CN115315277A - 编织外科植入物 - Google Patents

Abstract

公开了一种可用于支持软组织损伤的修复的线。所述线包括高强度胶原纤维和高强度生物相容性纤维，例如排列成一股线的聚乙烯纤维，该股线可用作用于修复关节和软组织(例如韧带和肌腱)的缝合线或其它支架的一部分。所述纤维可以围绕中央芯线包覆编织，该中央芯线本身由两根或更多根纤维组成。所述高强度胶原纤维的强度足以承受工业编织机和工艺所施加的应力。

Description

编织外科植入物

对相关申请的引用

本申请要求于2020年1月31日提交的名称为“编织和捆绑的手术装置和植入物”的第62/968,873号临时专利申请的权益，该临时专利申请的全部公开内容通过引用并入本文。

背景技术

各种关节、韧带和肌腱的损伤的外科手术修复是一种常见的手术，包括踝、膝、肩、跟腱、髌腱和冈上肌腱等的损伤的修复。

例如，在美国，每年大约有500000例膝关节韧带断裂，估计其中有100000例是用支架植入物或缝合线(典型的是修复聚合物、自体移植物或同种异体移植物)增强的。

胶原带修复旨在术后提供额外的机械稳定性，并作为愈合和再生的促进手段。但是，虽然它们被广泛使用，但目前市售的支架不具有与人类韧带相同的机械特性，也没有在临床上表现出能够以有意义的方式增强细胞/组织愈合。

前交叉韧带(ACL)断裂的当前护理标准是患者自体移植，即，获取组织(例如从腿后腱或髌腱获取)以用于替代断裂或撕裂的ACL。有时会用永久性合成缝合线加固自体移植物以及同种异体移植组织——这种手术被称为韧带“内部支撑”。在ACL重建中也使用从人类尸体肌腱获取组织的同种异体移植。用自体移植物或同种异体移植物重建ACL需要钻穿并破坏原生ACL，消除其相关联的骨床、神经和血液供应，从而杀死存在于ACL组织内和附近的原生细胞。同种异体移植物的供应源有限，并且同种异体移植物会促进疤痕形成，可能引起免疫反应，并具有不明确的周转率，所有这些因素都会抑制愈合。

这种制品必须在各种具有挑战性的生物力学环境中发挥作用，在这些环境中，必须解决多个功能参数。这些参数例如包括与身体组织和体液的相容性、强度、柔韧性和生物降解性。

在本领域中需要一种克服了上述现有技术的缺点的系统和方法。

发明内容

在一个方面中，一种可植入的生物聚合物支架包括至少一根编织线，其中所述至少一根编织线基本上由高强度胶原纤维和高强度生物相容性纤维组成。

在另一个方面中，一种可植入的生物聚合物支架包括与一组高强度聚乙烯纤维编织在一起的一组高强度胶原纤维。所述一组高强度胶原纤维中的高强度胶原纤维具有第一极限抗拉强度，并且所述一组高强度聚乙烯纤维中的高强度聚乙烯纤维具有第二极限抗拉强度。第一极限抗拉强度至少是第二极限抗拉强度的大约1％、3％、5％或10％。

在另一个方面中，一种编织线包括与一组高强度聚乙烯纤维编织在一起的一组高强度胶原纤维。所述一组高强度胶原纤维中的高强度胶原纤维具有第一极限抗拉强度，并且所述一组高强度聚乙烯纤维中的高强度聚乙烯纤维具有第二极限抗拉强度。第一极限抗拉强度至少是第二极限抗拉强度的大约1％、3％、5％或10％。

在其它实施例中，本发明涉及一种修复受损关节、韧带或肌腱的方法，该方法涉及植入本发明的可植入的生物聚合物支架。在一些手术中，所述支架具有撑杆的形状因数。相关的手术包括通过用由本发明的纤维组成的缝合线将这样的植入物缝合到所需位置来固定该植入物。这样的方法可以包括使用本领域技术人员已知的各种锚钉进行固定。其它手术涉及利用这样的缝合线闭合切口或伤口或修复受伤组织。预期这样的手术和方法可用于人类和动物受试者。

通过研究以下附图和详细说明，这些实施例的其它系统、方法、特征和优点对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的或将变得显而易见。所有这些附加的系统、方法、特征和优点都包含在本说明书和发明内容中，包含在实施例的范围内，并且受所附权利要求的保护。

附图说明

通过参考以下附图和说明，能更好地理解本公开的实施例。附图中的部件不一定是按比例绘制的，其重点在于示出这些实施例的原理。此外，在附图中，相同的附图标记在所有不同的视图中表示相应的部分。

图1是一个实施例的与膝盖相关联的解剖区域的示意图，在该区域中可植入的生物相容性支架已经被抵靠受损韧带放置；

图2是一个实施例的可植入的生物相容性支架的示意图；

图3是一个实施例的可包括可植入的生物相容性支架的一部分的编织线的示意图，其中该编织线由非编织纤维的芯线和编织纤维的外层形成；

图4是一个实施例的用于制造由编织和非编织纤维组成的编织线的机器和过程的示意图；

图5-14包括描绘各种实施例的编织线中的胶原纤维和高强度聚合物纤维的不同的可能配置的多种示意图；

图15是示出实施例的编织线和人的ACL的抗拉特性的示意图；

图16是列出按照实施例制造的超高分子量聚乙烯纤维和胶原纤维的抗拉特性的示意图表；

图17是一个实施例的用于产生胶原链的多步骤过程的示意图；和

图18是一个实施例的用于产生胶原链的另一个过程的示意图。

具体实施方式

本发明总体上涉及一种由高强度胶原纤维组成的新形状因数，所述胶原纤维优选与生物相容性纤维结合，优选由高强度生物材料制成。这种生物相容性纤维可以是本领域已知的用于各种生物纺织品和医用纺织品的纤维、以及合成和半合成聚合物、碳纤维和钢纤维。设想的生物相容性纤维包括聚羟基丁酸酯(P4HB)、聚乙烯醇(PVA)、增强纤维素纳米晶体(CNC)、聚己内酯(PCL)、聚乙醇酸(PGA)、聚丙交酯(PG)、乙交酯-ε-己内酯(PGC)、聚-L-丙交酯(PLLA)、聚-D,L-乳酸(PDLLA)、聚-D-丙交酯(PDLA)、糖酸聚合物631、PLAGA、PLGA、聚对二氧环己酮(PDO)、棉、丝心蛋白、聚乙烯(UHMWPE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、PEEK、PEKK、聚酯、聚丙烯、尼龙、PTFE、不锈钢和碳纤维。

一个实施例涉及一种编织线，该编织线包含与一组高强度聚乙烯纤维(优选是高分子量聚乙烯)编织在一起的一组高强度胶原纤维。这样的编织线具有多种用途，例如包括整形外科和外科手术中的医疗用途。

一些实施例涉及一种编织和捆扎的外科植入物形式的可植入的生物相容性支架和装置、一种利用这样的支架(包括缝合线)的外科和矫形装置，它们的相关生产方法、以及用于支持损伤的软组织和硬组织的修复、稳定和支撑各种身体结构(包括韧带、肌腱和关节)的用途。

在一个实施例中，所述支架包括缝合线构造物，该缝合线构造物还包括使用微流体挤压生物制造工艺制造的纤维，该工艺将在下文中进一步详细说明。所述缝合线被设计成在组织完全愈合时被患者的组织吸收和替代。所述可植入的生物相容性支架被设计成促进组织(例如韧带、肌腱或其它适当的组织)的愈合，并且，与常规的其它治疗方式相比，通过实现早期物理治疗来支持更快速地恢复活力。

这些实施例的缝合线和支架可由一根或多根编织线组成。每根编织线还可以由编织的纤维以及一些非编织的纤维组成，这些非编织的纤维可以扭绞或以其它方式捆扎在一起。在一个实施例中，编织线由两种类型的纤维组成：高强度胶原纤维和高强度聚合物纤维。

如本文中所用的术语“高强度胶原纤维”指具有比已知人造胶原纤维的极限抗拉强度大得多的极限抗拉强度的胶原纤维。优选地，本发明的胶原纤维实施例的极限抗拉强度至少是大约50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150或160兆帕(MPa)，而常规制造的微纤维的强度大约是20MPa至40MPa。

所述实施例的高强度胶原纤维可根据工艺形成，并由本文所述的组合物组成，并且在于2020年8月6日公布的名称为“微流体挤出”的第2020/0246505号美国专利申请公告中进一步详述，该专利申请的全部内容通过引用并入本文，并在下文中称为“微流体挤出应用”。因此，实施例的高强度胶原纤维可包含用温和的生物和仿生交联剂乙二醛(通常在人类韧带和肌腱中发现的交联剂)交联的可再吸收的微纤维I型牛纤维。与通过其它方式制造的胶原纤维编织线相比，所得到的胶原纤维具有较高的抗拉强度，所述胶原纤维将在下文中进一步详细说明。尤其是，所述胶原纤维足够坚固，能够承受在高产量编织机上编织过程中施加到纤维上的机械力，例如，这在纺织和线材行业中是已知和常用的。例如，参见由诸如Herzog GmbH(https://herzog-online.com/braidingmachines/)和Seeger USA(https://steegerusa.com/product/medical-braiders/)等制造商提供的多种织物和丝线编织系统。

所述高强度聚合物纤维可以是高强度聚乙烯纤维。如本文中所用的术语“高强度聚乙烯纤维”指具有至少80兆帕的极限抗拉强度的纤维。在一个示例性实施例中，所述高强度聚乙烯纤维是超高分子量聚乙烯(在下文中称为“UHMWPE”)纤维。

在详细说明和权利要求中使用的各种术语被汇总在此以供参考。

如本文中所用的术语“纤维”指一根材料细丝或者扭绞或以其它方式捆扎在一起的多根细丝。可以使用量度纤维的线密度的单位来比较纤维。例如，可以使用“特克斯”单位来量度纤维尺寸，特克斯单位表示1000米纤维的克重。分特或Dtex表示每10000米纤维的克重。

两根或更多根纤维可以扭绞、编织或以其它方式捆扎在一起，以形成材料的“股线”。扭绞的纤维可以围绕共同的轴线扭绞，或者沿相同的(旋转)方向彼此扭绞。相比之下，编织纤维可以交织以形成更复杂的图案。成束纤维可以由外层、结或其它结构保持在一起。

由两根或更多根编织在一起的纤维组成的部件也可以称为“编织结构”

术语“包覆编织”指将两根或更多根纤维编织在另一根纤维、一组纤维或其它适当结构上的过程。通过包覆编织过程形成的结构可以被称为“包覆编织”结构。

如本文中所用的术语“支架”指将组织保持在一起的任何框架或结构。支架可包括直线结构(例如缝合线)、二维结构(例如贴片或条带)、或者任何适当的三维结构。

本发明的实施例涉及多种易发生撕裂或断裂并使用支架修复的韧带。这些韧带包括内侧副韧带(“MCL”)、后交叉韧带(“PCL”)、前交叉韧带(“ACL”)和尺侧副韧带(“UCL”)。这些韧带中的每一种都位于膝盖的不同解剖部位，并且可能在各种体育活动中撕裂或断裂。

本发明的实施例的缝合线可用于各种不同的外科手术。尤其是，所述缝合线可用于必须对韧带进行修复、内部支撑和/或替换的外科手术中。由于实施例的缝合线的总抗拉强度等于或大于体内的一些韧带和肌腱的抗拉强度，因此所述缝合线无需其它植入物即可使用，以增强和/或修复韧带(例如ACL、MCL、UCL和PCL)以及肌腱(例如肩部的冈上肌腱、髌腱和跟腱等)。

在图1示出了可以使用缝合线修复受损韧带的示例性手术。具体而言，图1是腿部102的解剖区域的示意图，其中缝合线100已经在其端部附接至股骨104和胫骨106，以修复受损的MCL 108。

像用于ACL、MCL和PCL修复的其它结构一样，缝合线100可以使用常规的开放、微创和关节镜技术利用已经开发并且目前由外科医生使用的专用工具、固定装置和导引装置植入正常的ACL、MCL或PCL解剖道中。

在植入后，缝合线100会在相关的韧带上提供载荷分担和应变消除。缝合线100会在体内重塑成致密的规则取向的结缔组织，并在植入后6-12个月内表现出再吸收。

虽然示例性实施例示出了使用由编织线构成的缝合线来修复膝盖韧带，但是应理解，这些实施例可以用于修复肩部、足部、脚踝中的组织、以及进行体内的其它适当的修复。在某些情况下，实施例的编织线也可用于整形手术。

图2是单独地示出的缝合线200的示意图。在一些情况下，缝合线200可以包括由编织、扭绞或成束的纤维组成的单股线。但是，在其它实施例中，缝合线200可以包括已经成环或以其它方式布置在一起的多股线(由编织、扭绞或成束的纤维形成)。在一些情况下，可以通过不可吸收的聚乙烯缝合线202或用于骨固定的其它锚钉(未示出)在每一端接合一束或一圈线。

实施例的缝合线可以构造成不同的几何形状。在一些实施例中，由一根或更多根编织线组成的缝合线可以具有圆形横截面形状。缝合线的其它实施例可以具有扁平的几何形状。缝合线的另一些其它实施例可以包括扁平部分和圆形部分的组合。例如，缝合线的一个实施例可以包括具有圆形端部的扁平中间部分，这有利于缝合线的系紧性能。同样，在单股线的级别上，编织线也可以构造成扁平的几何形状、圆形的几何形状或扁平和圆形几何形状的组合。如下文所述，获得圆形线的几何形状的一种方法是将纤维包覆编织到平直或扭绞的芯线上。扁平编织线可以使用平织技术制成。

虽然图2的实施例描绘了由编织线组成的缝合线，但是其它实施例可以包括结合成各种其它适当的几何形状和结构的纤维编织线，例如包括补片、撑杆和带。

图3是单股线300的一段的示意图。线300还可以包括一组胶原纤维304和一组聚合物纤维306。所述一组纤维可以包括一根、两根、三根或更多根纤维。出于示例的目的，聚合物纤维在图中是以阴影表示的，以与胶原纤维区别开来。

根据实施例，胶原纤维304可以是高强度胶原纤维。高强度胶原纤维可具有比常规制造的胶原纤维高得多的抗拉强度。具体而言，当在工业规模的编织机上操作时，所述纤维可以足够坚固，能够承受施加到纤维上的应力。这些高强度胶原纤维的具体抗拉特性将在下文中进一步详细说明，并且例如在图16中示出。

聚合物纤维306可以包括高强度聚乙烯材料。更具体地说，在一些实施例中，聚合物纤维306是超高分子量聚乙烯纤维306。

线300的纤维还可以布置为芯线310和外层312。芯线310可以包括多根具有平直或扭绞结构的纤维。也就是说，芯线310中的纤维可以不是编织的。相反，外层312由沿着芯线310的纤维包覆编织的纤维组成。将纤维包覆编织到平直或扭绞纤维的芯线上可有助于线300呈现大致圆形的横截面形状。

在此示例性实施例中，芯线310包括三根纤维。这些纤维包括第一聚合物纤维321、第二聚合物纤维322和第三聚合物纤维323。相比之下，能够看出外层312包括八根纤维。这些纤维包括沿着线300的外部与四根胶原纤维332交替布置的四根聚合物纤维330。

出于示例的目的，线300被示为具有沿着其侧面可见的特定编织图案。但是，应理解，实施例不限于特定的编织模式。可以根据各种因素(例如所用的纤维的数量和纤维的尺寸)使用和选择任何适当的编织图案。

本发明的实施例的支架(包括缝合线)可以由单股线形成，或者也可以由成环、成束、编织、扭绞或以其它方式结合在一起的多股线形成。例如，请再次参考图2，缝合线200可以由单股线形成，例如图3所示的线300，或者也可以由多股线形成，例如已经成束、扭绞和/或编织在一起成为图2所示的环状结构的线300。

在其它实施例中，与线300类似的线可布置成二维结构，以形成用于组织修复、组织增强、伤口闭合和输送生物制剂(例如细胞、基于细胞的产物、基因、生长因子、小分子、药物或本领域技术人员已知的其它治疗剂)的带、矩形补片或其它二维植入物。

图4是用于形成包括纤维芯线和包覆编织的纤维外层的编织线的示例性编织过程的示意图。请参考图4，可以使用编织机400将纤维包覆编织到中央芯线上，从而形成编织线450。编织机通常包括线轴或线筒，该线轴或线筒在锭座的作用下沿着机器上的各种路径移动或通过。

出于示例的目的，编织机400被示为具有骑在六个锭座(未示出)上的六个线筒。但是，应理解，在其它实施例中，也可以使用附加的线筒/锭座。例如，在一个实施例中，可以使用24锭编织机。

每个锭座包括带有高强度聚合物纤维或高强度胶原纤维的线筒。例如，第一线筒410保持高强度聚合物纤维420。同样，第二线筒412保持高强度胶原纤维422。当编织机运行并且线筒在锭座之间通过时，从线筒向机器的中心延伸的编织线可以汇聚在“编织点”。

芯纤维430从后面送入机器400的中央通道，并通过喷嘴404排出。来自每个锭座的编织线被拉出到刚好超过喷嘴404的编织点，从而编织线可以被围绕芯纤维430包覆编织以形成两层结构。

沿着编织线450的截面截取的放大截面图460示出了在外层470中编织在一起的六根纤维。纤维的外层470包围芯纤维430。在这个示例性实施例中，芯纤维430都包括聚合物纤维。此外，外层470包括以交替配置布置的三根胶原纤维和三根聚合物纤维。作为参考，在编织线450的放大截面图中示出了虚线，以指示芯线和外层的大致边界。但是，这些边界并不代表物理结构或屏障。

根据所用纤维的数量、类型和空间布置、以及在纤维结构中所用的共聚物的类型，编织线可配置成具有不同的特性。这些不同的特性包括但不限于：抗拉强度、弹性、尺寸(例如直径)、重量、生物相容性、可见性和成本。

图5-14是编织线内的各种可能的纤维配置的示意图。如前文所述，实施例包括纤维芯线和包覆编织的纤维外层。应理解，编织线的材料特性可能取决于芯线中和包覆编织外层中的纤维的数量、尺寸、形状、类型和空间排列。

图5是一种示例性编织配置的示意图。在此实施例中，编织线500包括总共16根纤维，包括高强度聚合物纤维502(尤其是UHMWPE纤维)和高强度胶原纤维504。更具体地说，芯线510包括四根纤维，而外层512包括剩余的十二根纤维。在这个实例中，芯线510包括两根聚合物纤维和两根胶原纤维。在外层512中的剩余纤维中，四根是胶原纤维，而八根是聚合物纤维。更具体地说，外层512中的纤维沿着线布置在该特定位置，使得在每对相邻的胶原纤维之间有两根聚合物纤维。较大的聚合物纤维数目使得线的抗拉强度大约为16根纤维中的每一根都是UHMWPE聚合物纤维的类似构造的线(即，其中的所有纤维都是聚合物纤维的类似地构造的线)的90％。

图6是另一种示例性编织配置的示意图。图6中的编织线600的配置可以基本上类似于图5中的编织线500的配置。但是，此实施例中的聚合物纤维602具有比前一个实施例的聚合物纤维502更大的线密度。出于示例的目的，与聚合物纤维502相比，聚合物纤维602的更高的线密度用较大直径的纤维来表示。在一些实施例中，编织线500的聚合物纤维具有110分特的线密度，而编织线600的聚合物纤维具有165分特的线密度。这种聚合物纤维尺寸的增加可以为相邻的胶原纤维提供更好的缓冲。

图7是另一种示例性编织配置的示意图。图7的配置包括具有三根芯纤维702和外层中的八根纤维704(总共十一根纤维)的编织线700。所述三根芯纤维还包括两根胶原纤维和一根聚合物纤维。所述外层包括与四根胶原纤维交替的四根聚合物纤维。相对于之前的实施例，这种配置提供了具有更高胶原百分比的线(线700的胶原百分比大约为55％，而线500和线600的胶原百分比大约为38％)。

图8是另一种示例性编织配置的示意图。图8的配置包括具有四根芯纤维802和外层中的十二根外纤维804(总共十六根纤维)的编织线800。芯线和外层都具有相同数量的胶原纤维和聚合物纤维，因此总体上该线具有八根胶原纤维和八根聚合物纤维。编织线800保留了仅由聚合物纤维组成的类似线的大约85％的抗拉强度，并且由大约50％的胶原组成。

图9是另一种示例性编织配置的示意图。图9的配置包括具有四根芯纤维900和外层中的十二根外纤维902(总共十六根纤维)的编织线904。在此实例中，芯线仅由聚合物纤维组成。在外层中的剩余纤维中，八根是胶原纤维，而四根是聚合物纤维。更具体地说，在编织线的这个特定段处，外层中的纤维布置成使得每对相邻的聚合物纤维之间有两根胶原纤维。较大的聚合物纤维数目使得线的抗拉强度大约为16根纤维中的每一根都是UHMWPE聚合物纤维的类似构造的线(即，没有任何胶原纤维的线)的90％。此外，此实施例将所有的胶原纤维置于该线的外侧，在该出它们更容易与体内的组织接触，以更好地促进愈合。

图10是另一种示例性编织配置的示意图。图10中的编织线1000的配置可以基本上类似于图9中的编织线900的配置。但是，编织线900的聚合物纤维具有110分特的线密度，而编织线1000的聚合物纤维具有165分特的线密度。这种更大规格的聚合物纤维可有助于改善线的外部的胶原纤维的缓冲。

图11-12示出了编织结构的示意图，其中在每股编织线中超过一半的纤维是胶原纤维。具体而言，图11示出了具有六根聚合物纤维和十根胶原纤维的编织线1100。在此情况下，芯线1102由四根胶原纤维组成，而外层1104包括与六根聚合物纤维交替布置的六根胶原纤维。

在图12中，编织线1200由五根聚合物纤维和十二根胶原纤维组成。此外，芯线包括围绕聚合物纤维布置的四根胶原纤维(总共5根芯纤维)。外层包括八根胶原纤维和四根聚合物纤维。编织线1200保留了仅由聚合物纤维组成的类似线的大约75％的抗拉强度。

图13是由仅由聚合物纤维组成的芯线和仅由编织在一起的胶原纤维组成的外层构成的编织线1300的示例性实施例。在此，芯部的聚合物纤维有助于为线提供圆形形状，并提高线的抗拉强度。但是通过使用沿着外侧布置的所有胶原纤维，所述线能够在线的外部与受损组织接触的任何部位处促进愈合。

图14是仅由胶原纤维组成的线1400的一个示例性实施例。在此情况下，芯线和外编织层都仅由胶原纤维组成。仅使用胶原蛋白消除了可能是非生物可吸收的并且可能不会促进新组织生长的聚合物纤维的存在，从而最大限度地增加所述线促进愈合的潜力。此外，使用如实施例中所公开的高强度胶原线能够提供一种与要使用该线修复的相关韧带或其它组织相比具有相似或更高的极限抗拉强度的编织线。

如图5-14所示，编织线的多种配置可包括外层中的一根或多根胶原股线。这不仅促进愈合，而且有助于由编织线组成的缝合线具有更好的系紧性能，因为胶原线通常比UHMWPE线“更粘”。通过提供外层中的很大一部分线是胶原线(例如超过总线量的30％)的编织线配置，本发明的实施例消除了引入另一个类型的线和/或线的涂层以确保由编织线组成的缝合线能够系紧的任何要求。

这些实施例包括通过将高强度聚乙烯纤维与具有较高抗拉强度的胶原纤维编织在一起而形成的编织线。为了说明各种纤维的抗拉特性，这些实施例使用了各种术语，包括极限抗拉强度、屈服强度、弹性模量和断裂应变。如本文中所用的术语“极限抗拉强度”或UTS是材料在被拉伸或牵拉时在断裂前所能承受的最大应力。如本文中所用的术语“屈服强度”或“屈服应力”是与材料开始发生塑性变形的屈服点对应的应力。如本文中所用的术语“弹性模量”是弹性材料的刚度的一个量度。具体来说，它是沿着一个轴线的应力与沿着该轴线的应变之比。如本文中所用的术语“断裂应变”是材料在张力下断裂时的长度变化的一个量度。

如图15所示，实施例的编织线具有比体内的相应韧带和肌腱大得多的抗拉强度，图15将实施例的示例性编织线的抗拉强度与人ACL的抗拉强度进行了比较。在此实例中，示例性的编织线具有大约150兆帕的极限抗拉强度，而人ACL具有25至50兆帕的UTS。

如上文所论述的，为了获得实施例的编织线，使用具有较高抗拉强度的胶原纤维。图16是示出实施例的高强度胶原纤维和按照已知工艺制造的UHMWPE纤维的各种抗拉性能的示意图表。具体而言，图表中所示的值是针对由多根胶原纤维丝组成的高强度胶原纤维的，这些胶原纤维丝被捆扎在一起，以形成具有大约90微米至180微米的平均直径的单根连续纤维。UHMWPE线是平均直径大约在210微米和410微米之间的165分特的线。在此公开的高强度胶原蛋白和UHMWPE线的抗拉性能值是使用测量极限抗拉强度和其它抗拉性能的标准技术测定的。纤维是在类似的条件下测试的。

图16中的表示出了两种列出的纤维的极限抗拉强度、弹性模量以及断裂应变的最小值和最大值。此外，第三列示出了高强度胶原蛋白的值与UHMWPE的值的比。

如图16的表格所示，对于测试的特定样品，高强度胶原纤维的极限抗拉强度(UTS)在大约98和110兆帕(MPa)之间变化，而UHMWPE纤维的UTS在大约660MPa和760MPa之间变化。因此，高强度胶原纤维的UTS大约在UHMWPE纤维的UTS的14％和15％之间的范围内变化。

在图16中，还给出了弹性模量和峰值应变的比较值。这些值表明，对于测试的特定样品，高强度胶原纤维的弹性模量大约在UHMWPE纤维的弹性模量的12％和15％之间。类似地，高强度胶原纤维的断裂应变大约是UHMWPE纤维的断裂应变的90％至115％。

本文所述的高强度胶原纤维的机械特性允许对纤维进行处理并将其生产成实施例的编织线。虽然UHMWPE比这些高强度胶原蛋白线更强，但是胶原蛋白线仍然足够强，能够承受由高产量和常规编织机对编织线施加的应力，这使得编织线能够大规模制造。此外，胶原纤维的较高强度允许在使用胶原纤维和UHMWPE纤维构造编织线时具有更大的灵活性。由于高强度胶原纤维为编织线提供了一定的强度，因此保持编织线的最小必要抗拉强度和其它参数所需的UHMWPE纤维较少。这使得胶原纤维与UHMWPE纤维的比例更大，这更适于愈合受损组织。

在其它实施例中，通过改变所使用的交联化合物、胶原收集方法和其它适当的特征，胶原纤维可以被制造成具有一系列不同的抗拉强度。因此，应理解，给出的高强度胶原纤维的各种机械特性的值仅是示例性的，不应该被解释为限制性的。

图17示出了一种示意性的多步骤过程和相关系统，由此能够形成高强度胶原纤维。也就是说，该胶原纤维比常规制造的胶原纤维具有高得多的抗拉性能。所述系统和方法可以描述为包括四个工段或制造区域。在第一工段中制备胶原溶液，在第二工段中形成胶原纤维。然后在第三工段中收集胶原纤维，随后可以在第四工段、后处理或最终处理工段对其进行后处理，以产生湿或干的胶原纤维。

图17所示的系统和方法中的步骤可以分成如下四类：(1)制备胶原蛋白溶液，包括步骤2005至步骤2020；(2)形成胶原纤维，包括步骤2025至步骤2030；(3)收集胶原纤维，包括步骤2035至步骤2050；以及(4)后处理或最终处理，包括步骤2055至步骤2080。

如图17的步骤2005所示，在步骤2010中，将胶原蛋白与酸性溶液结合并充分搅拌。在一些实施例中，所述酸是大约0.01M至大约0.50M的乙酸。在其它实施例中，所述酸是大约0.01M至大约0.50M的盐酸。可以在步骤2015中对溶液进行脱气，然后在步骤2020中进行离心分离以去除残留的气泡。在步骤2025中，从针中挤出所得的胶原溶液，并且可以设有与该针同轴的第二根针，该第二根针提供成形缓冲溶液。在步骤2030中，可以使所得的成形纤维继续通过成形管。所得的产品是成形的胶原纤维。

然后使纤维继续进入收集系统，在该收集系统中，在步骤2035中将纤维从成形缓冲溶液分离，并在步骤2040中进行脱水。在步骤2045中回收胶原纤维，并在步骤2050中风干。然后，可以进行后处理，如步骤2055、步骤2060、步骤2065和步骤2070所示。在步骤2055中，将线轴上的风干胶原纤维浸没在交联溶液中，可选地在步骤2060中进行洗涤，在步骤2065中进行风干，并在步骤2070中进行烘干，以形成干燥纤维。如图17中的点划线所示，可选地在步骤2060中对材料进行清洗，在步骤2065中进行干燥，并将其返回到洗涤步骤2060。

或者，将胶原蛋白注射到成形溶液浴中以形成纤维。在此系统中，不需要用于对成形缓冲溶液进行同轴注射的第二根针。在步骤2040中，通过脱水将如此注射的胶原蛋白引入收集系统。然后根据其余处理步骤对纤维进行处理。

图17提供了用于实施本公开的实施例的系统和方法的概图。附加的细节和公开内容包含在《微流体应用》中。

图18示出了所述示例性方法的另一个实施例。方法2100从步骤2105开始，在该步骤中形成胶原溶液。可以将生物聚合物与胶原蛋白混合。将胶原蛋白溶解在酸性溶液中，以形成粘性溶液。在步骤2110中搅拌溶液以确保充分混合。混合溶液可能有夹杂的气体，因此可在脱气步骤2115中脱气一次或更多次。然后可以在步骤2120中对胶原溶液进行离心。可选地，如图18中的点划线316所示，可以重复脱气/离心步骤，以减少夹杂在溶液中的气体量。在步骤2125中，通过与用作纤维芯的外套的成形缓冲溶液同轴挤出，将如此制备的胶原溶液形成胶原纤维。该成形缓冲溶液的体积流量通常至少是形成胶原的体积流量的两倍。这种方案抑制了独立的原纤维的形成；拉伸和定向纤维；并且可以通过使纤维发生流动诱导的结晶来平滑纤维的表面。

然后收集胶原纤维。当在步骤2130中完成胶原纤维的形成时，在步骤2135中将胶原从成形缓冲溶液分离，并在步骤2140中在脱水溶液中脱水。

然后，在步骤2145中，将脱水的胶原蛋白收集在旋转的线轴上，该线轴通过以比从脱水溶液步骤2140供应纤维的速度更高的速度(通常是大约两倍速度)旋转来进一步拉伸纤维。因此，然后在步骤2150中将收集的纤维在线轴上风干。

在一个替代实施例中，通过直接注射到成形缓冲溶液中将胶原溶液形成胶原纤维。因此，跳过了步骤2125。在步骤2140中收集纤维，从成形缓冲溶液分离，并在脱水溶液中脱水。在步骤2145中，将纤维收集在旋转线轴上，该线轴以大约2倍形成速度和大约4倍形成速度之间的速度收集纤维。

可以对已经在线轴上风干的纤维进行后处理。可以在步骤2155中使纤维在交联溶液中交联，然后可以在步骤2160中进行清洗。然后在步骤2165中对纤维进行风干，并在步骤2170中进行干燥，以产生干燥的交联胶原纤维。

根据本发明的实施例，用于制造胶原纤维的设备由适于抵抗用于制造胶原纤维的任何原材料侵蚀的常规构造材料制成。金属、塑料和其它材料具有适合于抵抗胶原纤维制造过程中的原材料、中间体、溶剂和产品侵蚀的性质和特征。

本文所述的过程用于形成具有比市售的其它胶原纤维好得多的抗拉性能的胶原纤维。具体而言，所述胶原纤维可具有以下特点中的一种或更多种特点：(1)极限抗拉强度至少为80兆帕；(2)弹性模量至少为1200兆帕；(3)断裂应变为大约4％至大约12％的伸长量；以及(4)平均纤维直径在大约90微米和大约180微米之间。此外，所述胶原纤维在生物流体中浸泡大约1小时后至少保持其强度。

此外，所述纤维呈现有序的纵向取向结构，并且所述纤维允许细胞生长渗透。

如上文所述，所公开的支架或缝合线构造物用于植入到各种韧带或其它适当组织的正常解剖道中或沿着正常解剖道植入，以帮助修复1型和2型破裂/撕裂。性能测试表明，该装置具有在ACL和PCL手术修复中用作有用的构造所需的机械和物理特性，得到的产物具有超过天然韧带的平均屈服载荷能力。优选地，使用电子束灭菌对这样的装置进行最终灭菌，并且这样的装置仅用于一次性使用。

所述装置会在主要的ACL、MCL或PLC手术修复中提供负荷分担和应力消除。所述装置会在体内重塑成致密的规则取向的结缔组织，并在植入后6-12个月内表现出再吸收。像用于ACL和PCL修复的其它缝合线构造物一样，所述装置使用常规的开放、微创和关节镜技术利用已经开发并且目前由外科医生使用的专用工具、固定装置和导引装置植入正常的ACL或PCL解剖道中。

虽然说明了多种实施例，但是该说明是示例性的而不是限制性的，并且，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在所公开的实施例的范围内，更多的实施例和实施方案是可能的。虽然在附图中示出并在详细说明中论述了许多可能的特征组合，但是所公开特征的许多其它组合也是可能的。任何实施例的任何特征可以与任何其它实施例中的任何其它特征或元素组合使用或替代，除非有特别的限制。因此，应理解，在本公开中示出和/或论述的任何特征可以按任何适当的组合一起实施。因此，除了根据所附权利要求及其等同内容之外，这些实施例不受限制。此外，在所附权利要求的范围内能够做出各种修改和变化。

Claims (22)

1.一种可植入的生物聚合物支架，该支架包括至少一根编织线，所述编织线基本上由高强度胶原纤维和高强度生物相容性纤维组成。

2.如权利要求1所述的可植入的生物聚合物支架，其中所述生物相容性纤维选自由高强度聚乙烯纤维和超高分子量聚乙烯纤维组成的组。

3.如权利要求1所述的可植入的生物聚合物支架，其中所述支架选自由包括撑杆、补片、带和缝合线的形状因数所组成的组，所述缝合线例如是圆形缝合线、扁平缝合线和圆形-扁平-圆形缝合线。

4.如权利要求1所述的可植入的生物聚合物支架，其中所述高强度胶原纤维中的至少一些高强度胶原纤维与所述高强度聚乙烯纤维中的至少一些高强度聚乙烯纤维编织在一起。

5.如权利要求1所述的可植入的生物聚合物支架，其中所述编织线包括中央芯线和围绕中央芯线包覆编织的外层。

6.如权利要求5所述的可植入的生物聚合物支架，其中所述中央芯线包含未编织的纤维。

7.如权利要求6所述的可植入的生物聚合物支架，其中所述外层包含与高强度聚乙烯纤维编织在一起的高强度胶原纤维。

8.如权利要求1所述的可植入的生物聚合物支架，其中构成所述编织线的纤维中的至少一半纤维是胶原纤维。

9.如权利要求1所述的可植入的生物聚合物支架，其中所述高强度聚乙烯纤维具有比所述高强度胶原纤维大得多的直径。

10.一种可植入的生物聚合物支架，该支架包括：

与一组高强度聚乙烯纤维编织在一起的一组高强度胶原纤维；

其中所述一组高强度胶原纤维中的高强度胶原纤维具有第一极限抗拉强度，并且其中所述一组高强度聚乙烯纤维中的高强度聚乙烯纤维具有第二极限抗拉强度；并且

其中所述第一极限抗拉强度至少是所述第二极限抗拉强度的百分之一。

11.如权利要求10所述的可植入的生物聚合物支架，其中所述第一极限抗拉强度选自由所述第二极限抗拉强度的至少大约1％、3％、至少5％、至少大约10％、至少大约15％和至少大约20％所组成的组。

12.如权利要求10所述的可植入的生物聚合物支架，其中所述第一极限抗拉强度至少是所述第二极限抗拉强度的大约百分之十。

13.如权利要求10所述的可植入的生物聚合物支架，其中所述第一极限抗拉强度具有至少大约50、60、70、80、90、100、100、120、130、140、150或160兆帕的值。

14.如权利要求10所述的可植入的生物聚合物支架，其中所述第一极限抗拉强度具有至少100兆帕的值。

15.一种包括多根高强度胶原纤维和高强度聚乙烯纤维的编织线。

16.一种编织线，包括：

与一组高强度聚乙烯纤维编织在一起的一组高强度胶原纤维；

其中所述一组高强度胶原纤维中的高强度胶原纤维具有第一极限抗拉强度，并且其中所述一组高强度聚乙烯纤维中的高强度聚乙烯纤维具有第二极限抗拉强度；并且

其中所述第一极限抗拉强度至少是所述第二极限抗拉强度的大约百分之一。

17.如权利要求16所述的编织线，其中所述高强度聚乙烯纤维是超高分子量聚乙烯纤维。

18.如权利要求16所述的编织线，其中所述第一极限抗拉强度选自由所述第二极限抗拉强度的至少大约1％、至少大约3％、至少大约5％、至少大约10％、至少大约15％和至少大约20％组成的组。

19.如权利要求16所述的编织线，其中所述第一极限抗拉强度具有至少大约50、60、70、80、90、100、100、120、130、140、150或160兆帕的值。

20.一种修复受损关节、韧带或肌腱的方法，包括植入如权利要求1所述的可植入的生物聚合物支架的步骤。

21.一种将医疗植入物固定在所需位置的方法，包括如权利要求3所述的用缝合线紧固植入物的步骤。

22.一种闭合切口或伤口或修复受伤组织的方法，包括用权利要求3的缝合线缝合切口、伤口或组织的步骤。

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