【００１７】
上記シミュレートされた直腸モデル100の近位端部は、経肛門アダプタに取付けることができる。該経肛門アダプタは、そのトップカバーをサージカルトレーナの基部から間隔を置いて、該サージカルトレーナの側部から該モデルへのアクセスを与えるために使用される支持体である。サージカルトレーナの一例が、米国特許第8,764,452号に記載されており、その全体を言及することによりここに組入れる。該経肛門アダプタは、上記第一のチューブ102に係る上記第一の管腔に接続されている開口を含む。該経肛門アダプタの開口を包囲するように、軟質のシリコーンを与えて、肛門をシミュレートする。上記外科的TaTME処置の実践は、上述の如く、該経肛門アダプタの開口を介して、該第一の管腔103内で行われる。
一変形において、上記第一のチューブ102および上記第二のチューブ104は、約8:1というアクリルアミド対アルギネート比を持ちかつ約86％の水を含むヒドロゲルで作られており、また上記第三のチューブ106および上記第四のチューブ108は、約8:3というアクリルアミド対アルギネート比を持ちかつ約86％の水を含むヒドロゲルで作られている。同一の比を持つ層/チューブの交叉点は、実質上区別不可能であるが、異なる比を持つ層/チューブの交叉点は区別可能であり、このことはその交叉面を識別可能としかつ一層容易な分離を可能とし、医者を、正確な切開面に沿って誘導し、また該正確な切開面が同一の比を持つ層/チューブの交叉点である場合よりも、切開を一層容易にする。
【００１８】
上記シミュレートされた直腸モデル100は、マンドレルを備えた中空のチューブ状金型内で、先ず上記物質を注入成形することにより組立てられる。層の注入成形は、最も内側の層から開始し、最も外側の層へと進め、またはその逆であってもよい。例えば、該注入成形を最内層から開始しようとする場合、小さなチューブを物質で満たし、オーブン内で硬化させる。該小さなチューブ状マンドレルから取出す場合、該硬化された最も内側の層は、所定の径を持つより大きな径の管状マンドレルに挿入され、またその次の層が注ぎ込まれ、かつ硬化される。次いで、この組合せが取出され、かつより大きな径を持つ管状マンドレルに設置され、またその次の層が注がれ、以下同様に続けられる。同様に、該モデル100はその外側層から開始し、および引続きその内側層へと進めることで構築し得る。管材料はより大きな中空管材料内に据えられ、また挟まれた最も外側の空間は、該所望の層が得られるまで物質で満たされ、その最も内側の層が注ぎ込まれるまで漸次作業が続けられる。任意の層が、その長手方向の軸からオフセットされて、例えば該第二のチューブに対して必要とされるように、後方または前方により厚いまたはより薄い層をもたらす。巾着縫合糸が予め製造されている場合には、該外側から内側への製造工程が利用されるであろう。最後の最内層に関連して、あらゆる方法でマンドレルを設置する代わりに、物質は、該直腸に、その上部部分を除き完全に満たすように注入成形されるであろう。該上部において、小さなマンドレルが据えられ、これはまさにその上部のみを中空にすることを可能とするであろう。該マンドレルは巾着紐に類似するように設計することができ、これは、そのユーザーに、該巾着縫合が既に完成されたという視覚的な合図を与える。コラーゲン層を適用するために、合成または天然コラーゲンのケーシング(casing)が、シートまたは円筒の形状で使用される。これが円筒形状で与えられた場合、これはシート状に切断される。次に、該コラーゲン層を水に浸し、水を所望の適用層上に塗り付ける。次いで、該浸されたコラーゲン層を、該ヒドロゲル層上に設置する。それ以上の層は、必要に応じて付加され、また該ヒドロゲル層およびコラーゲン層は、オーブン内で焼付けられて、該ヒドロゲルを該コラーゲンに、あるいは多数の層が使用されている場合には該コラーゲンをそれ自体に、並べて接着させる。該モデル100は、これら層をオーバーモールドする(over molding)ことにより、またはシアノアクリレート接着剤で一緒に保持される。上記前立腺系110等の該モデル100に係るシリコーン成分は、シアノアクリレート接着剤を使用して、該ヒドロゲルまたはコラーゲンに接着される。ウレタン製金型を使用し、また該金型を、プラズマ処理および火炎処理を含むがこれらに限定されることのない様々な方法を用いて表面処理して、該金型を親水性とし、また特にメタ重亜硫酸を含まないヒドロゲル処方物について、該金型内でのヒドロゲルの広がりを改善することができる。特定の器官モデル部分、とりわけ薄いシート状の部分、例えばシミュレートされた腹膜は、ポリ袋注入成形(polybag casting)によって形成される。ポリ袋注入成形において、該ヒドロゲル物質はバッグ内に注ぎ込まれる。あらゆるエアーポケットは、押出され、また該バッグは、2つの平坦なトレー間に密封され、かつ設置される。約1.135〜2.27kg(約2.5〜5.0lb)という重荷(weights)を、該トレーの上部に位置させ、平坦なシートに硬化させ、人工的な腹膜または腹膜の網を作り出す。同様にヒドロゲル製の人工脈管構造は、該人工脈管構造を該ポリ袋内部に配列することにより埋め込むことができる。また、より小さな中空金型を利用して、シミュレートされた中空の脈管を製造する。
【００１９】
もう一つの変形において、上記モデル100は、直腸を表すのに円筒形状を持つことはない。その代わりに、該モデル100は、図5に示したように、あたかも該円筒が切り開かれ、かつ平たく広げられた如く、矩形または正方形ブロックの形状で、単純に上から下に4つの層102、104、106、108を含む。該層のブロック形状は、そのユーザーが、経管腔的に実行される処置を伴う管腔形状に制限されることなしに、該処置を実行することを可能とする。該ブロックは、開業医が、サージカルトレーナの上部と基部との間の腔内部に設置された該モデル100を用いて、腹腔鏡環境下で、該電気外科技術を容易く実行することを可能とする。このような変形において、該第一の層102および該第二の層104は、約8:1というアクリルアミド対アルギネート比を持ち、かつ約86％の水を含むヒドロゲル製であり、かつ該第三の層106および該第四の層108は、約8:3というアクリルアミド対アルギネート比を持ち、かつ約86％の水を含むヒドロゲル製である。
【００２０】
本件明細書において記載されたヒドロゲルの任意の一つは、外科技術、特に腹腔鏡下での電気外科処置を実行するための、シミュレートされた組織構造の少なくとも一部を形成するのに使用でき、ここにおいて該シミュレートされた組織構造は、該シミュレートされた組織構造を実質上封じ込めている囲い体内部に配置されている。囲い体の一例は、腹腔鏡下トレーナを含み、そこでは腹腔鏡が、その手術野を可視化するために利用される。該シミュレートされた組織構造は、上記の如きまたTaTME処置を実行するのに適したヒト下部直腸に関連する、中空または中実の人工脈管、動脈、静脈、1種またはそれ以上の器官および組織に限定されない。同様に、上述のTaTMEモデルは、4層ではなしに2層のヒドロゲルで作ることもできる。このようなモデルにおいて、該ヒドロゲル製の2層は、該モデルが管形状を持つように形成される場合には、夫々直腸層および直腸間膜層、即ち上記第一のチューブ102および上記第二のチューブ104を含む。2層を持つこのようなTaTMEモデルの一変形は、該2層102、104間に設けられたメッシュ層を含む。勿論、該TaTMEモデルは、管状の形状を持つ必要はない。該TaTMEモデルの何れかは、エネルギーを用いた除去を実行するための人工的なポリープを含むことができる。胆嚢モデルは、1種またはそれ以上の人工肝臓、人工胆嚢、人工腹膜、人工筋膜、人工管(1または複数)、および1種またはそれ以上の人工動脈を含むことができる。該胆嚢モデルの別の変形においては、該人工肝臓をヒドロゲル製ではなく、代わりにシリコーンまたはクラトン(KRATON)製として、シミュレートされた処置が実行されるであろう位置に対してサージエリア(surge areas)を局在化する。シミュレートされた組織構造は、実質的にここに記載されたヒドロゲルの何れか1種で作られている。一変形において、該シミュレートされた組織構造は、1種またはそれ以上のシミュレートされた卵巣部分、子宮角部分、子宮、卵巣、卵管、膣、子宮頸部、膀胱、網(omentum)、および腹膜を包含する、人工人卵巣器官を含む。更に、該腹膜および網は、中空または中実であって、同様にヒドロゲル製の、埋め込まれシミュレートされた脈管構造をも含むことができる。ヒドロゲルで製造され、かつシミュレートされた組織構造の少なくとも一部を形成する他の人工器官は、人工胃、腎臓、直腸、大動脈、腫瘍、およびポリープを含む。ここに記載されヒドロゲルで作られた該シミュレートされた組織構造の何れかは、メッシュ層を含むことができる。同様に、該シミュレートされた組織構造は、2種の異なるヒドロゲルを含むことができ、これらは該シミュレートされた組織の異なる部分を形成する。例えば、上述の如く、シミュレートされた組織構造の一部は、8:3の処方を持つヒドロゲルで作ることができ、かつもう一つの部分は8:1の処方を持つ。同様に、シミュレートされた組織構造の一部は、本発明に従うヒドロゲルで形成でき、かつ一部はシリコーンまたはその他の物質で作られ、該ヒドロゲル製の部分に結合され、接続され、これに隣接し、あるいは並列に配置される。例えば、シミュレートされた虫垂切除術モデルにおいて、人工結腸は、シリコーンで作られ、かつ人工腹膜および脈管は、ここに記載された1種またはそれ以上の処方を持つヒドロゲル��作られている。もう一つの例において、シミュレートされた胆嚢モデルでは、その人工肝臓は、シリコーンまたはクラトン(KRATON)で作られ、かつ該胆嚢モデルの他の全ての部分は、ここに記載された1種またはそれ以上の処方を持つヒドロゲルで作られている。もう一つの例において、人工直腸はシリコーンで作られ、かつここに記載されたヒドロゲル製の人工ポリープは、シアノアクリレート接着剤を用いて、該シリコーン製直腸に接着される。
【００２１】
使用に際して、本発明によるシミュレートされた組織構造は、電気外科手術において使用されるモノポーラ、バイポーラ、ハーモニック(harmonic)またはその他のデバイスを含むが、これらに限定されない電気外科手術器と共に使用するように構成されており、このことは、電気外科手術器の使用実習、電気外科技術、電気外科手術器を単独でおよび外科において遭遇する他の機器と共に使用する電気外科技術、外科処置のための、解剖学的部分に形成された現実的な手段を与えるためである。電気外科手術器の操作は、外科技術を使用し、また該電気外科手術器を用いて行われる特定の処置を習得するような修練を必要とする。電気外科手術器を適用する場合、バイポーラシステムにおける両極性間に、またはモノポーラシステムにおいては一つの電気的極性から地面に伝わる電流によって熱が発生する。典型的に、モノポーラシステムにおいて、該人工組織構造は、接地板/パッドの上方にこれと接触して配置されており、該接地板/パッドは、地面に接続されている。本発明によるシミュレートされた組織構造に係る一変形において、ヒドロゲルで構成される該構造の該当部分は、該接地板/パッドまたは他の導電性表面と直接接触した状態で設置されている。結果的には、該シミュレートされた組織構造全体は、該ヒドロゲルが該接地板と直接接触せず、例えばワイヤ等の導電性通路が、該ヒドロゲル部分との接触をもたらし、またその際に、該接地パッドと接触すべく該モデルの非導電性部分を横断するように構成される。例えば、カリフォルニア州のアプライドメディカルリソースズ社(Applied Medical Resources Corporation)による米国特許出願公開US 2014/0370477号に記載されているモデル等の胆嚢モデルにおいて、その解剖学的部分は支持体に接続されていて、該モデルが直立することを可能としている。肝臓、腹膜、胆嚢、脈管構造、筋膜、脈管系または該モデルの他の成分の任意の一つが、ヒドロゲルで作られている場合、ワイヤが該当部分に通され、また次に金属フレームと接触するように与えられ、該フレームには、そのスタンド内部で、該スタンドの底面において露出するように、該スタンド全体を通して伸びている該フレームの脚が嵌め込まれており、該スタンドは、従って接地パッドの頂部に設置することができる。該ヒドロゲル構造が、電気外科手術器と接触している場合、該ヒドロゲル構造の温度は、該接触位置における該ヒドロゲルに係る含水量の蒸発を開始する温度にまで増大するであろう。該ヒドロゲルが該ヒドロゲル構造の内の約86質量％の水を含んでいるので、該モデルは、ヒト組織について行われている電気外科手術中に生み出される煙を模倣する蒸気を発生するであろう。有利なことに、該ヒドロゲル構造の水蒸気は、現実の組織により生成される煙と比較して、臭気を持つことはない。該電気外科手術器との長期に及ぶ接触により、該含水量は該接触位置において低下し、有利なことに、典型的には実際の外科手術に際して遭遇する、組織のシミュレートされた融合または密封を引起すであろう。従って、本発明は、電気外科手術を利用する処置を受けるであろう組織構造の外観および感触を有利にシミュレートするばかりでなく、電気外科手術が該シミュレートされた組織構造に適用された際に、現実の電気外科手術を模倣するように応答しさえもする。本発明に係るヒドロゲルは、電気外科手術器を介する密閉および/または融合に加えて、組織の切除をシミュレートするのに利用することも可能である。
【００２２】
【表１】
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【実施例】
【００２３】
以下の記載は、本発明に従うシミュレートされたヒドロゲル製肝臓を製造するための実例としての手順である。大きなガラス製ビーカーに、33.75gのアルギネートおよび90gのアクリルアミドを加えよ。これら2種の固体を、その混合物が均一になるまで乾式混合せよ。614mLの脱イオン(DI)水を計り分けよ。該614mLのDI水の内の307mL(約半分)を、該粉末混合物を含む該ビーカーに加えよ。該溶液を混合して、該ビーカーの側面および底部に付着したあらゆるアルギネートを分離せよ。一度均一な溶液が形成されたら、オーバーヘッドミキサの下に該ビーカーを設置することにより、あるいは攪拌子を挿入し、かつ攪拌プレート上に設置することにより該混合を維持して、混合を継続せよ。上記残りの307mLの水を別のビーカーに加え、その着色剤を調製するために使用する。シミュレートされた肝臓については、4滴の赤色アクリル系ペイントおよび1滴の黒色アクリル系ペイントをDI水の入った該第二のジャーに加え、また攪拌プレート上で、該水が均一な色彩となるまで攪拌する。この目下において着色された307mLのDI水を、ゲル溶液の入っている該ビーカー中の他の半分と、元通りに混ぜ合わせる。該ゲル溶液の入っているビーカーは、上記オーバーヘッドミキサまたは攪拌プレート上で混合状態に保って、あらゆる固体を溶解し、かつ該着色剤の均一混合を可能とする。溶液の攪拌状態を維持し、また0.250gの過硫酸アンモニウム(APS)を添加し、かつ0.050gのN,N’-メチレンビスアクリルアミドを加えよ。該APSおよびN,N'-MBAAを、処置に先立って、該ゲル溶液中に溶解させよ。必要に応じて手作業で混合せよ。その理由は、該溶液は粘稠であり、かつより軽量の添加剤が、該ミキサでは容易に混合しないであろうことにある。
【００２４】
上記オーバーヘッドミキサまたは攪拌プレート上で、上記ゲル溶液の入ったビーカーの底部に細いホースを挿入するが、該ホースは、アルゴンガスタンクに接続されているはずである。アルゴンガス流を、約15分間に渡り該ビーカー内でバブリングさせよ。その後、該溶液から該ホースを取り出し、またその表面上に該ホースを位置させ、かつアルゴンガスの流れを、更に5分間に渡り該ゲル溶液の上部に吹掛けよ。該溶液をアルゴンガスでフラッシングした後、該ジャーから該細いホースを取り出せ。また、以下の段階を、アルゴン処理条件下で完了させる。N,N,N',N'-テトラメチルエチレンジアミン(N,N,N',N'-TMEDA)ボトルのヘッドスペースをアルゴンでフラッシュせよ。マイクロピペットを用いて、該N,N,N',N'-TMEDAボトルのヘッドスペースからアルゴンガス0.290mLをピペッティングし、脇に排出させよ。これは、該マイクロピペットの内部をフラッシュするために2度行うべきである。一方で、0.290mLのN,N,N',N'-TMEDAを該ボトルから同一のマイクロピペットチップを用いて抜取り、かつ該ゲル溶液に押出せ。該N,N,N',N'-TMEDAボトルは、使用後即座に密封し、湿気を避けて、暗い領域にて保存すべきである。
【００２５】
攪拌を継続し、硫酸カルシウム2水和物(CaSO4・2H2O)およびDI水からなるスラリーを製造せよ。約25mLのDI水を4.59gのCaSO4・2H2Oに添加せよ。十分に混合し、かつ該ヒドロゲル溶液にスラリーを添加せよ。該CaSO4・2H2Oスラリーの残りをDI水で洗浄し、かつ該ヒドロゲル溶液に添加せよ。幾分かの白色の濁りが、該CaSO4・2H2Oの添加に起因して依然として残されている可能性がある。これらの濁りは、一度ヒドロゲルが硬化されれば消失するであろう。ゲル状スラリーを、穏やかな速度にて約1分間混合させよ。該ゲルスラリーは、直ちに肝臓金型に注ぎ込まれ、かつ該ゲルを硬化するために85℃のオーブン内に60分間設置される。1時間後に、該金型を該オーブンから取り出し、室温まで冷却させる。一度冷却されれば、該ヒドロゲル製の肝臓を該金型から取り出すことができる。この最終製品は、機械的なデバイスに加えて、エネルギーデバイスで操作することのできる、実物そっくりの合成肝臓となる。
【００２６】
様々な変更が、ここに記載された合成組織に係る態様に対して行うことができるものと理解される。従って、上記説明は、限定ではなく、単なる好ましい態様の例示として解釈されるべきである。当業者は、本件開示の精神および範囲内で、その他の変更を予想するであろう。
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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