CN104707181A - 一种介入微循环系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了介入微循环系统及其操作方法，该系统包括体内组成部分和体外组成部分，其中，体内组成部分包括第一皮下植入式给药装置、第二皮下植入式给药装置；第一体内循环管道；第二体内循环管道；带有多个侧孔的体内循环管道；高渗透性可降解生物支架；近端硅胶栓、远端硅胶栓、SDF-1引导膜、近端胫骨断端、远端胫骨断端和近端胫骨管状骨髓腔、远端胫骨管状骨髓腔；体外组成部分包括入液口、出液口、输入营养液管道、排出代谢液管道、便携式循环泵。本发明通过动态补充种子细胞，在无瘢痕化的诱导成骨微环境下，促进种子细胞迁移、增殖、定向分布与分化，具有操控简单，携带方便的特点。

Description

一种介入微循环系统及其操作方法

技术领域

本发明属于医学技术领域，涉及一种介入微循环系统(IMCS)及其操作方法。

背景技术

前期建立的体内灌注诱导成骨微环境系统(ROIMS)是一个直接与机体植入床相开放的系统，灌注的诱导因子如BMP-2流失到周围组织后，导致异位骨化、关节僵硬等副作用；且开放系统允许纤维组织侵入性生长则形成瘢痕，限制了大段骨缺损的形态修复与功能重建；损伤局部产生的炎症因子、氧自由基以及代谢废物直接排放在周围组织，对损伤组织的再生修复产生极为不利的影响。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种介入微循环系统及其操作方法，IMCS则是一个半开放半封闭的循环系统，开放是指膜引导骨再生系统内珊瑚支架与骨缺损断端紧密接触，有利于骨愈合；封闭是指IMCS利用硅胶膜、硅胶栓将不利于骨再生的因素如纤维组织隔离在膜引导骨再生系统以外，同时将诱导成骨因素如BMP-2限制在系统之内。因此，一方面利用机械屏障，阻止纤维组织长入系统之内形成瘢痕，避免BMP-2流失到系统以外，并提高BMP-2利用效率，在膜下提供一个安全高效的引导骨再生空间；另一方面，利用IMCS排出功能将炎性因子、代谢废物等不利于种子细胞存活的损伤因素排出体外。IMCS优于ROIMS的另外一个显著特点是通过动态补充种子细胞，在无瘢痕化的诱导成骨微环境下，促进种子细胞迁移、增殖、定向分布与分化。

其技术方案如下：

一种介入微循环系统，包括体内组成部分和体外组成部分，其中，体内组成部分包括第一皮下植入式给药装置6、第二皮下植入式给药装置7；第一体内循环管道8；第二体内循环管道9；带有多个侧孔的体内循环管道10；高渗透性可降解生物支架11；近端硅胶栓12、远端硅胶栓16；SDF-1引导膜13；近端胫骨断端14、远端胫骨断端15；近端胫骨管状骨髓腔17、远端胫骨管状骨髓腔18。在距近端胫骨断端14缺口上1.5cm的位置设有直径2mm的圆形小孔，第一皮下植入式给药装置6通过2mm直径的硅胶导管即第一体内循环管道8从圆形小孔处穿入近端胫骨管状骨髓腔17内，再从近端胫骨管状骨髓腔17内引出，依次串联近端硅胶栓12高渗透性可降解生物支架11和远端硅胶栓16，硅胶导管穿入生物支架11的部分为带有多个侧孔的体内循环管道10，硅胶导管穿出部分即第二体内循环管道9进入远端胫骨管状骨髓腔18，在距远端胫骨断端15缺口下1.5cm的位置设有直径2mm的圆形小孔，硅胶导管从此小孔穿出，与第二皮下植入式给药装置7连接。体外组成部分包括入液口1、出液口2、输入营养液管道3、排出代谢液管道4、便携式循环泵5。

进一步优选，所述高渗透性可降解生物支架11为珊瑚支架。还包括用3D打印技术生产的具有类似功能和结构的生物可降解支架材料。

一种介入微循环系统的操作方法，包括以下步骤：

步骤1：表触摸定位第一皮下植入式给药装置6、第二皮下植入式给药装置7，两枚穿刺针分别经两个硅胶窗口垂直刺入抵达硬的给药窗底座，针头通过输入营养液骨道3、排出代谢液管道4分别与两副注射器相连；

步骤2：注射器反向并置装入循环泵5盒内，由循环泵推进器控制注射器活塞，循环泵开启时推动装有营养液的注射器活塞，通过第一皮下植入式给药装置6向体内推注营养液，随后反向拉动另一注射器活塞，通过第二皮下植入式给药装置7从体内抽吸代谢液，推注和抽吸二者呈脉冲式交替进行；营养液注入体内时带有多个侧孔的体内循环管道10中液体压力大于管道周围压力，液压差促使循环管道中压力较高的营养液通过管道侧孔进入压力较低的珊瑚复合物支架孔隙中；而注射器抽吸时，循环管道10内呈负压，珊瑚支架孔隙中的液压大于循环管道中液压，代谢液通过循环管道侧孔进入压力较低的循环管道中；如此反复交替完成营养与代谢产物的交换；

步骤3：SDF-1引导膜13为胶原/壳聚糖复合趋化因子SDF-1形成的复合膜，包被高渗透性可降解生物支架11外围以及近端胫骨断端14、远端胫骨断端15各5mm长的管状骨面，并用两个5mm长的柱状近端硅胶栓12、远端硅胶栓16分别嵌入两断端骨髓腔内，SDF-1引导膜13套管、近端硅胶栓12、远端硅胶栓16与胫骨断端骨面接触部分以及硅胶栓与循环管道接触部分用医用组织粘合胶紧密粘合，同时SDF-1引导膜13外被硅胶膜包裹，保持高渗透性可降解生物支架11与近端胫骨断端14、远端胫骨断端15紧密接触的同时，使高渗透性可降解生物支架11与其它周围组织和髓腔完全隔离，构建膜引导骨再生系统。

优选地，所述循环管道的循环流量可以被调控，如使用5ml一次性注射器时流量控制在0.3ml/h-10ml/h，使用10ml一次性注射器时流量控制在0.6ml/h-12ml/h。

本发明的有益效果：本发明采用的介入微循环系统，可避免代谢产物、诱导因子等向珊瑚支架外周围组织和向髓腔内流失造成的副作用；

珊瑚作为支架的优势在于它具有良好的降解性能，降解速度能与骨再生速度相匹配。本课题选用的天然滨珊瑚孔隙率65％，具有三维相通的孔隙结构，孔径约为190～230μm，有利于营养液的灌注渗透和废物排出，能为CXCR4+-BMSCs的迁移、定植提供理想场所。IMCS操控简单，用一次性无菌注射器载药，经皮肤消毒进针，启动循环泵开关即可进入缓控灌注工作状态；介入循环管道、膜套管、硅胶栓、骨支架以及皮下植入式给药窗均为生物相容性良好可植入材料构成；微型便携式循环泵不超过260g可以随身携带。

附图说明

图1为本发明介入微循环系统的结构示意图，其中，1-入液口；2-出液口；3-输入营养液管道；4-排出代谢液管道；5-便携式循环泵；6-第一皮下植入式给药装置；7-第二皮下植入式给药装置；8-第一体内循环管道；9-第二体内循环管道；10-循环管道；11-高渗透性可降解生物支架；12-近端硅胶栓；13-SDF-1引导膜；14-近端胫骨断端；15-远端胫骨断端；16-远端硅胶栓；17-近端胫骨管状骨髓腔；18-远端胫骨管状骨髓腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

参见图1，介入微循环系统IMCS的结构：由灌注排出装置、膜引导骨再生系统以及循环泵组成。灌注装置和排出装置均带有给药窗的第一皮下植入式给药装置6、第二皮下植入式给药装置7和体外的输入营养液管道3、排出代谢液管道4系统组成；膜引导骨再生反应系统位于大段骨缺损原位，由内至外依次为带有多个侧孔的体内循环管道10、高渗透性可降解生物支架11、SDF-1引导膜13及最外层的硅胶膜套管；循环泵即指基于微机电系统MEMS的微型便携式循环泵5。

在羊胫骨中段造成25mm长的骨缺损，在距胫骨近端胫骨断端14上方、远端胫骨断端15下方约1.5cm位置用电钻分别打出两个直径2mm的圆形小孔；

第一皮下植入式给药装置6的2mm直径硅胶导管从上方小孔处穿入髓腔内，再从断端髓腔引出，依次串联近端硅胶栓12、高渗透性可降解生物支架11以及远端硅胶栓16；

测算出位于高渗透性可降解生物支架11中央隧道内的带有多个侧孔的体内循环管道10部分，打出均匀分布的12个侧孔，作为灌注营养和代谢废物反复交换的循环通路；

将导管通过柱状高渗透性可降解生物支架11中央隧道引出，穿入近端胫骨管状骨髓腔17，从远端胫骨断端15缺口下方1.5cm处穿出，将近端硅胶栓12、远端硅胶栓16分别嵌入近端胫骨管状骨髓腔17、远端胫骨管状骨髓腔18，用医用组织粘合胶粘合牢固。导管的两头分别与第一皮下植入式给药装置6、第二皮下植入式给药装置7相连接。将第一皮下植入式给药装置6、第二皮下植入式给药装置7用缝线固定于皮下；

用SDF-1引导膜13包绕于整个高渗透性可降解生物支架11外表面，然后用硅胶膜包封SDF-1引导膜外表面以及近端胫骨断端14、远端胫骨断端15各5mm长的管状骨面，用医用组织粘合胶粘合牢固。

在使用医用组织粘合胶密封管道系统过程中应随时检查，确保密封的有效性。

固定钢板，逐层缝合伤口。术前、中及术后使用抗生素、换药、拆线等情况同模型制备方法。

IMCS主要工作原理及操作方法：

①表触摸定位第一皮下植入式给药装置6、第二皮下植入式给药装置7，两枚穿刺针分别经两个硅胶窗口垂直刺入抵达硬的给药窗底座，针头通过输入营养液管道3、排出代谢液管道4分别与两副注射器相连；②注射器反向并置装入循环泵5盒内，由循环泵推进器控制注射器活塞，循环泵开启时推动装有营养液的注射器活塞，通过皮下植入式给药装置6向体内推注营养液，随后反向拉动另一注射器活塞，通过另一个皮下植入式给药装置7从体内抽吸代谢液，推注和抽吸二者呈脉冲式交替进行；营养液注入体内时带有多个侧孔的体内循不管道10中液体压力大于管道周围压力，液压差促使循环管道中压力较高的营养液通过管道侧孔进入压力较低的珊瑚复合物支架孔隙中；而注射器抽吸时，循环管道10内呈负压，珊瑚支架孔隙中的液压大于循环管道中液压，代谢液通过循环管道侧孔进入压力较低的循环管道中；如此反复交替完成营养与代谢产物的交换；③循环流量可以被调控，如使用5ml一次性注射器时流量控制在0.3ml/h-10ml/h，使用10ml一次性注射器时流量控制在0.6ml/h-12ml/h。④SDF-1引导膜13为胶原/壳聚糖复合趋化因子SDF-1形成的复合膜，包被柱状高渗透性可降解生物支架11外围以及近端胫骨断端14、远端胫骨断端15各5mm长的管状骨面，并用两个5mm长的柱状近端硅胶栓12、远端硅胶栓16分别嵌入两断端骨髓腔内，SDF-1引导膜13套管、近端硅胶栓12、远端硅胶栓16与胫骨断端骨面接触部分以及硅胶栓与循环管道接触部分用医用组织粘合胶紧密粘合，同时SDF-1引导膜13外被硅胶膜包裹，保持高渗透性可降解生物支架11与近端胫骨断端14、远端胫骨断端15紧密接触的同时，使高渗透性可降解生物支架11与其它周围组织和髓腔完全隔离，构建膜引导骨再生系统。可避免代谢产物、诱导因子等向珊瑚支架外周围组织和向髓腔内流失造成的副作用；⑤珊瑚作为支架的优势在于它具有良好的降解性能，降解速度能与骨再生速度相匹配。此系统选用的天然滨珊瑚孔隙率65％，具有三维相通的孔隙结构，孔径约为190～230μm，有利于营养液的灌注渗透和废物排出，能为CXCR4+-BMSCs的迁移、定植提供理想场所。⑥IMCS操控简单，用一次性无菌注射器载药，经皮肤消毒进针，启动循环泵开关即可进入缓控灌注工作状态；介入循环管道、膜套管、硅胶栓、骨支架以及皮下植入式给药窗均为生物相容性良好可植入材料构成；微型便携式循不泵不超过260g可以随身携带。

IMCS的功能特点：我们前期建立的ROIMS是一个直接与机体植入床相开放的系统，灌注的诱导因子如BMP-2流失到周围组织后，导致异位骨化、关节僵硬等副作用；且开放系统允许纤维组织侵入性生长则形成瘢痕，限制了大段骨缺损的形态修复与功能重建。与ROIMS完全开放的系统不同，IMCS则是一个半开放半封闭的循环系统，开放是指膜引导骨再生系统内珊瑚支架与骨缺损断端紧密接触，有利于骨愈合；封闭是指IMCS利用硅胶膜、硅胶栓将不利于骨再生的因素如纤维组织隔离在膜引导骨再生系统以外，同时将诱导成骨因素如BMP-2限制在系统之内。因此，一方面利用机械屏障，阻止纤维组织长入系统之内形成瘢痕，避免BMP-2流失到系统以外，并提高BMP-2利用效率，在膜下提供一个安全高效的引导骨再生空间；另一方面，利用IMCS排出功能将炎性因子、代谢废物等不利于种子细胞存活的损伤因素排出体外。IMCS优于ROIMS的另外一个显著特点是通过动态补充种子细胞，在无瘢痕化的诱导成骨微环境下，促进种子细胞迁移、增殖、定向分布与分化。

上述操作是介入微循环系统具体应用的一个实例。介入微循环系统为损伤组织器官的再生修复提供类似机体微循环的营养代谢网络，即将细胞营养、组织器官再生所需的种子细胞、诱导种子细胞定向增殖分化的细胞因子输送到缺损微环境中，同时将代谢产物排除体外，因而多种组织器官不同形态、不同大小部位缺损的再生可通过介入微循环系统进行修复。据此，第一，SDF-1引导膜可表述为符合以下两个条件：1将不利于组织再生的纤维瘢痕隔离于系统之外；2同时将诱导再生因子限制在系统之内，避免对周围组织产生副作用。第二，珊瑚是骨再生支架材料，渗透性强，生物相容性好可生物降解，介入微循环系统不限于骨组织的修复，其支架材料不限于骨再生支架的珊瑚，可根据不同组织器官、不同形态、不同大小部位缺损选择相应支架，对其塑形，支架具有渗透性强、生物相容性好和可生物降解的特点。此系统所用支架包括3D打印技术生产的具有类似功能结构的支架材料。第三，SDF-1/CXCR4轴，在组织损伤及骨损伤修复过程中发挥重要调控作用。骨再生修复部位SDF-1的分泌增加；CXCR4+的干细胞沿着SDF-1浓度梯度迁移到达损伤部位，参与骨修复与重建。介入微循环系统不限于SDF-1/CXCR4轴，应包括能促进种子细胞归巢的各种生物物理因素。介入微循环系统适用于神经系统再生微环境的重建，包括用于脊髓损伤后神经再生微环境的重建，大段周围神经缺损的再生微环境的重建。但不限于种经系统。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任伺熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种介入微循环系统，其特征在于，包括体内组成部分和体外组成部分，其中，体内组成部分包括第一皮下植入式给药装置(6)、第二皮下植入式给药装置(7)；第一体内循环管道(8)；第二体内循环管道(9)；带有多个侧孔的体内循环管道(10)；高渗透性可降解生物支架(11)；近端硅胶栓(12)、远端硅胶栓(16)、SDF-1引导膜(13)、近端胫骨断端(14)、远端胫骨断端(15)和近端胫骨管状骨髓腔(17)、远端胫骨管状骨髓腔(18)，在距近端胫骨断端(14)缺口上1.5cm的位置设有直径2mm的圆形小孔，第一皮下植入式给药装置(6)通过2mm直径的硅胶导管从圆形小孔处穿入近端胫骨管状骨髓腔(17)内，再从近端胫骨管状骨髓腔(17)内引出，依次串联近端硅胶栓(12)高渗透性可降解生物支架(11)和远端硅胶栓(16)，硅胶导管进入远端胫骨管状骨髓腔(18)，在距远端胫骨断端(15)缺口下1.5cm的位置设有直径2mm的圆形小孔，硅胶导管从此小孔穿出，与第二皮下植入式给药装置(7)连接；体外组成部分包括入液口(1)、出液口(2)、输入营养液管道(3)、排出代谢液管道(4)、便携式循环泵(5)。

2.根据权利要求1所述的介入微循环系统，其特征在于：所述高渗透性可降解生物支架(11)为珊瑚支架。

3.一种介入微循环系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：表触摸定位第一皮下植入式给药装置(6)、第二皮下植入式给药装置(7)，两枚穿刺针分别经两个硅胶窗口垂直刺入抵达硬的给药窗底座，针头通过输入营养液管道(3)、排出代谢液管道(4)分别与两副注射器相连；

步骤2：注射器反向并置装入循环泵(5)盒内，由循环泵推进器控制注射器活塞，循环泵开启时推动装有营养液的注射器活塞，通过第一皮下植入式给药装置(6)向体内推注营养液，随后反向拉动另一注射器活塞，通过第二皮下植入式给药装置(7)从体内抽吸代谢液，推注和抽吸二者呈脉冲式交替进行；营养液注入体内时带有多个侧孔的体内循环管道(10)中液体压力大于管道周围压力，液压差促使循环管道中压力较高的营养液通过管道侧孔进入压力较低的珊瑚复合物支架孔隙中；而注射器抽吸时，循环管道(10)内呈负压，珊瑚支架孔隙中的液压大于循环管道中液压，代谢液通过循环管道侧孔进入压力较低的循环管道中；如此反复交替完成营养与代谢产物的交换；

步骤3：SDF-1引导膜(13)为胶原/壳聚糖复合趋化因子SDF-1形成的复合膜，包被高渗透性可降解生物支架(11)外围以及近端胫骨断端(14)、远端胫骨断端(15)各5mm长的管状骨面，并用两个5mm长的柱状近端硅胶栓(12)、远端硅胶栓(16)分别嵌入两断端骨髓腔内，SDF-1引导膜(13)套管、近端硅胶栓(12)、远端硅胶栓(16)与胫骨断端骨面接触部分以及硅胶栓与循环管道接触部分用医用组织粘合胶紧密粘合，同时SDF-1引导膜(13)外被硅胶膜包裹，保持高渗透性可降解生物支架(11)与近端胫骨断端(14)、远端胫骨断端(15)紧密接触的同时，使高渗透性可降解生物支架(11)与其它周围组织和髓腔完全隔离，构建膜引导骨再生系统。

4.根据权利要求3所述的介入微循环系统的操作方法，其特征在于，所述循环管道的循环流量使用5ml一次性注射器时流量控制在0.3ml/h-10ml/h。

5.根据权利要求3所述的介入微循环系统的操作方法，其特征在于，所述循环管道的循环流量使用10ml一次性注射器时流量控制在0.6ml/h-12ml/h。