CN106456665A - 促进骨生长和愈合的方法 - Google Patents

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Abstract

在一个方面，在此描述了促进骨生长的方法。在一些实施例中，在此描述的方法包括将移植物或支架布置在骨生长位点中。该移植物或支架包括(a)由(i)柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯与(i i)多元醇的反应产物形成的聚合物网络。该移植物或支架进一步包括(b)分散在该聚合物网络中的微粒无机材料。

Description

促进骨生长和愈合的方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求2014年3月17日提交的美国临时专利申请序列号61/954,156的优先权，将该申请通过引用以其全文特此结合。
关于联邦政府资助研究的声明
本发明在政府支持下在国立卫生研究院(National Institutes of Health)授予的基金号EB012575以及在国家科学基金会(National Science Foundation)授予的基金号DMR1313553下完成。政府享有本发明的某些权利。
发明领域
本发明涉及用于促进骨生长、修复、和/或愈合的方法和组合物，并且特别涉及使用移植物或支架材料促进骨生长、修复、和/或愈合的方法。
发明背景
在全世界在包括矫形术、神经外科、和牙科的多个领域中进行了超过220万例骨移植手术。为骨移植手术的“黄金标准”的骨自体移植展现出受到其相对高的并发症发生率和延长的恢复时间的限制。它的使用已经与包括血肿、软组织分解、疼痛、和加长的恢复时间的8％-20％供体位点并发症发生率相关联。并且，通常骨自体移植物在骨质疏松群体中的使用在考虑到可用骨的质量和数量上的显著降低而被忌用。最终的悲剧-骨不连还可以是由于临床植入无效材料，导致炎症和瘢痕形成。
另外，大约50％的骨移植手术是脊柱融合，脊柱融合已经在脊柱手术领域中成为用于治疗颈椎不稳、腰椎退化、椎间盘损伤、和脊柱畸形疾病的常见手术。典型地，脊柱融合手术在实现脊椎稳定和神经减压中是有效的。然而，融合失败和假关节发展的比率已经报道为高达5％至35％。常规地，自体骨因其相比于其他材料具有非免疫原性特性和高的椎间融合率，仍然是最广泛使用的用于椎间融合的填充材料。然而，自体骨使用因一系列缺点而受限，这些缺点包括手术创伤、术后并发症的风险增加、以及适合的自体骨的数量受限。虽然同种异体移植骨和异种移植骨的应用可在避免与收获自体骨相关联的另外的手术创伤的同时解决受限的供应的问题，但此类材料引入了自身免疫应答和增加的骨疾病传播的风险的问题。因此，鉴于以上鉴定的缺点连同与现有方法和组合物相关联的另外的问题，对用于促进骨生长和/或修复的改进的材料存在需要。
发明概述
在一个方面，在此描述了用于促进骨生长、愈合、和/或修复的方法和组合物，在一些实施例中这些方法和组合物可以提供相比于一些其他方法和组合物而言的一种或多种优点。例如，在一些情况中，在此描述的方法和组合物可以提供降低的供体位点并发症的发生，这些并发症是例如血肿、软组织分解、疼痛、和/或加长的恢复时间。另外，在一些情况下，在此描述的方法可以用于现有方法被忌用的骨质疏松群体中。并且，在某些情况下，在此描述的方法可以提供降低的骨不连的发生，由此降低供体位点处炎症和/或瘢痕形成的发生。
在一些实施例中，在此描述的促进骨生长的方法包括将移植物或支架布置在骨生长位点中，该移植物或支架包括(a)由(i)柠檬酸、柠檬酸盐、或柠檬酸酯与(ii)多元醇的反应产物形成的聚合物网络。该移植物或支架进一步包括(b)分散在该聚合物网络中的微粒无机材料。在一些实施例中，该微粒无机材料包含以下各项中的一种或多种：羟磷灰石、磷酸三钙、双相磷酸钙、生物玻璃、陶瓷、镁粉、镁合金以及脱细胞骨组织粒子。在某些情况下，该移植物或支架进一步包括多孔壳组分和/或多孔核组分。例如，在一些实施例中，该移植物或支架包括围绕多孔核组分的多孔壳组分。在一些此类情况下，该核组分和该壳组分是同心圆柱。
在某些情况下，该聚合物网络是由(i)柠檬酸、柠檬酸盐、或柠檬酸酯与(ii)多元醇和(iii)至少一种第三材料或组分的反应产物形成。例如，在一些情况下，该聚合物网络是由(i)柠檬酸、柠檬酸盐、或柠檬酸酯与(ii)多元醇和(iii)胺、酰胺、或异氰酸酯的反应产物形成。此外，在一些实施例中，该聚合物网络是由(i)柠檬酸、柠檬酸盐、或柠檬酸酯与(ii)多元醇和(iii)多元羧酸或多元羧酸的功能等效物的反应产物形成。另外，在一些情况下，该聚合物网络是由(i)柠檬酸、柠檬酸盐、或柠檬酸酯与(ii)多元醇和(iii)氨基酸的反应产物形成。并且，在一些情况下，该聚合物网络是由(i)柠檬酸、柠檬酸盐、或柠檬酸酯与(ii)多元醇和(iii)含儿茶酚种类的反应产物形成。在一些实施例中，该聚合物网络是由(i)柠檬酸、柠檬酸盐、或柠檬酸酯与(ii)多元醇和(iii)包含炔部分和/或叠氮化物部分的至少一个单体形成。另外，在某些情况下，该聚合物网络是由具有以下化学式(A)的一个或多个单体、具有以下化学式(B1)或(B2)的一个或多个单体、包括炔部分和/或叠氮化物部分的至少一个单体、以及包括胺部分和一个或多个羟基部分的至少一个单体(例如含有伯胺、仲胺、或叔胺的二醇)形成。
另外，在一些实施例中，在此描述的方法包括另外的步骤或过程。例如，在一些情况下，在此描述的方法进一步包括为该骨生长位点和/或邻近该骨生长位点的生物区重新建立供血。在某些情况下，方法可以包括增加该骨生长位点和/或邻近该骨生长位点的生物区域内的骨传导、骨诱导、和血管生成中的一种或多种。并且，在一些实施例中，该方法进一步包括刺激骨和/或靠近该骨生长位点的软组织的再生。此外，在此描述的方法可以包括(comprise或include)将该移植物或支架保持在该骨生长位点中持续高达6个月。
这些实施例和其他实施例在以下详细说明中进行更详细地描述。
附图简述
图1A-1C展示了通过对照方法处理的骨缺损的放射摄影图像。
图1D-1F展示了通过促进骨生长的现有方法处理的骨缺损的放射摄影图像。
图1G-1I展示了通过与在此描述的一个实施例一致的促进骨生长的方法处理的骨缺损的放射摄影图像。
图1J-1L展示了通过与在此描述的一个实施例一致的促进骨生长的方法处理的骨缺损的放射摄影图像。
图2A和2B展示了从测试受试者取得的骨样品的骨矿物质密度(BMD)和骨小梁厚度(Tb.Th)的图表，这些测试受试者是通过促进骨生长的对照方法、促进骨生长的现有方法、以及与在此描述的实施例一致的促进骨生长的方法处理的。
图3展示了测试受试者体内的血管发育的图表，这些测试受试者是通过促进骨生长的对照方法、促进骨生长的现有方法、以及与在此描述的实施例一致的促进骨生长的方法处理的。
图4A展示了用于制造与在此描述的一个实施例一致的组合物的反应方案。
图4B展示了用于制造可用于与在此描述的实施例一致的方法中的移植物或支架的方法的示意性图示。
图5展示了测试受试者体内的骨融合率的图表，这些测试受试者是通过促进骨生长的现有方法以及与在此描述的实施例一致的促进骨生长的方法处理的。
图6A和6B展示了由测试受试者的生物力学测试提供的数据的图表，这些测试受试者是通过促进骨生长的现有方法以及与在此描述的实施例一致的促进骨生长的方法处理的。
发明详细说明
在此描述的实施例参考以下详细说明、实例和附图可以被更容易地理解。然而，在此描述的元件、设备和方法并不限于详细说明、实例和附图中所呈现的特定实施例。应认识到这些实施例仅说明本发明的原理。在不背离本发明的精神和范围的情况下，许多修改和改编对于本领域技术人员将是显而易见的。
另外，在此披露的所有范围被理解为包括其中含有的任何和所有子范围。例如，“1.0至10.0”的规定范围应被认为包括以1.0或更大的最小值开始并以10.0或更小的最大值结束的任何和所有子范围，例如1.0至5.3、或4.7至10.0、或3.6至7.9。
除非另外明确说明，否则在此披露的所有范围也应被认为包括该范围的端点。例如，范围“5与10之间”通常应被认为包括端点5和10。
另外，当短语“多至”与量或数量结合使用时，应理解该量是至少可检测的量或数量。例如，以“多至”指定量的量存在的材料可以从可检测量和多至指定量且包括指定量的量存在。
在一个方面，在此描述了促进骨生长、愈合、和/或修复的方法。在一些实施例中，促进骨生长的方法包括将移植物或支架布置在骨生长位点中。在此出于参考目的，“移植物”或“支架”可以指代可用作用于替代缺失骨或用于促进新骨生长的平台或植入物的任何结构。并且，如在此使用的，术语“移植物”或“支架”可以是同义的。例如，在此处描述的方法中使用的移植物或支架可以如在骨融合程序的情况中用于修复骨缺损、替代缺失骨或去除的骨、或用于促进新骨生长。另外，应理解与在此描述的方法一致的移植物或支架可以具有与本发明的目的不矛盾的任何结构或以任何形状、配置、或取向形成。例如，在一些实施例中，移植物或支架可以按照关于对应于有待修复的缺损或骨生长位点的这样的方式成形、配置、或取向。例如，在骨缺损(例如颅盖骨缺损)的修复中使用的移植物或支架可以形成、模制、或重新调整大小为对应于缺损的大小和/或形状。在某些其他情况下，例如在骨融合程序中，在此描述的方法中使用的移植物或支架可以具有被适配为横越有待融合的骨之间的缺口和/或加强骨生长位点的形状、配置、取向、或尺寸。以此方式，在此描述的移植物或支架的具体形状、大小、取向和/或配置并非旨在限于骨生长位点上、之内、或邻近处的模态的具体集或子集。如在此引用的“骨生长位点”可以是其中希望骨生长或修复的任何区域。在某些非限制实例中，骨生长位点可以包括(comprise或include)如在脊柱或其他骨融合的情况中的骨缺损、其中骨已经去除或退化的位点、和/或希望新骨生长的位点。
在一些情况下，在此描述的方法的移植物或支架可以包括(a)由(i)柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯与(ii)多元醇的反应产物形成的聚合物网络。该移植物或支架可以进一步包括(b)分散在该聚合物网络内的微粒无机材料。在此描述的移植物或支架的聚合物网络可以包括或形成自任何与本发明的目的不矛盾的包含柠檬酸盐的聚合物。在此出于参考目的，“包含柠檬酸盐的聚合物”包括含有柠檬酸盐部分的聚合物或低聚物。在一些情况下，该柠檬酸盐部分存在于聚合物的主链(backbone或main chain)中。该柠檬酸盐部分还可以存在于聚合物的侧(pendant或side)基或侧链中。在一些实施例中，该柠檬酸盐部分是聚合物的重复单元，或形成自聚合物的重复单元。另外，在此出于参考目的，“柠檬酸盐部分”包括具有化学式(I)的结构的部分：
其中R1、R2和R3独立地是-H、-CH3、-CH2CH3、M+或与该聚合物其余部分的附接点；
R4是-H或与该聚合物其余部分的附接点；并且
M+是阳离子如Na+或K+，条件是R1、R2、R3和R4中的至少一个是与该聚合物其余部分的附接点。
例如，在一些情况下，在此所述组合物的聚合物包括(i)柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯(如柠檬酸三乙酯或别的柠檬酸甲酯或柠檬酸乙酯)与(ii)多元醇如二醇的反应产物。适用于在此描述的一些实施例的多元醇的非限制性实例包括C2-C20、C2-C12、或C2-C6脂肪族烷烃二醇，包括α,ω-正烷烃二醇或α,ω-烯烃二醇。例如，在一些情况下，多元醇包括1,4-丁二醇、1,6-己二醇、1,8-辛二醇、1,10-癸二醇、1,12-十二烷二醇、1,16-十六烷二醇、或1,20-二十烷二醇。还可以使用支链α,ω-烷烃二醇或α,ω-烯烃二醇。另外，多元醇也可以是芳香族二醇。另外，在一些实施例中，多元醇包括聚(乙二醇)(PEG)或聚(丙二醇)(PPG)。可以使用与本披露的目的不矛盾的任何PEG或PPG。在一些实施例中，例如，PEG或PPG具有约100与约5000之间或约200与约1000之间的重均分子量。
在一些情况下，在此描述的移植物或支架的包含柠檬酸盐的聚合物可以包括(i)柠檬酸、柠檬酸盐、或柠檬酸酯与(ii)多元醇、和(iii)胺、酰胺、或异氰酸酯的反应产物。在此类情况下，多元醇可以包括上述任何多元醇，并且柠檬酸酯可以包括上述任何柠檬酸酯。另外，在一些实施例中，胺包括具有两至十个碳原子的一种或多种伯胺。在其他情况下，胺包括具有两至十五个碳原子的一种或多种仲胺或叔胺。在一些情况下，胺包括仲胺或叔胺，该仲胺或叔胺包括键合到氮上的一个或多个含羟基基团。例如，在一些情况下，胺包括包含胺的二醇，例如N-甲基二乙醇胺(MDEA)。在一些实施例中，异氰酸酯包括单异氰酸酯。在其他情况下，异氰酸酯包括二异氰酸酯如具有四至二十个碳原子的二异氰酸烷烃酯。
另外，在此描述的移植物或支架的包含柠檬酸盐的聚合物还可以包括(i)柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯与(ii)多元醇和(iii)多元羧酸(如二羧酸)或多元羧酸的功能等效物(如多元羧酸的环酐或酰基氯)的反应产物。在此类情况下，多元醇可以包括上述任何多元醇，并且柠檬酸酯可以包括上述任何柠檬酸酯。此外，多元羧酸或其功能等效物可以是饱和或不饱和的。例如，在一些情况下，多元羧酸或其功能等效物包括马来酸、马来酸酐、富马酸或富马酰氯。还可以使用含乙烯基的多元羧酸或其功能等效物，如烯丙基丙二酸、烯丙基丙二酰氯、衣康酸或衣康酰氯。另外，在一些情况下，多元羧酸或其功能等效物可以至少部分地被可能是或可能不是多元羧酸的含烯烃单体替代。在一些实施例中，例如，含烯烃单体包括不饱和的多元醇如含乙烯基的二醇。
在再其他实施例中，在此所述的移植物或支架的包含柠檬酸盐的聚合物包括(i)柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯与(ii)多元醇和(iii)氨基酸如α-氨基酸的反应产物。另外，在一些情况下，在此描述的聚合物包括(i)柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯与(ii)多元醇、(iii)氨基酸以及(iv)异氰酸酯如二异氰酸酯的反应产物。另外，在一些情况下，酸酐和/或酰基氯可以与柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯结合使用。多元醇可以是上述任何多元醇，柠檬酸酯可以是上述任何柠檬酸酯，并且异氰酸酯可以是上述任何异氰酸酯。另外，酸酐和/或酰基氯可以包括上述任何酸酐和/或酰基氯，包括例如聚酸酐或聚酰基氯。
在一些实施例中，在此描述的聚合物的α-氨基酸包括L-氨基酸、D-氨基酸或D,L-氨基酸。在一些情况下，α-氨基酸包括丙氨酸、精氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、色氨酸、缬氨酸或其组合。另外，在一些情况下，α-氨基酸包括烷基取代的α-氨基酸，如源自22种“标准”氨基酸或蛋白原性氨基酸中任一种的甲基取代的氨基酸，如甲基丝氨酸。另外，在一些情况下，氨基酸形成在此所述方法中使用的移植物或支架中的聚合物的侧(pendant或side)基。这种氨基酸侧基可以按与本披露的目的不矛盾的任何方式键合至聚合物的主链。例如，在一些情况下，氨基酸通过该氨基酸与柠檬酸盐部分之间的酯键和/或酰胺键键合至该主链。此外，在一些情况下，氨基酸与柠檬酸盐部分形成6元环。不旨在受理论限制，认为在此描述的6元环的形成可以为该聚合物提供荧光性。因此，在一些实施例中，在此描述的组合物的包含柠檬酸盐的聚合物可以是荧光聚合物。
此外，在一些实施例中，在此描述的聚合物包括(i)柠檬酸、柠檬酸盐、或柠檬酸酯与(ii)多元醇和(iii)含儿茶酚种类的反应产物。柠檬酸盐或柠檬酸酯可以是上述任何柠檬酸盐或柠檬酸酯，如柠檬酸甲酯或柠檬酸乙酯。类似地，多元醇可以是上述任何多元醇，在一些情况下可以在此指代为生物可降解的光致发光聚合物(BPLP)。
含儿茶酚种类可以包括与本披露的目的不矛盾的任何含儿茶酚种类。在一些情况下，用于形成在此描述的包含柠檬酸盐的聚合物的含儿茶酚种类包括可以与用于形成该聚合物的另一种化学种类形成酯键或酰胺键的至少一个部分。例如，在一些情况下，含儿茶酚种类包括胺部分或羧酸部分。另外，在一些情况下，含儿茶酚种类包括不是该儿茶酚部分的一部分的羟基部分。在一些实施例中，含儿茶酚种类包括多巴胺。在其他实施例中，含儿茶酚种类包括L-3,4-二羟苯丙氨酸(L-DOPA)或D-3,4-二羟苯丙氨酸(D-DOPA)。在一些情况下，含儿茶酚种类包括3,4-二羟基氢化肉桂酸。此外，在一些实施例中，含儿茶酚种类通过酰胺键偶联到聚合物主链上。在其他实施例中，含儿茶酚种类通过酯键偶联到聚合物主链上。
在一些情况下，上文所描述的反应产物是这些经鉴定种类的缩合聚合反应产物。因此，在一些实施例中，这些经鉴定种类中的至少两种是用于形成共聚物的共聚单体。在一些此类实施例中，反应产物形成这些共聚单体的交替共聚物或统计共聚物。另外，如在此进一步描述的，上文所描述的种类还可以形成共聚物的侧基或侧链。
总体上，在此描述的包含柠檬酸盐的聚合物可以是以下文献中描述的任何聚合物或低聚物：美国专利7,923,486；美国专利8,530,611；美国专利8,574,311；美国专利8,613,944；美国专利申请公开号2012/0322155；美国专利申请公开号2013/0217790；或美国专利申请公开号2014/066587；将它们的全部内容通过引用特此结合。例如，在一些情况下，在此描述的组合物的包含柠檬酸盐的聚合物包括聚(乙二醇马来酸柠檬酸盐)(PEGMC)、聚(亚辛基柠檬酸盐)(POC)、聚(亚辛基马来酸酸酐柠檬酸盐)(POMC)、或可交联的尿烷掺杂的弹性体(CUPE)或可生物降解的光致发光聚合物(BPLP)。
在一些实施例中，在此描述的组合物的包含柠檬酸盐的聚合物形成自具有化学式(A)的一个或多个单体和具有化学式(B1)或(B2)的一个或多个单体：
其中R1、R2以及R3独立地是-H、-CH3、-CH2CH3、或M+；
R4是-H；
R5是-H、-OH、-OCH3、-OCH2CH3、-CH3或-CH2CH3；
R6是-H、-CH3或-CH2CH3；
M+是阳离子如Na+或K+；并且
n和m独立地是范围为从1至20的整数。
在一些情况下，例如R1、R2和R3是-H，R5是-OH，并且R6是-H。
另外，具有化学式(A)、(B1)、和(B2)的单体可以按与本披露的目的不矛盾的任何比率来使用。另外，在一些实施例中，改变单体比率可以改变由这些单体形成的聚合物的生物可降解性、机械强度和/或其他特性。在一些实施例中，单体(A)与单体(B1)或单体(B2)的比率是在约1:10与约10:1之间或在约1:5与约5:1之间。在一些实施例中，单体(A)与单体(B1)或单体(B2)的比率是在约1:4与约4:1之间。在一些实施例中，该比率为约1:1。
在一些实施例中，在此描述的移植物或支架的包含柠檬酸盐的聚合物具有化学式(II)的结构：
其中每个R7独立地是-H或
表示具有化学式(II)结构的重复单元的另外的链；并且m、n和p独立地是范围为从2至20的整数。
在一些实施例中，在此描述的方法中使用的移植物或支架的聚合物是由具有化学式(A)的一个或多个单体、具有化学式(B1)或(B2)的一个或多个单体和具有化学式(C)的一个或多个单体形成：
其中R1、R2以及R3独立地是-H、-CH3、-CH2CH3或M+；
R4是-H；
R5是-H、-OH、-OCH3、-OCH2CH3、-CH3或-CH2CH3；
R6是-H、-CH3或-CH2CH3；
M+是阳离子如Na+或K+；
n和m独立地是范围为从1至20的整数；并且
p是范围为从1至10的整数。
例如，在一些情况下，R1、R2以及R3是-H或-CH2CH3，R5是-OH，R6是-H，n是2至6，m是2至8，并且p是2至6。
另外，具有化学式(A)、(B1)、(B2)和(C)的单体可以按与本披露的目的不矛盾的任何比率来使用。另外，在一些实施例中，改变单体比率可以改变由这些单体形成的聚合物的抗微生物特性、生物可降解性、机械强度和/或其他特性。在一些实施例中，单体(A)与单体(B1)或单体(B2)的比率是在约1:10与约10:1之间或在约1:5与约5:1之间。在一些实施例中，单体(A)与单体(B1)或单体(B2)的比率是在约1:4与约4:1之间。在一些实施例中，该比率为约1:1。另外，在一些实施例中，单体(A)与单体(C)的比率是在约1:10与约10:1之间。在一些实施例中，单体(A)与单体(C)的比率是约1:1。
另外，在此处描述的一些实施例中，具有化学式(B1)或(B2)的单体可以被不具有化学式(B1)或(B2)的化学式的醇替代。例如，在一些实施例中，可以使用不饱和醇或不饱和多元醇。此外，在一些情况下，具有化学式(C)的单体可以至少部分地被在此描述的氨基酸替代。
在一些情况下，在此描述的方法中使用的移植物或支架的包含柠檬酸盐的聚合物包括具有化学式(III)的结构的聚合物：
其中
每个R8独立地是-H、-OC(O)NH
代表具有化学式(III)的结构的重复单元的另外的链；并且
m、n、p、和q独立地是范围为从2至20的整数。
在一些实施例中，在此描述的方法中使用的移植物或支架中的包含柠檬酸盐的聚合物是由具有化学式(A)的一个或多个单体、具有化学式(B1)或(B2)的一个或多个单体和具有化学式(D)或(D′)的一个或多个单体形成：
其中R1、R2、和R3各自独立地是-H、-CH3、-CH2CH3、或M+，
R4是-H；
R5是-H、-OH、-OCH3、-OCH2CH3、-CH3或-CH2CH3；
R6是-H、-CH3或-CH2CH3；
R9是-H、-CH3或-CH2CH3；
M+是阳离子如Na+或K+；并且
n和m各自独立地是范围为从1至20或从1至100的整数。
另外，具有化学式(A)、(B1)、(B2)、(D)和(D′)的单体可以按与本披露的目的不矛盾的任何比率来使用。另外，在一些实施例中，改变单体比率可以改变由这些单体形成的包含柠檬酸盐的聚合物的特性。在一些实施例中，单体(A)与单体(B1)或单体(B2)的比率是在约1:10与约10:1之间或在约1:5与约5:1之间。在一些实施例中，单体(A)与单体(B1)或单体(B2)的比率是在约1:4与约4:1之间。在一些情况下，该比率为约1:1。另外，在一些实施例中，单体(A)与单体(D)或单体(D′)的比率是在约1:10与约10:1之间。在一些实施例中，单体(A)与单体(D)或单体(D′)的比率是约1:1。
在一些实施例中，在此描述的方法中使用的移植物或支架的包含柠檬酸盐的聚合物包括具有化学式(IV)的聚合物：
其中R10是
或-OH；
R11是
或-COOH；
x和y独立地是范围为从1至100的整数；并且
z是范围为从1至20的整数。
在一些实施例中，在此描述的方法中使用的移植物或支架的包含柠檬酸盐的聚合物是由具有化学式(A)的一个或多个单体和具有化学式(B1)、(B2)或(B3)的一个或多个单体以及具有化学式(E)的一个或多个单体形成：
以及
其中R1、R2以及R3独立地是-H、-CH3、-CH2CH3或M+；
R4是-H；
R5是-H、-OH、-OCH3、-OCH2CH3、-CH3或-CH2CH3；
R6是-H、-CH3或-CH2CH3；
R12是上文提供的22种：“标准”或蛋白原性氨基酸中的一种的侧链或“R基团”；
M+是阳离子如Na+或K+；并且
n和m独立地是范围为从1至20的整数。
在一些情况下，例如，R12是–CH2SH(对于E＝半胱氨酸)或–CH2OH(对于E＝丝氨酸)。另外，在一些实施例下，R1、R2以及R3是-H，R5是-OH，并且R6是-H。
并且，具有化学式(A)、(B1)、(B2)、(B3)和(E)的单体可以按与本披露的目的不矛盾的任何比率来使用。另外，在一些实施例中，改变单体比率可以改变由这些单体形成的包含柠檬酸盐的聚合物的一种或多种特性。在一些实施例中，单体(A)与单体(B1)、单体(B2)或单体(B3)的比率是在约1:10与约10:1之间或在约1:5与约5:1之间。在一些实施例中，单体(A)与单体(B1)、单体(B2)或单体(B3)的比率是在约1:4与约4:1之间。在一些情况下，该比率为约1:1。另外，在一些实施例下，单体(A)与单体(E)的比率是在约1:10与约10:1之间。
在一些实施例中，在此描述的移植物或支架的聚合物包括具有化学式(V)的聚合物：
其中R12是上文提供的22种标准氨基酸中的一种的侧链或“R基团”；
每个R13独立地是-H或
代表具有化学式(V)的结构的重复单元的另外的链；并且
m和n独立地是范围为从2至20的整数。
在一些实施例中，在此描述的组合物的聚合物包括包含柠檬酸盐的聚合物，这种包含柠檬酸盐的聚合物形成自具有化学式(A)的一个或多个单体、具有化学式(B1)或(B2)的一个或多个单体、以及具有化学式(F)的一个或多个单体：
以及
其中R1、R2以及R3独立地是-H、-CH3、-CH2CH3、或M+；
R4是-H；
R5是-H、-OH、-OCH3、-OCH2CH3、-CH3或-CH2CH3；
R6是-H、-CH3或-CH2CH3；
R14、R15、R16以及R17独立地是-H、-CH2(CH2)xNH2、-CH2(CHR18)NH2或-CH2(CH2)xCOOH；
R18是-COOH或-(CH2)yCOOH；
M+是阳离子如Na+或K+；
n和m独立地是范围为从1至20的整数；
x是范围为从0至20的整数；并且
y是范围为从1至20的整数。
在一些实施例中，R2是-H。此外，在一些情况下，R14、R15、R16、和R17中的三个是-H。另外，在一些实施例中，R14和R17具体地是-H。在一些情况下，具有化学式(F)的单体包括多巴胺、L-DOPA、D-DOPA、或3,4-二羟基氢化肉桂酸。并且，在一些实施例中，具有化学式(F)的单体通过酰胺键偶联到聚合物主链上。在其他实施例中，具有化学式(F)的单体通过酯键偶联到聚合物主链上。
另外，在一些实施例中，具有化学式(B1)或(B2)的单体可以被不具有化学式(B1)或(B2)的化学式的醇替代。例如，在一些实施例中，可以使用不饱和醇或不饱和多元醇。
并且，具有化学式(A)、(B1)、(B2)、和(F)的单体可以按与本披露的目的不矛盾的任何比率来使用。另外，在一些实施例中，改变单体比率可以改变由这些单体形成的包含柠檬酸盐的聚合物的一种或多种特性。在一些实施例中，单体(A)与单体(B1)或单体(B2)的比率是在约1:10与约10:1之间或在约1:5与约5:1之间。在一些实施例中，单体(A)与单体(B1)或单体(B2)的比率是在约1:4与约4:1之间。在一些情况下，该比率为约1:1。另外，在一些实施例中，单体(A)与单体(F)的比率是在约1:10与约10:1之间。
在一些实施例中，在此描述的方法中使用的移植物或支架的聚合物包括具有化学式(VI)的聚合物：
其中R19和R20独立地是
或-OH，
每个R21独立地是
或-H，
n是范围为从1至20的整数，并且
m是范围为从1至100的整数，条件是R19和R20中的至少一个是
如上所述，在此描述的包含柠檬酸盐的聚合物可以是鉴定的单体和/或其他种类的缩合聚合反应产物。在一些此类实施例中，反应产物形成这些共聚单体的交替共聚物或统计共聚物。并且，在一些情况下，包含柠檬酸盐部分的共聚单体或其他反应物的量或比率可以被选择为向包含柠檬酸盐的聚合物提供或调节希望的特性或作用。例如，在一些实施例中，包含柠檬酸盐部分的共聚单体或其他反应物的量或比率可以被选择为向包含柠檬酸盐的聚合物提供希望的抗微生物作用。在此描述的组合物的其他特性还可以通过改变柠檬酸盐部分在包含柠檬酸盐的聚合物中的摩尔％或重量％中的一者或多者来调节。例如，在某些实施例中，可调节特性可以包括(comprise或include)以下项中的一种或多种：包含柠檬酸盐的聚合物的抗微生物特性，包含柠檬酸盐的聚合物的生物可降解性，以及包含柠檬酸盐的聚合物的水溶胀性。在一些情况下，在此描述的包含柠檬酸盐的聚合物基于聚合物的共聚单体的总摩尔数计包括至少约30摩尔％、至少约40摩尔％、或至少约50摩尔％的柠檬酸盐部分。在一些实施例中，在此描述的包含柠檬酸盐的聚合物基于聚合物的共聚单体的总摩尔数计包括在约30摩尔％和约70摩尔％之间、在约30摩尔％和约60摩尔％之间、在约30摩尔％和约50摩尔％之间、在约35摩尔％和约60摩尔％之间、在约35摩尔％和约55摩尔％之间、在约40摩尔％和约70摩尔％之间、在约40摩尔％和约60摩尔％之间、或在约40摩尔％和约55摩尔％之间的柠檬酸盐部分。类似地，在一些情况下，在此描述的包含柠檬酸盐的聚合物基于聚合物的总重量计包括至少约5重量％、至少约10重量％、或至少约15重量％、至少约25重量％、至少约30重量％、或至少约40重量％的柠檬酸盐部分。在一些实施例中，在此描述的包含柠檬酸盐的聚合物基于聚合物的总重量计包括在约5重量％和约80重量％之间、在约5重量％和约70重量％之间、在约10重量％和约80重量％之间、在约10重量％和约60重量％之间、在约20重量％和约80重量％之间、在约20重量％和约60重量％之间、在约30重量％和约80重量％之间、或在约40重量％和约70重量％之间的柠檬酸盐部分。
另外，在一些情况下，聚合物的一种或多种特性可以基于柠檬酸盐部分的量以及聚合物的化学结构的一种或多种其他特征来调节。并且，一种或多种特性可以是独立于一种或多种其他特性可调节的。例如，在一些情况下，在此描述的聚合物的水吸收和/或降解速率可以针对所希望的应用来调节。这种可调节性可以为在此描述的方法中使用的移植物或支架的组合物提供优点。例如，一些先前组合物或支架需要掺入抗生素或无机材料(像银纳米粒子)以展现抗微生物特性。因此，此类组合物的高溶胀比可以导致“爆发式”释放，而非持续释放细菌杀灭剂，由此限制了此类组合物在移植物或支架中的抗感染应用。相比之下，在此描述的一些包含柠檬酸盐的聚合物和组合物可以具有非关联的溶胀和抗微生物特性。因此，在此描述的一些包含柠檬酸盐的聚合物和组合物的结构和化学组成可以被选择为满足其他要求，例如机械要求，而不需要牺牲抗微生物性能(包括长期抗微生物性能)。
另外，在此描述的包含柠檬酸盐的聚合物在该聚合物主链内可以具有至少一个酯键。在一些情况下，聚合物在该聚合物主链内具有多个酯键，例如至少三个酯键、至少四个酯键或至少五个酯键。在一些实施例中，在此所述的聚合物在该聚合物主链内具有两个酯键与五十个酯键之间。在聚合物的主链中具有一个或多个酯键的聚合物可以在生物或其他水性环境中水解以释放除其他组分外的游离柠檬酸或柠檬酸盐。不旨在受理论限制，认为柠檬酸在生物环境中的存在可以促成pH降低，这可以压制细菌的内部pH并且通过破坏基质运输而改变细菌膜的可渗透性。
另外，在一些情况下，具有在此描述的结构的包含柠檬酸盐的聚合物可以是生物可降解的。在一些实施例中，生物可降解聚合物在体内降解成无毒组分，这些无毒组分可以通过普通生物过程从体内清除。在一些实施例中，生物可降解聚合物经过约90天或更少、约60天或更少、或约30天或更少的时间完全或基本上完全在体内降解，其中降解程度是基于生物可降解聚合物的质量减轻百分比，并且其中完全降解对应于100％质量减轻。确切地说，质量减轻通过将聚合物初始重量(W0)与预定时间点测量的重量(Wt)(如30天)比较来计算，如等式(1)所示：
另外，在一些实施例中，包括在此描述的包含柠檬酸盐的聚合物的聚合物网络可以进一步包括交联剂。可以使用与本披露的目的不矛盾的任何交联剂。在一些情况下，例如，交联剂包括可以用于交联包含柠檬酸盐的聚合物的、含有烯键式不饱和部分的一个或多个烯烃或烯属部分。在一些实施例中，交联剂包括丙烯酸酯或聚丙烯酸酯，包括二丙烯酸酯。在其他情况下，交联剂包括1,3-丁二醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、甘油1,3-二甘油醇酸二丙烯酸酯、二(乙二醇)二丙烯酸酯、聚(乙二醇)二丙烯酸酯、聚(丙二醇)二丙烯酸酯、以及丙二醇甘油醇酸二丙烯酸酯中的一个或多个。在再其他情况下，交联剂包括核酸，包括DNA或RNA。在一些实施例中，交联剂包括“点击化学”试剂，例如叠氮化物或炔。在一些实施例中，交联剂包括离子交联剂。例如，在一些情况下，包含柠檬酸盐的聚合物与多价金属离子例如过渡金属离子交联。在一些实施例中，用作聚合物的交联剂的多价金属离子包括Fe、Ni、Cu、Zn、或Al(包括+2或+3价态)中的一种或多种。
此外，在此描述的交联剂可以按与本发明的目的不矛盾的任何量存在于移植物或支架中。例如，在一些实施例中，交联剂基于组合物的总重量计按以下量存在于用于移植物或支架的组合物中：在约5重量％和约50重量％之间、在约5重量％和约40重量％之间、在约5重量％和约30重量％之间、在约10重量％和约40重量％之间、在约10重量％和约30重量％、或在约20重量％和约40重量％之间。
因此，在一些实施例中，在此描述的方法中使用的移植物或支架包括交联以形成聚合物网络的包含柠檬酸盐的聚合物。在一些实施例中，聚合物网络包括水凝胶。在一些情况下，水凝胶包含水性连续相和聚合物分散相或不连续相。另外，在一些实施例中，在此描述的交联聚合物网络是非水溶性的。
在此描述的交联聚合物网络的一个非限制类别包括经由一个或多个点击化学反应交联的聚合物网络。例如，在一些实施例中，在此描述的聚合物可以包括(comprise或include)(i)柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯(例如柠檬酸三乙酯或别的柠檬酸甲酯或柠檬酸乙酯)与(ii)多元醇(如二醇)和(iii)包含炔部分和/或叠氮化物部分的单体的反应产物。可以使用在上文描述的任何多元醇。另外，在一些情况下，多元醇可以至少部分地被仅具有至少一个羟基的醇或被胺或酰胺替代。另外，在一些情况下，多元醇可以至少部分地被具有一个或多个羟基、胺基或酰胺基的聚合物或低聚物替代。在一些情况下，这种聚合物或低聚物可以是聚酯、聚醚或聚酰胺。因此，在一些实施例中，在此描述的组合物包括(i)柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯与(ii)醇、胺、酰胺、聚酯、聚醚或聚酰胺和(iii)包含炔部分和/或叠氮化物部分的单体的反应产物。
在一些情况下，在此处描述的方法中的移植物或支架中使用的组合物可以包括由以下项形成的聚合物：具有化学式(A)的一个或多个单体；具有化学式(B4)、(B5)、或(B6)的一个或多个单体；以及包含一个或多个炔部分和/或一个或多个叠氮化物部分的一个或多个单体：
以及
其中
R1、R2以及R3独立地是-H、-CH3、-CH2CH3或M+；
R4是-H；
R22是-H、-OH、-OCH3、-OCH2CH3、-CH3、-CH2CH3、-NH2、NHCH3、-CH2CH2NHCH3、-N(CH3)2或-CH2CH2N(CH2CH3)2；
R23是-H、-CH3或-CH2CH3、-(CH3)2或-(CH2CH3)2；
R24是-H或-CH3；
R25是-(CH2)a-、-(CH2CH2O)b-或-(CH2OCH2)b-；
R26是-H、-CH3或C2-C20烷基；
R27是-H、-C(O)CH3或-C(O)CH2CH3；
R28和R29独立地是-OH或-NH2；
M+是一价阳离子；
X和Y独立地是-O-或-NH-；
Z是–H、-CH3、-(CH3)2、-(CH2CH3)2或
a是从0至20的整数；
b是从0至2000的整数；
n是在1与2000之间的整数；并且
m和p独立地是范围为从1至20的整数；并且
其中这种具有化学式(B4)的单体具有至少一个包含-OH或-NH2的末端。
在一些实施例中，使用了具有化学式(B4)的一个或多个单体，并且X是-O-。因此，在一些情况下，具有化学式(B4)的单体包括另外，在一些情况下，使用了具有化学式(B6)单体，并且R11和R12各自是-OH。在一些实施例中，具有化学式(B6)的单体包括
具有化学式(A)、(B4)、(B5)和(B6)的单体以及包含一个或多个炔部分和/或叠氮化物部分的单体可以按与本披露的目的不矛盾的任何比率来使用。另外，在一些实施例中，改变单体比率可以改变由这些单体形成的聚合物的生物可降解性、机械强度和/或其他特性。在一些实施例中，单体(A)与单体(B4)、(B5)、或(B6)的比率是在约1:10与约10:1之间或在约1:5与约5:1之间。在一些实施例中，单体(A)与单体(B4)、(B5)、或(B6)的比率是在约1:4与约4:1之间。在一些实施例中，该比率为约1:1。含炔或叠氮化物的单体与具有化学式(A)、(B4)、(B5)或(B6)的单体的比率可以是在约1:20与1:2之间或在约1:10与约1:3之间。另外，在一些情况下，在此描述的包括一个或多个炔和/或叠氮化物部分的反应产物是经鉴定单体或种类的缩合聚合反应产物或缩聚反应产物。
另外，在一些实施例中，在此描述的组合物的聚合物是由上述那些单体之外的一个或多个另外的单体形成。例如，在一些情况下，在此描述的组合物的聚合物可以包括(i)柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯与(ii)多元醇、(iii)一种或多种炔和/或叠氮化物以及(iv)胺、酰胺或异氰酸酯的反应产物。在此类情况下，多元醇可以包括上述任何多元醇，并且柠檬酸酯可以包括上述任何柠檬酸酯。另外，胺可以包括上述任何胺，例如具有两至十个碳原子的一个或多个伯胺、具有两至十五个碳原子的一个或多个仲胺或叔胺、或具有键合到氮上的一个或多个羟基基团的一个或多个仲胺或叔胺，如在包含胺的二醇的情况下。异氰酸酯可以包括上述任何异氰酸酯。例如，在一些实施例中，在此处描述的方法的移植物或支架中使用的组合物的聚合物是由以下项形成：具有化学式(A)的一个或多个单体；具有化学式(B4)、(B5)、或(B6)的一个或多个单体；包含一个或多个炔部分和/或一个或多个叠氮化物部分的一个或多个单体；以及具有化学式(G1)、(G2)、(G3)、或(G4)的一个或多个单体：
以及
其中
p是范围为从1至10的整数。
并且，具有化学式(A)、(B4)、(B5)、(B6)、(G1)、(G2)、(G3)和(G4)的单体以及包含一个或多个炔部分和/或叠氮化物部分的单体可以按与本披露的目的不矛盾的任何比率来使用。另外，在一些实施例中，改变单体比率可以改变由这些单体形成的聚合物的生物可降解性、机械强度和/或其他特性。在一些实施例中，单体(A)与单体(B4)、(B5)、或(B6)的比率是在约1:10与约10:1之间或在约1:5与约5:1之间。在一些实施例中，单体(A)与单体(B4)、(B5)、或(B6)的比率是在约1:4与约4:1之间。在一些实施例中，该比率为约1:1。另外，在一些实施例中，单体(A)与单体(G)的比率是在约1:10与约10:1之间。在一些实施例中，单体(A)与单体(G1)、(G2)、(G3)、或(G4)的比率是约1:1。含炔或叠氮化物的单体与具有化学式(A)、(B4)、(B5)、(B6)、(G1)、(G2)、(G3)、或(G4)的单体的比率可以是在约1:20与1:2之间或在约1:10与约1:3之间。
此外，在此处描述的一些实施例中，具有化学式(B4)、(B5)或(B6)的单体可以被不具有化学式(B4)、(B5)或(B6)的化学式的醇替代。例如，在一些实施例中，可以使用不饱和醇或不饱和多元醇。并且，在一些情况下，具有化学式(G)的单体可以至少部分地被在此描述的氨基酸替代。
类似地，在其他情况下，聚合物包括(i)柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯与(ii)多元醇、(iii)一种或多种炔和/或叠氮化物以及(iv)多元羧酸(如二羧酸)或多元羧酸的功能等效物(如多元羧酸的环酐或酰基氯)的反应产物。在此类情况下，多元醇可以包括上述任何多元醇，并且柠檬酸酯可以包括上述任何柠檬酸酯。并且，多元羧酸可以包括上述任何多元羧酸或功能等效物。
另外，具有化学式(A)、(B4)、(B5)、(B6)的单体、多元羧酸或功能等效物、以及包含一个或多个炔部分和/或叠氮化物部分的单体可以按与本披露的目的不矛盾的任何比率来使用。另外，在一些实施例中，改变单体比率可以改变由这些单体形成的聚合物的机械特性和/或其他特性。在一些实施例中，单体(A)与单体(B4)、(B5)、或(B6)的比率是在约1:10与约10:1之间或在约1:5与约5:1之间。在一些实施例中，单体(A)与单体(B4)、(B5)、或(B6)的比率是在约1:4与约4:1之间。在一些情况下，该比率为约1:1。另外，在一些实施例中，单体(A)与多元羧酸或功能等效物的比率是在约1:10与约10:1之间。在一些实施例中，单体(A)与多元羧酸或功能等效物的比率是约1:1。含炔或叠氮化物的单体与具有化学式(A)、(B4)、(B5)、(B6)的单体或者多元羧酸或功能等效物的比率可以是在约1:20与1:2之间或在约1:10与约1:3之间。
在再其他实施例中，在此描述的组合物的聚合物包括(i)柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯与(ii)多元醇、(iii)一种或多种炔和/或叠氮化物以及(iv)氨基酸如α-氨基酸的反应产物。另外，在一些情况下，在此描述的聚合物包括(i)柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯与(ii)多元醇、(iii)一种或多种炔和/或叠氮化物、(iv)氨基酸以及(v)异氰酸酯如二异氰酸酯的反应产物。另外，在一些情况下，酸酐和/或酰基氯可以与柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯结合使用。多元醇可以是上述任何多元醇，柠檬酸酯可以是上述任何柠檬酸酯，氨基酸可以是上述任何氨基酸，并且异氰酸酯可以是上述任何异氰酸酯。另外，酸酐和/或酰基氯可以包括上述任何酸酐和/或酰基氯，包括例如聚酸酐或聚酰基氯。
在一些情况下，在此描述的组合物的聚合物是由以下项形成：具有化学式(A)的一个或多个单体；具有化学式(B4)、(B5)、或(B6)的一个或多个单体；包含一个或多个炔部分和/或一个或多个叠氮化物部分的一个或单体；以及具有化学式(E)的一个或多个单体。
并且，具有化学式(A)、(B4)、(B5)、(B6)、和(E)的单体以及包含一个或多个炔部分和/或叠氮化物部分的单体可以按与本披露的目的不矛盾的任何比率来使用。此外，在一些实施例中，改变单体比率可以改变由这些单体形成的聚合物的机械特性和/或其他特性。在一些实施例中，单体(A)与单体(B4)、单体(B5)、或单体(B6)的比率是在约1:10与约10:1之间或在约1:5与约5:1之间。在一些实施例中，单体(A)与单体(B4)、单体(B5)、或单体(B6)的比率是在约1:4与约4:1之间。在一些情况下，该比率为约1:1。另外，在一些实施例下，单体(A)与单体(E)的比率是在约1:10与约10:1之间。含炔或叠氮化物的单体与具有化学式(A)、(B4)、(B6)、(B6)、或(E)的单体的比率可以在约1:20与1:2之间或在约1:10与约1:3之间。
在其他情况下，在此描述的组合物的聚合物包括(i)柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯与(ii)多元醇、(iii)一种或多种炔和/或叠氮化物以及(iv)含儿茶酚种类的反应产物。柠檬酸盐或柠檬酸酯可以是上述任何柠檬酸盐或柠檬酸酯，如柠檬酸甲酯或柠檬酸乙酯。类似地，多元醇可以是上述任何多元醇。另外，含儿茶酚种类可以包括在上文描述的任何含儿茶酚种类。
在一些情况下，在此描述的组合物的聚合物是由以下项形成：具有化学式(A)的一个或多个单体；具有化学式(B1)、(B2)或(B3)的一个或多个单体；包含一个或多个炔部分和/或一个或多个叠氮化物部分的一个或多个单体；以及具有化学式(F)的一个或多个单体。并且，具有化学式(A)、(B4)、(B5)、(B6)、和(F)的单体以及包含一个或多个炔部分和/或叠氮化物部分的单体可以按与本披露的目的不矛盾的任何比率来使用。另外，在一些实施例中，改变单体比率可以改变由这些单体形成的聚合物的机械特性和/或其他特性。在一些实施例中，单体(A)与单体(B4)、(B6)、或(B6)的比率是在约1:10与约10:1之间或在约1:5与约5:1之间。在一些实施例中，单体(A)与单体(B4)、(B5)、或(B6)的比率是在约1:4与约4:1之间。在一些情况下，该比率为约1:1。另外，在一些实施例中，单体(A)与单体(F)的比率是在约1:10与约10:1之间。含炔或叠氮化物的单体与具有化学式(A)、(B4)、(B5)、(B6)或(F)的单体的比率可以是在约1:20与1:2之间或在约1:10与约1:3之间。
用于形成在此描述的聚合物的包含一个或多个炔部分和/或叠氮化物部分的单体可以包括与本披露的目的不矛盾的任何含炔和/或叠氮化物的化学种类。例如，在一些情况下，一个或多个此类单体包括多元醇，如二醇。在一些情况下，这种单体可以通过该单体的一个或多个羟基部分与具有化学式(A)的单体或在此描述的另一种含羧基单体的羧基或羧酸部分的反应掺入聚合物中。并且，在一些情况下，这种单体可以替代具有化学式(B1)或(B2)的单体使用。在其他情况下，这种单体与具有化学式(B1)或(B2)的一个或多个单体结合使用。另外，这种单体可以是二叠氮基-二醇(DAzD)或炔二醇(AlD)。
在一些情况下，包含一个或多个叠氮化物部分的一个或多个单体包括具有化学式(H)或(H′)的单体：
其中
R30是-CH3或-CH2CH3。
另外，在一些实施例中，包含一个或多个炔部分的一个或多个单体包括具有化学式(I1)、(I2)、(I3)、(I4)、(I5)、或(I6)的单体：
以及其中
R30是-CH3或-CH2CH3；并且
X是-NH-或-O-。
另外，在一些实施例中，在此描述的聚合物可以用生物活性种类进行官能化。在一些情况下，该聚合物是由包含这些生物活性种类的另外的单体形成。此外，这种另外的单体可以包含一个或多个炔部分和/或叠氮化物部分。例如，在一些情况下，在此描述的聚合物是由包含肽、多肽、核酸或多糖的一个或多个单体形成，其中该肽、多肽、核酸或多糖用一个或多个炔部分和/或叠氮化物部分进行官能化。在一些情况下，在此描述的聚合物的生物活性种类是生长因子或信号分子。另外，肽可以包括二肽、三肽、四肽或更长的肽。如下文进一步描述的，在一些实施例中，由这种单体形成聚合物可以向在此描述的组合物提供另外的生物功能性。
另外，在一些实施例中，组合物包括在此描述的多种聚合物。在一些情况下，聚合物被选择成可通过点击化学反应方案彼此间反应。在一些情况下，例如，在此描述的组合物包括第一聚合物，该第一聚合物由以下项形成：具有化学式(A)的一个或多个单体；具有化学式(B4)、(B5)、或(B6)的一个或多个单体；以及包含一个或多个炔部分的一个或多个单体；并且该组合物进一步包括第二聚合物，该第二聚合物由以下项形成：具有化学式(A)的一个或多个单体；具有化学式(B4)、(B5)、或(B6)的一个或多个单体；以及包含一个或多个叠氮化物部分的一个或多个单体。因此，在一些此类实施例中，在此描述的组合物可以包含叠氮化物-炔环加成反应产物，如1,4或1,5-三唑环。以此方式，在此描述的组合物的第一聚合物和第二聚合物可以通过形成一种或多种叠氮化物-炔环加成反应产物充当聚合物网络的交联点来形成聚合物网络。
这种聚合物网络可以具有高的交联密度。在此出于参考目的，“交联密度”可以指聚合物主链之间的交联点的数目或交联位点之间的分子量，如下文所描述的来计算。另外，在一些实施例中，在此描述的聚合物网络的交联点包括叠氮化物-炔环加成反应产物交联点。交联点还可以包括通过相邻聚合物主链的一个或多个侧羧基或羧酸基与一个或多个侧羟基的酯化或反应形成的酯键。在一些实施例中，在此描述的聚合物网络具有至少约500、至少约1000、至少约5000、至少约7000、至少约10,000、至少约20,000或至少约30,000mol/m3的交联密度。在一些情况下，交联密度在约5000与约40,000之间或在约10,000与约40,000mol/m3之间。
还有可能使用不一定形成叠氮化物-炔环加成反应产物的点击化学反应方案来形成聚合物网络。例如，在一些情况下，在此描述的包含炔部分和/或叠氮化物部分的一个或多个单体可以至少部分地被包含可以参与点击化学反应方案的不同部分的一个或多个单体替代。例如，在一些实施例中，聚合物或聚合物网络是由包含硫醇部分的一个或多个单体与包含烯(或炔)部分的一个或多个单体通过硫醇-烯/炔点击反应进行反应而成的。这种硫醇-烯/炔点击反应可以包括通过自由基或离子反应机制在碳-碳双键或三键上添加S-H键。更一般地说，在一些情况下，在此描述的聚合物可以由以下项形成：具有化学式(A)的一个或多个单体；具有化学式(B4)、(B5)、或(B6)的一个或多个单体；以及包含可操作来参与点击化学反应的一个或多个第一部分和/或可操作来参与相同点击化学反应的一个或多个第二部分的一个或多个单体，其中第一部分和第二部分不同。可以使用与本披露的目的不矛盾的任何点击化学反应。在一些情况下，点击化学反应包括[3+2]环加成反应，如胡伊斯根(Huisgen)炔-叠氮化物环加成反应；硫醇-烯/炔反应；狄尔斯-阿尔德(Diels-Alder)反应；反向需电子狄尔斯-阿尔德反应；[4+1]环加成反应，如异氰化物与四嗪的环加成反应；或涉及如环氧环或吖丙啶环的应变环的亲核取代反应。不旨在受理论限制，认为使用点击化学反应方案在聚合物网络中提供交联可以在一些情况下改善聚合物网络的机械强度，而不必为了其他目的牺牲侧柠檬酸羧基部分，如羟磷灰石(HA)钙螯合作用。
另外，应当理解的是在此描述的聚合物或聚合物网络可以由不一定是具有化学式(A)、(B4)、(B5)、或(B6)结构的单体的单体形成。例如，在一些情况下，在此描述的组合物的聚合物是由包含内酯的一个或多个单体以及包含可操作来参与点击反应的一个或多个第一部分，如一个或多个炔部分和/或一个或多个叠氮化物部分的一个或多个单体形成。在一些此类情况下，包含内酯的一个或多个单体基于所有单体的总量计，可以占用于形成聚合物的单体的至少约60mol％、至少约70mol％、至少约80mol％、至少约90mol％、至少约95mol％或至少约99mol％。因此，在一些情况下，在此描述的组合物的聚合物包含聚内酯，该聚内酯已被改性成包括一个或多个可点击部分，如一个或多个叠氮化物部分和/或一个或多个炔部分，包括在内以作为该聚合物的侧(pendant或side)基。可以使用与本披露的目的不矛盾的任何内酯来形成这种聚合物。例如，在一些情况下，内酯包括L-丙交酯、D-丙交酯、D,L-丙交酯、乙交酯和/或ε-己内酯。因此，在一些情况下，在此描述的聚合物可以是聚(ε-己内酯)(PCL)、聚(乳酸-共-乙醇酸)(PLGA)或其组合。
类似地，在其他实施例中，在此描述的组合物的聚合物是由与化学式(A)表示的种类不同的一个或多个单体形成，该一个或多个单体包含多元羧酸或多元羧酸的功能等效物。这种多元羧酸可以是二羧酸，并且多元羧酸的“功能等效物”可以是形成与多元羧酸在此处描述的反应方案中形成的聚合物产物相同的聚合物产物的种类，如在此描述的多元羧酸的酸酐或酰基氯。此外，多元羧酸或其功能等效物可以是饱和的或不饱和的。例如，在一些情况下，多元羧酸或其功能等效物包括马来酸、马来酸酐、富马酸或富马酰氯。还可以使用含乙烯基的多元羧酸或其功能等效物，如烯丙基丙二酸、烯丙基丙二酰氯、衣康酸或衣康酰。
在一些情况下，聚合物是由以下项形成：包含多元羧酸或多元羧酸等效物的一个或多个此类单体；包含多元醇的一个或多个单体；以及包含一个或多个可点击部分，如一个或多个炔部分和/或一个或多个叠氮化物部分的一个或多个单体。例如，在一些情况下，该多元羧酸包括二羧酸，如癸二酸。类似地，该多元醇可以包括二醇如以上提供的二醇、或三醇如甘油。另外，在一些此类情况下，包含一个或多个可点击部分，如一个或多个炔部分和/或叠氮化物部分的该一个或多个单体基于所有单体的总量计，可以占用于形成聚合物的单体的多至约40mol％、多至约30mol％、多至约20mol％、多至约10mol％、多至约5mol％或多至约1mol％。因此，在一些情况下，在此描述的组合物的聚合物包含聚酯如聚(甘油癸二酸酯)(PGS)，该聚酯已被改性成包括一个或多个叠氮化物部分和/或一个或多个炔部分，包括在内以作为该聚合物的侧(pendant或side)基。
聚合物例如在此描述的包含柠檬酸盐的聚合物可以按照与本披露的目的不矛盾的任何方式来制备。在一些情况下，例如，在此描述的聚合物通过一个或多个缩聚反应来制备。另外，在一些实施例中，缩聚反应之后可以为聚合物的交联。如进一步在此描述的，这种交联可以是热交联或光引发交联例如紫外(UV)交联。
在此已经描述了可以形成在促进骨生长的方法中使用的移植物或支架的部分或全部的组合物的各种组分。应理解根据本披露的组合物可以包含与本披露的目的不矛盾的组分和特性的任何组合。例如，在一些情况下，形成在此描述的方法中使用的移植物或支架的部分或全部的组合物可以包括在此描述的聚合物的组合、混合物、或共混物。另外，在一些实施例中，这种组合、混合物、或共混物可以被选择为提供具有在此描述的任何抗微生物特性、生物可降解性、机械特性、和/或化学功能性的组合物、移植物或支架。
另外，一种或多种聚合物，例如一种或多种包含柠檬酸盐的聚合物可以存在于组合物中，该组合物以与本披露的目的不矛盾的任何量形成在此描述的方法中使用的移植物或支架的部分或全部。在一些情况下，组合物、移植物或支架是由或基本上是由一种或多种聚合物例如一种或多种包含柠檬酸盐的聚合物组成。在其他情况下，组合物、移植物或支架基于该组合物、移植物或支架的总重量计包含多至约95重量％、多至约90重量％、多至约80重量％、多至约70重量％、多至约60重量％、多至约50重量％、或多至约40重量％的聚合物。在一些实施例中，在此描述的组合物、移植物或支架的余量可以是水、水性溶液、和/或微粒材料，如进一步在下文所述的。
如在此描述的，移植物或支架可以进一步包括分散在移植物或支架的聚合物网络中的微粒材料。可以使用与本披露的目的不矛盾的任何微粒材料。在一些情况下，该微粒材料包含以下各项中的一种或多种：羟磷灰石、磷酸三钙(包括α-和β-磷酸三钙)、双相磷酸钙、生物玻璃、陶瓷、镁粉、镁合金以及脱细胞骨组织粒子。也可以使用其他微粒材料。
另外，在此描述的微粒材料可以具有与本披露的目的不矛盾的任何粒子大小和/或粒子形状。在一些实施例中，例如，微粒材料在至少一个维度上具有小于约1000μm、小于约800μm、小于约500μm、小于约300μm、小于约100μm、小于约50μm、小于约30μm或小于约10μm的平均粒子大小。在一些情况下，微粒材料在至少一个维度上具有小于约1μm、小于约500nm、小于约300nm、小于约100nm、小于约50nm或小于约30nm的平均粒子大小。在一些情况下，微粒材料在两个维度或三个维度上具有在此所述的平均粒子大小。此外，微粒材料可以基本上由球形粒子、板状粒子、针状粒子、或其组合形成。也可以使用具有其他形状的微粒材料。
微粒材料可以按与本披露的目的不矛盾的任何量存在于在此描述的方法中的移植物或支架中使用的组合物中。例如，在一些情况下，在此处描述的方法的移植物或支架中使用的组合物基于该组合物的总重量计包含多至约70重量％、多至约60重量％、多至约50重量％、多至约40重量％、或多至约30重量％的微粒材料。在一些情况下，组合物基于该组合物的总重量计包含在约1重量％与约70重量％之间、在约10重量％与约70重量％之间、在约15重量％与约60重量％之间、在约25重量％与约65重量％之间、在约25重量％与约50重量％之间、在约30重量％与约70重量％之间、在约30重量％与约50重量％之间、在约40重量％与约70重量％之间或在约50重量％与约70重量％之间的微粒材料。例如，在一些情况下，在此描述的包含聚合物网络的组合物包含多至约65重量％的羟磷灰石。
此外，在一些实施例中，在此描述的方法的移植物或支架中使用的组合物可以包含大量的微粒材料，如多至约70重量％的量的微粒材料，即使当用于形成该聚合物网络的聚合物具有低的重均分子量，如小于约2000、小于约1000或小于约500的重均分子量时。例如，在一些情况下，在此描述的组合物包含由在此描述的具有小于约2000、小于约1000或小于约500的重均分子量的聚合物形成的聚合物网络，并且进一步包含分散在该聚合物网络内的多至约70重量％的量的羟磷灰石粒子。另外，在一些情况下，除了可以由羟磷灰石粒子提供的任何交联作用之外，聚合物网络不发生或基本上不发生另外的交联。
另外，在此描述的微粒材料可以按与本披露的目的不矛盾的任何方式分散在聚合物网络内。在一些实施例中，例如，将微粒材料混合或研磨到聚合物网络中。另外，在一些情况下，在此描述的微粒材料可以被聚合物网络的一个或多个侧官能团螯合或以其他方式结合。例如，在一些情况下，组合物包含分散在此处描述的聚合物网络内的羟磷灰石粒子，其中羟磷灰石被聚合物网络的一个或多个侧官能团螯合。在一些实施例中，该聚合物网络的一个或多个羧基部分或一个或多个柠檬酸盐部分螯合羟磷灰石的一个或多个含钙部分。
在一些实施例中，在此描述的组合物构成双相聚合物支架。在此出于参考目的，“双相”支架可以具有二组分结构如核壳结构，其中两种组分具有不同的化学特性和/或机械特性。在一些情况下，例如，在此描述的核壳聚合物支架包含具有第一孔隙度的核组分；以及围绕该核组分且具有第二孔隙度的壳组分，该第二孔隙度不同于该第一孔隙度。另外，在一些此类实施例中，该核组分展现出比该壳组分更高的孔隙度。例如，在一些情况下，该第一孔隙度是在约30％与约99％之间并且该第二孔隙度是在约0％与约99％之间。在一些实施例中，该第一孔隙度是在约65％与约75％之间并且该第二孔隙度是在约0％与约50％之间或在约5％与约50％之间。在一些情况下，这种孔结构可以分别模拟松质骨和皮质骨的双峰分布。第一孔隙度与第二孔隙度之间的其他孔隙度差异也是可能的。此外，在一些情况下，该核组分可以展现出比壳组分更低的孔隙度。聚合物组分的孔隙度可以按与本披露的目的不矛盾的任何方式来测量。在一些情况下，例如，孔隙度是通过测定多孔样品的整体体积并且减去聚合物网络材料的体积来测得。还可以使用其他方法。
另外，该核组分和/或该壳组分可以展现出与本披露的目的不矛盾的任何孔径大小范围。在一些情况下，例如，该核组分和/或该壳组分展现出约800nm至约1000μm的平均孔径大小。在一些实施例中，该核组分和/或该壳组分展现出约1μm至约800μm、约5μm至约500μm、约10μm至约1000μm、约10μm至约100μm、约50μm至约500μm、约100μm至约1000μm、约100μm至约500μm或约500μm至约1000μm的平均孔径大小。
此外，应当理解的是在此描述的核壳支架的核组分和壳组分两者都可以由上文所描述的组合物形成。可以使用上文所描述的任何组合物用于支架的核和壳组分。因此，在一些情况下，该核组分包含由上文所描述的聚合物形成的第一聚合物网络，并且该壳组分包含由上文所描述的聚合物形成的第二聚合物网络。例如，在一些情况下，该核组分包含由以下项形成的第一聚合物网络：具有上文化学式(A)的一个或多个单体；具有上文化学式(B1)或(B2)的一个或多个单体；包含炔部分的一个或多个单体；以及包含叠氮化物部分的一个或多个单体。这种支架的壳组分可以包含由以下项形成的第二聚合物网络：具有化学式(A)的一个或多个单体；具有化学式(B1)或(B2)的一个或多个单体；包含炔部分的一个或多个单体；以及包含叠氮化物部分的一个或多个单体。第一聚合物网络和第二聚合物网络的聚合物的化学组成可以相同或不同。
类似地，在其他实施例中，在此描述的支架的第一聚合物网络和/或第二聚合物网络包含胺、酰胺或异氰酸酯与具有化学式(A)的一个或多个单体、具有化学式(B1)或(B2)的一个或多个单体以及包含一个或多个炔部分和/或叠氮化物部分的一个或多个单体的反应产物。在一些情况下，该第一聚合物网络和/或该第二聚合物网络包含多元羧酸或多元羧酸的功能等效物与具有化学式(A)的一个或多个单体、具有化学式(B1)或(B2)的一个或多个单体、包含炔部分的一个或多个单体以及包含叠氮化物部分的一个或多个单体的反应产物。支架的第一聚合物网络和/或第二聚合物网络还可以包含氨基酸与具有化学式(A)的一个或多个单体、具有化学式(B1)或(B2)的一个或多个单体、包含炔部分的一个或多个单体以及包含叠氮化物部分的一个或多个单体的反应产物。
此外，在一些实施例中，在此描述的双相支架的聚合物网络可以包括复合聚合物网络，包括上文所描述的复合聚合物网络。例如，在一些情况下，微粒无机材料分散在该第一聚合物网络和/或该第二聚合物网络内。可以使用与本披露的目的不矛盾的任何微粒无机材料。在一些情况下，例如，该微粒无机材料包括羟磷灰石。另外，如上文所描述的，微粒无机材料可以按不同的量存在于聚合物网络中。在一些情况下，例如，微粒无机材料基于该第一聚合物网络和/或该第二聚合物网络的总重量计分别以多至约70重量％的量存在于在此描述的双相支架的第一聚合物网络和/或第二聚合物网络中。
另外，在此描述的核壳支架可以具有不同的核壳架构。在一些实施例中，例如，该核组分和该壳组分是同心圆柱。在一些此类情况下，该核组分的直径是该壳组分的直径的约1％至约90％。其他直径比率也是可能的。另外，在此描述的双相支架除了同心圆柱核壳结构外还可以具有其他结构。
并且，在一些情况下，在此描述的双相支架可以用于在体内促进骨生长。例如，在一些情况下，支架的基于柠檬酸盐的聚合物-羟磷灰石复合物可以提供用于骨再生和组织整合的骨引导表面，同时双相支架设计可以模拟松质骨和皮质骨的等级组织。确切地说，在一些情况下，这种支架设计可以提供组织向内生长所必需的内部(核)相的孔隙度以及满足大节段性骨缺损修复和/或促进骨生长(例如在脊柱融合的情况下)的机械需求所需的外部(或壳)相的减少的孔隙度两者。因此，在一些实施例中，此类组合物可以模拟天然骨组织的组成特性和架构特性两者，而且还在植入后提供用于大节段性骨缺损和/或其他骨生长位点的直接结构支撑。
例如，如下文进一步描述的，在此描述的双相支架可以用于体内修复骨缺损，例如颅盖骨缺损。另外，在此描述的支架在一些情况下可以用于促进骨融合，例如在脊柱融合的情况下。此类支架还可以展现出与宿主骨的良好生物相容性和全面骨整合。另外，在一些情况下，在此描述的双相支架在植入后的最初阶段显著提高新骨形成的效率，并且获得更高的骨密度。与一些其他的材料相比，在此描述的双相支架还可以在植入后的早期时间点，如15周之前的时间点，展现出增加的挠曲强度、界面骨向内生长以及骨膜重塑。例如，在一些情况下，在此描述的支架展现出在约1MPa与约45MPa之间、在约10MPa与约45MPa之间、在约20MPa与约45MPa之间、在约25MPa与约45MPa之间或在约30MPa与约40MPa之间的压缩峰值应力。另外，应当理解的是支架的每一部分的抗压强度可以至少部分地通过改变给定部分的壁厚和/或孔隙度来进行控制。在此描述的支架还可以展现出在约50MPa与约1500MPa之间、在约100MPa与约1500MPa之间、在约100MPa与约1000MPa之间、在约300MPa与约1500MPa之间、在约500MPa与约1500MPa之间、在约500MPa与约1000MPa之间、在约750MPa与约1500MPa之间或在约750MPa与约1250MPa之间的初始模量。此外，在此描述的支架还可以展现出在约2％与约5％之间、在约2％与约4％之间或在约3％与约5％之间的峰值压缩断裂应变。
在一些实施例中，与在此描述的方法一致的布置在骨生长位点中或骨生长位点处的移植物或支架可以布置在接种了或包含生物因子或种子细胞的骨生长位点内。例如，在一些实施例中，移植物或支架可以接种生物因子或细胞例如间充质干细胞(MSC)。在某些其他实施例中，除了自体骨移植物或与自体骨移植物相组合，移植物或支架可以布置在骨生长位点处。与在此描述的移植物或支架相组合使用的生物因子或细胞可以从任何宿主或通过任何与本发明的目的不矛盾的方式分离或获得。例如，在一些实施例中，生物因子或细胞可以从接受移植物或支架的个体收获或分离。在某些其他实施例中，生物因子或细胞可以收获或分离自不同的个体，例如相容的供体。在一些其他情况下，生物因子或细胞可以从作为移植物或支架接受者或者另一相容个体的个体生长或培养。在某些其他情况下，移植物或支架在布置于骨生长位点之内、之上、或附近处时未接种生物因子或细胞。可以用于在此描述的一些实施例中的种子细胞的非限制实例包括间充质干细胞(MSC)、骨髓基质细胞(BMSC)、诱导多能干(iPS)细胞、内皮祖先细胞、以及造血干细胞(HSC)。还可以使用其他细胞。可以在此处描述的一些实施例中使用的生物因子的非限制性实例包括骨形态发生蛋白-2(BMP-2)、转化生长因子β3(TGFβ3)、基质细胞衍生因子-1α(SDF-1α)、红细胞生成素(Epo)、血管内皮生长因子(VEGF)、胰岛素样生长因子-1(IGF-1)、血小板衍生生长因子(PDGF)、成纤维细胞生长因子(BGF)、神经生长因子(NGF)、神经营养蛋白-3(NT-3)、以及神经胶质细胞衍生的神经营养因子(GDNF)。还可以使用其他治疗性蛋白和化学种类。
在一些实施例中，促进骨生长的方法还可以包括(comprise或include)另外的步骤。单独的步骤可以按与本披露的目的不矛盾的任何顺序或任何方式来进行。例如，在一些实施例中，在此描述的方法进一步包括为该骨生长位点和/或邻近该骨生长位点的生物区重新建立供血。在某些情况下，重新建立供血可以包括(comprise或include)密封或缝合邻近骨生长位点的生物组织。另外，在一些情况下，当血流已经例如通过夹紧或抽吸被人为地限制在骨生长位点处或附近，重新建立供血可以包括(comprise或include)释放或去除人为限制。另外，在一些情况下，促进骨生长的方法可以包括(comprise或include)增加该骨生长位点内和/或邻近该骨生长位点的生物区域内的骨传导、骨诱导、骨生成、和血管生成中的一种或多种。另外，在一些情况下，方法进一步包括刺激骨和/或靠近该骨生长位点的软组织的再生。
并且，在一些实施例中，在此描述的促进骨生长的方法可以包括在将移植物或支架布置在骨生长位点中之后将移植物或支架保持在骨生长位点中持续一段时间。可以使用与本披露的目的不矛盾的任何时间段。例如，在一些情况下，可以将该移植物或支架保持持续至少1个月，例如持续至少3个月、至少6个月、至少9个月、或至少12个月。在某些实施例中，移植物或支架可以在骨生长位点内降解或生物降解。在此类实施例中，保持移植物或支架可以包括(comprise或include)保持该移植物或支架直到该移植物或支架的希望的部分已经降解或生物降解。例如，方法可以包括将移植物或支架保持在骨生长位点中，直到至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％、或至少99％的移植物或支架已经降解或生物降解。在某些实施例中，方法可以包括将该移植物或支架保持在骨生长位点中，直到全部或基本上全部的移植物或支架已经降解或生物降解。
在此描述的一些实施例在以下非限制性实例中进一步说明。
实例1
聚合物网络
适合用于在此处描述的促进骨生长或修复的方法的一些实施例中使用的聚合物网络制备如下。确切地说，聚(1,8-辛二醇-共-柠檬酸)(POC)合成是根据以下方法来进行。
将等摩尔量的柠檬酸和1,8-辛二醇添加到配有入口和出口适配器的250mL三颈圆底烧瓶中。在氮气流动下通过在硅油浴中在160℃-165℃下搅拌将混合物熔融。然后将温度降至140℃。将混合物在140℃搅拌持续一个小时，以产生“预聚物”溶液。将预聚物溶液在37℃、60℃、80℃、或120℃在真空(2Pa)下或在环境压力下进行后聚合持续范围为从1天至2周的时间，以产生具有不同交联度的POC。
除了POC之外，一些其他基于柠檬酸的弹性体如上所述使用其他二醇来合成。所得共聚物是聚(1,6-己二醇-共-柠檬酸)(PHC)、聚(1,10-癸二醇-共-柠檬酸)(PDC)、以及聚(1,12-十二烷二醇-共-柠檬酸)(PDDC)。
实例2
聚合物网络
适合用于在此处描述的促进骨生长或修复的方法的一些实施例中使用的聚合物网络制备如下。确切地说，可交联的尿烷掺杂的弹性体(CUPE)合成是根据以下方法进行的。
首先，POC是根据上文实例1来合成，稍作修改。简言之，将柠檬酸和1,8-辛二醇以1:1.1的单体比率在160℃-165℃在配有入口和出口适配器的三颈反应烧瓶中进行本体聚合。一旦混合物已经熔融，将温度降至140℃，并且将反应混合物搅拌1小时以产生POC预聚物。将预聚物通过逐滴沉淀于去离子水中来纯化。将未溶解的预聚物收集并冻干，以获得纯化的POC预聚物。预-POC的平均分子量通过基质辅助激光解析/电离质谱(MALDI-MS)表征为850Da，该质谱是使用Autoflex MALDI-TOF质谱仪(布鲁克·道尔顿(Bruker Daltonics)，曼宁公园(Manning Park)，马萨诸塞州(MA))进行的。然后进行POC预聚物的链延伸以获得预-CUPE。
将纯化的预-POC溶解于1,4-二噁烷中以形成3wt.-％溶液(基于预-POC和1,4-二噁烷的总重量)。然后使聚合物溶液与1,6-六甲基二异氰酸酯(HDI)在干净反应烧瓶中在恒定搅拌下反应，其中用辛酸亚锡作为催化剂(0.1wt.-％)。以不同的预-POC:HDI的装填比率(1:0.56，1:0.9和1:1.2，摩尔比)合成不同的预-CUPE聚合物。在整个反应中将系统保持在55℃。将小量的反应混合物以6小时间隔去除，并且经受傅里叶变换红外(FT-IR)分析。当在2267cm-1处的异氰酸酯峰消失时将反应终止。
然后将预-CUPE溶液浇筑在(可商购于杜邦公司(DuPont))模具中，并且允许在配备有层状气流的化学通风橱中干燥，直到所有溶剂已经挥发。将所得预-CUPE膜移入保持在80℃的烘箱持续预定的时间段以获得交联的CUPE。
实例3
支架
适合用于在此处描述的促进骨生长或修复的方法的一些实施例中使用的支架制备如下。
首先，将氯化钠晶体研磨并且通过筛分为范围从50μm至1000μm的不同大小而分离。在(可商购于杜邦公司)盘中在连续搅拌下，将羟磷灰石(HA)和与实例1一致的预聚物如聚(1,8-辛二醇)(POC)、与实例2一致的可交联的尿烷掺杂的弹性体(CUPE)、或其他基于柠檬酸盐的聚合物以0至65wt.-％的HA比率(相对于HA和聚合物的组合重量)溶解于1,4-二噁烷溶剂中。接着，将盐以从0至90wt.-％的盐重量比率(基于盐、聚合物、和HA的总重量)添加至上述溶液中。将所得浆液进行搅拌，直到几乎所有溶剂挥发。然后将混合物转移到模具中。
确切地说，使用具有4mm内径的圆柱模具制造支架。在模制和从模具脱模后，将所有支架在80℃-100℃交联3天。在交联之后，通过将支架浸没在蒸馏水中将盐浸出。将盐浸出过程进行持续长达3周的时间段，至少每隔一天进行换水。频繁的换水，施加真空和加热，或使用溶胀溶剂像乙醇，可以用于减少将所有盐从支架去除所需的时间。在盐浸出后，将支架样品冷冻干燥，并且灭菌，之后将这些样品用于动物研究。
实例4
促进骨生长的方法
根据在此描述的一些实施例的促进骨生长或愈合的方法如下进行。
将支架布置在骨生长位点中
在实验中使用七十二只雄性斯普拉格-杜勒(Sprague-Dawley)大鼠(200-220g)。密切监测实验动物的体重以确认摄食率和预期生长速率。将所有大鼠在手术前规律地操作持续至少一周，并且单独地关在22℃以及50％湿度和12h光暗循环的气候控制室中的笼内。在半无菌条件下进行手术，其中动物处于通过腹腔内注射100mg/kg水合氯醛和10mg/kg甲苯噻嗪诱导的麻醉之下。将手术位点用70％乙醇溶液进行剃毛和准备。使用无菌盖布、手套、和仪器，并且将打孔器用酒精消毒。
将大鼠在头盖骨的矢状面中线处皮下注射0.5mL的1％利多卡因(局部麻醉剂)。在该注射之后，在头皮上从鼻骨到中间矢状嵴制造矢状面切口，并且钝式剖开骨膜。使用打孔器，用恒定地用无菌盐水冷却的环锯制造4mm直径的凹陷缺损。然后将颅盖盘小心移除以避免撕裂硬脑膜。在充分地用生理盐水冲洗以洗出任何骨片段之后，将复合支架植入在缺损内。将动物等同地分为四个处理组(n＝18/组)：1)其中产生4mm缺损但留空的组(对照组/CON组)，2)其中用自体骨填充缺损的组(AB组)，3)其中根据实例2和3的CUPE-HA支架放置在缺损位点中的组(CUPE-HA组)，以及4)其中根据实例1和3的POC-HA支架放置在缺损位点中的组(POC-HA组)。将皮肤用6-0多聚管(vicryl)缝合，并且使用术后动物护理方案监测动物。
术后护理
所有大鼠存活到手术结束，并且在24小时之内恢复到正常活动。在手术程序之后，未观察到局部感染、持续痛觉、或异常体重波动的体征。在手术植入的6个月之后，收获颅盖骨样品以用于大体观察和SEM观察。
在术后期期间六只大鼠死亡，包括对照组中的一只、AB组中的两只、CUPE-HA组中的一只、以及POC-HA组中的两只。剩余66个动物经历了简单的术后历程，直到术后六个月。每日大体上观察所有大鼠。在动物中不存在明显的炎症应答。
新骨形成的放射摄影术评估
为了观察在缺损内的新骨形成，在术后1、3、和6个月时使用显微-CT重新构建3D形态学图像。这些图像展示于图1A-1L中。新骨形成的放射摄影术证据在非支架组(对照组和AB组)和支架组(CUPE-HA组和POC-HA组)之间是高度可变的。在非支架组中，通过边缘生长的出现看到新骨形成。然而，在支架组中，新骨形成在遍及整个缺损处扩展并且是不透射线的，尤其是在图1G-1I中展示的CUPE-HA组中。
接着进行显微-CT分析，以提供对在缺损位点的边缘处矿化的骨骼组织形成进行的进一步的定量评估。观察到的最明显的区别是：相比于在其他组中较少量的骨形成，在AB组中更大量的新形成的骨。相比于CON组，两个支架-处理组展现出更大的修复效应，但与AB组相比时效应较小。AB组中在术后1、3、和6个月时在经历修复的区域中的骨矿物质密度(BMD)显著高于其他组。并且，CUPE-HA组和POC-HA组的BMD高于CON组，如在图2中所展示的。每个组的骨小梁厚度(Tb.Th)显示相似的趋势。在CUPE-HA组和POC-HA组之间未观察到显著差异。
组织学评估
在CUPE-HA组和POC-HA组中的缺损位点的组织学发现与AB组中的发现相似。确切地说，缺损位点的边缘是由纤维间质和反应性骨构成，其中纤维间质松散地显现在支架周围并且展现出相对高水平的血管生成。相比之下，与AB组和两个支架组相比，在CON组中的缺损位点很少展现出反应性骨，具有较少的纤维间质，如在图2中所展示的。
在植入后1、3、和6个月时，对血管内皮生长因子b(VEGF-b)进行免疫组织化学染色。在CON组中，缺损空间(无植入)被小的纤维细胞和炎症细胞填充，并且那些细胞是呈VEGF-b阴性的。相比之下，CUPE-HA组和POC-HA组示出在缺损位点中更具阳性的VEGF-b表达，与AB组相似。
在支架处理的大鼠中提高的血管数目是通过血管的形态度量分析来确认的。在术后1个月时，CUPE-HA组的血管数目显著高于AB组或POC-HA组，如在图3中所展示的。此外，在术后3个月和6个月时每个组之间在血管数目上不存在显著差异。
实例5
聚合物
适合用于在此处描述的促进骨生长或修复的方法的一些实施例中使用的聚合物网络制备如下。确切地说，使用包含胺的二醇单体例如N-甲基二乙醇胺(MDEA)形成聚合物。单体例如MDEA的使用可以增加在此描述的移植物或支架的机械强度，同时保持某些其他希望的特征例如可降解性和/或生物可降解性。
N-甲基二乙醇胺(MDEA)改性的聚(1,8-辛二醇柠檬酸盐)-点击(POC-M-点击)预聚物(包含MDEA)、改性的预-POC-N3、以及预-POC-Al(预-POC-M-N3和预-POC-M-Al)是如图4A中所展示的来合成。
简言之，对于预-POC-M-N3，将柠檬酸(CA)、1,8-辛二醇(OD)以及MDEA的混合物(CA:OD:MDEA的摩尔比为1:0.8:0.1)在160℃下熔融持续15分钟。之后，将反应温度降至120℃，随后以1:0.2的CA:DAzD摩尔比添加二叠氮基-二醇单体(DAzD，2,2-双(叠氮基甲基)丙-1,3-二醇)。将反应在120℃继续进行大约2小时。然后通过使低聚物/1,4-二噁烷于水中的溶液沉淀、随后冷冻干燥来纯化粗产物，以获得预-POC-M-N3。
使用与上述针对预-POC-M-N3使用的那些方案相似的方案，预-POC-M-Al是通过使CA、OD、MDEA、和代替DAzD的炔二醇单体(AlD，2,2-双(羟基-甲基)丙酸酯)(CA:OD:MDEA:AlD的摩尔比为1:0.8:0.1:0.2)反应而合成。
实例6
支架
适合用于在此处描述的促进骨生长或修复的方法的一些实施例中使用的支架制备如下。
多孔POC-M-点击-HA复合火柴形支架，大小为2x 2x 10mm，相对于HA和聚合物的组合重量计HA含量为65wt.-％，孔隙率为65％，并且孔径为250-425μm，是根据以下方法来制造的。根据图4B中展示的方法使用根据上述实例5制备的组合物制备支架。
将具有250-425μm大小的氯化钠粒子用作致孔剂。将氯化钠粒子首先使用聚乙烯吡咯烷酮(PVP，具有10KDa的Mw)(可商购于西格玛-奥德里奇(Sigma-Aldrich))粘结在一起。PVP(相对于盐和PVP的组合量为10vol.-％)溶解在乙醇中，并且将溶液与盐混合并且连续搅拌直到乙醇挥发。POC-M-点击预聚物溶液制备自预-POC-M-N3和预-POC-M-Al溶解于30wt.-％1,4-二噁烷溶剂中的等重量混合物。在盐粘结之后，将HA的65wt.-％溶液和POC-M-点击预聚物溶液(65wt.-％HA，相对于HA和预聚物的组合重量)进行混合并且连续搅拌直到几乎所有溶剂挥发。将混合物用手捏合，直到复合物成功地干燥，保持希望的可使用性。
然后在具有104x 2x 10mm大小的立方体(可商购于杜邦公司)模具中制造火柴状骨支架。在干燥之后，将大支架切成2x 2x 10mm的希望大小并且在100℃交联3天，以进行同步的双交联过程，即热点击反应和酯化。在交联之后，通过将支架浸没在去离子水中将盐和PVP浸出。在盐/PVP浸出之后，将支架样品冷冻干燥并且灭菌。还制备具有相同大小(2x 2x 10mm)、孔隙率(65％)、HA含量(65wt.-％)和孔径(250-425μm)的作为POC-M-点击-HA支架的多孔聚(L-乳酸)-HA(PLLA-HA，PLLA具有约60KDA的Mw，购自多科(Polyscitech))火柴状支架，以充当动物研究中的对照。
实例7
促进骨生长的方法
根据在此描述的一些实施例的促进骨生长或愈合的方法如下进行。
将支架布置在骨生长位点中
将一组54只兔(平均重量2-2.5kg，雄性或雌性)随机分为三组：自体骨(组A，n＝18)，POC-M-点击-HA(组B，n＝18)、以及PLLA-HA(组C，n＝18)。所有的兔禁食24小时，在此时间之后将兔通过注射2％戊巴比妥钠(30mg/kg)镇静并且根据标准惯例准备手术。然后将兔放置在侧向位置，并且将L4-L5横突暴露并且通过前侧手术介入移除以揭露L4/L5盘。使用前侧手术介入代替常规的手术方法，以便改进进入目标盘的途径以及用使用的钢板对椎体的固定。然后切除L4/L5盘。在解决从解剖端较小的出血之后，将自体骨、POC-M-点击-HA火柴状支架、或PLLA-HA支架填充到在L4/L5盘处的骨生长位点中，并且用螺钉将L4和L5椎骨固定在合适位置并与钢板连接。将伤口在洗涤并用明胶海绵清洁后进行缝合。将所有的兔肌内给予50,000U/kg盘尼西林持续连续3天以预防感染。允许兔在手术后24小时进食。
一般观察
在术后4、8、和12周，由三名高级放射学家在改编自苏克系统(Suk’s system)的双盲测试中评价每个样本的组织构建体的位置和脊柱融合率，借此进行放射摄影术和伸展颤动测试。“可靠连接”被定义为在弯曲-延伸射线照片上的椎间运动范围(ROM)<4°时形成的明显的椎间骨桥。当形成微弱的椎间骨桥但具有弯曲-延伸射线照片上的椎间ROM<4°时，“可信连接”被确认。“融合未连接”被定义为展现椎骨和脊柱之间少的或无骨形成，并且在弯曲-延伸射线照片上ROM超过4°。在每个时间点处，记录在三个组中满足可靠和可信连接的标准的样本的数目，并且通过等式(2)计算某个时间处每个组的融合率：
其中Nt是测试样本的总数目，并且Nnon是未连接样本的数目。对于每个样品，将通过三名放射学家获得的融合率值取平均值。
根据成像评估在每个组中观察到的融合率提供在图5中。在术后4周通过X-射线成像未观察到植入物或内部固定装置的迁移或破裂。未观察到明显的新骨形成，但植入物在此时间点处保持在盘空间中。自体骨组(组A)的融合度是21.3％±3.7％。另外，在4周时间点处组B和组C的融合率没有显著差异(p>0.05，图5)。在术后8周，虽然自体骨组的融合率(94.4％±3.7％)高于其他两个组的融合率(POC-M-点击-HA组为80％±4.5％，并且PLLA-HA组为71.1％±4.4％)，POC-M-点击-HA组的融合率仍然显著高于PLLA-HA组的融合率。在术后12周，根据触诊测试和显微-CT评估，在三个组中所有样本展现出100％的椎间融合率。手动触诊检查的结果进一步确认显微-CT成像结果。
生物力学测试
在每个时间点处移除L4-L5椎体和椎间盘并且储存在-20℃。在力学测试之前，将样本加温至室温，并且将样本的两端包埋在义齿基托树脂(聚(甲基丙烯酸甲酯)，PMMA)中以确保布置盘的平面相对于压缩方向是竖直的。然后将样本固定在力学测试仪(BoseElectro Force 3510，美国)上，并且以0.008mm/s的固定速率施加负荷以用于压缩测试。记录脊柱刚度值和最大负荷值。
以上鉴定的样品的生物力学测试结果展示于图6A和6B中。POC-M-点击-HA组(组B)的最大负荷均值是880.0±14.5N。虽然该值低于自体骨组(示出965.2±38.8N的最大负荷均值)的值，它显著高于PLLA组(示出712.0±37.5N的最大负荷均值)的值(p<0.05)。与用PLLA-HA处理的脊柱缺损(622.5±28.4N/mm，p<0.05)相比，用POC-M-点击-HA支架处理的融合脊柱缺损还具有高得多的刚度(843.2±22.4N/mm)。用自体骨移植物处理的融合脊柱缺损的刚度是1024.3±21.5N/mm。
骨再生和移植物/支架降解
用H&E和马森(Masson)三色染色来染色的所有三个组的显微图片显示在12周新骨形成在融合节段是可见的，指示所有三个途径诱导小梁骨形成。在任何测量时间点处未发现植入材料周围和植入材料中的显著局部炎症应答。在4周后，与PLLA-HA植入物相比，POC-M-点击-HA植入物由更多新骨包围，并且POC-M-点击-HA材料显示部分降解，留下零星空洞。相比之下，在PLLA-HA植入物周围观察到较少的骨形成。另外，观察到PLAA-HA植入物的非常少的材料降解。在8周后，POC-M-点击-HA复合物更多地降解，在新骨内部仅留下少量的材料。在8周时在PLLA-HA植入物周围观察到最少的新骨生长，并且在相同的样品中材料降解不是显而易见的。在12周，POC-M-点击-HA组示出新骨大量替代复合物，填充椎间盘空间，并且将上椎体和下椎体连接。植入的PLLA-HA材料也显示新骨形成，但在新形成的骨周围具有显著更多的残留材料。
本发明的不同实施例已被描述来实现本发明的不同目的。应认识到这些实施例仅说明本发明的原理。在不背离本发明的精神和范围的情况下，许多修改及其改编对于本领域技术人员将是显而易见的。

Claims (46)

1.一种促进骨生长的方法，该方法包括：
将支架布置在骨生长位点中，该支架包括：
(a)由(i)柠檬酸、柠檬酸盐或柠檬酸酯与(ii)多元醇的反应产物形成的聚合物网络；以及
(b)分散在该聚合物网络中的微粒无机材料。
2.如权利要求1所述的方法，其中该微粒无机材料包含以下各项中的一种或多种：羟磷灰石、磷酸三钙、双相磷酸钙、生物玻璃、陶瓷、镁粉、镁合金以及脱细胞骨组织粒子。
3.如权利要求1所述的方法，其中基于该移植物或支架的总重量计，该支架包括多至约70重量％的微粒无机材料。
4.如权利要求1所述的方法，其中该柠檬酸酯包括柠檬酸三乙酯。
5.如权利要求1所述的方法，其中该多元醇包括C2-C20α,ω-正烷烃二醇或C2-C20α,ω-烯烃二醇。
6.如权利要求1所述的方法，其中该聚合物网络是由(i)柠檬酸、柠檬酸盐、或柠檬酸酯与(ii)多元醇和(iii)胺、酰胺、或异氰酸酯的反应产物形成。
7.如权利要求6所述的方法，其中该胺包括具有两至十个碳原子的一个或多个伯胺。
8.如权利要求6所述的方法，其中该胺包括具有两至十五个碳原子的一个或多个仲胺或叔胺。
9.如权利要求6所述的方法，其中该异氰酸酯包括单异氰酸酯。
10.如权利要求6所述的方法，其中该异氰酸酯包括烷烃二异氰酸酯。
11.如权利要求6所述的方法，其中该胺、酰胺、或异氰酸酯包括儿茶酚部分。
12.如权利要求6所述的方法，其中该胺包括多巴胺。
13.如权利要求1所述的方法，其中该聚合物网络是由(i)柠檬酸、柠檬酸盐、或柠檬酸酯与(ii)多元醇和(iii)多元羧酸或多元羧酸的功能等效物的反应产物形成。
14.如权利要求13所述的方法，其中该多元羧酸包括二羧酸。
15.如权利要求13所述的方法，其中多元羧酸的该功能等效物包括多元羧酸的环酐或酰基氯。
16.如权利要求13所述的方法，其中该多元羧酸或其功能等效物是烯键式不饱和的。
17.如权利要求16所述的方法，其中该多元羧酸或其功能等效物包括马来酸、马来酸酐、富马酸或富马酰氯。
18.如权利要求1所述的方法，其中该聚合物网络是由(i)柠檬酸、柠檬酸盐、或柠檬酸酯与(ii)多元醇和(iii)氨基酸的反应产物形成。
19.如权利要求18所述的方法，其中该氨基酸包括α-氨基酸。
20.如权利要求19所述的方法，其中该氨基酸包括L-氨基酸、D-氨基酸、或D,L-氨基酸。
21.如权利要求19所述的方法，其中该氨基酸包括丙氨酸、精氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、色氨酸、缬氨酸或其组合。
22.如权利要求19所述的方法，其中该氨基酸包括烷基-取代的α-氨基酸。
23.如权利要求22所述的方法，其中该氨基酸包括从蛋白原性氨基酸衍生的甲基-取代的氨基酸。
24.如权利要求18所述的方法，其中该氨基酸形成该聚合物网络的侧基。
25.如权利要求18所述的方法，其中该氨基酸包括L-3,4-二羟苯丙氨酸(L-DOPA)或D-3,4-二羟苯丙氨酸(D-DOPA)。
26.如权利要求1所述的方法，其中该聚合物网络是由(i)柠檬酸、柠檬酸盐、或柠檬酸酯与(ii)多元醇和(iii)含儿茶酚种类的反应产物形成。
27.如权利要求26所述的方法，其中该含儿茶酚种类包括3,4-二羟基氢化肉桂酸。
28.如权利要求1-27中任一项所述的方法，其中该反应产物是缩合反应产物。
29.如权利要求1所述的方法，其中该聚合物网络是由具有化学式(A)的一个或多个单体和具有化学式(B1)或(B2)的一个或多个单体形成：
其中R1、R2以及R3独立地是-H、-CH3、-CH2CH3、或M+；
R4是-H；
R5是-H、-OH、-OCH3、-OCH2CH3、-CH3或-CH2CH3；
R6是-H、-CH3或-CH2CH3；
M+是一价阳离子；并且
n和m独立地是范围为从1至20的整数。
30.如权利要求1所述的方法，其中该聚合物网络是由具有化学式(A)的一个或多个单体和具有化学式(B4)、(B5)、或(B6)的一个或多个单体形成：
其中
R1、R2以及R3独立地是-H、-CH3、-CH2CH3或M+；
R4是-H；
R22是-H、-OH、-OCH3、-OCH2CH3、-CH3、-CH2CH3、-NH2、NHCH3、-CH2CH2NHCH3、-N(CH3)2或-CH2CH2N(CH2CH3)2；
R23是-H、-CH3或-CH2CH3、-(CH3)2或-(CH2CH3)2；
R24是-H或-CH3；
R25是-(CH2)a-、-(CH2CH2O)b-或-(CH2OCH2)b-；
R26是-H、-CH3或C2-C20烷基；
R27是-H、-C(O)CH3或-C(O)CH2CH3；
R28和R29独立地是-OH或-NH2；
M+是一价阳离子；
X和Y独立地是-O-或-NH-；
Z是-H、-CH3、-(CH3)2、-(CH2CH3)2或
a是从0至20的整数；
b是从0至2000的整数；
n是在1与2000之间的整数；并且
m和p独立地是范围为从1至20的整数；并且
其中具有化学式(B4)的该单体具有至少一个包含-OH或-NH2的末端。
31.如权利要求30所述的方法，其中该聚合物网络是由具有化学式(A)的一个或多个单体、具有化学式(B4)、(B5)或(B6)的一个或多个单体、和包含一个或多个炔部分或一个或多个叠氮化物部分的一个或多个单体形成。
32.如权利要求31所述的方法，其中包含一个或多个叠氮化物部分的该一个或多个单体包括具有化学式(H)或(H′)的单体：
其中R30是-CH3或-CH2CH3。
33.如权利要求31所述的方法，其中包含一个或多个炔部分的该一个或多个单体包括具有化学式(I1)、(I2)、(I3)、(I4)、(I5)、或(I6)的单体：
以及
其中R30是-CH3或-CH2CH3；并且
X是-NH-或-O-。
34.如权利要求30所述的方法，其中该聚合物网络是由具有化学式(A)的一个或多个单体、具有化学式(B1)或(B2)的一个或多个单体、包含一个或多个炔部分或一个或多个叠氮化物部分的一个或多个单体、以及包含含有仲胺或叔胺的二醇的一个或多个单体形成。
35.如权利要求34所述的方法，其中含有仲胺或叔胺的该二醇包括N-甲基二乙醇胺。
36.如权利要求1所述的方法，其中该聚合物网络形成多孔核组分。
37.如权利要求36所述的方法，其中该支架进一步包括围绕该多孔核组分的多孔壳组分。
38.如权利要求37所述的方法，其中该核组分和该壳组分是同心圆柱。
39.如权利要求36所述的方法，其中该聚合物网络展现出约800nm至约1000μm的平均孔径。
40.如权利要求1所述的方法，其中该骨生长位点包括颅盖骨缺损。
41.如权利要求1所述的方法，其中该骨生长位点包括脊柱缺损。
42.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括为该骨生长位点和/或邻近该骨生长位点的生物区重新建立供血。
43.如权利要求1所述的方法，其中该支架未接种生物因子或细胞。
44.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括增加该骨生长位点和/或邻近该骨生长位点的生物区域内的骨传导、骨诱导、骨生成、和血管生成中的一种或多种。
45.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括刺激骨和/或靠近该骨生长位点的软组织的再生。
46.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括将该支架保持在该骨生长位点中持续长达6个月。
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