CN1817371B - 胶原构件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

胶原构件及其制备方法通过使胶原与净化水混合足够长的时间形成混合物来制备胶原构件。调节混合物的pH值至足以基本溶解胶原的水平。将第一预定量的混合物置于容器内。对混合物进行冻干处理，从而形成胶原构件。还对该胶原构件进行交联。所述胶原构件具有大量的微孔，其中多数孔的直径小于10μm。为了将该胶原构件用作移植物以替换、加固或强化身体组织，或作为粘连隔离物，放置该胶原构件使其与身体组织接触并保持该接触直至胶原构件基本被身体组织再吸收。

Description

胶原构件及其制备方法

对相关申请的交叉引用

本申请要求了2004年2月9日申请的、发明名称为“胶原及其制备方法”、序列号60/542,968和2004年4月27日申请的、发明名称为“胶原构件及其制备方法”、序列号60/565,747的美国临时申请的优先权，上述在先申请在此全部引入作为参考。

关于联邦资助的研究的声明

不适用

发明领域

本发明涉及一种胶原构件及其制备方法。更具体来说，本发明涉及一种制备用作移植物以替换、加固或强化身体组织，粘连隔离物，或与身体短期接触以保湿、止血或组织保护的胶原构件的方法。

发明背景

人的大脑和脊髓覆盖有脑膜，脑膜的完整性对于中枢神经系统的运行是至关重要的。当有意识或无意识地伤及人体脑膜的完整性时，就会发生严重的后果，除非脑膜可以修复。

脑膜包括三层重叠的组织层，由外向内依次是硬膜(或硬膜)、蛛网膜和软膜。修复受损的脑膜主要集中于可植入和/或可吸收的结构物(称作硬膜替代物)，其中将该结构物移植到受损的硬膜并用以代替和/或再生受损的组织。

发明概述

本发明涉及一种具有大量微孔的胶原构件，其中多数微孔的直径小于10μm。令人吃惊的是，本发明的胶原构件具有良好的操作性，这是由于该胶原构件既具有足够的挠性从而使其能够随形不规则形状的表面，同时又具有足够的硬度从而使其不会卷曲或与其自身、仪器或医生戴手套时的湿手粘连。此外，本发明的胶原构件具有良好的强度特性，例如拉伸强度，从而使医生易于操作。而且，本发明的胶原构件可以制成与常规胶原构件，例如目前可利用的胶原硬膜移植物相同的形状或尺寸，同时能给外科医生提供具有优良强度和操作性的胶原构件。

尽管多数孔的直径小于10μm，但本发明的胶原构件基本上可以全部被再吸收。令人吃惊的是，本发明人发现尽管本领域技术人员认为孔径必须足够大(内孔直径优选为150μm，表面孔优选为70μm)以允许成长中的脑膜组织向其中渗入，但本发明的多数孔的直径小于10μm的胶原仍被成长中的脑膜组织替代并基本上可完全被再吸收。

根据本发明的示例性实施方案，通过将胶原与净化水混合足够长的时间形成混合物来制备胶原构件。将混合物的pH调节至足以基本上溶解胶原的pH水平。将第一预定量的混合物置于容器中。对该混合物进行冻干处理，从而形成胶原构件。对胶原构件进行交联。该胶原构件具有大量的孔，其中多数孔的直径小于10μm。为了将该胶原构件用作移植物以替换、加固或强化身体组织或用作粘连隔离物，使胶原构件与身体组织接触，并保持接触至胶原构件基本上被身体组织再吸收。

附图的简要说明

通过下面的详细说明并结合附图可以更充分地理解本发明，其中：

图1是说明根据本发明制备胶原构件的方法的流程图；

图2A，2B和2C分别是胶原构件的底部透视图、侧视图和顶视图；和

图3A-3C表示多层制成的胶原构件或层压制品。

发明的详细说明

应该理解，前述仅仅是本发明原理的示例性说明，本领域技术人员可以做多种改进而不脱离本发明的范围和精神。本文引用的所有参考文献在此全部引入作为参考。

通过将胶原与净化水混合足够长的时间以形成混合物来制备本发明的胶原构件。胶原与净化水的比值约为0.4％-5.0％w/w。将混合物的pH调节至足以基本溶解胶原的水平。然后将预定量的混合物置于容器中。通过冻干处理使混合物形成胶原板。也可以使混合物形成块状、圆柱状或其它的所需形状，下文将其统称为胶原板。然后使胶原板交联。在交联过程中，优选使胶原板暴露于液体或蒸汽形式的交联剂，例如甲醛或戊二醛。然后，如果交联剂为蒸汽形式，则使胶原板通风，或者如果交联剂为液体则重新冻干。使混合物形成胶原板的步骤与交联步骤的顺序可以颠倒。

所得的胶原板具有大量微孔，其中多数孔的直径小于10μm。优选大于80％的孔的直径小于10μm。更优选大于90％的孔的直径小于10μm。甚至更优选大于95％的孔的直径小于10μm。更进一步优选大于98％的孔的直径小于10μm。更优选几乎全部的孔的直径小于10μm。

可将胶原板100切割成预定形状或成形为预定的形状再形成尺寸。胶原板100具有上表面102、底表面104和周边106。如图2A-2C所示，可将每种预定形状的周边106做成斜面以使其在原位弄湿时有光滑的周边侧面。斜面D与上表面或下表面的垂直轴的角优选约为30-75度。

在另一实施方案中，可在交联前用辊子滚压胶原板。可将胶原板压至原厚度C的约一半至八分之一。

在实际使用时，为了用作硬膜替代物或粘连隔离物、或用于短期的身体接触以保湿、止血或组织保护，可使胶原板与身体组织接触。当用作移植物时，保持胶原板与身体组织的接触。在时间上，目前估计约在9个月后胶原板将会被完全再吸收。当使胶原板与身体组织接触时，胶原板不会粘连仪器，包括外科医生的手。而且，如果需要将胶原板调换位置时，外科医生能够进行调整而不使胶原板破裂。

胶原板具有良好的强度性能，例如拉伸强度，从而使医生易于操作。用V型ASTM638测量时，本发明胶原板的平均拉伸强度大于6.0psi，每批从7.43psi至9.76psi，所有测量批次的平均值约为8.74psi。测量现有应用的胶原板，其平均拉伸强度约为6.00psi。

本领域技术人员应该认识到，本文所述的胶原构件也可用于提供生物活性剂，例如生长因子(growth factor)、自体细胞，骨髓、抗生素、抗癌剂以及基因和DNA结构。

胶原构件及其制备方法可用于提供多层部件或层压制品，如图3A-C所示。胶原板100可含有图示的单层或多层或层压板110、112(图3A表示一种层压板，图3B和3C表示两种层压板)。可将所述胶原板层压或使其与下述之一或多个连接：膜、毡、织物或非织造基质、网状织物或另一胶原板。例如，将所述胶原板与不透性膜结合从而得到防水结构。制造上述多层结构是为了改进下列的一种或多种性能：缝合保持强度、流体不透性、吸收延续性、操作性、硬度和/或对组织的附着性。

在对胶原板进行处理时，胶原板可含有一层膜或织物基质从而使其结合在胶原板的界面上。一种替代的方法是通过各种方法将另一层施加到胶原板上，该各种方法非限制性地包括粘附、热压和在对一种或两种材料进行部分处理的过程中使层结合。层压或多层制品可包括不会引起排斥反应的任何材料，所述材料可以或不可以被再吸收。另外，施加到胶原构件上的层可具有掺入该材料内或上的生物活性剂(例如，抗生素、生长因子、止血素、抗癌剂)，同时胶原构件上也可具有或不具有上述生物活性剂。

层压结构的各种尺寸可以与单层或多层的尺寸不同，具有比其它层更大或更小的尺寸。如此就强调在所需某一位置的某一层的优选特征，该位置取决于外科手术的需要。

实施例

现在参照图1说明根据本发明的制备胶原构件的方法10制造非限定性胶原构件的实施例。该方法包括优选以胶原粉与净化水的比值为约0.4％至5.0％w/w，将胶原粉加入净化水的第一步12，以水合胶原粉。更优选约0.4％至约3.5％w/w的比值。最优选约0.60％至约1.20％w/w的比值。胶原粉商购自位于14Phillips Parkway，Montvale，New Jersey的Datascope。

然后在步骤14中，使水合胶原与净化水混合足够长的时间以形成混合物。在示例性的实施方案中，混合时间优选为约3至6分钟。首先，在用相对温和的搅拌器进行混合以充分溶解胶原的同时尽量少地或不剪切胶原纤维。该温和搅拌器可以是以0至1000rpm混合的L1U03型Lightnin^TM搅拌器，该搅拌器商购自爱尔兰Coolock Dublin的General Signal公司的子公司Lightnin。

在混合过程中，在步骤16中将混合物的pH调节至预定的pH值。在一实施方案中，预定的pH值优选为约1.5至4.0，这低于混合物的等电点。在另一实施方案中，预定的pH值优选为约11.0至13.5，这高于混合物的等电点。如步骤18所示，在开始调节pH时开始定时。优选在用温和搅拌器以约400-1000rpm的转速混合混合物的同时将混合物的pH调节至约3.0-3.2。为了调节pH，优选将1.0N HCl加入到混合物中。当然，尽管优选使用盐酸调节混合物的pH，但也可以使用其它酸，例如醋酸、乳酸或磷酸。

调节pH的步骤优选在不超过预定的pH值的情况下进行。一旦超过预定的pH值，必须向混合物中加入诸如NaOH的添加剂以升高pH值。尽管可以使用其它氢氧化物，例如其它的碱金属氢氧化物或氢氧化铵，但优选使用氢氧化钠来调节胶原溶液的pH值。但本发明人发现，升高和降低或降低和升高混合物的pH会造成不一致的冻结，从而因离子强度的变化影响所需的孔径和生物相容性。因此优选不超出预定的pH值。在调节步骤16的过程中，如步骤20中所示确定混合物中所加盐酸的量、pH值以及固体浓度的百分数的计算值。

一旦在步骤16中达到预定的pH值，如步骤22所示，优选用温和的搅拌器继续混合混合物至距胶原粉加入净化水的第12步所经的全部时间至少为1小时。固体浓度的百分数优选为0.6％-1.2％。

在用温和的搅拌器混合后，如步骤24所示，优选用转速约8000-9000rpm的剪切搅拌器混合混合物。剪切混合的速率优选足以使胶原粉机械破碎。剪切搅拌器可以是以0-10,000rpm混合的Silverson^TM搅拌器，该搅拌器商购自英国Waterside Chesham Bucks的Silverson机器有限公司。优选在用剪切搅拌器混合混合物的同时将混合物的pH进一步调节至约3.4-3.6。

在步骤26中测量混合物的粘度，优选以混合步骤24开始。

提高pH以改进板的操作性。该调节优选不超出预定的pH值。一旦超出预定的pH值，必须加入诸如HCl的添加剂以降低混合物的pH。

一旦步骤28完成，如步骤30所示，将预定量的混合物置于容器内。将足量混合物置于容器内从而使所得胶原构件具有足够的厚度以用作硬膜替代物、粘连隔离物，或与身体短期接触以保湿、止血或进行组织保护。托盘(tray)优选是用塑料材料制成的，例如PETG。然而，托盘可以是由玻璃、金属、陶瓷、涂覆有不粘附表面的基材如TEFLON

或抛光金属制成的。托盘也可具有多个独立的隔室，其中每个隔室具有所需胶原构件的最终形状。例如，可以是在每边上具有斜面的1”x1”平方的隔室。当然，在同一托盘内可制成具有或不具有斜面的多个不同尺寸或形状的隔室以满足外科医生的需要。

如步骤32所示，将容器置于小室(chamber)内。在现有优选的实施方案中，将容器置于小室内的搁板(shelf)上，该搁板具有温度控制装置以控制搁板的温度，从而控制小室的温度。下文将提及小室的温度，但本领域技术人员应该理解这包含搁板的温度。调节温度控制装置以使小室的温度优选高于混合物的结晶温度。容器的底表面优选为与搁板上表面的刨床(planer)表面紧密配对的刨床。

在一实施方案中，小室的温度为约15-25℃的室温。在另一实施方案中，小室为约-3℃。而在另一实施方案中，将小室温度设定为低于混合物结晶温度的约-50℃以深度冷冻置于小室内的混合物。如果温度为室温，如步骤34所示，经过第一预定时间将小室温度调节至略高于混合物结晶温度的第二预定温度。优选第二预定温度为约-3℃至-5℃，第一预定时间为约60分钟。然后使小室在第二预定温度保持约45分钟。

如步骤36所示，经过约1小时将小室温度冷却至约-45℃。优选在该温度附近下保持小室约至少30分钟。

如步骤38所示，将小室抽真空至约第一预定值，足以使冰晶充分升华。在步骤34中，在抽真空的同时保持小室温度为-45℃。在目前的优选的示例性实施方案中，将小室抽空至约50-250m乇。冰晶的升华导致具有大量孔的胶原板的形成，其中多数孔的直径小于10μm。

如步骤40所示，将小室温度升至足够高并在该温度下保持足够长时间直至在混合物中发生初步的干燥。在现有优选的示例性实施方案中，经过约5小时将小室温度升高至约-5℃并在该温度下保持约5小时。在该非限制性的实施例中，通过以上步骤将混合物转变成胶原板。

如步骤42所示，然后将小室温度经过约7小时升高至接近室温。在目前的优选的示例性实施方案中，经过约3小时将小室温度升高至约35℃并在该温度下保持足够长的时间，直至在胶原板中发生第二次干燥而无过量干燥或回熔，该时间在目前的优选实施方案中为约7至20小时。

在另一实施方案中，可以使用辊或板压缩胶原板，这是本领域技术人员很容易理解的。辊可将胶原板压至原厚度的一半至小于5％。通过压缩得到强度比常规胶原板大的胶原板。

然后，如步骤44所示将胶原板置于交联室。可将胶原板悬挂在交联室中或放在筛网(screen)上。当然，胶原板可保持在上面所述的同一小室中以及在该室中进行交联处理。

在步骤46中，将预定量的交联剂加入到交联室中。甲醛的预定量足以至少部分浸透胶原板。在目前的优选示例性实施方案中，交联剂是甲醛，并且甲醛的预定量是约25ml至35ml。(当然，所加甲醛的量取决于板材的量和室的尺寸)。将胶原板暴露于液体和蒸汽形式的交联剂。在步骤48和50中，在约16和24小时后将交联剂从交联室中去除。

优选通过蒸汽交联或溶液交联将胶原板交联。如果使用溶液，优选通过冻干使胶原板脱水。可以使用诸如甲醛、戊二醛、碳二亚胺或双官能团的琥珀酰亚胺的交联剂。或者，可通过脱氢热交联或UV辐射将基质交联。

在步骤52中，将胶原板通风约8至70小时以除去剩余的交联剂。

然后在步骤54中将胶原板在切割台上切割成所需形状。胶原板可以形成与托盘中的尺寸相同的预定形状。将每种预定形状的周边做成斜面以使其在原位弄湿时形成光滑的周边侧面。斜面与垂直轴的角优选为约30至75度。

在步骤56中，优选用肉眼检查胶原板的每个切段。在步骤58中将某些样品送去检测，而在步骤60中将剩余的切段用常规方法无菌包装并送至终端用户。在步骤58中，优选用ASTM E1294检测法检测胶原板以确保板的孔隙度小于10μm。

将胶原板切割成所需形状的步骤与交联步骤顺序可以颠倒。

基于上述实施方案，本领域技术人员将会领会本发明的其它特征和优点。尽管已表明、描述并指出了本发明应用于优选实施方案的主要新颖特征，但应该理解本领域技术人员可以对构件的形状和细节及其操作作各种省略、替代或改变而不脱离本发明的精神和范围。例如，明确的意思是能起基本相同的作用、以基本相同的方式并达到相同结果的上述元素和/或步骤的组合在本发明的范围之内。从所述实施方案到另一实施方案的元素替换是完全可以预期的。也应理解附图并不是按比例绘制，它们本质上仅仅是概念性的而已。因此，本发明除所附的权利要求书所指出的之外并不限于已具体表明和描述的那些。本文引用的所有的出版物和参考文献在此全部引入作为参考。

Claims (62)

1.一种制备胶原构件的方法，所述方法包括以下步骤：

将胶原与净化水混合足够长的时间以形成混合物；

调节该混合物的pH值至足以溶解胶原的水平；

将第一预定量的该混合物放置于容器中；

将该混合物冻干成胶原构件；和

交联该胶原构件，

其中所述胶原构件具有大量孔，其中多数孔具有小于10μm的直径。

2.根据权利要求1的方法，其中大于95％的构件的孔直径小于10μm。

3.根据权利要求2的方法，其中大于98％的构件的孔直径小于10μm。

4.根据权利要求3的方法，其中全部的构件孔的直径小于10μm。

5.根据权利要求1的方法，其中在混合步骤中，胶原与净化水的混合比为0.4％至5.0％w/w。

6.根据权利要求1的方法，其中在交联步骤中，使胶原构件暴露于交联剂，所述交联剂至少为甲醛或戊二醛中的一种。

7.根据权利要求1的方法，其中胶原构件至少是被切割成预定形状或成形为预定的形状再形成尺寸，将每种预定形状的周边做成斜面以使其在原位弄湿时有光滑的周边侧面。

8.根据权利要求7的方法，其中将每种预定形状的周边做成斜面以使其在原位弄湿时有光滑的周边侧面。

9.根据权利要求8的方法，其中斜面与垂直轴之间的角为30-75度。

10.根据权利要求1的方法，其进一步包含在交联步骤前压缩胶原板的步骤。

11.根据权利要求10的方法，其中在压缩步骤中，胶原构件为胶原板，将该胶原板压缩至胶原板原厚度的一半至八分之一。

12.根据权利要求1的方法，其中所述的胶原是重组的胶原。

13.根据权利要求1的方法，进一步包含在放置步骤之前向混合物中添加生物活性剂的步骤。

14.根据权利要求13的方法，其中所述的生物活性剂为至少一种生长因子。

15.根据权利要求13的方法，其中所述的生物活性剂为至少一种抗生素。

16.根据权利要求15的方法，其中至少一种抗生素包括抗生素的组合。

17.根据权利要求13的方法，其中所述的生物活性剂为至少一种抗癌剂。

18.根据权利要求17的方法，其中至少一种抗癌剂包括抗癌剂的组合。

19.根据权利要求1的方法，其中完成调节步骤而没有超出预定的pH值。

20.一种制备胶原构件的方法，所述方法包括以下步骤：

将胶原与净化水混合足够长的时间以形成混合物；

将该混合物冻干成胶原构件；

交联该胶原构件；

形成具有大量孔的胶原构件，其中多数孔具有小于10μm的直径。

21.根据权利要求20的方法，其中大于95％的构件的孔直径小于10μm。

22.根据权利要求21的方法，其中大于98％的构件的孔直径小于10μm。

23.根据权利要求22的方法，其中全部的构件的孔直径小于10μm。

24.根据权利要求20的方法，其中在混合步骤中，胶原与净化水的混合比为0.4％至5.0％w/w。

25.根据权利要求20的方法，其中在交联步骤中，使胶原板暴露于交联剂，所述交联剂为至少甲醛和戊二醛中的一种。

26.根据权利要求20的方法，其中至少将胶原板切割成预定形状或成形为预定的形状再形成尺寸，并且将每种预定形状的周边做成斜面以使其在原位弄湿时有光滑的周边侧面。

27.根据权利要求26的方法，其中斜面与垂直轴之间的角为30-75度。

28.根据权利要求20的方法，其中混合物中含有基本上溶解的胶原。

29.根据权利要求20的方法，其进一步包含在交联步骤之前压缩胶原板的步骤。

30.根据权利要求29的方法，其中在压缩步骤中，胶原构件为胶原板，将该胶原板压缩至胶原板原厚度的一半至八分之一。

31.根据权利要求20的方法，其中所述的胶原是重组的胶原。

32.根据权利要求20的方法，其进一步包含向混合物中加入生物活性剂的步骤。

33.根据权利要求32的方法，其中所述的生物活性剂为至少一种生长因子。

34.根据权利要求32的方法，其中所述的生物活性剂为至少一种抗生素。

35.根据权利要求34的方法，其中至少一种抗生素包括抗生素的组合。

36.根据权利要求32的方法，其中所述的生物活性剂为至少一种抗癌剂。

37.根据权利要求36的方法，其中至少一种抗癌剂包括抗癌剂的组合。

38.一种根据权利要求1-37中任一项的方法制备的用作硬膜替代物的胶原构件，所述胶原构件包含：

交联的板，所述板含有大量微孔，多数的所述孔具有小于10μm的直径。

39.根据权利要求38的胶原构件，其中大于95％的构件的孔直径小于10μm。

40.根据权利要求39的胶原构件，其中大于98％的构件的孔直径小于10μm。

41.根据权利要求40的胶原构件，其中全部的构件的孔直径小于10μm。

42.根据权利要求38的胶原构件，其中所述的胶原是重组的胶原。

43.根据权利要求38的胶原构件，其中所述的胶原构件含有生物活性剂。

44.根据权利要求43的胶原构件，其中所述的生物活性剂为至少一种生长因子。

45.根据权利要求43的胶原构件，其中所述的生物活性剂为至少一种抗生素。

46.根据权利要求45的胶原构件，其中至少一种抗生素包括抗生素的组合。

47.根据权利要求43的胶原构件，其中所述的生物活性剂为至少一种抗癌剂。

48.根据权利要求47的胶原构件，其中至少一种抗癌剂包括抗癌剂的组合。

49.根据权利要求38的胶原构件，其进一步含有与所述胶原板相连的至少一种下述的材料：膜、毡、基质、网和另一胶原板。

50.根据权利要求49的胶原构件，其中将不渗透液体的膜与胶原板相连。

51.根据权利要求49的胶原构件，其中下述材料中的至少一种含有生物活性剂：膜、毡、基质、网和另一胶原板。

52.根据权利要求43的胶原构件，其进一步含有与所述胶原板相连的至少一种下述的材料：膜、毡、基质、网和另一胶原板，其中所述胶原板中含有的生物活性剂与至少一种下述的材料中含有的生物活性剂不同：膜、毡、基质、网和另一胶原板。

53.根据权利要求43的胶原构件，其进一步含有与胶原板相连的至少一种下述的材料：膜、毡、基质、网和另一胶原板，其中所述胶原板中含有的生物活性剂与至少一种下述的材料中含有的生物活性剂相同：膜、毡、基质、网和另一胶原板。

54.根据权利要求38的胶原构件，其进一步含有掺入胶原板内的至少一种下述的材料：膜、毡、基质、网和另一胶原板。

55.根据权利要求51的胶原构件，其中将不渗透液体的膜掺入胶原板内。

56.根据权利要求54的胶原构件，其中至少一种下述的材料含有生物活性剂：膜、毡、基质、网和另一胶原板。

57.根据权利要求43的胶原构件，其进一步含有掺入胶原板内的膜、毡、基质、网和另一胶原板中的至少一种，其中所述胶原板中含有的生物活性剂与膜、毡、基质、网和另一胶原板中的至少一种中含有的生物活性剂不同。

58.根据权利要求43的胶原构件，其进一步含有掺入胶原板内的膜、毡、基质、网和另一胶原板中的至少一种，其中所述胶原板中含有的生物活性剂与膜、毡、基质、网和另一胶原板中的至少一种中含有的生物活性剂相同。

59.根据权利要求38的胶原构件，其中所述胶原板的拉伸强度为8.5psi。

60.根据权利要求38的胶原构件，其中所述胶原板的拉伸强度大于8.5psi。

61.一种根据权利要求1-37中任一项的方法制备的用作硬膜替代物的胶原构件，所述胶原构件含有交联板，所述板的拉伸强度大于8.5psi。

62.一种根据权利要求1-37中任一项的方法制备的用作硬膜替代物的胶原构件，所述胶原构件含有交联板，所述板的拉伸强度为8.5psi。

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