Спосіб електростимуляції регенерації нервових тканин з використанням нитковидних кристалів кремнію

Реферат: Спосіб стимуляції регенерації нервових тканин, який включає формування на травмованій частині нерва локальної області з біосумісного матеріалу, яка містить кристали кремнію, причому локальну область формують у вигляді трубки, в якій розміщують паралельно осі трубки між проксимальним і дистальним кінцями травмованого нерва нитковидні кристали кремнію, величина поперечного перетину яких перевищує або порядку величини поперечного перетину нервових волокон. UA 104557 U (12) UA 104557 U UA 104557 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до медицини, а саме: до травматології, нейротравматології, нейрохірургії та мікрохірургії. Відомі способи регенерації нервової тканини із застосуванням порожнистих трубок, виготовлених з різних, у тому числі і біосумісних матеріалів, наприклад, колагенових волокон. Порожні трубки імплантуються в область дефекту травмованої частини нерва. У США вже є у продажу трубки для з'єднання нервових тканин шляхом використання колагену у вигляді направляючого елемента для регенерації нервів NeuraGen (торгова назва) від компанії Integra NeuroCare LLC, США, і трубка для з'єднання нервових тканин шляхом використання полігликолевої кислоти (PGA) у вигляді GEM Neurotube (торгова назва) від компанії Synovis Micro companies Alliance, США. Використання трубки для з'єднання нервів сприяє росту частки нервових волокон в потрібному напрямку, а саме: в напрямку від проксимального до дистального кінця травмованого нерва. Але частина волокон відхиляється від потрібного напрямку, при тому, чим більший поперечний перетин нерва, а значить, і поперечний перетин трубки, тим більша частина нервових волокон не доростає до дистального кінця, внаслідок чого втрачається можливість ефективного управління тим органом, з яким є зв'язаний цей нерв. Таким чином, порожниста трубка має низький потенціал стимуляції направленої регенерації нервів, що обмежує область її застосування. Відомо застосування заповнених трубок для регенерації нервової тканини. Наприклад, в патенті [1] застосовується трубка, що містить подібний до губки гель, який складається з колагену і ламініну. Заповнення трубки гелем покращує спрямованість росту нервової тканини в порівнянні з порожнистою трубкою, однак, губчаста структура гелю ефективно збільшує довжину, на яку має відрости нервове волокно, щоб досягти дистального кінця травмованого нерва. Аналогічне рішення описано в статті [2]. Для регенерації нервової тканини запропонована трубка, яка виготовлена з полімолочної і полігликолевої кислоти і заповнена подібним до гелю колагеном. У цьому рішенні трубка має подібну до губки волокнисту структуру, яка служить в якості клітинного каркасу для регенерації нервової тканини, і тому в порівнянні з порожнистою трубкою має перевагу, яка полягає у тому, що більшою мірою стимулюється направлена регенерація нервової тканини. Крім того, відомі технології аналогічного призначення, розкриті в описах інших охоронних документів, наприклад [3-5]. Недоліком як порожнистих трубок, що не мають каркаса для направляючого росту нервової тканини, гак і заповнених трубок, що мають волокнисту структуру, яка служить каркасом і частково направляє зростання нервової тканини, є подовження шляху від проксимального до дистального кінця розірваного нерва, а значить і збільшення часу, необхідного для відновлення нерва, що є особливо критичним при необхідності відновлення нервів з протяжними дефектами нерва. Для прискореної регенерації нервової тканини відомі рішення із застосуванням методів електростимуляції. Відомий спосіб лікування ушкодженого периферичного нерва [6], при якому здійснюють аутонейропластику дефекту нерва, імплантацію дротяних електродів епіневрально на обидва кінці ушкодженої ділянки нерва. Електроди, позбавлені ізоляції, розташовують відкритими активними кінцями вздовж напрямку пошкодженого нерва на дистальному і проксимальному кінцях і проводять електростимуляцію зовнішнім джерелом струму. Спосіб дозволяє прискорити регенерацію нервового волокна і знизити пошкодження нервової тканини. Недоліком цього способу є необхідність проведення додаткової операції по вилученню металевих електродів з організму. Одним з перспективних напрямків впливу на процес регенерації нервових тканин, у тому числі і прискорення відновлення фізіологічних функцій нерва, є спроба пов'язати живі нервові клітини з електронними пристроями, які можуть стимулювати регенерацію нервових волокон. Створенню інтерфейсу нейрон-електронний прилад, який міг би активно взаємодіяти з нейронною системою, присвячена велика кількість робіт і патентів. Найбільш придатним матеріалом для створення такого інтерфейсу є кристалічний кремній із двох причин. По-перше, кремній є біосумісним матеріалом. По-друге, він є головним матеріалом для створення електронних приладів. Відомий спосіб стимуляції регенерації нервових тканин з використанням кремнію у вигляді нанокластерів, запропонований в патенті [7] (прототип). Корисна модель належить до експериментальної медицини і призначена для стимуляції регенерації нервових тканин. Для цього на травмованій ділянці нервових тканин формують шляхом ін'єкції локальну область з біосумісної суспензії кремнієвих нанокластерів. Стимуляція регенерації нервової тканини та її 1 UA 104557 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 спрямований ріст здійснюється в результаті поляризації нанокластерів кремнію під дією нервового імпульсу та створенні впорядкованої структури диполів. Спосіб дозволяє стимулювати регенерацію нервового волокна, і при цьому не вимагає проведення додаткових хірургічних операцій. До недоліків цього способу можна віднести низький ступінь упорядкованості структури диполів, що обумовлено низьким ступенем однорідності (однаковості) нанокластерів кремнію. Відомо, що технології виготовлення масивів кремнієвих нанокластерів і, особливо, методом механічного подрібнення, наведеним авторами як приклад, завжди призводять до дисперсії (розкиду) параметрів нанокластерів, таких як форма, розміри і електронні властивості. Однорідність цих параметрів відіграє істотну роль у запропонованому способі електростимуляції регенерації. Дисперсія будь-якою з параметрів веде до випадкової орієнтації ланцюгів нанокластерів-диполів, що утворюються під дією нервового імпульсу, і як наслідок, знижує ефективність електростимуляції регенерації. Іншим недоліком цього способу є використання методики ін'єкції суспензії нанокластерів кремнію в травмований нерв. Дим методом важко рівномірно і однорідно розподілити нанокластери між проксимальним і дистальним кінцями нерва, що може призводити до "обриву" частини створюваних ланцюгів диполів і таким чином знижувати ефективність електростимуляції регенерації, що особливо критично при необхідності відновлення нерва з великим дефіцитом нервової тканини. Задачею, на рішення якої направлена дана корисна модель, є підвищення ефективності електростимуляції регенерації нервової тканини шляхом створення інтерфейсу "нейроннитковидний кристал кремнію", в якому кристал активно взаємодіє з нейронною системою. Для вирішення поставленої задачі на травмованій частині нерва локальну область формують у вигляді трубки, в якій розміщують паралельно осі трубки між проксимальним і дистальним кінцями травмованого нерва нитковидні кристали кремнію, величина поперечного перетину яких перевищує або порядку величини поперечного перетину нервових волокон. Даний спосіб базується на результатах експериментальних досліджень взаємодії нейронної тканини (аксона, нейрона) з нитковидними кристалами кремнію. Ці експерименти дозволили вперше встановити: - природу міжмолекулярної взаємодії нитковидних кристалів кремнію з міжклітинним середовищем, яке оточує нервові волокна та - природу міжмолекулярної взаємодії нитковидних кристалів кремнію з нейронною тканиною (аксон, нейрон) у міжклітинному середовищі. Для ілюстрації суті методу на фіг. 1 представлено розподіл заряду в структурі аксона при відсутності нервового імпульсу: 1 - мембрана аксона, яка являє собою подвійний шар ліпідних молекул; 2 аксоплазма; 3 - канали обміну іонів Na+ та 4 - канали обміну іонів К+, які постійно закриті і відкриваються для обміну лише при збудженні нервовим імпульсом; 5 іонний насос, який забезпечує обмін іонів К+ та Na+ між аксоплазмою та оточуючим фізіологічним середовищем та підтримує різницю потенціалів у стані спокою ("потенціал спокою" Vc ~ -65 мВ); 6 - заряди на зовнішній та внутрішній стороні оболонки аксону. Також для ілюстрації показано: на фіг. 2 - зміна різниці потенціалів при проходженні нервового імпульсу вздовж волокна ("потенціал дії" Vз ~ +40 мВ) і як відповідно до зміни різниці потенціалів змінюється зарядовий стан аксона при його збудженні нервовим імпульсом. На фіг. 3 показано інтерфейс "нейрон-нитковидний кристал кремнію" у відсутності нервовою імпульсу (стан "потенціалу спокою"): 7 - структура енергетичних зон у поверхні нитковидного кристалу кремнію; 8 - заряд в поверхневих зонах; 9 - шар окислу кремнію; 10 - заряд на поверхні окислу; 11 - тонкий шар фізіологічного середовища. На фіг. 4 показано інтерфейс "нейрон-нитковидний кристал кремнію" при проходженні нервового імпульсу вздовж волокна: 12 - область "потенціалу дії". Відомо, що зовнішня поверхня мембрани (1) нервових волокон (2) в основному стані (стані спокою) заряджена позитивно. Для створення інтерфейсу "нейрон-нитковидний кристал кремнію", в якому кристал буде активно взаємодіяти з нейронною системою, необхідно, щоб поверхня кристалу була заряджена від'ємно. Експериментальні дослідження показали, що поверхня нитковидних кристалів кремнію, яка завжди має шар природного окислу (9), знаходячись в міжклітинному середовищі (11), яке складається на 99 % з води при рН ~ 7, ˉ адсорбує вільні радикали ОН і заряджає поверхню окислу негативно. В цьому випадку, внаслідок протилежних знаків заряду, на поверхні нитковидного кристала кремнію та нервового волокна, між нитковидним кристалом кремнію та нервовим волокном виникають сили кулонівського тяжіння. Так створюється інтерфейс "нейрон-нитковидний кристал кремнію", в якому нитковидний кристал кремнію відіграє роль каркаса для росту нової нервової тканини. 2 UA 104557 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Для забезпечення ефективної взаємодії нитковидних кристалів кремнію з нервовим волокном, поперечний перетин кристалів повинен бути співмірним або більшим за поперечний перетин волокна. Це максимально збільшує площу інтерфейсу, через який відбувається взаємодія нервового волокна з нитковидним кристалом, що підвищує ефективність стимуляції регенерації. Для стимуляції направленої регенерації нервової тканини кристали розміщують між проксимальним і дистальним кінцями травмованого нерва паралельно осі трубки, що створює каркас для росту нервового волокна і дозволяє спрямувати ріст найкоротшим шляхом і, таким чином, скоротити час, необхідний для відтворення нерва. Спосіб, що пропонується, дозволяє проводити стимуляцію регенерації в широкому діапазоні травм нервової системи, у тому числі з великим дефіцитом нервової тканини. Для цього, наприклад, можуть бути використані нитковидні кристали кремнію, вирощені за технологією температурно-залежних газотранспортних хімічних реакцій [8, 9], довжиною від одиниць мікронів до 10 см та поперечним перетином від 10 нм до декількох сотень мікрометрів. Спосіб відрізняється також тим, що для збільшення ефективності стимулювання регенерації нервових тканин поверхня нитковидних кристалів кремнію містить тонкий окисел нестехіометричного складу SiOx, а їх об'єм легований акцепторною домішкою, наприклад бором. В результаті експериментальних досліджень взаємодії нейронної тканини (аксона, нейрона) з нитковидними кристалами кремнію з різними фізико-хімічними властивостями об'єму кристалу, його поверхні та структури і характеру хімічних зв'язків в окисному шарі на поверхні нитковидного кристала кремнію, було встановлено, що якщо поверхня нитковидних кристалів кремнію містить тонкий окисел нестехіометричного складу SiO x, a їх об'єм легований акцепторною домішкою, наприклад, бором, то на поверхні оксиду збільшується густина ˉ радикалів ОН в тонкому шарі окислу, тобто збільшується від'ємний заряд на поверхні нитковидного кристалу і, як наслідок, збільшується сила кулонівського тяжіння. Збільшення сили кулонівського тяжіння на фронті росту нервового волокна (конусі росту) відіграє роль рушійної сили, що збільшує ефективність стимулювання, регенерації нервових волокон. Для створення таких умов об'єм нитковидних кристалів кремнію необхідно легувати домішкою 3-ої групи таблиці Менделєєва, наприклад, бором, в процесі вирощування нитковидних кристалів кремнію, наприклад, методом температурно-залежних газотранспортних реакцій, а поверхню нитковидних кристалів кремнію безпосередньо перед хірургічною операцією очистити від окислу з використанням стандартних травників, наприклад, у 5 % водному розчині HF, з подальшим промиванням у дистильованій воді. Приклад такого інтерфейсу зображено на фіг. 3 при відсутності нервового імпульсу (стан "потенціалу спокою") та на фіг. 4 на стадії проходження нервового імпульсу (стан "потенціалу дії"). В першому випадку (стан "потенціалу спокою") в результаті кулонівського притягання нервове волокно адсорбується поверхнею нитковидного кристалу кремнію без змін зарядового стану і нервового волокна, і нитковидного кристалу. При проходженні нервового імпульсу (стан "потенціалу дії") в області знаходження імпульсу на зовнішній поверхні аксона (границя фізіологічне середовище - оболонкааксона) відбувається заміна позитивного заряду на негативний і виникає кулонівське відштовхування нервового волокна від нитковидного кристала кремнію. Таким чином, розповсюдження хвилі нервового (електричного) імпульсу вздовж нервового волокна супроводжується механічною (акустичною) хвилею. Поява акустичних хвиль у нервовому волокні прискорює обмінні процеси в аксоні, результатом чого (прискорення регенераційних процесів і швидкості росту нервового волокна. Спосіб відрізняється також тим, що для збільшення ефективності стимулювання, регенерації нервових тканин, трубку додатково заповнюють гелем "Лінтекс-Мезогель". При хірургічних операціях, у тому числі і на нервовому волокні, може відбуватися надмірний ріст сполучної тканини, який буде блокувати ріст нових нервових волокон. Використання гелю "ЛінтексМезогель" запобігає надмірному росту сполучної тканини в місці травми, оскільки гель сприяє відокремленню пошкоджених поверхонь для відновлення цілісності уражених структур. Нижче представлені дані по матеріалах та методах експериментальних досліджень, які ніяким чином не обмежують усі можливі варіанти його реалізації. Зразки кремнієвих ниткоподібних кристалів виготовлені методом температурно-залежних газотранспортних реакцій, а поверхню нитковидних кристалів кремнію безпосередньо перед хірургічною операцією очистити від оксиду з використанням стандартних травників (5 % водний розчин HF та подальше промивання у дистильованій воді). В ході приготування імпланта кремнієві стрижні вводили вздовж осі нерва в алогенну децелюляризовану аорту, що була заповнена протиспайковим гелем "Лінтекс-Мезогель". 3 UA 104557 U 5 10 15 20 25 30 35 40 У експериментальне дослідження було включено 20 щурів (250-300 г), у кожного з яких на початку дослідження була порушена цілісність сідничного нерва (Nervius Ishiadicus). Було сформовано 2 групи - кожна по 10 щурів. З метою оцінки відновлення рухової функції кінцівки з травмованим нервом застосовувалася методика порівняння відбитків нижніх кінцівок під час ходи (Walking track analysis). Зображення відбитків на паперових смужках отримували шляхом проходження по них у вузькому коридорі щурів, задні кінцівки яких були попередньо змащені нетоксичним водорозчинним барвником. Вимірювали показники довжини відбитку (Print length, PL), міжпальцеву відстань (Toe spread, TS) - відстань від першого до п'ятого пальців, середню міжпальцеву відстань (Intermediate toe spread, ITS) - відстань від другого до четвертого пальців. Отримані показники використовували для обрахунку інтегрального показника функції сідничного нерва (Sciatic function index, SFI) по емпірично отриманій формулі. Значення інтегрального показника від -11 до +11 приймаються за фізіологічну норму. Значення -100 та +100 відповідають повній втраті функції нерва на ураженому боці. Контроль за функціональними групами проводився протягом 6 тижнів після операції. Нами встановлено (фіг. 5), що відновлення функцій сідничного нерва з часом дійсно відбувається. Зазначені вище обробки поверхонь кристалів, їх розмір і т.д. ні в жодному разі не обмежують можливі їх значення і можуть бути підібрані в залежності від типів пошкодження нервових тканин. Хірургічне втручання здійснювалося відповідно до етичних принципів досліджень, пов'язаних з тваринами, які прописані в MROI та європейському законодавстві (в Європейській конвенції із захисту хребетних тварин, що використовуються для експериментів та інших наукових цілей). Джерела інформації: 1. Nerve regeneration-inducing tube, US 8,741,328 B2, 03.06.14. 2. Lee D.Y. et al., Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery (2006) 34, 50-56, "Nerve regeneration with the use of a poly-L-lactide-co-glycolic acid-coated collagen tube filled with collagen gel". 3. Compounds for stimulating nerve growth, US 6114126, 5.09.2000. 4. Nerve growth peptides, US 5545719, 13.08.96. 5. Process for authenticity determination of security documents with security features in the form of luminescing substances, US 4533244, 06.08.85. 6. Способ лечения повреждения периферического нерва, РФ № 2254884, 27.06.2005. 7. Способ стимуляции регенерации нервных тканей на основе использования биосовместимых суспензий или взвесей кремниевых нанокластеров, РФ № 2375080, 27.03.2009. 8. A.V. Sandulova, S. Bogoyavlenskaya, I. Dronyuk, Patent USSR No. 160829, Prior. 06.07.1962, Bull. Izobretenii і Otkritii, No. 5 (1964). 9. Klimovskaya A.Ι., Ostrovskaya A.S., Ostrovskii I.P. (1996) phys. stat. sol. (a) 153, 465-472, "Influence of Growth Conditions on Morphology, Composition, and Electrical Properties of n-Si Wires". ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 1. Спосіб стимуляції регенерації нервових тканин, який включає формування на травмованій частині нерва локальної області з біосумісного матеріалу, яка містить кристали кремнію, який відрізняється тим, що локальну область формують у вигляді трубки, в якій розміщують паралельно осі трубки між проксимальним і дистальним кінцями травмованого нерва нитковидні кристали кремнію, величина поперечного перетину яких перевищує або порядку величини поперечного перетину нервових волокон. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що поверхня нитковидних кристалів кремнію містить тонкий окисел нестехіометричного складу SiO х, а їх об'єм легований акцепторною домішкою, наприклад бором. 3. Спосіб за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що трубку додатково заповнюють гелем "ЛінтексМезогель". 4 UA 104557 U 5 UA 104557 U 6 UA 104557 U 7 UA 104557 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8