CN104245004A - 具有用于改进骨融合的抗菌功能的抗生素、释放骨形成促进材料的植入物或支架及其制造方法 - Google Patents

具有用于改进骨融合的抗菌功能的抗生素、释放骨形成促进材料的植入物或支架及其制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104245004A
CN104245004A CN201380019211.3A CN201380019211A CN104245004A CN 104245004 A CN104245004 A CN 104245004A CN 201380019211 A CN201380019211 A CN 201380019211A CN 104245004 A CN104245004 A CN 104245004A
Authority
CN
China
Prior art keywords
implant
support
bmp
titanium
heparin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201380019211.3A
Other languages
English (en)
Inventor
宋海龙
金学俊
朴镜淳
尹永弼
金成恩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Industry Academy Collaboration Foundation of Korea University
Korea University Research and Business Foundation
Original Assignee
Industry Academy Collaboration Foundation of Korea University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Industry Academy Collaboration Foundation of Korea University filed Critical Industry Academy Collaboration Foundation of Korea University
Publication of CN104245004A publication Critical patent/CN104245004A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/56—Porous materials, e.g. foams or sponges
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C8/00—Means to be fixed to the jaw-bone for consolidating natural teeth or for fixing dental prostheses thereon; Dental implants; Implanting tools
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28—Bones
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/28—Materials for coating prostheses
    • A61L27/34—Macromolecular materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/54—Biologically active materials, e.g. therapeutic substances
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C8/00—Means to be fixed to the jaw-bone for consolidating natural teeth or for fixing dental prostheses thereon; Dental implants; Implanting tools
    • A61C8/0003—Not used, see subgroups
    • A61C8/0004—Consolidating natural teeth
    • A61C8/0006—Periodontal tissue or bone regeneration
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
    • A61L2300/40—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices characterised by a specific therapeutic activity or mode of action
    • A61L2300/404—Biocides, antimicrobial agents, antiseptic agents
    • A61L2300/406—Antibiotics
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
    • A61L2300/40—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices characterised by a specific therapeutic activity or mode of action
    • A61L2300/412—Tissue-regenerating or healing or proliferative agents
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Dentistry (AREA)

Abstract

本发明提供的是：抗生素，能够防止在植入骨科或牙科的植入物或支架后可能出现的细菌感染并且同时具有骨融合和骨形成功能；植入物或支架，释放骨形成促进材料；及其制造方法。

Description

具有用于改进骨融合的抗菌功能的抗生素、释放骨形成促进材料的植入物或支架及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种在诱导并促进骨融合和骨形成的同时能够防止在骨科或牙科植入之后可能的细菌感染的功能性植入物或支架，及其制造方法。
背景技术
植入物或支架是设计用于在被植入组织之后执行其特征功能的生物可植入的医疗装置。因而，植入物或支架应该在保持足够的化学强度以承受重复负载或瞬间压力的同时提供有生物相容性和化学相容性。
目前，钛及其合金因其优异的生物相容性而成为最普遍的植入材料。低比重的钛相比于其它金属材料是相对轻的，但是当低比重的钛允许具有其它金属或得到适当地处理时它的强度可以得到提高。此外，钛在空气或水中是高度耐腐蚀的，因为钛在其上形成了高度致密并且允许优异的骨改建的钝化膜。而且，当被植入骨中时，钛经历了骨整合。具有这些优点的钛被最广泛地用作植入物或支架的材料。
呈现出这种优良的机械性能、化学稳定性和生物相容性的钛或其合金发现了在骨科(orthopedic)和牙科领域中作为植入物或支架的广泛应用。当不充分地整合至骨组织时，植入物或支架变得松弛，这导致植入失败。为了促进钛表面和骨组织之间的融合，已研发出了许多方法，包括：涂布磷酸钙或羟基磷灰石，以及使用生物分子、蛋白质的或通过控制表面拓扑结构而进行的表面修饰和功能化。在最近几年中，已提出了使用胶原凝胶、海绵、纤维蛋白原、壳聚糖等的BMP-2(骨形态发生蛋白-2)的释放系统。然而，已发现了：这些药物载体中的一些承受了BMP-2在短时间内快速释放或者BMP-2在早期阶段中的突释的缺点。
植入物或支架在骨科或牙科领域中失败的另一个主要原因是金属表面上的细菌感染。在插入期间，钛植入物易受来自患者自身的皮肤或黏膜的细菌的感染。一旦粘附至植入物并且在植入物上生长，细菌就形成了厚的生物膜，该生物膜充当妨碍宿主防御机制并阻滞施用的抗生素的扩散/渗透的主要屏障。这种细菌感染是植入失败的原因，并且除了加重患者的疾病，还可能因植入物除去而花费昂贵。
为了解决药物在短时间内快速释放或者药物在早期阶段中突释的问题，将肝素，带负电的线性多糖化学结合至钛上，以便能够以可控的方式缓慢释放BMP-2(Sung Eun Kim et al.,Biomaterials,2011,32(2),366-373(Sung Eun Kim等人，《生物材料》，2011年，32(2)期，366-373页))。尽管释放可控，但药物载体也被认为没有很好地进行保护以免受细菌粘附和感染。
此外，公开号为2007-0068240未经审查的韩国专利申请公开了为促进骨融合而涂有重组骨形态发生蛋白的牙科植入物。当被植入颚骨中时，涂有重组骨形态发生蛋白的牙科植入物允许植入位置周围的未分化细胞迅速分化成骨细胞，从而有助于骨诱导治疗。因而，可以减少治疗期。然而，这种技术仍暴露出植入物表面易于产生细菌粘附和感染的问题。在实际临床中，对患者额外施用抗生素以防止细菌粘附和感染。
以防止细菌感染并且促进骨整合为目标，Wilson Wang小组(Biomacromolecules,2009,10(6)1603-1611；Tissue Eng Part A,2009,15(2),417-426；Biomaterials,1008,29(10),1412-1421；J Biomed Mater Res A,2008,86(4),85-872(《生物大分子》，2009年，10(6)期，1603-1611页；《组织工程部分A》，2009年，15(2)期，417-426页；《生物材料》，1008年，29(10)期，1412-1421页；《生物医学材料研究期刊部分A》，2008年，86(4)期，85-872页))研发了壳聚糖及其衍生物、葡聚糖、透明质酸、多肽等结合至其表面的钛植入物。已发现了：钛植入物显著地刺激了成骨细胞的粘附和生长以及碱性磷酸酶的活性，并且钛植入物降低了细菌，诸如金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌，的粘附。然而，与聚合物或多肽结合的钛植入物需要施用抗生素以最小化或防止在植入物表面上的细菌粘附和感染。
为了克服现有技术中遇到的问题，本发明人研发了能够以持续的方式释放抗生素和骨形成促进材料的功能性植入物或支架，以防止在骨科或牙科植入后可能发生的细菌粘附和感染而不需要额外施用抗生素，并且促进骨整合和骨形成，从而产生了本发明。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是提供一种防止在骨科或牙科的植入后可能的细菌感染并且促进骨整合和骨形成的植入物或支架。更具体地，本发明旨在提供一种聚合物修饰以功能化(活化)其表面，并且通过物理固定至活化表面而与抗生素和骨形成促进材料结合的植入物或支架，从而能够以持续的方式释放抗生素和骨形成促进材料。
技术方案
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物在其表面上修饰的植入物或支架，聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物包括选自抗生素和骨形成促进材料中的至少一种。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种用于制造负载有抗生素/骨形成促进材料的功能性植入物或支架的方法，包括：
(a)制备聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物；
(b)用步骤(a)中制备的聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物来修饰植入物或支架以活化所述植入物或支架的表面；
(c)通过在搅拌的同时在20～25℃下将步骤(b)的表面活化的植入物或支架浸入所述抗生素的溶液中持续4至24小时而使抗生素固定至所述植入物或支架的表面；以及
(d)通过在搅拌的同时在20～25℃下将步骤(c)的抗生素被固定的植入物或支架浸入所述骨形成促进材料的溶液中持续4至24小时而使骨形成促进材料固定至所述植入物或支架的表面。
有益效果
考虑到抗生素和骨形成促进材料，本发明的植入物或支架能够在很长一段时间内以持续的方式释放它们，从而能够防止在植入期间可能发生的细菌粘附和感染，由此可以显着降低细菌引起的植入失败。此外，应用功能性植入物或支架的患者能够避免在植入后施用抗生素的繁琐问题。而且，当将本发明的植入物或支架应用至骨组织时，本发明的植入物或支架在很长一段时间内连续地释放促进骨融合和骨形成的材料，以便它能够改善骨组织中的骨整合和骨形态发生，从而因植入的成功率上升而减少了治疗期的时间和经济负担。
附图说明
图1是说明将抗生素庆大霉素和骨生长因子BMP-2相继地固定至经肝素处理的钛植入物的表面上的示意图。
图2示出了比较例1至4和实施例1中制备的钛植入物的表面的扫描电子显微图像：(a)钛(比较例1)，(b)肝素-钛(比较例2)，(c)庆大霉素被固定的肝素-钛(比较例3)，(d)BMP-2被固定的肝素-钛(比较例4)，以及(e)庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛(实施例1)。
图3示出了钛植入物(比较例1)和功能化的钛植入物(肝素-钛(比较例2)、庆大霉素被固定的肝素-钛(比较例3)、BMP-2被固定的肝素-钛(比较例4)、庆大霉素/BMP-2的被固定的肝素-钛(实施例1))的表面元素分析的X射线光电子能谱的光谱分析。
图4示出了如实验例2中所测定的比较例2至4和实施例1中制备的活化的钛植入物的庆大霉素或BMP-2释放行为的曲线图：图4a示出了庆大霉素被固定的肝素-钛(比较例3，GSHep-Ti)和庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛(实施例1，GS/BMP-2 Hep-Ti)的庆大霉素释放行为，并且图4b示出了BMP-2被固定的肝素-钛(比较例4，BMP-2/Hep-Ti)和庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛(实施例1，GS/BMP-2 Hep-Ti)的BMP-2释放行为。
图5示出了如实验例3中所分析的未处理的(intact)钛植入物(比较例1(未处置的Ti(Pristine Ti)))和功能化的钛植入物(庆大霉素被固定的肝素-钛(比较例3，GSHep-Ti)、BMP-2被固定的肝素-钛(比较例4，BMP-2/Hep-Ti)和庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛(实施例1，GS/BMP-2 Hep-Ti))对金黄色葡萄球菌的抗菌活性。
图6示出了如实验例4中所分析的未处理的钛植入物(比较例1(未处置的Ti))和功能化的钛植入物(肝素-钛(比较例2，肝素化的钛)、庆大霉素被固定的肝素-钛(比较例3，GSHep-Ti)、BMP-2被固定的肝素-钛(比较例4，BMP-2/Hep-Ti)和庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛(实施例1，GS/BMP-2/Hep-Ti))对成骨细胞的细胞毒性。
图7示出了如实验例5中所分析的未处理的钛植入物(比较例1(未处置的Ti))和功能化的钛植入物(肝素-钛(比较例2，肝素化的Ti)、庆大霉素被固定的肝素-钛(比较例3，GSHep-Ti)、BMP-2被固定的肝素-钛(比较例4，BMP-2/Hep-Ti)和庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛(实施例1，GS/BMP-2/Hep-Ti))上的成骨细胞的Live/Dead检测结果。
图8示出了如实验例6中所分析的在1天、3天和7天的温育后未处理的钛植入物(比较例1(未处置的Ti))和功能化的钛植入物(肝素-钛(比较例2，肝素化的Ti)、庆大霉素被固定的肝素-钛(比较例3，GSHep-Ti)、BMP-2被固定的肝素-钛(比较例4，BMP-2/Hep-Ti)和庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛(实施例1，GS/BMP-2/Hep-Ti))对成骨细胞的生长效应。
图9示出了如实验例7中所分析的在未处理的钛植入物(比较例1(未处置的Ti))和功能化的钛植入物(肝素-钛(比较例2，肝素化的Ti)、庆大霉素被固定的肝素-钛(比较例3，GSHep-Ti)、BMP-2被固定的肝素-钛(比较例4，BMP-2/Hep-Ti)和庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛(实施例1，GS/BMP-2/Hep-Ti))的存在下温育7天、14天和21天的成骨细胞的碱性磷酸酶活性。
图10示出了如实验例8中所分析的在未处理的钛植入物(比较例1(未处置的Ti))和功能化的钛植入物(肝素-钛(比较例2，肝素化的Ti)、大霉素被固定的肝素-钛(比较例3，GSHep-Ti)、BMP-2被固定的肝素-钛(比较例4，BMP-2/Hep-Ti)和庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛(实施例1，GS/BMP-2/Hep-Ti))的存在下培养21天的成骨细胞的钙沉积。
图11示出了(a)实施例1的PCL/PLGA支架、(b)负载BMP-2的肝素PCL/PLGA支架和(c)负载BMP-2的肝素-多巴胺PCL/PLGA支架的表面的扫描电子显微图像。
图12示出了如在用支架进行温育后对于吸光度450nm所测定的未处理的PCL/PLGA支架、负载BMP-2的肝素-PCL/PLGA支架和负载BMP-2的肝素-多巴胺-PCL/PLGA支架对成骨细胞的细胞毒性。
图13示出了如在支架的存在下温育1天、3天和7天后用于450nm处吸光度所测定的未处理的PCL/PLGA支架、负载BMP-2的肝素-PCL/PLGA支架和负载BMP-2的肝素-多巴胺-PCL/PLGA支架对成骨细胞的生长效应。
图14示出了未处理的PCL/PLGA支架、负载BMP-2的肝素-PCL/PLGA支架和负载BMP-2的肝素-多巴胺-PCL/PLGA支架对成骨细胞的早期分化标志碱性磷酸酶活性的效应。
图15示出了未处理的PCL/PLGA支架、负载BMP-2的肝素-PCL/PLGA支架和负载BMP-2的肝素-多巴胺-PCL/PLGA支架对成骨细胞的晚期分化标志钙沉积的效应。
图16示出了如使用苏木精和曙红(H&E)和Masson的三色(MT)的染色所分析的，说明植入小鼠胫骨的8mm的骨缺损部位的未处理的PCL/PLGA支架、负载BMP-2的肝素-PCL/PLGA支架和负载BMP-2的肝素-多巴胺-PCL/PLGA支架的骨形成活性的组织学图像。
图17示出了如通过X射线、CT和组织形态学所分析的，植入小鼠胫骨的8mm的骨缺损部位的未处理的PCL/PLGA支架、负载BMP-2的肝素-PCL/PLGA支架和负载BMP-2的肝素-多巴胺-PCL/PLGA支架的骨形成活性。
具体实施方式
下面，将对本发明进行详细说明。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种用聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物在其表面上修饰的植入物或支架，该聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物包括选自抗生素和骨形成促进材料中的至少一种。
更详细地，本发明提供了一种能够释放抗生素和/或骨形成促进材料的功能性植入物或支架，该功能性植入物或支架经由共价键或非共价键而具有用高度生物相容的聚合物修饰的表面，并且通过固定至其聚合物修饰的表面而与防止细菌粘附和感染的抗生素和/或促进骨融合和骨形成的骨形成促进材料结合。
在本发明的一个实施方式中，植入物或支架具有由高度生物相容的钛或钛合金制成的表面。
在本发明的另一个实施方式中，植入物或支架具有由生物降解性塑料制成的表面，该生物降解性塑料选自由以下物质组成的组：聚己酸内酯(PCL)；聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸或者它们的共聚物(PLGA)；聚(3-羟基丁酸酯-共-3-羟基戊酸酯)(PHBV)；聚乙烯醇(PVA)；聚丁烯琥珀酸酯(PBS)；聚丙烯乙醇酸(PG)；以及它们的组合。
适用于植入物或支架的表面修饰的聚合物是生物相容的，并且可以选自由以下物质组成的组，但不限于：肝素、硫酸乙酰肝素(heparan sulfate)、透明质酸、藻酸盐、聚(天冬氨酸)、聚(丙烯酸)、聚(谷氨酸)、羧甲基纤维素、明胶、胶原、壳聚糖及其衍生物、乙二醇壳聚糖、聚-L-赖氨酸、聚乙烯亚胺、具有端胺基的树枝状化合物，以及它们的组合。
树枝状化合物是在核心周围具有一个或多个径向重复单元(代)的重复分枝的分子。代的数量优选为1至5。
为了使聚合物在植入物或支架的表面上形成强的共价键或非共价键，采取用分泌可以粘附至基本所有基材(无论是无机的还是有机的)的粘附蛋白的贻贝的粘合特性是有利的。贻贝的强粘合力归因于位于噬斑基质界面(plaque-substrate interface)附近的3,4-二羟基-L-苯丙氨酸(DOPA)，和富含赖氨酸的蛋白质。DOPA不仅参与负责固化粘附材料的反应，而且也与基材形成强的共价键或非共价键。除此以外，邻二羟苯(ortho-dihydroxyphenyl)，也被称为邻苯二酚，在与基材形成强的共价键或非共价键中起着关键作用。因此，含有邻苯二酚基团的化合物被用于将生物相容的聚合物结合至植入物或支架的表面。含邻苯二酚的化合物优选选自由以下物质组成的组，但不限于：L-3,4-二羟基苯丙氨酸、多巴胺、3,4-二羟基苄胺、去甲肾上腺素、3,4-二羟基苯甲醛、3,4-二羟基苯甲酸、咖啡酸、3,4-二羟基苯乙酸，以及它们的组合。
至于在修饰并从而活化或功能化植入物或支架的表面中的应用，可以通过在交联剂的帮助下将聚合物连接至含邻苯二酚的化合物来制备聚合物-含邻苯二酚的化合物的复合物。
优选通过用选自含邻苯二酚的化合物的胺基、羧基和醛基中的官能团化学键合聚合物的胺基或羧基来形成聚合物-含邻苯二酚的化合物的复合物。可以用聚合物-含邻苯二酚的化合物的复合物修饰植入物或支架的表面。
更优选地，可以由下面组合制备聚合物-含邻苯二酚的化合物的复合物：具有羧基的聚合物(诸如，肝素、硫酸乙酰肝素、透明质酸、藻酸盐、聚(天冬氨酸)、聚(丙烯酸)、聚(谷氨酸)、羧甲基纤维素、明胶和胶原)与具有胺基的含邻苯二酚的化合物(诸如，L-3,4-二羟基苯丙氨酸、多巴胺、3,4-二羟基苄胺和去甲肾上腺素)的各种组合；以及具有胺基的聚合物(诸如，明胶、胶原、壳聚糖及其衍生物、乙二醇壳聚糖、聚-L-赖氨酸、聚乙烯亚胺和树枝状化合物)与具有羧基或醛基的含邻苯二酚的化合物(诸如，3,4-二羟基苯甲醛、3,4-二羟基苯甲酸、咖啡酸和3,4-二羟基苯乙酸)的各种组合。在下面的表1中，总结了从聚合物和含邻苯二酚的化合物的组合中可获得的示例性的聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物。
表1
聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物
聚合物优选重均分子量为1800至300000的范围内。在聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物中，基于1重量份的聚合物，优选连接3至25重量份的含邻苯二酚的化合物，但本发明并不限定于此数值范围。
邻苯二酚官能团易于经历氧化还原聚合的碱性条件适合于通过将聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物与表面结合而活化并且功能化植入物或支架的表面。优选地，溶液具有7至12的pH。就这一点而言，pH缓冲液，诸如Tris缓冲液、PBS等，可被用于维持pH条件。
可被固定或负载至植入物或支架(其表面已被聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物活化或功能化)的抗生素可以选自由以下物质组成的组，但不限于：西索米星、核糖霉素、万古霉素、妥布霉素、氨曲南、庆大霉素、头孢替安、头孢曲松、奈替米星、环丙沙星、克林霉素、头孢唑啉，以及它们的组合。更优选的是具有选自羧酸、胺、磷酸盐和硫酸盐中的至少一种官能团的抗生素。
当抗生素被固定或负载至植入物或支架的经聚合物活化的表面时，抗生素优选在1ng/ml至200mg/ml的浓度内。在此浓度范围内，抗生素可以被负载或固定至活化的植入物或支架，但是抗生素的量可根据植入物或支架的尺寸不同而有所不同。假如小于1ng/ml的浓度，抗生素可能不发挥抗菌活性。另一方面，大于200mg/ml的浓度可能对正常细胞产生负面影响。
作为能够被固定或负载至经聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物活化或功能化的植入物或支架的表面的骨形成促进材料，可以使用骨生长因子蛋白或低分子量的骨形成化合物，优选骨生长因子。
骨生长因子优选选自由以下物质组成的组：骨形态发生蛋白，BMP-1、BMP-2、BMP-3、BMP-4、BMP-5、BMP-6、BMP-7、BMP-8a、BMP-8b、BMP-10和BMP-15；血小板衍化生长因子(PDGF)；转化生长因子β(TGF-β)；碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)；胰岛素样生长因子1(IGF-1)；乳铁蛋白；以及它们的组合。
或者，代替骨生长因子来促进植入物或支架的骨融合和骨形成功能，可以将低分子量的骨形成化合物固定或负载至植入物或支架的表面，低分子量的骨形成化合物的实例包括：二膦酸盐类药物，例如阿仑膦酸盐、利塞膦酸盐、唑来膦酸盐、依替膦酸盐、氯膦酸盐、替鲁膦酸盐、帕米膦酸盐、奥帕膦酸盐(olpadronate)和伊班膦酸盐(ibadronate)；他汀(stantin)类药物，例如阿托伐他汀、氟伐他汀、洛伐他汀、匹伐他汀、普伐他汀、瑞舒伐他汀和辛伐他汀(simastatin)；前列腺素E2(PGE2)；新巴罗门汀(shinbarometin)；焦磷酸盐；锝美罗酸盐(medronate)；奥昔膦酸盐(oxidronate)；氧固醇；以及它们的组合。
负载或固定至植入物或支架的经聚合物活化的表面的骨生长因子的量可优选在1pg/ml至3mg/ml的浓度范围内。当以小于1pg/ml的浓度使用骨生长因子时，没有发现骨形态发生的效应。超过3mg/ml的量的骨生长因子可以引起熔化骨的副作用。
当被固定或负载至植入物或支架的聚合物活化的表面时，促进骨融合和骨形成的低分子量的骨形成促进化合物优选在1ng/ml至500mg/ml的浓度内。假如小于1ng/ml的浓度，骨生长因子可能不发挥抗菌活性。另一方面，大于500mg/ml的浓度可能引起熔化骨的副作用。
静电相互作用可易于发生在抗生素和聚合物之间以及在聚合物和骨形成促进材料之间的pH为5至6.5的弱酸性条件适合于将抗生素和骨形成促进材料负载或固定至植入物或支架的经聚合物活化或功能化的表面。就这一点而言，水、MES(2-(N-吗啉代)乙磺酸)缓冲液、Tris缓冲液，PBS等可被用作维持pH条件的溶液。
本发明的植入物或支架优选为牙科或骨科的植入物或支架。例如，骨科的植入物或支架可以包括：人造插入物，诸如替代髋关节、膝关节、踝关节、肩关节或肘关节的人造关节；用于脊椎的人造盘(artificial disc)；以及治疗骨折的夹具，诸如金属螺钉、金属板和金属钉等。牙科的植入物或支架的实例包括：固定型植入物或支架，以及膜型植入物或支架。
因此，能够以持续的方式释放抗生素和骨形成促进材料的功能性植入物或支架能够防止在植入期间可能发生的细菌粘附和感染，因为它在很长一段时间内释放抗生素，并因而应用该功能性植入物或支架的患者可以避免在植入后施用抗生素的繁琐问题。此外，当将本发明的植入物或支架应用至骨组织时，本发明的植入物或支架在很长一段时间内连续地释放促进骨融合和骨形成的材料，以便它能够改进在骨组织处的骨整合和骨形态发生，从而减少治疗期的时间并且极大地促进植入的成功率。
根据本发明的另一个方面，本发明提出了一种用于制造负载有抗生素/骨形成促进材料的功能性植入物或支架的方法，包括：
(a)制备聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物；
(b)用步骤(a)中制备的聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物来修饰植入物或支架以活化植入物或支架的表面；
(c)通过在搅拌的同时在20～25℃下将步骤(b)的表面活化的植入物或支架浸入抗生素的溶液中持续4至24小时而使抗生素固定至植入物或支架的表面；以及
(d)通过在搅拌的同时在20～25℃下将步骤(c)的抗生素被固定的植入物或支架浸入骨形成促进材料的溶液中持续4至24小时而使骨形成促进材料固定至植入物或支架的表面。
优选通过将聚合物的胺基或羧基与选自所述含邻苯二酚的化合物的胺基、羧基和醛基中的官能团结合来形成步骤(a)的聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物。
至于聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物的制备，可以参照前述内容。
聚合物易于与步骤(c)中的抗生素和与步骤(d)中的骨形成促进材料经历静电相互作用的反应条件是pH为6.5至5的弱酸性条件。就这一点而言，MES(2-(N-吗啉代)乙磺酸)缓冲液、Tris缓冲液、PBS等可被用作反应溶剂以维持pH值条件。
此外，该方法可以还包括：在步骤(b)、(c)和(d)中的每一个步骤之后，洗涤三至四次并且在50℃下干燥。
抗生素与如上所述的相同。
当被固定或负载至植入物或支架的聚合物活化的表面时，抗生素优选在1ng/ml至200mg/ml的浓度内。在此浓度范围内，抗生素可被负载或固定至活化的植入物或支架，但是抗生素的量可根据植入物或支架的尺寸不同而有所不同。假如小于1ng/ml的浓度，抗生素可能不发挥抗菌活性。另一方面，大于200mg/ml的浓度可能对正常细胞产生负面影响。
至于骨形成促进材料，可以参照前述内容。
负载或固定至植入物或支架的经聚合物活化的表面的骨生长因子的量优选在1pg/ml至3mg/ml的浓度范围内。
当被固定或负载至植入物或支架的经聚合物活化的表面时，促进骨融合和骨形成的低分子量的骨形成促进化合物优选在1ng/ml至500mg/ml的浓度内。
通过下面的实例可以更好地理解本发明，为了说明，提供了下面的实施例，但不应被解释为限制本发明。
制备例1：肝素-多巴胺的复合物的制备
在10ml的MES缓冲液(pH 4.5)中，溶解400mg的肝素、190.6mg的1-乙基-3(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC)和115mg的N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)并反应10分钟，随后在25℃下与102.2mg的多巴胺反应约24小时。此后，用蒸馏水透析反应混合物以除去未反应的材料，并且将透析液冻干以得到肝素-多巴胺的复合物(Hep-DOPAm)。根据下面的反应路线1进行该反应。
反应路线1
在280nm处的UV和VIS光谱分析表明在肝素-多巴胺的复合物中，每一分子的肝素具有约4.6±0.8分子的多巴胺。
实施例1：硫酸庆大霉素和BMP-2固定至钛表面
在其表面修饰之前，使钛植入物在乙醇中通过超声洗涤1小时并且在50℃下干燥约24小时。在不透光的条件下，在搅拌的同时使钛植入物在含有浓度为5mg/ml的制备例1的肝素-多巴胺的复合物的10mM Tris缓冲液(pH 8.0)中放置过夜。用蒸馏水将其表面经肝素-多巴胺的复合物修饰的钛植入物(肝素-钛植入物)洗涤三至四次，并且在氮气流下干燥。然后，将抗生素庆大霉素负载至其表面经肝素-多巴胺的复合物修饰的钛植入物。为此，使肝素-多巴胺的复合物修饰的钛植入物在25℃下浸入含有浓度为50mg/ml的庆大霉素的0.1M MES缓冲液(pH 5.6)达15-24小时，用蒸馏水洗涤三至四次，并且在50℃下干燥，以提供负载庆大霉素的肝素-钛植入物(庆大霉素-肝素-钛植入物)。进一步将骨生长因子BMP-2负载至钛植入物。就这一点而言，在搅拌的同时使庆大霉素-肝素-钛植入物浸入含有50ng/ml BMP-2的0.1M MES缓冲剂(pH 5.6)过夜，用蒸馏水洗涤三至四次，并且干燥，以提供负载庆大霉素/BMP-2的肝素-钛植入物。
比较例1：钛植入物
表面未经处理的钛植入物。
比较例2：肝素-钛植入物的制造
在修饰其表面之前，使钛植入物在乙醇中通过超声洗涤1小时并且在50℃下干燥约24小时。在不透光的条件下，在搅拌的同时使钛植入物在含有浓度为5mg/ml的制备例1的肝素-多巴胺的复合物的10mM Tris缓冲液(pH 8.0)中放置过夜。用蒸馏水将经肝素-多巴胺的复合物修饰的钛植入物表面(肝素-钛植入物)洗涤三至四次，并且在氮气流下干燥。
比较例3：庆大霉素被固定的肝素-钛植入物的制造
除了省略将BMP-2固定至经肝素-多巴胺的复合物修饰的钛植入物，以与实施例1相同的方法来制造庆大霉素被固定的肝素-钛植入物(庆大霉素-肝素-钛植入物)。
比较例4：BMP-2被固定的肝素-钛植入物的制造
除了仅将庆大霉素固定至经肝素-多巴胺的复合物修饰的钛植入物表面，以与实施例1相同的方法来制造BMP-2被固定的肝素-钛植入物(庆大霉素-肝素-钛植入物)。
实验例1
如图2所示，扫描电子显微镜表明了：实施例1中制备的负载有肝素、庆大霉素和BMP-2的植入物与比较例1至4的钛植入物在表面形态上相似。在图3中给出了比较例1的钛植入物和功能化的钛植入物(实施例1和比较例2和3)的表面元素分析的X射线光电子能谱结果。如图3的谱图所示，已发现肝素-钛植入物相比于非修饰的钛植入物(比较例1)氮含量升高了3.63％并且氧含量降低了20.49％，这表明了肝素成功地修饰钛植入物的表面。此外，在庆大霉素被固定的肝素的钛植入物(比较例3)、BMP-2被固定的肝素的钛植入物(比较例4)以及庆大霉素/BMP-2被固定的肝素钛植入物(实施例1)中，与肝素-钛的钛植入物(比较例2)相比都检测到了碳含量的降低和氮含量的升高，这表明了庆大霉素和BMP-2成功地负载至钛植入物。在表2中，总结了未处理的钛植入物和功能化的钛植入物的表面元素分析结果。
表2
钛和功能化的钛的表面元素分析结果
基材 C％ N％ O％ Ti％
比较例1 未处置的Ti 52.02 1.12 36.11 10.75
比较例2 Hep-Ti 76.44 4.75 15.62 3.19
比较例3 GS/Hep-Ti 75.05 5.76 16.81 2.38
比较例4 BMP-2/Hep-Ti 75.19 5.17 17.19 2.45
实施例1 GS/BMP-2/Hep-Ti 75.94 7.23 14.23 2.60
GS：硫酸庆大霉素
Hep：肝素
实验例2：来自功能化的钛的庆大霉素或BMP-2的释放行为
对功能化的钛植入物，即庆大霉素被固定的肝素-钛植入物(比较例3)、BMP-2被固定的肝素-钛植入物(比较例4)、庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛植入物(实施例1)，分析庆大霉素或BMP-2的释放行为。对此，在以100rpm搅拌的同时使每种钛植入物在37℃下浸入1ml的PBS缓冲液(pH 7.4)中，并且在1天、3天、7天、10天、14天、21天和28天浸入后的1小时、3小时、5小时和10小时的预定时间进行测量。在测量日时，将缓冲液换成新制的缓冲液。在257nm处，使用R/VIS分光光度计(DU-530，Beckman CoulterTM，美国)分析所释放的庆大霉素。至于所释放的BMP-2，通过ELISA(Human BMP-2 Mini ELISADevelopment Kit(900-M255)，Peprotech，美国)进行测量450nm处的吸光度。结果示于图4中。
如从图4的数据中所理解的，庆大霉素被固定的肝素-钛(比较例3)、BMP-2被固定的肝素-钛(比较例4)、庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛(实施例1)虽然第一天快速释放庆大霉素和/或BMP-2，但是示出了持续4周的稳定释放行为。
实验例3：功能化的钛的抗菌活性
对未处理的钛(比较例1)以及功能化的钛，即庆大霉素被固定的肝素-钛(比较例3)、BMP-2被固定的肝素-钛(比较例4)和庆大霉素/BMP-2-固定的肝素-钛(实施例1)，评价抗菌功效。将每种钛放置在培养液TSB(胰蛋白酶大豆液(Tryptic Soy Broth))中，然后在其中接种1×106金黄色葡萄球菌细胞，随后在搅拌的同时在37℃下培养6小时、12小时和24小时。通过测量600nm处的吸光度来分析每种钛植入物的抗菌活性，并且结果示于图5中。如图5所示，未处理的钛(比较例1)和BMP-2被固定的肝素-钛(比较例4)不能抑制金黄色葡萄球菌的生长，而在庆大霉素被固定的肝素-钛(比较例3)和庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛(实施例1)中都检测到抗细菌生长的有效抑制活性。
实验例4：未处理的钛和功能化的钛的细胞毒性
对未处理的钛(比较例1)和功能化的钛，即肝素-钛(比较例2)、庆大霉素被固定的肝素-钛(比较例3)、BMP-2被固定的肝素-钛(比较例4)和庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛(实施例1)化验对成骨细胞的细胞毒性。使每种钛植入物在培养液中在37℃下温育24小时，以得到提取液。单独地，以1×104细胞/孔的密度将成骨细胞MG63接种在96孔的板中，并且在37℃下温育24小时。然后，收集成骨细胞，用PBS缓冲液进行洗涤，并且在提取液中温育24小时和48小时，其后除去提取液。在用于分析细胞毒性的450nm处的光谱分析之前，使细胞在CCK-8增殖试剂盒的试剂的存在下在37℃下进一步温育1小时。如图6所示，无论是未处理的还是功能化的钛植入物即使温育48小时之后也呈现出95％的细胞活性，这表明钛植入物都是对成骨细胞无毒的。
实验例5：未处理的钛及功能化的钛的Live/Dead检测
使未处理的钛植入物和功能化的钛植入物，即肝素-钛植入物、庆大霉素被固定的肝素-钛植入物、BMP-2被固定的肝素-钛植入物和庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛植入物，经历LIVE/DEAD细胞活性检测。就这一点而言，将每种钛植入物放置于48孔的板，其中，以5×104细胞/孔的密度将成骨细胞小心地接种在钛植入物上。在48小时的温育后，用PBS缓冲液将细胞洗涤三至四次，然后在live/dead染料(钙黄绿素、溴乙啡锭二聚体-1试剂、L3224(用于哺乳动物细胞的Live/DEAD活性/毒性试剂盒)，Molecular ProbesTM，美国)的存在下温育30分钟。共聚焦激光扫描显微镜证实了：无论是未处理的还是功能化的钛植入物，成骨细胞都粘附至其上并且健康地生长(图7)。
实验例6：未处理的钛及功能化的钛的细胞增殖
对未处理的钛植入物和功能化的钛植入物，即肝素-钛植入物、庆大霉素被固定的肝素的钛植入物、BMP-2被固定的肝素的钛植入物和庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛植入物，测定对成骨细胞的生长效应。以1×105细胞的密度将成骨细胞小心地接种在每种钛植入物上，温育1天、3天和7天，并用PBS洗涤。此后，在CCK-8增殖试剂盒试剂(四唑盐试剂、细胞计数试剂盒-8，Dojindo，美国)的存在下将细胞进一步温育1小时，并且将细胞培养物小心地转移至96孔的板，随后测量450nm处的吸光度。使成骨细胞在未处理的钛植入物或者功能化的钛植入物上进一步活跃地增殖，随着时间从第1天推移至第7天(图8)，各组中没有生长差异。
实验例7：未处理的钛及功能化的钛的碱性磷酸酶活性
通过测量碱性磷酸酶的活性，成骨细胞的早期分化标志，来对未处理的钛植入物和功能化的钛植入物评价骨整合功效。以1×105细胞的密度将成骨细胞接种在每种钛植入物上，并且温育7天、14天及21天。然后，用PBS缓冲液将细胞洗涤，并且在以110瓦特在0℃下超声1分钟之前使其悬浮于1x RIPA缓冲液中。在4℃下以13500rpm将如此获得的细胞溶解产物离心3分钟。在37℃下用磷酸对硝基苯酯溶液将上清液温育30分钟，随后用500μL的1N NaOH停止反应。测量405nm处的吸光度，并且结果描述在图9中。由图9可见，在未处理的钛、肝素-钛和庆大霉素被固定的肝素-钛中检测到几乎相同的碱性磷酸酶活性，而BMP-2被固定的肝素-钛和庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛在碱性磷酸酶活性的方面上相似，但是显著优于的未处理的钛(比较例1)、肝素-钛(比较例2)和庆大霉素被固定的肝素-钛(比较例3)。
实验例8：未处理的钛及功能化的钛的钙沉积
通过测量钙沉积，成骨细胞的晚期分化标志，来对实施例1和比较例1至4的钛植入物评价骨整合功效。以1×105细胞的密度将成骨细胞小心地接种在每种钛植入物上，并且温育21天。在用PBS洗涤后，从钛表面将细胞小心地刮下。通过以13500 RPM旋转1分钟来收集细胞，并使其悬浮于0.1％Triton X-100中。通过在0℃下超声约1分钟进行细胞溶菌，随后离心。通过在QuantiChromTM钙检测试剂盒的帮助下测量612nm处的吸光度来对如此获得的上清液检测钙沉积。如从图10的数据所理解的，在未处理的钛(比较例1)、肝素-钛(比较例2)和庆大霉素被固定的肝素-钛(比较例3)之中检测到相似的钙沉积而没有显著统计学差异，而BMP-2被固定的肝素-钛(比较例4)和庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛(实施例1)在钙沉积的方面上相似，但是显著优于未处理的钛(比较例1)、肝素-钛(比较例2)和庆大霉素被固定的肝素-钛(比较例3)。
总之，所有上述实验例的数据表明了：实施例1的庆大霉素/BMP-2被固定的肝素-钛植入物，即抗生素和骨形成促进材料已固定至修饰表面的功能化的钛植入物，就防护细菌感染以及骨整合和骨形态发生而言优于比较例的植入物。
实施例2：BMP-2固定至PCL/PLGA支架
在PCL/PLGA支架的表面修饰之前，将PCL/PLGA支架在乙醇中通过超声洗涤1小时并且在50℃下干燥约24小时。在不透光的条件下，在搅拌的同时使PCL/PLGA支架在含有浓度为5mg/ml的制备例1的肝素-多巴胺的复合物的10mM Tris缓冲液(pH 8.0)中放置过夜。用蒸馏水将其表面经肝素-多巴胺的复合物修饰的PCL/PLGA支架(肝素-多巴胺-PCL/PLGA支架)洗涤三至四次，并且在氮气流下干燥。然后，将骨生长因子BMP-2负载至其表面经肝素-多巴胺的复合物修饰的PCL/PLGA支架。为此，使肝素-多巴胺的复合物修饰的PCL/PLGA支架整夜浸入含有浓度为50mg/ml的BMP-2的0.1M MES缓冲液(pH 5.6)，用蒸馏水洗涤三至四次，并且干燥，以提供负载BMP-2的肝素-多巴胺-PCL/PLGA支架。
实验例9：未处理的PCL/PLGA支架和功能化的PCL/PLGA支架的表面形态
在扫描电子显微镜下观察肝素处理的负载BMP-2的PCL/PLGA支架以及经肝素-多巴胺处理和BMP-2处理的PCL/PLGA支架。如图11所示，肝素处理的负载BMP-2的PCL/PLGA支架具有粗糙表面，而经肝素-多巴胺处理和BMP-2处理的PCL/PLGA支架的表面是平滑的，这表明肝素-多巴胺的复合物支架更适合于负载BMP-2。
实验例10：未处理的PCL/PLGA支架和功能化的PCL/PLGA支架的细胞毒性
对未处理的PCL/PLGA支架、BMP-2被固定的肝素-PCL/PLGA支架和BMP-2被固定的肝素-多巴胺-PCL/PLGA支架检测对成骨细胞的细胞毒性。在培养液中使每种支架在37℃下温育24小时以得到提取液。单独地，以1×104细胞/孔的密度将成骨细胞MG63接种在96孔的板，在37℃下温育24小时。然后，收集成骨细胞，用PBS洗涤缓洗涤，并且在上述提取液中温育24小时和48小时，其后除去培养液。在450nm处的光谱分析细胞毒性之前，在CCK-8增殖试剂盒的试剂的存在下在37℃下对细胞进一步温育1小时。如图12中所见，无论是未处理的还是功能化的PCL/PLGA支架，所有PCL/PLGA支架即使在48小时温育后仍呈现出90％的细胞活性，这表明PCL/PLGA支架都是对成骨细胞无毒的。
实验例11：未处理的PCL/PLGA支架和功能化的PCL/PLGA支架的细胞增殖
对未处理的PCL/PLGA支架、负载BMP-2的PCL/PLGA支架，即负载BMP-2的肝素-PCL/PLGA支架和BMP-2被固定的肝素-多巴胺-PCL/PLGA支架检测对成骨细胞的生长效应。以1×105细胞的密度将成骨细胞小心地接种在每种支架上，温育1天、3天和7天，并且用PBS洗涤。此后，在CCK-8增殖试剂盒试剂(四唑盐试剂、细胞计数试剂盒-8，Dojindo，美国)的存在下将细胞进一步温育1小时，并且将细胞培养物小心地转移至96孔的板，随后测量450nm处的吸光度。使成骨细胞在未处理的PCL/PLGA支架或者功能化的PCL/PLGA支架上进一步活跃地增殖，随着时间从第1天推移第7天(图13)，在统计学意义上的7天时，BMP-2被固定的肝素-多巴胺-PCL/PLGA支架相比于其它的表现出更高的增殖。
实验例12：未处理的PCL/PLGA支架和功能化的PCL/PLGA支架的碱性磷酸酶活性
通过测量碱性磷酸酶的活性，成骨细胞的早期分化标志，来对未处理的PCL/PLGA支架和功能化的PCL/PLGA支架评价骨整合功效。以1×105细胞的密度将成骨细胞接种在每种PCL/PLGA支架上并且温育3天、10天和14天。然后，用PBS缓冲液洗涤细胞，并且在以110瓦特在0℃下超声1分钟之前使其悬浮于1xRIPA缓冲液中。在4℃下以13500rpm将如此获得的细胞溶解产物离心3分钟。在37℃下用磷酸对硝基苯酯溶液将上清液温育30分钟，随后用500μL的1NNaOH停止反应。测量405nm处的吸光度，并且结果描述在图14中。由图14可见，在未处理的PCL/PLGA支架和负载BMP-2的肝素-PCL/PLGA支架之间检测到几乎相同的碱性磷酸酶活性，而BMP-2被固定的肝素-多巴胺-PCL/PLGA支架相比于上述PCL/PLGA支架提供非常高的磷酸酶活性。
实验例13：未处理的PCL/PLGA支架和功能化的PCL/PLGA支架的钙沉积
通过测量钙沉积，成骨细胞的晚期分化标志，来对PCL/PLGA支架和BMP-2被固定的肝素-多巴胺-PCL/PLGA支架评价骨整合功效。以1×105细胞的密度将成骨细胞小心地接种在每种支架上，并且温育21天。在用PBS洗涤后，从钛表面将细胞小心地刮下。通过以13500 RPM旋转1分钟来收集细胞，并使其悬浮于0.1％Triton X-100中。通过在0℃下超声约1分钟进行细胞溶菌，随后离心。通过在QuantiChromTM钙检测试剂盒的帮助下测量612nm处的吸光度来对如此获得的上清液检测钙沉积。如从图12的数据所理解的，在未处理的PCL/PLGA支架和负载BMP-2的肝素-PCL/PLGA支架之间检测到相似的钙沉积而没有显著统计学差异，而BMP-2被固定的肝素-多巴胺-PCL/PLGA支架相比于上述PCL/PLGA支架提供显著更高的钙沉积。
实验例14：组织学和组织形态学分析
对植入小鼠胫骨的8mm的骨缺损部位的每种支架进行X射线拍照，其后对每种样品的一半进行处理以用于组织学和组织形态学分析。将每种组织固定在10％缓冲的甲醛中，并且在10％甲酸中脱钙。在与其赤道面(equator)垂直的相对侧处修整骨缺损之后，将矢状切面嵌入石蜡中。将该块切成厚度为6μm，并且然后用苏木精和曙红(H&E)和Masson的三色(MT)进行染色。在组织学的评价中，已发现：功能化的PCL/PLGA支架引起低水平的异物反应和炎症，以允许随着时间推移至8周更快地进行骨形成，并且帮助术后恢复和骨再生。至于PCL/PLGA支架，异物反应和炎症显著发生在早期阶段中，并且随着时间推移至8周而降低。支架仍保留(图16)。在组织学分析中，在8周时，功能化的PCL/PLGA支架在骨形成的方面高于未处理的PCL/PLGA支架，具有意义(P<0.001)。至于骨量(bone mass)，在负载BMP-2的肝素-多巴胺-PCL-PLGA支架组中，它的尺寸相比于其它的组增大80％或更大(图17)。
总之，来自上述实验例的数据表明了：实施例2的BMP-2被固定的肝素-多巴胺PCL/PLGA支架，即骨形成促进材料已固定至修饰表面的功能化的PCL/PLGA支架，发挥出优异的骨整合和骨形成效果。

Claims (19)

1.一种植入物或支架，具有聚合物-含邻苯二酚的化合物的复合物修饰的表面，其中，所述植入物或支架包括选自抗生素和骨形成促进材料中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的植入物或支架，其中，所述聚合物是生物相容的，并且选自由以下物质组成的组：肝素、硫酸乙酰肝素、透明质酸、藻酸盐、聚(天冬氨酸)、聚(丙烯酸)、聚(谷氨酸)、羧甲基纤维素、明胶、胶原、壳聚糖及其衍生物、乙二醇壳聚糖、聚-L-赖氨酸、聚乙烯亚胺、在1至5代的末端处具有胺基的树枝状化合物，以及它们的组合。
3.根据权利要求1所述的植入物或支架，其中，所述含邻苯二酚的化合物选自L-3,4-二羟基苯丙氨酸、多巴胺、3,4-二羟基苄胺、去甲肾上腺素、3,4-二羟基苯甲醛、3,4-二羟基苯甲酸、咖啡酸、3,4-二羟基苯乙酸，以及它们的组合。
4.根据权利要求1所述的植入物或支架，其中，所述聚合物-含邻苯二酚的化合物的复合物通过将所述聚合物的胺基或羧基与选自所述含邻苯二酚的化合物的胺基、羧基和醛基中的官能团结合而形成。
5.根据权利要求1所述的植入物或支架，其中，在所述聚合物-含邻苯二酚的化合物的复合物中，基于1重量份的所述聚合物，连接3至25重量份的所述含邻苯二酚的化合物。
6.根据权利要求1所述的植入物或支架，其中，所述抗生素的含量在1ng/ml至200mg/ml的浓度内。
7.根据权利要求1所述的植入物或支架，其中，所述抗生素选自由以下物质组成的组：西索米星、核糖霉素、万古霉素、妥布霉素、氨曲南、庆大霉素、头孢替安、头孢曲松、奈替米星、环丙沙星、克林霉素、头孢唑啉，以及它们的组合。
8.根据权利要求1所述的植入物或支架，其中，所述骨形成促进材料是骨生长因子，所述骨生长因子选自由以下物质组成的组：骨形态发生蛋白，BMP-1、BMP-2、BMP-3、BMP-4、BMP-5、BMP-6、BMP-7、BMP-8a、BMP-8b、BMP-10和BMP-15；血小板衍化生长因子(PDGF)；转化生长因子β(TGF-β)；碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)；胰岛素样生长因子1(IGF-1)；乳铁蛋白；以及它们的组合。
9.根据权利要求8所述的植入物或支架，其中，所述骨生长因子的含量在1pg/ml至3mg/ml的浓度内。
10.根据权利要求1所述的植入物或支架，其中，所述骨形成促进材料是低分子量的骨形成化合物，所述低分子量的骨形成化合物选自由以下物质组成的组：二膦酸盐类药物，包括阿仑膦酸盐、利塞膦酸盐、唑来膦酸盐、依替膦酸盐、氯膦酸盐、替鲁膦酸盐、帕米膦酸盐、奥帕膦酸盐和伊班膦酸盐；他汀类药物，包括阿托伐他汀、氟伐他汀、洛伐他汀、匹伐他汀、普伐他汀、瑞舒伐他汀和辛伐他汀；前列腺素E2(PGE2)；新巴罗门汀；焦磷酸盐；锝美罗酸盐；奥昔膦酸盐；氧固醇；以及它们的组合。
11.根据权利要求10所述的植入物或支架，其中，所述低分子量的骨形成化合物的含量在1ng/ml至500mg/ml的浓度内。
12.根据权利要求1所述的植入物或支架，所述植入物或支架具有由钛或钛合金制成的表面。
13.根据权利要求1所述的植入物或支架，所述植入物或支架具有由选自由以下物质组成的组中的至少一种制成的表面：聚己酸内酯(PCL)；聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸或者它们的共聚物(PLGA)；聚(3-羟基丁酸酯-共-3-羟基戊酸酯)(PHBV)；聚乙烯醇(PVA)；聚丁烯琥珀酸酯(PBS)；以及聚丙烯乙醇酸(PG)。
14.根据权利要求1所述的植入物或支架，所述植入物或支架是牙科或骨科的植入物或支架。
15.根据权利要求14所述的植入物或支架，其中，所述植入物或支架是固定型植入物或支架，或者膜型植入物或支架。
16.根据权利要求14所述的植入物或支架，其中，所述骨科的植入物或支架选自由以下物质组成的组：替代髋关节、膝关节、踝关节、肩关节和肘关节的人造关节；人造插入物，包括用于脊椎的人造盘；以及治疗骨折的夹具，包括，金属螺钉、金属板和金属钉。
17.一种用于制造负载有抗生素/骨形成促进材料的功能性植入物或支架的方法，包括：
(a)制备聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物；
(b)用步骤(a)中制备的聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物修饰植入物或支架以活化所述植入物或支架的表面；
(c)通过在搅拌的同时在20～25℃下将步骤(b)的表面活化的植入物或支架浸入抗生素的溶液中持续4至24小时而使所述抗生素固定至所述植入物或支架的表面；以及
(d)通过在搅拌的同时在20～25℃下将步骤(c)的抗生素被固定的植入物或支架浸入骨形成促进材料的溶液中持续4至24小时而使所述骨形成促进材料固定至所述植入物或支架的表面。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，通过将所述聚合物的胺基或羧基与选自所述含邻苯二酚的化合物的胺基、羧基和醛基中的官能团结合来形成步骤(a)的所述聚合物/含邻苯二酚的化合物的复合物。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，在5至6.5的pH下进行步骤(c)和(d)。
CN201380019211.3A 2012-02-09 2013-02-07 具有用于改进骨融合的抗菌功能的抗生素、释放骨形成促进材料的植入物或支架及其制造方法 Pending CN104245004A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2012-0013262 2012-02-09
KR20120013262 2012-02-09
PCT/KR2013/000996 WO2013119058A1 (ko) 2012-02-09 2013-02-07 골 융합 향상 및 항균 효능을 갖는 항생제와 골형성 촉진 물질 방출형 임플란트 또는 스캐폴드 및 그 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104245004A true CN104245004A (zh) 2014-12-24

Family

ID=48947766

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201380019211.3A Pending CN104245004A (zh) 2012-02-09 2013-02-07 具有用于改进骨融合的抗菌功能的抗生素、释放骨形成促进材料的植入物或支架及其制造方法

Country Status (3)

Country Link
KR (2) KR20130092511A (zh)
CN (1) CN104245004A (zh)
WO (1) WO2013119058A1 (zh)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105949322A (zh) * 2016-05-12 2016-09-21 苏州大学附属第医院 一种适用于“一步法”改性医用钛基材料的生物模拟活性肽
CN106267367A (zh) * 2015-06-03 2017-01-04 中国科学院理化技术研究所 一种可用于糖尿病患者的牙种植体的制备方法
CN106725930A (zh) * 2016-12-23 2017-05-31 大连三生科技发展有限公司 具有bmp/pla缓释涂层的种植体
CN107280786A (zh) * 2016-03-31 2017-10-24 陈文正 可促进组织重建再生医材、其制作方法与操作方法
CN107496971A (zh) * 2017-07-27 2017-12-22 东华大学 一种细菌纤维素/乳铁蛋白抗菌敷料及其制备方法
CN107840986A (zh) * 2016-09-20 2018-03-27 华东理工大学 可循环产生活性氧簇的抗菌材料及其制备方法和应用
CN108339152A (zh) * 2018-02-05 2018-07-31 北京化工大学 一种具有抑菌-促成骨双功能的多孔微球细胞支架及其制备方法
CN108478298A (zh) * 2018-03-01 2018-09-04 澳门大学 一种含有可结合生长因子的多糖涂层的种植体及其制备方法
CN108904880A (zh) * 2018-06-15 2018-11-30 南京市第医院 一种3d打印pcl-pda-bmp2骨组织工程支架及其制备方法
CN111787892A (zh) * 2017-12-29 2020-10-16 金珂生物医疗公司 抵抗溶解的组织粘附脱乙酰壳多糖材料
CN113368301A (zh) * 2021-05-28 2021-09-10 吉林大学 一种具有dopa-igf1表面涂层的纯钛制品及其制备方法和应用

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102220402B1 (ko) * 2014-09-29 2021-02-25 고려대학교 산학협력단 골 형성 촉진용 조성물
KR102380005B1 (ko) * 2014-12-09 2022-03-29 고려대학교 산학협력단 골형성 촉진물질이 함유된 방출형 스캐폴드 및 그 제조방법
KR101790782B1 (ko) * 2015-06-18 2017-10-26 (주)다림티센 비스포스포네이트를 포함하는 콜라겐 기반의 서방형 ｂｍｐ 전달체 및 이의 제조방법
KR101741111B1 (ko) 2015-06-22 2017-05-29 고려대학교 산학협력단 분산성이 향상된 인산칼슘계 골충진재 및 이의 제조방법
KR101663906B1 (ko) 2015-07-08 2016-10-07 가톨릭대학교 산학협력단 발치와 치료 및 임플란트 식립을 위한 스캐폴드 제작 방법
KR101666316B1 (ko) * 2015-07-22 2016-10-13 가톨릭대학교 산학협력단 블록형 스캐폴드 제작 방법
CN105542213B (zh) * 2015-12-08 2019-04-09 浙江省医疗器械研究所 抗胰岛素粘附的基材表面修饰方法
KR102215165B1 (ko) * 2019-06-11 2021-02-15 고려대학교 산학협력단 일산화질소 복합체를 포함하는 골형성 촉진용 조성물
KR102347929B1 (ko) * 2019-09-02 2022-01-06 서울대학교산학협력단 히알루론산-카테콜 화합물을 포함한 조직재생 플랫폼 및 이의 제작방법
KR102173456B1 (ko) * 2020-02-21 2020-11-03 주식회사 제일메디칼코퍼레이션 항균성을 갖는 티타늄 임플란트 및 이의 제조방법
KR102418786B1 (ko) * 2020-06-15 2022-07-08 (주)제일메디칼코퍼레이션 골 유착능이 우수한 피크 임플란트 및 이의 제조방법
KR102430037B1 (ko) 2020-06-26 2022-08-08 재단법인 오송첨단의료산업진흥재단 의료용 임플란트의 항균 코팅 방법
KR102671293B1 (ko) * 2020-10-21 2024-05-31 서울대학교산학협력단 생착 향상을 위한 접착성 이식재
KR20220138990A (ko) * 2021-04-07 2022-10-14 주식회사 스템바이오 우유 유래 세포외소포체를 포함하는 골형성 촉진용 조성물
CN114732945B (zh) * 2022-04-13 2023-01-03 广西农业职业技术大学 一种改善钛合金骨生物活性的方法
CN115721777A (zh) * 2023-01-09 2023-03-03 泉州师范学院 一种聚多巴胺黏附的CuS/CaCO3纳米复合材料作抗菌涂层的钛合金螺钉

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000075537A (ko) * 1997-02-20 2000-12-15 쿡 인코포레이티드 코팅된 이식가능한 의료 장치
CN101291586A (zh) * 2005-09-02 2008-10-22 英特菲思生物技术公司 用于细胞植入的方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110134790A (ko) * 2010-06-09 2011-12-15 한국과학기술원 표면 개질된 세포부착용 기질 및 그 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000075537A (ko) * 1997-02-20 2000-12-15 쿡 인코포레이티드 코팅된 이식가능한 의료 장치
CN101291586A (zh) * 2005-09-02 2008-10-22 英特菲思生物技术公司 用于细胞植入的方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DEOK-WON LEE等: "Gentamicin and bone orphogenic protein-2 (BMP-2)-delivering heparinized-titanium implant with enhanced antibacterial activity and osteointegration", 《BONE》 *
HO-JIN MOON等: "Effect of heparin and alendronate coating on titanium surfaces on inhibition of osteoclast and enhancement of osteoblast function", 《BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS》 *
TAEK GYOUNG KIM等: "Controlled Release of Paclitaxel from Heparinized Metal Stent Fabricated by Layer-by-layer Assembly of Polylysine and Hyaluronic Acid-g-Poly(lactic-glycolic acid) Micelles Encapsulating Paclitaxel", 《BIOMACROMOLECULES》 *

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106267367A (zh) * 2015-06-03 2017-01-04 中国科学院理化技术研究所 一种可用于糖尿病患者的牙种植体的制备方法
CN106267367B (zh) * 2015-06-03 2021-05-14 中国科学院理化技术研究所 一种可用于糖尿病患者的牙种植体的制备方法
CN107280786A (zh) * 2016-03-31 2017-10-24 陈文正 可促进组织重建再生医材、其制作方法与操作方法
CN105949322A (zh) * 2016-05-12 2016-09-21 苏州大学附属第医院 一种适用于“一步法”改性医用钛基材料的生物模拟活性肽
CN107840986A (zh) * 2016-09-20 2018-03-27 华东理工大学 可循环产生活性氧簇的抗菌材料及其制备方法和应用
CN106725930A (zh) * 2016-12-23 2017-05-31 大连三生科技发展有限公司 具有bmp/pla缓释涂层的种植体
CN107496971B (zh) * 2017-07-27 2020-08-11 东华大学 一种细菌纤维素/乳铁蛋白抗菌敷料及其制备方法
CN107496971A (zh) * 2017-07-27 2017-12-22 东华大学 一种细菌纤维素/乳铁蛋白抗菌敷料及其制备方法
CN111787892A (zh) * 2017-12-29 2020-10-16 金珂生物医疗公司 抵抗溶解的组织粘附脱乙酰壳多糖材料
CN108339152A (zh) * 2018-02-05 2018-07-31 北京化工大学 一种具有抑菌-促成骨双功能的多孔微球细胞支架及其制备方法
CN108478298A (zh) * 2018-03-01 2018-09-04 澳门大学 一种含有可结合生长因子的多糖涂层的种植体及其制备方法
CN108904880A (zh) * 2018-06-15 2018-11-30 南京市第医院 一种3d打印pcl-pda-bmp2骨组织工程支架及其制备方法
CN113368301A (zh) * 2021-05-28 2021-09-10 吉林大学 一种具有dopa-igf1表面涂层的纯钛制品及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130092511A (ko) 2013-08-20
KR20150007273A (ko) 2015-01-20
KR101527934B1 (ko) 2015-06-10
WO2013119058A1 (ko) 2013-08-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104245004A (zh) 具有用于改进骨融合的抗菌功能的抗生素、释放骨形成促进材料的植入物或支架及其制造方法
Shirzaei Sani et al. Engineering adhesive and antimicrobial hyaluronic acid/elastin-like polypeptide hybrid hydrogels for tissue engineering applications
Shi et al. Surface functionalization of titanium with carboxymethyl chitosan and immobilized bone morphogenetic protein-2 for enhanced osseointegration
Cheng et al. Mussel-inspired multifunctional hydrogel coating for prevention of infections and enhanced osteogenesis
AU2018271341B2 (en) Anti-thrombogenic grafts
Zhang et al. Combinatorial surface roughness effects on osteoclastogenesis and osteogenesis
US10500317B2 (en) Antibacterial coatings that inhibit biofilm formation on implants
US8546529B2 (en) Injectable bone regeneration gel containing bone formation enhancing peptide
Cao et al. Bone regeneration using photocrosslinked hydrogel incorporating rhBMP-2 loaded 2-N, 6-O-sulfated chitosan nanoparticles
Albu et al. Collagen-based drug delivery systems for tissue engineering
Chang et al. A novel chitosan-γPGA polyelectrolyte complex hydrogel promotes early new bone formation in the alveolar socket following tooth extraction
US20100272693A1 (en) Bone scaffolds, injectable bone repair materials and methods for bone repair
Song et al. Loading icariin on titanium surfaces by phase-transited lysozyme priming and layer-by-layer self-assembly of hyaluronic acid/chitosan to improve surface osteogenesis ability
Jang et al. PCL/HA hybrid microspheres for effective osteogenic differentiation and bone regeneration
Zhang et al. Multifunctional triple-layered composite scaffolds combining platelet-rich fibrin promote bone regeneration
EP2941482A1 (en) Compositions comprising citrate and applications thereof
KR20120016038A (ko) 조직 재생 막
Abtahi et al. Resorbable membranes for guided bone regeneration: critical features, potentials, and limitations
Kapat et al. Osteochondral defects healing using extracellular matrix mimetic phosphate/sulfate decorated GAGs-agarose gel and quantitative micro-CT evaluation
Kim et al. Osteogenic effect of a biodegradable BMP-2 hydrogel injected into a cannulated mg screw
Udduttula et al. Layer-by-layer coatings of collagen–hyaluronic acid loaded with an antibacterial manuka honey bioactive compound to fight metallic implant infections
Agnes et al. The Diamond Concept Enigma: Recent Trends of Its Implementation in Cross-linked Chitosan-Based Scaffolds for Bone Tissue Engineering
Zhao et al. Chemical Modification Strategy to Improve Biological Activity of Carbon Fiber-Reinforced Poly (ether ether ketone) Implants
Costa et al. Antimicrobial Pep-tides in the Battle against Orthopedic Implant-Related Infections: A Review. Pharmaceutics 2021, 13, 1918
Nan et al. Presenting Dual-functional Peptides on Implant Surface to Direct in vitro Osteogenesis and in vivo Osteointegration

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20141224