KR20190086489A - 피하 임플란트와 함께 이용하기에 적합한 경피 가스 확산 장치 - Google Patents

피하 임플란트와 함께 이용하기에 적합한 경피 가스 확산 장치 Download PDF

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KR20190086489A
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엔쏘니 에이 페란테
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기너 라이프 사이언시즈, 인크.
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Abstract

경피 가스 확산 장치. 일 실시예에서, 경피 가스 확산 장치는 코어 층, 외부 층, 및 중간 층을 포함한다. 코어 층은 원통형일 수 있고, 가스-투과성, 액체-불투과성의 재료를 포함할 수 있다. 외부 층은 코어 층의 둘레를 둘러쌀 수 있고, 조직-통합 재료를 포함할 수 있다. 중간 층은 코어 층의 둘레를 둘러쌀 수 있고, 외부 층에 의해서 둘레가 둘러싸일 수 있다. 중간 층은, 외부 층으로부터 코어 층 내로 조직이 침투하는 것을 방지하는 그리고 코어 층으로부터 외부 층 내로의 가스의 확산을 부가적으로 감소시키는 장벽을 포함할 수 있다. 경피 가스 확산 장치는, 이식된 셀 및/또는 조직을 유지하는 피하 용기, 피하 전기화학적 산소 발생기 농축기, 또는 물 전기분해기와 같은, 피하 임플란트 장치에 커플링될 수 있다.

Description

피하 임플란트와 함께 이용하기에 적합한 경피 가스 확산 장치
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은, 개시 내용이 본원에서 참조로 포함되는, 2016년 11월 15일자로 출원되고 발명자가 Anthony A. Ferrante 등인 미국 가특허출원 제62/422,397호의 35 U.S.C. 119(e)하의 이익을 주장한다.
본 발명은 일반적으로, 예를 들어, 약물, 치료 가스, 또는 셀-기반 치료제(therapeutic)를 환자에게 전달하기 위해서 이용될 수 있는 유형의 피하 임플란트에 관한 것이고, 보다 특히 환자의 외부로부터 하나 이상의 가스를 전달할 필요가 있는 및/또는 그러한 임플란트로부터 환자 외부로 하나 이상의 가스를 제거할 필요가 있는 전술한 유형의 피하 임플란트에 관한 것이다.
피하 임플란트는 여러 가지 질병, 장애 및/또는 질환의 처치를 위해서 유용한 기구이다. 일부 경우에, 그러한 임플란트는, 적절한 이식 가능 용기 또는 캡슐 내에 봉입된(encapsulated) 셀 및/또는 조직을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 그러한 임플란트는 이식된 셀 및/또는 조직에 전달하기 위한 산소 또는 다른 가스를 생성하는 장치를 포함할 수 있다. 셀 및/또는 조직이 이식된 용기 내에 봉입되는 경우에, 그러한 용기는 전형적으로, 동시적으로, 면역적 응답을 제한하면서, 셀 및/또는 조직이 희망 치료제를 생성할 수 있도록 그리고 생성된 치료제를 환자에게 보급하도록 설계된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 일부 경우에, 이식된 셀 또는 조직에 산소를 전달하기 위해서 또는 장치 또는 셀방식(cellular) 기능의 결과로서 생성된 폐가스의 방출을 위해서, 외부 공기에 대한 접근이 필요할 수 있다.
셀 또는 조직 이식의 필요성을 설명하는 예로서, 당뇨병의 처치를 위한 셀방식 치료의 개발이 있다. 현재, 당뇨병 처치를 위한 셀-기반의 처치 선택사항은 전체 췌장 기관 이식 또는 랑게르한스(Langerhans)의 췌장 소도(pancreatic islet)의 이식을 포함한다. 그러나, 평생의 면역억제 처치 필요성 때문에, 이러한 치료는 전형적으로 처치가 가장 어려운 타입 1 당뇨병을 가진 환자, 특히 이전의 또는 동시적인 기관 이식의 결과로서 면역억제 치료를 이미 받고 있는 환자를 위한 것이다.
면역억제를 필요로 하지 않는, 소도 및 다른 조직의 이식을 가능하게 하는 용기 또는 캡슐이 개발되었다. 예를 들어, 일부 현재 이용 가능한 셀 캡슐은 동종의(allogenic) 봉입된 조직을 호스트 면역 시스템으로부터 보호하는 면역격리 막(immunoisolating membrane)을 포함하나; 불행하게도, 그러한 면역격리 막은 또한 봉입된 조직의 혈관신생(vascularization)을 방지하고, 그에 의해서 봉입된 조직에 대한 필수 가스의 전달 및 그로부터의 폐가스의 제거를 더 어렵게 만든다. 캡슐을 위한 안전성 및 셀 보호가 문서로 잘 정리되어 있지만, 그러한 접근방식은 예상된 장점을 실현하는데 최종적으로 실패하였는데, 이는 봉입된 셀에 대한 산소 전달의 한계 때문이다. (전체가 본원에서 참조로 포함되는 이하 참조: Suzuki et al., "Number and volume of islets transplanted in immunobarrier devices," Cell transplantation, 7:47-52 (1998); Tibell et al., "Survival of macroencapsulated allogeneic parathyroid tissue one year after transplantation in nonimmunosuppressed humans," Cell transplantation, 10:591-9 (2001); Bruin et al., "Maturation and function of human embryonic stem cell-derived pancreatic progenitors in macroencapsulation devices following transplant into mice," Diabetologia, 56:1987-98 (2013); Motte et al., "Composition and Function of Macro-Encapsulated Human Embryonic Stem Cell-Derived Implants: Comparison with Clinical Human Islet Cell Grafts," Am J Physiol Endocrinol Metab., 307:E838-46 (2014); Yanay et al., "Long-term erythropoietin gene expression from transduced cells in bioisolator devices," Human gene therapy, 14:1587-93 (2003); Bartholomew et al., "Baboon mesenchymal stem cells can be genetically modified to secrete human erythropoietin in vivo," Human gene therapy, 12:1527-41 (2001); Sweet et al., "Treatment of diabetic rats with encapsulated islets," J. Cell. and Mol. Med., 12: 2644-50 (2008); Sorenby et al., "Macroencapsulation protects against sensitization after allogeneic islet 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 1 expression from encapsulated transduced cells to treat obese diabetic rats," J. Biosci. and Bioeng., 111:383-7 (2011); Chou et al., "Treatment of osteoporosis with TheraCyte-encapsulated parathyroid cells: a study in a rat model," Osteoporosis International: a journal established as result of cooperation between the European Foundation for Osteoporosis and the National Osteoporosis Foundation of the USA, 17:936-41 (2006).)
이식된 셀에 대한 산소 전달에 있어서의 전술한 한계를 해결하기 위한 시도에서, 산소를 셀 캡슐에 전달하기 위한 몇몇 방법이 개발 중에 있다. 이들은 압축된, 기체 산소를 피부를 통해서 이식된 장치에 주기적으로 주입하는 것(전체가 본원에서 참조로 포함되는 Ludwig et al., "Improvement of islet function in a bioartificial pancreas by enhanced oxygen supply and growth hormone releasing hormone agonist," Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A., 109:5022-7 (2012) 참조), 경피 카테터를 통해서 산소를 셀 캡슐에 전달하는 것, 화학적 산소 발생기의 이식(이하의 둘 모두의 전체가 본원에서 참조로 포함되는, McQuilling et al., "Methods for Incorporating Oxygen-Generating Biomaterials into Cell Culture and Microcapsule Systems," Methods Mol. Biol., 1479:135-141 (2017), 및 Pedrazaa et al., "Preventing hypoxia-induced cell death in beta cells and islets via hydrolytically activated, oxygen-generating biomaterials," Proc. Natl. Acac. Sci. U.S.A., 109:4245-4250 (2012), 참조), 그리고 전기화학적 산소 발생 장치를 이식하는 것(예를 들어, 이하의 둘 모두의 전체가 본원에서 참조로 포함되는, 발명자가 Colton 등이고 2002년 4월 9일자로 허여된 미국 특허 제6,368,592 B1호, 및 발명자가 Tempelman 등이고 2015년 4월 23일에 공개된 미국 특허출원 제US 2015/0112247 A1호 참조).
그러나, 불행하게도, 전술한 접근방식 중 많은 것이 한계를 갖는다. 예를 들어, 가압 산소의 주입은, 사용자가 규칙적으로 피부를 천공하여야 하는 것을 요구하고, 장치 내의 격벽을 주기적으로 교체할 것을 요구한다. 바늘로 격벽을 적절히 침투하지 못하는 경우에, 기체 산소를 신체의 원치 않는 지역에 도입할 수 있고, 이는 위험할 수 있다. 경피 라인을 통한 산소의 전달은 감염의 위험을 수반하고, 연관 장치가 바람직하지 못하게 환경에 노출된다. 화학적 산소 발생기는 완전 이식이 가능하고 일시적 산소 공급원으로서 유용할 수 있으나, 이용되는 재료에 관한 일부 우려 및 국소적인 pH 변화와 같은 부작용이 있다. 또한, 산소 발생 반응을 기재가 시간에 걸쳐 소비되고, 결국 산소 전달의 중단을 초래할 것이고, 그에 따라 후속되는 수술적 또는 경피적 생성물 배출 및 기재 재충진을 필요로 한다.
이식 가능한 전기화학적 산소 발생기(본원에서 그리고 당업계에서 물 전기분해기로도 지칭되는, EOG)는 전술한 다른 접근방식의 한계 중 많은 한계를 해결한다. 이식 가능 전기화학적 산소 발생기는 전형적으로, 신체로부터 얻어진 물을 전기 분해하여 양극에서 산소를 생성하고 음극에서 수소 가스를 생성한다. 이어서, 생성된 산소가 셀에 전달되고, 생성된 수소는 조직을 통해서 맥관구조로 확산되고 최종적으로 배기(exhale)된다. 반응 화학양론으로 인해서, 수소는 전형적으로 산소의 2배의 비율로 생성된다. 장치/조직 계면에서 가스 기포가 형성되는 것을 방지하기 위해서, 음극으로부터 신체로의 수소의 안전한 확산은 충분한 표면적을 필요로 한다. 그러나, 불행하게도, 적절한 가스-조직 계면 표면적을 위한 요건은 이식된 장치의 크기 및 복잡성을 증가시킨다.
이식 가능 전기화학적 산소 농축기(EOC)는 산소를 이식된 셀에 전달하기 위한 이식 가능 EOG에 대한 대안을 제공한다. EOC는 전기분해기와 유사하게 기능하나, EOC는 공기로부터 산소를 소비하여 음극에서 물을 생산하고 양극에서 물로부터 산소를 생성하고, 순효과로서, 산소가 하류 장치로의 전달을 위해서 양극에서 농축된다. 발생되는 기본적인 반응은 다음과 같다:
(1) 양극(산화: 전자의 손실): 2H2O → 4H+ + 4e- + O2(순수)
(2) 음극(환원: 전자 획득): O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
(3) 순(Net): 음극에서의 O2 희석 → 양극에서의 순수 O2
EOG 및 EOC 모두에서, 산소 발생(즉, 셀에 대한 영양 투여)은 인가되는 전류에 정확하게 상응한다. EOC가 전형적으로 약 0.8 V에서 동작되기 때문에, EOG는 전형적으로 약 1.6 V에서 동작되고, EOC는 전형적으로 EOG의 약 절반의 전력을 사용한다. 다른 한편으로, EOC은 전형적으로, 음극에서 소비되는 산소를 보충하기 위해서, 체외적으로-유도된 산소(즉, 공기)에 대한 접근을 요구한다. 또한, EOG 또는 EOC가 사용되는지의 여부와 관계없이, 장치 또는 셀방식 기능의 결과로서 생성된 폐가스가 신체로부터 배출될 수 있게 하는 경로를 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명자는 신체 외부의 주위 환경과, 비제한적으로, 이식된 EOC, 이식된 EOG, 또는 이식된 셀 및/또는 조직을 유지하는 이식된 용기와 같은, 환자 내에 이식된 장치 사이의 하나 이상의 가스(예를 들어, 공기, 산소 가스, 수소 가스)의 확산을 위한 경로를 제공할 필요성을 식별하였고, 그에 따라 감염 가능성을 제한하면서 이식된 장치의 이용을 가능하게 하였다.
본 발명의 목적은 그러한 경로를 제공하는 것이다.
그에 따라, 본 발명의 하나의 양태에 따라, 경피 가스 확산 장치가 제공되고, 경피 가스 확산 장치는 (a) 길이, 하단부, 및 둘레부를 가지고, 가스-투과성 및 액체-불투과성인 코어 층; 및 (b) 코어 층의 길이의 적어도 일부에 대해서 코어 층의 둘레부를 둘러싸고, 조직-통합 재료를 포함하는 외부 층을 포함한다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 코어 층은 개방형-소공 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 코어 층은 0.22 ㎛ 이하의 소공 직경을 가질 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 코어 층은 폐쇄형-소공 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 코어 층은 비소공성 중실형(nonporous solid) 재료일 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 코어 층은 소공성 중합체, 비-소공성 가스-투과성 재료, 개방형-셀 세라믹 포옴, 및 소공성 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 코어 층의 적어도 하나의 재료가 소수성 중합체로 처리될 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 코어 층이 원통형 형상일 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 코어 층은 5 mm 이하의 직경 및 1.2 내지 10 mm의 길이를 가질 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 코어 층은 1 mm 이하의 직경 및 2 내지 5 mm의 길이를 가질 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 외부 층의 조직-통합 재료는, 개방형-셀 실리콘 포옴, 패터닝된 미소공성 재료, 개방형-셀 우레탄 포옴, 소결 중합체 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 소공성의 생체적합 재료일 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 외부 층은 0.2 내지 1.0 mm의 두께 및 1.2 내지 2.0 mm의 길이를 가질 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 외부 층은 길이를 가지고, 외부 층의 길이는 코어 층의 길이와 합치될 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 외부 층이 하단부를 가지고, 코어의 하단부는 외부 층의 하단부를 넘어서 하향 연장될 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 코어 층이 외부 층에 고정적으로 커플링될 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 코어 층이 외부 층에 제거 가능하게 커플링될 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 코어 층의 일부가 외부 층에 고정적으로 커플링될 수 있고, 코어 층의 일부가 외부 층에 제거 가능하게 커플링될 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 경피 가스 확산 장치가 중간 층을 더 포함할 수 있고, 중간 층은 코어 층과 외부 층 사이에 배치될 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 중간 층은, 외부 층으로부터 코어 층 내로 조직이 침투하는 것을 방지하는 장벽을 포함할 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 중간 층은, 외부 층으로부터 코어 층 내로 조직이 침투하는 것을 방지하는 그리고 코어 층으로부터 외부 층 내로의 가스의 확산을 감소시키는 장벽을 포함할 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 중간 층이 하단부를 가질 수 있고, 외부 층이 하단부를 가질 수 있으며, 중간 층의 하단부는 외부 층의 하단부를 넘어서 하향 연장될 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 코어 층 및 중간 층 중 적어도 하나는, 코어 층의 적어도 일부를 중간 층에 제거 가능하게 커플링시키는 것을 허용하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 코어 층이 도구와의 결합을 위해서 구성된 적어도 하나의 노치(notch)를 포함할 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 중간 층이 도구와의 결합을 위해서 구성된 적어도 하나의 노치를 포함할 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 코어 층 및 중간 층은 교합 나사산을 가질 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 중간 층은 임플란트 장치에 대한 커플링을 위해서 성형된 하단부 부분을 포함할 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 중간 층의 하단부 부분이 적어도 하나의 리브(rib)를 포함할 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 중간 층의 하단부 부분이 원주방향 홈을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 임플란트 시스템을 제공하는 것이다.
그에 따라, 본 발명의 일 양태에 따라, 임플란트 시스템이 제공되고, 그러한 임플란트 시스템은 (a) 가스 유입구 및 가스 배출구 중 적어도 하나를 포함하는 임플란트 장치; (b) 임플란트 장치의 가스 유입구 및 가스 배출구 중 하나와 유체적으로 커플링되는 경피 가스 확산 장치를 포함하고, 경피 가스 확산 장치는 (i) 가스-투과성 및 액체-불투과성의 코어 층; 및 (ii) 코어 층의 길이의 적어도 일부에 대해서 코어 층의 둘레부를 둘러싸고, 조직-통합 재료를 포함하는 외부 층을 포함한다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 임플란트 장치는 이식된 셀 및 이식된 조직 중 적어도 하나를 유지하기 위한 피하 용기일 수 있고, 피하 용기는 산소 유입구를 포함할 수 있고, 경피 가스 확산 장치는 산소 유입구에 유체적으로 커플링될 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 임플란트 장치는 피하 전기화학적 산소 농축기일 수 있고, 피하 전기화학적 산소 농축기는 공기 유입구를 포함할 수 있고, 경피 가스 확산 장치는 공기 유입구에 유체적으로 커플링될 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 임플란트 장치가 피하 물 전기분해기일 수 있고 피하 물 전기분해기는 산소 배출구 및 수소 배출구를 포함할 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 경피 가스 확산 장치가 산소 배출구에 유체적으로 커플링될 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 경피 가스 확산 장치가 수소 배출구에 유체적으로 커플링될 수 있다.
본 발명에 관한 더 구체적인 특징에서, 임플란트 장치는, 전기화학적 산소 농축기 모드 및 전기화학적 산소 발생기 모드로 교번적으로 동작될 수 있는 피하 전기화학적 셀일 수 있다.
본 발명은 또한 임플란트 장치를 이용하는 방법에 관한 것이다.
그에 따라, 본 발명의 일 양태에 따라, 임플란트 장치의 이용 방법이 개시되고, 그러한 방법은 (a) 전술한 바와 같은 임플란트 시스템을 제공하는 단계로서, 임플란트 시스템은 전기화학적 산소 농축기 모드 및 전기화학적 산소 발생기 모드로 교번적으로 동작될 수 있는 피하 전기화학적 셀인, 단계; (b) 임플란트 시스템을 환자 내에 이식하는 단계; (c) 이어서, 임플란트 시스템을 전기화학적 산소 농축기 모드에서 동작시키는 단계로서, 그에 의해서 오염물질이 경피 가스 확산 장치의 코어 층을 오염시키는, 단계; 및 (d) 이어서, 경피 가스 확산 장치의 코어 층으로부터 오염물질을 배출하기 위해서, 임플란트 시스템을 전기화학적 산소 발생기 모드에서 동작시키는 단계를 포함한다.
본 명세서 및 청구범위를 위해서, "상단부", "하단부", "근위", "원위", "상부", "하부", "전방" 및 "후방"과 같은 다양한 관계 관련 용어는, 본 발명이 주어진 배향으로 배치될 때 또는 그로부터 관찰될 때, 본 발명을 설명하기 위해서 이용될 수 있다. 본 발명의 배향을 변경함으로써, 특정 관계 용어가 그에 따라 조정될 필요가 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 부가적인 목적뿐만 아니라, 양태, 특징 및 장점이 이하의 설명에서 부분적으로 기술될 것이고, 부분적으로, 설명으로부터 자명할 것이고, 또는 본 발명의 실시에 의해서 학습될 수 있을 것이다. 설명에서, 설명의 일부를 형성하고 본 발명의 실시를 위한 다양한 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있게 할 정도로 충분히 구체적으로 설명될 것이고, 다른 실시예가 이용될 수 있다는 것 그리고 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 구조적 변화가 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 그에 따라, 이하의 구체적인 설명은 제한적인 의미로 간주되지 않아야 하고, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해서 가장 잘 규정된다.
본 명세서 내에 포함되고 그 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 발명의 다양한 실시예를 묘사하고, 상세한 설명과 함께, 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 이러한 도면은 반드시 실제 축척으로 도시된 것이 아니고, 설명을 위해서 특정 구성요소가 과소 크기 및/또는 과대 크기의 치수를 가질 수 있다. 도면에서, 유사한 참조 번호는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1a 내지 도 1c는 각각, 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기 위한 본 발명에 따라 구성된 경피 가스 확산 장치의 제1 실시예의 사시도, 상면도, 및 단면도이다.
도 1d는, 경피 가스 확산 장치의 구성 층을 표시하기 위해서 점선을 이용한, 도 1a의 경피 가스 확산 장치의 사시도이다.
도 2는, 부분적으로 단면으로, 본 발명에 따라 구성된 임플란트 시스템의 제1 실시예를 도시한 블록도로서, 도시된 임플란트 시스템은 환자 내로 이식되고 환자의 피부를 통해서 연장되는 도 1a의 경피 가스 확산 장치, 그리고 환자의 피부 아래에 배치되고 도 1a의 경피 가스 확산 장치에 커플링되는 이식된 의료 장치를 포함한다.
도 3a 및 도 3b는 각각, 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기 위한 본 발명에 따라 구성된 경피 가스 확산 장치의 제2 실시예의 상면도 및 단면도이다.
도 4는 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기 위한 본 발명에 따라 구성된 경피 가스 확산 장치의 제3 실시예의 단면도이다.
도 5는 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기 위한 본 발명에 따라 구성된 경피 가스 확산 장치의 제4 실시예의 단면도이다.
도 6는 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기 위한 본 발명에 따라 구성된 경피 가스 확산 장치의 제5 실시예의 단면도이다.
도 7은 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기 위한 본 발명에 따라 구성된 경피 가스 확산 장치의 제6 실시예의 사시도이다.
도 8은 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기 위한 본 발명에 따라 구성된 경피 가스 확산 장치의 제7 실시예의 사시도이다.
도 9는 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기 위한 본 발명에 따라 구성된 경피 가스 확산 장치의 제8 실시예의 사시도이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명에 따라 구성된 임플란트 시스템의 제2 실시예의 부분 분해 사시도 및 단면도이고, 임플란트 시스템은 전기화학적 산소 농축기 및 도 7의 경피 가스 확산 장치를 포함하고, 경피 가스 확산 장치는 전기화학적 산소 발생기의 음극에 커플링되고 그에 따라 주위 공기를 전기화학적 산소 발생기의 음극에 공급한다.
도 11a 및 도 11b는 각각 본 발명에 따라 구성된 임플란트 시스템의 제3 실시예의 부분 분해 사시도 및 단면도이고, 임플란트 시스템은 전기분해기 및 도 9의 경피 가스 확산 장치를 포함하고, 경피 가스 확산 장치는 전기분해기의 음극에 커플링되고 그에 따라 경피 가스 확산 장치를 통해서 수소를 분출한다.
도 12a 및 도 12b는 각각 본 발명에 따라 구성된 임플란트 시스템의 제4 실시예의 부분 분해 사시도 및 단면도이고, 임플란트 시스템은 전기분해기 및 도 9의 경피 가스 확산 장치를 포함하고, 경피 가스 확산 장치는 전기분해기의 양극에 커플링되고 그에 따라 경피 가스 확산 장치를 통해서 산소를 분출한다.
도 13은, 도 1a의 경피 가스 확산 장치의 조직-통합 층을 형성하기 위해서 이용될 수 있는 관의 주사전자현미경 사진이다.
도 14a는 수정되지 않은 EOC(제어), 및 예 1에서 설명되는 바와 같이, 산소를 EOC로 확산시키기 위한 유일한 지역으로서 사용되는 가스-투과성 코어를 갖는 동일한 EOC에 대한 시간에 걸친 셀 전압을 도시하는 그래프이다.
도 14b는 수정되지 않은 EOC(제어), 및 예 1에서 설명되는 바와 같이, 산소를 EOC로 확산시키기 위한 유일한 지역으로서 사용되는 가스-투과성 코어를 갖는 동일한 EOC에 대한 시간에 걸친 산소 유동을 도시하는 그래프이다.
본 발명은, 적어도 부분적으로, 주위 공기 또는 다른 체외 가스가 환자 내에 배치된, 이식된 장치로 유동할 수 있게 하는 및/또는 가스가 이식된 장치로부터 환자의 신체 외부의 위치로 유동될 수 있게 하는 경피 가스 확산 장치에 관한 것이다. 이식된 장치는, 비제한적으로, 전기화학적 산소 발생기, 전기화학적 산소 농축기, 또는 하나 이상의 이식된 셀 및/또는 조직을 유지하는 용기와 같은, 피하 임플란트일 수 있다.
더 구체적으로, 특정 실시예에서, 본 발명은, 산소, 수증기, 또는 다른 가스가 피부를 통과할 수 있게 하는, 그러나 액체 및 미립자의 통과를 방지하는 경피 장치일 수 있다. 그에 따라, 본 발명은, 산소 또는 수증기와 같은 중요 가스에 대한 접근을 위한, 또는 이식된 물 전기분해기의 경우에 수소 또는 산소와 같은 폐가스의 효과적인 제거를 위한, 신체 외부 공기에 대한 접근을 필요로 하는 이식된 의료 장치의 이용을 가능하게 한다.
특정 실시예에서, 경피 장치를 통한 가스의 통과는 피동적일 수 있고, 특정 실시예에서, 경피 장치를 통한 가스의 통과가, 이식되거나 외부에 장착된 장치 구성요소에 의해서 능동적으로 촉진될 수 있다.
특정 실시예에서, 경피 장치는 하나 이상의 동심적 층들을 포함할 수 있다. 외부 층(또는 주변 층)은 조직과의 통합을 위한 알려진 재료를 포함할 수 있고, 그에 따라, 감염 위험을 최소화하는 장벽을 형성할 수 있다. 외부 층을 위한 적합한 재료는, 비제한적으로, 개방형-셀 실리콘 포옴, 패터닝된 미소공성 재료, 및 개방형-셀 우레탄 포옴을 포함하는, 미소공성 및 생체적합성일 수 있다. 적합한 패터닝된 미소공성 재료의 예는, 모두가 본원에서 참조로 포함되는, Marshall 등이 발명자이고 2014년 2월 11일에 허여된 미국 특허 제8,647,393 B2호에서 설명된 STAR® (Sphere Templated Angiogenic Regeneration) 바이오재료 스캐폴드(biomaterial scaffold) (Healionics Corporation, Seattle, WA), Marshall et al., "Dermal Integration Cuff Improves 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)일 수 있다. 외부 층에 적합할 수 있는 부가적인 재료가, 비제한적으로, 생체적합 세라믹 포옴 및 소결 생체적합 중합체(예를 들어, 소결 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 소결 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 소결 폴리에틸렌, 및 소결 폴리프로필렌)와 같은, 경질 재료를 포함할 수 있다.
내부 층(또는 코어 층 또는 코어)은 가스-투과성 층 또는 가스-투과성 층의 복합체를 포함할 수 있고, 그러한 층을 통해서, 비제한적으로, 산소, 질소, 산화질소, 수소, 황화수소, 이산화탄소, 및 수증기를 포함하는 하나 이상의 가스가 확산될 수 있다. 내부 층을 형성하기 위해서 이용될 수 있는 재료는, 비제한적으로, 소공성 중합체(예를 들어, 개방형 셀 실리콘 포옴, 개방형 셀 우레탄 포옴, 소결 폴리에틸렌, 소결 폴리프로필렌, 소결 PVDF, 소결 PTFE), 미소공성 재료, 예를 들어 세라믹 포옴 또는 소공성 티타늄, 및 비-소공성, 가스-투과성 재료(예를 들어, 실리콘 막)을 포함할 수 있다. 미소공성 재료는 그 표면 특성 변화를 위해서 더 처리될 수 있다. 예를 들어, 코팅된 재료가 소수성이 되도록, 자연적으로 친수적인 소공성 세라믹 또는 금속이 ParyleneTM 폴리(p-자일릴렌) 중합체와 같은 중합체로 코팅될 수 있다. 장치의 코어에서 소수성의 미소공성 구조물, 또는 가스 및 증기 상에 투과적인 재료를 이용하는 것이 바람직할 수 있는데, 이는 그러한 것이 가스 교환을 허용하면서, 감염체를 포함하는 오염물질을 피부를 경유하여 운반할 수 있는 액체 물의 이동을 방지하기 때문이다.
서로 고정적으로 커플링될 수 있는 내부 (또는 코어) 층 및 외부 (또는 주변) 층이 서로 직접적으로 접촉될 수 있거나, 하나 이상의 중간 층에 의해서 분리될 수 있다. 그러한 중간 층은 주변 층으로부터 코어 층 내로의 조직의 내성장(ingrowth)을 방지하는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 중간 층이 또한 코어 층보다 작은 가스 투과도를 가질 수 있고, 그에 따라 코어 층과 주위 조직 사이의 가스 교환을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 산소에 대해서 불투과적인 중간 층은 주변 층 내의 조직이 코어 층 내의 산소 농도를 낮추는 것을 방지할 수 있고, 결과적으로 코어 층이 EOC와 같은 이식된 의료 장치에 연결되는 곳에서 더 높은 산소 농도를 초래할 수 있다. 하나 이상의 중간 층으로서 이용하기에 적합할 수 있는 재료의 예는, 비제한적으로, 실리콘 막; PTFE, PVDF, 폴리에테르설폰, 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 형성된 미소공성 막; PTFE, 폴리에틸렌, 및 폴리 프로필렌과 같은 가요성의 비-소공성 재료; 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 기타 생체적합 중합체, 세라믹, 및 임플란트 등급의 스테인리스 강 및 티타늄과 같은 금속을 포함하는, 강성의 비-소공성 재료를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 주변 층 및/또는 코어 층의 특성은 조직 장벽 층의 기능을 실시할 수 있다. 예를 들어, 소공성 실리콘 조직 통합(또는 외부) 층의 제조 중에, 분리 요소와 관계없이, 셀 장벽으로서 작용할 수 있는 "피부(skin)"가 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 조직 통합 층을 가스-투과성 코어에 부착하는 방식이 사실적인(de facto) 조직 장벽을 형성할 수 있다. 예를 들어, 조직 장벽을 형성하는 실리콘 접착제를 이용하여 조직 통합 층을 가스-투과성 코어에 부착할 수 있다. 특정 실시예에서, 가스-투과성 코어는, 조직 내성장을 방지하기 위한 조직 장벽 층으로서 독립적으로 작용할 수 있을 정도로, 충분히 작은 소공 크기를 가질 수 있다.
특정 실시예에서, 경피 가스 확산 장치는 셀 캡슐 또는 셀 용기에 직접적 또는 간접적으로 연결될 수 있다. 특정 실시예에서, 경피 가스 확산 장치는 전기화학적 장치에 연결될 수 있고, 그러한 전기화학적 장치는, 음극에서 산소를 소비하고, 이식된 셀에 전달하기 위해서 양극에서 산소를 생산하여, 산소 농축기로서 효과적으로 작용한다. 특정 실시예에서, 경피 가스 확산 장치는 전기화학적 장치에 연결될 수 있고, 그러한 전기화학적 장치는, 수소 가스를 음극에서 그리고 이식된 셀에 전달하기 위한 산소 가스를 양극에서 생산하기 위해서, 수증기 형태로 전달되는 물을 소비한다. 특정 실시예에서, 경피 가스 확산 장치는 전기화학적 장치에 연결될 수 있고, 그러한 전기화학적 장치는, 이식된 셀에 전달하기 위해서 또는 순환계를 통해서 신체에 시스템적으로 전달하기 위해서, 산소 가스를 양극에서 그리고 수소를 음극에서 생산하기 위해 수증기 형태로 전달되는 물을 소비한다. 특정 실시예에서, 전기화학적 장치에 의해서 생성된 폐가스는 경피 가스 확산 장치를 통해서 제거될 수 있고 공기 중으로 배출될 수 있다. 특정 실시예에서, 전기화학적 장치에 의해서 소비되는 가스가, 경피 가스 확산 장치를 통한 확산에 의해서, 보충될 수 있다.
가스-투과성 코어가 소공성인 실시예에서, 가스-투과성 코어 내의 소공은 바람직하게 가스의 자유로운 확산을 위해서 개방되어 유지된다. 본 발명의 경피 가스 확산 장치에 커플링된 물 전기분해기의 예에서, 산소 또는 수소가 가스-투과성 코어를 통해서 외부로 유동될 수 있고, 재료를 침투할 수 있는 물 또는 다른 액체를 배제할 수 있다. EOC의 경우에, 가스 투과성 코어로부터 액체 또는 다른 재료를 강제하기 위한 가스의 순 생산이 존재하지 않는다. 특정 실시예에서, 전기화학적 장치는 가스-투과성 코어가 차단되지 않을 때 EOC로서 기능할 수 있으나, 산소 농도가 음극에서 수증기를 형성하기 위한 반응에 필요한 농도 미만으로 떨어질 때 전기분해기 모드로 되돌아갈 수 있다. 이러한 경우에, 전기분해기 모드에서의 동작은 가스-투과성 코어를 세정(clear)할 수 있고, 최종적으로 전기화학적 장치가 더 효과적인 EOC 모드로 되돌아가게 할 수 있다. 특정 실시예에서, 전기화학적 장치는 EOC 모드와 EOG 모드 사이에서 순환될 수 있고, EOG 모드 중에 형성되는 수소 가스는 가스-투과성 코어 재료로부터 오염물을 배출하는 작용을 한다.
이제 도 1a 내지 도 1d를 참조하면, 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기에 적합한 경피 가스 확산 장치의 제1 실시예의 여러 도면이 도시되어 있고, 그러한 경피 가스 확산 장치는 본 발명에 따라 구성되고 참조 번호 100으로 전반적으로 표시된다.
경피 가스 확산 장치(100)는 코어 층(101), 외부 층(103), 및 중간 층(105)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 코어 층(101), 외부 층(103), 및 중간 층(105)이 서로 고정될 수 있다.
코어 층(101)은, 액체-불투과성 및 가스-투과성인 재료 또는 재료의 복합체를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 주위 공기 또는 외부 가스가 코어 층(101)을 통해서 피하적으로-이식된 EOC 또는 EOG 장치의 유입구 포트로 확산될 수 있고 및/또는 피하 EOC 또는 EOG 장치로부터의 부산물 가스 또는 이식된 셀 및/또는 조직으로부터의 폐가스가 코어 층(101)을 통해서 신체 외부로 확산될 수 있다. 코어 층(101)은 개방형-소공 구조, 폐쇄형-소공 구조를 포함할 수 있거나, 중실형 재료일 수 있다. 코어 층(101)의 가스 확산 특성은, 개방형-소공 구조의 경우에서와 같이, 비-선택적이거나, 폐쇄-소공 구조 또는 중실형 매트릭스의 경우에서와 같이 선택적일 수 있다. 작은 소공 및 큰 소수성을 갖는 폐쇄형-소공 구조, 또는 개방형-소공 구조의 이용에 의해서, 내부 코어 재료가 외부 액체 오염물질에 대해서 실질적으로 불투과성일 수 있다. 코어 층(101)으로서 또는 코어 층(101)의 구성요소로서 이용될 수 있는 재료의 예가, 비제한적으로, 소공성 중합체(예를 들어, 실리콘 포옴, 우레탄 포옴, 소결 폴리에틸렌, 소결 폴리프로필렌, 소결 PVDF, 소결 PTFE), 비-소공성, 가스-투과성 재료(예를 들어, 실리콘 막), 및 그 조합을 포함할 수 있다. 코어 층(101)은 또한 개방형-셀 세라믹 포옴 또는 소공성 금속, 예를 들어, 소결 티타늄을 포함할 수 있다. 소공성 재료는 그 소수성의 변경을 위해서 추가적으로 처리될 수 있다. 예를 들어, 소공성 재료가 ParyleneTM 폴리(p-자일릴렌) 중합체와 같은 중합체로 코팅될 수 있다. 그러한 ParyleneTM 폴리(p-자일릴렌) 중합체는 Parylene-N, Parylene-C, Parylene-D, 및 바람직하게, Parylene-VT4 및 Parylene AF4를 포함할 수 있다. 개방형 소공 재료가 사용되는 경우에, 소공 직경은 미생물에 대한 장벽을 제공하기에 적절할 수 있다. 특정 실시예에서, 소공 직경이 0.22 ㎛ 이하일 수 있고, 특정 실시예에서, 소공 직경이 0.2 ㎛ 이하일 수 있다.
본 실시예에서, 코어 층(101)이 원통형 형상으로 도시되어 있으나; 코어 층(101)이 원통형 형상으로 제한되지 않고 다양한 대안적인 형상을 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 코어 층(101)의 직경은, 경피 가스 확산 장치(100)의 가스-교환 요건에 따라 달라질 수 있고; 그럼에도 불구하고, 일부 실시예에 따라, 코어 층(101)의 직경이 5 mm 이하, 바람직하게 1 mm 이하일 수 있다. 코어 층(101)의 길이는 바람직하게, 이식된 의료 장치로부터 피부를 통해서 대기까지 가스 확산 경로를 제공하기에 충분하다. 예를 들어, 그러한 길이는 약 1.2 내지 10 mm, 바람직하게 약 2 내지 5 mm일 수 있다.
코어 층(101)의 전체 길이에 걸쳐 연장될 수 있는 외부 층(103)은 조직-통합 재료 즉, 그러한 재료 내로의 피부 조직의 성장을 촉진하는 소공성의 생체적합 재료를 포함할 수 있다. 조직-통합 재료는, 셀이 통과하여 이동될 수 있는 소공들 사이의 연결부를 갖는 개방형-소공 구조를 포함할 수 있다. 조직-통합 재료는 소공 크기의 엄격한 제어를 위해서 마이크로-패터닝된 형판을 이용하여 형성될 수 있다. 그러한 재료는 중공형 실린더를 형성하기 위해서 용이하게 프로세스될 수 있다. 조직-통합 재료는 조직 통합을 촉진하기 위해서, 그에 따라 감염을 방지하기 위해서 더 최적화될 수 있다. 바람직한 조직-통합 재료는 가요성을 가질 수 있고, 정상 활동 중에 피부와 함께 이동될 수 있고, 그에 따라 조직 계면에서의 만성 염증을 줄일 수 있다. 조직-통합 재료의 예는, 비제한적으로, 개방형-셀 실리콘 포옴, 패터닝된 미소공성 재료, 개방형-셀 우레탄 포옴, 소결 중합체 재료(예를 들어, PTFE, PVDF, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌), 및 그 조합을 포함할 수 있다. 적합한 패터닝된 미소공성 재료의 예가 STAR®(Sphere Templated Angiogenic Regeneration) 생체재료 스캐폴드(Healionics Corporation, Seattle, WA) 또는 실리콘이나 폴리히드록시에틸메타크릴레이트로 제조된 다른 유사 재료를 포함할 수 있다.
외부 층(103)은 약 100 nm 내지 몇 밀리미터의 벽 두께를 가질 수 있으나, 바람직하게 약 0.2 내지 1.0 mm이다. 외부 층(103)의 길이는 바람직하게 진피에 충분히 걸쳐지며, 약 1.2 내지 2.0 mm의 범위일 수 있다. 본 실시예에서 외부 층(103)은 코어 층(101)의 전체 길이에 걸쳐지는 길이를 가지는 것으로 도시되어 있으나, 외부 층(103)이 코어 층(101)보다 더 짧을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 사실상, 외부 층(103)이 경피 가스 확산기 및 이식된 장치 표면의 계면까지 연장되지 않을 수 있다.
코어 층(101)과 외부 층(103) 사이에 배치된 중간 층(105)은 코어 층(101)과 외부 층(103) 사이의 장벽 층으로서 기능할 수 있다. 더 구체적으로, 중간 층(105)은 외부 층(103)으로부터 코어 층(101) 내로 조직이 침투하는 것을 방지할 수 있고, 코어 층(101) 내의 오염물질이 외부 층(103)과 접촉되는 것을 방지할 수 있다. 중간 층(105)은 재료의 단일 층 또는 재료의 다수의 층을 포함할 수 있다. 중간 층(105)을 형성하는데 이용되는 적합한 재료는, 비제한적으로, 나노소공 및 비-소공성 중합체 막, 나노소공 및 비-소공성 금속, 그리고 나노소공 및 비-소공성 세라믹을 포함할 수 있다. 중간 층(105)의 벽 두께는, 이용되는 재료 및/또는 이식된 장치와의 상호작용 필요성에 따라, 달라질 수 있고; 그럼에도 불구하고, 특정 실시예에서, 중간 층(105)은 약 10 nm 내지 1 mm일 수 있다. 본 실시예에서, 중간 층(105)은 코어 층(101)의 전체 길이에 걸쳐 연장된다. 그러나, 중간 층(105)이 코어 층(101)의 전체 길이에 걸쳐 연장될 필요가 없고; 그럼에도 불구하고, 중간 층(105)이 바람직하게 코어 층(101)을 조직 통합으로부터 보호하기에 충분한 길이로 연장되는 것이 이해될 수 있을 것이다.
중간 층(105)은, 코어 층(101)과 외부 층(103) 사이의 가스 확산을 가능하게 하거나 가능하지 않게 하는 재료를 포함할 수 있다. 중간 층(105)이 코어 층(101) 내로의 셀의 이동을 방지하기 위한 그리고 부가적으로 가스 확산을 방지하기 위한 장벽으로서 작용하게 하는 것은, 코어 층(101)이 개방형-셀 포옴 재료인 경우에 특히 바람직하다. 중간 층(105)으로서 이용될 수 있고 셀 이동을 방지할 수 있고 또한 코어 층(101)과 외부 층(103) 사이의 가스 확산을 제한할 수 있는 재료의 예는, 비제한적으로, 생체적합 플로오로폴리머(예를 들어, PTFE 및 PVDF), 다른 생체적합 중합체(예를 들어, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌), 및 강성 생체적합 금속(예를 들어, 이식 가능 스테인리스 강 및 티타늄)을 포함할 수 있다. 중간 층(105)으로서 이용될 수 있고 셀 이동을 방지할 수 있으며 가스-투과성인 재료의 예는, 비제한적으로, 미소공성 중합체 막 및 배관(예를 들어, 팽창-PTFE, PVDF, 개방형-셀 실리콘 포옴, 및 개방형-셀 우레탄 포옴), 및 가스-투과성 고체 막 및 배관(예를 들어, 실리콘 및 우레탄)을 포함한다.
특정 실시예에서, 코어 층(101) 및/또는 외부 층(103)의 특성은 중간 층(105)의 기능의 적어도 일부를 실시할 수 있다. 예를 들어, 소공성 실리콘 외부 층(103)의 제조 중에, 분리 요소와 관계없이, 셀 장벽으로서 작용할 수 있는 "피부(skin)"가 외측부를 따라서 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 외부 층(103)을 코어 층(101)에 부착하는 방식이 사실적인 장벽 층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 조직 장벽을 형성할 수 있는 실리콘 접착제를 이용하여 외부 층(103)을 코어 층(101)에 부착할 수 있다. 특정 실시예에서, 가스-투과성 코어 층(101)은, 조직 내성장을 방지하기 위한 장벽 층으로서 독립적으로 작용할 수 있을 정도로, 충분히 작은 소공 크기를 가질 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명에 따라 구성된 임플란트 시스템의 제1 실시예가 개략적으로 도시되어 있고, 그러한 임플란트 시스템은 환자 내에 이식되어 도시되어 있고 참조 번호 200으로 전반적으로 표시되어 있다. (간결함 및 명료함을 위해서, 본 발명의 이해에 중요하지 않은 임플란트 시스템(200)의 특정 구성요소가 본원에서 도시 또는 설명되지 않거나, 단순화된 방식으로 본원에서 도시 및/또는 설명된다.)
임플란트 시스템(200)은 경피 가스 확산 장치(100) 및 이식된 의료 장치(202)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 경피 가스 확산 장치(100)의 상단부(204)가 환자의 피부(S)의 외부 표면(E) 부근에, 바람직하게 외부 표면(E)의 약간 위에 위치되도록, 경피 가스 확산 장치(100)가 적절한 크기를 가질 수 있다. 경피 가스 확산 장치(100)의 하단부는 환자의 피부(S)의 내부 표면(I) 아래에서 연장될 수 있고 이식된 의료 장치(202)에 유체적으로 커플링되며, 그러한 의료 장치는, 예를 들어, 경피 카테터를 사용하지 않고 피부를 통해서 가스를 전달하는 것이 바람직하거나 유리할 수 있는, 피하-이식된 EOC, 피하-이식된 EOG, 이식된 셀 및/또는 조직을 유지하는 피하-이식된 용기, 또는 임의의 다른 피하-이식된 또는 달리 이식된 장치 또는 구조물일 수 있다.
전술한 바와 같이, 경피 가스 확산 장치(100)의 외부 층은 환자의 피부(S)로부터 내측으로의 조직의 내성장을 촉진하여, 면역 세포, 기저막 단백질 진피 콜라겐 번들(basement membrane proteins dermal collagen bundle), 및 혈관을 포함하는, 셀을 포함하는 통합된 구조물을 형성한다. 그에 따라, 통합된 구조물은 감염 방지를 위한 장벽을 형성한다. 도시되지는 않았지만, 조직 내성장은 경피 가스 확산 장치(100)의 중간 층까지 연장되고, 그러한 중간 층은, 조성 및/또는 소공 구조가 바람직하게 셀 침투를 방지하는 재료로 형성된다.
이제 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기 위한 본 발명에 따라 구성된 경피 가스 확산 장치의 제2 실시예의 여러 도면이 도시되어 있고, 그러한 경피 가스 확산 장치는 참조 번호 300으로 전반적으로 표시된다.
경피 가스 확산 장치(300)는 코어 층(301), 외부 층(303), 및 중간 층(305)을 포함할 수 있다. 희망하는 경우에, 예를 들어 코어 층의 교체를 위해서, 코어 층(301)이 중간 층(305) 내로부터 제거될 수 있도록, 경피 가스 확산 장치(300)가 구성될 수 있다는 것을 제외하고, 경피 가스 확산 장치(300)는 대부분의 측면에서 경피 가스 확산 장치(100)와 유사할 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 코어 층(301)은, 예방적 유지보수의 일부로서 규칙적인 기반으로 또는 오염되거나 막혔을 때에만 필요에 따라, 교환될 수 있다.
따라서, 본 실시예에서, 코어 층(301)이 코어 층(301)의 상단부 표면(309)으로부터 짧은 거리로 하향 연장되는 하나 이상의 노치(307)를 포함할 수 있다는 것을 제외하고, 코어 층(301)은 경피 가스 확산 장치(100)의 코어 층(101)과 동일할 수 있다. 노치(307)는, 예를 들어, 상보적으로-성형된 도구를 이용하여, 코어 층(301)을 중간 층(305) 내로부터 제거하는 것을 돕기 위한 크기 및 형상을 가질 수 있다. 중간 층(305)이 중간 층(305)의 상단부 표면(313)으로부터 짧은 거리로 하향 연장되는 하나 이상의 노치(311)를 포함할 수 있다는 것을 제외하고, 중간 층(305)은 경피 가스 확산 장치(100)의 중간 층(105)과 동일할 수 있다. 노치(311)는, 코어 층(301)이 중간 층으로부터 제거되는 동안 중간 층(305)을 정지적으로 유지하기 위해서, 예를 들어, 상보적인-형상의 도구와 상호작용하기 위한 크기 및 형상을 가질 수 있다.
예를 들어 전술한 방식으로 코어 층(301)이 중간 층(305)으로부터 제거되지 않는 한, 코어 층(301), 외부 층(303), 및 중간 층(305)이 서로에 대해서 이동하지 않도록, 경피 가스 확산 장치(300)가 바람직하게 구성된다. 그 이외에, 경피 가스 확산 장치(300)는 경피 가스 확산 장치(100)에 대해서 전술한 것과 유사한 방식으로 이용될 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기 위한 본 발명에 따라 구성된 경피 가스 확산 장치의 제3 실시예의 단면도가 도시되어 있고, 그러한 경피 가스 확산 장치는 참조 번호 400으로 전반적으로 표시된다. (명료함을 위해서, 교차-빗금을 도 4에서 생략하였다.)
경피 가스 확산 장치(400)는 코어 층(401), 외부 층(403), 및 중간 층(405)을 포함할 수 있다. 코어 층(401) 및 중간 층(405)이 나사체결에 의해서 커플링될 수 있도록 그리고 디커플링될(decoupled) 수 있도록, 코어 층(401) 및 중간 층(405)이 교합식으로 상보적으로 나사 결합될 수 있다는 것을 제외하고, 코어 층(401) 및 중간 층(405)은 경피 가스 확산 장치(300)의 코어 층(301) 및 중간 층(305)과 각각 유사할 수 있다. 외부 층(403)은 경피 가스 확산 장치(300)의 외부 층(303)과 동일할 수 있다.
경피 가스 확산 장치(400)는 경피 가스 확산 장치(100)에 대해서 전술한 것과 유사한 방식으로 이용될 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기 위한 본 발명에 따라 구성된 경피 가스 확산 장치의 제4 실시예의 단면도가 도시되어 있고, 그러한 경피 가스 확산 장치는 참조 번호 500으로 전반적으로 표시된다.
경피 가스 확산 장치(500)는 코어 층(501), 외부 층(503), 및 중간 층(505)을 포함할 수 있다. 코어 층(501)이 중간 층(505) 내에서 해제 가능하게 유지될 수 있도록 코어 층(501), 외부 층(503), 및 중간 층(505)이 구성될 수 있다는 것을 제외하고, 코어 층(501), 외부 층(503), 및 중간 층(505)은 경피 가스 확산 장치(101)의 코어 층(100), 외부 층(103), 및 중간 층(105)과 각각 유사할 수 있다. 더 구체적으로, 중간 층(505)은, 그 상단 단부에서, 코어 층(501)을 제 위치에서 유지하기 위해서 코어 층(501)의 상단부 표면(509) 위에서 연장될 수 있는 플랜지(507)를 포함할 수 있다. 코어 층(501) 및/또는 중간 층(505)은, 코어 층(501)의 삽입 및 제거 중에, 충분한 힘이 인가될 때, 코어 층(501)이 플랜지(507)를 지나서 이동되게 할 수 있는 유연한 재료로 제조될 수 있다.
전술한 차이를 제외하고, 경피 가스 확산 장치(500)는 경피 가스 확산 장치(100)에 대해서 전술한 것과 유사한 방식으로 이용될 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기 위한 본 발명에 따라 구성된 경피 가스 확산 장치의 제5 실시예의 단면도가 도시되어 있고, 그러한 경피 가스 확산 장치는 참조 번호 600으로 전반적으로 표시된다.
경피 가스 확산 장치(600)는 대부분의 측면에서 경피 가스 확산 장치(500)와 유사할 수 있고, 2개의 장치 사이의 주요 차이는, 경피 가스 확산 장치(500)가, 1개-단편 구조물일 수 있는, 코어 층(501)을 포함할 수 있는 반면, 경피 가스 확산 장치(600)는, 제거 가능한 코어 층 부분(601) 및 고정된 코어 층 부분(602)을 포함하는 2개-단편 코어 층을 포함할 수 있다는 것이다. 제거 가능한 코어 층 부분(601)은 환자의 신체의 외부를 향해서 배치될 수 있고, 고정된 코어 층 부분(602)은 환자의 신체의 내부를 향해서 배치될 수 있다. 경피 가스 확산 장치(500)의 코어 층(501)과 유사하게, 제거 가능한 코어 층 부분(601)은, 희망할 때, 그 인접 중간 층(505)으로부터 제거될 수 있고, 그 후에, 재삽입되거나 교체될 수 있다. 고정된 코어 층 부분(602)은, 제거 가능한 코어 층 부분 요소(601)가 제거될 때, 이식된 의료 장치의 오염을 방지하는 역할을 할 수 있다.
전술한 차이를 제외하고, 경피 가스 확산 장치(600)는 경피 가스 확산 장치(500)에 대해서 전술한 것과 유사한 방식으로 이용될 수 있다.
도 7 내지 도 9는, 비제한적으로, 피하 전기화학적 가스 발생기 또는 이식된 셀 및/또는 조직을 유지하는 용기와 같은, 임플란트 장치에 대한 기계적으로-강한, 실질적으로 기밀적 연결을 가능하게 하기 위해서 본 발명의 경피 가스 확산 장치 내로 도입될 수 있는 여러 가지 특징부(feature)를 도시한다. 각각의 경우에, 경피 가스 확산 장치의 외부 층이, 부착된 피하 이식 장치의 외측에서 유지되는 한편 연장된 섹션이, 부착된 피하 임플란트 장치의 외부 케이스에 진입하도록, 경피 가스 확산 장치의 코어 층 및/또는 경피 가스 확산 장치의 중간 층이 경피 가스 확산 장치의 외부 층을 넘어서 연장된다.
더 구체적으로, 이제 도 7를 참조하면, 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기 위한 본 발명에 따라 구성된 경피 가스 확산 장치의 제6 실시예의 도면이 도시되어 있고, 그러한 경피 가스 확산 장치는 참조 번호 700으로 전반적으로 표시된다.
경피 가스 확산 장치(700)는 대부분의 측면에서 경피 가스 확산 장치(100)와 유사할 수 있고, 코어 층(101)과 유사한 코어 층(701), 외부 층(103)과 유사한 외부 층(703), 및 중간 층(105)과 유사한 중간 층(705)을 포함할 수 있다. 경피 가스 확산 장치(700)와 경피 가스 확산 장치(100) 사이의 중요한 차이는, 경피 가스 확산 장치(100)의 코어 층(101), 외부 층(103), 및 중간 층(105) 모두가 동일한 길이를 가지고 서로 정렬된 그 각각의 상단부 및 하단부 표면을 가지는 반면, 경피 가스 확산 장치(700)의 중간 층(705)(그리고 선택적으로, 코어 층(701))은 외부 층(703)의 하단부 표면(709)를 넘어서 하향 연장될 수 있다는 것이다. 이러한 방식으로, 중간 층(705)의 노출된 하단부 부분은 피하-이식된 장치의 상보적인-형상의 부분에 교합될 수 있다.
전술한 차이를 제외하고, 경피 가스 확산 장치(700)는 경피 가스 확산 장치(100)에 대해서 전술한 것과 유사한 방식으로 이용될 수 있다.
이제 도 8을 참조하면, 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기 위한 본 발명에 따라 구성된 경피 가스 확산 장치의 제7 실시예의 도면이 도시되어 있고, 그러한 경피 가스 확산 장치는 참조 번호 800으로 전반적으로 표시된다.
경피 가스 확산 장치(800)는 대부분의 측면에서 경피 가스 확산 장치(700)와 유사할 수 있다. 경피 가스 확산 장치(800)와 경피 가스 확산 장치(700) 사이의 중요한 차이는, 경피 가스 확산 장치(700)의 중간 층(705)이 매끄러운 원통형의-관형 형상을 가질 수 있는 반면, 경피 가스 확산 장치(800)는 하나 이상의 리브를 포함하는 중간 층(805)을 포함할 수 있다는 것이다. 중간 층(805)의 그러한 형상은, 마찰 끼워맞춤을 이용하여 피하-이식된 의료 장치에 경피 가스 확산 장치(800)를 연결하는 것을 도울 수 있다.
전술한 차이를 제외하고, 경피 가스 확산 장치(800)는 경피 가스 확산 장치(100)에 대해서 전술한 것과 유사한 방식으로 이용될 수 있다.
이제 도 9를 참조하면, 환자 내의 임플란트로의 및/또는 그로부터의 하나 이상의 가스의 통과를 허용하기 위한 본 발명에 따라 구성된 경피 가스 확산 장치의 제8 실시예의 도면이 도시되어 있고, 그러한 경피 가스 확산 장치는 참조 번호 900으로 전반적으로 표시된다.
경피 가스 확산 장치(900)는 대부분의 측면에서 경피 가스 확산 장치(700)와 유사할 수 있다. 경피 가스 확산 장치(900)와 경피 가스 확산 장치(700) 사이의 중요한 차이는, 경피 가스 확산 장치(900)가 원주방향 홈(907)을 갖는 중간 층(905)을 포함할 수 있는 반면 경피 가스 확산 장치(700)의 중간 층(705)은 그러한 홈을 가지지 않을 수 있다는 것일 수 있다. 홈(907)은, 중간 층(905)이 피하-이식된 의료 장치 상의 피팅(fitting)과 결합될 수 있게 하기 위해서 이용될 수 있다.
전술한 차이를 제외하고, 경피 가스 확산 장치(900)는 경피 가스 확산 장치(100)에 대해서 전술한 것과 유사한 방식으로 이용될 수 있다.
이해될 수 있는 바와 같이, 임플란트 장치에 대한 경피 가스 확산 장치의 부착을 돕기 위해서, 당업자에게 명확할 수 있는 다른 특징부가 전술한 임의의 실시예의 코어 층 및/또는 중간 층에 부가될 수 있다. 그러한 특징부는, 비제한적으로, 나사산, 플랜지, 및/또는 접착제를 포함할 수 있다. 경피 가스 확산 장치의 코어 층 및/또는 중간 층 그리고 임플란트 장치의 케이스가 금속으로 형성되는 경우에, 레이저 용접을 이용하여 경피 가스 확산 장치와 임플란트 장치 케이스 내측부 사이의 접합을 형성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 경피 가스 확산 장치는, 구체적으로, 이식된 장치, 특히 피하 이식된 장치와 신체 외부의 공기 사이의 가스 교환을 가능하게 하도록 설계된다. 이식된 장치는 치료 또는 지원 가스를, 셀 캡슐과 같은 제3 장치에, 또는 직접적으로 신체 내의 위치에 전달하기 위한 전기화학적 장치일 수 있다. 하나의 그러한 전기화학적 장치는 전기화학적 산소 농축기(EOC)이다. EOC는 전해 양극 및 공기 감극(depolarized) 연료 셀 음극을 조합한 하이브리드 셀로서 설명될 수 있고, 양극 격실 및 음극 격실은 비교적 가스-불투과적인 중실 중합체 전해질 막(PEM)에 의해서 분리된다. EOC에서 발생되는 기본적인 반응은 다음과 같다:
(1) 양극(산화: 전자의 손실): 2H2O → 4H+ + 4e- + O2(순수)
(2) 음극(환원: 전자 획득): O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
(3) 순(Net): 음극에서의 O2 희석 → 양극에서의 순수 O2
동작 시에, 전기화학적 셀은, 음극에서 산소를 소비하고 양극에서 생성된 순수 산소를 수집하는 것에 의해서, 산소 농축기로서 작용한다. EOC는 통상적인 전기분해기보다 적은 에너지를 사용하고, 기체 H2를 생성하지 않는다.
EOC가 산소 농축기로서 작용하기 때문에, 이는 음극 단자에서 공기 내의 산소에 접근할 것을 요구한다. 본 발명의 경피 가스 확산 장치는, 최소 감염 위험으로 그리고 오염물질이 EOC의 내부에 도달할 최소의 가능성으로, 산소가 신체 외부의 공기로부터 피부를 통해서 EOC까지 확산하기 위한 경로를 제공한다.
전술한 시나리오에서 EOC는 산소를 신체 내의 셀에 전달하기 위한 것이다. 그러한 셀은 천연 셀일 수 있거나, 막-결합된 캡슐 내에 포함된 셀일 수 있다. 일부 실시예에서, 산소가 가스 격실로 전달되도록 그리고 이어서 가스 격실의 벽을 가로질러 하나 이상의 셀 격실 내로 확산되도록, 그에 따라 셀 임플란트에 보충적 산소를 제공하도록, 다중-챔버 캡슐이 이용될 수 있다. 캡슐 내의 셀 충진 밀도, 셀 질량, 셀 산소 수요, 및 셀 캡슐 주위의 환경 내의 산소 농도에 따라, 봉입된 셀방식 임플란트를 위한 산소 수요가 약 0.1 SCCH(시간당 표준 입방 센티미터) 내지 50 SCCH의 범위일 수 있고, 가장 바람직하게 약 0.5 SCCH 내지 10 SCCH일 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 공기로부터 경피 가스 확산 장치를 통한 산소의 플럭스(flux)가 셀 임플란트의 산소 요건에 합치되도록, 본 발명의 경피 가스 확산 장치의 가스-투과성 코어의 투과도 또는 소공도, 그리고 직경이 선택되어야 한다. 다시 말해서, EOC가, 효과적으로, 산소 발생기가 아니라 산소 농축기이기 때문에, 경피 가스 확산 장치의 설계는, EOC에 의해서 전달되는 산소의 부피와 적어도 동일한, 피부를 통한 산소의 확산 또는 대류를 허용하여야 한다.
이제 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 본 발명에 따라 구성된 임플란트 시스템의 제2 실시예의 도면이 도시되어 있고, 그러한 임플란트 시스템은 참조 번호 1000으로 전반적으로 표시되어 있다. (간결함 및 명료함을 위해서, 본 발명의 이해에 중요하지 않은 임플란트 시스템(1000)의 특정 구성요소가 본원에서 도시 또는 설명되지 않거나, 단순화된 방식으로 본원에서 도시 및/또는 설명된다.)
임플란트 시스템(1000)은 경피 가스 확산 장치(1001)를 포함할 수 있다. 경피 가스 확산 장치(1001)는 경피 가스 확산 장치(700)와 동일할 수 있고, 코어 층(701)과 동일한 코어 층(1003), 외부 층(703)과 동일한 외부 층(1005), 및 중간 층(705)과 동일한 중간 층(1007)을 포함할 수 있다.
임플란트 시스템(1000)은 EOC(1010)를 더 포함할 수 있다. EOC(1010)는 다시 상단부 하우징(1014), 소수성 막(1015), 음극(1016), 막 전극 조립체(1017), 양극(1018) 및 하단부 하우징(1019)을 포함할 수 있다.
경피 가스 확산 장치(1001)는 상단부 하우징(1014)에 고정될 수 있다. 상단부 하우징(1014)은 다양한 재료 중 임의의 재료로 제조될 수 있다. 상단부 하우징(1014)을 위한 바람직한 재료가, 티타늄 또는 스테인리스 강과 같은 임플란트-등급 금속, 세라믹, 및 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)과 같은 플라스틱을 포함할 수 있다. 경피 가스 확산 장치(1001)에 침투할 수 있는 임의의 오염물질로부터의 전기화학적 성분의 추가적인 보호부로서, 소수성 막(1015)이 경피 가스 확산 장치(1001) 및 상단부 하우징(1014)과, 음극(1016) 사이에 배치될 수 있다. 음극(1016)은, 양극 반응 및 음극 반응의 촉매 작용을 하는, 막 전극 조립체(1017)와 접촉 배치될 수 있다. 양극(1018)은 막 전극 조립체(1017)와 하단부 하우징(1019) 사이에 배치될 수 있다. 농축된 산소가, 양극(1018) 부근에 위치되고 표준 기계적 수단을 이용하여 EOC에 부착되는 내강(lumen) 또는 관(1020)을 통해서 EOC의 외부로 이송될 수 있다. 도 10b에서 가장 잘 확인되는 바와 같이, 경피 가스 확산 장치(1001)의 외부 층(1005)은 상단부 하우징(1014)의 상단부 표면까지만 연장되는 반면, 코어 층(1003) 및 중간 층(1007)은 상단부 하우징(1014)의 하단부 표면까지 통과하여 연장된다. 이러한 구성에서, 경피 가스 확산 장치(1001)는, 마찰 끼워맞춤 또는 레이저 용접과 같은 기계적 수단을 이용하여, 또는 접착제에 의해서 상단부 하우징(104)에 연결될 수 있다.
본 발명의 경피 가스 확산 장치와 짝을 이룰 수 있는 전기화학적 장치의 다른 예는 물 전기분해기이다. 이식된 전기분해기는 신체로부터 수증기를 획득하고, 분리된 산소 및 수소 가스 스트림을 생성한다. 생성되는 가스가 신체에 직접적으로 전달될 수 있거나, 셀방식 임플란트 또는 조직 임플란트를 포함하는 캡슐에 전달될 수 있다. 전기분해기는 1:2의 몰비로 산소 및 수소를 각각 생산한다. 하나의 가스 스트림만이 처치를 위해서 요구되는 경우에, 원치 않는 가스가 피부를 통해서 빠져 나갈 수 있게 하는 것이 유리하다. 이러한 접근방식은, 최종적인 제거를 위해서 폐가스를 신체에 안전하게 전달하기 위한 시스템에서 달리 필요로 할 수 있는, 공간을 절감한다.
이제 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 본 발명에 따라 구성된 임플란트 시스템의 제3 실시예의 도면이 도시되어 있고, 그러한 임플란트 시스템은 참조 번호 1100으로 전반적으로 표시되어 있다. (간결함 및 명료함을 위해서, 본 발명의 이해에 중요하지 않은 임플란트 시스템(1100)의 특정 구성요소가 본원에서 도시 또는 설명되지 않거나, 단순화된 방식으로 본원에서 도시 및/또는 설명된다.)
임플란트 시스템(1100)은 경피 가스 확산 장치(1101)를 포함할 수 있다. 경피 가스 확산 장치(1101)는 경피 가스 확산 장치(900)와 동일할 수 있고, 코어 층(701)과 동일한 코어 층(1103), 외부 층(703)과 동일한 외부 층(1105), 및 중간 층(905)과 동일한 중간 층(1107)을 포함할 수 있다.
임플란트 시스템(1100)은, 신체에 또는 셀 임플란트에 산소를 전달하도록 구성된 전기분해기(1109)를 더 포함할 수 있다. 전기분해기(1109)는 다시 상단부 하우징(1114), O-링(1115), 혈관생성 막(1116), 소수성 막(1117), 음극(1118), 막 전극 조립체(1119), 양극(1120) 및 하단부 하우징(1121)을 포함할 수 있다.
경피 가스 확산 장치(1101)는, 혈관생성 막(1116)이 피하 공간 내의 조직과 접촉될 수 있게 하는 개구부(1122)를 가질 수 있는 상단부 하우징(1114)에 고정된다. 혈관생성 막(1116)의 구조는 막 표면에 근접한 혈관의 성장을 촉진하고 이질적 본체 응답을 감소시킨다. 소수성 막(1117)은 혈관생성 막(1116)과 음극(1118) 사이에 배치될 수 있고, 비-휘발성 화합물이 음극(1118) 또는 막 전극 조립체(1119)와 상호작용하는 것을 방지하는 기능을 할 수 있다. 양극(1120)에서 생성된 산소는, 양극(1120) 부근에 배치되고 표준 기계적 수단을 이용하여 시스템에 연결될 수 있는 관(1123)을 통해서 전기분해기(1109)를 빠져나간다. 하단부 하우징(1121)은 상단부 하우징(1114)과 교합되어 장치를 밀봉한다. 홀(1124)이 혈관생성 막(1116)의 중심에 제공되어, 음극(1118)에서 생성된 폐수소(waste hydrogen)가 경피 가스 확산 장치(1101)의 코어 층(1103)을 통과하게 할 수 있다. O-링(1115)은 혈관생성 막(1116) 내의 홀(1124) 주위에서 밀봉부를 형성한다. 도 11b는, 경피 가스 확산 장치(1101)의 외부 층(1105)이 상단부 하우징(1114)의 상부 표면까지만 연장되는 반면, 경피 가스 확산 장치(1101)의 코어 층(1103) 및 중간 층(1107)은 상단부 하우징(1114)을 통과하여 연장된다. 경피 가스 확산 장치(1101)를 전기분해기(1109)에 접합시키는 것은, 마찰 끼워맞춤 또는 레이저 용접과 같은 기계적 수단을 이용하여, 또는 접착제에 의해서 달성될 수 있다.
이해될 수 있는 바와 같이, 임플란트 시스템(1100)에서, 경피 가스 확산 장치(1101)는 수소 가스가 신체를 떠날 수 있게 하는 기능을 한다. 전기분해에 필요한 물은 전기분해기 하우징 내의 개구부를 통해서 진입한다. 일련의 수증기 획득 막은 간질액 및 혈액에서 발견되는 비휘발성 화합물로부터 전기분해기를 보호한다. 상단부 하우징(1114) 내의 구조적 요소는 음극(1118)과 막 전극 조립체(1119) 사이에서 접촉을 유지하기 위한 그리고 경피 가스 확산 장치(1101)를 상단부 하우징(1114)에 부착하는 수단을 제공하기 위한 두 가지 작용을 한다.
치료 체제의 일부로서, 수소를 신체에 전달하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우에, 전기분해기에 의해서 생성된 수소가 이식된 가스 확산기 시스템으로 이송될 것이고, 산소는 본 발명의 경피 가스 확산 장치를 통해서 제거될 것이다. 그러한 임플란트 시스템의 예가 도 12a 및 도 12b에 도시되어 있고, 참조 번호 1200으로 전반적으로 표시되어 있다.
임플란트 시스템(1200)은 경피 가스 확산 장치(1201)를 포함할 수 있다. 경피 가스 확산 장치(1201)는 경피 가스 확산 장치(1101)와 동일할 수 있고, 코어 층(701)과 동일한 코어 층(1203), 외부 층(703)과 동일한 외부 층(1205), 및 중간 층(905)과 동일한 중간 층(1207)을 포함할 수 있다.
임플란트 시스템(1200)은, 신체에 수소를 전달하도록 구성된 전기분해기(또는 EOG)(1209)를 더 포함할 수 있다. EOG(1209)는 다시 상단부 하우징(1214), 양극(1215), 막 전극 조립체(1216), 음극(1217), 소수성 막(1218), 혈관생성 막(1219), 및 하단부 하우징(1220)을 포함할 수 있다.
경피 가스 확산 장치(1201)는 상단부 하우징(1214)에 부착될 수 있다. 막 전극 조립체(1216)는 양극(1215)과 음극(1217) 사이에 배치될 수 있다. 수소는, 투과성 실리콘 배관의 네트워크와 같은 이식된 가스 확산기에 전달하기 위한 관(1221)으로 지향될 수 있다. 전기화학적 장치의 음극측에서 물 획득 시스템을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 하단부 하우징(1220)은, 피하 조직이 혈관생성 막(1219)과 접촉될 수 있게 하는 개구부(1222)를 특징으로 할 수 있다. 소수성 막(1218)은, 비휘발성 재료가 양극(1215), 음극(1217), 또는 막 전극 조립체(1216)와 접촉될 수 없게 보장할 수 있다. 도 12b에 가장 잘 도시된 바와 같이, 경피 가스 확산 장치(1201)의 외부 층(1205)이 상단부 하우징(1214)의 상부 표면까지만 연장될 수 있는 반면, 경피 가스 확산 장치(1201)의 코어 층(1203) 및 중간 층(1207)은 상단부 하우징(1214)을 통해서 연장된다. 경피 가스 확산 장치(1201)를 EOG에 접합시키는 것은, 마찰 끼워맞춤 또는 레이저 용접과 같은 기계적 수단을 이용하여, 또는 접착제에 의해서 달성될 수 있다.
도 13은, 경피 가스 확산 장치(100)의 외부 층(103)으로서 이용될 수 있는 관의 주사전자현미경 사진이다. 이러한 관은, 공극 직경 및 연결 소공 모두의 정밀한 제어를 특징으로 하는 실리콘 STAR® 생체 재료, 구체-형판형 재료(sphere-templated material) (Healionics Corp., Seattle, WA)로부터 제조된다. 묘사된 재료의 대략적인 치수는 예시적인 것이고 상이한 적용예들의 요건을 충족시키기 위해서 적용될 수 있다: OD 2.7 mm; ID 2.4 mm; 벽 두께 250 ㎛.
이하의 실시예는 단지 예시를 위해서 제공된 것이고 본 발명의 범위를 어떠한 방식으로도 제한하기 위한 것은 아니다.
실시예 1: 가스-투과성 코어를 통한 EOC 기능의 입증
최소 1 SCCH(시간당 표준 입방 센티미터) O2를 생성하기 위한 가스-투과성 코어를 통한 충분한 산소의 확산이 실험실의 EOC를 이용하여 입증되었다. 소공 크기가 3 ㎛인 POREX® BM50 소결 PTFE(Porex Corporation, Fairburn, GA)가 이러한 실험을 위한 가스-투과성 코어 재료로서 이용되었다. EOC의 내부 구성요소를 보호하기 위해서, EOC의 공기 유입구 포트가 먼저 127 ㎛ 두께의 실리콘 막으로 덮였다. 실리콘은 성능에 영향을 미치지 않도록 충분히 산소-투과적이었다. POREX® 필터 재료의 7 mm 직경, 2 mm 높이의 실린더가 EOC 상의 하나의 유입구 홀 위의 실리콘 막에 부착되었다. 이어서, 피부 유사물(simulant)(발리스틱스 젤(ballistics gel): 탈이온수 내의 12% 젤라틴)이 EOC의 표면 위에 주조되었고, POREX® 필터 재료의 상단부만을 노출시켰다.
장치는 각각의 구성에 대해서 1.6 mA에서 최소 20시간 동안 작동되었다. 효율의 표시인 전압은, 양 구성에 대해서 약 18시간에서 정점에 도달하였고 약 0.8 V에서 안정적으로 유지되었고(도 14a), 이는 EOC에 대한 수용 기준 이내이다. 양 구성에 대한 산소 유동은 약 1.2 SCCH에서 안정화되었다(도 14b). 가스-투과성 코어를 갖는 장치와 제어 사이의 성능 차이는 크지 않았다. 안정적 전압은, POREX® 필터 재료의 거의 모든 상부 표면이 피부 유사물로 덮였을 때, 가스-확산 코어를 통해서 충분한 산소가 EOC에서 이용될 수 있었다는 것을 나타낸다.
전술한 본 발명의 실시예는 단지 예시적인 것이고, 당업자는 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고도 그에 대한 수많은 변경 및 수정을 할 수 있을 것이다. 그러한 변경 및 수정 모두는 첨부된 청구항에서 규정된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 포함될 것이다.

Claims (36)

  1. 경피 가스 확산 장치이며:
    (a) 길이, 하단부, 및 둘레부를 갖고, 가스-투과성 및 액체-불투과성인, 코어 층; 및
    (b) 코어 층의 길이의 적어도 일부에 대해서 코어 층의 둘레부를 둘러싸고, 조직-통합 재료를 포함하는 외부 층을 포함하는, 경피 가스 확산 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    코어 층이 개방형-소공 구조를 갖는, 경피 가스 확산 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    코어 층이 0.22 ㎛ 이하의 소공 직경을 갖는, 경피 가스 확산 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    코어 층이 폐쇄형-소공 구조를 갖는, 경피 가스 확산 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    코어 층이 비소공성의 중실형 재료인, 경피 가스 확산 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    코어 층이, 소공성 중합체, 비-소공성 가스-투과성 재료, 개방형-셀 세라믹 포옴, 및 소공성 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하는, 경피 가스 확산 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    코어 층의 적어도 하나의 재료가 소수성 중합체로 처리되는, 경피 가스 확산 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    코어 층이 원통형 형상인, 경피 가스 확산 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    코어 층이 5 mm 이하의 직경 및 1.2 내지 10 mm의 길이를 갖는, 경피 가스 확산 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    코어 층이 1 mm 이하의 직경 및 2 내지 5 mm의 길이를 갖는, 경피 가스 확산 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    외부 층의 조직-통합 재료는, 개방형-셀 실리콘 포옴, 패터닝된 미소공성 재료, 개방형-셀 우레탄 포옴, 소결 중합체 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 소공성의 생체적합 재료인, 경피 가스 확산 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    외부 층이 0.2 내지 1.0 mm의 두께 및 1.2 내지 2.0 mm의 길이를 갖는, 경피 가스 확산 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    외부 층이 길이를 갖고, 외부 층의 길이는 코어 층의 길이와 합치되는, 경피 가스 확산 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    외부 층이 하단부를 갖고, 코어의 하단부는 외부 층의 하단부를 넘어서 하향 연장되는, 경피 가스 확산 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    코어 층이 외부 층에 고정적으로 커플링되는, 경피 가스 확산 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    코어 층이 외부 층에 제거 가능하게 커플링되는, 경피 가스 확산 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    코어 층의 일부가 외부 층에 고정적으로 커플링되고, 코어 층의 일부가 외부 층에 제거 가능하게 커플링되는, 경피 가스 확산 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    중간 층을 더 포함하고, 중간 층이 코어 층과 외부 층 사이에 배치되는, 경피 가스 확산 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    중간 층은, 외부 층으로부터 코어 층 내로 조직이 침투하는 것을 방지하는 장벽을 포함하는, 경피 가스 확산 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    중간 층은 장벽을 포함하고, 상기 장벽은 외부 층으로부터 코어 층 내로 조직이 침투하는 것을 방지하는 그리고 코어 층으로부터 외부 층 내로의 가스의 확산을 감소시키는, 경피 가스 확산 장치.
  21. 제18항에 있어서,
    중간 층이 하단부를 갖고, 외부 층이 하단부를 갖고, 중간 층의 하단부는 외부 층의 하단부를 넘어서 하향 연장되는, 경피 가스 확산 장치.
  22. 제18항에 있어서,
    코어 층 및 중간 층 중 적어도 하나가, 코어 층의 적어도 일부를 중간 층에 제거 가능하게 커플링시키는 것을 허용하도록 구성되는, 경피 가스 확산 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    코어 층이 도구와의 결합을 위해서 구성된 적어도 하나의 노치를 포함하는, 경피 가스 확산 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    중간 층이 도구와의 결합을 위해서 구성된 적어도 하나의 노치를 포함하는, 경피 가스 확산 장치.
  25. 제22항에 있어서,
    코어 층 및 중간 층이 교합 나사산을 갖는, 경피 가스 확산 장치.
  26. 제22항에 있어서,
    중간 층은 임플란트 장치에 대한 커플링을 위해서 성형된 하단부 부분을 포함하는, 경피 가스 확산 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    중간 층의 하단부 부분이 적어도 하나의 리브를 포함하는, 경피 가스 확산 장치.
  28. 제26항에 있어서,
    중간 층의 하단부 부분이 원주방향 홈을 포함하는, 경피 가스 확산 장치.
  29. 임플란트 시스템이며:
    (a) 가스 유입구 및 가스 배출구 중 적어도 하나를 포함하는 임플란트 장치;
    (b) 임플란트 장치의 가스 유입구 및 가스 배출구 중 하나와 유체적으로 커플링되는 경피 가스 확산 장치를 포함하고,
    상기 경피 가스 확산 장치는
    i. 가스-투과성 및 액체-불투과성의 코어 층; 및
    ii. 코어 층의 길이의 적어도 일부에 대해서 코어 층의 둘레부를 둘러싸고, 조직-통합 재료를 포함하는, 외부 층을 포함하는, 임플란트 시스템.
  30. 제29항에 있어서,
    임플란트 장치는 이식된 셀 및 이식된 조직 중 적어도 하나를 유지하기 위한 피하 용기이고, 피하 용기는 산소 유입구를 포함하고, 경피 가스 확산 장치는 산소 유입구에 유체적으로 커플링되는, 임플란트 시스템.
  31. 제29항에 있어서,
    임플란트 장치가 피하 전기화학적 산소 농축기이고, 피하 전기화학적 산소 농축기는 공기 유입구를 포함하며, 경피 가스 확산 장치는 공기 유입구에 유체적으로 커플링되는, 임플란트 시스템.
  32. 제29항에 있어서,
    임플란트 장치가 피하 물 전기분해기이고, 피하 물 전기분해기는 산소 배출구 및 수소 배출구를 포함하는, 임플란트 시스템.
  33. 제32항에 있어서,
    경피 가스 확산 장치가 산소 배출구에 유체적으로 커플링되는, 임플란트 시스템.
  34. 제32항에 있어서,
    경피 가스 확산 장치가 수소 배출구에 유체적으로 커플링되는, 임플란트 시스템.
  35. 제29항에 있어서,
    임플란트 장치가, 전기화학적 산소 농축기 모드 및 전기화학적 산소 발생기 모드로 교번적으로 동작될 수 있는 피하 전기화학적 셀인, 임플란트 시스템.
  36. 방법이며:
    (a) 제35항의 임플란트 시스템을 제공하는 단계;
    (b) 임플란트 시스템을 환자 내에 이식하는 단계;
    (c) 이어서, 임플란트 시스템을 전기화학적 산소 농축기 모드에서 동작시키는 단계로서, 그에 의해서 오염물질이 경피 가스 확산 장치의 코어 층을 오염시키는, 단계; 및
    (d) 이어서, 경피 가스 확산 장치의 코어 층으로부터 오염물질을 배출하기 위해서, 임플란트 시스템을 전기화학적 산소 발생기 모드에서 동작시키는 단계를 포함하는, 방법.
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