專利名稱：基于磷酸鈣的可吸收生物聚合物交聯(lián)骨替代材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種由包埋在本發(fā)明特定的交,原基質中的不同相的磷 酸釣顆粒制成的可吸收骨替代材料。
背景技術：
不能在自然愈合中通過生物體來閉合的骨缺陷，需要應用可具有天然 或人工來源的骨替代材料，并且所述替代材料將填4械陷并且被重建到內 生骨。
所謂的"黃金標準，，代表自體骨的利用，那么，例如要從患者健全的 區(qū)域，例如從髂嵴取下一塊骨用于填補缺陷。因此，若具有更大的骨缺陷 或自體骨不合適，則也依靠外源骨材料，其被相應恢復。以更大量提供外
源骨的優(yōu)點與它們的缺點并存，即改變恢復方法可能導致不同的機械性能
(Palmer S.H.， Gibbons C丄.M.H.， Athanasou N.A.: JBJS (Br)1999， 81國B， 333-5)。此外，使用外源骨不能排除感染(Boyce， T" Edwards J.， Scarborough N.: Orthop. Clin. North Am. 1999， 30(4)， 571-81)。對于去生物 化動物骨的應用，具有與外源骨的應用同樣的缺點，因而已經開發(fā)了各種 人造骨替代物。
人造骨替代物的優(yōu)點除易得性之外，還在于存在對化學組成和結構的 檢查，并且可以彰響生物有效性從而實現(xiàn)最佳療程。
大多數(shù)AJt骨替代物包含4丐礦物如碳酸鉤、硫酸釣以及不同的磷酸鉤。 過去，已經使用了特別是磷酸釣如P-磷酸三鈣和羥基磷灰石，其中羥基磷 灰石是天然骨的基本成分(Dorozhkin S.V.， Epple M.: Angew. Chemie 2002 114， 3260-77)。
基于磷酸鈞的骨替代材料可以針對不同的應用范圍以不同的實施方案 制造。例如，顆粒用于牙骨缺陷的填補，而可注射粘固粉用于穩(wěn)定推骨體。
將負荷沖莫壓的陶瓷物插入頭骨和大長骨的缺陷處。
在負荷情況下，對于由磷酸鉤制成的骨替代材料而言出現(xiàn)特別的困難。 必需的結構僅能負栽有限的最大力，并且必須通過適合的生產工藝補償合 成磷酸鉤的天然具有的脆性，例如通過燒結可實現(xiàn)強度的增加。那么，不
利的是，燒結的磷酸鈣的吸收比起正常療程對應的重吸收要慢(LeGeros R.Z.: Clinical Materials 1993， 14， 65-88)。此外，燒結造成納米孔隙率的損 失。
增加基于磷酸鍋的骨替代材料的強度的另一可能是通過冷等壓壓制進 行壓縮。然而，這些模制品的孔隙率則開始大量損失，致使為了補償此影 響，必須通it^L械再加工來提供宏觀結構，例如鉆孔(Tadic D.， Epple M.: Biomaterials 2003， 24, 4565-71)。
如果機械強度(Belastbarkeit)不起重要作用，那么可以用其它能較好地 調整孔隙率的方法生產基于磷酸釣的骨替代材料。如果將無機組分限定為 材料成分，那么特別是溶膠-凝膠法正適合于產生開孔網狀結構(Brinker CJ., Scherrer G.W.: Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing, Academic Press, 1990)。
此外，如果有機組分用作粘合劑，那么模制品既可以通過直接成型法 產生(Michnaa S.， Wua W" Lewis J.A.: Biomaterials 2005， 26， 5632-9)，例 如作為三維柵極形式，也可以通過擠壓成型來生產(Weihe S.， Wehmdller M.， Tschakaloff A" von Oepen R. ， Schiller C., Epple M. , Eufinger H.: Mimd畫，Kiefer-, Gesichtschirurgie 2001, 5:299 - 304)。必須通過成型方法 本身或通過機械加工來設置這些模制品的孔隙率(D. Tadic D" M. Epple M.: Biomaterials 2003， 24,4565-71)。
通過應用包含在體液中具有不同的溶解度并因此具有不同的吸收速率 的磷酸鉤可調組分的骨替代物，吸收過程可以以規(guī)定的方式設定。結果，
損傷另外被骨替代材料支撐一段時間，期間新骨組織發(fā)育并且固化。較小 溶解度的磷酸鈣隨后在骨重塑期間將完全被重吸收(LeGeros R. Z.: Clinical Materials 1993， 14， 65-88)。
總之，注意到基于磷酸鈣的骨替代材料成功用于簡單缺陷的治療。然
而此時，由于材料相關問題而沒有進行重度缺陷的應用。首先這些問題依 在于，靠目前的方法不能滿足對骨替代材料和由之形成的缺陷填補材料體
的實質要求，分別是
(1) 一方面，生產形鎖合(formschltissig)的骨替代物模制品，即分別以 解剖學方式和根據(jù)缺陷成型，其極佳地充分填補骨缺陷并且可力鎖合 (kraftschliissig)， 并且
(2) 另一方面，實現(xiàn)易吸收的結構。
此外，應用目前的制造方法非常難以向骨替代材料提供具有強可變濃 度的額外的有機或無機物質，也難以分別借助包埋的、永久的和吸收的支 撐結構提供負荷性能的改進。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的問題是生產非脆性的積極骨替代物模制品，即分別以 解剖學方式和和才艮據(jù)缺陷成型，其極佳地充分填補骨缺陷，并且是可吸收的。
解決問題的方案通過由包埋在根據(jù)本發(fā)明交聯(lián)的膠原基質中的磷酸鉤
顆?；旌衔锷a骨替代物而獲得。
具體而言，通過漆酶引發(fā)的肽交聯(lián)和適合的橋接分子實現(xiàn)膠原交聯(lián)。 取代的二羥基芳族化合物和/或木質多酚氧化酶基質如漆酶通常適合
作為橋接分子。
因此，使用單環(huán)鄰二羥基芳族化合物、單環(huán)對二羥基芳族化合物、雙 環(huán)單羥基芳族化合物、多環(huán)單羥基芳族化合物、雙環(huán)二羥基芳族化合物、 多環(huán)二鞋基芳族化合物、雙環(huán)三羥基芳族化合物、多環(huán)三羥基芳族化合物 或其混合物。與眾所周知的貝類膠相反，根據(jù)本發(fā)明的羥基芳族化合物不 是聚合物鏈的一部分。
這些芳族化合物可以進一步被取代。優(yōu)選的官能團是選自由鹵素、磺 基、砜基、磺胺基(sulfamindo)、巰基(sulfanyl)、氨基、St^基、偶氮基、 亞氨基以及羥基組成的組的取代基。那么，要確定取代的芳族化合物，具 體而言取代的二幾基芳族化合物具有非常有利的聚合性能如快速聚合、低
自然鍵合和良好的交聯(lián)強度。芳族化合物的適當取代導致單羥基芳族化合 物也適合作為用于交聯(lián)的橋接分子。在本發(fā)明的范圍內，取代意指除羥基
之外，1、 2、 3或4個其它基團鍵合到芳族化合物。此外，單羥基化二芳 基化合物也適合作為橋接分子。
特別優(yōu)選作為橋接分子的是在鄰位或對位上包含羥基或曱氧基的苯酚 矛《生物，對應于式1和2，
其中
n=0~10，優(yōu)選0或1，特別是0;
R,-OH或NH2或囟素，優(yōu)選OH、 Cl或Br,特別是OH; R2=H、 CH3、 CHO、 COCH3、 CONH2、 CON-烷基、CON-烷基-OH、 COOH、 COO-烷基、烷基、取代的芳族基團，特別是CON-烷基或COO-
烷基，以及
R3=H、 CH3、烷基、取代的芳族基團，特別H或CKb。
在本文中，烷基意指具有優(yōu)選1 20個碳原子，更優(yōu)選1 6個碳原子的
支化或非支化的脂族烴鏈，例如甲基、乙基、丙基、丁基、異丁基、正戊
基、正己基。
進一步，可能的,分子是式1化合物，尤其是氫醌，其可被進一步 取代。由快速鍵接反應的觀點看來，如果可能的話，具有低自然鍵合的取 代二羥基芳族化合物根據(jù)本發(fā)明是特別合適的。優(yōu)選使用2，5-二羥基苯甲 酰胺，其中特別優(yōu)選2，5-二羥基-N-2-羥基乙基苯甲酰胺。
在芳族三羥基化合物的情況下，優(yōu)選每個苯單元具有不超過兩個羥基。 特別優(yōu)選下面式3的聚苯，例如聯(lián)苯或三聯(lián)苯。
<formula>formula see original document page 8</formula>式3
其中
n=0~10,優(yōu)選0或1; 并且
R產H且R尸OH，或者，R產OH且R尸H。
式3的聚苯可以被取代，例如，在羥基的鄰位具有CH3、CHO、COCH3、 CONH2、 CON-烷基、CON-烷基-OH、 COOH、 COO-烷基、烷基、取代 的芳族基團，特別是CON-烷基或COO-烷基和/或在羥基的間位具有CH3、 烷基、取代的芳族基團，特別是CBb。
根據(jù)本發(fā)明，膠原的交聯(lián)在多酚氧化酶的作用下發(fā)生，如木質多紛氧 化酶，特別是漆酶(EC 1.10.3.2)。已知漆酶為交聯(lián)劑。它們可以源自植物、 蘑菇、細菌或昆蟲或者源自天然酶。在本發(fā)明范圍內使用的漆酶可以重組 產生或可以純化。其實例是由曲霉菌屬(aspergillus)、鏈孢霉屬 (neurospora)、 柄孢殼屬(podospora)、 葡萄孢屬(botrytis)、金錢菌屬 (collybia)、層孔菌屬(fomes)、香菇屬(lentinus)、側耳屬(pleurotus)、密孔 屬(pycnoporus)、 梨孢屬(pyricularia)、 栓菌屬(trametes)、 絲核菌屬 (rhizoctonia)、鬼傘屬(coprinus)、小脆柄菇屬(psatyrella )、毀絲霉屬 (myceliophthora)、 schtalldium、多孑L菌屬(polyporus)、射脈菌屬(phlebia) 或革蓋菌屬(coriolus)物種提取的漆酶。EP 0947142公開了漆酶的制備。
通過多酚氧化酶，如木質多酚氧化酶，優(yōu)選漆酶(EC 1.10.3.2)的應用， 其基質譜可用于交聯(lián)反應。因此，本發(fā)明特別特征在于很大范圍的橋接分 子可用于交聯(lián)。
單獨組分膠原和橋接分子物質的濃度變化范圍均可大致在1 50mM。 然后，必須考慮，根據(jù)選擇的橋接分子，干擾橋接分子的自然反應減 少交聯(lián)鍵的形成。橋接分子的濃度過低導致反應太慢，濃度過高導致通過 自然鍵合進行的較強副反應。多酚氧化酶的濃度影響反應速率，其中根據(jù)
應用，通過改變濃度可實現(xiàn)更快的交聯(lián)或更久的加工性能或組合。軟組織
的優(yōu)選交聯(lián)體積比如在8.5nM膠原、12.5mM的2，5-二羥基-N-2-羥基乙基 苯甲酰胺、0，32U(156 nmol ml1 min力多盼氧化酵的配方中實現(xiàn)，
粒，得到適合作為骨替代^"固態(tài)材;。 、5 '
優(yōu)選將多酚氧化酶和多酚溶解在磷酸鹽緩沖液如磷酸4丐或磷酸納緩沖
液或PBS中。使用的漆酶和多酚組分的稠度從液態(tài)到糊狀。使用的各組分
的粘度可通過溶劑改變。溶劑的濃度影響交聯(lián)。
交:^應優(yōu)選在5~7的pH值下發(fā)生。反應可以在2~80攝氏度范圍內
的溫度進行，然而，溫度優(yōu)選在20 37攝氏度范圍內，特別是在25 30攝
氏度范圍內。
為了支持交聯(lián)，可以使用另一種較短鏈的肽。在本發(fā)明的特別優(yōu)選的 實施方案中，肽的約50%氨基酸由賴氨酸構成?？砂才刨嚢彼岷土硪籑 酸作為重復的二肽單元。氨基酸的另 一序列或包含其他"IL^酸也是可以的， 所述氨基酸特別是精氨酸、天冬跣胺、谷氨酰胺或組氨酸(代替賴氨酸或除 了賴氨酸之外的)，絲氨酸或蘇氨酸(代替酪氨酸或除了酪氨酸之外的)，半 胱氨酸或其它氮基酸。
在同樣優(yōu)選的實施方案中，其僅涉及由兩種氨基酸組成的聚合物如(賴 氨酸酪氨酸)n，其中n可采用5 40之間的值，如5、 10或20。
此外，(賴氨酸酪氨酸)n有利地作為肽使用。通過在基質中使用(賴氨酸 酪氨酸) ，賴氨酸在骨替代材料中以高濃度存在并對骨細胞的增育和分化 有積極的影響。
在交聯(lián)之前，所述物質混合物具有粘性并可被任意成型。那么，可呈
現(xiàn)筒單形狀如小球及復雜模制品。
此外，可以用粘性材料填補多^^制品并將其固化。
在一個優(yōu)選實施方案中，所述材料被構造成互連多孔體。
優(yōu)選，磷酸-鈣顆粒占總重的重量份為70 95%，膠原和低聚肽占總重
的重量份為5~15%，和如果需要的話，橋接分子物質占總重的重量份為約
0.5至5%。 根據(jù)本發(fā)明的骨替代材料可包括其它物質。在優(yōu)選實施模式中，所述
材料另外包括Si02。
骨替代材料可用抗生素摻雜。那么，在交聯(lián)之前已被混合到骨替代物 中的具有自由氨基的抗生素將在漆酶引發(fā)交聯(lián)期間^接到膠原。此時，將 會伍明以這種方式摻雜抗生素的膠原具有強抗菌效果。
骨替代材料可插^/不插入支撐結構。如果將可吸收有機材料作為支撐 結構插入，則根據(jù)本發(fā)明特別有利的是選擇帶有自由氛基的有機材料。在 這種情況下，借助橋接分子的交聯(lián)不僅在膠原方向上而且在支撐結構方向 上出現(xiàn)，因此獲得穩(wěn)固連接，然而，其將在康復過程中被內生組織替代。 吸收的機制可以是水解或酶催的方式。具體而言，肽可被分解，并且可取
走和分離各片段?；蛘?，所述片段或氨基酸也可并入再生組織。
在另一實施方案中，將磷酸鉤模制品的孔隙率定向。因此，所得的復
合模制品的機械性能也取決于方向。
通過使具有方向依賴性機械性能的兩個模制品的接觸面交聯(lián)，導致模
制品的穩(wěn)固連接，這將會減小所得模制品的機械性能的方向依賴性。
借助多個二維模制品的成對接觸面的交聯(lián)而獲得的穩(wěn)固結合，制成具
有高機械強度的多層復合模制品。
本發(fā)明的實施方式 實施方案一
將不同變型的磷酸鉀的顆粒和膠原的混合物與2，5-二羥基-N-2-羥基乙 基苯甲酰胺均勻混合從而達到12,5mM濃度。通過添加具有0.32U(156nmo1 ml" min")活性的漆酶引發(fā)交聯(lián)。在粘合劑固化后，取決于固態(tài)物質組分， 礦物成分和粘合劑材料一起形成高粘性或固態(tài)材料。 實施方案二
選擇如實施方案一中的實驗安排，然而，除膠原之外，還添加低聚肽(長 度為2至約100氨基酸，優(yōu)選約4至約20 M酸)。除了通常的蛋白質氨 基酸，在低聚肽中也可分別包含改性和非典型氨基酸，如羥基賴氨酸。優(yōu) 選使用含有賴氨酸的低聚肽，當賴氨酸約為肽的氨基酸的50%時是特別有
利的。此外，肽的約50%氨基酸可以是酪氨酸?？蓪①嚢彼岷屠野彼崂?安排為重復的二狀單元。具體而言，通過添加由賴氨酸和酪氨酸的重復二 肽單元([lys-tyrn或[tyr-lys]n， n-5或n-10)組成的肽，已經實現(xiàn)良好的交 聯(lián)，以;s^f的引入和磷酸4丐的包入。 實施方案三
在PBS(磷酸鹽緩沖鹽水，2.7 M NaCh， 54 mM KC1,87 mM Na2HP04， 30 mM KH2P04， pH7.4)中引入實施方案二中所述的低聚肽并添加漆酶(組 分1)。將2，5-二羥基-N-2-羥基乙基苯曱酰胺溶解在PBS中(組分2)。在合 并兩組分后，進行與不同變型的磷酸鉤的顆粒和膠原的混合。最低程度地 選擇溶劑量以達到組分溶液盡可能濃縮。 實施方案四
將不同變型的磷酸鋦的顆粒和膠原，以及如果需要的話根據(jù)實施方案 二的另外的低聚肽2,5-二幾基-N-2-羥基乙基苯甲酰胺和漆酶的粘性混合物 借助毛細作用、加壓或真空插入到基于磷酸釣的燒結前的互連多孔脆性模 制品的孔中，其在固化后與CaP模制品復合形成固態(tài)復合模制品。在具體 實施方案中，互連多孔模制品的形成應使其內表面大部分^部確定為交 聯(lián)的膠原所覆蓋。
在漆酶引發(fā)的交聯(lián)之后，獲得與礦物和膠原均有關的互連多孔材料。 當植入時，由于它的骨傳導作用，該材料用作缺失骨再生的生物導向桿并 且因此愈合缺陷。 實施方案五
制備根據(jù)實施方案三的復合模制品，其特定特征是借助接觸表面的 多層交聯(lián)產生簡單敞開或多重敞開的中空體或密閉的中空體。植入后在骨 缺陷的恢復同時維持尺寸穩(wěn)定性。 實施方案六
制備根據(jù)實施方案一的骨替代物，其特定特征是在添加漆酶之前已 將帶有氨基的抗生素均勻地分布在混合物中。在用漆酶交聯(lián)之后用抗生素 摻雜膠原。因此，形成在內部和表面上都栽有活性成分的骨替代物。
實施方案七
制備根據(jù)實施方案六的多層復合模制品，其特定特征是將同樣的或 不同的活性成分包埋在一個或多個層界中。
權利要求
1. 一種由不同相的磷酸鈣顆粒和膠原制成的可吸收骨替代材料，其特征在于，所述膠原作為通過取代的多羥基芳族化合物和漆酶完全或部分交聯(lián)的基質形成。
2. 根據(jù)權利要求1的可吸收骨替代材料，其特征在于，所述的多羥基 芳族化合物選自包括單環(huán)二鞋基芳族化合物、雙環(huán)二羥基芳族化合物、多 環(huán)二羥基芳族化合物、雙環(huán)三羥基芳族化合物或多環(huán)三羥基芳族化合物的 組。
3. 根據(jù)權利要求2的可吸收骨替代材料，其特征在于，所迷的取代的 多羥基芳族化合物具有110 1100g/mol的分子量。
4. 根據(jù)權利要求3的可吸收骨替代材料，其特征在于，所迷的多羥基 芳族化合物是2，5-二羥基-N-2-羥基乙基苯甲耽胺。
5. 根據(jù)權利要求1 4的骨替代材料，其特征在于，所述的骨替代材料 形成互連多孔體。
6. 根據(jù)權利要求1 5的骨替代材料，其特征在于，所述的膠原基質額 外包含Si02凝膠。
7. 根據(jù)權利要求5或6的骨替代材料，其特征在于，所述的互連多孔 體的形成應使其內表面大部分被局部確定為交聯(lián)的膠原所覆蓋.
8. 根據(jù)權利要求1 7的骨替代材料，其特征在于，各種材料組分以不 規(guī)則順序或規(guī)則順序排列。
9. 根據(jù)權利要求1~8的骨替代材料，其特征在于，其形成為模制品。
10. 根據(jù)權利要求9的骨替代材料，其特征在于，其包含內支撐結構，
11. 根據(jù)權利要求10的骨替代材料，其特征在于，所述的支撐結構包 含金屬，優(yōu)選鈥。
12. 根據(jù)權利要求11的骨替代材料，其特征在于，所述的支撐結構包 含可吸收金屬。
13. 根據(jù)權利要求10的骨替代材料，其特征在于，所述的支撐結構包 含可吸收有機材料。
14. 根據(jù)權利要求1~13的骨替代材料，其特征在于，在其外和/或內表面負載有活性成分。
15. 根據(jù)權利要求1~13的骨替代材料，其特征在于，所述的活性成分 被引入體積中并且其通過所述材料的吸收才被釋放。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由包埋在本發(fā)明特定的交聯(lián)膠原基質中的不同相的磷酸鈣顆粒制成的可吸收骨替代材料。本發(fā)明的目的是形成非脆性的骨替代物形鎖合模制品，即具有解剖學形狀和/或對應缺陷的形狀，其極佳地充分填補骨缺陷，并從而可被吸收。所述目的通過由包埋在本發(fā)明的交聯(lián)膠原基質中的磷酸鈣顆?；旌衔锷a骨替代物實現(xiàn)。具體而言，通過漆酶引發(fā)的肽交聯(lián)和適合的橋接分子實現(xiàn)膠原交聯(lián)。取代的二羥基芳族化合物和/或木質多酚氧化酶基質如漆酶通常適合作為橋接分子。此外，使用單環(huán)鄰二羥基芳族化合物、單環(huán)對二羥基芳族化合物、雙環(huán)單羥基芳族化合物、多環(huán)單羥基芳族化合物、雙環(huán)二羥基芳族化合物、多環(huán)二羥基芳族化合物、雙環(huán)三羥基芳族化合物、多環(huán)三羥基芳族化合物或其混合物。與眾所周知的貝類粘合劑相反，根據(jù)本發(fā)明的羥基芳族化合物不是聚合物鏈的一部分。
文檔編號A61L24/04GK101378789SQ200780004768
公開日2009年3月4日 申請日期2007年2月9日 優(yōu)先權日2006年2月9日
發(fā)明者A·米科拉施, E-D·柯林肯波格, F·舒爾, H-G·諾伊曼, K·曼達, U·林德奎斯特, W-D·朱立施 申請人:Dot有限公司