DE69734396T2

DE69734396T2 - Erhöhung der festigkeit von kollagenkonstruktionen

Info

Publication number: DE69734396T2
Application number: DE69734396T
Authority: DE
Inventors: F. John CAVALLARO
Original assignee: Organogenesis Inc
Current assignee: Organogenesis Inc
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2017-05-29
Also published as: ATE306948T1; EP0955949A1; EP0955949A4; US5718012A; JP2000511091A; DE69734396D1; AU3144597A; JP4456672B2; EP0955949B1; WO1997045071A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung gehört zum Gebiet der gewebekonstruktiven, implantierbaren medizinischen Vorrichtungen und betrifft aus Kollagenfäden hergestellte prothetische Vorrichtungen, die benutzt werden, um Gewebe oder Organe zu ersetzen oder zu reparieren. Solche prothetischen Vorrichtungen sind dafür bestimmt, lasttragende Gewebe wie beispielsweise ein Band und eine Sehne zu reparieren. Diese Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Reißfestigkeit von Kollagenfäden und Kollagenfadenkonstrukten durch Spannungsrelaxation.
TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eines der wichtigsten Merkmale lebender Organismen ist ihr Selbstreparaturvermögen. Dafür haben sich verschiedene Mechanismen entwickelt, Wundheilung, Kompensationswachstum und epimorphe Regeneration inbegriffen (J. Gross: Regeneration versus repair, S. 20–39 (1992), in: L. K: Cohen, R. F. Diegelman und W. J. Lindblad (Hg.): Wound Healing: Biochemical and Clinical aspects, W. B. Saunders, Philadelphia). Obwohl alle Gewebe und Organe (möglicherweise mit Ausnahme der Zähne) in gewissem Maße zu Reparaturen fähig sind, haben Säuger leider die Fähigkeit, stark beschädigte Körperteile originalgetreu zu regenerieren, verloren (J. Gross, supra (1992)). Um zu versuchen, diesen Mangelzustand zu überwinden, sind zahlreiche künstliche Hilfsmittel mit dem Ziel entwickelt worden, dass die Implantate biologisch inaktiv sind und dennoch bis ans Lebensende des Empfängers funktionieren. Erfahrungen mit künstlichen Hilfsmitteln haben jedoch gezeigt, dass eine biologische Inaktivität offenbar nicht nur unmöglich ist, sondern dass die Interaktion zwischen einem Biomaterial und dem umliegenden lebenden Gewebe sogar zum langfristigen Erfolg des Implantats beitragen kann (J. Kohn, Med. Dev. Technol., 1: 34–38 (1990)). Es ist die Wissenschaft der Gewebekonstruktion entstanden, die diese biologische Gegebenheit ausnutzt.
In diesem Forschungsgebiet liegt der Fokus auf Biomaterialien, die zur Herstellung von biologisch umstrukturierbaren Transplantaten benutzt werden. Zwei Materialarten werden derzeit von einer Anzahl von Forschern geprüft: biologische Bestandteile der extrazellulären Matrix (ECM), wie etwa Kollagen und Proteoglycan, und synthetische, nicht-biologische Materialen. Materialien biologischer Abstammung sind insofern vorteilhaft, als sie Eigenschaften aufweisen, die die Zellanlagerung und -funktion unterstützen, wohingegen es sein kann, dass synthetische Materialien nicht in der gewünschten Weise mit Zellen interagieren (R. Langer, Science, 260: 920–926 (1993)). Außerdem versuchen Forscher, synthetische Materialien durch Ankoppeln von Peptidsequenzen, die von Zelladhäsionsproteinen wie etwa den Integrinen erkannt werden, abzuwandeln (J. A. Hubbell, Ann NY Acad Sci, 665: 253–258 (1992); Lin, H. B. u.a., Biomaterials, 13: 905–914 (1992)).
Die ursprüngliche Theorie, dass die extrazelluläre Matrix lediglich ein inaktives Trägermaterial ist, worin oder worauf sich Zellen befinden, wird seit kurzem als falsch angesehen (Hay, E. D. u.a.: Cell Biology of the Extracellular Matrix, 2. Aufl. (1991), Plenum Press, New York; Nathan, C., J Cell Biol, 113: 981–986 (1991)). Zellen interagieren weiterhin mit vielen Bestandteilen der extrazellulären Matrix, die weiterhin Funktionen als Kleber, Biomaterial, Filter, Rezeptor, Signal und Text erfüllt (Nathan, C., supra (1991); Trelstad, R. L., Textbook of Rheumatology, S. 35–57 (1993), 4. Aufl, W. B. Saunders, Philadelphia). Folglich scheint es vernünftig anzunehmen, dass die komplexe Wechselwirkung zwischen den Zellen und der extrazellulären Matrix derart ist, dass die Implantate biologischer Abstammung weiterhin Reize abgeben werden, die eine Umstrukturierung bestimmen, was synthetische Materialien nicht können, wenn sie nicht in einem solchen Ausmaß verändert sind, dass sie den natürlichen Molekülen, die sie nachzuahmen versuchen, im Wesentlichen gleichen.
Trotz des biologischen Ursprungs führt weit gehende chemische Veränderung des Kollagens dazu, dass es als "fremd" erkannt wird. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit implantierter Kollagen enthaltender Vorrichtungen auf lange Sicht ist es wichtig, viele der Eigenschaften des natürlichen kollagenhaltigen Gewebes zu bewahren. Bei diesem "Gewebekonstruktionsansatz" wird die Prothese nicht als ein dauerhaftes Implantat ausgelegt, sondern als ein Gerüst oder eine Vorlage für eine Regenerierung oder Umstrukturierung. Die Gestaltungsprinzipien der Gewebekonstruktion erfordern einen isomorphen Gewebeersatz, wobei der biologische Abbau der Implantatmatrix mit ungefähr der gleichen funktionellen Rate wie der Gewebeersatz durch den Wirt erfolgt, so dass ein funktionsfähiges Analogon des ursprünglichen Gewebes entsteht (Yannas, I. V., (1995): Regeneration Templates, S. 1619–1635, In: Bronzino, J. D. (Hg.): The biomedical Engineering Handbook, CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida.)
Obwohl Kollagen des Typs I seit mehr als 50 Jahren als Biomaterial verwendet wird, haben diese Implantate im Allgemeinen nicht von der Fähigkeit des Körpers, ein Implantat umzustrukturieren, Gebrauch gemacht. Im Gegenteil, die Implantate waren auf Dauerhaftigkeit ausgelegt und das Herstellungsverfahren, das verwendet wurde, um diese Vorrichtungen herzustellen, benutzte entweder teilweise abgebautes, enzymextrahiertes Kollagen, das durch Vernetzen unter Verwendung von Glutaraldehyd oder Chromsalzen stabilisiert wurde (Chvapil, M.: Industrial uses for collagen. In: D. A. D. Parry und L. K. Creamer (Hg.): Fibrous proteins: scientific, industrial and medical aspects, (1979) Academic Press, London; Chvapil, M., Int Rev Connect Tiss Res, 6: 1 (1972); Stenzel, K. H. u.a., Ann Rev Biophys Bioeng., 3: 231–253 (1974)), oder baute das Kollagen in nicht-natürliche Polymerstrukturen wie etwa Filme und Schaumstoffe ein (Burke, J. F., supra (1981); Chvapil, M., supra (1979); Chvapil, M. (1973), supra; Rubin, A., J Macromol Sci Chem., A3: 113–118 (1969); Stenzel, K. H., supra (1974); Yannas, I. V., Science, 215: 174–176 (1982); Yannas, I. V., Proc Natl Acad Sci USA, 86: 933–937 (1989); Heimbach, D., Ann Surg, 208: 313–320 (1988)). Da Prothesen, die bei erheblichen Belastungen funktionieren müssen, eine hohe mechanische Festigkeit erfordern, etwa bei einem Ersatz von Bändern und Sehne sowie bei einer Bruchoperation, wird nach alternativen Biomaterialien gesucht.
Ein für die Gewebekonstruktion wichtiger Bereich ist die Entwicklung eines Materials, um ein geschädigtes Band oder eine geschädigte Sehne dauerhaft zu ersetzen. Das am häufigsten ersetzte Band ist das vordere Kreuzband des Knies infolge einer Schädigung, die häufig auf Sportverletzungen, etwa durch Fußballspielen oder Skilaufen, zurückzuführen ist. Wenn das vordere Kreuzband einmal gerissen ist, geschieht die Heilung nicht von allein, wie bei anderen Kniebändern (z.B. dem medialen Seitenband), vor allem weil eine Auflagerung der gerissenen Bandstümpfe auf Grund der elastischen Kontraktion unmöglich ist.
Patellasehnen-Autotransplantate sind der gegenwärtige Behandlungsstandard für den Ersatz des vorderen Kreuzbandes (Markolf KL u.a., Trans ORS 20: 644, 1995). Autotransplantate sind keine gesetzlichen medizinischen Produkte und unterliegen keinen Herstellungs- und Vermarktungsvorschriften für Biomaterialen. Patellasehne für den chirurgischen Gebrauch ist leicht erhältlich. Da es sich dabei um Autotransplantatmaterial handelt, besteht nicht die Gefahr einer immunologischen Abstoßung. Üblicherweise wird ein Stück der Patellasehne von einem Drittel ihrer Breite aus demselben Kniegelenk entnommen und an der vorderen Kreuzposition eingesetzt. Die Befestigung erfolgt gewöhnlich durch präzises Bohren in Oberschenkelknochen und Schienbein, Einsetzen des Transplantats zwischen beide Knochen und Fixieren der Enden mittels Knochenkleber in den gebohrten Löchern. Obwohl das Transplantat als Gerüst für eine Gewebeneubildung und biologische Fixierung fungiert, führt das Gewinnungsverfahren für den Patienten mit Kreuzbandriss zu einem zusätzlichen Trauma. Zudem ist die Patellasehne während des Umstrukturierungsprozesses geschwächt und kann beschädigt werden. Schließlich ist bei Patellasehnen-Autotransplantaten die Ausfallrate hoch, da sie nur langsam revaskularisieren und oft bis zu einem Punkt gedehnt werden, an dem Kniebelastungen nicht länger möglich sind.
Nach dem Ausfall eines Patellasehnen-Autotransplantats erwägen Chirurgen ein prothetisches Hilfsmittel, um das vordere Kreuzband zu ersetzen. Fortschritte in der Werkstoffwissenschaft haben zu Transplantaten geführt, die sehr stabil und haltbar sind und die natürliche Festigkeit des vorderen Kreuzbandes sogar übertreffen. Die Primärstoffe, die für das Kreuzband ersetzende Transplantate in Betracht gezogen werden, sind synthetische Polymere, Kohlenstofffasern und Kollagen.
Allogene Materialien (d.h. Kadavertransplantate) vermeiden ein Gewinnungstrauma, können jedoch die Gefahr einer Übertragung von Viruserregern mit sich bringen. Synthetisches Transplantatmaterial, im Allgemeinen Polyethylenterephthalat (Dacron, sowohl von Howmedica als auch von Stryker hergestellt) oder Polytetrafluorethylen (Teflon, von Gore-Tex hergestellt), und Kohlenstofffasertransplantate (DuPont), kann doppelt so stark wie natürliches Kreuzbandgewebe sein und bis zu 1 × 10⁷ Zyklen ohne Ausfall überstehen. Allerdings können Prüfstandtests nicht das innere Milieu des Kniegelenks simulieren. Obwohl diese Transplantate nunmehr stabil genug sind, um die erforderliche Belastung zu ertragen, sind diese Materialen nicht biologisch inaktiv und unterliegen der Ermüdung und Abnutzung. Probleme einer chronischen Entzündung und Abnutzung bestehen fort und nehmen mit der Zeit zu, bis eine mechanische Schädigung auftritt, die eine erneute Operation erfordert. WO 9 614 095 beschreibt Implantate, Sehnen und andere orthopädische Strukturen, die aus einem Monofilament oder einem Bündel aus Kollagenfasern mit einer durch Dehnen oder Vorspannen erzielten erhöhten Festigkeit und Elastizität hergestellt sind.
Es sind aus rekonstituierten Kollagenfasern hergestellte Kreuzbandtransplantate beschrieben worden. Das Patent Nr. 5,171,273 offenbart ein Kollagentransplantat mit synthetischen Kollagenfasern, die in eine lockere, unvernetzte Kollagenmatrix eingebettet sind. Das Ausgangsmaterial für die Fasern war vom bovinen Corium (Dermis) abgelöstes unlösliches Kollagen. Das abgelöste Material ist eine Suspension von Fragmenten aus natürlich gebändertem, fibrillärem Rinderkollagen des Typs I, die vermutlich geringe Mengen anderer Gewebeproteine enthält.
Das US-Patent Nr. 5,263,984 offenbarte ein prothetisches Band, das Filamente aufweist, die aus Fibrillen oder kurzen Stücken natürlicher polymerer Bindegewebe, wie etwa Kollagen, gebildet sind. Das Ausgangs-Kollagenmaterial war in diesem Fall ebenfalls unlöslich.
Es sind rekonstituierte Kollagenfasern, die in Bündeln (Dunn, F. H. u.a., Am J Sports Med 20: 507, 1992; Cavallaro, J. F. u.a., Biotech Bioeng 43: 781, 1994) oder Geflechten (Cavallaro, J. F. u.a., supra.; Chvapil, M. u.a., J. Biomed Mat Res 27: 313, 1993) angeordnet sind, als Kreuzbandersatz mit Gewebekonstruktionseigenschaften vorgeschlagen worden. Bei kleineren Tiermodellen, wie etwa am Kaninchen (Dunn, F. H. u.a., supra) und am Hund (Cavallaro, J. F. u.a., supra) vielversprechende Implantationsstudien sind bei größeren Modellen, wie etwa an der Ziege (Chvapil, M., u.a., supra), noch nicht erfolgreich verlaufen, vielleicht wegen der verhältnismäßig geringen Haftfestigkeit der Verbundstruktur, trotz der hohen Reißfestigkeit der einzelnen Fasern. Dieser Verlust an Festigkeit ergibt sich aus ungleichen Spannungen, Längen und Orientierungen der Fasern in dem Konstrukt (Zurek W., u.a., Textile Res J 57(8): 439, 1987.)
Wünschenswert ist eine prothetische Vorrichtung, die aus einem Biomaterial wie etwa Kollagen hergestellt ist, das der Festigkeit synthetischer Materialien nahe kommt. Ein weiterführendes Ziel der Forscher ist die Entwicklung implantierbarer Prothesen, die mit Erfolg verwendet werden können, um Säugetier-Gewebe zu ersetzen oder zu reparieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Verbesserung der Reißfestigkeit von Kollagenfäden und Konstrukten, die aus Kollagenfäden hergestellt sind, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Plastifizieren eines Kollagenfadens oder Kollagenfadenkonstrukts mit einem Plastifizierungsmittel; Aufbringen einer Zugbelastung auf den Kollagenfaden oder auf das Kollagenkonstrukt, um den Kollagenfaden zu dehnen, und dann Ermöglichen, daß die Belastung in dem Faden sich durch Spannungsrelaxation oder durch Kriechen auf weniger als 0,5 Gramm pro Ende vermindert. Außerdem kann das Verfahren ein Vernetzen des Fadens über die Länge mit einem Vernetzungsmittel einschließen.
Kollagenfäden und aus Kollagenfäden bestehende Konstrukte mit verbesserter Reißfestigkeit sind als prothetische Vorrichtung für eine Implantation geeignet. Prothetische Vorrichtungen, die aus Kollagenfäden mit verbesserten Festigkeitseigenschaften bestehen, sind für die Reparatur von lasttragenden Geweben wie etwa einem Band und einer Sehne bestimmt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit von biokompatiblen prothetischen Vorrichtungen, welche Kollagenfäden aufweisen und als Implantate, um geschädigte Sehnen oder Bänder und weitere Strukturen zu reparieren, für Bruchoperationen, Blutgefäßersatz, Vorfallstütze und Brustwandrekonstruktionen nach einer Verletzung oder Tumorresektion verwendbar sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Band, das ersetzt wird, das vordere Kreuzband im Kniegelenk von Säugetieren.
Die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung weisen eine Anordnung von Kollagenfäden auf, die aus einer Lösung von Kollagenmolekülen gebildet sind, welche die chemische und Organisationsstruktur natürlichen Kollagens nachahmen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung Kollagenfäden auf, die in einem Bündel angeordnet sind, wobei die Kollagenfäden einer Spannungsrelaxation vorbehandelt bzw. konditioniert worden sind, um die Reißfestigkeit der Vorrichtung zu verbessern. Wenn die Vorrichtung einmal implantiert ist, stellt sie ein Gerüst dar, das von Wirts-Bindegewebezellen infiltriert und besiedelt werden kann, welche schließlich die Vorrichtung um natürliches Gewebe ergänzen oder durch natürliches Gewebe ersetzen, wodurch ihr ermöglicht wird, ihre natürlichen Funktionen zu erfüllen.
Kollagenfäden, die aus Kollagen bestehen, können mittels einer beliebigen Anzahl von Verfahren hergestellt werden, die im Fach der Kollagenfadenbildung bekannt sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise eher eine Säureextraktion als eine Enzymextraktion angewendet, um die Kollagenlösung herzustellen. Eine Enzymextraktion (Pepsin) entfernt die Telopeptid-Regionen von den Enden der Kollagenmoleküle. Solche Kollagenpräparate bringen weniger feste Fäden als säureextrahierte Präparate hervor. Genauso ist gezeigt worden, dass pepsinextrahiertes Kollagen zu Fibroblasten kontrahierte Kollagennetze erzeugt, die zwanzigmal schwächer als Netze sind, die aus säureextrahiertem Kollagen hergestellt sind (Bell, E., INSERM, 177: 13–28 (1989)). In Säure löslich gemachtes Kollagen kann mittels Verfahren und Quellen hergestellt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Quellen für Kollagen sind u.a. Haut und Sehne. Eine bevorzugte Kollagenzusammensetzung zur Verwendung hierfür wird aus einer neuen Quelle, der Rinderzehen-Strecksehne, und durch ein neuartiges Extraktionsverfahren, die beide in dem US-Patent Nr. 5,106,949 offenbart sind, gewonnen. Obwohl Monomere und Mischungen aus Monomeren und Kollagenpolymeren höherer Ordnung, z.B. Dimere bis hin zu Fibrillen, diese eingeschlossen, bei der Umsetzung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, werden für viele Anwendungen Monomere bevorzugt.
Kollagenlösungen zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung weisen im Allgemeinen eine Konzentration von ungefähr 2 bis 10 mg/ml, vorzugsweise von ungefähr 4 bis 6 mg/ml und insbesondere von ungefähr 4,5 bis 5,5 mg/ml bei einem pH-Wert von ungefähr 2 bis 4 auf. Ein bevorzugtes Lösungsmittel für das Kollagen ist verdünnte Essigsäure von ungefähr 0,05 bis 0,1 Vol.-%. Es können andere herkömmliche Lösungsmittel für Kollagen benutzt werden, solange diese mit einer Fadenbildung und den gewünschten Eigenschaften des Kollagenfadens vereinbar sind. Außerdem können diese Kollagenlösungen gegebenenfalls dem Fachmann bekannte Bestandteile enthalten, welche die Interaktion zwischen dem Wirt und dem Implantat modifizieren oder regulieren, wobei die Bestandteile etwa neutrale oder geladene Polymere einschließlich, ohne hierauf beschränkt zu sein, Polyvinylalkohol, Polyethylenglykol, Hyaluronsäure, Wachstumsfaktoren und anderer extrazellulärer Matrixkomponenten wie etwa Proteoglycane sind.
Die Bildung von Kollagenfäden unter Verwendung von in Säure gelöstem Kollagen des Typs I ist in dem US-Patent Nr. 5,378,469 beschrieben. Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von Kollagenfäden zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf:

(a) Spritzen einer kollagenhaltigen Lösung in ein Dehydratisierungsmittel, wobei das Dehydratisierungsmittel einen höheren osmotischen Druck als die Kollagenlösung und einen pH-Wert von ungefähr 5 bis 9 hat; und
(b) Halten des Dehydratisierungsmittels unter Bedingungen, die eine Kollagenfadenbildung ermöglichen.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren zur Herstellung von Kollagenfäden umfasst das Verfahren ferner das Ausspülen des gebildeten Fadens aus dem Dehydratisierungsmittel, das zusätzliche Flexibilität verleiht. Dieser optionale Schritt ist besonders nützlich bei Anwendungen, bei denen mit dem Kollagenfaden gestrickt oder gewebt werden soll. Ein bevorzugtes Spülmittel ist gereinigtes Wasser. Ein weiteres bevorzugtes Spülmittel beinhaltet phosphatgepufferte Salzlösung (PBS) mit einer Phosphatkonzentration von ungefähr 0,001 bis ungefähr 0,02 M und einer Natriumchlorid-(NaCl)Konzentration von ungefähr 0,05 bis ungefähr 0,1 M. Bei Verwendung gepufferter Lösungen wird der pH-Wert des Spülbades über einem pH-Wert von ungefähr 5 gehalten, um eine übermäßige Hydratisierung des Fadens zu vermeiden. Ein bevorzugter pH-Bereich ist zwischen ungefähr 6 und ungefähr 8.
Die Eigenschaften von Kollagenfäden und -fasern können auf ähnliche Weise wie bei anderen Fäden und Fasern, die in der Textilindustrie verwendet werden, beurteilt werden. Textilfasern werden im Allgemeinen in Fadenmasse pro Längeneinheit oder Denier (Masse in Gramm pro 9000 Meter Länge) gemessen. Die Denierzahl, die typisch zwischen ungefähr 40 und 80 ist, kann im Bereich von ungefähr 15 bis ungefähr 300 variiert werden, indem die Geschwindigkeit, mit der das Kollagen in das Dehydratisierungsbad einfließt, die Strömungsgeschwindigkeit des Dehydratisierungsbades und/oder die Nadel-(Öffnungs-)Größe verändert werden. Die relative Reißfestigkeit eines Fadens wird in Gramm Zugfestigkeit pro Denier gemessen. Wenn beispielsweise ein Faden mit 50 Denier eine Zugfestigkeit von 220 Gramm aufweist, ist die relative Reißfestigkeit 220/50 = 4,40 Gramm pro Denier (g/den). Die Grenzlast ist die maximale Last eines Fadens oder eines Fadenkonstrukts unmittelbar vor einem Bruch bzw. Abreißen, üblicherweise in Gramm gemessen. Die Reißfestigkeit wird berechnet, indem die Grenzlast durch die Querschnittsfläche geteilt wird. Sie wird in Newton pro Quadratmillimeter, auch als Megapascal (MPa) bezeichnet, oder in Pfund pro Quadratzoll (psi) gemessen. Gramm pro Denier (g/den) kann ebenfalls als Maß für die Reißfestigkeit benutzt werden.
Aus Kollagenfäden können mittels Techniken zur Verarbeitung von Fasern, die dem Fachmann bekannt sind, z.B. durch Stricken und Weben, Konstrukte gebildet werden. Die meisten Faserverarbeitungstechniken sowohl für Naturfasern, z.B. Baumwolle, Seide usw., als auch für synthetische Fasern, z.B. Nylon, Celluloseacetat usw., sollten für die Verarbeitung der hier geschaffenen Fäden brauchbar sein, wobei Techniken zur Herstellung von dreidimensionalen Textilien eingeschlossen sind, siehe z.B. Mohamed, American Scientist, 78, (1990) 530–541. Dreidimensionale Kollagenkonstrukte und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in der US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 08/215,760 offenbart.
Kollagenfäden werden bereits verwendet, um geflochtene Konstrukte zu bilden, die zu Garn gefacht und verstrickt werden, wie in der US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 08/216,527 offenbart ist. Die Kollagenfäden können mit Techniken, die dem Fachmann bekannt sind, verwoben werden, um ein Gewebekonstrukt herzustellen. Ein gestrickter Schlauch, der aus einem zweilagigen Garn, mit einer Garnwindung aus einem quervernetzten Kollagenfaden und einer aus einem unvernetzten Kollagenfaden, besteht, wird bereits zur Herstellung eines Blutgefäßkonstrukts verwendet, das ebenfalls in der US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 08/216,527 beschrieben ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein mehrfädiges Bündel gebildet, indem die Fäden um eine Spannvorrichtung gewickelt werden, die an wenigstens zwei Punkten, beispielsweise fest an einem Rahmen angebrachte Stifte aufweist, um eine geschlossene Schleife herzustellen. Nachdem die geschlossene Schleife von den Stiften abgenommen worden ist, werden die einander gegenüberliegenden Seiten der Schleife zusammengebracht, so dass der größte Teil der Fäden parallel zueinander ist, um an jedem Ende des Bündels eine Schlaufe zu formen. Die Schlaufen an jedem Ende des Bündels werden dann gesichert, und eine der beiden oder beide Schlaufen können dann wahlweise aufgeschnitten werden, um ein Bündel aus einzelnen Kollagenfadenabschnitten zu bilden, die ungefähr die gleiche Länge aufweisen. Eine Schlaufe oder die Schlaufen am Ende des Konstrukts können benutzt werden, um das gebündelte Konstrukt zu fixieren, wenn es in einen Wirt oder Patienten implantiert oder transplantiert wird. Um mit diesem Verfahren ein 500-lagiges Bündel zu formen, wird der Faden 250-mal um die Spannvorrichtung gewickelt. Außerdem könnten Bündel geformt werden, indem die Enden einzelner Fadenabschnitte, die, miteinander verglichen, ungefähr die gleiche Länge aufweisen, zusammengefasst und ausgerichtet werden, woraufhin die Enden gesichert werden, um ein gebündeltes Konstrukt zu bilden. Es können noch weitere dem Fachmann bekannte Techniken und Quellen verwendet werden, um ein Fadenbündel zu formen. Ein Bündel kann benutzt werden, um ein Multifil-Geflecht aus drei oder mehr Faserbündeln, eine zwei oder mehr Bündel umfassende Spirale oder ein einziges gezwirntes Bündel oder ungezwirntes Bündel zu formen. Schließlich kann auch zumindest eine Schlaufe an einem Ende des Bündels gebildet werden, um ein Mittel zur Befestigung der Vorrichtung, wenn sie einem Wirt oder Patienten implantiert wird, zu schaffen.
Die theoretische Festigkeit parallel gebündelter, völlig gleicher Kollagenfasern übertrifft jene eines gezwirnten oder geflochtenen Konstrukts, das die gleiche Anzahl Fasern enthält, auf Grund der Tatsache, dass ein gezwirntes oder geflochtenes Konstrukt Elemente enthält, die nicht genau zur Achse des Konstrukts ausgerichtet sind. In der Praxis sind Geflechte und gezwirnte Konstrukte jedoch oftmals fähig, viel höhere Zugbelastungen als parallele Bündel zu ertragen, da es unmöglich ist, Faserlängen und Spannungen über dem Bündel wirklich gleich zu halten.
Ein Ansatz, um gegen den praktischen Verlust an Festigkeit in einem parallelen Bündel aus Kollagenfäden anzugehen, besteht darin, zwei wichtige Eigenschaften des Kollagens wirksam einzusetzen: Es lässt sich leicht plastifizieren, und eine auferlegte Spannung lässt leicht mit der Zeit nach. Die Viskoelastizität Kollagen enthaltender Gewebe wurde von Fung untersucht, der die Spannungsrelaxation, auch einfach "Relaxation" genannt, als einen Vorgang definiert, bei dem, wenn ein Gewebe mit einer konstanten, begrenzten Spannung belastet wird und die Länge konstant gehalten wird, die entsprechenden Spannungen, die in dem Gewebe herbeigeführt werden, mit der Zeit abnehmen (Fung, Y. C., (1981) Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues. S. 211, Springer-Verlag New York Inc., New York.) Folglich werden alle Fasern auf die gleiche Länge gebracht, indem ein Parallel-Bündel aus nicht vernetzten Kollagenfasern zuerst plastifiziert und dann gestreckt oder gereckt wird. Dann, wenn dem zugbeanspruchten Bündel erlaubt wird, zu entspannen, ist die Wirkung, dass alle Fasern auf ungefähr den gleichen Spannungsgrad gebracht worden sind. Alternativ könnte dem Konstrukt nach dem Plastifizieren ein Kriechen (d.h. eine Längenzunahme unter Zugbelastung) ermöglicht werden, wodurch das gleiche Ergebnis erzielt wird. Auf der Ultrastrukturebene haben diese konditionierenden Vorbehandlungen mittels Spannungsrelaxation und Kriechen zur Folge, dass sich die Kollagenmoleküle in der Faser zur Faserachse ausrichten; aus dem gleichen Grund ist nämlich das Faserziehen ein wohl bekanntes Verfahren, um die Zugeigenschaften zu verbessern (Zurek, supra). Diese konditionierenden Vorbehandlungen haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie die Bündelelemente gemeinsam zu einer kohärenteren Einheit ausrichten, indem sie die Packungsdichte der Fasern erhöhen. Die Kohärenz des Konstrukts ermöglicht, die Last auf nebeneinander liegende Kollagenfäden zu verteilen, was zur Festigkeit des Konstrukts beiträgt. Mit der Kohärenz nimmt die Packungsdichte (auch als "Faservolumen" bezeichnet) zu, und es können mehr Fasern in einen begrenzten Raum, wie etwa eine Gelenk- oder Knochenröhre, eingepasst werden, wenn sie als eine Bandprothese implantiert werden. Durch die Kombination dieser Faktoren wird die Nassfestigkeit eines Kollagenfaserbündel-Konstrukts deutlich verbessert.
In der bevorzugten Ausführungsform wird ein einzelner Kollagenfaden oder ein Kollagenfadenbündel, das 2- bis 100-lagig ist, mittels im Fach bekannter Bündelungsverfahren hergestellt. Jeder Faden in dem Bündel hat vorzugsweise ungefähr die gleiche Länge wie die anderen in dem Bündel. Die Fäden können jedoch verschiedene Denierzahlen und Zusammensetzungen aufweisen. Beispielsweise können die Fäden so in dem Bündel verlaufen, dass die Seele des Bündels aus dünneren oder eine niedrigere Denierzahl aufweisenden Fäden gebildet ist und die peripheren Fäden dicker oder eine höhere Denierzahl aufweisend sind. Entweder die inneren oder die äußeren Fäden in einem Bündel können so aufgebaut sein, dass sie mit Cytokinen oder Wachstumsfaktoren beschichtet sind oder dass diese in die Fäden eingelagert sind, um die Zellverträglichkeit oder die biologische Umstrukturierung zu verbessern oder zu regulieren. Außerdem kann das Bündel in der Weise modifiziert sein, dass die Enden des Bündels, die in den Knochen implantiert werden, mit einem knochenstrukturbildenden Protein oder mit Cytokinen, die die Knochenbildung verbessern, behandelt sind.
Das Bündel wird dann in einer Vorrichtung angeordnet, die das Bündel an den Enden in entgegengesetzte Richtungen ziehen kann, um in Längsrichtung des Bündels eine Zugbelastung aufzuerlegen. Der Basislinienwert der Reißfestigkeit für trockene, nicht vernetzte Bündel wird durch Ziehen der Bündel über die Zerreißgrenze hinaus, wobei die Höchstbelastung registriert wird, erhalten.
Das Verfahren zur Verbesserung der Reißfestigkeit eines Kollagenfadens oder eines Kollagenfäden umfassenden Bündels schließt das Befestigen der Enden eines Fadenbündels in einer Vorrichtung oder einem Mittel zum Ziehen des Bündels an seinen Enden in entgegengesetzte Richtungen ein. Eine bevorzugte Vorrichtung, um das Bündel an den Enden zu ziehen, ist ein mechanisches Prüfsystem wie etwa das mechanische Prüfsystem Mini-Bionix 858 (MTS Systems Corp., Eden Prairie, MN). Nachdem die Enden des Bündels mit den Klemmbacken des mechanischen Prüfsystems festgeklemmt worden sind, wird das Bündel plastifiziert. Plastifizierungsmittel sind vorzugsweise Wasser oder wässrige Lösungen oder Puffer wie etwa phosphatgepufferte physiologische Kochsalzlösung (PBS). Es sind gepufferte Lösungen mit niedrigem pH-Wert verwendet worden, um die Kollagenfäden mit einer höheren Geschwindigkeit als bei höherem pH-Wert zu plastifizieren. Plastifizierungsmittel wie etwa Glycerol oder andere hygroskopische Mittel, die im Fach bekannt sind, können möglicherweise verwendet werden, jedoch muss, damit die Festigkeit nach der konditionierenden Vorbehandlung erhalten bleibt, das Plastifizierungsmittel ebenfalls entfernt werden.
Wenn die Bündel plastifiziert sind, werden sie mittels des mechanischen Prüfsystems gereckt, um ihnen eine Gesamtverformung von vorzugsweise ungefähr 20 bis 200%, insbesondere von ungefähr 50 bis 100%, zu verleihen. Das Dehnen kann stufenweise oder schrittweise erfolgen, wobei beim Recken eine elastische Verformung von ungefähr 5 bis 10% aufgetragen wird, und vor einem weiteren Recken ein Entspannen ermöglicht wird, wobei die Spannung in dem Konstrukt auf ungefähr 0,5 bis 0 Gramm pro Ende absinkt. Alternativ (wie bei einem Kriechen) kann eine Zugbelastung aufgebracht und beibehalten werden, während die Länge zunimmt. Vorzugsweise wird der Spannung in dem Fadenbündel-Konstrukt ein Entspannen oder Abbauen auf eine Belastung von annähernd Null ermöglicht. Je geringer die nach der Relaxation verbleibende Spannung ist, desto größer wird die Wirkung der Konditionierung im Hinblick auf eine Erhöhung der Festigkeit sein.
Das mittels Spannungsrelaxation oder durch Kriechen konditionierte Konstrukt wird vorzugsweise nach der konditionierenden Vorbehandlung vernetzt. Ein Vernetzen verleiht den Kollagenfäden und Konstrukten, die Kollagen enthalten, Festigkeit, Stabilität und eine gewisse Haltbarkeit. Ein Vernetzen wird durch unzählige, dem Durchschnittsfachmann bekannten Verfahren, einschließlich Lyophilisierung, UV-Bestrahlung oder Inkontaktbringen des Konstruktes mit einem chemischen Vernetzungsmittel, ausgeführt. Im Fach sind verschiedene Arten chemischer Vernetzungsmittel bekannt, die verwendet werden können, wie etwa Acyl-Azid, Hexamethylendiisocyanat, Bis-Imidate, Glyoxal, Polyglycerol-Polyglycidyl-Ether, Adipylchlorid, Ribose und andere Zucker, Carbodiimide wie etwa Cyananmide oder 1-Ethyl- 3(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid-Hydrochlorid (EDC), Aldehyde wie etwa Glutaraldehyd oder Formaldehyd und Oxidationsmittel. Bevorzugte Vernetzungsmittel sind jene, die biokompatibles Material bilden, das von Wirtszellen umstrukturiert werden kann. Ein bevorzugtes Vernetzungsmittel ist EDC. Carbodiimide aktivieren Carboxylgruppen an den Kollagenmolekülen, die dann synthetische Peptidbindungen mit benachbarten Aminogruppen bilden, wobei Harnstoff freigesetzt wird. Die EDC und Wasser enthaltende Vernetzungslösung kann außerdem Aceton enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dem Vernetzungsmittel Sulfo-N-Hydroxysuccinimid zugesetzt (Staros, 1982). Doch brauchen Vernetzungsmittel nicht auf diese Beispiele beschränkt zu werden, sondern es können auch andere dem Fachmann bekannte Vernetzungsmittel und -verfahren verwendet werden.
Die Reißfestigkeitszunahme von mittels Spannungsrelaxation konditionierten Kollagenfadenbündeln gegenüber nicht mittels Spannungsrelaxation konditionierten Kollagenfadenbündeln ist auf die verbesserte Ausrichtung und die Verkleinerung der Gesamtquerschnittsfläche (d.h. ein Dünnerwerden der Fasern) zurückzuführen, die durch das Recken bewirkt werden. Die Reißfestigkeitszunahme von mittels Spannungsrelaxation konditionierten Kollagenfadenbündeln gegenüber Kontrollen abgestimmter Denierzahl scheint auf die bessere Lastverteilung zurückzuführen sein, da Länge, Spannung und Orientierung innerhalb des Bündels einheitlicher werden.
Die hinsichtlich der Festigkeit verbesserten Kollagenfäden der Erfindung werden vorzugsweise sterilisiert, bevor sie einem Patienten oder Wirt implantiert oder transplantiert werden. Eine Sterilisierung kann durch Anwenden von Gammastrahlung mit typisch 2,5 Mrad, Ethylenoxid oder durch chemisches Sterilisieren erreicht werden. Ein bevorzugtes Verfahren zum chemischen Sterilisieren des mittels Spannungsrelaxation behandelten Kollagenkonstrukts ist der Kontakt des Konstrukts mit verdünnter Peressigsäurelösung auf neutralem pH-Wert oder mit einer hohen Salzkonzentration. Verfahren, um Kollagen zu sterilisieren, sind in dem US-Patent Nr. 5,460,962 beschrieben. Sterilisierungsmittel und -verfahren werden durch diese Beispiele nicht eingeschränkt, sondern es können alternativ andere dem Fachmann bekannte Sterilisierungsmittel und -verfahren verwendet werden.
Außerdem können die Kollagenfäden mit Agenzien wie etwa pharmazeutischen Mitteln, Wachstumsfaktoren, Hormonen, anderen Interzellularsubstanzen oder genetischem Material beschichtet sein. Ein Aufschichten des Agens kann durch Tauchbeschichtung oder chemische Bindung erzielt werden. Die Schichten können so gewählt sein, dass sie die Fähigkeit des Konstrukts zur biologischen Umstrukturierung beeinflussen, indem sie das Einwachsen von Wirtszellen fördern oder regulieren. Vor einem Implantieren in einen Wirt oder Patienten können Zellen auf den Fasern kultiviert werden, da Kollagen ein natürliches Substrat ist, um Zellen zu binden.
Die folgenden Beispiele werden gegeben, um die Anwendung der vorliegenden Erfindung besser zur erläutern; sie dürfen keineswegs als den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung einschränkend interpretiert werden. Der Fachmann wird erkennen, dass an den hier beschriebenen Verfahren verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können.
BEISPIELE
Beispiel 1: Herstellung von rekonstituierten Kollagenfäden
Kollagenfäden wurden entsprechend dem US-Patent Nr. 5,378,469 gebildet. Die Herstellung von Kollagenfäden wird nachstehend kurz beschrieben.
A. Materialen und Gerätschaften

1. Kollagen: Säureextrahiertes Kollagen, wie im US-Patent Nr. 5,106,949 beschrieben aufbereitet, wurde bei 4°C in 0,05%-iger Essigsäure bei einer Konzentration von 5,0 mg/ml gelagert und vor der Verwendung entgast.
2. 140 cm³-Spritze (Becton Dickinson)
3. stumpfe Edelstahlnadel, Stärke 18 (Popper & Sons Inc.), mit Silicon-Führungsrohr und Brücke
4. Spritzenpumpe
5. eine 5,4864 Meter (18 Fuß) lange PVC-Dehydratisierungswanne mit einem Durchmesser von 5,08 Zentimetern (2 Zoll) mit Masterflex-Pumpe und Norprene-Schlauchsystem
6. Dehydratisierungsmittel: hergestellt durch Mischen von 1200 g 8000 MW Polyethylenglycol (PEG-8000), 20 g einbasisches Natriumphosphat (Monohydrat) und 71,6 g zweibasisches Phosophat (wasserfrei) in ungefähr 4000 ml Wasser. Anschließend wurde der pH-Wert mit 1 N NaOH auf ungefähr 7,6 bis 7,8 eingestellt und bis zu einem Endvolumen von 6000 ml Wasser zugegeben.
7. eine 1,8288 Meter (6 Fuß) lange PVC-Spülwanne mit einem Durchmesser von 5,08 Zentimetern (2 Zoll)
8. Spülmittel: gereinigtes Wasser.
9. Trockenschrank mit Rollen und Warmluftgebläse
10. Waagrecht gewickelte Aufnahmespule

B. Extrudieren
In eine Dehydratisierungswanne wurden ungefähr 5000 ml Dehydratisierungsmittel gegossen, und die Umwälzpumpe wurde in Gang gesetzt. Die Geschwindigkeit des Dehydratisierungsmittels wurde auf ungefähr 5 cm/s gehalten, um eine laminare Strömung des Mittels über die Länge der Dehydratisierungswanne zu erzeugen.
In die Spülwanne wurden ungefähr 400 ml Spülmittel gegeben. Etwa 29,4 Zentimeter (12 Fuß) vom stromaufwärtigen Ende entfernt wurde eine Nadel in dem Dehydratisierungsmittel platziert. Der Kollagenspritzenzylinder wurde an der Spritzenpumpe angebracht, die Pumpe auf eine Infusionsrate von ungefähr 2,5 ml/min eingestellt und die Infusionspumpe in Gang gesetzt.
Wenn in der Dehydratisierungswanne genug loser Faden entstanden war, wurde der Faden von Hand durch die Spülwanne geführt und über der ersten Rolle in dem Trockenschrank angeordnet. Der Faden befand sich typisch ungefähr drei Minuten lang in der Spülwanne. Das Warmluftgebläse wurde dann auf ungefähr 35 bis 40°C eingestellt. Dann wurde der Kollagenfaden schrittweise, so wie er trocknete, vorsichtig im Zickzack über den Rollen angeordnet. Das freie Ende des gebildeten Fadens wurde auf die Aufnahmespule gewickelt. Die Geschwindigkeit der Aufnahmespule war so eingestellt, dass der aus dem Schrank herauskommende Faden bei einer Fingerprobe trocken war.
Es ist ein zusammenhängender Faden von mehreren Hundert Metern Länge hergestellt worden.
Beispiel 2: Vergleich von mittels Spannungsrelaxation konditionierten Bündeln mit nicht mittels Spannungsrelaxation konditionierten Bündeln mit einer unterschiedlichen Anzahl von Lagen
Rekonstituierte Kollagenfäden wurden wie im Beispiel 1 beschrieben hergestellt. Fadenbündel aus 10, 50 und 200 Lagen wurden durch Wickeln eines Kollagenfadens um zwei fest an einem Rahmen angebrachte Stifte hergestellt. An den Stellen, an denen der Faden um die Stifte gewickelt war, wurden die Fäden mit einem Band gesichert, um eine Schlaufe zu bilden. An dem Band wurden die Schlaufenenden aufgeschnitten, um ein Bündel von Fäden zu bilden, wobei jeder Faden ungefähr die gleiche Länge wie die anderen hatte. Die Spannungen der einzelnen Fäden waren bei einem Vergleich über dem Bündel unterschiedlich.
Für eine Prüfung der Kollagenfadenbündel wurde ein mechanisches Prüfsystem Mini-Bionix 858 (MTS Systems Corp., Eden Prairie, MN) verwendet. Die Bündel wurden in vertikal einander gegenüberliegenden Klemmbacken befestigt, wobei die obere Klemmbacke nach oben und von der weiter unten angeordneten ortsfesten Klemmbacke weg zieht. Ausgangswerte der Reißfestigkeit für trockene, nicht vernetzte Bündel wurden durch Ziehen der Bündel über die Zerreißgrenze hinaus erhalten. Die Bündel zerrissen allmählich, ein Faden nach dem anderen, an vielen Stellen entlang der Messlänge.
Um eine Spannungs-Dehnungs-Kurve zu entwickeln wurden Bündel in den Probenhaltern des mechanischen Prüfsystems befestigt und mit phosphatgepufferter physiologischer Kochsalzlösung (PBS) durchtränkt. Die Bündel wurden schrittweise bis zu einer Gesamt-Formänderung von ungefähr 50% der Ausgangswerte gedehnt, und es wurde ein Entspannen auf eine Belastung von null zugelassen. Dann wurden die Bündel in gereinigtem Wasser gespült und trocknen gelassen. Alle Bündel wurden mit 2,5% Glutaraldehyd quervernetzt, mit Wasser gespült und luftgetrocknet. An den mit PBS plastifizierten Bündeln wurde eine mechanische Prüfung mit einer Dehngeschwindigkeit von ungefähr 50%/min durchgeführt, die Höchstbelastung wurde registriert.
Auf die Denierzahl abgestimmte Kontroll-Konstrukte wurden wie oben beschrieben hergestellt, um Konstrukte gleicher Denierzahl mit den sich ergebenden, durch Dehnen konditionierten Konstrukten zu vergleichen. Durch Dehnen konditionierte (SC) Proben wurden mit nicht durch Dehnen konditionierten (NSC) Proben und auf die Denierzahl entsprechend der Größe nach der Vorbehandlung abgestimmten Kontrollen (DMC) verglichen. Die Daten wurden mittels Student-t-Test mit Signifikanzniveaus von p > 0,05 ("ns" bedeutet nicht signifikant), p < 0,05, p < 0,01 und p < 0,001 analysiert. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1 10 Lagen
50 Lagen
200 Lagen
Die Erhöhung der Reißfestigkeit der durch Dehnen konditionierten (SC) Bündel gegenüber nicht durch Dehnen konditionierten (NSC) Bündeln scheint an der verbesserten Faserausrichtung und der Verkleinerung der Gesamtquerschnittsfläche (d.h. dem Dünnerwerden der Faser) zu liegen, die durch die Dehnungsbehandlung hervorgerufen worden sind. Die Erhöhung der Reißfestigkeit der durch Dehnen konditionierten (SC) Bündel gegenüber den auf die Denierzahl der Größe nach der Konditionierung abgestimmten Kontrollen (DMC) scheint an der verbesserten Lastverteilung zu liegen, wenn Länge, Spannung und Orientierung innerhalb des Bündels einheitlicher werden. Die Anwendung dieser Ergebnisse kann die mechanischen Eigenschaften eines Kollagen enthaltenden Kreuzbandersatzes verbessern und eine Grundlage für die Entwicklung weiterer Implantatarten mit verbesserten mechanischen Eigenschaften bieten.
Beispiel 3: Vergleich zwischen konditionierten und nicht konditionierten Kollagenfadenbündeln
Rekonstituierte Kollagenfäden wurden wie im Beispiel 1 beschrieben hergestellt. Es wurden Bündel durch Wickeln von 20 Lagen (20 Fäden) eines 50-Denier-Kollagenfadens um einen Rahmen, Sichern der Enden mit Band und Aufschneiden des Bandes hergestellt. Zuerst wurden trockene Proben geprüft, um einen Basislinienwert der Reißfestigkeit des nicht konditionierend vorbehandelten Konstrukts zu erhalten, dies entspricht der eigentlichen Trockenfestigkeit der Probe. Die Bündel zerrissen allmählich, ein Faden nach dem anderen, an vielen Stellen entlang der Messlänge, wobei dies als Wert für die Grenzlast (maximale Last vor dem Abreißen) diente.
Das Bündel wurde dann in den pneumatischen Backen-Probenhaltern eines mechanischen Prüfsystems Mini-Bionix 858 (MTS Systems Corp., Eden Prairie, MN) befestigt, und die Proben (ungefähr 50 mm Messlänge) wurden mit PBS besprüht.
Das Bündel wurde dann bis zur Sättigung mit gereinigtem Wasser gespült und bei Raumtemperatur trocknen gelassen. Das Bündel wurde durch Sättigen des Konstrukts mit 2,5% Glutaraldehyd in PBS quervernetzt, mit gereinigtem Wasser gespült und trocknen gelassen. Auf die Mittensubstanz der Messprobe wurde Band aufgebracht, und sie wurde wieder mit einer ungefähren Messlänge von 50 mm in dem MTS-System befestigt. Die Probe wurde mit PBS plastifiziert und dann mit einer Dehegeschwindigkeit von ungefähr 50%/Minute auf ein Zerreißen geprüft.
Nicht konditionierte Kontrollproben wurden auf völlig gleiche Weise behandelt und geprüft, nur dass sie keiner Konditionierung unterzogen wurden.
Die Ergebnisse der mechanischen Prüfung sind in der Tabelle 2 dargestellt, wobei nicht konditionierte Proben mit konditionierten Proben verglichen werden. Die Querschnittsfläche eines einzelnen nicht konditionierten, feuchten, vernetzten Fadens betrug ungefähr 0,006 mm².
Tabelle 2
Verglichen mit nicht konditionierten Kontrollproben zeigten Konstrukte, die konditioniert waren, eine Reißfestigkeit, die viel höher war, nämlich ungefähr doppelt so hoch. Außerdem weisen mit Spannungsrelaxation behandelte Bündel eine viel höhere Packungsdichte auf, da die Fäden dichter zusammengepackt sind.
Beispiel 4: Große Bündelkonstrukte
Es wurden Kollagenfadenbündel mit insgesamt ungefähr 510 Lagen wie zuvor beschrieben konditioniert. Die Gesamt-Formänderung bei der Konditionierung betrug durchschnittlich ungefähr 26,7%, so dass die effektive Denierzahl auf einen Durchschnitt von ungefähr 40,4 pro Ende (20182 insgesamt) in dem Bündel reduziert wurde. Die Kontrollen wurden ohne Dehnungskonditionierung sowohl trocken als auch mit PBS angefeuchtet geprüft. Es wurden Zugtests an mit Glutardialdehyd vernetzten Proben nach einen Plastifizieren der Fäden mit PBS ausgeführt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 dargestellt.
Wie bei anderen Prüfungen an ähnlich bemessenen Materialien trat das Reißen oftmals an den Klemmbacken auf; deshalb sollten die Festigkeiten als Minimalwerte angesehen werden.
Tabelle 3
Die Nassreißfestigkeitswerte dieser großen Bündel zeigten im Mittel eine Zunahme von 17,9% nach einem Benetzen mit gewöhnlicher PBS und Trocknen. Diese Zunahme ist wahrscheinlich auf eine verbesserte Kohäsion innerhalb des Bündels nach einem Benetzen zurückzuführen. Im Vergleich zu benetzten Kontrollen erhöhte die Dehnungskonditionierung des Bündels die Höchstbelastung nur um etwa 14,2%, erhöhte jedoch gleichzeitig die Nassreißfestigkeit um etwa 40,9% – eine viel größere Spanne. Im Vergleich zu trockenen Kontrollen bewirkte die Konditionierung eine deutliche Erhöhung der Höchstbelastung (ungefähr 33,3%) und eine noch größere Zunahme der Nassreißfestigkeit (ungefähr 64,7%). Die Festigkeitszunahmen sind sowohl auf die Verringerung der Gesamt-Denierzahl nach der Konditionierung als auch auf die Erhöhung der Höchstbelastung zurückzuführen.
Es ist gezeigt worden, dass eine Konditionierung mittels Spannungsrelaxation die Nassreißfestigkeit von Kollagenfadenbündeln bis zu einem Gehalt von 500 Lagen erhöht. Diese Zunahme kann zwei Faktoren zugeschrieben werden: (1) einer Abnahme der Gesamt-Denierzahl des Konstrukts, die sich aus der konditionierenden Dehnung bzw. Formänderung ergibt, (2) einer Zunahme der Höchstbelastung.
Obwohl die vorangehende Erfindung zur Veranschaulichung und als Beispiel zum Zwecke der Klarheit und des Verständnisses ausführlich beschrieben worden ist, wird für den Fachmann offensichtlich sein, dass im Rahmen der beigefügten Ansprüche bestimmte Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können.

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit mindestens eines Kollagenfadens, das folgende Schritte aufweist: (a) Plastifizieren eines Kollagenfadens mit einem Plastifizierungsmittel; (b) Aufbringen einer Zugbelastung auf den Kollagenfaden durch Verlängern des Kollagenfadens, um den Faden zu dehnen; (c) Ermöglichen, daß die Belastung in dem Faden sich durch Spannungsrelaxation oder durch Kriechen auf weniger als ungefähr 0,5 g pro Ende vermindert; und (d) Entfernen des Plastifizierungsmittels von dem Kollagenfaden.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiters den folgenden Schritt aufweist: (e) Vernetzen des Fadens mit einem Vernetzungsmittel.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Plastifizierungsmittel Wasser oder ein wässriger Puffer ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zugbelastung durch Verlängern des Fadens bis zu einer Dehnung zwischen ungefähr 20 bis 200%, vorzugsweise zwischen ungefähr 50 bis 100%, aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verlängern in wiederholten Schritten ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Schritte zu einer Verlängerung von ungefähr 5 bis 10% geführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Vernetzungsmittel aus einer Gruppe ausgewählt wird die aus Lyophilisierung, Ultraviolett-Strahlung (UV-Strahlung), Acyl-Azid, Hexamethylendiisocyanat, Bis-Imidaten, Glyoxal, Polyglycerol-Polyglycidyl-Ether, Adipylchlorid, Ribose und anderen Zuckern, Carbodiimiden und Aldehyden besteht.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Carbodiimid, 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid-Hydrochlorid (EDC) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kollagenfaden aus mehreren Kollagenfäden besteht, die zusammen ein mehrlagiges Bündel bilden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das mehrlagige Bündel 2- bis 1000-lagig ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das mehrlagige Bündel 20- bis 500-lagig ist.
Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit eines mehrlagigen Kollagenfadenbündels, das Fäden enthält, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: (a) Plastifizieren eines mehrlagigen Bündels von Kollagenfäden mit Wasser, einer wässrigen gepufferten Lösung oder Glycerol; (b) Aufbringen einer Zugbelastung auf das mehrlagige Bündel durch Verlängern des Bündels, um das mehrlagige Bündel zu dehnen; (c) Ermöglichen, daß die Dehnung in dem mehrlagigen Bündel sich durch Spannungsrelaxation oder durch Kriechen auf weniger als ungefähr 0,5 g pro Ende vermindert; und (d) Entfernen des Plastifizierungsmittels von dem mehrlagigen Bündel.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Zugbelastung durch Verlängern des Fadens bis zu einer Dehnung zwischen ungefähr 20 bis 200%, vorzugsweise zwischen ungefähr 50 bis 100%, aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei das Verlängern in wiederholten Schritten ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Zugbelastung der schrittweisen Verlängerung zu einer Dehnung von ungefähr 5% bis ungefähr 10% geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, das weiters den folgenden Schritt aufweist: (e) Vernetzen des mehrlagigen Bündels mittels einem Vernetzungsmittel.
Verfahren nach Anspruch 16, das weiters den folgenden Schritt aufweist: (f) Sterilisieren des vernetzten mehrlagigen Bündels.
Verfahren nach Anspruch 17, das weiters den folgenden Schritt aufweist: (g) Beschichten des mehrlagigen Bündels mit pharmazeutischen Mitteln, Wachstumsfaktoren, Hormonen, extrazellularen Matrixkomponenten oder genetischem Material.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Vernetzungsmittel 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid-Hydrochlorid (EDC) ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das mehrlagige Bündel 2- bis 1000-lagig ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das mehrlagige Bündel 20- bis 500-lagig ist.
Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit eines mehrlagigen Bündels aus Kollagenfäden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: (a) Plastifizieren eines mehrlagigen Bündels aus Kollagenfäden, das 2 bis 1000 Lagen aufweist mit einem Plastifizierungsmittel, das aus der Gruppe ausgewählt wird die aus Wasser, einer wässrigen gepufferten Lösung oder Glycerol besteht; (b) Aufbringen einer Zugbelastung auf das mehrlagige Bündel durch Verlängern des Bündels, um das mehrlagige Bündel ungefähr 5% bis ungefähr 10% zu dehnen; (c) Ermöglichen, daß die Dehnung in dem mehrlagigen Bündel durch Spannungsrelaxation oder durch Kriechen auf weniger als 0,5 g pro Ende abnimmt; und (d) Wiederholen des Verlängerns in wiederholten Schritten; (e) Entfernen des Plastifizierungsmittels von dem mehrlagigen Bündel; (f) Vernetzen des mehrlagigen Bündels mit einem Vernetzungsmittel; und (g) Sterilisieren des vernetzten Bündels.
Implantierbare prothetische Vorrichtung, die nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22 erhältlich ist.