形成血管的植入材料的制作方法

专利名称：形成血管的植入材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及植入宿主中的材料。特别是，本发明涉及一种材料，该材料促进在至少一部分植入材料和宿主的界面处形成血管结构。
对于从研究到治疗范围内的各种应用而言，最理想的是在软组织中植入一个物体或装置。这种植入物可以包括体内(indwelling)导管、体内传感器和用于保持被植入体内的组织的装置。
如果用植入的装置来保持组织，那么在许多这样的应用中，就必须将植入的组织从宿主的免疫反应中隔离(免疫隔离)。例如，当植入的组织是异种移植物，即移植物细胞来自另一物种的供体，或者植入的组织是同种移植物，即移植物细胞来自同一物种但遗传组成不同时，这种免疫隔离是很关键的。如果不能适当地隔离这种组织将会导致排斥植入物细胞的宿主细胞或宿主免疫基因因子的侵入。在某些其它应用中，象自体移植，即细胞预先从要植入的病员组织上分离的情况，必须把植入组织与宿主隔离开，这不是因为细胞会排斥，而是因为细胞可能含有给病员带来危险的逆病毒媒介物。相应地，还需将这种细胞包在某种结构中，这种结构能阻断细胞通过的通道。
在某些其它移植应用中，最理想的是提供一种区域或结构，该区域或结构对于受液体排斥的细胞植入物以某种方式进行的分子扩散是选择性不渗透的，或者在非传输机能方面具有非渗透性，例如为穿过皮肤的导管提供一个表面。
在植入生物材料时，宿主的炎性细胞(巨噬细胞、巨生细胞和成纤维细胞)产生被称为异体反应的炎性反应。这种反应常常在植入材料的周围产生无血管形成区。该异体反应是人体试图排除或分离异体的反应(Anderson，J.M.，“移植的炎性反应”，Trans。Am.Soc.Artif.Interm.Ograns.Vol ⅩⅩⅩⅣ101-107(1988))。
在异体反应期间，来自宿主的巨噬细胞试图吞食异体。在某些情况下，巨噬细胞聚合形成多核巨生细胞。随着宿主试图隔离异体，而使这种植入物形成为增加了厚度和强度的成纤维细胞层。这样便产生了细胞和胶原纤维性囊。
参照

图1，所提供的显微照片(1(a))和附图(1(b))表示对异体植入的传统的组织反应。图1表示典型的组织切片，该切片取自植入Sprague-Dawley鼠背部皮下近三个星期后分离的组织段。如图所示，植入物10由与其相邻接形成的异体被膜12所包围。典型的异体被膜12由三层构成。
如图所示，异体被膜12的第一层13包括位于植入物10和组织之间的界面18上的巨噬细胞14和异体巨生细胞16。由巨噬细胞14组成的该第一层13通常为约5-15微米厚。
异体被膜的下一层，或第二层15包括成纤维细胞20。成纤维细胞20的朝向平行于植入物10的表面，而且包埋在胶原基质中，该基质包括胶原纤维，胶原纤维的朝向也与植入物的表面平行。由成纤维细胞20和胶原纤维构成的第二层15通常具有约30-200微米的厚度。整个异体被膜12的第一层13和第二层15通常是完全无血管的。
在异体被膜12的外部区域，有很少的血管构造24开始出现在成纤维细胞第二区15的外部。在第三层17上离植入物10的表面约30-200微米的地方有松散连接的组织，即更完善的血管。第三层17是无定形的，其厚度随组织植入后的位置和时间发生很大变化。
如图1所示，传统的异体反应所产生的结果是，包围植入物10的异体被膜12在接近植入物表面的部位不含血管构造。
虽然由异体反应产生的异体被膜最好或至少是无害的，但是对某些植入物来说，象例如硅前胸植入物和胶原植入物，这种异体被膜就会使某些应用和使用这类植入物进行治疗受到阻碍。例如，用于糖尿病中葡萄糖分析的体内(indwelling)传感器，由于异体反应使这种传感器用不了几天就会关闭。的确，异体被膜变得如此之厚，以致于抑制了葡萄糖扩散到阻碍传感器发挥作用的膜表面。
同样，当把胰岛植入半渗透膜中治疗糖尿病时，它们通常会在几天或几周内死亡。由于异体被膜的厚度导致供给胰岛的营养缺乏而使胰岛失去作用。同样，由于异体被膜明显阻碍了营养素从毛细管向包在植入膜中的细胞的传输，所以其它植入宿主中的组织也不能保持存活。
很明显，在有关免疫隔离文献的全面评述中(“胰岛组织的隔离和移植”(1984)World J.Surgery 8143-151)，有18篇关于胰岛免疫隔离的论文。在每种情况下，胰岛起作用的时间是几星期或如4项研究中所说的几个月。在每一种而不是一种情况下，均是由于膜和腔的成纤维细胞过度生长而遭失败的。作者们指出“如果……能够构成一个[膜]以抑制宿主纤维反应，则血管外扩散腔方法对临床可能是很有用的”。他们还进一步指出“[扩散腔的]基本问题涉及宿主成纤维细胞对装置的反应”。该观点已被美国第4，298，002号专利反映出来，该专利指出“由于体内借助纤维体包裹了装置，该纤维体阻断了胰岛素、营养素和/或排泄物的通道，所以装置……在有限的时间内保持有效”。
最近的报告继续表明装置失效是由于异体被膜减少扩散所致。例如，Christenson，Abeischer，McMillan和Galletti在“对腹腔内聚合物植入物的组织反应物种差异以及类皮质激素和阿雷素的效果”((1989)J.of Biomed，Mat.Res，23705-718)中所述“减少植入物周围的组织反应，对于提高包在膜中的内分泌组织的长期生存能力是很重要的，而且这对植入内分泌组织技术的任何临床应用都是绝对必要的”。
不良的组织生存能力已经引发了新的设计方式，通过经皮肤插入的导管对植入的胰岛进行周期更换来克服原来设计中由于纤维被膜的过度生长所导致植入组织变坏的缺点。
此外，这种具有多种用途的体内导管因其入口侧已被感染通常具有很高的丢弃率。一般认为这种感染是由于组织与导管表面的不良粘连以及已形成的异体被膜所导致的导管周围区域形成不良血管而引起的。现在已经提议植入物应该具有表面，将这些表面设计成能增加植入物在宿主组织中的粘连和固定(例如Von Recum和Kampbell的0359575号欧洲专利申请)。该专利申请借助于表面局部解剖描述了一些材料，这些材料设计成能提供“一种改进的具有某种表面构造的软组织植入物，这种表面构造使植入物能良好地固定在组织上而不会在植入部位引起炎性组织。
在试图向处在被植入装置内的细胞和组织提供所需的营养素和/或允许由组织产生的因子进入宿主时，必须处理几乎矛盾的关系。对于包括异种移植物或同种移植物的装置而言，这些组织必须与宿主的免疫系统相隔离。因此，虽然需要以某种方式使宿主的血管系统与这些组织相连接以提供营养素，和把生物因子传送给宿主，然而相对立的关系却又阻碍了宿主对组织的免疫反应。同样，对传感器和导管而言，虽然最好是能相对于这些装置产生血管，但是深入装置内部的血管形成将会妨碍装置良好地发挥作用。
本发明提供一种移植材料，该材料在其与植入该材料的宿主之间的界面处通过宿主形成封闭的血管。
本发明的材料用途包括作为体内导管的包膜;作为向体内传感器传递生理因子的工具;作为从腔或导管向宿主的组织输送药物的工具;和作为移植物细胞的包裹工具来治疗细胞和分子的缺陷疾病(免疫隔离)。
在一个实施例中，本发明提供一种非对称材料，该材料具有在材料和宿主的界面处产生封闭血管的第一区，和第二相邻区，该区阻断了细胞通过该区的通道。在第二区保持与本发明有关的被植入装置内部的免疫隔离同时，血管形成区使材料在它的外部形成血管。该材料可以由包含上述两层的区域构成，也可以是一个梯度区。该梯度包括一个外部区，其构造导致封闭血管形成。该材料的结构逐渐变密直至达到使细胞不能渗透。
在另一个实施例中，第二相邻区对选定的扩散是分子渗透的。在又一个实施例中，当第二区以非传输机能的形式用于象体内导管这样的装置中时，它是不渗透的。
最后，本发明提供一种具有三维构造或建筑构造的植入物，在与宿主的界面处，该构造允许材料的单核细胞侵入而阻止连接组织的侵入，该连接组织导致在结构中形成异体被膜。
申请人并不完全清楚本发明的封闭血管是怎样形成的。图表中所列数据以及后面的附图与理论相一致，即如果与宿主接触的材料的三维构造能引起某些宿主炎性细胞活动，就会导致封闭血管形成。申请人通过光电显微镜观察到，如果在植入的最初阶段里至少有一些进入材料的巨噬细胞不活化，就会形成封闭血管。活化的巨噬细胞的特征是细胞变平。当申请人通过光显微镜(～400×)观察时发现，在封闭血管形成的植入物区域中，已经进入植入物腔中的巨噬细胞保持圆形形状。参见图2a，在3000×(TEM)下观察到的圆形巨噬细胞基本上与材料的外形相一致。虽然与巨噬细胞的形状有关，但是巨噬细胞对观察到的反应的制约是不清楚的。然后，需要通过宿主细胞进行结构侵入这一点是清楚的。虽然大多数细胞表现为巨噬细胞，但是其它炎性细胞也有可能控制反应，因此我们称侵入细胞为“炎性细胞”，它包括但并不限于巨噬细胞。
另一方面，当在植入的最初阶段形成异体被膜结构时，与植入材料接触的炎性细胞在靠近材料的某些部分上变平，材料的这些部分代表一个易于使炎性细胞进行变平活动的区域(图6)。
在一个实施例中，导致封闭血管结构形成的材料是聚合物膜，它具有约0.6-20微米的标称孔，购买时可用一般方法确定孔的大小。最好是，膜上至少有近50%的孔的平均尺寸接近于0.6-20微米。
提供的三维形态的结构元素包括无定形或几何形状均匀的纤维、线体、小球体、锥体或柱体，它们或是光滑，或是粗糙。这些在下面称作“线体”的元素通常有一维的长度长于另外两维，较短的两维不超过5微米。
在一个实施例中，材料由线体组成，这些线体确定了由内连接线体的结构所形成的“孔”。这些孔在除了最长一维的其它任一维上平均尺寸不大于20微米。这些材料的孔形成内连接孔的构架组织，构架组织确定了在除了最长一维之外的其它任意一维上平均尺寸不大于约20微米的“腔”。在一个实施例中，材料上至少要有一些尺寸足够大的孔以使腔内至少能形成一些血管结构。在允许腔内形成血管结构的同时，至少有一些孔因尺寸限制而阻止了连接组织的形成。
在一个实施例中，所提供的非对称材料具有各种多孔性的梯度或层。在与宿主相接触的材料表面上，至少有一些孔允许炎性细胞进入腔内。但是，由于尺寸的限制，这些孔不允许炎性细胞穿过材料进入植入物的内部。
在本发明的一个实施例中，提供一种免疫隔离包膜container，该包膜包括带内腔并处在靠近宿主组织位置上的第一膜。第一膜上的至少一些孔具有足够的尺寸以允许炎性细胞进入腔中，并至少形成一些与膜接触的血管结构。该包膜还包括第二多孔膜，第二膜上的孔足够小以阻止免疫细胞和/或致免疫因子进入包膜的内部。第二膜处在接近移植物组织的位置。
在一个实施例中，本发明提供的体内导管包括一个多孔膜和一导管体，多孔膜至少包围导管体的一部分。多孔膜上至少有一些孔有足够的尺寸以允许炎性细胞进入腔内并形成至少一些与多孔膜相接触的血管结构。
在一个实施例中，本发明提供一个体内传感器。该体内传感器包括一个监视体内条件或因子的传感器和一个多孔膜，多孔膜至少包围传感器体的一部分。膜上的至少一些孔具有足够的尺寸允许炎性细胞进入腔内并至少形成一些与多孔膜相接触的血管结构。
本发明还提供一种在植入装置表面形成血管的方法，该方法包括的步骤是，使炎性细胞进入膜结构的第一层，形成与膜的第一层表面相接触的血管结构，并阻止炎性细胞进入膜结构的第二层。该实施例可以用于例如乳房修复术中。
通过对最佳实施例和附图的详细描述，本发明的其它特征和优点将变的更加明显。
图1(a)是显微照片，说明对植入装置的传统的异体反应。
图1(b)是说明对植入装置的传统的异体反应的示图。
图2(a)是本发明一个实施例的显微照片。
图2(b)是本发明一个实施例的横截面图，表示在宿主一材料界面上带有正在生长的血管结构。
图3是在膜孔中的异体被膜横截面图。
图4(a)和(b)分别是带有5微米孔尺寸的混合纤维素酯膜和带有3微米孔尺寸的特氟隆膜的扫描电子显微照片。
图5(a)和(b)分别是具有5微米孔尺寸的特氟隆膜和具有12微米孔尺寸的聚碳酸盐膜的扫描电子显微照片。
图6是表示把图5(a)所示的特氟隆膜植入老鼠皮下背囊中三个星期后的光显微照片。
图7是含有胰岛的两层膜的横截面图，膜的外层形成血管，内层阻止免疫排斥。
图8是本发明又一个实施例的横截面图。
图9是与本发明有关的体内导管示意图。
图10是与本发明有关的体内传感器示意图。
本发明提供一种材料，该材料在其与植入该材料的宿主的界面处形成封闭血管，从而使由变平的巨噬细胞、异体巨生细胞和成纤维细胞构成的标准异体被膜不介入血管与材料之间。该材料具有许多用途，包括为与宿主免疫隔离的植入组织形成包膜，和作为包围导管的一部分或包围传感器的一部分的包膜。
按照本发明，采用的材料导致血管结构的生长靠近或直接与材料相邻接。在此使用时，与封闭血管结构或血管结构相接的是那些毛细管，它们的表面位于材料表面内约一个细胞层里。当把含有本发明材料的植入物植入宿主中时，一个异体样被膜也随着这种植入而形成。但是，由于宿主对材料的反应，会使被膜的结构发生很大变化。与标准的异体反应相比，血管床形成在宿主-材料的界面上。
现在参照图2，该图表示本发明的一个实施例。在该实施例中，聚合物膜30至少部分地包围植入物并包括三维腔32。膜30的腔32中至少有一些具有足够的尺寸和结构，以便允许炎性细胞34通过确定腔的孔完全进入腔32中，而且腔32由线体构成的结构所确定，线体在除最长一维的所有维上小于5微米。炎性细胞34进入腔32中时，在距膜30和宿主的界面约一个细胞层的区域内出现血管结构36的生长。尽管并不要求，但是血管结构可以形成在膜的不规则体32中。相应地，虽然成纤维细胞的异体被膜不断形成以至包围膜30，但是整个异体状被膜，包括成纤维细胞层仍能很好的形成血管。封闭血管构造的形成取决于细胞进入膜上腔内的入口，以便细胞被确定孔和腔的线体包围。植入物表面的局部解剖特性不影响炎性细胞的形态学特性。的确，植入物表面的炎性细胞经常保持扁平的形态。
在选择本发明的材料30的线体和腔32的尺寸和形状时，首先必须正确估价，并不是所有的腔都必须有足够使炎性细胞34能进入腔中的足够尺寸。所要求的是有足够数量的腔32具有使足够数量的炎性细胞34进入腔内的尺寸。并不需要使所有线体在除了最长维之外的所有维上都小于5微米。一些线体可以更长些，可有足够数量的线体长到在预定尺寸限定的范围之内。足够数量的具有预定尺寸的线体和腔的存在会在宿主-材料的界面上生成足够量的血管结构。这些血管结构将向免疫隔离包膜提供足够的营养素，和/或能够使腔内细胞产生的成分和因子进入宿主。
虽然至少应有一些腔32必须具有允许炎性细胞34进入腔中的足够尺寸和形状，但是不使腔32内的血管和连接组织发生大范围的内生长也是很重要的。如图3所示，在孔和腔太大的情况下，大型腔32a内出现血管组织36和连接组织39的大范围生长，这使血管组织被隔离在大型腔内。在大型腔32a内由成纤维细胞和连接组织形成的血管组织36的隔离与前面讨论的标准异体反应相似。通过选择合适尺寸的腔32可以阻止在腔内形成成纤维细胞和连接组织39。
已经发现具有平均标称孔尺寸约为0.6～20微米和在除最长维以外的所有维上小于约5微米的线体的多孔聚合物膜在组织-膜界面上生成血管床方面能起到令人满意的作用。应该注意到，术语“标称尺寸”是从诸如膜过滤特定尺寸颗粒的能力、或膜对流动液体的阻力这种膜交换的一般分析方法中推导出来的。由于这些市售的膜大多数具有无定形、随机和不规则性，所以标示的“孔”的尺寸并不实际表示孔和腔的大小和形状，实际上它具有高度的可变性。腔不是真正的“孔”，在此它们不是典型的贯穿材料的均匀规则的孔或通道。相反，这些商品膜能够由例如实际上起筛作用的挤压丝状体构成，例如如图4所示。相应地，在此使用的术语“孔尺寸”是制造商用于鉴别具有一定始沸点的特定商业来源的特定膜的常用语。用在此处时，术语“孔”并不描述本发明中使用的材料的腔的大小。始沸点的测量在药物技术，1983年5月，第36-42页上已有说明。
如前面提到的那样，材料30的全部孔32(图2)允许炎性细胞34透过材料，或相反地阻止连接组织在腔内形成，这些并不关键。所需要的是应有足够数量的腔32具有允许炎性细胞进入腔内而且阻止连接组织在腔内形成的尺寸。在申请人试验的材料中，获得的预期结果是确定腔的孔的线体在除了最长维之外的所有维上的尺寸小于约5微米。已经确定，市售的这种其近50%的腔具有约0.6-20微米的平均标称尺寸而且其线体在除最长维以外的所有维上平均尺寸小于5微米的膜在生成膜附近的血管结构方面具有令人满意的作用。
通过举例的方式，但并不局限于这些例子，对市售的膜进行如下试验以确定能导致形成本发明封闭血管的膜。
在成年的雄性Sprague Dawley鼠背部的皮下囊中植入具有各种标称尺寸的多个市售的膜三个星期，并进行组织学检验。结果(如表1-3所示)是，所有孔太小或具有太密的线体以致于使巨噬细胞不能透过(表1)的膜都具有标准的异体被膜(即，与图1所示相似)，而许多其孔大的足以使巨噬细胞透过(表2)的膜都具有封闭血管结构(即，与图2所示相似)。
表1没有被细胞侵入和没有血管结构的膜公司 膜 标称孔尺寸Millipore 混合纤维素酯 0.1Millipore 混合纤维素酯 0.22Millipore 混合纤维素酯 0.45Celenase 聚丙烯 0.05Celenase 聚丙烯 0.075Gore 聚四氟乙烯/聚酯 0.02Gore 聚四氟乙烯/聚酯 0.2Akzo 聚丙烯 0.01-0.29Akzo 聚丙烯 0.02-0.58Akzo 聚乙烯 0.1Akzo 聚乙烯 0.08Akzo 聚乙烯 0.6Supor 聚砜 0.1Amicon YC,YM,PM,XM0-300KDOmega 聚醚砜 100-300KDMillipore DuraporeR0.22Millipore Immobilon-nR0.22
Gelman VersaporeR0.22Gelman SuporR0.22Gelman SuporR0.8Gelman 聚砜HT-200 0.22Gelman 聚砜HT-200 0.6Gelman 聚酯 0.22Gelman 聚砜/聚酯 0.8Sartorius 乙酸纤维素 0.22Sartorius 乙酸纤维素 0.22Sartorius 乙酸纤维素 0.45Sartorius 乙酸纤维素 0.65Sartorius 硝酸纤维素 0.22Sartorius 增强的细胞·酰 0.22Nucleoproe 聚酯 0.8Pall 不带电尼龙 0.22AMF Cumo 带电尼龙 0.22Micro Separation 尼龙66 0.22IncMicro Filtration 乙酸纤维素 0.22Sys.
Micro Filtration 乙酸纤维素 0.22Sys.
AKZO 聚丙烯-HF 0.2-0.8表2被细胞侵入并有封闭血管结构的膜公司 膜 标称孔尺寸Millipore 混合纤维素酯 1.2Millipore 混合纤维素酯 8.0Sartorius 乙酸纤维素 0.8Sartorius 乙酸纤维素 1.2Sartorius 乙酸纤维素 3.0Sartorius 乙酸纤维素 5.0Sartorius 乙酸纤维素 8.0Gore 聚四氟乙烯/聚酯 1.0Gore 聚四氟乙烯/聚酯 3.0Gore 聚四氟乙烯/聚酯 3.0Gelman VersaporeR0.8Gelman VersaporeR1.2Gelman VersaporeR3.0Gelman VersaporeR5.0表3被细胞侵入但没有封闭血管结构的膜公司 膜 标称孔尺寸Tetco 聚酯 3Tetco 聚酯 5Tetco 聚酯 8Tetco 尼龙 10Tetco 尼龙 10TEtco 尼龙 10Millipore 聚四氟乙烯 5
Millipore 聚四氟乙烯 10Nucleopore 聚碳酸酯 1Nucleopore 聚碳酸酯 3Nucleopore 聚碳酸酯 8Nucleopore 聚碳酸酯 12例如，由混合纤维素酯形成的而且标称孔尺寸为0.1、0.22和0.45微米的膜在植入老鼠皮下时不会产生封闭血管结构。然而，具有标称孔尺寸为1.2和8微米的混合纤维素酯膜则能生成封闭血管结构。相似地，具有0.2、0.45和0.65微米标称孔尺寸的乙酸纤维素膜以及具有0.02和0.2微米标称尺寸的特氟隆膜不能生成封闭血管结构。但是，具有0.8、1.2、3.5和8微米标称尺寸的乙酸纤维素膜，以及具有1.0和3.0微米标称孔尺寸的特氟隆膜则能生成封闭的血管结构。
在能从中看到封闭血管结构的膜中，膜被来自宿主的炎性细胞透过。可以确信，封闭血管结构的形成与细胞的侵入有关。然而，许多能使炎性细胞透过的膜并没有封闭血管结构(表3)，这表明炎性细胞的侵入也许但不是必然充分地与封闭血管的生成有关。
膜的扫描电子显微分析揭示了能区分有封闭血管结构(正反应)的膜和那些没有封闭血管结构(负反应)的膜的三维结构或构造特性。具有正反应的膜上有更多的孔而且由线体(纤维、丝状体、微型小球、锥体或柱体结构，它们的直径很小(＜5微米)组成。例如具有5微米标称孔尺寸的Millipore牌混合纤维素酯膜由不规则、无定形球形结构和直径为1-3微米的线体以及直径为0.5-5微米带75%的孔的不规则腔构成(图4a)。具有3微米标称孔尺寸的GoreR特氟隆膜由直径小于1微米的线体组成，线体与直径小于约3微米的特氟隆束内部相连(图4b)。这些腔非常细长，一般为1-2微米宽乘10-15微米长。植入之后，这两种膜都被在光显微镜下呈圆形的炎性细胞(见图2的侵入细胞)侵入，并同样具有封闭的血管结构。
相比之下，带负反应的膜具有由线体确定的孔和腔，线体上有相对比较大的表面区域，该区域大到足以使炎性细胞将其作为变平时所依靠的底物。例如，具有5微米标称孔尺寸的Millipore牌特氟隆膜(图5a)由直径为5-10微米的球形或盘状结构组成，并具有直径为5-10微米的不规则无定形腔。具有12微米标称孔尺寸的Nuclepore牌的膜(图5b)有直径为9微米的均匀环状孔分散在膜片内，孔的边缘相距5-25微米。植入之后，这两种膜都被细胞侵入但细胞保持变平的形态(见图6中的侵入细胞)。
因此，确定腔和不规则体界限的结构的三维结构或构造对生物反应有很大的影响。
申请人已进一步确定，带正反应的材料具有导致透过细胞呈圆形形态的结构特性。而带负反应的材料具有导致透过细胞呈相对变平形态的结构特性。
带有负反应的膜在植入后有标准的异体被膜，而且被呈细长、扁平形态的炎性细胞侵入(图6)。图6是特氟隆膜(与图5a所示的膜相同)植入老鼠皮下背囊中三个星期的光显微照片。注意图6所示侵入聚四氟乙烯(“PTFE”)膜的细胞的大量胞浆。与图2中侵入膜的圆形细胞相比，这些细胞出现了依靠盘状PTFE结构变平的形状并具有标准异体反应细胞的外形(图1)。
这与早期对侵入植入物的圆形单核细胞的观察相一致，在早期异体反应强烈，然后变平细胞出现在植入物的表面并对具有光滑表面的植入物(如图1)产生慢长的标准异体反应。巨噬细胞和异体巨生细胞依靠隔开植入物的表面壁变平，接着是受抑制的慢长的反应，其特征是在异体周围缺乏新的侵入单核细胞和缺乏新血管的生长。从最初的宿主反应到植入过程残留的巨噬细胞和异体巨生细胞，通常也都依靠异体材料变平。这是一个长期反应，它将导致不能被巨噬细胞消化掉的植入物永久隔离。长期异体反应的保持是以传播和覆盖异体材料的炎性细胞为特征的。申请人已经发现，出现这种反应需要一个能作为细胞变平和传播底物的表面状区域。
当植入的材料具有线体构造，而该线体的直径(＜5微米)太小或形状太不规则以至于不能为细胞变平提供一个表面时，就象提供的正血管反应膜(图2和表2)一样，炎性细胞覆盖和隔开材料的努力受挫，而且细胞不能获得变平的形态。相反，它们保持圆形而且申请人假设炎性细胞会导致在材料-宿主界面上形成封闭血管结构。植入的材料从来也没有被完全隔开，因此也不会获得缓慢的反应。
在由植材料提供的炎性细胞能在其上变平和扩散的结构上可以观察到炎性细胞的变平和活化(这导致异体被膜形成)。炎性细胞不需要用于变平的平滑区。例如，由紧邻的等高和等直径的柱体组成的区域被炎性细胞“认为”是基本“平滑”的，然后细胞就在该表面上扩散。
申请人进一步假设如果炎性细胞核不能进入腔或不规则体中，则细胞会“认为”该材料是平的并在该位置的材料上变平。相反，与腔或不规则体相接触的细胞将不把一个以上的方向或平面“视为”平滑区，因此将保持圆形构造，或甚至与腔或不规则体的形状相符合。相应地，具有大于约5微米的表面状区域材料似乎不能导致封闭血管形成。例如，图5a所示的提供负反应的材料具有许多小于约6微米的腔和不规则体，而且具有使巨噬细胞在上面可以变平的叶状扁平结构。相应地，在本发明中必须对材料进行选择，以便有足够的不规则体和腔来阻止大量的炎性细胞变平。圆形细胞可以与腔和不规则体相适应但不会变平。一些变平细胞的形式特别在植入物的“表面”可以经常看到，而且在本发明的范围内没有提供那么多其材料被无血管形成的成纤维细胞隔开的变平细胞。
还不完全清楚巨噬细胞的行为。但可以确信巨噬细胞是在变平的时候活化的。根据这种活化，可以认为它们是标志成纤维细胞形成和增生的分泌因子。相应地，申请人假定通过使用某种材料，该材料的三维腔和不规则体能阻止巨噬细胞变平，将能使本发明避免巨噬细胞活动和传统异体被膜的逐渐形成。另一方面，圆形巨噬细胞分泌因子可能直接促进新的血管形成或者中止已经存在的对新血管形成的抑制。
上述的宿主炎性细胞对各种材料的反应通常可以观察到植入后12个星期左右。因此，在标准的异体被膜反应中和直接使用本发明时，离开稳定的异体被膜或在本发明中离开稳定的血管形成床的炎性细胞逐渐减少。申请人在老鼠身上已经观察到植入1年半的3微米GoreR特氟隆皮下植入物的稳定的血管床。
当使用的材料具有上述的三维结构时，可以获得形成血管的膜。为此，构成毛细管壁的内皮细胞与材料-宿主界面直接相邻或非常靠近。没有或很少介入巨噬细胞或成纤维细胞。相应的，穿过材料进来的分子将处在向毛细管内输送的内皮细胞的表面。例如，由材料一侧的胰岛细胞分泌的分子将有效的由材料另一侧的毛细管摄入。相似的，象来自毛细管的葡萄糖这样的分子会被包含在由该材料制成的植入腔中的胰岛细胞感觉到。对这种分子扩散的阻力与所需穿过材料的距离有关。
申请人对市售膜的试验(表1-3)显示，用标称孔尺寸在约0.6-20微米范围，和直径不大于约5微米的线体、纤维、锥体、柱体或微小体组成的材料能够产生封闭的血管结构。
另外的试验已经表明，当平均孔的尺寸大于约40微米时，虽然血管结构生长进入膜的腔中，但是如图3所示，由于环绕毛细管的连接组织基层上的巨噬细胞和成纤维细胞的晕，使毛细管不接触或邻近材料而是通常与材料相距一段距离。这样，在异体被膜处在膜表面的情况下，毛细管将离开聚合物表面几个细胞层的距离，这些细胞产生同样的在传统的异体反应中所遇到的扩散阻力。
参照图1，与本发明相比，在传统的植入物中，植入物被异体被膜包围而且通常位于大细胞的无血管空间边缘。
由于血管床形成在直接邻近材料-宿主界面的部位，所以本发明的封闭血管形成改进了以前的生物聚合物植入物。下面将更详细地描述，这种血管形成方法所具有的多种用途。例如，该材料可以和体内传感器、体内导管一起使用，并可用作免疫隔离包膜。
现在参照图7，该图表示免疫隔离膜42。如图所示，所选择的膜42可以使巨噬细胞34至少能进入膜的一些腔44中，该膜能在宿主-膜的界面47上产生血管结构46。此外，应该注意到，虽然在膜42的腔44内能够形成一些血管结构，但这对材料的成功或血管床的生成不是关键的。
如图所示，膜42至少包围确定免疫隔离内部区域52的第二膜或层50的一部分。这个内部区域52能够包含组织54，组织54必须受到保护使其不与排斥植入物细胞的宿主细胞接触。例如，同种移植物、异种移植物或在同系移植物的情况下，象遗传工程细胞的自体移植物，该膜只需阻断细胞通道就可以阻止通常含有逆病毒媒介的遗传工程细胞移出膜外包围并进入宿主组织。这种移植物组织与宿主组织的隔离代表了优于以前用于遗传工程细胞自身移植方法的主要优点，这是由于它阻止了遗传工程细胞以非控制方式潜在的侵入宿主组织并通过逆病毒媒介在宿主上引起肿瘤。
另一方面，第二膜50允许组织54产生的成分扩散是合乎需要的，例如，胰岛产生的胰岛素。同样，第二膜50使来自宿主的营养素能进入植入物的内部52并养育组织54也是合乎需要的。为了这个目的，第二膜50最好含有使葡萄糖或其它成分扩散进入第一膜但又阻止巨噬细胞34和/或体液因子进入第二膜的孔56。
虽然图7所示的装置包括两层膜，但是应该注意到也可以采用其它结构。例如，参照图8，该装置包括单层膜61，该膜包括具有梯度尺寸的腔62。大的外腔62使巨噬细胞至少进入腔62的外面部分64，在宿主-膜的界面65上形成血管。但是，小的内腔66阻止巨噬细胞进入膜的内部，由此便隔离了由膜确定的内部区域68。
现在参照图9，该图表示包含本发明材料72的一个实施例的体内导管70。这种导管70可以是例如用于连续流动的腹膜透析的导管。
如图所示，材料72包覆导管70的壁74并在导管70的周围生成血管床。导管70的壁74对细胞和分子来说最好是不渗透的。
在传统的导管设计中，在用作细菌通道的导管周围产生厚的无血管形成的胶原材料异体。在本发明中，导管四周的血管形成防止了通道部位的感染，这是由于防止了组织坏死，而且血管床淋浴了这样的区域，该区域具有血液中所带免疫细胞的全部种类。在另一个实施例中，导管上的凸缘可以用能形成血管的材料覆盖，或者完全用这种材料制作。
现在参照图10，该图表示包含本发明材料82的一个实施例的传感器80。这样的传感器80可以包括，例如用于监测糖尿病中葡萄糖含量的葡萄糖传感器。如图所示，材料82覆盖在传感体84上，84中装有传感器80的电极85，材料82在传感器80周围形成血管床86。血管床的形成防止了传统的与体内传感器冲突的导体闭塞问题的发生。
血管反应被认为与材料的组成无关。这已由上述实施例作了说明，其中发现组织的相似反应与亲水(纤维素)和疏水(特氟隆)材料有关。因此，发明人相信，该材料能够由各种聚合物构成，包括中间类、聚乙烯、聚丙烯、特氟隆、乙酸纤维素、硝酸纤维素、聚碳酸酯、聚酯、尼龙、聚酯纤维、聚砜、纤维素聚偏二氟乙烯混合酯、硅酮和聚丙烯睛。已知的生物相溶的医疗植入物由陶瓷和金属组成。假如能处理这些材料使其提供这里所描述的三维结构，则它们在本发明中也是很有用的。
应该清楚，对于在此说明的现有最佳实施例的各种改变和改进对于本领域的技术人员来说都是显而易见的。这种改变和改进不会脱离本发明的实质和范围，而且不会减少已有的优点。因此，这种改变和改进可用附加的权利要求来覆盖。
权利要求
1.一种植入宿主的装置，该装置在其与宿主的界面上带有一种材料，所说的材料的构造能导致通过紧靠界面的宿主生长出血管结构。
2.按照权利要求1的装置，其中所说的宿主形成标准的异体反应，而且所说的构造能在邻近材料的宿主异体反应的第一层和第二层中形成血管结构。
3.按照权利要求1的装置，其中材料的构造由内部连接的线体确定，线体形成具有两维孔的结构而且所说的结构形成内连接的三维腔，其中(a)、所说的线体是三维的，其中一维大于其它两维，而且所说的大多数线体在较小的两维上尺寸都不超过5微米，和(b)、其中所说的孔的平均尺寸不小于约0.6微米和不大于约20微米。
4.按照权利要求1的装置，其中材料的构成要使至少一些与材料相接触的宿主炎性细胞不变平。
5.按照权利要求4的装置，其中材料的构造包括三维腔和不规则体，以便使与腔和不规则体相接触的宿主炎性细胞能适应这种腔和不规则体并且进入其中，而且不变平。
6.按照权利要求1的装置，其中血管结构在材料中约一个细胞层内生长。
7.按照权利要求1的装置，其中血管结构生长的足够靠近材料以致于能使分子从血管结构扩散到界面上。
8.按照权利要求1的装置，其中(a)该装置形成一个适合于容纳活细胞的腔;和(b)其中血管结构的生长足够靠近材料以致于能使分子从血管结构扩散到腔中;和(c)其中所说的扩散足够迅速以维持活细胞。
9.按照权利要求1的装置，其中的材料从包括下列成分的组中选择1)MilliporeR，混合纤维素酯，膜孔尺寸1.2;2)MilliporeR，混合纤维素酯，膜孔尺寸8.0;3)SatoriousR，乙酸纤维素，膜孔尺寸0.8;4)SatoriousR，乙酸纤维素，膜孔尺寸1.2;5)SatoriousR，乙酸纤维素，膜孔尺寸3.0;6)SatoriousR，乙酸纤维素，膜孔尺寸5.0;7)SatoriousR，乙酸纤维素，膜孔尺寸8.08)GoreR，聚四氟乙烯/聚酯，膜孔尺寸1.0;9)GoreR，聚四氟乙烯/聚酯，膜孔尺寸3.0;10)GoreR，聚四氟乙烯/聚酯，膜孔尺寸5.0;11)GoreR，聚四氟乙烯/聚酯，膜孔尺寸10-15;12)GoreR，聚四氟乙烯/聚丙烯，膜孔尺寸3.0;13)GelmanR，VersaporeR，膜孔尺寸0.8;14)GelmanR，VersaporeR，膜孔尺寸1.2;15)GelmanR，VersaporeR，膜孔尺寸3.0;和16)GelmanR，VersaporeR，膜孔尺寸5.0;
10.按照权利要求1的装置，其中的材料对致免疫因子是不渗透的。
11.一种植入宿主的装置，该装置在其与宿主之间的界面上具有第一材料，所说第一材料的构造能通过靠近界面的宿主导致血管结构的生长，该装置进一步具有位于第一材料之下的第二材料，该第二材料对致免疫因子是不渗透的。
12.按照权利要求1的装置，其确定的腔的内部适合于保持活细胞，第一和第二材料对血管结构中存在的营养素是可渗透的。
13.按照权利要求1的装置，其中该装置是体内导管。
14.按照权利要求1的装置，其中该装置是体内传感器，而且其中的材料对传感器能检测到的宿主中的analyte是可渗透的。
15.按照权利要求1的装置，其中该装置是胸部假体。
16.一种植入的装置和对植入装置的局部宿主反应包括(a)、权利要求1植入的装置;和(b)、在装置的一个细胞层内的宿主血管结构。
17.一种方法包括(a)、植入一个装置，该装置在其与宿主的界面上带有一种材料;和(b)、所说的材料具有能够通过靠近界面的宿主导致血管结构生长的构造。
18.按照权利要求17的方法，其中所说的宿主构成标准的三层异体反应，而且其中所说的构造在邻近材料的宿主异体反应的第一层和第二层中导致血管结构的形成。
19.按照权利要求17的方法，其中材料的构造是由内连接的线体确定的，该线体形成具有两维孔的结构，而且所说的结构形成内连接的三维腔，其中(a)、所说的线体是三维的，其中有一维大于其它两维，而且对大多数线体来说，较小的两维尺寸都不超过约5微米。(b)其中所说的孔具有不小于0.6微米和不大于约20微米的平均尺寸。
20.按照权利要求17的方法，材料的构造应使至少一部分与材料接触的宿主炎性细胞不变平。
21.按照权利要求20的方法，其中材料的构造包括三维腔和不规则体，以致于使至少一部分与腔和不规则体相接触的宿主炎性细胞能适应并进入腔和不规则体内，而且并不变平。
22.按照权利要求17的方法，其中血管结构在材料的大约一个细胞层内生长。
23.按照权利要求17的方法，其中血管结构生长的靠材料足够近以致于使分子能从血管结构扩散到界面上。
24.按照权利要求17的方法，其中(a)装置形成适合于容纳活细胞的腔，和(b)其中血管结构生长的靠材料足够近以致于使分子从血管结构扩散到腔中，和(c)其中所说的扩散足够迅速以维持所说的活细胞。
25.按照权利要求17的方法，其中的材料从包含下列成分的组中选择1)MilliporeR混合纤维素酯，膜孔尺寸1.2;2)MilliporeR混合纤维素酯，膜孔尺寸8.0;3)SatoriousR乙酸纤维素，膜孔尺寸0.8;4)SatoriousR乙酸纤维素，膜孔尺寸1.2;5)SatoriousR乙酸纤维素，膜孔尺寸3.0;6)SatoriousR乙酸纤维素，膜孔尺寸5.0;7)SatoriousR乙酸纤维素，膜孔尺寸8.0;8)GoreR聚四氟乙烯/聚酯，膜孔尺寸1.0;9)GoreR聚四氟乙烯/聚酯，膜孔尺寸3.0;10)GoreR聚四氟乙烯/聚酯，膜孔尺寸5.0;11)GoreR聚四氟乙烯/聚酯，膜孔尺寸10-15;12)GoreR聚四氟乙烯/聚丙烯，膜孔尺寸3.0;13)GelmanR，VersaporeR膜孔尺寸0.8;14)GelmanR，VersaporeR膜孔尺寸1.2;15)GelmanR，VersaporeR膜孔尺寸3.0;和16)GelmanR，VersaporeR膜孔尺寸5.0。
26.按照权利要求17的方法，其中材料对致免疫因子是不渗透的。
27.一种在宿主中植入的方法，包括(a)、一个装置，该装置在其与宿主的界面上具有第一材料，(b)、所说的第一材料具有能通过靠近界面的宿主导致血管结构生长的构造，(c)、该装置进一步具有位于第一材料之下的第二材料;和(d)、第二材料对致免疫因子是不渗透的。
28.按照权利要求27的方法，其中的装置是一个腔，腔中适合于保持活细胞，第一和第二材料对血管结构中存在的营养素是可渗透的。
29.按照权利要求17的方法，其中的装置是体内导管。
30.按照权利要求17的方法，其中的装置是体内传感器，而且其中的材料对传感器能检测到的宿主中的analyte是可渗透的。
31.按照权利要求17的方法，其中的装置是胸部假体。
32.一种免疫隔离包膜包括(a)、带有孔的第一膜，至少一部分孔具有足够的尺寸和结构以允许巨噬细胞进入孔中并至少引起一部分血管结构与膜相接触;和(b)、第二多孔膜，第二膜的孔足够小以阻止巨噬细胞进入包膜内部。
33.按照权利要求32的包膜，其中第一膜具有约0.6-20微米的标称尺寸。
34.按照权利要求32的包膜，其中第一膜的至少一部分孔具有足够的尺寸以允许至少一部分血管在孔中生成。
35.按照权利要求32的包膜，其中第一膜包括至少约50%具有约0.6-20微米尺寸的孔。
36.按照权利要求32的包膜，其中大多数限定第一膜的孔的结构具有小于约5微米的直径。
37.按照权利要求32的包膜，其中第二膜包括尺寸足够小以阻止任何细胞进入或离开包膜内部的孔。
全文摘要
一种植入宿主的装置，该装置在其与宿主之间的界面上具有一种材料，所说材料具有能通过靠近界面的宿主导致血管结构生长的构造。
文档编号A61K9/22GK1063046SQ9111114
公开日1992年7月29日 申请日期1991年10月31日 优先权日1990年10月31日
发明者J·H·布劳克, R·C·约翰逊, L·A·马丁森, R·S·希尔 申请人:巴克斯特国际有限公司