ES2967996T3 - Dispositivo médico implantable - Google Patents

Abstract

Un dispositivo médico implantable obtenido mediante polimerización con láser de dos fotones de una resina para formar una matriz tridimensional, en el que: dicha matriz tridimensional comprende una serie de niveles distribuidos en altura; y dicha matriz tridimensional comprende medios de referencia diseñados para identificar de forma única la altura de cada nivel a partir de una referencia preestablecida, mediante un microscopio multifotónico de excitación por fluorescencia; caracterizándose dicho dispositivo médico implantable porque dichos medios de referencia comprenden un sólido que tiene una sección transversal que varía con la altura. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo médico implantable

La presente invención se refiere a un dispositivo médico implantable para permitir la identificación de un nivel referenciado a un nivel de referencia en un dispositivo médico implantable.

La aprobación para utilización clínica de un biomaterial, entendido como un material natural o sintético adecuado para su implantación en organismos vivos, es siempre la última parte de un procedimiento complejo y extremadamente regulado, cuyo objetivo es demostrar la biocompatibilidad del material. De hecho, los dispositivos médicos propuestos para su distribución mundial deben seguir necesariamente normas internacionales, que son un elemento fundamental en los procesos regulatorios armonizados con el fin de garantizar estándares mínimos de seguridad, calidad y rendimiento de tales dispositivos médicos.

Deben someterse a prueba nuevos biomateriales in vivo, tras un procedimiento de implantación subcutánea.

En particular, la aprobación de dispositivos médicos implantables, tales como biomateriales, está regulada por el conjunto de normas ISO 10993.

Según estas normas, tiene que sacrificarse un número extremadamente grande de cobayas a lo largo de una serie de múltiples puntos de tiempo, establecidos expresamente con el fin de cuantificar la formación de la cápsula fibrótica, la inflamación, la presencia de células polimorfonucleares, células gigantes (células de Langhans), células plasmáticas, neovascularización, fibrosis y/o degradación del material implantado. Este procedimiento de validación y aprobación de un biomaterial de nuevo tipo conlleva, como consecuencia, costes muy elevados e implica una serie de operaciones que bien pueden considerarse poco éticas.

Precisamente, con el fin de optimizar este procedimiento y reducir los costes correspondientes, se han hecho varios intentos de introducir la microscopía intravital, que permite la observación in vivo del material implantado a nivel subcutáneo. El término “microscopía intravital” se refiere a una serie de enfoques experimentales utilizados principalmente en la observación de tumores, donde la microcirculación de órganos y tejidos se vuelve accesible a la observación directa y se monitoriza gracias a técnicas de microscopía óptica.

La microscopía intravital puede utilizarse para cuantificar diversos factores, entre ellos, la tasa de neovascularización subcutánea y de reacción a un cuerpo extraño. Esto puede observarse en cuanto a un análisis a nivel celular, simplemente gracias a la observación de un animal individual durante diferentes puntos de tiempo, sin necesidad de suprimir o someter al receptor a operaciones quirúrgicas de diversa naturaleza, una vez transcurrida la ventana temporal preestablecida.

Con este fin, a lo largo de los años se han utilizado cámaras de observación específicas (comúnmente conocidas como “cámaras de ventana”), que se implantan en el animal receptor tras operaciones quirúrgicas extremadamente invasivas. Estas cámaras de ventana se calificaron como extremadamente versátiles y eficaces en todas sus aplicaciones; sin embargo, no se tuvo en cuenta el precio a pagar por parte del receptor. De hecho, el receptor tenía que someterse a operaciones quirúrgicas repetidas, que eran extremadamente invasivas y éticamente cuestionables desde muchos puntos de vista y que llevaban al receptor a un estado de sufrimiento y estrés en toda regla durante toda la implantación. Además, dichas cámaras podían proporcionar solo una duración temporal limitada y no permitían el reposicionamiento a un nivel micrométrico del campo de observación en cada ventana de tiempo analizada secuencialmente. Todos estos motivos han hecho que las cámaras de ventana no puedan cumplir las directivas de la norma ISO 10993-6 en cuanto a la cuantificación de la respuesta debida al cuerpo extraño implantado, sin excluir así la utilización de análisis histológicos y el consiguiente sacrificio del animal.

Para superar este límite, se colocaron armazones de tamaño micrométrico tanto dentro de la cámara de la ventana como en porciones sin ningún acceso percutáneo con el fin de reducir el área de superficie de observación, en beneficio del volumen observable. Sin embargo, tales estructuras no permitían una fácil identificación de la región espacial observada en intervalos sucesivos.

El artículo de Manuela T. Raimondi et al. con el título “Three dimensional structural niches engineered via two photon laser polymerization promote stem cell homing”, ACTA BIOMATERIALIA vol. 9, núm. 1, 21/9/2012; los documentos WO2017/037108 y US2011/195496 dan a conocer ejemplos de armazones.

El objetivo de la presente invención es proporcionar un dispositivo médico implantable que no sea invasivo para el receptor.

Otro objetivo es proporcionar un dispositivo médico implantable que permita una identificación única de una región espacial observada.

Según la presente invención, los objetivos anteriores y otros se logran todavía mediante un dispositivo médico implantable proporcionado por medio de polimerización por láser de dos fotones de una resina para formar una matriz tridimensional, en el que: dicha matriz tridimensional comprende varios niveles distribuidos en altura; y dicha matriz tridimensional comprende unos medios de referencia diseñados para identificar de manera única la altura de cada nivel a partir de una referencia preestablecida, utilizando un microscopio de excitación de fluorescencia multifotónica; estando dicho dispositivo médico implantable caracterizado por que dichos medios de referencia comprenden un sólido que presenta una sección transversal que varía con la altura.

Los objetivos anteriores se logran además mediante un método, que no forma parte de la materia reivindicada, para permitir la identificación en un dispositivo médico implantable de una altura referenciada a un sistema de referencia utilizando un microscopio de excitación de fluorescencia multifotónica, que comprende la etapa de asociar con dicho dispositivo medios de referencia diseñados para identificar de manera única la altura de cada nivel a partir de una referencia preestablecida, por medio de una dependencia entre un tamaño medible de dichos medios de referencia y la altura del nivel.

Se describen características adicionales de la invención en las reivindicaciones dependientes.

Las ventajas de la presente solución con respecto a las soluciones según la técnica anterior son múltiples.

La solución propuesta consiste en un dispositivo miniaturizado dedicado a la microscopía óptica intravital centrado en la observación de la dinámica celular.

El dispositivo está constituido por una microgeometría con porosidad controlada que funciona como guía para el crecimiento de tejido recién formado. Esta microgeometría se obtiene por medio de fotopolimerización de dos fotones en un material fotosensible no citotóxico con un fotoiniciador apropiado. Dicho material, una vez revelado, es, a su vez, luminiscente bajo excitación con infrarrojos mediante absorción de dos fotones.

Por tanto, el dispositivo así obtenido se acoplará preferentemente a un biomaterial recién fabricado y se implantará en un animal según las normas vigentes. El sitio de implantación y observación se realizará sin ningún acceso percutáneo, a diferencia de las cámaras de ventana comúnmente utilizadas. El tejido del receptor colonizará el dispositivo, y la microgeometría guiará dicho recrecimiento in situ, permitiendo la neovascularización de la porción. Además, el dispositivo permitirá observaciones microscópicas repetidas a lo largo del tiempo en una misma posición espacial. Por tanto, esta tecnología permite, por primera vez, análisis cuantitativos objetivos, continuados y prolongados de la respuesta inflamatoria al implante, por medio de observaciones longitudinales no invasivas en tiempo real. Gracias a esta solución, ya no será necesario sacrificar al animal sometido a las pruebas en cada punto de tiempo de observación.

Las ventajas del dispositivo son de naturaleza tanto económica como ética.

Considerando el aspecto económico, el dispositivo permitirá la reducción de los costes de desarrollo vinculados a las pruebas de biomateriales/fármacos, así como la reducción del número de animales utilizados para el experimento.

Un gran número de animales implica grandes estructuras específicas (salas para animales), personal dedicado y altos costes de gestión.

Desde un punto de vista ético, se reduce el número de animales sacrificados y el sufrimiento vinculado a la implantación de cámaras de ventana convencionales. La ausencia total de un acceso percutáneo, proporcionado por el dispositivo, elimina por completo la necesidad de operaciones quirúrgicas largas, complejas y sumamente cuestionables éticamente en el receptor.

Las características y ventajas de la presente invención se pondrán claramente de manifiesto a partir de la siguiente descripción detallada de una forma de realización práctica de la misma, que se ilustra a título de ejemplo no limitativo en los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es una ilustración global esquemática del dispositivo médico implantable y del equipo para visualizarlo, según la presente invención, donde la figura 1a muestra los medios para la observación y adquisición de la imagen, la figura 1b muestra un dispositivo implantado, junto con una ampliación del mismo, y la figura 1c muestra un detalle de un dispositivo, con representación esquemática del recrecimiento celular;

la figura 2 muestra un dibujo de un dispositivo médico implantable según la presente invención;

la figura 3 muestra una micrografía de un dispositivo médico implantable según la presente invención;

la figura 4 es una ilustración esquemática de un dispositivo médico implantado que incluye un microscopio según la presente invención; y

la figura 5 es una ilustración esquemática de un dispositivo médico implantado, en vista en perspectiva (figura 5a) y en vista en planta superior (figura 5b), que incluye un elemento de referencia, según la presente invención.

El dispositivo implantable se produce utilizando la técnica conocida como polimerización por láser de dos fotones (2PP). Se lleva a cabo por medio de una fuente de láser con una longitud de onda en el infrarrojo cercano (NIR) enfocada en un material fotosensible constituido por un prepolímero (es decir, monómeros y oligómeros) y mediante un fotoiniciador.

Este fenómeno da como resultado una polimerización global del volumen focal, provocando reticulación in situ de los monómeros y de los oligómeros. La probabilidad de absorción de dos fotones depende cuadráticamente de la intensidad del rayo láser incidente de IR; en consecuencia, solo se produce polimerización dentro de un volumen restringido alrededor del foco. La absorción de dos fotones independientes y simultáneos provoca una transición de energía que no puede obtenerse mediante la absorción de un solo fotón infrarrojo. Considerando la dependencia no lineal anteriormente mencionada, el volumen polimerizado obtenido es menor que el volumen focal y, por tanto, permite una alta resolución, de hasta 100 nm, superando así el límite de difracción. Los dispositivos 10, cuatro de los cuales se ilustran en las figuras, se han polimerizado sobre cubreobjetos 11, que presentan un diámetro de 12 mm y/o de 5 mm (150-170 pm, BioOptica, Milán, Italia).

Para la polimerización de dos fotones de los dispositivos 10, se utilizó un láser de femtosegundos de iterbio, basado en un oscilador de cavidad vaciada con bloqueo de modo con una longitud de onda de emisión que oscila en el infrarrojo cercano.

La longitud de onda característica del láser fue de 1030 nm, la duración del pulso fue de aproximadamente 300 fs, la frecuencia de repetición fue de 1 MHz, la energía máxima del pulso fue de 1 pJ y la potencia promedio máxima fue de 1 W.

Como material fotosensible, se utilizó una resina híbrida biocompatible de polimerización por radicales conocida como SZ2080, constituida por un prepolímero y por un fotoiniciador conocido como IRG (Irgacure 369, 2-bencil-2-(dimetilamino)-1-(4-(morfolinilfenil)-1-butanona), que no es citotóxico y es ligeramente fluorescente. Otro posible fotoiniciador es BIS (4-4'bis(dietilamino)benzofenona), que es más fluorescente que el fotoiniciador anterior.

SZ2080 es un híbrido inorgánico-orgánico, cuyos componentes principales son metacriloxipropiltrimetoxisilano (MAPTMS), propóxido de zirconio (ZPO) y un 1 % del fotoiniciador IRG. El material fotorresistente SZ2080 presenta muchas ventajas, tales como biocompatibilidad, estabilidad a largo plazo, inercia química y electroquímica, buena transmisión óptica y buena estabilidad mecánica después de la polimerización, y conlleva una distorsión y reducción insignificantes de la estructura durante el revelado en comparación con otros materiales fotorresistentes disponibles comercialmente.

Esta resina se depositó mediante colada por goteo sobre cubreobjetos, en cantidad controlada: 30-40 pl por cada cubreobjetos de 12 mm y 2 pl por cada cubreobjetos de 5 mm, que posteriormente se sometieron a una etapa de horneado a 105 °C durante 60 min.

En este momento, cada muestra se microestructuró por medio de exposición directa a un rayo láser enfocado.

Se utilizaron portaobjetos que permiten la traslación de la muestra, montados sobre un portamuestras fijado con respecto al sistema de movimiento en las tres dimensiones espaciales, permitiendo así escribir geometrías complejas en la resina.

Los comandos de movimiento se emitieron por medio de un software de código G, un lenguaje comúnmente utilizado en máquinas herramienta de control numérico.

En una forma de realización proporcionada a título de ejemplo, el programa de software se escribió para que llenara, en primer lugar, con todas las columnas la superficie circular configurada en los parámetros; luego, se formaron todas las rejillas en los distintos planos, en primer lugar, en una dirección y luego en la otra; por último, se obtuvieron columnas (pilares) reforzadas, diseñadas para aportar mayor estabilidad a toda la microrrejilla.

Finalmente, las porciones de resina no irradiadas se eliminaron mediante una disolución de revelado específica a base de alcohol (el 50 % (v/v) de 3-pentanona, el 50 % (v/v) de alcohol isopropílico, Sigma-Aldrich, EE. UU).

Cada dispositivo 10, en una foram de realización preferida, presentaba una forma constituida por una matriz de líneas verticales delgadas 20 (columnas) entrelazadas con diversas líneas horizontales delgadas 21 (X, Y), constituyendo así varios niveles y determinando una secuencia de poros cúbicos. Estos poros cúbicos, cada uno de los cuales presentaba un lado de 20 pm, estaban situados uno al lado del otro formando una estructura cuadrada resultante con un lado total de 500 pm. Los niveles verticales eran cinco y la altura total consecuente era de 100 pm. Estas dimensiones podrían variar según la necesidad.

Preferentemente, cada cuatro columnas 21 hay una columna que presenta un diámetro de dos a diez veces mayor que el de las otras columnas para formar un pilar 22.

Los pilares 22 son la estructura elemental más fuerte de todo el dispositivo. Desempeñan un papel de apoyo para el dispositivo y emiten una señal fluorescente significativa en la microscopía óptica de fluorescencia de excitación de dos fotones (TPEF), facilitando así la operación de enfoque y posiblemente la corrección de cualquier aberración de la imagen debida al sistema óptico del microscopio utilizado para la observación y a la distorsión del haz por el tejido biológico.

Entonces, en una forma de realización de la presente invención, colocados en cuatro porciones de extremo del soporte 11, hay cuatro espaciadores 12 (que presentan un lado de 500 pm y una altura de 100 pm, y en cualquier caso una altura igual a la altura del dispositivo 10), que realizan una función de soporte estructural de un posible biomaterial 13, que se situará encima del mismo.

El reposicionamiento espacial para poder ver cada vez el punto de interés exacto, que debe realizarse en cada ventana de tiempo de observación, se garantizó mediante puntos de referencia específicos apropiadamente polimerizados.

En particular, junto a un dispositivo 10 se polimerizó al menos un cono truncado 40. La idea detrás de esto era proporcionar información sobre el posicionamiento espacial a lo largo de la coordenada vertical de penetración (Z).

El cono truncado 40 es un dispositivo de referencia, que define la altura enfocada en el análisis mediante el microscopio de fluorescencia de excitación de dos fotones (TPEF), o más en general el microscopio de fluorescencia de excitación multifotónica, y alternativamente mediante un microscopio confocal. En la etapa de implementación, los diámetros de la base inferior y de la base superior se definieron para que se obtuviera una dependencia lineal entre el diámetro del cono, a una altura dada, y la altura desde el soporte 11 o la altura desde cualquier otro elemento de referencia.

En consecuencia, el operario tiene que medir la dimensión (diámetro) del cono en el plano focal actual para verificar la altura del nivel observado.

En lugar del cono 40, es posible utilizar otras figuras tridimensionales que presenten al menos uno de sus lados inclinado, o en cualquier caso que presenten una sección transversal variable, lo que permite que se obtenga una dependencia lineal, o incluso una dependencia no lineal, entre una dimensión medible y la altura del nivel con respecto a un plano de referencia.

Si, entonces, el cono 40 está posicionado de un modo asimétrico con respecto al dispositivo 10, también es posible definir el origen de los ejes X e Y, y así definir con un único marcador las tres coordenadas del dispositivo 10.

Puede estar previsto, por ejemplo, posicionar el cono 40, en un modo único, a lo largo de un lado del dispositivo 10, en las proximidades de una esquina, y con respecto a la esquina situada en sentido antihorario (o en sentido horario).

El cono 40 estará ubicado cerca de una esquina que será el origen de los ejes, donde el eje Y estará dispuesto a lo largo del lado junto al cual está situado el cono 40.

Para facilitar el reconocimiento espacial del dispositivo y, en particular, para determinar los ejes X e Y, se proporcionaron otros puntos de referencia en forma de marcas identificables; por ejemplo, estaban presentes algunas referencias de seguimiento 41 para permitir un rápido reposicionamiento del microscopio en diferentes puntos de tiempo. En la parte central, las líneas de enfoque se polimerizaron a lo largo del eje positivo Y para indicar la dirección. Por tanto, la posición de las líneas de enfoque cerca de un dispositivo indica la dirección del eje X. En efecto, estas líneas se polimerizaron siempre desde la posición inicial hasta la posición final.

El dispositivo así obtenido puede utilizarse, una vez implantado, para observar el crecimiento y la vascularización del tejido por medio de microscopía intravital.

Alternativamente, el dispositivo puede utilizarse para someter a prueba reacciones a nuevos biomateriales.

Con los dispositivos 10 colocados sobre el soporte 11, el biomaterial 13 se adhiere a los espaciadores 12.

Para este fin, puede utilizarse una cola monocomponente o también una cola biocompatible que puede polimerizarse mediante radiación UV.

En las figuras, se ilustran cuatro dispositivos 10 colocados sobre un soporte 11, pero según la necesidad es posible instalar desde un dispositivo hasta tantos como se desee o tantos como puedan instalarse en función del tamaño del propio soporte.

En una forma de realización alternativa, el dispositivo 10 puede emplearse sin la utilización de un soporte 11.

Esto se obtiene, tal como se describió anteriormente, con la utilización de un soporte, pero el enfoque del láser de femtosegundos no debe realizarse en las proximidades del soporte, sino partiendo de una distancia mínima del soporte para polimerizar el dispositivo 10 dentro de la resina SZ2080, dejando parte de la resina sin polimerizar entre el dispositivo 10 y el soporte subyacente. De este modo, el dispositivo no está limitado al soporte 11 sino que puede recogerse, utilizando unos medios apropiados, e implantarse directamente sin el soporte.

En otra forma de realización de la presente invención, el dispositivo puede incluir el cono truncado 40; es decir, en lugar de proporcionar el cono truncado 40 sobre el soporte 11 en una posición particular, el cono truncado 47 se proporciona dentro de la estructura de rejilla del propio dispositivo 48.

El posicionamiento del tronco de cono 47, que por sí mismo permite la evaluación del posicionamiento a lo largo del eje Z, debe ser preferentemente asimétrico con respecto al dispositivo 48 con el fin de poder identificar el origen de los ejes X e Y.

Un microscopio de TPEF 50 resulta ser la mejor técnica para observar el dispositivo 10, una vez implantado debajo de la epidermis 51, pero también pueden utilizarse microscopios multifotónicos o confocales.

La excitación de dos fotones es un proceso no lineal correlacionado con la absorción simultánea de dos fotones. La suma de las energías de los dos fotones infrarrojos (desde 690 nm hasta 1600 nm) es suficiente para producir una transición molecular a un estado electrónico excitado, lo que provoca una emisión fluorescente.

La excitación de dos fotones requiere un campo eléctrico de alta intensidad suministrado por láseres de femtosegundos con una alta tasa de repetición. Esta luz se enfoca sobre el punto de excitación mediante lentes de alta apertura numérica (NA).

Las principales ventajas de TPEF residen en la profundidad de penetración, en la alta localización del volumen de excitación y en la técnica utilizada para la detección de luz. De hecho, a diferencia del caso de la microscopía confocal, se utiliza toda el área sensible del detector, lo que permite la aplicación de TPEF a muestras que son densas (hasta una profundidad de 300-1000 pm) y turbias.

Este proceso también proporciona una ventaja práctica inmediata sobre la microscopía confocal, ya que se evita la excitación fuera de foco, reduciendo así el fotodaño en el plano fuera de foco, manteniendo la posibilidad de presentar imágenes perfectamente claras en el plano focal durante el escaneo a lo largo del eje óptico.

Las imágenes se obtienen mediante excitación de dos fotones inducida por radiación con una longitud de onda de 800 nm. Las imágenes tomadas en cada nivel (diferentes alturas desde la base del dispositivo 10) se capturan mediante un ordenador 52 y se analizan y se ensamblan para constituir una imagen tridimensional.

Para cada nivel del dispositivo 10, se obtendrá, por tanto, una imagen a partir de la cual es posible identificar de forma única la altura, por medio del cono 40, a partir de un plano de referencia que puede ser el propio dispositivo o el soporte 11. La utilización de sistemas de referencia internos al dispositivo que codifican la posición de observación hace que tal posicionamiento sea independiente de posibles imperfecciones en la calibración del sistema de escaneo del microscopio de dos fotones. Además, la estructura geométrica regular conocida del dispositivo permite el control de la presencia de aberración de la imagen debida a la óptica del microscopio y/o a las distorsiones del rayo láser como resultado de la propagación en el tejido biológico.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo médico implantable (48) obtenido por medio de polimerización por láser de dos fotones de una resina para formar una matriz tridimensional, en el que: dicha matriz tridimensional comprende varios niveles distribuidos en altura; y dicha matriz tridimensional comprende unos medios de referencia (47) diseñados para identificar de manera única la altura de cada nivel a partir de una referencia preestablecida por medio de un microscopio de excitación de fluorescencia multifotónica; estando dicho dispositivo médico caracterizado por que dichos medios de referencia (47) comprenden un sólido que presenta una sección transversal que varía con la altura.

2. Dispositivo médico implantable (10) obtenido por medio de polimerización por láser de dos fotones de una resina para formar una matriz tridimensional, en el que: dicha matriz tridimensional comprende varios niveles distribuidos en altura; estando dicho dispositivo colocado sobre un soporte (11); unos medios de referencia (40) polimerizados junto a dicho dispositivo (10) y colocados sobre el soporte (11), estando dichos medios de referencia (40) diseñados para identificar de manera única la altura de cada nivel a partir de una referencia preestablecida por medio de un microscopio de excitación de fluorescencia multifotónica; estando dicho dispositivo médico (10) caracterizado por que dichos medios de referencia (40) comprenden un sólido que presenta una sección transversal que varía con la altura.

3. Dispositivo según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que dichos medios de referencia (40, 47) comprenden un cono truncado.

4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado por que dicho cono truncado está colocado en una posición asimétrica con respecto a dicha matriz tridimensional.

5. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado por que dicho cono truncado está colocado, sobre un lado de dicha matriz tridimensional, en la proximidad de una esquina, y con respecto a la esquina está posicionado en un sentido antihorario.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dichos medios de referencia (40, 47) comprenden unas referencias de seguimiento para definir los ejes X e Y.

7. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho dispositivo está constituido por una matriz de columnas (20) entrelazadas con diversas líneas delgadas horizontales (21), para constituir dichos niveles y para determinar una secuencia de poros cúbicos de tamaño controlable y conocido.

8. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho dispositivo está colocado sobre un soporte (11).

9. Dispositivo según la reivindicación 8, caracterizado por que dicho soporte (11) comprende una pluralidad de espaciadores (12) y por que un biomaterial está fijado a dichos espaciadores (12).

10. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho dispositivo presenta unas dimensiones de aproximadamente 500 pm x 500 pm x 100 pm, con poros cúbicos, cada uno de los cuales presenta un lado de 20 pm.