專利名稱：多用途生物材料組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物材料組合物。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種可用作骨填料、生物粘合劑、骨接合劑和骨移植物的多用途磷酸鹽基生物材料。特別是，本發(fā)明可用作骨、韌帶和其它軟組織的生物粘合劑，并且具有令人驚奇的骨增生作用。本發(fā)明的粘合劑組合物具有多種其它用途。
背景技術(shù)：
越來(lái)越多的與運(yùn)動(dòng)和年齡有關(guān)的傷害，例如骨斷裂、關(guān)節(jié)磨損和韌帶撕裂，提高了對(duì)能夠治療矯形手術(shù)損傷的生物材料的需求。因此，各公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于將各種物體連接到骨上的骨接合劑、以及能夠治療骨折和其它骨缺損的骨填料。但是，現(xiàn)有的可吸收生物材料不足以輔助如韌帶之類的軟組織與骨的重新連接和刺激新骨生成。
大多數(shù)現(xiàn)有的生物材料是由磷酸鈣或相對(duì)惰性的硬化聚合物構(gòu)成的，例如聚甲基丙烯酸甲酯(“PMMA”)。
授予Ramp等人的美國(guó)專利5,968,999描述了可用于矯形程序的PMMA基骨接合劑組合物。不幸地是，PMMA基生物材料在固化過(guò)程中向周圍的骨釋放出相當(dāng)大量的熱，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。所得到的材料在凝固時(shí)收縮，并且抗斷裂性差。由于有毒單體釋放到血流中，PMMA生物材料還具有緩慢的生物吸收率和差的生物相容性。幾乎沒(méi)有證據(jù)表明，PPMA基材料促進(jìn)了顯著的新骨生成。
近年來(lái)，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許多磷酸鈣基組合物作為生物材料。例如，授予Lee等人的美國(guó)專利6,331,312公開(kāi)了可用作骨填料和接合劑的可注射磷酸鈣基復(fù)合材料。所公開(kāi)的材料是可生物再吸收的，并且設(shè)計(jì)用于骨組織的修復(fù)和生長(zhǎng)促進(jìn)以及螺釘、鋼板和其它固定裝置的連接中。Lee的組合物在凝固時(shí)不會(huì)膨脹，并且不是非常適用于韌帶之類的軟組織與骨的連接。Lee所發(fā)明的組合物被認(rèn)為不能促進(jìn)顯著的新骨生成。
許多現(xiàn)有的磷酸鈣基填料和接合劑具有高的Ca/P摩爾比，這使它們具有差的可再吸收性。而且，最近，F(xiàn)DA針對(duì)在治療脊柱壓縮性骨折中使用現(xiàn)有磷酸鈣基骨填料引起的嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)出警告(FDAPublic Health Web Notification，“Complication Related to the Use ofCement and Bone Void Fillers in Treating Compression Fractures of theSpine”，2002年10月31日首次公開(kāi)，2004年5月27日更新)。通常，現(xiàn)有的磷酸鈣接合劑缺乏成功的生物粘合劑的特征。
除了混合物的化學(xué)粘著方面外，現(xiàn)有技術(shù)的生物復(fù)合材料或生物聚合物還提供了提高與骨和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的粘合的裝置。為此通常使用緊固件(例如，螺釘或夾板)來(lái)固定生理結(jié)構(gòu)，直至該混合物固化。通常，這些緊固件不是可生物降解的，并且可能導(dǎo)致手術(shù)后并發(fā)癥。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出包括聚己內(nèi)酯和各種磷酸鈣玻璃增強(qiáng)物質(zhì)在內(nèi)的幾種可吸收固定裝置以減少手術(shù)后并發(fā)癥。但是，這些材料在其初次使用之后表現(xiàn)出機(jī)械強(qiáng)度的迅速降低。
還已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種材料作為骨移植材料。傳統(tǒng)的骨刺激方法包括同種異體移植和自體移植程序以及各種陶瓷和聚合物基骨移植替代物。近年來(lái)的發(fā)展包括使用重組生長(zhǎng)因子(例如，骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP))以促進(jìn)骨生成。
盡管現(xiàn)有的商業(yè)生物材料可以填充骨缺損和/或?qū)⒁浦参镞B接到骨上，目前可用的材料中沒(méi)有一種提供能夠填充空隙(void)和裂痕、并且能夠?qū)④浗M織重新連接到骨上的生物粘合劑。而且，幾乎沒(méi)有(即使有也很少)已知的能夠在不使用生長(zhǎng)因子的情況下充當(dāng)粘合劑和骨增生性骨移植物的生物材料。
存在對(duì)能夠用作骨填料(骨移植物)和/或生物粘合劑的可再吸收的生物組合物。粘合劑應(yīng)該包含典型的含鈣部分以使成本最小和提高生物相容性。粘合劑應(yīng)該保持其可加工性，并最終在包括溫度、pH值和濕度在內(nèi)的生理?xiàng)l件下“凝固”。該材料應(yīng)該被吸收，并且被患者自身的骨所取代而不會(huì)有任何不適當(dāng)?shù)母弊饔?。此外，粘合劑?yīng)該可用于骨、移植物、韌帶和腱以提供空隙填充和骨折修復(fù)能力以及結(jié)構(gòu)支撐。最后，生物粘合劑應(yīng)該提供將結(jié)構(gòu)在體內(nèi)的適當(dāng)位置上化學(xué)和機(jī)械地緊固就位的方法。
發(fā)明人已經(jīng)花費(fèi)數(shù)年開(kāi)發(fā)克服現(xiàn)有技術(shù)的組合物的缺點(diǎn)的生物材料。授予本發(fā)明人的美國(guó)專利6,533,821教導(dǎo)了這樣的多用途生物粘合劑。
仍然存在對(duì)下述改進(jìn)的多用途生物材料的需要其是骨增生性的，優(yōu)選骨誘導(dǎo)性的，以充當(dāng)多用途骨移植物、填料、膠粘劑、粘合劑、骨錨(anchor)和接合劑。該生物材料應(yīng)該能夠在大約50℃以下進(jìn)行受控放熱反應(yīng)，應(yīng)該易于操作，具有開(kāi)放作業(yè)時(shí)間(open working time)，并且能夠容易地使用注射器注入。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明描述了可理想地用作生物粘合劑、骨和牙科接合劑、骨填料、骨錨和骨移植物的多用途生物材料。這種多用途生物粘合劑通常包括KH2PO4(“MKP”)、金屬氧化物(即，MgO)、含鈣化合物、糖(或糖衍生物/代用品)和水。本發(fā)明的糖樣生物粘合劑已經(jīng)表現(xiàn)出顯著的骨增生作用，其最初表現(xiàn)為是骨誘導(dǎo)性的。
該復(fù)合材料可以作為骨接合劑施用到移植物與骨接觸的表面。該材料可以直接施用到骨缺損處充當(dāng)骨填料或骨移植物?；蛘撸搹?fù)合材料可以與各種固定裝置(例如，螺釘和鋼板)結(jié)合使用。當(dāng)在基質(zhì)中添加藥學(xué)活性劑時(shí)，該材料可以充當(dāng)輸送系統(tǒng)。有利地，本發(fā)明的材料可用作可生物吸收的生物粘合劑，從而在不需要螺釘或不可吸收的固定裝置的情況下就能將軟組織(即，韌帶)連接到骨上。優(yōu)選實(shí)施方案的特征在于，使用糖來(lái)提高該材料的粘合性、生物吸附和骨增生質(zhì)量。
本發(fā)明提供了影響原位修復(fù)、以及身體部位彼此之間和與鄰近結(jié)構(gòu)之間的固著的生物粘合劑。本發(fā)明的特征在于，粘合劑可以在短時(shí)間內(nèi)(即，小于大約15-25分鐘)，在生理溫度和pH值下“凝固”，并且可以在激光的輔助下，在極短時(shí)間(即，～15秒或更少)內(nèi)凝固。本發(fā)明的另一特征在于，生物材料在體內(nèi)膨脹。本發(fā)明的制劑的優(yōu)點(diǎn)在于，其同時(shí)填充骨缺損和提供結(jié)構(gòu)支撐的能力。優(yōu)點(diǎn)在于，粘合劑在凝固或固化過(guò)程中的可膨脹性為粘合劑和身體部位之間、以及身體部位和例如人造材料和生物材料之類的相鄰結(jié)構(gòu)之間提供了額外的機(jī)械接觸。
本發(fā)明還提供了作為成骨平臺(tái)的骨替代物/骨移植物。該物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)在于，其在不對(duì)接觸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生排異或有害反應(yīng)的情況下被身體逐漸吸收。一個(gè)實(shí)施方案的顯著優(yōu)點(diǎn)是，在不使用生長(zhǎng)因子的情況下該物質(zhì)的骨傳導(dǎo)性和明顯的骨誘導(dǎo)性。
簡(jiǎn)單的說(shuō)，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案是提供一種生物粘合劑，其包括用于將物體連接到骨上的裝置、用于增強(qiáng)所述連接裝置的裝置；以及用于促進(jìn)生物粘合劑體內(nèi)降解的裝置。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是其優(yōu)異的粘合特性，包括將軟組織(即，韌帶和腱)連接到骨上的能力。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的特征是，其能夠增強(qiáng)軟組織與骨的重新連接。優(yōu)選地，無(wú)需螺釘、鋼板或其它固定裝置，使用本發(fā)明的生物材料將軟組織重新連接到骨上。
還提供了一種將結(jié)構(gòu)在體內(nèi)緊固到骨表面上的方法，該方法包括通過(guò)由外科手術(shù)得到的切口到達(dá)骨表面；將含磷酸鹽的生物粘合劑同時(shí)施用到這些結(jié)構(gòu)和/或骨表面上；封閉切口，并使粘合劑膨脹。
所述的多用途生物材料是骨增生性的，并且令人驚訝地是骨誘導(dǎo)性的。生物材料能夠在大約50℃以下進(jìn)行受控放熱反應(yīng)，易于操作，具有開(kāi)放作業(yè)時(shí)間，并且能夠容易地使用注射器注入。
本發(fā)明也是有用的多用途組合物。本發(fā)明的組合物可以以多種方式使用，包括但不限于涂料、阻燃的普通粘合劑基質(zhì)、接合劑和耐火材料。該組合物具有優(yōu)異的耐火和耐燃性、強(qiáng)抗壓強(qiáng)度、以及優(yōu)異的粘合質(zhì)量。
定義“骨傳導(dǎo)性”指的是材料充當(dāng)可存活骨的生長(zhǎng)和愈合用支架的能力。
“骨誘導(dǎo)性”指的是刺激或誘導(dǎo)未成熟骨細(xì)胞(或結(jié)締組織)生長(zhǎng)、成熟和分化成骨以形成健康骨的能力。
“生物相容的”指的是在受體內(nèi)不會(huì)引起任何明顯不需要的反應(yīng)的材料。
“可生物再吸收的”定義為材料在體內(nèi)通過(guò)身體活動(dòng)而被再吸收的能力。被再吸收的材料可以被受體的身體使用或可以分泌出來(lái)。
“精制(prepared)細(xì)胞”定義為活細(xì)胞(包括但不限于組織、細(xì)胞系、轉(zhuǎn)化細(xì)胞和宿主細(xì)胞)的任何制品。細(xì)胞優(yōu)選是自體同源的，但也可以是異種的、同種異體的和同源的。


圖1是拔除扭矩結(jié)果圖，其表明本發(fā)明的MgO-MKP-糖-基產(chǎn)品(Bone Solutions)具有明顯高于(p＜0.001)對(duì)照物、Ca基產(chǎn)品和PMMA的拔除扭矩(平均97.5±17.7Nm)。PMMA具有明顯高于(p＜0.05)Ca基產(chǎn)品的拔除扭矩。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種將生物結(jié)構(gòu)原位(即，在體內(nèi))互相連接和連接到人造結(jié)構(gòu)上的生物材料。該生物粘合劑還促進(jìn)了骨、韌帶、腱和相鄰結(jié)構(gòu)的修復(fù)。還提供了一種手術(shù)修復(fù)用骨替代物。本發(fā)明的制劑可以在多種溫度、pH范圍、濕度水平和壓力下使用。但是，該制劑被設(shè)計(jì)成可在所有生理溫度、pH范圍和流體濃度下使用。該混合物通常在凝固之前是可注射的，并且在凝固之后表現(xiàn)出中性pH值。其經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后被宿主吸收。
特別地，該混合物可用在要努力避免使用金屬緊固件和其它非生物可吸收材料的情形中(例如整形外科手術(shù))。在手術(shù)之后預(yù)計(jì)會(huì)有一定量的膨脹或腫脹時(shí)，例如在頭骨手術(shù)中，也可以使用該材料。其是良好的成骨平臺(tái)。該材料還可用作固定裝置或移植材料。
通常，該生物粘合劑是由包括KH2PO4、金屬氧化物、糖和含鈣化合物的水合混合物制成的。
示例性配方包括以下配方I*磷酸鉀(即，KH2PO4) 61％MgO(煅制) 31％
Ca10(PO4)6(OH)24％蔗糖C12H22O11(粉末) 4％*所有值均為重量百分比加入的水最多為該配方的大約40wt％，優(yōu)選為22-25wt％。
配方II*KH2PO454％MgO(煅制) 33％含鈣化合物 9％(在此，該化合物為Ca10(PO4)6(OH)2)蔗糖C12H22O11(粉末) 4％*所有值均為重量百分比加入的水最多為該配方的大約40wt％，優(yōu)選為22-25wt％。
配方III*KH2PO444％MgO(煅制) 44％含鈣化合物 8％(在此該化合物為Ca10(PO4)6(OH)2或CaSiO3)蔗糖C12H22O11(粉末) 4％*所有值均為重量百分比加入的水最多為該配方的大約40wt％，優(yōu)選22-25wt％。
配方IV*KH2PO445％MgO(煅制) 45％含鈣化合物 9％(在此該化合物為Ca10(PO4)6(OH)2、或CaSiO3、或其混合)蔗糖C12H22O11(粉末) 1％*所有值均為重量百分比加入的水最多為該配方的大約40wt％，優(yōu)選22-25wt％。
配方VKH2PO445％MgO(煅制) 45％Ca10(PO4)6(OH)28％三氯蔗糖(sucralose) 2％*所有值均為重量百分比加入的水最多為該配方的大約40wt％，優(yōu)選22-25wt％。
配方VIKH2PO461％MgO(煅制) 32％Ca10(PO4)6(OH)24％葡萄糖 1.5％α-Ca3(PO4)21.5％*所有值均為重量百分比加入的水最多為該配方的大約40wt％，優(yōu)選22-25wt％。
配方VIIKH2PO450％MgO(煅制) 35％Ca10(PO4)6(OH)27％β-Ca3(PO4)23％葡萄糖 5％*所有值均為重量百分比加入的水最多為該配方的大約40wt％，優(yōu)選22-25wt％。
配方VIIIKH2PO461％金屬氧化物 32％(其中金屬氧化物為MgO、Ca、FeO或其混合)
Ca10(PO4)6(OH)26％糖 1％*所有值均為重量百分比加入的水最多為該配方的大約40wt％，優(yōu)選22-25wt％。
配方IXKH2PO454％磷酸4％金屬氧化物 32％(其中金屬氧化物為MgO、ZrO、FeO或其混合)Ca10(PO4)6(OH)27％蔗糖3％*所有值均為重量百分比加入的水最多為該配方的大約40wt％，優(yōu)選22-25wt％。
配方XKH2PO445％MgO(煅制) 45％Ca10(PO4)6(OH)210％加入的水最多為該配方的大約40wt％，優(yōu)選22-25wt％。
盡管上述配方和重量百分比是最優(yōu)選的比例，但也可以使用一定范圍的干燥成分。例如，磷酸鹽(即MKP)的適宜范圍通常為20-70wt％，優(yōu)選大約40-65wt％。在一些情況下，可以優(yōu)選使用大約40-50wt％的磷酸鹽，而在其它情況下可以優(yōu)選使用大約50至65wt％的范圍。
金屬氧化物(即MgO)的適宜范圍通常為大約10-60wt％，優(yōu)選10-50wt％，更優(yōu)選30-50wt％。在一些情況下，優(yōu)選使用大約35至50wt％的范圍。
可以以各種重量百分比加入含鈣化合物。該含鈣化合物優(yōu)選以大約1-15wt％加入，盡管也可以使用更高的百分比。
糖(和/或其它含碳水化合物的物質(zhì))通常以干組合物的0.5至20wt％存在，優(yōu)選大約0.5-10wt％。
水(或另一種水溶液)可以以大范圍的重量百分比加入，通常為大約15-40wt％。
對(duì)一些實(shí)施方案(例如，配方III)而言，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，加入大約37wt％的水產(chǎn)生了極易于操作、具有優(yōu)異粘合性能且容易通過(guò)注射器注射的奶油狀織構(gòu)化(textured)材料。
重要的是注意到，這些是示例性的重量百分比，并且這些范圍可以隨著各種填料、等同物和其它組分的添加或由于其它原因而改變。
本發(fā)明的顯著特征是MKP(MKP同等物、混合物和/或替代物)與金屬氧化物之間的比。優(yōu)選實(shí)施方案中，MKP與MgO之間的重量百分比為大約4∶1至0.5∶1，更優(yōu)選大約2∶1至1∶1。在這種優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明人推測(cè)，未反應(yīng)的鎂至少部分對(duì)生物粘合劑的體內(nèi)膨脹性能負(fù)責(zé)。
具體地，金屬氧化物(即氧化鎂)與水和血清在活組織中和活組織周圍反應(yīng)，產(chǎn)生Mg(OH)2和鎂鹽。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在濕氣中固化的過(guò)程中，該材料的一個(gè)實(shí)施方案通常膨脹至0.15至0.20體積％。該材料的膨脹被認(rèn)為提高了材料的粘合特性。例如，所公開(kāi)的材料已經(jīng)證明有效地將韌帶之類的軟組織連接到骨上，該材料的膨脹通過(guò)機(jī)械強(qiáng)度來(lái)改進(jìn)粘合。
MgO是優(yōu)選的金屬氧化物(金屬氫氧化物或其它同等物)，但是，代替氧化鎂或除氧化鎂之外，可以使用其它氧化物和氫氧化物粉末，包括但不限于FeO、Al(OH)3、Fe2O3、Fe3O4、ZrO和Zr(OH)4、氧化鋅和氫氧化鋅、氧化鈣和氫氧化鈣、及其混合物。
MKP是優(yōu)選的，但對(duì)一些用途而言，其它化合物可以取代MKP(或加入到MKP中)，包括但不限于磷酸和磷酸鹽，例如磷酸鈉、磷酸鋁、磷酸二氫銨和磷酸氫二銨。
含鈣化合物含鈣化合物對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)是重要的，因?yàn)樗岣吡松锊牧系纳锵嗳菪院蜕镂招?。含鈣化合物可以選自多種生物相容的含鈣化合物，包括但不限于磷酸三鈣。適合的磷酸三鈣包括α-Ca3(PO4)2、β-Ca3(PO4)2和Ca10(PO4)6(OH)2。
通常，適合的含鈣化合物包括但不限于磷酸三鈣、雙相磷酸鈣、磷酸四鈣、無(wú)定形磷酸鈣(“ACP”)、CaSiO3、含氧磷灰石(oxyapatite)(“OXA”)、結(jié)晶差的磷灰石(“PCA”)、磷酸八鈣、磷酸二鈣、二水合磷酸二鈣、偏磷酸鈣、偏磷酸七鈣、焦磷酸鈣及其混合物。
優(yōu)選的含鈣化合物包括磷酸三鈣、ACP、磷酸二鈣、二水合磷酸二鈣及其混合物。
α-Ca3(PO4)2、β-Ca3(PO4)2和Ca10(PO4)6(OH)2、其同等物及其混合物是最優(yōu)選的。優(yōu)選的磷酸三鈣是Astaris(St.Louis，MO)制造的藥品級(jí)或食品級(jí)磷酸三鈣。
含鈣化合物提高了生物粘合劑的生物相容性和生物吸收性。但是，含鈣化合物在其生物吸收性和生物相容性的程度方面不同。甚至在各種磷酸三鈣化合物中，一些特性也不同。
有利地，將不同的含鈣化合物組合以控制該材料的生物相容性和生物吸收特性。例如Ca10(PO4)6(OH)2(HA”)在生理?xiàng)l件下是穩(wěn)定的，且相對(duì)不易被吸收，而β-Ca3(PO4)2更容易被吸收。這兩種可以組合(即雙相磷酸鈣)，以形成特性介于HA和β-Ca3(PO4)2之間的混合物?？梢栽O(shè)想許多種含鈣化合物組合。
糖、糖代用品、增甜劑、碳水化合物和同等物優(yōu)選實(shí)施方案的顯著方面是在生物材料基質(zhì)中加入至少一種糖或類糖(sugar like)物質(zhì)。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，糖樣(sugary)生物材料具有顯著的骨增生性質(zhì)以及提高的粘合能力。蔗糖之類的糖可以被其它糖和糖相關(guān)化合物取代或增補(bǔ)。
適合的糖或糖相關(guān)化合物包括但不限于糖、糖衍生物(即糖醇、天然和人造增甜劑(即乙?；前匪徕?、埃利坦(alitame)、阿斯巴甜(aspartame)、環(huán)己氨基磺酸鹽(cyclamate)、新橙皮苷、糖精、三氯蔗糖和索馬甜(thaumatin))、糖酸、氨基糖、糖聚合物氨基葡糖聚糖(sugar polymers glycosaminoglycans)、糖脂、糖聚合物、糖代用品(包括如三氯蔗糖之類的糖代用品(即Splenda、McNeil Nutritionals LLC，F(xiàn)t.Washington，PA))、玉米糖漿、蜂蜜、淀粉和其它含碳水化合物的物質(zhì)。
糖的例子包括但不限于蔗糖、乳糖、麥芽糖、纖維二糖、葡萄糖、半乳糖、果糖、葡萄糖、甘露糖、阿糖、戊糖、己糖。優(yōu)選糖添加劑為多糖，更優(yōu)選二糖，如蔗糖。
一種優(yōu)選的添加劑是與淀粉之類的流動(dòng)劑組合的糖。添加劑的例子是大約97wt％蔗糖與3wt％淀粉。
糖化合物，與其它組分一樣，可以為多種形式，包括但不限于干形式(即顆粒、粉末等)、含水形式、糊和凝膠。經(jīng)證實(shí)，優(yōu)選使用粉狀形式。
本發(fā)明人已經(jīng)證明，本發(fā)明的糖樣生物材料具有令人驚奇的好的粘合質(zhì)量。實(shí)際上，本發(fā)明的組合物優(yōu)于現(xiàn)有材料當(dāng)前狀態(tài)。(下面描述，參見(jiàn)實(shí)施例I和II)。糖被認(rèn)為提高了接合劑與物體的物理(也可能是化學(xué))粘合。糖樣磷酸鹽接合劑改進(jìn)的粘合性特別適于在無(wú)需螺釘和插銷之類插入的不可吸收器件的情況下將韌帶和腱之類的軟組織連接到骨上。不可吸收器件的消除減少了手術(shù)后并發(fā)癥并優(yōu)選地促進(jìn)修復(fù)部位周圍的骨生長(zhǎng)。
令人驚奇且意外地，發(fā)現(xiàn)糖樣組合物極大改進(jìn)了新骨生成。相信組合物的糖和其它化合物為新骨生成提供了接近理想的條件。實(shí)施例II所示的令人驚奇和意外的結(jié)果支持了這種主張。
骨移植材料在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的組合物提供了骨替代物和成骨平臺(tái)。該物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是，其在不對(duì)接觸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生排異或反應(yīng)的情況下被身體逐漸吸收。本發(fā)明的組合物的另一優(yōu)點(diǎn)是其顯著的骨增生性。實(shí)際上，在研究中，本發(fā)明的組合物將骨生成提高至這種令人驚奇的程度，以致該組合物被認(rèn)為也是骨誘導(dǎo)性的，這對(duì)于不使用生長(zhǎng)因子的多用途生物材料而言，是完全意外和沒(méi)有先例的。該生物材料也被認(rèn)為具有微孔和大孔。
其它實(shí)施方案本文中公開(kāi)的配方可以包含其它填料、添加劑和輔料。根據(jù)預(yù)期用途，輔料可以以不同的量和各種物理形式添加到生物材料中?？梢允褂幂o料以各種方式改變生物材料。
輔料、添加劑和填料優(yōu)選是生物相容和/或生物可再吸收的。在一些情況下，要求該材料也是骨傳導(dǎo)性和/或骨誘導(dǎo)性的。適合的生物相容輔料包括但不限于生物活性玻璃組合物、硫酸鈣、珊瑚、polyaticpolymers、肽、脂肪酸、骨膠原、糖原、甲殼質(zhì)、纖維素、淀粉、角蛋白、核酸、葡糖胺、軟骨素、以及變性和/或軟化的骨基質(zhì)。在授予Lee的美國(guó)專利6,331,312和授予Constanz的美國(guó)專利6,719,992中公開(kāi)了其它適合的輔料，其整體作為參考并入本文。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，生物材料含有X射線照相材料，其能夠令該材料在體內(nèi)成像。適合的X射線照相材料包括但不限于氧化鋇和鈦。
本文所述的生物材料經(jīng)證實(shí)對(duì)于制造經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后能夠被身體再吸收的生物可再吸收的移植物和器件、在促進(jìn)骨再生成的同時(shí)減少并發(fā)癥來(lái)說(shuō)是理想的。該生物材料還可用于涂布各種移植部件。
在又一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的生物材料含有緩凝劑或促凝劑以調(diào)節(jié)該組合物的凝固時(shí)間。凝固調(diào)節(jié)劑優(yōu)選是生物相容的。適合的緩凝劑包括但不限于氯化鈉、氟硅酸鈉、聚磷酸鈉、硼酸鹽、硼酸、硼酸酯及其混合物。
優(yōu)選的緩凝劑組合物包括重量百分比為0.5∶1至1∶0.5的糖(蔗糖)和硼酸，優(yōu)選大約1∶1。優(yōu)選以加入的凝固調(diào)節(jié)劑的量少于干粘合劑基質(zhì)的5wt％。
所公開(kāi)的生物材料還可以以各種孔隙率制備?？梢酝ㄟ^(guò)多種方式控制孔隙率，包括控制干反應(yīng)物的粒度、以及化學(xué)和物理蝕刻和浸析。優(yōu)選實(shí)施方案通過(guò)添加1-20wt％(優(yōu)選大約1-5wt％)的充氣劑提高生物材料的孔隙率。適合的充氣劑包括但不限于碳酸鹽和碳酸氫鹽，如碳酸鈣、碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸氫鈣、小蘇打、發(fā)酵粉及其混合物。
通過(guò)在生物材料中加入生物活性化合物(即抗生素、生長(zhǎng)因子、細(xì)胞等等)，該生物材料可以用作輸送系統(tǒng)(delivery system)。多孔生物粘合劑提高了這種輸送系統(tǒng)的效力。
當(dāng)在生物材料中加入藥物時(shí)，陽(yáng)離子抗生素、尤其是氨基糖苷和某些肽抗生素可能是最合意的。適合的氨基糖苷包括但不限于氨基羥丁基卡那霉素A、丁酰苷菌素、雙脫氧卡那霉素、消腫脹藥(fortimycin)、慶大霉素、卡那霉素、青紫霉素、新霉素、乙基西梭霉素、核糖霉素、相模灣霉素(sagamycin)、seldomycin及其差向異構(gòu)體、紫蘇霉素、sorbistin、奇放線菌素和妥布拉霉素。優(yōu)選使用無(wú)機(jī)鹽，如硫酸鹽、磷酸鹽、磷酸氫鹽，最優(yōu)選硫酸鹽?？梢栽谑谟鑇enz的美國(guó)專利6,485,754中找到關(guān)于在生物材料中使用抗生素和生長(zhǎng)因子的進(jìn)一步信息，該專利整體作為參考并入本文。生長(zhǎng)因子包括但不限于轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子TGF-β之類的生長(zhǎng)因子。
所公開(kāi)的生物材料組合物也可以用各種活細(xì)胞或細(xì)胞系接種?？梢允褂糜糜谑杖　⒈ｐB(yǎng)和制備細(xì)胞的任何已知方法。參見(jiàn)授予Constanz的美國(guó)專利6,719,993、授予Pugh的美國(guó)專利6,585,992和授予Lee的6,544,290。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案已經(jīng)證明極其可用作硬組織生長(zhǎng)用的支架，并且還可能用作軟組織生長(zhǎng)用的支架。此外，可以在該組合物中加入組織制造和組織降解細(xì)胞，包括但不限于骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、軟骨制造細(xì)胞、和干細(xì)胞。分離和培養(yǎng)這些細(xì)胞的方法在本領(lǐng)域中公知的。
本發(fā)明的組合物可加入到矯形外科藥盒中，該藥盒包含干燥形式的材料(MKP、金屬氧化物、含鈣化合物等等)、活化劑溶液(水或其它水溶液)和任何醫(yī)療器材(即注射器、刀子，等等)、移植物、或在使用本發(fā)明的組合物進(jìn)行手術(shù)的過(guò)程中所需的其它試劑。材料和活化劑溶液優(yōu)選以預(yù)定的最佳比率存在。也可以設(shè)想這種矯形外科藥盒的其它實(shí)施方案。該生物材料和其它藥盒組分優(yōu)選通過(guò)本領(lǐng)域公知的技術(shù)消毒。
物質(zhì)制備金屬氧化物粉末是本發(fā)明的混合物中的重要成分。氧化物任選經(jīng)過(guò)煅燒過(guò)程。根據(jù)所需的最終特征和凝固時(shí)間，經(jīng)驗(yàn)地確定煅燒的持續(xù)時(shí)間和溫度。但煅燒溫度通常最高為1300℃，并且最多持續(xù)幾小時(shí)。
煅燒后，將氧化物粉末與MKP、含鈣化合物和糖混合。將各種粉末分級(jí)和均化的一種方法是通過(guò)振動(dòng)球磨進(jìn)行。另一種均化方法利用螺條混合機(jī)，其中顆粒被研磨至微細(xì)粒度。在本文中公開(kāi)了干化合物，但也可以使用該生物材料的一些組分的含水形式(或其它形式，如凝膠等)。通常使用藥品級(jí)化合物。要求使用本領(lǐng)域已知的消毒技術(shù)將各種組分消毒。
在均化(其中使所有成分包含在干燥的均勻混合物中)時(shí)，通常加入最多占所得漿料大約40wt％的水(或其它水溶液)，盡管可以調(diào)節(jié)水的量以形成不同粘度的生物材料。根據(jù)條件，將漿料混合1-10分鐘?？梢酝ㄟ^(guò)現(xiàn)有技術(shù)中使用的多種技術(shù)進(jìn)行混合，包括人工和電動(dòng)混合。更詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn)授予本發(fā)明人的美國(guó)專利6,533,821。
生物材料可以制造為可注射形式、糊狀物、puddy和其它形式。在使用地制造漿料?？梢酝ㄟ^(guò)改變添加到干混合物中的水量而控制材料的稠度。提高水含量通常提高了流動(dòng)性，而降低水含量往往使?jié){料變稠。該材料可以以多種形式制備。
可以通過(guò)改變生物材料組分的溫度來(lái)延長(zhǎng)或縮短作業(yè)時(shí)間。溫度較高的組分往往比較冷的組分更快反應(yīng)和凝固。因此，調(diào)節(jié)水(或其它反應(yīng)物)的溫度是調(diào)節(jié)作業(yè)時(shí)間的有效方法。
主要在粘合劑與骨之間發(fā)生粘合。但是，粘合劑也可能與自身粘合，或粘合到軟組織上。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用磷酸代替水提高了材料的粘合強(qiáng)度。磷酸的摩爾濃度可以改變，只要漿料的最終pH值對(duì)患者無(wú)危險(xiǎn)，或不會(huì)對(duì)康復(fù)不利。通常，6至8之間的漿料pH值是適當(dāng)?shù)?，但根?jù)所需結(jié)果，也可以使用其它漿料pH值。
粘附可以通過(guò)許多方式使生物粘合劑粘附到各種結(jié)構(gòu)上，這些方式包括但不限于注射、噴涂、以及其它施用方式。粘附方式根據(jù)所需用途和粘合劑形式而變化。在本發(fā)明人的美國(guó)專利申請(qǐng)6,533,821中描述了一種示例性方法，該申請(qǐng)整體作為參考并入本文。
實(shí)施例1對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的骨填料(NORIANSkeletal Repair System，Paoli，PA)與本發(fā)明的生物粘合劑的優(yōu)選實(shí)施方案的粘合質(zhì)量進(jìn)行比較的實(shí)驗(yàn)，其中本發(fā)明的生物粘合劑的優(yōu)選實(shí)施方案的重量百分比配方為54％的MKP、33％的氧化鎂、9％的Ca10(PO4)6(OH)2、以及4％蔗糖混合物(該糖混合物為97％糖和3％淀粉)。
使用臨床相關(guān)模型，研究目的是確定本發(fā)明的可注射MgO-MKP-糖基制劑是否具有用于骨-骨和腱-骨的粘合性能。使用前十字韌帶修復(fù)和股骨骨折的犬科尸體模型進(jìn)行生物力學(xué)研究。用機(jī)械拉出和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)確定組織粘連量。獲取來(lái)自8只中型犬的十六個(gè)帶有股骨和跟腱的膝關(guān)節(jié)，并制備用于測(cè)試的三個(gè)組織contructs。
ACL模型A)骨-骨。切割骨-髕韌帶移植物并在ACL印跡處將膝蓋骨壓配合到股骨中的7毫米直徑骨隧道中以模擬人類ACL重建。韌帶末端充當(dāng)拉出機(jī)械測(cè)試用的錨。B)腱-骨。將跟腱移植物穿過(guò)在ACL印跡處開(kāi)始的并離開(kāi)側(cè)脛骨皮層的7毫米直徑脛骨隧道放置以模擬人類ACL重建。不使用錨固螺釘或縫線增強(qiáng)這些修補(bǔ)。處理組(treatmentgroup)為1)壓配合(對(duì)照物；n＝16)；2)鈣基可注射制劑(n＝8)(負(fù)的糊狀對(duì)照物)(NorianSkeletal Repair System-Synthes，Paoli，PA)；3)MgO-MKP-糖基生物粘合劑。對(duì)于第2和第3組，將肢干配對(duì)。制備產(chǎn)品并注入骨隧道中的骨或腱移植物周圍的骨缺損中，并使其固化過(guò)夜。在1毫米/秒的拉力下機(jī)械測(cè)試移植物的致斷最大載荷。
骨折模型在股骨骨干中段制造1厘米長(zhǎng)的斜行截骨，并測(cè)試四種材料以將骨折復(fù)位固定1)血塊(新鮮凝結(jié)的馬血)；2)氰丙烯酸酯膠(Ross Super Glue Gel-Ross Products，Columbus，OH)；3)鈣基可注射制劑(NorianSkeletal Repair System-Synthes，Paoli，PA)；4)MgO-MKP-糖基可注射制劑。此外，測(cè)試四個(gè)完整股骨直至斷裂。在成對(duì)肢干中測(cè)試第3和第4組。在成對(duì)肢干中測(cè)試第1和第2組；在第3和第4組中一半在施用糊狀產(chǎn)品之前一半在此之后測(cè)試。首先通過(guò)刮削容易地去除受試產(chǎn)品。將可注射糊狀物和氰丙烯酸酯大量涂施到骨折的骨末端，合在一起15分鐘直至硬化，并使其固化過(guò)夜。血塊在測(cè)試之前立即涂施。在0.1毫米/秒的位移控制下，在3點(diǎn)彎曲中測(cè)試股骨的致斷最大載荷。由載荷變形曲線的直線部分的斜率并在骨折處用測(cè)徑器估測(cè)骨面積之后計(jì)算剛度和致斷應(yīng)力。在測(cè)試之前斷裂的骨折被記錄為0N致斷。
對(duì)于鈣vs鎂制劑和對(duì)于壓配合vs制劑，用成對(duì)的Student’s t-試驗(yàn)分析ACL模型中的數(shù)據(jù)。對(duì)于處理組，用1-因子ANOVA分析骨折模型中的數(shù)據(jù)。將權(quán)設(shè)定為p＜0.05。
結(jié)果在ACL模型中，在髕骨和跟腱(p＜0.04)的隧道中，鈣基和MgO-MKP-糖基制劑均具有比壓配合(摩擦力)明顯更大的拉出力。MgO-MKP-糖基制劑具有最大粘合性能，對(duì)于骨(2.5-fold；p＜0.0)和腱(3.3-fold；p＜0.0)均明顯大于鈣基制劑。(表1)在骨折模型中，血塊和鈣基制劑在所有樣本中均沒(méi)有粘合性能(0N致斷載荷)。血塊不能將股骨的兩端并置固定。鈣基產(chǎn)品將股骨末端并置固定，但是在測(cè)試前發(fā)生分離。MgO-MKP-糖基制劑和氰基丙烯酸酯在明顯更大的載荷(p＜0.0001)下失敗，氰丙烯酸酯在明顯比MgO-MKP-糖基配方(37.7N)更大的載荷(127N；p＜0.01)下失敗。使用任何骨粘合劑的完整股骨在高得多的載荷下失敗，達(dá)到低于初始骨強(qiáng)度的10％。
表1.ACL模型-最高平均(±SEM)致斷拉伸載荷(N)

表2.用可能的骨膠修補(bǔ)的股骨截骨中的平均(±SEM)致斷生物力學(xué)性能

在從骨隧道中拉出的骨和腱中，糊狀制劑由于接合劑性質(zhì)而提供了一定的粘合(即硬化填料)。但是，MgO-MKP-糖基制劑在骨中具有超過(guò)1000N的額外和相當(dāng)大的粘合性能，這應(yīng)該超過(guò)了施加在活體內(nèi)構(gòu)造上的力。在股骨骨折重構(gòu)中，MgO-MKP-糖基制劑提供了骨粘合，但不像我們的不可生物降解的正向?qū)φ漳z那么大。修復(fù)的構(gòu)造的強(qiáng)度仍然小于完整股骨強(qiáng)度的10％，但是可以提供斷片收納(fragmentcontainment)和骨傳導(dǎo)。
生物可降解的MgO-MKP-糖基、可注射制劑將骨隧道內(nèi)的骨和腱充分粘合以顯著增強(qiáng)、或可能獨(dú)立地用在ACL重構(gòu)中。骨末端的粘合可以足以包含粉碎性骨折修補(bǔ)中的骨折碎片，并在骨傳導(dǎo)和生物降解狀況如預(yù)期那樣輔助了骨折愈合的情況下可用。
實(shí)施例II骨增生結(jié)果配方II動(dòng)物物種/品種 馬/雜種初始年齡馴化開(kāi)始時(shí)最小為3年，最大為20年初始重量馴化時(shí)大約800-1200千克性別閹割的公馬、母馬動(dòng)物的識(shí)別單獨(dú)的頸環(huán)、耳標(biāo)或馬籠頭標(biāo)預(yù)處理 接種疫苗東方、西方腦炎，流行性感冒，西尼羅河病毒和破傷風(fēng)。
到達(dá)Ohio State Finley Research farm后驅(qū)蟲(chóng)。動(dòng)物沒(méi)有接觸過(guò)前述化合物。
場(chǎng)所說(shuō)明研究將在Ohio State University Alice Finley Memorial farm(Finleyfarm)和Veterinary Teaching Hospital(VTH)進(jìn)行。評(píng)測(cè)將在Veterinaryteaching hospital進(jìn)行。工廠的動(dòng)物住處、實(shí)驗(yàn)室支持區(qū)域、記錄保管和預(yù)期順從性要令人滿意以達(dá)到該規(guī)程的要求。
管理每只動(dòng)物的居住面積在研究過(guò)程中，動(dòng)物居住在單畜房中。
喂食和飲水方法每天兩次喂食干草和谷物。水隨意供應(yīng)。
住處 在Finley farm或VTH的鋪褥草的單畜房。
環(huán)境控制 Finley farm單畜房在沒(méi)有溫度調(diào)節(jié)的畜舍內(nèi)。
喂食 每天每只動(dòng)物大約3磅谷物。每天兩次供應(yīng)大約15磅干草，需要時(shí)增加。
水水每天檢查，需要時(shí)清潔。
設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究；Nested Paired Design；每匹馬充當(dāng)自己的對(duì)照物。在受控區(qū)組設(shè)計(jì)中指定馬、肢干和中間或側(cè)面贅骨。八匹馬，雙側(cè)Mtii和MtIV骨折(24贅骨)。一根中間和一根側(cè)面贅骨(MtII和MtIV)用MgO-MKP-糖可注射制劑(n＝16)處理。對(duì)側(cè)的贅骨用鈣基可注射制劑[對(duì)比處理]注射或不接受注射(未處理的對(duì)照物)。表3，結(jié)果是8個(gè)肢干的4組，各自是1)未處理的自然愈合(對(duì)照物)，2)鈣基非粘合劑可注射產(chǎn)品[處理對(duì)比]，3)鎂基粘合劑可注射試驗(yàn)產(chǎn)品。
表3 跖骨(贅骨)-處理組(n＝8/組)


程序入選標(biāo)準(zhǔn)馬(年齡3-20歲)必須在身體檢查和完全血細(xì)胞測(cè)定上是健康的，并且是健全的，沒(méi)有可觸知或X射線照相的跖骨畸形。
盲試記錄贅骨和肢干的指定。采用以遮蔽方式編號(hào)的樣品進(jìn)行所有X射線照相、qCT、生物力學(xué)測(cè)試和組織形態(tài)學(xué)。
骨折模型——第0天，在全身麻醉下實(shí)施骨折(Mt(Splint)II和Mt(Splint)IV)。在麻醉前30分鐘，對(duì)馬進(jìn)行普魯卡因青霉素(22,000單位/千克)的肌肉給藥和慶大霉素(6.6毫克/千克)的靜脈注射給藥。用鹽酸甲苯噻嗪(1毫克/千克)使馬鎮(zhèn)靜，用氯胺酮(2毫克/千克)誘導(dǎo)，并在異氟烷和氧氣上保持背部躺靠。贅骨直接在皮膚下方，在這些骨缺損的位置。在無(wú)菌準(zhǔn)備之后，在贅骨的光滑可觸知表面上制造小的2厘米切口；距離可觸知的跗跖骨關(guān)節(jié)15厘米。將彎曲的壓板放在贅骨下方并使用氮?dú)怛?qū)動(dòng)的振動(dòng)骨鋸制造含有三角形碎片[90°，1.5厘米arm]的3段式骨折。骨鋸取出1厘米寬的骨。用大量鹽水沖洗切口以去除骨粉并干燥。在骨表面上通過(guò)壓力或射頻燒灼阻止出血。根據(jù)指定將三角形骨碎片放回到母體缺損中。如果骨被指定為接受可注射的糊狀物，將其根據(jù)制造商的建議混合，將大約0.5毫升置于切割的骨表面上并將三角形碎片粘回原位。將碎片壓配合到原位30分鐘以確保固化或在對(duì)照樣本中使血液凝結(jié)。進(jìn)行切口的分層閉合，包裹消毒繃帶并使馬恢復(fù)。使消毒繃帶保持2周。
材料制備以表3的順序，恰好在涂施前用金屬刮勺混合BoneSolutions制品(MgO-MKP-糖基)和Bone Sources制品(Ca基)，并用金屬刮勺將其涂施到骨折裂縫處。兩種制品均在混合2分鐘后涂施，并根據(jù)需要再次涂施以將足量材料放入骨折床中。
成果評(píng)估臨床評(píng)估——每天監(jiān)控馬對(duì)該方法或治療的任何反應(yīng)的臨床體征。在手術(shù)后和注射后一周每天記錄直腸溫度(T)、心率(HR)和呼吸速率(RR)，隨后每周記錄直到研究在第8周終止。
疼痛——通過(guò)評(píng)估物理參數(shù)(T、HR、RR)、在畜欄中的跛行得分(0-5)來(lái)監(jiān)控馬的疼痛。
腫脹——通過(guò)記分評(píng)估外科手術(shù)部位的腫脹
。通過(guò)排出物特征(顏色、粘度)的排膿得分評(píng)估外科手術(shù)部位的排膿情況
。
步態(tài)評(píng)估——在1、1、3、4、5、6、7和8周，對(duì)每一后肢在步行時(shí)的跛行評(píng)分。
。
安樂(lè)死——在7周時(shí)在AAEP準(zhǔn)則內(nèi)，在用500毫克甲苯噻嗪HClIV鎮(zhèn)靜之后通過(guò)過(guò)量使用靜脈內(nèi)戊巴比妥溶液對(duì)馬實(shí)施安樂(lè)死，并獲取遠(yuǎn)端肢干。
骨折愈合(骨粘合和愈合)X射線照片——在骨折和注射之前拍攝斜位X射線照片，并在7周內(nèi)每隔一周拍攝一次直至終止。將X射線照片的骨折碎片移動(dòng)(0＝無(wú)，1＝最小，2＝輕微，3＝明顯)、骨增生(0＝無(wú)，1＝最小，2＝輕微，3＝明顯)、骨重塑(0＝無(wú)，1＝最小，2＝輕微，3＝明顯)、和骨折閉合(0＝無(wú)，1＝最小，2＝輕微，3＝完全)評(píng)分。測(cè)量骨折骨痂的寬度和長(zhǎng)度并使用所有底片中包含的X射線照相測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。
定量計(jì)算機(jī)化斷層顯象(qCT)——以1厘米間隔檢查遠(yuǎn)端肢干的跖骨與骨折愈合過(guò)程有關(guān)的軟組織異常。在骨缺損部位處及其至少1厘米的近端和遠(yuǎn)端，獲得1毫米切片。隨后，獲取Mt IV和MtII，清除軟組織并從骨痂的頂部到底部掃描1厘米切片的橫截面以確定礦化骨痂的面積、密度和礦物含量(面積×密度)。使用磷酸鉀標(biāo)準(zhǔn)品，將每一切片的密度測(cè)量結(jié)果的x-射線衰減差異標(biāo)準(zhǔn)化。在標(biāo)準(zhǔn)化之后，進(jìn)行計(jì)算以將相關(guān)磷酸鉀區(qū)域(ROI)轉(zhuǎn)化成灰密度(毫克/立方毫米)。在骨橫截面圖上在愈合骨折部位進(jìn)行ROI的示蹤以確定骨面積(骨量)、愈合中的骨折中的骨密度、和骨痂中的骨密度。在qCT之后立即機(jī)械測(cè)試贅骨。
機(jī)械測(cè)試——將跖骨II和IV末端固定在夾具上，使用伺服液壓控制材料測(cè)試系統(tǒng)在3pt彎曲(1.5毫米/秒)中準(zhǔn)靜態(tài)地測(cè)試致斷。將骨放在夾具中以確保右側(cè)和左側(cè)均適當(dāng)彎曲。收集載荷/形變數(shù)據(jù)并計(jì)算致斷最大載荷。
組織學(xué)——在機(jī)械測(cè)試之后，將贅骨未脫鈣地嵌在PMMA中，在縱向額面[EXACKT system，OSU]中分段(10微米)，用Masson’s三色染色，并評(píng)測(cè)骨痂組成、成熟度、皮層連續(xù)性、和骨折橋接。記錄缺損內(nèi)的組織類型(例如軟骨、纖維組織和骨)的評(píng)估。
數(shù)據(jù)分析-產(chǎn)生所有結(jié)果變量的描述統(tǒng)計(jì)。對(duì)于客觀(objective)數(shù)據(jù)，使用成對(duì)t試驗(yàn)評(píng)測(cè)MgO-MKP-糖基(Mg基)可注射糊狀物處理與鈣基處理或無(wú)處理相比對(duì)愈合的作用。評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)以中值和范圍表示并通過(guò)Mann Whitney U Rank試驗(yàn)進(jìn)行分析。在p＜0.05，差異被視為明顯的。
發(fā)現(xiàn)和結(jié)論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)按照表3中的指定，所有8匹馬均完成了7周愈合研究。所有馬均符合入選標(biāo)準(zhǔn)。特征描述列在表4中。所有馬匹均進(jìn)行外科手術(shù)以制造三角形跖骨骨折，并進(jìn)行指定的處理。將碎片壓配合到母體缺損中30分鐘，材料似乎在手術(shù)閉合處固化。
表4 研究中所用馬匹的特征描述

結(jié)果評(píng)估臨床評(píng)估——痛苦和步態(tài)——如按照規(guī)程的跛行分?jǐn)?shù)(中值0，范圍0)所估測(cè)，在手術(shù)后的任何時(shí)間點(diǎn)馬匹均不跛。在整個(gè)研究中，身體檢查參數(shù)均保持在正常限度范圍內(nèi)。
切口腫脹和排膿——在4個(gè)處理組之間，手術(shù)后的腫脹沒(méi)有差別，且在任何時(shí)間點(diǎn)在切口處均沒(méi)有排膿。在研究結(jié)束時(shí)，只有一個(gè)手術(shù)部位具有可觸知的堅(jiān)硬的、不疼痛的大約2厘米腫大。這些數(shù)據(jù)的判讀在于，Mg和Ca材料在臨床上是生物相容的、臨床上無(wú)刺激的。不會(huì)產(chǎn)生臨床上明顯的組織和骨增生，且因此不會(huì)過(guò)量。
X射線照片——按照規(guī)程在骨折之前拍攝X射線照片，并每隔一周拍攝一次直至研究結(jié)束。評(píng)測(cè)X射線照片的碎片間隙、材料存在、骨生成、骨重塑和骨愈合。作為從碎片頂端到碎片床底端的直線距離(毫米)評(píng)估碎片移動(dòng)。與無(wú)處理或Ca處理相比，在手術(shù)之后立即進(jìn)行(0周)的MgO-MKP-糖處理將碎片明顯更緊密地(p＜0.05)固定到母體碎片床上。在Mg-或Ca-處理中不產(chǎn)生碎片移動(dòng)直至在MtII中4周或直至在MtIV中2周。在所有時(shí)間點(diǎn)，在MgO-MKP-糖處理中，與無(wú)處理相比，碎片較少移動(dòng)，這最多在四周內(nèi)在統(tǒng)計(jì)上是顯著的。(圖和數(shù)據(jù)參見(jiàn)附錄)。從X射線照片中通過(guò)測(cè)量在碎片周圍形成的新骨在其最高點(diǎn)的寬度和高度并將這些數(shù)相乘以估測(cè)新骨的面積，由此估測(cè)骨痂生成(愈合中的碎片處的骨增生)。在MtII和MtIV中，與Ca處理和無(wú)處理相比，在MgO-MKP-糖處理(Mg處理)中新骨骨痂均明顯更大。骨的明顯生成到4周時(shí)發(fā)生并持續(xù)至7周。
在一些馬匹的X射線照片上，在一些時(shí)間點(diǎn)，特別是早期時(shí)間點(diǎn)，可以在碎片和母體骨之間的間隙中識(shí)別出輻射密集的材料(參見(jiàn)附錄中的圖)。產(chǎn)品具有相同頻率并相當(dāng)于Ca產(chǎn)品直至4周，此后通常觀察到較少材料(較低分?jǐn)?shù))，但在Mg組中較高，且僅在MgO-MKP-糖組中達(dá)到7周。
與無(wú)處理或Ca處理組相比，在MgO-MKP-糖處理中，碎片和母體骨周圍的骨重塑明顯更大。
在MgO-MKP-糖處理中，碎片和母體骨周圍的骨愈合較大，且這與無(wú)處理相比在所有周中且與Ca處理相比在第4、6和7周是明顯的(p＜0.05)。
安樂(lè)死和骨獲取——如規(guī)程所列在手術(shù)后7周將馬安樂(lè)死。切除跖骨和遠(yuǎn)端肢干、標(biāo)記、儲(chǔ)存在塑料制品中并冷凍。
定量計(jì)算機(jī)化斷層顯象——在愈合7周后，掃描完整肢干和跖骨(每匹馬4次)[Picker P HelicalCT，Philips Medical Systems for North America，Bothell，WA]。在1厘米切片上在橫截面掃描完整肢干并主觀評(píng)測(cè)每一切片的軟組織周圍的營(yíng)養(yǎng)不良的礦化。包括在懸韌帶、腱和周圍皮膚中沒(méi)有注意到異常礦化。在1毫米切片中在矢狀切面從中間向側(cè)面掃描跖骨并包括骨痂上至少1厘米至骨痂下1厘米。選擇在碎片上進(jìn)行的跖骨掃描的中心切片并追蹤相關(guān)區(qū)域的間隙、碎片、和骨痂。對(duì)于相關(guān)區(qū)域的間隙、碎片和骨痂，記錄組織密度和區(qū)域尺寸的測(cè)量結(jié)果。然后使用同時(shí)用每一切片收集的仿真計(jì)算，將密度測(cè)量結(jié)果從磷酸鉀密度轉(zhuǎn)化成灰密度。在MgO-MKP-糖處理中，碎片與母體骨之間的間隙中的密度與無(wú)處理相比時(shí)往往較大(p＜0.08)。Mg和Ca處理時(shí)的間隙密度沒(méi)有差別(p＜0.13)。與來(lái)自X射線照片的評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)相結(jié)合時(shí)，這可能表明在7周時(shí)存在材料(參見(jiàn)原始數(shù)據(jù)和附錄中的制表數(shù)據(jù))。各組之間的碎片密度或尺寸沒(méi)有明顯差異。與無(wú)處理(p＜0.01)和與Ca處理(p＜0.02)相比，在Mg處理中在愈合碎片周圍存在明顯較大的骨痂量。這些數(shù)據(jù)確證了較大骨痂的X射線照相測(cè)量結(jié)果。概括而言，這些數(shù)據(jù)表明，碎片沒(méi)有被這些材料損壞，生成的骨的密度沒(méi)有異常，且Mg處理顯著提高了碎片部位的骨生成。在該模型和物類中看到的這種骨增生效果是對(duì)Mg產(chǎn)品的骨誘導(dǎo)響應(yīng)。使用最高純度產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)骨誘導(dǎo)模型的進(jìn)一步調(diào)查證實(shí)了該發(fā)現(xiàn)。
機(jī)械測(cè)試——骨在3pt彎曲和記錄最大致斷載荷(N)和橫截面直徑(毫米)的測(cè)量中失敗。計(jì)算峰值致斷應(yīng)力(N/mm2)。任何組之間的機(jī)械測(cè)試結(jié)果均沒(méi)有明顯差異。愈合的MtIV的尺寸和強(qiáng)度明顯高于MtII(數(shù)據(jù)參見(jiàn)附錄)。
組織學(xué)——將骨在橫截面中分區(qū)以模擬qCT評(píng)估的平面并觀察碎片，周圍的骨是橫截面。在8個(gè)Mg處理過(guò)的Mt IV骨的6個(gè)或在8個(gè)Mg處理過(guò)的Mt II骨的3個(gè)中，明亮著色的材料十分明顯。在8個(gè)Ca處理過(guò)的Mt IV骨的4個(gè)中，材料十分明顯。樣本的組織學(xué)評(píng)測(cè)表明，與碎片和材料相鄰的組織類型是纖維組織和/或骨。在這種相鄰組織中沒(méi)有炎性細(xì)胞。沒(méi)有肉芽腫反應(yīng)(巨細(xì)胞的匯集)。注意到骨直接與該材料相鄰。組織學(xué)數(shù)據(jù)支持下列結(jié)論。Mg材料沒(méi)有被吸收而是保持附著在該部位上7周。在許多樣本中，經(jīng)過(guò)7周，Ca材料被吸收或從該部位遷移。Ca和Mg材料都是生物相容的且不會(huì)引起炎性反應(yīng)。身體不會(huì)將這些材料用墻隔開(kāi)。骨或纖維組織，預(yù)計(jì)的愈合組織類型富足且沒(méi)有影響地極接近材料。
附錄I-給藥劑量所有動(dòng)物將接受Bone Sources和Bone Solutions制品。使用刮勺將產(chǎn)品混合，隨即立即放入骨缺損處以覆蓋骨的所有表面。將骨碎片固定就位最少5分鐘，并使其在皮膚閉合之前固化最少30分鐘。在涂施糊狀物或更換碎片(未處理的對(duì)照物)之前，控制骨表面上的出血。
附錄II-身體檢查入選標(biāo)準(zhǔn)1.在身體檢查表格上正常(包括跛行)。以低于1的分?jǐn)?shù)慢走2.兩個(gè)跖骨的觸診均可接受。
3.可接受的CBC和化學(xué)性質(zhì)4.兩個(gè)跖骨的可接受的X射線照片由適當(dāng)有經(jīng)驗(yàn)的獸醫(yī)進(jìn)行身體檢查并包括直腸溫度、舌頭和齒齦評(píng)測(cè)，包括毛細(xì)管再充滿時(shí)間、心率、呼吸速率、胸和GI聽(tīng)診、和每一動(dòng)物的一般身體狀況的評(píng)估。
附錄III-臨床病理學(xué)在OSU臨床病理學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)施血液學(xué)、血清化學(xué)研究作為標(biāo)準(zhǔn)。
取血樣進(jìn)行血液學(xué)檢查、血清化學(xué)研究和血漿藥物接觸。使用兩種無(wú)菌抽空管收集血液。管尺寸適于所需樣品的體積。使用含有EDTA抗凝血?jiǎng)┑墓苓M(jìn)行血液學(xué)研究、使用不含抗凝血?jiǎng)┑墓苓M(jìn)行血清收集，并使用含有EDTA的管進(jìn)行血漿藥物接觸。所有含有抗凝血?jiǎng)┑墓芫谔畛渲筝p輕反轉(zhuǎn)。
實(shí)施例III-與骨中的鋼螺釘?shù)恼澈希?配方II可生物降解的磷酸單鉀、氧化鎂[Mg]、磷酸三鈣、糖可注射制劑與聚甲基丙烯酸甲酯[PMMA]、磷酸鈣[Ca]或沒(méi)有骨接合劑的情況相比，會(huì)提高螺釘拔除扭矩和表面粘合。
骨接合劑充當(dāng)骨空隙填料并可以將移植物之類的結(jié)構(gòu)接合到骨上。使用骨接合劑將關(guān)節(jié)移植物固定到骨腔中1，將鋼板和螺釘密封到骨上2，并提高螺釘拉出力3。在這些應(yīng)用中，用于提高移植物的牢固性的作用機(jī)制包括在骨腔內(nèi)硬化并提高表面接觸面積。目前供應(yīng)的接合劑(可生物降解或不可生物降解)都沒(méi)有提出將移植物粘合到骨上，但是這種性質(zhì)可以進(jìn)一步提高移植物在骨中的牢固性并減少微動(dòng)作。MgO-MKP-糖制劑已經(jīng)證實(shí)了用于骨-骨和腱-骨的粘合性能4，并因此可以提供移植物與骨的粘合。這種研究的具體目標(biāo)是確定與Ca基商品和PMMA相比，MgO-MKP-糖(Mg基)骨接合劑是否具有與不銹鋼螺釘?shù)恼澈闲阅?。作為最高拔除扭矩量化移植物牢固性。用高度詳?xì)的X射線照片和未脫鈣的組織學(xué)估測(cè)材料分布和與移植物的粘合。選擇拔除扭矩以表示骨-材料-移植物粘合，因?yàn)樵谝浦参锢喂绦詥适r(shí)會(huì)發(fā)生界面破壞而非材料或骨破壞。
方法從8只中型犬中獲取十六個(gè)成對(duì)橈骨。在遠(yuǎn)端骨干中從前部到尾部等距離鉆出4個(gè)孔5。將這些骨固定在夾具中并用2.5毫米鉆頭垂直于表面鉆孔并用深度計(jì)測(cè)量孔長(zhǎng)度。根據(jù)下列指定將這些孔用手刻螺紋以裝入具有適當(dāng)長(zhǎng)度的316L不銹鋼皮層骨螺釘[Synthes，Paoli，Pa]至0.706Nm的扭矩[Qdriver2 Torque Screwdeiver，Snap-on Inc.，Kenosha，WI]Gp1-對(duì)照物，無(wú)材料；Gp2-Ca基可生物降解骨填料/接合劑[Bone Scource；Stryker Inc，Kalamazoo，MI]；Gp3-PMMA[SimplexTMP，Stryker Inc.，Kalamazoo，MI]；和Gp4-Mg基可生物降解骨填料/接合劑[Bone Solutions，Dallas，TX]。制備材料并用于填充指定的孔，將它們旋轉(zhuǎn)以從近端到遠(yuǎn)端控制孔位置。迅速接連地放置這些螺釘，并使材料固化96小時(shí)。在螺釘反旋過(guò)程中使用與扭矩扳手相連的扭矩傳感器/測(cè)力儀顯示器[Transducer Techniques Inc.，Temecula，CA]測(cè)試并測(cè)量每個(gè)螺釘?shù)陌纬ぞ?Nm)。記錄峰值(Nm)。對(duì)橈骨進(jìn)行數(shù)字X射線照相，并使用電子筆[Osirix Medical ImagingSoftware]測(cè)量每個(gè)孔周圍的粘固面積并記錄。重新插入螺釘，并在孔的任一側(cè)上將骨切成厚片，從頂部到尾部未脫鈣地分段[Exackt System，Zimmer，Warsaw，IND]，并用Masson’s三色染色法染色。在質(zhì)量上評(píng)測(cè)組織切片的界面間隙、骨/螺釘/材料接觸、和材料顯微鏡外觀。
結(jié)果Mg基產(chǎn)品(Bone Solutions)具有明顯(p＜0.001)高于對(duì)照物、Ca基產(chǎn)品和PMMA的拔除扭矩(平均97.5±17.7Nm)。PMMA具有明顯(p＜0.05)高于Ca基產(chǎn)品的拔除扭矩。(圖1)在所有材料中，螺釘周圍的接合劑面積均視為相同，但在Mg基產(chǎn)品和PMMA中明顯高于(p＜0.001)對(duì)照物或Ca基產(chǎn)品[表5]并且是十分明顯的。
表5 置于犬科動(dòng)物橈骨中的螺釘周圍存在的接合劑的平均(±SEM)面積(象素2)

*P＜0.001在組織學(xué)上，Ca基產(chǎn)品是粒狀的、稠密的、均勻的，且在界面處有間隙。PMMA是微細(xì)粒狀的、均勻的并在界面處接觸。Mg基產(chǎn)品是粒狀的、非均勻的，直接與螺釘和骨接觸。該材料稠密填充在界面處。
論述Ca基接合劑由于界面處的分離不能在螺釘上提供更大的拔除扭矩。擴(kuò)散到周圍骨中的PMMA在螺釘界面處提供緊密結(jié)合和比Ca基接合劑或?qū)φ瘴锔叩陌纬ぞ?，但不是可生物降解的。擴(kuò)散到周圍骨中的Mg基接合劑在螺釘界面處提供緊密結(jié)合，最大的拔除扭矩并且是可生物降解的。與移植物的優(yōu)異粘合性的機(jī)制似乎包括向著螺釘和骨的表面膨脹和壓縮。
結(jié)論可生物降解的鎂可注射接合劑優(yōu)異地將不銹鋼移植物固定在骨中。
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盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的基本原理，但本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，前述公開(kāi)僅用作舉例說(shuō)明而非限制性的?？梢蕴岢龈鞣N變化、改進(jìn)和修改并且在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。此外，成分或次序的所列順序、或因此使用的數(shù)目、字母或其它名稱不是為了將本公開(kāi)的方法限于任何順序，除非權(quán)利要求中明確指出。因此，本發(fā)明僅受下列權(quán)利要求及其同等物的限制。
本申請(qǐng)中所列舉的所有公開(kāi)和專利文獻(xiàn)均整體作為參考并入本文，就好像每個(gè)單獨(dú)的公開(kāi)或?qū)＠墨I(xiàn)均獨(dú)立地如此指明。
權(quán)利要求
1.一種骨增生性生物材料組合物，其包括磷酸或磷酸鹽；金屬氧化物；含鈣化合物；和糖樣化合物，該糖樣化合物選自糖、糖衍生物、糖代用品及其混合物。
2.權(quán)利要求1所述的生物材料組合物，其進(jìn)一步包括水。
3.權(quán)利要求1所述的生物材料組合物，其中所述的磷酸與所述的金屬氧化物之間的重量比為大約2∶1至1。
4.權(quán)利要求1所述的生物材料組合物，其中所述的磷酸鹽是KH2PO4。
5.權(quán)利要求1所述的生物材料組合物，其中所述的組合物是骨誘導(dǎo)性的。
6.權(quán)利要求1所述的生物材料組合物，其中所述的含鈣化合物是Ca10(PO4)6(OH)2。
7.權(quán)利要求1所述的生物材料組合物，其中所述的含鈣化合物選自α-Ca3(PO4)2、β-Ca3(PO4)2、Ca10(PO4)6(OH)2、磷酸四鈣、無(wú)定形磷酸鈣、雙相磷酸鈣、結(jié)晶差的磷灰石、含氧磷灰石、磷酸八鈣、磷酸二鈣、二水合磷酸二鈣、偏磷酸鈣、偏磷酸七鈣、焦磷酸鈣及其混合物。
8.權(quán)利要求1所述的生物材料組合物，其中所述的糖樣化合物選自糖、糖醇、糖酸、氨基糖、糖聚合物氨基葡糖聚糖、糖脂、糖代用品及其混合物。
9.權(quán)利要求1所述的生物材料組合物，其中所述的糖樣化合物是蔗糖。
10.權(quán)利要求1所述的生物材料組合物，其中所述的磷酸或磷酸鹽的存在量為大約40至65wt％；所述的金屬氧化物的存在量為大約30至50wt％；所述的含鈣化合物的存在量為大約1至15wt％；且所述的糖樣化合物的存在量為0.5至20wt％。
11.權(quán)利要求1所述的生物材料組合物，其中所述的磷酸或磷酸鹽的存在量為大約20至70wt％；所述的金屬氧化物的存在量為大約10至50wt％；所述的含鈣化合物的存在量為大約1至15wt％；且所述的糖樣化合物的存在量為0.5至20wt％。
12.一種骨增生性生物材料組合物，其包括KH2PO4、金屬氧化物、磷酸三鈣和糖樣化合物，該糖樣化合物選自糖、糖衍生物、糖代用品及其混合物。
13.權(quán)利要求12所述的生物材料組合物，其中KH2PO4與所述的金屬氧化物之間的重量比為大約21至1。
14.權(quán)利要求12所述的生物材料組合物，其中所述的金屬氧化物是MgO。
15.權(quán)利要求12所述的生物材料組合物，其中所述的組合物是骨誘導(dǎo)性的。
16.權(quán)利要求12所述的生物材料組合物，其中所述的磷酸三鈣是Ca10(PO4)6(OH)2。
17.權(quán)利要求12所述的生物材料組合物，其中所述的糖樣化合物是蔗糖。
18.權(quán)利要求12所述的生物材料組合物，其中所述的糖樣化合物是糖。
19.權(quán)利要求12所述的生物材料組合物，其中所述的糖樣化合物是多糖。
20.權(quán)利要求12所述的生物材料組合物，其中KH2PO4鹽的存在量為大約20至70wt％；所述的金屬氧化物的存在量為大約10至50wt％；所述的磷酸三鈣的存在量為大約1至15wt％存在；且所述的糖樣化合物的存在量為0.5至20wt％。
21.權(quán)利要求12所述的生物材料組合物，其中KH2PO4的存在量為大約40至65wt％；所述的金屬氧化物的存在量為大約30至50wt％；所述的磷酸三鈣的存在量為大約1至15wt％；且所述的糖樣化合物的存在量為0.5至20wt％。
22.權(quán)利要求12所述的生物材料組合物，其中KH2PO4的存在量為大約40至50wt％；所述的金屬氧化物的存在量為大約35至50wt％；所述的磷酸三鈣的存在量為大約1至15wt％；且所述的糖樣化合物的存在量為大約0.5至10wt％。
23.一種骨增生性生物材料組合物，其由干燥相和水相組成；其中所述的干燥相由KH2PO4、金屬氧化物、磷酸三鈣和糖組成。
24.權(quán)利要求23所述的骨增生性生物材料組合物，其中所述的水相是水。
25.一種促進(jìn)硬組織生長(zhǎng)的方法，其包括下述步驟a.將磷酸鹽基生物材料施用到組織或硬組織缺損處，其中所述的生物材料包括磷酸或磷酸鹽；金屬氧化物；含鈣化合物；以及選自糖、糖衍生物、糖代用品及其混合物的糖樣化合物。
26.權(quán)利要求25所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述的生物材料中添加和混合水或其它水溶液的步驟。
27.權(quán)利要求25所述的方法，其中所述的硬組織是骨。
28.權(quán)利要求25所述的方法，其中所述的生物材料是權(quán)利要求11的組合物與水溶液的混合物。
29.權(quán)利要求25所述的方法，其中所述的生物材料是權(quán)利要求12的組合物與水溶液的混合物。
30.權(quán)利要求25所述的方法，其中所述的生物材料是權(quán)利要求21的組合物與水溶液的混合物。
31.權(quán)利要求25所述的方法，其中所述的生物材料是權(quán)利要求23的組合物的混合物。
32.權(quán)利要求25所述的方法，其中所述的生物材料是骨誘導(dǎo)性的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多用途生物材料。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案通常包含KH
文檔編號(hào)A61K33/08GK101076344SQ200580031815
公開(kāi)日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2005年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月21日
發(fā)明者T·J·拉利 申請(qǐng)人:T·J·拉利