CN1090746A - 含促进骨生长填充物的空洞内修复物 - Google Patents

Abstract

本发明涉及至少含有一个能被植入骨床且有开 口的空结构的内修补物，其中空结构含有能促进骨生 长且由形成多孔基质并含一种或多种肽生长因子的 材料构成的填充物。此种修补物有较好的内治愈效 果并有较长的使用寿命。

Description

本发明涉及一种骨替代品的空洞内修补物，它包含一种能够促进骨生长的填充物。

骨移植物被用来填补骨缺损，例如用于骨折及骨瘤手术后骨裂缝的弥合，用于囊肿或关节的修复术，特别是髋关节的置换术。一般来说，骨修复物都是用一些与机体相容的金属物制造的，而且在形状和功能上它们都必须与所要代替的骨或部分骨组织相一致。髋部内修补物含一柄，在关节头和骨松质切除后，通过柄部内修复物嵌入股骨相应的部位。就其性质而言，髋部内修补物处于高度的静态和动态压力中。因而，在设计修补物时，除注意考虑解剖形状外，应特别注意所需要的稳定性以及与股骨相连的牢固性和持久性。修补物强度、弹性及刚度的不符合会导致早期破损和松动，也可导致植入物从植床中破裂脱出。

植入法中，在修复干与骨床之间存在一种非特异的连接以达到适当最初强度，这一点很重要。依靠修补物的设计，这些可以由修补物的特异性内粘接来完成，或通过一种无粘性的植入技术来完成，以此保证非特异性。对于后一种方法来说，为了保证修补物的长期稳定，需有一个预处理，以使修补物和骨之间通过骨结合及内部愈合而紧密连结，可由恰当的修补物设计提供。

近来修复术朝着空洞内修复方向发展〔见Z.Orthop.129，453（1991）〕。在髋部修复物中，正有一种增长的趋势，它脱离了以前惯用的固体模式，假体干采用有开口的空洞干。此种设计除了具有一般空洞物具有的省原料、重量轻之外，它的强度、弹性及扭转张力方面的优点更加符合局部要求，另一方面此种方法目的是让骨通过开口处生长，并长入主干的内部，以产生一种持久的辅助力。

然而，内源性的新骨质形成是一个漫长的过程。没有人为的促进骨生长的附加措施，中空内修复肢腔内骨小梁的生长时间将会很长而不能被达到，为了刺激骨长入修复肢内，最好的可能是在修复肢腔中添入自身或同源性的骨松质。自身的骨松质即指从其自身获得的物质，但一般而言其类型和数量的可用性是有一定限度的，因为它不能直接从植入的部位获得，而必须通过另一次外科手术从其它部位获得，这将导致总手术的复杂化，引起患者附加的疼痛，并需在取出的部位进行进一步治疗。类似的情况也适用于同源性骨质，它们直接取自于其它个体或取自骨库。对于同源性的骨质来说，还存在着一个由免疫反应引起的相容性问题，同时，病毒感染、尤其是肝炎及HIV病毒感染的危险也不能完全排除。此外，骨库中供体的储存是昂贵的，而且通过最后分析，可能有用时间是有限的。

另外，将此种类型的生物材料给药进入空洞修复物只有在手术前短时间内或手术中是可行的。移植物的长时间提前准备，再加上贮藏，实际是不可能的。

用与机体有关的材料，即那些天然合成的或部分天然合成的以及具有骨诱导和/或骨传导性的物质装入空洞内修复物是可能并且可行的。

钙化合物被认为是恰当的生物活性物质，特别是磷酸钙盐如羟磷石灰和磷酸钙，还有碳酸钙，这些都可以颗粒剂形式而被很好地使用。从天然骨中获得且当适当时热凝成陶质的羟磷石灰也适用于此目的。无论怎样，这些材料比自身的和同源的骨质在促进骨生长方面的作用还差得多。

因而本发明便基于这样一种目的，即利用一种用于填充空洞内修复物材料，它促进骨生长的作用应尽可能与内生骨质的相近。此种替代骨的物质以所需数量以适合填充中空修复物的形式应用，应该是可以的，而且修复物允许提前很长时间完成制备并储存而填充时没有问题。另外，此物质应能很好地确定、再生并有标准质量。

现已发现一种独特的方法，以满足这些要求，即通过一种由多孔基质组成的骨替代物，这种多孔基质含有一种或多种肽类生长因子。适用的物质在以前未发表的我们自己的专利申请书中介绍过（P4121043）。

此项发明因而与一种内修复物有关，它至少含有一种中空结构，这种结构可被植入一个骨床，并具有开口同时中空结构含有一种可促进骨生长且由多孔基质材料组成的填充物，此种材料含一种或多种肽生长因子。

本发明尤其与此种内修补物有关，其中采用一种能够促进骨生长基本由钙化合物组成，最好热固化磷酸钙陶瓷组成的填料，它形成一种多孔的基质，包含一种或多种多肽，此多肽具有成纤维细胞生长因子的生物功效。

根据此项发明，在空洞内修复物中作为填料选用的能促进骨生长的骨替代材料具有这样的共同特点，即它们在一个多孔的基质中含有一种或多种肽生长因子。

可出现的适当基质材料原则上是公知的和常用的移植材料，只要他们代表或具有一个多孔基质来承受生长因子。适当的移植物可以被分成几类：无机的、尤其是陶瓷类材料，生理相容的聚合物材料和前面提到的由一种或几种物质构成的组合材料。这些物质可以全部形成一个多孔的基质，例如形成多孔整形物、粉末或者颗粒，或者只是形成多孔基质的物质的一部分。后一种可能是可以做到的，例如，以这种方式使一组合物包含了一种带孔成份。

从选材上来说，此项发明中介绍的修复物填料最好取自那些无机的，特别是陶瓷性质的物质。

用于此种连接的无机物是指那些本身具有生物活性的物质。这里主要是指以钙化合物为基础的物质，特别是如碳酸钙、磷酸钙或由这些化合物衍生的类别。磷酸钙盐中值得一提的是羟磷石灰、磷酸三钙、磷酸四钙。基于这些钙化合物与自然骨中无机相的化学联系，可以认为这种类型钙化合物是具有生物活性的。自然骨无机相中的主要组成成份是羟磷石灰，一种分子式为Ca₅（PO₄）₃OH的磷酸钙盐。人工的羟磷石灰或组织内生的如从自然骨中获取的羟磷石灰都可以做为原料用于生产替代骨的骨移植材料。陶质的羟磷石灰基本上不会被机体重吸收或者仅会在很长时间非常缓慢地被身体降解。外源性的物质实际上能在很长时间内保持不变，并且可以通过与旧有和新生骨的交织以及向周围组织中生长而整合入机体内。在一定环境下，磷酸三钙可以被身体重吸收，机体吸收磷酸钙对内生骨质的重建是有用的。磷酸四钙基本上不会被生物吸收。

多孔型磷酸钙陶质很适合于向周围组织中生长，在这种接合中，特别令人满意的是取材于自然骨的物质，它经过各种方法被矿化并且经过烧结转变成陶质物，尽可能保持骨的结构。这些方法的共同特点便是除去骨中的有机质，随后在一定温度下通过烧结加固成陶质物。有机质的消除需要化学分解过程，或者通过热分解方式。关于陶质骨的细节及尤其最佳生产其的方法可以在如下专利文件中找到：DE3727606，DE3903695，DE4100897，DE4028683。

对于那些从无机物中获得的多孔物质也有类似的说明，它们基本上由碳酸钙盐组成，构成海洋生物形态的框架，特殊的如珊瑚。这些东西可直接利用，或经过化学转化成为磷酸钙，且适当时，热烧结成陶质物被用来做为骨移植物。这类物质正好在美国专利4，861，733中有过描述。

因为骨陶质物质可与天然骨的孔隙系统相匹美，所以前者在内部生长及体内愈合方面显示了令人瞩目的生物优势。热烧结的多孔骨陶质尤其优选，因为他们具有高度多孔的、三维开放的网状结构。

详细的研究表明，陶质磷酸钙组成的移植物能充分暴露于周围组织就能够良好地刺激新无机骨质层的生长，因而可使移植物完全接合。这个过程如果换用多孔移植物可得到更大的促进，因为它们表面积很大而且因为新的骨组织的内生长，还存在一种值得提出的内网结构，进而达到机械上的稳定接合。如果使用主要由聚合物或生物惰性物质组成的移植物，发生的是另一种连接结构，此结构中连接组织只在移植物与周围组织接触的区域增生，因而只能导致一种中等强度的接和。

多孔的骨基质最好制成粉末或颗粒状，但也可以是整形物以适合修复腔的几何形状。经过精细分散的骨基质颗粒大小为1-5mm，最佳选择是2-4mm的颗粒。球形的颗粒更可取，它使修复腔更容易填充，而且填充得更致密。

适用而优选的组合物是指那些其中至少有一种成分以多孔基质形式容纳生长因子的材料。有益的移植物是指那些粉末或颗粒状的多孔矿基质，它们与一种生理相容性聚合物形成混合物。这种类型的混合材料可以在相关的专题文献中找到，例如专利文件WO90-01342和WO90-01955，其中分别描述了以磷酸钙及骨陶质颗粒为基础的移植物和以生物可吸收性的聚合物为基础的移植物。这些典型的混合材料由象多孔陶质和胶原蛋白或乳苷或多聚糖苷一类的物质组成。根据它们的性状和组成，这些物质可形成颗粒状或可大可小的可塑团块。

按照空洞内修复物这项发明，存在于促进骨生长填料中的生长因子目前所知有很多种。它们是内源性的肽类物类，在某些情况下，有广谱的促生长和促愈合作用。它们可以通过生物制备或基因工程方式获得。已有这方面的综述，例如：专题文章“Peptide        Growth        Factors        and        their        Receptors        I”（编者：M.B.Sporn和A.B.Roberts）Springer        Verlag        Berlin，Heidelberg，New        York        1990。

此项发明中所使用的成纤维细胞生长因子（PGF）特别优选，它同样也属于内源性肽类生长因子。这些物质最初在脑、垂体及它们的分离物中发现，并显示出促进成纤维细胞生长的作用。成纤维细胞生长因子据认为是有效的血管生成因子，正象其名称一样，它能对伤口愈合过程中生成新的血管起作用。有关成纤维细胞生长因子的细节，包括它们的衍生物、它们的分离及制备、它们的结构，它们的生物活性和机理及医学上的应用可在很多方面的专题文章中发现。有关这方面最新知识的综述可见上面已提示的文章“Fibroblast        Growth        Factors”作者A.Baird和P.Bohlen。

根据此项发明，适用的生长因子不仅指酸性成纤维细胞生长因子（aFGF）及碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）等经典的成纤维细胞生长因子而且包括所有具有成纤维细胞生长因子作用的肽类生长因子。

限定供使用的成纤维细胞生长因子家族包括天然的成纤维细胞生长因子，尤其是取自于牛或人的因子，以及用重组方法合成的成纤维细胞生长因子。用重组方式合成的酸性及碱性成纤维细胞生长因子尤其被优选。

有关以重组方法合成的牛及人的酸、碱性成纤维细胞生长因子的细节问题可在下列专利文件找到：EP228449，EP248819，EP259953，EP275204。成纤维生长因子的大家系也包括突变蛋白质，它的氨基酸数量及序列在某种程度上均不同于酸性或碱性成纤维细胞生长因子，但生物效应却没有很大变化。广意上的成纤维细胞生长因子还包括一些有关的肽，它们的氨基酸序列明显不同于成纤维细胞生长因子但具有FGF的作用;还可增强成纤维细胞生长因子的作用。可参考的文献有如下专利文件：EP148922，EP226181，EP281822，EP288307，EP319052，EP326907和WO89-12645。

本发明中使用的成纤维细胞生长因子还包括这些肽的衍生物，它们通过用稳定剂或活性增强剂获得。特殊的有以下这些酸性和碱性成纤维细胞生长因子，它们可以抗酸，并且含有稳定剂，例如：氨基葡萄糖烯糖比如肝素、肝素区断、肝素硫酸盐和皮肤硫质素或者葡萄聚糖硫酸盐如硫酸右旋糖酐和硫酸环糊精。这些类型的成纤维细胞生长因子的衍生物在下列专利文件中有所描述：EP251806，EP267015，EP312208，EP345660，EP406856，EP408146，WO89-12464，WO90-01941及WO90-03797。

内修复物的发明中，以重组方法合成的人的碱性成纤维细胞生长因子最适合在促进骨生长的填料中使用，这在EP248819文中有所描述。

根据此发明，填充物中生长因子的浓度范围可为1ng/cm³-1mg/cm³。这个浓度范围的选择依赖于手术中选用的生长因子的性质、构成及其活性来决定，也依赖于手术中选用的多孔基质的性质以及它们在某一部位所表现出的内在生物活性。成纤维细胞生长因子的浓度范围最好从1μg/cm³到100μg/cm³。

此发明中，制备填充物质，并将肽类生长因子，尤其是具有FGF作用的多肽物质充填于多孔基质中，是很方便的。先制备合适的生长因子溶液，例如某种缓冲溶液，使生长因子能按所需剂量完全吸入骨移植物的多孔基质中，进而得到的这种填充物，是有利的。填充材料然后或根据需要进行干燥后，以供使用或经某些预防措施处理后进行储藏，此种预防措施对于这类医用物来说是必须的。以这种方式，把生长因子注入节状物、粉状、颗粒状多孔物，适当的陶质骨合成物及合成物的特殊多孔成分是可能的。

用类似的方法也可以将不同生长因子的混合物充填于填充物中，它们的作用可以相互补充和协调增强。例如可将成纤维细胞生长因子同BMPs（骨形态生成蛋白）混合以增强生物效应。

根据此项发明，用于空洞内修复物的能促进骨生长的填充物中，除了能注入生长因子以外，还可以注入其它活性物质，它们能加速骨形成或抑制骨损坏。适用的活性物质有维生素类，如维生素D混合物，还有激素类如降钙素。

此外，还可把其它具有药学活性的物质充入多孔基质中，以防止感染等情况的发生。适用的有抗生素如庆大霉素、氯林可霉素及它们的混合物。

用促进骨生长的填充物准备填充的修复物原则上选用可替代或重建骨结构的物质，至少有部分要植入原骨结构，而且有通过交织及内生长与内源性骨形成一种持久的接和的趋势。根据此发明，为了使用促进骨生长的填料填充内修复物变得可能，此内修复肢必须至少有一个空洞结构，此结构能被植入骨床，且具有开放端，其内部可以放置填充物。

具有一个适用于填充空洞结构或能被用做此意图且能够代替各种各样骨结构的内修复肢本身现已被了解。出于医学上的需要，尤其适用且优选的是髋部关节的内修复肢。一般而言，髋关节修补物都有一个加长的柄，柄上带有起实际作用的关节头，柄被植入股骨内，且可做成具有开放端的管状或空洞结构。根据本发明，提供促进骨生长的填充物制成的且打算替代髋关节空洞内修复肢，是此项发明一个特别优选的具体范例。

进而，按照此发明以类似的方法用促进骨生长的填充物为填充设计的内修复物还可以是膝关节，肘关节，及脊椎修复物。

此发明的内修复物可以通过各种不同方法充填促进骨生长的填充物，如果需要，还可以是进行系列填充。

以粉状或颗粒状的填充物来填补修复腔是很简单的，然而此种情况下，必须用一种适当的覆盖物封住开放端以免在贮藏和手术中填充物脱落。适用的覆盖物是一种薄的网状组织，有覆盖瓦或编织状结构，最好从生物可吸收性物质制备，如胶原、明胶、聚氨基葡糖或它们的派生物，或乳酸苷-和/或葡萄糖苷-聚酯。只起包裹修补物作用的Hosiery纤维尤其适用。

为了同样目的，用这些生物聚合物的溶液结合或浸润填充物是可能的。如果处理适当，这样的措施可以另外地增强稳定性能或控制存在于填充物中的生长因子及其它可用的活性物质的释放。

多孔基质整形物可方便地被改成与要装入的修复腔相适的形状。

组合材料，尤其是象多孔陶质颗粒及乳酸苷或葡萄糖苷聚合物组成的组合物可用于修补物的设计，以便能在室温和稍高的温度下进行塑形。这类可塑团块仅经过压入修复肢的腔内便可成为空调内修复物的持久的填充物。

或者用已经注入生长因子的基质材料填充修复物，或者向在填充修复物之后向多孔基质注入生长因子。

在一个可行的具体例子中，即根据此发明，以包含生长因子的填充物进行的内修复术是完整而易行的。它的优点是简单、操作迅速并且相应的手术时间短。

在优选实施例中，根据此发明，内修复体是以植入配套方式保存供使用的，它由两种或多种独立的成份组成，其中一种是包含多孔基质的关节状修复体，另一种含多肽的液态制剂。本发明中的内修补物，在实际应用中是很方便的，因为这解决了制备完成后在贮存过程中会发生的一些稳定性方面的问题。例如在专题文献中已有报道，加入这里优选材料中的钙离子有可能对成纤维细胞生长因子产生不稳定作用。根据此发明，以此种配套形式存在的内修复体，使用时在移植手术进行中或进行前按所需剂量把含生长因子的溶液注入修复体的多孔基质中，便于控制生长因子溶液的体积使其尽量精确地与多孔基质摄取的容量相符合，这样可以保证完全而均匀地完成充注。

应进一步注意的是配套移植体各成分的分别贮存，包括修复体、多孔填充物及含生长因子或其它活性物质的液态制剂。在这里，修复腔的体积、填充物的数量及吸收容量还有液态成分的体积也应相互匹配。

根据此发明，用促进骨生长的填充物进行的空洞内修复物有许多优点，体现了改进后的有利之处。

情况表明，由于多孔填充物中注入的生长因子，而不考虑移植物的性质，在移植后多孔填充材料刺激了相邻区域内新矿质化骨基质的大量形成，且取决于是否基于多孔性和/或吸收生长可能穿透它们，及可在其内部。在所有情况下，此作用都明显强于未充注生长因子的修复填充物。在此例中，用以钙化合物尤其是磷酸钙类陶质物为基础，并充入成纤维细胞生长因子的多孔修补物填料观察到明显的增效作用是可能的。所以，在猪身上进行的临床前模型试验显示，使用了充入成纤维细胞生长因子的陶质骨填充物后，在术后12周，由于新生成的主要是矿质化骨基质长入与穿过，它们已完全与骨结合起来。仅在与现有骨接触的区域内，仅用充填天然骨松质的修补物而与比如未充填陶质骨的修补物对比，由于新骨基质的形成，可看到交织，以达到对比结果。有人设想成纤维细胞生长因子促进骨生长的效果与含钙基质材料，尤其象骨陶质的生物活性有相互增强作用，那么将促进修补物的确立和并入。

这些增进的内生长效应可提高辅助力，进而可以提高移植修复体的使用寿命。目前这项发明是相当先进的，尤其是对打算作无粘性移植技术的内修复物。

因为此种促进骨生长的修复填充物不必象天然骨松质一样，需要在移植前或移植中获取，因而数量上不存在问题。手术过程整体上被简化了，手术时间短，少有并发症并易被病人接受。

此项发明可以排除由于应用同源骨质做为填充物引起的问题，诸如感染、免疫学反应等。

此项发明中促进骨生长的假体填充物使用了已确定并可重复的材料，其质量已标准化，且生物活性可以控制。

实施例1

填充的髋关节的修复物

做为商品提前生产的髋关节假体是由钛合金制成，并且有一个带开放端的管状空洞干，其中完全填入羟磷石灰、多孔陶质颗粒（颗粒大小2-4mm）（制备见DE4028683）。用注射器将以重组方法制备的人碱性成纤维细胞生长因子的缓冲溶液注入多孔填料中达到饱和，这样人碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）在修补填充物中的浓度为50μg bFGF/cm³。

这种假体在无菌情况下经过冷冻干燥及消毒包装后，便可供移植使用。

例2

配套移植物

象实施例1中那样，一个髋关节假体中充以羟磷石灰/松质陶质物，但不充入碱性成纤维细胞生长因子，把它无菌处理并且无菌包装。

碱性成纤维细胞生长因子的柠檬酸盐缓冲溶液（10mM，pH5.0），添加9%蔗糖溶液后，冷冻干燥制成安瓿。安瓿的含量和体积要根据将要充入修复填充物内的碱性成纤维细胞生长因子浓度（50μg/cm³）来调整。

修复填充物和碱性成纤维细胞生长因子安瓿组成作为一套移植物的包装单位。

术中操作

碱性成纤维细胞生长因子溶液溶于柠檬酸盐缓冲液（pH5.0）中，随后吸入无菌注射器。

用品包打开后，碱性成纤维细胞生长因子溶液注入多孔修复填充物中，注入的体积应使填充物中完全充满碱性成纤维细胞生长因子溶液。过量的碱性成纤维生长因子溶液约一分钟后吸回注射器中，留于修复填充物中的溶液量大致与空洞的体积相当。

充注过的假体便可进行移植了。

Claims (22)

1、内修补物，其至少含有一个能被植入骨床且备有开口的空结构，其特征在于此空结构含有能促进骨生长且由形成多孔基质并含一种或多种肽生长因子的材料组成的一种填充物。

2、按照权利要求1的内修补物，其特征在于它是髋关节修补物，其中植入股骨中的修补物柄被设计成空结构，其为管形和/或备有开口。

3、按照权利要求1的内修补物，其特征在于它是膝关节修补物。

4、按照权利要求1的内修补物，其特征在于它是肘关节修补物。

5、按照权利要求1的内修补物，其特征在于它是替代脊椎的修补物。

6、按照权利要求1到5中任一个的内修补物，其特征在于多孔基质主要由钙化合物组成。

7、按照权利要求6的内修补物，其特征在于多孔基质主要由磷酸钙组成。

8、按照权利要求7的内修补物，其特征在于多孔基质由一种或多种从包括羟磷石灰，磷酸三钙，磷酸四钙的一组中选出的化合物组成。

9、按照权利要求6到8中任一个的内修补物，其特征在于所用钙化合物从自然骨中获得。

10、按照权利要求7到9中任一个的内修补物，其特征在于多孔基质被烧结成磷酸钙陶质。

11、按照权利要求9的内修补物，其特征在于多孔基质由烧结的陶质骨松质组成。

12、按照权利要求6到11中任一个的内修补物，其特征在于多孔基质呈现粉状或粒状。

13、按照权利要求12的内修补物，其特征在于多孔基质用生理上耐受的有机聚合物材料形成组合物。

14、按照权利要求1到13中任一个的内修补物，其特征在于它在多孔基质中含有一种或多种有成纤维细胞生长因子生物作用的多肽。

15、按照权利要求14的内修补物，其特征在于它含有碱性成纤维细胞生长因子。

16、按照权利要求14的内修补物，其特征在于它含有酸性成纤维细胞生长因子。

17、按照权利要求15或16的内修补物，其特征在于它含有用重组方法制备的成纤维细胞生长因子。

18、按照权利要求15到17中任一个的内修补物，其特征在于它含有成纤维细胞生长因子的突变蛋白质。

19、按照权利要求14到18中任一个的内修补物，其特征在于它含有对酸稳定形式的多肽。

20、按照权利要求14中的内修补物，其特征在于它在多孔基质中含有1ng/cm³到1mg/cm³，最好1到100μg/cm³的多肽。

21、按照权利要求1到20中任一个的内修补物，其特征在于它另外含有一种或多种具有抗生素作用的药理活性物质。

22、按照权利要求1到21中任一个的内修补物，其特征在于它呈现准备应用且由两种或多种独立组分组合的配套移植形式，其中一种组分是含有多孔基质的整形关节的修补物，而另外一种组分含有多肽的液体制剂。