RU2191607C2 - Device for carrying cellular cultures of artificial visceral organs - Google Patents

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: device has porous titanium nickelide part with pore size distribution favorable for cellular culture metabolism and hindering immune bodies to propagate. Alloy phase transformation temperature is selected to be equal to 0-60 C to enable inertial temperature stabilization to take place. EFFECT: prolonged service life. 4 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике. Одним из прогрессивных направлений развития современной радикальной медицины является частичное или полное замещение функций заболевшего органа посредством имплантации аналога этого органа, изготовленного по известной технологии из чужеродных организму клеток. Основную задачу при разработке и использовании таких имплантатов составляет подавление иммунной реакции организма. Одним из известных и простых решений этой задачи является применение иммунодепрессантов - фармакологических средств, подавляющих иммунитет. Их действие непродолжительное, что является причиной низкой эффективности самого способа, учитывая высокую послеоперационную летальность, высокую стоимость операции. The invention relates to medical equipment. One of the progressive directions in the development of modern radical medicine is the partial or complete replacement of the functions of a diseased organ through implantation of an analogue of this organ made using known technology from cells foreign to the body. The main task in the development and use of such implants is the suppression of the body's immune response. One of the known and simple solutions to this problem is the use of immunosuppressants - pharmacological agents that suppress immunity. Their effect is short, which is the reason for the low efficiency of the method itself, given the high postoperative mortality, high cost of the operation.

Более эффективна защита имплантированных клеток помещением их в иммуноизолированное вместилище - носитель клеточной культуры - различного конструктивного оформления. В общем они представляют собой замкнутый объем с перфорированными или пористыми стенками (в т.ч. сосуд), вмещающий клеточную суспензию. При размере просвета перфорации или пор порядка 0,3 мкм через такую преграду свободно осуществляется обмен веществ и исключается проникновение иммунных тел (макрофаги, лимфоциты, лейкоциты), имеющих большие размеры. The protection of implanted cells is more effective by placing them in an immuno-isolated receptacle - the carrier of cell culture - of various structural design. In general, they are a closed volume with perforated or porous walls (including a vessel) containing a cell suspension. With a perforation or pore size of the order of 0.3 μm, a metabolism is freely carried out through such an obstacle and the penetration of immune bodies (macrophages, lymphocytes, leukocytes) having large sizes is excluded.

Известен носитель клеточных культур искусственных внутренних органов [1] в виде металлического контейнера с перфорированными стенками. Размер префораций составляет порядка 0,3 мкм. Недостаток этого носителя заключается в малом сроке службы вследствие зарастания отверстий и инкапсуляции устройства плотной соединительной тканью. Known carrier cell cultures of artificial internal organs [1] in the form of a metal container with perforated walls. The size of the preforms is about 0.3 microns. The disadvantage of this carrier is its short service life due to overgrowth of holes and encapsulation of the device with a dense connective tissue.

Известен носитель клеточных культур искусственных внутренних органов [2] , выполненный в виде сплошного шаровидного или дисковидного объема из сплава с преимущественным содержанием никеля и титана. Структура сплава проницаемопористая с преимущественным размером входных пор до 0,3-0,5 мкм. Для функционирования носитель пропитывают суспензией клеточной культуры, замещающей частично или полностью заболевший орган, и помещают в наименее травмируемую область тела больного (в брыжейку кишки, подкожно в область живота с помощью троакара). Через поры носителя свободно осуществляется диффузия метаболитов и затруднен доступ иммунных клеток. Вследствие высокой биомеханической совместимости никелида титана устройство не капсулируется, и диффузная способность носителя сохраняется длительное время. Преимущества этого имплантата по сравнению с другими, ранее известными, столь значительны (в десятки раз по сроку службы), что его основа составляет концепцию дальнейшего развития современной хирургии. Known carrier cell cultures of artificial internal organs [2], made in the form of a continuous spherical or disk-shaped volume of an alloy with a predominant content of Nickel and titanium. The alloy structure is permeable with a predominant input pore size of up to 0.3-0.5 microns. For functioning, the carrier is impregnated with a suspension of cell culture that replaces a partially or completely diseased organ, and placed in the least injured area of the patient's body (in the mesentery of the intestine, subcutaneously in the abdomen using a trocar). Through the pores of the carrier, metabolites are freely diffused and the access of immune cells is difficult. Due to the high biomechanical compatibility of titanium nickelide, the device is not encapsulated, and the diffuse ability of the carrier is maintained for a long time. The advantages of this implant compared with others previously known are so significant (ten times the service life) that its basis is the concept of the further development of modern surgery.

Данный имплантат по наибольшему сходству принят за прототип предлагаемого изобретения. This implant is most similarly accepted as a prototype of the invention.

Недостаток прототипа - малый срок службы. The disadvantage of the prototype is the short service life.

Технический результат предложения - увеличение срока службы носителя. The technical result of the proposal is to increase the service life of the medium.

Указанный технический результат достигается тем, что в носителе клеточных культур искусственных внутренних органов, содержащем сплошной объем из пористого сплава на основе никелида титана, сплав выбран с температурным интервалом фазовых превращений, включающим область рабочих температур 0-60^oС.The specified technical result is achieved by the fact that in the carrier of cell cultures of artificial internal organs containing a continuous volume of a porous alloy based on titanium nickelide, the alloy is selected with a temperature range of phase transformations, including an operating temperature range of 0-60 ^o C.

Срок службы искусственного органа определяется продолжительностью жизни имплантированных клеток, которая в свою очередь зависит от степени соответствия нормальных и обеспечиваемых носителем процессов жизнедеятельности. Важным условием выполнения таких требований является поддержание стабильности. Чем стабильнее во времени температура носителя, тем длительнее функционирование регенерации клеток. Поэтому предметом особой заботы при производстве и использовании клеточной культуры является термостабилизация процесса и особенно исключение резких перепадов температуры клеточной культуры. В лабораторных условиях "in vitro" задача термостабилизации не представляет технической трудности. В организме человека термостабилизация осуществляется физиологией тканей, содержащих имплантат. В экстремальных условиях (заболевание реципиента) температура органов может изменяться в значительном интервале (например, понижение - при упадке сил или повышение - при воспалительной патологии). The lifespan of an artificial organ is determined by the life expectancy of the implanted cells, which in turn depends on the degree of compliance with normal and carrier-supported vital processes. An important condition for fulfilling such requirements is maintaining stability. The more stable the carrier temperature in time, the longer the functioning of cell regeneration. Therefore, the subject of special care in the production and use of cell culture is the thermal stabilization of the process and especially the exclusion of sharp changes in temperature of the cell culture. In vitro laboratory conditions, the task of thermal stabilization does not present a technical difficulty. In the human body, thermal stabilization is carried out by the physiology of tissues containing the implant. Under extreme conditions (recipient's disease), the temperature of organs can vary in a significant interval (for example, a decrease - with a loss of strength or an increase - with an inflammatory pathology).

Фазовые превращения в мартенситных сплавах связаны с прямым и обратным процессами перехода одной структуры кристаллической решетки в другую. При этом прямой переход (при охлаждении) сопровождается экзотермической реакцией выделения тепла, а обратный переход - реакцией поглощения тепла. Таким образом, в области температурного интервала фазовых превращений физический объем мартенситного сплава проявляет себя как инерционный термостабилизатор, который при малейшем охлаждении, выделяя тепло, удерживается некоторое время при исходной температуре, а при нагреве, поглощая тепло, также не изменяет своей температуры. Следовательно, выполненный из сплава носитель клеточных культур предохраняет последнюю от вредного воздействия резкого перепада температур окружающей среды (функция инкубатора). Выбором интервала температур фазовых превращений можно обеспечить термостабилизацию в рабочем интервале, т.е. в области нормальной температуры организма человека 36,5^oС. Практически целесообразно и возможно обеспечить стабилизацию при температурном интервале фазовых превращений и, следовательно, интервале допустимых температур окружающей среды 0-60^oС. Нижняя граница определена необходимостью обеспечения теплового режима при подготовке культуры "in vitro", чтобы дублировать действие лабораторных средств. Верхняя граница охватывает околокритические температуры организма человека. Заданность необходимого температурного интервала осуществляется подбором соотношения основных и легирующих компонентов сплава и технологическим режимом его получения. Материал носителя-прототипа - никелид титана - не соответствует оптимальному составу и его температурный интервал фазовых превращений соответтсвует 60-95^oС.Phase transformations in martensitic alloys are associated with direct and reverse processes of the transition of one structure of the crystal lattice to another. In this case, a direct transition (upon cooling) is accompanied by an exothermic reaction of heat generation, and a reverse transition is accompanied by a heat absorption reaction. Thus, in the temperature range of the phase transformations, the physical volume of the martensitic alloy manifests itself as an inertial thermostabilizer, which, upon slight cooling, generates heat, remains for some time at the initial temperature, and when heated, it absorbs heat and does not change its temperature. Therefore, the carrier of cell cultures made of an alloy protects the latter from the harmful effects of a sharp difference in ambient temperature (incubator function). By choosing the temperature range of phase transformations, it is possible to provide thermal stabilization in the working interval, i.e. in the region of the normal temperature of the human body 36.5 ^o C. It is practical and possible to provide stabilization at the temperature range of phase transformations and, therefore, the range of permissible ambient temperatures 0-60 ^o C. The lower limit is determined by the need to ensure thermal conditions in the preparation of culture "in vitro "to duplicate the effects of laboratory products. The upper boundary covers the near-critical temperature of the human body. The required temperature interval is set by selecting the ratio of the main and alloying components of the alloy and the technological mode of its production. The material of the prototype carrier - titanium nickelide - does not correspond to the optimal composition and its temperature range of phase transformations corresponds to 60-95 ^o C.

На иллюстрациях представлено:
Фиг. 1 - растровое электронно-микроскопическое изображение (100-кратное увеличение) носителя клеточной культуры (прототип).The illustrations show:
FIG. 1 - raster electron microscopic image (100-fold increase) of the cell culture carrier (prototype).

Фиг. 2 - растровое электронно-микроскопическое изображение (100-кратное увеличение) носителя клеточной культуры (предложение). FIG. 2 - scanning electron microscopic image (100-fold increase) of the cell culture carrier (proposal).

Фиг. 3 - растровое электронно-микроскопическое изображение (100-кратное увеличение) носителя-прототипа с клеточной культурой (хондроциты) через 4 недели после посева. FIG. 3 is a raster electron microscopic image (100-fold increase) of the prototype carrier with a cell culture (chondrocytes) 4 weeks after plating.

Фиг 4 - растровое электронно-микроскопическое изображение (100-кратное увеличение) предлагаемого носителя с клеточной культурой (хондроциты) через 4 недели после посева. Fig 4 is a raster electron microscopic image (100-fold increase) of the proposed media with cell culture (chondrocytes) 4 weeks after seeding.

Достижимость технического результата подтверждена лабораторным экспериментом развития клеточной культуры на материале носителя, изготовленного по условиям формулы изобретения. В качестве термостабильного материала использован никелид титана марки ТН-1П с проницаемой пористостью и распределением пор преимущественно до размеров 0,3-0,5 мкм (фиг.2). Температурный интервал фазовых превращений заключен в границах 0-60^oС. Для качественной сравнительной оценки технического результата выбран материал-прототип - никелид титана той же марки с пониженным на 0,3% содержанием никеля и измененным режимом плавки. Температурный интервал фазовых превращений прототипа заключен в границах 60^o-95^oС. Структура материала аналогична предлагаемому (фиг.1).The attainability of the technical result is confirmed by a laboratory experiment of the development of cell culture on the material of the carrier made according to the conditions of the claims. As thermostable material used titanium nickelide brand TN-1P with permeable porosity and pore distribution mainly up to the size of 0.3-0.5 microns (figure 2). The temperature range of phase transformations is in the range of 0-60 ^o C. For a qualitative comparative assessment of the technical result, a prototype material was chosen - titanium nickelide of the same brand with a 0.3% lower nickel content and a changed melting mode. The temperature range of phase transformations of the prototype is enclosed in the range of 60 ^o -95 ^o C. the structure of the material is similar to the proposed (figure 1).

Эксперимент проведен по следующей методике. Оба образца в одинаковых условиях пропитаны суспензией клеток-хондроцитов и помещены в термошкаф с рабочей температурой 37^oС. В течение 28 дней однократно в день изменялась температура воздуха на 10^oС вниз и вверх и выдерживалась в каждой позиции по 1 часу. Производилось наблюдение и микрофотографирование репродукции клеток на обоих материалах. К исходу указанного срока микрокартина развившихся клеточных культур представлена в виде фиг.3 (прототип) и фиг.4 (предложение). Анализ изображений свидетельствует о большем содержании клеток в предлагаемом носителе по двум видимым факторам:
1. Большая заполненность площади кадра светлым тоном (клеточная культура).The experiment was carried out according to the following procedure. Both samples under the same conditions were impregnated with a suspension of chondrocyte cells and placed in a heating cabinet with an operating temperature of 37 ^° C. For 28 days, the air temperature changed 10 ^° C up and down once a day and was kept in each position for 1 hour. Observation and microphotography of cell reproduction on both materials was performed. By the end of the indicated period, a micro picture of the developed cell cultures is presented in the form of Fig. 3 (prototype) and Fig. 4 (proposal). Image analysis indicates a higher content of cells in the proposed media for two visible factors:
1. High occupancy of the frame area in light tone (cell culture).

2. Меньшее содержание темных участков (свободные поры). 2. Lower content of dark areas (free pores).

Истолкование полученных результатов однозначно сводится к выводу о более благоприятных условиях существования и развития клеток в предлагаемом материале при резких колебаниях температуры окружающей среды. The interpretation of the results unequivocally comes to the conclusion about more favorable conditions for the existence and development of cells in the proposed material with sharp fluctuations in ambient temperature.

Источники информации
1. Immunosuppression, macroencapsulation and ultraviolet Birradiation asimmunoprotection in porcine pazereatic islet xenotransplantation - pharmacol Toxicol, 1995, Jun.Sources of information
1. Immunosuppression, macroencapsulation and ultraviolet Birradiation asimmunoprotection in porcine pazereatic islet xenotransplantation - pharmacol Toxicol, 1995, Jun.

2. Патент на изобретение РФ 2143867. 2. Patent for the invention of the Russian Federation 2143867.

Claims (1)

Носитель клеточных культур искусственных внутренних органов, содержащий сплошной объем из пористого проницаемого сплава на основе никелида титана, отличающийся тем, что указанный сплав выбран с температурным интервалом фазовых превращений, включающим область рабочих температур 0^o-60^oС.A carrier of cell cultures of artificial internal organs, containing a continuous volume of a porous permeable alloy based on titanium nickelide, characterized in that said alloy is selected with a temperature range of phase transformations, including a temperature range of 0 ^o -60 ^o C.

Images