创伤愈合装置的制作方法

专利名称：创伤愈合装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及促进创伤愈合和组织生长，更具体地，涉及通过微细加工 (microfabricated)的创伤治疗设备施加受控的微机械力(micro-mechanical force)、流 体来源的生物学介体(mediator)和细胞，以促进哺乳动物中高效的组织生长和/或创伤愈
I=I ο相关技术的讨论美国每年产生超过100万的新的长期创伤，估计治疗费用到达数十亿美元。创伤 可以定义为单个器官或器官系统中保护性覆盖物的缺损。如果没有这种生理屏障，在正常 情况下受该覆盖物保护的组织就会发生生物区室化(biologic compartmentalization)的 丧失。当组织在生理上不再区室化时，则发生流体损失、微生物侵入、电解质失衡，并在某些 情况下发生代谢功能障碍。非区室化组织的流体损失包括但不限于血、血浆、淋巴、肠内容 物、胆汁、脑脊髓液、粘液。这些流体损失导致其下层组织脱水并使微生物能够侵入，导致潜 在的感染，并且在许多情况下导致进行性组织损失。例如，无法治愈的长期下肢皮肤创伤可 导致受影响肢体的部分或全部截肢。这种长期下肢皮肤创伤有几个病因，包括机械创伤、烧 伤、辐射、动脉供血不足、静脉淤血、慢性感染、神经病变和全身性疾病如糖尿病等。目前用 于改善创伤愈合的方法着重于有效的导脓、预防感染、减少炎症和使组织和流体损失最小 化。皮肤和其他器官系统中的大部分创伤的特点是保护性外层以及下层和组织中的 细胞和结缔组织基质的丢失。在皮肤创伤的情况下，表皮就是所丢失的外层。表皮覆盖真 皮以及诸如脂肪、肌肉和骨的更深层结构。在皮肤和其他器官系统中的大型创伤的闭合通 常需要产生数十亿个细胞、通过血管网输送的营养和来自新生细胞外基质(ECM)中存在的 蛋白质和糖胺聚糖的机械强度。众所周知，机械力在生物系统中具有基础性作用。在发育中，发育中的肌肉的力 量影响骨的形成。此外，机械力的应用已经是外科手术中的重要辅助手段。牵引成骨术 (distraction osteogenesis)可使骨逐步伸长。组织扩张可使软组织(包括神经和血管) 逐渐伸长。张力创伤趋近(tension wound approximation)装置随时间的推移闭合创伤。 对创伤施加亚大气压力已表明能增加创伤内的血管供应并加速愈合。施加微机械力来促进 创伤愈合的设备和方法记载于美国公布专利申请号2003/0108587中。

发明内容
本发明的一个方面涉及允许向创伤表面受控施加微机械力来促进哺乳动物的创伤愈合和/或组织生长的装置和方法。加快创伤愈合可减少包括感染、断肢和疼痛的并发 症。由于慢性病患者住院、创伤治疗和医疗护理减少而可以获得间接的经济收益。本文公 开的装置和方法可用于促进体内和体外人工组织以及体外组织外植体的生长和发育。本发明的某些方法涉及通过用本文所述的创伤愈合设备覆盖创伤部位来保护受 试者创伤部位的步骤。所述方法可以通过放置设备本身以覆盖受试者创伤部位或者将该设 备置于医疗器械和创伤部位之间来实施。医疗器械包括例如导管、管、套管和石膏。根据本发明的一个方面，使用方法和装置在亚微米至毫米尺度上局部控制向组织 施加的机械力。向组织施加的微机械力在该组织上产生局部应力和应变场，并且通过促进 细胞增殖和迁移以及刺激血管生成来刺激创伤愈合。本文公开的在小尺度上施加微机械力 的装置和方法可与施加大尺度力的常规方法组合使用。这些组合装置能在向大的组织区域 内施加力的同时将应力集中到局部以诱导精确的细胞应力，在一些情况下促进创伤收缩， 并且可以适于以连续或周期性方式施加力。或者，在一些实施方案中，多个微米至毫米尺度 式样(feature)的同时使用提供了在微观尺度上控制的大尺度力施加。该方法尤其可用于 促进创伤愈合，然而，它也可以用于刺激体内组织的生长和预条件化(pre-conditioning)， 以提高利用组织工程方法形成的人工血管的壁强度。根据本发明的另一方面，促进组织生长的设备包括具有多个微结构的生物相容性 基体，每个微结构构建和布置成向组织表面施加机械刺激。所述设备配置为通过所述多个 微结构中第一微结构施加第一机械刺激与通过所述多个微结构中第二微结构施加第二机 械刺激是可独立控制的。根据本发明的另一方面，促进组织生长的设备包括具有多个微室(microchamber) 的生物相容性基体，所述多个微室构建并排列成面向组织表面，并且所述多个微室中的每 个微室均形成封闭的外周。所述设备还包括多个通道，所述多个微室中的每个微室与所述 通道中的一个或更多个流体连通。在一些实施方案中，所述通道是微通道。根据本发明的又一方面，向目标组织表面施加机械刺激来促进组织生长的方法包 括提供基底，所述基底具有包含多个突出微结构的组织朝向面。所述微结构长度与宽度的 比值小于100 1。所述方法还包括利用力使所述基底的所述组织朝向面与目标组织表面 接触并保持，使得所述突出微结构使所述组织表面变形。根据本发明的另一方面，微室设置在材料基体中面向创伤的一侧。所述微室经过 流体微通道连接至真空源或压力源，使得每个微室能够向创伤中小的物理局部区域施加受 控真空或压力。所述微室可利用由阀控制的微通道连接至真空源，以使每个微室施加的力 可独立控制。根据本发明的一个方面，将细胞培养室集成到创伤愈合装置的材料基体中。这些 细胞培养室产生可溶性介体(mediator)，所述可溶性介体随后经微通道递送至微室或其它 面向创伤的式样，以施加至创伤表面。所述可溶性介体可有助于促进创伤愈合。根据本发明的另一方面，用于创伤治疗的设备包括具有多个微室的顺应性 (conformable)基体，所述多个微室构建并排列成向创伤表面施加物理定位的愈合刺激，向 所述多个微室中的每个室施加这些刺激是可独立控制的。根据本发明的另一方面，用于创伤治疗的设备包括具有多个微室的顺应性基体， 所述多个微室构建并排列成面向创伤表面，其中所述多个微室中的每个微室均形成封闭的外周。所述多个微室中的每个微室均与微通道流体连通。根据本发明的另一方面，用于创伤治疗的设备包括顺应性基体，所述基体具有多 个室和与独立的室或室组流体连通的至少两个通道。所述设备包括与每个通道相关联的阀 以单独控制向每个单独的室或室组施加真空压力、正压力、创伤愈合介体和细胞中的一种 或多种。根据本发明的另一方面，用于创伤治疗的设备包括在其面上具有开放室的基体， 所述室配置为向创伤表面施加液体。细胞培养室包括在基体内，其中细胞培养室与所述开 放室流体连通。根据本发明的另一方面，用于创伤治疗的设备包括顺应性基体，所述基体具有多 个构建并排列成向创伤表面施加真空压力的室。所述设备还包括真空压力源。包括多个通 道，其中每个通道与所述真空源流体连通并与所述多个室中的至少一个室连接。每个通道 与阀关联，以控制向与所述通道流体连通的室施加真空压力。根据本发明的另一方面，可重复使用的创伤治疗设备包括具有多个微室的硅酮橡 胶基体，所述多个微室具有10微米或更小的宽度。在本发明的另一方面中，提供一种促进创伤愈合的方法。所述方法包括将顺应性 基体置于创伤表面上，所述基体具有宽度为10000微米或更小的多个微室以及与所述微室 流体连通的多个微通道。所述方法还包括将真空压力源连接至所述微通道，以将真空压力 施加至创伤表面。在本发明的另一方面中，用于创伤治疗的设备包括创伤愈合室的阵列，其具有采 用生物传感器的反馈控制系统以提高或优化创伤愈合过程。所述设备可以包括能够监测 多种物理和生理参数的生物传感器，所述多种物理和生理参数包括但不限于pH、溶解氧含 量、血液中的血红蛋白浓度、血红蛋白氧饱和度、细菌计数、毒素浓度、蛋白质浓度以及代谢 底物和副产物的浓度。所述设备包括能够通过各种传感方式测量这些物理和生理参数的 传感器。所述设备包括能够调节、传输、存储和数学处理所测量的物理和生理参数的处理电 路。构成所述设备的一部分的所述处理电路可以包括电子元件、流控元件、气动元件、基于 细胞的元件、基于化学的元件、光学元件、热激活元件或其它合适的元件。该电路的其它处 理功能可通过本文未列出的该电路其它物理元件来执行。在本发明的另一方面中，用于创伤治疗的设备包括能够利用多种致动方式施加物 理定位机械刺激的创伤愈合室的阵列。所述机械致动方式包括但不限于超声波、声波、压 电、电阻、热膨胀和收缩、流控、气动、形状记忆合金致动和受控相变。本文中未列举的其它 合适的机械传动处理方式可用于对实现创伤组织的机械刺激。根据本发明的另一方面，提供一种在创面上沉积多个物理定位的细胞、胞外基质、 蛋白质的层合体(laminate)以实现体内组织和材料的多层生物学功能的方法。该方法包 括沉积不同厚度的生物学层合体，以重建通常由器官或器官系统的外表面提供的复合屏蔽 功能。在皮肤创伤的情况下，该方法允许沉积特定的细胞类型组合以重现真皮的结构和功 能。该方法允许沉积独特的细胞类型组合以重现真皮的结构和功能。利用该方法沉积的材 料可包括但不限于活细胞、去功能化细胞、可溶性创伤愈合介体、不溶性创伤愈合介体、蛋 白质、胞外基质蛋白、无机材料、可生物降解聚合物和非生物降解聚合物。此外，该方法还可 包括沉积薄壁组织细胞以重建器官功能的能力。
在本发明的另一方面中，用于创伤治疗的设备包括与创面接触的表面，并且所述 表面可表现出从亚微米样式尺寸至微米至毫米尺度表面结构的各种表面构造。为了描述 该方面的目的，样式尺寸是指构成所述表面构造的表面变化的空间间距和空间幅度。在该 设备中，这些纹理可以多种周期性形状存在，所述形状包括但不限于正弦波、锯齿形波、方 波、随机振幅、三角形波或其它合适的形状。设备的表面构造可包括相互重叠的具有不同或 相似空间间距和或空间幅度的多种表面构造。所述表面构造可经过多种制作方法实现，其 包括但不限于缩微平版印刷、软光刻、喷砂、颗粒沉积、薄膜沉积、蛋白质沉积、等离子蚀刻 和纳米制作材料(包括纳米颗粒和/或纳米管)沉积。其它实施方案将在下文描述，或记载于所附权利要求中。


附图不是按比例绘制的。为了清楚起见，并未标出每个图中的每个组件。在附图 中图la显示包含与微室流体连通之微通道的创伤治疗装置的一个实施方案的截面 侧视图；图lb显示包含与微室流体连通的微通道和控制电路网络的创伤治疗装置的一个 实施方案的截面侧视图；图lc显示包含与微室流体连通的微通道、控制电路网络和一系列入口流量控制 管线的创伤治疗装置的一个实施方案的截面侧视图；图2a显示构建并排列成向创伤表面施加局部微机械刺激的微室的一个实施方案 的平面视图；图2b显示构建并排列成向创伤表面施加局部微机械刺激的微室的一个替代实施 方案的平面视图；图2c显示构建并排列成向创伤表面施加局部微机械刺激的微室的一个替代实施 方案的平面视图；图2d显示构建并排列成向创伤表面施加局部微机械刺激的微室的一个替代实施 方案的平面视图；图2e显示构建并排列成向创伤表面施加局部微机械刺激的微室的一个替代实施 方案的平面视图；图2f显示构建并排列成向创伤表面施加局部微机械刺激的微室的一个替代实施 方案的平面视图；图2g显示构建并排列成向创伤表面施加局部微机械刺激的微室的一个替代实施 方案的平面视图；图2h显示构建并排列成向创伤表面施加局部微机械刺激的微室的一个替代实施 方案的平面视图；图2i显示构建并排列成向创伤表面施加局部微机械刺激的微室的一个替代实施 方案的平面视图；图2j显示构建为向创伤表面施加微机械刺激的单个微室的一个实施方案的截面 侧视图和底视图2k显示构建为向创伤表面施加微机械刺激的单个微室的一个替代实施方案的 截面侧视图和底视图；图21显示构建为向创伤表面施加微机械刺激的单个微室的一个替代实施方案的 截面侧视图和底视图；图2m显示构建为向创伤表面施加微机械刺激的单个微室的一个替代实施方案的 截面侧视图和底视图；图2n显示构建为向创伤表面施加微机械刺激的单个微室的一个替代实施方案的 截面侧视图；图2o显示构建为向创伤表面施加微机械刺激的单个微室的一个替代实施方案的 截面侧视图；图3a是微流体阀的一个实施方案的顶视图；图3b是使得微室网络中的各个微室可独立寻址的阀构造的一个实施方案的顶视 示意图；图4是示出利用创伤治疗装置的方法的一个实施方案的流程图；图5a是包括集成式细胞培养室的创伤治疗装置的一个实施方案的顶视图；图5b是创伤治疗装置的一个实施方案的顶视图，所述创伤治疗装置包括集成式 细胞培养室、行和列选择电路、处理电路、行和列解码电路、药物储器、生物传感器、信息和 数据总线以及流体控制总线；图6a显示单个微室的一个实施方案的截面侧视图，其显示向创伤表面施加微机 械刺激的致动方案；图6b显示微室的一个替代实施方案的截面侧视图，其显示向创伤表面施加微机 械刺激的致动方案；图6c显示用于促进组织生长的设备的一个实施方案的一部分的截面侧视图；图7显示构建并排列成经过集成到装置内的可塌缩室向创伤表面施加宏观收缩 张力的微室的一个实施方案的平面视图；图8a 8c显示根据本发明另一实施方案的突出微结构；和图9显示包括突出微结构的设备的侧视图。
具体实施例方式将在宏观尺度上施加至组织的物理力在微尺度上重新分配以影响单个细胞的形 态和功能。然而，当这些力被均勻地施加到大的区域上时，单个细胞所经受的应变或变形的 水平可能相当小，从而限制了细胞应答。此外，整体的力施加通常在创伤内导致各种各样的 应力。目前可用的通过在大尺度上施加机械力(均勻地分布在大于lcm2的区域上)来帮助 创伤愈合的设备包括张力创伤闭合设备；真空辅助闭合设备；和牵张成骨中所用的设备。 根据本发明的一个方面，将局部集中的力施加到多个较小的区域内(在一些实施方案中小 于1mm2，并且在一些实施方案中小于100平方微米)，以增大(并在一些情况下优化)单个 细胞所经受的力。这种微机械力施加方法的某些实施方案的一个优点是能够在不增加创伤 尺寸的情况下诱导细胞伸展，由此减少创伤裂开的可能性。施加局部力的一种方式是单独 控制真空压力和/或正压力的施加，以将作用于创伤表面的室分开。
利用在必要时以稳定或时间依赖性方式机械引发张力或压缩的设备，可以使创伤 内的细胞受到受控应力。这些设备也可以制造成能够局部递送可溶性和不溶性介体以及药 物活性剂。根据本发明的一些实施方案，为了向创伤表面施加受控的局部力，使多个微通道 与可置于创伤表面的基体中的微结构(例如微室)流体连通。向每个微室施加的真空压力 (或正压力)通过微通道来控制。术语“真空压力”在本文中是指目的室或材料中的压力小 于参考室、材料、组织或大气。术语“正压力”在本文中是指目的室或材料中的压力大于参 考室、材料、组织或大气。术语“压力”在本文中旨在既包括真空压力也包括正压力。术语“创伤”在本文中泛指器官或器官系统的损伤。在皮肤的情况下，所述损伤可 深及表皮、真皮和/或皮下组织。根据创伤的深度，皮肤创伤可分为四个等级i)I级仅限 于上皮的创伤；ii)II级延伸到真皮的创伤；iii)III级延伸到皮下组织的创伤；和iv) IV级(或全厚度创伤)已暴露骨(例如，骨压力点，例如较大的转节或骶骨)的创伤。术 语“部分厚度创伤”是指包括I-III级的创伤；部分厚度创伤的例子包括烧伤、褥疮、静脉瘀 血性溃疡和糖尿病溃疡。术语“深层创伤”包括III级和IV级创伤。本发明的方法可用于 治疗所有级别的创伤，包括慢性和急性创伤。术语“慢性创伤”是指在30天内未愈合的创 伤。术语“促进创伤愈合”在本文是指使得器官或器官系统的正常生理屏障能够重建。 在皮肤创伤的情况下，促进创伤愈合可包括诱导肉芽组织形成，和/或诱导创伤收缩，和/ 或诱导血管再形成，和/或诱导上皮形成(即在上皮中产生新的细胞)。通过本发明方法治疗的创伤类型包括各种创伤，其包括但不限于手术创伤；外 伤性创伤；辐射性损伤创伤；中毒性表皮坏死溶解创伤；感染性创伤；肿瘤性创伤；全厚度 创伤；部分厚度创伤和烧伤，以及因各类溃疡如皮肤溃疡、角膜溃疡、动脉阻塞性溃疡、持续 压力引起的褥疮和糖尿病溃疡、烧伤溃疡、损伤溃疡、放射性溃疡、药物诱导的溃疡、手术后 溃疡、炎性溃疡、胃肠道溃疡、单纯溃疡及其它类型的血管溃疡和慢性(难治性)溃疡引起 的创伤。本发明多个实施方案的方法尤其可用于治疗复杂创伤或难以愈合的创伤。许多 因素可对创伤愈合的过程产生不利影响，包括感染、组织被辐射、全身性疾病、药物、患者年 龄、患者健康以及受试者的营养状况。此外，阻碍外周血液循环的任何过程(例如动脉粥样 硬化、长期压力、静脉曲张疾病和静脉瘀血)均可对介导伤者愈合的氧、营养物、化学信号 和合适细胞类型的传递产生不利影响，从而削弱创伤愈合。抑制创伤愈合的因素包括创伤 脱水、药物如化学治疗剂或类固醇，以及患者的健康和/或营养不佳。某些部分和全厚度损 伤，例如烧伤、皮肤移植及多种类型的溃疡会抵抗修复并使患者产生严重的疼痛和不适。患者的一般身体状况对创伤愈合也很重要。随着年龄增长，由于皮肤变得更薄且 成纤维细胞的数目和皮肤胶原蛋白总量减少，所以修复受伤组织的能力降低。如酗酒、贫 血、糖尿病、营养不良、休克和尿毒症的疾病状态导致氧和养分到创伤部位的递送受损，从 而抑制愈合过程。此外，导致单核细胞减少症的疾病也可严重削弱创伤愈合。用于治疗疾病的药物可导致创伤愈合削弱。用于杀死癌症患者体内分裂细胞的化 学治疗剂也抑制这类患者中同样依赖于新细胞生长的创伤愈合能力。类固醇对创伤修复的 所有三个阶段都产生负面影响，抑制最初的炎性反应，减缓新上皮和血管组织的产生，并削弱疤痕组织中的胶原基质。细菌性创伤感染是创伤愈合时间延长的常见局部原因。人皮肤通常定殖有 多种微生物，包括白色念珠菌(Candida albicans)、表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和一些链球菌株。因此，将下层 组织暴露于环境的任何创伤都会至少被驻留菌群感染。护理良好并高度血管化组织中的创 伤抵抗感染，而在缺血组织中的那些创伤要易于感染得多。创伤愈合涉及纤维蛋白凝块形成、炎性细胞的募集、上皮再形成和基质形成及重 塑。在组织损伤之后，血管破裂会立即导致血液外溢和伴随的血小板聚集和血液凝固，从而 导致纤维蛋白凝块形成。纤维蛋白凝块内捕集的活化血小板脱粒化(degranulate)并释放 出多种细胞因子和生长激素。这些细胞因子和生长激素有助于向损伤部位募集炎性细胞、 刺激血管发生和引发与上皮再形成和结缔组织收缩有关的组织运动。中性粒细胞和单核细胞通过多种趋化信号募集至受损部位，所述多种趋化信号包 括由脱粒化血小板释放的生长因子和细胞因子、从细菌蛋白中切下的甲酰甲硫氨酸肽以及 纤维蛋白和其他基质蛋白的水解副产物。中性粒细胞浸润在数天后停止，但巨噬细胞通过 持续向创伤部位募集单核细胞而继续积累。活化的巨噬细胞释放生长因子和细胞因子，从 而放大来自脱粒化血小板的早期信号。可对创伤应用外源性因子，以帮助这些进程。因此，本发明的实施方案还包括方法，所述方法包括在本文所述设备中包含可溶 性因子和/或产生可溶性因子的细胞(天然产生或利用重组技术产生)。在将仪器安置在 创伤上之后，将添加到设备中的或由细胞产生的可溶性因子(例如，生长因子如表皮生长 因子、细胞因子、P⑶F、胰岛素样生长因子、TGF-0、角质细胞生长因子细胞因子、TNF、趋化 因子、趋化肽、金属蛋白酶的组织抑制剂等)传输到微通道中的液体，并且可以受控方式递 送至创伤。可溶性因子可通过通向微室的微通道应用于创伤表面。例如，可通过微通道将 PDGF、EGF、GM-CSF、FGF和其他合适的介体运送至微室。除了上述期望的创伤治疗效果之外，对单个微室的控制可允许对单个创伤进行多 变量研究，以研究改变创伤愈合参数(如所施加的真空压力和所用的可溶性介体)的影响。软平版印刷技术可用于制造本发明一个方面的基体。微室和相关联的微通道可在 堆叠和粘接诸如硅橡胶和/或聚二甲基硅氧烷(PDMS)的材料层期间形成。可用于本文公 开的多个实施方案中的其他材料包括弹性聚合物、可生物降解聚合物、聚乳酸-co-乙醇 酸(PLGA)、塑料、金属和凝胶。在一个替代实施方案中，每个微通道可与一组施加真空压力的微室流体连通。可 通过交替进行施加真空压力和将介体引入微室中的操作而通过同一微通道(即真空压力 通道)将可溶性介体添加到微室中。在一些实施方案中，可以将可溶性介体通过第一微通 道引入微室中，第二微通道可连接到真空源。在这类实施方案中，向第二微通道施加真空压 力可将介体从第一微通道拉入或帮助将其拉入微室中。对施加至每个微室的压力和/或介体的单个控制可通过布置控制流过微通道的 流体的阀来实现。在一些实施方案中，可以将阀埋在置于创伤表面上的结构中。例如，可以 在生产基体时形成气动控制的微流体阀，并且这些微流体阀可用于选择性开启或关闭送至 特定微室的真空压力，或者改变微室中的真空压力水平。以该方式，可以使用提供恒定真空压力的单个真空源，而经各微室施加到创伤表面不同区域的真空压力是可调节的，或者在 一些微室中甚至不存在。用于创伤治疗设备中的阀可手动驱动或可响应于控制器。在一些实施方案中，来 自追踪创伤状态的传感器的反馈可用作控制器的输入数据。在一些实施方案中，可以使用截止阀、开关阀、微流体泵、微流体压缩机、微流体调 节器和/或其它微流体组件作为控制流体流入和/或流出每个微室的部件。例如，在一些 实施方案中，向微室递送介体的微通道可包括截止阀，以在通过另一微通道向微室施加正 压时防止微通道回流或堵塞。多种微流体阀和泵及其制造方法可见于美国专利申请公布 No. 2002/0127736，其通过引用并入本文。可用于促进创伤愈合的多种可溶介体通常用活细胞产生。用于施加到创伤表面的 可溶介体的连续源可通过将细胞培养室集成到基体中来实现。与微流体阀的集成类似，可 以在制造基体期间形成细胞培养室。细胞培养室可构建并布置为支持成纤维细胞、内皮细 胞、嗜酸性粒细胞、巨核细胞、干细胞或其它合适的细胞。阀、泵或其它微流体组件可用于控 制这些细胞所产生介体的释放。本发明的实施方案可包括利用胞外基质(ECM)因子包被创伤愈合设备中面向创 伤的部分来刺激细胞生长。在一些实施方案中，可在室中使用ECM因子来促进细胞与室壁 的粘附。设备的各部分可包被有肽片段、合成分子和/或生长因子，以增强细胞增殖和创伤恐合。如下文更详细描述的，可以将微观机械力的施加与外源生长因子和细胞因子相结 合。在一些实施方案中，微观机械力的施加可与可溶性介体的递送一起控制，并且可使用反 馈来调节操作参数。在一些实施方案中，可以采用控制药物、蛋白质和其它因子之递送的动 作来控制水肿，使感染和炎症最小化，并且有利于创伤愈合。根据本发明的一些实施方案， 可将材料制成具有将真空压力或正压力局部引至细胞上的亚微米至毫米尺寸构造(如微 室)。创伤治疗装置100的一个实施方案显示为位于图Ia中的受试者创伤102上。顺 应性基体104包括放置为与创伤表面110接触的创伤朝向面108。术语“受试者”是指人和 非人动物。受试者可包括期望促进组织生长的任何人或非人动物。创伤朝向面108包括通 过微通道网络117与真空源114流体连通的微室116。图Ia中示出6个微通道与微室流体 连通，但是也可以使用更多(或更少)的微通道数目，例如，100个微通道、1000个微通道、 10000个微通道、100，000个微通道或更多。微通道117可通过歧管118、119连接到真空源 114，并且可以使用多个歧管。在一些实施方案中，数组微通道可连接到具有歧管的单个微 通道，而所述单个微通道又可以连接到另一歧管。以该方式，微通道117可以逐步从连接到 真空源114的通道120分支出来，使得在面对创伤表面108处的微室附近存在数千微通道。 在一些实施方案中，集成式控制接口 127决定哪些歧管被激活和/或连接到真空压力源114 或正压力源124上。在一些实施方案中，这种控制接口参与真空压力和正压力的产生和调 节。在一些实施方案中，与微室共同设置的微阀128决定流体进出微室的流动，以及哪些微 室连接到真空压力源114和/或正压力源124。本文所用的术语“通道”和“微通道”是指流体可通过的限定通路。微通道一般具 有至少一个小于1000微米的维度。例如，微通道可具有1000微米、100微米、10微米、1微米或更小的宽度，或小于1000微米的任意合适的宽度。通道的定义包括微通道。频道和微 通道不要求特定的结构，该术语不包含只在发生流体流动时才形成的通路。例如，气体或液 体相对随机流过泡沫网的分散空间不被视为流过用于本文目的的通道或微通道。本文使用的术语“室”和“微室”是指由壁限定的体积，所述壁在该室或微室贴靠创伤表面或其它组织表面(在体内或体外)放置时足以产生基本上封闭的体积。微室包含 在室的定义中，通常具有至少一个小于或等于10000微米的维度。例如，圆形微室可具有 10000、小于1000微米、小于100微米、小于10微米、小于1微米或更小的直径，或小于10000 微米的任何合适的宽度。本文使用的术语“微结构”是指具有至少一个小于或等于10000微米的维度的结 构。术语“微结构”包括限定的体积，例如微室。在一些实施方案中，微结构可具有至少一 个小于10000微米、小于1000微米、小于100微米、小于10微米或1微米或更小的维度。本文使用的术语“突出微结构”是指具有至少一个小于或等于10000微米的维度 且从基面突出的结构。在一些实施方案中，突出微结构可具有至少一个小于10000微米、小 于1000微米、小于100微米、小于10微米、1微米或更小的维度。微室和微室的壁不包含在 突出微结构的定义中。基体104可使用多种制造方法来制造，包括软平版印刷、批量机械加工和表面微 机械加工。应理解，本发明不一定限于通过本文描述的一种或多种方法来制造，因为可以采 用其它合适的制造方法。软平版印刷可包括堆叠和粘合PDMS和/或硅橡胶的层。这些材料的柔性特性允许 基体104在一些实施方案中具有顺应性，从而使基体104可以与其覆盖的创伤表面110的 全部或基本全部的部分接触。基体也可制造成透明的，使得可以直接目视检查创伤。在一 些实施方案中，基体104的一部分是透明的，而其他部分是不透明的。在一些实施方案中， 基体104的全部都是不透明的。在许多实施方案中，基体104通过创伤朝向面108与创伤 表面110直接接触。在一些实施方案中，基体104的创伤朝向面不直接接触创伤表面110， 因为在基体104和创伤表面之间可设置薄膜或材料层。在一些实施方案中，基体104或基体104的一部分可利用多种材料如热塑性材料 和/或热固性材料形成。热塑性材料的实例包括聚烯烃、聚酯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚醚酯、 聚酰亚胺、聚酰胺酯、聚丙烯酸酯、聚乙酸乙烯酯和聚乙酸乙烯酯的水解衍生物。热固性材 料的实例包括聚氨酯；丙烯酸酯；环氧树脂和硅酮。在一些实施方案中，基体104或基体 104的一部分可利用可生物降解的聚合物材料形成。可生物降解的聚合物材料的实例包括 但不限于聚乳酸-co-乙醇酸(PLGA)、聚(二氧环己酮)、聚(碳酸三甲烯酯)共聚物和聚 (ε _己内酯)的均聚物和共聚物。在一些实施方案中，基体104可利用无机材料如玻璃、陶 瓷或金属形成。在一些包括使用软平版印刷术进行制造的实施方案中，将预固化的弹性体层组装 并化学键合在一起。在键合的一些实施方案中，弹性体层由相同的材料构成，一个层中的化 学实体与另一层中相同的化学实体反应以将所述层键合在一起。在一些实施方案中，通过 利用光、热或与单独的化学物质进行的化学反应对交联剂的活化，可导致相似弹性体层的 聚合物链之间发生键合。弹性体层可在经微机械加工的模具上铸塑而成。所述经微机械加工的模具可通过任何适当的方法来构建，例如光刻法、离子铣或电子束平版刻法。 压力源124可以连接到通道120，以向各微室施加压力。在一些实施方案中，分开的微通道可从压力源124通向各微室或其它组件，使得可以在室经受真空压力的同时将介 体、药物或其他因子添加到微室中。各个通道/或微通道可包括基体104外部的阀(例如阀125、126)，或集成到基体 104中的阀(见下文图3a的描述)。阀允许向微室选择性地施加压力(包括真空压力)。 与创伤治疗设备相关联的阀可手动操作或者是自动的。在自动阀的情况下，阀可通过控制 器响应于从创面内获取的传感器信号来启动。图2a中示出位于基体104的创伤朝向面200上的微室210阵列的一个实施方案 的截面图。在该实施方案中，微室为正方形或基本上为正方形，但在其他实施方案中，可以 使用任意合适的且可物理实现的三维几何形状。例如，如图2b所示，可以布置六边形或基 本为六边形的微室230，使得创伤治疗设备100的创伤处理面基本上被微室完全覆盖。可以 在相同的创伤愈合设备上使用不同形状的微室。在一些实施方案中包括具有三维几何形状 的微室，所述几何形状可以预定方式或响应于创伤状态或其它可变参数而动态地变化。在 一些实施方案中，微室可以不覆盖整个创伤处理区。例如，在一些实施方案中可使用圆形或 基本为圆形的微室，从而在不形成真空室的微室之间留下区域。在一些实施方案中，可以使 用不同形状的微室来覆盖创伤处理设备的全部或几乎全部的创伤处理区。创伤愈合设备的所有微室可以为相同的尺寸，或者，在一些实施方案中，可以在某 些区域中或整个创伤处理区域中使用不同的尺寸。在一些实施方案中，微室210的每侧为 大约10微米或更小。在一些实施方案中，微室210的每侧为100微米。对于六边形微室 230，从一个角到对角的距离在一些实施方案中为大约10微米，而在一些实施方案中为约 100微米。可使用适于微室230的其他尺寸。用于本文目的的微室“宽度”是指微室的最大 横向尺寸。微室的形状和尺寸可以利用计算设计分析(例如有限单元分析)来设计，以提供 局部应力和/或介体递送的水平的估计值。图2c-2o显示微室的形状和排布的多个实施方案。每个微室可经过端口与进入所述微室的一个或多个微通道流体连通。在所示实施 方案中，第一端口 212将微室210与通向真空源的微通道流体连通(未显示)。多种阀、歧 管或其他微通道或通道可插入微室210和真空源之间。第二端口 214将微室210与可溶性 介体源流体连通，使介体可以受控地引入微室210中。微室210可包括其它端口或微流体 互连。为了实现对向微室施加压力的单独控制，每个微通道可具有关联的阀。在涉及施加真空压力、正压力或其它向微室递送力或信号或者是微室内的介质递送时，用于本文目 的的短语“可单独控制”是指能够控制微室(或一组微室)中的一个或多个这些要素，而基 本上不改变创伤治疗装置中其他微室中的相同要素。在涉及控制要素时(例如微室内真空 压力或正压力或介质递送)时，术语“控制”包括开启或关闭要素(例如真空压力或正压力 或介质递送)，还包括改变因素的大小。也用于本文目的的术语“可变真空压力，，和“可变 正压力”是指其大小可以改变而完全消除压力或不完全消除压力的压力。本文所用的术语 “压力”既包括真空压力又包括正压力。
在一些实施方案中，通道或微通道可流体连通到室或微室，以从创伤表面除去液 体。在一些实施方案中，可将微通道或其它元件构建成从组织中除去胶体、固体、蒸气和/ 或气体。图3a显示可集成到创伤愈合设备的基体中的开/关微流体阀300的一个实施方案。阀300的通道截面结构包括30微米宽的控制管304，其位于50微米宽的流动管308的 上方。在控制管304和流动管308之间存在例如约30微米厚的PDMS (或其它合适材料) 薄膜310。当通过例如增压控制管304用空气向上方控制管304施加压力时，膜310被向下 推以限制或关闭流动管308。控制管304可以气动启动，并且可以将多个阀密实地堆积在基 体中。对每个微室中流入和流出的独立控制可以通过集成式微阀(如图3b中示出的)来 实现，由此经过水平或行选择管311实现流入管314和微室315之间的开式连接。以类似 的方式，可以通过垂直或列选择管313实现流出管313和微室315之间的开式连接。控制管和流动管的形状和/或尺寸可与实施方案所示的那些不同，并且无意于限 制。微流体泵可以通过使彼此相邻的几个控制管定位在流动管上来形成。在本发明的一 些实施方案中，可以利用这种微流体泵或其它合适的微流体泵向微室递送可溶性介体或药 物。通过逐步启动控制管，可以延流动管泵送流体。可以使用阀的组合来形成开关，并且， 在一些实施方案中，可以将阀构建成允许在多个微通道中进行逆流。逆流可允许多微通道 进行冲洗、清洁或疏通。在一些实施方案中，可以将微流体压缩器、调节器、真空泵和/或其它微流体元件 集成到设备中，从而不需要附接外部压力源。在一些实施方案中，可以利用电力来控制和 /或启动各种微流体元件，并且，在一些情况下，可以用电池电力和便携式电力来给设备供 H1^ ο图4中以流程图的方式示出使用创伤治疗装置的方法400。在动作402中，将装置 置于创伤表面上，使得压力室(例如微室)面向创伤表面。该装置不需要完全覆盖创伤，和 /或它可以延伸到创伤的外周以外。在动作404中向装置的压力通道施加压力。可以通过 如下方式来施加真空压力将真空泵或其它真空源连接至装置，使得真空源可以流体连通 至与压力室流体连通的通道网络。在一些实施方案中，正压力源也连接至装置，并且可以流 体连通至与室流体连通的单独的通道网络。在动作406中，将第一幅值的压力送至第一压力室。在动作408中，将第二幅值的 压力送至第二压力室。第二幅值可以与第一幅值相同或不同。在不改变第二压力室中的 压力(即第二幅值)的情况下，在动作410中改变送至第一室的压力幅值(即第一幅值)。 以该方式，送至两个室的压力的幅值可单独控制。如本文所述的，可以利用阀(包括微流体 阀)来控制压力幅值。在一些实施方案中，在装置上可存在数百、数千或数百万个压力室， 并且单个阀可与少量或大量的压力室关联。如本文所述的，单个微流体阀或微室可与少量 或大量微流体阀或微流体通道关联。为了局部产生可溶性介体，创伤愈合装置的基体可包括在基体自身内部中形成的 细胞培养室。如图5a所示，细胞培养室502a经微通道117流体连通至几个微室230。细 胞培养室可以包括细胞例如纤维原细胞、内皮细胞、嗜酸性粒细胞、巨核细胞、干细胞或其 他合适的细胞，以产生可溶性介体。当介体产生时，它们被送至微室230以帮助创伤处理。 介体的递送可以连续进行、以规律的周期性方式进行或响应于来自控制器的特殊指令而进行。来自微室230的真空压力可以将可溶性介体从细胞培养室502a抽吸至微室230，或者， 在一些实施方案中，可以向细胞培养室502提供压力，以将可溶性介体推入微室230。图5a 中示出的各种特征不是按比例绘制的。可在施加细胞前将胞外基质的底层包被到微通道表面上，尤其是如果细胞为贴壁 或锚着依赖性细胞时。通常，为了生长，锚着依赖性细胞需要贴壁到表面且铺展开。术语 “胞外基质”泛指用于支持细胞生长的材料，包括但不限于分布在多细胞生物整个机体中的 材料，例如糖蛋白、蛋白聚糖和复合糖类。尽管本发明不受胞外基质性质的限制，但是可用 的胞外基质包括Matrigel、生长因子减少的Matrigel、纤维性胶原、层粘连蛋白、纤连蛋白 和IV型胶原。已经注意到，多种重组生长因子可加快动物模型中的创伤(急性和慢性创伤)愈 合过程。这些重组衍生因子包括血小板衍生生长因子(PDGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)、 表皮生长因子(EGF)和转化生长因子α和β (TGF- α和TGF-β)。此外，其它重组生长因子，包括胰岛素、胰岛素样生长因子I和II (分别为IGF-I和IGF-II)、干扰素(IFN)、白细 胞介素(IL)、KGF(角质细胞生长因子)、巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)、血小板源性内皮 细胞生长因子(PD-ECGF)和干细胞因子(SCF)，可以促进创伤愈合过程中所涉及的细胞类 型的激活、增殖和/或刺激。EGF是多肽生长因子(其成熟的加工后形式的长度为53个氨基酸)。在人体内， 这种蛋白质抑制胃酸分泌，而已知小鼠EGF对多种细胞类型(包括内皮细胞、上皮细胞和成 纤维细胞)有促有丝分裂作用。FGF包括大小为14-18kD的一系列单链蛋白质，其与强力抗凝血肝素紧密结合。已 报道了两类FGF，即酸性和碱性FGF。146个氨基酸的碱性形式(bFGF)更为稳定，并且在刺 激中胚层细胞如成纤维细胞、内皮细胞和角化细胞的效力方面比酸性FGF(aFGF)强10倍。胰岛素是由胰岛细胞分泌的蛋白激素。它是响应于葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和酮体 的血液水平升高而分泌的，从而通过调节代谢物和离子的跨膜转运以及调节各种胞内生物 合成途径来促进它们的有效存储和用作细胞燃料。胰岛素促进葡萄糖、脂肪酸和氨基酸进 入细胞。此外，它促进肝糖原、蛋白质和脂质合成，同时抑制葡萄糖生成、糖原降解、蛋白质 代谢和脂解作用。胰岛素由通过两个二硫键连接的α和β亚基构成。IGF-I和IGF-II是介导生长激素之作用的生长激素依赖性家族的成员。已知这 些蛋白质对于骨骼生长的调节有重要作用。这两种分子与胰岛素具有密切的结构同源性， 并且拥有相似的生物活性。IGF-I与胰岛素原具有43%的氨基酸序列同源性，而IGF-II与 IGF-I有60%的同源性。与本文所述的其它蛋白质相比，这两种IGF在一定程度上是独特 的，其原因是在哺乳动物的血浆中几乎不存在可检测的游离IGF分子。相反，这两种IGF与 更高分子量的特殊载体血浆蛋白结合。两种IGF分子均刺激DNA、RNA和蛋白质的合成，并 且参与一些细胞类型的增殖、分化和趋化。已知IGF-I的局部施用刺激外周神经的再生。此 夕卜，当局部施用到猪的创伤时，IGF-I和PDGF协同作用，比单独施用每种因子时更为有效地 促进愈合。干扰素首先被确认为使细胞抵抗各种病毒感染的蛋白质。已经鉴定了三种干扰 素，S卩α-IFN、β-IFN和Y-IFN，它们是由活化的T和NK细胞(自然杀伤细胞)产生的。 a-IFN由15种左右密切相关蛋白质的家族组成，而β-IFN和Y-IFN作为单个种类存在。此外，在美国专利No. 4，897，471 (通过引用并入本文)中公开了合成的共有α-IFN，其设计为引入所有已知α-IFN亚型之间的共有区域。所有的IFN都是生长抑制性分子，对淋巴因 子级联具有重要作用。每种IFN都对正常细胞、癌细胞和宿主免疫防御细胞产生多种调节 作用。Y-IFN的活性包括用于增强吞噬作用和肿瘤杀伤能力的巨噬细胞活化。目前，这些 蛋白质主要用于癌症治疗。白介素(IL)是在机体的免疫应答中起主要作用的多肽家族。它们由多种细胞类 型、尤其是T细胞响应于抗体原刺激或促有丝分裂刺激而产生。IL-I是在外来抗原识别之 后产生的。除了介导免疫应答之外，IL-I参与对急性感染的炎性应答。IL-I活化B细胞和 T细胞。它诱导IL-2的合成。它作为B细胞增殖和分化的辅因子。它增强T细胞和NK细 胞的毒性。IL-I还增强骨髓祖细胞对各种集落刺激因子(CSF)的反应。在炎症中，IL-I引 起骨髓粒细胞的释放，作为多单核细胞(polymononuclear cell)的化学引诱物，刺激成纤 维细胞的增殖，并且在胶原酶的释放中起作用。IL-2的T细胞合成是由IL-I诱导的。IL_2是B细胞和T细胞生长因子。它还 是NK细胞生长和活化信号，刺激它们变成高细胞毒性的淋巴因子激活的杀伤细胞(LAK细 胞)。IL-2也调节巨噬细胞活性，促进细胞毒性。IL-3也称为多CSF，由抗原或有丝分裂原 诱导的T淋巴细胞合成，参与造血祖细胞的生长和增殖。在体外，IL-4对于粘膜和结缔组 织的生长是必要的。它还增强巨噬细胞的杀灭肿瘤作用和抗原呈递能力。IL-4与CSF在许 多非终末分化造血细胞谱系上协同相互作用。此外，它激活静息的B细胞。IL-4还下调单 核细胞的免疫功能，从而抑制单核细胞和巨噬细胞活性，并且抑制经刺激的单核细胞中的 IL-8产生。在抗原刺激之后，IL-5诱导B细胞生长并分化成免疫球蛋白分泌细胞。它还刺激 嗜酸性粒细胞的增殖、分化和活化。由成纤维细胞、内皮细胞和单核细胞以及T细胞产生 的IL-6诱导经活化的B细胞终末分化成产生抗体的细胞。此外，它激活造血祖细胞以响应 IL-3。IL-7在体外诱导B细胞和胸腺细胞的增殖。IL-8在免疫和非免疫细胞类型中均有表 达。在经刺激的单核细胞中，IL-8的表达受IL-4抑制，但是在之前由肿瘤坏死因子(TNF) 或IL-I激活的成纤维细胞和内皮细胞中的表达不受IL-4抑制。在体内，介导嗜中性粒细 胞迁移的因素是未知的，但是具有强力中性粒细胞活化和趋化活性的IL-8可以调节体内 的嗜中性粒细胞累积。IL-9在某些T细胞系中表达，并由经有丝分裂原刺激的外周血淋巴细胞表达。 IL-9增强肥大细胞增殖，并且它还刺激骨髓源性肥大细胞中IL-6的产生。最近在小鼠中发 现，IL-10 (也称为小鼠细胞因子合成抑制因子(CSIF))抑制经刺激的非体液T细胞群中细 胞因子的产生。KGF是一种由正常的间质成纤维细胞分泌的上皮细胞特异性有丝分裂原。在体外， 它已证明在刺激人角化细胞增殖方面与EGF —样有效。M-CSF也称为CSF-1，是一种同二聚体集落刺激因子，其只对巨噬细胞祖细胞起作 用。这种巨噬细胞谱系特异性蛋白在体外由成纤维细胞和间质细胞系组成型产生。在体内， 与其它的CSF不同，M-CSF在胚胎发生中出现看起来较早，表明对该多肽具有潜在的发育作用。PD-ECGF是一种血小板源性内皮细胞有丝分裂原，其具有约45 kD的分子量。与FGF家族的内皮细胞有丝分裂原不同，PD-ECGF既不结合肝素，也不诱导成纤维细胞增殖。 但是，PD-ECGF的确刺激体外的内皮细胞生长和趋化以及体内的血管发生。PDGF是一种间充质细胞类型(如成纤维细胞和平滑肌细胞)的强刺激物，但是不 刺激上皮细胞或内皮细胞的生长。在低浓度下，PDGF作为成纤维细胞的化学引诱物，并且 还用作单核细胞和嗜中性粒细胞的化学引诱物和激活信号。
重组SCF是一种新的细胞生长因子，其刺激早期造血祖细胞、神经干细胞和原始 生殖干细胞的生长。SCF表现出与集落刺激因子的强协同活性，导致集落数目增加并形成更 大尺寸的集落。因此，对哺乳动物单独或与其它造血生长因子组合施用药学剂量的SCF可 改善多个不同器官系统中的受损细胞。TGF-α和TGF-β协同作用来诱导某些癌细胞系的非锚着依赖性生长。TGF-β 由一类二硫键连接的同二聚体蛋白质组成，每个链由112个氨基酸组成。这种二聚体蛋 白质产生许多生物效应，例如有丝分裂发生、生长抑制和分化诱导，其取决于所用的测试。 TGF-β 1是研究最多的与创伤愈合有关的TGF-β种类。作为一类，TGF-β是单核细胞和成 纤维细胞的强化学引诱物。因为上述重组生长因子中的每一种都能够作为主要参与创伤愈合过程的细胞类 型(即单核细胞/巨噬细胞、嗜中性粒细胞、成纤维细胞以及内皮细胞和上皮细胞)的有丝 分裂原、抑制剂或化学引诱物，所以它们可以用于本发明的方法中。已发现EGF在重复施加 至创伤部位时加快表面创伤和烧伤的愈合。PDGF和TGF- β在形成创伤之后不久即向切口 部位施用一次时增强切伤的愈合速度。可溶性因子可以是蛋白质，或者可以在细胞中表达。蛋白质、肽或多肽是指氨基酸 的多聚体，并且这些术语可互换使用。聚合物可包括天然或非天然的氨基酸。蛋白质或多 肽可以通过天然、重组、合成或其它手段在体外或体内产生。蛋白质或多肽可具有翻译后修 饰，或者可以经化学修饰，包括磷酸化、糖基化、甲酰化、乙酰化、甲基化、巯基氧化等。本文所用的术语“细胞”是指单个生物有机体单元，可以是真核或原核的。真核细 胞家族包括酵母和动物细胞，包括哺乳动物细胞和人细胞。可用于本发明的细胞包括可由 患者或匹配的供体获得的细胞，或已建立的细胞系。细胞可由患者分离和提取出来，和/或 进行基因工程处理以产生细胞因子、抗体或其它生长因子的宿主，从而帮助创伤愈合过程。重组体可指生物、细胞、核酸和蛋白质。重组细胞和生物是包含重组DNA的细胞和 生物。重组DNA是指在自然界中在正常情况下不存在的核酸序列。通常，该术语是指两条 或更多DNA剪接在一起形成非天然产物。重组蛋白是由重组DNA ( S卩，与自然中存在的核酸 不同的核酸)产生的蛋白质。在产生重组蛋白质时，表面蛋白质的基因中的调控序列通常 与在天然基因中存在的调控序列不同。也可将基因置于正常而言不具有该基因的生物中， 以在期望的生物中产生该蛋白质。可以利用常规基因工程技术和重组工程技术将期望基因或其它核酸构建体插入 接种到新的微构造膜中或新的组织类似物或替代物中的细胞内，例如如Ausubel等编辑 1989， Current Protocols in Molecular Biology, Green Publishing Associates， Inc. and John Wiley & Sons，Inc.，New York 中所述。与利用细胞培养室502a的情形一样，可以将一个细胞培养室连接到多个微室 230 (包括数千个或更多)。在一些实施方案中，可以将一个微室连接到几个细胞培养室。例如，微室230，可以容纳来自细胞培养室502b、502c和502d的可溶性介体。以该方式，可以将若干不同的介体供给到创伤朝向面中的区域。在一些实施方案中，可以使用微流体泵和/或阀来运送和/或调节可溶性介体。例 如，微流体控制管线506可通过一个或多个微通道，以形成控制介体流向多个微室的阀。在 一些实施方案中，可以使用微流体阀、泵和通道的复杂网络来控制各种可溶性介体向微室 的递送。多种可溶性介体，例如PDGF、EGF、GM-CSF, FGF和其它合适的介体可单独使用或组 合使用。可通过利用自密封端口 510或其它合适的递送机构将液体培养基中的细胞悬液 引入细胞培养室502a来实现对细胞培养室502a的接种。端口 510可直接通入细胞培养室 502a中，或者可以经过通道512与其连接。在一些实施方案中，可以使用主要的或中央的细 胞储器(未显示)来初始储存悬浮在液体培养基中的细胞，并且通道可以从所述主要储器 通向几个较小的细胞培养室。类似地，可以将试剂经端口直接添加到细胞培养室中，或者添 加到主要储器中然后分配到细胞培养室。支持细胞成活的条件可以通过提供营养物、水等、 通过端口 510注入培养基或通过微通道递送这些因子来维持。在一些实施方案中，可以在创伤愈合装置的基体中包括药物容纳室来代替细胞培 养室。药物可以容纳在室内，并且以选定速度随时间释放，其方式与上述可溶性介体相似。 可用于处理创伤的药物包括抗生素、银；硝酸银；醋酸氨苄磺胺；聚维酮碘；磺胺嘧啶银； 大环内酯类；青霉素类；头孢菌素类；氨基糖苷类和喹诺酮类。用于创伤愈合中的其他药物 包括血管生成因子；维生素；肽和遗传材料。在一个实施方案中，可以使用采用生物传感器的反馈控制系统作为创伤愈合过程 的一部分。图5b提供反馈控制系统实施方案的一个实例的示意图。根据具体的创伤类型， 有利的应变和应变速率可以是时间依赖性的，或甚至依赖于愈合状态。获取关于创伤中愈 合程度或未愈合之数据的机制可有助于调节操作参数。可使用如下反馈系统其中测量生 物或物理条件和参数，并用于确定真空压力和位置，和/或控制创伤愈合介体的递送和/或 细胞递送。这类条件和参数的实例包括直接影响创伤愈合的变化，如细胞增殖和新血管生 成的速率。可与有效的创伤愈合相关联的其它条件或参数的实例包括但不限于创伤的流体 内含物、创伤颜色、创伤相对于周围组织的高度和创伤组织的顺应性。可与有效的创伤愈合 相关联且可用于反馈系统以改善创伤愈合微室中状态的条件或参数的其它实例包括但不 限于pH、溶解氧含量、血红蛋白浓度、血红蛋白氧饱和度、细菌计数、毒素的浓度、代谢底物 的浓度和代谢副产物的浓度。所列出的这些条件或参数中的任何条件或参数均可组合使 用，并且可用于给出有效创伤愈合的指示。反映创伤物理状况的测量参数可以通过多种转导方法来确定。转导方法包括但不 限于压电法、压阻法、电容法、电阻法、电感法、PH法、光发射法、光传输法、光透射法、光激 发/衰变法和化学法。例如，安装在创伤上的压阻式应变仪可以包括检测创伤相对于周围 组织的高度的机械方法。这种相对创伤高度的检测也可通过光学方法来检测。此外，可以 检测创伤颜色变化或血红蛋白水平(由于新血管生长引起)的光学装置可以用作监测创伤 物理状况的监视器，与其它可以测量例如这些变化的设备一样。生物传感器可以分布在整 个微室513的阵列内或位于阵列的外围514、516。传感器可将数据输入处理单元519，其确定这些参数的变化率或者这些参数的一个或多个高阶数学函数底。基于接收的数据和由处理单元进行的分析，控制系统可决定和 实现创伤愈合装置中单个微室、一组微室或所有微室中操作参数的不同水平。这通过分布 在整个微室513的阵列中或位于阵列外周517、518处的致动器来实现。该控制系统可以改变多种物理参数，从而响应于测量的条件而改变创伤愈合状 态。可改变的参数包括但不限于真空压力、正压力、组织压缩、组织张力、PH值、氧输注速 率、抗生素输注速率、药物输注速率、化学治疗剂输注速率、培养基输注和抽出速率、可溶性 介体的输注速率、不溶性介体的输注速率、活细胞和去功能化细胞的输注速率、蛋白质的输 注速率和外部施加的创伤收缩压力。该控制系统还可用于调节一个或多个流体入口通道 520中的流动，以及调节一个或多个流体和废物流出通道523中的流动。可提供其它数据/ 信息传输总线512、522作为控制系统的组件。在一个实施方案中，该装置能够将多种不同的材料层分布并沉积到创面上。也可 进行不同层的沉积，以在体内构建多层生物复合材料和层合物。这些生物层合物由具有不 同厚度的层制成。这些层可以以空间和时间模式及顺序的组合来沉积，以优化创伤愈合。例 如，可如下改善创伤愈合在创伤的一个区域内沉积相对厚的某种生物活性剂层，而在创伤 的另一区域内沉积相对薄的相同材料的层。组成这类生物复合材料或层合物的材料包括但 不限于活细胞、去功能化细胞、胞外基质蛋白、蛋白质、热塑性聚合物、热固性聚合物、可生 物降解的聚合物、可溶性创伤愈合介体、不溶性创伤愈合介体、无机材料和纳米结构的材料 (包括纳米颗粒和/或纳米管)。这些生物复合材料的沉积用于重建通常由器官或器官系 统的外表面提供的复合屏蔽功能。此外，该方法包括沉积薄壁细胞从而以受控方式重建器 官结构和功能的能力。在皮肤创伤的情况下，该方法允许沉积材料、生物介体和细胞类型的 特定组合，以重建真皮的结构和功能。然后，该方法允许沉积不同的细胞类型组合，以重建 表皮的结构和功能。在一个实施方案中，微室的阵列能够将多层材料分配和沉积到除创伤之外的基底 上，以体外构建组织外植体和工程化组织。这种构建可以与上述产生体内生物复合材料相 似的方式来完成。在体外组织外植体和工程化组织的情况下，起始基底不是创面，而是生物 相容性基底。在一个实施方案中，创伤治疗装置601能够通过微室内的主动机械元件诱导相对大的位移，从而在下层创伤组织中施加相对大的机械应变。在图6a中，微室600包括面板 611，其能够向微室下方的组织609施加真空压力，由此使创伤组织相对于面板611固定。 将组织固定至面板的其他手段包括但不限于微加工的固定柱、微加工的固定脊和粘附表 面构造。该面板可以通过可变形隔膜618与上方的真空室隔开。在与该实施方案相关的一 种方法中，可以首先通过经由集成式微通道607施加真空压力而将组织相对于所述面板固 定。然后，当向上方的真空室施加较小幅值的第二真空压力时，可以在创面的组织内引发相 对大的应变615。向上方的真空室施加真空使隔膜变形，并且使组织相对于固定在微室边 缘处的组织发生垂直运动。将组织固定在微室边缘处可以通过多种方法来实现，其包括但 不限于施加真空压力、微制作的固定柱和脊以及粘附表面构造。利用这种结构，可以引起 1至1000微米的变形。在图6b中，微室显示为与通过可变形的膜631与上方的室619分隔开。室619设 置为在向室施加真空压力时产生创伤治疗装置的侧向压缩623，并且在向室施加正压力时产生侧向拉伸625。在与该实施方案相关的一种方法中，首先通过施加真空压力将组织相对于面板固定。然后，当向每隔一个室施加第二真空压力而向其余室施加正压力时，在创面组织内引起 相对大的应变。向上方的真空室交替施加的真空压力和正压力分别使所述室塌缩和膨胀。 这种塌缩和膨胀使创伤组织相对于相邻组织垂直运动，由此引起相关组织压缩和组织拉伸 的物理定位区域。每个微室边缘处的组织变形可以通过多种方法来实现，其包括但不限于 施加真空压力、微制作的固定柱和脊以及粘附表面构造。利用这种结构，可以引起1至1000 微米的变形。图6c中示出设置为允许从创伤表面654(或其它组织表面)移出材料的设备650 的一个实施方案。设备650包括具有多个微室651的基底655。每个微室651包括开口 652，通过所述开口可以从微室651中移出材料。此外，开口 652允许向微室651传递真空 压力。可以通过接口管656和真空分配层653向微室施加真空压力。分配管656还可以用 于将材料从微室651运走。箭头657显示通过接口管656运出材料的路径。在一个实施方案中，该装置能够向创伤施加宏观的外部压缩应力，以增强和/或 优化创伤收缩。如图7所示，创伤治疗装置中配有使创伤治疗装置本身能够进行机械收缩 的集成式机械致动器。在一个实施方案中，相对可压缩材料的可塌缩室或区域701集成到 整个装置体内。在所述装置的表面上，所述室或可压缩区域下方的区域被强力粘附至创伤 表面702的装置表面区域包围。这种强力粘附可通过多种方法来实现，其包括但不限于施 加真空压力、微制作的固定柱和脊以及粘附表面构造。相对可压缩材料的可塌缩室或区域 下方的创伤愈合装置表面区域是非粘附性的或粘附性相对弱。通过启动相对可压缩材料的 可塌缩室或区域中或附近的一系列局部机械致动器，可以使强力粘附至装置表面的创伤组 织的两个空间隔开的区域紧密相邻707。这种作用引起下方创面709的宏观压缩，且同时 将微机械刺激持续递送到创面的组织。通过施加这种宏观压缩且同时持续施加微观机械刺 激，增强了有效创伤愈合。在一些实施方案中，创伤可以收缩至少10%的面积，并且在一些 实施方案中，收缩高达90%的面积。在相对可压缩材料的可塌缩室或区域中或附近实现局部机械致动的一种方法是 向所述室或区域施加相对真空。实现局部机械致动的其它方法包括但不限于压电力、静电 力、磁力、热膨胀/收缩力、化学膨胀/收缩力量、液压力和气动力。在一些实施方案中，可 以采用一种或多种非机械组织刺激，例如热、电、离子、超声、射频、光子、化学和光学刺激。在一些实施方案中，可以将包括多个微室的设备固定至和/或整合到医疗装置的 表面上。具有微室阵列的医疗装置可以按如下方式制造使得将微室整合到装置中，使得该 装置的制造方法包括微室的制作。在一个替代实施方案中，可以将微室阵列的预制形式应 用至独立制造的装置的一个或多个表面上。可以添加微室的医疗装置包括但不限于导尿 管；心导管；肺动脉导管；内窥镜；支气管镜；植入式医疗电子设备；胃管；空肠造口管；结 肠造口管；脑室腹膜分流仪；骨科硬件和脊柱外科硬件。在一些实施方案中，微室和其它构造可由多种材料构成，所述材料包括但不限于 金属；陶瓷；聚合物和活组织。在一些实施方案中，可利用使用微室的设备来处理活动性出血。在这类实施方案 中，可以使用微流体网络来将促凝血材料注入特定微室中。其它选定的微室可执行其它功能，例如排出凝结和未凝结的血。通过使用整合式挡板压缩室，微室阵列还可以经过直接压 缩出血组织或器官来止血。
在一些实施方案中，可以采用包括微室的设备作为向癌症患者提供化疗剂的主要 模式。在这类实施方案中，可以使用微流体网络将化疗剂或短距离放射治疗材料注入位置 靠近肿瘤的特定微室内。其它选定微室可执行其它功能，例如向肿瘤施加抽吸力来确保治 疗材料紧密靠近。在一些实施方案中，包括微室的设备可用于处理烧伤创伤。在这类实施方案中，可 以使用微流体网络将抗生素和细胞注入到创伤表面上。其它选定的微室可以执行其它功 能，例如排出血液并向创伤施加抽吸力以确保敷料粘附。在这类实施方案中，可使用微室来 将细胞如角化细胞或其它皮肤细胞以协同方式滴注到例如创伤表面上，以使真皮和表皮部 分或全部重建。在这类实施方案中，可以滴注几种不同的组织、材料和活细胞以使真皮和/ 或表皮的结构和/或功能重建。在一些实施方案中，可以采用包括微室的设备来处理开放性腹部创伤。在腹部器 官肿胀时出现的开放性腹部创伤阻止腹部的筋膜层重新靠近。在某些情况下也可能有意地 留下腹部创口，从而使外科医生能够无需重新打开腹部即可连续检查所关注的器官或腹部 区域。这种情形在通过剖腹手术和利用海绵充填腹部来控制活动性出血的腹部创伤情形中 经常出现。在该情况下，并不致力于止血，而是利用Bogeta袋(一种透明的无菌塑料膜) 来暂时性闭合创伤。在该情况下，通过以规定的时间间隔除去所述塑料薄膜来再次检查腹 部。在一些实施方案中，可以使用包括微室的设备来代替所述透明的无菌塑料薄膜。在一些实施方案中，可以使用包括微室的设备作为用于修复体内结构缺陷(如 疝)的修补片。在这类实施方案中，可以将设备原位缝合，以为疝提供机械强力修复。在另 一实施方案中，微室水平的分散抽吸力可用作将修复片原位固定的方法。可利用整合有本 文所公开设备的修补片修复的疝包括但不限于腹股沟疝、腹疝、切口疝、先天性膈疝和创 伤性疝。在一些实施方案中，可以通过通道(例如微通道)将抗生素注入微室中来治疗和 /或防止感染。该修补片可部分或全部由可吸收材料制成。在一些实施方案中，包括微室的设备可用于微创手术，例如内窥镜检查；腹腔镜 检查；胸腔镜检查；膀胱镜检查和关节镜检查。在这类实施方案中，该设备可以卷成管结构 并插入接受检查的体腔内。该卷曲微室设备的直径可比用于进入体腔的一个或更多套管针 的直径小。根据本发明的另一方面，微结构可在不连接至可控外部压力和力源的情况下用于 引起组织的机械刺激。也就是说，在一些实施方案中，微结构本身可通过其与组织表面接触 的形状和力来提供组织刺激。在一些实施方案中，基底(substrate)上的突出微结构区域 可通过将基底粘附至受试者目标组织区域周围的区域而与目标组织区域(如创伤)接触。 例如，在一些实施方案中，基底可类似于典型的胶布绷带，因为粘合区域可以使创伤朝向面 贴靠创伤。在一些实施方案中，可以使用可控力(例如向分散在突出微结构之间的微室施加 的真空)来将突出微结构压在目标组织上。当两个物体接触时，在界面处产生接触应力分布(stress prof ile)，并且这种接 触应力分布通常是三维的。应力分布包括位置与接触界面垂直的一个法向应力轴。此外，应力分布还包括均与接触界面平行的两个剪切应力轴。这种三维接触应力分布被传递到相接触的两个物体的本体材料上。在传递时，应力在相接触的两个物体中产生变形(或者应 力分布)。在两个接触表面均光滑的情况下，接触应力分布同样也是平滑和连续的。如果一个表面利用突出微结构图案化，则局部化的微结构形状增加接触应力分 布。这种由置于接触界面之间的微结构所引起的应力幅值局部增加的过程被称为应力集中 (stress concentration)。通过局部增加所施加应力的幅值，所得局部应力增加，由此增加 对创伤愈合的机械刺激或以其它方式促进组织生长。突出微结构可以为多种形状中的一种 或多种。在一些实施方案中，微结构可以为基柱、支柱或尖端。在一些实施方案中，突出微 结构可包括平台、凹陷、锥状物、半球、多层图案或任意其它合适的形状。在一些实施方案 中，突出微结构具有长度、宽度和深度，所述深度是从基底底部至所述微结构从基底底部突 出的最远点之间的垂直距离。用于本文目的的突出微结构的长度和宽度是正交尺度，其也 与深度正交。与深度正交的尺度中的较大尺寸为长度。在一些实施方案中，长度与宽度的 比值不超过100。在一些实施方案中，长度与宽度的比值不超过50，并且在另一些实施方案 中，长度与宽度的比值不超过10。在一些实施方案中，长度和宽度基本上相等。图8a至8c分别显示与组织表面接触的突出微结构的实施方案以及对应的预测法 向应力分布和剪切应力分布。图8a是与组织表面808接触的锥形突出微结构802的截面侧视图。锥形突出微 结构802从设备基底803上突出。法向应力分布810显示将沿χ方向在组织表面808上引 起的预计法向应力，剪切应力分布812显示将沿χ方向在组织表面808上引起的预计剪切 应力。图8b是与组织表面808接触的半球形突出微结构804的截面侧视图。半球形突 出微结构804从基底803上突出。法向应力分布814显示将沿χ方向在组织表面808上引 起的预计法向应力，剪切应力分布816显示将沿χ方向在组织表面808上引起的预计剪切 应力。图8c是与组织表面808接触的柱形突出微结构806的截面侧视图。柱形突出微 结构806从基底803上突出。法向应力分布818显示将沿χ方向在组织表面808上引起的 预计法向应力，剪切应力分布820显示将沿χ方向在组织表面808上引起的预计剪切应力。 柱形突出微结构806在与其深度垂直的截面上可以为圆柱形，或者柱形突出微结构806可 以为方形截面，或具有其它合适的截面形状。图9示出类似于典型的胶布绷带的设备900的一个实施方案。基底902设置有多 个(例如10000个)突出微结构904(未按比例绘制)。基底902附着至垫片906，并且垫 片906包括具有用于附着至受试者的粘合材料的区域908。附着至受试者的力将微结构904 压到创伤表面或其它组织表面上，致使组织变形。本发明不限于其在说明书中提出或在附图中示出的结构细节和组件布置中的应 用。本发明能够适用于其它实施方案，并且能够以多种方式执行或实施。此外，本文所用的 短语或术语适用于描述的目的，而不应被视为限制。本文中使用的“包括”、“包含”或“具 有”、“含有”、“涉及”及其变化形式是指涵盖其后列出的项目、其等同物以及其它项目。因此，已经描述了本发明的至少一个实施方案的几个方面，但是，应当理解，本领 域的技术人员很容易会想到各种变化方案、修改方案和改进方案。这些变化方案、修改方案和改进方案也是本说明书的一部分，并且也在本发明的精神和范围内。因此，前述说明书和附图仅是用于举例。
权利要求
一种用于促进组织生长的设备，包括具有多个微结构的生物相容性基体，每个微结构构建并排列成向组织表面施加机械刺激，其中所述设备配置成通过所述多个微结构中的第一微结构施加第一机械刺激与通过所述多个微结构中的第二微结构施加第二机械刺激是可独立控制的。
2.权利要求1所述的设备，其中所述第一和第二微结构包括构建并排列成向所述组织 表面施加压力的微室。
3.权利要求2所述的设备，其中所述第一和第二微结构包括构建并排列成向所述组织 表面施加真空压力的微室。
4.权利要求3所述的设备，还包括通过通道与所述微室流体连通的真空源。
5.权利要求2所述的设备，还包括与所述微室流体连通以可控地对该微室施加压力的 压力源，其中对所述微室施加的压力可利用集成到该设备中的微流体阀来控制。
6.权利要求1所述的设备，其中通过所述第一微结构施加第一机械刺激可控制成改变 该第一机械刺激的幅值，而不改变通过所述第二微结构施加的第二机械刺激的幅值。
7.权利要求1所述的设备，其中所述基体包含硅橡胶，并且每个微结构包含宽度不超 过10微米的微室。
8.权利要求1所述的设备，其中所述基体包含多个构建并排列成向所述组织表面施加 压力的微室，每个所述微室的宽度为10000微米或更小。
9.权利要求1所述的设备，还包括控制系统，其控制通过所述第一微结构施加所述第 一机械刺激和通过所述第二微结构施加所述第二刺激。
10.权利要求1所述的设备，其中所述微结构构建并排列成利用以下至少一种向组织 表面施加机械刺激压电力、静电力、磁力、热膨胀力或收缩力以及化学膨胀力或收缩力。
11.权利要求1所述的设备，其中所述微结构可被控制成实现组织创伤的宏观收缩。
12.权利要求11所述的设备，其中所述微结构可被控制成使组织创伤的面积宏观收缩 至少10%并小于90%。
13.权利要求1所述的设备，还包括 第一通道；所述多个微结构中的第一组微室，所述第一组中的每个微室都与所述第一通道流体连通；与所述第一通道不同的第二通道；和所述多个微结构中的第二组微室，所述第二组中的每个微室都与所述第二通道流体连通；其中通过所述第一微结构施加所述第一机械刺激包括通过所述第一组中的每个微室施加 机械刺激；通过所述第二微结构施加所述第二机械刺激包括通过所述第二组中的每个微室施加 机械刺激；和所述设备设置成通过所述第一组中每个微室施加机械刺激与通过所述二组中每个微 室施加机械刺激是可独立控制的。
14.一种用于促进组织生长的设备，所述设备包括具有多个微室的生物相容性基体，所述多个微室构建并排列成面向组织表面，所述多 个微室中的每个微室形成封闭的外周；和多个通道，所述多个微室中的每个微室与所述通道中的一个或更多个流体连通。
15.权利要求14所述的设备，其中所述多个通道包括多个微通道，并且所述多个微室 中的每个微室与所述微通道中的一个或更多个流体连通。
16.权利要求15所述的设备，其中所述微通道中的至少一些被设置成向微室中添加流 体或从微室中除去流体，以使所述微室向所述组织表面施加力。
17.权利要求16所述的设备，其中流体通过第一微通道的流动与流体通过第二微通道 的流动是可独立控制的。
18.权利要求15所述的设备，其中所述微通道中的至少一些被设置成向所述微室中的 一个或更多个递送一种或更多种材料。
19.权利要求15所述的设备，其中所述微通道中的至少一些被设置成从所述微室中的 一个或更多个中除去一种或更多种材料。
20.权利要求15所述的设备，还包括感测组织状态并为控制系统提供信息的传感器；和控制系统，其设置成至少部分从基于该传感器所接收的信息来控制所述设备的参数。
21.权利要求14所述的设备，还包括细胞培养室，所述细胞培养室通过所述通道中的 至少一个与所述微室中的至少一个流体连通。
22.权利要求21所述的设备，其中所述细胞培养室集成到所述基体中。
23.权利要求14所述的设备，其中所述通道与材料源连接，所述材料源包含以下一种 或多种活细胞；去功能化细胞；创伤愈合介体；蛋白质；无机材料；胞外基质材料以及聚 合物；并且所述通道设置成通过所述微室将所述材料递送至组织表面。
24.一种向目标组织表面施加机械刺激来促进组织生长的方法，所述方法包括提供基底，所述基底包括朝向组织的表面，其含有多个突出的微结构，所述微结构长度 与宽度的比值小于100 1 ；利用力使所述基底的该组织朝向面与目标组织表面接触并保持，从而所述突出微结构 使所述组织表面变形。
25.权利要求24所述的方法，其中利用力保持所述组织朝向面与组织表面接触的动作 包括仅将所述基底直接附着至不包括所述目标组织表面的区域。
全文摘要
本发明涉及将微机械力传输到毫米至微米尺度的局部来促进创伤愈合的方法和设备。可选择性地将微机械力直接施加到组织，在一些实施方案中，通过利用与微通道流体连通的微室来施加。每个室(或者在一些情况下为一组室)可与阀关联以控制真空压力、正压力、液体输送和/或从每个室或每组室中移除液体。本发明实施方案的应用可缩短创伤愈合时间，降低治疗费用，使功能组织得以恢复，并且减少对更具侵入性的治疗(包括外科手术)的需要。
文档编号A61M25/02GK101801311SQ200880023109
公开日2010年8月11日 申请日期2008年4月30日 优先权日2007年5月1日
发明者丹尼斯·P·奥吉尔, 巴尔托洛缪·J·卡内 申请人:布赖汉姆妇女医院有限公司