CN110636815A - 体内灌注系统 - Google Patents

Abstract

一种可植入的灌注装置(2)，包括管状输送管线(4)，其具有入口端(6)、出口端(8)和位于两者之间的流量限制元件(10)，由此，在入口端和流量限制元件之间限定输送管线的入口部段(12)，在流量限制元件和出口端之间限定传输管线的出口部段(14)。而且，该装置包括含有一定装载量的生物活性细胞的灌注室(16)，并设有流体入口(18)、流体出口(20)和在其间形成的室容积(22)。所述流体入口包括至少一个第一微通道薄片(24)，并且所述流体出口包括至少一个第二微通道薄片(26)，每个微通道薄片包括至少一个微通道阵列(28)，其在各自的外部和内部薄片面之间限定流体通路，所述微通道具有0.2至10μm的开口。灌注室的流体入口(18)与输送管线的入口部段(12)流体连通；并且，流量限制元件(10)构造成在入口部段(12)中建立相对于出口部段(14)预定的压力超过量。

Description

体内灌注系统

技术领域

本发明总体上涉及一种体内灌注系统。更具体地，本发明涉及一种容纳一定装载量的生物活性细胞的可植入灌注装置。

背景技术

根据世界卫生组织的数据，2014年全球18岁以上成年人的糖尿病患病率估计为9％(Global status report on non-communicable diseases 2014.Geneva,WorldHealth Organization,2012)。糖尿病的治疗涉及降低血糖和损害血管的其他已知危险因素的水平。对于1型糖尿病患者，以及对于2型糖尿病发展型患者，必要的干预措施包括施用胰岛素。由于外部影响因素不可避免的变化，而且经常由于缺乏自制，血液中的葡萄糖水平通常会大幅波动，这可能导致血管和神经系统的许多并发症。对于这类患者，胰岛素泵已越来越受欢迎。这些泵中的大多数以低剂量的基础剂量连续地释放胰岛素，其可以根据需要增加剂量，特别是在饭前。为了优化胰岛素泵的使用，急需一种具有连续或周期性监测血糖水平的系统。

胰岛素泵和依赖于来自血糖监测系统的反馈信号的适当控制系统的组合可以被认为是人造胰腺的“医学技术”变体。例如，在WO 2004/110256A2中已经公开了这种葡萄糖测量模块和胰岛素泵的组合。这种设备的最佳控制是一个挑战，例如从WO 2014/109898A1可以理解的那样，其描述了用于I型糖尿病应用的人造胰腺的基于模型的个性化方案。

结构上更类似于真实胰腺的另一种类型的人造胰腺基于植入的生物工程组织，该组织包含胰岛细胞，该胰岛细胞响应于葡萄糖而输送内分泌胰岛素。这种生物-人工胰腺的一个构思是利用包封的胰岛细胞形成适合于手术植入患者的胰岛片。该胰岛片通常包含以下部分：(1)形成片状结构的支撑纤维的内部网状结构；(2)多个胰岛细胞，其被包囊以避免触发免疫反应并且粘附到网状纤维；(3)在所述片周围的半透性保护层，其可扩散营养成分和胰岛细胞分泌的激素；(4)保护性外涂层，以可防止异物反应。

US 2002/0151055A1公开了一种生物人工胰腺，其包括活的和具有生理活性的胰岛细胞，该胰岛细胞能够产生封装在包含琼脂凝胶的半透性球状膜内的胰岛素。人造胰腺可以安装在包含中空纤维的扩散室或灌注室内。示例性的灌注装置由丙烯酸壳体内部的膜组成，血液轴向流过该膜，而胰岛则通过该膜径向地将胰岛素分泌到血液中。这样的基于灌注的生物人工胰腺已经在US 5741334中公开。

当操作上述类型的生物人工胰腺时遇到的一个显著的困难与对进出封装的胰岛细胞的足够大和可持久的物质传输速率的要求有关。一方面，必须确保向胰岛细胞供应足够供应率的营养素，并且当然要确保胰岛细胞产生的胰岛素的相应去除率。另一方面，生物人工胰腺的成分需要在很长时间内具有恒定的特性。特别地，应避免半渗透性保护层的任何堵塞或塌陷。

发明内容

因此，本发明的目的是要提供一种适合于作为生物人工胰腺进行操作的改进的系统，其不具有上述缺点。

根据本发明的一个方面，提供了一种可植入的灌注装置，包括：

-管状输送管线，该管状输送管线具有入口端、出口端和位于其间的流量限制元件，从而在入口端和流量限制元件之间限定输送管线的入口部段，并且在流量限制元件和出口端之间限定输送管线的出口部段，

-灌注室，该灌注室包括流体入口、流体出口以及在其之间形成的室容积；

灌注室容纳一定装载量的生物活性细胞：

所述流体入口包括至少一个第一微通道薄片，所述流体出口包括至少一个第二微通道薄片，每个微通道薄片包括至少一个微通道阵列，该至少一个微通道阵列限定了在相应的外部和内部薄片面之间的流体通路，所述微通道具有0.2至10μm的开口；

每个微通道薄片密封地连接到灌注室的周向壁部分。

其中，

-灌注室的流体入口与输送管线的入口部段流体连通；

并且其中，

-流量限制元件构造成在入口部段中建立相对于出口部段预定的压力超过量。

在本文中，用于表示某些特征的单数形式应理解为包括具有实现技术等效效果的复数特征的可能性。特别地，术语“灌注室”也应适用于其中多个室作为单个功能单元有效协作的实施例。

灌注室被配置为在密闭环境中容纳生物活性细胞，同时确保有足够的物质输送进出该室。为此，形成灌注室的流体入口和流体出口的微通道薄片提供适当的过滤功能。因此，微通道的最佳尺寸将取决于特定的应用。通常，将在0.2至10μm的范围内选择。下限主要由可用的成型技术确定，但也根据需要确定而具有足够的通量。上限由应防止通过微通道的颗粒大小确定。对于许多应用，微通道的开口应在0.9至2.2μm的范围内，最典型的是约1.6μm。在具有圆形横截面的微通道的情况下，术语“开口”应理解为直径。对于非圆形微通道，术语“开口”应理解为横截面的最小横向尺寸。用于形成具有上述直径范围的开口的当前可用技术通常要求高度与直径之比(“长宽比”)达到5。换句话说，在围绕微通道的区域中的微通道薄片的厚度需要足够小，即在1至50μm的范围内，取决于微通道直径。为了提供前薄片的足够的刚度，在从微通道偏移的位置处提供具有明显更大厚度的增强区域。

为了满足细胞容纳的基本要求，该装置的每个微通道薄片密封地连接到灌注室的周向环绕的壁部分。术语“周向地”并不意味着圆形，而仅是为了根据需要限定闭环以沿着薄片边缘形成不间断的密封。

该灌注装置旨在植入人或哺乳动物中，使得管状输送管线形成连接动脉和静脉的所谓的动静脉(AV)分流器。例如，该装置可以被植入人类患者的前臂中。动脉和静脉系统之间的巨大压力差会引起沿输送管线的压力梯度。该压力梯度趋于将动脉血液在其入口端驱动进入输送管线，并在其出口端驱动出输送管线。与管状输送管线流体连通的灌注室的存在有效地形成了血液的分支。因此，如下面进一步详细说明的，发生通过灌注室的一部分血液的流动，即血液通过其流体入口流入灌注室，并通过其流体出口离开灌注室。离开灌注室后，血液要么被再次引入到管状输送管线中，要么被允许流入其他身体区域中。为了方便起见，直接穿过输送管线的流动路径此后将被称为“AV流”，而通过灌注室发生的血液流动将被称为“灌注流”。根据基本上不可压缩的流体的流动动力学特性，灌注流和AV流之间的分支比由两个路径的流导(flow conductance)之比确定。

管状输送管线通常具有几毫米量级的开口，即，在没有任何实质性流量限制的情况下，在大约2至大约10mm，特别是大约3至8mm范围内的某处，其流导大于通过灌注室的流导，其穿过一对微通道薄片，从而形成灌注室的流体入口和流体出口。因此，为了建立足够的灌注流，需要通过提供适当尺寸的流量限制元件来减小AV流。实际上，流量限制元件可在输送管线的入口部段中实现约100mbar的压力累积。

本发明的可植入灌注装置通常旨在容纳生物活性细胞，该生物活性细胞产生一种或多种有用物质，下文也称为“细胞产物”，以提供给需要其的宿主生物体。为了实现该目的，灌注细胞应该具有足够大的体积以便容纳适当数量的细胞。此外，用于确保营养物的适当供应率和细胞产物的适当去除率的灌注流需要足够大。在典型的构造中，灌注室的室容积可以是几毫升，例如，大约5到6毫升，每毫升包含约5000万个细胞。通过具有长达约10cm的长度的扁平且细长的尺寸，灌注室可具有几百mm²的微通道的总面积。

如本文所用，术语“生物活性细胞”应在广义上理解。特别地，这样的生物活性细胞可以作为从人干细胞开始并应用合适的遗传或非遗传分化机制的经典分化细胞获得。或者，它们可以作为移植细胞，即作为异种移植的细胞，包括细菌(视情况而定)，或作为自体或异体移植的人细胞提供。

有利的实施例限定在从属权利要求中并且在下面描述。

根据一个实施例(权利要求2)，灌注装置的流体出口与输送管线的出口部段流体连通。换句话说，在流量限制元件下游的位置处将灌注流引导回到AV流中。这意味着细胞产物被递送到静脉血流中。

预期细胞产物可以被递送至特定区域或器官，在这种情况下，灌注流将必须通过适当的器件来引导。

在另一个实施例中(权利要求3)，灌注装置的流体出口被配置用于将流体递送到间质体区域。因此，所述装置以这样的方式被植入使得形成流体出口的微通道薄片与周围组织直接接触。该实施例被认为是有用的，例如用于测试动物。

有利地(权利要求4)，装置还包括用于控制流量限制元件的限制特性的器件。特别地，这可以包括流量限制元件，流量限制元件具有由适当的转向单元控制的可移动构件。以这种方式，可以实现流量限制的受控变化，同时伴随着灌注和AV流量的比率的变化。在一个实施例中，流量限制以振荡方式操作，其可以是具有完全打开和完全关闭位置的开-关方案。预期开-关方案可以具有占空比，即“开”与“关”时间之比不同于1。具有可控流量限制的重要优点与由从动脉到静脉的不间断的、不受阻碍的血液流动所引起的不良副作用有关，其可能导致手的发麻。

根据一个实施例(权利要求5)，该控制器件包括从动的往复式插塞构件，该插塞与适当形成的用作座的对应部分协作。例如，插塞构件可以是条状磁体，其可以在通道状的对应部分中双向地移动，并且由执行循环运动的外部磁体驱动。

在许多应用中，提供某种抗凝剂，例如肝素或柠檬酸盐是有利的，甚至是必要的。因此，根据又一个实施例(权利要求6)，该装置还包括用于向室容积供应液体试剂的器件。这样的器件可以包括合适的容器，其可以被构造为皮下注射端口，连接该容器和灌注室的供应管线以及合适的泵送装置。在一些实施例中，可植入灌注装置的内表面设置有抗凝涂层，例如肝素涂层。

根据一特别有利的实施例(权利要求7)，供应器件包括一对单向阀，该一对单向阀与往复式插塞构件协作，该往复式插塞构件作用于连接所述一对阀的流体管线段上。换句话说，例如由外部磁体驱动的往复运动的插塞既可用于产生间歇性的灌注流量调节，又用于将诸如柠檬酸盐之类的液体药剂泵送通过灌注室。

在某些情况下，尤其是当在测试动物上使用相对短的几天或长达数周的时间时，可以在初始装载量的活性细胞的情况下操作灌注装置。但是，在大多数应用中，必须提供新鲜的活性细胞。因此，根据有利的实施例(权利要求8)，灌注装置还包括用于将细胞群装载到容器中以及从中卸载的器件。这些可以实现为皮下可植入的注射端口，该注射端口配备有形成与灌注室的连接的管道，并且还设有适当的阀。

用于实现灌注装置的有效操作的重要因素是具有足够大的微通道总面积。然而，鉴于不可避免的生产失败导致偶尔过大尺寸的通道，因此生产非常大的微通道薄片是不切实际的。显然，单个过大尺寸的通道会导致细胞容纳丢失，因此是不可接受的。因此，根据有利的实施例(权利要求9)，流体入口和/或流体出口包括多个微通道薄片。通过这种利用多个小薄片而不是单个大薄片的模块化设计，单个通道的故障仅需要丢弃整个表面的相对较小的单元。

有利地，微通道薄片由适合于光刻处理的材料制成，其是用于形成具有明确形状的狭窄结构的非常方便的技术。因此，根据有利的实施例(权利要求10)，微通道薄片由硅(Si)和/或氮化硅(Si₃N₄)制成。此外，至少灌注室的周向环绕的壁部分由与前薄片的材料相兼容并且对于要附接到其上的任何流体连接而具有有利的特性的材料制成。由Si和Si₃N₄层制成的合适的夹心结构在微技术领域通常是已知的。在一些实施例中，微通道薄片被功能化，即提供有合适的涂层。这种涂层的类型和厚度将取决于特定的应用。为了与血液接触，已知旨在防止血块形成和凝结的功能化。

根据有利的实施例(权利要求11)，微通道薄片和周向环绕的壁部分通过阳极结合而彼此结合。特别地，该方法允许在Si和玻璃结构之间形成牢固和中等紧密的连接。替代地，可以借助于粘合剂形成连接。

植入式灌注装置的合适位置和构造是直前臂(桡动脉至头静脉)、环状前臂(肱动脉至头静脉)和直上臂(肱动脉至贵要静脉或腋静脉)。进一步的可能是大腿移植、颈圈移植(腋动脉到腋静脉)和腋心房移植。因此，根据有利的实施例，管状输送管线在其入口端和出口端设有分别用于连接到患者的动脉和静脉的器件(权利要求12)。优选地，这些是可释放的连接器件。该实施例将允许将典型地由具有有利成形性的生物相容性热塑性塑料制成的装置的管状管线连接到由连接到患者的动脉或静脉的合成移植管组成的对应部分上。这种移植管通常由聚四氟乙烯(PTFE)制成。

如已经提到的，灌注装置适合于与一定装载量的生物活性细胞一起使用，可以根据要实现的特定任务来选择这些细胞。根据一个实施例，装在灌注室中的生物活性细胞是朗格汉斯细胞(LC)的胰岛。将会理解，在这种情况下，细胞产物将是胰岛素，并且因此灌注装置可以被实现为形成人工胰腺装置的一部分。

附图说明

通过参考以下结合附图对本发明的各种实施例的描述，本发明的上述和其他特征和目的以及实现它们的方式将变得更加显而易见，并且将更好地理解本发明本身，在附图中：

图1以截面图示出了流体接口装置的第一实施例；

图2以截面图示出了流体接口装置的第二实施例；

图3以截面图示出了流体接口装置的第三实施例；

图4以截面图示出了流体接口装置的第四实施例；

图5是第一实施例的中间部段的透视图；

图6以顶视图示出了图6的部分；

图7以截面图示出了图6的部分；

图8以纵向截面图示出了图6的部分；

图9以透视图示出了第五实施例的中间部段；

图10以顶视图示出了图9的部分；

图11以纵向截面图示出了图10的部分；

图12以根据图10的截面A-A的截面图示出了图10的部分；

图13以根据图10的截面B-B的截面图示出了图10的部分；和

图14以顶视图示出了5×4微通道薄片的布置。

具体实施方式

将理解的是，附图不一按比例绘制。在某些情况下，相对尺寸会明显变形以易于观察。

图1所示的灌注装置2作为分流器植入在动脉A和静脉V之间，其包括管状的输送管线4，该输送管线4具有入口端6、出口端8和位于两者之间的流量限制元件10。如图1所示，流量限制元件10在左侧限定了位于入口端6与流量限制元件10之间的入口部段12，并且它进一步限定了位于流量限制元件与出口端8之间的出口部段14。流量限制元件10用于在入口部段12中建立相对于出口部段14的预定的压力超过量。

该装置还具有灌注室16，其包括流体入口18、流体出口20和在其间形成的室容积22。在所示的示例中，灌注室实际上包括上部和完全等同的下部，为简单起见，下部没有提供附图标记，并且在此不作进一步讨论。

流体入口包括第一微通道薄片24，并且流体出口包括第二微通道薄片26，这些薄片中的每一个都包括微通道阵列28，微通道阵列限定了在相应的外部和内部薄片面之间的流体通路。从图1还可以看出，灌注室的流体入口18与输送管线的入口部段12流体连通。

在图1所示的示例中，灌注装置的流体出口20构造成用于将形成在室容积22中的细胞产物流体输送到位于动脉A和静脉V之间的间质组织。

图2中所示的灌注装置2具有已经参考图1讨论的许多特征，并且其不需要进一步讨论。然而，与图1的实施例不同，灌注装置的流体出口20通入输送管线的出口部段14。因此，在室容积22中形成的细胞产物被引导通过出口部段14并进入静脉血流。

图3中所示的灌注装置2对应于图2中所示的实施例，并且还包括用于将细胞群装载和卸载到室容积22中的器件。这些器件包括装载管线30和卸载管线32，每个都设有适当的阀门，其分别示意性地表示为34和36。

图4中所示的灌注装置2仍对应于图2所示的实施例，并且还包括用于向室容积22供应诸如柠檬酸盐溶液的液体试剂的器件。这些器件包括容器38、连接容器38和灌注室22的供应管线40以及适当的泵送装置42。

在实践中，图3和4的两个实施例通常一起实施，并且在这里仅出于便于绘制的目的而单独示出。

在图5至8中更详细地示出了旨在递送至间质组织的实施例，而旨在递送至静脉血流的实施例更详细地示出在图9至14中。上面已经解释的任何特征通常将不再讨论；在某些情况下，它们仅由相应的附图标记表示。

图5至8中所示的装置2的特征在于，形成了管状输送管线4的中间部段的细长的、基本上为圆柱形的壳体44，管状输送管线具有入口部段12和出口部段14。壳体44容纳以对称方式位于输送管线的相对侧的两个灌注室16a和16b。每个灌注室包括与输送管线相邻的第一微通道薄片24和基本平行于第一微通道薄片并且从其径向移开的第二微通道26。由此，在两个薄片之间形成室容积22。还特别如图7所示，每个微通道薄片密封地连接到壳体的壁部分。特别地，连接至第一微通道薄片24的第一壁部分46和连接至第二微通道薄片26的第二壁部分48在接触区域50处以夹心方式结合在一起。

图9至12中所示的装置2包括细长的、基本为椭圆柱形的壳体52。整个装置构造为相对平坦的形状，其允许构造相对较长的微通道区域，从而提供较大的流体交换表面并伴随较大的灌注流量。该装置具有扁平形状的细胞装载管线30和细胞卸载管线32，每个分别设有适当的阀门34和36。

图12示出了以三个隔室方式配置的装置的流动路径。经由管状输送管线4供应的动脉血位于最内部的第一隔室中，血液可以从第一隔室流过第一微通道薄片24进入灌注室22，灌注室22形成容纳活性细胞群的第二隔室。从第二隔室，包含细胞产物的血液流过第二微通道薄片26而进入离开部段20中，离开部段20形成与装置的出口部段14连通的第三隔室。

图13示出了可控的流量限制元件10的工作原理。流量限制元件10包括一对往复运动的插塞构件54，每个插塞构件都包含永磁体。每个插塞构件可在缩回位置(如图所示)和插入位置(未示出)之间往复运动，在插入位置中，插塞向内推动并压缩管状输送管线4的管段。往复运动由绕轴线R旋转的盘状的外部磁体56引起。在所示的示例中，插塞构件54还充当用于抗凝剂供应管线40的柔性段的挤压构件，该管线位于具有共同通量方向的一对单向阀(未示出)之间。

如从图14中看到的，用作流体入口或流体出口的室壁58是由多个微通道薄片60形成的，在所示的例子中，这些薄片布置为4×5的矩阵。每个薄片密封地连接到室壁的周向环绕的壁部分62。

Claims (13)

1.一种可植入的灌注装置(2)，包括：

-管状的输送管线(4)，其具有入口端(6)、出口端(8)和位于二者之间的流量限制元件(10)，由此在入口端和流量限制元件之间限定输送管线的入口部段(12)，并且在流量限制元件和出口端之间限定输送管线的出口部段(14)，

-灌注室(16)，其包括流体入口(18)、流体出口(20)和在二者之间形成的室容积(22)；

所述灌注室容纳一装载量的生物活性细胞；

所述流体入口包括至少一个第一微通道薄片(24)，所述流体出口包括至少一个第二微通道薄片(26)，每个微通道薄片包括至少一个微通道阵列(28)，所述微通道阵列在相应的外部薄片面和内部薄片面之间限定流体通路，微通道的开口为0.2至10μm；

每个微通道薄片密封地连接到灌注室的周向环绕的壁部分(62)；

其中，

-灌注室的流体入口(18)与输送管线的入口部段(12)流体连通；

并且其中

-流量限制元件(10)构造成在入口部段(12)中建立相对于出口部段(14)预定的压力超过量。

2.根据权利要求1所述的灌注装置，其中，所述灌注装置的流体出口(20)与所述输送管线的出口部段(14)流体连通。

3.根据权利要求1所述的灌注装置，其中，所述灌注装置的流体出口(20)构造成用于将流体递送至间质体区域。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的灌注装置，还包括用于控制所述流量限制元件(10)的限制特性的控制器件。

5.根据权利要求4所述的灌注装置，其中，所述控制器件包括从动往复式插塞构件(54)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的灌注装置，还包括用于向所述室容积(22)供应液体试剂的供应器件(38、40、42)。

7.根据权利要求5或6所述的灌注装置，其中，所述供应器件包括一对单向阀，所述一对单向阀与往复式插塞构件(54)协作，该往复式插塞构件作用在连接所述一对阀的流体管线部段上。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的灌注装置，还包括用于将细胞群装载到所述室容积(22)中以及从中卸载的器件(30、32、34、36)。

9.根据权利要求1至8中的一项所述的灌注装置，其中，所述流体入口和/或所述流体出口(58)包括多个微通道薄片(60)。

10.根据权利要求1至9中的一项所述的灌注装置，其中，所述微通道薄片由Si和/或Si₃N₄制成。

11.根据权利要求1至10中的一项所述的灌注装置，其中，所述微通道薄片通过阳极结合密封地连接至所述灌注室的周向环绕的壁部分。

12.根据权利要求1至11中的一项所述的灌注装置，其中，所述管状的输送管线(4)在其入口端和出口端处分别设置用于连接至患者的动脉和静脉的器件。

13.根据权利要求1至11中的一项所述的灌注装置，其中，装载在所述灌注室中的生物活性细胞是朗格汉斯细胞(LC)的胰岛。