Искусственный нерв с функцией восстановления синаптических связей

Искусственный нерв с функцией восстановления синаптических связей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области нейрохирургии, а именно к искусственным нервам на основе полимеров, и может быть использовано при искусственной иннервации живых органов и тканей, а также при изготовлении бионических устройств.

Известен медицинский искусственный трансплантат ствола нерва, включающий оболочку или оболочку со вставленным в нее строительным волокном, при этом оболочка содержит множество микропор, и оболочка и/или строительное волокно содержат фиброин шелка (ЕР 1938774 A1, A61F 2/04, 02.07.2008).

Недостатком описанного трансплантата является то, что он может служить только для восстановления поврежденных участков нервов и не способен передавать сигнал исполнительному органу.

Известен токопроводящий полимерный композит, состоящий из поликапролактонового фумарата и полипиррола (электропроводящего полимера), предназначенный для регенерации нерва. При пропускании сквозь нерв тока в присутствии упомянутого композита наблюдалось восстановление нервного волокна в направлении приложенного тока (US 2013331869 A1, A61F 2/04, 12.12.2013).

Ограничение в использовании описанного композита заключается в том, что его нельзя использовать в качестве отсутствующих участков нерва, принимающих или передающих сигнал органам.

Наиболее близким аналогом является искусственный нерв, представляющий собой среду по крайней мере из одного органического электропроводящего полимера, которая обладает сквозной пористостью с порами, заполненными раствором ионов натрия и калия, и которая обвита по крайней мере одним слоем полимерного диэлектрика, причем по крайней мере на один конец искусственного нерва нанесена катионнообменная мембрана (RU 2564558 C1, A61F 2/00, 10.10.2015).

Данный нерв предназначен, в первую очередь, для использования в бионических конечностях, при том как возбуждение живых мышц с помощью него ограничено тем, что он способен воздействовать на них только гальваническим током. Вместе с тем общеизвестным является тот факт, что такое возбуждение при отсутствии биохимических реакций, происходящих в синапсе, обеспечивает лишь вялое неполноценное движение мышц.

Задачей изобретения является повышение эффективности и функциональности искусственного нерва.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности искусственного нерва восстанавливать нервно-мышечные синаптические связи и, как следствие, улучшение качества нервно-мышечной передачи, а также увеличение сродства искусственного нерва с живым нервным волокном и обеспечение возможности регенерации аксонов живого нерва, сшиваемого с искусственным, при отсутствии необходимости проведения внешней электростимуляции во время лечения, при сохранении низкого времени отклика, сопротивления, достаточной упругости и прочности искусственного нерва.

Технический результат достигается с помощью предложенного искусственного нерва, представляющего собой среду (1) из органического электропроводящего вещества, которая обладает сквозной пористостью с порами, заполненными раствором ионов натрия и калия, и которая обвита по крайней мере одним слоем полимерного диэлектрика (2), по крайней мере на один конец искусственного нерва нанесена катионнообменная мембрана, при этом органическим электропроводящим веществом является полипиррол или полимерная композиция на его основе, среда из полипиррола или композиции на его основе содержит по меньшей мере одну сквозную полость (3) с непористыми стенками, по меньшей мере одна сквозная полость содержит по меньшей мере одно входящее отверстие (4), расположенное в поперечном сечении конца искусственного нерва (5) с нанесенной на него катионнообменной мембраной, и по меньшей мере одно выходящее отверстие (6), расположенное на стенке искусственного нерва или на его другом конце (7).

Предложенный искусственный нерв изображен на фиг. 1, на которой цифрами обозначены следующие элементы:

1 - среда из органического электропроводящего вещества,

2 - слои полимерного диэлектрика,

3 - сквозная полость,

4 - входящее отверстие,

5 - конец искусственного нерва с нанесенной на него катионнообменной мембраной,

6 - выходящие отверстия,

7 - другие концы искусственного нерва.

Для регенерации нервного волокна в живом организме необходимы следующие основные условия: сохранение целостности эпиневрия и/или периневрия, сохранение целостности эндоневрия и расположенной под ним миелиновой оболочки (в случае миелинизированных аксонов) и соответственно наличие полости внутри перечисленных оболочек, где будут прорастать аксоны.

Электростимуляция и создание потенциала действия в объеме нерва, в первую очередь, с помощью мысли способствуют регенерации нервного волокна.

Известно, что полипирролы, внедренные в нервную ткань, под воздействием электричества могут способствовать восстановлению разорванных нервных волокон (Химический журнал, декабрь 2002, с. 31, 2-й столбец). В /US 2013331869 A1, A61F 2/04, 12.12.2013/ в качестве вещества для восстановления нерва используется композиция из поликапролактонового фумарата и полипиррола.

Таким образом, если сшить один конец предложенного искусственного нерва с живым, а другой конец (-цы) подвести к мышечным волокнам, будут происходить следующие процессы. Как и в прототипе, за счет возникновения в нерве гальванического тока, формируемого движением ионов натрия и противоположным движением ионов калия, сразу после операции под действием нервных импульсов мышцы будут в какой-то степени возбуждаться. Нервные волокна станут прорастать в сквозные полости искусственного нерва, содержащего вещество, способствующее их регенерации - полипиррол или полимерную композицию на его основе. Стимуляция их роста в полипирролсодержащей среде будет происходить за счет гальванического тока. Следовательно, необходимость внешней электростимуляции отпадает, поскольку сам искусственный нерв ее и обеспечивает.

Когда аксоны прорастут до мышечных волокон, начнется восстановление нервно-мышечной синаптической связи. Известно, что если клетка мышцы полностью денервирована, она выделяет фактор, побуждающий ближайшие аксоны к образованию веточек для восстановления иннервации (Албертс Б., Брей Д. Молекулярная биология клетки, т. 5, пер. с англ. - М.: Мир, 1987, с. 146, 1-2-й абзацы).

Таким образом, веточка аксона, подойдя к мышечному волокну, образует нервные окончания (терминали), которые размещаются на поверхности волокна в специальных вытянутых углублениях (бороздках) таким образом, что между мембраной терминали аксона и мембраной волокна вдоль всей длины терминали остается зазор размером в 40-50 нм, называемый синаптической щелью. Терминаль аксона и углубление сарколеммы (клеточной мембраны мышечного волокна) покрываются шванновской клеткой.

В большинстве случаев необходимо обеспечить выход аксонов одного нерва к различным частям мышц(-ы). Для этого необходимо, чтобы выходящие отверстия в полости были расположены на стенках нерва или на стенках нерва и по меньшей мере на одном его другом конце.

Таким образом, предложенный бионический нерв обладает функцией восстановления нервно-мышечной синаптической связи.

Полимерная композиция на основе полипиррола может представлять собой смесь полипиррола по крайней мере с одним веществом, выбранным из группы: полиазулен, политиофен, поли-α-нафтиламин и поликапролактоновый фумарат. Полиазулен, политиофен, поли-α-нафтиламин являются электропроводящими полимерами, обладающими высокой биосовместимостью с нервной тканью, а также свойством в некоторой степени заживлять нервы. Поликапролактоновый фумарат также способствует регенерации нервной ткани.

Полимерный диэлектрик может быть выбран из группы: полиэтилен, полистирол, смесь полистирола и его сополимера, политетрафторэтилен, полиамид и их смесь. Указанные вещества отличаются высокой температуро- и химической устойчивостью.

В качестве катионнообменной мембраны можно использовать мембрану марки МК-40 или мембрану марки nafion-117, которые обладают высокой химической устойчивостью. Мембрана МК-40 является наиболее доступной, а мембране nafion-117 свойственна повышенная стойкость от набухания при соприкосновении с водой.

Раствор калия и натрия может представлять собой, например, раствор KCl и NaCl.

Для усиления проходящего импульса искусственный нерв может дополнительно содержать нановолокна поливинилиденфторида.

В случае, если искусственный нерв должен играть роль чувствительного или смешанного, к его концу должна быть присоединена матрица из пьезоэлектриков, в роли которых могут служить, например, элементы из пьезоэлектрической керамики, изготовленной из цирконататитаната свинца PbZrO₃ - PbTiO₃, или элементы, состоящие из Bi₁₂GeO₂₈ или Bi₁₂SiO₂₀, однако в виду высокой прочности и чувствительности (восприимчивости к соприкосновению) предпочтительно использовать нановолокна поливинилиденфторида. При реализации такой схемы движение пьезоэлектриков приведет к созданию сигнала-чувства, идущего в мозг. Наряду с этим генерируемый матрицей пьезоэлектриков электрический импульс спровоцирует электростимуляцию прорастающих в полости бионического нерва аксонов гальваническим током, как это реализуется по описанной ранее схеме и в случае двигательных нервов.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1

Был изготовлен искусственный нерв длиной 10 см, толщиной (без учета диэлектрика) 1,7 мм. Вначале произвели смешивание полипиррола и вспенивателя при следующем соотношении компонентов, мас. %:

полипиррол	94
вспениватель	6

В качестве вспенивателя использовали порофор марки ДФ-3. Полученную смесь постепенно нагревали до температуры 240°C, то есть до температуры, достаточной для разложения порофора, выдержали в течение 4 мин - до завершения процесса сквозного порообразования, остудили до температуры 150°C и начали пропускать через фильеру диаметром 1,7 мм. После фильеры полученную нить охладили до температуры 60°C, подрезали до нужного размера и в течение 5 мин пропитывали нагретым до температуры 60°C раствором, содержащим 9 мас. % NaCl и 9 мас. % KCl. Затем нить обвили слоем диэлектрика, состоящим из политетрафторэтилена, толщиной 25 мкм, остудили до комнатной температуры, и на концы нанесли катионнообменную мембрану МФ-4СК.

Далее нить под разными углами проткнули 4-мя нагретыми до температуры 310°C металлическими иглами толщиной по 2 мкм и быстро извлекли их из нити. Таким образом 4 входящих отверстия в полости были созданы в поперечном сечении одного конца нерва, а 4 выходящих - на стенках нерва на всем его протяжении, что необходимо для дальнейшего врастания аксонов в разные части мышцы.

Таким образом по всей длине изготавливаемого нерва были созданы сквозные полости. Температура 310°C, немногим превышающая температуру плавления полипиррола, обеспечивает практически полное закрытие сквозных пор на границе металлическая игла/искусственный нерв, а также надрыв катионнообменной мембраны со спаиванием ее надорванных концов с полипирролом. Быстрое извлечение игл из нити необходимо, чтобы полипиррол не продолжил плавиться, заполняя сквозные поры в остальном объеме нерва.

Далее концы нерва опустили в раствор, содержащий 9 мас. % NaCl и 9 мас. % KCl.

С нерва частично сняли слой политетрафторэтилена.

Пропуская ток 4-х режимов посредством соприкосновения игольчатых электродов с оголенными от диэлектрической оболочки участками, определяли время отклика, сопротивление и скорость проведения импульса. Пропуская ток посредством соприкосновения игольчатых электродов с целостными участками нити, вычисляли удельное сопротивление диэлектрической оболочки.

Также проводились исследования на упругость, прочность при растяжении и сжатии.

Измеренные характеристики искусственного нерва представлены в таблице 1.

После измерений с одного конца нерва была полностью удалена катионнообменная мембрана.

Вторая часть опыта заключалась в том, что под наркозом лягушке начали производить замену искусственного нерва-прототипа, представляющего собой протез нижней части мышечного нерва задней левой лапки. Лягушку поместили в спиртовой раствор, содержащий бензокаин, на 20 мин. После ее обездвижения, свидетельствовавшего о наступлении анестезии, хирургу было предложено произвести замену протеза нижней части мышечного нерва задней левой лапки таким образом, чтобы вживляемый нерв проходил так же, как должен проходить настоящий, причем чтобы оголенные от диэлектрика части нерва соприкасались с мышцами.

После удаления старого протеза мышечного нерва на конце его нового аналога механическим способом сделали углубление, поместили в углубление активированный конец живого нерва таким образом, чтобы и волокно, и оболочка последнего имели соприкосновение с электропроводящим полимером, но при этом чтобы поры полимера, содержащие раствор ионов натрия и калия, были полностью закрыты мембраной. Затем по совмещаемым краям наложили эпиневральные швы с помощью медицинского полиуретанового клея КЛ-3.

Через несколько часов после операции лягушка могла вяло и со слабой амплитудой совершать движения прооперированной лапкой. Спустя несколько дней можно было сделать заключение о приживлении имплантата.

При совершении прыжков первое время у лягушки по-прежнему была разница в силе отталкивания обеих задних лапок, однако с каждым днем их сила отталкивания выравнивалась. Уже через 10 дней левая задняя лапа позволяла лягушке прямолинейно прыгать на расстояния порядка 20-30 см. Для специалиста в области неврологии очевидно, что без восстановления синаптических связей только лишь за счет возбуждения мышц гальваническим током это невозможно.

Электромиостимуляция задней левой лапки прибором "радиус 01" сопровождалась подергиванием исследуемой лапки. Это свидетельствовало о прорастании в полостях искусственного нерва аксонов и образовании нервно-мышечных синаптических связей, поскольку общеизвестным является факт, что без этих условий мышцы не способны возбуждаться фарадическим током электростимулятора.

Пример 2

Был изготовлен искусственный нерв длиной 25 см, толщиной (без учета диэлектрика) 2,5 мм. Искусственный нерв являлся аналогом хвостового нерва кошки.

Вначале произвели смешивание полипиррола, полиазулена, поли-α-нафтиламин и вспенивателя при следующем соотношении компонентов, мас. %:

полипиррол	83
полиазулен	6
поли-α-нафтиламин	4
вспениватель	7

В качестве вспенивателя использовали порофор n-толуолсульфонилсемикарбазид (PTSS). Полученную смесь постепенно нагревали до температуры 260°C, то есть до температуры, достаточной для разложения порофора, выдержали в течение 4 мин до завершения процесса сквозного порообразования, и остудили до температуры 150°C. Затем добавили в нее нановолокна поливинилиденфторида в количестве 9 мас. % и начали пропускать через фильеру диаметром 2,5 мм. После фильеры полученную нить охладили до температуры 60°C, подрезали до нужного размера и в течение 5 мин пропитывали нагретым до температуры 60°C раствором, содержащим 7 мас. % NaCl и 7 мас. % KCl. Затем нить обвили слоем диэлектрика, состоящим из полистирола и стирол-бутадиен-стирола, толщиной 20 мкм, остудили до комнатной температуры, на концы нанесли катионнообменную мембрану марки МК-40.

Далее нить под разными углами проткнули 6-ю нагретыми до температуры 310°C металлическими иглами толщиной по 2,5 мкм и быстро извлекли их из нити. Таким образом 6 входящих отверстий в полости были созданы в поперечном сечении одного конца нерва, а 6 выходящих - на стенках нерва на всем его протяжении, что необходимо для дальнейшего врастания аксонов в разные части мышцы.

Концы нерва поместили в раствор, содержащий 7 мас. % NaCl и 7 мас. % KCl.

С нерва частично сняли слой полистирола и стирол-бутадиен-стирола.

Пропуская ток 4-х режимов посредством соприкосновения игольчатых электродов с оголенными от диэлектрической оболочки участками, определяли время отклика, сопротивление и скорость проведения импульса. Пропуская ток посредством соприкосновения игольчатых электродов с целостными участками нити, вычисляли удельное сопротивление диэлектрической оболочки.

Измеренные характеристики искусственного нерва представлены в таблице 1.

После измерений с одного конца нерва была полностью удалена катионнообменная мембрана.

Вторая часть опыта заключалась в том, что под общим наркозом начали производить замену искусственного нерва-прототипа кошке. Хирургу было предложено произвести искусственную иннервацию таким образом, чтобы вживляемый нерв проходил так же, как должен проходить настоящий хвостовой нерв кошки, причем чтобы оголенные от диэлектрика части нерва соприкасались с мышцами.

Вначале механическим способом сделали на конце искусственного нерва углубление, поместили в углубление активированный конец живого нерва таким образом, чтобы и волокно, и оболочка последнего имели соприкосновение с электропроводящим полимером, но при этом чтобы поры полимера были полностью закрыты мембраной. Затем по совмещаемым краям наложили эпиневральные швы.

По истечении двух суток после операции кошка могла со слабой амплитудой совершать медленные движения хвостом, как и с нервом-прототипом. Еще спустя несколько дней можно было сделать заключение о приживлении имплантата.

С каждой неделей кошка могла махать хвостом с большей скоростью и амплитудой, а по истечении месяца хвост стал реагировать движением в ответ на электромиостимуляцию прибором "радиус 01", что свидетельствовало о прорастании в полостях искусственного нерва аксонов и образовании нервно-мышечных синаптических связей.

В связи с тем, что искусственный нерв способен восстанавливать нервно-мышечные синаптические связи, таким образом значительно улучшая качество нервно-мышечной передачи, а также он характеризуется высоким сродством с живым нервным волокном и обеспечивает регенерацию аксонов живого нерва, сшиваемого с искусственным, без проведения внешней электростимуляции, обладая при этом низким временем отклика, сопротивлением, достаточной упругостью и прочностью, он во многом способен заменить настоящий.

1. Искусственный нерв, представляющий собой среду из органического электропроводящего вещества, которая обладает сквозной пористостью с порами, заполненными раствором ионов натрия и калия, и которая обвита по крайней мере одним слоем полимерного диэлектрика, по крайней мере на один конец искусственного нерва нанесена катионнообменная мембрана, отличающийся тем, что органическим электропроводящим веществом является полипиррол или полимерная композиция на его основе, среда из полипиррола или композиции на его основе содержит по меньшей мере одну сквозную полость с непористыми стенками, по меньшей мере одна сквозная полость содержит по меньшей мере одно входящее отверстие, расположенное в поперечном сечении конца искусственного нерва с нанесенной на него катионнообменной мембраной, и по меньшей мере одно выходящее отверстие, расположенное на стенке искусственного нерва или на его другом конце.

2. Искусственный нерв по п. 1, отличающийся тем, что полимерная композиция на основе полипиррола представляет собой смесь полипиррола по крайней мере с одним веществом, выбранным из группы: полиазулен, политиофен, поли-α-нафтиламин и поликапролактоновый фумарат.

3. Искусственный нерв по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит нановолокна поливинилиденфторида.

4. Искусственный нерв по п. 1, отличающийся тем, что к его концу присоединена матрица из пьезоэлектриков.