DE102018129658A1 - Medical implant comprising magnesium and fibroin - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine biodegradierbare medizinische Implantatvorrichtung für Geweberekonstruktion umfassend Fibroin und eine Magnesiumquelle, wobei die Implantatvorrichtung eine dreidimensionale (3D) Gewebestützstruktur hat. Die Erfindung umfasst ferner diese Implantatvorrichtung, die mit einer Zellpopulation gefüllt ist. Letztlich betrifft die Erfindung eine Methode zur Herstellung des erfindungsgemäßen Implantats.The invention relates to a biodegradable medical implant device for tissue reconstruction comprising fibroin and a magnesium source, the implant device having a three-dimensional (3D) tissue support structure. The invention also includes this implant device which is filled with a cell population. Ultimately, the invention relates to a method for producing the implant according to the invention.
Description
Gebiet der Erfindung:Field of the Invention:
Die Erfindung betrifft eine biodegradierbare medizinische Implantatvorrichtung für Geweberekonstruktion umfassend Fibroin und eine Magnesiumquelle, wobei die Implantatvorrichtung eine dreidimensionale (3D) Gewebestützstruktur hat. Die Erfindung umfasst ferner diese Implantatvorrichtung, die mit einer Zellpopulation gefüllt ist. Letztlich betrifft die Erfindung eine Methode zur Herstellung des erfindungsgemäßen Implantats.The invention relates to a biodegradable medical implant device for tissue reconstruction comprising fibroin and a magnesium source, the implant device having a three-dimensional (3D) tissue support structure. The invention also includes this implant device which is filled with a cell population. Ultimately, the invention relates to a method for producing the implant according to the invention.
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
In einer alternden Gesellschaft werden die Regeneration und die Geweberekonstruktion immer wichtiger. In Deutschland leiden beispielsweise rund 9 Millionen Menschen unter Knorpelschäden oder Arthrose und 2,5 Millionen Diabetiker benötigen Gewebetransplantate. Obwohl die plastische Chirurgie verbesserte Operationstechniken entwickelt hat, ist die bis heute begrenzte Verfügbarkeit der endogenen Transplantate der Hauptengpass für die Anwendung dieser Techniken. Ein vielversprechender Ansatz zur Geweberekonstruktion ist die Verarbeitung von Materialien zu komplexen Stützstrukturen, die eine spezifische Erzeugung von verschiedenen Gewebetypen auf der Basis von Stammzellen oder Progenitorzellen ermöglichen. Die Verarbeitung von tierischem Gewebe, welches als Alternativstrategie eingesetzt wird, ist hingegen sehr kostspielig und mit ethischen Einwänden belastet.In an aging society, regeneration and tissue reconstruction are becoming increasingly important. In Germany, for example, around 9 million people suffer from cartilage damage or arthrosis and 2.5 million diabetics need tissue grafts. Although plastic surgery has developed improved surgical techniques, the limited availability of endogenous grafts is the main bottleneck for the use of these techniques. A promising approach to tissue reconstruction is the processing of materials into complex support structures that enable specific generation of different tissue types based on stem cells or progenitor cells. The processing of animal tissue, which is used as an alternative strategy, on the other hand, is very expensive and burdened with ethical objections.
Darüber hinaus beeinträchtigen viele Materialien, die in der Geweberekonstruktion genutzt werden, die rasche Vaskularisierung der implantierten Zellen oder des Gewebes, sodass das neu generierte Gewebe stirbt, bevor die neuen Gefäßstrukturen einen ausreichenden Nährstofftransport und die physiologische Integrität des Gewebes ermöglichen.In addition, many materials used in tissue reconstruction interfere with the rapid vascularization of the implanted cells or tissue, causing the newly generated tissue to die before the new vascular structures allow adequate nutrient transport and the physiological integrity of the tissue.
Die aktuellen Implantatvorrichtungen sind auf bestimmte Gewebe beschränkt. Speziell für Muskelgewebe ist keine synthetische Stützstruktur verfügbar, die die Erzeugung eines solch komplexen Gewebes zulässt.Current implant devices are limited to certain tissues. There is no synthetic support structure available specifically for muscle tissue that allows the production of such complex tissue.
Die Auslegung optimierter Implantate für die Geweberekonstruktion wird durch die Tatsache behindert, dass das Implantat verschiedene komplexe Anforderungen kombinieren soll. Zuerst soll es zum Zeitpunkt der Implantation eine ausreichend stabile Stützstruktur aufweisen, sollte jedoch idealerweise biodegradierbar sein, sodass die kleiner werdenden Implantatstrukturen durch die endogen regenerierten Gewebestrukturen ersetzt werden. Zweitens sollten die Materialien und die daraus aufgebauten Strukturen ein gutes Substrat für die Besiedelung, das Wachstum und/oder die Differenzierung von biologischen Zellen ermöglichen. Drittens sollten die Materialien ungiftig und nicht-immunogen sein. Viertens sollte das Implantat die Regeneration von unterschiedlichen Geweben ermöglichend in unterschiedlichen pathologischen Zuständen nutzbar sein. Die Implantate des Standes der Technik erfüllen diese Anforderungen nur teilweise und haben Nachteile bezüglich einer oder mehreren dieser Anforderungen.The design of optimized implants for tissue reconstruction is hampered by the fact that the implant should combine different complex requirements. First, it should have a sufficiently stable support structure at the time of implantation, but should ideally be biodegradable, so that the implant structures, which are becoming smaller, are replaced by the endogenously regenerated tissue structures. Secondly, the materials and the structures built from them should enable a good substrate for the colonization, growth and / or differentiation of biological cells. Third, the materials should be non-toxic and non-immunogenic. Fourth, the implant should enable the regeneration of different tissues to be used in different pathological conditions. The prior art implants only partially meet these requirements and have disadvantages with respect to one or more of these requirements.
Daher besteht weiterhin Bedarf an verbesserten medizinischen Implantatvorrichtungen für die Geweberekonstruktion. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Implantatvorrichtung bereitzustellen, welche mindestens einen der oben genannten Nachteile überwindet.Therefore, there is still a need for improved medical implant devices for tissue reconstruction. The aim of the present invention is therefore to provide an implant device which overcomes at least one of the disadvantages mentioned above.
Dieses Problem wird durch die Bereitstellung einer biodegradierbaren Implantatvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Spezifische Ausführungsformen sind Gegenstand weiterer unabhängiger Ansprüche.This problem is solved by the provision of a biodegradable implant device according to
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine biodegradierbare medizinische Implantatvorrichtung für die Geweberekonstruktion bereit, welche eine dreidimensionale (3D-)Gewebestützstruktur umfasst, umfassend (i) Fibroin und (ii) Magnesium, ein Magnesiumsalz oder eine Magnesiumlegierung.In a first aspect, the present invention provides a biodegradable medical implant device for tissue reconstruction which comprises a three-dimensional (3D) tissue support structure comprising (i) fibroin and (ii) magnesium, a magnesium salt or a magnesium alloy.
Die medizinische Implantatvorrichtung der vorliegenden Erfindung hat mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Implantatvorrichtungen.The medical implant device of the present invention has several advantages over conventional implant devices.
Fibroin und Magnesium sind beide nicht-toxische und nicht-immunogene Materialien, wodurch sie ein ausreichendes Sicherheitsprofil aufweisen.Fibroin and magnesium are both non-toxic and non-immunogenic materials, which means that they have an adequate safety profile.
Fibroin eignet sich aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften besonders als Stützstruktur für die Geweberegeneration und die Geweberekonstruktion. Dabei sind seine Festigkeit, welche mit der von Kevlar vergleichbar ist, und seine hohe Elastizität zusammen mit seiner ausgezeichneten Biokompatibilität und niedrigen Immunogenität die Schlüsseleigenschaften für seinen Einsatz als Implantatmaterial. Außerdem kann sich Fibroin von selbst zu mechanisch robusten Materialstrukturen zusammenfügen, die auch biodegradierbar sind. Due to its unique properties, Fibroin is particularly suitable as a support structure for tissue regeneration and tissue reconstruction. Its strength, which is comparable to that of Kevlar, and its high elasticity together with its excellent biocompatibility and low immunogenicity are the key properties for its use as an implant material. In addition, Fibroin can self-assemble into mechanically robust material structures that are also biodegradable.
Darüber hinaus können Fibroin und Magnesium als biodegradierbare Materialien von dem Organismus zeitgleich mit der Rekonstruktion des Gewebes an der Implantationsstelle degradiert werden. Dies stellt einen wichtigen klinischen Vorteil dar, da die zweite Operation zur Entfernung des Implantates nicht notwendig ist, nachdem die operierten Geweberegionen geheilt sind. Da die Anwendung des resorbierbaren Implantates dieser Erfindung eine Operation zur Implantatentfernung vermeidet, hilft es, die Kosten und die Belastung für den Patienten zu verringern.In addition, fibroin and magnesium as biodegradable materials can be degraded by the organism at the same time as the tissue is reconstructed at the implantation site. This is an important clinical advantage since the second surgery to remove the implant is not necessary after the operated tissue regions have healed. Because the use of the resorbable implant of this invention avoids implant removal surgery, it helps reduce the cost and burden on the patient.
Durch die Verwendung von Magnesium ist es nicht notwendig, eine nicht resorbierbare Gewebestützstruktur z. B. hergestellt aus Titan zu verwenden.By using magnesium, it is not necessary to use a non-absorbable tissue support structure e.g. B. made of titanium to use.
Ein weiterer Vorteil des Magnesiums als Implantatmaterial ist die Tatsache, dass Magnesium ein natürlicher Körperbestandteil innerhalb des Körpers oder nach der Implantation ist und darüber hinaus viele wichtige Funktionen im Körper hat. Hierdurch führt seine Biodegradation zur Bildung von Mg2+ Kationen, die für mehrere Zelltypen nützlich sind, insbesondere für Nervenzellen und Knochenzellen.Another advantage of magnesium as an implant material is the fact that magnesium is a natural part of the body within the body or after implantation and also has many important functions in the body. As a result, its biodegradation leads to the formation of Mg 2+ cations, which are useful for several cell types, in particular for nerve cells and bone cells.
Die auf Fibroin-Mg basierende Komposit-Struktur der vorliegenden Implantatvorrichtung ermöglicht es humanen Stammzellen, insbesondere mesenchymale Stammzellen, in unterschiedliche Gewebetypen zu differenzieren und innerhalb der 3D-Stützstruktur zu einem großlumigen Gewebeersatz heranzuwachsen. Es gibt auch neue Ansätze zur Herstellung von Fibroin z. B. in genmanipulierten Pflanzen wie der Kartoffel.The fibroin-Mg-based composite structure of the present implant device enables human stem cells, in particular mesenchymal stem cells, to be differentiated into different tissue types and to grow into a large-volume tissue replacement within the 3D support structure. There are also new approaches to making fibroin e.g. B. in genetically modified plants such as the potato.
Als Nebenprodukt der kommerziellen Seidenproduktion in der Textilindustrie hat Fibroin eine unbegrenzte Verfügbarkeit und verglichen mit anderen synthetischen Materialien reduzierte Produktionskosten, sodass es sich im Kontext des Lebenszyklus-Managements um ein überlegenes Material handelt.As a by-product of commercial silk production in the textile industry, Fibroin has unlimited availability and reduced production costs compared to other synthetic materials, making it a superior material in the context of life cycle management.
Das Implantat der Erfindung kann allerdings mit zusätzlichen aktiven Substanzen wie Zytokine, Wachstumsfaktoren oder trophischen Faktoren versehen werden, die die Gewebebildung und den Heilungsprozess weiter fördern.However, the implant of the invention can be provided with additional active substances such as cytokines, growth factors or trophic factors, which further promote tissue formation and the healing process.
Durch eine individuelle Auswahl der Fibroin-Struktur und des Magnesiummaterials kann das Implantat leicht an die spezifischen Anforderungen der zu behandelnden Erkrankung angepasst werden. Damit bietet es eine enorme Flexibilität in der Anwendung.Through an individual selection of the fibroin structure and the magnesium material, the implant can be easily adapted to the specific requirements of the disease to be treated. It therefore offers enormous flexibility in use.
Da die Implantatvorrichtung der Erfindung auf bekannten Komponenten basiert, kann sie einfach in kostengünstiger Weise produziert werden.Since the implant device of the invention is based on known components, it can easily be produced in a cost-effective manner.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung:Detailed description of the invention:
Das Implantat hat strukturelle und kompositionelle Anforderungen. Als eine strukturelle Anforderung beinhaltet das Implantat eine 3-dimensionale Stützstruktur, welche die Bildung von biologischem Gewebe ermöglicht und daher im Kontext der vorliegenden Erfindung als „Gewebestützstruktur“ bezeichnet wird.The implant has structural and compositional requirements. As a structural requirement, the implant includes a 3-dimensional support structure, which enables the formation of biological tissue and is therefore referred to in the context of the present invention as a “tissue support structure”.
Bezogen auf die Erfindung beinhaltet die zuvor genannte Stützstruktur Fibroin als erste und Magnesium, ein Magnesiumsalz oder eine Magnesiumlegierung als zweite Komponente.In relation to the invention, the aforementioned support structure contains fibroin as the first component and magnesium, a magnesium salt or a magnesium alloy as the second component.
Fibroin-GewebestützstrukturFibroin tissue support structure
In einer ersten Ausführung der Erfindung ist die 3D-Gewebestützstruktur hauptsächlich aus Fibroin gemacht oder besteht daraus mit eingeschlossenen Partikeln aus Magnesium, Magnesiumsalz oder Magnesiumlegierung.In a first embodiment of the invention, the 3D tissue support structure is mainly made of fibroin or consists of it with enclosed particles of magnesium, magnesium salt or magnesium alloy.
In dieser Ausführungsform ist die Fibroin-Komponente die strukturbestimmende Komponente der 3D-Gewebestützstruktur. Als Konsequenz wird das Fibroin so verarbeitet, dass eine 3D-Struktur mit ausreichender Stabilität und Steifigkeit entsteht, die Hohlräume für die Besiedlung von Zellen bietet. Eine entsprechende Stützstruktur wird in der vorliegenden Erfindung als „Fibroin-3D-Gewebestützstruktur“ bezeichnet.In this embodiment, the fibroin component is the structure-determining component of the 3D tissue support structure. As a consequence, fibroin is processed in such a way that a 3D structure with sufficient stability and rigidity is created, which provides cavities for the colonization of cells. A corresponding support structure is referred to in the present invention as a “fibroin 3D tissue support structure”.
Entsprechend kann die 3D-Stützstruktur der Erfindung in bevorzugter Ausführung 50 % oder mehr, 60 % oder mehr, 70 % oder mehr, 80 % oder mehr, 90 % oder mehr, 95 % oder mehr oder 98 % oder mehr als Gewichtsprozent Fibroin enthalten. Accordingly, in a preferred embodiment, the 3D support structure of the invention can contain 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, 90% or more, 95% or more or 98% or more than percent by weight fibroin.
Fibroin ist ein fibröses seidenbasiertes Protein, dessen hierarchische Struktur aus Fibrillen und Mikrofibrillen besteht, in welcher die Fasern in hochorientierter kristalliner Form angeordnet sind. Die Seidenfasern hergestellt von der Seidenraupe, Bombyx mori, besitzen einen Durchmesser von 10-25 mm und beinhalten eine leichte (ca. 26 kDa) und eine schwere Kette (ca. 390 kDa) in einem Verhältnis von 1:1, verbunden durch Disulfidbrückenbindungen. Die schweren Ketten sind amphiphil und bestehen aus hydrophoben und hydrophilen Abschnitten. Die hydrophoben Domänen beinhalten sich wiederholende Sequenzen von Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser, welche kristalline Strukturen ausbilden, während die hydrophilen Sequenzen kürzere, nicht repetitive Strukturen mit polaren und sperrigen Seitenketten beinhalten.Fibroin is a fibrous silk-based protein, the hierarchical structure of which consists of fibrils and microfibrils in which the fibers are arranged in a highly oriented crystalline form. The silk fibers made by the silkworm, Bombyx mori, have a diameter of 10-25 mm and contain a light (approx. 26 kDa) and a heavy chain (approx. 390 kDa) in a ratio of 1: 1, connected by disulfide bridging. The heavy chains are amphiphilic and consist of hydrophobic and hydrophilic sections. The hydrophobic domains contain repeating sequences of Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser, which form crystalline structures, while the hydrophilic sequences contain shorter, non-repetitive structures with polar and bulky side chains.
Das aus Seide gewonnene Fibroin kann von jedem Seide-produzierenden Tier gewonnen werden. In einer bevorzugten Ausführung wird das Fibroin von den Lepidoptera, wie dem Bombyx mori, Anteraea pernyi, Antheraea yamamai oder Philosoamia ricini, von den Arachniden wie dem Nephila clavipes oder anderen Insekten gewonnen.The fibroin obtained from silk can be obtained from any silk-producing animal. In a preferred embodiment, the fibroin is obtained from the Lepidoptera, such as the Bombyx mori, Anteraea pernyi, Antheraea yamamai or Philosoamia ricini, from the arachnids such as the Nephila clavipes or other insects.
In einer weiter bevorzugten Ausführung der Erfindung wird das Fibroin von der Seidenraupe Bombyx mori gewonnen.In a further preferred embodiment of the invention, the fibroin is obtained from the silkworm Bombyx mori.
In einer alternativen Ausführung kann das Protein Fibroin rekombinant durch Expression in genetisch modifizierten Zellen produziert werden. Gene, die benutzt werden können, um rekombinantes Fibroin zu expressieren, beinhalten WAF-1 der Weberameise (Oecophylla smaragdina), Fibroin (WAF) oder SF (Seiden-Fibroin des Bombyx mori). Das Protein Fibroin kann weiterhin durch Expression genetisch modifizierter Pflanzen hergestellt werden, zum Beispiel in Kartoffeln.In an alternative embodiment, the protein fibroin can be produced recombinantly by expression in genetically modified cells. Genes that can be used to express recombinant fibroin include weaver ant WAF-1 (Oecophylla smaragdina), fibroin (WAF) or SF (Bombyx mori silk fibroin). The protein fibroin can also be produced by expressing genetically modified plants, for example in potatoes.
Im Kontext der Erfindung beinhaltet der Begriff „Fibroin“ Fragmente oder Domänen des Fibroins, welche dazu fähig sind, Fibroin-Filamente durch Fibroin-Fibroin-Verbindungen zu bilden. Als ein Beispiel führt die rekombinante Expression des Fibroin-Proteins der Spinnenseide AvMaSp-R, welches aus der 240 Aminosäuren langen repetitiven Domäne des Spinnenseiden-Fibroin-Proteins (Araneus ventricosus) besteht, zu einem Fibroin-Protein ohne Zytotoxizität oder Immunogenität.In the context of the invention, the term "fibroin" includes fragments or domains of fibroin that are capable of forming fibroin filaments through fibroin-fibroin compounds. As an example, the recombinant expression of the fibroin protein of the spider silk AvMaSp-R, which consists of the 240 amino acid repetitive domain of the spider silk fibroin protein (Araneus ventricosus), leads to a fibroin protein without cytotoxicity or immunogenicity.
In einer weiteren Ausführung besteht das rekombinante Fibroin nur aus der schweren Kette oder einem Fragment dieser. Das (GAGAGS)-Hexapeptid ist die Kerneinheit der H-Kette und spielt eine wichtige Rolle in der Bildung kristalliner Domänen des Fibroins. Fibroin-Protein-ähnliche Multiblockpolymere aus den repetitiven Domänen der Seide des B. mori und der Seide der Spinnenschleppleine aggregieren spontan zu Betafaltblattstrukturen, die der natürlichen Seide ähneln. Ein Modellpolypeptid (Ala-Gly)n (n = 12 und 5-9) wurde synthetisiert und seine Struktur bestimmt, wobei die Struktur den Grad der Polymerisation beeinflusst. Ein Blockcopolymer enthaltend Elastin-(GVGVP) und Seiden-(GAGAGS) Motive wurde biosynthetisiert und zeigte seidenähnliche Eigenschaften. Ein rekombinantes Protein in voller Länger, gewonnen aus der Hornisse, wurde auch von E. coli hergestellt und zeigt eine hohe Zelladhäsionsaktivität. Ein Typ eines Seide-Elastin-ähnlichen Polymers, welches aus repetitiven Seiden-Fibroin- (GAGAGS) und Säugetier-Elastin- (VPGVG) Motiven besteht, wurde in E. coli expressiert und verbesserte die Zellviabilität leicht. Ein rekombinantes Spinnenseidenprotein mit dem zellbindenden Arg-Gly-Asp-Motiv (RGD) wurde in E. coli produziert und zeigte ausreichende Zelladhäsionsigenschaften.In another embodiment, the recombinant fibroin consists only of the heavy chain or a fragment thereof. The (GAGAGS) hexapeptide is the core unit of the H chain and plays an important role in the formation of crystalline domains of fibroin. Fibroin-protein-like multiblock polymers from the repetitive domains of the silk of B. mori and the silk of the spider dragline aggregate spontaneously to form beta-sheet structures that are similar to natural silk. A model polypeptide (Ala-Gly) n (n = 12 and 5-9) was synthesized and its structure determined, the structure influencing the degree of polymerization. A block copolymer containing elastin (GVGVP) and silk (GAGAGS) motifs was biosynthesized and showed silk-like properties. A full-length recombinant protein derived from the hornet was also produced by E. coli and shows high cell adhesion activity. A type of a silk-elastin-like polymer consisting of repetitive silk-fibroin (GAGAGS) and mammalian-elastin (VPGVG) motifs was expressed in E. coli and slightly improved cell viability. A recombinant spider silk protein with the cell-binding Arg-Gly-Asp motif (RGD) was produced in E. coli and showed sufficient cell adhesion properties.
In einer Ausführung der Erfindung umfasst die Fibroin-3D-Gewebestützstruktur eine der folgenden Strukturen oder besteht daraus: Fibroin-Schwamm, Fibroin-Textil z. B. Vlies, gewebt, geflochten, gestrickt, gehäkelt, gefilzt; Fibroin-Röhren; Fibroin-Filamente oder Garne; Fibroin-Hydrogel, Fibroin-Filme oder eine Kombination hieraus.In one embodiment of the invention, the Fibroin 3D tissue support structure comprises or consists of one of the following structures: Fibroin sponge, Fibroin textile z. B. fleece, woven, braided, knitted, crocheted, felted; Fibroin tubes; Fibroin filaments or yarns; Fibroin hydrogel, Fibroin films or a combination thereof.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst oder besteht die Fibroin-3D-Gewebestützstruktur aus einem dreidimensionalen Gitter aus stangen- oder balkenartigen Fibroin-Strukturen, welche Kanäle in alle drei orthogonale Richtungen formen und welche bevorzugt einen Abstand von 50 bis zu 800 µm und/oder eine Dimensionierung zwischen 50 und 800 µm haben.In a preferred embodiment of the invention, the Fibroin-3D tissue support structure comprises or consists of a three-dimensional grid of rod-like or beam-like Fibroin structures, which form channels in all three orthogonal directions and which preferably have a distance of 50 to 800 μm and / or have a dimension between 50 and 800 µm.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die Struktur eine Dimensionierung zwischen den stangen- oder balkenartigen Strukturen von 50-500 µm und/oder eine Dimensionierung der stangen- oder balkenartigen Strukturen zwischen 50 und 500 µm auf.In a further embodiment of the invention, the structure has a dimension between the rod-like or bar-like structures of 50-500 μm and / or a dimensioning of the rod-like or bar-like structures between 50 and 500 μm.
Gemäß der Erfindung sind innerhalb der Fibroin-3D-Gewebestützstruktur Partikel aus Magnesium, Magnesiumsalz oder Magnesiumlegierung eingebettet. According to the invention, particles of magnesium, magnesium salt or magnesium alloy are embedded within the Fibroin-3D tissue support structure.
Die Partikel aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung können von jeder granulärer Struktur sein, die für metallische Materialien oder Metalllegierungen geeignet ist. Dies beinhaltet Metallpuder, Metallstäbe, sphärische Partikel, Metallspäne, Metalldrähte oder Profilschnitte.The particles of magnesium or a magnesium alloy can be of any granular structure suitable for metallic materials or metal alloys. This includes metal powder, metal rods, spherical particles, metal chips, metal wires or profile cuts.
In einer bevorzugten Ausführung haben die Partikel aus Mg-(Legierung) einen mittleren Durchmesser zwischen 0,1 und 250 µm, bevorzugter zwischen 1 und 100 µm und am meisten bevorzugt zwischen 5 und 50 µm.In a preferred embodiment, the particles of Mg (alloy) have an average diameter between 0.1 and 250 μm, more preferably between 1 and 100 μm and most preferably between 5 and 50 μm.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Magnesiumlegierung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Magnesiumsilberlegierungen (Mg-Ag), Mg-Legierungen, die seltene Erden beinhalten und Magnesiumlegierungen, die Calcium und/oder Zink enthalten.In a preferred embodiment, the magnesium alloy is selected from the group consisting of magnesium silver alloys (Mg-Ag), Mg alloys which contain rare earths and magnesium alloys which contain calcium and / or zinc.
In einer bevorzugten Ausführung enthält die Magnesiumlegierung eine oder mehrere seltene Erden, die bevorzugt aus einer Liste bestehend aus Yttrium, Neodym, Zirconium, Gadolinium and Dysprodium oder einer beliebigen Kombination hieraus gewählt werden. In einer bevorzugteren Ausführung ist die Legierung eine Mg-Y-RE-Zr-Legierung und im Speziellen eine Mg-Y-Nd-Zr Legierung, die auch als WE43-Legierung bekannt ist. Die genannten Seltene Erden (RE) Dy, Y, Nd und Gd haben eine geringe Toxizität und verbessern die mechanischen und Korrosionseigenschaften. Wegen ihrer exzellenten Eigenschaften, z. B. eine relativ langsame Degradation in wässriger Lösung und gute elektrochemische Eigenschaften neben exzellenten mechanischen Eigenschaften, ist die WE43-Legierung die am meisten bevorzugte Magnesiumlegierung.In a preferred embodiment, the magnesium alloy contains one or more rare earths, which are preferably selected from a list consisting of yttrium, neodymium, zirconium, gadolinium and dysprodium or any combination thereof. In a more preferred embodiment, the alloy is a Mg-Y-RE-Zr alloy and in particular a Mg-Y-Nd-Zr alloy, which is also known as a WE43 alloy. The mentioned rare earths (RE) Dy, Y, Nd and Gd have a low toxicity and improve the mechanical and corrosion properties. Because of their excellent properties, e.g. B. a relatively slow degradation in aqueous solution and good electrochemical properties in addition to excellent mechanical properties, the WE43 alloy is the most preferred magnesium alloy.
In einer bevorzugten Ausführung enthält die Mg-Legierung Ca und/oder Zn. In einer bevorzugteren Ausführung beinhaltet die Mg-Legierung Zirconium, Zink und/oder Calcium.In a preferred embodiment, the Mg alloy contains Ca and / or Zn. In a more preferred embodiment, the Mg alloy contains zirconium, zinc and / or calcium.
In einer Ausführung werden die Partikel aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung in einem nicht wässrigen Lösungsmittel suspendiert, um sie der Fibroin-3D-Gewebestützstruktur zuzufügen. Die Verwendung einer nicht wässrigen Lösung hat den Vorteil, dass die Korrosion der Mg-(Legierungs)-Partikel stark reduziert oder sogar verhindert werden kann.In one embodiment, the particles of magnesium or a magnesium alloy are suspended in a non-aqueous solvent to add them to the Fibroin-3D tissue support structure. The use of a non-aqueous solution has the advantage that the corrosion of the Mg (alloy) particles can be greatly reduced or even prevented.
In einer weiteren Ausführung werden die Partikel aus Mg oder Mg-Legierung beschichtet oder oberflächenbehandelt, um die biophysischen Eigenschaften wie die Biodegradierbarkeit oder die Gewebereaktion z. B. Zytotoxizität zu modifizieren.In a further embodiment, the particles of Mg or Mg alloy are coated or surface-treated in order to improve the biophysical properties such as biodegradability or the tissue reaction. B. Modify cytotoxicity.
Die besagte Beschichtung kann auch eine Umwandlungsbeschichtung sein. In einer Ausführung wird die Umwandlungsbeschichtung durch eine Oberflächenbehandlung mit Schutzgas wie Kohlenstoffdioxid durchgeführt.Said coating can also be a conversion coating. In one embodiment, the conversion coating is carried out by surface treatment with an inert gas such as carbon dioxide.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Oberflächenbehandlung der Partikel aus Mg oder einer Mg-Legierung aus einer Liste von Methoden, bestehend aus plasmaelektrolytischer Oxidation (PEO), ebenfalls als MAO (micro arc oxidation) bekannt, thermischer Oxidation, Karbonatherstellung unter CO2 Zufluss, phosphatisierender, anodisierender, galvanischer und nicht galvanischer Beschichtung, ausgewählt.In a preferred embodiment of the invention, the surface treatment of the particles of Mg or a Mg alloy from a list of methods, consisting of plasma electrolytic oxidation (PEO), also known as MAO (micro arc oxidation), thermal oxidation, carbonate production with CO 2 inflow , phosphating, anodizing, galvanic and non-galvanic coating.
Jedes pharmazeutisch akzeptierte Magnesiumsalz kann in Kombination mit der Fibroin-3D-Gewebestützstruktur verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführung wird das Salzanion aus einer der folgenden Säuren gewonnen: 1-Hydroxy-2-naphtaoesäure, 2,2-Dichloressigsäure, 2-Hydroxyethansulfonsäure (Isethionsäure), 2-Oxoglutarsäure (α-Ketoglutarsäure), 2-Acetamidobenzoesäure (Acedoben), 4-Aminosalicylsäure, Essigsäure, Adipinsäure, Ascobrinsäure (Vitamin C), Asparaginsäure, Benzolsulfonsäure, Benzoesäure, Camphersäure, Camphersulfonsäure, Caprinsäure (Decansäure), Capronsäure (Hexansäure), Caprylsäure (Octansäure), Kohlensäure, Zimtsäure, Zitronensäure, Cyclaminsäure, Dodecylschwefelsäure, Ethan-1,2-disulfonsäure, Ethansulfonsäure, Ameisensäure, Fumarsäure, Galactarsäure (Schleimsäure), Gentisinsäure, Glucoheptonsäure, Gluconsäure, Glucuronsäure, Glutamatsäure, Glutarsäure, Glycerin-Phosphorsäure, Glykolsäure, Hippursäure, Bromwasserstoffsäure, Salzsäure, Isobuttersäure, Milchsäure, Laurinsäure, Maleinsäure, Äpfelsäure, Malonsäure, Mandelsäure, Methansulfonsäure, Naphthalin-1,5-disulfonsäure (Armstrongsäure), Naphthalin-2-sulfonsäure, Nikotinsäure, Salpetersäure, Ölsäure, Oxalsäure, Palmitinsäure, Pamoinsäure, Phosphorsäure, Propionsäure (Propansäure), Pyroglutaminsäure (Pidolsäure), Salicylsäure, Sebacinsäure, Stearinsäure, Succinylsäure (Bernsteinsäure), Schwefelsäure, Tartarsäure (Weinsäure), Thiocyansäure, Toluolsulfonsäure, Undecylensäure (Undecensäure).Any pharmaceutically acceptable magnesium salt can be used in combination with the Fibroin 3D tissue support structure. In a preferred embodiment, the salt anion is obtained from one of the following acids: 1-hydroxy-2-naphtaoic acid, 2,2-dichloroacetic acid, 2-hydroxyethanesulfonic acid (isethionic acid), 2-oxoglutaric acid (α-ketoglutaric acid), 2-acetamidobenzoic acid (acedoben) , 4-aminosalicylic acid, acetic acid, adipic acid, Ascobrinsäure (vitamin C), aspartic acid, benzenesulfonic acid, benzoic acid, camphoric acid, camphorsulfonic acid, capric acid (decanoic acid), caproic acid (hexanoic acid), caprylic acid (octanoic acid), carbonic acid, cinnamic acid, citric acid, cyclamic acid, dodecylsulfuric acid, Ethane-1,2-disulfonic acid, ethanesulfonic acid, formic acid, fumaric acid, galactaric acid (mucic acid), gentisic acid, glucoheptonic acid, gluconic acid, glucuronic acid, glutamate acid, glutaric acid, glycerin-phosphoric acid, glycolic acid, hippuric acid, hydrobromic acid, hydrochloric acid, isobutyric acid, isobutyric acid , Malic acid, malonic acid, mandelic acid, methanesulfonic acid, naphthalene-1,5-disulfonic acid (Armstrong acid), naphtha halin-2-sulfonic acid, nicotinic acid, nitric acid, oleic acid, oxalic acid, palmitic acid, pamoic acid, phosphoric acid, propionic acid (propanoic acid), pyroglutamic acid (pidolic acid), salicylic acid, sebacic acid, stearic acid, succinyl acid (succinic acid), sulfuric acid, tartaric acid, tartaric acid (tartaric acid), Toluenesulfonic acid, undecylenic acid (undecenoic acid).
In einer bevorzugten Ausführung wird das Magnesiumsalz aus einer Gruppe, bestehend aus Magnesiumacetat, Magnesiumaminoethylphosphat, Magnesiumaspartat, Magnesiumbishydrogenaspartat, Magnesiumcarbonat, Magnesiumchlorid, Magnesiumcitrat, Magnesiumgluconat, Magnesiumhydrogencitrat, Magnesiumhydrogenglutamat, Magnesiumhydrogenphosphat, Magnesiumhydroxid, Magnesiumorotat, Magnesiumoxid, Magnesiumpyridoxalphosphatglutamat, Magnesiumsulfat and Magnesiumtrisilicat gewonnen.In a preferred embodiment, the magnesium salt is obtained from a group consisting of magnesium acetate, magnesium amino ethyl phosphate, magnesium aspartate, magnesium bishydrogen aspartate, magnesium carbonate, magnesium chloride, magnesium citrate, magnesium gluconate, magnesium hydrogen citrate, magnesium hydrogen glutamate, magnesium hydrogen phosphate, magnesium hydroxide, magnesium orotate, magnesium oxide and magnesium trisulfate sulfate sulfate.
Ma-(Legierung)-GewebestützstrukturMa (alloy) fabric support structure
In einer alternativen Ausführung ist die 3D-Gewebestützstruktur im Wesentlichen aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung gemacht oder sie besteht daraus und ist mit einer Fibroin-haltigen Zusammensetzung gefüllt oder damit beschichtet.In an alternative embodiment, the 3D tissue support structure is essentially made of or consists of magnesium or a magnesium alloy and is filled with or coated with a fibroin-containing composition.
In dieser Ausführung ist das Magnesium oder die Magnesiumlegierung die strukturbestimmende Komponente der 3D-Gewebestützstruktur. Infolgedessen wird das Magnesium (bzw. die Magnesiumlegierung) so verarbeitet, dass eine dreidimensionale Struktur mit ausreichender Stabilität und Steifigkeit entsteht, die Hohlräume für die Besiedlung von Zellen schafft. Eine entsprechende Stützstruktur wird in der vorliegenden Erfindung als „3D-Mg-(Legierungs)-Gewebestützstruktur“ bezeichnet.In this embodiment, the magnesium or the magnesium alloy is the structure-determining component of the 3D tissue support structure. As a result, the magnesium (or the magnesium alloy) is processed in such a way that a three-dimensional structure with sufficient stability and rigidity is created, which creates cavities for the colonization of cells. A corresponding support structure is referred to in the present invention as “3D Mg (alloy) tissue support structure”.
In der 3D-Mg-(Legierungs)-Gewebestützstruktur können Magnesium oder eine Magnesiumlegierung wie zuvor offenbart benutzt werden, welche bevorzugt, wie zuvor offenbart, beschichtet oder oberflächenbehandelt sind.Magnesium or a magnesium alloy as previously disclosed may be used in the 3D Mg (alloy) tissue support structure, which are preferably coated or surface treated as previously disclosed.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird Magnesium oder eine Magnesiumlegierung dem Selective Laser Melting (SLM), auch als Laser Powder Bed Fusion-Verfahren (LPBF) bekannt, unterworfen, um eine poröse Struktur herzustellen. Die poröse Struktur wird auch als Gitter, Gerüst, 3D-Stützstruktur oder Stützstruktur bezeichnet. In einer speziellen Ausführung hat die mittels SLM generierte Magnesiumlegierung Poren mit einem Durchmesser von ca. 800 µm. Als solche ist die poröse Mg-Legierungsstruktur sehr ähnlich zu der Struktur von spongiösem Knochen, auch trabekularer oder spongiöser Knochen genannt, welcher das innere Gewebe von Skelettknochen darstellt und eine offene zellulärporöse Netzwerkstruktur aufweist mit Poren von einem Durchmesser von 200-1000 µm, bevorzugt von 400-800 µm und bevorzugter von 200-650 µm.In a further preferred embodiment, magnesium or a magnesium alloy is subjected to selective laser melting (SLM), also known as laser powder bed fusion (LPBF), in order to produce a porous structure. The porous structure is also referred to as a lattice, scaffold, 3D support structure or support structure. In a special version, the magnesium alloy generated by SLM has pores with a diameter of approx. 800 µm. As such, the porous Mg alloy structure is very similar to the structure of cancellous bone, also called trabecular or cancellous bone, which represents the inner tissue of skeletal bones and has an open cellular-porous network structure with pores with a diameter of 200-1000 μm, preferably of 400-800 µm and more preferably 200-650 µm.
Entsprechend kann die 3D-Stützstruktur der Erfindung in bevorzugter Ausführung 50% oder mehr, 60% oder mehr, 70% oder mehr, 80% oder mehr, 90% oder mehr, 95% oder mehr oder 98% oder mehr als Gewichtsaprozent Magnesium oder Magnesiumlegierung enthalten.Accordingly, the 3D support structure of the invention can, in a preferred embodiment, 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, 90% or more, 95% or more or 98% or more as a weight percent of magnesium or magnesium alloy contain.
Entsprechend der Erfindung ist die Mg-(Legierung-)Gewebestützstruktur mit einem Fibroin-Hydrogel gefüllt oder mit einer Schicht beschichtet, die Fibroin umfasst oder daraus besteht.According to the invention, the Mg (alloy) tissue support structure is filled with a fibroin hydrogel or coated with a layer comprising or consisting of fibroin.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung hat die Fibroin-Schicht als Beschichtung des Magnesiums (der Magnesiumlegierung) eine Dicke zwischen 0,1-100 µm, bevorzugt zwischen 1-75 µm und am bevorzugtesten zwischen 5-30 µm.In a preferred embodiment of the invention, the fibroin layer as the coating of the magnesium (the magnesium alloy) has a thickness between 0.1-100 μm, preferably between 1-75 μm and most preferably between 5-30 μm.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst oder besteht die Magnesium-(Legierungs) 3D-Gewebestützstruktur aus einem dreidimensionalen Gitter aus stangen- oder balkenartigen Strukturen aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung, welche Kanäle in alle drei orthogonale Richtungen formen und welche bevorzugt einen Abstand von 50 bis 800 µm zwischen den stangen- oder balkenartigen Strukturen und/oder eine Dimension der stangen- oder balkenartigen Strukturen zwischen 50 und 800 µm haben.In a preferred embodiment of the invention, the magnesium (alloy) 3D tissue support structure comprises or consists of a three-dimensional grid of rod-like or beam-like structures made of magnesium or a magnesium alloy, which channels form in all three orthogonal directions and which preferably have a distance of 50 to 800 microns between the rod or bar-like structures and / or have a dimension of the bar or bar-like structures between 50 and 800 microns.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Abstand zwischen den stangen- oder balkenartigen Strukturen 50-500 µm und/oder die Dimension der stangen- oder balkenartigen Strukturen zwischen 50-500 µm.In a further preferred embodiment of the invention, the distance between the rod-like or bar-like structures is 50-500 μm and / or the dimension of the rod-like or bar-like structures is between 50-500 μm.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst oder besteht die Magneisum-3D-Gewebestützstruktur aus Magnesium-/Mg-Legierungsdrähten, welche durch Verarbeitung in eine textile Struktur eine 3D-Struktur wie ein Vlies, gewebte, geflochtene, gestrickte, gehäkelte oder gefilzte Textilien, eine dreidimensionale Struktur erzeugen.In a preferred embodiment of the invention, the Magneisum 3D fabric support structure comprises or consists of magnesium / Mg alloy wires which, by processing into a textile structure, form a 3D structure such as a fleece, woven, braided, knitted, crocheted or felted textiles create three-dimensional structure.
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist die Magnesium-3D-Gewebestützstruktur aus einem gewebten Textil aus Magnesium- oder Mg-Legierungsdrähten gemacht.In a particularly preferred embodiment, the magnesium 3D fabric support structure is made of a woven textile made of magnesium or magnesium alloy wires.
Implantateigenschaften Implant properties
Für die einwandfreie Vaskularisierung im Organismus des Empfängers ist es vorzuziehen, dass die medizinische Implantatvorrichtung eine tubuläre Form, welche offen an beiden Enden ist, oder Anschlüsse oder unbedeckte Bereiche an beiden Enden für das Einwachsen oder die Anheftung vaskulärer Strukturen aufweist.For proper vascularization in the recipient's organism, it is preferred that the medical implant device have a tubular shape that is open at both ends, or connections or uncovered areas at both ends for ingrowth or attachment of vascular structures.
Die biodegradierbare medizinische Implantatvorrichtung beinhaltet vorzugsweise weiterhin eine äußere Hülle, welche die Implantatvorrichtung teilweise oder vollständig mit einer äußeren Hülle umhüllt.The biodegradable medical implant device preferably further comprises an outer shell, which partially or completely surrounds the implant device with an outer shell.
In einer bevorzugten Ausführung ist die äußere Hülle eine Membran, die Fibroin umfasst oder daraus besteht. Vorzugsweise hat diese Fibroin-Membran eine Dicke zwischen 1 und 1000 µm, bevorzugt zwischen 10 und 800 µm, bevorzugter zwischen 20 und 600 µm, besonders bevorzugt zwischen 50 und 500 µm, insbesondere zwischen 100 und 300 µm und schließlich zwischen 150 und 250 µm. Die Fibroin-Membran ermöglicht den Transport von kleinen Molekülen wie Salze und Mikronährstoffe in das Innenvolumen der Röhre, verhindert aber das unerwünschte Einwachsen von Zellen wie Bindegewebezellen mit schädlicher Wirkung auf die Transplantatfunktionalität.In a preferred embodiment, the outer shell is a membrane which comprises or consists of fibroin. This fibroin membrane preferably has a thickness between 1 and 1000 μm, preferably between 10 and 800 μm, more preferably between 20 and 600 μm, particularly preferably between 50 and 500 μm, in particular between 100 and 300 μm and finally between 150 and 250 μm. The Fibroin membrane enables small molecules such as salts and micronutrients to be transported into the inner volume of the tube, but prevents the undesired ingrowth of cells such as connective tissue cells with a harmful effect on the functionality of the graft.
In einer weiteren Ausführung beinhaltet die 3D-Gewebestützstruktur weiterhin eine oder mehrere der folgenden Komponenten oder ist mit einer oder mehrerer dieser beschichtet:
- (a) Extrazelluläre Matrix;
- (b) Matrizelluläre Protein Zytokine;
- (c) Hormone;
- (d) Wachstumsfaktoren;
- (e) Glykosaminoglykane;
- (f) Proteoglykane;
- (g) Heparansulfat;
- (h) Knochenmorphogenetische Proteine.
- (a) extracellular matrix;
- (b) Matricellular protein cytokines;
- (c) hormones;
- (d) growth factors;
- (e) glycosaminoglycans;
- (f) proteoglycans;
- (g) heparan sulfate;
- (h) Bone Morphogenetic Proteins.
Die zusätzlichen bioaktiven Stoffe unterstützen die einwandfreie Kolonisation, Vaskularisierung, Proliferation oder Differenzierung der Zellen oder des Gewebes, welches von diesen gebildet wird.The additional bioactive substances support the perfect colonization, vascularization, proliferation or differentiation of the cells or the tissue that is formed by them.
In einer spezifischen Ausführung der Erfindung besitzt die biodegradierbare medizinische Implantatvorrichtung bevorzugt eine der folgenden drei Komposit-Strukturen:
- 1. ein Fibroin-Schwamm, der eine längliche Röhre als 3D-Gewebestützstruktur für zu Fettgewebe differenzierende mesenchymale Stammzellen ausformt, bevorzugt umhüllt mit einer Fibroin-Membran, wobei die umhüllte längliche Röhre offen an beiden Enden ist oder Anschlüsse oder unbedeckte Bereiche an beiden Enden für das Einwachsen oder die Anheftung von vaskulären Strukturen aufweist. Diese Komposit-Struktur wird bevorzugt für die Erzeugung von Fettgewebe genutzt. Es wurde herausgefunden, dass die poröse Struktur des Fibroin-Schwamms die Differenzierung in Fettgewebe unterstützt und den Transport von Nährstoffen und Wachstumsfaktoren erleichtert.
- 2. ein Bündel paralleler, hohler Fibroin-Röhren oder Fibroin-Garne als 3D-Gewebestützstruktur für zu Muskelgewebe differenzierende Stammzellen, bevorzugt umhüllt mit einer Fibroin-Membran und offen an beiden Enden oder aufweisend Anschlüsse oder unbedeckte Bereiche an beiden Enden für das Einwachsen oder die Anheftung von vaskulären Strukturen. Durch die Bereitstellung von parallel orientierten Fibroin-Strukturen, wie hohle Röhren, Filamente oder Garne, ist ein zelltypischer Stimulus für die Bildung von Muskelgewebe gegeben. Wenn Fibroin-Filamente verwendet werden, ist es bevorzugt, Fasern mit einer vergrößerten Oberfläche zu verwenden, wie sie durch Filamente bereitgestellt werden, die Querschnitte haben, die ausgewählt sind aus der Liste bestehend aus trilobal, dogbone, hantelförmig, 4-lappig, oktolobal, unregelmäßig, schneeflockenförmig, limabohnenförmig, polygonal, gezahnt limabohnenförmig, sternförmig, ziehharmonikaförmig, dreieckig, gezahnt kreisförmig, lobular mit Längsstreifung.
- 3. ein dreidimensionales Gitter gemacht aus stangen- oder balkenförmigen Strukturen aus Magnesium- oder Mg-Legierung, welche Kanäle in alle drei orthogonalen Richtungen bilden, um ein Fibroin-Hydrogel aufzunehmen, welches zu Knochengewebe differenzierende Stammzellen enthält, wobei das Gitter eine tubuläre Form hat, bevorzugt umhüllt mit einer Fibroin-Membran und an beiden Enden offen oder aufweisend Anschlüsse oder unbedeckte Bereiche an beiden Enden für das Einwachsen oder die Anheftung von vaskulären Strukturen.
- 1. a fibroin sponge, which forms an elongated tube as a 3D tissue support structure for mesenchymal stem cells differentiating into adipose tissue, preferably covered with a fibroin membrane, the covered elongated tube being open at both ends or connections or uncovered areas at both ends for shows the ingrowth or attachment of vascular structures. This composite structure is preferred for the production of adipose tissue. It has been found that the porous structure of the fibroin sponge supports differentiation in adipose tissue and facilitates the transport of nutrients and growth factors.
- 2. a bundle of parallel, hollow Fibroin tubes or Fibroin yarns as a 3D tissue support structure for stem cells that differentiate into muscle tissue, preferably covered with a Fibroin membrane and open at both ends or having connections or uncovered areas at both ends for ingrowth or the Attachment of vascular structures. The provision of parallel-oriented fibroin structures, such as hollow tubes, filaments or yarns, provides a cell-typical stimulus for the formation of muscle tissue. When using fibroin filaments, it is preferred to use fibers with an increased surface area as provided by filaments that have cross sections selected from the list consisting of trilobal, dogbone, dumbbell-shaped, 4-lobed, octolobal, irregular, snowflake-shaped, lima-bean-shaped, polygonal, serrated lima-bean-shaped, star-shaped, accordion-shaped, triangular, serrated circular, lobular with longitudinal striation.
- 3. a three-dimensional lattice made of rod or bar-shaped structures made of magnesium or Mg alloy, which form channels in all three orthogonal directions, around a fibroin hydrogel which contains stem cells which differentiate into bone tissue, the lattice having a tubular shape, preferably encased in a fibroin membrane and open or having both ends with connections or uncovered areas at both ends for the ingrowth or attachment of vascular structures.
In einer bevorzugten Ausführung wird die medizinische Implantatvorrichtung der Erfindung wegen der Anwesenheit von Magnesium als Knochenimplantat genutzt. Vor allem, da Magnesium das viert meist vorhandene Kation im menschlichen Körper ist, mit geschätzten 1 mol Magnesium, welches im Körper eines durchschnittlichen 70-kg-Erwachsenen gespeichert ist, wobei die Hälfte des gesamten physiologischen Magnesiums im Knochengewebe gespeichert ist. Das Vorhandensein von Magnesium im Knochensystem bietet Vorteile in Bezug auf die Knochenstärke und das Knochenwachstum. Magnesiumlegierungen haben eine spezifische Dichte (1,74-2 g/cm3) und Elastizitätsmodul (41-45 GPa), welche denen von Knochen im menschlichen Körper (1,8-2,1 g/cm3; 3-20 GPa) am nächsten kommen. Deshalb sind Magnesiumlegierungen in der Orthopädie und Knochenreparatur oder -ersatz anderen metallischen oder Polymerimplantaten in Bezug auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften überlegen, da die Unterschiede im Elastizitätsmodul zwischen dem Implantat und natürlichem Knochen in stress-shielding-Effekten resultieren können, die Spannungsspitzen an der Schnittstelle zwischen Implantat und Knochen hervorrufen und damit die Stimulierung zur Bildung neues Knochengewebes sowie die Implantatstabilität reduzieren.In a preferred embodiment, the medical implant device of the invention is used as a bone implant because of the presence of magnesium. Especially since magnesium is the fourth most common cation in the human body, with an estimated 1 mol of magnesium stored in the body of an average 70 kg adult, with half of the total physiological magnesium stored in the bone tissue. The presence of magnesium in the bone system offers advantages in terms of bone strength and bone growth. Magnesium alloys have a specific density (1.74-2 g / cm 3 ) and modulus of elasticity (41-45 GPa), which are comparable to those of bones in the human body (1.8-2.1 g / cm 3 ; 3-20 GPa) come closest. Therefore, magnesium alloys in orthopedics and bone repair or replacement are superior to other metallic or polymer implants in terms of physical and mechanical properties, since the differences in the modulus of elasticity between the implant and natural bone can result in stress-shielding effects, the stress peaks at the interface between the implant and the bone, thereby reducing the stimulation to form new bone tissue and reducing the stability of the implant.
In einer Ausführung ist die biodegradierbare medizinische Implantatvorrichtung eine neurale Implantatvorrichtung und bevorzugt
- (a) eine filamentöse Fibroin-3D-Gewebestützstruktur ausgestattet mit darin enthaltenen Partikeln aus Magnesium oder Magnesiumlegierung zur Ausformung einer länglichen Röhre als 3D-Gewebestützstruktur für das Einwachsen von neuralen Strukturen, bevorzugt umhüllt mit einer Fibroin-Membran, wobei die umhüllte längliche Röhre offen an beiden Enden ist oder Anschlüsse oder unbedeckte Bereiche an beiden Enden für das Einwachsen oder die Anheftung von vaskulären Strukturen aufweist; oder
- (b) ein Bündel paralleler hohler Fibroin-Röhren oder Fibroin-Garne als dreidimensionale Stützstruktur zur Differenzierung mesenchymaler Stammzellen in Muskelgewebe, bevorzugt mit einer äußeren Fibroin-Membran umhüllt ist und an beiden Enden offen ist oder Anschlüsse oder nichtabgedeckte Bereiche an beiden Enden aufweist, zur Aufnahme oder Anheftung vaskulärer Strukturen.
- (a) a filamentous Fibroin-3D tissue support structure equipped with particles of magnesium or magnesium alloy contained therein to form an elongated tube as a 3D tissue support structure for the ingrowth of neural structures, preferably covered with a fibroin membrane, the covered elongated tube being open is either end or has connections or uncovered areas at both ends for ingrowth or attachment of vascular structures; or
- (b) a bundle of parallel hollow fibroin tubes or fibroin yarns as a three-dimensional support structure for differentiating mesenchymal stem cells into muscle tissue, preferably with an outer fibroin membrane and which is open at both ends or has connections or uncovered areas at both ends Admission or attachment of vascular structures.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine biodegradierbare medizinische Implantatvorrichtung bereit, wobei die 3D-Gewebestützmatrix mit Stammzellen oder Progenitorzellen gefüllt ist. In einer bevorzugten Ausführung werden hämatopoetische Stammzellen oder mesenchymale Stammzellen verwendet.In a further aspect, the invention provides a biodegradable medical implant device, the 3D tissue support matrix being filled with stem cells or progenitor cells. In a preferred embodiment, hematopoietic stem cells or mesenchymal stem cells are used.
In einer alternativen Ausführung wird die biodegradierbare medizinische Implantatvorrichtung ohne vorherige Zellbesiedlung implantiert und wird nach der Implantation durch Einwachsen von Zellen und/oder Gewebestrukturen des Empfängers gefüllt.In an alternative embodiment, the biodegradable medical implant device is implanted without prior cell colonization and is filled after the implantation by ingrowth of cells and / or tissue structures of the recipient.
In einem anderen Aspekt stellt die Erfindung eine Methode bereit, ein biodegradierbares medizinisches Implantat herzustellen, welche eine dreidimensionale Gewebestützstruktur aus Fibroin umfasst, wobei die Methode folgende Schritte beinhaltet:In another aspect, the invention provides a method of making a biodegradable medical implant that includes a three-dimensional fibroin tissue support structure, the method including the following steps:
Fibroin-Schwamm:Fibroin sponge:
- ○ 6 ml Fibroin-Lösung und 2 ml einer 4 Vol% Ethanol-Lösung in Wasser werden gemischt und eingefroren○ 6 ml Fibroin solution and 2 ml of a 4 vol% ethanol solution in water are mixed and frozen
- ○ Nach 36 Stunden wird die Lösung für 1,5 Stunden aufgetaut und dann erneut eingefroren○ After 36 hours, the solution is thawed for 1.5 hours and then frozen again
- ○ Der Einfrier-Auftau-Zyklus wird fünf Mal wiederholt, sodass eine schwammartige Struktur entsteht○ The freeze-thaw cycle is repeated five times to create a sponge-like structure
- ○ Der Fibroin-Schwamm kann aus der Lösung genommen werden und in einem Kühlschrank gelagert werden.○ The Fibroin sponge can be removed from the solution and stored in a refrigerator.
Fibroin-Membran: Fibroin membrane:
- ○ Eine Petrischale wird mit 15 ml Fibroin-Lösung gefüllt○ A petri dish is filled with 15 ml of fibroin solution
- ○ Diese trocknet für 36 Stunden horizontal auf einer Ausgleichsplatte○ This dries horizontally on a leveling plate for 36 hours
- ○ Die Membran wird durch Befüllen der Petrischale mit 40 ml einer 35 Vol% Ethanol-Lösung in Wasser aus dieser gelöst○ The membrane is dissolved by filling the Petri dish with 40 ml of a 35 vol% ethanol solution in water
- ○ Die Membran wird abgelöst und in destilliertem Wasser im Kühlschrank gelagert.○ The membrane is removed and stored in distilled water in the refrigerator.
Fibroin-Vlies hergestellt durch das Elektrospinning-VerfahrenFibroin fleece produced by the electrospinning process
Die Fibroin-Lösung wird in einer Spinnmaschine verarbeitet, indem eine Spinndüse oder ein nadelloses Spinnsystem mit den folgenden Parametern genutzt werden:The Fibroin solution is processed in a spinning machine using a spinneret or a needleless spinning system with the following parameters:
Parameter für Spinnen mit einer SpinndüseParameters for spiders with a spinneret
Parameter für nadelloses SpinnenParameters for needleless spinning
Um die Fibroin-Stützstruktur vorzubereiten kann die eingearbeitete Person verschiedene Herstellungsmethoden verwenden, wie sie für polymere Proteine etabliert sind. Zum Beispiel kann die Fibroin-Struktur nach einem oder mehreren Verfahren hergestellt werden, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Lösungsmittelguss-Teilchenlaugung, Gasschäumen, Schmelzformen, Gefriertrocknung, Rapid Prototyping, Herstellung von festen Freiformflächen, elektrohydrodynamischer Prozess (EHD), EHD-Direktstrahlverfahren (EHD-JD), EHD-Direktschrift, das Elektrospinning-Verfahren und dreidimensionaler Druck.In order to prepare the fibroin support structure, the trained person can use various manufacturing methods as are established for polymeric proteins. For example, the fibroin structure can be produced by one or more processes, selected from a group consisting of solvent casting particle leaching, gas foaming, melt molding, freeze drying, rapid prototyping, production of solid free-form surfaces, electrohydrodynamic process (EHD), EHD direct jet process (EHD -JD), EHD direct writing, the electrospinning process and three-dimensional printing.
BEISPIELEEXAMPLES
Vorbereitung einer dreidimensionalen Stützstruktur aus Fibroin als Basis für ein ImplantatPreparation of a three-dimensional fibroin support structure as the basis for an implant
Fibroin-SchwammFibroin sponge
- ◯ 6 ml Fibroin-Lösung und 2 ml von einer 4 Vol% Ethanol-Lösung in Wasser werden gemischt und eingefroren◯ 6 ml of fibroin solution and 2 ml of a 4 vol% ethanol solution in water are mixed and frozen
- ◯ Nach 36 Stunden wird die Lösung für 1,5 Stunden aufgetaut und dann erneut eingefroren.◯ After 36 hours, the solution is thawed for 1.5 hours and then frozen again.
- ◯ Der Einfrier-Auftau-Zyklus wird fünf Mal wiederholt, sodass eine schwammartige Struktur entsteht◯ The freeze-thaw cycle is repeated five times to create a sponge-like structure
- ◯ Der Fibroin-Schwamm kann aus der Lösung entnommen werden und in einem Kühlschrank gelagert werden.◯ The fibroin sponge can be removed from the solution and stored in a refrigerator.
Fibroin-Membran Fibroin membrane
- ◯ Eine Petrischale wird mit 15 ml Fibroin-Lösung gefüllt◯ A petri dish is filled with 15 ml of fibroin solution
- ◯ Diese trocknet für 36 Stunden horizontal auf einer Höhenausgleichsplatte◯ This dries horizontally on a height adjustment plate for 36 hours
- ◯ Die Membran wird durch Befüllen der Petrischale mit 40 ml einer 35 Vol%-Ethanol-Wasser-Lösung aus dieser gelöst◯ The membrane is released by filling the Petri dish with 40 ml of a 35 vol% ethanol-water solution
- ◯ Die Membran wird abgelöst und in destilliertem Wasser im Kühlschrank gelagert.◯ The membrane is detached and stored in distilled water in the refrigerator.
Hinzugabe von Partikeln aus einer MagnesiumlegierungAddition of particles from a magnesium alloy
Die Partikel aus der Magnesiumlegierung können durch die folgenden Methoden hinzufügt werden:
- Die Partikel aus der Magnesiumlegierung können zwischen zwei Vliesmembranen aus Fibroin-Fasern eingebettet werden, welche vorzugsweise durch das Elektrospinning-Verfahren hergestellt werden.
- Die Partikel aus der Magnesiumlegierung können im Herstellungsprozess der Vliese zugegeben werden, wobei die Fibroin-Fasern durch mechanische, thermische oder chemische Verwicklungen miteinander verbunden werden. Als Ergebnis sind die Partikel aus der Magnesiumlegierung innerhalb des Vlieses verteilt.
- The magnesium alloy particles can be embedded between two fibroin fiber fleece membranes, which are preferably produced by the electrospinning process.
- The magnesium alloy particles can be added to the nonwovens during the manufacturing process, the fibroin fibers being connected to one another by mechanical, thermal or chemical entanglements. As a result, the magnesium alloy particles are dispersed within the fleece.
Für die Herstellung von schwammartigen Produkten können die Partikel aus der Magnesiumlegierung zur einer Fibroin-haltigen Lösung hinzugefügt werden, gefolgt von einem anschließenden dynamischen einfrieren, um einen Fibroin-Schwamm mit dazwischenliegenden Partikeln aus der Magnesiumlegierung herzustellen.For the manufacture of sponge-like products, the magnesium alloy particles can be added to a fibroin-containing solution, followed by a subsequent dynamic freeze to produce a fibroin sponge with intermediate magnesium alloy particles.
Zur Herstellung von folienartigen Produkten, können die Partikel aus der Magnesiumlegierung zu der folienbildenden Lösung hinzugegeben werden, sodass nach dem Trocknen die Folie eingebettete Partikel aus der Magnesiumlegierung enthält. Alternativ kann eine Sandwichstruktur mit einem ersten Fibroin-Film, auf dem Partikel aus der Magnesiumlegierung gegeben werden, und einem weiteren Fibroin-Film, welcher auf die Partikel aus der Magnesiumlegierung aufgebracht oder gegossen wird, erzeugt werden.For the production of film-like products, the particles from the magnesium alloy can be added to the film-forming solution, so that after drying the film contains embedded particles from the magnesium alloy. Alternatively, a sandwich structure can be produced with a first fibroin film on which particles made of the magnesium alloy are placed and a further fibroin film which is applied or cast onto the particles made of the magnesium alloy.
Einhüllung einer tubulären Implantatstruktur mit einer Fibroin-MembranEnveloping a tubular implant structure with a fibroin membrane
Dabei kann die Fibroin-Hülle, welche die tubuläre Implantatstruktur bedeckt, durch das Elektrospinning-Verfahren hergestellt werden. Dazu wird eine röhrenförmige Implantatstruktur mit einer dreidimensionalen Fibroin-Stützstruktur, bevorzugt ein Fibroin-Schwamm, durch eine Rotationsbewegung der Stützstruktur im Beschichtungsprozess mit Fibroin-Fasern unter Bildung eines Vlieses beschichtet. Alternativ kann durch eine Tauchbeschichtung mit anschließender Trocknung der röhrenförmigen Implantatstruktur eine Fibroin-Membran als Abdeckung erzeugt werden.The fibroin sheath that covers the tubular implant structure can be produced by the electrospinning process. For this purpose, a tubular implant structure is coated with a three-dimensional fibroin support structure, preferably a fibroin sponge, by rotating the support structure in the coating process with fibroin fibers to form a fleece. Alternatively, a fibroin membrane can be produced as a cover by dip coating with subsequent drying of the tubular implant structure.
FigurenlisteFigure list
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden ersichtlich und erläutert mit Bezug auf die Ausführungen beschrieben hiernach.These and other aspects of the invention will be apparent and explained with reference to the embodiments described hereinafter.
Die Erfindung wird nun basierend auf Ausführungen beispielhalber beschrieben mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen.The invention will now be described based on embodiments by way of example with reference to the accompanying drawings.
In den Abbildungen:
In den Abbildungen beziehen sich gleiche Nummern durchgehend auf gleiche Objekte. Objekte in den Abbildungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu gezeichnet. In the figures, the same numbers refer to the same objects throughout. Objects in the illustrations are not necessarily drawn to scale.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen:Detailed description of the embodiments:
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Hilfe der Abbildungen beschrieben.Various embodiments of the invention will now be described with the aid of the figures.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- 3D-Stützstruktur in Form eines Fibroin-Schwammes3D support structure in the form of a fibroin sponge
- 22nd
- Filamentöse 3D-Stützstruktur aus Fibroin3D filamentous fibroin support structure
- 33rd
- Fibroin-HydrogelFibroin hydrogel
- 44th
- 3D-Stützstruktur aus Magnesium (oder einer Magnesiumlegierung)3D support structure made of magnesium (or a magnesium alloy)
- 55
- Membranhülle aus FibroinFibroin membrane cover
- 66
- Partikel aus Magnesium (oder einer Magnesiumlegierung)Magnesium (or magnesium alloy) particles
- 77
- NervensegmenteNerve segments
- 88th
- Arteriovenöse Gefäßschlinge (A-V-Loop)Arteriovenous vascular loop (A-V loop)
- 99
- Röhrenförmige ImplantatstrukturTubular implant structure
DefinitionenDefinitions
Der Begriff „biodegradierbar“ bezieht sich im Kontext der vorliegenden Erfindung verwendet auf eine Vorrichtung, welche unter physiologischen Bedingungen degradiert wird.The term “biodegradable” in the context of the present invention refers to a device that is degraded under physiological conditions.
Gemäß der Erfindung ist die „dreidimensionale Gewebestützmatrix“ als eine dreidimensionale Matrix definiert, welche der Unterstützung der Viabilität, der Proliferation und/oder der Differenzierung lebender Zellen dient. Infolgedessen bilden diese Zellen, welche die Stützmatrix in vitro, ex vivo oder in vivo besiedeln, ein „Gewebe“. Der Begriff „Gewebe“, wie hier verwendet, bezeichnet ein zelluläres Organisationslevel zwischen Zellen und einem vollständigen Organ. Hierdurch bilden die Zellen, welche in der dreidimensionalen Stützstruktur eingeschlossen sind, ein zelluläres Ensemble, in dem die Zellen interagieren, um eine bestimmte Funktion auszuführen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das „Gewebe“ ein Ensemble von ähnlichen Zellen und extrazellulärer Matrix des gleichen Ursprungs, welche zusammen eine bestimmte Funktion ausführen.According to the invention, the “three-dimensional tissue support matrix” is defined as a three-dimensional matrix which serves to support viability, proliferation and / or differentiation of living cells. As a result, these cells, which colonize the support matrix in vitro, ex vivo or in vivo, form a “tissue”. The term "tissue" as used herein refers to a cellular level of organization between cells and a whole organ. As a result, the cells that are enclosed in the three-dimensional support structure form a cellular ensemble in which the cells interact in order to perform a specific function. In a preferred embodiment of the invention, the “tissue” is an ensemble of similar cells and extracellular matrix of the same origin, which together perform a specific function.
Wie im Kontext der Erfindung verwendet bezieht sich der Begriff „biokompatibel“ auf eine Vorrichtung, welche in einem Umfeld in vivo im Wesentlichen nicht giftig ist und im Wesentlichen nicht vom physiologischen System des Empfängers abgestoßen wird.As used in the context of the invention, the term “biocompatible” refers to a device that is essentially non-toxic in an environment in vivo and is essentially not rejected by the recipient's physiological system.
Der Begriff „Hydrogel“ bezieht sich auf ein dreidimensionales (3D), vorzugsweise vernetztes Netzwerk von hydrophilen Polymeren, welche in Wasser oder anderen polaren Lösungsmitteln quellen. Im Allgemeinen bestehen Hydrogele zum größten Teil aus Wasser. In manchen Ausführungsformen kann das Hydrogel der Erfindung z. B. aus bis zu 50 % oder mehr, 60 % oder mehr, 70 % oder mehr, 80 % oder mehr, 90 % oder mehr, 95 % oder mehr oder 98 % oder mehr Gewichtsanteil Wasser bestehen. In manchen Ausführungsformen können weitere Komponenten wie Proteine, Kohlenhydrate oder Salze und vorzugsweise Magnesiumpartikel im Hydrogel eingeschlossen werden. Typischerweise sind diese weiteren Komponenten in das Hydrogel eingeschlossen, indem eine Suspension oder Lösung, die diese weiteren Komponenten enthält, mit einer Vorläuferlösung vermischt wird (d. h., eine Lösung bestehend aus Fibroin-Proteinen, die für die Hydrogel-Herstellung geeignet ist) und das resultierende Netzwerk unter Verwendung herkömmlicher Mittel zur Vernetzung vernetzt wird. In einigen Ausführungsformen können eine Vielzahl von Hydrogelen zu einer Hydrogel-Komposition zusammengefügt werden.The term “hydrogel” refers to a three-dimensional (3D), preferably cross-linked network of hydrophilic polymers that swell in water or other polar solvents. In general, hydrogels consist mostly of water. In some embodiments, the hydrogel of the invention may e.g. B. consist of up to 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, 90% or more, 95% or more or 98% or more by weight water. In some embodiments, other components such as proteins, carbohydrates or salts and preferably magnesium particles can be included in the hydrogel. Typically, these additional components are included in the hydrogel by mixing a suspension or solution containing these additional components with a precursor solution (ie, a solution consisting of fibroin proteins suitable for hydrogel production) and the resulting one Network is networked using conventional means of networking. In some embodiments, a variety of hydrogels can be combined into a hydrogel composition.
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