ПРОНИЦАЕМЫЙ ИНКУБАТОР ИЗ НИКЕЛИДА ТИТАНА
PERMEABLE INCUBATOR FROM TITANIUM NICKELIDE

Изобретение относится к медицинской технике, конкретно к пористым инкубаторам клеточных культур на основе никелида титана, предназначенным для замещения функций поврежденного травмой или заболеванием органа.
Одним из методов хирургического лечения заболеваний внутренних органов является частичное или полное замещение функций поврежденного органа посредством трансплантации оригиналов или аналогов этого органа. В качестве таких аналогов используют суспензии клеток соответствующих органов, изготовленные по известным технологиям. Разработаны способы и технические средства лечения заболеваний печени, поджелудочной железы, гемопоэтической системы и др., основанные на помещении трансплантированных клеток в проницаемые инкубаторы различного конструктивного оформления. Проницаемые инкубаторы, представляющие собой объемный массив с мелкомасштабной пористой структурой, позволяют решать задачу подавления иммунной реакции организма против чужеродных клеток. Установлено, что при масштабе пористости порядка 0,3 мкм в массиве достаточно свободно осуществляется диффузный обмен веществ и вывод клеточных метаболитов, в то же время исключается проникновение иммунных клеток, имеющих большие размеры.
Известен, в частности, проницаемый инкубатор для хирургического лечения заболеваний внутренних органов (Immunosuppression, macroencapsulation and ultraviolet-Birradiation asimmunoprotection in porcine parcreatic islet xenotransplantation-Pharmacol Toxicol, 1995, Jun/2), содержащий клеточную суспензию, помещенную в объемный массив в виде металлического контейнера с перфорированными стенками. Размер перфораций составляет порядка 0,3 мкм.
Недостаток этого устройства заключается в малом сроке службы вследствие зарастания отверстий и инкапсуляции устройства грубой соединительной тканью.
Увеличение срока службы устройства достигается за счет повышения биосовместимости имплантата с окружающими тканями. Известен проницаемый инкубатор для хирургического лечения заболеваний внутренних органов (пат. РФ №2143867), содержащий насыщаемый клеточной суспензией объемный массив с пористой структурой, отличающийся тем, что он выполнен из никелида титана. Положительный эффект связан с высокой биомеханической совместимостью никелида титана, вследствие чего выполненные из него устройства капсулируются значительно медленнее, и диффузионная способность инкубатора сохраняется длительное время. Известный инкубатор выполняется из пористого никелида титана с преобладанием пор размером 0,3-0,5 мкм.
Проницаемый инкубатор из никелида титана применяют следующим образом. Изготовленную по специальной технологии клеточную суспензию, соответствующую поврежденному органу, помещают в объемный массив из пористого никелида титана (пропитывают последний клеточной суспензией) и имплантируют в тело больного. Объемный массив имеет, как правило, форму, близкую к сферической или уплощенную. Для имплантации выбирают места организма, определенные анатомическими и физиологическими показаниями. Удобным местом является брыжейка кишечника - орган листовой геометрии. Поэтому предпочтительна уплощенная форма инкубатора. В прочих случаях наиболее рациональной по соотношению объема и площади поверхности является сферическая форма инкубатора.
После периода адаптации клетки внутри инкубатора начинают функционировать, замещая частично или полностью функцию поврежденного органа и создавая определенный лечебный эффект. При этом через поры инкубатора осуществляется диффузия метаболитов, и вместе с тем внутрь инкубатора затрудненно проникновение иммунных клеток, поскольку их размеры превышают размеры пор. Со временем эффективность работы устройства увеличивается, т.к. пористая структура прорастает кровеносными и лимфатическими сосудами и пассивная диффузия метаболитов дополняется активным синтезом и экскрецией веществ, присущим натуральным органам в естественных условиях.
По отношению к известному проницаемому инкубатору в качестве ведущей служила концепция малости пор в сравнении с размерами иммунных клеток, то есть предпочтительным считался размер пор в пределах от 0,3 до 0,5 мкм.
Опыт применения проницаемых инкубаторов из никелида титана по пат. РФ №2143867 выявил присущие ему недостатки.
1. Мелкопористая структура ограничивает суммарный коэффициент пористости величиной порядка 60%, что соответственно ограничивает относительный объем вмещаемой клеточной культуры.
2. Мелкопористая структура затрудняет процесс насыщения проницаемого массива клеточной суспензией.
3. Объемный массив пористого никелида титана не полностью механически совместим с мягкотканым окружением, что создает риск травматичности при непредвиденных механических нагрузках.
4. Мелкопористая структура инкубатора, так же как и у других известных аналогов, способствует постепенному формированию соединительнотканной оболочки (инкапсулированию инкубатора) и прекращению диффузии питательных веществ и метаболитов. В связи с этим концепция непроницаемости мелких пор для иммунных клеток утрачивает доминантную роль, принуждая исследователей к установлению компромисса между сохранением скорости диффузии метаболитов и темпом деградации полезных клеток вследствие иммунных процессов.
Задачей изобретения является повышение эффективности функционирования проницаемых инкубаторов из никелида титана. Техническим результатом изобретения в рамках указанной задачи является увеличение относительного объема вмещаемой клеточной суспензии, облегчение процесса насыщения инкубатора клеточной суспензией, уменьшение риска травматичности за счет повышения механической совместимости с мягкотканным окружением, а также пролонгирование срока действия инкубатора за счет замедления инкапсулирования при умеренных темпах иммунной деградации трансплантированных клеток.
Технический результат достигается тем, что известный проницаемый инкубатор из никелида титана, содержащий насыщаемый клеточной суспензией объемный массив с пористой структурой, отличается тем, что в нем объемный массив представлен переплетением поверхностно-пористой никелид-титановой нити диаметром от 25 до 40 мкм. По условиям применения вариантами выполнения объемного массива из указанной нити являются:
- комкообразно спутанная нить;
- многослойный тампон из сплетенной из нити сетки, скрепленный швами из той же нити;
- рулон, свернутый из указанной сетки, скрепленный швами из той же нити.
Достижимость технического результата обусловлена следующим.
Поверхностно-пористая никелид-титановая нить (см., например, пат. РФ №2280094) проявляет высокую степень биосовместимости и адаптации к тканям организма. Переплетение поверхностно-пористой никелид-титановой нити представляет собой массив, приближающийся по проницаемости и смачиваемости к традиционным волокнистым ватно-марлевым материалам типа тампонов. В отличие от пористого никелида титана массив из нити не содержит полузакрытых (изолированных) пор, доступ в которые для жидкой клеточной культуры затруднен. Вместо этого массив переплетенной нити проницаем в любых направлениях, что придает ему преимущества увеличения проницаемости и облегчения смачиваемости по сравнению с пористым материалом.
Переплетение поверхностно-пористой никелид-титановой нити обладает повышенным относительным объемом вмещаемой клеточной суспензии - до 90-95%, недостижимым для пористого никелида титана из-за угрозы утраты механической прочности. Пористый никелид титана с такой высокой степенью пористости обладал бы недопустимо низкой прочностью по отношению к деформациям из-за наличия в нем хрупких перегородок. Сравнительно с этим, переплетенная нить при аналогичных деформациях образованного ею объемного массива испытывает незначительные локальные деформации изгиба, далеко отстоящие от предельных для никелида титана обратимых деформаций.
Улучшение деформационных свойств обеспечивает лучшую механическую совместимость массива из нити с мягкотканным окружением. Этим он выгодно отличается от массива пористого материала, который для указанного окружения остается жестким, в связи с чем существует риск повреждения тканей при различных нагрузках (напряжение, удар, падение и т.п.).
Пролонгирование срока действия инкубатора из нити в сравнении с пористым инкубатором обусловлено увеличением относительного объема насыщающей его клеточной суспензии и меньшей интенсивностью капсулирования при умеренной скорости деградации клеточной культуры в результате иммунной реакции. Достигаемое повышение пористости от типичной для пористых структур величины 60% до 90-95% составляет полуторакратное увеличение количества функционирующих клеток при тех же габаритах инкубатора. Снижение интенсивности капсулирования связано с большей величиной просветов между переплетенными нитями, образующими массив инкубатора. Снижение скорости деградации трансплантированных клеток обусловлено большим числом мелкоразмерных непроницаемых для иммунных клеток лакун в области соприкосновения нитей друг с другом.
Выбор верхнего предела диаметра нити 40 мкм обусловлен нарастающей с диаметром жесткостью, ведущей к проявлению раздражающего действия свободных концов нити. Выбор нижнего предела диаметра нити 25 мкм обусловлен, наряду с технологическими ограничениями, снижением эластичности массива инкубатора до утраты формообразующих свойств и неконтролируемого сплющивания.
Выполнение инкубатора в виде массива спутанной нити придает ему подобие ватному тампону со свойственным ему удобством применения в конкретном расположении.
Выполнение инкубатора в виде многослойного тампона из сплетенной из нити сетки придает ему подобие аналогичному марлевому тампону со свойственным ему удобством применения в конкретном расположении.
Выполнение инкубатора в виде рулона, свернутого из указанной сетки, придает ему подобие аналогичной марлевой турунде со свойственным ей удобством применения в конкретном расположении.
Прошивка тампона и рулона из никелид-титановой нити той же самой нитью обеспечивает их целостность без дополнительных явлений, связанных с присутствием разнородных материалов.
Изобретение поясняется иллюстрациями фиг. 1-5.
На фиг. 1 схематически изображен объемный массив в виде комкообразно спутанной поверхностно-пористой никелид-титановой нити.
На фиг. 2 схематически изображен объемный массив в виде многослойного тампона из сетки, сплетенной из поверхностно-пористой никелид-титановой сетки.
На фиг. 3 схематически изображен объемный массив в виде рулона из указанной сетки.
На фиг. 4 изображены варианты реализации инкубаторов из комкообразно спутанной нити.
На фиг. 5 изображен образец сетки, используемой для изготовления инкубаторов.
Цифрами обозначены: 1 - никелид-титановая нить, 2 - сетка, 3 - скрепляющие швы.
Проницаемый инкубатор из никелида титана в соответствии с заявляемым изобретением содержит насыщаемый клеточной суспензией объемный массив с пористой структурой. Отличие состоит в том, что объемный массив образован переплетением поверхностно-пористой никелид-титановой нити 1 диаметром от 25 до 40 мкм. В зависимости от условий применения предпочтительно выполнять объемный массив с пористой структурой в виде комкообразно спутанной нити; многослойного тампона из сплетенной из нити сетки 2, скрепленного швами 3 из той же нити; рулона, свернутого из указанной сетки 2, скрепленного швами 3 из той же нити.
Пористый инкубатор из никелида титана применяют следующим образом. Объемный массив, образованный сплетением поверхностно-пористой никелид-титановой нити, пропитывают заранее приготовленной суспензией клеточной культуры, замещающей нефункционирующие клетки поврежденного органа, и помещают в наименее травмируемую область тела больного (в брыжейку кишки, в жировую ткань в области живота, или иной наиболее доступный иммуннопривилегированный орган). По анатомо-физиологическим особенностям инкубатор выполняют в виде комкообразно спутанной нити, многослойного тампона из сплетенной из нити сетки или рулона, скатанного из указанной сетки. Клеточная суспензия удерживается внутри инкубатора капиллярными силами. Через проницаемую структуру инкубатора свободно осуществляется диффузия метаболитов. Вследствие высокой биомеханической совместимости никелида титана устройство не капсулируется, и диффузная способность инкубатора сохраняется длительное время. Благодаря высокой гибкости, проявляемой никелид-титановой нитью, инкубатор не оказывает травматического действия при любых непредвиденных механических нагрузках, например ударах, падениях и т.п. Множественные контакты между пересекающимися участками поверхностно-пористой нити создают локальные микроразмерные ниши, где фрагменты клеточной культуры укрываются от атаки иммунных клеток организма.
6
6
Работоспособность предлагаемого пористого инкубатора из никелида титана подтверждается типовым экспериментом по определению вместимости и выживаемости клеток костного мозга и опухолевых клеток аденокарциномы Эрлиха для различных вариантов инкубатора. Концентрация засева клеток костного мозга составляла 2.5×10 кл/мл, концентрация засева клеток аденокарциномы Эрлиха 1×10 кл/мл. Результаты эксперимента приведены в таблице.
Из приведенных результатов следует, что вместимость предлагаемого инкубатора из никелид-титановой нити при одинаковых размерах превышает вместимость известного инкубатора из пористого никелида титана в 1,5-1,6 раза, причем выживаемость клеток в предлагаемом инкубаторе также превышает выживаемость в известном инкубаторе.
Лабораторные испытания подтвердили высокую эффективность предложенного технического решения при компенсации дисфункции поджелудочной железы в условиях искусственно вызванного сахарного диабета у подопытных животных. В сравнении с инкубаторами, изготавливаемыми из пористого никелида титана, отмечено увеличение срока службы заявляемого инкубатора не менее чем в 1.5 раза.