DE102009037479A1 - Process for the preparation of a biocompatible and biodegradable composite material, the composite material available thereafter and its use as a medical device - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung eines als Medizinprodukt verwendbaren biokompatiblen und bioabbaubaren Kompositmaterials, wobei a) ein Hydrogel, das mindestens ein synthetisches Polymer und mindestens ein natürliches Polymer enthält, bereitgestellt wird, b) an das Hydrogel ein elektrisches Feld angelegt wird, c) eine Strukturierung des Hydrogels induziert wird, insbesondere unter Ausbildung von Poren in dem Hydrogel, d) das Hydrogel einer Trocknungsmaßnahme unterzogen wird und e) das getrocknete Hydrogel durch chemische und/oder physikalische Maßnahmen unter Bildung des Kompositmaterials sterilisiert und vernetzt wird. Ebenfalls wird beschrieben ein Kompositmaterial, das nach diesem Verfahren erhältlich ist und insbesondere Poren und/oder Porenkanäle aufweist, in die das Zellwachstum, die Zellansiedlung und/oder die Zelladhäsion fördernde Substanzen eingebracht werden können. Daraus ergibt sich auch eine vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit des Kompositmaterials als Träger für biologische Zellen, insbesondere menschliche, tierische oder pflanzliche Zellen, sowie als Gewebeersatz im menschlichen oder tierischen Körper.A method is described for producing a biocompatible and biodegradable composite material that can be used as a medical device, whereby a) a hydrogel is provided, which contains at least one synthetic polymer and at least one natural polymer, b) an electric field is applied to the hydrogel, c) one Structuring of the hydrogel is induced, in particular with the formation of pores in the hydrogel, d) the hydrogel is subjected to a drying measure and e) the dried hydrogel is sterilized and cross-linked by chemical and / or physical measures to form the composite material. Also described is a composite material which can be obtained by this process and in particular has pores and / or pore channels into which substances which promote cell growth, cell colonization and / or cell adhesion can be introduced. This also results in an advantageous application of the composite material as a carrier for biological cells, in particular human, animal or plant cells, and as a tissue replacement in the human or animal body.
Description
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines als Medizinprodukt
verwendbaren kompatiblen und bioabbaubaren Kompositmaterials, ein
Kompositmaterial, das nach diesem Verfahren erhältlich
ist, sowie dessen Verwendung als Träger für biologische
Zellen sowie als Gewebeersatz im menschlichen oder tierischen Körper.
Diesbezüglich sei auf den Stand der Technik nach der
Im medizinischen Bereich werden zunehmend synthetische Gewebeträger als Ersatz für Organe und Gewebe benötigt. Dieses Gebiet wird allgemein als Tissue-Engineering bezeichnet. Von besonderer Bedeutung sind Gewebeträger, die mit dem nativen Organ oder Gewebe in den biologischen, biochemischen, biomechanischen und strukturellen Eigenschaften weitgehend übereinstimmen. Für die rekonstruktive und regenerative Medizin, die Traumatologie und die Orthopädie sind in den letzten Jahren Gewebeträger im muskuloskelettalen Bereich (Ersatz für Knochen, Knorpel und Sehnen) besonders bedeutsam geworden. Die Eigenschaften der zur Zeit verfügbaren Träger entsprechen in vielerlei Hinsicht nicht dem nativen Gewebe, da häufig die natürliche Morphologie nicht nachgebildet wird und/oder biochemische und/oder biomechanische Eigenschaften nicht übereinstimmen.in the medical field are becoming increasingly synthetic tissue carriers needed as a replacement for organs and tissues. This Domain is commonly referred to as tissue engineering. Of special Significance are tissue carriers that interact with the native organ or tissue in the biological, biochemical, biomechanical and structural characteristics are largely identical. For reconstructive and regenerative medicine, traumatology and orthopedics have been tissue carriers in recent years in the musculoskeletal area (replacement for bones, cartilage and tendons) has become particularly significant. The properties of currently available carriers correspond in many ways Not the native tissue, as often the natural one Morphology is not replicated and / or biochemical and / or Biomechanical properties do not match.
Für die Reparatur von osteochondralen Defekten stellt Tissue-Engineering einen vielversprechenden Therapieansatz dar. Dabei werden Zellen mit einem Potential zur Knorpelbildung in poröse Trägermaterialien eingebracht und dann direkt oder nach in vitro-Vorkultivierung in den chondralen Defekt in vivo eingesetzt. Derartige Trägermaterialien müssen für ihren Einsatz spezifische Materialeigenschaften, insbesondere bezüglich Formstabilität, verzögerten Abbau, Biokompatibilität, Zelladhärenz, Chondrokonduktivität, erfüllen. Von besonderer medizinischer und wirtschaftlicher Bedeutung ist das Gebiet der Gelenkserkrankungen. Auf diesem Gebiet sind die schmerzhaftesten Krankheiten diejenigen, bei denen Knorpel und die darunter liegende Knochenstruktur zerstört sind. Knorpel hat nur eine eingeschränkte Fähigkeit zur Regeneration und weist dann in der Regel eine geringere Qualität auf als der gesunde Knorpel. Zahlreiche Versuche sind unternommen worden, gesundes Knorpel- und subchondrales Knochengewebe zu transplantieren oder in Kultur zu halten; jedoch ist bislang auf diesem Wege kein erfolgreicher Ersatz geschaffen worden.For Repair of osteochondral defects introduces tissue engineering a promising therapeutic approach dar introduced with a potential for cartilage formation in porous support materials and then directly or after in vitro precultivation in the chondral Defect used in vivo. Such carrier materials must have specific material properties for their use, especially with regard to dimensional stability, delayed Degradation, biocompatibility, cell adherence, chondrocontrol activity, fulfill. Of special medical and economic Meaning is the area of joint disease. In this area The most painful diseases are those that have cartilage and the underlying bone structure is destroyed. Cartilage has limited ability for regeneration and then usually has a lower quality on as the healthy cartilage. Numerous attempts have been made to transplant healthy cartilage and subchondral bone tissue or to keep in culture; however, so far no way in this way successful replacement.
Um
synthetische Materialien erfolgreich als Knorpelersatz verwenden
zu können, müssen viele unterschiedliche Eigenschaften
des natürlichen Systems berücksichtig werden.
Zu diesen zählen die biochemische Zusammensetzung, die
strukturelle Identität (Nachahmung der zonalen Morphologie)
und die biomechanische Eigenschaften. Als synthetische Materialien
sind poröse Schäume auf der Grundlage von natürlichen
und synthetischen Polymeren von unterschiedlichen Autoren vorgeschlagen
worden. Ein guter Überblick über die Technologien
zur Erzeugung von porösen Materialien für das
Tissue-Engineering wird von
Einen
gewissen Fortschritt gegenüber dem vorstehend beschriebenen
Stand stellt die technische Lehre dar, die sich aus der
Dieser Stand der Technik versteht unter dem Begriff ”Hydrogel” ein Wasser enthaltendes Gel auf Basis hydrophiler Moleküle, insbesondere Polymere, die als dreidimensionale Netzwerke vorliegen. In Wasser quellen diese Netzwerke unter weitgehender Formerhaltung bis zu einem Gleichgewichtsvolumen auf. Die Netzwerkbildung in Wasser erfolgt vorwiegend über chemische Verknüpfung der einzelnen Polymerketten, ist aber auch physikalisch durch elektrostatische, hydrophobe und/oder Dipol/Dipol-Wechselwirkungen zwischen einzelnen Segmenten der Molekülketten möglich. Ein nach diesem Verfahren erhaltenes Kompositmaterial eignet sich als Knorpelersatz, muss jedoch, um die in-vivo-Stabilität zu verbessern, getrocknet und chemisch und/oder thermisch vernetzt werden. Wahlweise kann zusätzlich eine das Zellwachstum oder die Zellansiedlung oder Zelladhäsion fördernde Substanz eingebracht werden.This The state of the art is understood by the term "hydrogel" Water-containing gel based on hydrophilic molecules, in particular polymers which are present as three-dimensional networks. In water, these networks swell under extensive conservation of form up to an equilibrium volume. The networking in water occurs mainly via chemical linkage the individual polymer chains, but is also physically by electrostatic, hydrophobic and / or dipole / dipole interactions between individual Segments of molecular chains possible. One after this composite obtained composite material is suitable as cartilage replacement, However, in order to improve the in vivo stability, it must be dried and chemically and / or thermally crosslinked. Optionally in addition, cell growth or cell colonization or cell adhesion promoting substance introduced become.
Es hat sich gezeigt, dass der zuletzt beschriebene Stand der Technik sehr zufriedenstellt. Es wäre allerdings wünschenswert, wenn eine Möglichkeit bestünde, die Stabilität in geeigneter und vorteilhafter Weise zu steuern, um so die in-vivo-Stabilität des Erzeugnisses auf den jeweiligen Verwendungszweck abstimmen zu können. Hierin ist eine Aufgabe der nachfolgenden Erfindung zu sehen. Darüber hinaus soll das später beschriebene Kompositmaterial im weitesten Sinne biokompatibel und bioabbaubar sein, so dass eine weitgehend uneingeschränkte Möglichkeit des Einsatzes als Medizinprodukt gegeben ist. Dazu soll das Kompositmaterial eine naturnahe Gewebemorphologie aufweisen und eine hervorragende Übereinstimmung mit nativem Gewebe zeigen, demzufolge hinlänglich biokompatibel sein, und die erforderlichen biomechanischen und biochemischen Eigenschaften aufweisen. Insbesondere soll es geeignet sein, die zonale Morphologie von natürlichem Gewebematerial, insbesondere Knorpel-/Knochengewebe, in hervorragender Weise zu imitieren. Die Erfindung soll darüber hinaus ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung eines solchen vorteilhaften Medizinproduktes vorschlagen. Ferner sollen vorteilhafte Möglichkeiten der Verwendung eines solchen Kompositmaterials vorgeschlagen werden.It has been found that the prior art last described is very satisfactory. However, it would be desirable if there was a possibility of stability in a suitable and advantageous manner in order to be able to tailor the in-vivo stability of the product to the intended use. Here is an object of the invention below. In addition, the composite material described later should be biocompatible and biodegradable in the broadest sense, so that a largely unrestricted possibility of use as a medical device is given. For this purpose, the composite material should have a near-natural tissue morphology and show an excellent match with native tissue, therefore be sufficiently biocompatible, and have the required biomechanical and biochemical properties. In particular, it should be suitable to mimic the zonal morphology of natural tissue material, in particular cartilage / bone tissue, in an excellent manner. The invention is also intended to suggest a particularly suitable method for producing such an advantageous medical device. Furthermore, advantageous possibilities of using such a composite material are to be proposed.
Die vorstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines als Medizinprodukt verwendbaren biokompatiblen und bioabbaubaren Kompositmaterials, das dadurch gekennzeichnet ist, dass a) ein Hydrogel, das mindestens ein synthetisches Polymer und mindestens ein natürliches Polymer enthält, bereitgestellt wird, b) an das Hydrogel ein elektrisches Feld angelegt wird, c) eine Strukturierung des Hydrogels induziert wird, insbesondere unter Ausbildung von Poren in dem Hydrogel, d) das Hydrogel einer Trocknungsmaßnahme unterzogen wird und e) das getrocknete Hydrogel durch chemische und/oder physikalische Maßnahmen unter Bildung des Kompositmaterials sterilisiert und vernetzt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahrenslehre ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Unteransprüchen 2 bis 22.The The above object is achieved by a method for Production of a biocompatible medical device and biodegradable composite material characterized is that a) a hydrogel containing at least one synthetic polymer and at least one natural polymer is provided b) an electric field is applied to the hydrogel, c) a structuring of the hydrogel is induced, in particular under Formation of pores in the hydrogel, d) the hydrogel of a drying measure and e) the dried hydrogel by chemical and / or physical measures to form the composite material sterilized and crosslinked. Advantageous embodiments of the methodology result from the subclaims presented below 2 to 22.
Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren ein Kompositmaterial, das nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 22 erhältlich ist. Die nachfolgenden Unteransprüche 24 bis 30 beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kompositmaterials.object The invention is further a composite material, which after the Process of claims 1 to 22 is available. The following subclaims 24 to 30 relate to advantageous embodiments of the invention Composite material.
Ferner ist dem vorliegenden Erfindungskomplex zuzuordnen die Verwendung des bezeichneten Kompositmaterials als Träger für biologische Zellen, insbesondere für menschliche, tierische oder pflanzliche Zellen, oder auch als Gewebeersatz im menschlichen oder tierischen Körper.Further is attributable to the present invention complex the use of the designated composite material as a carrier for biological cells, in particular for human, animal or plant cells, or as a tissue replacement in the human or animal body.
Die
Erfindung wird nachfolgend detailliert beschrieben:
Ausgangspunkt
der Erfindung gemäß der oben bezeichneten Maßnahme
a) ist ein Hydrogel. Was darunter im Rahmen der Erfindung zu verstehen
ist, wurde vorstehend bereits im Zusammenhang mit dem Stand der
Technik nach der
The starting point of the invention according to the above-described measure a) is a hydrogel. What is meant by this in the context of the invention has already been described in connection with the prior art according to the
Im
Lichte der vorstehenden Darstellungen zu dem terminus technicus ”Hydrogel” ist
die vorliegende Erfindung dahingehend zu verstehen, dass das Hydrogel
nicht nur mindestens ein natürliches Polymer einbezieht,
sondern noch mindestens ein synthetisches Polymer enthält.
Der Fachmann wird dieses Hydrogel aus synthetischem Polymer und
natürlichem Polymer in fachmännischer Weise bereitstellen.
So kann er beispielsweise das synthetische Polymer und das natürliche
Polymer in geeigneter Weise vormischen, um dann durch Wasserzugabe,
beispielsweise gemäß den Vorgaben der
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass bei der beschriebenen Maßnahme a) das Hydrogel dadurch bereitgestellt wird, dass das mindestens eine synthetische Polymer und das mindestens eine natürliche Polymer bei geeigneter Temperatur, insbesondere in dem Temperaturbereich von etwa 30°C bis 100°C, vorzugsweise von etwa 40°C bis 70°C und insbesondere von etwa 50°C bis 65°C, in Wasser gelöst oder vermengt werden und das Gemisch danach so weit abgekühlt wird, bis sich der Gelzustand einstellt. Bei der Verwirklichung der vorliegenden Erfindung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn als synthetisches Polymer Polyglykolsäure, Comonomere der Milchsäure und der Glykolsäure, Poly-ε-Caprolacton, Poly(β-hydroxybutyrat), Poly(p-dioxanon). und/oder Polyanhydride verwendet werden. Das synthetische Polymer kann vorteilhafterweise als Pulver oder Granulat eingesetzt werden und ist insbesondere ein durch Mahl-/Mischprozesse homogen in einer wässrigen Phase dispergierbares Pulver.An advantageous embodiment of the method according to the invention is that in the described measure a) the hydrogel is provided by the at least one synthetic polymer and the at least one natural polymer at a suitable temperature, in particular in the temperature range from about 30 ° C to 100 ° C, preferably from about 40 ° C to 70 ° C and especially from about 50 ° C to 65 ° C, are dissolved or mixed in water and the mixture is then cooled until the gel state sets. In the practice of the present invention, it has proven to be expedient if polyglycolic acid, comonomers of lactic acid and glycolic acid are used as the synthetic polymer re, poly-ε-caprolactone, poly (β-hydroxybutyrate), poly (p-dioxanone). and / or polyanhydrides are used. The synthetic polymer can advantageously be used as a powder or granules and, in particular, is a powder dispersible homogeneously in an aqueous phase by milling / mixing processes.
Unabhängig von den oben beschriebenen synthetischen Polymeren lassen sich unbeschränkt und vorteilhaft folgende Substanzen als natürliches Polymer einsetzen lassen: Proteine, insbesondere Collagen, Gelatine, Fibrin, Fibrinogen, Albumin, Seidenproteine und/oder Kasein und/oder Polysaccharide, insbesondere Chitin, Chitosan, Cellulose und/oder Alginate.Independently Of the above-described synthetic polymers, they can be unlimited and advantageously the following substances as a natural polymer can be used: proteins, especially collagen, gelatin, fibrin, Fibrinogen, albumin, silk proteins and / or casein and / or polysaccharides, in particular chitin, chitosan, cellulose and / or alginates.
Dem
Fachmann steht es frei, aus den Gruppen der bezeichneten synthetischen
und/oder natürlichen Polymeren für den jeweiligen
Anwendungsfall die geeignete Kombination auszuwählen. Als
besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn als synthetisches
Polymer Polylaktid-co-Glycolid und als natürliches Polymer Gelatine
eingesetzt werden. Hier wird der Fachmann in geeigneter Weise den
zweckmäßigen Polymerisationsgrad oder andere wesentliche
Eigenschaften ermitteln. So hat es sich gezeigt, dass eine Gelfestigkeit
der herangezogenen Gelatine nach Bloom (
Das vorteilhafte Gewichtsverhältnis zwischen dem zur Herstellung des Hydrogels eingesetzten synthetischen Polymers und natürlichen Polymeren kann, je nach in Betracht gezogener Verwendung des fertigen Kompositmaterials ermittelt werden. Bevorzugt ist es, wenn auf einen Gewichtsteil synthetisches Polymer etwa 1 bis 10, insbesondere etwa 4 bis 6 Gewichtsteile natürliches Polymer eingesetzt werden.The advantageous weight ratio between that for the production of the hydrogel used synthetic polymer and natural Polymer may, depending on the contemplated use of the finished composite material be determined. It is preferred if on a part by weight synthetic polymer about 1 to 10, especially about 4 to 6 parts by weight natural polymer can be used.
In Übereinstimmung
mit dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik nach der
Den beiden oben bezeichneten Maßnahmen a) und b) schließt sich eine Maßnahme c) an, bei der eine Strukturierung des Hydrogels induziert wird, insbesondere unter Ausbildung von Poren, einschließlich Porenkanäle. Dem Fachmann ist es unter Berücksichtigung des eingangs geschilderten Standes der Technik geläufig, wie eine Strukturierung erzeugt werden kann. Insbesondere handelt es sich um die Maßnahme des Einfrierens des Hydrogels. Bevorzugt erfolgt die Einfriermaßnahme des Hydrogels in einer gerichteten Weise, so dass die Ausbildung von Eiskristallen zellular und/oder dendritisch strukturiert erfolgt, und/oder auf eine Art, die durch physikalische Gesetze bei der Erstarrung wasserhaltiger Substanzen vorgegeben ist. Der Einfrierschritt kann auch ungerichtet erfolgen. Ein Beispiel für ein ungerichtetes Einfrieren ist ein sehr schnelles Erstarren (Schockgefriervorgang), beispielsweise über einen Zeitraum von etwa 1 s–180 s, vorzugsweise von etwa 50 bis 70 s, die zu einem amorphen glasartigen Zustand des Hydrogels führt.The both above measures a) and b) concludes a measure c), in which a structuring of the Hydrogels is induced, in particular to form pores, including pore channels. It is the expert taking into account the initially described state It is well known in the art how to create a structuring can. In particular, it is the measure of Freezing the hydrogel. The freezing measure preferably takes place of the hydrogel in a directional way, so that the training of cellular and / or dendritic structured ice crystals, and / or in a way governed by physical laws in solidification water-containing substances is given. The freezing step can also undirected. An example of an undirected one Freezing is a very fast solidification (shock freezing process), for example over a period of about 1 s-180 s, preferably from about 50 to 70 s, resulting in an amorphous vitreous Condition of the hydrogel leads.
In Einzelfällen ist es vorteilhaft, wenn die oben beschriebenen Maßnahmen b) und c) zeitlich überlagert durchgeführt werden. Dabei können die Maßnahmen b) und c) zeitlich zusammenfallen, aber auch voneinander getrennt nacheinander oder so durchgeführt werden, dass eine der beiden Maßnahmen nach Beginn der jeweiligen anderen Maßnahme durchgeführt wird, ohne dass die andere Maßnahme bereits abgeschlossen ist.In In some cases, it is advantageous if the ones described above Measures b) and c) performed superimposed over time become. The measures b) and c) can be timed coincide, but also separated one after the other or be carried out so that one of the two measures after the start of each other's action will be completed without the other measure being completed is.
Es kann auch zweckmäßig sein, wenn das Hydrogel vor der Durchführung der Maßnahmen b) und/oder c) als Schicht ausgebildet wird, die dann den Maßnahmen b) und/oder c) unterzogen wird. Diese Schicht kann nach Durchführung der Maßnahmen b) und c) des Verfahrens aufgerollt werden.It may also be appropriate if the hydrogel before the implementation of measures b) and / or c) is formed as a layer, which then the measures b) and / or c). This layer can after performing of measures b) and c) of the procedure.
Den oben beschriebenen Maßnahmen a) bis c) folgt eine Trocknungsmaßnahme d). Auch hier kann rein fachmännisch vorgegangen werden, beispielsweise kann durch Beströmen mit Luft der erforderliche Trocknungsgrad eingestellt werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Trocknungsmaßnahme d) in Form einer Gefriertrocknung vorgenommen wird. Es hat sich gezeigt, dass dem Gefriertrocknen zweckmäßigerweise ein Einfrieren des Hydrogels bei einer Temperatur von etwa –1°C bis –196°C, insbesondere im Bereich von etwa –10°C bis –100°C, vorangeht, das insbesondere während einer Zeitdauer von etwa 30 Minuten bis zu etwa 4 Stunden erfolgt. Nachdem das Material weitgehend eingefroren ist, schließt sich dann die Gefriertrocknung an. Diese beträgt in der Regel etwa 1 bis 7 Tage, insbesondere etwa 2 bis 4 Tage. Dem Fachmann ist es geläufig, dass das Gefriertrocknen stets durch eine Sublimation der flüchtigen Bestandteile erfolgt.The measures a) to c) described above are followed by a drying measure d). Here, too, can be proceeded purely expert, for example, can be adjusted by purging with air the required degree of drying. It has proven to be particularly advantageous if the drying measure d) is carried out in the form of a freeze-drying. It has been shown that the freeze-drying expediently a freezing of the hydrogel at a temperature of about -1 ° C to -196 ° C, esp In the range of about -10 ° C to -100 ° C, in particular, which takes place during a period of about 30 minutes to about 4 hours. After the material is largely frozen, then joins the freeze-drying. This is usually about 1 to 7 days, especially about 2 to 4 days. It is well known to those skilled in the art that freeze-drying always takes place by sublimation of the volatile constituents.
Um erfindungsgemäß ein für den beschriebenen Anwendungszweck geeignetes Kompositmaterial bereitzustellen, ist es erforderlich, die bezeichnete Maßnahme e) durchzuführen. Das getrocknete Hydrogel soll dabei durch chemische und/oder physikalische Maßnahmen sterilisiert und vernetzt werden. Der jeweils eingestellte Vernetzungsgrad bestimmt bei den verschiedenen Anwendungsfällen die gewünschte Stabilität. Es ist allerdings vorteilhaft, wenn die Vernetzung und die Sterilisierung zumindest überlappend oder insbesondere gleichzeitig erfolgen. Die Mehrzahl der nachfolgend beschriebenen Maßnahmen stellt diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sicher. So ist es in jedem Fall von Vorteil, wenn die Maßnahme e) nicht nur zu der gewünschten Vernetzung, sondern auch zu der erforderlichen Sterilisierung führt. Dies lässt sich gewährleisten, wenn die Maßnahme e) eine Trockenhitzebehandlung ist, die bei einer Temperatur von mehr als etwa 130°C erfolgt. Besonders wird es bevorzugt, dass die Trockenhitzebehandlung bei einer Temperatur von mehr als etwa 140°C und/oder weniger als etwa 200°C durchgeführt wird. Die Zeitdauer der Trockenhitzebehandlung hat einen Einfluss auf den Grad der Sterilisierung und Vernetzung. Im Allgemeinen ist es bevorzugt, wenn die Trockenhitzebehandlung während einer Zeitdauer von mindestens etwa 8 Stunden, insbesondere von mindestens etwa 24 Stunden, durchgeführt wird. Hierbei werden auch hitzeresistente Pathogene in wünschenswerter Weise abgetötet.Around According to the invention for the described Application is to provide suitable composite material, is it is necessary to carry out the designated action (e). The dried hydrogel should by chemical and / or physical Measures sterilized and networked. The respectively set degree of crosslinking determined in the various applications the desired stability. It is, however, advantageous if the networking and sterilization at least overlapping or in particular at the same time. The majority of the following described measures provides this advantageous embodiment the invention safe. So it is in any case advantageous if the measure e) not only to the desired networking, but also leads to the required sterilization. This can be guaranteed if the measure e) is a dry heat treatment, which at a temperature of more than about 130 ° C takes place. Especially it is preferred that the dry heat treatment at a temperature of more than about 140 ° C and / or less than about 200 ° C performed becomes. The duration of the dry heat treatment has an influence on the degree of sterilization and networking. In general it is preferred if the dry heat treatment during a Duration of at least about 8 hours, in particular of at least about 24 hours, is performed. Here are also heat resistant pathogens are desirably killed.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Maßnahme e) zur Durchführung der Sterilisierung und des Vernetzens besteht darin, ionisierende Strahlen einwirken zu lassen, insbesondere UV-Strahlen, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und/oder Elektronen-/Ionenstrahlen. Hierbei ist fachmännisch die geeignete Strahlenintensität einstellbar, da auch diese eine Auswirkung auf den erzielten Grad der Sterilisierung und der Vernetzung hat. In Einzelfällen kann es zweckmäßig sein, die bezeichnete Maßnahme e) zur Sterilisierung und Vernetzung chemisch durchzuführen. Dies kann insbesondere durch Behandlung mit einem Aldehyd und/oder Keton erfolgen, insbesondere mit Formaldehyd. Es kann auch zweckmäßig sein, die Maßnahme e) in Form einer Kombination von einer chemischen Behandlung und. einer Behandlung mit ionisierenden Strahlen vorzunehmen. Bei der chemischen Behandlung ist zu bedenken, dass in dem vernetzten Material toxische Verunreinigungen verbleiben können. Dies macht im Allgemeinen eine nachfolgende Maßnahme des Entfernens solcher Verunreinigungen erforderlich. Dies kann beispielsweise im Falle des Einsatzes von Formaldehyd als chemisches Vernetzungsmittel dadurch erfolgen, dass anschließend mehrmals mit steriler Kochsalzlösung (beispielsweise etwa 1%-ig) gewaschen wird, um die Aldehydreste aus dem getrockneten Hydrogel zu entfernen.A Another particularly advantageous embodiment of the measure e) for sterilization and crosslinking is to let act ionizing radiation, in particular UV rays, X-rays, gamma rays and / or electron / ion beams. In this case, the appropriate radiation intensity is expertly adjustable, as these also have an effect on the achieved degree sterilization and networking. In individual cases it may be appropriate, the designated measure e) to perform chemical sterilization and crosslinking. This can be done in particular by treatment with an aldehyde and / or ketone take place, in particular with formaldehyde. It may also be appropriate be the measure e) in the form of a combination of a chemical treatment and. a treatment with ionizing radiation make. With the chemical treatment is to be considered that remain in the crosslinked material toxic impurities can. This generally makes a subsequent action the removal of such impurities required. This can for example, in the case of the use of formaldehyde as a chemical Crosslinking agent carried out by subsequently several times with sterile saline (for example, about 1%) is washed to the aldehyde residues from the dried hydrogel to remove.
Der Fachmann erkennt ohne Weiteres, dass die angesprochene Vernetzung innerhalb mindestens einer Polymerkomponente zu kovalenten Bindungen zwischen einzelnen Polymermolekülen führt. Es ist vorteilhaft, wenn eine Vernetzung nicht nur innerhalb der einzelnen Polymerkomponenten erfolgt, sondern auch zwischen den unterschiedlichen Polymerkomponenten. Dazu können die synthetischen und natürlichen Polymere so zusammengestellt werden, dass eine solche Vernetzung möglich ist. Beispielsweise tragen beide Polymere der oben als vorteilhaft bezeichneten Kombination von Gelatine und Polylactid-co-glycolid reaktive Gruppen, die unter Bildung von Ester- und/oder Amid-Verknüpfungen reagieren können. Eine Vernetzung innerhalb der Polymerkomponenten ist keineswegs zwingend erforderlich. So kann die eine nicht reagierende Komponente, beispielsweise durch Bildung einer Schmelzphase bei einem thermischen Prozessschritt, zu einer Stabilisierung des Kompositmaterials beitragen. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die zweite Komponente sowohl als reagierende Komponente als auch als nicht reagierende Komponente zur Stabilisierung des Kompositmaterials beiträgt.Of the The expert readily recognizes that the addressed networking within at least one polymer component to form covalent bonds between individual polymer molecules leads. It is beneficial if networking not only within the individual Polymer components takes place, but also between the different Polymer components. These can be synthetic and natural Polymers are formulated so that such crosslinking is possible. For example, both polymers carry the above referred to as beneficial combination of gelatin and polylactide-co-glycolide reactive groups resulting in the formation of ester and / or amide linkages can react. A crosslinking within the polymer components is by no means absolutely necessary. So one can not react Component, for example, by forming a melt phase at a thermal process step, to stabilize the composite material contribute. Of particular advantage is when the second component both as a reacting component and as an unresponsive one Component contributes to the stabilization of the composite material.
In Einzelfällen kann es zweckmäßig sein, wenn das nach der Maßnahme d) anfallende Material vor dem Verfahrensschritt e) verpackt und versiegelt wird und es während der Durchführung des Verfahrensschritts e) in der Verpackung verbleibt. Dies hat den Vorteil, dass eine Kontaminierung des Materials bei einem späteren Verfahrensschritt vermieden werden kann.In Individual cases, it may be appropriate if the material resulting from measure d) is removed before the Process step e) is packaged and sealed and it during the implementation of the process step e) in the packaging remains. This has the advantage of a contamination of the material can be avoided in a later step.
Schließlich
lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren,
auch im Hinblick auf das wünschenswerte Verfahrenserzeugnis
in Form des bezeichneten Kompositmaterials, dadurch vorteilhaft
steuern, dass in Übereinstimmung mit der Offenbarung der
Neben den oben beschriebenen Bestandteilen können noch weitere Bestandteile zur Ausbildung des Kompositmaterials in Frage kommen, wenn irgendeine besondere Eigenschaft durch die Einbeziehung eines solchen Bestandteils in dem Fertigerzeugnis eingestellt werden soll. So kann es in Einzelfällen vorteilhaft sein, wenn bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Bestandteil einbezogen wird, der elektrisch leitfähig ist. Sollte ein solcher Bestandteil einbezogen werden, so könnte auch dieser bei Anlegen eines elektrischen Feldes an das Hydrogel ausfallen und eine feste Phase bilden.Next The components described above may have more Components for forming the composite material come into question, if any special property by the inclusion of such Ingredient in the finished product. So It may be advantageous in individual cases, if at the Implementation of the method according to the invention a component is included that is electrically conductive is. Should such an ingredient be included, it could also this when applying an electric field to the hydrogel fail and form a solid phase.
Die bezeichneten weiteren Bestandteile sollten in dem letztlich vernetzten und sterilisierten Hydrogel in Form des Kompositmaterials möglichst homogen verteilt sein. In Einzelfällen stört eine inhomogene Verteilung nicht.The The other ingredients should be in the ultimately networked and sterilized hydrogel in the form of the composite material as possible be distributed homogeneously. In some cases disturbs one inhomogeneous distribution not.
Wie bereits ausgeführt, ist Gegenstand der Erfindung auch ein Kompositmaterial, das in Übereinstimmung mit dem vorstehend detailliert beschriebenen Verfahren gemäß der Erfindung erhältlich ist. Die Strukturierung des in das Kompositmaterial übergegangenen Hydrogels erweist sich insbesondere darin, dass das Kompositmaterial Poren und/oder Kanäle bzw. Porenkanäle aufweist. Bevorzugt wird es, an einer kristallinen und/oder amorphen festen Phase gebunden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der bezeichneten kristallinen und/oder amorphen festen Phase um eine Calciumverbindung, wie bereits oben aufgeführt.As already stated, the invention is also a Composite material made in accordance with the above described in detail in accordance with the Invention is available. The structuring of the into the Composite material of overgrown hydrogel turns out in particular in that the composite material pores and / or channels or having pore channels. It is preferred, at a bonded crystalline and / or amorphous solid phase. At a preferred embodiment of the invention is in the designated crystalline and / or amorphous solid phase to a calcium compound, as mentioned above.
Der Durchmesser der bezeichneten Poren bzw. Porenkanäle ist nicht von kritischer Bedeutung. Vorteilhafterweise beträgt der Durchmesser der Poren bzw. der Kanäle etwa 50 bis 500 μm, insbesondere 150 bis 300 μm. Wenn hier von ”Porengröße” im Zusammenhang mit den Porenkanälen bzw. Kanälen gesprochen wird, dann soll darunter der mittlere Porenkanaldurchmesser verstanden werden.Of the Diameter of the designated pores or pore channels not critical. Advantageously the diameter of the pores or channels is about 50 to 500 μm, in particular 150 to 300 microns. If here of "pore size" in the Connection with the pore channels or channels is spoken, then below the mean pore channel diameter be understood.
Um den übergeordneten Erfindungszweck zu erfüllen, nämlich das in obiger Weise hergestellte Kompositmaterial gemäß der Erfindung als Medizinprodukt einzusetzen, kann das Kompositmaterial ohne weitere Modifikationen verwendet werden. Es ist zweckmäßig, wenn das Kompositmaterial gemäß der Erfindung in seinen Poren und/oder Kanälen bzw.Around to fulfill the overall purpose of the invention, namely, the composite material prepared in the above manner to use according to the invention as a medical device, The composite material can be used without further modifications become. It is useful if the composite material according to the invention in its pores and / or channels respectively.
Porenkanälen eine das Zellwachstum, die Zellansiedlung und/oder die Zelladhäsion fördernde Substanz enthält. Die Einbeziehung solcher Substanzen erfolgt vorteilhafterweise wie folgt: Die einzubringende Substanz wird in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst bzw. dispergiert. Mit dieser Lösung wird das trockene Kompositmaterial, das Poren- bzw. Kanal Struktur aufweist, durchtränkt. Anschließend erfolgt ein Gefriertrocknen des durchtränkten Kompositmaterials, so dass die eingebrachte Substanz im Kompositmaterial verbleibt.pore channels cell growth, cell colonization and / or cell adhesion contains promotional substance. The inclusion of such Substances are advantageously carried out as follows: The substance to be introduced is dissolved in a suitable solvent or dispersed. With this solution, the dry composite material, having the pore or channel structure, impregnated. Subsequently a freeze-drying of the impregnated composite material, so that the introduced substance remains in the composite material.
Es ist bevorzugt, dass die mindestens eine das Zellwachstum, die Zellansiedlung und/oder die Zelladhäsion fördernden Substanz ein Wachstumsfaktor oder ein aus humanem oder tierischem Blutserum erzeugtes Serum, bevorzugt ein aus tierischem Blutserum erzeugtes Serum, insbesondere ein aus Kälberblut erzeugtes Serum, oder Poly-L-Lysin ist. Der Wachstumsfaktor wird insbesondere aus der aus Substanzen der TGF-β Superfamilie, insbesondere TGF-β1, bestehenden Gruppe ausgewählt. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die mindestens eine das Zellwachstum, die Zellansiedlung und/oder die Zelladhäsion fördernde Substanz ein Serum ist, insbesondere autogenen, synergenen, allogenen oder xenogenen Ursprungs. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Kompositmaterial biologische Zellen, insbesondere menschliche, tierische und/oder pflanzliche Zellen enthält.It it is preferred that the at least one of cell growth, cell colonization and / or the cell adhesion promoting substance a growth factor or human or animal blood serum serum produced, preferably one produced from animal blood serum Serum, in particular serum derived from calf blood, or poly-L-lysine. The growth factor will be particular derived from substances of the TGF-β superfamily, in particular TGF-β1, existing group selected. Of special Advantage is it, if the at least one the cell growth, the Zellansiedlung and / or the cell adhesion promoting substance is a serum is, in particular, autogenic, synergenic, allogenic or xenogeneic Origin. Furthermore, it is advantageous if the inventive Composite material biological cells, especially human, animal and / or vegetable cells.
Das oben im Einzelnen dargestellte erfindungsgemäße Kompositmaterial ist, der eingangs gestellten Aufgabe folgend, als Träger für biologische Zellen, insbesondere menschliche, tierische oder pflanzliche Zellen, geeignet. Hier lassen sich als bevorzugte Zellen konkret bezeichnen: Knorpelzellen, Knochenzellen, Zellen des Blutsystems, Haut und Nervengewebe.The above detailed according to the invention Composite material is, the task initially stated as Carriers for biological cells, in particular human, animal or plant cells, suitable. Here can be as specifically designate preferred cells: cartilage cells, bone cells, Cells of the blood system, skin and nerve tissue.
Von besonderem Vorteil ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Kompositmaterials als Gewebeersatz im menschlichen oder tierischen Körper. Unter Gewebeersatz fallen insbesondere die Anwendungen zur Heilung von Defekten im Bereich des Gelenkknorpels, des Knochens, der Haut und der Nervengewebe. Insbesondere ist das beschriebene Material zur Unterstützung der Knorpelbildung in vivo und in vitro geeignet und kann mit Vorteil bei Mosaikplastiken am Knie, der Hüfte und/oder dem Meniskus eingesetzt werden. Weiterhin kann das beschriebene Material, gegebenenfalls in Kombination mit einem Pflaster, vorteilhaft als blutstillendes Material herangezogen werden. Dabei ist es zweckmäßig, wenn als natürliches Polymer Collagen verwendet wird, weil dieses nicht wie andere Produkte sauer abgebaut wird.Of particular advantage is the use of the composite material according to the invention as a tissue replacement in the human or animal body. Tissue replacement particularly includes the applications for the healing of defects in the area of the articular cartilage, the bone, the skin and the nerve tissue. In particular, the described material is suitable for supporting cartilage formation in vivo and in vitro and may be used to advantage in mosaic sculptures on the knee, hip and / or meniscus. Furthermore, the described material, optionally in combination with a plaster, can advantageously be used as hemostatic material. It is expedient if collagen is used as the natural polymer because it is not decomposed sour like other products.
Es erweist sich somit, dass die Erfindung, wie sie oben in verschiedenen Ausführungsformen dargestellt wird, die gestellte Aufgabe in vorzüglicher Weise löst. Die dabei insbesondere herausgestellte Stabilisierung, abgestimmt auf den jeweiligen Anwendungszweck, lässt sich wünschenswert steuern. Dies geht insbesondere auf das im Ausgangs-Hydrogel zusätzlich enthaltene synthetische Polymer zurück. Hier hat nicht nur das synthetische Polymer als solches Einfluss, sondern auch, wie ohne Weiteres erkennbar, das gewählte Mengenverhältnis zwischen dem natürlichen und synthetischen Polymer. Weitere Möglichkeiten der Steuerung der für den jeweiligen Anwendungsfall gewünschten Eigenschaften des Kompositmaterials bestehen darin, dass insbesondere der erläuterte weitere Bestandteil in Form eines organischen Materials genutzt werden kann. Damit sind folgende Vorteile verbunden: Kombination einer natürlichen Materialkomponente mit optimal auf den zu heilenden Defekt bereits vorhandenen Eigenschaften mit einer synthetischen Materialkomponente mit sehr gezielt einstellbarem Eigenschaftsprofil hinsichtlich Abbaurate und mechanischer Stabilität.It Thus, it turns out that the invention, as described above in various Embodiments is presented, the task set dissolves in an excellent way. The case in particular highlighted stabilization, adapted to the respective application, is desirable to control. This is especially true on the additionally contained in the starting hydrogel synthetic Polymer back. Not just the synthetic polymer as such an influence, but also, as can be readily seen, the chosen ratio between the natural and synthetic polymer. Other ways of controlling the desired for the particular application Properties of the composite material are that, in particular the explained further ingredient in the form of an organic Materials can be used. This has the following advantages: Combination of a natural material component with optimal on the defect to be cured already existing properties with one synthetic material component with very selectively adjustable Property profile in terms of degradation rate and mechanical stability.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines detaillierten Beispiels erläutert werden.The Invention will be described below with reference to a detailed example be explained.
Beispiel 1example 1
1. Herstellung einer homogenen Gelatine-Polylactid-co-glycolid (PLGA)-Lösung1. Preparation of a homogeneous gelatin-polylactide-co-glycolide (PLGA) solution
Für acht Kompositmaterialien (Scaffolds/Proben) werden jeweils etwa 5 ml Lösung benötigt. 1. Herstellung der Lösung: Dabei soll diese Lösung pro ml enthalten: 0,05 g Gelatine (50% Gew./Vol.), 0,01 g PLGA R503H (vertrieben von der Fa. Boehringer, Ingelheim, Deutschland), (1% Gew./Vol.) und 1,0 ml Wasser. Hierbei wird im Einzelnen wie folgt vorgegangen: Gelatine auf Wiegepapier abwiegen und in ein verschließbares 50 ml Gefäß geben. Wasser dazupipettieren und Gefäß zum Quellen der Gelatine 10 min in einen Schüttler geben. Falcon für 10–15 min in das 60°C warme Wasserbad stellen, bis die Gelatine aufgelöst ist. PLGA auf Wiegepapier abwiegen und in einen Mörser geben. 2–5 ml Gelatine-Lösung zugeben und mörsern, bis das PLGA sehr fein verteilt ist (mindestens 10 min). Die Lösung im Mörser eventuell im Wasserbad erwärmen und mit der 1 ml-Pipette in ein neues verschließbares Gefäß pipettieren. Das Gefäß mehrmals für etwa 5 sec in ein Ultraschall-Bad halten. Zwischendurch schütteln bzw. vortexen. Die fertige Lösung nach Bedarf im Wasserbad bei etwa 40°C erwärmen (jedoch nicht oberhalb von 50°C). Das verschließbare Gefäß gut abtrocknen, mit Isopropanol abwischen und zurück in den Schüttler stellen.For Eight composite materials (scaffolds / samples) are each about 5 ml solution needed. 1. Preparation of the solution: This solution should contain per ml: 0.05 g of gelatin (50% w / v), 0.01 g of PLGA R503H (sold by Boehringer, Ingelheim, Germany), (1% w / v) and 1.0 ml of water. in this connection Specifically, the procedure is as follows: gelatin on weighing paper Weigh and place in a closable 50 ml tube. Pipette water and container to swell Place gelatine in a shaker for 10 minutes. Falcon for Place in the 60 ° C water bath for 10-15 minutes, until the gelatin is dissolved. Weigh PLGA on weighing paper and put in a mortar. 2-5 ml gelatin solution Add and mortar until the PLGA is very finely distributed (at least 10 minutes). The solution in the mortar eventually Heat in a water bath and transfer to a new one with the 1 ml pipette Pipette the sealable container. The Tube several times for about 5 sec in an ultrasonic bath hold. Shake or vortex in between. The finished one Solution as needed in a water bath at about 40 ° C warm up (but not above 50 ° C). The lockable container dry well, Wipe with isopropanol and back into the shaker put.
2. Einfrieren der Scaffolds2. Freeze the scaffolds
Ein formgebendes Gefäß (Probenform), bestehend aus einem formgebenden Silikondeckel, einer Metallplatte und zwei Platinelektroden wird bereitgestellt und an geeignete Temperaturfühler angeschlossen. Die Elektrolysespannung wird auf 20 V eingestellt. Die Probenform wird anschließend mit der Gelatine-PLGA-Lösung so befüllt, dass ein Kontakt mit beiden Platinelektrode besteht und Elektrolyse ermöglicht. Zum Einfrieren wird ein Peltier-Element verwendet auf dem die Probenform aufliegt. Die Temperatur wird auf –5,5°C eingestellt. Danach wird die Temperatur so reduziert dass eine Abkühlung mit 0,1–0,3°C/min erreicht wird. Es wird die Elektrolyse-Spannung ausgeschaltet und die Anode entfernt. Nach vollständigem Einfrieren der Proben wird die Probenform-Form vom Peltier-Element entfernt. Die Proben werden vorsichtig aus der Probenform gelöst und für mindestens 4 h in einer Tiefkühltruhe (–80°C) in geeigneten Teflongefäßen gelagert.One forming vessel (sample form) consisting of a shaping silicone lid, a metal plate and two platinum electrodes is provided and connected to suitable temperature sensors. The electrolysis voltage is set to 20 V. The sample form is subsequently mixed with the gelatin-PLGA solution so filled that a contact with both platinum electrode exists and allows electrolysis. To freeze will a Peltier element is used on which the sample mold rests. The Temperature is set to -5.5 ° C. After that The temperature is reduced so that a cooling with 0.1-0.3 ° C / min is achieved. It becomes the electrolysis voltage turned off and the anode removed. After complete Freezing the samples becomes the sample shape of the Peltier element away. The samples are carefully detached from the sample mold and for at least 4 hours in a freezer (-80 ° C) in suitable Teflon vessels stored.
3. Gefriertrocknung3. Freeze-drying
Die Teflongefäße werden aus der Tiefkühltruhe entnommen und mit Autoklavierpapier abgedeckt, verschlossen und in einem Gefriertrockner (Modulyo, BOC Edwards, Großbritannien) für mindestens 3 Tage gefriergetrocknet.The Teflon tubes are removed from the freezer taken and covered with autoclaving paper, sealed and in a freeze drier (Modulyo, BOC Edwards, United Kingdom) freeze-dried for at least 3 days.
4. Sterilisation und Vernetzung der Scaffolds4. Sterilization and cross-linking of scaffolds
Die Scaffolds werden mit einem geeigneten Messer in etwa 8 × 2 mm große Zylinder zerschnitten und anschließend in einem Heißluftsterilisationsbeutel doppelt eingeschweißt. Die Beutel werden 24 Stunden lang bei einer Temperatur von 140°C im Trockenofen vernetzt und gelegt. Diese Behandlung führt zu der gewünschten Sterilisierung und Vernetzung.The Scaffolds are cut with a suitable knife in about 8 × 2 mm large cylinder cut and then double welded in a hot air sterilization bag. The bags are kept at a temperature of 140 ° C for 24 hours networked and laid in a drying oven. This treatment leads to the desired sterilization and crosslinking.
Beispiel 2 (Einbringen einer das Zellwachstum, die Zellansiedlung und/oder die Zelladhäsion fördernden Substanz)Example 2 (introduction of cell growth, promote cell colonization and / or cell adhesion Substance)
Poly-L-Lysin wird zusammen mit PLGA zermörsert und wie in Beispiel 1 zusammen mit der Gelatine-Lösung weiterverarbeitet. Durch den hohen Schmelzpunkt des Poly-L-Lysins (etwa 170°C) und der noch höheren Zersetzungstemperatur des Lysin-Monomers, wird von einer deutlichen Restaktivität ausgegangen.Poly-L-lysine is crushed together with PLGA and as in Example 1 further processed together with the gelatin solution. By the high melting point of poly-L-lysine (about 170 ° C) and the even higher decomposition temperature of the lysine monomer, is assumed to have a significant residual activity.
Beispiel 3 (Nachweis der Nicht-Toxizität von Gelatine und Gelatine-PLGA-basierendem Kompositmaterial)Example 3 (detection of non-toxicity gelatin and gelatin-PLGA based composite material)
Ein
gemäß Beispiel 1 hergestelltes Kompositmaterial,
wurde mit spezialisierten Zellen in einem externen, zertifizierten
und akkreditierten Prüflabor hinsichtlich der Zytotoxizität getestet
(Neutralrottest). Als Vergleich wurden Negativkontrollen und Positivkontrollen
verwendet. Die Reduktion der Zellvitalität liegt im Bereich
der Vorgaben der
- Anmerkung: Die Tabelle entspricht
1
- Note: The table is equivalent
1
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