PL230643B1

PL230643B1 - Proteza tchawicy oraz sposob jej wytwarzania

Info

Publication number: PL230643B1
Application number: PL416899A
Authority: PL
Inventors: Marek Kołodziejczyk; Marek Kolodziejczyk; Teresa Pankiewicz; Przemysław Rytczak; Przemyslaw Rytczak; Karolina Ludwicka; Stanisław Bielecki; Stanislaw Bielecki
Original assignee: Politechnika Lodzka
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2018-11-30
Also published as: EP3235523B1; EP3235523A1; PL416899A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest proteza tchawicy w kształcie odcinka przewodu rurowego o średnicy wewnętrznej równej średnicy wnętrza tchawicy ludzkiej, charakteryzuje się tym, że jej ścianki zawierają pierścienie z merceryzowanej bionanocelulozy otrzymanej w hodowli bakterii Gluconacetobacter xylinus, stanowiące szkielet protezy, który jest zarośnięty błoną z bionanocelulozy natywnej otrzymanej w drodze hodowli bakterii Gluconacetobacter xylinus. Zgłoszenie zawiera też sposób wytwarzania protezy tchawicy określonej powyżej, z bionanocelulozy otrzymanej w drodze hodowli produkcyjnej stacjonarnej szczepu bakterii Gluconacetobacter xylinus, polega na tym, że najpierw w drodze hodowli bakterii wytwarza się konstrukt z bionanocelulozy natywnej, w kształcie walca, w którym wykonuje się koncentryczny, przelotowy otwór o średnicy równej średnicy wnętrza tchawicy ludzkiej i następnie poddaje konstrukt merceryzacji, po czym z wytworzonego w ten sposób szkieletu protezy z bionanocelulozy merceryzowanej, o charakterze chrząstki wycina się pierścienie, które z kolei połączone lub nie połączone, usytuowane jeden nad drugim, po ich sterylizacji, poddaje się zarośnięciu bionanocelulozą natywną, po czym wyjmuje się zarośnięte bionanocelulozą natywną pierścienie z bioreaktora i poddaje wytworzoną w ten sposób protezę procesowi oczyszczania.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest proteza tchawicy oraz sposób jej wytwarzania. Proteza według wynalazku, wykonana z bionanocelulozy, jest przeznaczona do odtworzenia części naturalnej tchawicy.

Z opisu patentowego PL 216702 jest znany sposób wytwarzania biomateriału o właściwościach chrząstki, przeznaczonego na implanty dla chirurgii rekonstrukcyjno-odtwórczej do odtworzenia między innymi tchawicy, z celulozy mikrobiologicznej wytworzonej w hodowli stacjonarnej bakterii Gluconacetobacterxylinus na podłożu produkcyjnym zawierającym glukozę, ekstrakt drożdżowy, pepton, MgSO4 x 7 H2O, Na2HPO4, kwas cytrynowy, etanol i wodę destylowaną, i oczyszczonej w drodze płukania w gorącej wodzie wodociągowej, gotowania z 1% wodnym roztworem ługu sodowego lub działania 1-2% wodnym roztworem ługu sodowego w temperaturze pokojowej, płukania w wodzie wodociągowej, działania 1% roztworem wodnym kwasu octowego i ponownego płukania najpierw wodą wodociągową w końcu wodą destylowaną, w którym celulozę wytwarza się w drodze hodowli bakterii w płaskim bioreaktorze lub w rurkach polietylenowych, po czym wytworzoną i oczyszczoną celulozę modeluje się w konstrukcję przestrzenną o żądanym kształcie i poddaje modyfikacji polegającej na działaniu 30% wodnym roztworem ługu sodowego w czasie do 24 godzin w temperaturze pokojowej, płukaniu w wodzie destylowanej, następnie działaniu 10% wodnym roztworem kwasu octowego w czasie co najmniej godziny i powtórnym płukaniu w wodzie destylowanej aż do uzyskania przez materiał celulozowy pH 5,6-6,8.

Z opisu patentowego PL 220652 jest znany sposób wytwarzania trwałego kompozytu bionanocelulozy bakteryjnej z perforowanym materiałem polimerowym lub metalowym, przeznaczonego do rekonstrukcji tkanek miękkich i twardych, polegający na umieszczeniu sterylnego, perforowanego materiału polimerowego lub metalowego w pożywce hodowli produkcyjnej szczepu bakterii Gluconacetobacter xylinus zawierającej 20 części wagowych glukozy, 5 części wagowych ekstraktu drożdżowego, 5 części wagowych peptonu, 2,5 części wagowych MgSO4 x 7 H2O, 2,7 części wagowych Na2HPO4, 1,15 części wagowych kwasu cytrynowego, 10 części wagowych etanolu, do 1000 części wagowych wody destylowanej, zaszczepionej inokulum tych bakterii wyhodowanym na podłożu inokulamym o takim samym składzie i prowadzeniu stacjonarnej hodowli produkcyjnej tych bakterii w temperaturze 27-33°C aż do połączenia materiału polimerowego lub metalowego z błoną bionanocelulozową na całej jego powierzchni. Hodowlę bakterii prowadzi się w bioreaktorze o ściankach pochylonych pod kątem 90-30° w stosunku do jego podstawy. Perforowany materiał polimerowy lub metalowy przeznaczony do połączenia z błoną bionanocelulozy, zawiesza się w bioreaktorze pionowo tak, aby jego dolna krawędź znajdowała się na równi z powierzchnią pożywki do momentu wytworzenia się pierwszych warstw bionanocelulozy, po czym w kolejnych dniach hodowli materiał stopniowo opuszcza się w głąb pożywki aż do przerośnięcia go, na całej jego powierzchni, bionanocelulozą, następnie materiał przerośnięty błoną bionanocelulozy wyjmuje się z bioreaktora, wykrawa z nadmiaru błony, prasuje do wymaganej grubości, pakuje i sterylizuje.

Z czasopisma Biomaterials, 2009, 30, 4117-4126 znane są próby wytwarzania protezy tchawicy przy użyciu materiału tkankowego.

W opisie patentowym PL 148980 ujawniono protezę drzewa oskrzelowego, wykonaną z rury z niereaktywnego elastycznego tworzywa sztucznego, zbrojoną nierdzewnym drutem stalowym wtopionym w tworzywo w postaci śrubowych zwojów.

Natomiast w opisie zgłoszenia patentowego EP 1245201 ujawniono sztuczną tchawicę zawierającą rurę składającą się z dwóch warstw zgrzanego polipropylenu, pomiędzy którymi znajdują się zwoje z włókien bezpostaciowych kolagenu uzyskane w drodze elektrospinningu.

Z czasopisma Otolaryngologia Polska, 2009, 63(3), s. 303-305 jest znana próba rekonstrukcji, w warunkach eksperymentalnych, tchawicy kompozytowym materiałem węglowym.

Proteza tchawicy z bionanocelulozy otrzymanej w drodze hodowli produkcyjnej stacjonarnej bakterii Gluconacetobacterxylinus, w kształcie odcinka przewodu rurowego o średnicy wewnętrznej równej średnicy wnętrza tchawicy ludzkiej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że jej ścianki zawierają pierścienie z merceryzowanej bionanocelulozy otrzymanej w hodowli bakterii Gluconacetobacter xylinus, o charakterze chrząstki, o wysokości 7-10 mm, usytuowane w odległości od siebie 4-7 mm, stanowiące szkielet protezy, który jest zarośnięty błoną z bionanocelulozy natywnej otrzymanej w drodze hodowli bakterii Gluconacetobacter xylinus.

PL 230 643 B1

Sposób wytwarzania protezy tchawicy określonej powyżej, z bionanocelulozy otrzymanej w drodze hodowli produkcyjnej stacjonarnej szczepu bakterii Gluconacetobacterxylinus, na podłożu produkcyjnym zawierającym 20 części wagowych glukozy, 5 części wagowych ekstraktu drożdżowego, 5 części wagowych peptonu, 2,5 części wagowych MgSO4 x 7 H2O, 2,7 części wagowych Na2HPO4, 1,15 części wagowych kwasu cytrynowego, 10 części wagowych etanolu, do 1000 części wagowych wody destylowanej, zaszczepionym inokulum tych bakterii przechowywanym na podłożu inokularnym o takim samym składzie, w temperaturze 30°C w czasie 3-28 dni i następnie merceryzowanej w wodnym roztworze wodorotlenku sodu, z wykorzystaniem procesu zarastania błoną bionanocelulozy natywnej materiału zawieszonego pionowo w bioreaktorze o ściankach nachylonych w stosunku do jego podstawy, zawierającym podłoże hodowli produkcyjnej szczepu bakterii Gluconacetobacter xylinus o powyższym składzie i opuszczanego stopniowo w głąb podłoża w kolejnych dniach prowadzenia hodowli bakterii w warunkach podanych powyżej, w miarę narastania warstw bionanocelulozy natywnej na powierzchni pożywki, aż do zarośnięcia zawieszonego materiału błoną bionanocelulozy na całej powierzchni, według wynalazku charakteryzuje się tym, że najpierw w drodze hodowli bakterii wytwarza się konstrukt z bionanocelulozy natywnej, w kształcie walca o średnicy zewnętrznej 3-8 cm, w którym wykonuje się koncentryczny, przelotowy otwór o średnicy równej średnicy wnętrza tchawicy ludzkiej i następnie poddaje konstrukt merceryzacji, po czym z wytworzonego w ten sposób szkieletu protezy z bionanocelulozy merceryzowanej, o charakterze chrząstki wycina się pierścienie o wysokości 7-10 mm, które z kolei połączone lub nie połączone, usytuowane jeden nad drugim w odległości od siebie równej 4-7 mm, po ich sterylizacji, poddaje się zarośnięciu bionanocelulozą natywną w procesie opuszczania kolejnych pierścieni w głąb pożywki umieszczonej w bioreaktorze o ściankach pochyłych względem jego podstawy, w kolejnych dniach hodowli bakterii, po czym wyjmuje się zarośnięte bionanocelulozą natywną pierścienie z bioreaktora, wycina w wytworzonym w ten sposób konstrukcie przelotowy, koncentryczny otwór o średnicy mniejszej o 2-3 mm od średnicy wrośniętych w bionanocelulozę pierścieni i poddaje wytworzoną w ten sposób protezę procesowi oczyszczania. Konstrukt z bionanocelulozy natywnej w kształcie walca otrzymuje się w drodze hodowli produkcyjnej bakterii w kolbie szklanej o ściankach bocznych nachylonych w stosunku do dna pod kątem 10-80°, której średnica szyjki jest równa 3-8 cm, zaś wysokość warstwy pożywki od dna kolby do miejsca tworzenia się błony bionanocelulozy jest równa 8-30 cm. Konstrukt z bionanocelulozy natywnej poddaje się merceryzacji po umieszczeniu w wydrążonym w nim otworze szklanej rurki o średnicy równej średnicy wnętrza tchawicy, przy czym merceryzację prowadzi się 20-30% roztworem wodnym wodorotlenku sodu w czasie 24 godzin w temperaturze pokojowej. Pierścienie wycięte z konstruktu z bionanocelulozy natywnej czyli szkieletu protezy poddaje się, przed poddaniem ich zarastaniu bionanocelulozą natywną, sterylizacji termicznej w temperaturze 121°C w czasie 20 minut pod ciśnieniem 1013 hPa. Pierścienie wycięte ze szkieletu protezy poddaje się zarastaniu bionanocelulozą natywną w bioreaktorze o ściankach pochylonych pod kątem 10-80° w stosunku do jego podstawy, przy czym przed rozpoczęciem hodowli opuszcza się je w głąb reaktora aż do zetknięcia się dolnego pierścienia z powierzchnią pożywki. Proces oczyszczania wytworzonej protezy polega kolejno na płukaniu w gorącej wodzie wodociągowej, traktowaniu 1% wodnym roztworem wodorotlenku sodu w temperaturze 100°C w czasie 1 godziny lub 1-2% wodnym roztworem tego wodorotlenku w czasie 20-24 godziny w temperaturze pokojowej, płukaniu w wodzie wodociągowej, traktowaniu 1% roztworem wodnym kwasu octowego w czasie 20-24 godziny, ponownym płukaniu w wodzie wodociągowej, płukaniu w wodzie destylowanej i w końcu odciśnięciu kompozytu z nadmiaru wody do uzyskania grubości jego ścianki 2-3 mm. Następnie protezę pakuje się i sterylizuje.

Proteza według wynalazku stanowi kompozyt z bionanocelulozy przekształconej w materiał o charakterze chrząstki, nie wykazującej szorstkości i połączonej z nią trwale bionanocelulozy natywnej, stanowiący jakościowo nowy, innowacyjny, biozgodny produkt w kształcie rury, o średnicy tchawicy ludzkiej, przeznaczony do zastąpienia części naturalnej tchawicy, zmienionej w wyniku urazu lub choroby. Potrzeba zaopatrzenia ubytków w tchawicy lub częściowe/całkowite jej protezowanie, wynika najczęściej z wad wrodzonych, urazów mechanicznych jakim ulega ten narząd, lub chorób - najczęściej nowotworowych nieoperacyjnych.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zdjęcia konstruktu z bionanocelulozy merceryzowanej, z którego wycina się pierścienie stanowiące szkielet protezy, fig. 2 zdjęcia kolejnych etapów zarastania pierścieni z bionanocelulozy merceryzowanej bionanocelulozą natywną, zaś fig. 3 zdjęcia gotowej protezy tchawicy, zawierającej pierścienie z bionanocelulozy merceryzowanej o charakterze chrząstki, zarośnięte błoną z bionanocelulozy natywnej.

PL 230 643 B1

P r z y k ł a d.

Wykonano protezę tchawicy w kształcie odcinka przewodu rurowego o średnicy zewnętrznej 4,5 cm i długości 11 cm i średnicy wewnętrznej równej średnicy wnętrza tchawicy ludzkiej. Szkielet ścianek protezy stanowiły pierścienie 1 z merceryzowanej bionanocelulozy otrzymanej w hodowli bakterii Gluconacetobacter xylinus, o charakterze chrząstki, o wysokości 7 mm, usytuowanych w odległości od siebie 7 mm i pierścienie te były zarośnięte błoną 2 z bionanocelulozy natywnej otrzymanej w drodze hodowli bakterii Gluconacetobacter xylinus.

Protezę tę wykonano w następujący sposób: Podłoże inokularne o składzie w częściach wagowych: 20 części glukozy, 5 części ekstraktu drożdżowego, 5 części peptonu, 2,5 części MgSO4 x 7 H2O, 2,7 części Na2HPO4, 1,15 części kwasu cytrynowego, 10 części etanolu i woda destylowana do 1000 części zaszczepiono 5% (v/v) zawiesiny bakterii Gluconacetobacter xylinum (5x10⁷ jtk/ml), przechowywanych na tymże podłożu 7 dni w temperaturze 4°C, i hodowano inokulum w czasie 2 dni w temperaturze 30°C. Wyhodowanym inokulum bakterii zaszczepiono podłoże produkcyjne o tym samym składzie, stosując 5% zawiesiny (v/v) i 10 części etanolu, preinkubowano całą objętość 1 dobę w temperaturze 30°C, po czym przeniesiono zaszczepione podłoże do kolby szklanej o ściankach bocznych nachylonych w stosunku do dna pod kątem 25°, której średnica szyjki była równa 4,5 cm. Wysokość podłoża od dna kolby do miejsca tworzenia się błony bionanocelulozy była równa 11 cm. Hodowlę prowadzono w warunkach stacjonarnych, w temperaturze 30°C w czasie 28 dni. W uformowanym w tych warunkach konstrukcie z bionanocelulozy, w kształcie walca o wysokości długości 11 cm i średnicy 4,5 cm wytworzono wykrojnikiem koncentrycznym przelotowy otwór o średnicy równej średnicy wnętrza tchawicy ludzkiej i po umieszczeniu w wydrążonym konstrukcie szklanej rurki o średnicy równej średnicy wnętrza tchawicy, poddano konstrukt merceryzacji 20% roztworem wodnym wodorotlenku sodu w czasie 24 godzin. W wyniku procesu merceryzacji otrzymano rurkę z bionanocelulozy merceryzowanej o charakterze chrząstki, z której wycięto pierścienie o szerokości 7 mm.

W bioreaktorze szklanym o ściankach pochylonych w stosunku do jego dna pod kątem 75° umieszczono konstrukcję do zawieszenia pierścieni z bionanocelulozy, złożoną z wałka obrotowego z nawijanym na niego elementem z zaczepami do pionowego zawieszenia pierścieni. Po zawieszeniu pierścieni usytuowanych jeden nad drugim w odległości jeden od drugiego równej 7 mm na zaczepach, poddano je sterylizacji termicznej w temperaturze 121°C w czasie 20 minut pod ciśnieniem 1013 hPa. Po sterylizacji wlano do bioreaktora pożywkę o składzie podanym wyżej, zaszczepioną inokulum bakterii Gluconacetobacter xylinum, po czym opuszczono zawieszone pierścienie tak, aby powierzchnia dolnego pierścienia dotykała powierzchni pożywki i prowadzono hodowlę w temperaturze 30°C w czasie 18 dni, podczas której w miarę narastania warstw bionanocelulozy natywnej na powierzchni pożywki opuszczano kolejne pierścienie w głąb pożywki. Po zarośnięciu wszystkich pierścieni bionanocelulozą uwolniono powstały kompozyt z zawieszenia i wyjęto z bioreaktora. Następnie w powstałym kompozycie wykonano wykrojnikiem koncentrycznym przelotowy otwór o średnicy mniejszej o 3 mm od średnicy wrośniętych w bionanocelulozę pierścieni i powstały kompozyt kolejno płukano w gorącej wodzie wodociągowej, traktowano 1% wodnym roztworem wodorotlenku sodu w temperaturze 100°C w czasie 1 godziny, płukano w wodzie wodociągowej, traktowano 1% roztworem wodnym kwasu octowego w czasie 24 godzin, ponownie płukano w wodzie wodociągowej i w końcu płukano w wodzie destylowanej do osiągnięcia pH 7 roztworu płuczącego, odciśnięto nadmiar wody z kompozytu do uzyskania grubości ścianki 3 mm.

Otrzymano w ten sposób kompozyt o ścianach z bionanocelulozy natywnej wzmocnionych pierścieniami z merceryzowanej bionanocelulozy, zapobiegającymi zwężaniu się światła protezy przy zginaniu i skręcaniu. Otrzymany kompozyt miał wygląd i rozmiary odcinka biologicznej tchawicy ludzkiej.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Proteza tchawicy z bionanocelulozy otrzymanej w drodze hodowli produkcyjnej stacjonarnej bakterii Gluconacetobacter xylinus, w kształcie odcinka przewodu rurowego o średnicy wewnętrznej równej średnicy wnętrza tchawicy ludzkiej, znamienna tym, że jej ścianki zawierają pierścienie (1) z merceryzowanej bionanocelulozy otrzymanej w hodowli bakterii Gluconacetobacter xylinus, o charakterze chrząstki, o wysokości 7-10 mm, usytuowane w odległości od siebie 4-7 mm, stanowiące szkielet protezy, który jest zarośnięty błoną (2) z bionanocelulozy natywnej otrzymanej w drodze hodowli bakterii Gluconacetobacter xylinus.

PL 230 643 B1
2. Sposób wytwarzania protezy tchawicy określonej w zastrzeżeniu 1, z bionanocelulozy otrzymanej w drodze hodowli produkcyjnej stacjonarnej szczepu bakterii Gluconacetobacter xylinus, na podłożu produkcyjnym zawierającym 20 części wagowych glukozy, 5 części wagowych ekstraktu drożdżowego, 5 części wagowych peptonu, 2,5 części wagowych MgSO4 x 7 H2O, 2,7 części wagowych Na2HPO4, 1,15 części wagowych kwasu cytrynowego, 10 części wagowych etanolu, do 1000 części wagowych wody destylowanej, zaszczepionym inokulum tych bakterii przechowywanym na podłożu inokularnym o takim samym składzie, w temperaturze 30°C w czasie 3-28 dni i następnie merceryzowanej w wodnym roztworze wodorotlenku sodu, z wykorzystaniem procesu zarastania błoną bionanocelulozy natywnej materiału zawieszonego pionowo w bioreaktorze o ściankach nachylonych w stosunku do jego podstawy, zawierającym podłoże hodowli produkcyjnej szczepu bakterii Gluconacetobacter xylinus o powyższym składzie i opuszczanego stopniowo w głąb podłoża w kolejnych dniach prowadzenia hodowli bakterii w warunkach podanych powyżej, w miarę narastania warstw bionanocelulozy natywnej na powierzchni pożywki, aż do zarośnięcia zawieszonego materiału błoną bionanocelulozy na całej powierzchni, znamienny tym, że najpierw w drodze hodowli bakterii wytwarza się konstrukt z bionanocelulozy natywnej, w kształcie walca o średnicy 3-8 cm i długości 8-30 cm, w którym wykonuje się koncentryczny, przelotowy otwór o średnicy równej średnicy wnętrza tchawicy ludzkiej i następnie poddaje konstrukt merceryzacji, po czym z wytworzonego w ten sposób szkieletu protezy z bionanocelulozy merceryzowanej, o charakterze chrząstki wycina się pierścienie o szerokości 7-10 mm, które z kolei połączone lub nie połączone, usytuowane jeden nad drugim w odległości od siebie równej 4-7 mm, po ich sterylizacji, poddaje się zarośnięciu bionanocelulozą natywną w procesie opuszczania kolejnych pierścieni w głąb pożywki umieszczonej w bioreaktorze o ściankach pochyłych względem jego podstawy, w kolejnych dniach hodowli bakterii, po czym wyjmuje się zarośnięte bionanocelulozą natywną pierścienie z bioreaktora, wycina w wytworzonym w ten sposób konstrukcie przelotowy, koncentryczny otwór o średnicy mniejszej o 2-3 mm od średnicy wrośniętych w bionanocelulozę pierścieni i poddaje wytworzoną w ten sposób protezę procesowi oczyszczania.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że konstrukt z bionanocelulozy natywnej w kształcie walca otrzymuje się w drodze hodowli produkcyjnej bakterii w kolbie szklanej o ściankach bocznych nachylonych w stosunku do dna pod kątem 10-80°, której średnica szyjki jest równa 3-8 cm, zaś wysokość warstwy pożywki od dna kolby do miejsca tworzenia się błony bionanocelulozy jest równa 8-30 cm.
4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że konstrukt z bionanocelulozy natywnej poddaje się merceryzacji po umieszczeniu w wydrążonym w nim otworze szklanej rurki o średnicy równej średnicy wnętrza tchawicy, przy czym merceryzację prowadzi się 20-30% roztworem wodnym wodorotlenku sodu w czasie 24 godzin w temperaturze pokojowej.
5. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że pierścienie wycięte z konstruktu z bionanocelulozy natywnej poddaje się, przed ich zarastaniem bionanocelulozą natywną, sterylizacji termicznej w temperaturze 121°C w czasie 20 minut pod ciśnieniem 1013 hPa.
6. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że pierścienie wycięte z konstruktu z bionanocelulozy natywnej poddaje się zarastaniu bionanocelulozą natywną w bioreaktorze o ściankach pochylonych pod kątem 10-80° w stosunku do jego podstawy, przy czym przed rozpoczęciem hodowli opuszcza się je w głąb reaktora aż do zetknięcia się dolnego pierścienia z powierzchnią pożywki.
7. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że proces oczyszczania wytworzonej protezy polega kolejno na płukaniu w gorącej wodzie wodociągowej, traktowaniu 1% wodnym roztworem wodorotlenku sodu w temperaturze 100°C w czasie 1 godziny lub 1-2% wodnym roztworem tego wodorotlenku w czasie 20-24 godziny w temperaturze pokojowej, płukaniu w wodzie wodociągowej, traktowaniu 1% roztworem wodnym kwasu octowego w czasie 20-24 godziny, ponownym płukaniu w wodzie wodociągowej, płukaniu w wodzie destylowanej i w końcu na odciśnięciu kompozytu z nadmiaru wody aż do uzyskania grubości jego ścianki 2-3 mm, po czym protezę pakuje się i sterylizuje.