專利名稱：生物黏附水凝膠的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生物黏附水凝膠組合物，用于修復或補充身體組織的裝置和/或方 法，所述身體組織包括椎間盤，并且優(yōu)選地涉及使用生物黏附水凝膠組合物修復或補充椎 間盤的髓核的裝置和/或方法。
背景技術：
人體的椎間盤由兩個主要結(jié)構(gòu)組成，即外部或外周腱結(jié)構(gòu)，以及位于大體上中心 的區(qū)域中的內(nèi)部凝膠髓核。髓核的退化，通常是與自然老化有關的退化，可導致椎間盤的退 化和功能的喪失。由椎間盤的傷害或老化相關的退化引起的慢性背痛是很多患者經(jīng)歷的疾病。目前 的治療包括從臥床休息到介入性外科手術，包括脊髓融合和全盤更換。髓核的更換或補充能夠緩解疼痛，恢復椎間盤的健康的生理功能和/或防止環(huán)的 進一步磨損或損壞。目前，用于向哺乳動物的選定的位置中補充或更換椎間盤的髓核的低 介入性技術很少。能夠提供生理/力學性能以將受損的椎間盤恢復到其全部能力的技術更 少。因此，希望提供修復受損的椎間盤的方法。從隨附的說明和實施例，本發(fā)明的其它 目標和優(yōu)點將變得顯然易見。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及生物黏附水凝膠組合物，涉及用于修復或補充椎間盤的裝置和/或方 法，并且優(yōu)選涉及使用生物黏附水凝膠組合物修復或補充椎間盤的髓核的裝置和/或方法。本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方案可以包括用于修復或補充椎間盤的髓核的生物黏附 水凝膠組合物，其包含至少第一組分、第二組分和第三組分，其中該第一組分、第二組分和 第三組分是交聯(lián)的。第一組分優(yōu)選包含約0. 重量/重量至約13. 65%重量/重量的濃 度的含胺聚合物組分。第二組分優(yōu)選包含約3%重量/重量至約35%重量/重量的濃度的 親水聚合物或預聚物組分。第三組分優(yōu)選包含約0. 重量/重量至約30%重量/重量的 濃度的醛組分。本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案可以包括用于修復或補充椎間盤的髓核的生物黏附 水凝膠組合物，其包含至少第一組分、第二組分和第三組分。該第一組分優(yōu)選包含選自聚 (乙烯亞胺)、聚(甲基丙烯酸二乙基氨基乙基酯)、聚(甲基丙烯酸乙基氨基乙基酯)、胺 接枝的聚乙烯醇或含胺的聚乙二醇的含胺聚合物組分。該第二組分優(yōu)選包含選自聚乙烯醇 和聚乙二醇的親水聚合物或預聚物組分。該第三組分優(yōu)選包含選自戊二醛、聚乙二醇二醛、 乙二醛、甲醛和丙二醛的醛組分。本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案可以包括用于修復或補充椎間盤的髓核的生物黏附 水凝膠組合物，其包含至少第一組分、第二組分和第三組分，其中該第一組分、第二組分和第三組分是交聯(lián)的，并且將該含胺聚合物組分和該醛組分合并以獲得反應性胺基團與醛基 團的約一比一的摩爾比。第一組分包含約0. 重量/重量至約13. 65%重量/重量的濃 度的含胺聚合物組分。第二組分包含約3%重量/重量至約35%重量/重量的濃度的親水 聚合物或預聚物組分。第三組分包含約0. 重量/重量至約30%重量/重量的濃度的醛 組分。本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案可以包括用于形成生物黏附水凝膠組合物的試劑盒， 其包含至少一個第一容器，該第一容器含有足以在室溫或在手術室條件下可注射的濃度的 含胺聚合物組分；至少一個第二容器，該第二容器含有足以在室溫或在手術室條件下可注 射的濃度的親水聚合物或預聚物組分；以及至少一個第三容器，該第三容器含有足以在室 溫或在手術室條件下可注射的濃度的醛組分，其中當將醛組分、含胺聚合物組分和親水聚 合物或預聚物組分混合時，該組合物發(fā)生交聯(lián)，并且含有約0. 重量/重量至約13. 65% 重量/重量的含胺聚合物組分，約3%重量/重量至約35%重量/重量的親水聚合物或預 聚物組分，以及約0. 1 %重量/重量至約30%重量/重量的醛組分。本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案可以包括用于形成生物黏附水凝膠組合物的試劑 盒，其包含至少一個第一容器，該第一容器含有前體組合物，該前體組合物包含與親水聚 合物或預聚物組分交聯(lián)的含胺聚合物組分；并包含至少一個第二容器，該第二容器裝有足 以在室溫或在手術室條件下可注射的濃度的醛組分，其中當將醛組分、含胺聚合物組分和 親水聚合物或預聚物組分混合時，該組合物發(fā)生交聯(lián)，并且含有約0. 1 %重量/重量至約 13. 65%重量/重量的含胺聚合物組分，約3%重量/重量至約35%重量/重量的親水聚合 物或預聚物組分，以及約0. 重量/重量至約30%重量/重量的醛組分。本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案可以包括修復或補充椎間盤的髓核的方法，該方法包 括制備生物黏附水凝膠組合物，并將該組合物植入患者中，所述組合物包含至少第一組分、 第二組分和第三組分，該第一組分包含約0. 重量/重量至約13. 65%重量/重量的濃度 的含胺聚合物組分，該第二組分包含約3%重量/重量至約35%重量/重量的濃度的親水 聚合物或預聚物組分，該第三組分包含約0. 重量/重量至約30%重量/重量的濃度的 醛組分，其中第一組分、第二組分和第三組分是交聯(lián)的。


當結(jié)合附圖閱讀時，本申請的以上簡要說明以及以下優(yōu)選實施方案的詳細說明將 會得到更好的理解。本說明書中記載的附圖、實施例和實施方案應當理解為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、 特征和方面的說明和示例，并不限制本發(fā)明的范圍。應當理解，本申請不限于所示的具體布 置和手段。在附圖中圖1是人體脊柱的一部分的示意圖。圖2示意性地表示根據(jù)本發(fā)明方法將根據(jù)本發(fā)明的可注射生物黏附水凝膠組合 物植入髓核腔中的第一階段，其中附在雙筒注射器上的插管已插入椎間盤的纖維環(huán)，生物 黏附水凝膠組合物將通過該插管植入。圖3示意性地表示植入的第二階段，其中已開始通過插管將生物黏附水凝膠組合 物擠入腔中。圖4是浸入前(即浸入0天)PVA/PEI前體組合物的FT-IR光譜分析；
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圖5是浸入60天后PVA/PEI前體組合物的FTIR光譜分析；圖6是0天時對照樣品(即沒有PEI)的FTIR光譜分析；圖7是在去離子水中平衡的PVA/PEI前體組合物的壓縮力學性能的圖示；圖8是在PEI水溶液中平衡的PVA/PEI前體組合物的壓縮力學性能的圖示；圖9是搭接樣品制備和測試的示意圖；圖10是在PEI水溶液中平衡的PVA/PEI前體組合物的黏附強度的圖示；圖11是在成型后30分鐘在15%的應變下生物黏附水凝膠組合物樣品的壓縮力學 性能的圖示；圖12是在成型后16小時在15%的應變下生物黏附水凝膠組合物樣品的壓縮力學 性能的圖示；圖13是表示生物黏附水凝膠組合物樣品的可共注射組織黏附強度的代表性曲 線；并且圖14是PEG- 二醛的FTIR光譜分析。
具體實施例方式本說明書中記載的方法、實施例和實施方案應當理解為本發(fā)明的組合物、結(jié)構(gòu)、特 征和方面的說明和實例，并且不限制本發(fā)明的范圍。在以下說明書中，使用某些術語僅僅是 為了方便而不是限制。詞語“右”、“左”、“頂部”和“底部”是指所參照的圖中的方向。詞語 “向內(nèi)”和“向外”分別指的是朝向或離開設備的或所指的其部件的幾何中心。詞語“前”、 “后”、“上”、“下”、“側(cè)”以及相關的詞語和/或短語指的是所參照的人體的優(yōu)選的位置和取 向，并且不用于限制。除非另外指明，否則所有的百分比基于重量/重量(w/V)。術語包括 上列詞語、其衍生詞語及類似意義的詞語。本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方案可以包括用于修復受損的椎間盤的生物黏附水凝膠 組合物。該生物黏附水凝膠組合物可以與其自身的組分以及周圍的組織交聯(lián)。該生物黏附 水凝膠組合物可以用于髓核的更換或增加，以及修復椎間盤環(huán)中的缺陷、撕裂或裂縫。該生物黏附水凝膠組合物可以包含至少三種組分，并且可以形成可原位固化的可 注射組合物，以便在注入組織(包括椎間盤)中以后形成水凝膠植入物。該生物黏附水凝 膠組合物也可以包含三種組分，并且可以形成可插入椎間盤中的固體植入物。盡管所述組 合物的一種用途是用于修復或更換椎間盤，但是也可以考慮組合物的其它用途。圖1-3中示意性地表示了根據(jù)本發(fā)明的可注射生物黏附水凝膠組合物的示例性 植入方法。圖1示出了人體脊柱100的腰部的左側(cè)視圖，顯示了椎骨102和椎間盤104的一 般構(gòu)造。盡管本發(fā)明將對于腰椎間盤進行說明，但是本領域技術人員將會理解，它可以對于 任何椎間盤進行實施，在合適的情況下進行合適的修改。圖2和3中示出了根據(jù)本發(fā)明的可注射生物黏附水凝膠組合物的植入，其中從圖 1中的線2-2所示的典型椎間盤的上面觀察該程序。圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的可注射生物黏附水凝膠組合物的植入，其中已將插管 202插入椎間盤104的纖維環(huán)106中并插入髓核腔108中。顯示的插管202與雙筒注射器 302連接。髓核腔108可能由于自然退化或髓核的泄漏或在天然髓核的部分或全部去除后
6需要修補。插管102可以是通過任何常規(guī)外科技術插入纖維環(huán)106的任何類型的常規(guī)插管， 包括具有圖示的尖頭或鈍頭的插管。圖3顯示了植入的初始階段，其中已開始將可注射生物黏附水凝膠組合物擠入髓 核腔中。親水凝膠，例如含PVA的凝膠，通常不與身體組織黏附。含胺聚合物組分和醛組 分的加入通過增強與周圍組織的結(jié)合能力而優(yōu)選地賦予體內(nèi)組織黏附性能，得到具有更高 的物理穩(wěn)定性的植入物，該植入物由于生物力學運動和力的原因而發(fā)生移動的可能性低。 本發(fā)明的生物黏附水凝膠組合物優(yōu)選具有約千分之六十五兆帕(0.065MPa)至約一兆帕 (1. OMPa)，更優(yōu)選約千分之八十五兆帕(0. 85MPa)至約半兆帕(0. 500MPa)并且最優(yōu)選約十 分之一兆帕(0. IOOMPa)至約百分之二十五兆帕(0.250MPa)的自黏附抗拉強度。本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案可以包括包含第一組分、第二組分和第三組分的生物 黏附水凝膠組合物；該第一組分包含含胺聚合物組分。該含胺聚合物組分可以包含聚(乙 烯亞胺)(PEI)、聚(甲基丙烯酸二乙基氨基乙基酯)、聚(甲基丙烯酸乙基氨基乙基酯)、 胺接枝的聚乙烯醇(胺接枝PVA)或含胺的聚乙二醇(含胺PEG)。生物黏附水凝膠組合 物中的含胺聚合物組分的量可以為約百分之零點一(0. 1% ) (w/w)至約百分之十三點六五 (13. 65% ) (w/w)，優(yōu)選約百分之零點六(0.6%) (w/w)至約百分之十點二 (10. 2% ) (w/w)， 更優(yōu)選約百分之七(7.0%) (w/w)至約百分之八(8.0%) (w/w)。該生物黏附水凝膠組合物的第二組分優(yōu)選包含親水聚合物或預聚物組分。該親水 聚合物或預聚物組分優(yōu)選包含聚乙烯醇(PVA)或聚乙二醇(PEG)。該親水聚合物或預聚物 組分不限于具體的聚合物分子量。親水聚合物或預聚物組分(例如PVA)可以賦予親水性， 以獲得與天然髓核組織和結(jié)締組織類似的目標親水性能。生物黏附水凝膠組合物中的親水 聚合物或預聚物組分的量可以為約百分之三(3% ) (w/w)至約百分之三十五(35% ) (w/w)， 優(yōu)選約百分之十一(11% ) (w/w)至約百分之二十三點三(23. 3% ) (w/w)并且更優(yōu)選約百 分之十四點三(14. 3% ) (w/w)至約百分之十五(15% ) (w/w)。該生物黏附水凝膠組合物的第三組優(yōu)選包含醛組分，優(yōu)選多官能或二官能醛。該 醛組分可以包含戊二醛、PEG 二醛、乙二醛、甲醛和丙二醛。醛組分的加入可以引起含胺聚 合物向周圍組織的黏附，和/或通過將胺基團交聯(lián)到聚合物上而提高生物黏附水凝膠組合 物的力學性能。生物黏附水凝膠組合物中的醛組分的量可以為約百分之零點一(0.1%) (w/w)至約百分之三十(30% ) (w/w)，優(yōu)選約百分之一點八(1. 8% ) (w/w)至約百分之十五 (15% ) (w/w)，更優(yōu)選約百分之二(2% ) (w/w)至約百分之十(10% ) (w/w)。生物黏附水凝 膠組合物的余量可以為水或其它組分和材料。包含至少三種組分的生物黏附水凝膠組合物優(yōu)選地提供改善的總體穩(wěn)定性。醛組 分與胺基團和/或親水聚合物或預聚物組分的交聯(lián)可以形成完全交聯(lián)的網(wǎng)絡基體，其中除 了水以外的所有組分可以彼此化學交聯(lián)。為形成該生物黏附水凝膠組合物，首先在加入醛組分之前將含胺聚合物組分和親 水聚合物或預聚物組分合并以形成水凝膠前體組合物。當以這種方式形成生物黏附水凝膠 組合物時，如果當加入醛組分時水凝膠是原位的，醛組分可以通過水凝膠前體網(wǎng)絡擴散以 促進水凝膠和周圍組織之間的鏈間交聯(lián)和/或黏附?；蛘?，該生物黏附水凝膠組合物可以通過將至少三種組分的液體形式同時或幾乎
7同時合并在一起(即，將親水聚合物或預聚物組分、醛組分和含胺聚合物組分合并)而形 成。當以這種方式形成生物黏附水凝膠組合物時，來自含胺聚合物組分的胺基團優(yōu)選與醛 組分的官能團反應以形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡。優(yōu)選地，當將醛組分加入前兩種組分(例如PVA/PEI 組合)的液體形式中時，那么親水聚合物或預聚物組分(例如PVA)可以陷入胺基團和醛組 分之間的交聯(lián)所產(chǎn)生的網(wǎng)絡中，形成具有生物黏附性能的固體水凝膠物質(zhì)。在其中將至少三種液體組分同時或幾乎同時合并的本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，醛 組分也可以與親水聚合物或預聚物組分反應，以形成如下所示的乙縮醛鍵。 該反應可以通過酸催化自發(fā)地發(fā)生。通過將ρΗ值降低到7. 0以下，可以提高反應 速率。因此，通過控制ρΗ值，可以將反應時間延長或縮短。如果需要，可以提高ρΗ值以暫 時防止或抑制親水聚合物或預聚物組分和醛組分之間的交聯(lián)，使得組分的組合形式保持可 注射狀態(tài)。當將各組分以試劑盒形式包裝時，例如在多室注射器中或其它遞送設備或容器 中時，可能希望保持可注射性。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案中，該生物黏附水凝膠組合物可以通過首先在加入 醛組分之前將含胺聚合物組分與親水聚合物或預聚物組分共混、化學偶聯(lián)或共聚合以形成 前體組合物而形成。該前體組合物可以以液態(tài)(即溶液)或固體形式(即水凝膠)形式存 在。具體的相態(tài)可取決于前體組合物中的親水聚合物或預聚物組分與含胺聚合物組分各自 的濃度和溫度。得到的液體或固體形式的前體組合物然后可以與醛組分反應以形成生物黏 附水凝膠組合物。在本發(fā)明的另一種優(yōu)選實施方案中，包含親水聚合物或預聚物組分的水凝膠前體 組合物，例如PVA水凝膠，可以通過物理交聯(lián)方法形成，例如冷凍凝膠化(cryogelation)方 法，該方法在于將含PVA的水溶液反復冷凍和解凍，直到形成穩(wěn)定的水凝膠并獲得力學性 能的改善。其它物理交聯(lián)方法包括但不限于脫水處理，暴露于輻射，或者使用具有比水凝膠 組分高的溶劑親和性的另一組分以Theta凝膠的方式與組分混合(例如通過競爭性地去除 過量的溶劑(例如水)而制備穩(wěn)定的凝膠制劑)。PEI或其它含胺聚合物組分可以通過在冷 凍凝膠化之前將PEI或其它含胺聚合物組分與PVA溶液混合或共混而引入PVA水凝膠中。 PEI或其它含胺聚合物組分可以隨后與醛組分反應以提高得到的生物黏附水凝膠組合物的 力學強度。在本發(fā)明的另一種優(yōu)選實施方案中，可以通過將親水聚合物或預聚物組分例如 PVA與PEI或其它含胺聚合物組分化學偶聯(lián)而形成水凝膠前體組合物?？梢酝ㄟ^在PEI或 另一種含胺聚合物組分上的胺與PVA上的羥基官能團之間形成NHS-酯鍵而將PVA偶聯(lián)到 PEI或另一種含胺聚合物組分中。N，N’ -羰基二咪唑可以用于形成N-烷基氨基甲酸酯鍵。 以下化學反應顯示了通過使用N，N’ -羰基二咪唑使醇與胺偶聯(lián)。
;咪唑■甲酸酶丨W
活性中間體 ξ在本發(fā)明的另一種優(yōu)選實施方案中，另一種偶聯(lián)劑二琥珀酰胺基碳酸酯 (disuccinic amidyl carbonate)可用于形成類似的鍵。以下化學反應顯示了通過使用二
琥珀酰胺基碳酸酯使醇與胺偶聯(lián)。
.(PEI上的胺) 在以上優(yōu)選實施方案中，α -NH2可以是PEI分子上的胺基團，當它與PVA鏈上的羰 基反應時形成PVA-PEI酰胺鍵。包含至少三種上述組分的組合的生物黏附水凝膠組合物可以產(chǎn)生內(nèi)聚性的固體 或凝膠化物質(zhì)。聚合物組分不限于具體的聚合物分子量。該生物黏附水凝膠組合物可以是可注射的，并且可以通過例如雙筒或多筒遞送和 混合注射器(例如Kenics靜態(tài)混合器)進行遞送，該注射器可以同時或分階段遞送各組 分。優(yōu)選地，該生物黏附水凝膠組合物可以在剛剛混合后保持可注射狀態(tài)，但是在四十八小時后不是這樣。本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施方案可以包括可注射的生物黏附水凝膠組合物，該組合 物包含約百分之十四點八(14. 7% )重量的PVA、約百分之七點六(7. 6% )重量的PEI、約 百分之六點七(6.6% )重量的戊二醛和約百分之七十點九(70.9% )的水。本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案可以包括修復和/或補充受損的椎間盤的的方法，該 方法包括植入包含至少三種上述組分的生物黏附水凝膠組合物。實施例和實騎以下實施例和實驗描述了本文中所述的優(yōu)選的生物黏附水凝膠組合物的某些性 能，并且僅用于幫助解釋和說明生物黏附水凝膠組合物的組成、結(jié)構(gòu)、特征和方面，并且不 將本發(fā)明的范圍限制到所述的具體布置、組成、性能或特征。t施徹丨1 :PVA/PEI水凝合物的制各和穩(wěn)定+牛測Ii式為展示PVA/PEI水凝膠前體組合物的性能，使PVA/PEI水凝膠前體組合物樣品在 37°C的溶液中進行穩(wěn)定性測試。通過將PVA與不同濃度的PEI (0. 1%、0. 6%和0. 8% )共 混并使得到的溶液按如上所述進行冷凍凝膠化而形成PVA/PEI水凝膠前體組合物。該實施 例中的聚合物總濃度(即PVA與PEI合并)為10%。因此，例如，0. 1% PEI的重量百分比 指的是組合物由90%的水、9. 9%的PVA和0. 的PEI組成。為保證陷入PVA基水凝膠中的PEI在樣品完全固化后的一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定，將 PVA/PEI水凝膠前體組合物浸入去離子水中并在0、15、45和60天時去除。然后將PVA/PEI 水凝膠前體組合物樣品去除并冷凍干燥。然后對于每個PVA/PEI水凝膠前體組合物樣品通過傅立葉變換光譜(FT-IR)分 析PEI的存在。FT-IR測量化學鍵的變化。亞胺峰的存在證明PEI是穩(wěn)定的且存在。含有 0. 8%的PEI的PVA/PEI前體組合物的代表性結(jié)果示于圖4_6中。圖4顯示了在浸入0天時 來自PEI的亞胺峰(用數(shù)字標示的)(ISeTcnT1)。圖5表明在浸入60天后仍然存在相同的 亞胺峰(用數(shù)字標示的)(lSeecnT1)，證明60kDa的分子量的PEI在凝膠中保持了整個60天 的穩(wěn)定期間。相比較而言，圖6顯示的對照的PVA/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)樣品在1560CHT1 范圍內(nèi)沒有可見的峰(用數(shù)字標示的)。實施例2 :PVA/PEI水凝膠前體組合物的壓縮力學測試為測試PVA/PEI水凝膠前體組合物的力學強度，按如上所述制備含有0. 1 %至 0. 8%的不同重量百分比的PEI的水凝膠前體組合物樣品，并使其固化17小時。還制備含 有0. 重量百分比的PVP的對照PVA/PVP水凝膠樣品。該實施例中的聚合物總濃度(即， 例如PVA與PEI合并)為10%。因此，例如，0. 1%PEI的重量百分比指的是組合物由90% 的水、9. 9%的PVA和0. 1 %的PEI組成。使得到的PVA/PEI水凝膠前體組合物和對照樣品形成圓柱。將直徑為十二毫米 (12mm)、高為八毫米(8mm)的所有樣品圓柱(對照和PVA/PEI水凝膠前體組合物)首先在 去離子水中平衡以獲得恒定質(zhì)量，然后進行力學測試以確定樣品在壓碎載荷下開始變形之 前樣品所能經(jīng)受的壓縮應力的量。從10-20%的應變下的壓縮模量測試得到的結(jié)果顯示在 圖7中。如圖7所示，具有0. 6%重量百分比的PEI的PVA/PEI前體水凝膠組合物具有大于 一百四十千帕(HOkPa)的壓縮模量，這大于對照的PVA/PVP樣品，而分別含有0. 1%PEI和 0. 8% PEI的PVA/PEI前體水凝膠組合物均表現(xiàn)出比對照的PVA/PVP樣品小的力學強度。
3 PEI中予頁處理后PVA/PEI前體水凝fr轉(zhuǎn)目合物的壓縮力學測丨試分別如實施例1和2中所述，通過冷凍凝膠化制備PVA/PEI前體水凝膠組合物和 對照的PVA/PVP水凝膠樣品。將冷凍凝膠在PEI溶液中預處理(即浸泡)，以增加反應可達 到的胺結(jié)構(gòu)部分。PEI溶液的體積與冷凍凝膠樣品的體積之比大于5比1。為了觀察在PEI溶液中預處理與在去離子水中平衡的樣品相比的效果，使用含有 0. 1 %至0. 8 %的不同重量百分比的PEI、在2 %的PEI水溶液中預處理并且直徑為十二毫米 (12mm)、高為八毫米(8mm)的圓柱形樣品(對于每種配制劑，η = 7)。該實施例中的聚合物 總濃度(即，例如PVA與PEI合并)為10%。因此，例如，0. 1%ΡΕΙ的重量百分比指的是組 合物由90%的水、9. 9%的PVA和0. 1 %的PEI組成。圖8總結(jié)了在PEI水溶液中預處理的 PVA/PEI前體組合物在10-20%的應變下的壓縮力學分析結(jié)果。將圖7與圖8比較可以看 出，在PEI水溶液中預處理的所有PVA/PEI前體水凝膠組合物能夠經(jīng)受比在去離子水中預 處理的PVA/PEI水凝膠前體組合物更大的壓縮，最顯著的強度提高發(fā)生在0. 1 %和0. 8%的 PEI樣品中。在PEI溶液中預處理的0. 6% PEI樣品表現(xiàn)出與在去離子水中預處理的0. 6% PEI樣品類似的壓縮強度。在PEI溶液中預處理的PVA/PEI水凝膠前體組合物具有比對照 的PVA/PVP水凝膠樣品大的壓縮強度。實施例4 牛.物黏附水凝膠組合物的自黏附測試為了確定當向PVA/PEI水凝膠前體組合物施加醛組分(在該實施例中為二醛) 時生物黏附水凝膠組合物的自黏附性能，使用相同尺寸(即8mm高X12mm直徑)的PVA/ PEI前體水凝膠組合物或?qū)φ盏腜VA/PVP水凝膠樣品圓柱在Instron力學測試系統(tǒng)(型號 No. 3342)上進行對接接頭(即軸向)拉伸黏附測試。分別如實施例1和2中所述，通過冷 凍凝膠化制備PVA/PEI前體水凝膠組合物和對照的PVA/PVP樣品。該實施例中的聚合物總 濃度(即，例如PVA與PEI合并)為10%。因此，例如，0. PEI的重量百分比指的是組 合物由90%的水、9. 9%的PVA和0. 1 %的PEI組成。對于每種PVA/PEI前體水凝膠組合物 或?qū)φ盏腜VA/PVP水凝膠樣品圓柱，分析七個樣品圓柱。首先用氰基丙烯酸鹽粘合劑將樣 品圓柱粘合到Instron力學測試系統(tǒng)的上下鋼板上。然后將樣品圓柱對切，然后將10%的 戊二醛溶液施加到圓柱上，使用注射器施加到各個樣品圓柱的分離的表面上。然后用1牛 頓(IN)的預加載荷在環(huán)境溫度下持續(xù)10分鐘，將樣品圓柱壓在一起。具有戊二醛溶液的 樣品圓柱的相鄰表面變色成紅橙色，它表明醛/胺反應。然后使樣品圓柱進行拉伸測試以 確定在對切點黏附失效之前對接接頭能經(jīng)受多大的力。表1總結(jié)了從每組的七個樣品圓柱得到的結(jié)果的抗拉強度數(shù)據(jù)。^l-樣品圓柱的自黏附數(shù)據(jù)
平均抗拉強度(兆帕(MPa))標準偏差(MPa)PVA/PVP (0.1% PVP)0. 049±0. 017PVA/PEI (0. 6% PEI)0. 090±0. 018PVA/PEI (0. 8% PEI)0. 083+ 0. 041
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可以看出，具有0. 6% PEI和0. 8% PEI的樣品表現(xiàn)出明顯比對照的PVA/PVP樣品 圓柱高的抗拉強度。實施例5 預處理的牛物黏附水凝膠組合物的自黏附測試如實施例4中所述，對于每種PVA/PEI水凝膠前體組合物或?qū)φ盏腜VA/PVP水凝 膠樣品圓柱，分析七個樣品圓柱。然而，在施加10%的戊二醛溶液之前，該實施例中的樣品 圓柱在18. 25%的PEI溶液(余量為水)中預處理。下表2總結(jié)了抗拉強度數(shù)據(jù)。MJr預處理的樣品圓柱的自黏附數(shù)據(jù) 盡管所有的樣品圓柱均表現(xiàn)出提高的平均抗拉強度，但是含有0.8%的PEI的 PVA/PEI樣品顯示出最好的結(jié)果，獲得0. 126MPa的平均抗拉強度，幾乎是對照的PVA/PVP樣 品的抗拉強度的兩倍。實施例6 組織黏附測試為確定生物黏附水凝膠組合物的組織黏附性能，如以上實施例1中所述通過冷凍 凝膠化制備PVA/PEI水凝膠前體組合物。切割PVA/PEI前體組合物404的薄形圓柱(即短 且寬，象例如硬幣)并夾在兩片搭接的豬皮402之間。在向樣品圓柱施加醛后，將樣品圓柱 置于一百克(IOOg)的重量下兩個小時以使得發(fā)生黏附。使用圖9中所示的過程制備搭接 樣品，然后通過ASTM D1002-05中提供的搭接剪切黏附測試方法通過將黏附的片向相反方 向拉伸而測試黏附強度。圖10顯示了使用在6. 25%的PEI溶液(余量為水)中預處理的、具有0. 6% w/w PEI的PVA/PEI水凝膠前體組合物樣品在峰值機器載荷(peakmachine load)下測試的剪切 應力的代表性曲線。曲線的頂部(即0. IOMPa)代表被測樣品圓柱的黏附強度。也評價了 三種PEI溶液濃度，6. 35%、12. 5%和18. 25%，以確定當樣品圓柱在不同的PEI溶液中預處 理時對組織黏附的影響。確定了在18. 25% w/w的PEI溶液中預處理的樣品圓柱表現(xiàn)出最 高的黏附強度。實施例7 可其注射的PVA/PEI水凝膠組合物的制備如表3中所示，使用2比1體積比的PVA和PEI溶液(在該實施例中稱為組分A) 和戊二醛溶液(在該實施例中稱為組分B)(即2 1的組分A對組分B之比)制備可注射 的生物黏附水凝膠組合物。選擇配方以使得發(fā)生所有的醛和反應性胺官能團之間的反應 (即1 1的醛與胺的反應)。下面更詳細地說明為了得出合適的組分百分比以獲得1 1 的醛與胺的反應所進行的計算以及溶液濃度的計算。
^3-生物黏附水凝膠組合物組分溶液 為制備組分A，通過將25克顆粒稱量到培養(yǎng)基儲存瓶(media storagebottle)中 然后加入75克水而制得25% w/w的Mowiol 28-99PVA溶液。將瓶蓋上并置于95°C的爐中。 選擇25%的PVA溶液是因為它幾乎是在沒有任何肉眼可見的分離物(即留在瓶中的未溶解 材料)的情況下可以制備的最高濃度。在PVA完全溶解后，將瓶轉(zhuǎn)移并保持在75°C的水浴 中。升高的溫度不是該體系的必要條件，但是可以利用它來方便組分的注射，否則所述組分 在室溫下由于太粘稠而不能注射。將11. 45克PEI稱量到容器中，并加入PVA溶液，使得最 終體積為100ml。為制備組分B，使用適量的蒸餾水將70%的戊二醛稀釋成20% w/v的溶液。將組分A和組分B混合，轉(zhuǎn)移到模具中，在此使它們冷卻到室溫，并使得通過PVA 凝膠化的自發(fā)熱力學過程以及通過戊二醛/PEI交聯(lián)反應而固化。已觀察到在7. 0的pH值 下在PVA和戊二醛之間自發(fā)地發(fā)生PVA/戊二醛的緩慢的副反應。生物黏附水凝膠組合物 的一個實例的組成以質(zhì)量百分比的形式表示在表4中。ΜΛ-可共注射的生物黏附水凝膠組合物 計算已表明以高度支化形式生產(chǎn)的PEI具有1 2 1的伯胺仲胺叔胺之比(即 每個分子具有25%的伯胺、50%的仲胺和25%的叔胺)。典型的反應方案是伯胺和仲胺與 醛的兩種酸催化的親核加成反應。作為PEI合成的結(jié)果，伯胺構(gòu)成-CH2CH2NH2重復單元，仲胺重復單元是-CH2CH2NH-, 叔胺重復單元是CH2CH2N,各自的摩爾質(zhì)量為44g/m0l、43g/m0l、42g/m0l。基于由理想重復 單元組成的10，000g/mol的總分子量，每個理想重復單元由一個伯胺單元、兩個仲胺單元 和一個叔胺單元組成，這些重復基團之和為172克/摩爾。因此10，000/172 = 58. 14是每 個分子的這些復合重復單元的數(shù)目。由于每個分子存在58. 14個復合重復基團，因此在每摩爾PEI中存在58. 14摩爾伯胺、116. 28摩爾仲胺和58. 14摩爾叔胺。這轉(zhuǎn)變?yōu)槊靠薖EI中分別存在5. 814、11. 628、 5. 814毫摩爾伯胺、仲胺和叔胺。由于僅有伯胺和仲胺發(fā)生反應，將叔胺的摩爾數(shù)剔除，因此 每克PEI存在17. 442mmol (伯胺的5. 814+仲胺的11. 628)可利用的反應性胺。戊二醛為100. 117g/mol。每個分子有兩個可利用的醛，因此 2X1 (100. 117X10_3g/mmol) = 19. 98 毫摩爾醛 / 克。醛和胺基團之間的化學計量反應(1 1摩爾)是期望的。組分溶液以每單位體 積若干克物質(zhì)的方式制備，因此每單位體積遞送的反應性物質(zhì)的準確量將是已知的。為提高產(chǎn)物的聚合物含量、彈性和親水性，將PVA溶液與PEI組分混合。最終溶液 為通過加入PVA溶液將11. 455+/-0. IgPEI補充到100+/-0. Iml的最終體積。將使用的PVA 溶液的濃度選擇為25%，因為這是形成可流動的液態(tài)溶液的最大聚合物量。如果提高溶液 的溫度，可以使用更高百分比的PVA并且仍然提供適于注射的可流動的液態(tài)溶液。溫度可 以升高到最高達50°C。溫度高于50°C的溶液的注射可導致周圍組織的損害?；蛘?，在不提 高溫度的情況下，可以使用可遞送更粘稠的溶液的遞送方法。在該實施例中，將Iml 戊二 醛溶液(20 % w/v ；1. Oml, 3. 996mmol)和 2ml PEI (10, 000g/mol)溶液(11. 46% w/v ;1. 0ml，1. 998mmol)混合以產(chǎn)生化學計量(1 1 摩
爾)反應。應當指出，配方不限于以上所述。優(yōu)選地產(chǎn)生內(nèi)聚性固體或凝膠化物質(zhì)的以上組 分的任何組合都是可取的。聚合物組分PEI和/或PVA可以具有與所使用的不同的分子量 (或異構(gòu)體)。PVA可以具有優(yōu)選地在生物黏附水凝膠組合物中產(chǎn)生親水性能的任何水解百 分比(乙酸酯向羥基的轉(zhuǎn)化百分比)。組分可以進一步加載到遞送系統(tǒng)中。這樣的系統(tǒng)的 非限制性實例有雙筒注射器，該注射器孔上附有Kenics靜態(tài)混合器。實施例8 牛物黏附水凝膠組合物樣品的壓縮力學測試將如表4中制備的生物黏附水凝膠組合物樣品在軸向壓縮成型到35%的應變后 在Instron力學測試系統(tǒng)(型號No. 3342)上進行測試。當測試時，生物黏附水凝膠組合物 樣品是內(nèi)聚的并已固化。在以15%的應變成型三十分鐘后測試生物黏附水凝膠組合物樣品 的壓縮模量。該數(shù)據(jù)繪制于圖11中。在以15%的應變成型十六小時后測試生物黏附水凝 膠組合物樣品的壓縮模量。該數(shù)據(jù)繪制于圖12中。該實施例產(chǎn)生的值比含有PVA和PEI 的對比的水凝膠前體組合物或?qū)φ盏腜VA/PVP樣品(即沒有戊二醛)高得多。請對比圖7 和8中的數(shù)據(jù)。如表5中所詳細說明，還制備了具有不同的戊二醛濃度的生物黏附水凝膠組合物 的其它配制劑，并進行了分析。這些材料在15%的應變時的模量低于具有6. 6%的戊二醛 的配制劑在成型30分鐘和16小時后的模量(見圖8和9)。此外，也注意到醛/胺反應的 代表性顏色變化。樣品顏色隨著時間變暗，使得樣品在成型十六小時后成為比僅成型三十 分鐘的的樣品深得多的紅色。M5-具有醛的PVA-PEI配方實例 百分比為重量/重量基準如表6中所詳細說明，制備了具有百分之五的戊二醛濃度的生物黏附水凝膠組合 物的另一配制劑。表6-黏附測試配制劑 該生物黏附水凝膠組合物樣品比表3中所記載的生物黏附水凝膠組合物更稀，但 是也設計為具有醛基團(位于二醛上)和PEI上的等量的胺基團之間的化學計量反應。使 該生物黏附水凝膠組合物樣品的薄層(約0. 5mm)在ASTM F2258-05的方法中所述的對接 接頭結(jié)構(gòu)中進行組織黏附測試。為測試組織黏附強度，將豬皮片結(jié)合到根據(jù)ASTM F2258-05 的Instron力學測試系統(tǒng)的2. 5平方厘米板上，并將生物黏附水凝膠組合物的層置于豬皮 片之間。在這種情況下，觀察到生物黏附水凝膠組合物的組織黏附高達120kPa。生物黏附 水凝膠組合物的組織黏附測試的代表性曲線圖繪制于圖13中。相比之下，PVA/PEI水凝膠 前體組合物表現(xiàn)出98kPa的組織黏附。這表明戊二醛和組織之間的醛-胺反應增強聚合物 和組織之間的黏附。實施例9 含有聚乙二醇二酵的牛物黏附水凝膠組合物使用聚乙二醇二醛(PEG-二醛)以實施例7中的方式制備生物黏附水凝膠組合 物。圖14顯示的FT-IR光譜表明了 PEG聚合物上存在醛基團。PEG-二醛上的醛基團將以 與含醛基團的小分子例如戊二醛相同的方式與胺基團反應。當PEG-二醛與PVA/PEI混合物 合并以形成生物黏附水凝膠組合物時，觀察到類似的向紅橙色的顏色變化，表明已發(fā)生醛/ 胺反應。從以上說明可以清楚地看出，上述實施方案已經(jīng)有效地達到，并且由于在實施上 述方法時以及在得到的組合物中可以在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出某些改 變，因此，以上說明中所包含的所有材料應當解釋為說明性的而不是限制性的。應當理解，本文中給出的實施方案用于覆蓋本文中所述組合物的所有一般的和具 體的特征，并且關于發(fā)明范圍的所有陳述，作為語言問題，應當認為落在其中。特別是應當 理解，在所述實施方案中，以單數(shù)形式引述的成份或化合物包括這些成份的相容的混合物。本領域技術人員將會理解，可以對上述實施方案進行變化而不偏離其寬泛的發(fā)明概念。因此，應當理解，本發(fā)明不限公開的具體實施方案，而是覆蓋所附的權(quán)利要求定義的 本發(fā)明范圍和精神內(nèi)的變型。
權(quán)利要求
用于修復或補充椎間盤的髓核的生物黏附水凝膠組合物，其包含至少第一組分、第二組分和第三組分，第一組分包含約0.1％重量/重量至約13.65％重量/重量的濃度的含胺聚合物組分，第二組分包含約3％重量/重量至約35％重量/重量的濃度的親水聚合物或預聚物組分，第三組分包含約0.1％重量/重量至約30％重量/重量的濃度的醛組分，其中該第一組分、第二組分和第三組分是交聯(lián)的。
2.權(quán)利要求1的組合物，其中該含胺聚合物組分選自聚(乙烯亞胺)、聚(甲基丙烯酸 二乙基氨基乙基酯)、聚(甲基丙烯酸乙基氨基乙基酯)、胺接枝的聚乙烯醇或含胺的聚乙
3.權(quán)利要求1的組合物，其中該含胺聚合物組分是聚(乙烯亞胺)。
4.權(quán)利要求1的組合物，其中該親水聚合物或預聚物組分選自聚乙烯醇和聚乙二醇。
5.權(quán)利要求1的組合物，其中該親水聚合物或預聚物組分是聚乙烯醇。
6.權(quán)利要求1的組合物，其中該醛組分選自戊二醛、聚乙二醇二醛、乙二醛、甲醛和丙
7.權(quán)利要求1的組合物，其中該醛組分是戊二醛。
8.權(quán)利要求1的組合物，其中該第一組分和第二組分通過選自冷凍凝膠化、脫水處理、 輻射和暴露于化學品的方法進行交聯(lián)。
9.權(quán)利要求1的組合物，其中該第一、第二和第三組分在剛剛混合后是可注射的，但是 在四十八小時后不是這樣。
10.權(quán)利要求1的組合物，其中將該含胺聚合物組分和該醛組分合并以獲得反應性胺 基團與醛基團的約一比一的摩爾比。
11.權(quán)利要求1的組合物，其中該組合物用聚(乙烯亞胺)的水溶液預處理。
12.權(quán)利要求1的組合物，其中該含胺聚合物組分是約5%重量/重量至約11%重量/ 重量的濃度的聚(乙烯亞胺)，該親水聚合物或預聚物組分是約4%重量/重量至約15%重 量/重量的濃度的聚乙烯醇，該醛組分為約2%重量/重量至約7%重量/重量的濃度。
13.用于修復或補充椎間盤的髓核的生物黏附水凝膠組合物，其包含至少第一組分、第 二組分和第三組分，第一組分包含約5%重量/重量至約11%重量/重量的濃度的含胺聚 合物組分，第二組分包含約4%重量/重量至約15%重量/重量的濃度的親水聚合物或預 聚物組分，第三組分包含約2%重量/重量至約7%重量/重量的濃度的醛組分，其中該第 一組分、第二組分和第三組分是交聯(lián)的，并且將該含胺聚合物組分和該醛組分合并以獲得 反應性胺基團與醛基團的約一比一的摩爾比。
14.用于形成生物黏附水凝膠組合物的試劑盒，其包含至少一個第一容器，該第一容器含有足以在室溫或在手術室條件下可注射的濃度的含 胺聚合物組分；至少一個第二容器，該第二容器含有足以在室溫或在手術室條件下可注射的濃度的親 水聚合物或預聚物組分；以及至少一個第三容器，該第三容器含有足以在室溫或在手術室條件下可注射的濃度的醛 組分，其中當將醛組分、含胺聚合物組分和親水聚合物或預聚物組分混合時，該組合物發(fā)生 交聯(lián)，并且含有約0. 1 %重量/重量至約13. 65%重量/重量的含胺組分，約3%重量/重量 至約35%重量/重量的親水聚合物或預聚物組分，以及約0. 重量/重量至約30%重量2/重量的醛組分。
15.用于形成生物黏附水凝膠組合物的試劑盒，其包含至少一個第一容器，該第一容器含有前體組合物，該前體組合物包含與親水聚合物或 預聚物組分交聯(lián)的含胺聚合物組分；以及至少一個第二容器，該第二容器裝有足以在室溫或在手術室條件下可注射的濃度的醛 組分，其中當將醛組分、含胺聚合物組分和親水聚合物或預聚物組分混合時，該組合物發(fā)生 交聯(lián)，并且含有約0. 1 %重量/重量至約13. 65%重量/重量的含胺組分，約3%重量/重量 至約35%重量/重量的親水聚合物或預聚物組分，以及約0. 重量/重量至約30%重量 /重量的醛組分。
16.權(quán)利要求15的試劑盒，其中該前體組合物是水凝膠。
17.權(quán)利要求15的試劑盒，其中該前體組合物在室溫或在手術室條件下可注射。
18.修復或補充椎間盤的髓核的方法，該方法包括提供生物黏附水凝膠組合物，所述組合物包含至少第一組分、第二組分和第三組分，該 第一組分包含約0. 1 %重量/重量至約13. 65%重量/重量的濃度的含胺聚合物組分，該第 二組分包含約3%重量/重量至約35%重量/重量的濃度的親水聚合物或預聚物組分，該 第三組分包含約0. 1 %重量/重量至約30%重量/重量的濃度的醛組分，其中第一組分、第 二組分和第三組分是交聯(lián)的；以及將該組合物植入患者中。
19.權(quán)利要求18的方法，其中該生物黏附水凝膠組合物通過注射植入患者中。
20.權(quán)利要求18的方法，其中該生物黏附水凝膠組合物原位固化。
21.權(quán)利要求18的方法，其中該生物黏附水凝膠組合物通過將固化的組合物插入患者 中而植入患者中。
22.權(quán)利要求18的方法，其中該組合物在植入患者中之前用聚(乙烯亞胺)的水溶液 預處理。
23.權(quán)利要求18的方法，其中將該含胺聚合物組分和該醛組分合并以獲得反應性胺基 團與醛基團的約一比一的摩爾比。
全文摘要
用于修復或補充椎間盤的髓核的生物黏附水凝膠組合物及其形成方法，所述生物黏附水凝膠組合物包含至少第一組分、第二組分和第三組分，其中該第一組分、第二組分和第三組分是交聯(lián)的。第一組分包含約0.1％重量/重量至約13.65％重量/重量的濃度的含胺聚合物組分。第二組分包含約3％重量/重量至約35％重量/重量的濃度的親水聚合物或預聚物組分。第三組分包含約0.1％重量/重量至約30％重量/重量的濃度的醛組分。用于修復或補充椎間盤的髓核的方法，包括將該生物黏附水凝膠組合物植入患者中。
文檔編號A61L24/04GK101918048SQ200980101683
公開日2010年12月15日 申請日期2009年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
發(fā)明者A·M·洛曼, G·W·弗塞爾, K·B·基塔, N·G·史密斯 申請人:斯恩蒂斯有限公司;德雷克塞爾大學