CN108601723B - 溶胶-凝胶聚合物复合材料及其用途 - Google Patents

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Abstract

本公开大体上涉及溶胶‑凝胶聚合物复合材料，其在合适介质中包含壳聚糖、亲水性聚合物、胶凝剂和任选的其它成分。有利地，所述溶胶‑凝胶聚合物复合材料可以回应于一种或多种生理刺激形成耐久的密封或坚固固体。本公开进一步涉及所述复合材料的医疗和兽医用途，尤其用于降低或预防乳品动物的乳腺病症的发生率的方法和递送系统。更具体地说，本公开包括用于在非人类动物的乳头表面上或乳头管或乳头池中产生物理屏障从而用以预防性治疗如乳腺炎的乳腺病症的方法和溶胶‑凝胶聚合物复合材料组合物，其中所述溶胶‑凝胶聚合物回应于一种或多种生理刺激形成密封。

Description

溶胶-凝胶聚合物复合材料及其用途
技术领域
本公开大体上涉及独特的溶胶-凝胶聚合物复合材料和其新颖用途。更具体地说，本公开涉及回应于生理刺激形成坚固固体的溶胶-凝胶聚合物复合材料，所述坚固固体具有回应于生理刺激的预定渗透性和机械特性。复合物可容易注射并且具有剪切稀化特性，从而使其适用于广泛范围的人类和动物健康应用，在所述应用中期望注入在注入个体中之后快速固化的液体。本公开还涉及通过利用复合物作为乳头密封剂降低或防止动物中的乳腺炎的发生率来保护乳品动物的乳腺免于遭受致病负荷的新方法。
背景技术
本说明书中所引用的所有专利和公开的内容都以全文引用的方式并入本文中。
水凝胶是分散于水或其它生物流体中的高度水合巨分子网状物。随着温度升高展现粘性提高的特异特性的水凝胶已知为热可逆、热敏(或热固性)水凝胶。已知热敏水凝胶可以由以下制备：可商购的天然来源(如壳聚糖)的聚合物，通过甲壳素的部分到大量碱性N-脱乙酰化获得的便宜聚合物，经由β-1,4-糖苷键连接的由N-乙酰氨基葡萄糖单元制成的线性多醣。脱乙酰化过程一般使用热的浓氢氧化物溶液，通常氢氧化钠进行。
壳聚糖为生物相容的、无毒和非免疫原性的，从而允许其用于医疗、医药、化妆品和组织构建领域。举例来说，已使用局部眼部应用和视网膜附近的眼内注射或移植。此外，壳聚糖通过某些特异性酶(例如溶菌酶)代谢裂解，并且因此可以视为可生物降解的。另外，已报告壳聚糖通过打开上皮紧密连接充当渗透促进剂。壳聚糖还促进伤口愈合并展现抗细菌、抗真菌和抗肿瘤特性。
如天然组织的生物结构的复杂性已使得研究人员探索生物材料和医疗装置的用途，通过简单应用或注射将所述生物材料和医疗装置以液体形式引入个体的皮肤上或身体内部并变成固体或固体状。举例来说，壳聚糖水凝胶已展示适用于软骨再生并预防与急性和慢性软骨缺损相关的膝关节痛。壳聚糖类凝胶也已展示通过包覆大量新近合成的阴离子蛋白聚糖转变并充当支架以用于囊封椎间盘(IVD)细胞。已知壳聚糖在若干多价阴离子，如磷酸盐衍生物存在下形成热可逆凝胶。离子型多醣凝胶，如壳聚糖/有机-磷酸盐含水系统的温控pH依赖性形成已例如描述于PCT国际公开第WO 99/07416号和美国专利第6,344,488号中。然而，由如壳聚糖的离子型多醣制得的水凝胶不牢固并且通常仅在混合聚合物和盐溶液之后相对较长的等待时间之后形成。这主要是由于以下事实：因为其不良溶解度，所以难以获得具有高浓度壳聚糖，尤其高分子量壳聚糖的均相完全水合壳聚糖溶液。另外，若干医疗应用需要不仅提供简单的溶胶-凝胶转变，而且提供具有期望的大孔隙和机械特性的固体结构。此外，温度是非特异性刺激并且可以通过人体外部的要素，如炎热天气或对于口服应用而言仅饮用热饮品来触发。因此，需要刺激反应性植入物和贴片，其可以仅在通过特异性生理刺激触发时获得所需的机械和/或渗透特性。
美国专利第9,034,348号公开形成水凝胶的可注射壳聚糖混合物。描述在接近生理pH和37℃下形成水凝胶的壳聚糖组合物，其包含具有在约30％到约60％范围内的乙酰化度的至少一种类型的壳聚糖，和具有至少约70％脱乙酰化度的至少一种类型的壳聚糖。进一步公开在接近生理pH和37℃下形成水凝胶的壳聚糖组合物，其包括具有至少约70％脱乙酰化度和10-4000kDa分子量的至少一种类型的壳聚糖，和具有200-20000Da分子量的至少一种类型的壳聚糖。还公开制备和使用壳聚糖组合物的方法。
美国专利申请公开第2010/0028434号公开温度受控和pH依赖性自胶凝生物聚合水溶液。存在用于制造自胶凝系统和凝胶的描述的生物聚合液体水性组合物，其包含酸性水基介质，0.1到10重量％pH-凝胶酸-可溶性生物聚合物，和0.1到10重量％具有碱性特征和在6.0与8.4之间的pKa的水溶性分子，或具有碱性特征和在6.0与8.4之间的pKa的分子的水溶性残基或序列。液体组合物具有在5.8与7.4范围内的最终pH值，并且在10到70℃的温度范围内形成稳定固体和均匀凝胶。还描述用于制备组合物的方法和其用途。
美国专利申请公开第2010/0285113号公开具有增强的稳定性的反相热胶凝复合材料水凝胶。存在描述的复合材料水凝胶，其包含阴离子多醣或其衍生物(如玻尿酸(还统称为玻尿酸)或其衍生物)的水溶液与甲基纤维素或其另一水溶性纤维素衍生物的水溶液的掺和物，其中具有分散聚合粒子，如选自微粒子和纳米粒子的聚合疏水性粒子，并且其中水凝胶的稳定性相对于单独水凝胶的稳定性增强。聚合粒子可以含有至少一种治疗剂，在此情况下各治疗剂展现可以通过选择微粒子和/或纳米粒子的合适聚合物配制物来调节或变化的线性持续释放速率。复合材料可以为可注射的，并且在无治疗剂存在下可以用作重建和整容手术的填充剂或可以充当用于后续递送治疗剂的平台。
就兽医健康问题而言，乳腺炎是通常由细菌引起的乳腺的炎症，所述细菌在多数情况下经由乳头孔进入腺体。在腺体的非泌乳期或“干乳期”期间，乳头孔和乳头管中角蛋白的沉积形成主要的防御机制。在动物乳头中形成的角质栓形成保护性屏障，并且乳头中的玫瑰花结构的免疫丰富组织，以及干奶牛分泌物的天然保护性因子含有高含量的天然存在的抗细菌物质(阳离子型蛋白质)，所述抗细菌物质抑制细菌从乳头孔传递到乳头池(乳头窦)和腺乳池。然而，这种角质栓和这些天然免疫防御机制可以通过随着动物泌乳结束时进入干乳期，在动物的干乳期期间，和/或在产犊期间细菌侵入克服。因此，细菌在干乳期期间或更具体地说紧接在产犊之后侵入腺体并引起乳腺炎。
引起乳腺炎的主要致病菌是葡萄球菌(Staphylococcal)物种，例如无乳链球菌(Streptococcus agalactiae)、金黄色酿脓葡萄球菌(Staphylococcus aureus)等；牛棒状杆菌(Corynebacterium bovis)；支原体属(Mycoplasma)；大肠杆菌群，例如大肠杆菌(Esherichia coli)、克雷伯菌属(Klebsiella spp.)、肠杆菌属(Enterobacter spp.)和柠檬酸细菌属(Citrobacter spp.)；环境链球菌(Streptococcal)物种，例如停乳链球菌(Strep.dysgalactiae)、乳房链球菌(Strep.uberis)和肠球菌属(Enterococcus spp.)、假单胞菌属(Pseudomonas spp.)等。尽管乳腺炎主要由细菌引起，但炎症还可以在存在或不存在继发性细菌感染进展下由病毒感染(例如牛疱疹病毒II和IV，副牛痘疹病毒，如伪牛痘病毒(Pseudo Cowpox)等)或如霉菌(例如念珠菌属(Candida spp.)和曲霉属(Aspergillusspp.))或海藻微生物(例如原外壁属(Prototheca spp.))的非典型致病菌的感染产生。
由于致病菌存在而引起的乳腺炎可能在乳牛场界限内变为高度传染性病状，从而造成乳制品行业的巨大生产损失。随后危害性致病菌的影响或使乳汁不适合人类食用的各种处理导致可饮用乳汁的减少。尽管严重的情况可以死亡终结，但不受阻碍的爆发还可能对动物乳房造成永久伤害。作为乳品动物的主要地方病，乳腺炎将动物福祉置于危险之中并且常常带来相当昂贵的兽医护理。保护早期泌乳时段免受干乳期造成的现有感染和新感染的价值对行业仍然具有很高的价值。显而易见的是，乳腺炎的治疗和控制是维持动物健康并降低乳制品行业的牛奶生产的高成本的重要目标。
为此，已研发产品试图密封动物乳头以预防乳腺炎和其它病状，例如在挤奶时段期间阻隔乳头浸液从而密封乳头的外表面和乳头管以及在干乳期期间阻隔内部乳头密封剂从而阻塞或密封乳头管或堵塞乳头池，对于先前已经历一次或多次怀孕的小母牛和奶牛而言尤其如此。
连同这些产品，降低乳腺炎发生率的若干方法描述于本领域中，例如：包含从单一递送装置将抗微生物配制物和密封配制物依序递送入非人类动物的乳头管中的方法，其中密封配制物是无毒重金属盐，如铋(美国专利第8,353,877号)；将包含外源性角蛋白的组合物施加于乳头管和/或乳头窦的方法(美国专利第8,226,969号)；通过将一定量的乳头密封配制物输入动物的乳头管从而在动物干乳期期间在乳头管中形成物理屏障以用于预防的方法，其中乳头密封配制物包含钛、锌、钡或其组合的无铋、无毒重金属盐并且物理屏障不会在用动物乳汁制造的乳制品中产生黑点缺陷(美国专利第7,906,138号)；在干乳期期间在动物乳头管中形成抗感染游离物理屏障以用于预防性治疗乳腺炎的方法，包含以下步骤：在无抗感染剂下将密封配制物输入动物乳头管，其中密封配制物在具有媒剂(如液体石蜡)的硬脂酸铝的凝胶基质或包含聚乙烯凝胶的凝胶基质中包含无毒重金属盐(如铋)(美国专利第6,254,881号)等。
然而，现有密封配制物或外部浸渍产品都无法外部密封乳品动物的乳头持续足够时间从而预防乳腺炎，尤其是在动物中致命和/或极具传染性的形式，情况在小母牛之间类似。此外，尽管已确立乳头密封剂作为在不考虑抗生素选择或投药的情况下提供较高防护级别的可行方法，但目前市场上的产品未能满足以下需求：易于使用和持久的组织粘附、易于去除、避免乳汁污染和预防成熟乳酪中的黑点缺陷。因此，所需的是无毒配制物，其对于畜管员而言容易安全给药并且优选地直接在组织上原地形成有效持久的密封(即“原位”)。此外，需要密封配制物不干扰由乳汁生产的乳品动物的牛奶、或乳酪产品的质量，尤其需要密封剂避免在成熟乳酪中产生黑点缺陷。实际上，兽医领域中明确的领域公认的需求为寻找一种持久无毒的非刺激密封配制物，所述密封配制物优选地在不使用需要动物乳汁的公众食用的停止期的抗生素或其它医药试剂的情况下，在动物乳头上形成充分阻隔以预防或显著降低由致病菌引起的乳腺炎的发生率。还明确需要寻找一种可以含有抗生素等以用于有效治疗或预防乳腺炎的持久密封配制物。
因此，本发明技术的目的为提供改善已知水凝胶的不便之处的溶胶-凝胶聚合物复合材料。
发明内容
本公开内容关于在合适介质中包含壳聚糖、亲水性聚合物和胶凝剂的新溶胶-凝胶聚合物复合材料。有利地，溶胶-凝胶聚合物复合材料可以回应于一种或多种生理刺激形成耐久的密封或坚固固体。本公开进一步关于溶胶-凝胶聚合物复合材料的各种医疗和兽医用途。具体来说，本公开涉及在乳品动物的乳头管中形成物理屏障以用于预防性治疗或预防主要在动物进入干乳期时或在干乳期期间发生的乳腺病症的新方法，其包含以下基本步骤：将溶胶-凝胶聚合物复合材料外涂覆到动物乳头或将复合材料输入乳头管或乳头池内。优选地，组合物回应于一种或多种生理刺激快速胶凝或固化以形成坚固固体。本公开还提供用于在乳品动物的乳头管中形成物理屏障以用于治疗乳腺病症的系统，所述系统包含溶胶-凝胶聚合物复合材料和用于将组合物输入动物乳头池的输液装置。这类系统使乳头密封剂阻塞引起乳腺炎的微生物侵入乳腺或降低感染的发生或再发。
附图说明
本公开的背景和其自本领域的偏离将在下文参考随附图式在本文中进一步描述，其中：
图1展示对于(A)F1-20141210和(B)F4-20141210配制物而言，在f＝0.1Hz和τ＝1Pa的振荡应力下所记录的在温度从25跳跃到37℃时弹性模量(G')和损耗角正切(tanδ＝G"/G')的时间依赖性的图示。
图2展示在f＝0.1Hz和τ＝1Pa的振荡应力下灭菌之后，在时间0周和12周时所记录的F1-20141210配制物的在温度从25跳跃到37℃时弹性模量(G')和损耗角正切(tanδ＝G"/G')的时间依赖性的图示。
图3展示在振荡频率f＝0.1Hz和温度T＝25℃下登记的配制物F1-20140825(非无菌)和F1-20141210(无菌并在室温下存储12周)的应力扫描结果的图式。箭头指示剪切稀化区的起始，其对于两种样品而言相似。
图4展示对于1％w/w壳聚糖(CH)(pH值约为6)中的17％w/w
Figure GDA0003423865530000051
F127的配制物而言胶凝温度对纳米微晶纤维素(NCC)量的依赖性的图式。
图5展示PVA-酰化产物在6s-1下随时间而变以不同温度下的粘性的图式。
图6展示在振荡频率f＝0.1Hz和温度T＝25℃下如所指定的溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物F1-F4的应力扫描结果。箭头表明剪切稀化区的起点。
图7展示在f＝1Hz和τ＝1Pa的振荡应力下所记录的在温度从25跳跃到37℃时弹性模量G'和损耗角正切tanδ＝G"/G'的时间依赖性。
图8展示在T＝25℃和T＝37℃下阿莫西林(amoxicillin)从溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物F2的平均释放速率。误差条表示标准偏差(n＝3)。
具体实施方式
根据本公开，提供新颖的溶胶-凝胶聚合物复合材料，其在合适介质，期望地含水介质中并且更期望地在弱酸性水基介质中包含壳聚糖、亲水性聚合物和胶凝剂。溶胶-凝胶聚合物复合材料具有剪切稀化特性，使得复合材料可以在室温下于注射器中变形。溶胶-凝胶聚合物复合材料还能够使用单筒注射器等注射。有益的是，复合材料能够在不添加任何其它试剂下回应于一种或多种生理刺激形成固体，常常尤其坚固固体。回应于刺激，溶胶-凝胶聚合物复合材料常常快速固化。另一优势在于复合材料提供瞬间凝胶坚固固体，所述瞬间胶凝坚固固体能够在生理条件中承受机械压力或液压。此外，复合材料在注入哺乳动物个体之后能够形成无渗漏、无滴液栓塞。
本公开进一步提供受益于专门设计的配制物的溶胶-凝胶聚合物复合材料的大量医疗和兽医用途。在人类应用将从本公开变得显而易见时，优选的用途涉及在乳品动物的乳头管中形成物理屏障以用于预防性治疗乳腺病症的独特方法，所述乳腺病症通常在动物开始干乳时或在干乳期期间发生，所述方法包含以下步骤：向动物的乳头或乳头管内给药溶胶-凝胶聚合物复合材料，优选地包括回应于一种或多种生理刺激快速胶凝或固化以形成耐久的密封或坚固固体的组合物。此外，本公开提供新的治疗方法，其阻塞引起乳腺炎的微生物侵入乳腺并降低或防止新感染或再感染的发生率。
本公开包括用于形成乳品动物的物理屏障(优选地是乳头管内的内部屏障)以预防乳腺病症或减轻感染的危害性影响的系统，所述系统包含溶胶-凝胶聚合物复合材料和用于将组合物输入动物乳头池的递送装置。这类系统使治疗阻塞引起乳腺炎的微生物侵入乳腺或降低感染的发生或再发的风险。更具体地说，本公开内容提供其中在动物开始干乳或在乳品家畜动物的干乳期期间主要输注溶胶-凝胶聚合物复合材料的方法和系统，所述乳品家畜动物优选地是小母牛或奶牛，并且可包括其它动物，如山羊、绵羊、水牛等。溶胶-凝胶聚合物复合材料充当预防和控制干乳时段期间的乳腺炎的助剂，因此减少在干乳时段期间和在泌乳的第一阶段(产犊后)中的临床和亚临床案例。通过在整个干乳期保留在乳头管中，溶胶-凝胶聚合物复合材料消除或减少在预新鲜乳品动物的高风险时段期间微生物通过乳头管侵入。
在一个方面中，本公开提供用于减轻乳品动物中的微生物乳腺乳腺炎的方法，所述方法允许从动物中获得的乳汁用于生产乳制品，所述方法包含将溶胶-凝胶聚合物复合材料直接局部涂覆或输注乳品动物的相关乳腺组织上或乳头管内以形成乳头密封。这种乳头密封剂通常在干乳时经由乳房内投药给予每个乳头。优选地，在健康动物感染之前涂覆或输注溶胶-凝胶聚合物复合材料。在另一方面中，本公开提供用于减少在允许公众食用之前在生产乳制品中从正接受乳腺炎治疗的动物中获得的乳汁的保留时间的方法，其中将溶胶-凝胶聚合物复合材料局部涂覆到或输入动物的乳头管内。本公开内容还提供用于减少从正接受预防性治疗的动物中获得的乳汁的保留时间以预防或降低乳腺炎出现率以便改善乳制品生产的方法，其中将溶胶-凝胶聚合物复合材料局部涂覆到或输注入动物的乳头管内。
甚至更具体地说，本公开内容提供以上方法，其中乳制品是牛奶、酸奶或乳酪。当乳制品是牛奶时，方法涵盖干奶或鲜奶。此外，本公开提供这类方法，其中溶胶-凝胶聚合物复合材料经由乳房内输液或通过浸渍乳头给药。在所有实施例中，需要本公开内容的相关兽医用途的非人类动物优选地是小母牛或奶牛并且可以是其它乳品家畜动物；并且投药优选地可以在动物开始干乳或在干乳期期间通过乳房内输液来实现。此外，本公开提供这类方法，其中溶胶-凝胶聚合物复合材料在非泌乳动物的产后时段期间给药或其中溶胶-凝胶聚合物复合材料在动物的产前时段期间给药。
本公开内容的乳头密封剂相比于目前市场上的密封剂通过提高的易用性(投药和去除两者)以及其新颖质量概况的总和提供许多优势，所述质量概况例如溶胶-凝胶聚合物复合材料的无毒性、生物相容性、可生物降解性、弹性(可弯性)、持久的组织粘附、注射能力、在室温下的流动性、回应于体温固化的能力、在37℃下快速的胶凝时间、无刺激性和惰性性质等。值得注意地，可输注水基热转变溶胶-凝胶水凝胶独特地在室温下石流体却又在乳头管中在体温下形成凝胶。溶胶-凝胶聚合物配制物表明可调整的剪切稀化特征，其允许在广泛的温度范围内易于输液以及通过从乳头管人工剥离而去除。在从体腔去除后，溶胶-凝胶聚合物复合材料在室温下返回到液相，为乳品提供实际益处。另外，不同于目前的商业密封剂，本公开的乳头密封剂在牛奶的初始处理阶段期间不会紧贴到不锈钢管道(牛奶管线)或集液罐并且在标准的冷水或热水洗涤期间为可清洁的(即，将容易从工业表面洗去)，这最终避免牛奶污染进而防治常常见于成熟乳酪中并且由已知常规乳头密封剂引起的黑点缺陷。
另外有益的是，本公开的乳头密封剂消除或显著减少从正接受乳腺炎预防性治疗的非人类动物中获得的乳汁的保留时间，进而避免或降低当动物经给予抗生素时所需的标准弃奶期。同样实际的，当通过改变溶胶-凝胶聚合物复合材料的盐组分用相对中性的pH值制备时，乳头密封剂可以优选地设计成与乳酪发酵剂培养物完全相容。所治疗动物的初乳也能够安全喂给牛犊。
定义
应了解，本文中所用的所有科学和技术术语均具有与所属领域的普通技术人员通常所理解相同的含义。给出以下定义仅为了说明与本公开内容结合使用的主要术语的一般含义。
术语“乳房”在本文中是指雌性反刍动物，如奶牛、山羊、绵羊水牛等的腺体乳腺结构。在奶牛中，其包含四个独立的腺体，每个腺体具有一个乳头和一个排出管道，而绵羊和山羊具有两个腺体。术语“乳头”在本文中是指含有乳汁部分或乳头窦的乳腺的凸出部分。
术语“乳头密封剂”在本文中是指用于在动物乳头的表面上或内部形成物理屏障的组合物和装置。乳头密封剂可以位于乳头表面上，乳头乳头管内部，和/或乳头池内部。
术语“抗微生物剂”在本文中是指杀灭或抑制微生物，如细菌、病毒、真菌、酵母菌或原生动物的生长或繁殖。
除非另外说明，否则术语“溶液”在本文中是指溶液、悬浮液或分散液。如本文所用的术语“喷雾”是指雾化组合物，所述雾化组合物如由小或大液体液滴组成，如出于递送广泛应用的组合物的预期目的经由喷雾器涂覆器或泵喷雾涂覆器涂覆。
术语“物料流”在本文中是指组合物的连续直接和集中应用。术语“输液”在本文中是指将流体或溶液连续引入腔体、静脉或乳头池。
术语“哺乳动物”在本文中是指哺乳纲的温血脊椎动物，其包括人类和动物两者，在皮肤上具有毛发或毛皮，由雌性从产生乳汁的乳腺分泌乳汁以用于滋养幼崽，并且具有四室心脏。
对于涉及乳腺炎的本公开的实施例，术语“动物”在本文中是指具有泌乳时段的雌性非人类哺乳动物，其包括但不限于家畜动物，如母牛、绵羊、山羊、马、猪、水牛等。优选地，动物是乳牛。尽管“奶牛”和“小母牛”都是雌性牛科动物，但术语“小母牛”在本文中是指尚未生育小牛的任何末成熟雌性奶牛，通常已断奶但年龄在3岁以下。术语“奶牛”常常是指已生育小牛的大龄雌性动物。
术语“干乳期”在本文中是指奶牛或其它乳品动物的泌乳周期的非泌乳阶段。其发生在一个泌乳周期结束与下一次泌乳开始之间。在每次泌乳周期结束时，在动物进入干乳期时动物开始“干乳”阶段，所述干乳期包括对于动物的非泌乳期(干乳期)与停止产奶相关的常见生理、代谢和内分泌变化。
术语“乳制品”在本文中是指含有呈液体或粉末形式的任何量的乳汁的产品。其还包括乳酪和酸奶。
术语“产后”在本文中是指紧接在产犊之后开始并延长约六周的时段。术语“产前”在本文中是指在怀孕期间的时段，其在产犊之前。术语“临产”在本文中是指即将产犊之前和之后的时段。
术语“复原”在本文中是指奶牛停止产奶之后的前两到三周。
术语“角质栓”在本文中是指对于干乳期而言在停止产奶之后奶牛的乳头管(teatcanal/streak canal)的基于角蛋白的闭塞。
术语“微生物侵入”在本文中是指增殖的病原性微生物，例如细菌，尤其形成脓液或坏死性细菌、病毒、真菌、酵母菌、原生动物等移动进入身体组织或体腔，从而导致可以发展为感染和/或疾病的组织损伤。出于本公开的目的，“微生物侵入”通常在本文中是指“细菌侵入”。
术语“溶胶-凝胶聚合物复合材料”在本文中是指可以经历溶胶-凝胶处理从而在如本文所述的某些条件下形成溶胶-凝胶状态的聚合物组合物。术语“固体”和“凝胶”以及“固化”和“胶凝”在本文中可互换使用以指代在溶胶-凝胶相变已回应于一种或多种生理刺激发生之后所形成的凝胶/固体。
术语“聚合物”在本文中是指包括一组大分子的物质。聚合物中所包括的大分子可以某种方式彼此相同或不同。大分子可以具有各种骨骼结构中的任一种，并且可以包括一种或多种类型的单体单元。具体来说，大分子可以具有为线性或非线性的骨骼结构。非线性骨骼结构的实例包括支化骨骼结构，如星形支化、梳形支化或树枝状支化的那些结构以及网状骨骼结构。均聚物中所包括的大分子通常包括一种类型的单体单元，而共聚物中所包括的大分子通常包括两种或更多种类型的单体单元。共聚物的实例包括统计共聚物、无规共聚物、交替共聚物、周期性共聚物、嵌段共聚物、星形共聚物和接枝共聚物。
如本文所用关于聚合物，术语“分子量(MW)”是指聚合物的数均分子量、重均分子量或熔融指数。
术语“弹性模量”(也称为“杨氏模量”或存储模量(G′))在本文中定义为在材料中应力随所施加应变(即剪切应力(每单位面积的力)与剪切应变(比例变形)的比值)的变化。本质上，弹性模量是弹性材料刚度的定量测量，其测量所测试材料返回到其原始形状和尺寸的能力。G'可以使用来源于胡克定律(Hooke's law)的公式计算，所述公式陈述弹性模量等于应力与应变的比值(即所施加压力与尺寸分数变化的比值)。弹性模量的测量以每单位面积的力(牛顿与单位面积的标准度量比值(N/m2)或帕斯卡(Pa)，其中1帕斯卡等于施加于1平方米(1m2)面积上的1牛顿(1N)力)报告。这一帕斯卡单位是常常用于定义压力、抗拉强度、应力和弹性单位的领域公认的术语。
如本文所用的术语“剪切稀化”是指非牛顿流体的常见特征，其中流体粘性随着剪切速率或应力的提高而降低。在悬浮液、乳液、聚合物溶液和凝胶中观察剪切稀化。由于剪切稀化属性，用可能通过提高剪切速率来实现降低聚合物、大分子或凝胶的粘性。基本上，由于在剪切速率增加时粘性的降低，“剪切稀化”特性是通过施加来自注射器活塞的缓慢的人工压力而引起水凝胶网络的临时变形能力的测量。这一剪切稀化现象可以用于例如制造另外刚性生物相容的可输注水凝胶。
术语“损耗角正切tanδ”或“tanδ”在本文中是指相角切线，即粘性模量(G")与弹性模量(G')的比值并且是流体中弹性存在和弹性度的有用计量器。低于单位的tanδ值表明弹性主导(即固体样)行为并且大于单位的值表明粘性主导(即液体样)行为。在弹性固体中，tanδ"＝0。
如本文所用，“坚固”意在意味着弹性模量G′在生理温度下可以一般广泛在约420Pa或更高、约600Pa到约10,000Pa、或约6000Pa到约10,000Pa等的范围。基于刚度水平，固体主体例如在向其施加载荷时变形。如果材料是弹性的，那么在去除载荷之后主体返回到其原始形状。“坚固固体”一般是溶胶-凝胶相变之后所形成的凝胶或固体，其中G′在生理条件(例如37℃和/或接近生理pH值)下通常高于约560Pa，尽管坚固固体可以取决于加工步骤中的其它因素低于约560Pa或高于约10,000Pa形成从而制造、灭菌或存储配制物。
本文中所使用的术语“生理温度”意在意味着哺乳动物的正常体温范围，例如约35℃到约40℃、约36℃到约40℃、约37℃、约37.5℃等。
术语“一种或多种生理刺激”在本文中是指一系列包括但不限于以下的一种或多种刺激：温度(例如体温，如约36℃到约40℃、或约37℃的温度)、pH值(例如接近生理pH值、碱性或酸性条件)、离子强度(例如低渗或高渗条件)等。其它类型的生理刺激包括暴露于体液，例如母乳或其它分泌物、血液等。另一类型的刺激可以源自与身体化学物质或大分子接触，如但不限于离子、电解质、钙、钠、细胞毒素、巨噬细胞、酶、抗原、葡萄糖、雌激素等。
组合物的组分和特征
一般来说，本公开内容的溶胶-凝胶聚合物复合材料在合适的酸性水基介质中包含壳聚糖、亲水性聚合物和胶凝剂。任选地，溶胶-凝胶聚合物复合材料进一步包括增强剂，如合适的纳米微晶填充剂和/或一种或多种抗微生物剂。有利地，溶胶-凝胶聚合物复合材料回应于一种或多种生理刺激形成耐久的密封或坚固固体。配制物展现输送能力、膨胀和粘附的独特组合。
对于新溶胶-凝胶聚合物复合材料的元素，壳聚糖在一些实例中经酰基化，例如壳聚糖包含酰基壳聚糖，所述酰基壳聚糖包括但不限于羧甲基壳聚糖(CMCh)。在一些实施例中，壳聚糖具有至少约75％、至少约77％、至少约80％、或至少约90％的脱乙酰化度(％DDA)。在一些实施例中，壳聚糖具有约75％、约77％、约80％、约95％、约96％、约97％、约98％、约99％或更高的％DDA。亲水性聚合物包括但不限于：如甲基纤维素醚或纤维素醚的甲基纤维素(methyl cellulose；MC)、聚乙酸乙烯酯(polyvinyl acetate；PVA)、PVA-酰化产物、羟丙基纤维素(hydroxypropyl cellulose；HPC)、乙基羟基乙基纤维素(ethylhydroxyethyl cellulose；EHEC)、玻尿酸(hyaluronic acid；HA)、如
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的泊洛沙姆(非离子三嵌段共聚物)、聚乙二醇(polyethylene glycol；PEG)、海藻酸钠或能够形成高粘性热敏凝胶的其它水溶性多醣。亲水性聚合物可以经酰基化。期望地，溶胶-凝胶聚合物复合材料包含甲基纤维素或PVA-酰化产物，在生理温度下溶解于冷水和厚凝胶之后所述甲基纤维素或PVA-酰化产物形成薄混合物(浆液)。
通常，胶凝剂是回应于刺激(例如温度)进行物理交联的热胶凝元件。在一些实施例中，胶凝剂是盐，如水合或五水合β-甘油磷酸二钠、焦磷酸四钠、三水合磷酸氢二钾、其混合物等。有利地，胶凝剂是焦磷酸四钠与三水合磷酸氢二钾盐的混合物。术语“胶凝剂(gelation agent)”和“胶凝剂(gelator)”在本文中可互换地使用。
优选地，在弱酸性水基介质，例如0.1M乙酸水溶液中制备溶胶-凝胶聚合物复合材料。
溶胶-凝胶聚合物复合材料的配制物可以任选地涵盖增强剂，如纳米微晶填充剂。称为“纳米微晶填充剂”的强化材料一般是能够经由非共价物理相互作用(如但不限于氢键或静电吸引)向溶胶-凝胶聚合物复合材料提供机械加固的纳米微晶材料，例如纳米微晶粒子或聚合物。实例包括但不限于纳米微晶纤维素(nanocrystalline cellulose；NCC)、无机粘土、有机粘土、碳黑、热解法二氧化硅、石墨烯、石墨等。优选地，纳米微晶填充剂是纳米微晶纤维素(NCC)。或者，纳米微晶填充剂包含例如纳米微晶淀粉、纳米粘土、石墨烯、碳纳米管、有机纳米粘土或有机粘土。对于另一实例，纳米微晶填充剂可以是蒙脱石、膨润土、高岭石、锂皂石、埃洛石等。
在一些实施例中，溶胶-凝胶聚合物复合材料包含增强剂，如无机填充剂，例如二氧化硅(SiO2)。
在一些实施例中，溶胶-凝胶聚合物复合材料进一步包含磷酸钙作为增强剂。在其它实施例中，溶胶-凝胶聚合物复合材料形成双网络水凝胶以用于强化坚固固体相。双网络凝胶的特征是由两种类型的聚合物组分组成并具有高含水量(约90％w/w)和高机械强度和韧性的特别网络结构。
组合物还可以任选地包括一种或多种医药试剂，尤其具有抗细菌、抗病毒、抗霉菌或抗寄生虫活性等的抗微生物剂。一种或多种医药试剂在其形成时将滞留于组合物中并立即或在一段时间内从组合物中释放。
因为乳腺炎中的典型侵扰性致病菌是细菌，所溶胶-凝胶聚合物复合材料可以期望地含有抗细菌剂。存在多种可用于动物的抗细菌剂。这些抗细菌剂包括但不限于以下各者：大环内酯，例如托拉霉素(tulathromycin)
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泰地罗新(tildipirosin)
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替米考星(tilmicosin)
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泰洛星磷酸盐(tylosin phosphate)
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和加米霉素(gamithromycin)
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头胞菌素，例如头孢噻夫钠(ceftiofur sodium)(例如
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和
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)、头孢噻夫盐酸盐(例如Excenel
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Excenel RTU
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)、头孢噻夫结晶游离酸
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头孢维星钠(cefovecin sodium)
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和头孢泊肟普昔酯(cefpodoxime proxetil)
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林可酰胺抗生素(lincosaminide antibiotic)，例如林可霉素(lincomycin)
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吡利霉素盐酸盐(pirlimycin hydrochloride)
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和克林霉素盐酸盐(clindamycinhydrochloride)
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氟喹诺酮，例如达氟沙星(danofloxacin)
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恩氟沙星(enrofloxacin)
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和马波沙星(marbofloxacin)
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以及四环素，例如氯四环素(chlortetracycline)、氧四环素(oxytetracycline)和多西环素(doxycycline)。其它抗细菌剂包括但不限于：青霉素衍生物，如单独与克拉维酸(clavulonicacid)
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一起的阿莫西林三水合物；大观霉素(spectinomycin)
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包括甲氧苄氨嘧啶/磺胺嘧啶
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和磺胺地托辛(sulfadimethoxine)/奥美普林(ormetoprim)
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的增强型磺酰胺；氯胺苯醇和其衍生物，如甲砜霉素和甲砜霉素的氟化合成类似物，如氟苯尼考(florfenicol)(例如
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和
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Gold)。抗微生物剂可以与本公开内容的组合物同时或依序给药。
本公开的溶胶-凝胶聚合物复合材料通常在约37℃的温度下可以回应于一种或多种生理刺激形成耐久密封或坚固固体。理想地，“坚固”固体溶胶-凝胶聚合物意味着弹性模量G′(也称为存储模量(G′))在生理温度下是至少约420Pa或更高。“坚固固体”一般是在溶胶-凝胶相变之后所形成的凝胶或固体，其中G′在生理条件(例如37℃和/或接近生理pH值)下一般高于约560Pa，常常为约600Pa或更高，并且包括约450Pa到约10,000Pa并且包括但不限于以下值：约490Pa、约560Pa、约650Pa、约800Pa、约1700Pa、约1900Pa、约2500Pa、约5500Pa约6000Pa、约6500Pa、约7000Pa、约7500Pa、约8000Pa、约8500Pa、约9800、约9000Pa、约9500Pa、约10,000Pa或更高等。在一些实施例中，G′是约450Pa到约600Pa、约500Pa到约1000Pa、约1000Pa到约6000Pa、约5000Pa到约9800Pa、约7000Pa到约10,000Pa、约8500Pa到约10,000Pa等。本公开的“坚固”固体溶胶-凝胶聚合物复合材料一般强于已知较弱的已知壳聚糖水凝胶(换句话说，坚固固体溶胶-凝胶聚合物复合材料具有比已知壳聚糖水凝胶更强或更高的机械特性)。在其它实施例中，适用作乳头密封剂的溶胶-凝胶聚合物复合材料的G'可以是约420Pa到9,800Pa或高于9,800Pa，其中已意外地发现聚合物复合材料在无渗漏下可输注并且类似于本文所描述的较强聚合物复合材料对生理刺激起反应形成耐久密封。
有利地，溶胶-凝胶聚合物复合材料具有热增稠特性，从而使其能够回应于一种或多种生理刺激(如生理温度)迅速胶凝或固化，从而在不添加任何其它试剂的情况下形成持久的密封或坚固固体。此外，溶胶-凝胶聚合物复合材料回应于一种或多种生理刺激极快速地凝胶或固化并且形成具有如本文所论述的机械或粘弹性特性，其中固体具有足够强度从而独特地能够使其在动物中的生理条件下承受机械压或液压。在一些实例中，在暴露于生理刺激之后，例如在输入乳品动物之后，溶胶-凝胶聚合物复合材料可以在数秒内，即立即或几乎立即凝胶或固化。本文所提供的溶胶-凝胶聚合复合材料回应于生理刺激足够快速地经历液体固体相变以致于阻塞在注射部位快速形成。溶胶-凝胶聚合物复合材料展示有利的剪切稀化特性，即其粘性在提高剪切速率时将降低，这有利地使溶胶-凝胶聚合物复合材料能够容易输注或在输液之前在室温下在注射器中变形，即使已发生固化也是如此。由于有益的剪切稀化特性，溶胶-凝胶聚合物复合材料可以包涵具有高孔隙率和/或弹性的固体结构以更好地操控材料来密封乳头区域，又准许释放治疗乳腺炎所需的医药试剂。
相比于使用倾向于在动态生理环境中扩散和渗漏的本领域中已知的脆弱凝胶，本发明溶胶-凝胶聚合物复合材料的另一益处在于其快速固化能力，使得复合材料可以提供瞬间胶凝、弹性密封或坚固固体，允许在无渗漏或滴液下经由注射器容易输液并且在输入乳品动物的乳头管或乳头窦中之后快速形成无渗漏、无滴液溶胶-凝胶栓塞。在一些实例中，溶胶-凝胶聚合物复合材料能够用单筒注射器给药。
由于溶胶-凝胶聚合物配制物响应温度、pH值和离子强度的变化的特性，其可以在不施加力时形成持久的密封或坚固凝胶/固体，但其在施加外力，例如在注射器中时可以流动并为可注射的。复合材料还可在输液之后形成耐久弹性凝胶、泡沫或多孔固体。
在专门设计的溶胶-凝胶聚合物复合材料中所发现的其它有价值的技术效果是以下能力：在聚合物中形成疏水性取代以提高粘性；形成能够在生理流体中交联的微凝胶球体和能够用于药物释放以及控制在动物中的降解速率的微凝胶球体；以及在生理温度下形成在个体中具有特定孔隙尺寸和期望的粘弹性特性的多孔固体。
有益的是，水基溶胶-凝胶聚合物配制物能够直接输入产生乳汁的动物的乳头管中并且在干乳期期间形成坚固密封剂。配制物可以在乳汁存在下并且通常在乳腺干乳时所看到的高离子含量下于37℃下产生这种不可渗透密封。
用于制造溶胶-凝胶聚合物复合材料的方法
溶胶-凝胶方法是广泛用于材料科学和工程领域的湿式化学技术。这类方法主要用于制造以胶状溶液(溶胶)为起始物质的材料，所述胶状溶液(溶胶)充当离散粒子或网络聚合物的综合网络(或凝胶)的前体。在溶胶-凝胶方法中，胶状固体(溶胶)的流体悬浮液逐渐朝向形成含有液相和固相两者的凝胶样系统演变，所述凝胶样系统的形态在离散粒子到连续聚合物网络范围内(对于一般信息，参见C.J.Brinker和G.W.Scherer,1990,《溶胶-凝胶科学：溶胶-凝胶处理的物理学和化学(Sol-Gel Science:The Physics andChemistryof Sol-Gel Processing)》,《学术出版社(Academic Press)》,ISBN 0121349705；L.L.Hench和J.K.West,1990,《溶胶-凝胶方法(The Sol-Gel Process)》,《化学评论(Chemical Reviews)》90:33)。
在一些实例中，聚合物的反应性和功能性可以通过添加一组官能团改变，所述官能团包括但不限于：酸酐、氨基或盐、N-取代的氨基、酰胺、羰基、羧基或盐、环己基环氧基、环氧基、缩水甘油基、羟基、异氰酸酯、脲、醛、酯、醚、烷基、烯基、炔基、硫醇、二硫键、硅烷基或硅烷，或选自以下的基团：乙二醛、氮丙啶、活性亚甲基化合物或其它β-二羰基化合物(例如，2,4-乙酰基丙酮、丙二酸、乙酰丙酮、乙基丙酮乙酸酯、丙二酰胺、乙酰乙酰胺和其甲基类似物、乙酰乙酸乙酯和乙酰乙酸异丙酯)、卤基、氢基或其它极性或H键合基团以及其组合。这类官能团可以沿着聚合物添加在各种位置，如沿着聚合物无规或有规律地分散，在聚合物的末端；在可结晶侧链的侧面、末端或任何位置，作为聚合物的分离悬空侧基附着，或直接附着到聚合物的主链。此外，聚合物能够交联、缠结或氢键键合以便提高其在环境或处理条件下的机械强度或其降解抵抗性。
如可以了解，聚合物可以呈具有不同分子量的各种形式提供，因为聚合物的分子量(MW)可以取决于用于形成聚合物的处理条件。因此，聚合物在本文中称为可以具有特定分子量或一系列分子量。
溶胶-凝胶聚合物复合材料依赖于基于通过使壳聚糖与亲水性聚合物(例如水溶性多醣)混合形成的壳聚糖的快速盐诱导和热可逆胶凝系统，所述系统产生高粘性热敏凝胶。这些水可溶胀聚合物复合材料配制物在提高温度、pH值和离子强度时进行快速凝胶。复合材料通常含有两种亲水性聚合物和离子型胶凝剂。第一聚合物进行温度诱导的胶凝并且能够在生理温度下，例如在约37℃下在乳头管中形成弹性凝胶。第二聚合物在与引入到配制物的离子型胶凝剂(gelators)(胶凝剂(gelation agents))接触时形成凝胶。随着添加胶凝剂(即热胶凝元件)，系统形成物理交联。胶凝基本上归因于作为产物中的主要成分的聚合物的物理构象变化，其中聚合物之间没有共价交联键形成。第二聚合物的凝胶强度取决于所添加的胶凝剂量，以及配制物的pH值和离子强度，所述配制物通常具有约5.1到6.8的pH值和约5g/L的离子强度。两种亲水性聚合物对壳聚糖的胶凝造成深刻影响，从而导致对刺激，如盐添加和体温的快速反应。因此，凝胶在干乳乳头管中的pH值和离子含量变化时强化。
通过谨慎调节系统中的聚合物、盐和胶凝剂浓度，有可能微调系统的胶凝温度和机械特性或完整性，两者均低于或高于胶凝临限值，包括在生理条件(例如温度)下凝胶形成的速度和可逆性，以及系统的生物相容性、粘弹性特性(例如G′)、渗透性/孔隙率和在胶凝之后所形成的密封或坚固固体的耐久性。举例来说，可以操控聚合物、盐添加和胶凝剂以使得溶胶-凝胶聚合复合材料适用于需要具有特定孔隙尺寸和具有耐久弹性特性的大孔固体的专门设计的人类或兽医用途，或适用于需要作为具有高孔隙率或具有特定孔隙尺寸以使如抗生素的生物分子自由通过的固体的结构的应用。
此外，溶胶-凝胶聚合物配制物可以针对相容性优选地设计并与乳酪发酵剂培养物(例如乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)、乳酸乳球菌乳脂亚种(L.lactissubsp.cremoris)、嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus))一起使用。因为活发酵剂培养物需要获得适当酸化以便使乳酪起作用，所以聚合物配制物的酸性可以通过改变盐组分适当地调节从而避免干扰培养物活性和生长。因此，为使溶胶-凝胶聚合物配制物有益地与乳酪发酵剂相容，容易地改变盐组分以中和最终产物的酸性。通常，举例来说，在约6.8pH值(相对中性)下的配制物不会抑制标准细菌培养物并可与乳酪发酵剂培养物一起使用。
为说明本公开的某些配制物，溶胶-凝胶聚合物复合材料包含约7.3％w/w甲基纤维素、约1.8％w/w壳聚糖、约9.4％w/w焦磷酸四钠(作为溶液盐)、约0.05％w/w焦磷酸四钠(作为固体盐)和约82％w/w 0.1M乙酸水溶液。这一复合材料在本文中称为“F1”或“F1-20141210”配制物。在第二实施例中，溶胶-凝胶聚合物复合材料包含约7.3％w/w甲基纤维素、约1.8％w/w壳聚糖、约9.1％w/wβ-甘油磷酸二钠(作为溶液盐)、约3.0％w/wβ-甘油磷酸二钠(作为固体盐)和约82％w/w 0.1M乙酸水溶液。这一复合材料在本文中称为“F4”或“F4-20141210”配制物。为进行比较，制备其它溶胶-凝胶聚合物复合材料，如下表B和C中所展示的F2或F3配制物。在其它实例中，溶胶-凝胶聚合物复合材料包含约16％w/w、17％w/w或18％w/w乙酸中的0.5％w/w、1％w/w或2％w/w壳聚糖溶液中的
Figure GDA0003423865530000151
F127。在另一实施例中，溶胶-凝胶聚合物复合材料包含下表4中所阐述的壳聚糖-
Figure GDA0003423865530000152
F127溶液中的一种。
一般说来，本公开内容的溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物中的成分的量可以略微改变。在F1到F4配制物的以上说明中，例如甲基纤维素的量可以在约4％w/w到约12％w/w之间的范围内，壳聚糖可以在约0.5％w/w到约4％w/w之间的范围内，溶液盐或胶凝剂可以在约6％w/w到约12％w/w之间的范围内，固体盐可以在约0.01％w/w到约4％w/w之间的范围内，并且可以使用比0.1M乙酸水溶液更高的浓度。然而应了解，某些组合的范围可以容易地调节，包括比所陈述范围更高或更低的量，以便形成具有本文所描述的所需特性的凝胶或水凝胶。
溶胶-凝胶聚合物复合材料的用途
本文所提供的溶胶-凝胶聚合复合材料回应于一种或多种生理刺激经历液体-固体相变。其因此可能用于广泛范围的动物和人体健康应用，在所述应用中期望注射在注入个体中之后快速固化的液体。具体来说，溶胶-凝胶聚合物复合材料可用于以下应用：在所述应用中，期望所述溶胶-凝胶聚合物复合材料具有固体结构，所述固体结构在个体中的生理条件下具有高孔隙率、弹性或足以承受机械压或液压的强度。
应理解，用于特定应用的溶胶-凝胶聚合物复合材料的适合性将由大量因素决定，如其生物相容性、机械完整性、在生理条件(例如温度)下凝胶形成的速度和可逆性、机械或粘弹性特性(例如G′)、孔隙率/渗透性和耐久性。根据本发明技术，这类特性可以通过调节如本文所述的系统中的聚合物和胶凝剂浓度确定。举例来说，在一些实施例中，溶胶-凝胶聚合物复合材料适用于需要具有特定孔隙尺寸并具有耐久弹性特性的大孔固体的应用；或适用于需要作为具有高孔隙率或具有特定孔隙尺寸以使如葡萄糖、氧气或胰岛素的生物分子自由通过的固体的结构的应用。
在一些实施例中，溶胶-凝胶聚合复合材料适用于需要在个体中的孔内部形成无渗漏、无滴液栓塞的应用。举例来说，其将可用作粘膜粘附植入物、眼部滴液、透皮贴剂、牙移植、阴道栓剂等，其如同人工脊柱盘和软骨一样需要无渗漏、无滴液栓塞。
对于其它实施例，溶胶-凝胶聚合复合材料适用于组织工程，其中植入物可以置换关节内退化或以其它方式损坏的软骨。就此而言，复合材料适用作人工软骨。因为软骨组织对于正常的关节功能而言为重要的，所以需要用于治疗用途的人工软骨来置换因受伤或衰老而损坏的组织。用于人工软骨的可能材料需要具有粘弹性，为坚固和耐久的，如本文所提供的溶胶-凝胶聚合复合材料。溶胶-凝胶聚合复合材料因此可以用于关节手术；植入膝关节；用作角膜修复材料；或用于修复、置换或治疗性治疗组织和身体部位。溶胶-凝胶聚合复合材料可以在注射之后并且在滑液和骨中的离子存在下形成耐久弹性凝胶，从而形成人工软骨、半月板或髓核。
复合材料也有益地适用作可注射植入物以治疗骨关节炎、类风湿性关节炎、其它发炎疾病、全身关节疼痛或其它关节疾病，用于伤口愈合或作为栓剂。在一些实施例中，可以注射溶胶-凝胶聚合复合材料以在个体中快速形成栓塞，尤其在液体固体转变回应于生理刺激如此迅速地发生以致于栓塞在注射部位立即形成。溶胶-凝胶聚合复合材料可以例如注入胰脏中的腺岛(Islets of Langerhans)以便免疫隔离胰岛细胞并允许葡萄糖和氧气的自由通过。
在某些实施例中，溶胶-凝胶聚合复合材料适用作栓塞剂或堵塞剂，例如以阻塞动脉或使癌细胞饥饿。在其它实施例中，溶胶-凝胶聚合复合材料适用作超声造影剂。在另外其它实施例中，溶胶-凝胶聚合复合材料适用于连同可以形成大孔或微孔基质的细胞注射以用于组织工程。
替代实施例发现溶胶-凝胶聚合复合材料适用作用于重建或整容手术的填充剂，用于药物递送系统，例如作为用于缓慢释放递送治疗剂的平台，或用于治疗静脉曲张，例如形成可注射泡沫。在一些实施例中，溶胶-凝胶聚合复合材料适用作治疗子宫肌瘤的膨胀剂或作为牙移植。复合材料进一步适用于使伤口止血，例如在注射之后形成用以阻塞血流例如以阻塞牙质小管的多孔固体，和作为大脑植入物，和作为牙齿上的成膜聚合物。
作为动物的乳头密封剂的溶胶-凝胶聚合物复合材料
应理解，涵盖本公开内容的溶胶-凝胶聚合物复合材料的乳头密封剂的期望特征将取决于密封剂的预期用途而变化，如其施加位置(例如外部乳腺组织或乳头腔内)、密封剂的配制物和其它因素。然而，可以陈述乳头密封剂的某些一般特征。在将密封剂乳房内放置在乳头管中的情况下，例如可调整的剪切稀化特征允许易于输液以及通过从乳头管人工剥离去除。有利的是粘附的乳头密封剂容易从乳头去除。通过调节乳头密封剂的配制物，可以使溶胶-凝胶聚合物复合材料足够坚固，使得密封剂可以轻易地剥离乳头并且在第一条带中以一个粘结单元去除，从而留下极少或不留下材料。当溶胶-凝胶聚合物复合材料在宏观或微观水平下用作栓塞时，其可以配制成包涵合适范围的粘附力，所述粘附力允许原位形成的组合物粘附于组织并且只要需要即原地保持，同时仍容易从部位人工去除。另外，如果这些组合物插入其中需要保留或吸收流体的屏障的位置，那么组合物可以配制成自然吸收流体同时其余位于其所需位置。
本公开内容的原位形成的乳头密封剂的另一优势在于其符合乳头或乳头管的形状。溶胶-凝胶聚合物复合材料的可弯性特性允许密封剂符合乳头表面或管以及乳头周围的组织表面的表面形态以实现良好的贴合性。这类适形性另外，延长乳头密封剂的长久性、舒适性和功效。
适用作本公开中的乳头密封剂的溶胶-凝胶聚合复合材料也为安全和稳定的。密封剂的无毒特性为标靶动物以及动物的人类畜管员和对动物施予密封剂的施予者提供安全性。因为乳头密封剂不会造成密封剂在输奶管路或相关挤奶设备中的残余积聚，所以密封剂的无毒性另外确保人类食品产品，如由从所治疗动物中获得的乳汁制得的牛奶和奶制品安全食用。所有组合物成分本质上都是非重金属，为生物相容的、可生物降解组织粘附的并且呈存在于最终乳头密封剂配制物中的量对动物无刺激性。因为溶胶-凝胶聚合物复合材料适用于输入动物乳腺，所以其不含有毒材料、刺激物等制得，并且在温度、pH值、离子强度等的生理条件下适合使用。此外，溶胶-凝胶聚合物复合材料可以轻易通过标准蒸汽干式灭菌器(高压釜)、γ辐射、电子束方法(电子束灭菌)等灭菌。防腐剂还可在不改变乳头密封剂的有益特性下包括于组合物中。
取决于递送方法，专门设计适用于局部涂覆、输液等制得的乳头密封剂的配制物中的粘性。因此，控制溶胶-凝胶聚合物复合材料的粘性，使得可以产生极佳屏障的方式将组合物喷射或流送到乳头上或乳头内。溶胶-凝胶聚合物复合材料还轻易穿过注射器并具有极佳的剪切稀化特性，所述剪切稀化特性对于在室温下在注射器中使复合材料成型以实现畜管员进行的快速简单的产品用途为必要的。具体来说，溶胶-凝胶聚合物复合材料有益地能够使用单筒注射器输注。当直接输入乳头时，配制物能够填充乳头管并在体温下快速转变为凝胶。配制物的剪切稀化特性提供易于输注和可去除性两者。
乳头上组合物的胶凝优选地为快速的，从而避免组合物从涂覆位置流失或损失。胶凝时间可以是约5分钟或更少，优选低于约3分钟，更优选少于约30秒，并且在一些情况下低到约10秒或更少，尤其用溶胶-凝胶聚合物复合材料的外部涂覆时。
适用于本公开内容的乳头密封剂的若干所需前述特征通过调节溶胶-凝胶聚合物复合材料中的聚合物和胶凝剂浓度以修改耐久密封或。的机械特性和渗透性/孔隙率来获得。基本上，乳头密封剂的粘附和膨胀特性通过专门设计配制物控制。具有粘附和膨胀特性的特定组合的溶胶-凝胶聚合物复合材料展现不可比较的新特性，如粘附到动物组织持续延长的时段，又在完成预防性治疗时容易作为乳头屏障去除；或坚固到足以一次性从动物乳头剥离或作为半固体或液体轻易去除，又具有足够柔性以符合动物身体以实现舒适性并作为有效的屏障保持原地以预防或降低乳腺病症的发生率。
乳头密封剂组合物的递送
合适的粘性取决于所采用的递送方式。一般来说，组合物在室温下或在使用条件(即不在动物中)下应具有经由喷雾器递送的低于约800cps、优选低于300cps、更优选低于200cps的粘性。通过泵喷雾的递送通常需要较低粘性，如低于约150cps。无喷雾器下的喷雾需要低于约50cps的粘性。
乳头密封剂配制物通过常规方式涂覆到乳头，所述常规方式例如来自注射器、泵、喷雾嘴、喷雾器、浸液或其它类型的装置的喷雾或液流。喷雾和液流的组合可以类似于喷淋头的方法涂覆，从而多股液流提供模拟的喷雾涂覆的广泛覆盖率。溶胶-凝胶聚合物复合材料外部喷雾或流送到乳头组织上，在所述乳头组织上，其形成屏障密封。
为通过输注施加到乳头内部，如施加到乳头窦或乳头池内，可以使用任何具有渐尖的注射器末端的兽医注射器、尤其针对将溶液嵌入乳头管制造的乳头针头或乳房内尖端。举例来说，凝胶可以使用标准的5或6mL注射器经由常规输注插管或输注喷嘴嵌入。将在乳头管中形成所需物理屏障以便预防或治疗乳腺病症的乳头密封剂的有效量取决于乳品动物物种和其乳头的尺寸。通常，在2与3mL之间的体积足以充分填充乳头管但所述量可以改变并且可以通过由将密封剂输入乳头的畜管员轻易滴定。
一般来说，将向动物乳头给药约0.5到5.0mL、优选地约1.0到4.0mL、更优选约2.0mL或更高、并且甚至更优选地约3.0mL的组合物。配制物可以预装载到注射器中以易于单位剂量投药。期望地，在泌乳周期结束乳品动物进入干乳期时或在动物的干乳期期间，尤其当乳品动物是小母牛或奶牛时给药所述组合物。
组合物还可以从喷雾装置或液流装置外部或局部递送到乳头。喷雾装置可以包括容器，所述容器具有用于喷雾递送液体组合物的分配器。所用容器的类型取决于与组合物的相容性和喷雾分配器为可变的并且可以是玻璃、塑料或金属。如果溶液具有足够低的粘性，那么喷雾递送可以用简单机械力实现，如当手动按压注射器推杆时经由适当设计的喷嘴实现的机械力。可能需要将组合物的若干层涂覆到乳头以确保乳头的充足覆盖率。在任何情况下，用于形成物理屏障的有效量可以通过乳头上密封剂的视觉外观轻易确定。
组合物还可以使用配备有喷雾头的注射器递送。一般来说，用于从容器将液体组合物作为喷雾驱使的任何化学、机械或电子方法都是合适的。在一个方面中，将相容的液体或气态气溶胶喷射剂连同组合物放置在合适容器中并且施配器包括实现液体组合物的雾化喷雾递送的阀门机构。期望地，乳房内输液装置可用于将乳头密封剂组合物直接递送到乳头。装置可以具有单一施配器，如来自诺信公司(Nordson Corporation)(韦斯特莱克，美国俄亥俄州)的喷嘴梢。装置可以包括计量器以便可以控制组合物的数量。
可用于，或经修改以用于递送作为乳头密封剂的组合物的装置的实例包括描述于以下各者的那些装置：WO 2015/038281(Zoetis)、美国专利申请第2015/0080841号(C.M.Bradley等人)、美国专利第5,989,215号(Y.Delmotte等人)、美国专利第8,353,877号(S.Hallahan等人)、WO 2003/022245(Bimeda Research&Development Limited)和WO2013/021186(Norbrook Laboratories Limited)。
前文描述展示新溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物的制备方法以及其用于本公开内容的独特特性。以下实例表明本公开的其它方面。然而，应了解对于本公开的条件和范围，这些实例仅用于说明但不意图为完全决定性的。除非另外规定，否则化学品购自密苏里圣路易斯的西格玛-奥德里奇公司(Sigma-Aldrich)。应了解，在制备溶胶-凝胶聚合物复合材料中的步骤顺序并不严格并且可以因实例而改变。举例来说，将成分引入槽中的顺序可以在不损害最终产物的情况下变化(如首先添加甲基纤维素代替首先添加壳聚糖等)。应进一步了解，当给定典型的反应条件(例如温度、反应时间等)时，还可以使用高于和低于指定范围的条件，尽管一般较不方便。实例在室温(约23℃到约28℃)和大气压下进行。除非另外规定，否则本文中提及的所有份数和百分比都以重量计并且所有温度都以摄氏度表述。
本公开的进一步理解可以从下文的非限制性实例中获得。
实例1
溶胶-凝胶聚合物复合材料的制备和特性
四种聚合物复合材料配制物(F1、F2、F3和F4)在下文中制备如下。表A、B、C和D分别展示F1、F2、F3和F4。配制物分批制备约30g、110g或165g，如表中所指示。
表A.F1配制物
Figure GDA0003423865530000201
Figure GDA0003423865530000202
Figure GDA0003423865530000203
Figure GDA0003423865530000211
表B.F2配制物
Figure GDA0003423865530000212
Figure GDA0003423865530000213
表C.F3配制物
Figure GDA0003423865530000214
Figure GDA0003423865530000215
表D.F4配制物
Figure GDA0003423865530000221
Figure GDA0003423865530000222
Figure GDA0003423865530000223
F1和F4配制物制备如下：首先，对于F1通过向135.5mL水添加0.813g(0.772mL)AcOH制备0.1M AcOH。对于F4，向135.0mL水添加0.81g(0.77mL)AcOH。接着，制备甲基纤维素(12g)、壳聚糖(3g)在0.1N(0.1M)AcOH(对于F1为135.5mL并且对于F4为135.0mL)中的溶液。通过在剧烈搅拌下向0.1N(0.1M)加热到85-90℃的AcOH添加聚合物粉末来制备溶液。持续加热直到获得均匀分散液(约5min.)。随后在搅拌下将溶液冷却到室温(300rpm)。在冷却后，溶液清澈并变得极粘，迫使搅拌速度降低到60-100rpm。冷却和澄清花费约1小时。随后将溶液存储在4℃下直到将来使用。
胶凝剂(盐在配制物中作为胶凝剂(gelation agent)起作用，在本文中也称为“胶凝剂(gelator)”试剂)在水中的溶液随后通过混合呈粉末状形式的盐与水制得。盐溶液的浓缩物如下：对于F1而言，焦磷酸四钠(5g/L)通过将100mg焦磷酸四钠添加到20mL水中并且将其搅拌直到完全溶解来制备。对于F4而言，水合β-甘油磷酸二钠(呈44％w/w水溶液)(每66g水44g)通过以下制备：将22g水合β-甘油磷酸二钠(呈44％w/w水溶液)添加到33mL水中并且在搅拌下在45℃下加热直到完全溶解。
在缓慢机械搅拌(使用在100rpm下的混合器)下将因此制得的胶凝剂溶液添加到冷聚合物溶液直到均匀。观察到显著的粘性提高和气泡形成。随后将溶液在4℃下静置隔夜。配制物通过对液体循环高压灭菌来除菌。
F2和F3配制物制备如下：通过向100mL水添加0.6g(0.57mL)AcOH制备0.1MAcOH。制备甲基纤维素(8g)、壳聚糖(2g)和叠氮化钠(0.025g)在0.1N AcOH(90mL)中的溶液。称重具有搅拌棒的烧杯。通过在搅拌下向加热到沸点(85-90℃)的0.1N AcOH添加粉末(一次性)制备溶液。停止加热并通过用铲搅拌约3min获得均匀分散液。这在添加AcOH直到获得最终重量(无盐)下完成。接着使溶液冷却到室温。在冷却后，溶液澄清并变得极粘。冷却和澄清花费约1小时。烧杯用石蜡膜覆盖并在4℃下存储24小时(或直到进一步使用)。
随后通过混合呈粉末状形式的盐与水直到所需浓度来制备胶凝剂(作为胶凝剂(gelation agent或gelator)的盐)在水中的溶液。在缓慢机械搅拌(使用铲或100rpm下的混合器)下将胶凝溶液添加到冷聚合物溶液。观察到显著的粘性提高和气泡形成。将溶液在4℃下静置隔夜。使溶液在4000rpm下离心10min以便消除气泡。
测试配制物中各种浓度下的若干聚合物以选择实现配制物性能的最有利聚合物和其浓度。还测试各种胶凝剂以调节配制物的温度反应性、其可注射性和其流动特性。随后选择四种具有广泛范围的流动特性的溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物(F1-F4)以进行进一步测试。
F1-F4样品的基本特征展示于表E中。注意凝胶的pH值在约6与7之间。在这一实验中，已经表明凝胶可以使用6mL注射器经由标准16号针头注射，这说明其经由乳头针头或喷嘴输注以用作乳头密封剂的独特能力。对于表E中的数据，所测试的配制物是使用表A-D中的成分和量制备的配制物，总计110g。
表E.聚合物复合材料配制物F1-F4的特性
Figure GDA0003423865530000231
Figure GDA0003423865530000241
在乳汁存在下的栓塞形成通过在37℃下向含有0.5mL乳汁(3.5％脂肪)的试管中添加配制物(1.5-2mL)测试。所有配制物都在乳汁表面上形成凝胶栓塞。乳汁与凝胶之间的界面检验展示，尽管在将凝胶添加到乳汁后预期配制物与乳汁之间一定程度的混合，但在形成栓塞时，样品意外地展示与乳汁极有限的可混合性。结果表明配制物能够在乳汁存在下形成凝胶并且防止从试管渗漏。
进行应力扫描测试(即弹性模量和损耗模量随固定频率下的应力而变的测量)以证实样品的剪切稀化特征。结果表示于图6中。对于图6中的数据，所测试的配制物是使用表A-D中的成分和量制备的配制物，总计110g。
在低施加压力下，弹性模量G'的值是常数。样品弹性覆盖广泛范围，在对应于F1的约10Pa到对应于F4的约440Pa的范围内。在较高的应力值下观察到剪切稀化行为(即，弹性模量G'随所施加应力的降低)。剪切稀化区在F2配制物的最低应力下开始，之后为F1、F3和F4。这些结果证实样品是可注射的并且其输注是可能的。因为在配制物输注和后处理乳头剥离期间所施加的力远超300Pa，所以所有配制物都不会经历任何递送或回收问题。
接着，监测在温度突然从室温跳跃到体温时配制物的流变性。追踪在1Pa恒定应力(即在平坦区中)和频率(f＝0.1Hz)下弹性和存储模量随时间而变的值。在实验的第一步骤(10min.)中，温度保持在25℃下。在第二步骤(10min.)中，温度固定在37℃下。两个步骤之间的加热过程花费约20秒。结果展示于表F和图7中；其表示为弹性模量G'和损耗角正切tanδ＝G"/G'，弹性特性与粘性特性的比值展示主导特性。在tanδ为1时，材料的弹性特性和粘性特性相等。损耗角正切越小，材料的弹性越高。对于物理凝胶，G'>G"并且tanδ<1。对于粘性液体，G">G'并且tanδ>1。对于表F和图7中的数据，所测试的配制物是使用表A-D中的成分和量制备的配制物，总计110g。应理解，值可以基于所采用的设备和流变方法而改变；以及另外，这些值取决于特定测试方案彼此为相对的。
表F.溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物F1-F4的流变测试结果
(在施加应力10min.之后记录G'和tanδ的值。角频率f＝0.1Hz，振荡应力τ＝1Pa)
Figure GDA0003423865530000242
Figure GDA0003423865530000251
F1-F4的弹性随温度显著升高，如通过从53(F1)变化到20(F4)的G'(37℃)/G'(25℃)(表E)的比值证明。在室温下，F1表现地类似粘性液体(tanδ>1)。三种其它配制物展示类似固体的行为，这种行为按顺序F3<F2<F4变得更加明显。
在37℃下，弹性模量显著升高。这伴随着损耗角正切的快速降低，表明凝胶结构的强化。这个过程对于F2、F3和F4而言花费约1-2min.。对于F1配制物其花费较长时间(约5min.)。
总之，制备并表征覆盖广泛范围的流动特性的四种溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物。聚合物复合材料配制物在提高温度、pH值和/或离子强度时经历快速胶凝。复合材料含有两种亲水性聚合物和离子型胶凝剂。如所描述，第一聚合物进行温度诱导的胶凝并在约37℃下实现弹性凝胶的形成。第二聚合物在与引入到配制物的离子型胶凝剂接触时形成凝胶。第二聚合物的凝胶强度取决于所添加的胶凝剂量，以及配制物的pH值和离子强度。
样品由于其剪切稀化特性而为可输注的。其展示温度诱导的增稠，即其凝胶结构在温度上升时变得更坚固。结果表明配制物的弹性、剪切稀化的起始、温度诱导的增稠程度以及这些过程的时间尺度取决于配制物中所用的胶凝剂，从而可能允许流动特性的精确调节。
实例2
灭菌对溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物的影响
将高压灭菌作为灭菌方法测试。已知类似于上文配制物中所用的聚合物的聚合物在使用电离辐射或环氧乙烷灭菌时可能经历显著降解。这种降解可以通过使用高温使样品灭菌来减轻。
在10min期间在121℃下进行灭菌。周期的总长度，包括加热和冷却部分是约45min。表1展示在灭菌之前和之后使用两种不同胶凝剂(F1和F4)制备的配制物的特性比较。对于表1中的数据，所测试的配制物使用表A和D中的配方制备，分别总计165.5和165g。
表1.在灭菌之前和之后聚合物复合材料配制物的特性.
Figure GDA0003423865530000252
Figure GDA0003423865530000261
在灭菌之后，所有配制物都可以使用6mL注射器经由标准16号针头注射，这展示配制物可以经由乳头针头或喷嘴作为乳头密封剂注射。配制物的pH值在灭菌时未显著变化。然而，目测表明两种配制物在高压灭菌之后都展示更加明显的黄色/棕色兵器其流动特性改变。就F1-20141210而言，在25℃下存在从“凝胶”到“液体”的变化。
接着，在温度从25℃跳跃到37℃时更加密切地监测无菌和非无菌配制物的流动特性变化。在恒定应力(1Pa)和频率(f＝0.1Hz)下追踪弹性模量和存储模量随时间而变的值。在实验的第一步骤(10min.)中，温度保持在25℃下。在第二步骤(10min.)中，温度固定在37℃下。两个步骤之间的加热过程花费约20秒。结果展示于表2和图1中，其中其表示为弹性模量G'和损耗角正切tanδ＝G"/G'，弹性与粘性特性的比值展示主导特性。当tanδ值为1时，材料的弹性特性和粘性特性相等。损耗角正切越小，材料的弹性越高。对于物理凝胶而言，值是G'>G"并且tanδ<1。对于粘性液体而言，值是G">G'并且tanδ>1。对于表2和图1中的数据，所测试的配制物使用表A和D中的配方制备，分别总计165.5和165g。
表2.在灭菌之前和之后聚合物复合材料配制物的流变测试结果。在施加应力10min之后记录G'和tanδ的值。角频率f＝0.1Hz，振荡应力τ＝1Pa。
Figure GDA0003423865530000262
相比于其非无菌对应部分，无菌配制物的特征为较小的弹性模量值。然而，这一差异较小，尤其就F4-20141210而言。在37℃下，弹性模量显著升高。这伴随着损耗角正切的快速降低，表明凝胶结构的强化。这一过程对于配制物F4-20141210而言花费约1-2min.并且对于样品F1-20141210而言花费略微更长的时间(约5min.)。样品的灭菌未显著影响粘性动力学的提高，也未影响在37℃下样品所达到的G'和tanδ的最终值(图1)。
总之，测试两种复合材料凝胶。复合材料由于其剪切稀化特性而为可输注的。其展示温度诱导的增稠，即其凝胶结构在温度上升时变得更坚固。尽管样品灭菌诱导样品外观的少许轻微变化，但这个过程的配制物弹性、温度诱导的增稠程度和时间尺度未受灭菌方法显著影响。
实例3
对聚合物复合材料配制物的灭菌的进一步研究
F1和F4配制物是水可溶胀聚合物复合材料，其在提高温度、pH值和/或离子强度时进行快速胶凝。复合材料含有两种亲水性聚合物和离子型胶凝剂。第一聚合物进行温度诱导的胶凝并且在约37℃下实现弹性凝胶的形成。第二聚合物在与引入到配制物的离子型胶凝剂接触时形成凝胶。第二聚合物的凝胶强度取决于所添加的胶凝剂量，以及配制物的pH值和离子强度(通常约5.1到6.8的pH值和约5g/L的离子强度)。
在实例2中，已经表明配制物的流动特性不受灭菌的显著影响。这一进一步研究展示灭菌对水可溶胀聚合物复合材料的影响。
对于样品F1-20141210而言，在灭菌十二周以后重复流变性测量。在这一时段期间，样品在室温下存储在封闭塑料小瓶中于黑暗中。目测证实样品的外观和坚实度在存储12周之后未显著变化。另外，未在样品中检测到微生物生长的视觉迹象。
首先，监测在温度从25℃跳跃到37℃时流动特性的变化。追踪在恒定应力(1Pa)和频率(f＝0.1Hz)下弹性模量和存储模量随时间而变的值。在实验的第一步骤(10min.)中，温度保持在25℃下。在第二步骤(10min.)中，温度固定在37℃下。两个步骤之间的加热过程花费约20秒。结果展示于表3和图2中；其表示为弹性模量G'和损耗角正切tanδ＝G"/G'，弹性与粘性特性的比值展示主导特性。在tanδ为1时，材料的弹性特性和粘性特性相等。损耗角正切越小，材料的弹性越高。对于物理凝胶而言，值是G'>G"并且tanδ<1。对于粘性液体而言，值是G">G'并且tanδ>1。对于表3和图2中的数据，所测试的配制物使用表A和D中的配方制备，分别总计165.5和165g。
表3.紧接在灭菌之后和灭菌12周之后F1-20141210的流变测试结果。在施加应力10min之后记录G'和tanδ的值。角频率f＝0.1Hz，振荡应力τ＝1Pa。
Figure GDA0003423865530000271
数据展示将F1-20141210样品存储12周未显著影响流动特性或热增厚作用程度(图2)。在25℃下，样品展示约1的损耗角正切。加热到37℃伴随着tanδ的快速降低，表明凝胶结构的强化。这一过程的动力学对于新除菌和12周龄的样品而言类似。
进行应力扫描测试(即在固定频率下弹性模量和损耗模量随应力而变的测量)以便证实存储12周时段的样品的剪切稀化特征。结果展示于图3中。在低施加压力下，弹性模量G'的值是恒定的并且类似于针对F1-20140825样品所获得的那些值(使用表A中的配方制备，总计110g)(即在与F1-20141210的条件相似的条件下制备非无菌样品，其以一批总计165.5g制备)。在约80Pa的相似值下观察两种配制物的剪切稀化行为(即弹性模量G'随施加应力而变的降低)。这些结果证实样品的可注射性在室温下存储12周之后将不受显著影响。
总之，在室温下在存储12周之后评估复合材料凝胶样品中的一种的物理-化学稳定性(在封闭容器中，在黑暗中)。结果展示样品的流动特性和可注射性在12周存储时间之后未受显著影响。
实例4
使用纳米微晶纤维素强化的
Figure GDA0003423865530000281
F127凝胶的制备
就以下各方面进行研究：(1)在接近体温/皮肤温度(32-35℃)的温度下配制物的胶凝起始；(2)在室温下配制物的可注射性；和(3)在35℃下诱导凝胶形成所需要的时间。
所有配制物都使用以下程序制备：在加热和搅拌下将
Figure GDA0003423865530000282
F127聚合物熔融于20mL玻璃小瓶中(1.6到1.8g)。如果所需则添加填充剂(纳米微晶纤维素(NCC))(100或200mg)。搅拌和加热持续约5min。在搅拌下添加2％AcOH水溶液中的壳聚糖溶液直到10g样品的最终重量。使样品在剧烈搅拌下保持隔夜(无加热)。
胶凝起始通过将样品在水浴中加热到所需温度来测量。对于若干种配制物而言，可注射性/流动能力在室温下通过使约3mL配制物从10mL塑料注射器穿过16号针头来检验。
在单独实验中，胶凝时间通过使在室温下保持通过16号针头的样品滴液沉积在加热到37℃的塑料埃彭道夫管(Eppendorff tube)壁上来估计。使溶液流动停止所需的时间取为胶凝时间的近似值。
壳聚糖溶液制备如下：壳聚糖溶液(CH，2％w/w)通过隔夜剧烈搅拌悬浮于2％AcOH的壳聚糖粉末，导致形成透明均匀的微黄色溶液来制备。用水将此溶液稀释到1％和0.5％的浓度，之后添加0.5％NaOH溶液直到约6的pH值。壳聚糖溶液展示于表4中。
表4.壳聚糖溶液
Figure GDA0003423865530000283
Figure GDA0003423865530000291
*对于这些样品而言，估计胶凝时间；配制物的液滴几乎紧接在与埃彭道夫试管壁接触之后形成凝胶。
展示胶凝温度对1％CH(pH值为约6)中的17％
Figure GDA0003423865530000292
F127的配制物的纳米微晶纤维素(NCC)的量的依赖性展示于图4中。
配制物的胶凝温度可以通过调节
Figure GDA0003423865530000293
F127的浓度来调节。CH的存在对胶凝无影响。所有样品在室温下都为可注射的。对于具有在1％或2％CH溶液中的18％
Figure GDA0003423865530000294
F127的配制物，估计胶凝时间为几乎立即。添加NCC导致胶凝温度降低。NCC强化凝胶并诱导温度滞后(即样品在冷却到低于其如在加热时所测定的胶凝点的温度时变为液体)。
实例5
经改性的壳聚糖凝胶的合成
羧甲基壳聚糖制备如下：羧基甲基化通过将20％NaOH(w/v 100mL)中的壳聚糖(2g)搅拌15min来进行。随后将一氯醋酸(15g)逐滴添加到反应混合物并使反应在搅拌下在40+/-2℃下持续2小时。随后用10％乙酸中和反应混合物，并随后倾入过量70％甲醇中。使用G2烧结漏斗过滤产生的羧甲基壳聚糖并用甲醇洗涤。产物在55℃下在真空中干燥8小时，得到6.5g干燥的羧甲基壳聚糖。使用如(《生物大分子(Biomacromolecules)》,第5卷,第2期,2004)所描述的方法测定羧甲基壳聚糖(CMCh)的取代度为0.75。
将聚乙酸乙烯酯(PVA)(1g)在45℃下溶解于水(85mL)中。在将PVA-水溶液冷却到室温之后，将丙酮(15mL)逐滴添加到剧烈搅拌的PVA溶液持续15min以形成约1％(w/v)PVA溶液。随后使溶液保持在5℃下持续24小时直到其变为淡黄色，这表明PVA的长链已收缩为纳米粒子。随后将不同量的CMCh(0.5、1和2wt％)添加到溶液。溶液用N2吹扫30min，随后将4.0mmol亚甲基双丙烯酰胺(methylenebisacrylamide；MBA)、0.4mmol过硫酸钾(potassiumpersulfate；KPS)和0.67mmol四亚甲基二胺(tetramethylenediamine；TEMED)添加到溶液，并且在30℃下历经15小时进行聚合。所形成的纳米凝胶直接使用或可以在使用之前冷冻以形成冻干粉末，所述冻干粉末容易预分散于水中，从而形成纳米粒子分散液。
酰基壳聚糖制备如下：MeSO3H用作壳聚糖的溶剂以便帮助保护壳聚糖分子上的氨基免于酰化反应。通常，使壳聚糖在室温下持续1小时溶解于MeSO3H中并且随后在搅拌下逐滴添加辛酰氯，其中辛酰氯与壳聚糖的重复单元的摩尔比等于0.66:1。在通过添加碎冰使反应停止之前使反应在环境温度下继续5小时。使所得溶液渗析一天以去除大多数酸，并且随后用NaHCO3中和剩余酸和铵盐。使最终混合物对Milli-Q水渗析超过3天并随后冻干为酰基壳聚糖(acyl chitosan；AC)粉末。
实例6
PVA-酰化产物的合成
材料：聚乙烯醇(PVA)，186K，87％-89％水解：10g。R-COCl(例如月桂酰氯、棕榈酰氯、辛酰氯)：1.68g。三乙胺(ET3N)：2.25mL。1-甲基-2-吡咯啶酮(NMP)：100g。
在替代实验中，材料如下：10g PVA，186K，87-89％水解；3.36g R-COCl(月桂酰氯、棕榈酰氯或辛酰氯)；4.50mL ET3N；和150mL NMP。
合成程序：将PVA添加到热NMP；如果过粘，就添加更多NMP，直到50mL的最终体积。在完全溶解之后，添加R-COCl，之后添加ET3N。使混合物在搅拌下在室温下静置隔夜。PVA-酰化产物随后通过添加3次水，搅拌稀释，并随后经由历经5天渗析纯化，并随后冻干。产率：90％。
因此制备的PVA-酰化产物的在6s-1下的粘性展示于图5中。
实例7
输入母牛中的乳头密封剂的保持性和耐受评价
本研究的目的为评价两种溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物(F1和F4，分别使用表A和D中的配制物制备，总计165.0g)作为乳房内乳头密封剂(intramammary teatsealants；ITS)在乳牛的干乳期期间的新颖用途的保持性和耐受性。
八只母牛(成年泌乳怀孕荷斯坦奶牛(Holstein dairy cattle))在研究起始时干乳并且每个区域分配两个治疗组T01和T02中的一个。T01组接受使用F1的治疗，同时T02组接受使用F4的治疗。在密封剂输注之前，根据标签说明每个区域给药
Figure GDA0003423865530000301
DC(盐酸头孢噻夫)干奶牛疗法。配制物在输注之前经蒸汽灭菌。所有剂量的ITS均作为乳房内输液向分配奶牛的所有可用区域给药。在整个研究期间，在规定时间为全部八只动物分配持续的超声波评价。在投药约60天之后，在产犊后，通过手动剥离去除所有测试ITS。在整个研究期间进行并记录一般健康观察和目视乳房/区域观察。
ITS配制物经由注射器和专用的混合尖端附接件或随时可用的膏药乳房内(IMAM)递送2.0mL。使用投药的部分插入方法。F1和F4以2.2g+/-0.5g输注。两种配制物都容易输注，尽管由于基质的剪切稀化特性注意到对起始的初始抵抗。相比于F1，F4需要更多的力输注。然而，一旦开始流动，F4就变得更容易输注。在输注之前所有注射器都已经过高压灭菌。轻易实现将基质输入动物中的所有测试乳头。没有注射器表明缺陷。没有注射器表明难以输注。
理解为在牛犊出生时立即移走，并且因此不允许哺乳。在投药约60天之后，在产犊后的动物的初次挤奶时经由从乳头人工剥离轻易去除基质。在从任何动物的乳头去除任何基质时都未表明困难。
收集产犊后初次乳汁的样品以分析密封剂基质的存在。由于不可能区分乳头密封剂材料与初乳，所以未确定移除后样品重量。由于乳头密封剂剪切稀化的特性和温度敏感性并且因为剪切力施加于配制物以从乳头池去除乳头密封剂，所以配制物在从乳头去除后变薄。此外，因为这些配制物在较暖温度下胶凝并且在较冷温度下变为液体，所以在收集后立即将收集的初乳剥离样品放入冰箱进一步使配制物变薄。当配制物在冰箱的寒冷温度中返回液体形式时，其通过常规方式变得难以使密封剂基质与初乳以促进用于测量总去除基质的精确百分比回收率。
病理学家检测乳头管内部配制物的安全性。未鉴别到与测试基质或配制物具有任何相关性的肉眼损害。注意到发生一起一个乳头患有轻度上皮下纤维化和单核浸润。这一发现可能与测试基质不相关。所有其它检测乳头都正常，无负面结论。如果鉴别到任何宏观病理性问题的区域，那么将组织送去切片以排除任何基质问题，但未鉴别到所述区域。此保持性研究的微观组织评估无基质相关发现。
配制物保持在乳头中直到产犊，并且经由超声波评分在整个保留期视觉评估。由经过训练的工作人员进行超声波观察从而在第0天、第1天、第4天，随后在此之后每周直到产犊评估密封剂的存在。将数值从0(乳头池中无明显密封剂)到5(出现经密封剂完全阻塞的乳头池)记录在视觉比例尺上。将任何不寻常的观察都记录在每日观察表格上。在整个干奶牛期所有配制物都保持在乳头中，无发病。
F1和F2的超声波评分结果分别展示于下表5和6中：
表5.F1配制物超声波评分
Figure GDA0003423865530000311
Figure GDA0003423865530000321
表6.F4配制物超声波评分
奶牛ID号 区域 第0天 第1天 第4天 第7天 第14天 第20天 第28天 第47天
556 LR 5 4 4.5 4 4.5 4 4 3.5
556 RF 4.5 4 4.5 4 4.5 4.5 4 4
557 RF 4 4 4 4 不适用 4 3.5 4
557 RR 5 4 4 4 4 4 3.5 4
558 LR 5 5 4 5 4.5 3 3 4
558 RR 4.5 3.5 4 2.5 3.5 3.5 3.5 3.5
559 RF 4.5 不适用 4 4 4 4 3 3.5
559 RR 4.5 4 4 5 4 3.5 3 3.5
560 LF 4 4 4 3 3.5 3.5 3 4
560 RR 5 3.5 4 3 3 4 3 4
561 LF 5 4 5 5 5 3.5 3.5 3
561 RR 5 3 4 不适用 3.5 3.5 3 3.5
562 LF 4.5 4 5 4 3.5 3.5 3 4
562 RF 5 4 5 4 4 4 4 4
563 LF 4.5 5 4 4 3.5 4 4.5 无视频
563 RF 4.5 5 5 5 4.5 4.5 4.5 无视频
总之，研究展示溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物易于通过乳房内输液给药并且通过人工剥离去除。结果还表明乳牛在无不良副作用下耐受乳头密封剂。最后，结果表明乳头密封剂在乳牛干乳期期间保持直到密封剂在研究结束时经物理去除。
实例8
输入母牛中的乳头密封剂的保持性和耐受评价
本研究的目的为评价两种溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物(F1和F4，分别使用表A和D中的配制物制备，总计165.0g)作为乳房内乳头密封剂(intramammary teatsealants；ITS)在乳牛的干乳期期间的新颖用途的保持性和耐受性。
三十只母牛(成年泌乳怀孕荷斯坦奶牛)在研究起始时干乳并且每个区域分配四个治疗组T01到T04中的一个。如果体积对保持性有影响，那么输注2.0和3.0mL/配制物的两种给药体积进行评价。T01和T02组分别接受体积为约2.0mL(实际递送：平均1.99+/-0.19)和约3.0mL(实际递送：平均2.88+/-0.15)使用F1的治疗。T03和T04组分别接受体积为约2.0mL(实际递送：平均1.54+/-0.37)和约3.0mL(实际递送：平均2.24+/-0.55)使用F4的治疗。在研究起始至少10之前，首先使动物适应设施、饮食和水源。在研究天-1+/-2天时，在早晨挤奶之前，取乳区域样品以进行体细胞计数分析和细菌评估。
在密封剂输注之前，根据标签说明每个区域给药
Figure GDA0003423865530000331
DC(盐酸头孢噻夫)干奶牛疗法。所有剂量的ITS均作为乳房内输液向分配奶牛的所有可用区域给药。完成在整个研究期间在规定时间全部三十只动物的乳头的每周超声波评价，试图确定密封剂作为物理屏障的保持性和评价。
在整个干乳期并且在给药乳头密封剂和干奶牛疗法之后使十五只动物的全部四个区域的乳头末端每周暴露于细菌悬浮液以模拟乳制品的不良卫生条件。使用大肠杆菌(E.coli)的冷冻储备液在胰蛋白酶解酪蛋白大豆培养液中制备1×106菌落形成单位/毫升(CFU/mL)的细菌悬浮液。在第7天开始每周一次使动物的全部四个乳头末端经由来自于浸渍杯的单一浸液暴露于大肠杆菌制剂。暴露于大肠杆菌在产犊后或去除乳头密封剂后停止。
在投药约60天之后并且在产犊后初次挤奶时，通过手动剥离去除测试ITS。回收的密封剂样品存储在室温下。在产犊后初次挤奶的当天开始，观察每只奶牛的乳腺炎的临床征象。在产犊后第1天、第2天、第3天、第7天、第10天和第14天在仔细清理并预剥离每个独立乳头之后从每个乳房区域收集细菌培养物的无菌区域样品。在整个实验中在不同时间收集乳汁和初乳样品以便测量可能的残余物或代谢物。还记录体细胞计数和乳汁重量以评估乳房病状、乳腺炎的存在和乳汁质量。
所有基质的超声波分析表明在整个干乳期大量材料的存在与剂量体积无关。观察到基质在14-35天之间经历外观变化。两种配制物在整个干乳期保留在乳头管中并作为保护性屏障保持直到物理去除乳头密封剂。经由人工剥离从乳头去除产犊后基质。
在返回到泌乳后，历经两周时段监测研究中剩余的所有动物的乳房健康、乳汁外观和细菌存在。尽管历经14天时段过程在所有治疗组的少量个别母牛中注意到异常(较高)的乳房健康分数，但这些可能并不归因于乳头密封剂失效。在治疗组之间乳房健康或乳汁质量分数均无统计学上差异。
需要适当设计和监测的领域研究以证实乳腺炎的预防。然而，基于这一保持性研究，可以推断溶胶-凝胶聚合物复合材料提供足够持久的物理屏障，能够保护健康的乳品动物免于遭受新的感染或再感染。
总之，通过超声波评价，所有治疗保持整个干乳期并且保护乳头。所有基质都可轻易去除并且在宏观和微观评价组织时未注意到治疗相关的影响。总的来说，两种配制物F1和F4在整个干乳期在良好的保持性行表现良好。
实例9
溶胶-凝胶聚合物复合材料用于药物释放的用途的评价
本研究的目的为经由溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物评价抗细菌剂的释放和抗微生物活性。使用如上文所描述制备的配制物F2并且在不影响配制物的流变特性下每克配制物负载有20mg阿莫西林，所述流变特性扩展来说与乳头密封的栓塞形成有关。
阿莫西林负载：负载的F2溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物通过将甲基纤维素(8.0m％)、壳聚糖(2.0m％)、三水阿莫西林(2.0m％)和磷酸一钾(0.76m％)彻底混入0.1M乙酸直到获得均相灰白色乳膏制得。
使负载的F2溶胶-凝胶的流变数据与未负载的F2溶胶-凝胶聚合物复合材料的流变数据比较(表7)。表7的数据表示若干批次(来自相同原材料)的未负载(n＝6)或负载(n＝3)溶胶-凝胶的平均特性。在两种溶胶-凝胶配制物之间剪切存储模量G'和剪切损耗模量G”值统计学上相等；tanδ也因此一般相等。这说明溶胶-凝胶聚合物复合材料的这些相关物理特性不受2m％阿莫西林的合并影响。
阿莫西林定量：为监测从负载的溶胶-凝胶聚合物复合材料的阿莫西林释放，采用简单的分光光度法定量药物。已使用ε274＝1.2mM-1cm-1(Cary 60UV-V是分光光度计，安捷伦科技有限公司(Agilent Technologies))使274nm下的吸光度与磷酸盐水溶液缓冲液相关。这一消光系数与文献(ε274,乙醇＝1.4mM-1cm-1和ε272,HCl 0.1M＝1.1mM-1cm-1；默克索引联机版(The Merck Index Online))中发现的其它值相一致。
阿莫西林释放.将一定量的负载溶胶-凝胶聚合物复合材料首先沉积在石英比色杯的最底部，保持在T＝37℃或T＝25℃。比色杯随后填充有已知体积的磷酸盐缓冲液(100mM KH2PO4，100mM NaCl，pH＝6.5)。此时，阿莫西林开始扩散出溶胶-凝胶。这一释放通过根据溶液的吸光度高于274nm下的溶胶-凝胶等分试样监测。阿莫西林释放(图8)通过以下计算：
释放％＝(A/εl)·(n阿莫西林/v)
其中A是274nm下的吸光度，ε是274nm下阿莫西林的消光系数(1.2mM-1cm-1)，l是比色杯的通道长度，n阿莫西林是最初包含于沉积到比色杯底部的溶胶-凝胶中的阿莫西林的数量，并且V是比色杯中的总体积(即V缓冲液+V凝胶)。图8上的曲线表示针对3个溶胶-凝胶聚合物复合材料批次进行的实验的平均释放。37℃曲线(即生理温度)描绘溶胶-凝胶的早期释放行为，其中药物历经约1小时释放50％，之后持续释放直到阿莫西林在约6小时释放100％，这将有益于获得快速和持续的抗微生物剂的血液含量。在25℃下，释放慢得多，在5小时之后溶胶-凝胶聚合物复合材料的阿莫西林仅释放约20％。这些结果表明负载溶胶-凝胶配制物在生理温度下根据相当平缓的释放曲线释放其含量。此外，发现释放速率与样品温度正相关。
表7.负载和未负载溶胶-凝胶的流变特性的比较.
Figure GDA0003423865530000351
抗微生物活性：通过负载阿莫西林的溶胶-凝胶聚合物复合材料的抗微生物活性通过柯-鲍二氏法(Kirby-Bauer)敏感盘试验评价。其抑制区经评价并与非负载凝胶的抑制区比较。
将如上文所述制备的1g负载阿莫西林的F2溶胶-凝胶的等分试样扩散在25mm纤维素圆盘(Millipore)上。随后将圆盘沉积于TSA II血液琼脂板(Oxoid)上，所述琼脂板在肉汤培养物中接种有100μL大肠杆菌ATCC 25922并稀释以符合0.5McFarland浑浊度标准。将相同的程序用于对照实验，所述对照实验使用非负载F2溶胶-凝胶进行。
在培育24小时之后，在负载凝胶的纤维素圆盘的环境中可见d＝42mm的抑制区(表8)，二对照未显示抑制区。在超过圆盘尺寸的16mm的抑制区下，观察到阿莫西林对大肠杆菌ATCC 25922的有效抗微生物作用。
表8.概述柯-鲍二氏法敏感盘测试结果.
Figure GDA0003423865530000352
总之，分光光度法展示阿莫西林在37℃下在6小时内从溶胶-凝胶聚合物复合材料完全释放，而在25℃下仅释放25％。最后，如通过柯-鲍二氏法敏感盘方法所评价，相比于未负载溶胶-凝胶，负载有阿莫西林的溶胶-凝胶聚合物复合材料表明。
实例10
溶胶-凝胶聚合物复合材料作为细菌迁移的屏障的评价
在本研究中两个测试的目的是为了说明溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物充当对模拟玻璃奶牛乳头中的细菌迁移的屏障的能力。
展示于表9中的溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物F1-F4如上文所描述制备。
表9.溶胶-凝胶聚合物复合材料组合物.
Figure GDA0003423865530000361
不同的溶胶-凝胶配制物可以通过其呈表10中所呈现的Tanδ、G'和G”形式的各别流变特性界定。
表10.溶胶-凝胶聚合物复合材料的流变特性、pH值和外观.
Figure GDA0003423865530000362
另外，标记为“BAM 103”的对照运动性试验培养基通过混合胰蛋白10.0g/L和氯化钠5.0g/L制备，随后通过添加琼脂5.0g/L硬化。
测试1-溶胶-凝胶聚合物复合材料对细菌的不渗透性评价：测试1基于标准细菌运动性试验以测试细菌迁移通过包含溶胶-凝胶聚合物复合材料样品的凝胶培养基的能力。为此目的，运动性细菌大肠杆菌ATCC 25922接种为胰酶大豆培养液(Tryptic Soy Broth；TSB)中的隔夜培养物的1/10稀释液以符合0.5McFarland浑浊度标准。在15mL聚丙烯试管中，首先添加所研究的10mL凝胶栓塞，随后在每种试验配制物的顶部上添加一层氯化三苯基四氮唑(TTC 0.5g/L)。TTC是细菌敏感性染料，其在减少与细菌接触时形成红色沉淀。
添加在TSB中隔夜培养的细菌溶液作为第三层。向TTC添加1mL这种接种液并且在37℃下将试管培育24和48小时。
通过从试管中较低溶胶-凝胶层自顶到底所测量的红色深度评价细菌迁移入溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物中的能力。检测试管颜色，所述颜色取决于可能的细菌迁移可能自顶到底扩散。由于培养基的部分渗透(TTC减少)在细菌-凝胶界面出现初始的红色。如表11中所呈现，本公开内容的F1-F4溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物不允许细菌渗透，而BAM103对照允许在48h内细菌渗透。仅在F1-F4凝胶与试管之间的界面处观察到刚性琼脂对照的细菌渗透，其中形成琼脂的薄界面水层。
表11：进入不同溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物和对照物的所测量的细菌渗透(n＝3)的结果。
Figure GDA0003423865530000371
*未检测到渗透到凝胶内部，但发现在琼脂-试管界面渗透达30mm
先前的实验表明溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物对运动性细菌不可渗透的能力。
试验2-人工玻璃奶牛乳头中的溶胶-凝胶聚合物复合材料阻挡特性的评价：使用试验2评价溶胶-凝胶聚合物复合材料防止在两个之间细菌迁移的能力。对此实验，底部第一容器1填充有营养肉汤和细菌。顶部第二容器2填充有无菌营养肉汤。两个容器通过填充有如上文所描述制备的溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物F3的模拟玻璃乳头(
Figure GDA0003423865530000372
Figure GDA0003423865530000373
6cm长度，孔
Figure GDA0003423865530000374
)连接。实验由以下组成：追踪在37℃下随时间推移可以向上迁移进入容器2的细菌污染的存在与否。
选择表12中所呈现的细菌菌株作为将代表牛乳腺炎来源的混合培养物以进行试验。
表12.针对TSB中的混合培养物所选择的作为牛乳腺炎的代表性来源的菌株.
微生物 反应 运动型
大肠杆菌ATCC 25922 生长 正
金黄色酿脓葡萄球菌ATCC 25923 生长 负
肺炎克雷伯氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)U 3023 生长 负
在这一实验中，玻璃与溶胶-凝胶聚合物复合材料栓塞之间的粘附对于屏障性能显得至关重要。气泡的存在、不均匀粘附或连续的溶胶-凝胶聚合物复合材料转变通过减少玻璃-凝胶粘附降低性能。这种现象在实验开始时尤其显著，从而引起两个容器的直接合并。追踪玻璃-凝胶粘附失效通过添加细菌敏感性染料氯化三苯基四氮唑(TTC 0.5g/L)进行，所述氯化三苯基四氮唑在减少与细菌接触时形成红色沉淀。
评价TTC标记F3随时间推移维持细菌屏障特性的能力的研究。在第0天、第2天、第5天、第6天、第9天、第12天和第18天，评价两个无菌和污染培养基隔室中的细菌污染。在第0天、第3天、第6天、第14天和第15天记录观察结果。在第3天、第6天、第9天和第13天置换培养基并向污染隔室添加新鲜的接种。在第12天，部分粘附失效的迹象开始展示玻璃-凝胶粘附的减少。在第12天和第17天，观察到与F1-F4溶胶-凝胶聚合物复合材料样品的玻璃奶牛乳头界面的粘附失效。在第15天，在凝胶栓塞上方的上部容器2中视觉检测到污染(即，当良好粘附的栓塞在第0天丢失对玻璃的粘附时TTC染料扩散在最初非污染隔室中展示红色)。在第17天，栓塞停止完全粘附到玻璃。到第18天，通过平板计数进行的细菌污染定量证明，随着粘附到玻璃的损失，无菌破坏允许细菌迁移通过凝胶-玻璃界面，从而导致容器2的污染。
了解到溶胶-凝胶与玻璃的粘附破坏的高风险，这一试验因此对溶胶-凝胶性能高度不利。直到粘附失效，针对在实验的1天与15天之间的若干测试所报告并组合在表13中的实际性能展示F3防止细菌污染。石油膏/固体石蜡1:5对照是基于已知对细菌完全不可渗透的疏水性栓塞，但对照还具有类似于针对溶胶-凝胶复合材料所观察到的与玻璃的粘附问题。结果展示这种不可渗透对照物和本公开的溶胶-凝胶聚合物配制物的类似性能。在8天与15天之间在保持粘附到玻璃的能力期间并且充当对细菌的屏障，针对F3所获得的性能显著高于针对在24h之后无法防止细菌污染的可渗透对照物BAM103所观察到的那些性能。因此，试验2证明本公开的溶胶-凝胶复合材料配制物具有对细菌迁移有效屏障的能力。
表13.基于15天培育实验不同溶胶-凝胶和对照物的阻挡特性的概述.
Figure GDA0003423865530000381
Figure GDA0003423865530000391
总之，试验1表明相比于允许运动性细菌迁移的对照凝胶BAM103，溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物防止在48小时内细菌迁移的能力。不同溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物的结果展示对细菌的总体不渗透性，因此防止细菌渗透入凝胶中。在试验2中，展示在人工玻璃奶牛乳头中对细菌迁移的屏障特性持续长到维持玻璃(模拟基质)与溶胶-凝胶栓塞之间的粘附。展示性能类似于链烷烃/石油膏的不可渗透对照物并且显著长于BAM103的可渗透对照物。因为在实例7和8中所描述的活体内研究中观察到长期保持性，可了解本公开的溶胶-凝胶聚合物复合材料将在乳牛的干乳期期间充当对两种运动性的和非运动性细菌迁移的有效乳头密封剂屏障直到物理去除密封剂。
实例11
无机填充剂对溶胶-凝胶流变性的影响评价
溶胶-凝胶聚合物复合材料F2(1.5L)如上文实例1中所述制备并随后与不同浓度(1wt％、5wt％和20wt％)的填充剂(二氧化硅(SiO2)或纳米微晶纤维素(NCC))混合。评价填充剂对溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物的密度和流变特性的影响。结果展示于下表14中。
表14.具有填充剂和无填充剂的溶胶-凝胶聚合物复合材料的流变特性的比较.
Figure GDA0003423865530000392
结果展示存储模量(G')通过提高溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物中的填充剂量增加，从而表明配制物中的固体含量越高，在37℃下凝胶将越硬。在1wt.％和5wt.％SiO2下，损耗模量相比于原始配制物(“无”)保持略微相同。除了5wt％之外对于NCC可获得相同的观察结果，其中相比于主要材料，G”在两种温度下都增加。关于25℃下的tanδ，其在1wt.％SiO2下升高，这指示相比于原始批次(“无”)凝胶在室温下更好地流动。其随后由于先前关于固体含量所描述的相同原因而随着填充剂含量的增加而降低。针对NCC看到相同的行为。用20wt.％NCC为清晰观察到凝胶转变。最后，由于溶胶-凝胶内存在气泡，原始批次具有低于水的密度(0.96g/ml)。向溶胶-凝胶配制物添加高达20wt.％的填充剂允许产物实现在不含气泡的F2配制物的误差界限内约1.10g/mL的密度。总之，结果展示添加二氧化硅无机填充剂使得在不影响溶胶向凝胶的转变和配制物的剪切稀化下溶胶和凝胶两种状态的G'(高达约两倍)显著增加。
实例12
壳聚糖脱乙酰化度(DDA)对溶胶-凝胶特性的影响评价
溶胶-凝胶聚合物复合材料配制物F2使用具有不同脱乙酰化度(％DDA)的壳聚糖的如上文实例1中所述制备。结果展示于下表15中。
当配制物F2中的壳聚糖％DDA下降到76％以下时，配制物开始损失其溶胶-凝胶特征。具体来说，在25℃和37℃下观察到的tanδ值和尤其tanδ比值(25℃下的tanδ/37℃下的tanδ)提供溶胶-凝胶转变的指示和规模。在转变到低％DDA来源的壳聚糖(从90％到75.5％DDA)时，观察到F2性能的明显降低，其中tanδ比值从3.3-6.4降低到1.2，如下表15中所示。
表15.实验室规模与2L规模方法之间的％DDA偏差的比较结果.
Figure GDA0003423865530000401
*％DDA使用试剂等级壳聚糖的相同规格的不同批次测定。
为解释溶胶-凝胶性能的降低，设计两因素实验设计(Design of Experiment；DOE)。考虑壳聚糖的两个参数，即脱乙酰化度(％DDA)和分子量(MW)。
在37℃下维持可接受的tanδ值的同时，最优F2配制物的最高有效输出因素和其期望值是以下：25℃下的复数粘度；25℃下的tanδ；和胶凝的振荡应力。
复数粘度应较低并且25℃下的tanδ值应较高以便F2配制物尽可能展示“液体”特征；预期这将使配制物的规模放大可加工性最大化。胶凝的振荡应力应较低以便提高产物的“可注射性”，最终通过最终使用者经由注射器实现重复的产物递送。DOE结果概括在表16中。
表16.两因素实验设计(DOE)的结果概述.
Figure GDA0003423865530000411
表16中所展示的结果表明％DDA是降低复数粘度、提高25℃下的tanδ和降低配制物可注射性的最高有效因素。这一DOE的结果还表明就这些特性而言高MW/高％DDA(404580kDa，97.6％DDA)壳聚糖产生最优的配制物。所得配制物产生最低粘性(复数粘度)，最具粘性液体-相对于凝胶样性质(25℃下的tanδ)和所有检测样品的最可注射配制物(振荡应力)，尽管在37℃下保持适当粘性凝胶(37℃下的tanδ)。结果表明在一些实施例中，需要具有约77％或更高的％DDA的壳聚糖以获得功能溶胶-凝胶。
在前文中，出于说明并且不加限制的目的，已提供本公开内容的特定实施例的详细描述。应了解，基于本公开对本领域的技术人员显而易见的所有其它修改、衍生物和等效物意欲包括于所要求的本公开的范围内。

Claims (30)

1.一种用于预防或治疗雌性非人类动物中的乳腺病症的产品，所述产品包含有效量的具有pH范围为6-7的溶胶-凝胶聚合物复合材料,所述溶胶-凝胶聚合物复合材料包含：壳聚糖、甲基纤维素、胶凝剂和酸性水基介质，其中，壳聚糖的量在0.5％w/w到4％w/w的范围，甲基纤维素的量在4％w/w到12％w/w的范围，胶凝剂的量在0.01％w/w到4％w/w的范围，所述胶凝剂选自如下的盐：焦磷酸四钠、三水合磷酸氢二钾或其混合物。
2.根据权利要求1所述的产品，其中所述介质是乙酸水溶液。
3.根据权利要求1所述的产品，其中所述壳聚糖经酰基化。
4.根据权利要求3所述的产品，其中所述酰基化壳聚糖是羧甲基壳聚糖。
5.根据权利要求1所述的产品，其中所述溶胶-凝胶聚合物复合材料进一步包含增强剂。
6.根据权利要求5所述的产品，其中所述增强剂选自以下组成的组：纳米微晶纤维素、无机粘土、有机粘土、碳黑、热解法二氧化硅、石墨烯、石墨、纳米微晶淀粉、碳纳米管、和磷酸钙。
7.根据权利要求5所述的产品，其中所述增强剂选自以下组成的组：有机纳米粘土、膨润土、高岭石和锂皂石。
8.根据权利要求5所述的产品，其中所述增强剂选自以下组成的组：纳米粘土、蒙脱石和埃洛石。
9.根据权利要求1所述的产品，其中所述溶胶-凝胶聚合物复合材料进一步包含一种或多种抗微生物剂。
10.根据权利要求9所述的产品，其中所述抗微生物剂选自以下组成的组：巨环内酯、头孢菌素、林可酰胺抗生素、氟喹诺酮、四环素、青霉素、大观霉素、磺酰胺、氯胺苯醇、甲砜霉素的氟化合成类似物以及其混合物。
11.根据权利要求10所述的产品，其中所述抗微生物剂是头孢菌素并且所述头孢菌素是盐酸头孢噻呋。
12.一种用于在非人类动物的乳头管或乳头池中形成物理屏障以用于预防或治疗乳腺病症的系统，其中所述系统包含含有权利要求1所述的溶胶-凝胶聚合物复合材料的递送装置。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述递送装置是注射器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述注射器含有单位剂量或多个剂量。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述乳腺病症是乳腺炎。
16.根据权利要求12所述的系统，其中所述动物是乳品家畜动物。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述家畜动物是小母牛、奶牛、山羊、绵羊或水牛。
18.权利要求1的溶胶-凝胶聚合物复合材料在制造用于预防或治疗非人类动物的乳腺病症的药剂中的用途。
19.根据权利要求18所述的用途，其中所述乳腺病症是乳腺炎。
20.根据权利要求18所述的用途，其中所述药剂用于乳头药浸。
21.根据权利要求18所述的用途，其中所述药剂用于乳房内输液。
22.根据权利要求18所述的用途，其中所述动物是乳品家畜动物。
23.根据权利要求22所述的用途，其中所述家畜动物是小母牛、奶牛、山羊、绵羊或水牛。
24.一种溶胶-凝胶聚合物复合材料，在酸性水基介质中包含壳聚糖、甲基纤维素和胶凝剂，所述溶胶-凝胶聚合物复合材料具有pH范围为6-7并且在生理温度回应于一种或多种生理刺激形成坚固固体，所述坚固固体证明具有弹性模量G′为450Pa到10,000Pa，所述胶凝剂选自如下的盐：焦磷酸四钠、三水合磷酸氢二钾或其混合物，其中，壳聚糖的量在0.5％w/w到4％w/w的范围，甲基纤维素的量在4％w/w到12％w/w的范围，胶凝剂的量在0.01％w/w到4％w/w的范围。
25.根据权利要求24所述的溶胶-凝胶聚合物复合材料，其中所述一种或多种生理刺激是37℃的温度。
26.根据权利要求24所述的溶胶-凝胶聚合物复合材料，其中所述壳聚糖是羧甲基壳聚糖。
27.根据权利要求24所述的溶胶-凝胶聚合物复合材料，其中所述酸性水基介质为0.1M乙酸水溶液。
28.根据权利要求24所述的溶胶-凝胶聚合物复合材料，其中所述复合材料进一步包含二氧化硅。
29.根据权利要求24所述的溶胶-凝胶聚合物复合材料，其中所述壳聚糖具有至少77％的以％DDA表示的脱乙酰化度。
30.权利要求24的溶胶-凝胶聚合物复合材料在制造用于预防或治疗人类的药剂中的用途。
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