CN102596275B - 用于组织粘合剂的原位成型水凝胶及其生物医学用途 - Google Patents

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Abstract

本文公开了原位成型生物粘合水凝胶及其医学用途。所述水凝胶通过酶促反应原位交联成型，在生物相容性方面优于常规的生物粘合水凝胶。此外，该原位成型生物粘合水凝胶具有出色的生物相容性和机械强度，并且由于用或不用多巴衍生物进行修饰而具有出色的组织粘合性。该水凝胶在生物医学领域中有许多应用，包括：生物粘合剂或止血剂、用于组织再生和填充的植入材料、递送生物学活性物质或药物的载体等。

Description

用于组织粘合剂的原位成型水凝胶及其生物医学用途
技术领域
本发明涉及原位成型（in situ-forming）生物粘合水凝胶及其生物医学用途，所述原位成型生物粘合水凝胶结合有多巴衍生物，具有出色的生物相容性和机械强度，并显示出出色的生物粘合性。
背景技术
随着组织粘合剂研究和开发中的巨大发展，创伤护理市场（该市场中大部分针对封闭剂（sealants）和止血剂）快速地增长。由1998年FDA对纤维蛋白封闭剂的授权许可而引发，该市场中每年都会出现新的组织粘合剂。注意力现在集中在了作为用于常规外科手术或体内手术（如缝合术、夹闭术、烧灼术等）中的组织粘合剂的替代物的这些组织粘合剂。
常规的外科手术技术（如缝合术）保证了强拉伸强度，但是具有疼痛和需要在术后进行拆线的缺点。另一方面，组织粘合剂享有粘合时间短、用法简单、不需要术后移除等优点，但是，组织粘合剂表现出粘合性低、生物相容性差和拉伸强度差以及尤其是在水分存在的情况下粘合性显著降低的问题。研究现在集中于克服这些问题。
与组织直接接触的必要性要求组织粘合剂必须具有生物相容性。进一步而言，由于一般在生物体内使用组织粘合剂，例如在可与体液或血液直接接触的位置使用组织粘合剂，因此，必须对医用粘合剂应用更加严格的涉及毒性和有害性方面的条件及严格的生物相容性和生物降解性标准。
尽管组织粘合剂必须显示出与其所使用的不同区域或领域（如皮肤、血管、消化器官、脑神经、整形外科手术、骨外科手术（orthopedic surgery）、普通外科手术等）相对应的性质，组织粘合剂都需要具有共同的下述性质：1）在大气压力下于室温中（甚至在水分存在的情况下）必须快速粘合至靶区域；2）必须没有毒性且能够被灭菌；3）必须维持足够的机械强度并与创伤表面紧密接触；4）必须是生物可降解的并能够控制止血；和5）必须对创伤愈合有效。
目前商品化和/或使用的组织粘合剂有瞬时氰基丙烯酸酯胶（glues）、纤维蛋白胶、明胶胶和聚氨酯。最近，由于瞬时氰基丙烯酸酯胶具有高粘合性和高性能，人们对其有所关注。尤其是，由于用于组织闭合的瞬时胶具有的有益效果（包括止血、抗菌活性和能够作为缝合线的替代物），在发达国家中已经对该瞬时胶（具有生物相容性、柔韧性和低毒性）进行了深入的研究。
氰基丙烯酸酯组织粘合剂是可商购的，商品名为Dermabond（Johnson&Johnson）或Indermil（US Surgical）。这些由单一物质组成的氰基丙烯酸酯粘合剂可以仅使用水、而不需要引发剂的协助，于室温下在短时间段内固化，并且显示出透明的外观和强粘合强度，但是对碰撞和热的抵抗力都很低。此外，尽管氰基丙烯酸酯粘合剂已部分用于临床领域，但是高毒性和易破裂性（fragility）限制了它们的用途。在1998年，纤维蛋白胶最早得到了FDA批准，从那以后已将其应用于心脏手术。对纤维蛋白封闭剂的积极研究产生了商业化的产品，例如，Tisseel
Figure BDA00001603958300021
（Baxer）和EvicelTM（Johnson&Johnson）。
纤维蛋白封闭剂和氰基丙烯酸酯封闭剂一起占据了组织粘合剂市场的主要份额。利用纤维蛋白的凝结，纤维蛋白封闭剂的两个主要成分为纤维蛋白原和凝血酶，它们联合使用了氯化钙和因子XIII。作为对缝合术的替代或加固，将该封闭剂应用于外周神经和微细血管的闭合。
与以前的止血方法相比，纤维蛋白封闭剂具有多个优点：不受水的影响，它们加速靶部位处稳定结块的形成，此外，它们可以和血小板一起形成结块而无限制，并且在生物相容性方面很出色。然而，它们存在着粘合强度低、生物降解快和具有感染风险的缺点。
明胶胶（源自生物体）为一类用明胶-间苯二酚-福尔马林（GRF）开发的组织粘合剂。此外，存在由明胶-戊二醛制成的组织粘合剂。尽管这些组织粘合剂提供了高粘合性，但福尔马林或戊二醛会与靶组织的蛋白质进行交联反应，产生组织毒性。
作为柔韧粘合剂开发的聚氨基甲酸酯粘合剂在固化后可使闭合维持在其天然状态。这些粘合剂从组织表面吸收水以使其自身快速粘着至组织。这些粘合剂与水反应以在数分钟内固化，固化后的粘合剂除具有柔韧性外还适当地生物降解。然而，聚氨基甲酸酯粘合剂中使用的物质芳香族二异氰酸酯对生物体是有毒的。
因此，到目前为止开发出的组织粘合剂在毒性和低粘合性方面仍具有缺点。作为这些问题的解决方案，3,4-二羟苯基-L-丙氨酸（DOPA）变得流行并已得到深入研究。
多巴是天然存在的氨基酸。在多酚氧化酶存在的情况下，酪氨酸（在贻贝的足丝（foot of mussels）中大量发现）被羟基化为多巴。该氨基酸与亲水表面形成非常强的氢键，与金属或半金属形成强配位共价键。被氧化为多巴醌后，多巴残基发挥使蛋白质分子交联的作用。
基于多巴的组织粘合剂是可商购的，被称为Cell-TakTM（BDBioscience Clontech）和MAPTM（Swedish BioScience Lab）。然而，这些产品需要多达10,000只贻贝以生产1g足丝蛋白。这一低提取产率和高生产成本限制了该粘合剂的用途。实际上，该产品主要用于细胞或组织培养。
为了克服现有技术中遇到的问题，Cha教授（Postech大学，韩国）开发了一种提取贻贝足丝蛋白的方法。发现基于Cha的方法开发出的组织粘合剂的粘合强度比纤维蛋白胶的粘合强度要高4倍（Cha等，Journalof Adhesion and Interfaces 2008）。然而，尽管改进了很多，这一方法还是不能提供令人满意的生产产率，蛋白质纯化过程中的生产产率仍仅为50-60%。
Phillip B.Messersmith教授在2007年开发了基于多巴的另一种组织粘合剂。该组织粘合剂是可注射的生物粘合聚合物水凝胶，该水凝胶是利用酶由经谷氨酰胺底物修饰的PEG-二胺制备的（Phillip B.Messersmith等，US 7208171 B2）。然而，所制备的水凝胶保留了大约100Pa的机械强度，并且具有和纤维蛋白胶一样高或是纤维蛋白胶两倍高的粘合强度。基于支化-PEG或PMMA-PtBMA-PMMA三嵌段（二者都用多巴衍生物进行了修饰），Phillip B.Messersmith还开发了原位成型凝胶生物粘合水凝胶和一种表面涂覆方法（Phillip B.Messersmith等，US 2008/0247984 A1、US 2007/0208141 A1、US 2008/04149566 A1、US 2009/0163661 A1、US2003/0087338 A1、WO 2008/049108 A1、WO 2008/091386 A2）。
该缀合有多巴衍生物的水凝胶显示出了高粘合强度，克服了在先的问题。然而，凝胶化需要至少30s，并且水凝胶交联使用了有毒氧化剂（如NaIO4、FeCl3等）。
因此，在原位成型的背景下，存在着对如下生物粘合水凝胶的巨大需要：所述生物粘合水凝胶需要的凝胶化时间短，并显示出出色的机械强度、良好的生物相容性、适当的生物降解性以及甚至在水存在的情况下也具有快速且强的粘合性。
发明内容
技术问题
本发明人通过对生物粘合剂进行深入和彻底的研究，旨在克服现有技术中遇到的问题，产生了本发明，得到了如下发现：当合成的聚合物与天然存在的聚合物共混（hybridized）时，水凝胶显示出出色的生物相容性和机械强度；当用多巴衍生物对该水凝胶进行修饰后，水凝胶具有出色的生物粘合性。
因此，本发明的目的是提供一种原位成型生物粘合水凝胶，所述水凝胶除显示出出色的生物稳定性、生物相容性和机械强度外，还具有出色的生物粘合性。
本发明的另一目的是提供原位成型水凝胶作为用于生物粘合剂和止血剂材料的用途，所述水凝胶在生物稳定性、生物相容性、机械强度和生物粘合性方面很出色。
本发明的又一目的是提供原位成型水凝胶作为用于组织再生和填充的植入材料的用途，所述水凝胶在生物稳定性、生物相容性、机械强度和生物粘合性方面很出色。
本发明的另一目的是提供原位成型水凝胶作为用于递送生物学活性物质或药物的载体的用途，所述水凝胶在生物稳定性、生物相容性、机械强度和生物粘合性方面很出色。
技术方案
本发明提供了由下述化学式4-7之一表示的原位成型生物粘合水凝胶，其中，两种以上的同质聚合物或异质聚合物通过相邻聚合物上的苯酚、苯胺、多巴及它们的衍生物之间的脱氢作用彼此键合，所述同质聚合物或异质聚合物选自于由下述聚合物所组成的组：i）由下述化学式1表示的星形聚合物，其中，用选自多巴及其衍生物中的一种或多种化合物对选自苯酚、苯胺及它们的衍生物中的一种或多种化合物进行修饰；ii）异质共混物，该共混物包含化学式1的星形聚合物以及由下述化学式2表示的支化聚合物，所述支化聚合物中，用选自苯酚、苯胺及它们的衍生物中的一种或多种化合物对聚合物骨架进行接枝，用或不用水溶性聚合物充当所述聚合物骨架和用于接枝的所述一种或多种化合物之间的接头；和iii）由下述化学式3表示的支化聚合物，所述支化聚合物中，用选自苯酚、苯胺及它们的衍生物中的一种或多种化合物对聚合物骨架进行接枝，用或不用水溶性聚合物充当所述聚合物骨架和用于接枝的所述一种或多种化合物之间的接头。
有益效果
本发明提供了原位成型生物粘合水凝胶，由于用或不用多巴衍生物进行修饰，该水凝胶具有出色的生物相容性和机械强度以及出色的组织粘合性。尤其是，发现本发明的水凝胶在生物医学领域中有许多应用，包括：生物粘合剂或止血剂；原位成型组织工程支架；用于蛋白质、DNA、生长因子、细胞等的缓释药物递送系统；组织填充；创伤愈合；以及防止器官粘合。
附图说明
将下述详细说明与附图结合，会更加清楚地理解本发明的上述及其他目的、特征和优势，其中：
图1示出合成Tet-TA/DA的反应历程；
图2示出合成GHPA的反应历程；
图3示出合成CHPA的反应历程；
图4示出合成GPEG-TA共聚物的反应历程；
图5示出合成CPEG-TA共聚物的反应历程；
图6示出合成HA-PEG-TA/DA共聚物的反应历程；
图7示出合成CMC-PEG-TA/DA共聚物的反应历程；
图8示出合成ALG-PEG-TA/DA共聚物的反应历程；
图9-图12为示出原位成型生物粘合水凝胶的酶促制备的反应历程；
图13为示出使用双注射器试剂盒或使用安装有喷嘴的双注射器试剂盒制备原位成型生物粘合水凝胶的一组照片；
图14为示出按HRP浓度绘制的原位成型生物粘合水凝胶的凝胶化时间的图；
图15为示出Tet-TA/DAI和Tet-TA/DAII之间的机械强度比较以及Tet-TA/DAII+CHPA水凝胶和Tet-TA/DAII+GPEG-TA水凝胶的机械强度随Tet-TA/DAII浓度变化的一组图；
图16为示出生物粘合水凝胶的体外稳定性随时间变化的图；
图17为示出Tet-TA/DAII水凝胶、Tet-TA/DAII+GPEG-TA水凝胶、Tet-TA/DAII+CPEG-TA水凝胶、HA-PEG-TA/TA水凝胶、CMC-PEG-TA/DA水凝胶和AGL-PEG-TA/DA水凝胶对2D细胞的生物相容性的一组照片；
图18-图24为示出水凝胶Tet-TA和Tet-TA/DAII（18）；Tet-TA/DAII+GHPA（19）；Tet-TA/DAII+CHPA（20）；Tet-TA/DAII+GPEG-TA（21）；Tet-TA/DAII+CPEG-TA（22）；GPEG-TA、CPEG-TA、Tet-TA+GPEG-TA和Tet-TA+CPEG-TA（23）；以及HA-PEG-TA/DA、CMC-PEG-TA/DA和ALG-PEG-TA/DA（24）的粘合强度的图，以纤维蛋白胶和氰基丙烯酸酯作为对照；
图25为示出Tet-TA水凝胶、Tet-TA/DAII水凝胶、Tet-TA/DAII+CHPA水凝胶和Tet-TA/DAII+GPEG-TA水凝胶的体内粘合性的一组照片；以及
图26为示出Tet-TA水凝胶、Tet-TA/DAII水凝胶、Tet-TA/DAII+CHPA水凝胶和Tet-TA/DAII+GPEG-TA水凝胶的体内止血作用的一组照片。
具体实施方式
根据本发明的一方面，本发明提供了由下述化学式4-7之一表示的原位成型生物粘合水凝胶，其中，两种以上的同质聚合物或异质聚合物通过相邻聚合物上的苯酚、苯胺、多巴及它们的衍生物之间的脱氢作用彼此键合，所述同质聚合物或异质聚合物选自于由下述聚合物所组成的组：i）由下述化学式1表示的星形聚合物，其中，用选自多巴及其衍生物中的一种或多种化合物对选自苯酚、苯胺及它们的衍生物中的一种或多种化合物进行修饰；ii）异质共混物，该共混物包含化学式1的星形聚合物以及由下述化学式2表示的支化聚合物，所述支化聚合物中，用选自苯酚、苯胺及它们的衍生物中的一种或多种化合物对聚合物骨架进行接枝，用或不用水溶性聚合物充当所述聚合物骨架和用于接枝的所述一种或多种化合物之间的接头；和iii）由下述化学式3表示的支化聚合物，所述支化聚合物中，用选自苯酚、苯胺及它们的衍生物中的一种或多种化合物对聚合物骨架进行接枝，用或不用水溶性聚合物充当所述聚合物骨架和用于接枝的所述一种或多种化合物之间的接头。
化学式1
Figure BDA00001603958300071
化学式2
Figure BDA00001603958300072
化学式3
Figure BDA00001603958300081
化学式4
Figure BDA00001603958300082
化学式5
Figure BDA00001603958300083
化学式6
Figure BDA00001603958300091
化学式7
Figure BDA00001603958300092
其中，
R为选自苯酚、苯胺、多巴、多巴醌及它们的衍生物中的基团；
X为羟基或胺；以及
L为聚合物接头，用（L）代表存在或不存在所述接头。
当向所述聚合物中加入辣根过氧化物酶或过氧化氢时，该聚合物可在体内或体外进行原位交联。
可用或不用水溶性聚合物充当接头，通过酰胺键、氨基甲酸酯键、脲键或酯键，将选自苯酚、苯胺、多巴、多巴醌及它们的衍生物中的化合物接枝至具有氨基、羟基或羧基的聚合物骨架，由此可制备化学式1-3的聚合物。
例如，可按反应历程1-13中所示制备化学式1-3的聚合物。在这些反应历程中，EDC代表1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳二亚胺、NHS代表N-羟基琥珀酰亚胺、TEA代表三乙胺、DMAP代表二甲铵吡啶、以及NPCF代表对硝基苯基氯甲酸酯。
详细地，用或不用水溶性聚合物充当聚合物和用于修饰的化合物之间的接头，用苯酚、苯胺衍生物或多巴/多巴醌对具有一个或多个选自羟基、胺和羧基的官能团的天然或合成的聚合物在所述官能团处进行修饰，得到由化学式1-3表示的聚合物。
在用作接头之前，可用琥珀酸酐或NPCF、TEA和DMAP对水溶性聚合物进行定制。
当用苯酚衍生物或苯胺衍生物进行修饰时，EDC和NHS二者均可用来活化所述聚合物。当加入天然存在的聚合物骨架或合成的聚合物骨架时，也可同时加入EDC和NHS以活化该聚合物。
此外，当用苯酚衍生物、苯胺衍生物或多巴/多巴醌衍生物对该水溶性聚合物进行修饰时，可加入二胺化合物。
[反应历程1]
[反应历程2]
Figure BDA00001603958300111
[反应历程3]
Figure BDA00001603958300112
[反应历程4]
Figure BDA00001603958300113
[反应历程5]
Figure BDA00001603958300114
[反应历程6]
[反应历程7]
Figure BDA00001603958300122
[反应历程8]
Figure BDA00001603958300123
[反应历程9]
Figure BDA00001603958300131
[反应历程10]
[反应历程11]
[反应历程12]
Figure BDA00001603958300151
[反应历程13]
Figure BDA00001603958300161
适用于本发明的聚合物骨架可选自于由如下物质所组成的组：明胶、壳聚糖、肝素、纤维素、葡聚糖、硫酸葡聚糖、硫酸软骨素、硫酸角质素、硫酸皮肤素、海藻酸盐/酯、胶原蛋白、白蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白、弹性蛋白、玻连蛋白、透明质酸、纤维蛋白原、多臂聚合物以及上述物质的组合；
适用于本发明的多臂聚合物有：多臂聚乙二醇，如三臂聚乙二醇（三臂PEG）、四臂聚乙二醇（四臂PEG）、六臂聚乙二醇（六臂PEG）和八臂聚乙二醇（八臂PEG）；以及tetronic系列（四臂-PPO-PEO）。
本发明中有用的苯酚衍生物选自于由下列物质所组成的组：酪胺、羟基苯乙酸、羟基苯丙酸、它们的衍生物以及上述物质的组合。本发明中有用的苯胺衍生物选自于由羟乙基苯胺、氨基乙基苯胺、氨基苄醇、它们的衍生物以及上述物质的组合所组成的组。将选自L-二羟基苯丙氨酸（L-DOPA）、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素及它们的衍生物中的一种或多种化合物用作本发明中的多巴衍生物。
在本发明中用作接头的一种或多种水溶性聚合物可选自于由下列物质所组成的组：聚阳离子链、聚阴离子链、聚两性链、聚非离子链、多肽链、聚脂肪族链、聚芳香族链、聚酯链、聚酸酐链、聚原酸酯链、聚氨基甲酸酯链及聚酰胺链。所述水溶性聚合物的实例包括聚乙二醇（PEG）、聚环氧乙烷（PEO）、聚乙烯亚胺（PEI）、聚环氧丙烷（PPO）、聚乙烯醇（PVA）、聚(N-异丙基丙烯酰胺)（聚NIPAAM）、聚富马酸酯、聚有机磷腈、聚丙烯酸（聚AAc）、聚磺酸烯丙酯（polyacrylsulfonate）、聚甲基丙烯酸羟乙酯（聚HEMA）以及上述物质的共聚物，但不仅限于此。另外，共聚物的实例包括PEO-PPO-PEO（
Figure BDA00001603958300171
系列）、四臂PEO-PPO-PEO（
Figure BDA00001603958300172
系列）、PEG-PEI、PEG-PVA、PEG-PEI-PVA、PEI-PVA、聚(NIPAAM-co-AAc)、聚(NIPAAM-co-HEMA)以及上述物质的组合，但不仅限于此。
对于在本发明中用作接头的水溶性聚合物，可选自于由线型或多臂的亲水嵌段共聚物所组成的组，所述共聚物选自于由下列物质所组成的组：聚乙二醇（PEG）-聚乳酸（PLA）、聚乙二醇（PEG）-聚己内酯（PCL）、聚乙二醇（PEG）-聚(DL-乳酸-co-乙醇酸)（PLGA）、聚富马酸丙二醇酯、聚富马酸乙二醇酯以及上述物质的组合，但不仅限于此。可通过控制辣根过氧化物酶和过氧化氢的浓度来定制本发明水凝胶的理化性质，包括凝胶化时间、水凝胶稳定性（降解所花费的时间）、机械强度和水含量。
此外，可通过待使用的水溶性聚合物的分子量对水凝胶的理化性质（包括凝胶化时间、寿命、机械强度和水含量）进行控制。
水凝胶的粘合强度取决于多种因素，所述因素包括：多巴或其衍生物的含量；在异质共混物中具有多巴或其衍生物的聚合物与具有苯酚、苯胺或它们的衍生物的聚合物之间的比例。
本发明的水凝胶可借助于双注射器试剂盒（dual syringe kit）原位交联，或可使用安装有喷嘴的（nozzle-mounted）双注射器试剂盒进行喷雾。此外，可使用双注射器试剂盒和聚四氟乙烯（Teflon）模具使该水凝胶成型为片（sheets）或圆盘（discs）。
进一步而言，本发明的水凝胶可与包含苯酚、苯胺、胺或硫醇的生理活性物质进行原位交联。该生理活性物质可优选为酪氨酸。
根据本发明的另一方面，本发明提供了含有所述原位成型生物粘合水凝胶作为活性成分的组织粘合剂和止血剂。该组织粘合剂和止血剂可应用于多种医学状况，如脑神经系统手术（包括血管手术）、骨外科手术（包括骨结合（bone bonding））、具有裂伤（lacerations）的患者内的止血、股动脉的闭合、对患白内障的眼睛切开后的闭合、软骨和关节软骨的愈合、皮肤的粘合、器官/分泌腺中切开部分的止血、胃肠道器官的吻合、韧带和肌腱的愈合等。
根据本发明的又一方面，本发明提供了用于组织再生和填充（tissueregeneration and augmentation）的植入材料，该植入材料含有所述原位成型生物粘合水凝胶作为活性成分。
该植入材料可被用于：软骨再生、骨再生、牙周再生、皮肤再生、心脏组织再生、人工晶状体、脊髓再生、颅骨再生、声带再生和填充、防粘连隔离物（adhesion barrier）、小便失禁治疗、除皱、创伤敷料、组织填充或椎间盘治疗。
根据本发明的另一方面，本发明提供了用于递送生物学活性物质和药物的载体，该载体含有所述原位成型生物粘合水凝胶作为活性成分。所述生物学活性物质或药物可为肽或蛋白质药物、抗菌剂、抗癌剂和/或消炎剂。
肽或蛋白质药物的实例包括：成纤维细胞生长因子（FGF）、血管内皮生长因子（VEGF）、转化生长因子（TGF）、骨形态发生蛋白（BMP）、人生长激素（hGH）、猪生长激素（pGH）、粒细胞集落刺激因子（G-CSF）、促红细胞生成素（EPO）、巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）、肿瘤坏死因子（TNF）、表皮生长因子（EGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）、干扰素-α,β,γ、白细胞介素-2（IL-2）、降血钙素、神经生长因子（NGF）、生长激素释放激素、血管紧张素、促黄体激素释放激素（LHRH）、促黄体激素释放激素激动剂（LHRH激动剂）、胰岛素、促甲状腺素释放激素（TRH）、血管抑素（angiostatin）、内皮抑素（endostatin）、生长抑素、胰高血糖素、内啡肽、杆菌肽、mergain、粘菌素、单克隆抗体和疫苗。
抗菌剂的实例包括：米诺环素、四环素、氧氟沙星、磷霉素、mergain、环丙氟啶酸、氨苄青霉素、青霉素、强力霉素、硫霉素、头孢菌素、诺卡杀菌素、庆大霉素、新霉素、卡那霉素、巴龙霉素、小诺霉素、阿米卡星、妥布霉素、地贝卡星、头孢噻肟、头孢克洛、红霉素、环丙沙星、左氧氟沙星、依诺沙星、万古霉素、亚胺培南和夫西地酸。
抗癌剂的实例包括：紫杉醇、泰索帝、阿霉素（adriamycin）、内皮抑素、血管抑素、丝裂霉素、博来霉素、顺铂、卡铂、多柔比星（doxorubicin）、柔红霉素、伊达比星、5-氟尿嘧啶、甲氨蝶呤、放线菌素D。
消炎剂的实例包括：对乙酰氨基酚、阿司匹林、布洛芬、双氯芬酸、吲哚美辛、吡罗昔康、非诺洛芬、氟比洛芬、酮洛芬、萘普生、舒洛芬、洛索洛芬、辛诺昔康和替诺昔康。
在本发明的实施方式中，将苯酚衍生物和多巴/多巴醌衍生物与四臂-PPO-PEO（Tetronic）缀合以合成Tetronic-酪胺/多巴胺（Tet-TA/DA），然后，在HRP和H2O2存在的情况下，将Tetronic-酪胺/多巴胺（Tet-TA/DA）转化为原位成型生物粘合水凝胶。
在另一实施方式中，将明胶或壳聚糖（二者均为可酶促降解的天然聚合物）用作聚合物骨架，随后使用水溶性聚合物（例如PEG）作为接头，使苯酚衍生物连接至该骨架，合成明胶-PEG-酪胺（GPEG-TA）或壳聚糖-PEG-酪胺（CPEG-TA）。或者，在不用接头的情况下，使聚合物骨架（明胶或壳聚糖）与苯酚衍生物进行缀合，得到明胶-羟基苯乙酸（GHPA）或壳聚糖-羟基苯乙酸（CHPA）。将这些经修饰的聚合物与此前制备的Tet-TA/DA聚合物混合，随后，在HRP和H2O2存在的情况下，使所述聚合物进行交联，得到原位成型生物粘合水凝胶。
连同天然聚合物/合成聚合物的共混，多巴/多巴醌衍生物的引入使得水凝胶在机械强度、生物相容性和组织粘合性方面有所改进。此外，所述PEG接头有助于水凝胶的溶解度、凝胶化时间、机械强度和稳定性。
在另一方面，将透明质酸、羧甲基纤维素或海藻酸盐/酯（均为生物相容的天然聚合物）用作聚合物骨架，使用水溶性接头（如PEG）使苯酚衍生物和多巴/多巴醌衍生物连接至该骨架，生成透明质酸-PEG-酪胺/多巴胺（HA-PEG-TA/DA）、羧甲基纤维素-PEG-酪胺/多巴胺（CMC-PEG-TA/DA）或海藻酸盐/酯-PEG-酪胺/多巴胺（ALG-PEG-TA/DA）。在HRP和H2O2存在的情况下，这些经修饰的聚合物可转化为具有出色的组织粘合性的原位成型生物粘合水凝胶。
由于PEG接头，所述原位成型生物粘合水凝胶在水溶性、凝胶化时间、机械强度和生物稳定性方面有所改进。多巴/多巴醌衍生物有助于出色的组织粘合性。
本发明的水凝胶在生物医学领域中有许多应用，包括：生物粘合剂或止血剂；原位成型组织工程支架；用于蛋白质、DNA、生长因子、细胞等的缓释药物递送系统；组织填充；创伤愈合；以及防止器官粘连。
可将原位成型生物粘合水凝胶用作用于组织封闭剂和止血剂材料。为了用作生物粘合剂，该材料必须满足下述要求：i）便于使用；ii）能够被灭菌；iii）具有适当的粘度；iv）低放热性；v）短凝固时间；vi）强粘合性；vii）低毒性；viii）对系统无毒；ix）生物体内的适当寿命。发现本发明的原位成型生物粘合水凝胶满足这些条件。
例如，当使所述原位成型生物粘合水凝胶与过氧化物酶和过氧化氢接触时，所述水凝胶开始发生交联。这一反应（尽管是放热的）产生出高度生物相容的产品而不产生毒性，并且花费从数秒到数分钟的时间来完成该反应。通过使用辣根过氧化物酶，可将所述交联反应的时间段调节为从数秒到数分钟的范围。
由于该水凝胶不是通过物理交联而是通过化学交联形成的，所以其在机械强度和生物稳定性方面很出色。基于聚合物骨架可被酶促降解，所述水凝胶是可生物降解的，并且其生物可降解性可由H2O2的浓度（即，交联水平）和异质聚合物的混合比例决定。
由于其粘度低，可容易地使用常规方法（例如，使之通过200nm的滤器）对所合成的聚合物的溶液进行灭菌。进一步而言，在其中引入的多巴/多巴醌衍生物为聚合物提供了出色的生物粘合性。
根据本发明另一方面，本发明的原位成型生物粘合水凝胶可被用作人工胞外基质以建造组织工程支架。适当的降解速率对于将该水凝胶改造为胞外基质而言是非常重要的，这是因为水凝胶在使用时可对其中细胞的分化和生长起重要作用。
例如，基质金属蛋白酶（MMP）、特别是MMP-2和MMP-9特异性地水解明胶。包含明胶的水凝胶基质被这些酶降解，随后转变为由细胞分泌的胞外基质。
此外，当该水凝胶被用作组织工程支架时，它的基质刚度（matrixstiffness）对位于凝胶内部的细胞的生长和分化有很大的影响。各种类型的细胞所必需的基质刚度互不相同。例如，已知骨细胞在刚性基质上生长良好，而软组织细胞（例如成纤维细胞、成肌细胞等）的生长需要软基质。在利用酶促反应的体系中，可通过过氧化氢的量容易地控制水凝胶的交联程度，因此可改变水凝胶的刚度。
根据本发明又一方面，本发明提供了包含所述原位成型生物粘合水凝胶的人工胞外基质作为药物递送支架。例如，当在其中引入酪胺时，可与各种生长因子物理结合的肝素使得这些生长因子得以缓释（生长因子结合位点）。
苯酚修饰的细胞粘合肽或蛋白质（例如RGDY或YIGSR）可被用来增加水凝胶基质内的细胞粘合作用。
由于多巴醌衍生物能与胺类或硫醇类形成化学键，包括蛋白质类和肽类在内的生物学活性物质在水凝胶基质内可被容易地固定化，从而改进基质的细胞粘合和活性。可通过酶促机制将对细胞生长和分化有效的成分引入水凝胶，从而制备原位成型生物粘合人工胞外基质（ECM）。
实施例
在体外和体内对本发明的原位成型生物粘合水凝胶的组织粘合性和止血作用进行试验，所述原位成型生物粘合水凝胶采用了不同的同质聚合物或异质聚合物。对于不同的异质聚合物浓度和过氧化氢水平，测定该水凝胶的理化性质（如凝胶化时间、凝胶稳定性、溶胀和机械强度）。
借助于下述实施例可更好地理解本发明，这些实施例用于举例说明本发明，不应被解释为对本发明的限制。
制备实施例1 Tetronic-酪胺/多巴胺（Tet-TA/DA）的合成
图1为合成Tet-TA/DA的反应历程。
1.Tetronic-(对硝基苯基氯甲酸酯)[Tet-PNC]的合成
将30g（1.67mmol）tetronic在300mL二噁英中的溶液与1.018g（8.33mmol）4-二甲基氨基吡啶（DMAP）和0.843g（8.33mmol）三乙胺（TEA）在40mL二噁烷中的溶液以及1.679g（8.33mmol）对硝基苯基氯甲酸酯（PNC）在50mL二噁烷中的溶液依次混合。tetronic:PNC:DMAP:TEA的摩尔比为1:5:5:5。使所述反应在氮气气氛中于30℃下进行24h。
反应完成后，使用过滤器去除残留的试剂，使用旋转蒸发仪将反应产物浓缩。将浓缩后的溶液滴加至1600mL经冷冻的乙醚中形成沉淀，然后将该沉淀进行过滤。
将过滤后的粉末在真空烘箱中放置24h以去除残留的有机溶剂，得到白色粉末状的期望化合物（Tet-PNC）。
2.Tetronic-酪胺/多巴胺（Tet-TA/DA）的合成
向在先制备的产物Tet-PNC在100mL二甲基亚砜（DMSO）中的溶液中，加入酪胺（TA）在50mL DMSO中的溶液和多巴胺（DA）在50mL
DMSO中的溶液。所使用的Tet-PNC:TA:DA的摩尔比总结于下表1中。使所述反应在氮气气氛中于30℃下进行24h。
反应完成后，将仍未反应的TA和DA通过用甲醇进行的初级膜透析
（截留分子量3500Da）去除，并通过用丙酮进行的次级膜透析（截留分子量3500Da）完全去除。
透析后，将所述溶液过滤，使用旋转蒸发仪浓缩，并添加到1600mL经冷冻的乙醚中以形成沉淀。将该沉淀进行过滤，并在真空烘箱中放置24h，产生白色粉末状的期望化合物（Tet-TA/DA）。
在表1中，将TA基团引入tetronic聚合物全部四个臂的聚合物称为Tet-TA；将DA基团引入tetronic聚合物全部四个臂的聚合物称为Tet-DA；将三个TA基团和一个DA基团分别引入所述四个臂的聚合物称为Tet-TA/DAI；将两个TA基团和两个DA基团分别引入所述四个臂的聚合物称为Tet-TA/DAII；将一个TA基团和三个DA基团分别引入所述四个臂的聚合物称为Tet-TA/DAIII。将TA基团或DA基团均质地/不均质地引入所述tetronic聚合物末端的聚合物统称为Tet-TA/DA。
表1
制备实施例2明胶-羟基苯乙酸（GHPA）的合成
图2为合成GHPA的反应历程。
将10g明胶溶于200mL的0.1M 2-(N-吗啉代)乙磺酸（MES）中制备A溶液。另外，将0.609g（4mmol）4-羟基苯乙酸（HPA）溶于50mL的0.1M MES中以配制B溶液。将0.92g（4.8mmol）1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳二亚胺（EDC）和0.276g（2.4mmol）N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）各自溶于5mL的0.1M MES中。将EDC溶液和NHS溶液以15min的间隔依次加入到B溶液中。加入NHS溶液15min之后，将含有EDC/NHS的B溶液与A溶液混合。该反应于40℃下进行24h。
反应完成后，通过注射式过滤器（450nm）过滤反应混合物。然后，将滤液用蒸馏水进行膜透析（截留分子量3500Da）3-4天，继之以冷冻干燥，得到白色粉末状的GHPA。
制备实施例3壳聚糖-羟基苯乙酸（CHPA）的合成
图3为合成CHPA的反应历程。
向80mL蒸馏水中加入0.644g去乙酰化程度为75-85%的低分子量壳聚糖，并用1N的HCl将其酸度调节至pH3以形成溶液。在向所述溶液中加入0.404g（2.6mmol）的HPA后，用0.1M的NaOH使其酸度调至pH5。在加入0.768g（4mmol）的EDC后，使该反应在30℃下进行24h。
当反应完成时，将反应混合物用蒸馏水进行膜透析（截留分子量3500Da），去除未反应的HPA。将透析后的溶液冻干，产生半透明无纺布（non-woven fabric）形式的CHPA。
制备实施例4明胶-聚乙二醇-酪胺（GPEG-TA）的合成
图4为合成GPEG-TA的反应历程。
1.聚乙二醇-(对硝基苯基氯甲酸酯)（PEG-PNC）的合成
将10g（2.9mmol）PEG在100mL二氯甲烷（MC）中的溶液与0.779g（6.38mmol）DMAP和0.645g（6.38mmol）TEA在10mL MC中的溶液以及1.286g（6.38mmol）PNC在50mL MC中的溶液依次混合。PEG:DMAP:TEA:PNC的摩尔比为1:2.2:2.2:2.2。该反应在氮气气氛中于30℃下进行24h。
反应完成后，使用过滤器将反应混合物过滤并去除未反应的试剂，然后使用旋转蒸发仪浓缩该反应混合物。将浓缩物滴加到1600mL经冷冻的乙醚中形成沉淀，然后将该沉淀进行过滤。将滤出物在真空烘箱中放置24h以去除残留的有机溶剂，从而得到白色粉末状的期望化合物（PEG-PNC）。
2.GPEG-TA的合成
向5g（1.471mmol）PEG-PNC在100mL DMSO中的溶液中，加入0.202g（1.471mmol）TA在50mL DMSO中的溶液，PEG-PNC:TA的摩尔比为1:1。该反应在氮气气氛中于30℃下进行6h。随后加入明胶溶液（1g/200ml；DMSO中），继之以在氮气气氛中于30℃下反应24h。
在反应完成后，将反应混合物用水进行膜透析（截留分子量6000-8000Da）以去除未反应的PEG-TA。将经透析的溶液冻干，产生白色粉末状的期望化合物（GPEG-TA）。在1H NMR谱上，在6.91-7.23ppm处出峰，这对应于TA取代基，证实了GPEG-TA的合成。
制备实施例5壳聚糖-聚乙二醇-酪胺（CPEG-TA）的合成
图5为合成CPEG-TA共聚物的反应历程。
向5g（1.25mmol）PEG-PNC在100mL DMSO中的溶液中，加入0.174g（1.25mmol）TA在50mL DMSO中的溶液，PEG-PNC:TA的摩尔比为1:1。该反应在氮气气氛中于30℃下进行6h。随后，向其所在的烧瓶中加入溶于50mL含乙酸（70wt%）的DMSO中的0.5g壳聚糖，继之以在氮气气氛中于30℃下反应24h。
用水进行膜透析（截留分子量6000-8000Da），从溶液中去除未反应的PEG-TA。将经透析的溶液冻干，得到白色粉末状的期望化合物（CPEG-TA）。
制备实施例6透明质酸-聚乙二醇-酪胺/多巴胺（HA-PEG-TA/DA）的合成
图6为合成HA-PEG-TA/DA的反应历程。
1.胺化的聚乙二醇-酪胺/多巴胺（PTA/DA）的合成
向5g（1.25mmol）PEG-PNC在100mL MC中的溶液中，加入0.174g（1.25mmol）TA或0.237g DA在50mL MC中的溶液，PEG-PNC:TA（或DA）的摩尔比为1:1。该反应在氮气气氛中于30℃下进行6h。随后，向其中加入2.254g（37.5mmol）乙二胺在50mL MC中的溶液，PEG-PNC:乙二胺的摩尔比为1:30，继之以在氮气气氛中于30℃下反应24h。
使用过滤器去除残留的试剂后，将反应混合物使用旋转蒸发仪浓缩。将浓缩物滴加到1600mL经冷冻的乙醚中形成沉淀，然后将该沉淀进行过滤。将滤出物在真空烘箱中放置24h以去除残留的有机溶剂，产生白色粉末状的期望化合物（PTA/DA）。
2.HA-PEG-TA/DA的合成
将在300mL蒸馏水中的1g透明质酸以15min的间隔与1.307g（6.82mmol）EDC和0.392g（3.41mmol）NHS依次混合。随后，向烧瓶中加入各自溶于100mL蒸馏水中的2.5g（0.625mmol）PTA和2.5g（0.625mmol）PDA。继之以在30℃下反应24h。
将残留的试剂通过过滤器去除后，将反应混合物用水进行膜透析（截留分子量6000-8000Da）3-4天。将经透析的溶液冻干，产生白色粉末状的期望化合物（HA-PEG-TA/DA）。
制备实施例7羧甲基纤维素-聚乙二醇-酪胺/多巴胺（CMC-PEG-TA/DA）的合成
图7为合成CMC-PEG-TA/DA共聚物的反应历程。
将1g羧甲基纤维素在300mL蒸馏水中的溶液以15min的间隔与1.307g（6.82mmol）EDC和0.392g（3.41mmol）NHS依次混合。随后，向其所在的烧瓶中加入各自溶于100mL蒸馏水中的2.5g（0.625mmol）PTA和2.5g（0.625mmol）PDA。继之以在30℃下反应24h。
使用过滤器去除残留的试剂后，将反应混合物用水进行膜透析（截留分子量6000-8000Da）3-4天。将经透析的溶液冻干，产生白色粉末状的期望化合物（CMC-PEG-TA/DA）。
制备实施例8海藻酸盐/酯-聚乙二醇-酪胺/多巴胺（ALG-PEG-TA/DA）的合成
图8为合成ALG-PEG-TA/DA共聚物的反应历程。
将1g海藻酸盐/酯在300mL蒸馏水中的溶液以15min的间隔与1.307g（6.82mmol）EDC和0.392g（3.41mmol）NHS依次混合。随后，向其所在的烧瓶中加入各自溶于100mL蒸馏水中的2.5g（0.625mmol）PTA和2.5g（0.625mmol）PDA。继之以在30℃下反应24h。
将残留的试剂从反应混合物中去除后，用蒸馏水进行膜透析（截留分子量6000-8000Da）3-4天。将经透析的溶液冻干，产生白色粉末状的期望化合物（ALG-PEG-TA/DA）。
聚合物组成及其名称总结于下表2中。
表2
  水凝胶   聚合物组成
  Tet-TA   Tet-TA
  Tet-TA/DAI   Tet-TA/DAI
  Tet-TA/DAII   Tet-TA/DAII
  Tet-TA/DAIII   Tet-TA/DAIII
  Tet-DA   Tet-DA
  Tet-TA/DAII+GHPA   Tet-TA/DAII+GHPA
  Tet-TA/DAII+CHPA   Tet-TA/DAII+CHPA
  Tet-TA/DAII+GPEG-TA   Tet-TA/DAII+GPEG-TA
  Tet-TA/DAII+CPEG-TA   Tet-TA/DAII+CPEG-TA
  HA-PEG-TA/DA   HA-PEG-TA/DA
  CMC-PEG-TA/DA   CMC-PEG-TA/DA
  ALG-PEG-TA/DA   ALG-PEG-TA/DA
  GPEG-TA   GPEG-TA
  CPEG-TA   CPEG-TA
  Tet-TA+GPEG-TA   Tet-TA+GPEG-TA
  Tet-TA+CPEG-TA   Tet-TA+CPEG-TA
实施例1利用酶促反应制备水凝胶
将处于HRP中的Tet-TA/DA溶液（A溶液）与处于H2O2中的Tet-TA/DA溶液（B溶液）混合以制备水凝胶。分别地，将CPEG-TA、GPEG-TA、HA-PEG-TA/DA、CMC-PEG-TA/DA或ALG-PEG-TA/DA溶于HRP（A溶液）和H2O2（B溶液）中，将A溶液和B溶液混合以制备水凝胶。
可控制聚合物溶液的终浓度为1-20wt%，并使用双注射器试剂盒和喷雾试剂盒以各种形式施用该聚合物溶液。
将GHPA和CHPA、GPEG-TA或CPEG-TA溶于H2O2（B溶液），并与处于HRP中的Tet-TA/DA溶液（A溶液）混合以制备水凝胶。
可以分别将GHPA和CHPA的终浓度分别控制在5-10wt%和0.05-1.5wt%的范围内。在高于上述范围的浓度时，由于聚合物溶液的高粘度，实际上难以对其进行处理。
向其中引入了PEG的聚合物（例如GPEG-TA、CPEG-TA、HA-PEG-TA/DA、CMC-PEG-TA/DA和ALG-PEG-TA/DA）在水中是高度可溶的，因此该聚合物溶液由于其低粘度而比较易于处理。
在实施例中，水凝胶的浓度对应于其中含有该水凝胶的聚合物的终浓度。
图9-12为示出所述原位成型生物粘合水凝胶的酶促制备的反应历程。
实施例2使用双注射器试剂盒制备原位成型生物粘合水凝胶
使用双注射器试剂盒，将处于HRP中的Tet-TA/DA溶液（A溶液）与处于H2O2中的GHPA、CHPA、GPEG-TA或CPEG-TA溶液（B溶液）混合，形成原位成型水凝胶。就这点而言，将A溶液和B溶液放入不同的注射器中。此外，当该双注射器试剂盒安装有喷嘴时，可对原位成型生物粘合水凝胶进行喷雾。
将CPEG-TA、GPEG-TA、HA-PEG-TA/DA、CMC-PEG-TA/DA或ALG-PEG-TA/DA溶于HRP（A溶液）和H2O2（B溶液）中，如上所述，使用所述双注射器试剂盒将这两种溶液混合以制备原位成型水凝胶。
图13为示出使用双注射器试剂盒制备原位成型生物粘合水凝胶的一组照片。
实施例3取决于HRP浓度的原位成型生物粘合水凝胶的凝胶化时间
在各种HRP浓度下评价原位成型生物粘合水凝胶的凝胶化时间。为了这一研究，将各聚合物溶于H2O2（A溶液）和各种浓度的HRP（B溶液）中，将两种溶液等量混合以制备水凝胶。
使用小瓶倾斜法（vial tilting method）测量混合物停止流动所花费的时间段，该时间段被认为是水凝胶的凝胶化时间。发现随着HRP的浓度不同，凝胶化时间控制在3-300s。聚合物的浓度使凝胶化时间变化1-8s。相比之下，H2O2的浓度对凝胶化时间影响很小。
由于HRP浓度的增加促进了H2O2降解为自由基，从而介导了凝胶形成，因而凝胶化时间随HRP浓度的增加而缩短。在更高的聚合物浓度下，每次有更多数量的聚合物链能够形成TA-TA缀合物。由于聚合物链影响了维持水凝胶形态所必需的最低数量网络的成型速率，较高数量的聚合物链导致较短的凝胶化时间。
图14为示出按HRP浓度绘制的原位成型生物粘合水凝胶的凝胶化时间的图。
实施例4原位成型生物粘合水凝胶的机械强度
使用流速计，对Tet-TA/DAI水凝胶和Tet-TA/DAII水凝胶的机械强度随聚合物浓度的变化情况进行测定。同时，监测了当Tet-TA/DAII的浓度变化时，Tet-TA/DAII+GHPA、Tet-TA/DAII+CHPA、Tet-TA/DAII+GPEG-TA和Tet-TA/DAII+CPEG-TA的机械强度。
还对GPEG-TA水凝胶、CPEG-TA水凝胶、Tet-TA/GPEG-TA水凝胶、Tet-TA/CPEG-TA水凝胶、HA-PEG-TA/DA水凝胶、CMC-PEG-TA/DA水凝胶以及ALG-PEG-TA/DA水凝胶的机械强度进行了评价。
随着聚合物的浓度从5wt%变化为10wt%，Tet-TA/DAI和Tet-TA/DAII的机械强度分别从450Pa增加至1900Pa和从190Pa增加至2500Pa。聚合物浓度为5wt%时，Tet-TA/DAI的机械强度较高；而聚合物浓度为10wt%时，Tet-TA/DAII的机械强度较高。
这可通过有助于机械强度的两种因素的比重进行解释：TA-TA缀合物的交联度以及DA与流速计金属表面之间的配位键。在低浓度时，交联度对水凝胶的机械强度产生了主要的影响。因此，Tet-TA/DAI水凝胶（含有相对更多的TA基团）显示出了更高的机械强度。另一方面，在高浓度时，DA和流速计金属表面之间的配位键对机械强度做出了主要的贡献。因此，具有相对更多DA基团的Tet-TA/DAII水凝胶具有更高的机械强度。
当聚合物浓度从1wt%增高至3wt%并增高至5wt%时，Tet-TA/DAII+GHPA和Tet-TA/DAII+CHPA水凝胶以及Tet-TA/DAII+GPEG-TA和Tet-TA/DAII+CPEG-TA水凝胶的机械强度逐步增强。取决于聚合物的种类和浓度，水凝胶的机械强度分布在1300-28500Pa之间。机械强度的增强被归因于如下方面的增高：总聚合物浓度、天然聚合物的TA基团的交联度以及天然聚合物的胺基与合成聚合物的DA基团之间的共价键。
测定出具有5wt%GPEG-TA的水凝胶和具有5wt%CPEG-TA的水凝胶的机械强度分别为2700Pa和6500Pa。当与7wt%Tet-TA混合时，Tet-TA7+GPEG-TA5水凝胶和Tet-TA7+CPEG-TA5水凝胶的机械强度分别增高至15500Pa和18900Pa。在下表3中给出了对原位成型生物粘合水凝胶的机械强度的详细描述。
如下表3中所示，根据所使用聚合物的种类、浓度和组合制备出了具有各种机械强度的原位成型生物粘合水凝胶。
表3
  水凝胶   组成 G′（Pa）
  Tet-TA/DAI 5   Tet-TA/DAI 5wt%   450
  Tet-TA/DAI 10   Tet-TA/DAI 10wt%   1900
  Tet-TA/DAII 5   Tet-TA/DAII 5wt%   190
  Tet-TA/DAII 10   Tet-TA/DAII 10wt%   2500
  Tet-TA/DAII1+GHPA5   Tet-TA/DAII 1wt%+GHPA 5wt%   1300
  Tet-TA/DAII3+GHPA5   Tet-TA/DAII 3wt%+GHPA 5wt%   2900
  Tet-TA/DAII5+GHPA5   Tet-TA/DAII 5wt%+GHPA 5wt%   6900
  Tet-TA/DAII1+CHPA1   Tet-TA/DAII 1wt%+CHPA 1wt%   1800
  Tet-TA/DAII3+CHPA1   Tet-TA/DAII 3wt%+CHPA 1wt%   3700
  Tet-TA/DAII5+CHPA1   Tet-TA/DAII 5wt%+CHPA 1wt%   10500
  Tet-TA/DAII1+GPEG-TA5   Tet-TA/DAII 1wt%+GPEG-TA 5wt%   3300
  Tet-TA/DAII3+GPEG-TA5   Tet-TA/DAII 3wt%+GPEG-TA 5wt%   8900
  Tet-TA/DAII5+GPEG-TA5   Tet-TA/DAII 5wt%+GPEG-TA 5wt%   13500
  Tet-TA/DAII1+CPEG-TA5   Tet-TA/DAII 1wt%+CPEG-TA 5wt%   5200
  Tet-TA/DAII3+CPEG-TA5   Tet-TA/DAII 3wt%+CPEG-TA 5wt%   14000
  Tet-TA/DAII5+CPEG-TA5   Tet-TA/DAII 5wt%+CPEG-TA 5wt%   28500
  GPEG-TA5   GPEG-TA 5wt%   2700
  CPEG-TA5   CPEG-TA 5wt%   6500
  Tet-TA7+GPEG-TA5   Tet-TA 7wt%+GPEG-TA 5wt%   15500
  Tet-TA7+CPEG-TA5   Tet-TA 7wt%+CPEG-TA 5wt%   18900
  HA-PEG-TA/DA5   HA-PEG-TA/DA 5wt%   20500
  CMC-PEG-TA/DA5   CMC-PEG-TA/DA 5wt%   19200
  海藻酸盐/酯-PEG-TA/DA5   海藻酸盐/酯-PEG-TA/DA 5wt%   14100
图15为示出Tet-TA/DAI和Tet-TA/DAII之间的机械强度的比较以及Tet-TA/DAII+CHPA水凝胶和Tet-TA/DAII+GPEG-TA水凝胶的机械强度随Tet-TA/DAII浓度的变化的一组图。
实施例5生物粘合水凝胶的体外稳定性试验
当在37℃培养箱中将水凝胶浸入0.01M磷酸盐缓冲盐水时，通过从第0天到第30天对水凝胶的重量和形态进行监测，对所制备的生物粘合水凝胶的稳定性进行了试验。1个月以后，在形态和重量两方面：Tet-TA/DAII水凝胶在重量和形态这两方面都维持在几乎100%的水平上；HA-PEG-TA/DA水凝胶和CMC-PEG-TA/DA水凝胶维持在70-80%的水平上；Tet-TA/DAII+GPEG-TA水凝胶、Tet-TA/DAII+CPEG-TA水凝胶和ALG-PEG-TA/DA水凝胶维持在40-60%的水平上。
图16为示出所述生物粘合水凝胶的体外稳定性随时间变化的图。
实施例6水凝胶对2D细胞的生物相容性
为了体外生物相容性试验，使用聚四氟乙烯模具制备水凝胶圆盘。将成骨细胞（MC3T3-E1）以1×104细胞/孔的密度在水凝胶圆盘上培养，以进行细胞毒性试验。利用存活/死亡试验进行研究，在该试验中，死细胞和活细胞分别被染成红色和绿色。
图17中示出了结果。如该图所示，在圆盘上孵育的细胞中未发现死细胞，这显示出了该原位成型生物粘合水凝胶的体外生物相容性。
图17为示出Tet-TA/DAII水凝胶、Tet-TA/DAII+GPEG-TA水凝胶、Tet-TA/DAII+CPEG-TA水凝胶、HA-PEG-TA/TA水凝胶、CMC-PEG-TA/DA水凝胶和AGL-PEG-TA/DA水凝胶对2D细胞的生物相容性的一组照片。
实施例7对水凝胶的体外粘合性的试验
使用液压万能试验机（UTM）试验水凝胶对猪皮的粘合性，以纤维蛋白胶和氰基丙烯酸酯作为对照。
发现Tet-TA水凝胶和Tet-TA/DA水凝胶的粘合强度分布在0.062-0.122MPa之间，该粘合强度大约是纤维蛋白胶粘合强度的6倍。随聚合物浓度的增高，Tet-TA/DAII+GHPA水凝胶的粘合强度增高至0.137-0.260MPa，该粘合强度大约是纤维蛋白胶粘合强度的13倍。
在各种聚合物浓度下，测定Tet-TA/DAII+CHPA水凝胶的粘合强度。发现具有7wt%Tet-TA/DAII和5wt%CHPA组合的水凝胶的粘合强度为0.544MPa。Tet-TA/DAII7+GPEG-TA7水凝胶和Tet-TA/DAII7+CPEG-TA7水凝胶分别显示出0.325MPa和0.528MPa的粘合强度。当与含有7wt%Tet-TA的聚合物混合时，含有7wt%GPEG-TA的聚合物和含有7wt%CPEG-TA的聚合物所形成的水凝胶分别显示出0.263MPa和0.310MPa的粘合强度，该粘合强度比纤维蛋白胶的粘合强度要高。
至于HA-PEG-TA/DA水凝胶、CMC-PEG-TA/DA水凝胶和ALG-PEG-TA/DA水凝胶，它们分别显示出0.218MPa、0.254MPa和0.186MPa的粘合强度，所述粘合强度是纤维蛋白胶粘合强度的8-11倍。
根据所使用聚合物的种类和浓度，可提供比纤维蛋白胶的粘合强度高的各种粘合强度的水凝胶。
表4
  水凝胶   组成   粘合强度（MPa）
  纤维蛋白胶   纤维蛋白原5wt%   0.023±0.002
  Tet-TA 5   Tet-TA 5wt%   0.062±0.008
  Tet-TA 7   Tet-TA 7wt%   0.080±0.010
  Tet-TA/DAII 5   Tet-TA/DAII 5wt%   0.100±0.024
  Tet-TA/DAII 7   Tet-TA/DAII 7wt%   0.122±0.019
  氰基丙烯酸酯   氰基丙烯酸酯   0.706±0.139
表5
  水凝胶   组成  粘合强度（MPa）
  纤维蛋白胶   纤维蛋白原5wt%   0.023±0.002
  Tet-TA/DAII5+GHPA2.5   Tet-TA/DAII 5wt%+GHPA 2.5wt%   0.137±0.014
  Tet-TA/DAII5+GHPA5   Tet-TA/DAII 5wt%+GHPA 5wt%   0.200±0.044
  Tet-TA/DAII7+GHPA2.5   Tet-TA/DAII 7wt%+GHPA 2.5wt%   0.206±0.036
  Tet-TA/DAII7+GHPA5   Tet-TA/DAII 7wt%+GHPA 5wt%   0.260±0.047
  氰基丙烯酸酯   氰基丙烯酸酯   0.706±0.139
表6
  水凝胶   组成  粘合强度（MPa）
  纤维蛋白胶   纤维蛋白原5wt%   0.023±0.002
  Tet-TA/DAII5+CHPA 1   Tet-TA/DAII 5wt%+CHPA 1wt%   0.276±0.062
  Tet-TA/DAII5+CHPA 1.5   Tet-TA/DAII 5wt%+CHPA 1.5wt%   0.392±0.039
  Tet-TA/DAII7+CHPA 1   Tet-TA/DAII 7wt%+CHPA 1wt%   0.362±0.056
  Tet-TA/DAII7+CHPA 1.5   Tet-TA/DAII 7wt%+CHPA 1.5wt%   0.544±0.098
  氰基丙烯酸酯   氰基丙烯酸酯   0.706±0.139
表7
  水凝胶   组成  粘合强度（MPa）
  纤维蛋白胶   纤维蛋白原5wt%   0.023±0.002
  Tet-TA/DAII5+GPEG-TA5   Tet-TA/DAII 5wt%+GPEG-TA 5wt%   0.162±0.024
  Tet-TA/DAII5+GPEG-TA7   Tet-TA/DAII 5wt%+GPEG-TA 7wt%   0.243±0.397
  Tet-TA/DAII7+GPEG-TA5   Tet-TA/DAII 7wt%+GPEG-TA 5wt%   0.255±0.038
  Tet-TA/DAII7+GPEG-TA7   Tet-TA/DAII 7wt%+GPEG-TA 7wt%   0.325±0.051
  氰基丙烯酸酯   氰基丙烯酸酯   0.706±0.139
表8
  水凝胶   组成  粘合强度（MPa）
  纤维蛋白胶   纤维蛋白原5wt%   0.023±0.002
  Tet-TA/DAII5+CPEG-TA5   Tet-TA/DAII 5wt%+CPEG-TA 5wt%   0.331±0.053
  Tet-TA/DAII5+CPEG-TA7   Tet-TA/DAII 5wt%+CPEG-TA 7wt%   0.387±0.052
  Tet-TA/DAII7+CPEG-TA5   Tet-TA/DAII 7wt%+CPEG-TA 5wt%   0.423±0.054
  Tet-TA/DAII7+CPEG-TA7   Tet-TA/DAII 7wt%+CPEG-TA 7wt%   0.528±0.084
  氰基丙烯酸酯   氰基丙烯酸酯   0.706±0.139
表9
  水凝胶   组成  粘合强度（MPa）
  纤维蛋白胶   纤维蛋白原5wt%   0.023±0.002
  GPEG-TA5   GPEG-TA 5wt%   0.111±0.019
  CPEG-TA5   CPEG-TA 5wt%   0.143±0.024
  Tet-TA5+GPEG-TA5   Tet-TA 5wt%+GPEG-TA 5wt%   0.263±0.045
  Tet-TA5+CPEG-TA5   Tet-TA 5wt%+CPEG-TA 5wt%   0.310±0.036
  氰基丙烯酸酯   氰基丙烯酸酯   0.706±0.139
表10
  水凝胶   组成  粘合强度（MPa）
  纤维蛋白胶   纤维蛋白原5wt%   0.023±0.002
  HA-PEG-TA/DA5   HA-PEG-TA/DA 5wt%   0.218±0.031
  CMC-PEG-TA/DA5   CMC-PEG-TA/DA 5wt%   0.254±0.043
  ALG-PEG-TA/DA5   ALG-PEG-TA/DA 5wt%   0.186±0.031
  氰基丙烯酸酯   氰基丙烯酸酯   0.706±0.139
图18-24为示出Tet-TA和Tet-TA/DAII水凝胶（18）；Tet-TA/DAII+GHPA水凝胶（19）；Tet-TA/DAII+CHPA水凝胶（20）；Tet-TA/DAII+GPEG-TA水凝胶（21）；Tet-TA/DAII+CPEG-TA水凝胶（22）；GPEG-TA、CPEG-TA、Tet-TA+GPEG-TA、Tet-TA+CPEG-TA水凝胶（23）以及HA-PEG-TA/DA、CMC-PEG-TA/DA、ALG-PEG-TA/DA水凝胶（24）的粘合强度的图，以纤维蛋白胶和氰基丙烯酸酯作为对照。
实施例8对水凝胶体内粘合性的试验
使用白兔对Tet-TA水凝胶、Tet-TA/DAII水凝胶、Tet-TA/DAII+CHPA水凝胶和Tet-TA/DAII+GPEG-TA水凝胶的粘合性进行试验。就这点而言，制备具有包含于一个注射器中的处于HRP中的Tet-TA或Tet-TA/DAII溶液（A溶液）和包含于另一注射器中的H2O2溶液或处于H2O2中的CHPA或GPEG-TA溶液（B溶液）的双注射器试剂盒。在白兔的背部切开5cm长的切口创伤。用上述试剂盒闭合该切口。为了对比，将一些切口用缝合线闭合。
用缝合线完全闭合该切口花费了10min。另一方面，在将双注射器试剂盒应用至该切口后的1min之内，聚合物溶液便凝胶化从而闭合了该创伤。在创伤闭合10min后，用Tet-TA水凝胶处理的切口开始打开，但用Tet-TA/DAII水凝胶、Tet-TA/DAII+CHPA水凝胶或Tet-TA/DAII+GPEG-TA水凝胶处理的切口仍然闭合。
由所述试验，所述数据共同表明Tet-TA/DAII水凝胶或其中的Tet-TA/DAII聚合物与天然存在聚合物共混的水凝胶可用作有效的生物粘合剂。
图25为示出Tet-TA水凝胶、Tet-TA/DAII水凝胶、Tet-TA/DAII+CHPA水凝胶和Tet-TA/DAII+GPEG-TA水凝胶的体内粘合性的一组照片。
实施例9对水凝胶体内止血作用的试验
使用白兔对Tet-TA水凝胶、Tet-TA/DAII水凝胶、Tet-TA/DAII+CHPA水凝胶和Tet-TA/DAII+GPEG-TA水凝胶的止血作用进行试验。就这点而言，以和粘合性试验中相同的方式制备双注射器试剂盒。在白兔的背部切开5cm长的切口创伤。用上述试剂盒闭合该切口。在创伤闭合10min后，将纱布直接压在创伤上。用肉眼对纱布上的血迹进行检查。
纱布上的血迹按以下顺序减少：
Figure BDA00001603958300341
尤其是，在已经施用Tet-TA/DAII+CHPA水凝胶或Tet-TA/DAII+GPEG-TA水凝胶的区域几乎没有发现血迹。当考虑到粘合性时，认为粘合强度更高的水凝胶对创伤的闭合更完全，因此，显示出更好的止血作用。
图26为示出Tet-TA水凝胶、Tet-TA/DAII水凝胶、Tet-TA/DAII+CHPA水凝胶和Tet-TA/DAII+GPEG-TA水凝胶的体内止血作用的一组照片。
尽管为了说明的目的公开了本发明的优选实施方式，本领域技术人员将会明白，在不背离所附权利要求书中公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种改进、添加和替换。

Claims (26)

1.由下述化学式4-7之一表示的原位成型生物粘合水凝胶，其中，两种以上的同质聚合物或异质聚合物通过相邻聚合物上的苯酚、苯胺、多巴、苯酚衍生物、苯胺衍生物及多巴衍生物之间的脱氢作用彼此键合，所述同质聚合物或异质聚合物选自于由下述聚合物所组成的组：
i）由下述化学式1表示的星形聚合物，其中，用选自多巴及多巴衍生物中的一种或多种化合物对选自苯酚、苯胺、苯酚衍生物及苯胺衍生物中的一种或多种化合物进行修饰；
ii）异质共混物，该共混物包含化学式1的星形聚合物以及由下述化学式2表示的支化聚合物，所述星形聚合物中，用选自多巴及多巴衍生物中的一种或多种化合物对选自苯酚、苯胺、苯酚衍生物及苯胺衍生物中的一种或多种化合物进行修饰，所述支化聚合物中，用选自苯酚、苯胺、苯酚衍生物及苯胺衍生物中的一种或多种化合物对聚合物骨架进行接枝，用或不用水溶性聚合物充当所述聚合物骨架和用于接枝的所述一种或多种化合物之间的接头；和
iii）由下述化学式3表示的支化聚合物，所述支化聚合物中，用选自苯酚、苯胺、苯酚衍生物及苯胺衍生物中的一种或多种化合物对聚合物骨架进行接枝，用或不用水溶性聚合物充当所述聚合物骨架和用于接枝的所述一种或多种化合物之间的接头，
其中，所述苯酚衍生物为选自于由酪胺、羟基苯乙酸及羟基苯丙酸所组成的组中的一种或多种化合物；所述苯胺衍生物为选自于由羟乙基苯胺、氨基乙基苯胺及氨基苄醇所组成的组中的一种或多种化合物；所述多巴衍生物为选自于由L-二羟基苯丙氨酸（L-多巴）、多巴胺、去甲肾上腺素及肾上腺素所组成的组中一种或多种化合物，
[化学式1]
Figure FDA0000444099330000011
[化学式2]
Figure FDA0000444099330000021
[化学式3]
Figure FDA0000444099330000022
[化学式4]
[化学式5]
Figure FDA0000444099330000024
[化学式6]
Figure FDA0000444099330000031
[化学式7]
Figure FDA0000444099330000032
其中，
R为选自苯酚、苯胺、多巴、多巴醌、苯酚衍生物、苯胺衍生物及多巴衍生物中的基团，所述苯酚衍生物选自于由酪胺、羟基苯乙酸及羟基苯丙酸组成的组；所述苯胺衍生物选自于由羟乙基苯胺、氨基乙基苯胺及氨基苄醇组成的组；所述多巴衍生物选自于由L-二羟基苯丙氨酸（L-多巴）、多巴胺、去甲肾上腺素及肾上腺素组成的组；
X为羟基或氨基；以及
L为聚合物接头，用（L）代表存在或不存在所述接头。
2.如权利要求1所述的原位成型生物粘合水凝胶，其中，当向所述聚合物中加入辣根过氧化物酶和过氧化氢时，所述相邻聚合物在体内或在体外进行原位交联。
3.如权利要求1所述的原位成型生物粘合水凝胶，其中，用或不用水溶性聚合物充当接头，通过酰胺键、氨基甲酸酯键、脲键或酯键，将选自苯酚、苯胺、多巴及多巴醌中的化合物接枝至具有氨基、羟基或羧基的聚合物骨架，由此制备化学式1-3的聚合物。
4.如权利要求1所述的原位成型生物粘合水凝胶，其中，所述聚合物骨架选自于由下述物质所组成的组：明胶、壳聚糖、肝素、纤维素、葡聚糖、硫酸葡聚糖、硫酸软骨素、硫酸角质素、硫酸皮肤素、海藻酸盐/酯、胶原蛋白、白蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白、弹性蛋白、玻连蛋白、透明质酸、纤维蛋白原、多臂聚合物以及上述物质的组合，
其中，所述多臂聚合物选自于由多臂聚乙二醇、四臂-PEO-PPO-PEO及它们的组合所组成的组，所述多臂聚乙二醇选自于三臂聚乙二醇（三臂PEG）、四臂聚乙二醇（四臂PEG）、六臂聚乙二醇（六臂PEG）、八臂聚乙二醇（八臂PEG）以及上述物质的组合。
5.如权利要求1所述的原位成型生物粘合水凝胶，其中，所述接头为选自于如下物质中的一种或多种水溶性聚合物：聚阳离子链、聚阴离子链、聚两性链、聚非离子链以及上述物质的组合。
6.如权利要求1所述的原位成型生物粘合水凝胶，其中，所述接头选自于由如下物质组成的组：聚酯链、聚酸酐链、聚原酸酯链、聚氨基甲酸酯链、聚酰胺链、多肽链、聚脂肪族链、聚芳香族链以及上述物质的组合。
7.如权利要求1所述的原位成型生物粘合水凝胶，其中，所述接头选自于由如下物质所组成的组：聚乙二醇（PEG）-聚乳酸（PLA）、聚乙二醇（PEG）-聚己内酯（PCL）、聚乙二醇（PEG）-聚(DL-乳酸-co-乙醇酸）（PLGA）、聚富马酸丙二醇酯、聚富马酸乙二醇酯以及上述物质的组合。
8.如权利要求1所述的原位成型生物粘合水凝胶，其中，所述接头选自于由如下物质所组成的组：聚乙二醇（PEG）、聚环氧乙烷（PEO）、聚乙烯亚胺（PEI）、聚环氧丙烷（PPO）、聚乙烯醇（PVA）、聚(N-异丙基丙烯酰胺)（聚NIPAAM）、聚富马酸酯、聚有机膦腈、聚丙烯酸（聚AAc）、聚磺酸烯丙酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯（聚HEMA）以及上述物质的共聚物。
9.如权利要求8所述的原位成型生物粘合水凝胶，其中，所述共聚物选自于由如下物质所组成的组：PEO-PPO-PEO、四臂PEO-PPO-PEO、PEG-PEI、PEG-PVA、PEG-PEI-PVA、PEI-PVA、聚(NIPAAM-co-AAc)、聚(NIPAAM-co-HEMA)以及上述物质的组合。
10.如权利要求1所述的原位成型生物粘合水凝胶，其中，利用辣根过氧化物酶及过氧化氢的浓度对所述水凝胶的理化性质进行调节，所述理化性质选自于凝胶化时间、凝胶稳定性、机械强度及水含量。
11.如权利要求1所述的原位成型生物粘合水凝胶，其中，通过改变所述水溶性聚合物的分子量对所述水凝胶的理化性质进行调节，所述理化性质选自于凝胶化时间、凝胶稳定性、机械强度及水含量。
12.如权利要求1所述的原位成型生物粘合水凝胶，其中，通过改变多巴或多巴衍生物的含量，对所述水凝胶的粘合强度进行调节；或者，通过改变非均质混合物中的具有多巴或多巴衍生物的聚合物与具有苯酚、苯胺、苯酚衍生物或苯胺衍生物的聚合物之间的混合比例，对所述水凝胶的粘合强度进行调节。
13.如权利要求1所述的原位成型生物粘合水凝胶，其中，将双注射器试剂盒用以帮助原位交联的成型。
14.如权利要求13所述的原位成型生物粘合水凝胶，其中，所述双注射器试剂盒安装有喷雾嘴，将所述聚合物可经由所述喷雾嘴进行喷雾。
15.如权利要求13所述的原位成型生物粘合水凝胶，所述水凝胶使用聚四氟乙烯模具和所述双注射器试剂盒成型为水凝胶片或水凝胶圆盘。
16.如权利要求1所述的原位成型生物粘合水凝胶，其进一步包含含有酪氨酸的肽。
17.用于生物粘合剂和止血剂的材料，所述材料含有权利要求1-16任一项所述的原位成型生物粘合水凝胶。
18.如权利要求17所述的材料，所述材料适用于医学状况，所述医学状况选自于由下述实例所组成的组：脑神经系统手术，包括血管手术；骨外科手术，包括骨结合；具有裂伤的患者内的止血；股动脉的闭合；对患白内障的眼睛切开后的闭合；软骨和关节软骨的愈合；皮肤的粘合；器官/分泌腺中的切开部分的止血；胃肠道器官的吻合；以及韧带和肌腱的愈合。
19.用于组织再生和填充的植入材料，所述植入材料含有权利要求1-16任一项所述的原位成型生物粘合水凝胶。
20.如权利要求19所述的植入材料，所述植入材料适用于选自于由如下用途所组成的组中的一种：软骨再生、骨再生、牙周再生、皮肤再生、心脏组织再生、人工晶状体、脊髓再生、颅骨再生、声带再生和填充、防止粘连隔离物、小便失禁治疗、除皱、创伤敷料、组织填充和椎间盘治疗。
21.用于递送药物的载体，所述载体含有权利要求1-16任一项所述的原位成型生物粘合水凝胶。
22.如权利要求21所述的载体，其中，所述药物选自于由如下物质所组成的组：肽或蛋白质药物、抗菌剂、抗癌剂、消炎剂以及上述物质的组合。
23.如权利要求22所述的载体，其中，所述肽或蛋白质药物选自于由如下物质所组成的组：成纤维细胞生长因子（FGF）、血管内皮生长因子（VEGF）、转化生长因子（TGF）、骨形态发生蛋白（BMP）、人生长激素（hGH）、猪生长激素（pGH）、粒细胞集落刺激因子（G-CSF）、促红细胞生成素（EPO）、巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）、肿瘤坏死因子（TNF）、表皮生长因子（EGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）、干扰素-α,β,γ、白细胞介素-2（IL-2）、降血钙素、神经生长因子（NGF）、生长激素释放激素、血管紧张素、促黄体激素释放激素（LHRH）、促黄体激素释放激素激动剂（LHRH激动剂）、胰岛素、促甲状腺素释放激素（TRH）、血管抑素、内皮抑素、生长抑素、胰高血糖素、内啡肽、杆菌肽、粘菌素、单克隆抗体、疫苗以及上述物质的组合。
24.如权利要求22所述的载体，其中，所述抗菌剂选自于由如下物质所组成的组：米诺环素、四环素、氧氟沙星、磷霉素、环丙氟啶酸、氨苄青霉素、青霉素、强力霉素、硫霉素、头孢菌素、诺卡杀菌素、庆大霉素、新霉素、卡那霉素、巴龙霉素、小诺霉素、阿米卡星、妥布霉素、地贝卡星、头孢噻肟、头孢克洛、红霉素、环丙沙星、左氧氟沙星、依诺沙星、万古霉素、亚胺培南和夫西地酸以及上述物质的组合。
25.如权利要求22所述的载体，其中，所述抗癌剂选自于由如下物质所组成的组：紫杉醇、泰索帝、阿霉素、内皮抑素、血管抑素、丝裂霉素、博来霉素、顺铂、卡铂、多柔比星、柔红霉素、伊达比星、5-氟尿嘧啶、甲氨蝶呤、放线菌素D以及上述物质的组合。
26.如权利要求22所述的载体，其中，所述消炎剂选自于由如下物质所组成的组：对乙酰氨基酚、阿司匹林、布洛芬、双氯芬酸、吲哚美辛、吡罗昔康、非诺洛芬、氟比洛芬、酮洛芬、萘普生、舒洛芬、洛索洛芬、辛诺昔康、替诺昔康以及上述物质的组合。
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