CN110167613B - 适合用于皮下植入物的经皮气体扩散装置 - Google Patents

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Abstract

经皮气体扩散装置。在一个实施方式中，该经皮气体扩散装置包括芯层、外层和中间层。芯层可以是圆柱形的并且可以包括气体可渗透的、液体不可渗透的材料。外层可以在外周上围绕芯层并且可以包括组织整合材料。中间层可以在外周上围绕芯层并且可以在外周上被外层围绕。中间层可包括屏障，该屏障防止组织从外层渗入到芯层中，并且另外减少气从芯层到外层中的扩散。经皮气体扩散装置可以连接到皮下植入物装置，诸如容纳植入的细胞和/或组织的皮下容器、皮下电化学氧气浓缩器或水电解池。

Description

适合用于皮下植入物的经皮气体扩散装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年11月15日提交的发明人为Anthony A.Ferrante等人的美国临时专利申请号62/422,397根据35 U.S.C.119(e)的权益，其公开内容通过引用并入本文。
发明背景
本发明一般涉及可用于例如向患者输送药物、治疗气体或基于细胞的治疗剂的类型的皮下植入物，并且更具体地涉及需要从患者外部向其输送一种或多种气体和/或需要从这种植入物中移除一种或多种气体到患者外部的上述类型的皮下植入物。
皮下植入物是用于治疗各种疾病、紊乱和/或病症的有用工具。在一些情况下，这种植入物可包括封装在合适的可植入容器或胶囊内的细胞和/或组织。可选地或额外地，这种植入物可包括用于产生氧气或另一种气体以输送到植入的细胞和/或组织的装置。当细胞和/或组织被包封在植入的容器内时，容器通常被设计成允许细胞和/或组织产生所需的治疗剂并且用于将产生的治疗剂播散给患者，而同时，限制免疫应答。可以理解的是，在一些情况下，可能需要获得外部空气以将氧气输送到植入的细胞或组织，或者用于释放由于装置或细胞功能而产生的废气。
说明细胞或组织植入需要的实例是开发用于治疗糖尿病的细胞疗法。目前，用于糖尿病治疗的基于细胞的治疗选择包括朗格罕(Langerhans)的整个胰腺器官的移植或胰岛的移植。然而，由于需要终身免疫抑制治疗，这些疗法通常适用于患有最难治疗的1型糖尿病患者，特别是那些由于先前或同时进行器官移植而已经接受免疫抑制疗法的患者。
已经开发了容器或胶囊，其能够在不需要免疫抑制的情况下植入胰岛和其他组织。例如，一些目前可用的细胞胶囊并入免疫隔离膜，其保护同种异体包封的组织免受宿主免疫系统的影响；然而，不幸的是，这种免疫隔离膜还阻止了包封组织的血管形成，从而使得向包封组织的输送必需的气体和从中移除废气更加困难。虽然胶囊的安全性和细胞保护已被很好地记录，但由于向包封细胞输送氧气的限制，这类方法最终未能实现预期的益处。(参见以下，其全部通过引用以其整体并入本文：Suzuki et al.，“Number and volume ofislets transplanted in immuno屏障devices,”Cell transplantation，7:47-52(1998)；Tibell et al.，“Survival of macroencapsulated allogeneic parathyroid tissueone year after transplantation in nonimmunosuppressed humans,”Cell transplantation，10:591-9(2001)；Bruin et al.，“Maturation and function of humanembryonic stem cell-derived pancreatic progenitors in macroencapsulationdevices following transplant into mice,”Diabetologia，56:1987-98(2013)；Mottéet al.，“Composition and Function of Macro-Encapsulated Human Embryonic StemCell-Derived Implants:Comparison with Clinical Human Islet Cell Grafts,”Am J Physiol Endocrinol Metab.，307:E838-46(2014)；Yanay et al.，“Long-termerythropoietin gene expression from transduced cells in bioisolator devices,”Human gene therapy，14:1587-93(2003)；Bartholomew et al.，“Baboon mesenchymalstem cells can be genetically modified to secrete human erythropoietin invivo,”Human gene therapy，12:1527-41(2001)；Sweet et al.，“Treatment of diabeticrats with encapsulated islets,”J.Cell.and Mol.Med.，12:2644-50(2008)；Sorenbyet al.，“Macroencapsulation protects against sensitization after allogeneicislet transplantation in rats,”Transplantation，82:393-7(2006)；Colton，“Implantable biohybrid artificial organs,”Cell transplant.，4:415-36(1995)；Moralejo et al.，“Sustained glucagon-like peptide 1expression fromencapsulated transduced cells to treat obese diabetic rats,”J.Biosci.and Bioeng.，111:383-7(2011)；Chou et al.，“Treatment of osteoporosis withTheraCyte-encapsulated parathyroid cells:a study in a rat model,”Osteoporosis International:a journal established as result of cooperation betweenEuropean FoundationforOsteoporosisand National Osteoporosis Foundation of USA，17:936-41(2006).)
在解决向植入细胞输送氧气的上述限制的尝试中，正在开发几种向细胞胶囊输送氧气的方法。这些方法包括通过皮肤将压缩的气态氧周期性注射到植入装置(参见Ludwiget al.，“Improvement of islet function in a bioartificial pancreas by enhancedoxygen supply and growth hormone releasing hormone agonist,”Proc.Nat.Acad.Sci.U.S.A.，109:5022-7(2012)，which is incorporated herein byreference in its entirety)，通过经皮导管将氧气输送到细胞胶囊，植入化学氧气发生器(参见McQuilling et al.，“Methods for Incorporating Oxygen-GeneratingBiomaterials into Cell Culture and Microcapsule Systems,”Methods Mol.Biol.，1479:135-141(2017)，和Pedrazaa et al.，“Preventing hypoxia-induced cell deathin beta cells and islets via hydrolytically activated，oxygen-generatingbiomaterials,”Proc.Natl.Acac.Sci.U.S.A.，109:4245-4250(2012)，其两者均通过引用以其整体并入本文)，和植入电化学氧气发生装置(参见，例如，2002年4月9日授权的发明人为Colton等人的美国专利号6,368,592B1，和2015年4月23日公开的发明人为Tempelman等人的美国专利申请号US2015/0112247A1，其两者均通过引用以其整体并入本文)。
然而不幸的是，上述许多方法中都有局限性。例如，加压氧气的注射需要使用者定期刺穿皮肤并且需要周期性更换装置中的隔膜。未能用针正确地穿透隔膜可能会将气态氧引入身体的不需要的区域，这可能是危险的。通过经皮线输送氧气具有感染风险，并且相关的装置不期望地暴露于环境中。化学氧气发生器可以是完全可植入的并且可以用作临时氧源，但是对于所使用的材料和副作用(例如局部pH变化)存在一些顾虑。另外，随着时间推移消耗用于氧气发生反应的基质并最终将导致氧气输送的停止，需要随后的手术或经皮产物排出和基质再填充。
可植入的电化学氧气发生器(EOG，在本文中和在本领域中也称为水电解池)解决了上述其他方法的许多限制。可植入的电化学氧气发生器通常电解从身体收获的水以在阳极处产生氧气和在阴极处产生氢气。然后将产生的氧气输送到细胞，并且然后可以将产生的氢气通过组织扩散到脉管系统并最终呼出。由于反应化学计量，氢通常以氧的两倍速率产生。氢气从阴极安全扩散到身体需要显著的表面积以防止在装置/组织界面处形成气泡。然而，不幸的是，对充足的气体-组织界面表面积的要求增加了植入装置的尺寸和复杂性。
可植入的电化学氧气浓缩器(EOC)提供了用于将氧气输送到植入的细胞的可植入EOG的替代选择。EOC与电解池类似地起作用，但是它们消耗来自空气中的氧气以在阴极处产生水并且在阳极处从水产生氧气，其净效应是氧气在阳极处被浓缩以输送到下游装置。发生的基本反应是：
(1)阳极(氧化：损失电子)：2H2O→4H++4e-+O2(纯)
(2)阴极(还原：获得电子)：O2+4H++4e-→2H2O
(3)净：在阴极处稀释O2→在阳极处纯O2。
在EOG和EOC中，氧气发生(即，细胞的营养剂量)精确地对应于施加的电流。由于EOC通常在大约0.8V下操作，而EOG通常操作在大约1.6V下操作，因此EOC通常使用的功率大约是EOG的一半。另一方面，EOC通常需要获得源自体外的氧(即空气)以补充阴极消耗的氧。此外，无论是否使用EOG或EOC，可能需要提供一种途径，通过该途径可以将由于装置或细胞功能而产生的废气从身体排出。
发明内容
本发明人已经鉴定了需要提供用于在身体外部的周围环境和植入患者内的装置之间扩散一种或多种气体(例如，空气、氧气、氢气)的途径，装置诸如但不限于植入的EOC、植入的EOG或容纳植入的细胞和/或组织的植入容器，因此能够实现使用植入的装置，同时限制感染的机会。
本发明的目的是提供这类途径。
因此，根据本发明的一个方面，提供了经皮气体扩散装置，经皮气体扩散装置包括(a)芯层，芯层具有长度、底部和外周，芯层是气体可渗透的和液体不可渗透的；和(b)外层，外层围绕芯层的外周延伸芯层的至少部分长度，外层包括组织整合材料。
在本发明的更详细的特征中，芯层可以具有开孔结构。
在本发明的更详细的特征中，芯层的孔径可以至多0.22μm。
在本发明的更详细的特征中，芯层可具有闭孔结构。
在本发明的更详细的特征中，芯层可以是无孔实心材料。
在本发明的更详细的特征中，芯层可以包括选自以下的至少一种材料：多孔聚合物、无孔气体可渗透材料、开孔(open-cell)陶瓷泡沫和多孔金属。
在本发明的更详细的特征中，芯层的至少一种材料可以用疏水聚合物进行处理。
在本发明的更详细的特征中，芯层的形状可以是圆柱形的。
在本发明的更详细的特征中，芯层可以具有不大于5mm的直径和1.2-10mm的长度。.
在本发明的更详细的特征中，芯层可以具有不大于1mm的直径和2-5mm的长度。
在本发明的更详细的特征中，外层的组织整合材料可以是选自以下的至少一种多孔生物相容性材料：开孔硅氧烷泡沫、图案化微孔材料、开孔氨基甲酸乙酯泡沫、烧结的聚合物材料。
在本发明的更详细的特征中，外层可以具有0.2-1.0mm的厚度和1.2-2.0mm的长度。
在本发明的更详细的特征中，外层可以具有长度，并且外层的长度匹配芯层的长度。
在本发明的更详细的特征中，外层可以具有底部，并且芯的底部可以向下延伸超出外层的底部。
在本发明的更详细的特征中，芯层可以固定地连接至外层。
在本发明的更详细的特征中，芯层可以可拆卸地连接至外层。
在本发明的更详细的特征中，芯层的一部分可以固定地连接至外层，和芯层的一部分可以可拆卸地连接至外层。
在本发明的更详细的特征中，经皮气体扩散装置可以进一步包括中间层，并且中间层可以定位在芯层和外层之间。
在本发明的更详细的特征中，中间层可以包括防止组织从外层渗入芯层的屏障。
在本发明的更详细的特征中，中间层可以包括防止组织从外层渗入芯层和减少气体从芯层扩散入外层的屏障。
在本发明的更详细的特征中，中间层可以具有底部，外层可以具有底部，并且中间层的底部可以向下延伸超出外层的底部。
在本发明的更详细的特征中，芯层和中间层中的至少一个可以配置为允许芯层的至少一部分与中间层可拆卸地连接。
在本发明的更详细的特征中，芯层可以包括适于与工具啮合的至少一个凹口。
在本发明的更详细的特征中，中间层可以包括适于与工具啮合的至少一个凹口。
在本发明的更详细的特征中，芯层和中间层可以具有匹配螺纹(matingthreads)。
在本发明的更详细的特征中，中间层可以包括成形用于连接到植入物装置的底部。
在本发明的更详细的特征中，中间层的底部可以包括至少一个肋条。
在本发明的更详细的特征中，中间层的底部可以包括圆周凹槽。
本发明的另一目的是提供植入物系统。
因此，根据本发明的一个方面，提供了植入物系统，植入物系统包括(a)植入物装置，该植入物装置包括气体入口和气体出口中的至少一个；(b)经皮气体扩散装置，该经皮气体扩散装置流体地连接至植入物装置的气体入口和气体出口之一，该经皮气体扩散装置包括(i)芯层，该芯层是气体可渗透的和液体不可渗透的；和(ii)外层，外层围绕芯层的外周延伸芯层的至少部分长度，外层包括组织整合材料。
在本发明的更详细的特征中，植入物装置可以是皮下容器，用于容纳植入的细胞和植入的组织中的至少一个，皮下容器可以包括氧气入口，并且经皮气体扩散装置可以流体地连接至氧气入口。
在本发明的更详细的特征中，植入物装置可以是皮下电化学氧气浓缩器，该皮下电化学氧气浓缩器可以包括空气入口，并且该经皮气体扩散装置可以流体地连接至空气入口。
在本发明的更详细的特征中，植入物装置可以是皮下水电解池，并且该皮下水电解池可以包括氧气出口和氢气出口。
在本发明的更详细的特征中，经皮气体扩散装置可以流体地连接至氧气出口。
在本发明的更详细的特征中，经皮气体扩散装置可以流体地连接至氢气出口。
在本发明的更详细的特征中，植入物装置可以是皮下电化学电池，该皮下电化学电池能够以电化学氧气浓缩器模式和电化学氧气发生器模式交替操作。
本发明还涉及使用植入物装置的方法。
因此，根据本发明的一个方面，提供了使用植入物装置的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供如上所描述的植入物系统，其中该植入物系统是皮下电化学电池，该皮下电化学电池能够以电化学氧气浓缩器模式和电化学氧气发生器模式交替操作；(b)将植入系统植入患者中；(c)然后，以电化学氧气浓缩器模式操作植入物系统，借此污染物污染经皮气体扩散装置的芯层；和(d)然后，以电化学氧气发生器模式操作植入物系统，以从经皮气体扩散装置的芯层排出污染物。
出于本说明书和权利要求书的目的，当所述发明定位在给定取向或从给定取向观察时，可以使用诸如“顶部”，“底部”、“近端”、“远端”、“上部”、“下部”、“前部”和“后部”的各种关系术语来描述本发明。应该理解，通过改变发明的方向，可能需要相应地调整某些关系术语。
本发明的其他目的以及方面、特征和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来学习。在描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过图示的方式示出了用于实践本发明的各种实施方式。将充分详细地描述实施方式以使本领域技术人员能够实践本发明，并且应当理解，可以利用其他实施方式，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行结构改变。因此，下面的详细描述不应被视为具有限制意义，并且本发明的范围由所附权利要求书最佳地限定。
附图说明
附图——结合到本说明书中并构成本说明书的一部分——图解了本发明的各种实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。这些附图不一定按比例绘制，并且出于说明的目的，某些部件可能具有过小和/或过大的尺寸。在附图中，相同的附图标记表示相同的部分：
图1A至1C分别是根据本发明构造的用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的的经皮气体扩散装置的第一实施方式的透视图、俯视图和剖视图；
图1D是图1A的经皮气体扩散装置的透视图，其中虚线用于描绘经皮气体扩散装置的构成层；
图2是显示根据本发明构造的植入物系统的第一实施方式的部分剖面的方框图，植入物系统显示为植入患者中并且包括延伸通过患者的皮肤的图1A的经皮气体扩散装置和定位在患者皮肤下并连接到图1A的经皮气体扩散装置的植入的医疗装置；
图3A和3B分别是根据本发明构造的用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的经皮气体扩散装置的第二实施例的俯视图和剖视图；
图4是根据本发明构造的用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的经皮气体扩散装置的第三实施方式的剖视图；
图5是根据本发明构造的用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的经皮气体扩散装置的第四实施方式的剖视图；
图6是根据本发明构造的用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的经皮气体扩散装置的第五实施方式的剖视图；
图7是根据本发明构造的用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的经皮气体扩散装置的第六实施方式的透视图；
图8是根据本发明构造的用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的经皮气体扩散装置的第七实施方式的透视图；
图9是根据本发明构造的用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的经皮气体扩散装置的第八实施方式的透视图；
图10A和10B分别是根据本发明构造的植入物系统的第二实施方式的部分分解透视图和剖视图，该植入物系统包括电化学氧气浓缩器和图7中的经皮气体扩散装置，该经皮气体扩散装置连接到电化学氧气浓缩器的阴极以便向电化学氧气浓缩器的阴极供应环境空气；
图11A和11B分别是根据本发明构造的植入物系统的第三实施方式的部分分解透视图和剖视图，该植入物系统包括电解池和图9中的经皮气体扩散装置，该经皮气体扩散装置连接到电解池的阴极以便通过经皮气体扩散装置排出氢气；
图12A和12B分别是根据本发明构造的植入物系统的第四实施方式的部分分解透视图和剖视图，该植入物系统包括电解池和图9中的经皮气体扩散装置，该经皮气体扩散装置连接到电解池的阳极以便通过经皮气体扩散装置排出氧气；
图13是可用于形成图1A的经皮气体扩散装置的组织整合层的管的扫描电子显微照片；
图14A是描绘来自未改进的EOC(对照)和对于相同EOC——其中气体可渗透的芯仅用作氧气扩散到EOC的区域——的电池电压随时间变化的图，如实施例1中所讨论；和
图14B是描绘来自未改进的EOC(对照)和对于相同EOC——其中气体可渗透的芯仅用作氧扩散到EOC的区域——的氧气流动随时间变化的图，如实施例1中所讨论。
具体实施方式
本发明至少部分地涉及经皮气体扩散装置，其允许环境空气或其他体外气体流动到定位在患者内的植入装置和/或允许气体从植入装置流动到患者身体外部的位置。植入装置可以是皮下植入物，诸如但不限于电化学氧气发生器、电化学氧气浓缩器、或容纳一种或多种植入的细胞和/或组织的容器。
更具体地，在某些实施方式中，本发明可以是经皮装置，其允许氧气、水蒸气和其他气体穿过皮肤，但是阻止液体和颗粒通过。因此，本发明使用需要获取身体外部的空气的植入的医疗装置能够实现获取关键气体，诸如氧气或水蒸气，或者在植入的水电解池的情况中用于有效地消除废气，诸如氢气或氧气。
在某些实施方式中，气体经由经皮装置的通过可以是被动的，和在某些实施方式中，气体经由经皮装置的通过可以由植入的或外部穿戴的装置零件主动地促进。
在某些实施方式中，经皮装置可以包括一个或多个同心层。外层(或外周层)可以包含已知与组织整合的材料，并因此可以形成使感染风险最小化的屏障。用于外层的合适材料可以是微孔的和生物相容的，包括但不限于开孔硅氧烷泡沫、图案化微孔材料和开孔氨基甲酸乙酯泡沫。合适的图案化微孔材料的实例可以是
Figure BDA0002122880810000071
(球形模板血管原性再生)生物材料支架(Healionics Corporation，Seattle，WA)，其描述于2014年2月11日授权的发明人为Marshall等人的美国专利号8,647,393B2，“Dermal Integration CuffImproves Resistance to Exit Site Infections in Porcine Bacterial Challenge,”Abstract 072，Society for Biomaterials(2011)，and Fukano et al.，J Biomed Mater Res A，94(4):1172–1186(2010)中，所有这些都通过引用并入本文。可适合用于外层的额外材料可包括硬质材料，诸如但不限于生物相容性陶瓷泡沫和烧结生物相容性聚合物(例如，烧结聚四氟乙烯(PTFE)、烧结聚偏二氟乙烯(PVDF)、烧结聚乙烯和烧结聚丙烯)。
内层(或芯层或芯)可包括气体可渗透层或气体可渗透复合层，包括但不限于氧气、氮气、一氧化氮、氢气、硫化氢、二氧化碳和水蒸气的一种或多种气体可通过该气体可渗透层或气体可渗透复合层扩散。可用于形成内层的材料可包括但不限于多孔聚合物(例如，开孔硅氧烷泡沫、开孔氨基甲酸乙酯泡沫、烧结聚乙烯、烧结聚丙烯、烧结PVDF、烧结PTFE)、微孔材料(诸如陶瓷泡沫或多孔钛)、以及无孔的气体可渗透材料(如，硅氧烷膜)。可以进一步处理微孔材料以改变它们的表面性质。例如，天然亲水性多孔陶瓷或金属可以涂覆有聚合物，诸如ParyleneTM聚(对二甲苯)聚合物，使得涂覆的材料是疏水的。在装置的芯处使用疏水的微孔结构或可渗透气体和气相水的材料可能是期望的，因为它允许气体交换，同时防止液体水穿过皮肤迁移，液体水可能携带污染物，包括感染剂。
可以彼此固定连接的内(或芯)层和外(或外周)层可以彼此直接接触，或者可以通过一个或多个中间层分开。这样的中间层可以用于防止组织从外周层向内生长到芯层中。一个或多个中间层也可具有比芯层更低的气体渗透性，并因此可以使芯层与周围组织之间的气体交换最小化。例如，不可渗透氧气的中间层将阻止外周层中的组织降低芯层中的氧气浓度，并且将导致芯层连接到植入的医疗装置(诸如EOC)处更高的氧气浓度。可适合用作一个或多个中间层的材料的实例可包括但不限于硅氧烷膜；由PTFE、PVDF、聚醚砜和聚对苯二甲酸乙二醇酯形成的微孔膜；柔性无孔材料，诸如PTFE、聚乙烯和聚丙烯；以及刚性无孔材料，包括聚醚醚酮(PEEK)、其他生物相容性聚合物、陶瓷和金属，诸如植入物级不锈钢和钛。
在某些实施方式中，外周层和/或芯层的性质可以执行组织屏障层的功能。例如，在多孔硅氧烷组织整合(或外)层的制造期间，可以形成可以充当细胞屏障的“皮肤”，其独立于单独的元件。在某些实施方式中，将组织整合层附接到气体可渗透芯的方式可以形成事实上的组织屏障层。例如，形成组织屏障的硅氧烷粘合剂可用于将组织整合层附接到气体可渗透的芯。在某些实施方式中，气体可渗透的芯可以具有足够小的孔径，使得它可以独立地作为组织屏障层起作用以阻止组织向内生长。
在某些实施方式中，经皮气体扩散装置可以直接或间接地连接到细胞胶囊或细胞容器。在某些实施方式中，经皮气体扩散装置可以连接到电化学装置，该电化学装置在阴极处消耗氧气并且在阳极处产生氧气以输送到植入的细胞，有效地用作氧气浓缩器。在某些实施方式中，经皮气体扩散装置可以连接到电化学装置，该电化学装置消耗以水蒸气形式输送的水以在阴极产生氢气并在阳极处产生氧气以输送到植入的细胞。在某些实施方式中，经皮气体扩散装置可以连接到电化学装置，该电化学装置消耗以水蒸气形式输送的水以在阳极处产生氧气并且在阴极处产生氢气以用于输送到植入的细胞或通过循环系统全身输送到身体。在某些实施方式中，可以通过经皮气体扩散装置消除由电化学装置产生的废气并排放到空气中。在某些实施方式中，可以通过经皮气体扩散装置的扩散来补充由电化学装置消耗的气体。
在气体可渗透的芯是多孔的实施方式中，气体可渗透的芯内的孔优选地保持开放以使气体自由扩散。在水电解池连接到本发明的经皮气体扩散装置的实例中，氧气或氢气可以通过气体可渗透的芯流出，并且可以排出可能已经渗入材料中的水或其他液体。在EOC的情况下，没有净产生气体来迫使来自气体可渗透芯的液体或其他材料。在某些实施方式中，当气体可渗透的芯未被阻挡时，电化学装置可以作为EOC执行，但是当氧气浓度下降到低于在阴极处形成水蒸气的反应所需的氧气浓度时，可以恢复到电解池模式。在这种情况下，以电解池模式的操作可以清洁气体可渗透的芯并且可以最终使电化学装置能够切换回更有效的EOC模式。在某些实施方式中，电化学装置可以在EOC和EOG模式之间循环，其中在EOG模式期间形成的氢气用于从气体可渗透的芯材料排出污染物。
现在参考图1A至1D，显示了适合用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的经皮气体扩散装置的第一实施方式的各种视图，经皮气体扩散装置根据本发明构造并且一般由参考标记100表示。
经皮气体扩散装置100可以包括芯层101、外层103和中间层105。在本实施方式中，可以相对于彼此固定芯层101、外层103和中间层105。
芯层101可以包括一种材料或多种材料的复合材料，其是液体不可渗透的并且是气体可渗透的。以这种方式，例如，环境空气或外部气体可以通过芯层101扩散到皮下植入的EOC或EOG装置的入口端和/或来自皮下EOC或EOG装置的副产物气体或来自植入的细胞和/或组织的废气可以通过芯层101扩散以离开身体。芯层101可以包括开孔结构、闭孔结构、或者可以是实心材料。芯层101的气体扩散性质可以是非选择性的，如在开孔结构的情况下，或者可以是选择性的，如在闭孔结构或实心基质的情况下。通过使用闭孔结构或具有小孔和高疏水性的开孔结构，内芯材料可以基本上不渗透外部液体污染物。可用作芯层101或作为芯层101的组分的材料的实例可包括但不限于多孔聚合物(如，硅氧烷泡沫、氨基甲酸乙酯泡沫、烧结聚乙烯、烧结聚丙烯、烧结PVDF、烧结的PTFE)、无孔气体可渗透的材料(如，硅氧烷膜)，以及它们的组合。芯层101还可包括开孔陶瓷泡沫或多孔金属，例如烧结钛。可以进一步处理多孔材料以改变其疏水性。例如，多孔材料可以涂覆有聚合物，诸如ParyleneTM聚(对二甲苯)聚合物。这种ParyleneTM聚(对二甲苯)聚合物可包括Parylene-N、Parylene-C、Parylene-D，和优选地Parylene-VT4和Parylene AF4。如果使用开孔材料，孔径可能适合于为微生物提供屏障。在某些实施方式中，孔径可以等于或小于0.22μm，并且在某些实施方式中，孔径可以等于或小于0.2μm。
在本实施方式中，芯层101的形状显示为圆柱形；然而，应当理解，芯层101不限于圆柱形并且可呈现多种替代形状。取决于经皮气体扩散装置100的气体交换需求，可以改变芯层101的直径；然而，根据一些实施方式，芯层101的直径可以小于或等于5mm，优选地小于或等于1mm。优选地，芯层101的长度足以提供从植入的医疗装置通过皮肤到大气的气体扩散路径。例如，这种长度可以是大约1.2-10mm，优选地大约2-5mm。
可延伸芯层101的整个长度的外层103可包括组织整合材料，即促进皮肤组织生长到所述材料中的多孔生物相容性材料。组织整合材料可包括开孔结构，在孔之间具有连接，细胞可通过这些孔迁移。可以使用微图案模板形成组织整合材料，以严格控制孔径。这些材料可以容易地加工成空心圆柱体。可以进一步优化组织整合材料以促进组织整合，从而防止感染。优选的组织整合材料可以是柔性的，并且可以在正常活动期间随皮肤移动，从而减少组织界面处的慢性炎症。组织整合材料的实例可包括但不限于开孔硅氧烷泡沫、图案化微孔材料、开孔氨基甲酸乙酯泡沫、烧结的聚合材料(例如PTFE、PVDF、聚乙烯和聚丙烯)及其组合。合适的图案化微孔材料的实例可包括
Figure BDA0002122880810000091
(球形模板血管原性再生)生物材料支架(Healionics Corporation,Seattle,WA)或由硅氧烷或聚羟乙基甲基丙烯酸酯制成的其他类似材料。
外层103可具有大约100nm至几毫米的壁厚，但优选地约0.2-1.0mm。外层103的长度优选足以跨越真皮，并且可以在约1.2-2.0mm的范围内。虽然在本实施方式中外层103示出为具有跨越芯层101的整个长度的长度，但是应该理解，外层103可以比芯层101更短。事实上，外层103可以不延伸到经皮气体扩散器和植入的装置表面的界面。
定位在芯层101和外层103之间的中间层105可以起到芯层101和外层103之间的屏障层的作用。更具体地，中间层105可以防止组织从外层103渗入芯层101中，并且可以防止芯层101中的污染物与外层103接触。中间层105可以包括单层材料或多层材料。用于形成中间层105的合适材料可包括但不限于纳米孔和无孔聚合物膜、纳米孔和无孔金属，以及纳米孔和无孔陶瓷。取决于使用的材料和/或需要与植入的装置相互作用，中间层105的壁厚可以变化；然而，在某些实施方式中，中间层105可以在约10nm至1mm的范围内。在本实施方式中，中间层105延伸芯层101的整个长度。然而，应该理解，中间层105不需要延伸芯层101的整个长度；然而，中间层105优选地延伸足够的长度以保护芯层101免受组织整合。
中间层105可以包括可能实现或不可能实现气体在芯层101和外层103之间扩散的材料。如果芯层101是开孔泡沫材料，使中间层105充当屏障以防止细胞迁移到芯层101和额外地防止气体扩散是特别期望的。可以用作中间层105并且可以防止细胞迁移并且还限制芯层101和外层103之间的气体扩散的材料的实例可以包括但不限于生物相容的含氟聚合物(如，PTFE和PVDF)、其他生物相容性聚合物(如，聚丙烯和聚乙烯)和刚性生物相容性金属(如，可植入的不锈钢和钛)。可用作中间层105并且可以防止细胞迁移并且是气体可渗透的材料的实例包括但不限于微孔聚合物膜和管(如，膨胀PTFE、PVDF、开孔硅氧烷泡沫和开孔氨基甲酸乙酯泡沫)，和气体可渗透的固体膜和管(例如，硅氧烷和氨基甲酸乙酯)。
在某些实施方式中，芯层101和/或外层103的性质可以执行中间层105的至少一些功能。例如，在多孔硅氧烷外层103的制造期间，“皮肤”可以沿着外部形成，其可以作为独立于单独元件的细胞屏障。在某些实施方式中，将外层103附接到芯层101的方式可以形成事实上的屏障层。例如，可以使用可以形成组织屏障的硅氧烷粘合剂将外层103附接到芯层101。在某些实施方式中，气体可渗透的芯层101可以具有足够小的孔径，其独立于屏障层起作用以防止组织向内生长。
现在参照图2，示意性地示出了根据本发明构造的植入物系统的第一实施方式，该植入物系统显示为植入患者并且通常由附图标记200表示。(为简单和清楚起见，对于理解本发明不重要的植入物系统200的某些零件要么未在本文中示出或描述，要么以简化的方式在本文中示出和/或描述)。
植入物系统200可以包括经皮气体扩散装置100和植入的医疗装置202。可以看出，经皮气体扩散装置100可以适当地确定尺寸，使得经皮气体扩散装置100的顶部204位于患者皮肤S的外表面E附近，优选地在外表面E处或略高于外表面E。经皮气体扩散装置100的底部可以延伸到患者皮肤S的内表面I以下并且流体地连接到植入的医疗装置202，例如，它可以是皮下植入的EOC、皮下植入的EOG、容纳植入的细胞和/或组织的皮下植入的容器、或任何其他皮下植入的或其他植入的装置或结构，对此在不使用经皮导管的情况下通过皮肤转移气体可能是期望的或有利的。
如上所述，经皮气体扩散装置100的外层促进来自患者皮肤S的组织由其向内生长，以形成包括细胞(包括免疫细胞)、基底膜蛋白真皮胶原束和血管的整合结构。因此，整合结构形成屏障以防止感染。尽管未示出，但组织向内生长延伸到经皮气体扩散装置100的中间层，所述中间层由其组成和/或孔结构优选地防止细胞穿透的材料形成。
现在参照图3A和3B，示出了根据本发明构造的用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的经皮气体扩散装置的第二实施方式的各种视图，经皮气体扩散装置通常由附图标记300表示。
经皮气体扩散装置300可以包括芯层301、外层303和中间层305。经皮气体扩散装置300在大多数方面可以类似于经皮气体扩散装置100，除了经皮气体扩散装置300可以如此构造，使得当需要时，可以从中间层305内移除芯层301，例如，以允许其更换。以这种方式，例如，作为预防性维护的一部分或者仅在需要弄脏或堵塞时根据需要更换，可以定期更换芯层301。
因此，在本实施方式中，除了芯层301可以包括从芯层301的顶表面309向下延伸一小段距离的一个或多个凹口307之外，芯层301可以与经皮气体扩散装置100的芯层101相同。可以设计凹口307的尺寸和形状以促进从中间层305内移除芯层301，例如，使用互补形状的工具。除了中间层305可以包括从中间层305的顶表面313向下延伸一小段距离的一个或多个凹口311，中间层305可以与经皮气体扩散装置100的中间层105相同。可以设计凹口311的尺寸和形状以与互补形状的工具相互作用，从而在从中间层305移除芯层301的同时保持中间层305静止。
经皮气体扩散装置300优选地构造，使得芯层301、外层303和中间层305不会相对于彼此移动，除非从中间层305移除芯层301，例如，以上述方式。另外，经皮气体扩散装置300可以以类似于上面对经皮气体扩散装置100描述的方式使用。
现在参照图4，示出了根据本发明构造的用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的经皮气体扩散装置的第三实施方式的剖视图，经皮气体扩散装置通常由附图标记400表示。(为清楚起见，图4中省略了交叉影线。)
经皮气体扩散装置400可以包括芯层401、外层403和中间层405。芯层401和中间层405可以分别类似于经皮气体扩散装置300的芯层301和中间层305，不同之处在于芯层401和中间层405可以互补地螺纹结合以允许通过旋拧连接和分离芯层401和中间层405。外层403可以与经皮气体扩散装置300的外层303相同。
经皮气体扩散装置400可以以类似于上面对经皮气体扩散装置100描述的方式使用。
现在参照图5，显示了根据本发明构造的用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的经皮气体扩散装置的第四实施方式的剖视图，经皮气体扩散装置通常由附图标记500表示。
经皮气体扩散装置500可以包括芯层501、外层503和中间层505。芯层501、外层503和中间层505可以分别类似于经皮气体扩散装置100的芯层101、外层103和中间层105，不同之处在于芯层501、外层503和中间层505可以构造为使得可以将芯层501可释放地保持在中间层505内。更具体地，中间层505在其顶端可以包括凸缘507，凸缘507可以在芯层501的顶表面509上延伸，以将芯层501保持在适当位置。芯层501和/或中间层505可以由柔韧材料制成，在插入和移除芯层501期间，当向其施加足够的力时，可以允许芯层501移动经过凸缘507。
除了上面提到的区别以外，经皮气体扩散装置500可以以类似于上面对经皮气体扩散装置100描述的方式使用。
现在参照图6，显示了根据本发明构造的用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的经皮气体扩散装置的第五实施方式的剖视图，经皮气体扩散装置通常由附图标记600表示。
经皮气体扩散装置600在大多数方面可以类似于经皮气体扩散装置500，两个装置之间的主要区别在于，经皮气体扩散装置600可以包括两件式的芯层，该两件式的芯层包括可移除的芯层部分601和固定的芯层部分602，而经皮气体扩散装置500可以包括芯层501，其可以是单件式结构。可移除的芯层部分601可以朝向患者身体的外部定位，并且固定的芯层部分602可以朝向患者身体的内部定位。与经皮气体扩散装置500的芯层501一样，当需要时，可以从其相邻的中间层505移除可移除的芯层部分601，然后重新插入或更换。当移除可移除的芯层部分601时，固定的芯层部分602可用于防止污染植入的医疗装置。
除了上面提到的区别，经皮气体扩散装置600可以以类似于上面对经皮气体扩散装置600描述的方式使用。
图7至9显示了可以引入本发明的经皮气体扩散装置以能够实现对植入物装置(诸如但不限于皮下电化学气体发生器或容纳植入的细胞和/或组织的容器)的机械强度基本上气密的连接的各种特征。在每种情况中，经皮气体扩散装置的芯层和/或经皮气体扩散装置的中间层延伸超出经皮气体扩散装置的外层，使得经皮气体扩散装置的外层保持在附接的皮下植入物装置的外部，而延伸部分进入附接的皮下植入物装置的外壳体。
更具体地，现在参照图7，显示了根据本发明构造的用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的经皮气体扩散装置的第六实施方式的视图，经皮气体扩散装置通常由附图标记700表示。
经皮气体扩散装置700在大多数方面可以类似于经皮气体扩散装置100，并且可以包括类似于芯层101的芯层701，类似于外层103的外层703，以及类似于中间层105的中间层705。经皮气体扩散装置700与经皮气体扩散装置100之间的主要区别可在于经皮气体扩散装置100的芯层101、外层103和中间层105均具有相同的长度且具有彼此对齐的它们各自的顶部和底表面，而经皮气体扩散装置700的中间层705(以及任选地，芯层701)可以向下延伸超出外层703的底表面709。以这种方式，中间层705的暴露的底部可以与皮下植入的装置的互补成形部分配合。
除了上面提到的区别，经皮气体扩散装置700可以以类似于上面对经皮气体扩散装置100描述的方式使用。
现在参照图8，显示了根据本发明构造的用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的经皮气体扩散装置的第七实施方式的视图，经皮气体扩散装置通常由附图标记800表示。
经皮气体扩散装置800在大多数方面可以类似于经皮气体扩散装置700。经皮气体扩散装置800和经皮气体扩散装置700之间的主要区别可以在于，经皮气体扩散装置700的中间层705可具有平滑的圆柱形管状形状，而经皮气体扩散装置800可包括中间层805，该中间层805包括一个或多个肋条。中间层805的这种形状可以促进使用摩擦配合将经皮气体扩散装置800连接到皮下植入的医疗装置。
除了上面提到的区别，经皮气体扩散装置800可以以类似于上面对经皮气体扩散装置100描述的方式使用。
现在参照图9，显示了根据本发明构造的用于允许一种或多种气体通向患者中的植入物和/或从患者中的植入物通过的经皮气体扩散装置的第八实施方式的视图，经皮气体扩散装置由附图标记900通常表示。
经皮气体扩散装置900可以在大多数方面类似于经皮气体扩散装置700。经皮气体扩散装置900和经皮气体扩散装置700之间的主要区别可在于，经皮气体扩散装置900可以包括具有圆周凹槽907的中间层，而经皮气体扩散装置700的中间层705可以没有这样的凹槽。凹槽907可用于使中间层905能够与皮下植入的医疗装置上的配件啮合。
除了上面提到的区别，经皮气体扩散装置900可以以类似于上面对经皮气体扩散装置100描述的方式使用。
可以理解的是，对于本领域普通技术人员显而易见的其他特征可以添加到任何上述实施方式的芯层和/或中间层，以便于将经皮气体扩散装置附接到植入物装置。这些特征可包括但不限于螺纹、凸缘和/或粘合剂。如果经皮气体扩散装置的芯层和/或中间层和植入物装置的壳体由金属形成，则可以使用激光焊接在经皮气体扩散装置与植入物装置壳体的内部之间形成粘结。
如上所述，本发明的经皮气体扩散装置专门设计用于在植入的装置，特别是皮下植入的装置与身体外部的空气之间进行气体交换。植入的装置可以是用于将治疗或负载气体输送到第三装置(例如细胞胶囊)或直接输送到体内位置的电化学装置。一种这样的电化学装置是电化学氧气浓缩器(EOC)。EOC可以描述为组合电解阳极和空气去极化燃料电池阴极的混合电池，其中阳极和阴极隔室由相对透气不渗透的固体聚合物电解质膜(PEM)隔开。EOC中发生的基本反应如下：
(1)阳极(氧化：损失电子):2H2O→4H++4e-+O2(纯)
(2)阴极(还原：获得电子):O2+4H++4e-→2H2O
(3)净：在阴极处稀释的O2→在阳极处纯O2。
在操作中，电化学电池通过在阴极处消耗氧气并收集在阳极处产生的纯氧而充当氧气浓缩器。EOC比传统电解池使用更少的能量，并且不产生气态H2。
因为EOC充当氧气浓缩器，所以它需要在阴极末端处获取空气中的氧气。本发明的经皮气体扩散装置提供了来自体外空气的氧气通过皮肤扩散到EOC的路径，其具有最小的感染风险，和污染物将到达EOC内部的最小机会。
上述情况中的EOC旨在向体内细胞输送氧气。那些细胞可以是天然细胞或可以是包含在膜结合的胶囊中的细胞。在一些实施方式中，可以使用多室胶囊，使得氧气被输送到气体隔室，然后跨越气体隔室的壁扩散到一个或多个细胞隔室中，从而向细胞植入物提供补充的氧气。封装的细胞植入物的氧气需求可以在约0.1SCCH(标准立方厘米每小时)和50SCCH之间，并且最优选地在约0.5SCCH和10SCCH之间，这取决于胶囊中的细胞堆积密度、细胞团、细胞氧气需求和细胞胶囊周围环境中的氧气浓度。可以理解的是，应选择本发明的经皮气体扩散装置的透气性或孔隙率，以及气体可渗透的芯的直径，使得从空气通过经皮气体扩散装置的氧气的通量匹配细胞植入物的氧气需求。换句话说，由于EOC事实上是氧气浓缩器，而不是氧气发生器，经皮气体扩散装置的设计应该允许氧气通过皮肤的扩散或对流，其至少等于由EOC输送的氧气体积。
现在参照图10A和10B，显示了根据本发明构造的植入物系统的第二实施方式的视图，植入物系统通常由参考标记1000表示。(为了简单和清楚起见，对于理解本发明并不重要的植入物系统1000的某些组件要么未在本文中示出或描述，要么以简化的方式在本文中示出和/或描述。)
植入物系统1000可以包括经皮气体扩散装置1001。经皮气体扩散装置1001可以与经皮气体扩散装置700相同，并且可以包括与芯层701相同的芯层1003，与外层703相同的外层1005和与中间层705相同的中间层1007。
植入物系统1000可以进一步包括EOC 1010。EOC 1010又可以包括顶部外壳1014、疏水膜1015、阴极1016、膜电极组件1017、阳极1018和底部外壳1019。
经皮气体扩散装置1001可以固定到顶部外壳1014。顶部外壳1014可以由多种材料中的任何一种制成。用于顶部外壳1014的优选材料可包括植入物级金属，诸如钛或不锈钢、陶瓷和塑料，诸如聚醚醚酮(PEEK)。疏水膜1015可以定位在经皮气体扩散装置1001和顶部外壳1014，以及阴极1016之间，作为电化学部件的进一步保护，免受任何可能穿透经皮气体扩散装置1001的污染物。阴极1016可以放置成与膜电极组件1017接触，其催化阳极和阴极反应。阳极1018可以定位在膜电极组件1017和底部外壳1019之间。浓缩的氧气可以通过位于阳极1018附近并且使用标准机械手段连接到EOC的腔或管1020从EOC输出。如图10B中最佳所示，经皮气体扩散装置1001的外层1005仅延伸至顶部外壳1014的顶表面，而芯层1003和中间层1007延伸通过至顶部外壳1014的底表面。在此配置中，经皮气体扩散装置1001可以使用机械手段(例如摩擦配合或激光焊接)或通过粘合剂连接到顶部外壳1014。
可以与本发明的经皮气体扩散装置配对的电化学装置的另一个例子是水电解池。植入的电解池从体内收集水蒸气并产生单独的氧气和氢气流。产生的气体可以直接输送到身体，或者可以输送到含有细胞或组织植入物的胶囊中。电解池以1：2的摩尔比分别产生氧气和氢气。如果仅需要一种气体流进行处理，则允许不需要的气体通过皮肤逸出是有利的。这种方法节省了系统以另外方式将废气安全地输送到身体以便最终消除所需的空间。
现在参照图11A和11B，显示了根据本发明构造的植入物系统的第三实施方式的视图，植入物系统通常由参考标记1100表示。(为了简单和清楚起见，对于理解本发明并不重要的植入物系统1100的某些组件要么未在本文中示出或描述，要么以简化的方式在本文中示出和/或描述。)
植入物系统1100可以包括经皮气体扩散装置1101。经皮气体扩散装置1101可以与经皮气体扩散装置900相同，并且可以包括与芯层701相同的芯层1103，与外层703相同的外层1105和与中间层905相同的中间层1107。
植入物系统1100可进一步包括电解池1109，其配置为将氧气输送到身体或细胞植入物。电解池1109又可包括顶部外1114、O形环1115、血管化膜1116、疏水膜1117、阴极1118、膜电极组件1119、阳极1120和底部外壳1121。
经皮气体扩散装置1101可以固定到顶部外壳1114，顶部外壳1114可以具有开口1122，以使血管化膜1116能够与皮下空间中的组织接触。血管化膜1116的结构促进靠近膜表面的血管生长并减少异物响应。疏水膜1117可以定位于血管化膜1116和阴极1118之间，并且可以起到防止非挥发性化合物与阴极1118或膜电极组件1119相互作用的功能。在阳极1120处产生的氧气通过定位在阳极1120附近并且可以使用标准机械手段连接到系统的管1123离开电解池1109。底部外壳1121与顶部外壳1114配合以密封装置。孔1124可以设置在血管化膜1116的中心，以使得在阴极1118处产生的废氢气能够穿过经皮气体扩散装置1101的芯层1103。O形环1115在血管化膜1116中的孔1124周围形成密封。图11B更清楚地示出了经皮气体扩散装置1101的外层1105仅延伸到顶部外壳1114的上表面，而经皮气体扩散装置1101的芯层1103和中间层1107延伸通过顶部外壳1114。可以使用机械手段，诸如摩擦配合或激光焊接，或通过粘合剂来实现经皮气体扩散装置1101与电解池1109的联接。
可以理解，在植入物系统1100中，经皮气体扩散装置1101起到使氢气能够离开身体的功能。电解所需的水通过电解池外壳中的开口进入。一系列水蒸汽收集膜保护电解池免受间质液和血液中的非挥发性化合物的影响。顶部外壳1114中的结构元件既用于保持阴极1118和膜电极组件1119之间的接触，又用于提供将经皮气体扩散装置1101附接到顶部外壳1114的手段。
作为治疗方案的一部分，可能需要将氢气输送到身体。在这种情况下，由电解池产生的氢气将被运输到植入的气体扩散器系统，并且氧气将通过本发明的经皮气体扩散装置被消除。这种植入物系统的一个例子在图12A和12B中示出，并且通常由附图标记1200表示。
植入物系统1200可以包括经皮气体扩散装置1201。经皮气体扩散装置1201可以与经皮气体扩散装置1101相同，并且可以包括与芯层701相同的芯层1203、与外层703相同的外层1205和与中间层905相同的中间层1207。
植入物系统1200可进一步包括电解池(或EOG)1209，其配置为将氢气输送到身体。EOG 1209又可包括顶部外壳1214、阳极1215、膜电极组件1216、阴极1217、疏水膜1218、血管化膜1219和底部外壳1220。
经皮气体扩散装置1201可以连接到顶部外壳1214。膜电极组件1216可以定位在阳极1215和阴极1217之间。氢气可以被引导到管1221以输送到植入的气体扩散器，例如渗透性硅氧烷管的网络。优选在电化学装置的阴极侧具有集水系统。底部外壳1220可以以开口1222为特征，以允许皮下组织接触血管化膜1219。疏水膜1218可以确保非挥发性材料不能够接触阳极1215、阴极1217或膜电极组件1216。如图12B中最佳所示，经皮气体扩散装置1201的外层1205可以仅延伸到顶部外壳1214的上表面，而经皮气体扩散装置1201的芯层1203和中间层1207延伸通过顶部外壳1214。可以使用机械手段，诸如摩擦配合或激光焊接、或通过粘合剂来实现经皮气体扩散装置1201与EOG的联接。
图13是可用作经皮气体扩散装置100的外层103的管的扫描电子显微照片。该管由硅氧烷
Figure BDA0002122880810000151
生物材料——球形模板材料——制成(Healionics Corp.,Seattle,WA)，其以精确控制空隙直径和连接孔为特征。所描绘材料的近似尺寸是说明性的并且可以调整以满足不同应用的要求：OD 2.7mm；ID 2.4mm；壁厚250μm。
提供以下实施例，仅用于说明目的，并且决非限制本发明的范围：
实施例1通过气体可渗透的芯的EOC功能的说明：
使用实验室EOC说明了足够的氧气通过气体可渗透的芯扩散以产生最小1SCCH(标准立方厘米/小时)的O2。使用孔径为3μm的
Figure BDA0002122880810000161
BM50烧结的PTFE(Porex Corporation，Fairburn,GA)作为该实验的气体可渗透的芯材料。首先用127μm厚的硅氧烷膜覆盖EOC的进气口，以保护EOC的内部零件。硅氧烷具有足够的氧气渗透性，从而对性能没有影响。将7mm直径、2mm高的
Figure BDA0002122880810000162
材料的圆柱体附接到EOC上的一个入口孔上方的硅氧烷膜上。然后将皮肤模拟物(弹道凝胶：去离子水中的12％明胶)浇铸在EOC表面上，仅留下
Figure BDA0002122880810000163
材料的顶部暴露。
装置在每个配置下以1.6mA运行最少20小时。对于两种配置，电压——效率的指示器——约18小时达到峰值并保持稳定在约0.8V(图14A)，这是EOC的接受标准。两种配置的氧气流量稳定在约1.2SCCH(图14B)。具有透气性芯的装置与对照之间的性能没有显著差异。稳定的电压表明，即使
Figure BDA0002122880810000164
材料的上表面几乎全部被皮肤模拟物覆盖，EOC也可通过气体扩散芯获得足够的氧气。
上述本发明的实施方式旨在仅仅是示例性的，本领域技术人员在不脱离本发明的精神的情况下，能够对其进行多种变化和修改。所有这些变化和修改旨在落入所附权利要求中所限定的本发明的范围内。

Claims (35)

1.一种经皮气体扩散装置，其适于提供用于在身体内部和身体外部的位置之间扩散一种或多种气体的经皮途径，所述经皮气体扩散装置包括：
(a)芯层，所述芯层具有长度、顶部、底部和外周，所述芯层是气体可渗透的和液体不可渗透的，所述芯层被经皮定位在身体中，以便所述芯层的顶部面对所述身体外部并且所述芯层的底部面对所述身体内部；和
(b)外层，所述外层围绕所述芯层的所述外周延伸所述芯层的至少部分长度，所述外层包括组织整合材料。
2.如权利要求1所述的经皮气体扩散装置，其中所述芯层具有开孔结构。
3.如权利要求1所述的经皮气体扩散装置，其中所述外层具有长度，并且其中所述外层在所述外层的整个长度上方接触所述芯层，所述外层围绕所述芯层的所述外周。
4.如权利要求1所述的经皮气体扩散装置，其中所述芯层具有闭孔结构。
5.如权利要求1所述的经皮气体扩散装置，其中所述芯层是无孔实心材料。
6.如权利要求1所述的经皮气体扩散装置，其中所述芯层选自以下的至少一种材料：多孔聚合物、无孔气体可渗透材料、开孔陶瓷泡沫和多孔金属。
7.如权利要求6所述的经皮气体扩散装置，其中所述芯层的至少一种材料用疏水聚合物进行处理。
8.如权利要求1所述的经皮气体扩散装置，其中所述芯层的形状是圆柱形的。
9.如权利要求8所述的经皮气体扩散装置，其中所述芯层具有不大于5mm的直径和1.2-10mm的长度。
10.如权利要求9所述的经皮气体扩散装置，其中所述芯层具有不大于1mm的直径和2-5mm的长度。
11.如权利要求1所述的经皮气体扩散装置，其中所述外层的组织整合材料可以是选自以下的至少一种多孔生物相容性材料：开孔硅氧烷泡沫、图案化微孔材料、开孔氨基甲酸乙酯泡沫、烧结的聚合物材料。
12.如权利要求1所述的经皮气体扩散装置，其中所述外层具有0.2-1.0mm的厚度和1.2-2.0mm的长度。
13.如权利要求1所述的经皮气体扩散装置，其中所述外层具有长度，并且其中所述外层的长度匹配所述芯层的长度。
14.如权利要求1所述的经皮气体扩散装置，其中所述外层具有底部，并且其中所述芯层的所述底部向下延伸超出所述外层的底部。
15.如权利要求1所述的经皮气体扩散装置，其中所述芯层固定地连接至所述外层。
16.如权利要求1所述的经皮气体扩散装置，其中所述芯层可拆卸地连接至所述外层。
17.如权利要求1所述的经皮气体扩散装置，其中所述芯层的一部分固定地连接至所述外层，并且所述芯层的一部分可拆卸地连接至所述外层。
18.如权利要求1所述的经皮气体扩散装置，其中所述外层的至少一部分与所述芯层间隔开，以限定围绕所述芯层的的空间，所述经皮气体扩散装置进一步包括中间层，所述中间层定位在所述芯层和所述外层之间并且完全地填充所述芯层和所述外层之间的空间。
19.如权利要求18所述的经皮气体扩散装置，其中所述中间层包括防止组织从所述外层渗入所述芯层的屏障。
20.如权利要求18所述的经皮气体扩散装置，其中所述中间层包括防止组织从所述外层渗入所述芯层和减少气体从所述芯层扩散入所述外层的屏障。
21.如权利要求18所述的经皮气体扩散装置，其中所述中间层具有底部，其中所述外层具有底部，并且其中所述中间层的底部向下延伸超出所述外层的底部。
22.如权利要求18所述的经皮气体扩散装置，其中所述芯层和所述中间层中至少一个配置为允许所述芯层的至少一部分与所述中间层的可拆卸地连接。
23.如权利要求22所述的经皮气体扩散装置，其中所述芯层包括适于与工具啮合的至少一个凹口。
24.如权利要求23所述的经皮气体扩散装置，其中所述中间层包括适于与工具啮合的至少一个凹口。
25.如权利要求22所述的经皮气体扩散装置，其中所述芯层和所述中间层具有匹配螺纹。
26.如权利要求22所述的经皮气体扩散装置，其中所述中间层包括成形用于连接到植入物装置的底部。
27.如权利要求26所述的经皮气体扩散装置，其中所述中间层的底部包括至少一个肋条。
28.如权利要求26所述的经皮气体扩散装置，其中所述中间层的底部包括圆周凹槽。
29.一种植入物系统，其包括：
(a)植入物装置，所述植入物装置被定位在身体中并且包括气体入口和气体出口中的至少一个；
(b)经皮气体扩散装置，其适于提供用于在身体内部和身体外部的位置之间扩散一种或多种气体的经皮途径，所述经皮气体扩散装置流体地连接至所述植入物装置的气体入口和气体出口之一，所述经皮气体扩散装置包括：
i.芯层，所述芯层具有第一端和第二端，所述芯层是气体可渗透的和液体不可渗透的，所述芯层被经皮定位在所述身体中，以便所述芯层的第一端面对所述身体外部并且所述芯层的第二端面对所述身体内部；和
ii.外层，所述外层围绕所述芯层的外周延伸所述芯层的至少部分长度，所述外层包括组织整合材料。
30.如权利要求29所述的植入物系统，其中所述植入物装置是用于容纳植入的细胞和植入的组织中至少一个的皮下容器，其中所述皮下容器包括氧气入口，并且其中所述经皮气体扩散装置流体地连接至所述氧气入口。
31.如权利要求29所述的植入物系统，其中所述植入物装置是皮下电化学氧气浓缩器，其中所述皮下电化学氧气浓缩器包括空气入口，并且其中所述经皮气体扩散装置可以流体地连接至所述空气入口。
32.如权利要求29所述的植入物系统，其中所述植入物装置是皮下水电解池，所述皮下水电解池包括氧气出口和氢气出口。
33.如权利要求32所述的植入物系统，其中所述经皮气体扩散装置流体地连接至所述氧气出口。
34.如权利要求32所述的植入物系统，其中所述经皮气体扩散装置流体地连接至所述氢气出口。
35.如权利要求29所述的植入物系统，其中所述植入物装置是皮下电化学电池，所述皮下电化学电池能够以电化学氧气浓缩器模式和电化学氧气发生器模式交替操作。
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