CN101524560A

CN101524560A - 低溶胀生物相容性水凝胶

Info

Publication number: CN101524560A
Application number: CN200810081688A
Authority: CN
Inventors: 阿马尔普里特S·索内; 史蒂文L·贝内特
Original assignee: Confluent Surgical Inc
Current assignee: Confluent Surgical Inc
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2008-03-05
Publication date: 2009-09-09
Also published as: EP2397164B1; EP1967220A3; AU2008200808A1; US20170216487A1; AU2008200808B2; CA2619158A1; EP2397164A1; EP1967220A2; ES2536229T3; US20080220047A1; JP2008212683A; CA2619158C

Abstract

本发明的一些技术方案涉及一种治疗脊柱内组织的手术治疗，该治疗通过在原位形成与脊柱内并实质上在脊柱内鞘膜外的组织粘附的低溶胀生物可降解性水凝胶。

Description

低溶胀生物相容性水凝胶

技术领域

本发明涉及使用水凝胶的骨区域的手术治疗，在实施方案中涉及与硬脊膜接触的生物可吸收的、共价交联的水凝胶。

背景技术

水凝胶可以在机体中使用，用于例如封闭、粘附、防护或给药的应用。当与水化合时，水凝胶可以表现出通常高的溶胀度。但是，某些医疗应用不能耐受高溶胀度。例如，可吸收性明胶(Pharmacia&Upjohn，Kalamazoo，MI)是明胶的不溶于水的、多孔的、柔软的形式，可作为止血剂用于表面止血。但是，

不适用于脊柱周围，并且一但止血完成，其对于椎板切除术步骤和在骨孔附近的使用就是禁忌的。这种禁忌症存在是因为：

在吸收了生理液体后会溶胀，并会由狭窄的骨间隙内的压力产生神经损害。由于溶胀可能会干扰正常功能和/或可能导致周围组织的压迫性坏死，因此应该避免填塞

特别是避免在骨腔内填塞。

发明内容

发明简述

但是，通过如本文公开的低溶胀水凝胶和方法可以解决这些顾虑。

在一些实施方案中，可以通过使含有至少三个第一官能团的第一合成前体与含有至少三个各自具有第二官能团的臂的第二合成聚合物反应来形成本发明的低溶胀水凝胶制剂，其中，第一官能团与第二官能团反应而在第一合成前体和第二合成聚合物之间形成共价交联。当暴露于生理溶液大约24小时时，相对于刚形成的水凝胶的重量，最终的水凝胶可以经历不超过大约50％的重量增加。

在一些实施方案中，本发明的组合物可以包含含有第一官能团的第一合成前体，以及包含具有核和从大约3至大约12个臂的多臂前体的第二合成前体，所述臂各自含有具有从大约250至大约5000分子量的聚乙二醇并在其末端各自含有第二官能团。第一官能团与第二官能团交联，从而形成从大约-50％至大约50％溶胀的水凝胶。

在实施方案中，在将第一前体与第二前体相互混合后，在少于10秒钟内，所述水凝胶可以由含有第一官能团的第一合成前体和含有第二官能团的第二合成前体交联而形成凝胶。在一些实施方案中，第一合成前体可以为二赖氨酸、三赖氨酸、四赖氨酸或包含不超过五个含有至少两个赖氨酸基团的残基的低聚肽序列。在一些实施方案中，第二合成前体可以包含具有核和臂的多臂前体，所述臂各自含有具有从大约250至大约5000分子量的聚乙二醇。

本发明的另一个实施方案提供了一种通过在原位形成与脊柱内并实质上在脊柱内鞘膜外的组织粘附的低溶胀生物可降解性水凝胶来治疗脊柱内组织的方法。

所述水凝胶可以应用在患者体内的部位上，使得水凝胶位于硬膜外(peridural)或硬脊膜外隙(epidural space)。周围组织可以包括，例如，鞘膜外的脊神经或脊神经根。所述水凝胶可以在第一前体和第二前体相互混合后在不超过约10秒钟内交联而形成牢固的凝胶。

本发明还提供了制备水凝胶的试剂盒，该试剂盒包含：含有第一官能团的第一合成前体，以及具有核和从大约3至大约12个臂的多臂前体的第二合成前体，所述臂各自含有具有从大约250至大约5000分子量的聚乙二醇并在其末端各自含有第二官能团。第一官能团与第二官能团交联，从而形成水凝胶，该水凝胶溶胀大约-50％至大约50％。

附图说明

图1为脊柱的一部分的侧视图；以及

图2为用于脊柱内的水凝胶涂覆的实施方案的顶视横截面图。

具体实施方式

本文描述的水凝胶可以适用于脊柱区域。这些水凝胶对组织具有良好的粘附性，可以在原位形成，也可以是生物可降解的，并且在放置后表现出低溶胀性，这样使得软组织不会与脊柱的骨部过度挤压。当常规的水凝胶溶胀并使神经压在骨上时，特别是神经可能易受到损害。因此，本文描述的低溶胀水凝胶组合物可以为治疗骨区域内神经周围的组织创造新的治疗可能性。

在手术操作中，水凝胶可以是有用的辅助材料，例如用作止血剂、封闭剂、防护屏障等。水凝胶在患者体内原位生成可以使生成的水凝胶能够涂覆组织、符合其形状并填塞/适合三维空间。这样的材料应该具有足以耐受由患者运动、组织移位、组织内存在的流体静力等产生的张力的机械特性。同时，高水含量对于生物相容性是有益的。

水凝胶体系综述

某些水凝胶的特性可能是有益的，例如对多种组织的粘附性、能够使外科医生准确方便地放置水凝胶的快速凝固时间、用于生物相容性的高水含量、用于封闭剂的机械强度和/或放置后抵抗破坏的韧性。因此，可以使用容易消毒的并避免了由使用天然材料引起疾病传播危险的合成材料。的确，某些使用合成前体制备的在原位可聚合的水凝胶在本领域技术人员的权限内，例如用于市售可得的产品中，如

(Genzyme公司)、

(Angiotech医药品公司)和(Confluent手术器械公司)。其它已知的水凝胶包括，例如，那些在美国专利号6,656,200、5,874,500、5,543,441、5,514,379、5,410,016、5,162,430、5,324,775、5,752,974和5,550,187中公开的水凝胶。

使用体外模型与纤维蛋白封闭剂相比较测量了

和

的溶胀度(Campbell等人，可吸收手术封闭剂的评估：体外测试，2005)。经过3天的试验，

平均溶胀了约558wt％，

平均增加了约98wt％，而纤维蛋白封闭剂溶胀了大约3％。假设沿所有轴都均匀溶胀，计算出

和纤维蛋白封闭剂在单轴上增加的百分比分别为87％、26％和1％。具有较低溶胀度的水凝胶会适合在脊柱上或在其附近的应用。纤维蛋白封闭剂是具有不及

和本文公开的其它水凝胶的粘附性、封闭性和机械特性的蛋白质性质的动物胶。此外，纤维蛋白封闭剂通常来自潜在受污染的生物源，通过与此类水凝胶完全不同的机理从机体中清出，并且保存时通常需要冷藏。

可以由前体制备在原位可聚合的水凝胶。所述前体可以为(例如)单体或大分子单体。一类前体可以含有烯键式不饱和官能团。可以使用引发反应的引发剂使烯键式不饱和官能团聚合。含有至少两个烯键式不饱和官能团的前体可以形成交联的聚合物。一些组合物含有某些只具有一个这样的官能团的前体，并且含有额外的具有使前体交联的多个官能团的交联剂前体。通过例如自由基、缩合或加成聚合的多种技术可以使烯键式不饱和官能团聚合。可以由一种前体(如通过自由基聚合反应)、两种前体形成水凝胶，或者用三种或更多种前体，用一种或多种参与形成水凝胶交联的前体来制备水凝胶。

另一类前体含有为亲电体或亲核体的官能团。亲电体与亲核体反应形成共价键。共价交联或共价键是指通过不同聚合物上的官能团的反应形成的、用于使不同聚合物相互共价连接的化学基团。在某些实施方案中，在第一前体上的第一组亲电官能团可以与第二前体上的第二组亲核官能团反应。当在允许反应的环境(例如，涉及pH值或溶剂方面)中混合前体时，官能团相互反应形成共价键并使前体结合在一起。当至少一些前体可以与超过一种其它前体反应时，前体就变成交联的。例如，含有两个第一类官能团的前体可以与含有至少三个能与第一类官能团反应的第二类官能团的交联前体反应。

水凝胶和前体材料

用于本发明的合适的水凝胶包括水和亲水性小分子可容易地向其中扩散的大分子和聚合材料。重要的水凝胶包括，例如，那些通过交联：聚醚，例如如聚(乙二醇)、聚(环氧乙烷)、聚(环氧乙烷)-共-聚(环氧丙烷)嵌断共聚物的聚环氧烷；聚(乙烯醇)；和聚(乙烯吡咯烷酮)制备的水凝胶。由于其高度的生物相容性和耐蛋白质吸收性，聚醚生成的水凝胶，包括聚(乙二醇)生成的水凝胶，在一些实施方案中可能是有用的。

也可以使用例如蛋白质、多糖或葡糖胺多糖的天然聚合物及其衍生物，例如，透明质酸、葡聚糖、硫酸软骨素、肝素、硫酸肝素、藻酸盐、明胶、胶原、白蛋白、卵清蛋白、聚氨基酸、胶原、纤维蛋白原、白蛋白、纤维蛋白、淀粉、硫酸皮肤素、硫酸角质素、硫酸葡聚糖、聚硫酸戊聚糖(pentosan polysulfate)、聚氨基葡糖、纤维结合素、层粘素、弹性蛋白及其活性肽辖区(active peptide domains)。这样的聚合物可以通过在其氨基酸或衍生物上的例如氨基、巯基或羧基的官能团起反应，从而具有可活化的官能团。尽管天然聚合物可以用于低溶胀水凝胶，但应该通过适当引入额外的官能团并且选择例如pH值的合适的反应条件来控制其凝胶化时间和最终的机械特性。例如，依赖纤维蛋白原聚合形成纤维蛋白的纤维蛋白动物胶具有有限范围的机械特性、有限范围的降解性，因此其可能不适于所有的当配制了如本文描述的水凝胶时可适用的治疗。但是，预期可以将这样的天然材料用于一些实施方案中。

所述前体可以含有生物相容性和水溶性的核基团。如本文使用的，水溶性是指在水中至少大约1g/L的溶解度。该核基团为具有最少三个臂的水溶性分子。在水凝胶前体上的臂是指直链化学基团，其连接了可交联官能团和能够引发聚合物臂的聚合反应的多功能中心。该多功能中心和连接的臂的结合包含核基团。在水凝胶前体臂上的可交联官能团是参与两个水凝胶前体臂之间的共价交联反应的化学基团。在实施方案中，所述核基团可以为水溶性聚合物。可以使用的这样的聚合物的实例包括，例如：聚醚，例如，如聚乙二醇(“PEG”)、聚环氧乙烷(“PEO”)、聚环氧乙烷-共-聚环氧丙烷(“PPO”)、共聚环氧乙烷嵌断或无规共聚物的聚环氧烷；聚乙烯醇(“PVA”)；聚(乙烯吡咯烷酮)(“PVP”)；聚(氨基酸)；葡聚糖；和蛋白质；以及上述物质的衍生物和上述物质的组合。

在其它实施方案中，多功能中心可以包含多元醇，该多元醇在实施方案中可以含有用于引发单体基团的羟基，所述单体基团形成随后可以与可交联基团官能化的核的臂。根据臂的需要数量，多元醇可以含有从大约3至大约12个羟基，在实施方案中为从大约5至大约10个羟基。所述多元醇也可以含有其它被护或未被护官能团。适合的多元醇包括丙三醇、甘露醇、如山梨糖醇的还原糖、季戊四醇和包括六甘油(hexaglycerol)的丙三醇低聚物，以及其衍生物和其组合。对本领域技术人员显而易见的是，羟基的数量应该等于多臂前体上臂的数量，即，选择的具体多元醇将决定在合成的多功能核基团上的臂的数量。在实施方案中，将通过引发环氧乙烷和多元醇的聚合反应从而形成可以进一步官能化的多臂前体的臂来形成如上所述的聚合物，如聚乙二醇。

因此，可以由含有第一组官能团的多臂前体和含有第二组官能团的低分子量前体制备水凝胶。在多臂前体上臂的数量可以从大约3至大约12，在实施方案中为从大约5至大约10。

例如，多臂前体可以具有亲水性臂，例如聚乙二醇，其用N-羟基琥珀酰亚胺封端，且臂的总分子量为从大约1,000至大约40,000；技术人员立即会理解所有在明确说明的界限内的范围和数值是预期的。在一些实施方案中，可能希望使用具有六个臂或八个臂的多臂前体。这样的前体的单个臂的分子量可以从大约250至大约5000，在实施方案中为从大约1000至大约3000，在其它实施方案中为从大约1250至大约2500。

在一些实施方案中，六臂或八臂的前体可以与如三赖氨酸的低分子量前体反应。三赖氨酸为使多臂前体交联提供了反应的多个位点，并且当收缩或溶胀时，推测三赖氨酸(没有被限定于一个特定的作用理论)允许进行这样的可能与更大且更易活动的多臂前体相关的相对较小的运动。因此，可以使用其它小分子代替三赖氨酸，例如，具有从大约100至大约5000分子量的分子，在实施方案中为从大约300至大约2500，在其它实施方案中为从大约500至大约1500。这样的小分子可以含有至少大约三个官能团，在实施方案中为从大约3个至大约16个官能团；一般的技术人员会理解在这些明确阐明的界限间的所有范围和数值都是预期的。这样的小分子可以是聚合物或非聚合物，并且可以是天然的或合成的。在一些情况下，也可以使用二赖氨酸和/或四赖氨酸作为低分子量前体。

合成的是指在自然界找不到的分子并且不包括例如含有改性侧基的胶原的天然生物分子的衍生形式。如果合成产生的聚氨基酸聚合物没有在自然界被发现并且被制成与天然产生的生物分子不相同，则其通常被认为是合成的。例如，三赖氨酸是合成的，因为在自然界没有发现它(尽管一些细菌可能产生相对较大的聚赖氨酸)。

一些实施方案包含这样的前体，所述前体含有不超过大约五个具有至少两个赖氨酸基团的残基的低聚肽序列。残基为或者在自然界存在或者由其衍生的氨基酸。这样的低聚肽的骨架可以是天然的或合成的。在一些实施方案中，两个或更多个赖氨酸可以与合成的骨架结合制备前体；这样前体的某些实施方案可以具有从大约100至大约10,000的分子量，在实施方案中从大约300至大约5000；技术人员会立即理解在这些明确阐明的界限间的所有范围和数值都是预期的。

一些水凝胶可以用含聚乙二醇的前体来制备。聚乙二醇(PEG，在此也称为聚环氧乙烷)是指具有重复基团(CH₂CH₂O)_n的聚合物，其中n为至少3。含有聚乙二醇的聚合前体因此可以含有至少三个这样的以线性排列相互连接的重复基团。即使被其它基团中断，也可以通过将在聚合物或臂上的所有聚乙二醇加起来计算聚合物或臂的聚乙二醇含量。因此，含有至少1000MW聚乙二醇的臂具有总量至少为1000MW的足够的CH₂CH₂O基团。作为本领域的常规技术名词，聚乙二醇聚合物不是必然以羟基封端。

在某些实施方案中，前体可以包括生物可降解、可交联并且实质上是水溶性大分子单体的组合物。所述大分子单体可以具有至少一个水溶性区、至少一个可降解区，并且在统计学上这样的前体的臂平均可具有超过1个可聚合区，因此三臂前体会具有至少三个可聚合区。在实施方案中，通过至少一个可降解区可以使可聚合区相互分离。可选择地，如果不需要生物可降解性，可以使用不含生物可降解性嵌段、但是在体内适合的生理条件下可以是水溶性和交联的组合物。

可以使用能交联形成生物相容性材料的单体的或大分子单体的前体形成水凝胶。这些前体可以为小分子，如丙烯酸或乙烯基己内酰胺；含有可聚合基团的大分子，如丙烯酸酯封端的聚乙二醇(PEG-二丙烯酸酯)；或者含有烯键式不饱和基团的其它聚合物，如Dunn等人的美国专利号4,938,763、Cohn等人的美国专利号5,100,992和4,826,945或De Luca等人的美国专利号4,741,872和5,160,745的那些，其所有披露的内容通过引用方式并入本文。

在实施方案中，可以使用的合适的大分子单体的前体包括在Hubbell等人的美国专利号5,410,016中描述的可交联的、生物可降解的、水溶性大分子单体，其所有披露的内容通过引用方式并入本文。这些单体可以以含有至少两个由至少一个可降解区分离的可聚合基团为特征。当在水中聚合时，这些单体可以形成持续存在直到通过自降解而消除的粘结性凝胶。所述大分子单体是可自凝缩的(self-condensible)，这表明其在周围组织中可以相互反应而不与蛋白质或其它部分反应。

具有交联间较长距离的前体通常较柔软、更具顺应性并且更有弹性。因此，如聚乙二醇的水溶性嵌段长度的增加可以增强弹性，从而产生所需的物理特性。因此，本发明的某些实施方案针对的是含有具有从大约3,000至大约100,000分子量的水溶性嵌段的前体，在实施方案中为从大约10,000至大约35,000。

生物可降解的键

如上所述，在实施方案中，可以使用一种或多种具有在官能团之间存在生物可降解的键的前体，而使水凝胶变为生物可降解的或可吸收的。在一些实施方案中，这些键可以是(例如)酯，其可以在生理溶液中水解性地降解。这样的键的用途与可以通过蛋白水解作用降解的蛋白质键的相反。生物可降解的键也可以选择性地形成一种或多种前体的部分水溶性核。选择性地或除此之外，可以选择前体的官能团，从而使官能团之间的反应产物生成生物可降解的键。就各个方法而言，可以选择生物可降解的键，从而使合成的生物可降解的生物相容性交联聚合物在所需的时段内降解或被吸收。通常，可以选择那些在生理条件下使水凝胶降解成无毒或低毒性产物的生物可降解的键。

生物可降解的键可以是可化学或酶水解的或者是可吸收的。示例性的可化学水解的生物可降解的键包括乙交酯、外消旋丙交酯、左旋丙交酯、己内酯、二氧环己酮(dioxanone)和亚丙基碳酸酯(trimethylenecarbonate)的聚合物、共聚物和低聚物。其它可化学水解的生物可降解的键可以是单体形式的，例如通过戊二酸酐的开环(ring opening)与聚(乙二醇)形成戊二酸键的那些单体。其它键包括琥珀酸、马来酸、甲基琥珀酸、二甘醇甲基戊二酸及其组合等。示例性的可酶水解的生物可降解的键包括可通过金属蛋白酶和胶原酶裂解的肽键。另外的示例性的生物可降解的键包括多羟基酸、聚(原碳酸酯)、聚(酸酐)、聚(内酯)和聚(膦酸酯)的聚合物以及共聚物。

天然聚合物可以通过机体内存在的蛋白酶蛋白水解而降解，所述蛋白酶是识别例如氨基酸序列的特定生物部分的酶。相反，不具有这样的特定可裂解序列的合成聚合物可以通过例如水解降解的其它机理被降解。在脊髓中，可以认为不含这样序列的合成聚合物通过特定酶的作用几乎不或不降解。通过非特异性作用的酶进行的非特异性攻击和降解可以导致不同的生物学反应和降解时间，并且降解不等同于通过对具体的氨基酸序列具有特异性的酶进行的降解。本发明的一些实施方案包括不具有进行特异识别并被酶裂解的序列的前体。

官能团

前体上的官能团包括与其它官能团反应形成共价键的化学部分，该反应作为制备水凝胶的部分方法。官能团包括，例如，如侧乙烯基团(pendant vinyl groups)、丙烯酸酯基团、甲基丙烯酸酯基团、乙基丙烯酸酯基团、2-苯基丙烯酸酯基团、丙烯酰胺基团、甲基丙烯酰胺基团、衣康酸酯基团、苯乙烯基团及其组合等的烯键式不饱和可聚合基团。

官能团可以包括参与形成水凝胶的亲电-亲核反应的亲电或亲核基团。亲电官能团的实例包括羰基二咪唑基团、磺酰氯基团、氯甲酸酯基团、N-羟基琥珀酰亚胺基酯基团、琥珀酰亚胺基酯基团、磺胺琥珀酰亚胺基酯基团、N-羟基乙氧基化琥珀酰亚胺基酯基团、甲烷二异氰酸酯基团、亚甲基二(4-环己基异氰酸酯)基团、异氰酸酯基团、二异氰酸酯基团、1，6-己二异氰酸酯基团、马来酰亚胺基团等。亲核官能团的实例包括胺基、羟基、羧基、巯基等。

引发体系

引发剂基团是能够引发自由基聚合反应的化学基团。例如，其可以作为独立的成分或作为在前体上的侧基存在。引发剂基团包括热引发剂、光敏引发剂(photoactivatable initiator)、氧化-还原(氧化还原)体系及其组合等。

长波UV和可见光的光敏引发剂包括，例如，乙基伊红基团、2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮基团、其它苯乙酮衍生物、噻吨酮基团、二苯甲酮基团、樟脑醌基团及其组合等。

热活性引发剂的实例包括4，4′偶氮二(4-氰基戊酸)(4，4′-azobi(4-cyanopentanoic acid))基团、过氧化苯甲酰基团的类似物及其组合等。可以使用几种市售的低温自由基引发剂，例如可从美国Wako化学制品公司(里奇蒙德，弗吉尼亚州)购得的V-044，以引发在体温下的自由基交联反应而与前述的单体形成水凝胶。

在氧化还原引发体系中既可以将金属离子用作氧化剂也可以用作还原剂。例如，二价铁离子可以与过氧化物或氢过氧化物组合用于引发聚合反应，或者用作部分聚合体系的部分使用。在此种情况下，所述二价铁离子将用作还原剂。或者，可以将金属离子用作氧化剂。例如，高铈离子(铈的4+价态)可以与包括羧酸和聚氨酯的多种有机基团反应，以使电子转移到金属离子上，因此在有机基团上留下引发基团。在这样的体系中，金属离子起到氧化剂的作用。潜在地适合上述两种功能的金属离子为任何具有至少两种容易达到氧化态的过渡金属离子、镧系元素和锕系元素。在实施方案中，金属离子可以具有至少两种仅由一种主要差别分开的状态。这些金属离子中最常用的包括三价铁的/二价铁的；二价铜的/一价铜的；四价铈的/三价铈的；三价钴的/二价钴的；钒酸盐V对IV；高锰酸盐；和三价锰的/二价锰的。也可以使用含有过氧的化合物，例如过氧化物和氢过氧化物，包括过氧化氢、叔丁基氢过氧化物、叔丁基过氧化物、苯甲酰过氧化物和枯基过氧化物。

引发体系的实例为在一种溶液中的过氧化氢化合物与在另一种溶液中的如过渡金属的反应离子的组合。在此种情况下，可能不需要聚合反应的外部引发剂，并且当含有两种互补的反应官能团的部分在应用位点上相互作用时，在不应用外部能量或使用外部能源的情况下，聚合反应可以自发进行。

水凝胶溶胀度

已经发现，改变前体上臂的长度同时保持其它特性大体恒定，可以改变合成的凝胶从溶胀到收缩的溶胀特性。在活性聚合物的任何给定浓度下，可以以对其它特性的最小妥协使用为低溶胀凝胶提供的臂长。没有被归于特定的理论，改变臂长可以接近在平衡溶胀下交联间的距离。臂长越接近平衡交联距离，对溶胀响应的臂的延伸越少。如本文所描述，可以以较低或者甚至负溶胀量在患者体内制备水凝胶。这样的水凝胶可以制备成具有用于粘附和/或封闭的机械特性。相反，常规的用于原位聚合的具有用于粘附和/或封闭的机械特性的水凝胶缺乏低溶胀特性并且不适用于脊柱内。

因此，本文描述的所需的水凝胶可以包括具有反应时间、密度、强度和所需的医疗特性的低溶胀水凝胶，该水凝胶是使用选自具有所需的分子量范围内、溶解度、臂长、化学组成、化学结构、化学组成、密度、前体浓度、臂的数量并具有所需的官能团和缓冲液的一类前体的成分制备的。这些参数中的一些是相互关联的，因此选择一个起始特性或材料的范围可能影响其它特性和材料的选择。

除非另外指出，水凝胶的溶胀和当交联有效完成其形成时与当以不受压的状态将其放入生理溶液中24小时后(在此时可以合理地假设水凝胶已经达到了其平衡溶胀的状态)之间的体积(或重量)改变有关。对于最优选的实施方案，交联在不超过大约15分钟内有效完成，并且通常是在数秒钟内，这样初始重量可以合理地被称为初始形成重量。因此，以下公式可以用于确定溶胀度：

％溶胀度＝[(24小时重量-初始形成重量)/初始形成重量]*100

本发明的低可溶涨或低溶胀水凝胶可以具有暴露于生理溶液时增加不超过(例如)大约50wt％，或者收缩(重量和体积减少)(例如)大约5％或更多的聚合重量(weight upon polymerization)。这与其它水凝胶相反，其它水凝胶暴露于生理溶液时，可以以从大约300wt％到大约600wt％的量进行溶胀。实施方案包括，例如，具有不超过从大约0％至大约50％的从形成到平衡水合的重量增加的水凝胶，在实施方案中从大约10％至大约40％，或者从大约0％至大约50％的溶胀，在实施方案中从大约5％至大约40％，或者从大约1％至大约50％的重量减少收缩，在实施方案中从大约5％至大约30％。此外，溶胀或收缩是利用以上列出的公式通过暴露于生理溶液的水凝胶的重量改变确定的。在一些实施方案中，收缩在此可以指负溶胀度％；因此，在实施方案中，本发明的水凝胶可以从大约-50％至大约50％溶胀，在其它实施方案中水凝胶可以从大约-20％至大约40％溶胀。技术人员会很快理解在这些明确表明的界限内或与其相关的所有范围和数值均在此公开。

所述水凝胶的重量包括在水凝胶内的溶液的重量。在受压的部位形成的水凝胶不一定是低溶胀水凝胶。例如，在机体内生成的可溶胀水凝胶可以由于其周围的溶胀而受压，但通过测量其不受压和/或对抗约束的力时的溶胀度证明，其可能为高度可溶胀的水凝胶。

已经交联并在平衡状态的水凝胶的固体含量可以影响其机械特性和生物相容性，并反映了竞争性需要间的平衡。通常，可能希望是相对较低的固体含量，例如，在水溶液中水凝胶的总重量从大约5％至大约25％，在实施方案中为其间的所有范围和数值，例如，从大约5％至大约10％，从大约10％至大约15％，从大约5％至大约15％，和少于大约15％，或者少于大约20％。

原位聚合反应

可以制备适合使前体交联反应“在原位”(是指它们在活体动物或人体的组织处进行)进行的制剂。通常，这可以通过使能在应用于组织时活化的前体形成交联水凝胶来实现。只要使前体在交联前与组织的形状一致并且相关的凝胶化不是太过度(advanced)，活化作用可以在将前体应用于组织之前、之中或之后进行。活化作用包括，例如，触发聚合反应过程、引发自由基聚合反应或者混合含有互相反应的官能团的前体。因此，原位聚合反应包括在将材料放置在患者上、内、或上和内的部位上的化学部分的活化以形成共价键，从而产生不可溶性材料，例如，水凝胶。可以由前体制备可原位聚合的聚合物，所述前体可以起反应从而在患者体内形成聚合物。因此，在含有亲核官能团的前体存在下，可以混合或活化含有亲电官能团的前体。在其它实施方案中，可以在患者的组织上引发含有烯键式不饱和基团的前体进行原位聚合反应。

在生理条件下(例如，pH值为7.2，37℃)，某些官能团，例如醇或羧酸，通常不会与例如胺的其它官能团反应。但是，通过使用例如N-羟基琥珀酰亚胺的活化基团可以使这样的官能团更有活性。合适的活化基团包括羰基二咪唑、磺酰氯、芳基卤、磺基琥珀酰亚胺基酯、N-羟基琥珀酰亚胺基酯、琥珀酰亚胺基酯、环氧化物、醛、马来酰亚胺、亚氨酸酯等。N-羟基琥珀酰亚胺基酯或N-羟基磺基琥珀酰亚胺基团可以为用于使蛋白质或例如氨基封端的聚乙二醇的胺官能化聚合物交联的特定目的基团。

通过(例如)化学交联剂或例如紫外光的电磁辐射引入包括均聚物和共聚物的天然和合成的亲水性聚合物的共价、离子或疏水性键可以形成水凝胶。物理的(非共价)交联可以由(例如)配合作用、氢键合、去溶剂化、范德华相互作用或离子键合产生，并且可以通过混合直到原位结合仍为物理独立的成分引发，或者作为在例如温度、pH值和/或离子强度的生理环境中的普遍条件的结果。可以通过任一包括自由基聚合反应、缩合聚合反应、阴离子或阳离子聚合反应、逐步增长聚合反应和亲电-亲核反应的许多机理完成共价交联。

在一些实施方案中，水凝胶体系可以包括那些当将成分混合时自发交联的生物相容性多成分体系，但其中两种或多种成分在沉积过程中各自是稳定的。这样的体系包括，例如，包含双或多官能化胺的大分子单体的第一成分和包含双或多官能化含环氧乙烷部分的第二成分。也可以使用例如氧化还原型引发剂成分的其它引发剂体系。

此外，可以将按照本发明的方法形成的水凝胶用作涂层(coating)。这样的涂层可以形成多层结构(即，具有多层)。因此，例如，多层结构的下层可能具有更牢固交联的水凝胶，该水凝胶对组织表面提供良好的粘附，并作为覆在其上的柔软涂层的基层以与其反应性地键合。在交联间具有较低分子量的材料适于用作基底涂层。从大约400至大约20,000分子量的聚乙二醇对于这样的应用可能有用，在一些实施方案中利用的是具有从大约500至大约10,000的分子量。

形成水凝胶的一些实施方案涉及：混合在将其应用于例如患者组织的表面后迅速交联的前体，以形成生物可降解的水凝胶。就涂覆组织而言，并且不将本发明限于特定的操作理论，相信在接触组织表面后迅速交联的活性前体种类可以形成与被涂覆组织机械连接的三维结构。这种连接有利于组织的被涂覆区域的粘附、紧密接触和连续覆盖。在一些实施方案中，导致凝胶化的交联反应可以在从大约1秒钟至大约5分钟的时间内发生，在实施方案中从大约3秒钟至大约1分钟；这些领域内的普通技术人员会很快理解在这些明确描述的范围内的所有范围和数值均为预期的。在一些情况下，凝胶化可以在不超过10秒钟内发生。

可以在使用前将前体放入溶液中，并与溶液一起给予患者。所述水凝胶体系溶液不应含有有害的或有毒的溶剂。在实施方案中，所述前体可以是基本上溶于水的，从而能够在例如缓冲的等渗的盐溶液的生理相容性溶液中应用。可以使用如那些在美国专利号4,874,368、4,631,055、4,735,616、4,359,049、4,978,336、5,116,315、4,902,281、4,932,942、6,179,862、6,673,093和6,152,943中描述的双腔注射器或类似装置施用前体溶液。此外，可以将这样的前体用于与例如染料的显影剂组合使用。合适的染料在本领域技术人员的掌握范围内，并且可以(包括)例如当水凝胶在原位形成时使其厚度显影的染料，例如，如在美国专利号7,009,034中所述。在一些实施方案中，合适的染料可以包括FD&C蓝色#1、FD&C蓝色#2、FD&C蓝色#3、D&C绿色#6、亚甲蓝及其组合等。

本文描述的水凝胶的实施方案包括基于低溶胀、原位形成的前体的医用交联水凝胶，其选择性地具有少于大约20秒钟(或少于大约10秒钟或少于大约5秒钟)的原位凝胶化时间。可以用具有从每升大约1克至每升至少大约10克溶解度的前体制备这样的水凝胶。可以以1∶1比率的活性官能团(例如，亲电体：亲核体)或其它适合制剂的比率制备这样的水凝胶。可以使用能为保持溶液中活性官能团的活性(适用期)提供pH值、并在混合时提供例如生理范围(见美国专利号7,009,034)的所需渗透平衡的缓冲液。所述臂可以具有末端官能团，或官能团，例如，臂的自由端在不超过从大约10,000至大约5,000MW的范围内。可以存在至少一个官能团、超过一个官能团或其组合。对于至少一种低溶胀水凝胶的前体，臂的数量可以从大约3至大约12，在实施方案中从大约5至大约10。

具有用琥珀酰亚胺基戊二酸酯官能化的PEG臂的8臂前体的实例包括，例如，如下：

其中，R为如上所述的核，在实施方案中为六甘油核，并且n可以为从大约4至大约150，在实施方案中为从大约10至100。在实施方案中，8个臂的总分子量可以为大约20,000。

在脊柱中的应用

脊柱附近的神经可能容易在对组织炎症的反应中或手术放置进机体的材料的溶胀中受压。尽管机体通常可以耐受植入材料一定量的溶胀，但骨附近的溶胀或刚性植入由于力可以直接由骨指向敏感的软组织而可能较不耐受。因此希望避免以这种方式压迫神经。

在人类中，脊柱(也称作脊椎)具有33个椎骨。每个椎骨均为中空的圆环型(椎管)。椎间盘位于几乎每个椎骨之间。参照图1和2，其描述了例证性椎骨解剖(图1为侧视图，以及图2为顶视横截面图)，椎间孔20受相互叠加的椎骨22、24的形态的限制，下椎板的上切迹以及上椎板的下切迹形成了椎间孔的下和上边界。通过前面的椎间盘26和上下相邻椎骨的椎弓根进一步勾画出椎间孔的分界线。这些开口使得在脊髓内的神经纤维28、30能够离开椎管并走行到其特定的机体部位。

脊髓32由位于椎管内的脊髓的硬脊膜——鞘膜34围绕。在鞘膜34和周围的椎骨之间的间隙为硬脊膜外隙36。在脊柱内并在神经28、30和椎骨22、24之间的间隙为硬膜外隙38。神经靠近其出鞘膜位点的部分为脊神经根部。图2进一步描述了在硬脊膜外隙使用本发明的水凝胶与损伤42和/或鞘膜34粘附的水凝胶涂层40。

使用生物相容性聚合物的方法

如上所述，在实施方案中本发明的低溶胀水凝胶的应用可以是在脊柱内或其周围使用。水凝胶的低溶胀特性使组织、尤其是神经对骨的压力减到最小。可以将水凝胶用于脊髓硬脊膜——鞘膜外部。在一些应用中，可以将水凝胶主要用于脊柱内鞘膜外，这表明即使当鞘膜受损或甚至裂口时也可以将水凝胶用在脊柱内，但是例外的情况是：当脊髓实质上被切断时将水凝胶放置在神经间隙内。水凝胶也可以接触相关的脊柱结构，并填充一些或所有的椎孔和外部区域，包括神经根和鞘膜外和内的神经部分，例如，从大约0.1cm至大约5cm的脊柱，在实施方案中从大约1cm至大约4cm的脊柱。这样，水凝胶可以作为组织粘合剂、组织封闭剂、药物施用载体、创伤覆盖物、防止术后粘附的屏障或者发炎或损伤部位的覆盖物而发挥作用。水凝胶可以用作填塞空隙或管腔的团块和/或与组织表面一致的涂层。

水凝胶可以方便地用于药物施用。可以被加入并从交联聚合物或凝胶中释放的生物活性剂或药物化合物包括，例如：蛋白质、葡糖胺基聚糖、碳水化合物、核苷酸、无机和有机生物活性化合物。具体的生物活性剂包括但不限于：酶、抗生素、抗微生物药、抗肿瘤剂、局部麻醉剂、激素、血管生成剂、抗血管生成剂、生长因子、抗体、神经递质、精神药物、抗癌药物、化学治疗药物、影响生殖器的药物、基因、抗炎症药物、镇痛药、抗生素、抗增生剂、抗纤维化剂和寡聚核苷酸。

如上所述的生物活性化合物可以在制备水溶液之前或在无菌生产前体的过程中同前体混合。然后可以将此混合物与另一种前体混合，从而制备其中夹杂生物活性物质的交联材料。可以使用由例如

或

表面活性剂的惰性聚合物制备的前体，例如，具有小分子疏水性药物。

在一些实施方案中，当使前体反应以制备交联聚合物网络或凝胶时，活性剂或试剂可以以分离相存在。该相分离可以防止生物活性物质参与到化学交联反应中。所述分离相还可以调节活性剂从交联材料或凝胶中释放的动力，其中‘分离相’可以为油性(例如，水包油乳状液)、生物可降解载体等。

实施例

实施例1：低溶胀水凝胶制剂

为了制备所述水凝胶，按亲电体∶亲核体的1∶1化学计量比，使含有伯胺官能团的三赖氨酸与含有琥珀酰亚胺基酯亲电官能团(具体地，琥珀酰亚胺基戊二酸酯，SG)的多臂聚乙二醇(PEG)亲电前体反应，在四个臂(4a)各自的末端具有大约20,000MW的总MW的聚乙二醇(有时本文也称为4a20k SG)。

然后，除了使用含有具有大约10,000(10k)或20,000(20k)总MW的PEG臂的6臂(6a)或8臂(8a)前体(在各臂末端具有官能团)代替四臂前体外，以仍为1∶1的亲电-亲核官能团比，制造了基本上相同的水凝胶。

用4a20k SG为例，制备水凝胶的详细步骤如下。将三赖氨酸混入0.075M浓度为0.005mg/mL的硼酸盐缓冲液中。该溶液的最终pH值大约为10。用pH值为4的弱磷酸盐缓冲液，在0.2g/mL下重组4a20k SG。通过将其通过静态混合器压入硅胶管而使两种液体成分组合。将上述管切成盘状，并除去凝胶。将各个圆盘称重并放入37℃的PBS中。24小时后，再次对圆盘称重并计算溶胀度％。通过将一种成分注入含有第二种成分和搅拌棒的试管中来测量凝胶时间。当注入时秒表开始计时，而当搅拌棒表现出可察觉的速度改变时计时停止。将在凝胶时间测量中形成的凝胶用于测定持续时间。将各个凝胶栓放入37℃的磷酸盐缓冲盐溶液中，并每日观测直到肉眼不可见为止。

以变化的浓度和pH值类似地制备其它制剂：8a15k SG(8臂PEG，具有15,000的总MW的臂，用琥珀酰亚胺基戊二酸酯封端)与0.19gPEG/mL磷酸盐、0.012g三赖氨酸/mL硼酸盐pH值10；4a10k SS(4臂PEG，具有10,000的总MW的臂，用SS封端)与0.19g PEG/mL磷酸盐、0.008g三赖氨酸/mL硼酸盐pH值10。

表1显示了由这些低溶胀水凝胶制剂获得的结果。在保持其它参数大体恒定下，与由具有大约5000单独臂长的前体制备的水凝胶相比，用～9％固体制备的并且单独臂长少于大约2500MW的水凝胶表现出低溶胀性。

表1

制剂	单独臂长/MW	凝胶时间±标准差，秒	溶胀±标准差，％	消失，天	抗张强度(Burst Strength)，psi
制剂	单独臂长/MW	凝胶时间±标准差，秒	溶胀±标准差，％	消失，天	抗张强度(Burst Strength)，psi	8a10k SGⁱ	1250	1.3±0.04	-32.7±5.22	60	72±11
6a10k SGⁱ	1667	1.5±0.03	-27.2±2.54	60		8a10k SGⁱ	1250	1.3±0.04	-32.7±5.22	60	72±11
6a10k SGⁱ	1667	1.5±0.03	-27.2±2.54	60		8a20k SGⁱ	2500	1.6±0.11	12.3±2.18	60
4a20k SGⁱⁱ	5000	1.2	80	40	93±36	8a20k SGⁱ	2500	1.6±0.11	12.3±2.18	60

i，n＝3；ii，基于多次分别进行的试验的平均值

如表1中所示的材料是合成的，并且经测试证实替代程度超过95％。制剂平衡于1∶1化学计量比，并且调节pH值给出近似的凝胶时间。所有水凝胶具有少于5秒钟的凝胶时间。

4臂水凝胶溶胀了大约80wt％(表1，4a20k SG，4a表示4臂，20k表示臂的总PEG为20,000MW，并且SG表示各个臂均用琥珀酰亚胺基戊二酸酯封端)。6臂和8臂凝胶仅溶胀了大约12wt％，或者收缩了大约27％或大约32％(表1)。

通过观察在透明塑料试管中的凝胶并记录其对肉眼不可见的时间来测量水凝胶的消失时间(表1)，这表示其完全降解。经测量发现抗张强度在可接受的范围内。

实施例2：渗透环境在溶胀中的作用

通过使用如实施例1中描述的4a20k SG制备水凝胶，并将其暴露于具有7.0～7.4pH值和大约300mOs渗透压的生理缓冲盐水中或者将其暴露于相同盐水的高强度溶液(double-strength solution)中来测试渗透环境在溶胀中的作用。当n＝3(每摩尔浓度PBS的水凝胶栓)，从凝胶化到平衡溶胀的溶胀度(在24小时时记录)对于生理盐水平均为68％，而对于高强度盐水为57％。这些结果表明，溶胀环境固有的渗透压差异并没有造成用具有不同臂长的前体制备的水凝胶溶胀的减少，因为当臂长增加时，在溶胀中的改变太小不能造成通常能观察到的较大的改变。

实施例3：活体测试的低溶胀水凝胶

在活体脊柱内植入低溶胀水凝胶。制剂1是在如实施例1和表1中所述的条件下使与8a15k SG反应的三赖氨酸前体起反应而制备的水凝胶。使用混合溶液并将其置于施用部位的双腔加样器施用前体。

全部15只犬在L2和L5均接受了全椎板切除术(full widthlaminectomies)，其后制造中线的1cm硬脊膜切开，然后缝合。随机留取动物作为对照组(n＝5只动物；缝合前没有额外的治疗)，或者使用

双腔加样器(Hemaedics公司，马里布，加利福尼亚州)(n＝5只动物)或MICROMYST^TM双腔加样器(Confluent外科器械公司，沃尔瑟姆，马萨诸塞州)(n＝5只动物)在椎板切除术的两个部位均使用制剂1。观察到制剂1在其施用的数秒钟内与组织粘附。

对所有动物进行能达到L2和L5两者的单中线皮肤切口(通常为15cm长)来进行手术。使用标准的或Kerrison骨钳进行椎板切除术(平均2.5cm长，1.3cm宽)。所有的硬脊膜切开均在中线并且长度为1cm，并且在所有自发漏出CSF后进行缝合。

随机化进行对照的动物从闭合的缝合孔中漏出CSF。当肌肉和筋膜闭合时，所有对照部位(10/10)继续从硬脊膜切开针孔处漏出CSF。

在1～3天内所有对照组动物形成术后皮下积液(5/5，100％)。由缝合的皮肤闭口包含所有的积聚物，并且在1周检查时仍存在。假定积聚物为CSF，并且在4周检查时切口平坦积聚物被吸收。与对照组的5/5(100％)相比，制剂1动物中仅有一只(10％)表现出术后皮下液体积聚。(用

应用的制剂1没有漏液，用MICROMYST^TM的制剂1有1只漏液，所有对照组均漏液。)尽管不希望受任何理论限制，制剂1的渗漏可能是由于加样器(层的厚度)而不是制剂。

随机接受制剂1治疗的动物在施用后进行瓦尔萨尔瓦手法达20cmH₂O。在施用水凝胶后，尽管进行了瓦尔萨尔瓦手法，但用制剂1治疗的部位没有渗漏。

在缝合线上使用的平均体积和厚度对于MICROMYST^TM组为1.3mL体积和2.7mm厚度，对组为2.2mL体积和3.3mm厚度。由于椎板切除术的宽度是硬脊膜囊的全宽，在各个椎板切除术部位的槽是深的并且向下延伸至神经根。因此，虽然在缝线上制剂1的平均厚度为大约3.3mm，在一些情况下流进槽内的厚度可能接近8-10mm。

在1、4、8和16周对所有动物进行神经学缺陷评估。评估集中于应激(alertness)引起的神经学后遗症、运动功能、脑神经功能和状态。没有在任何参加的动物身上发现神经学缺陷。除了一只由于与手术无关的原因早期死亡外，从最初的手术操作开始所有动物均保持健康没有可检测的后遗症。这些结果表明，当用于脊柱内并实质上在脊柱内鞘膜外的组织，包括硬膜外和硬脊膜外隙以及脊柱附近的脊神经或神经根时，低溶胀水凝胶是有效的。

所有本文提及的专利申请、出版物和专利通过引用方式并入本文，其与本说明书的明确公开不相抵触。已经描述了多种实施方案以提供本文公开的水凝胶的实施例而并不意图限制；所述实施方案的特征和元素可以相互混合-并-匹配以达到它们产生方便使用的结合的程度。

Claims

1、一种方法，所述方法包括：通过原位聚合形成低溶胀生物可降解性水凝胶，所述水凝胶与脊柱内并实质上在脊柱内鞘膜外的组织粘附。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述水凝胶实质上限于选自由硬膜外隙和硬脊膜外隙组成的组中的脊柱的一部分。

3、根据权利要求1所述的方法，其中，所述组织为脊神经根。

4、根据权利要求1所述的方法，其中，所述水凝胶在将第一前体和第二前体相互混合后在少于大约10秒钟内由含有第一官能团的第一合成前体和含有第二官能团的第二合成前体交联而形成凝胶。

5、根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一官能团包含亲核体，并且所述第二官能团包含亲电体。

6、根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一合成前体选自由二赖氨酸、三赖氨酸和四赖氨酸组成的组。

7、根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一合成前体包含不超过五个含有至少两个赖氨酸基团的残基的低聚肽序列。

8、根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二合成前体包含具有核和臂的多臂前体，所述臂各自包含具有从大约250至大约5000分子量的聚乙二醇。

9、根据权利要求8所述的方法，其中，所述核选自由聚醚、聚氨基酸、蛋白质和多元醇组成的组。

10、根据权利要求8所述的方法，其中，所述核选自由聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚环氧乙烷-共-聚环氧丙烷、共聚环氧乙烷共聚物、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨基酸、葡聚糖、蛋白质、其衍生物及其组合组成的组。

11、根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：在药物存在的条件下形成所述水凝胶。

12、根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述水凝胶包括：使含有至少三个第一官能团的第一合成前体与含有至少三个各自具有第二官能团的臂的第二合成聚合物前体反应，其中所述第一官能团与所述第二官能团反应而在第一合成前体和第二合成聚合物前体之间形成共价交联，并且当暴露于生理溶液时，所述水凝胶溶胀大约-50wt％至大约50wt％。

13、根据权利要求12所述的方法，其中，在使所述第一前体与所述第二前体接触后少于大约10秒钟内，第一前体和第二前体交联形成所述水凝胶。

14、根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二前体的臂各自含有具有从大约250至大约5000分子量的聚乙二醇。

15、根据权利要求12所述的方法，其中，所述水凝胶进一步含有药物。

16、一种组合物，所述组合物包含：

含有第一官能团的第一合成前体；

含有具有核和从大约3至大约12个臂的多臂前体的第二合成前体，所述臂各自含有具有从大约250至大约5000分子量的聚乙二醇并在其末端各自含有第二官能团；

其中，所述第一官能团与第二官能团交联，从而形成水凝胶，该水凝胶溶胀大约-50％至大约50％。

17、根据权利要求16所述的组合物，其中，所述水凝胶收缩使重量减少大约1％至大约50％。

18、根据权利要求16所述的组合物，其中，所述第一官能团含有亲核体，并且所述第二官能团含有亲电体。

19、根据权利要求16所述的组合物，其中，所述第一合成前体选自由二赖氨酸、三赖氨酸和四赖氨酸组成的组，并且所述第二合成前体的核选自由聚醚、聚氨基酸、蛋白质和多元醇组成的组。

20、根据权利要求16所述的组合物，所述组合物进一步包含药物。

21、根据权利要求16所述的组合物，所述组合物进一步包含显影剂。

22、根据权利要求21所述的组合物，其中，所述显影剂包含选自由FD&C蓝色#1、FD&C蓝色#2、FD&C蓝色#3、D&C绿色#6、亚甲蓝及其组合组成的组中的染料。

23、一种制备水凝胶的试剂盒，所述试剂盒包含：

含有第一官能团的第一合成前体；

包含具有核和从大约3至大约12个臂的多臂前体的第二合成前体，所述臂各自含有具有从大约250至大约5000分子量的聚乙二醇并在其末端各自含有第二官能团；

其中，第一官能团与第二官能团交联，从而形成水凝胶，该水凝胶溶胀大约-50％至大约50％。