Биологическая заплата и способ ее изготовления

Биологическая заплата и способ ее изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к области медицинских протезов для имплантации человеку, в частности к биологическим заплатам, которые используются для восстановления тканей или органов в процессе хирургических операций.

Уровень техники

Восстановление поврежденных тканей и органов часто требуется при современных хирургических операциях, например, при регенерации твердой мозговой оболочки, восстановлении целости поврежденной плевры, восстановлении поврежденной брюшины, восстановлении при растяжении грыжевых ворот, восстановлении поврежденной диафрагмы, восстановлении кровеносных сосудов, восстановлении перегородки предсердий, восстановлении поврежденного перикарда, восстановлении поврежденных тканей почек и т.д. Существует множество «приклеивающихся хирургических заплат», которые можно приобрести для клинических целей. Однако эти продукты первоначально изготавливали с применением синтетических материалов. В число этих синтетических материалов, использовавшихся при изготовлении приклеивающихся хирургических заплат, входили полипропилен, полиэтилен, полиамид, дакрон, политетрафторэтилен, силиконовый гель и углеродное волокно, среди прочих материалов, которые чужеродны тканям человеческого организма и которые остаются навсегда в восстанавливаемой ткани. Эти материалы часто приводят к возникновению небактериальных воспалительных заболеваний в связи с физическим раздражением и осложнениями, вызванными хронической реакцией отторжения.

Другие заплаты были изготовлены на основе рассасывающихся синтетических материалов, таких как полигликолевая кислота (ПГК), полимолочная кислота (ПМК) и их сополимер (ПГК-ПМК). Тем не менее, скорость деградации этих материалов трудно поддается согласованию со скоростью восстановления тканей, так что в связи с быстрым разложением эффективность часто не достигается. Кроме того, продукты разложения могут вызвать местное повышение кислотности, которое оказывает неблагоприятное воздействие на заживление восстанавливаемых тканей.

В последние годы применялись также соединительнотканные оболочки животных, такие как фасция и бычий перикард, с использованием таких традиционных процессов, как обезжиривание, удаление и фиксация клеток глутаровым альдегидом, но элиминация антигенов оказалась малоэффективной, поскольку удаление клеток используется как единственное средство элиминации антигенов. Кроме того, фиксация тканей глутаровым альдегидом достигается поперечным сшиванием посредством ацетализации, и в ходе разложения выделяется глутаровый альдегид, проявляющий остаточную токсичность и еще более заметную клеточную токсичность, так что рост клеток в тканях организма-хозяина затруднен, что приводит к плохому их заживлению.

Раскрытие изобретения

Целью предлагаемого изобретения является получение биологической заплаты для использования в хирургии, которая не вызывает иммунного отторжения и обладает хорошей биологической совместимостью, безопасна и надежна в применении, и способ ее изготовления.

Согласно изобретению предлагается биологическая заплата для использования в хирургии, которую получают способом, включающим стадии отбора животной ткани, содержащей субстрат, поперечного сшивания и фиксации субстрата, минимизации активности антигенов субстрата, дубления субстрата и присоединения активного слоя к субстрату.

Краткое описание чертежа

Чертеж - поперечный разрез биологической заплаты согласно одному варианту осуществления предлагаемого изобретения.

Осуществление изобретения

Следующее подробное описание является описанием предположительно одного из лучших в настоящее время вариантов воплощения изобретения. Это описание не следует воспринимать как ограничивающее, и оно приводится только лишь с целью проиллюстрировать общие принципы воплощения предлагаемого изобретения. Объем предлагаемого изобретения лучшим образом определен в прилагаемой формуле изобретения.

Согласно изобретению предлагается биологическая заплата, содержащая субстрат, приготовленный из соединительнотканных оболочек животных, обработанный неальдегидным фиксатором для фиксации с поперечным сшиванием и затем обработанный с целью минимизации воздействия антигенов.

Ткани оболочек животных легко разрушаются или разлагаются микроорганизмами, в связи с чем необходимо проводить поперечное сшивание и фиксацию при помощи фиксатора. Обычно в качестве фиксатора используется глутаровый альдегид, но он образует токсичные радикалы. Альдегиды вызывают поперечное сшивание белков в результате реакции ацетализации, при разложении сшитых продуктов высвобождаются токсичные альдегиды, в связи с чем продукты фиксации альдегидами имеют долговременную остаточную токсичность. При использовании в качестве фиксаторов вместо альдегидов неальдегидных фиксаторов, таких как эпоксиды, диацилдиамиды, диизоцианаты, полиэтиленгликоль или карбодиимиды, эта токсичность может быть сведена к минимуму или даже полностью устранена. Например, при использовании эпоксидов вместо фиксатора альдегидного типа реакция раскрытия кольца/поперечного сшивания протекает быстро, поскольку эпоксиды нестойки, но продукт поперечного сшивания может быть получен в виде очень стойкого и трудно разлагающегося соединения за счет контроля условий проведения реакции. Оно медленно разлагается до полипептидов и аминокислот и абсорбируется только тогда, когда рост ткани и регенерация начинают поглощать его в результате секреции калликреина, фибринолизина и глюкокотикоидного гормона с целью способствования разложению в результате действия коллагеназы. Такое пассивное разложение и регенерация ткани протекают синхронно, что оказывает благоприятное действие на регенеративное восстановление ткани, в то же время не проявляется остаточная токсичность, связанная с альдегидами. Согласно современной иммунологической теории, антигенность животных тканей вызвана, главным образом, наличием активных групп, расположенных в определенных участках и в конкретных конформациях, и эти активные группы включают -ОН, -NH₂, -SH и т.д. Конкретные конформации возникают, в основном, вследствие образования определенных водородных связей в спиральных участках молекул белков. Эти определенные участки и конформации называются антигенными детерминантами. Один или более реагентов (например, ангидриды кислот, ацилхлориды, амиды, эпоксиды и т.д.), легко реагирующие с этими группами, используются для связывания с этими группами и их блокирования при обработке животных тканей с тем, чтобы активность антигенов была сведена к минимуму или элиминирована. Одновременно используются реагенты с сильными водородными связями (например, соединения гуанидина) для перемещения водородных связей, приводящих к существованию определенных конфигураций для того, чтобы эти конфигурации изменились, и антигенность была эффективно устранена.

Дубление

В предлагаемом изобретении дополнительно используется метод поперечного сшивания и пришивания белков в качестве процесса дубления для повышения механической прочности и плотности ткани. В этом отношении обрезок соединительнотканной оболочки животного организмов обычно обладает плохими механическими свойствами (после сбора тканей). Что касается использованного в настоящем документе термина «механические свойства», то он относится к прочности, плотности, жесткости и модулю упругости. Как поперечное сшивание, так и пришивание белков может изменить механические свойства коллагеновой (белковой) матрицы ткани. Хотя поперечное сшивание и пришивание белков являются традиционными методами, использующимися для улучшения механических свойств высокомолекулярных полимеров, все же важен тщательный подход к выбору реагентов, а также выбор условий проведения реакции, поскольку белки часто подвергаются денатурации. Длина, плотность и распределение поперечных сшивок соответствующим образом подобраны с целью обеспечения стабильности и механических свойств материала ткани.

Например, длина молекулярной цепи сшивающего агента определяет длину поперечной связи. Большая длина цепи приводит к более высокой эластичности материала. Однако цепям с большей длиной труднее проникнуть в коллагеновую матрицу. Например, при выборе эпоксидного соединения в качестве сшивающего агента длина молекулярной цепи составит преимущественно от 4 до 8 атомов углерода углеводородной цепи. Плотность сшивания определяет степень поперечного сшивания. Более плотное поперечное сшивание приводит к получению более стабильного материала, но плотное поперечное сшивание (особенно в сочетании с короткой молекулярной цепью) может вызывать более высокие внутренние напряжения в материале. Относительно равномерное распределение поперечных связей является идеальным случаем, но обычно трудно достижимым. Использование низких концентраций раствора сшивающего агента при низких температурах, большая длительность химического процесса и повторение того же процесса несколько раз могут привести к лучшим результатам. В качестве примера, при использовании эпоксидного соединения в качестве сшивающего агента, как описано в патенте США №6106555, можно получить материал с хорошей стабильностью, эластичностью, плотностью и прочностью при использовании длины молекулярной цепочки от 4 до 8 атомов углерода углеводородной цепи, при концентрации от 0,1 до 2%, температуре от 4 до 24°С, длительности процесса от 3 до 10 дней и повторах обработки от 2 до 5 раз.

В качестве химических реагентов можно использовать те же реагенты, которые были описаны в настоящем документе для фиксации ткани. Процесс пришивания белков может дополнительно повысить механическую прочность ткани, плотность, жесткость и модуль упругости. Пришивание белков требует большого количества полимерных цепей для того, чтобы структура белка была существенно изменена. Некоторые высокомолекулярные полимеры могут быть пришиты к молекулам коллагена при помощи инициаторов поликонденсации. Во избежание введения опасных материалов в организм человека предпочтительно использовать поддающиеся биологическому разложению высокомолекулярные полимеры в качестве сшивающих агентов, такие как полигликолевая кислота (ПГК), полимолочная кислота (ПМК) и другие. Эти поддающиеся биологическому разложению полимеры могут метаболизироваться в организме-хозяине в цикле трикарбоновых кислот аналогично углеводам и жирам. После такой глубокой модификации белка может использоваться стерилизация гамма-излучением высокой интенсивности, вплоть до 25 кГр, не вызывая нежелательных изменений механических свойств материала на основе биологических тканей. Общее количество пришитого белка можно контролировать, поддерживая его на оптимальном уровне.

Способ

Способ изготовления биологической заплаты согласно предлагаемому изобретению с использованием тканей оболочек животных в качестве субстрата включает следующие стадии:

1. Отбор материалов и предварительная обработка: Свежие соединительнотканные оболочки животных отбирают и обрезают с целью удаления избыточных примесей и неоднородностей. Примерами соединительнотканных оболочек животных, которые могут использоваться, являются: диафрагма, плевра, перикард, сальник или стенки кишечника.

2. Щелочная обработка: Ткани оболочек замачивают в щелочном растворе. В качестве щелочного раствора может использоваться раствор NaOH, KOH или Ca(OH)₂.

3. Обезжиривание: Жиры и жирорастворимые примеси, содержащиеся в субстрате, экстрагируют органическим растворителем.

4. Фиксация с поперечным сшиванием: Молекулы коллагена субстрата подвергают поперечному сшиванию и фиксируют при помощи неальдегидного фиксатора, как более подробно описано ниже.

5. Минимизация активности антигенов: Используется активный реагент для блокирования определенных активных групп молекул белков субстрата, таких как -ОН, -NH₂, -SH и т.д., и используется реагент с высокой способностью к образованию водородных связей с целью перемещения имеющихся в них водородных связей в спиральных участках белковых молекул субстрата и изменения свойственной им конфигурации.

6. Процесс дубления: Во-первых, синтезом из мономеров получают предварительно синтезированные полимеры. Во-вторых, субстрат подвергают дегидратации обработкой в спирте. В-третьих, предварительно синтезированные полимеры затем пришивают к молекулам коллагена при помощи инициаторов поликонденсации. При использовании ПГК в качестве сшивающего агента в качестве инициатора поликонденсации может использоваться небольшое количество гликолида. При использовании ПМК в качестве сшивающего агента в качестве инициатора поликонденсации может использоваться небольшое количество лактида. Например, при использовании ПМК в качестве пришивающего белок агента для проведения процесса может потребоваться 30-50 мг лактида, растворенного в 1000 мл хлороформа. 2-3 грамма триизобутилалюминия добавляют в качестве композитного катализатора, и этот раствор перемешивают на встряхивателе в течение одного-двух часов при температуре 40-60°С. Затем добавляют 100 мл 0,1 н. раствора NaOH и перемешивают на встряхивателе в течение 30-60 минут для разрушения катализатора. Затем отбирают отделившийся водный слой (с катализатором), и предварительно синтезированные полимеры готовы для дальнейших операций. Погружают дегидратированный субстрат в раствор предварительно синтезированного полимера. Добавляют от 0,1 до 2 г лактида и от 0,5 до 5 г пропионового ангидрида в качестве инициатора и затем перемешивают на встряхивателе в течение 2-4 часов при температуре от 34 до 40°С. Вынимают мембраны и помещают их в хлороформ для очистки от остатков предварительно синтезированных полимеров. После промывки в физиологическом растворе мембрану затем помещают в физиологический раствор на 12-24 часа для восстановления влагосодержания. В результате мембрана подготовлена для следующей стадии обработки.

7. Модификация поверхности активным слоем для обеспечения активности: Процесс модификации и активации поверхности субстрата путем присоединения к поверхности субстрата активных веществ, таких как полипептиды или глюкозаминогликаны, способных присоединяться к факторам роста с образованием активного поверхностного слоя, с использованием связующего вещества. В качестве связующего вещества может использоваться диацилдиамид, ангидрид двухосновной кислоты, диэпоксид или другие бифункциональные реагенты, способные вступать в реакцию конденсации с группами NH₂, -ОН и -СООН.

Фиксатор

Фиксатором, использующимся в стадии 4 описанного выше способа, может быть реагент, который легко образует поперечные связи с молекулами белков и является одним или двумя реагентами, выбранными из эпоксидов, диацилдиамидов, диизоцианатов, полиэтиленгликолей или карбодиимидов. Этот фиксатор может быть эпоксидным соединением, которое имеет углеводородный скелет, растворимым в воде и не содержащим простых и сложных эфирных связей в своем скелете. Этот фиксатор описан в патенте США №6106555, полное описание изобретения к которому включено посредством настоящей ссылки, которое, тем не менее, изложено здесь в полном объеме. Примеры включают эпоксид, диамид, диизоцианат, полиэтиленгликоль или карбодиимид, причем эпоксид может быть моноциклическим эпоксидом, или бициклическим эпоксидом, или он может быть низкомолекулярным полиэпоксидом (таким как низкомолекулярный полиэтиленоксид или глицидиловый эфир). Эпоксид может быть моноциклическим эпоксидом , или бициклическим эпоксидом, , где R=C_nH_2n+1-, и n=0-10, и может быть низшим полиэпоксидом, таким как полипропиленоксидом.

Активные реагенты

Активными реагентами в стадии 5 описанного выше способа могут быть ангидриды низкомолекулярных органических кислот, ацилхлориды, ациламиды, моноциклические оксиды или эпоксиды, а реагентами, имеющими высокую способность к образованию водородных связей, являются соединения гуанидина.

Модификация с целью упрочнения

В описанной выше стадии 6 субстрат модифицируют путем упрочнения его белками для получения прочного субстрата. Поскольку некоторые ткани оболочек имеют механическую прочность, недостаточную для практического использования, например для заплат, которые накладывают при оперативном лечении грыж, а механическая прочность часто уменьшается в ходе биохимической обработки, проводят пришивание соответствующих веществ к молекулам коллагена, при котором к молекулам коллагена соответствующим образом пришивают полиамид, полиамин, фрагменты полиэфиров полимолочной или полигликолевой кислот. В качестве материалов используются форполимеры этих материалов, а методы включают такие методы пришивания полимеров, как конденсация, индукция и облучение. Такая модификация увеличивает механическую прочность и жесткость субстрата.

Активный слой

Описанный выше активный слой в стадии 7 присоединяют к поверхности путем прикрепления к ней активного компонента, такого как полипептид или гликозаминогликан. Одним из примеров может служить полипептид, полученный при помощи конденсации 16 остатков лизина (К16), глицина (G), аргинина (R), аспарагиновой кислоты (D), серина (S), пролина (Р) и цистеина (С). В качестве гликозаминогликана может использоваться гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат, дерматансульфат, гепарин, ацетилгепаринсульфат или кератансульфат. Эти полипептиды или гликозаминогликаны оказывают широкий спектр адгезионных и стимулирующих воздействий на факторы роста или активируют недифференцированные клетки для выполнения целенаправленной дифференциации таким образом, чтобы они смогли выполнять функцию стимуляции заживления органических тканей.

Предлагаемое изобретение обеспечивает получение следующих преимуществ. Исходными материалами являются ткани оболочек животных, включающие коллаген в качестве основного компонента, который может разлагаться со скоростью, которая совпадает со скоростью регенерации ткани, а продуктами разложения являются 20 различных аминокислот или полипептидов, которые могут поглотиться организмом и которые являются целительными для стимуляции заживления поврежденных тканей. Хирургические заплаты согласно предлагаемому изобретению не вызывают иммунного отторжения и имеют хорошую биологическую совместимость и могут вызывать регенерацию ткани и ускорять ее, обладая при этом механическими свойствами, соответствующими требованиям к механическим свойствам восстанавливаемых тканей.

Пример

Как показано на чертеже, биологическая заплата содержит: (i) субстрат 1, изготовленный из свиного или бычьего перикарда методом фиксации с поперечным сшиванием неальдегидным фиксатором, элиминацией антигенов и повышением прочности при помощи белков, и (ii) активные поверхностные слои 2, сформированные как на верхней, так и на нижней поверхности субстрата 1 путем присоединения к нему активного компонента, такого как полипептид или глюкозаминогликан. В качестве одного из примеров полипептида может служить полипептид, полученный при помощи конденсации 16 остатков лизина (К16), глицина (G),), аргинина (R), аспарагиновой кислоты (D), серина (S), пролина (Р) и цистеина (С). В качестве глюкозаминогликана используется гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат, дерматансульфат, гепарин, ацетилгепаринсульфат или кератансульфат. Способ изготовления биологической заплаты согласно предлагаемому изобретению с использованием свиного или бычьего перикарда в качестве субстрата включает следующие стадии:

1. Отбор материалов и предварительная обработка: Свежие образцы свиного или бычьего перикарда собирают на скотобойнях под надзором профессионалов согласно директивам и при соблюдении условий предотвращения контакта с загрязнителями. Предварительную стерилизацию проводят при помощи антибактериального средства с широким спектром действия типа хлорида бензалкония, азида натрия и хлоргексидина, а примеси и неоднородности удаляют и обрезают.

2. Щелочная обработка: Замачивали субстрат 1 в растворе NaOH, КОН или Са(ОН)₂ на несколько часов.

3. Обезжиривание: Жиры и жирорастворимые примеси, содержащиеся в субстрате 1, экстрагировали органическим растворителем, таким как хлороформ, этилацетат, безводный спирт, или их смесью.

4. Фиксация с поперечным сшиванием: Молекулы коллагена субстрата 1 подвергали поперечному сшиванию и фиксировали при помощи эпоксида или раствора полиэтиленгликоля в качестве фиксатора.

5. Элиминация антигенов: Определенную активную группу, а именно -ОН, -NH₂, или -SH, в молекулах белков субстрата 1 блокировали активным реагентом, таким как низкомолекулярный ангидрид органической кислоты, ацилхлорид, ациламин и моноциклический оксид, а определенную водородную связь в спиральных участках белков субстрата 1 перемещали под действием реагента, например соединения гуанидина, имеющего сильные водородные связи.

6. Процесс дубления: При использовании ПМК в качестве сшивающего агента в качестве инициатора поликонденсации использовали лактид, взятый в небольшом количестве.

7. Модификация поверхности для обеспечения активности: Активный компонент, такой как определенный полипептид или глюкозаминогликан, присоединяли к поверхности субстрата 1 при помощи связующего вещества, такого как диацилдиамин, или ангидрид двухосновной кислоты, или эпоксид, или другой бифункциональный реагент, способный вступить в реакцию конденсации с группами NH₂, -ОН и -СООН, образуя активные поверхностные слои 2 на обеих поверхностях субстрата 1.

8. Упаковка: Промывали и герметически упаковывали с одновременной радиационной стерилизацией кобальтом-60.

Хотя приведенное выше описание относится к конкретному варианту осуществления предлагаемого изобретения, следует иметь в виду, что в пределах его сущности могут иметь место различные варианты осуществления изобретения. Прилагаемая формула изобретения позволяет охватить такие варианты, как подпадающие под объем и сущность запатентованного изобретения.

1. Способ изготовления биологической заплаты для использования в хирургии, включающий следующие стадии:подготовка субстрата из ткани животного;поперечное сшивание и фиксация субстрата при помощи эпоксидного фиксатора или раствора полиэтиленгликоля;минимизация активности антигенов субстрата, при которой для блокирования активных групп, а именно: -ОН, NH₂ или -SH, в молекулах белков субстрата используют активный реагент, такой как низкомолекулярный ангидрид органической кислоты, ацилхлорид, ациламин и моноциклический оксид, а водородная связь в спиральных участках белков субстрата замещается под действием соединения гуанидина, имеющего сильные водородные связи;дубление субстрата с использованием полимолочной кислоты в качестве сшивающего агента и использование лактида в качестве инициатора поликонденсации;присоединение активного слоя к субстрату при помощи связующего вещества.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве активного слоя используют полипептид или гликозаминогликан.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что стадию поперечного сшивания и фиксации субстрата выполняют с использованием эпоксидного соединения, имеющего углеводородный скелет, растворимого в воде и не содержащего простых и сложных эфирных связей в указанном скелете.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что эпоксидное соединение выбирают из группы, включающей эпоксид, диамид, диизоцианит и карбодиамид.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ткани животного используют перикард.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что стадия дубления субстрата включает:получение полимеров из мономеров; и прививку полимеров к молекулам коллагена.

7. Биологическая заплата для использования в хирургии, изготовленная из ткани животного, содержащей субстрат с минимизированной активностью антигенов, когда для блокирования активных групп, а именно: -ОН, NH₂ или -SH, в молекулах белков субстрата используют активный реагент, такой как низкомолекулярный ангидрид органической кислоты, ацилхлорид, ациламин и моноциклический оксид, а водородная связь в спиральных участках белков субстрата замещается под действием соединения гуанидина, имеющего сильные водородные связи, и с поперечно сшитыми молекулами коллагена, к которому присоединен активный слой.

8. Заплата по п.7, отличающаяся тем, что активный слой содержит полипептид или гликозаминогликан.

9. Заплата по п.7, отличающаяся тем, что субстрат фиксирован эпоксидным соединением, имеющим углеводородный скелет, растворимым в воде и не содержащим простых и сложных эфирных связей в своем скелете.

10. Заплата по п.9, отличающаяся тем, что эпоксидное соединение выбрано из группы, включающей эпоксид, диамид, диизоцианит и карбодиамид.

11. Заплата по п.7, отличающаяся тем, что качестве ткани животного использован перикард.

12. Биологическая заплата для использования в хирургии, изготовленная способом по п.1, включающим следующие стадии:подготовка субстрата из ткани животного;поперечное сшивание и фиксация субстрата при помощи эпоксидного фиксатора или раствора полиэтиленгликоля;минимизация активности антигенов субстрата, при которой для блокирования активных групп, а именно: -ОН, NH₂ или -SH, в молекулах белков субстрата используют активный реагент, такой как низкомолекулярный ангидрид органической кислоты, ацилхлорид, ациламин и моноциклический оксид, а водородная связь в спиральных участках белков субстрата замещается под действием соединения гуанидина, имеющего сильные водородные связи;дубление субстрата с использованием полимолочной кислоты в качестве сшивающего агента и использование лактида в качестве инициатора поликонденсации;присоединение активного слоя к субстрату при помощи связующего вещества.

13. Заплата по п.12, отличающаяся тем, что активный слой представляет собой слой, содержащий полипептид или гликозаминогликан.

14. Заплата по п.12, отличающаяся тем, что субстрат фиксирован эпоксидным соединением, имеющим углеводородный скелет, растворимым в воде и не содержащим простых и сложных эфирных связей в своем скелете.

15. Заплата по п.14, отличающаяся тем, что эпоксидное соединение выбрано из группы, включающей эпоксид, диамид, диизоцианит и карбодиамид.

16. Заплата по п.12, отличающаяся тем, что минимализация активности антигенов субстрата обеспечена за счет применения активного реагента для блокирования определенных активных групп молекул белков субстрата, и использования реагента с высокой способностью к образованию водородных связей с целью замены имеющихся в них водородных связей в спиральных участках белковых молекул субстрата, и изменения свойственной им конфигурации.

17. Заплата по п.12, отличающаяся тем, что в качестве ткани животного использован перикард.