CN209301809U - 一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置和方法，包括注射组件、富集工作腔、侧向密封体以及过滤组件，采用对多孔规则体支架材料在富集工作腔的侧向密封原理，使其材料周边得到有效密封，避免了现有技术中的大部分细胞从材料侧边流动而不能富集到材料内部的问题；过滤组件包括过滤网、储液腔与观察腔，可保证灌注液体不会对支架材料内连接孔造成堵塞，便于实时观察与计算灌注液体体积，进而实现动态评估灌注效果；侧向密封体可适于不同形状规则体或体积较大支架材料的细胞富集，从而有效实现在多孔规则体支架材料中充分截留与富集种子细胞，提高了材料的生物活性，促进了临床应用中的骨修复效果。

Description

一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置

技术领域

本实用新型涉及医疗器械技术领域，具体是一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置。

背景技术

由外伤、感染、肿瘤和手术等导致的骨组织缺损治疗是骨科的难题之一。其中大段骨缺损的修复重建尤其困难，因此找到一种能在骨缺损部位起到桥梁作用的替代移植物以促进骨缺损的修复，是近年来骨组织工程努力解决的一项难题。目前常用的骨缺损修复替代物包括：自体骨，异体骨、生物陶瓷、骨水泥、高分子聚合物、胶原蛋白、合金等，不同的植骨材料有着不同的物理性质，但从结构上而言，多孔内连结构的植骨材料比密质材料有着更好的骨修复效果，这是因为多孔内连的结构提供了新骨组织爬行生长的空间从而达到更好的界面接合及骨长入。如多孔钛合金，多孔生物陶瓷，多孔钽棒等。但研究表明，此类多孔生物材料，新骨仍较难达到材料内部或该过程比较缓慢。因此其修复能力受到一定限制。

除了支架材料，另外一个与骨修复密切相关的因素是种子细胞。一般地，骨组织修复的种子细胞主要指具有自我增殖及分化潜能的多能干细胞，最常见的是骨髓间充质干细胞，其他还包括：血管内皮祖细胞、成骨细胞、骨髓基质细胞、基因修饰细胞等。但多孔人工材料如多孔生物陶瓷、多孔合金等在植入体内的初期是不具备种子细胞的。种子细胞定植于多孔材料深部的过程也是比较缓慢的。于此同时，由于材料内部新生血管匮乏，营养物质及血液中的种子细胞很难在短时间内富集于材料，这在很大程度上也制约了材料的骨修复性能。

解决上述问题的方法是在支架材料植入前，为其富集一定数目的种子细胞，其传统技术手段主要包括以下方法：

1)采用组织工程技术，用特殊的酶或其他方法将种子细胞从组织中提取出来在体外进行培养扩增，然后将生物材料浸于含有种子细胞的培养液中，使细胞与支架材料进行复合。

但上述方法存在：该方法不利于临床应用，因体外细胞培养扩增过程缓慢，患者需经历多次侵入性操作，且细胞与支架复合过程中受到污染的可能性较大。

2)手术中所得含有种子细胞的浸液，或骨髓穿刺所得骨髓液，或其他方法获得的含有种子细胞的浸液，通过与支架材料进行混合，或将支架材料浸泡于种子细胞浸液，达到快速复合的目的。

但上述方法存在：该方法虽简单易行，但只适用于体积较小，孔及内连径较大的材料，这是因浸泡或机械混合的方式很难在材料的深部复合到足量的细胞。

3)专利号为CN1503683A还开发了另外一种技术以即时在支架材料中复合种子细胞，由载入注射器及基质容器组成，通过载入注射器推动液体流经基质容器内微粒性及纤维性骨材料达到富集种子细胞至材料的目的，此方法一定程度上提高了多孔支架材料富集细胞的效率。

但上述技术方案也存在：首先，该方法并不适用于规则体(柱状、块状、条状等)且体积较大支架材料的细胞富集，因为规则体材料置于图示基质容器中时，不能做到材料周边的密封，大部分种子细胞从侧边流动而不能够富集到规则体材料的内部。另一方面，该方法未按照材料的多孔三维结构对灌注的液体进行选择，未设定可控流速，这可能导致灌注不足或流速过快，细胞难以截留。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置，采用对多孔规则体支架材料的侧向密封，可有效实现在多孔规则体支架材料中充分截留与富集种子细胞，提高材料的生物活性，促进临床应用中的骨修复效果。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置，包括注射组件、富集工作腔、侧向密封体以及过滤组件，所述富集工作腔包括底座、下半体与上半体，所述下半体安装在底座上，所述上半体与下半体相适应，且上半体径向一侧与下半体铰接，上半体径向另一侧与下半体扣接，上半体与下半体扣合之间形成一具有圆柱状密闭空腔的组合体，所述组合体的轴向两端分别具有连通密闭空腔的接口；

所述侧向密封体由柔性胶质材料制成，并为与密闭空腔相匹配且中空的圆柱体；

所述过滤组件包括支架、竖向设置在支架上的过滤腔以及安装在过滤腔上端口部的过滤网，所述过滤腔具有从上至下连通一体的储液腔与观察腔，所述观察腔的下端设有端口；

使用时，通过连接管分别将注射组件的注射口及观察腔的端口分别与组合体的两端接口连通，为便于连接管的密封性连接，优选注射口为旋钮转接口，观察腔的端口与与组合体的两端接口均为与旋钮转接口相同的接口形式，进而适于接合临床常用注射器及输液软管接头。

进一步地，所述接口包括位于下半体两端的凸接体、设置在凸接体上并与组合体同轴且向外延伸的外螺纹接头以及设置在上半体两端且与凸接体相对应的凹接体，所述凸接体与凹接体闭合，以实现组合体两端密封，提高密封效果。

进一步地，所述密闭空腔的轴向两端具有呈锥形的液体缓冲腔，以便于液体从组合体的两端接口进入时，起到缓冲的效果，使液体在进入多孔规则体支架材料时达到各向均速。

进一步地，所述支架包括底座、呈竖向设在底座上的立柱以及呈水平连接在立柱上的固定环，所述固定环具有用于固定过滤腔的套环，所述固定环的数量为两个，且间距设置，以提高对过滤腔竖向固定的可靠性与稳定性。

进一步地，所述侧向密封体由硅胶材质一体成型，优选为医用级软硅胶，以满足对多孔规则体支架材料侧向密封与安全使用需要。

进一步地，所述注射组件包括具有注射口的注射本体以及与注射本体连接的注射泵，所述注射泵用以实现自动推送注射。

进一步地，所述观察腔由透明材质制成，比如：玻璃，树脂，有机塑料等，在观察腔上设有容积标尺，标尺刻度为0-20ml，所述储液腔的容积与观察腔的容积相同，进而使储液腔的总容积为40ml，以满足使用需要。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型可以在多孔规则体支架材料的内部截留与富集种子细胞，为骨组织修复提供良好的初始条件；

2、本实用新型采用对多孔规则体支架材料在富集工作腔中进行侧向密封，进而有效使多孔规则体支架材料得到充分截留与富集种子细胞的应用效果，提高了材料的生物活性，解决了现有技术在较大体积多孔规则体支架材料内部无法充分截留与富集种子细胞的问题；

3、本实用新型的侧向密封体具有多项可选规格，或定制规格，适用于所有具备多孔内连结构的规则体支架材料，灌注体系为任意包含种子细胞的液体，并通过更换不同规格过滤网实现过滤；

4、本实用新型可以即时获得富集细胞的多孔规则体支架材料，操作简便，富集工作腔优选为医用不锈钢，侧向密封体优选为硅胶材质，可便于消毒，反复应用，其临床应用价值高。

附图说明

图1为本实用新型一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置的结构示意图。

图2为本实用新型一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置的方法流程示意图。

图3为本发明中的组织学切片显示截留及富集细胞结果。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型作进一步详细说明。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖向”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置，包括注射组件1、富集工作腔2、侧向密封体3以及过滤组件4，多孔规则体支架材料的形状一般包括：条状、柱状或块状等，富集工作腔优选采用医用级不锈钢材料，可便于消毒处理；所述富集工作腔包括底座21、下半体22与上半体23，所述下半体安装在底座上，所述上半体与下半体相适应，且上半体径向一侧与下半体铰接，上半体径向另一侧与下半体扣接，上半体与下半体扣合之间形成一具有圆柱状密闭空腔5的组合体，密闭空腔用于容置侧向密封体，所述组合体的轴向两端分别具有连通密闭空腔的接口24；所述侧向密封体由柔性胶质材料制成，并为与密闭空腔相匹配且中空的圆柱体，侧向密封体可优选由硅胶材质一体成型，并优选为医用级硅胶材质制成，柔性硅胶可根据胶质材料的软硬程度(一般包括硬、中硬和软三种)理解为软硅胶，软硅胶的内腔有利于与多孔规则体支架材料形成包纳或周向密封，提高其侧向的密封效果，同时，硅胶材料具有化学性能稳定，使用寿命长，易清洗消毒，可反复使用，且极具柔韧性，不变形，可保证侧向密封效果，另外，侧向密封体可根据多孔规则体的形状参数个性定制成不同型号系列，也即侧向密封体的中空结构由规则体多孔支架材料的形状决定，优选利用3D打印技术制备软硅胶的侧向密封体；由上可知，在上下半体与上半体上分别具有密闭空腔的一半腔体，采用铰接与扣接方式，可实现侧向打开与扣合上半体，以便于侧向密封体的放入与取出，使用方便；

所述过滤组件包括支架41、竖向设置在支架上的过滤腔42以及安装在过滤腔上端口部的过滤网43，所述过滤腔具有从上至下连通一体的储液腔421与观察腔422，所述观察腔的下端设有端口423；过滤腔竖向设置以保证液体的灌入，过滤网优选与储液腔可拆卸连接，可便于更换拆卸与安装，观察腔利于观察其内部液体容积；

使用时，通过连接管6分别将注射组件的注射口及观察腔的端口分别与组合体的两端接口连通，为便于连接管的密封性连接，优选注射口为旋钮转接口，观察腔的端口与与组合体的两端接口均为与旋钮转接口相同的接口形式，进而适于接合临床常用注射器及输液软管接头。

作为优选的一种技术方案，所述接口包括位于下半体两端的凸接体241、设置在凸接体上并与组合体同轴且向外延伸的外螺纹接头242以及设置在上半体两端且与凸接体相对应的凹接体243，所述凸接体与凹接体闭合，以实现组合体两端密封，提高密封效果，外螺纹接头用于与连接管连接。

作为优选的一种技术方案，所述密闭空腔的轴向两端具有呈锥形的液体缓冲腔51，以便于液体从组合体的两端接口进入时，起到缓冲的效果，使液体在进入多孔规则体支架材料时达到各向均速。

作为优选的一种技术方案，所述支架包括底座411、呈竖向设在底座上的立柱412以及呈水平连接在立柱上的固定环413，所述固定环具有用于固定过滤腔的套环，所述固定环的数量为两个，且间距设置，两个套环形成对过滤腔的稳定支撑与固定。

作为优选的一种技术方案，所述注射组件包括具有注射口的注射本体以及与注射本体连接的注射泵(图中未画出)，所述注射泵用以实现自动推送注射；也即采用注射泵自动控制注射本体的推送速度，该速度由液体类别及支架材料的内连接孔径大小决定，孔径越大，推送速度需要越慢，从而保证种子细胞均匀截留于材料内部。

作为优选的一种技术方案，所述观察腔由透明材质制成，比如：玻璃，树脂，有机塑料等，在观察腔上设有容积标尺424，标尺刻度为0-20ml，所述储液腔的容积与观察腔的容积相同，进而使储液腔的总容积为40ml，以满足使用需要，设置观察腔可便于实时观察含种子细胞液的量，以及计算灌注效能。

如图2所示，一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置的方法，包括以下操作步骤：

A.装置组装：先通过连接管分别将注射组件的注射口及观察腔的端口分别与组合体的两端接口连通，且打开上半体，连接管可为医用常规输液胶管，使用方便；

B.材料置入：将待富集细胞的多孔规则体支架材料置入侧向密封体的内腔，其中，侧向密封体的内腔需与多孔规则体支架材料的形状相适应，也即根据多孔规则体支架材料的不同形状，选择具有与其相对应或相匹配内腔结构的侧向密封体，以满足其侧向密封需要；

C.扣合密封：把置入多孔规则体支架材料的侧向密封体放入下半体的半边腔体内，再扣合上半体，使侧向密封体完全置于密闭空腔内；

D.液体灌入：将含有种子细胞的液体从过滤网灌入储液腔，并根据不同类别的液体，选择与其相对应规格的过滤网；含有种子细胞的液体一般包括经骨髓穿刺所得骨髓液、骨科手术钻孔时收集所得骨髓与骨屑混合物、松质骨的浸液、含体外培养扩增细胞的培养液以及其他方式获得的含有种子细胞的液体，根据上述不同性状的液体，为提高液体灌注的充分性，需选择不同大小滤过孔径的过滤网(50μm，100μm，200μm，300μm等)，比如，过滤网规格的选择可根据以下依据：一是所采集液体的性状，如液体含有骨性碎屑，则选择较大网孔将碎屑滤过，如液体为体外培养后的细胞，则选择小孔径能顺利滤过细胞即可。二是根据多孔规则体支架材料的结构参数对过滤网进行选择，所选过滤网孔径应小于多孔材料中内连接孔的直径，否则在细胞灌注过程中会造成材料内部连通的堵塞，从而减弱其截留富集作用；然后，过滤后的液体经连接管依次进入密封空腔和注射本体内，在灌注过程中需要注意的是，由于整个系统是密闭的，且连接管管道内含有较多空气，因此，在液体灌注开始前需要将注射本体的注射口连接端打开排出多余的气体，当液体完全充盈密闭空腔后再次连接注射器的注射口连接端；

E.截留富集：推抽注射本体，使液体来回通过侧向密封体内腔的多孔规则体支架材料，推抽过程中可通过观察腔观测液体每次通过的体积以及截留于多孔规则体材料中的体积，推抽一定次数后，即可完成多孔规则体支架材料的的种子细胞富集或截留；优选的，注射本体的推抽次数不小于20次，推注速度为 4-10ml/min，具体根据不同的液体类别及多孔规则体支架材料的孔径与内连接参数选择不同的推送速度，以提高种子细胞的截留与富集效果，在采用注射泵推送时，通过注射泵自动精确控制注射本体的推送速度，可有利于提高细胞截留与富集效果。

截留与富集完毕后，即可打开上半体，取出多孔规则体支架材料，由于本发明的整个装置均可进行操作消毒灭菌处理，因此，该支架材料可直接用于临床。

本发明的多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置和方法的一种具体实施例：

股骨头坏死是骨科常见难治疾病，常导致患者下肢功能残疾，髓芯减压手术作为传统的治疗早期股骨头坏死的方法已被广泛应用；改进的髓芯减压手术为于髓芯减压通道植入支架材料，一方面可以对股骨头起到一定的支撑作用，另一方面支架材料能够促进骨修复过程，但目前应用的多孔钽棒，多孔生物陶瓷等，其支架材料内部新骨生成过程缓慢，其中一个重要的原因即是支架材料内部缺乏种子细胞定植，基于此，本实施例提供一种在多孔内连结构的生物陶瓷棒内部截留富集种子细胞的装置和方法；

多孔生物陶瓷棒为多孔互联结构的圆柱体，具体参数如下：直径10mm，长度80mm，体积6.28cm³,大孔直径：500-600μm，大孔间内连接孔直径：120μm，孔隙率70％；

本实施例使用的灌注体系为股骨头坏死患者行髓芯减压手术时，在无菌条件下于髓芯减压钻孔处收集的含有骨髓液及微骨屑的混合物，加0.5U肝素抗凝，其成分包含：间充质干细胞、骨髓基质细胞、红细胞、骨细胞、血源性单核细胞群、血源性祖细胞群、以及基质、胶原、纤维等成分；

侧向密封体材质为医用软硅胶，为一外径14mm，内径10mm，长80mm的空心圆柱体，用于包纳多孔生物陶瓷棒，多孔生物陶瓷棒安装于空心体，周围与软硅胶内壁紧密贴合；

富集工作腔材质为医用不锈钢，其腔体参数为：直径为14mm，长度为80mm，实施时，将组配后的侧向密封体放入下半体的空腔内，闭合上半体，然后扣合紧固；

过滤腔材质为医用塑料，观察腔的标尺范围：0-20ml，储液腔的容积为 20ml，过滤网选择滤过孔径为100μm，这是因多孔生物陶瓷棒材料内连接孔孔径为120μm，若选择孔径大于120μm的过滤网，则可能出现多孔生物陶瓷棒材料内连孔堵塞而导致灌注不全；

灌注的液体总量为25ml，按上述一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置的方法进行细胞截留与富集，推抽方式采用手动推注，控制速度于 4-6ml/min，推抽次数为20次；

推注完毕后，取出富集了种子细胞的多孔生物陶瓷棒，且于4％多聚甲醛固定24h，然后经梯度酒精脱水、二甲苯透明、包埋后制备硬组织切片以观察细胞截留富集情况，需注意的是，该过程需缓慢轻柔以避免种子细胞过多地被流体冲刷带走；

如图3所示，组织学切片结果显示本实施例所采用的多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置和方法可以在多孔生物陶瓷棒内部富集到足量种子细胞，由于采用的灌注体系含有基质、胶原、纤维等成分，因此细胞能够更好的黏附于材料表面，灌注体系中的间充质干细胞、血源性祖细胞等大量截留于材料内部，为血管生成、骨修复提供了良好的初始条件。

由上述技术方案及实施例可知，本发明的一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置和方法，采用对多孔规则体支架材料在富集工作腔的侧向密封原理，使其材料周边得到有效密封，避免了现有技术中的大部分细胞从材料侧边流动而不能富集到材料内部的问题，并可适于不同形状规则体或体积较大支架材料的细胞富集，设置的过滤组件包括过滤网、储液腔与观察腔，可保证灌注液体不会对支架材料内连接孔造成堵塞，观察腔便于实时观察与计算灌注液体体积，进而实现动态评估灌注效果；且优选采用注射泵进行自动控制推送速度，使液体流速可控，从而有效实现在多孔规则体支架材料中充分截留与富集种子细胞，提高了材料的生物活性，促进了临床应用中的骨修复效果。

以上的说明和实施例仅是范例性的，并不对本实用新型的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本实用新型的精神和范围下可以对实用新型技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置，包括注射组件、富集工作腔、侧向密封体以及过滤组件，其特征在于：所述富集工作腔包括底座、下半体与上半体，所述下半体安装在底座上，所述上半体与下半体相适应，且上半体径向一侧与下半体铰接，上半体径向另一侧与下半体扣接，上半体与下半体扣合之间形成一具有圆柱状密闭空腔的组合体，所述组合体的轴向两端分别具有连通密闭空腔的接口；

所述侧向密封体由柔性胶质材料制成，并为与密闭空腔相匹配且中空的圆柱体；

所述过滤组件包括支架、竖向设置在支架上的过滤腔以及安装在过滤腔上端口部的过滤网，所述过滤腔具有从上至下连通一体的储液腔与观察腔，所述观察腔的下端设有端口；

使用时，通过连接管分别将注射组件的注射口及观察腔的端口分别与组合体的两端接口连通。

2.根据权利要求1所述的一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置，其特征在于：所述接口包括位于下半体两端的凸接体、设置在凸接体上并与组合体同轴且向外延伸的外螺纹接头以及设置在上半体两端且与凸接体相对应的凹接体，所述凸接体与凹接体闭合，以实现组合体两端密封。

3.根据权利要求1所述的一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置，其特征在于：所述密闭空腔的轴向两端具有呈锥形的液体缓冲腔。

4.根据权利要求1所述的一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置，其特征在于：所述支架包括底座、呈竖向设在底座上的立柱以及呈水平连接在立柱上的固定环，所述固定环具有用于固定过滤腔的套环。

5.根据权利要求1所述的一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置，其特征在于：所述侧向密封体由硅胶材质一体成型。

6.根据权利要求1所述的一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置，其特征在于：所述注射组件包括具有注射口的注射本体以及与注射本体连接的注射泵，所述注射泵用以实现自动推送注射。

7.根据权利要求1所述的一种多孔规则体支架材料中截留及富集细胞的装置，其特征在于：所述观察腔由透明材质制成，在观察腔上设有容积标尺，标尺刻度为0-20ml，所述储液腔的容积与观察腔的容积相同。