Способ обработки биологической ткани животного или человеческого происхождения, как, например, свиного или бычьего перикарда или сердечных клапанов трупа человека, и соответствующим образом обработанная биологическая ткань

Группа изобретений относится к области медицины. Группа изобретений состоит и двух объектов: способа обработки и биологической ткани. Способ характеризуется получением с помощью обработки стабилизированной глутаровым диальдегидом биологической ткани, которая представлена как биологической тканью животного, так и человеческого происхождения, как, например свиного или бычьего перикарда или сердечных клапанов трупа человека, в котором осуществляют физическую плазменную обработку, в частности, коллагеновой ткани. Группа изобретений обеспечивает увеличение биосовместимости биологической ткани, клеточной колонизации и продолжительности ее срока службы. 2 н. и 7 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к способу обработки биологической ткани животного или человеческого происхождения, как, например, сердечных клапанов свиньи или сердечных клапанов из бычьего перикарда, или сердечных клапанов трупа человека и к соответствующим образом обработанной биологической ткани.

Относительно предпосылки создания изобретения следует отметить, что методы работы с применением предварительно обработанной различным образом биологической ткани животного происхождения как коллагеновых матриц, в частности, при тканевой инженерии, приобретают большое значение в различных хирургических областях для будущих улучшенных методов терапии. Соответствующие сферы приложений следует отметить в сердечно-сосудистой хирургии, но ортопедия и нейрохирургия также возможны в качестве областей применения.

При применении коллагеновых матриц в сердечно-сосудистой хирургии должна обеспечиваться хорошая совместимость крови и механическая прочность. В качестве примера в этой связи следует упомянуть сердечные клапаны животного происхождения, такие как клапаны свиньи или клапаны из бычьего перикарда, а также биологические эндопротезы сосудов малых диаметров и насосные полости биологических или механических насосов для нагнетания крови. При ортопедических хирургических лечениях особенный интерес представляют прочные коллагеновые матрицы для замены хряща, связок и сухожилий. Наконец, в нейрохирургии коллагеновую ткань для закрытия черепа, например, после опухолевых операций, следует также рассматривать в качестве области применения данного изобретения.

Особые проблемы, на которых базируется изобретение, должны быть ясны из примера замены сердечных клапанов. Так, при замене сердечных клапанов, имплантированных у более чем 200000 больных в год во всем мире, приблизительно 50% изготовлены из искусственных механических сердечных клапанов и 50% из биологических имплантов на основе сердечных клапанов свиньи и клапанов из бычьего перикарда. При имплантировании механических клапанов сердца при долечивании требуется введение лекарственных средств, препятствующих свертыванию крови, чтобы избежать эмболии, имеющих место при протезировании. Таким образом, больные, которым оказана такая помощь, становятся «страдающими искусственной гемофилией».

Трудность с биологическими клапанами сердца животного происхождения состоит в том, что для достижения длительной стабильности, прочности их следует обрабатывать глутаровым альдегидом. Вследствие наличия свободных альдегидных групп, получаемых при этом из глутарового диальдегида, биологические клапаны сердца по существу обладают токсическим действием и поэтому не могут образовывать колонии с клетками. Образование клеточных колоний должно сделать эти биоклапаны надежными значительно дольше. Однако перед образованием клеточных колоний необходимо провести детоксикацию. Медицинские исследования, в которых применялись вещества, связывающие свободные альдегидные группы, в данном контексте известны из предшествующего уровня техники. В этой связи приводятся ссылки на следующие литературные источники: Gott J.P., Chih P., Dorsey L., Jay J.L., Jett G.K., Schoen F.J., Girardot J. M., Guyton R.A. "Calcification of porcine valves: a successful new method of antimineralisation» («Кальциноз (обызвествление) клапанов свиней: успешный новый способ антиминерализации") в Ann. Thorac. Surg. 1992; 53:207-216; Jones M., Eidbo E.E., Hilbert S.L„ Ferrans V.J., Clarck R.E. "Anticalcification treatments of bioprosthetic heart valves: in vivo studies in sheep» («Антикальцинозная обработка биопротезированных клапанов сердца: исследования у овец in vivo") в J. Cardiovasc. Surg. 1989; 4: 69-73; Grabenwõger M., Sider J., Fitzal F., Zelenka C., Windberger U., Grimm M. "Impact of glutaraldehyde on calcification of pericardial bioprosthetic heart valve material» («Влияние глутарового альдегида на кальциноз перикардиального биопротезированного материала клапанов сердца") в Ann. Thorac. Surg. 1996; 62:772-7; и, наконец, Webb C.L., Benedict J.J., Schoen FJ., Linden J.A., Levy R.J. "Inhibition of bioprosthetic valve calcification with aminodiphosphonate covalently bound material to residual aldehyde groups» («Ингибирование кальциноза биопротезированного клапана аминодифосфонатом, ковалентно связанного вещества с остаточными альдегидными группами") в Ann. Thorac. Surg. 1988; 46:309-16.

Кроме того, проводились исследования для достижения детоксикации с помощью лимонной кислоты. Она была отчасти удачной, как описано у Gulbins H., Goldemund A., Anderson I., Haas U., Uhlig A., Meiser В., Reichart B. "Preseeding with autologous fibroblasts improves endothelialisation of glutaraldehyde-fixed porcine aortic valves» («Предварительный посев с аутологическими фибробластами улучшает эндотелиализацию связанных глутаровым альдегидом аортальных клапанов свиньи") в J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 2003; 125:592-601.

Достигаемые степени детоксикации в данном случае составляли только от 20% до 30%.

При соответствующей детоксикации ткани, связанной глутаровым альдегидом, и соответствующей способности к восприятию наружного слоя тканью собственного организма после имплантации, так называемая «эндотелиализация» позволяет достичь для сердечного клапана того, чтобы он продолжал функционировать в течение жизни без введения лекарственных препаратов для ингибирования свертывания крови.

Другим примером осуществления данного изобретения являются эндопротезы сосудов малого диаметра. Импланты этого типа в настоящее время обычно изготавливаются из пластичного материала, а именно из PTFE (политетрафторэтилена) или PET (полиэтилентерефталата). Они обладают сравнительно высокой скоростью закупоривания, в особенности при их использовании в качестве сосудистого восполнения для периферических сосудов ног, аортокоронарных шунтирований и периферических диализных шунтов. Последствия закупоривания сосудов в этих областях протезирования являются тяжелыми, включая ампутацию ног, инфаркт миокарда, приводящий к смерти, или необходимость исправления шунта. Здесь также биологическая ткань малого диаметра животного происхождения, связанная глутаровым альдегидом, в виде свиных, бычьих или козьих донорских сосудов, может привести к значительному улучшению в том случае, если ткань данного вида может подвергаться детоксикации и эндотелиализации, или подвергаться эндотелиализации в токе крови. При применении мышечных насосов также можно избежать тромбоэмболических осложнений, если компоненты, вступающие в контакт с кровью, смогут увеличить биосовместимость, например, посредством соответствующих мер детоксикации.

Другими сферами применения подобной биологической ткани в виде коллагеновых матриц животного происхождения может быть прочная и биосовместимая, связанная глутаровым альдегидом и подвергнутая детоксикации биологическая ткань для лечения остеоартрита тазобедренного сустава, коленного сустава и голеностопного сустава. Кроме того, применения для закрытия черепа после травм или опухолевых операций с помощью соответствующим образом обработанного глутаровым альдегидом и подвергнутого детоксикации бычьего перикарда в качестве цереброзащитного применения возможно являются точно такими же, как применения, например, в торакальной хирургии для замены грудной стенки или диафрагмы, в хирургии брюшной полости для замены брюшной стенки или в ENT (ухо, нос, горло) области для замены барабанной перепонки.

Учитывая трудности, приведенные в описании предшествующего уровня техники, изобретение направлено на способ обработки коллагеновой ткани животного или человеческого происхождения и соответствующим образом обработанной биологической ткани, причем биосовместимость и длительная прочность ткани увеличивается таким образом, что время использования ткани в организме может радикально увеличиться, в оптимальном случае - вплоть до возможности постоянного применения.

Основная идея изобретения состоит в физической плазменной обработке биологической ткани для решения этих проблем.

Исследования показали, что благодаря этой физической плазменной обработке, в которой применяемые газы подвергаются возбуждению и превращению в радикалы, и которая химически нейтрализует токсичность полученных свободных альдегидных групп вследствие связывания с глутаровым альдегидом, можно, таким образом, достичь существенно улучшенной детоксикации по сравнению с предшествующим уровнем как первой стадии для улучшения имплантационных свойств ткани. Упомянутые исследования давали степень детоксикации свыше 80%. Таким образом, закрытая эндотелиальная поверхность может подвергаться колонизации на поверхностях контакта с кровью исследуемой ткани.

Химический процесс, в основном протекающий во время плазменной обработки, можно кратко описать с помощью примера с применением в ходе процесса газообразного кислорода. Так, компоненты, присутствующие в плазме, а именно, ионы кислорода и возбужденный кислород образуют двуокись углерода и воду в реакции с углеводородами на тканевой поверхности. Данная реакция может, таким образом, применяться для удаления альдегидных групп, присутствующих на тканевых поверхностях, таких альдегидных групп, которые образуются при связывании с глутаровым альдегидом, приводя к их детоксикации.

Предпочтительные условия для осуществления газоплазменного способа приведены в пунктах 2 и 3 формулы изобретения, где предпочтительно используют кислород в качестве возбужденного газа. Однако также могут применяться азот, водород и аргон. Подвод энергии при получении плазмы предпочтительно осуществляют с помощью высокочастотного электромагнитного поля, в частности, микроволнового поля.

Вышеприведенные газоплазменные способы обычно осуществляют при введении газа, который подвергается ионизации, в откаченную, т.е. разреженную камеру обработки. Кроме того, также возможно проводить плазменную обработку атмосферной плазмой, используя плазменную струю с возбужденным химически активным газом при атмосферных условиях. Плазменную струю направляют на поверхность импланта, таким образом происходит локальная очистка. Это происходит так, что ионы кислорода, присутствующие в химически активном газе, реагируют с углеводородами тканевой поверхности и образуют двуокись углерода и воду.

В то время как при плазменной обработке при атмосферных условиях нет необходимости в предварительном кондиционировании в виде сушки ткани и поэтому можно непосредственно обрабатывать даже влажную ткань в ее первоначальном состоянии, при обработке биологической ткани упомянутым выше плазменным газовым методом в камере обработки для обеспечения детоксикации очень важно, чтобы перед плазменной обработкой обычно содержащие воду биологические ткани подвергались бы сушке, в частности воздействию вакуума и температуры.

Поэтому биологическую ткань во время обработки выдерживают при полном отсутствии воды.

Подвергнутая плазменной обработке ткань для применения в имплантации увлажняется путем помещения ее, например, в жидкость. Таким образом она вновь приобретает свою первоначальную консистенцию и при соответствующем выполнении становится, например, постоянно эластичной и прочной в течение длительного времени, как, например, сердечный клапан свиньи.

Особо предпочтительный вариант осуществления способа согласно изобретению приводится в пунктах 8-10, согласно которым ткань, подвергаемая плазменной обработке, снабжается биосовместимым металлсодержащим покрытием. Данное покрытие представляет собой дополнительный биосовместимый компонент на поверхностях имплантов, который в течение длительного времени способствует клеточному росту.

Предпочтительным методом нанесения металлсодержащего покрытия является метод PACVD (plasma-assisted chemical vapor deposition - химическое осаждение паров или газов в плазменной среде), который при покрытии поверхностей пластических материалов в искусственных медицинских имплантах уже достиг убедительных результатов в отношении биосовместимости обработанных таким образом поверхностей. Данное металлсодержащее покрытие выбрано из группы металлов, состоящих из Ti, Ta, Nb, Zr, Hf, Ir, Au, Pd, Pt, Ag и Cu. В этой связи было доказано, что титан особенно удачен, и в течение длительного времени он использовался в качестве особенно биосовместимого материала во многих видах применений имплантов. Упомянутые также материалы для покрытий - серебро и медь - могут дополнительно или исключительно вводиться в покрытие в качестве антибактериальных реагентов.

Пункты 11-14 формулы изобретения относятся к биологической ткани животного или человеческого происхождения, которая может использоваться в качестве импланта в организме человека или животного. Согласно данному изобретению, по меньшей мере поверхность, которая может входить в контакт с телом, подвергается плазменной обработке в соответствии с изобретением для ее детоксикации. Как описано выше, биосовместимость улучшается с помощью биосовместимого металлсодержащего покрытия на биологической ткани. Предпочтительно, когда биологической тканью является сердечный клапан, эндопротез сосуда, контактирующая с кровью поверхность механических или биомеханических насосов для нагнетания крови, закрытая вставка для черепных отверстий или для замены хряща, кости, сухожилия, диафрагмы, грудной стенки, стенки брюшной полости или барабанной перепонки.

Изобретение более подробно описывается в следующем варианте осуществления.

В качестве примера коллагеновой ткани животного происхождения используется сердечный клапан свиньи, который должен применяться в качестве импланта в организме человека.

Он готовится, освобождается от клеток и фиксируется, т.е. связывается глутаровым альдегидом после удаления из животного-донора для стабилизации обычным образом. В данном случае клапан помещается в раствор глутарового альдегида с концентрацией от 0,1 до 0,4% и укрепляется в проточном растворе при низких давлениях от 3 до 6 мм рт.ст. в течение 24-48 часов.

Полученный таким путем сердечный клапан свиньи затем медленно сушится в вакууме и под воздействием температуры и таким образом полностью обезвоживается.

Затем проводится плазменная обработка сердечного клапана свиньи в камере обработки. Для этой цели камера обработки полностью откачивается (вакуумируется) и далее туда вводится кислород. Плазма разогревается с помощью подвода высокочастотного электромагнитного поля, например 40 кГц или 13,56 МГц, или при возбуждении с помощью микроволн. Газообразный кислород, присутствующий в камере обработки, возбуждается и превращается в радикалы при связанной с этим подаче энергии.

Этот плазменный газ действует на углеводородные группы C_xH_y на поверхности укрепленного глутаровым альдегидом импланта в соответствии со следующим уравнением реакции:

C_xH_y+(x+y/4)O₂→ x CO₂+y/2 H₂O

Как можно видеть, углеводороды на поверхности импланта, такие как, например, ацетальдегиды, превращаются в сравнительно безвредные химические соединения -двуокись углерода и воду, которые могут легко удаляться с поверхности импланта.

Вышеприведенную плазменную обработку далее продолжают использовать для нанесения металлсодержащего покрытия на поверхность импланта. Для этой цели, газообразный предшественник подается в камеру для нанесения покрытия и разделяется под влиянием плазменной энергии на его атомные компоненты. Полученные таким образом ионы осаждаются на поверхности. Обычно в качестве металлсодержащего покрытия с помощью метода PACVD главным образом наносится титан. Кроме того, способ как таковой подробно описывается в ЕР 0897997 B1, используя в качестве примера нанесение покрытия на субстрат пластического материала.

Давление в реакторе как для предварительной обработки, так и для нанесения покрытия составляет от 0,1 до 1030 мбар. При применении плазмы идеально, чтобы давление было более 50 мбар. Для предварительной обработки рабочий газ (например, кислород) вводится в реактор с объемной скоростью газа 0,04 Nл/мин. После стабилизации конечного давления до приблизительно 1 мбар, емкостный плазменный ввод происходит при мощности 20 ватт в течение 60 секунд. Затем подача газа прекращается и реакционная камера полностью откачивается. Для последующего нанесения покрытия поверх предыдущего Ti[N(CH₃)₂]₄ направляется газ-носитель (водород) при объемной скорости газа в 0,09 Nл/мин и вводится в камеру для нанесения покрытия. Продолжительность нанесения покрытия составляет приблизительно 300 секунд при приложенной мощности плазмы 20 ватт. Далее подача газа снова прекращается, и камера для нанесения покрытия вентилируется.

После этой вакуумной обработки для плазменного насыщения и нанесения покрытия на сердечные клапаны свиньи, их снова помещают в жидкость с тем, чтобы они, благодаря подаче жидкости, вновь приобретали свою первоначальную консистенцию.

1. Способ обработки биологической ткани животного или человеческого происхождения, как, например, свиного, бычьего перикарда или сердечных клапанов трупа человека, для увеличения биосовместимости, включающий физическую плазменную обработку ткани с помощью плазменного газового метода, в котором в качестве ионизированного газа применяют азот, водород, аргон или, предпочтительно, кислород, характеризующийся тем, что
- перед обработкой плазменным газовым методом ткань сушат,
- на ткань, подвергнутую плазменной обработке, наносят биосовместимое металлсодержащее покрытие,
- после плазменной обработки высушенный имплант подвергают действию влаги.

2. Способ по п.1, в котором подвод энергии для получения плазмы осуществляют с помощью высокочастотного электромагнитного поля, в частности микроволнового поля.

3. Способ по п.1, в котором плазменную обработку проводят с атмосферной плазмой, применяя плазменную струю при атмосферных условиях.

4. Способ по п.1, в котором сушку проводят под воздействием вакуума и температуры.

5. Способ по п.1, в котором металлсодержащее покрытие наносят с помощью метода, химического осаждения паров или газов в плазменной среде.

6. Способ по любому из пп.1-5, в котором металлсодержащее покрытие выбирают из группы, состоящей из Ti, Та, Nb, Zr, Hf, Ir, Au, Pd, Pt, Ag и Cu.

7. Биологическая ткань животного или человеческого происхождения для применения в качестве импланта в организме человека или животного, полученная способом по любому из пп.1-6, у которой по меньшей мере поверхность, которая может находиться в контакте с телом, после сушки ткани подвергнута плазменной обработке для детоксикации, при этом поверхность, подвергнутая плазменной обработке, покрыта биосовместимым металлсодержащим покрытием, и ткань подвергнута воздействию влаги.

8. Биологическая ткань по п.7, у которой металлсодержащее покрытие выбрано из группы, состоящей из Ti, Та, Nb, Zr, Hf, Ir, Au, Pd, Pt, Ag и Cu.

9. Биологическая ткань по любому из пп.7 или 8, имеющая конфигурацию в виде сердечного клапана, эндопротеза сосуда, находящейся в контакте с кровью поверхности механических или биомеханических насосов для нагнетания крови, закрытой вставки для черепных отверстий или для замены хряща, кости, сухожилий, диафрагмы, грудной стенки, стенки брюшной полости или барабанной перепонки.