DE60211589T2

DE60211589T2 - Künstliche Dura Mater mit Zellhaftung und Prozess zur Produktion

Info

Publication number: DE60211589T2
Application number: DE60211589T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Wako-shi Suzuki; Masaya Wako-shi Iwaki; Makoto Wako-shi Kaibara; Masami Yokohama-shi Kamio
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: US20020155295A1; JP2002315821A; DE60211589D1; EP1252902B1; JP5505752B2; US6872759B2; EP1252902A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Material mit Haftfähigkeit an Knochen und/oder Faszie, das als medizinisches Material wie z.B. als künstliche Dura mater brauchbar ist, und Verfahren zur Herstellung dieses Materials.
Technischer Hintergrund
Von den drei Membranschichten (Pia mater, Arachnoidea und Dura mater) zum Schutz des zerebralen Parenchyms in einem Schädelknochen ist die Dura mater die härteste, am weitesten außen gelegene Schicht und ist auch das innere Periost des Schädelknochens. Bei der Gehirn-Neurochirurgie ist die Exzision der Dura mater oft unvermeidlich, und dies führt zu einem Defekt an der Dura mater. Eine spontane Kontraktion der Dura mater selbst erschwert bisweilen das Setzen einer Primärnaht. Ein Wundverschluss bei noch offener Dura mater führt zu ernsten Komplikationen, beispielsweise zu intrakranialen Infektionen durch Auslaufen von Zerebrospinalflüssigkeit, lokalen neurologischen Symptomen aufgrund von Adhäsion zwischen zerebralem Parenchym und Knochen oder subkutanem Gewebe, wobei der Schwerpunkt bei epileptischen Anfällen liegt. Bei geschlossener Wunde ist daher präzises Nahtsetzen erforderlich, um keine Lücke in der Dura mater entstehen zu lassen. Tritt ein Defekt an der Dura mater auf, oder ist das Setzen einer Primärnaht schwierig, so sollte irgendeine Prothese verwendet werden, um ohne jegliche Lücke vollständig zuzunähen.
Die Auswahl einer Prothese zur Verwendung beim Auffüllen eines Dura mater-Defekts ist ein Problem, mit dem sich Neurochirurgen seit langem abmühen. In einem frühen Stadium wurden Artefakte verwendet, doch gab es Probleme wie z.B. mit der biologischen Verträglichkeit und Anwendbarkeit. Somit wurden über einen langen Zeitraum keine Artefakte verwendet. Autogene Faszie ist vom frühen Stadium bis heute die am häufigsten verwendete Prothese, doch bestehen einige Probleme wie etwa Entstehung eines Fasziendefekts an der Region der Entnahme und bereitwillige Adhäsion am Gehirn. Eine menschliche getrocknete Dura mater ist eine Ersatz-Dura mater, die durch Behandeln der einer Leiche entnommenen Dura mater mit Strahlung hergestellt wird, und sie ist die beste unter den bestehenden Prothesen. Allerdings sind in der Dura mater möglicherweise Prionen vorhanden, welche die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit hervorrufen können, und es gibt Berichte über Infektionen mit der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit durch menschliche getrocknete Dura mater. Die Verwendung derselben wurde 1998 daher komplett verboten.
Das einzige neben autogener Faszie brauchbare Material als Prothese für die Dura mater ist ePTFE (expandiertes Polytetrafluorethylen), das vom Department of Health and Human Services zugelassen ist. Da ePTFE ein polymeres Material ist, haftet es nicht an Organismen. Diese Eigenschaft ist insofern ausgezeichnet, als ePTFE nicht am Gehirn haftet. Andererseits hat ePTFE schlechte Kontraktilität, und es kann dazu kommen, dass Zerebrospinalflüssigkeit aus einem Nadelloch ausläuft, so dass eine Naht unter Verwendung eines speziellen chirurgischem Nahtmaterials gesetzt werden muss. Da es keine Adhäsion an Organismen gibt, ist es sehr wahrscheinlich, dass Zerebrospinalflüssigkeit aus einer Lücke zwischen den Nahtflächen ausläuft. Da es zudem keine Adhäsion an peripherem Gewebe gibt, kann es höchstwahrscheinlich nur ein Gerüstmaterial sein. Bis heute wurden zahlreiche Versuche zur Frage unternommen, wie ePTFE erfolgreich zu verwenden sei. Bei all diesen Versuchen wurde ePTFE jedoch als Gerüstmaterial verwendet, uns es wurde solange gewartet, bis sich eine Hülle aus Fasergewebe auf der Peripherie gebildet hatte.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die hier tätigen Erfinder haben bis dahin verschiedene Experimente durch Modifizierung einer Oberflächenschicht von ePTFE, Polymilchsäure oder Polyglactin mit Hilfe der Ionenimplantationstechnik und Veränderung der Zellhaftfähigkeit durchgeführt und deren Nutzwert untersucht. Die hier tätigen Erfinder zielten darauf ab, eine neuartige künstliche Dura mater durch Oberflächenmodifikation des polymeren Materials mit Hilfe der Ionenimplantationstechnik zu entwickeln, deren eine Seite keine Zellhaftfähigkeit und die andere Seite Zellhaftfähigkeit aufweist.
Wird ein polymeres Material mit einem Ionenstrahl bestrahlt, so verliert ein ankommendes Ion gelegentlich Energie durch Stoß mit einem Matrixatom und wird schließlich abgebremst. Im Laufe dessen kommt es zu Bindungsspaltung oder zu neuer Bindung. Steht das Kernbremsvermögen im Vordergrund, so wird im Allgemeinen das Auftreten von Defekten wie z.B. von Radikalen oder Änderungen bei Konformation, Dichte und Morphologie beobachtet. Steht dagegen das Elektronen-Bremsvermögen im Vordergrund, so kommt es zur Anregung von Elektronen, und man nimmt an, dass Spaltung oder Vernetzung einer verzweigten Kette erfolgt. Die Bindungen zwischen Atomen polymerer Materialien haben in etwa eine Bindungsenergie von mehreren eV, und die Energiemenge pro Längeneinheit, die durch Ionen-Bestrahlung auf die Matrix anzuwenden ist, beträgt mehrere 10 eV/Å. Das heißt, es wird ein Energiefluss angewandt, der dem Zehnfachen oder mehr der Bindungsenergie entspricht. Man beobachtet eine Veränderung der physikalischen Eigenschaften der polymeren Materialien durch die Bestrahlung mit diesem Energiefluss. Diese Phänomene variieren je nach Art des Ionenstrahls, Beschleunigungsenergie, Bestrahlungsmenge und Art der Matrix. Werden polymere Materialien mit einem Ionenstrahl bestrahlt, so sollte man den Strahlstrom nicht übermäßig ansteigen lassen, da die polymeren Materialien geringe Wärmeverträglichkeit aufweisen. Da die polymeren Materialien elektrische Isolatoren sind, ist auch darauf zu achten, dass die exakte angewandte Menge nicht durch Strommessung gemessen werden kann.
Die hier tätigen Erfinder haben bis dahin Oberflächenmodifikationen durch Bestrahlen von ePTFE-, Polymilchsäure- und Polyglactin-Materialien mit Ionen-Spezies wie z.B. Helium (He) und Neon (Ne) durchgeführt und grundlegende Experimente bezüglich der Zellhaftfähigkeit unter Verwendung eines Zellkultursystems wiederholt. Dadurch wurde geklärt, dass Zellhaftfähigkeit durch Bestrahlung von ePTFE, dessen Anwendung am Menschen zugelassen ist, mit einem Ne-Ionenstrahl mit einer Beschleunigungsenergie von 150 keV und einem Ionenstrahlstrom von 0,5 μA/cm² oder weniger erreicht werden kann. Auch wurde festgestellt, dass die Zellhaftfähigkeit je nach Ausmaß der Ionen-Bestrahlung variiert, und dass mit einer übermäßig großen oder kleinen Strahlungsmenge keine ausreichende Haftfähigkeit erzielt werden kann. Bei bisherigen Experimenten wurde Zellhaftfähigkeit auf der mit Ne-Ionen bestrahlten ePTFE-Oberfläche bei einer Dosis von 1·10¹⁴ Ionen/cm² beobachtet, und die Haftfähigkeit war am höchsten bei einer Dosis um 1·10¹⁵ Ionen/cm², während die Zellhaftfähigkeit bei einer Dosis von 1·10¹⁷ Ionen/cm² geringer war. Bislang wurde angenommen, dass amorphe Carbonisierung durch Ionen-Bestrahlung die Haftfähigkeit verbessert. Allerdings wurde Haftfähigkeit selbst bei einer Dosis von 1·10¹⁴ Ionen/cm² beobachtet. Auf der Grundlage einer theoretischen Berechnung ist die bei dieser Dosis zugesetzte Menge unbedeutend, und die Schädigung durch Bestrahlung ist von einem Ausmaß, das mit Hilfe von Analysen wie etwa Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie oder Raman-Spektroskopie nicht nachgewiesen werden kann. Zellen nehmen eine solch feine Veränderung wahr und haften. Ungeklärt bleibt die Art, wie Zellen diese feine Veränderung wahrnehmen, sowie der Haftmechanismus, und Untersuchungen dazu werden mit Hilfe verschiedener analytischer Instrumente durchgeführt.
ePTFE-, Polymilchsäure- und Polyglactin-Materialien, auf die ein Ionenstrahl angewandt wurde, zeigen eine Verbesserung bei der Zellhaftfähigkeit wie auch bei der Haftfestigkeit. Zellen lassen Substanzen, ähnlich den Armen eines Tintenfischs, die als "Desmosomen" bezeichnet werden, auf die Oberfläche des künstlichen Materials gelangen und immobilisieren sich auf diese Weise. Es lässt sich vorhersagen, dass sich die Haftfestigkeit auf der mit einem Ionenstrahl bestrahlten Oberfläche durch Erhöhen der Desmosomen wahrscheinlich verbessert. Es wurde bestätigt, dass mit einem Ionenstrahl bestrahlte polymere Materialien eine glatte Oberfläche aufweisen, wenn diese Region mit einem Rasterkraftmikroskop beobachtet wird, und es ist nicht an dem, dass die Oberfläche aufgrund der Ionen-Bestrahlung aufgeraut und die Haftfläche mit Zellen vergrößert wird, wie ursprünglich vorhergesagt. In einem grundlegenden Experiment mit Zellkulturen wurde bestätigt, dass die Desmosomen durch die Auswahl der Bedingungen der Oberflächenmodifikation zunehmen.
Durch Bestimmen einer optimalen Dosis des Ionenstrahls auf das auf Organismen anwendbare ePTFE auf der Grundlage von Daten, die aus bisherigen grundlegenden Experimente gewonnen wurden, kann eine klinische Anwendung vermutlich möglich gemacht werden. In einem frühen Stadium spielte ePTFE, dessen Oberfläche mit der optimalen Dosis behandelt wurde, lediglich eine Rolle als künstliche Dura mater zum Auffüllen eines geschädigten Bereichs auf der Dura mater bei der kranialen Neurochirurgie. In Anbetracht der Tatsache, dass die menschliche getrocknete Dura mater als Prothese zur Schädelbasis-Bildung bei der Schädelbasis-Chirurgie, als Prothese bei der Chirurgie von Wirbelsäulenerkrankungen und auch als Prothese bei anderen chirurgischen Eingriffen an Abdominal- oder Thoraxorganen oder am Muskel-Skelett verwendet wurde, zogen die hier tätigen Erfinder in Betracht, dass ein weiterer Anwendungsbereich möglich wäre. Falls Gewebeadhäsion auf einer Seite nicht erwünscht ist, während Gewebeadhäsion auf der anderen Seite erwünscht ist, so kann dieses mit Ne-Ionenstrahlen bestrahlte ePTFE an irgendeiner beliebigen Stelle weitläufig eingesetzt werden.
Allerdings wurden die vorstehend erwähnten Daten zur Zellhaftfähigkeit von ePTFE lediglich in vitro gewonnen, d.h., in einem Zellkultursystem. Somit ist der Grad der von dem mit Ne-Ionenstrahl bestrahlten ePTFE gezeigten in vivo-Zellhaftfähigkeit nicht geklärt. Es ist daher nicht klar, ob die in einem Zellkultur system erhaltene optimale Ionenstrahldosis von 1·10¹⁵ Ionen/cm² die optimale Dosis in vivo ist oder nicht. Es gibt bislang keine Berichte zur Art der durch die Zellhaftfähigkeit hervorgerufenen morphologischen, histochemischen Bedingungen, die in vivo auftreten, und insbesondere zur Dynamik von Desmosomen. Da in vivo ein selbststeuerndes System, d.h., ein Gewebe reparierender Mechanismus aktiv ist, kann man sich unschwer vorstellen, dass eine Situation eintritt, die aus einer einfachen Reaktion wie z.B. im Zellkultursystem nicht zu erklären ist. Es gibt auch viele unbekannte Probleme, darunter die klinische Bedeutung einer Verstärkung der Zellhaftfähigkeit, die tatsächlich in vivo auftritt, das Problem der biologischen Verträglichkeit, die Operabilität, durch die eine chirurgische Operation erst möglich wird, und das Auftreten einer Reaktion gegen Fremdkörper.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, aufzuklären, in welcher Art und Weise ePTFE an Zellen haftet, und dies zusammen mit den morphologischen und histochemischen Veränderungen über diesen Zeitraum, indem man ePTFE, das unter bestimmter Bedingungen mit einem Ionenstrahl bestrahlt wurde, fest an Knochen und Muskeln anhaften lässt, und auch zu untersuchen, ob diese Zellhaftfähigkeit bei der klinischen Anwendung Bestand hat oder nicht.
Die hier tätigen Erfinder führten eingehende Untersuchungen zur Lösung der vorstehenden Aufgabe durch und fanden im Ergebnis, dass ein mit Ne-Ionenstrahlen bestrahltes ePTFE sogar in vivo Zellhaftfähigkeit aufwies, womit die vorliegende Erfindung zu Ende gebracht wurde.
So wird gemäß vorliegender Erfindung ein Material mit Haftfähigkeit an Knochen und/oder Faszie bereitgestellt, das aus einem polymeren Material aus der Gruppe ePTFE, Polymilchsäure und Polyglactin zusammengesetzt ist, das Kohlenstoff als Bestandteil umfasst, wobei wenigstens ein Teil einer Oberfläche desselben durch Ionenbeschuss modifiziert ist.
Die polymeren Materialien, die Kohlenstoff als Bestandteil umfassen, sind expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE), Polymilchsäure oder Polyglactin, und an den vorstehend erwähnten Materialien wird eine Modifizierung durch Ionenbeschuss mittels Ionenimplantation in einem Bereich der Dosis Φ von 1·10¹³ ≤ Φ < 1·10¹⁶ Ionen/cm² durchgeführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Material für eine künstliche Dura mater bereitgestellt, das aus dem wie vorstehend erwähnten Material mit Haftfähigkeit an Knochen und/oder Faszie zusammengesetzt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Materials mit Haftfähigkeit an Knochen und/oder Faszie bereitgestellt, wobei die Ionenimplantation in einem Bereich der Dosis Φ von 1·10¹³ ≤ Φ < 1·10¹⁶ Ionen/cm² auf wenigstens einem Teil einer Oberfläche eines polymeren Materials aus der Gruppe ePTFE, Polymilchsäure und Polyglactin durchgeführt wird, das Kohlenstoff als Bestandteil umfasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt die morphologischen Veränderungen an ePTFE auf Faszie:
1-1 zeigt Veränderungen an Muskel in der zweiten Woche bei einer Dosis von 1·10¹⁴ Ionen/cm²; Haftfähigkeit wird beobachtet zwischen einer geringen Anzahl von Histiozyten und Fibroblasten auf der bestrahlten Oberfläche, während auf der gesamten unbestrahlten Oberfläche keine Zellhaftfähigkeit beobachtet wird.
1-2 zeigt Veränderungen an Muskel in der vierten Woche bei einer Dosis von 1·10¹⁴ Ionen/cm²; starke Adhäsion von Fibroblasten und Desmosomen wird auf der bestrahlten Oberfläche beobachtet, während auf der gesamten unbestrahlten Oberfläche keine Zellhaftfähigkeit beobachtet wird.
1-3 zeigt Veränderungen an Muskel in der zweiten Woche auf einer unbestrahlten Oberfläche; eine Ansammlung von Histiozyten wird an der Oberfläche beobachtet, die mit ePTFE in Kontakt steht, d.h., an der äußersten Schicht des Fasergewebes.
1-4 zeigt die Veränderungen an Muskel in der vierten Woche auf der unbestrahlten Oberfläche. Es bildet sich ein fester Überzug aus Fasergewebe, so dass das ePTFE bedeckt wird. Die Histiozyten bleiben in dem Teil noch immer in Kontakt mit ePTFE.
2 zeigt die morphologischen Veränderungen an ePTFE auf Faszie und Knochen.
2-1 zeigt Veränderungen an Muskel in der zweiten Woche bei einer Dosis von 5·10¹⁴ Ionen/cm²; zu beobachten sind starke Adhäsion zwischen Histiozyten und Fasergewebe an der Oberfläche von ePTFE, eine geringe Zahl von Desmosomen und das Eindringen einer flüssigen Komponente.
2-2 zeigt Veränderungen an Muskel in der vierten Woche bei einer Dosis von 5·10¹⁴ Ionen/cm²; zu beobachten ist starke Adhäsion an ePTFE, und auch die Anzahl der Desmosomen ist erhöht.
2-3 zeigt Veränderungen an Knochen in der zweiten Woche bei einer Dosis von 1·10¹⁴ Ionen/cm²; ePTFE ist in Kontakt mit Knochen, doch sind Fibroblasten dazwischen vorhanden.
2-4 zeigt Veränderungen an Knochen in der zweiten Woche bei einer Dosis von 5·10¹⁴ Ionen/cm²; starke Faseradhäsion, Desmosomen sind auf ePTFE vorhanden. Signifikant ist auch das Eindringen einer flüssigen Komponente.
3 zeigt die morphologischen Veränderungen an ePTFE auf Faszie und Knochen:
3-1 zeigt Veränderungen an Muskel in der vierten Woche bei einer Dosis von 1·10¹⁵ Ionen/cm²; zu beobachten ist signifikantes Ausmaß beim Eindringen einer flüssigen Komponente und starke Zelladhäsion. Auch die Expression von Phagozyten ist zu beobachten.
3-2 zeigt Veränderungen an Muskel in der vierten Woche bei einer Dosis von 1·10¹⁵ Ionen/cm²; Eindringen einer flüssigen Komponente liegt im Wesentlichen nicht vor. Histiozyten werden an der Oberfläche des Muskelgewebes exprimiert, und es kommt zu starker Zelladhäsion.
3-3 zeigt Veränderungen an Knochen in der zweiten Woche bei einer Dosis von 1·10¹⁵ Ionen/cm²; verschiedene Zellkomponenten haften an ePTFE. Es sind viele Desmosomen zu beobachten, und auch das Eindringen einer flüssigen Komponente ist signifikant.
3-4 zeigt Veränderungen an Knochen in der vierten Woche bei einer Dosis von 1·10¹⁴ Ionen/cm². Es sind lange Desmosomen an ePTFE zu beobachten, während das Eindringen flüssiger Komponente unbedeutend ist.
4 zeigt die morphologischen Veränderungen an ePTFE auf Knochen:
4-1 zeigt Veränderungen an Knochen in der vierten Woche bei einer Dosis von 5·10¹⁴ Ionen/cm²; flüssige Komponente dringt auf erhebliche Tiefe ein. Daneben sind lange Arme von Desmosomen zu beobachten.
4-2 zeigt Veränderungen an Knochen in der vierten Woche bei einer Dosis von 1·10¹⁵ Ionen/cm²; tiefe, breite, akkumulierte Desmosomen. Das Eindringen flüssiger Komponente ist signifikant.
4-3 zeigt Veränderungen an Knochen in der zweiten Woche bei einer Dosis von 1·10¹⁵ Ionen/cm²; das Knochengewebe ist in Kontakt mit ePTFE, und dazwischen ist eine geringe Anzahl von Histiozyten und Fibroblasten vorhanden.
4-4 zeigt Veränderungen an Knochen in der vierten Woche bei einer Dosis von 1·10¹⁶ Ionen/cm². Es liegen im Wesentlichen keine Histiozyten oder Fibroblasten vor, und das Knochengewebe ist in direktem Kontakt mit ePTFE. Flüssige Komponente dringt nicht wesentlich ein, und die Existenz von Desmosomen ist unklar.
Ausführungsbeispiel zur Durchführung der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung der vorliegenden Erfindung soll nachstehend ausführlich beschrieben werden.
Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten polymeren Materialien sind expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE), Polymilchsäure und Polyglactin. Besonders bevorzugt ist expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE).
Wenigstens ein Teil der Oberfläche des erfindungsgemäßen polymeren Materials mit Haftfähigkeit an Knochen und/oder Muskeln ist durch Ionenbeschuss modifiziert. Zu den Beispielen für die zu implantierenden ionischen Spezies gehören He⁺, C⁺, N⁺, Ne⁺, Na⁺, N₂ ⁺, O₂ ⁺, Ar⁺ und Kr⁺, doch sind die ionischen Spezies nicht speziell darauf beschränkt, sofern diese ionischen Spezies nicht das Zellwachstum durch Auswaschen hemmen.
Die Dosis Φ liegt vorzugsweise im Bereich von 1·10¹³ ≤ Φ < 1·10¹⁶ Ionen/cm². Ist die Dosis niedriger als 10¹³ Ionen/cm², so verringert sich der signifikante Verbesserungseffekt bei der Zellhaftfähigkeit. Ist die Dosis höher als 10¹⁶ Ionen/cm², so kommt es leicht dazu, dass die polymeren Materialien beschädigt werden. Somit ist keine von beiden bevorzugt. Besonders bevorzugt liegt die Dosis Φ im Bereich von 1·10¹³ ≤ Φ < 1·10¹⁵ Ionen/cm².
Was die Ionenbeschleunigungsenergie anbelangt, so können Anstieg und Abfall die Ursache für die Unterschiede beim Energieübertragungsmechanismus sein. In der Praxis kann das Energieniveau auf einen Bereich von etwa mehreren 10 bis mehreren 100 keV, vorzugsweise etwa 50 bis 150 keV eingestellt werden.
Die Strahlstromdichte wird vorzugsweise auf einen Bereich eingestellt, der etwa 0,5 μA/cm² nicht übersteigt. Dies deswegen, weil zu befürchten ist, dass durch eine übermäßige Strahlstromdichte die Temperatur des polymeren Zielmaterials übermäßig ansteigt, so dass sich das polymere Material selbst verschlechtert und die Zellhaftfähigkeit geringer wird.
Gemäß vorliegender Erfindung zählt zu den Maßnahmen für den Ionenbeschuss die Ionenimplantation. Bei der Ionenimplantation ist die Reaktion selbst auf eine Wechselwirkung zwischen dem Ionenstrahl und dem Material zur Implantation (Zielmaterial) beschränkt. Zudem können die Ionen durch Auswählen der Ionenimplantationsenergie mit der gewünschten Tiefe von der Oberfläche implantiert werden, und die Steuerbarkeit ist ausgezeichnet. Dies ist ein Merkmal, das bei der Plasma-Behandlung nicht vorhanden ist. Bei den implantierten Ionen bestehen mechanische Unterschiede, insbesondere betrifft das Elektronen-Bremsvermögen Ionen mit relativ niedriger Masse im Anfangsstadium der Diffusion, während das Kernbremsvermögen Ionen betrifft, die von Anfang an eine relativ hohe Masse aufweisen. Durch die implantierten Ionen kann es jedoch zu einer Erwärmung der polymeren Materialien durch Gitterschwingungen kommen (ein Zustand eines thermischen Ungleichgewichts), was zum Aufschmelzen, Übergang in einen amorphen Zustand und dergleichen führt.
Die vorliegende Erfindung soll anhand der folgenden Beispiele ausführlicher beschrieben werden, auch wenn die vorliegende Erfindung nicht durch diese Beispiele eingeschränkt ist.
Beispiele
(A) Zusammenfassung des Experiments
(1) Korrelation zwischen Organismus-Haftfähigkeit und Ionendosis von ePTFE, dessen Oberfläche durch Ne-Ionenbestrahlung modifiziert ist
Die Ergebnisse bisheriger Experimente unter Verwendung eines Zellkultursystems zeigten, dass Zellhaftfähigkeit bei einer Dosis von 1·10¹⁴ Ionen/cm² erreicht wurde, die maximale Zellhaftfähigkeit bei einer Dosis von 1·10¹⁵ Ionen/cm² erreicht wurde, und die Zellhaftfähigkeit bei einer Dosis von 1·10¹⁶ Ionen/cm² in signifikantem Ausmaß verloren ging. Bei den in vivo-Implantationsexperimenten wurde ePTFE mit einer Dosis von 1·10¹⁴ Ionen/cm², ePTFE mit einer Dosis von 5·10¹⁴ Ionen/cm² und ePTFE mit einer Dosis von 1·10¹⁵ Ionen/cm² verwendet, um die dosisabhängige Änderung der Zellhaftfähigkeit zu beobachten und zu untersuchen.
(2) Zeitliche Änderung der Organismus Adhäsion von ePTFE, dessen Oberfläche durch Ne-Ionenbestrahlung modifiziert ist
Zellen verhalten sich in vivo stets dynamisch, und es ist ein Steuersystem des Organismus in Tätigkeit, das als Mechanismus der Wundheilung bezeichnet wird. Selbst an der Oberfläche des mit dem Ionenstrahl bestrahlten oberflächenmodifizierten, in den Organismus implantierten ePTFE würde mit der Zeit daher Zelladhäsion stattfinden. Eine Beobachtung über einen ultrakurzen bis sehr langen Zeitraum ist ideal, aber schwierig. So konzentrierte sich die Beobachtung und Untersuchung einer Probe auf die zweite Woche, in der die Pri märadhäsion einer Wunde in etwa vollständig ist, und auf die vierte Woche, in der der Gewebereparaturmechanismus mutmaßlich verstärkt ist. Da zudem dosisabhängige Änderungen auftreten, erfolgte auch in diesem Fall eine zeitliche Beobachtung von ePTFE mit einer Dosis von 1·10¹⁴ Ionen/cm², ePTFE mit einer Dosis von 5·10¹⁴ Ionen/cm² bzw. ePTFE mit einer Dosis von 1·10¹⁵ Ionen/cm².
(3) Korrelation der Haftfähigkeit zwischen ePTFE, dessen Oberfläche durch Ne-Ionenbestrahlung modifiziert ist, und verschiedenen Geweben in Organismen
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung einer künstlichen Dura mater, die beim Auffüllen eines Defekts in der Dura mater keine Zellhaftfähigkeit an der mit dem Gehirn in Kontakt stehenden Oberfläche, jedoch Zellhaftfähigkeit an der mit dem Schädelknochen in Kontakt stehenden Oberfläche aufweist. Bei der früheren Verwendung menschlicher getrockneter Dura mater wurde diese menschliche getrocknete Dura mater neben dem Auffüllen einer Dura mater allerdings auch in der Orthopädie, im urologischen Bereich, in der Chirurgie und dergleichen eingesetzt. So wurde zur Bestätigung der Haftfähigkeit bei anderen Organen, was im gleichen experimentellen System durchführbar ist, auch ein Experiment zur Haftfähigkeit an Kaninchen-Muskeln durchgeführt.
(B) Experimentelles Verfahren
(1) Probe
Es wurden drei Arten Material für die Verwendung bereitgestellt durch Bestrahlen von 20 mm quadratischem ePTFE mit einer Dicke von 0,3 mm mit Ne-Ionen mit einer Beschleunigungsenergie von 150 keV mit einer Dosis von 1·10¹⁴ Ionen/cm², 5·10¹⁴ Ionen/cm² bzw. 1·10¹⁵ Ionen/cm² bei einem Ionenstrahlstrom von 0,5 μA/cm² oder weniger unter Verwendung eines 200 kV-Ionenimplantationsgeräts (The Institute of Physical and Chemical Research).
Diese drei Dosisarten wurden ausgewählt auf der Grundlage der Ergebnisse des Basisexperiments mit einem Zellkultursystem, bei dem sich Zellhaftfähigkeit bei einer Ionendosis von 1·10¹⁴ Ionen/cm² entwickelte, die Zellhaftfähigkeit bei 1·10¹⁵ Ionen/cm² maximal wurde, und der größte Teil der Adhäsionswirkung bei 1·10¹⁶ Ionen/cm² verloren ging. Beim eigentlichen Experiment wurden die zu bestrahlenden Materialien je nach der Größe des eingebetteten Teils so auf eine Größe geschnitten, dass Einflüsse auf das Material durch Kräfte aus der Umgebung unwahrscheinlich waren.
(2) Tierversuch
10 männliche japanische weiße Kaninchen mit einem Gewicht von 2,5 bis 3,0 kg wurden bei diesem Experiment verwendet. Unter Allgemeinanästhesie mit Isofluran wurden 2% Xylocain lokal injiziert, und die Kopfhaut wurde an der Kranznaht eingeschnitten, um den Schädelknochen freizulegen. Das Periosteum an der Oberfläche des Schädelknochens wurde vollständig entfernt, und eine Probe wurde auf die Knochenseite aufgelegt, wobei die bestrahlte Oberfläche der Knochenseite gegenüberlag. Da es kein Muskelgewebe auf dem Knochen gibt, ist die Möglichkeit des Verschiebens der Probe sehr gering, und so wurde keine Immobilisierung speziell durchgeführt. Der Grund für das Entfernen des Periosteums ist, dass die bei der üblichen Operation eingesetzte künstliche Dura mater in direktem Kontakt mit Knochen steht, die kein Periosteum aufweisen, da die Dura mater einen Teil des Periosteums im Schädelknochen ausmacht.
Anschließend wurden 2% Xylocain neben die Rückenmittellinie aufgebracht, die Haut wurde unter lokaler Anästhesie vertikal eingeschnitten, und das subkutane Gewebe wurde glatt abgetragen, um die Rückenmuskelgruppe freizulegen. Faszie an der Rückenmuskelgruppe wurde vorsichtig abgetragen, um die Muskeln nicht zu schädigen, eine Probe wurde so aufgebracht, dass die bestrahlte Oberfläche auf der muskulären Hülle auflag, und es wurden vier Ecken leicht angenäht und auf der Faszie immobilisiert. Dies deswegen, weil es in den Bereichen, in denen Muskeln vorhanden sind, sehr wahrscheinlich ist, dass sich die Probe entsprechend der Bewegung der Muskeln bewegt.
(3) Beobachtung
Zwei Wochen bzw. vier Wochen nachdem die Probe eingebettet und implantiert worden war, wurden die Kaninchen mit Nembutal getötet, und das periphere Gewebe wurde jeweils in Form einer Masse extrahiert und mit 10% Puffer-Formalin immobilisiert. Das periphere Gewebe wurde extrahiert, um eine Trennung des ePTFE vom Gewebe vermeiden, da das Gewebe nicht an der Oberfläche des ePTFE haftet, die nicht mit dem Ionenstrahl behandelt wurde. Die auf den Muskel aufgebrachte Probe wurde in Paraffin eingebettet, während die auf den Schädelknochen aufgebrachte Probe nach Decalcifikation des Schädelknochens in Paraffin eingebettet wurde. Die Proben wurden mit Hämatoxylin-Eosin und Masson-Trichrome angefärbt und unter einem Mikroskop beobachtet.
(C) Ergebnis
(1) Morphologische Veränderungen an dem auf Faszie aufgebrachten ePTFE
Wie bereits berichtet, wurde in der zweiten und vierten Woche überhaupt keine Zelladhäsion auf der unbehandelten ePTFE-Oberfläche beobachtet (1-1 und 1-2 von 1). Dies bedeutet jedoch nicht, dass es überhaupt keine Reaktion in peripheren Geweben gibt. Es scheint, dass in der zweiten Woche ein Fasergewebe mit glatter Oberfläche das ePTFE bedeckt, so dass am ePTFE ein schmaler Spalt eingeschoben wird, es wurde jedoch eine Ansammlung von Histiozyten an der mit dem ePTFE in Kontakt stehenden Oberfläche des Fasergewebes beobachtet (1-3 von 1). Mit dem vorliegenden Experiment kann nicht geklärt werden, ob sich diese Ansammlung als Reaktivität gegen ePTFE oder als einfache Reaktion eines geschädigten Gewebestumpfs entwickelte. In der vierten Woche hatte eine faserige Komponente an einer Stelle mit Histiozyten-Ansammlung zugenommen, die Fibroblasten an der Histiozyten-Ansammlung zugenommen, die Fibroblasten an der Peripherie hatten sich verdickt, und es hatte sich ein fester Überzug gebildet (1-4 von 1).
Dagegen wurde zwei Wochen nach der Implantation auf der mit Ne-Ionenstrahlen behandelten ePTFE-Oberfläche Adhäsion von Zellen, die vermutlich Fibroblasten waren, an der Oberfläche des Überzugs beobachtet, und es wurde zelluläre Infiltration von Histiozyten, Lymphozyten oder dergleichen im Innern des faserigen Überzugs beobachtet, der sich an der Peripherie gebildet hatte (2-1 von 2).
Das Eindringen einer flüssigen Komponente in ePTFE wurde auf der Seite der behandelten Oberfläche beobachtet. Ein solches Eindringen einer flüssigen Komponente war an der unbehandelten Oberfläche nicht zu beobachten. Aufgrund ihrer Anfärbbarkeit enthält die eingedrungene flüssige Komponente vermutlich Proteine, wenn auch die Art der eingedrungenen Komponenten unklar ist und untersucht werden sollte. Desmosomen, die in direktem Zusammenhang mit der Haftfestigkeit von ePTFE an der anhaftenden Oberfläche stehen, wurden ebenfalls beobachtet und zeigten eine Tendenz dahingehend, dass die Desmosomen gegenüber der zweiten Woche in der vierten Woche zugenommen hatten (2-2 von 2).
Die Zugangsmöglichkeit für Fibroblasten zu einer mit Ionenstrahl behandelten ePTFE-Oberfläche war bei 1·10¹⁴ Ionen/cm² sehr gering, das Eindringen flüssiger Komponente war gering, und auch die Expression von Desmosomen war gering. Mit Zunahme der Dosis von 5·10¹⁴ Ionen/cm² auf 1·10¹⁵ Ionen/cm² nahm das Eindringen der flüssigen Komponente zu, und die Desmosomen zeigten zunehmende Tendenz (3-1 von 3). Auch wenn das Eindringen der flüssigen Komponente in einigen Bereichen nicht zu beobachten war, gab es jedoch einen Bereich, in dem Desmosomen beobachtet wurden. Somit war das Eindrin gen der flüssigen Komponente und die Expression von Desmosomen nicht immer in paralleler Korrelation (3-2 von 3).
Ein ähnlicher Befund wurde mit einer in der vierten Woche extrahierten Probe erhalten. Ein mit einer Dosis von 1·10¹⁴ Ionen/cm² bestrahltes ePTFE zeigte eine Haftfähigkeit, die der der zweiten Woche äquivalent war, und die reaktive faserige Komponente an der Peripherie hatte sich verdickt. Auf ePTFE-Oberflächen, die mit 5·10¹⁴ Ionen/cm² und 1·10¹⁵ Ionen/cm² bestrahlt worden waren, hatte die Zelladhäsion gegenüber der der zweiten Woche zugenommen, und auch die Desmosomen zeigten zunehmende Tendenz. Was die Länge der Desmosomen anbelangt, so gab es einen Anteil mit mehr als 4000 Å, was der Versetzung des Ne-Ionenstrahls in ePTFE bei 150 keV entsprach.
(2) Morphologische Veränderungen an dem auf Schädelknochen aufgebrachten ePTFE
Es gab keinen Unterschied bei der Reaktion der unbehandelten ePTFE-Oberfläche zu dem Fall, wo ePTFE auf die Faszie aufgebracht wurde. Bei der in der zweiten Woche extrahierten Probe wurde Zellhaftfähigkeit beobachtet bei 1·10¹⁴ Ionen/cm² auf der mit Ionenstrahl behandelten ePTFE-Oberfläche, die in Kontakt mit dem Knochen steht, Reaktion von Histiozyten und Eindringen einer flüssigen Komponente wurden beobachtet, und auch eine kleine Anzahl von Desmosomen wurde beobachtet (2-3 von 2). Im Vergleich zu dem Fall, wo ePTFE auf Faszie aufgebracht wurde, war die Zelladhäsion von beeindruckender Stärke, obwohl dies nicht objektiv belegt werden konnte. Mit Zunahme der Dosis von 5·10¹⁴ Ionen/cm² auf 1·10¹⁵ Ionen/cm² nahm der Kontakt der Fibroblasten zu, und die Reaktion der Histiozyten, das Eindringen von flüssiger Komponente und die Desmosomen zeigten zunehmende Tendenz (2-4 von 2, 3-3 von 3).
Bei der in der vierten Woche extrahierten Probe zeigte zwar die mit 1·10¹⁴ Ionen/cm² bestrahlte Gruppe eine Tendenz zu zunehmender Dicke der in Kontakt stehenden Fibroblasten, doch gab es beim Eindringen der flüssigen Komponente keine signifikante Zunahme (3-4 von 3). Bei den mit 5·10¹⁴ Ionen/cm² bzw. 1·10¹⁵ Ionen/cm² bestrahlten Gruppen nahm der Kontakt von Fibroblasten an der ePTFE-Oberfläche zu, und die ePTFE-Desmosomen nahmen mit der Muskeloberfläche zu, und es wurde eine Ansammlung von Desmosomen auf einem Teil beobachtet (4-1 und 4-2 von 4). Auch das Eindringen von flüssiger Komponente wurde als erhöht erachtet. Sowohl in der zweiten als auch in der vierten Woche war die Expression von Histiozyten und Fibroblasten gering, und es war ein Bild zu beobachten, auf dem ein Osteoblasten-ähnliches Gewebe in direktem Kontakt mit ePTFE war (4-3 und 4-4 von 4). Allerdings war nicht zu beobachten, dass diese Zelle Desmosomen in ePTFE exprimierte, und es konnte nicht belegt werden, ob dies nur ein einfacher Kontakt war oder nicht.
Es wurde die Möglichkeit in Betracht gezogen, dass Fibroblasten, die in Kontakt mit einer ionenbestrahlten Oberfläche stehen, Desmosomen produzieren und in ePTFE eindringen, wobei die Entfernung die Versetzung des Ionenstrahls übersteigt. Dies deutet darauf hin, dass, selbst wenn ePTFE keine Zellhaftfähigkeit aufweist, doch die Möglichkeit besteht, dass Fibroblasten und dergleichen in ePTFE eindringen, sobald das ePTFE dazu in die Lage versetzt wird. Dies deutet auch auf die Möglichkeit hin, dass starke Haftfähigkeit zwischen ePTFE und Zellen erreicht werden kann, die an der Peripherie vordringen.
(D) Schlussfolgerung und Diskussion
Mit der Reihe der vorliegenden Experimente wurde folgendes geklärt:
(1) Mit Ne-Ionenstrahl bestrahltes ePTFE hat Zellhaftfähigkeit in vivo
Experimente unter Verwendung eines Zellkultursystems zeigten, dass ein mit einem Ne-Ionenstrahl bestrahltes ePTFE Zellhaftfähigkeit aufweist. Da in vivo tatsächlich ein komplizierterer Mechanismus der Wundheilung existiert, war es nicht klar, wie ein Organismus auf ein mit Ne-Ionenstrahl bestrahltes ePTFE reagieren würde. Die vorliegenden Experimente zeigen, dass Histiozyten und zum Teil auch Fibroblasten in der zweiten Woche an der behandelten Oberfläche in vielen Fällen haften – ungeachtet der Menge des eingestrahlten Ionenstrahls. In wenigen Fällen wurde beobachtet, dass es bei Knochen und Muskeln direkten Kontakt mit Knochen und Muskel ohne dazwischen liegende Histiozyten oder Fibroblasten gab. Es gibt daher zwei mögliche Fälle der Adhäsion zwischen einem Gewebe und einem mit Ne-Ionenstrahl bestrahlten ePTFE, d.h., den Fall, in dem ein Zelladhäsionsfaktor, hauptsächlich bestehend aus Histiozyten, eine wichtige Rolle spielt, und den Fall, in dem ein peripheres Gewebe direkt haftet.
(2) Die in vivo-Zellhaftfähigkeit des mit Ne-Ionenstrahl bestrahlten ePTFE ist abhängig von der Quantität des eingestrahlten Ionenstrahls
Es wird berichtet, dass eine klare Korrelation zwischen der Zellhaftfähigkeit des mit Ne-Ionenstrahl bestrahlten ePTFE und der Quantität des in das Zellkultursystem eingestrahlten Ionenstrahls besteht. Es war jedoch nicht klar, ob diese Bedingung auch in vivo gilt oder nicht. Eine Reihe der vorliegenden Experimente zeigte, dass – wie beim Zellkultursystem – das mit Ionenstrahl bestrahlte ePTFE Zellhaftfähigkeit in vivo aufwies und über Desmosomen stark haftete. Es wurde jedoch angenommen, dass es in vivo das Auftreten von Zellen wie etwa Histiozyten oder Phagozyten ist, die in einem Zellkultursystem nicht beobachtet werden, aus dem sich die starke Korrelation mit der Haftfähigkeit ergibt. Wie beim Zellkultursystem gab es je nach Auftreten von Desmosomen eine deutliche Erhöhung der Zellhaftfähigkeit des mit Ne-Ionenstrahl bestrahlten ePTFE mit einer Zunahme der Dosis von 1·10¹⁴, 5·10¹⁴ auf 1·10¹⁵ Ionen/cm².
(3) Desmosomen spielen eine Schlüsselrolle bei der Zelladhäsion an mit Ne-Ionenstrahl bestrahltem ePTFE.
Die Beobachtung einer haftenden Oberfläche zwischen dem mit Ne-Ionenstrahl bestrahlten ePTFE und peripherem Gewebe im vorliegenden Experiment zeigte vier Arten von Adhäsionsbedingungen: a) Histiozyten hafteten an der Oberfläche; b) Fibroblasten hafteten; c) an der Peripherie vorhandene Knochen und Muskeln hafteten; und d) Desmosomen erschienen aus Histiozyten und Fibroblasten und hafteten an ePTFE so als ob Arme in das ePTFE eindrängen. Obwohl die Schälfestigkeit nicht unter jeden Bedingungen gemessen wurde, kann starke Haftfähigkeit nicht aus der bloßen Existenz von Histiozyten oder Fibroblasten am ePTFE erwartet werden. Dies deswegen, weil ein ähnlicher Befund selbst auf der Oberfläche erhalten werden kann, die nicht mit dem Ionenstrahl behandelt wurde. Da Haftfähigkeit an ePTFE auf der unbestrahlten Oberfläche nicht beobachtet wird, und falls die Histiozyten und Fibroblasten auf dem mit Ne-Ionenstrahl bestrahlten ePTFE lediglich zu ruhen scheinen, sind sehr wahrscheinlich kleine Desmosomen vorhanden.
(4) Flüssige Komponente dringt in das mit Ne-Ionenstrahl bestrahlte ePTFE ein.
Auf der Grundlage des vorliegenden Experiments wurde anhand der Art der Färbung gefunden, dass eine flüssige Komponente, die vermutlich Proteine enthielt, in das mit Ne-Ionenstrahl bestrahlte ePTFE eingedrungen war. Es gab Stellen, wo die flüssige Komponente über einen weiten Bereich von der Oberfläche aus eingedrungen war, und Stellen, wo kleine Einwüchse vorhanden waren und die flüssige Komponente mit großer Spanne von der Oberfläche her in das Innere eingedrungen war.
(5) Die Reaktion auf die mit Ne-Ionenstrahl bestrahlte, anhaftende ePTFE-Oberfläche korreliert nicht immer mit der Quantität des eingestrahlten Ionenstrahls, dem Gewebe in Kontakt und der Reaktionszeit.
Insgesamt wird die Reaktion auf die anhaftende Oberfläche beim optimalen Bestrahlungsquantum verbessert, mit fortschreitender Zeit verstärkt und entwickelt je nach Gewebe in Kontakt eine unterschiedliche Reaktionsweise. Betrachtet man jedoch die Ergebnisse des Experiments genauer, so korrelieren die Bedingungen des Auftretens von Histiozyten an der haftenden Oberfläche, die Bedingungen des Auftretens von Fibroblasten und die Bedingungen des Auftretens von Desmosomen nicht immer mit der Quantität des eingestrahlten Ionenstrahls, dem Gewebe in Kontakt, der Reaktionszeit und dergleichen.
Das Ergebnis des vorliegenden in vivo-Implantationsexperiments an Kaninchen zeigte ausreichende Zellhaftfähigkeit, d.h., das mit Ne-Ionenstrahl bestrahlte ePTFE zeigte einen maximalen Effekt bei einer Dosis von 1·10¹⁵ Ionen/cm². Auch ergab sich im Wesentlichen äquivalente Haftfähigkeit an Knochen und Muskeln. Diese Ergebnisse zeigen, dass ein mit Ne-Ionenstrahl bestrahltes ePTFE in verschiedenen klinischen Gebieten anwendbar ist als künstliche Dura mater als Prothese für eine Dura mater sowie als Prothese für eine Organismus-Membran mit zweiseitigen Eigenschaften der Haftfähigkeit und fehlenden Haftfähigkeit.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung macht eine künstliche Dura mater mit Zellhaftfähigkeit und ein Verfahren zur Herstellung derselben verfügbar. Insbesondere verwirklicht die vorliegende Erfindung die Bildung einer künstlichen Dura mater mit einer Funktion, die der eines Organismus näherkommt, indem die mit der Schädelknochenseite in Kontakt stehende Oberfläche mit Zellhaftfähigkeit versehen wird. Neben der Anwendung für künstliche Dura mater ist die vorliegende Erfin dung anwendbar für Prothesen bei der Chirurgie von Wirbelsäulenerkrankungen und für Prothesen bei chirurgischen Eingriffen an Abdominal- oder Thoraxorganen oder am Muskel-Skelett.

Claims

Material mit Haftfähigkeit an Knochen und/oder Faszie, das aus einem polymeren Material zusammengesetzt ist, das Kohlenstoff als Bestandteil umfasst, und wenigstens ein Teil einer Oberfläche desselben durch Ionenbeschuss modifiziert ist, wobei das Kohlenstoff als Bestandteil umfassende polymere Material ausgewählt ist aus der Gruppe expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE), Polymilchsäure oder Polyglactin.
Material mit Haftfähigkeit an Knochen und/oder Faszie nach Anspruch 1, wobei die Modifizierung durch Ionenbeschuss mittels Ionenimplantation in einem Bereich der Dosis Φ von 1·10¹³ ≤ Φ < 1·10¹⁶ Ionen/cm² durchgeführt wird.
Material für eine künstliche Dura mater, das zusammengesetzt ist aus dem Material mit Haftfähigkeit an Knochen und/oder Faszie nach Anspruch 1.
Verfahren zur Herstellung eines Materials mit Haftfähigkeit an Knochen und/oder Faszie, wobei die Ionenimplantation in einem Bereich der Dosis Φ von 1·10¹³ ≤ Φ < 1·10¹⁶ Ionen/cm² auf wenigstens einem Teil einer Oberfläche eines polymeren Materials durchgeführt wird, das Kohlenstoff als Bestandteil umfasst, wobei das Kohlenstoff als Bestandteil umfassende polymere Material ausgewählt ist aus der Gruppe expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE), Polymilchsäure oder Polyglactin.