CN102028968B - 外科用组合物 - Google Patents

Abstract

本发明公开涉及多组分水凝胶。该水凝胶可以包含具有亲核官能团的天然组分和亲电组分。在实施方式中，至少一种组分可以被支化，使得药物、抗体、酶等被引入到其中，该组分可以与水凝胶的至少一种其它组分反应。

Description

外科用组合物

相关申请的交叉引用

本申请要求受益于并享受在2009年10月2日提交的美国临时专利申请第61/247,998号的优先权，其公开的内容以整体引用的方式并入说明书中。

背景技术

本发明公开涉及水凝胶。具体而言，本公开涉及一种其中可以包含生物活性剂的多组分水凝胶。

已知具有亲电和亲核官能团的生物相容的交联聚合物在形成水凝胶中的用途。这些水凝胶可以用于多种外科应用中。例如，这些水凝胶可以用作伤口的密封剂、将外科植入物粘附到组织上的胶水、药物传输装置、涂层及其组合等。

目前仍然渴望可以用作能够为细胞提供生长发育成分的组织支架的生物相容的聚合物。

发明内容

本发明公开提供了组织支架，制备该组织支架的方法，以及使用该组织支架修复组织缺陷的方法。在实施方式中，本发明公开的组织支架可以包含：第一水凝胶前体，其包含天然组分，例如胶原、血清、明胶、透明质酸及其组合；和第二水凝胶前体，其包含亲电官能团，例如N-羟基琥珀酰亚胺、琥珀酰亚胺琥珀酸酯、琥珀酰亚胺丙酸酯、磺化琥珀酰亚胺、异氰酸酯、硫氰酸酯、碳二亚胺、苯并三唑碳酸盐(benzotrizole carbonate)及其组合，其中，所述第一水凝胶前体与第二水凝胶前体反应形成组织支架。

在实施方式中，本发明公开的方法可以包括如下步骤：确认软骨缺陷；清洗软骨缺陷；向缺陷处引入包含天然组分(例如胶原、血清、明胶、透明质酸及其组合)的第一水凝胶前体和包含N-羟基琥珀酰亚胺亲电官能团的第二水凝胶前体，其中，所述第二水凝胶前体可以为聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚环氧乙烷-共聚-聚环氧丙烷、共聚环氧乙烷嵌段或无规共聚物、聚乙烯醇、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(氨基酸)、葡聚糖、壳聚糖、藻酸盐、羧甲基纤维素、氧化纤维素、羟乙基纤维素、羟甲基纤维素、透明质酸、白蛋白、胶原、干酪素、明胶及其组合；和使所述第一水凝胶前体与第二水凝胶前体反应形成水凝胶，其中所述水凝胶在软骨缺陷处形成组织支架。

在另一方面，本发明公开提供了用于修复组织缺陷(特别是修复软骨缺陷)的包含天然组分(例如胶原、血清、明胶、透明质酸及其组合)的第一水凝胶前体和包含亲电官能团(例如，N-羟基琥珀酰亚胺、琥珀酰亚胺琥珀酸酯、琥珀酰亚胺丙酸酯、磺化琥珀酰亚胺、异氰酸酯、硫氰酸酯、碳二亚胺、苯并三唑碳酸盐及其组合)的第二水凝胶前体，其中，所述第一水凝胶前体与第二水凝胶前体反应形成如在说明书中所述的组织支架。

根据本发明公开的上述方面，在将所述第一和/或第二水凝胶前体引入前，清洗软骨缺陷是有利的。

在又一方面，本发明公开提供了在修复组织缺陷(特别是软骨缺陷)时同时、分别或依次施用包含天然组分(例如胶原、血清、明胶、透明质酸及其组合)的第一水凝胶前体和包含亲电官能团(例如N-羟基琥珀酰亚胺、琥珀酰亚胺琥珀酸酯、琥珀酰亚胺丙酸酯、磺化琥珀酰亚胺、异氰酸酯、硫氰酸酯、碳二亚胺、苯并三唑碳酸酸及其组合)的第二水凝胶前体。

在另一方面，本发明公开提供了用于修复组织缺陷(特别是软骨缺陷)的试剂盒，其包含：包含天然组分(例如胶原、血清、明胶、透明质酸及其组合)的第一水凝胶前体和包含亲电官能团(例如N-羟基琥珀酰亚胺、琥珀酰亚安琥珀酸酯、琥珀酰亚胺丙酸酯、磺化琥珀酰亚胺、异氰酸酯、硫氰酸酯、碳二亚胺、苯并三唑碳酸盐及其组合)的第二水凝胶前体。在实施方式中，根据本发明的试剂盒还包括合适的包装和/或关于组织缺陷(特别是软骨缺陷)的修复的使用说明书。

具体实施方式

本发明公开提供了包含亲电前体(有时在说明书中称作亲电交联剂)和亲核组分的水凝胶。在实施方式中，所述亲核组分为天然组分，其可以被亲电交联剂交联形成水凝胶。在实施方式中，所述水凝胶可以为可生物降解的。在说明书中使用的术语“可生物降解”定义为同时包括可生物吸收的和可生物再吸收的物质。可生物降解指的是所述物质在体内环境下分解或者失去结构完整性(例如酶降解或水解)或在体内的生理环境下分解(物理地或化学地)使得降解产物可被身体排泄出去或吸收。

所述水凝胶可以在原位形成，并可以用作药物传送装置或组织支架及其组合等。在实施方式中，所述水凝胶在植入位置可以传输和/或释放生物因子/分子和/或细胞。因而，本发明公开的水凝胶被用作组织支架，其可以通过向周围组织提供所需的营养和生物活性剂促进本身组织的再生长。在一些实施方式中(将在后面进一步描述)，水凝胶本身可以包括天然的组分，例如，胶原、明胶、透明质酸及其组合等，因而，随着水凝胶的降解，天然组分可以在植入位置处被释放。在说明书中使用的术语“天然组分”包括可以在自然界中发现的或者由自然界中发现的组合物/有机物中衍生得到的聚合物、物质的组分、材料及其组合等。天然的组分也可以包括在自然界中发现的但是可以通过人工合成的组分，例如，通过使用用于产生天然/合成/生物重组体物质的方法，以及能够产生具有与在自然界中发现的蛋白具有相同序列的蛋白的方法，和/或能够产生具有与天然物质相同的结构和组分的物质的方法人工合成的组分，例如，市售可得的合成的透明质酸，如，其可以从SigmaAldrich购买。

例如，用于在组织上或者组织中形成水凝胶的组分包括原位形成材料。所述原位形成材料可以包括在“原位”形成水凝胶的单一前体或多种前体，这意味着水凝胶的形成发生在活的动物或人体内的组织中。一般而言，在实施方式中，这可以通过使在施用时能够被活化的前体形成水凝胶来实现。可以通过多种方法进行活化，这些方法包括，但不限于，如pH、电离度、温度等的环境变化。在其它实施方式中，所述用于形成水凝胶的组分可以在身体外面接触，然后作为植入体(例如，(预形成)的组织支架)引入到患者体内。

如上所述，原位形成材料可以由一种或多种前体制备。所述前体可以为，例如单体或大分子单体。一种前体可以含有亲电或亲核的官能团。亲电试剂与亲核试剂反应形成共价键。共价交联或共价键指的是通过不同聚合物上的官能团的反应形成的化学基团，该化学基团起到使不同的聚合物相互共价地结合的作用。在某一实施方式中，第一前体的第一组亲电官能团可以与第二前体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或溶剂)中混合所述前体时，所述官能团相互反应形成共价键。当至少一些前体可以与不止一种的其它前体反应时，所述前体就被交联。例如，具有两个第一类官能团的前体可以与具有至少3个能够与第一类官能团反应的第二类官能团的交联前体反应。

在实施方式中，所述水凝胶可以由一种或多种前体形成。例如，在所述水凝胶由多种前体形成时，例如，两种前体，所述前体可以称作第一和第二水凝胶前体。术语“第一水凝胶前体”和“第二水凝胶前体”分别指的是可以参与反应形成交联分子的网络(如，水凝胶)的聚合物、功能聚合物、大分子、小分子或交联剂。

在说明书中使用的术语“官能团”指的是能够彼此反应形成键的亲电或亲核基团，例如，亲电官能团包括N-羟基琥珀酰亚胺(″NHS″)；磺化琥珀酰亚胺；碳酰二咪唑；磺酰氯；芳基卤化物；磺化琥珀酰亚胺酯；N-羟基琥珀酰亚胺酯；琥珀酰亚胺酯，例如琥珀酰亚胺琥珀酸酯和/或琥珀酰亚胺丙酸酯；异氰酸酯；硫氰酸酯；碳二亚胺；苯并三唑碳酸盐；环氧化物；醛；马来酰亚胺；亚氨酸酯及其组合等。在实施方式中，所述亲电官能团为琥珀酰亚胺酯。

所述亲电水凝胶前体可以具有生物惰性的和水溶性核，以及非水溶性的核。当所述核为水溶性的聚合物区域时，可以使用的合适的聚合物包括：聚醚，例如聚环氧烷烃，如聚乙二醇(“PEG”)、聚环氧乙烷(“PEO”)、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷共聚物(“PPO”)、环氧乙烷的嵌段或无规共聚物和聚乙烯醇(“PVA”)；聚(乙烯基吡咯烷酮)(“PVP”)；聚(氨基酸)；聚(糖)，例如，葡聚糖、壳聚糖、藻酸盐、羧甲基纤维素、氧化纤维素、羟乙基纤维素、羟甲基纤维素；透明质酸；以及蛋白，例如白蛋白、胶原、干酪素和明胶。在实施方式中，可以使用前述聚合物的组合。

在一些实施方式中可以使用聚醚，特别是聚(氧化烯)或聚(乙二醇)或聚乙二醇。当就分子性能而言核较小时，任意种类的亲水官能团可以用于使第一和第二水凝胶前体可水溶。例如，如羟基、胺基、磺酸根(sulfonate)和羧酸根的官能团为可水溶性的，可以用于使前体可水溶。例如，琥珀酸的N-羟基琥珀酰亚胺(″NHS″)酯在水中为不溶的，但是通过将磺酸根加入到琥珀酰亚胺环上可以使琥珀酸的NHS酯水溶，而不影响胺基的反应性。

第一和第二水凝胶前体各自可以为多官能度，意味着其可以包含两个以上的亲电或亲核官能团，例如，使得第一水凝胶前体上的亲核官能团可以与第二水凝胶前体上的亲电官能团反应形成共价键。第一或第二水凝胶前体中的至少一种包含超过两个的官能团，因此，作为亲电-亲核反应的结果，所述前体结合形成交联的聚合产物。

具有亲电官能团的大分子可以为多臂。例如，所述大分子可以为具有从核中延伸出的具有4、6、8或更多臂的多臂PEG。所述核可以与形成臂的大分子相同或不同。例如，所述核可以为PEG，以及所述多臂也可以为PEG。在实施方式中，所述核可以为天然聚合物。

亲电交联剂的分子量(Mw)为大约2,000道尔顿(Da)至大约100,000Da；在实施方式中，为大约10,000Da至大约40,000Da。多臂前体的分子量可以根据臂的数目的不同而不同。例如，具有1000Mw的PEG的臂具有足够的CH₂CH₂O基团来达到总数至少1000Mw。单个臂的相加分子量可以为大约250Da至大约5,000Da；在实施方式中，为大约1,000Da至大约3,000Da，在实施方式中为大约1,250Da至大约2,500Da。在实施方式中，所述亲电交联剂可以为被多个NHS基团官能化的多臂PEG，例如，该多臂PEG具有4、6或8臂，分子量为大约5,000Da至大约25,000Da。在美国专利第6,152,943号；第6,165,201号；第6,179,862号；第6,514,534号；第6,566,406号；第6,605,294号；第6,673,093号；第6,703,047号；第6,818,018号；第7,009,034号和第7,347,850号中描述了合适的前体的其它实例，其各自公开的内容以引用方式整体并入本文。

所述亲电前体可以为交联剂，该交联剂提供能够与另一组分上的亲核官能团结合的亲电官能团，在实施方式中，所述另一组分为天然组分。所述天然组分对施用亲电交联剂的患者来说可以是内源性的，或者可以外源性地施用。

在实施方式中，所述前体之一可以为具有亲核基团的天然组分。可以存在的亲核基团包括，例如，-NH₂、-SH、-OH、-PH₂和-CO-NH-NH₂。

例如，所述天然组分可以为胶原、明胶、血液(包括血清，其可以是全血清或其提取物)、透明质酸、蛋白、白蛋白、其它血清蛋白、血清浓缩物、富含血小板的血浆(prp)及其组合等。可以使用的或者可以加入到另一种天然组分中的另外的合适的天然组分(有时在本说明书中称作生物活性剂)包括，例如，干细胞、DNA、RNA、酶、生长因子、肽、多肽、抗体、其它含氮的天然分子及其组合等。其它天然组分可以包括上述化合物的衍生物，例如，改性的透明质酸、葡聚糖、其它多糖、聚合物和/或多肽，包括：可以为天然得到的、合成的或生物学上得到的胺化的多糖。例如，在实施方式中，可以改性透明质酸以使其亲核。

在实施方式中，任意上述天然组分可以通过合成制备，例如使用本领域的技术人员已知的方法合成透明质酸。同样地，在实施方式中，所述天然组分可以为天然或合成的长链胺化的聚合物。也可以改性天然组分，即，胺化以形成亲核聚合物。

所述天然组分可以在原位向与其接触的组织提供细胞构成团块或细胞营养。例如，血清包含用于组织的形成或再生的蛋白、葡萄糖、凝固因子、矿物离子和激素。

在实施方式中，所述天然组分包括全血清。在实施方式中，所述天然组分为自体同源的，即，来自形成(或即将形成)水凝胶的体内的胶原、血清、血液等。照这样，即将使用水凝胶的人或动物可以提供用于形成水凝胶的天然组分。在这个实施方式中，所得的水凝胶为半自体同源的，包括合成的亲电前体和自体同源/内源的亲核前体。

在实施方式中，多官能的亲核聚合物(例如具有多个胺基的天然组分)可以用作第一水凝胶前体，以及多官能亲电聚合物(例如被多个NHS官能团官能化的多臂PEG)可以用作第二水凝胶前体。在实施方式中，所述前体可以为溶液形式，其可以结合形成水凝胶。作为原位形成材料体系的部分的任何溶液不能包含有害的或有毒的溶剂。在实施方式中，所述前体基本上可以溶于溶剂(例如水)中而使得与生理相容的溶液的形式施用，例如缓冲的等渗生理盐水(buffered isotonic saline)。

在实施方式中，水凝胶可以由作为天然组分的胶原和明胶与用作交联剂的多官能化的PEG化合反应形成。在实施方式中，使用合适的溶剂可以将所述胶原或明胶置于溶液中。这种缓冲溶液可以具有大约8至大约12的pH值，在实施方式中，具有大约8.2至大约9的pH值。这种缓冲溶液的实例包括，但不限于，硼酸盐缓冲溶液等。

在第二溶液中，亲电交联剂(在实施方式中，被亲电基团(例如，N-羟基琥珀酰亚胺)官能化的多臂PEG)可以在缓冲溶液中制备，例如，Hanks平衡盐溶液(Hanks Balanced Salt solution)、达尔伯克改良伊格尔培养基(Dulbecco′s Modified Eagle′s Medium)、磷酸盐缓冲生理盐水、水、磷酸盐缓冲液及其组合等。亲电交联剂(在实施方式中为被N-羟基琥珀酰亚胺基团官能化的多臂PEG)可以以大约0.02g/mL至大约0.5g/mL(在实施方式中以大约0.05g/mL至大约0.3g/mL)的浓度存在于包含上述缓冲溶液的溶液中。

可以原位引入所述两种组分，其中，所述多臂PEG的亲电基团交联胶原和/或明胶的胺亲核组分。天然组分与亲电组分的比率(即，胶原∶PEG)可以为大约0.1∶1至大约100∶1，在实施方式中，为大约1∶1至大约10∶1。

所述天然组分，例如，胶原、明胶和/或透明质酸可以至少以水凝胶的大约1.5重量％的浓度一起存在，在实施方式中，以水凝胶的大约1.5重量％至大约20重量％存在，在其它实施方式中，以水凝胶的大约2重量％至大约10重量％存在。在某些实施方式中，胶原可以以水凝胶的大约0.5重量％至大约7重量％存在，在另一实施方式中，以水凝胶的大约1重量％至大约4重量％存在。在又一实施方式中，明胶可以以水凝胶的大约1重量％至大约20重量％存在，在另一实施方式中，以水凝胶的大约2重量％至大约10重量％存在。在再一实施方式中，混合(combine)作为天然组分的透明质酸和胶原可以以水凝胶的大约0.5重量％至大约8重量％存在，在另一实施方式中，以水凝胶的大约1重量％至大约5重量％存在。还可以预见所述透明质酸可以不作为“结构性”组分存在，而是作为生物活性剂存在。例如，透明质酸可以以低达溶液/凝胶的0.001重量％的浓度存在于溶液/凝胶中，并具有生物活性。

所述亲电交联剂可以以水凝胶的大约0.5重量％至大约20重量％存在，在实施方式中，以水凝胶的大约1.5重量％至大约15重量％存在。

原位形成材料可以通过共价键、离子键或疏水键形成。络合作用、氢键、去溶剂化、范德华相互作用、离子键合及其组合等可以导致物理(非共价)交联，并且可以通过混合两种前体(直至原位混合前它们是物理上分开的)而被引发，或者作为生理环境的通常条件的结果而被引发，这些条件包括：温度、pH、离子强度及其组合等。化学(共价)交联可通过许多机理中的任意一种机理实现，这些机理包括：自由基聚合、缩聚、阴离子或阳离子聚合、逐步增长聚合、亲电-亲核反应及其组合等。

在一些实施方式中，原位形成材料体系可以包括生物相容的多前体体系，当将前体混合时，所述多前体体系自动交联，但是其中两种以上的前体在沉积期间(deposition process)各自稳定。在其它实施方式中，原位形成材料可以包括与内源材料和/或组织交联的单一的前体。

通过交联剂和天然组分的总分子量和每个分子能够提供的的官能团的数目可以控制所得的生物相容的交联聚合物的交联密度。与更高的分子量(例如10,000Da)相比，交联体之间的低分子量(例如600Da)将得到更高的交联密度。用具有大于3000Da的分子量的更高分子量的天然组分可以得到弹性凝胶。

通过交联剂和天然组分溶液的总体固体百分比也可以控制交联密度。增加固体百分比将会在水解钝化之前增加亲电基团与亲核基团化合反应的几率。控制交联密度的又一方法是调节亲核基团与亲电基团的化学计量。1∶1可以导致最高的交联密度，然而，可以预见其它反应活性官能团的比率(例如，亲电∶亲核)适合于所需的配方(to suit a desired formulation)。

包含亲核官能团的天然组分与亲电官能化的前体反应形成水凝胶。所述反应可以在原位发生或在身体外面发生反应以将来移植到其中或其上。在实施方式中，本发明公开的水凝胶可以通过前体化合反应制备，所述前体在被施用到表面上(例如，在患者的组织上)之后迅速交联形成原位形成材料。

如此制备的水凝胶可以为可生物吸收的，因而无需从体内回收。可吸收的材料被生物组织吸收并在一定的期间内在体内消失，例如，根据所述材料的化学性质，所述期间是可以变化的，例如，其可以为一天至数月。可吸收的材料同时包括天然的和合成的可生物降解的聚合物和可生物蚀解的聚合物。

在实施方式中，可以包含具有存在于官能团之间的可生物降解的连接的一种或多种前体以制备生物可降解或可吸收的水凝胶。在一些实施方式中，例如，这些连接可以为在生理溶液中可以通过水解降解的酯。使用这种连接可与可以被蛋白水解作用降解的蛋白连接相媲美(be in contrast to)。可生物降解的连接也可以非必需地形成一种或多种前体的的水溶性核部分。或者，或此外，可以选择前体的官能团使得它们之间的反应的产物生成可生物降解的连接。对于各种方法，可以选择可生物降解的连接使得所得的可生物降解的生物相容的交联聚合物在所需的时期内降解或者被吸收。一般而言，可以选择在生理条件下将所述水凝胶降解成无毒的或低毒产物的可生物降解的连接。

不管是天然组分部分或者引入到合成的亲电交联剂的部分，由于可生物降解区域的水解或酶促降解使得本发明公开的凝胶可以降解。包含合成肽序列的凝胶的降解将取决于特异酶及其浓度。在一些情形下，在交联反应过程中可加入特异酶以加速降解过程。在没有任何可降解酶的情况下，所述交联聚合物可以单独地通过可生物降解部分的水解而降解。在其中聚甘醇酸酯(polyglycolate)被用作可生物降解部分的实施方式中，根据网络的交联密度所述交联的聚合物可以在大约1天至大约30天内降解。类似地，在其中使用聚己酸内酯基的交联网络的实施方式中，在大约1个月至大约8个月的时期内可以发生降解。降解的时间通常根据所使用的可降解的部分的类型而变化，降解时间的次序如下：聚甘醇酸酯＜聚乳酸酯＜聚碳酸亚丙基酯＜聚己酸内酯。因此，使用合适的降解部分，可以制备具有所需的降解性能的水凝胶，从数天至数月。

在使用时，由可生物降解链段(例如，用于形成亲电交联剂的PLURONIC^TM或TETRONIC ^TM聚合物中的低聚醇酸链段或疏水性的PPO链段)产生的疏水性可以有助于溶解小有机药物分子。由于加入可生物降解的或疏水链段而受到影响的其它性能包括：吸水率、机械性能和热敏性。

可以根据所需的用途选择原位形成材料体系的性能。例如，如果原位形成材料打算用于暂时堵塞生殖器官，例如输卵管，较理想地，原位形成材料体系经历显著的溶胀并为可生物降解的。或者，原位形成材料具有血栓形成性，或者其前体可以与血液或其它体液反应形成凝块。在实施方式中，所述前体(其可以内源性的或外源性地施用)与血液或体液反应，从而形成组织支架。

其它用途可能需要所述原位形成材料体系的不同特性。一般而言，应该基于显示的生物相容性和无毒性来选择材料。

可以应用原位形成材料的某些性能，这些性能包括：对各种组织的粘附性、能够使外科医生精确和方便地放置原位形成材料的合意的凝固时间、用于生物相容性的高含水量(其与水凝胶紧密相关)、用于密封剂的机械强度和/或在植入后对抗破坏的韧性。可以使用容易消毒并可避免由于使用天然材料引起的疾病的传播的合成材料。实际上，使用合成的前体制备的某些原位可聚合的水凝胶是本领域的技术人员所熟知的，例如，所使用的市售可得的产物，如(Genzyme，Inc.)、(Angiotech Pharmaceuticals)和(Confluent Surgical，Inc)。其它已知的水凝胶包括，例如，在美国专利申请第6,656,200号；第5,874,500号；第5,543,441号；第5,514,379号；第5,410,016号；第5,162,430号；第5,324,775号；第5,752,974号；和第5,550,187号描述的那些水凝胶。

如上所述，在实施方式中，可以包含支化的多臂PEG(在本说明书中有时称作星形PEG)以形成本发明公开的水凝胶。可以使星形PEG官能化使得其臂包含生物官能团(例如氨基酸、肽、抗体、酶、药物及其组合)，或使在其核、臂或在臂的末端的其它部分(例如生物活性剂)官能化。也可以将生物官能团引入到PEG的主链上，或者附着到包含在PEG主链上的反应基团上。所述结合可以为共价或非共价结合，包括静电、硫醇介导的、肽介导的或使用已知的反应化学试剂，例如具有卵白素的生物素。

引入到星形PEG上的氨基酸可以为天然的或合成的，并可以单独使用或作为肽部分使用。可以使用序列进行细胞粘附、细胞分化及其组合等，并可以有利于结合其它生物分子，例如生长因子、药物、细胞活素类、DNA、抗体、酶及其组合等。这些氨基酸可以通过星形PEG的酶促降解而释放。

这些星形PEG还可以包含上述官能团来其引入到水凝胶中。所述星形PEG可以用作亲电交联剂或者，在实施方式中，除了上述的亲电交联剂外，还可以用作单独的组分。在实施方式中，所述星形PEG可以包含结合到亲核基团上的亲电基团。如上所述，所述亲核基团可以为用于形成本发明公开的水凝胶的天然组分部分。

在一些实施方式中，生物官能团可以通过可降解连接包括在星形PEG中，所述连接包括通过PEG羧酸或活化的PEG羧酸与生物官能团上的醇基反应形成的酯连接。在这种情况下，所述酯基团可以在生理条件下水解以释放生物官能团。

在实施方式中，原位形成材料还可以包含引发剂。引发剂可以为能够引发形成所述原位形成材料的聚合反应的任何前体或基团。

原位聚合

在使用前可以溶解所述前体以形成溶液，将该溶液施用给患者。如在本说明书中所使用，溶液可以为均相的，异相的、相分离的等。在其它实施方式中，所述前体可以在乳液中。适合于本发明公开的用途的溶液包括可以在腔中或空隙中形成植入体的那些溶液。当采用两种溶液时，各溶液可以包含一种通过接触形成原位形成材料的前体。所述溶液可以分别存储并在传输给组织时混合。

如上所述的亲电交联剂可以与天然组分反应以产生交联的聚合网络。一般而言，可以将交联剂的水溶液与天然组分混合以产生交联的水凝胶。形成交联的聚合水凝胶的反应条件取决于官能团的性能。在实施方式中，在pH为大约5至大约12的缓冲水溶液进行反应。缓冲水溶液包括，例如，磷酸盐缓冲生理盐水(PBS)、Hanks平衡盐溶液、达尔伯克改良伊格尔培养基、水、磷酸盐缓冲溶液、硼酸钠缓冲溶液、三乙醇胺缓冲溶液及其组合等。在一些实施方式中，可以加入有机溶剂(例如乙醇或异丙醇)以提高反应速率或调节给定制剂的粘度。

当亲电交联剂是合成的(例如，基于聚环氧烷烃)，合意的是使用摩尔当量的反应物。在一些情况下，可以加入摩尔过量的亲电交联剂以补偿副反应，例如由于官能团的水解引起的反应。

如果需要所得的生物相容的交联的聚合物为生物可降解的，当选择亲电交联剂和天然组分时，至少一种前体可以具有超过两个官能团/分子和至少一个可降解的区域。

可以制备适合于使前体交联反应原位发生的制剂。一般而言，这可以通过使前体形成水凝胶来实现，所述前体在施用到组织上时能够被活化。假定使前体在交联前与组织的形状一致且相关的凝胶化作用不是太提前，可以在将前体施用到组织之前、之中或之后进行活化。活化包括，例如，使含有相互反应的官能团的前体混合。因此，原位聚合包括使化学部分活化形成共价键以在患者体内、体表或者同时在体内和体表上植入材料的地方形成不溶的材料，例如，水凝胶。原位可聚合的聚合物可以由能够反应的前体制备，以使所述前体在患者体内形成聚合物。因此可以使含有亲电官能团的前体与亲核官能团的前体混合，要不然，在含有亲核官能团的前体的存在下使含有亲电官能团的前体活化。

至于涂布组织，本公开不受限于具体的操作理论，相信在与组织表面接触后迅速交联的活性反应前体形态可以形成与涂布的组织机械互锁的三维结构。这种互锁促成组织的涂布区域的粘附、密切接触和持续覆盖。在其它实施方式中，在使用亲电前体时，这种前体可与组织中的自由胺反应，从而用作将所述水凝胶粘附到组织上的方法。

在一些实施方式中，在大约1秒至大约5分钟，在实施方式中，在大约3秒至大约1分钟的时间内可以发生导致胶凝的交联反应；本领域的技术人员将会立即理解这些明确声明范围内的所有范围和数值都是经慎重考虑的。例如，在实施方式中，根据本发明公开的水凝胶的原位胶凝时间少于大约20秒，以及在一些实施方式中，少于大约10秒，以及在再一实施方式中，少于大约5秒。

施用

如上所述，亲电交联剂可以通过自身引入，由此其可以交联内源性天然组分。或者，可以从患者身上得到的或者从其它来源上得到天然组分，然后，与亲电交联剂一起引入以形成本发明公开的水凝胶，例如，如血浆。在使用前，可以将前体置入到溶液中，将该溶液施用给患者。可以使用注射器来传输单一的前体，即，亲电交联剂，或使用双注射器或类似的装置来传输超过一一种的前体溶液，例如，在美国专利第4,874,368号、第4,631,055号、第4,735,616号、第4,359,049号、第4,978,336号、第5,116,315号、第4,902,281号、第4,932,942号、第6,179,862号、第6,673,093号和第6,152,943号中所述的那些。

在其它实施方式中，可以将所述前体结合来生成膜或泡沫，然后可以将这些膜和泡沫植入到患者体内。生成膜和泡沫的方法为本领域的技术人员所知，其包括但不限于喷雾法、膜铸塑法、冻干技术等。

用途

如上所述，本发明公开的水凝胶可以用作组织粘合剂或密封剂。所述水凝胶也可以用于修复组织缺陷。如在本说明书中所用的“组织缺陷”可以包括任何偏离正常、健康状态的损坏(breakdown)。这种损坏可能归因于内因(退行性疾病)或者外因(例如受伤)。组织的正常结构的任何变异可以为“组织缺陷”。在一些实施方式中，当用于修复组织缺陷时，本发明公开的水凝胶可以称作组织支架。

所述水凝胶组合物可以用于软骨修复、腱修复、韧带修复、骨关节炎的治疗、骨填充剂、修复软组织缺陷、作为软/硬组织界面的填料、和/或一般器官或组织修复。一般器官或组织修复可以包括，例如，肠胃、胸腔、心脏、神经或其它器官的修复。

在实施方式中，当用于软骨修复时，使用本发明公开的水凝胶的方法可以包括确认软骨缺陷，然后清洗软骨缺陷。一旦软骨被清洗，可以将本发明公开的水凝胶组合物引入到缺陷中。如上所述，在实施方式中，可以将至少一种水凝胶前体引入到其中。在实施方式中，前体中的一种，有时称作第一水凝胶前体，可以为具有亲核基团的天然组分。如上所述，所述天然组分可以为内源性的或外源性施用的。含有亲电官能团的第二前体也可以使用上述的或者在本领域的技术人员已知的范围内的方法或装置施用到缺陷上。然后，使第一水凝胶前体和第二水凝胶前体反应形成水凝胶，其可在软骨缺陷处用作组织支架。

所述水凝胶可以为多孔或光滑的。在某些实施方式中，所述水凝胶可以为多孔。在本说明书中使用的术语“多孔”指的是所述水凝胶可以具有作为表面特征或疏松材料性能存在的部分或完全穿透水凝胶的限定开口和/或空间。可以使用本领域的技术人员已知的办法生成孔，这些方法包括，但不限于，例如，烧结方法、盐浸取法、糖或淀粉结晶法。多孔材料可以具有开孔(opencell)结构，其中，所述孔相互连接，形成互联的网络。相反，水凝胶可以为闭孔结构，其中，所述孔没有互联。

所述水凝胶可以涂布或包含额外的生物活性剂。如在说明书中所使用的术语“生物活性剂”是以最广泛的意义使用，并且包括具有临床用途的任何物质或物质的混合物。因此，生物活性剂本身可具有或不具有药理学上的活性，例如染料。

或者，生物活性剂可以为提供治疗或预防效果的任何试剂；影响或参与组织的生长、细胞生长、细胞分化的化合物；抗粘附化合物；能够激起生物响应(例如免疫响应)或者在一个或多个生物过程中起到任何其它作用的化合物。可以预想到，所述生物活性剂可以以任何合适的物质形式(例如，膜、粉、液体、凝胶等)施用到水凝胶上。

如上所述，在包括多臂PEG或PEG星的实施方式中，可以将所述生物活性剂引入到PEG的核、PEG的臂或其组合中。在实施方式中，可以将生物活性剂附着到PEG链的反应性基团上。生物活性剂可以通过硫醇介导或肽介导，或者使用生物素-卵白素化学品等共价地、非共价地(例如静电)结合。

根据本发明公开可以使用的生物活性剂类的实例包括，例如，抗粘附剂(anti-adhesives)、抗菌剂(antimicrobials)、镇疼剂(analgesics)、退热药(antipyretics)、麻醉剂(anesthetics)、抗癫痫剂(antiepileptics)、抗组胺类(antihistamines)、消炎药(anti-inflammatories)、心血管药物(cardiovasculardrugs)、诊断用药(diagnostic agents)、拟交感神经药(sympathomimetics)、拟胆碱能药(cholinomimetics)、抗毒蕈碱药(antimuscarinics)、镇痉剂(antispasmodics)、激素(hormones)、生长因子(growth factors)、肌松药(musclerelaxants)、肾上腺素能神经元阻滞剂(adrenergic neuron blockers)、抗肿瘤药(antineoplastics)、免疫原性试剂(immunogenic agent)、免疫抑制剂(immunosuppressants)、胃肠药(gastrointestinal drugs)、利尿剂(diuretics)、类固醇(steroids)、类脂(lipids)、脂多糖类(lipopolysaccharides)、多糖(polysaccharides)、血小板活化剂(platelet activating drug)、凝固因子(clottingfactors)和酶。还包括可以使用的生物活性剂的组合。

抗粘附剂可以用于防止在水凝胶和与目标组织相对的周围组织之间形成粘附。此外，抗粘附剂可以用于防止涂布的可植入的医疗器件与包装材料之间形成粘附。这些试剂的一些实例包括，但不限于，亲水聚合物，例如聚(乙烯基吡咯烷酮)、羧甲基纤维素、透明质酸、聚环氧乙烷、聚乙烯醇及其组合。

合适的抗菌剂(可以包含其作为生物活性剂)包括，例如，三氯生(又称2，4，4′-三氯-2′-羟基二苯基醚)；洗必泰及其盐，包括醋酸洗必泰、葡萄糖酸洗必泰、洗必泰盐酸盐和洗必泰硫酸盐；银及其盐，包括醋酸银、苯甲酸银、碳酸银、柠檬酸银、碘酸银、碘化银、乳酸银、月桂酸银、硝酸银、氧化银、棕榈酸银、蛋白银、磺胺嘧啶银；多粘菌素；四环素；氨基糖甙类，例如，妥布拉霉素和庆大霉素；利福平；枯草杆菌肽；新霉素；氯霉素；咪康唑；喹诺酮类，例如奥索利酸、诺氟沙星、萘啶酮酸、培氟沙星、依诺沙星和环丙沙星；青霉素类，例如苯唑西林和哌拉西林钠输注液(pipracil)；壬苯醇醚9；夫西地酸；先锋霉素类及其组合。此外，可以包含抗菌蛋白和肽，例如牛乳铁蛋白和乳铁蛋白肽B(lactoferricin B)作为生物活性剂。

可以作为生物活性剂包含的其它生物活性剂包括：局部麻醉药；非类固醇类的抗生育剂；拟副交感神经药；精神治疗药物；安定药；解充血药；镇静催眠药；类固醇；磺胺类药；拟交感神经药；疫苗；维生素；抗疟药；抗偏头痛药；抗震颤麻痹药，例如左旋多巴；镇痉剂；抗胆碱能药物(例如奥昔布宁)；镇咳药；支气管扩张剂；心血管药，例如冠脉扩张药和硝化甘油；生物碱(alkaloids)；镇痛药；麻醉药，例如可待因、二氢可待因酮、哌替啶、吗啡等；非-麻醉药，例如水杨酸盐、阿斯匹林、扑热息痛、右丙氧芬(d-propoxyphene)等；阿片受体拮抗剂，例如纳屈酮和纳洛酮；抗癌药；抗惊厥剂；止吐药；抗组胺类；抗炎药，例如激素药、氢化可的松、泼尼松龙、泼尼松、非激素药、别嘌呤醇、吲哚美辛、保泰松等；前列腺素和细胞毒类药物；化学治疗药物；雌激素；抗菌药物；抗生素；抗真菌药；抗病毒药物；抗凝血剂；抗惊厥剂；抗抑郁药；抗组胺类；和免疫药。

可以包含在水凝胶中的合适的生物活性剂的其它实例包括，例如，病毒和细胞，包括干细胞；肽、多肽和蛋白及其类似物、突变蛋白和它们的活性片段；免疫球蛋白类；抗体；细胞活素类(例如，淋巴因子、单核因子、化学增活素)；血液凝血因子；造血因子；白细胞介素(IL-2、IL-3、IL-4、IL-6)；干扰素类(β-IFN、α-IFN和γ-IFN)；红细胞生成素；核酸酶；肿瘤坏死因子；集落刺激因子(例如，GCSF、GMCSF、MCSF)；胰岛素；抗肿瘤剂和肿瘤抑制基因；血液蛋白，例如纤维蛋白、凝血酶、纤维蛋白素原、合成凝血酶、合成纤维蛋白、合成维蛋白素原；维蛋白素原(例如，FSH、LH、CG等)；激素类和激素类似物(例如，生长激素)；疫苗(例如肿瘤、细菌和病毒抗原)；促生长素抑制素；抗原类；凝血因子；生长因子(例如，神经生长因子、胰岛素样生长因子)；成骨蛋白；TGF-B；蛋白抑制剂；蛋白拮抗剂；核酸，例如反义分子、DNA、RNA、RNAi；低聚核苷酸；聚核苷酸p；和核酶。

所述前体和/或由所述前体形成的水凝胶可以包含显色剂(visualizationagent)以提高在手术过程中它们的可见性。显色剂可以选自一系列无毒有色物质，例如适合用于可植入的医疗器件的染料。合适的染料在本领域的技术人员所知的范围内，并可以包括，例如当原位形成时用于显现水凝胶厚度的染料，例如，在美国专利第7,009,034号中所述的那些染料。在一些实施方式中，合适的染料可以包括，例如，FD&C Blue#1、FD&C Blue#2、FD&C Blue#3、FD&C Blue#6、D&C Green#6、亚甲蓝、吲哚花青绿、其它有色染料及其组合。可以预见的是可以使用额外的显色剂，例如荧光化合物(例如荧光素(flurescein)或曙红)、X射线造影剂(例如碘化的化合物)、超声波造影剂和MRI造影剂(例如含钆的化合物)。

所述显色剂可以存在于交联剂或者天然组分溶液中。所述有色物质可以或没有被并入到所得水凝胶中。然而，在实施方式中，所述显色剂没有能够与交联剂或天然组分反应的官能团。

所述显色剂的用量很小，在实施方式中，少于1％重量/体积，以及在其他实施方式中，少于0.01％重量/体积，在又一实施方式中，少于0.001％重量/体积浓度。

在实施方式中，所述生物活性剂可以被所述水凝胶所包裹。例如，所述水凝胶可以在生物活性剂周围形成聚合物微球。

当所述水凝胶被用作组织支架时，合意的是包含促进伤口愈合和/或组织生长的生物活性剂，包括菌落刺激因子、血液蛋白、血纤蛋白、凝血酶、纤维蛋白素原、激素或激素类似物、血液凝血因子、生长因子、成骨蛋白、TGF-β、IGF及其组合等。

由于所述水凝胶在原位水解，生物活性组分和加入的任何生物活性剂被释放。这可以从天然组分和生物活性剂向周围组织提供营养，从而促进组织的生长和/或再生。

提出的下面的实施例用于阐明本发明公开的实施方式。这些实施例意欲仅用于阐明，而非限制本发明公开的范围。此外，除非另外指出，份或者百分数均为重量份或重量百分数。

实施例1

按照如下方法制备水凝胶。使用超声发生器在大约37℃下将胶原溶解在硼酸盐缓冲溶液(pH 8.75)中大约5分钟得到最终浓度为大约3重量％至大约6重量％。然后离心所述胶原溶液以除去气体/气泡。另外，将多臂PEG溶解在Hanks缓冲溶液(中性pH)中以得到最终浓度为大约4重量％至大约40重量％。然后将两种溶液以1∶1的比率原位同时喷雾得到最终的凝胶浓度：大约1.5重量％至大约3重量％的胶原，以及大约2.5重量％至大约20重量％的PEG。

实施例2

除了胶原∶PEG为10∶1之外，按照实施例1中的方法制备水凝胶以得到最终凝胶浓度：大约0.5重量％至大约4重量％的多臂PEG，以及大约3重量％至大约6重量％的胶原。

实施例3

按照如下方法制备水凝胶。将明胶以大约5重量％至大约15重量％溶解在pH为大约8.25的硼酸盐缓冲溶液中。另外，将多臂PEG以大约5重量％至大约20重量％溶解在Hanks缓冲溶液中。将溶液以1∶1的比率原位同时喷雾得到最终的凝胶浓度：2.5重量％至大约7.5重量％的明胶，以及大约2.5重量％至大约10重量％的多臂PEG。

实施例4

按照如下方法制备水凝胶。将透明质酸以最高大约2重量％溶解在pH为中性的Hanks缓冲溶液中。接着，将多臂PEG以大约5重量％至大约20重量％的浓度加入到透明质酸溶液中。在另一容器中，将胶原以最终浓度为大约3重量％至大约6重量％溶解在硼酸盐缓冲溶液(pH 8.75)中。然后将两种溶液以1∶1的比率原位喷雾。最终的凝胶浓度：大约1重量％的透明质酸，大约1.5重量％至大约3重量％的胶原，以及大约2.5重量％至大约10重量％的多臂PEG。

实施例1、3和4的凝胶的组分归结在下面的表1中。

表1原位形成水凝胶配方和条件

4a10kSS：4臂PEG；分子量(Mw)10kDa；SS(琥珀酰亚胺琥珀酸酯)连接体

4a20kSG：4臂PEG；Mw 20kDa；SG(琥珀酰亚胺戊二酸酯)连接体

8a15kSG：8臂PEG；Mw 15kDa；SG连接体

*注意：浓度为各组分在按1∶1混合前的浓度。

应该指出当在原位形成上述列出的实施例时，所述材料可以在体外形成，然后用作原位植入物。

虽然上面的描述包含许多细节，但是这些细节不应该解释成限制本发明公开的范围，而是仅仅作为其优选的实施方式的例证。本领域的技术人员将会预见在本发明公开实质和范围内的许多其它可能的变化。

Claims (9)

1.一种组织支架，其包含：

第一水凝胶前体，其包含选自胶原、血清、明胶、透明质酸及其组合中的天然组分；和

第二水凝胶前体，其包含选自N-羟基琥珀酰亚胺、琥珀酰亚胺琥珀酸酯、琥珀酰亚胺丙酸酯、磺化琥珀酰亚胺、异氰酸酯、硫氰酸酯、碳二亚胺、苯并三唑碳酸盐及其组合中的亲电官能团，

其中，所述第一水凝胶前体与第二水凝胶前体反应形成所述组织支架，

其中，所述组织支架进一步包含用组分功能化的至少一种多臂聚乙二醇，所述组分选自生物活性剂。

2.根据权利要求1所述的组织支架，其中，所述天然组分包含亲核官能团。

3.根据权利要求1所述的组织支架，其中，所述第一水凝胶前体为外源性施用的。

4.根据权利要求1所述的组织支架，其中，所述第一水凝胶前体为内源性的，并且所述组织支架为半自体同源的。

5.根据权利要求1所述的组织支架，其中，所述第二水凝胶前体包含含有N-羟基琥珀酰亚胺基团的聚乙二醇。

6.根据权利要求1所述的组织支架，其中，所述至少一种多臂聚乙二醇具有4个臂。

7.根据权利要求1所述的组织支架，其中，所述第一水凝胶前体以组织支架的1.5重量％至20重量％存在，以及所述第二水凝胶前体以组织支架的0.5重量％至20重量％存在。

8.根据权利要求1所述的组织支架，其中，所述生物活性剂选自干细胞、DNA、RNA、酶、生长因子、肽、抗体及其组合。

9.一种用于修复组织缺陷的试剂盒，其包含：

第一水凝胶前体，其包含选自胶原、血清、明胶、透明质酸及其组合中的天然组分；和

第二水凝胶前体，其包含选自N-羟基琥珀酰亚胺、琥珀酰亚胺琥珀酸酯、琥珀酰亚胺丙酸酯、磺化琥珀酰亚胺、异氰酸酯、硫氰酸酯、碳二亚胺、苯并三唑碳酸盐及其组合中的亲电官能团，

其中，所述试剂盒进一步包含用组分功能化的至少一种多臂聚乙二醇，所述组分选自生物活性剂。