CN106470731A - 可植入医疗装置 - Google Patents

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Abstract

一种可植入医疗系统，包括：供应气体的气体单元，其中所述气体主要是氧气；和至少一个功能性细胞单元，其经配置成从气体单元接收氧气以便将细胞维持在存活条件。细胞单元是柔性的。公开了几个实施例。

Description

可植入医疗装置
相关申请
本申请要求2014年3月27日提交的美国实用申请No.14/227,258的优先权和权益。该申请的内容在此通过引用以其全部并入本文。
背景技术
由一种或多种物质(如激素)的低分泌引起的一些病症是已知的。其中包括糖尿病、帕金森病、阿尔茨海默病、低血压和高血压、甲状腺功能减退和各种肝脏疾病。激素，例如胰岛素，是由胰腺的朗格汉斯胰岛(islets of Langerhans)中的β细胞产生的。在正常个体中，胰岛素释放被调节以维持血糖水平在约70至110毫克每分升的范围内。在糖尿病患者中，要么根本不产生胰岛素(1型糖尿病)，要么身体细胞不能正确地响应产生的胰岛素(2型糖尿病)。结果是血液中的葡萄糖水平升高。
由激素的低分泌引起的病症通常通过施用缺失的激素来治疗。然而，尽管在理解和治疗许多这些疾病中有进展，但通常不可能用外源性激素来精确地调节代谢。例如，糖尿病患者需要进行血糖水平的几次日常测量，然后注射适量的胰岛素以促使葡萄糖水平在可接受的范围内。
目前，器官移植对于大多数这些疾病来说不是可行的治疗方式，其一些原因包括免疫系统排斥移植的器官。孤立的细胞可以在被处理(例如，通过免疫抑制、辐射或包封)之后植入体内以防止排斥。包封材料经选择以便是生物相容的，并允许小分子在细胞和环境之间扩散，同时保护细胞免于接触免疫系统的免疫球蛋白和细胞。例如，封装的朗格汉斯的β-细胞或胰岛(产生胰岛素的组织)可以注射到门静脉中或嵌入皮肤下、腹腔中或其它位置。许多细胞移植的成功不仅受到宿主排斥的影响，而且还由于对移植物供氧不足而产生的缺血状况而受影响。在植入细胞后，氧气从身体组织提供给植入的细胞(主要通过扩散)，并且在一些情况下，从在血管生成因子(例如VEGF和bFGF)的帮助下在移植细胞周围形成的血管结构提供给植入的细胞。然而，自然扩散速率太低，不能为细胞提供足够量的氧气，特别是在大包装和高密度的细胞中。
氧气对于植入细胞的生理过程和功能是至关重要的。对植入细胞的氧气的供应不足通常导致细胞丧失功能或死亡。提供氧气是维持移植细胞的重要组成部分。
发明内容
本发明总体上涉及一种可植入医疗装置，其具有单元，该单元包括被保护免受宿主免疫系统影响的移植细胞和可被分离的氧气单元。在一个实施例中，本公开的医疗装置提供相对于现有技术文献中教导的装置显著高的功能性细胞(例如朗格汉斯胰岛)的量。作为示例，为了有效地使用这种植入医疗装置，需要植入250,000和更多个胰岛。为了使系统占据的体积最小化，需要高密度的胰岛、细胞或组织。在致密细胞中，氧气可能成为第一种限制性营养物，因此必须以足够的速率连续供应。所描述的实施例的一个目的是提供具有气体储存器的系统，其能够确保植入的细胞、组织或胰岛的活力和功能。
此外，细胞单元是薄的并且是物理柔性的，以便增加患者的舒适度并减少植入后预期的身体对植入物的反应。
因此，根据一个实施例，提供了一种可植入医疗系统，包括：
用于供应气体的气体单元，其中所述气体主要包括氧气；
多个功能性细胞单元中的至少一个，其具有一定程度的物理柔性并且被配置为从气体单元接收氧气，以便将功能性细胞维持在存活条件。
此外，根据另一个优选实施例，所述系统还包括至少一个分配器，其被配置为将气体从所述气体单元分配到所述多个功能性细胞单元。
此外，根据另一个优选实施例，所述气体单元是可以通过皮下可植入端口补充的气体的加压储存器，并且其中所述端口被配置为通过适于通过皮肤穿透所述补充端口的针接收气体。
此外，根据另一个优选实施例，在补充端口和加压储存器之间设置有单向阀，以确保气体仅从端口转移到储存器。
此外，根据另一个优选实施例，所述气体单元是氧气发生器。
此外，根据另一个优选实施例，所述氧气发生器通过水解产生氧气，并且包括一对电极和电源。
此外，根据另一个优选的实施例，功能性细胞选自包括朗格汉斯胰岛、肾上腺细胞、干细胞和遗传可植入细胞的组。
此外，根据另一个优选实施例，所述功能性细胞单元具有比其他维度相对更长的一个维度，以便使所述单元具有柔性，并且其中所述单元足够柔韧，以允许所述单元部分地遵循与该单元相邻的身体器官的自然运动。
在一个实施例中，所述功能性细胞单元是具有从约1mm至约8mm范围内的厚度的圆盘形状。在一个实施例中，所述功能性细胞单元具有厚度在约1.5mm至约7.5mm范围内的圆盘形状。在一个实施例中，所述功能性细胞单元是具有从约2.0mm至约7.0mm范围内的厚度的圆盘形状。在一个实施例中，所述功能性细胞单元是具有从约2.5mm至约6.5mm范围内的厚度的圆盘形状。在一个实施例中，所述功能性细胞单元为直径在约1cm至约20cm范围内的圆盘形状。在一个实施例中，所述功能性细胞单元为具有约2cm至约10cm范围内直径的圆盘形状。在一个实施例中，所述功能性细胞单元为直径在约4cm至约5cm范围内的圆盘形状。
此外，根据另一个优选实施例，所述功能性细胞单元包括基本上相同尺寸的相对定位的隔室，这两个隔室设置有相对高表面积的表面，氧气可以通过该表面扩散并到达单元内部的功能性细胞。
此外，根据另一个优选实施例，高表面积的表面覆盖有促进氧气转移的层。
此外，根据另一个优选实施例，所述层是硅树脂层。
此外，根据另一个优选的实施例，所述功能性细胞单元的外侧另一层覆盖，所述另一层可渗透可以由功能性细胞产生的营养物和生物材料并且不可渗透免疫因子和氧气。
此外，根据另一个优选实施例，所述隔室是盘状的，并且具有约20-2,000μm的厚度。
此外，根据另一优选实施例，功能性细胞嵌入在单元内的基质中。
此外，根据另一个优选实施例，所述基质由选自包括藻酸盐、胶原蛋白及其组合的组的材料制成。
此外，根据另一个优选的实施例，细胞单元中的功能性细胞被捕获在多孔结构内。
此外，根据另一个优选实施例，所述功能性细胞单元包括具有允许氧气的转移的充分大的表面积的多个子单元，其中每个子单元具有嵌入基质中的功能性细胞。
此外，根据另一个优选实施例，所述子单元类似于蛋纸盒布置，其中每个子单元的直径为约10μm至约2,500μm。
此外，根据另一个优选实施例，所述功能性细胞单元设有被构造为允许功能性细胞被捕获的内部突起。
附图说明
此处仅通过示例的方式，参考附图来描述本发明。具体参考附图，需要强调的是，所示的细节仅仅是示例性的，并且仅用于说明性地讨论本发明的优选实施例，并且出于提供被认为是有用和容易理解的对本发明的原理和概念方面的描述。在这方面，没有尝试更详细地示出对本发明的基本理解所需要的本发明的结构细节，对附图的描述使得本领域技术人员明白本发明的几种形式如何在实践中实施。
本发明能够具有其他实施例或者以各种方式实践或执行。此外，应当理解，本文中使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被认为是限制性的。
在下面描述的各个附图的讨论中，相同的附图标记表示相同的零件。附图通常不是按比例绘制的。为了清楚起见，在一些附图中省略了非必要的元件。一些可选零件使用虚线绘制。
图1示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的医疗系统。
图2a示出了根据一个实施例的用于从气体单元到结合在图1所示的系统中的细胞单元的气体受控流动的系统。
图2b示意性地示出了示例性实施例中的气体的受控释放。
图3示出了根据示例性实施例的当从身体外部补充气体时的端口。
图4示出了根据示例性实施例的结合有端口的气体单元。
图5示意性地示出了根据本发明的另一示例性实施例的医疗系统。
图6示出了根据又一示例性实施例的设置有多个功能性细胞单元的医疗系统。
图7a示出了根据优选实施例的功能性细胞单元。
图7b示出了根据另一优选实施例的功能性细胞单元的隔室。
图7c示出了根据又一优选实施例的功能性细胞单元的隔室。
图7d示出了根据又一优选实施例的功能性细胞单元的隔室。
图8示出了根据另一优选实施例的氧气分配器。
具体实施方式
本发明大体上涉及可植入医疗装置，以及其中氧气对于移植细胞(例如植入医疗装置内移植的胰腺胰岛中的细胞)具有恒定可用性的装置和方法。
在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应当理解，本发明在其应用上不限于在下面的描述中阐述或在附图中示出的部件的结构和布置的细节。本发明能够具有其他实施例或者以各种方式实践或执行。此外，应当理解，本文中使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被认为是限制性的。
在下面描述的各个附图的讨论中，相同的附图标记表示相同的零件。
附图通常不按比例绘制。一些可选零件使用虚线绘制。
为了清楚起见，在一些附图中省略了非必要的元件。
图1示意性地描绘了根据示例性实施例的医疗系统20。
医疗系统10被皮下植入到患者的皮肤12下方，相对靠近皮肤。医疗系统10包括容纳功能性细胞或功能性组织的单元14。功能性细胞可以选自例如朗格汉斯胰岛、肾上腺细胞、干细胞和遗传可植入细胞的一组细胞。功能性细胞单元14被构造成类似硬币的形状，其保持该单元足够柔韧，以便能够适应身体的运动并且对患者造成最小的不适。
该单元的物理柔性使得单元部分地跟随与其相邻的身体器官的自然运动。作为示例，如果单元邻近肌肉组织，则当组织被拉伸时，单元应该部分地或完全地适应于拉伸运动。此外，移植这种装置的一个可能位置在腹部区域的皮肤下方，并且该区域容易被倚靠，单元应当具有柔性以将其自身调整以适应倚靠在其上的物品，例如当一个人就坐时的桌子。在一个实施例中，单元的柔性基于单元的结构材料确定。在一个实施例中，单元的柔性基于单元的设计确定。在一个实施例中，柔性单元具有突出的动态弯曲和运动能力。在一个实施例中，柔性单元由至少一种柔性材料制成，该柔性材料足以允许在其被植入的身体中的受控范围的弯曲、变直和扭转运动。
在一个实施例中，单元的弯曲半径X/Y/Z轴线是确定单元柔性的因素。弯曲半径是对内部曲率测量的，它是在不扭结、损坏或缩短其寿命的情况下可以使该单元弯曲的最小半径。弯曲半径越小，材料柔性越大(随着曲率半径减小，曲率增加)。在一个实施例中，柔性单元具有范围从约0.2mm到约2.0mm的弯曲半径。在一个实施例中，柔性单元具有从约0.3mm到约1.0mm范围内的弯曲半径。弯曲比率定义为弯曲半径：单元厚度。
在一个实施例中，制造该单元的材料硬度是确定单元的柔性的因素。硬度可以定义为材料对塑性变形的抗性，通常通过压痕。然而，该术语还可以指刚度或回火，或对划伤、磨损或切割的抗性。它是材料的性质，当施加负载时，其赋予其抵抗永久变形(弯曲、断裂或其形状改变)的能力。材料的硬度越大，它具有的变形抗性越大。硬度测量可以定义为宏观、微观或纳米尺度。材料宏观硬度的测量是从小样品获得块状材料(bulk material)的机械性能数据的快速和简单的方法。显微硬度是通过在15至1000gf负荷下将诸如维氏(Vickers)或努氏(Knoop)压头的压头压入材料的表面中而测定的材料的硬度；通常，压痕是如此小，使得它们必须用显微镜测量。纳米压痕测试通过使用非常小的、大约1纳牛顿压痕力产生压痕并测量所形成的压痕的深度来测量硬度。可用于测量材料硬度的一些测试包括布氏(Brinell)硬度测试、洛氏(Rockwell)硬度测试和维氏硬度测试。这三种硬度测试测量材料的硬度的方式是确定材料对不可变形的球或锥体的穿透的阻力。这些测试确定了这样的球或锥体在给定负载下在特定时间段内将陷入材料的深度。以下是当今技术中使用的最常见的硬度测试方法：洛氏硬度测试，布氏硬度、维氏硬度、努氏硬度和邵氏(Shore)硬度。
在一个实施例中，材料的拉伸强度是确定单元柔性的因素。
在一个实施例中，材料的断裂伸长率是确定单元柔性的因素。
在一个实施例中，材料的密度是确定单元柔性的因素。
在一个实施例中，材料的弹性模量是确定单元柔性的因素。
在一个实施例中，材料的压缩X/Y/Z轴线是确定单元柔性的因素。
在一个实施例中，材料的可扭转性是确定单元柔性的因素。可扭转性是指单元对围绕其纵向轴线施加的扭矩的响应。
在一个实施例中，本公开的柔性单元由密度(g/cc)范围为约0.1至约10.0、约0.5至约7.5、约1.0至约5.0、约1.5至约2.5的材料制成。
在一个实施例中，本公开的柔性单元由断裂伸长率高于100％，例如约100％至约5000％、约100％至约4000％、约100％至约3000％、约100％至约2000％、约100％至约1000％、约100％至约900％、约100％至约800％、约100％至约700％、约100％至约600％、约100％至约500％、约100％至约400％、约100％至约300％、约100％至约200％的材料制成。
在一个实施例中，本公开的柔性单元由弹性模量为约0.0001Gpa至约4.0Gpa、约0.0005Gpa至约1.5Gpa、约0.001Gpa至约1.0Gpa、约0.005Gpa至约0.5Gpa、约0.010Gpa至约0.1Gpa的材料制成。
在一个实施例中，本公开的柔性单元由邵氏硬度(Hardness in Shore)为约10硬度(Durometer)至约100硬度、约15硬度至约95硬度、约20硬度至约85硬度、约25硬度至约80硬度、约30硬度至约75硬度、约35硬度至约70硬度、约40硬度至约65硬度、约45硬度至约60硬度的材料制成。
以下是列出可用于制造本公开的柔性单元的柔性材料的性质的表格：
*HDPE＝高密度聚乙烯
**LDPE＝低密度聚乙烯
在一个实施例中，本公开的柔性单元由已注塑成型所需形状的液体硅橡胶两部分半透明硅树脂系统制成。该两部分系统可以通过附加固化化学工艺来热固化。
在一个实施例中，用于制造本公开的柔性单元的两部分液体硅橡胶系统是由NuSil Technology公司制造的MED-4810。一旦该两部分系统已经固化(在150℃下约5分钟后)，A型的硬度为约11(使用ASTM D2240测量)，拉伸强度为约700psi(4.8MPa)(使用ASTMD412测量)，断裂伸长率为约1,075％(使用ASTM D412测量)。
在一个实施例中，用于制造本公开的柔性单元的两部分液体硅橡胶系统是由NuSil Technology公司制造的MED-4820。一旦该两部分系统已经固化(在150℃下约5分钟后)，A型的硬度为约20(使用ASTM D2240测量)，拉伸强度为约910psi(6.3MPa)(使用ASTMD412测量)，断裂伸长率为约875％(使用ASTM D412测量)。
在一个实施例中，用于制造本公开的柔性单元的两部分液体硅橡胶系统是由NuSil Technology公司制造的MED-4830。一旦该两部分系统已经固化(在150℃下约5分钟后)，A型的硬度为约30(使用ASTM D2240测量)，拉伸强度为约1,350psi(9.3MPa)(使用ASTMD412测量)，断裂伸长率为约750％(使用ASTM D412测量)。
在一个实施例中，用于制造本公开的柔性单元的两部分液体硅橡胶系统是由NuSil Technology公司制造的MED-4840。一旦该两部分系统已经固化(在150℃下约5分钟后)，A型的硬度为约43(使用ASTM D2240测量)，拉伸强度为约1,180psi(8.1MPa)(使用ASTMD412测量)，断裂伸长率为约590％(使用ASTM D412测量)。
在一个实施例中，用于制造本公开的柔性单元的两部分液体硅橡胶系统是由NuSil Technology公司制造的MED-4842。一旦该两部分系统已经固化(在150℃下约5分钟后)，A型的硬度为约44(使用ASTM D2240测量)，拉伸强度为约1,070psi(7.4MPa)(使用ASTMD412测量)，断裂伸长率为约400％(使用ASTM D412测量)。
在一个实施例中，用于制造本公开的柔性单元的两部分液体硅橡胶系统是由NuSil Technology公司制造的MED-4850。一旦两部分系统已经固化(在150℃下约5分钟后)，A型的硬度为约50(使用ASTM D2240测量)，拉伸强度为约1,475psi(10.2MPa)(如使用ASTM D412测量)，断裂伸长率为约675％(使用ASTM D4124测量)。
在一个实施例中，用于制造本公开的柔性单元的两部分液体硅橡胶系统是由NuSil Technology公司制造的MED-4855。一旦该两部分系统已经固化(在150℃下约5分钟后)，A型的硬度为约55(使用ASTM D2240测量)，拉伸强度为约1,100psi(7.6MPa)(使用ASTMD412测量)，断裂伸长率为约475％(使用ASTM D412测量)。
在一个实施例中，用于制造本公开的柔性单元的两部分液体硅橡胶系统是由NuSil Technology公司制造的MED-4860。一旦该两部分系统已经固化(在150℃下约5分钟后)，A型的硬度为约60(使用ASTM D2240测量)，拉伸强度为约1,350psi(9.3MPa)(使用ASTMD412测量)，断裂伸长率为约530％(使用ASTM D412测量)。
在一个实施例中，用于制造本公开的柔性单元的两部分液体硅橡胶系统是由NuSil Technology公司制造的MED-4870。一旦该两部分系统已经固化(在150℃下约5分钟后)，A型的硬度为约70(使用ASTM D2240测量)，拉伸强度为约1,500psi(10.3MPa)(使用ASTM D412测量)，断裂伸长率为约415％(使用ASTM D412测量)。
在一个实施例中，用于制造本公开的柔性单元的两部分液体硅橡胶系统是由NuSil Technology公司制造的MED-4880。一旦该两部分系统已经固化(在150℃下约5分钟后)，A型的硬度为约80(使用ASTM D2240测量)，拉伸强度为约1,030psi(7.1MPa)(使用ASTMD412测量)，并且断裂伸长率为约265％(使用ASTM D412测量)。
在一个实施例中，用于制造本公开的柔性单元的两部分液体硅橡胶系统是由NuSil Technology公司制造的MED50-5338。一旦该两部分系统已经固化(在150℃下约5分钟后)，A型的硬度为约30(使用ASTM D2240测量)，拉伸强度为约650psi(4.5MPa)(使用ASTMD412测量)，断裂伸长率为约350％(使用ASTM D412测量)。
在一个实施例中，用于制造本公开的柔性单元的两部分液体硅橡胶系统是由NuSil Technology公司制造的MED-5440。一旦该两部分系统已经固化(在150℃下约5分钟后)，A型的硬度为约40(使用ASTM D2240测量)，拉伸强度为约1,250psi(8.6MPa)(如使用ASTM D412测量)，断裂伸长率为约0 380％(使用ASTM D412测量)。
盘形单元14的优选尺寸为1-8mm厚，直径约1-20cm。应当注意，可以使用任何其它形状，只要单元的维度之一相对于其他维度较小，给单元提供期望的柔性。
植入的医疗系统10还包括气体单元16。气体单元16优选地是可以植入体内的加压储存器，其中储存器也可以是柔性的，但也可以是刚性的。通常，优选气体含量为约95％的氧气和5％的二氧化碳，在任何情况下，气体主要包含氧气。压力范围应大于1个大气压(环境压力)并且高达100个大气压；然而，优选范围为1-10个大气压之间。
气体单元16和分配器20通过气体管道18流体连接。气体(基本上为氧气)通过管道18从气体单元传送，以便将氧气供给到细胞单元，从而保持细胞处于可存活状态。管道18中的压力不应超过约1-3个大气压，其中l个大气压(1atm)是环境压力。气体可以通过氧气分配器20释放到功能性细胞单元14中。气体从氧气分配器扩散到功能性细胞，如下文所述。
气体从气体单元16的释放可以使用不同的方法进行。一个选择是安装电动阀门或电气门。另一个选择是使用特制的机械阀。
气体单元16内的气体可通过气体补充端口26补充。该端口应定位在皮肤12附近。单向阀28定位在端口26和气体单元16之间，以便确保所有气体积聚在气体单元16内并且在气体单元内保持高于一个大气压的压力。气体可以通过将针插入穿过患者的皮肤12并通过膜(通常是设置在端口中并且邻近皮肤放置的硅橡胶)进入端口26来补充。
现在参考图2a，其示出了用于包含在图1所示的系统中的气体的受控流动的系统。电动阀可以是由接收电脉冲并且然后将这些脉冲转换成机械运动的部件制成的气动电磁阀(gas solenoid)22，这些机械运动打开或关闭阀并控制气体到细胞单元的流动。可选地，气动电磁阀的壳体设置有线圈，该线圈位于内部并接收来自可以位于氧气分配器20中或在功能性细胞附近的至少一个传感器24的电流。传感器24感测分配器20中的氧气量，如图2所示，并且操作电动阀22。当分配器20中的氧气水平达到预定阈值(例如300mm Hg)时，传感器24向阀22发送电信号。然后，电磁阀22将由线圈接收的电脉冲传递到阀内的机械部件以打开阀并释放额外量的气体。这被重复。罐中的气体逐步下降，而当一段时间后气体水平接近约一个大气压时(环境压力)，应当补充气体单元16中的气体。
可选地，压力控制可以通过机械装置执行，其中弹簧或压力差控制气体从气体单元16到管道18的转移。
可选地，膜可以放置在气体单元16和管道18之间。在这种情况下，可以实现到细胞单元14中的功能性单元的相对连续且稳定的气体流。
可选地，例如，基于预期的氧气消耗，可以通过以预定时间间隔打开的电门执行压力控制。
可选地，阀可以是基于气体单元16和分配器20之间的压力差操作的机械阀。
现在参考图3，其示出根据一个实施例的当从身体外部补充气体时的端口。针30c通过皮肤12插入并通过被针30c刺穿的膜30(例如硅橡胶膜)进入端口26。针连接到管道29c，气体以所需的压力从管道29c插入。
可选地，端口26结合在气体单元16内，如图4所示。
植入的医疗系统的所有部件由生物相容性材料制成，并且适于在相对长的时间(例如几年)内容纳在患者体内。
可选地，可以使用氧气发生器，以便防止在每次需要补充气体时需要刺穿皮肤。氧气发生器可以与功能性细胞单元14分开或代替分配器20放置。现在参考图5，其示意性地示出了根据本发明的另一示例性实施例的医疗系统。系统100包括功能性细胞单元14和氧气分配器20，氧气分配器20从腔室32接收氧气，该腔室32不断地向功能性细胞单元14递送氧气，以确保细胞是活的。氧气发生器包括一对电极34A和34B，其优选是柔性的并且部分地位于腔室32内。电极优选地由生物相容性材料例如碳或铂制成。该系统还包括电源38和微处理器36。当通过电源38在电极34A和34B之间产生电势时，水分子的水解开始并导致产生氧气。在32中产生的氧气扩散到分配器20和功能性细胞单元。
可选地，提供检测氧气水平的氧气传感器(图中未示出)，并且因此使用微处理器36启动或停止电极之间的电流。以这种方式，氧气产生量是可控的。
所需功能性细胞的量取决于患者的生理特征以及疾病的状况。可选地，如图6所示，气体单元连接到若干个细胞单元，该图示出了根据又一示例性实施例的设置有多个功能性细胞单元的医疗系统。医疗系统200包括与图1中相同的元件，然而，提供了多于一个的分配器20A和20B以及多于一个的功能性细胞单元14A和14B。在系统中可以使用其自身具有氧气分配器或共享一个氧气分配器的更多个细胞单元。
如上所述，功能性细胞单元14优选地成形为具有一定程度的柔性的盘状构件。优选地，存在两个相邻的隔室，其中气体分布在它们之间。
现在参考图7a，其示出了根据优选实施例的功能性细胞单元14，分配器20在其中分配气体。作为示例，气体可以直接从管道的喷嘴分配或通过多个孔48分配。在所公开的优选实施例中，功能性单元40优选地嵌入在分配器18的两侧上彼此面对的两个盘形隔室42A和42B中的基质44内。应当注意，细胞也可以是组织，例如朗格汉斯胰岛。细胞嵌入其中的基质可以选自一组材料，例如藻酸盐、胶原蛋白、其组合或者氧气以及营养物质可在其中扩散的任何其他材料。
盘状隔室的面向相对隔室的每个面以及隔室的侧面被优选硅树脂或水解硅树脂46的层覆盖，其允许氧气通过并进入功能性细胞嵌入的基质中。盘状隔室的相对面(外侧)覆盖有对营养物(例如葡萄糖)可渗透但对可能侵袭细胞的免疫因子(如免疫细胞和免疫球蛋白(例如IgG))不可渗透的层50。层50可以由诸如藻酸盐或PEG(聚乙二醇)的材料或与诸如聚四氟乙烯(Teflon)的其它材料的组合制成。
这样的隔室应当具有足够低的厚度以防止细胞的聚集。对于朗格汉斯胰岛，盘状结构的厚度应该在大约200到2,000μm之间。如果使用单个细胞，则单元的厚度可以为约20μm。
重要的是保持氧气通过细胞的表面积尽可能大以便确保细胞的活性。
现在参考图7b，为了清楚起见，其示出了功能性细胞单元的另一个隔室。如在前一个实施例中，与来自发生器的气体或氧气的分配器接触的面被硅树脂层52覆盖，该层52允许氧气通过该层进入细胞隔室。相对的面覆盖有允许营养物进入隔室的层58。在隔室内，接收具有多孔结构56的海绵状材料，功能性细胞58固定或捕获在其上。多孔结构56应当具有孔，所述孔的尺寸被设定为允许功能性细胞进入内部并被捕获在孔内。
现在参考图7c，为了清楚起见，其示出功能性细胞单元的隔室的另一个实施例。如在前述实施例中，与来自发生器的气体或氧气的分配器接触的面被硅树脂层52覆盖，该硅树脂层52允许氧气通过该层进入隔室。相对面覆盖有层58，该层58允许营养物进入隔室并允许由功能性细胞产生的激素或其它生物材料扩散到外部。隔室本身由多个子单元构成，所述多个子单元构造成可以类似于蛋纸盒的形状。这种结构在以下原因方面是优选的：允许氧通过并到达细胞所占据的表面积相对较大，并且子单元之间的薄区域60对整个结构赋予柔性。在每个子单元内，提供嵌入基质62内的功能性细胞58或组织64，例如藻酸盐、胶原蛋白或其组合。在功能性细胞单元的制备中，作为实例，液体或半液体藻酸盐可以与功能性细胞混合并倒入子单元内以填充它。另一个选择是在每个子单元内容纳与特定形状的功能性细胞混合的基质团。
每个子单元的典型直径可以在10-2,500μm的范围内。
现在参考图7d，为了清楚起见，其示出功能性细胞单元的另一个隔室。如在前述实施例中，与来自发生器的气体或氧气的分配器接触的面被硅树脂层52覆盖，该硅树脂层52允许氧气通过该层进入隔室。相对面覆盖有层58，该层58允许营养物进入隔室并允许激素离开隔室。在隔室内提供毛发状结构或内部突起64，功能性细胞58被捕获在该毛发状结构或内部突起64上，并且该结构被加强。优选地，突起64将由诸如硅树脂的材料制成，以便于将氧气转移到功能性细胞。
现在参考图8，其示出了根据另一优选实施例的分配器。为了将氧气均匀地转移到嵌入在如图7a-7d所示的结构内的功能性细胞，气体或氧气的分配器可以设置有用于更好地将气体分配到细胞的装置。这是本发明的重要特征。图8所示的功能性单元是图7a所示的实施例，然而，这种气体分配可用于所示的任何其它实施例以及其它情况。分配器18设置有多个小管道66，每个小管道在功能性细胞单元14的不同区域中具有喷嘴。以这种方式，氧气的可用性对于细胞单元的任何区域中的细胞是相似的，无论他们靠近还是远离分配器。
应当注意的是，功能性细胞单元的外层和系统的其他部分包含促进植入系统附近的血管形成的材料以及应该增加患者身体的免疫抑制反应的其他材料。为了在功能性细胞单元的活性表面附近诱导致密血管床，可任选地加入生物活性剂，例如肝素、CSPG、HSPG、血小板衍生物和间充质干细胞。减少局部炎症可以通过添加如α-1抗胰蛋白酶、抗TNF-α(例如依那西普，己酮可可碱)和hMSC的材料来进行。
系统的每个部分和作为整体的系统可以通过使用3D打印机来制造，同时保持材料的生物相容。
应当理解的是，为了清楚起见，在单独实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，为了简洁，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合方式提供。
虽然已经结合其具体实施例描述了本发明，但是显然许多替代、修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，旨在包括落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有这样的替代、修改和变化。在本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用整体并入本说明书中，其程度如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指明通过引用并入本文。此外，本申请中任何参考文献的引用或识别不应被解释为承认这样的参考文献可作为本发明的现有技术。
在一个实施例中，一种可植入医疗系统包括：用于供应气体的气体单元，其中所述气体主要包括氧气；以及多个功能性细胞单元中的至少一个，所述多个功能性细胞单元具有一定程度的物理柔性并且被配置为从所述气体单元接收氧气，以将所述功能性细胞维持在存活条件。在一个实施例中，功能性细胞单元具有由制造它的材料的密度限定的柔性。在一个实施例中，功能性细胞单元由密度为约0.50g/cc至约4.0g/cc的材料制成。在一个实施例中，功能性细胞单元由密度为约0.60g/cc至约3.5g/cc的材料制成。在一个实施例中，功能性细胞单元由密度为约0.70g/cc至约3.0g/cc的材料制成。在一个实施例中，功能性细胞单元由密度为约1.00g/cc至约2.0g/cc的材料制成。
在一个实施例中，功能性细胞单元具有由制造它的材料的断裂伸长率限定的柔性。在一个实施例中，功能性细胞单元由具有在50％到5000％之间的断裂伸长率的材料制成。在一个实施例中，功能性细胞单元由具有在100％到4000％之间的断裂伸长率的材料制成。在一个实施例中，功能性细胞单元由具有在150％到3000％之间的断裂伸长率的材料制成。在一个实施例中，当功能性细胞单元由橡胶材料制造时，ASTM D412测试方法用于确定功能性细胞单元的断裂伸长率。
在一个实施例中，功能性细胞单元具有由制造它的材料的弹性模量限定的柔性。在一个实施例中，功能性细胞单元由弹性模量高达约4.0Gpa的材料制成。
在一个实施例中，功能性细胞单元具有由制造它的材料的硬度限定的柔性。在一个实施例中，功能性细胞单元由硬度范围从约10洛氏D(Rockwell D)到约100洛氏D的材料制成。在一个实施例中，功能性细胞单元由硬度范围从约15洛氏D到约95洛氏D的材料制成。在一个实施例中，功能性细胞单元由硬度范围从约20洛氏D到约90洛氏D的材料制成。在一个实施例中，功能性细胞具有85洛氏D的硬度。在一个实施例中，功能性细胞单元由硬度范围从约30洛氏D到约80洛氏D的材料制成。在一个实施例中，功能性细胞单元由硬度范围从约35洛氏D到约75洛氏D的材料制成。
在一个实施例中，系统还包括至少一个分配器，其被配置为将气体从气体单元分配到所述多个功能性细胞单元。在一个实施例中，气体单元是可以通过皮下可植入端口补充的气体加压储存器，并且其中端口被配置为通过适于通过皮肤穿透补充端口的针接收气体。在一个实施例中，单向阀设置在补充端口和加压储存器之间，以确保气体仅从端口传送到储存器。在一个实施例中，气体单元是氧气发生器。在一个实施例中，氧气发生器通过水解产生氧气，并且包括一对电极和电源。在一个实施例中，功能性细胞选自包括朗格汉斯胰岛、肾上腺细胞、干细胞和遗传可植入细胞的组。在一个实施例中，功能性细胞单元具有比其它维度相对更长的一个维度，以使得单元具有柔性，并且其中单元足够柔韧，以允许该单元部分地跟随与该单元相邻的身体器官的自然运动。在一个实施例中，功能性细胞单元为具有1-8mm厚度和1-20cm直径的圆盘形状。在一个实施例中，功能性细胞单元包括具有基本相同尺寸的相对定位的隔室，两个隔室设置有相对高表面积的表面，氧气可通过该表面扩散并到达单元内的功能性细胞。在一个实施例中，隔室是盘状的并且具有约20-2,000μm的厚度。在一个实施例中，高表面积的表面覆盖有促进氧气转移的层。在一个实施例中，该层是硅树脂层。在一个实施例中，功能性细胞单元的外侧被可渗透营养物和生物材料但不可渗透免疫因子和氧气的另一层覆盖，所述营养物和生物材料可以由功能性细胞产生。在一个实施例中，功能性细胞嵌入在单元内的基质中。在一个实施例中，基质由选自包含藻酸盐、胶原蛋白及其组合的组的材料制成。在一个实施例中，细胞单元中的功能性细胞被捕获在多孔结构内。在一个实施例中，功能性细胞单元包含多个具有充分(substantially)大的表面积的子单元，其允许氧气的转移，其中每个子单元具有嵌入基质中的功能性细胞。在一个实施例中，子单元类似于蛋纸盒布置，其中每个子单元的直径为约10-2,500μm。在一个实施例中，功能性细胞单元设置有被构造为允许功能性细胞被捕获的内部突起。

Claims (20)

1.一种可植入医疗系统，包括：
用于供应气体的气体单元，其中所述气体主要包括氧气；
多个功能性细胞单元中的至少一个，所述功能性细胞单元具有一定程度的物理柔性并且被配置为从所述气体单元接收氧气以便将功能性细胞维持在存活条件，
其中所述功能性细胞单元的物理柔性的程度足以允许受控范围的弯曲、变直和扭转运动。
2.根据权利要求1所述的可植入医疗系统，还包括至少一个分配器，所述分配器被配置为将来自所述气体单元的气体分配到所述多个功能性细胞单元。
3.根据权利要求1所述的可植入医疗系统，其中，所述气体单元是能够通过皮下可植入端口补充的气体的加压储存器，并且其中所述端口被配置为通过针接收气体，所述针适于通过皮肤穿透所述补充端口。
4.根据权利要求3所述的可植入医疗系统，其中，在所述补充端口和所述加压储存器之间设置有单向阀，以确保气体仅从所述端口转移到所述储存器。
5.根据权利要求1所述的可植入医疗系统，其中，所述气体单元是氧气发生器。
6.根据权利要求5所述的可植入医疗系统，其中，所述氧气发生器通过水解产生氧气，并且包括一对电极和电源。
7.根据权利要求1所述的可植入医疗系统，其中，所述功能性细胞选自包括朗格汉斯胰岛、肾上腺细胞、干细胞和遗传可植入细胞的组。
8.根据权利要求1所述的可植入医疗系统，其中，所述功能性细胞单元具有比其他维度相对更长的一个维度，以便使所述单元具有柔性，并且其中所述单元足够柔韧，以允许所述单元部分地遵循与所述单元相邻的身体器官的自然运动。
9.根据权利要求1所述的可植入医疗系统，所述功能性细胞单元为具有1-8mm的厚度和1-20cm的直径的圆盘形状。
10.根据权利要求1所述的可植入医疗系统，其中，所述功能性细胞单元包括具有基本上相同尺寸的相对定位的隔室，这两个隔室设置有相对高表面积的表面，氧气能够通过所述表面扩散并到达所述单元内的所述功能性细胞。
11.根据权利要求10所述的可植入医疗系统，其中，所述高表面积的表面覆盖有促进氧气转移的层。
12.根据权利要求11所述的可植入医疗系统，其中，所述层是硅树脂层。
13.根据权利要求1所述的可植入医疗系统，其中，所述功能性细胞单元的外侧被另一层覆盖，所述另一层可渗透可由所述功能性细胞产生的营养物和生物材料并且不可渗透免疫因子和氧气。
14.根据权利要求10所述的可植入医疗系统，其中，所述隔室是盘状的并且具有约20-2,000μm的厚度。
15.根据权利要求1所述的可植入医疗系统，其中，所述功能性细胞嵌入在所述单元内的基质中。
16.根据权利要求1所述的可植入医疗系统，其中，所述基质由这样的材料制成，所述材料从包括藻酸盐、胶原蛋白及其组合的组中选择。
17.根据权利要求1所述的可植入医疗系统，其中，所述细胞单元中的功能性细胞被捕获在多孔结构内。
18.根据权利要求1所述的可植入医疗系统，其中，所述功能性细胞单元包括多个子单元，所述多个子单元具有允许氧气的转移的充分大的表面积，其中每个子单元具有嵌入基质中的功能性细胞。
19.根据权利要求18所述的可植入医疗系统，其中，所述子单元类似于蛋纸盒布置，其中每个子单元的直径为约10-2,500μm。
20.根据权利要求1所述的可植入医疗系统，其中，所述功能性细胞单元设有被构造为允许功能性细胞被捕获的内部突起。
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