JP2010512223A - 組織修復のための複合材料 - Google Patents

Abstract

本開示は、生体適合性複合材、及び、軟骨中の欠損を含む組織欠損の修復におけるその使用を提供する。生体適合性複合材は、繊維性ポリマー性成分及び重合性剤を含み、組織欠損部位においてｉｎ ｓｉｔｕで生体適合性複合材を形成することが可能である。実施形態では、生体適合性複合材が適用される修復部位は、プライミング剤で処理して、修復部位に位置する組織への重合性剤の重合を可能とする。
【選択図】図１

Description

本開示は、組織欠損の部位にてｉｎ ｓｉｔｕで形成することができる生体適合性複合材、及び組織の欠損の修復におけるその使用に関する。より詳細には、本開示は、軟骨を含む組織の欠損の修復に使用するための、繊維性ポリマー性成分をポリマー性ヒドロゲルなどの重合性剤と組み合わせてその両方を含む生体適合性複合材に関する。

生体材料の身体への一体化は、医療の分野における長年にわたる問題である。身体へ適切に一体化されないことにより、移植物の寿命及び機能が犠牲となる。軟骨及び骨などの硬質組織が、特に一体化に関しての問題となっている。

米国では、毎年約５７万件の膝関節軟骨の外傷性傷害があり、その多くは、スポーツ及びレクリエーション活動の結果であり、これらのおよそ半分は、修復のため何らかの外科手術を必要とする。関節軟骨傷害を持つ人は、多くの場合、その後一連の外科手術による治療処置に一生を通じて直面することになり、結局、最後は膝関節全置換を受けることになるだけである。１９９９年には、軟骨欠損を治療する３０万件を超す外科手術が実施され、同年に、２４万件を超す膝関節全置換が行われた。軟骨欠損に対して実施された３０万件を超す手術のうちの９０％超が、関節鏡視下で、また外来患者として実施された。

関節軟骨は、主にアグリカンである高濃度のプロテオグリカン中に埋め込まれたコラーゲン線維（主にＩＩ型、より少ない量のＩＶ型、Ｖ型、ＩＸ型、ＸＩ型などの他のコラーゲンを含む）の密な網目構造から成る。コラーゲンは、軟骨の引張特性に影響を与え、一方、プロテオグリカンは、軟骨の圧縮特性に影響を与える。軟骨は、深さ方向に不均質であり、表面領域では、コラーゲン線維が特に密で配向性を有し、引張特性は高いが、軟骨の中間及びより深い領域では、よりランダムな配列となっている。関節軟骨の引張係数が、約１〜約８ＭＰａであり得る一方、表面領域の軟骨の引張係数は、約８〜１４ＭＰａであり得る。関節軟骨の圧縮係数は、約０．２〜約０．９ＭＰａ、関節軟骨の透過係数は、約２．０〜約０．１５（１０^−１５ｍ^４／Ｎｓｅｃ）であり得る。

関節損傷は、軽く無症候性のものから、重く機能に著しい影響を与えるものまであり、多くの場合、時間とともにより重度の症状へと進行する。軟骨損傷のグレードを提供するために、アウターブリッジ分類システム（Outerbridge classification system）がよく用いられ、範囲は、関節軟骨の軟化（グレードＩ）から、表面の線維化（グレードＩＩ）、骨の露出には至らない軟骨の深い亀裂及び著しい損失（グレードＩＩＩ）、及び骨の露出に至る軟骨の損失（グレードＩＶ）までである。２ｃｍ^２未満は小欠損、２〜１０ｃｍ^２は中欠損、１０ｃｍ^２を超えるものは大欠損とみなされる。軟骨欠損には様々な重症度があり（大部分は軟骨グレードＩＩＩであるとする研究がある）、比較的若年者に多く見られる。

軟骨欠損治療の選択肢としては、デブリードマン、シェービング及びアブレージョンによる関節形成、肋軟骨下ドリリング、マイクロフラクチャー、同種移植片移植、自家移植片移植、並びに自己細胞移植が挙げられる。これらの治療は、以下の１つ若しくはそれ以上を含む：（ａ）損傷した軟骨を取り除く工程；（ｂ）肋軟骨下骨への侵襲によりホストの修復組織の形成を誘発する工程；及び／又は（ｃ）細胞若しくは骨軟骨性プラブを移植する工程。各治療法は、ある程度の効果が証明されているが、それぞれ大きな欠点も有し、それらの中には、同種移植片の安全性及び供給、自家移植手術に関連するドナー部位の病的状態、費用、並びに一定形状の欠損部位の形成のための正常関節軟骨の除去が含まれ得る。患者は、多くの場合、広範な理学療法プログラムを受け、長期間にわたり使用の制限が必要となる。治療が機能の急速な回復を伴う修復をもたらすことは稀であり、グレードＩＩＩの欠損を処理するように設計されているものは少ない。

軟骨と軟骨の接着には、軟骨表面間の分子架橋が必要となる。最大７７ｋＰａまでの負荷による組織培養条件が接着の誘発に用いられてきた。フィブリンシーラントは、約２９ｋＰａの接着力を提供し、組織トランスグルタミナーゼ酵素は、２５ｋＰａの接着力を提供する。シーラント及び／又は修復部位をコンドロイチナーゼＡＣで前処理することにより、接着力を３０％〜６０％上昇させることができる。細胞が播種された足場材（ｓｃａｆｆｏｌｄ）を用いた新しい組織のインビボでの一体化によって界面強度を高めることができ、８ヵ月の成長後で２８６ｋＰａから最大１．２ＭＰａとすることができる。

現行の修復手術に一貫した欠点は、周囲組織に対する接着力の不足である。これにより、これらの材料が組織と良好に一体化されないことから、その強度及び耐久性が著しく制限される。

従って、軟骨損傷及び慢性関節変性の治療を含む組織欠損治療の選択肢の改善に対する強い要求が依然として存在する。

組織欠損の修復のための本複合材は、ポリマー性ヒドロゲルと組み合わさった繊維性ポリマー性成分を含み、ヒドロゲルは、任意に、欠損部位において組織と結合する。

実施形態において、本開示は、修復する組織欠損を識別する工程、重合性剤と組み合わさった繊維性ポリマー性成分を該組織欠損へ適用する工程、及び重合性剤を繊維性ポリマー性成分の存在下にて反応させて、任意に欠損部位にて組織と結合する生体適合性複合材を、組織欠損内に形成する工程、を含む方法を提供する。ある実施形態では、反応工程は、重合性剤を紫外線源に曝露する工程を含む。他の実施形態では、反応工程は、重合性剤を紫外放射線源に曝露する工程を含まず、化学的に誘発することができる。さらなる実施形態では、化学放射線及び紫外線の両方を用いることができる。

実施形態では、組織欠損は、重合性剤と組み合わさった繊維性ポリマー性成分を適用する前に、任意に紫外線と組み合わせてプライミング剤によりプライミングしてもよい。

本開示はまた、修復する組織欠損を識別する工程、プライミング剤により組織欠損表面をプライミングしてプライミングされた組織表面を作り出す工程、重合性剤と組み合わさった繊維性ポリマー性成分を該組織欠損へ適用する工程、並びに重合性剤を繊維性ポリマー性成分及びプライミングされた組織表面と−実施形態では重合性剤を紫外放射線源へ曝露することによって−反応させて、組織欠損表面と共有結合によって結合する生体適合性複合材を組織欠損内に形成する工程、を含む方法を提供する。実施形態では、組織欠損をプライミングする工程はまた、組織欠損を紫外線に曝露する工程を含む。

ある実施形態では、治療される組織欠損は、細胞外基質に隣接していてもよく、これは、複数のチロシン残基を含む。この場合、プライミング工程は、細胞外基質を酸化する工程を含むことができ、従って、プライミング剤は、酸化剤を含む。結果として生じるプライミングされた細胞外基質は、複数のチロシルラジカルを含み、重合性剤は、チロシルラジカルと反応可能なアクリレート基を含み、反応工程は、重合性剤をチロシルラジカルと結合させて重合性剤を架橋する工程を含む。

実施形態では、重合性剤と組み合わさった繊維性ポリマー性成分を適用する前に、組織欠損を酵素に曝露してもよい。

治療薬を本開示の生体適合性複合材へ添加してもよい。

軟骨及び骨の欠損を含む組織欠損を修復する方法も提供され、ここで、繊維性ポリマー性成分及び重合性剤が組み合わされて、ヒトなどの哺乳類を含む生体内にてｉｎ ｓｉｔｕで生体適合性複合材が形成される。

図１は、本開示の複合材を用いたヤギ膝蓋骨の骨軟骨欠損の修復を示す図である。

本開示の種々の実施形態を、以下、図面を参照して説明する。

組織の欠損の修復に使用される、ポリマー性ヒドロゲルなどの重合性剤と組み合わさった繊維性ポリマー性成分を含む生体適合性複合材を提供する。生体適合性複合材は、インビボで形成することができ、それによって、いかなる形状の欠損の修復も可能となり、個別の修復部位を形成する必要がなく、低侵襲手術が可能となる。実施形態では、生体適合性複合材を用いて、軟骨を修復することができる。そのような場合、生体適合性複合材は、修復すべき関節内で形成することができ、骨軟骨修復部位を形成する必要がなく、関節鏡手術を含む低侵襲手術によって実施することができる。

本開示の特定の実施形態の利点としては、組織の局所的な緩やかな酸化に続くフリーラジカルの形成が挙げられ、これにより、生体適合性複合材の周囲組織との一体化が促進される一方、別個の光開始剤の必要性がなくなり、それによって、複雑性及び費用が低減され、光開始剤の毒性に関するいずれの問題も軽減される。

本明細書で用いる「ヒドロゲル」という用語は、大容量の水を含有する能力を有する親水性の架橋されたポリマーを意味する。ある実施形態では、本開示に従うヒドロゲルは、約７０〜９０体積％を超える量の水を含有することができる。親水性ポリマーは、ｉｎ ｓｉｔｕで形成される場合、本質的にその環境又はヒドロゲルの作製に用いられた溶液から水を取り込むことができる。

本明細書で用いる「架橋された」という用語は、共有結合、イオン結合、水素結合、又はこれらのいずれかの組み合わせの形成によって生じる分子間架橋及び任意的に分子内架橋を含む組成物を意味する。「架橋性の」とは、架橋された組成物を形成する反応を起こす能力を有する成分又は化合物を意味する。

上記のように、生体適合性複合材は、重合性剤と組み合わさった繊維性ポリマー性成分を含む。繊維性ポリマー性成分として用いられる限定されない適切な物質は、当業者の理解の範囲内であり、これらに限定されないが、ポリ乳酸（ＰＬＡ）及びポリグリコール酸などのポリヒドロキシ酸、ポリアミノ酸、ヒアルロン酸、ゼラチン、セルロース、ニトロセルロース、ポリカプロラクトン、ポリジオキサノン、トリメチレンカーボネート、そのホモポリマー、そのコポリマー、その他の天然の生分解性物質、並びにこれらの組み合わせ、を含む物質から作られたポリマー性繊維が挙げられる。

繊維性ポリマー性成分として用いることができるその他の物質としては、これらに限定されないが、ナイロンを含むポリアミド、Ｄａｃｒｏｎ及びポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を含むポリエステル、ポリプロピレン及びポリエチレンを含むポリオレフィン、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリヒドロキシアルカノエート、その他の非生分解性物質、及びこれらの組み合わせ、が挙げられる。

実施形態では、天然の生分解性物質を非生分解性物質と組み合わせて繊維性ポリマー性成分として用いることができる。

実施形態では、繊維は、処理又は加工なしで用いることができる。その他の実施形態では、繊維は、不織布、繊維ウェブ、メッシュ、及び／又はフェルトへ加工することができる。繊維ウェブ及び類似構造物は、繊維のニードリング加工、インタールーピング加工、交絡加工、溶融加工、又はシーリング加工によって形成することができる。

繊維性ポリマー性成分が不織布、ウェブ、メッシュ、又はフェルトの形状である場合、そのような成分の空隙体積は、成分の約５０％超、乃至、実施形態では約９０％超、であってよい。

繊維性ポリマー性成分が形成されると、次に、これを用いて、本開示の生体適合性複合材を、重合性剤を添加することによって形成することができる。本開示の重合性剤としては、モノマー、マクロマー、オリゴマー、ポリマー、又はそれらの混合物を挙げることができる。重合性剤としては、共有結合架橋性ポリマー、イオン架橋性ポリマー、酸化還元化学によって架橋可能なポリマー、水素結合で架橋したポリマー、又はこれらのいずれかの組み合わせを挙げることができる。実施形態では、重合性剤は、実質的に親水性及び生体適合性であってよい。

実施形態では、重合性剤は、溶液であってもよい。本明細書で用いる「溶液」とは、溶液、懸濁液、及び／又はコロイドを含む。

「生体適合性」という用語は、本技術分野で認識されている。例えば、生体適合性ポリマーは、それ自体がホスト（例：動物又はヒト）に対して有毒でなく、ホストの中で、モノマー性若しくはオリゴマー性サブユニット又はその他の副生成物が有毒な濃度で生成される速度での分解（ポリマーが分解される場合）も起こさないポリマーを含む。本開示の特定の実施形態では、生分解は、一般に、ポリマーの、例えば、実質的に無毒性であることが分かっている場合もあるそのモノマー性サブユニットへの生命体中での分解を含む。しかし、そのような分解の結果生じた中間体オリゴマー性生成物は、異なる毒性を有する場合があり、又は、生分解は、ポリマーのモノマー性サブユニット以外の分子を生成する酸化若しくはその他の生化学反応を含む場合がある。結果として、特定の実施形態では、患者への移植又は注入などのインビボでの使用を目的とする生分解性ポリマーの毒性は、一若しくはそれ以上の毒性分析の後に決定することができる。当該組成物は、生体適合性があるとみなされるために１００％の純度である必要はなく、実際、当該組成物は、上記で定めるように生体適合性であることが必要であるだけである。従って、当該組成物は、９９％、９８％、９７％、９６％、９５％、９０％、８５％、８０％、７５％、又はそれ未満の生体適合性ポリマーを含むポリマーを有してよく、例えば、本明細書で述べるポリマー、及びその他の物質、及び賦形剤を含み、なお生体適合性を有し得る。

ポリマー又はその他の物質が生体適合性を有するかどうかを判断するために、毒性分析を行うことが必要な場合がある。そのようなアッセイは、当業者の理解の範囲内である。そのようなアッセイの一例としては、ＧＴ３ＴＫＢ腫瘍細胞などの生癌腫細胞を用いて、以下の要領で実施することができる：サンプルを、１ＭのＮａＯＨで、３７℃で、完全な分解が観察されるまで分解する。この溶液を、次に、１ＭのＨＣｌで中和する。約２００ｍＬの種々の濃度の分解サンプル生成物を、９６ウェル組織培養プレートに載せ、ヒト胃癌腫細胞（ＧＴ３ＴＫＢ）を１０４／ウェルの密度で播種する。分解サンプル生成物を、ＧＴ３ＴＫＢ細胞と共に４８時間インキュベートする。アッセイの結果は、組織培養ウェル中での分解サンプル濃度に対する相対増殖％としてプロットすることができる。さらに、本開示のポリマー、ポリマーマトリクス、及び製剤はまた、皮下移植部位での強いレベルの刺激又は炎症を起こさないかどうかを確認するラットにおける皮下移植などの公知のインビボ試験によって評価することができる。

重合性剤として用いることができる限定されない適切な物質としては、ポリ（エチレングリコール）、ポリ（エチレンオキシド）、及びポリ（エチレンオキシド）−コポリ（プロピレンオキシド）ブロックコポリマー（ポロキサマー及びメロキサポール）を含むポリアルキレンオキシド、部分若しくは完全加水分解ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（ビニルピロリドン）、ポリ（エチルオキサゾリン）、ポロキサミン、カルボキシメチルセルロース、並びにヒドロキシエチルセルロース及びメチルヒドロキシプロピルセルロースなどのヒドロキシアルキル化セルロースなどの合成ポリマー、並びに、ポリペプチド、ＦＩＣＯＬＬ（登録商標）、ポリスクロース、ヒアルロン酸、デキストリン、ヘパラン硫酸、コンドロイチン硫酸、ヘパリン、若しくはアルギン酸塩などの多糖類又は炭水化物、及びゼラチン、コラーゲン、アルブミン、又はオボアルブミンなどのタンパク質、又はこれらのコポリマー若しくは組み合わせなどの天然ポリマーなどの、ヒドロゲル又は親水性ポリマーを形成するものが挙げられる。

ヒドロゲルを形成する重合性剤として用いることができるその他の物質としては、修飾アルギン酸塩が挙げられる。アルギン酸塩は、海草から単離される炭水化物ポリマーであり、例えば、その開示事項全体が参照することで本明細書に組み入れられる国際公開第９４／２５０８０号に記載されているように、カルシウムなどの二価のカチオンに曝露することによって架橋して、ヒドロゲルを形成することができる。アルギン酸塩は、水中、室温にて、二価のカチオンの存在下でイオン性架橋し、ヒドロゲルマトリクスを形成する。ヒドロゲル形成能を改善した修飾アルギン酸塩誘導体を合成することができる。出発物質としてアルギン酸塩を用いることは、これが２つ以上の供給源から入手可能であり、純度及び特性が良好な状態で入手可能であるため、有利である。本明細書で用いる「修飾アルギン酸塩」という用語は、ヒドロゲル特性が改変された、化学修飾されたアルギン酸塩を意味する。天然のアルギン酸塩を化学修飾して、より素早く分解するアルギン酸塩ポリマー誘導体を生成することができる。例えば、アルギン酸塩を化学的に開裂させて、ゲル化可能な多糖類ブロックの小ブロックを生成することができ、例えば、乳酸又はイプシロン−カプロラクトンなどの別の予め選択された部分と共に、直鎖状ポリマーを形成することができる。結果として生じるポリマーは、イオン触媒によるゲル化が可能であるアルギン酸塩ブロック、及び、合成設計に応じてより素早い分解をもたらすオリゴエステルブロックを含む。別の選択肢として、マンヌロン酸とグルロン酸の比が、膜状ゲルを生成しないものである場合は、アルギン酸塩ポリマーを用いることができ、アルギン酸塩ポリマーは、例えば、イプシロン−カプロラクトンのオリゴマーなど、疎水性の水不安定性鎖で誘導体化することができる。体内で分解されるまで、疎水性相互作用がゲル化を誘発する。

さらに、ジェランガムなどの細菌多糖類、及びカラゲナンなどの植物多糖類を含む一価のカチオンへの曝露によってゲル化する多糖類を、上述のアルギン酸塩の架橋に利用可能なものに類似の方法を用いて架橋し、ヒドロゲルを形成することができる。一価のカチオンの存在下でゲル化する多糖類は、例えば、生理的レベルのナトリウムを含む溶液へ曝露することによってヒドロゲルを形成する。ヒドロゲル前駆体溶液はまた、マンニトールなどの非イオンで浸透圧調整を行い、次いで注入してゲルを形成することができる。

非常に粘性の液体であるか、又はチクソトロピー性であり、構造がゆっくりと変化して時間と共にゲルを形成する多糖類も有用であり得る。例えば、整髪用ジェルのような粘度の注射用ゲルを形成するヒアルロン酸を用いることができる。修飾ヒアルロン酸誘導体が特に有用であり得る。本明細書で用いる「ヒアルロン酸」という用語は、天然の及び化学修飾されたヒアルロン酸を意味する。修飾ヒアルロン酸は、予め選択した化学修飾によって設計、合成し、架橋と生分解の速度及び度合いを調節することができる。例えば、修飾ヒアルロン酸は、ピロピオン酸又はベンジル酸などの比較的疎水性である基でエステル化してこのポリマーをさらに疎水性及びゲル形成性とするか、又はアミンでグラフト化して静電的な自己組織化を促進するよう設計、合成することができる。修飾ヒアルロン酸は、従って、圧力下では流動するが、圧力下でない時はゲル状の構造を維持する注射用として合成することができる。ヒアルロン酸及びその誘導体は、ジェンザイム社（マサチューセッツ州ケンブリッジ）及びフィディア社（イタリア）より入手可能である。

使用することができるその他のポリマー性ヒドロゲル前駆体としては、ＰＬＵＲＯＮＩＣＳ（登録商標）又はＴＥＴＲＯＮＩＣＳ（登録商標）などのポリエチレンオキシド−ポリプロピレングリコールブロックコポリマーが挙げられ、これは、Steinleitner et al., Obstetrics & Gynecology, vol. 77, pp.48‐52 (1991)、及びSteinleitner et al., Fertility and Sterility, vol.57, pp.305‐308 (1992)に記載のように、水素結合及び／又は温度変化によって架橋する。使用することができるその他の物質としては、フィブリン、コラーゲン、及びゼラチンなどのタンパク質が挙げられる。ポリマー混合物を使用することもできる。例えば、混合すると水素結合によってゲル化するポリエチレンオキシドとポリアクリル酸との混合物を使用することができる。一つの実施形態では、ポリアクリル酸の５％ｗ／ｗ溶液と５％ｗ／ｗのポリエチレンオキシド（ポリエチレングリコール、ポリオキシエチレン）との混合物を組み合わせて、例えば、数秒以内という早さなど、時間の経過と共にゲルを形成することができる。

帯電した側鎖基を有する水溶性ポリマーを使用することもでき、このポリマーを、ポリマーが酸性の側鎖基を有する場合はカチオン、又はポリマーが塩基性の側鎖基を有する場合はアニオンという、逆に帯電したイオンを含む水溶液と反応させることによって架橋させることができる。酸性の側鎖基を有するポリマーを架橋してヒドロゲルを形成するカチオンの例としては、ナトリウムなどの一価のカチオン、カルシウムなどの二価のカチオン、並びに銅、カルシウム、アルミニウム、マグネシウム、ストロンチウム、バリウム、スズ、及びアルキルアンモニウム塩などのジ−、トリ−、又はテトラ−、官能性有機カチオンなどの多価カチオンである。これらのカチオンの塩の水溶液をこのポリマーに添加して、軟質で高度に膨潤したヒドロゲル及び膜を形成することができる。カチオンの濃度又は価数が高いほど、このポリマーの架橋度が大きくなる。さらに、例えば、トロンビンによるフィブリンなど、このポリマーを酵素によって架橋させることができる。

限定されない適切なイオン架橋性基としては、フェノール、アミン、イミン、アミド、カルボン酸、スルホン酸、及びリン酸塩基が挙げられる。カルボン酸イオン、スルホン酸イオン、及びリン酸イオンなどの負に帯電した基は、カルシウムイオンなどのカチオンで架橋することができる。カルシウムイオンによるアルギン酸塩の架橋は、この種類のイオン架橋の例である。アンモニウムイオンなどの正に帯電した基は、カルボン酸イオン、スルホン酸イオン、及びリン酸イオンなどの負に帯電したイオンで架橋することができる。実施形態では、負に帯電したイオンは、２種類以上のカルボン酸イオン、スルホン酸イオン、又はリン酸イオンを含む。

重合性剤を架橋してヒドロゲルを形成する適切なアニオンとしては、例えば、テレフタル酸などの低分子量ジカルボン、スルホン酸イオン、及び炭酸イオンなどの一価、二価、又は三価のアニオンが挙げられる。カチオンに関して述べたように、これらのアニオンの塩の水溶液をポリマーに添加することで、軟質で高度に膨潤したヒドロゲル及び膜を形成することができる

種々のポリカチオンを用いて、ポリマーヒドロゲルを半透過性表面膜へと複合体化し、それによって安定化することができる。使用することができる物質の例としては、ポリエチレンイミン及びポリリジンなど、アミン又はイミン基などの塩基性反応性基を有し、分子量が約３０００〜約１０００００であるポリマーが挙げられる。これらは市販されている。一つのポリカチオンはポリ（Ｌ−リジン）であり；合成ポリアミンの例としては、ポリエチレンイミン、ポリ（ビニルアミン）、及びポリ（アリルアミン）が挙げられる。多糖類であるキトサンなどの天然のポリカチオンも存在する。

ヒドロゲル上の塩基性表面基との反応による半透過性膜の形成に用いることができるポリアニオンとしては、アクリル酸、メタクリル酸、及びその他のアクリル酸誘導体のポリマー及びコポリマー、スルホン化ポリスチレンなどのＳＯ_３Ｈペンダント基を持つポリマー、並びにカルボン酸基を持つポリスチレンが挙げられる。これらのポリマーを修飾して、活性種重合性基（active species polymerizable group）及び／又はイオン架橋性基を含有させることができる。親水性ポリマーを修飾してこのような基を含有させる方法は、当業者の理解の範囲内である。

「活性種重合性基」という用語は、活性種への曝露により、追加の共有結合を形成してポリマーを連結させる能力を有する反応性官能基を含む。活性種としては、フリーラジカル、カチオン、及びアニオンが挙げられる。適切なフリーラジカル重合性基としては、ビニルエステルなどのエチレン性不飽和基（すなわち、ビニル基）、アリル基、不飽和モノカルボン酸、不飽和ジカルボン酸、及び不飽和トリカルボン酸が挙げられる。不飽和モノカルボン酸としては、アクリル酸、メタクリル酸、及びクロトン酸が挙げられる。不飽和ジカルボン酸としては、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、メサコン酸、又はシトラコン酸が挙げられる。一つの実施形態では、活性種重合性基は、親水性ポリマーの１若しくは２ヶ所以上の末端部に位置することができる。別の実施形態では、活性種重合性基は、１若しくは２種類以上の親水性ポリマーが個々のブロックを形成するブロックコポリマー内に位置することができる。適切な重合性基としては、アクリレート、ジアクリレート、オリゴアクリレート、ジメタクリレート、オリゴメタクリレート、これらの組み合わせ、及びその他の生物学的に許容される光重合性基が挙げられる。ある実施形態では、活性種重合性基としてアクリレートを用いることが有用であり得る。

ヒドロゲルは、本質的に生分解性であってよく、ある実施形態では、生分解性は低いが（溶解の予測性のための）、排出が可能である程度に分子量が十分に低いヒドロゲルであってよい。ヒト（又は使用が意図されるその他の種）において排出が可能である最大分子量は、ポリマーの種類によって異なるが、約２００００ダルトン又はそれ未満である場合が多い。ある実施形態では、使用することができるその他のポリマーとしては、ポリペプチド、ポリヌクレオチド、及び分解性多糖類を含む水溶性天然ポリマー及び合成した同等物又は誘導体が挙げられる。

ヒドロゲルは、少なくとも約６００の分子量である単一ブロックであってよく、実施形態では、約２０００以上、他の実施形態では、少なくとも約３０００であってよい。別の選択肢として、ヒドロゲルは、他の基によって連結された２若しくは３個以上の水溶性ブロックを含んでもよい。そのような連結基としては、生分解性結合、重合性結合、又はその両方を挙げることができる。例えば、マレイン酸、フマル酸、又はアコニット酸などの不飽和ジカルボン酸を、ポリエチレングリコールなどのヒドロキシ基を含む親水性ポリマーでエステル化してもよく、又はポロキサミンなどのアミン基を含む親水性オリマーでアミド化してもよい。

実施形態では、共有結合によって架橋可能である重合性剤が、ヒドロゲル前駆体として有用であり得る。例えば、キトサンなどの水溶性ポリアミンは、ポリエチレングリコールジイソチオシアネートなどの水溶性ジイソチオシアネートで架橋することができる。イソチオシアネートは、アミンと反応して化学的に架橋したゲルを形成する。例えば、ポリエチレングリコールジアルデヒドなどのアルデヒドのアミンとの反応も用いることができる。ヒドロキシル化水溶性ポリマーも用いることができる。

別の選択肢として、ラジカル開始剤と接触してのラジカル反応によって架橋する置換基を含むヒドロゲルを用いることができる。例えば、その全開示が参照することで本明細書に組み入れられるＷＯ９３／１７６６９に記載のように、光化学的に架橋することができるエチレン性不飽和基を含むポリマーを用いることができる。本実施形態では、少なくとも１個の水溶性領域、生分解性領域、及び少なくとも２個のフリーラジカル重合性領域を含む水溶性マクロマーを提供することができる。このマクロマーは、例えば、感光性化学種及び／又は光によって生成されたフリーラジカルに重合性領域を曝露することによって重合することができる。このようなマクロマーの例としては、ＰＥＧ‐オリゴラクチル‐アクリレート（PEG‐oligolactyl‐acrylate）が挙げられ、ここで、アクリレート基は、エオシン染料、又は紫外光若しくは可視光への短時間の曝露などのラジカル開始系を用いて重合することができる。さらに、Matsuda et al., ASAIO Trans., vol.38, pp.154‐157 (1992)に開示されるように、光化学的に架橋することができるシンナモイル基を含む水溶性ポリマーを用いることができる。

実施形態では、架橋剤を繊維性ポリマー性成分及び重合性剤に添加して、本開示の生体適合性複合材のｉｎ ｓｉｔｕでの形成を促進することもできる。そのような架橋剤は、当業者の理解の範囲内であり、例えば、グルタルアルデヒドを含むアルデヒド、カルボジイミドを含むイミド、２，２’−アゾビス（Ｎ、Ｎ’ジメチレンイソブチルアミジン）二塩酸塩、過酸化ベンゾイル、トリメチロールプロパン（ＴＭＰ）、及びこれらの組み合わせを含むフリーラジカル開始剤が挙げられる。架橋剤は、繊維性ポリマー性成分及び重合性剤の反応化学に応じて選択される。

一般的に、ヒドロゲルの形成に用いられる重合性剤は、少なくとも部分的に、水、緩衝塩溶液、又はアルコール水溶液などの水溶液に可溶であってよい。上述のその他のポリマー性ヒドロゲルを合成する方法は、当業者の理解の範囲内である。例えば、Concise Encyclopedia of Polymer Science and Polymeric Amines and Ammonium Salts, E. Goethals, editor (Pergamen Press, Elmsford, N.Y. 1980)を参照されたい。ポリ（アクリル酸）などの多くのポリマーは、市販されている。

天然及び合成ポリマーは、本技術分野で利用可能であり、例えば、March,”
Advanced Organic Chemistry,” 4th Edition, 1992, Wiley‐Interscience Publication, New Yorkに記載の化学反応を用いて修飾することができる。そのような方法を用いて、例えば、本明細書で述べるように、アクリレート基を導入することができる。

活性種又は架橋性基を含む親水性ポリマーは、平均して少なくとも１．０２個の重合性基又は架橋性基を含むことができ、ある実施形態では、各々は、平均して約２個を超える数の重合性基又は架橋性基を含むことができる。各重合性基は重合して鎖となるため、ポリマーあたり１個よりわずかに多い反応性基を用いるだけで（すなわち、平均して約１．０２個の重合性基）、架橋されたヒドロゲルを作製することができる。しかし、割合が高い方が望ましい場合があり、ほとんど、又はすべての分子が２個若しくは３個以上の反応性二重結合を有するポリマー混合物中で、優れたゲルを得ることができる。親水性ポリマーの例であるポロキサミンは、４本の腕を持ち、従って、容易に修飾されて、４個の重合性基を有することができる。

実施形態では、ヒドロゲルの形成に用いられる重合性剤中に、治療薬を含むことが望ましい場合がある。そのような治療薬としては、例えば、増殖因子タンパク質、多糖類、核酸分子、及び治療、予防、診断目的に、若しくは薬用として有用であり得る薬物を含む合成有機又は無機分子を挙げることができる。用いることができる薬物としては、抗生物質、抗ウイルス薬、化学療法薬、抗血管新生薬、ホルモン、血管流に影響を与える薬物、抗炎症薬、及びその他の通常用いられる多くの薬物が挙げられる。

実施形態では、重合性剤は、２若しくは３種類のポリマーを含有することができ、これらは、架橋して半相互侵入網目構造（semi‐interpenetrating network）を形成することができる。例えば、この混合物は、イオン架橋性であるＰＥＯ、及び共有結合架橋性であるジメタクリル化ＰＥＯを、約１０〜約４０重量％の量で含むことができる。別の選択肢として、共有結合架橋性である２種類のポリマーの混合物を用いることも可能であり、これらは、お互いに架橋するのではなく、架橋したホモポリマーの網目構造を形成するということに基づいて選択される。半相互侵入網目構造の利点としては、架橋していないポリマーの拡散が挙げられ、これにより、有利な分解特性を提供することができる。

重合性剤の量は、重合性剤を含む溶液の重量に対して、約５重量％〜約４５重量％の量で変化させることができ、実施形態では、溶液の重量に対して、約１０重量％〜約４０重量％、ある実施形態では、溶液の重量に対して、約２０重量％〜約３５重量％である。

繊維性ポリマー性成分及び重合性剤を修復すべき組織欠損に配置すると、これらに放射線を照射して、本開示の生体適合性複合材のｉｎ ｓｉｔｕでの形成を促進することができる。適切な放射線処理は、当業者の理解の範囲内であり、紫外線が挙げられるが、これに限定されない。放射線処理により、重合性剤の、それ自体との、及び繊維性ポリマー性成分との重合による本開示の生体適合性複合材の形成を促進することができる。

実施形態では、繊維性ポリマー性成分及び重合性剤は、約２ｍＷ／ｃｍ^２〜約２０ｍＷ／ｃｍ^２の量の強度で放射線照射してよく、実施形態では、約３ｍＷ／ｃｍ^２〜約１０ｍＷ／ｃｍ^２、さらに他の実施形態では、約４ｍＷ／ｃｍ^２〜約６ｍＷ／ｃｍ^２の量であってよい。この放射線処理の適切な時間は、約２分〜約６０分であってよく、実施形態では、約４分〜約２０分、さらに他の実施形態では、約５分〜約１５分であってよい。

実施形態では、放射線処理は、重合性剤と修復部位に位置する組織との重合も促進することができ、それによって、本開示の生体適合性複合材のｉｎ ｓｉｔｕでの形成、及びその修復部位に位置する組織との接着の両方が促進される。ヒドロゲルと組織とを共有結合させるには、いかなる技術を用いてもよく、促進された組織−生体材料一体化のための方法及び物質（Method and Material for Enhanced Tissue‐biomaterial Integration）という名称の、米国特許出願公開第２００５/０１９６３７７Ａ１号の出願公開公報、及び、架橋されたポリマーマトリクス並びにその作製及び使用方法（Cross‐linked
Polymer Matrices, and Methods of Making and Using Same）という名称の、国際公開第２００４／０２９１３７Ａ２号の国際出願公開公報に開示の技術が挙げられるが、これらに限定されない。これら２つの出願の全開示事項は、参照することで本明細書に組み入れられる。

別の実施形態では、生体適合性複合材は、繊維性ポリマー性成分及び重合性剤の放射線を用いない重合によって形成することができる。繊維性ポリマー性成分及び重合性剤の重合を誘発する適切な剤としては、還元剤及び酸化剤などの化学剤が挙げられる。適切な酸化剤としては、アスコルビン酸、アスコルビン酸ナトリウム、アスコルビン酸−２−リン酸マグネシウム、及びチオ硫酸ナトリウムが挙げられる。適切な還元剤としては、ペルオキソ硫酸アンモニウム、ペルオキソ硫酸ナトリウム、ペルオキソ硫酸カリウム、及び過酸化水素が挙げられる。

本開示の生体適合性複合材は、繊維性ポリマー性成分を、生体適合性複合材の重量に対して約５％〜約９０％の量で、他の実施形態では、生体適合性複合材の重量に対して約３０％〜約７５％の量で含むことができる。

実施形態では、本開示の生体適合性複合材は、重合性剤を、生体適合性複合材の重量に対して約９５％〜約１０％の量で、他の実施形態では、生体適合性複合材の重量に対して約７０％〜約２５％の量で含むことができる。

重合性剤が、修復すべき欠損部位の組織と重合することが望ましい場合、欠損部位をプライミング剤で前処理し、重合性剤が組織と重合する能力を改良することが望ましい場合がある。例えば、生体適合性複合材が軟骨の修復に用いられる場合、プライミング工程により、生体適合性複合材の形成に用いられる重合性剤が、重合性剤とコラーゲン又はその他の修復部位の基質タンパク質との間で共有結合を形成することができ、それによって、生体適合性複合材の移植物と関節軟骨を含むホストの周囲組織との間の相互作用を安定化し、恒久化するメカニズムが提供される。例えば、タンパク質のチロシン残基は、緩やかな酸化の後、チロシルラジカルを形成する。Qian,et al., Identification of Protein‐Derived Tyrosyl Radical in the Reaction of Cytochrome C and Hydrogen Peroxide:Characterization by Esr
Spin‐Trapping, Hplc and Ms. Biochem J, 2002. 363(Pt 2): p.281‐8を参照されたい。

限定されない適切なプライミング剤は、当業者の理解の範囲内であり、例えば、酸化剤などが挙げられる。限定されない適切な酸化剤としては、過酸化水素、クエン酸、過酢酸、硝酸、ペルオキシハロゲン酸、ヒドロキシペルオキシド、及びこれらの組み合わせなどが挙げられる。

組織欠損の処理に用いられる酸化剤の濃度は、約０．１ｍＭ〜約３００ｍＭの量であってよく、実施形態では、約５０ｍＭ〜約２５０ｍＭの量、他の実施形態では、約１００ｍＭ〜約２００ｍＭの量であってよい。

ある実施形態では、紫外線照射下での光酸化を含む追加処理と組み合わせて、プライミング剤を適用することが望ましい場合がある。組織の酸化を促進するためのこの紫外線への曝露は、本明細書において紫外線処理と称する場合もあるが、上述の紫外線重合とは別であり、それは、紫外線により、生体適合性複合材の形成、及び修復される欠損部位の組織とその生体適合性複合材との任意の連結において、重合性剤の重合が促進されるものである。酸化処理を行う間の紫外線への曝露の適切な時間は、約１分〜約３０分、実施形態では、約５分〜約１５分であってよい。

さらに、実施形態では、組織欠損部位を酵素処理に掛けて、重合性剤と修復すべき欠損部位のホスト組織との重合をさらに促進することが望ましい場合がある。限定されない適切な酵素としては、例えば、コンドロイチナーゼなどが挙げられる。実施形態では、例えば、本開示の生体適合性複合材を用いて軟骨の欠損を修復する場合、処理すべき欠損を、コンドロイチナーゼＡＢＣ、コンドロイチナーゼＡＣ、コンドロイチナーゼＡＣＩＩ、コンドロイチナーゼＡＣＩＩＩ、及びコンドロイチナーゼＢなどを含むコンドロイチナーゼなどの酵素で曝露してプロテオグリカンを除去し、欠損部位のコラーゲンを露出させることが望ましい場合があり、それによって、重合性剤が欠損部位の組織と重合する能力が高められる。

適用される酵素の量は、約０．２Ｕ／ｍｌ〜約１０Ｕ／ｍｌの量であってよい。

移植の方法
繊維性ポリマー性成分及び重合性剤として、各々が異なる機械的特性及び異なる分解速度を有する、様々な異なる生体材料を用いることができる。従って、本開示の生体適合性複合材を用いて、非常に多岐にわたる組織欠損を修復することができる。

繊維性ポリマー性成分及び重合性剤は、ｉｎ ｓｉｔｕで、適切ないずれの技術を用いて組み合わせてもよい。繊維性ポリマー性成分がメッシュ、フェルト、及びウェブなどの形状である場合、繊維性ポリマー性成分は、組織欠損へ配置するための所望の形状に切断し、そこへ、重合性剤を適用することができる。次に、この組み合わせを組織欠損の部位に配置し、ｉｎ ｓｉｔｕで架橋させ、それによって、本開示の生体適合性複合材が形成される。繊維性ポリマー性成分及び重合性剤は、同時に適用してもよく、いずれかの順番で適用してもよい。例えば、重合性剤を組織欠損に適用し、続いて繊維性ポリマー性成分を適用し、次に、ｉｎ ｓｉｔｕで架橋することができる。実施形態では、繊維性ポリマー性成分を組織欠損に適用し、続いて重合性剤を適用し、次に、ｉｎ ｓｉｔｕで架橋することができる。他の実施形態では、重合性剤を組織欠損に適用し、続いて繊維性ポリマー性成分を適用し、続いて追加の重合性剤を適用し、次に、ｉｎ ｓｉｔｕで架橋することができる。重合性剤及び繊維性ポリマー性成分のいかなる組み合わせを用いて組織欠損を修復してもよく；重合性剤及び繊維性ポリマー性成分の複数回の適用を行ってもよく、実施形態では複数の層を形成し、次に、これをｉｎ ｓｉｔｕで架橋させて組織欠損を修復してもよい。

他の実施形態では、重合性剤及び繊維性ポリマー性成分をエキソビボで組み合わせ、架橋させ、次に、得られた生体適合性複合材を組織欠損部位へ移植し、これを修復することができる。

繊維性ポリマー性成分及び重合性剤は、共に約５ｍｍの孔を通過することができることから、これらの成分を関節鏡、又はカテーテル、腹腔鏡、及び胸腔鏡などを含む類似の手段によって組織欠損部位へ導入することができ、患者の外傷がさらに最小限に抑えられる。

外部型枠を適用して、繊維性ポリマー性成分及び重合性剤を成型することもできる。さらに、重合速度を制御することにより、粘土の成形に類似の方法によって、本開示の生体適合性複合材を成形することが可能である場合もある。

実施形態では、生体適合性複合材は、充填剤（bulking agent）が所望されるいずれの領域にも導入することができ、すなわち、先天性若しくは後天性の疾患による筋萎縮症の領域に見られる、又は外傷及び火傷などに続発する、軟組織の変形である。この例としては、神経障害に続発する筋萎縮症の患者の上胴部への繊維性ポリマー性成分及び重合性剤の導入であろう。

生体適合性複合材は、先天性若しくは後天性疾患状態であるか、又は外傷若しくは火傷に続発する、骨又は軟骨欠損などの硬組織欠損の充填剤として導入することもできる。この例としては、外傷に続発して骨の変形が存在する頭蓋骨の周囲領域への繊維性ポリマー性成分及び重合性剤の導入であろう。

繊維性ポリマー性成分及び重合性剤は、十分に大きな出口孔を有するカテーテルを用いれば、任意に、蛍光透視法、超音波造影法、コンピュータ断層撮影法、核磁気共鳴画像法、又はその他の種類の放射線医学的な補助と共に、組織欠損部位へ導入することも可能である。これによれば、繊維性ポリマー性成分及び重合性剤を、特定の臓器又は体内のその他の組織領域へ、充填剤が必要であろういずれの部位へも配置することができるであろう。

さらに、繊維性ポリマー性成分及び重合性剤は、十分に大きな出口孔を有する腹腔鏡又は胸腔鏡を用いれば、腹腔内、腹腔外、又は胸部臓器のいずれにも導入することが可能である。例えば、胃食道逆流症の治療のために、繊維性ポリマー性成分及び重合性剤を胃食道接合部の領域へ導入することができる。これは、胃食道領域の食道部へこの物質を導入する胸腔鏡、又は胃食道領域の胃部へこの物質を注入する腹腔鏡、又はこれらを組み合わせた手法によって実施することが可能である。

繊維性ポリマー性成分及び重合性剤は、生体適合性材料を必要とする人体のいずれの部位にも適用できるだけでなく、再建手術の最中に適用することもできる。繊維性ポリマー性成分及び重合性剤は、内視鏡的に、例えば、喉頭鏡を通して、発声障害の治療のために声帯へ注入することができ、又は、子宮鏡を通して、患者の不妊化の方法として卵管へ注入することができ、又は、直腸鏡を通して、直腸周囲括約筋領域へこの物質を注入し、それによって、括約筋領域の抵抗を強め、患者を便禁制とすることができる。

線維軟骨及び軟組織の断裂、特に半月板周辺部の断裂を含む半月板断裂は、本開示に従う組成物を断裂部位へ適用し、それによって、重合性剤を線維軟骨又は軟組織へ共有結合させることによって修復することができる。通常、半月板の血管領域の断裂は、関節鏡技術を用いて修復される。本発明の組成物を適用するための器具は、膝前面の入り口部として使用される小切開部を通して挿入することができる。断裂端部を近接する位置に保持するための予備的な補助として、縫合糸又はクリップを、半月板修復器具及び半月板に通すことができる。重合性剤を含む本発明の組成物を使用することにより、半月板の断裂端部を再度近接させ、断裂を治癒することができる。

別の実施形態では、本発明の組成物を用いて、骨膜の断裂又は欠損を修復することができる。骨膜のそのような欠損は、多くの場合骨折部位周辺で発生し、そこでは、通常、骨膜は破壊され、骨の断片の転位に対する膜バリアとして機能することができない。本開示に従う組成物を断裂又は欠損部位に適用し、それによって重合性剤を骨膜へ共有結合させることにより、骨膜の修復及び／又は再成長を達成することができる。形態形成タンパク質を、繊維性ポリマー性成分、重合性剤、又はその両方と組み合わせることもでき、これは、骨膜から間葉系幹細胞を引き寄せる。引き寄せられた成分は、次に、骨形成細胞への分化へと誘導され、これは、患者が新しい骨を形成するために必須なものである。従って、骨膜の修復により、本発明の組成物及び方法は、骨の欠損の再生を補助することもできる。

別の実施形態では、軟骨修復法の一部として、本発明の組成物を用いて、骨膜及びその他の細胞外基質を軟骨へ結合させることができる。軟骨の欠損は、多くの場合可動関節内で発生し、これを修復する試みとして用いられる先行技術の方法としては、欠損部位への細胞の移植、及び所定の位置での縫合による骨膜又はその他の細胞外基質の欠損部位全体での結合を含む。縫合による方法は難しく、周囲の関節軟骨を損傷させる場合がある。本開示に従う組成物を適用することにより、ここで、重合性剤が繊維性ポリマー性成分と組み合わさり、骨膜及び軟骨と共有結合し、ｉｎ ｓｉｔｕで生体適合性複合材が形成されることによって関節軟骨の修復を達成することができる。

別の実施形態では、本発明の組成物を用いて、小腸下粘膜下組織（subintestinal submucosa）及びその他の細胞外基質の製剤を、腱又は靭帯へ結合させることができ、これらの組織の修復を促進するために用いられる。腱及び靭帯の断裂は、例えば、肩の回旋筋腱板に発生することが多く、回旋筋腱板を、互いに及び骨と縫合する手術による修復が行われ、修復を促進するために、小腸下粘膜下組織又はその他の細胞外基質の製剤が修復部位全体に含められる。しかし、従来の方法では、これらの物質を所定の位置に縫合するが、修復領域の大部分において、物理的な結合が弱い。本開示に従う組成物を適用し、それによって、生体適合性複合材をｉｎ ｓｉｔｕで形成してそれを回旋筋腱板に接着させ、任意に、やはり欠損の修復に使用することができるいずれかの小腸下粘膜下組織又はその他の細胞外基質の製剤を重合性剤と共有結合させることにより、改良された修復を達成することができる。

ある実施形態では、本開示の生体適合性複合材は、自然の関節軟骨の範囲内の圧縮特性及び引張特性を持つように設計することができ、従って、これを用いて、軟骨欠損の機能的修復を形成することができ、これには、本開示の生体適合性複合材コンストラクトの軟骨欠損周囲の関節軟骨への結合が含まれ得る。さらに、重合性剤とホスト軟骨との間の共有結合を確立することができ、従って、生体適合性複合材のホスト軟骨への接着は、細胞の生存率を損なうことなく、正常な関節軟骨の範囲内の引張強度で達成することができる。本開示の生体適合性複合材は、大腿骨顆部の修復に用いることもできる。

本開示の生体適合性複合材は、軟骨の骨への結合、骨と骨の結合、及び骨の欠損の修復に用いることもできる。本開示の複合材で修復することができるその他の組織としては、これらに限定されないが、靭帯、腱、皮膚、筋肉、帯膜、及び胸部組織などが挙げられる。本開示の生体適合性複合材は、繰り返しかけられる大きな負荷に対する回復力を示す。

特定の、有用で限定されない例を参照して、本開示を説明する。

［実施例１］
生体適合性複合材コンストラクトを用いて、軟骨関節欠損を修復した。生体適合性複合材コンストラクトのｉｎ ｓｉｔｕでの構築の実現性を判断するために、仔ウシ膝大腿骨顆部の関節表面を露出し、直径１０ｍｍのドリルを用いて直径１０ｍｍ及び深さ２ｍｍの軟骨欠損を関節表面に形成した（ウシ関節軟骨の深さはおよそ２．５〜３．０ｍｍであった）。ＰＬＡフェルトのディスク（ＯＤ＝１０、厚さ＝２ｍｍ）をヒドロゲル（１８．５％）に浸漬し、欠損部位に配置した。欠損部位での繊維間の残存空間は、ヒドロゲルで充填し、その後紫外線に曝露（１０ｍＷ／ｃｍ^２、１０分間）した。

この方法により、仔ウシ関節軟骨の軟骨欠損内に、架橋された生体適合性複合材コンストラクトが構築され、それによって欠損が完全に修復された。このコンストラクトは、周囲組織と完全に結合し、自重に容易に耐えていた。コンストラクトの表面は、滑らかであり、コンストラクトと周囲の関節軟骨との間に隙間はなかった。次に、コンストラクトを切除し、欠損部位から取り除いて分析した。コンストラクトの断面より、コンストラクトが、欠損部位の関節軟骨表面の構造に適合するように湾曲していることが分かった。

類似の実験を実施して、より大きな大腿骨顆部欠損をｉｎ ｓｉｔｕで修復した。修復すべき大腿骨顆部欠損は、およそ２．５ｃｍ×２ｃｍ（５００ｍｍ^２）の不規則な欠損であり；移植のためのＰＥＴフェルトディスクを、上述のようにヒドロゲルに浸漬することによって作製した。ＰＥＴフェルトディスクとヒドロゲルの組み合わせに対して上述のように紫外線を放射し、それにより、顆部欠損がコンストラクトによって完全に修復され、修復部位は、滑らかな表面と、回復された顆部の領域と適合する外形を有していた。

［実施例２］
ＰＥＴフェルト及びＰＥＧヒドロゲルを、生体適合性複合材の形成に用いる物質として選択し、紫外線光（１０ｍＷ／ｃｍ^２、３００秒間）を用いて重合した１０％のポリエチレングリコールジアクリレート溶液中にフェルトを埋め込む。どちらの物質も非分解性と見なされ、現在ＦＤＡ認可デバイスに用いられている。非分解性の特徴により、生体適合性複合材が比較的長期間機能する可能性を得ることができる。既に認可されている製品中の物質を用いることによって優れた安全性プロフィールが得られ、考えられる懸念事項の大部分が取り除かれる。

生体適合性複合材コンストラクトの圧縮係数、透過性、及び引張係数は、すべて正常な関節軟骨の範囲内である。生体適合性複合材の機械的特性は、実験計画法（ＤＯＥ）を用いて最適化し、自然の関節軟骨の特性に近づけることができる。これには、スタット−イース社（Stat-Ease, Inc.）（ミネソタ州ミネアポリス）より市販のソフトウエアパッケージ、ＤＥＳＩＧＮ−ＥＸＰＥＲＴ（登録商標）を用いた要因計画を含む。

コンストラクトの機械的特性に最も影響を与えると考えられる三つの要因：ＰＥＴフェルトの空隙率、ＰＥＧＤＡ濃度、及び紫外線重合時間、を実験で制御し；対象とする操作範囲を以下の表１に示す。ＤＯＥ実験は３つの変数について実施し、各変数について、低、中、及び高の三点を用いる。

２水準完全実施（２^Ｋ）要因計画を、反復数２、中心点数３で用い、コンストラクトの引張及び圧縮特性に最も影響力のあるパラメータを識別する。この計画により、本実験に用いられる条件は１９個となる。このＤＯＥ実験により、主効及び要因交互作用から、いかなるエイリアスをも取り除くことができる。さらに、２及び３要因交互作用が作製され、従って、要因交互作用が判定される。さらに、中心点は、結果指標に対する要因の非線形効果を示すものである。検出力計算により、２標準偏差分の大きさの効果を検出する確率が約９５．３％であることが示される。

コンストラクトを機械試験に掛けて引張特性及び圧縮特性を測定し、以下のパラメータ：引張係数、圧縮係数、及び透過性、を主たる結果指標と見なす。ＤＯＥ実験から得られた結果は、ＤＥＳＩＧＮ−ＥＸＰＥＲＴ（登録商標）を用いてＡＮＯＶＡによって解析し、主要因及び要因交互作用の有意性は、ｐ≦０．０５に基づく。

要因の一部、及び要因の組み合わせが、得られる結果指標に大きく寄与すると考えられる。結果の解析により、これらの効果の大きさと方向性が決定し、比較実験で用いる各影響力のあるパラメータに対して選択された値の正確性を判定するための確認実験で試験する製剤を選択することが可能となる。

自然の関節軟骨に類似の特性を持つコンストラクトは、以下の表２に示す目標範囲を有する。

［実施例３］
生体適合性複合材コンストラクトの軟骨への接着は、さらに最適化することができる。鼻軟骨と関節軟骨との間の違い、及びヒドロゲルと繊維ヒドロゲルとの間の違いを用いて、新たな最適化実験の基礎を形成することができる。ＤＥＳＩＧＮ−ＥＸＰＥＲＴ（登録商標）ソフトウエアを用いて、最も影響力のあるパラメータ、及び自然の関節軟骨とヒドロゲル‐繊維コンストラクトとの接着のためのその最適な操作範囲を識別する目的で、関節軟骨に対するＤＯＥ実験を計画する。軟骨とヒドロゲルとの反応の一つの機構は、コラーゲン中のチロシン残基を通してのものであることが実証されていることから、軟骨表面をコンドロイチナーゼで酵素処理し、プロテオグリカンを除去してコラーゲンを露出させる。

ＤＯＥ実験を実施し、酵素処理及び酸化処理に対しての一般的な処理パラメータを識別する。これらが交互作用する場合があることは分かっており、従って、重要なパラメータを識別するためのデータを作製する。ＤＯＥ実験では、コンドロイチナーゼＡＢＣ濃度、過酸化物濃度、ＰＥＧＤＡ濃度、紫外線処理時間、紫外線重合時間、及びＰＥＴフェルトの存在の有無、という６種類の要因を用いる。この実験に用いる要因、及び各要因に対する範囲を表３に示す。

結果指標は：（ａ）細胞生存率分析；（ｂ）表面化学分析；及び（ｃ）末端間引張機械分析、である。この実験計画では、３８個の条件が用いられ、中心点数３にて、２水準２^{（６−１）}１／２一部実施要因計画（two‐level 2^(6-1) half-factorial design）で研究される。１／２一部実施要因計画を用いることで、最終パラメータ及びその正確な値を選択するために用いられる最も影響力のあるパラメータを効率的に選択することができる。これらのパラメータ及びその値は、確認実験で確認される。この２水準２^{（６−１）}１／２一部実施要因ＤＯＥ実験において、単一要因の効果は、５種類のその他の要因の交互作用でエイリアスされる（ａｌｉａｓｅｄ）ことに留意されたい。例えば、要因Ａの効果は、他の５種類の要因Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、及びＦの交互作用でエイリアスされる（［Ａ］＝Ａ＋ＢＣＤＥＦ）。しかし、この種のモデルでは、通常、４若しくは５要因交互作用を持つ確率はほんのわずかであり、従って、報告される効果は、そのほとんどが要因［Ａ］の寄与によるものであり、その他の５種類の要因の交互作用［ＢＣＤＥＦ］によるものではない。このことにより、１／２一部実施要因を用いることができ、それでも、各単一要因の効果を検証することができる。ＤＥＳＩＧＮ−ＥＸＰＥＲＴ（登録商標）ソフトウエアによる検出力計算では、この実験を用いて、２標準偏差分の大きさの効果が検出される確率は９８．４％であることが示される。

＜関節軟骨の調製＞
関節軟骨ブロック（９×５×２ｍｍ^３）を、１〜２歳の骨格が成熟した成体ウシの膝（膝蓋骨溝）から採取する。サンプルは、すぐに使用するか（生存率評価）、又は抗生物質と抗真菌剤との混合物を含むＰＢＳ中、４℃にて２４時間〜９６時間保存する。この軟骨ブロックを、上述の実施例６のようにダイカッターで切断してテフロン（登録商標）ホルダー中へ配置し、組織で開始される（tissue‐initiated）光重合処理を施す。

＜組織で開始される光重合＞
軟骨表面をコンドロイチナーゼで酵素処理し（０〜１０ユニット／ｍｌ、３７℃にて１時間）、プロテオグリカンを除去してコラーゲンを露出させる。軟骨表面の光酸化を、開放系にて、０、１５０、又は３００ｍＭのＮａ_２Ｓ_２Ｏ_８（ＰＢＳ中）を用い、それぞれ５、１０、又は１５分の紫外線下（３６５ｎｍ；５ｍＷ／ｃｍ^２；紫外線光、ＥＸＦＯ Ａｃｔｉｃｕｒｅ（登録商標）４０００）で実施した。過剰の過酸化物を除去し、ＰＢＳでよく洗い流した。

軟骨の１片をホルダーの端部に配置し、ホルダーのもう一方の側はヒドロゲルで充填する。予めアルゴンでバブリングしたＰＥＧＤＡ溶液（２０％、２５％、及び３０％、ｗ／ｖ、ＰＢＳ中）を、光開始剤Ｉｒｇａｃｕｒｅ２９５９（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社（Ciba Specialty Chemicals）（ニューヨーク州タリタウン(Tarrytown, NY)）、最終濃度０．０５％）と共に軟骨表面に添加する。ＰＥＴフェルトの足場材が存在する場合（表３中では、「あり」と記載）、１つのＰＥＴフェルト（幅５ｍｍ×長さ９ｍｍ、厚さ２ｍｍ）を関節軟骨の横に配置し、紫外線光に曝露する充分前にヒドロゲルを適用して充填する。次に、これらの反応体を紫外線（３６５ｎｍ；５ｍＷ／ｃｍ^２）に曝露して重合する。

ゲルの重合、及び軟骨とヒドロゲル又はヒドロゲル‐繊維複合材との末端間の接着の後、サンプルは、この二つの部分をお互いから分離するのに要する最大応力を測定する引張試験及び圧縮試験の両方を含む機械分析、ＡＴＲ−ＦＴＩＲを用いてＰＥＧＤＡと軟骨組織との共有結合を確認する表面化学分析、並びに／又はＬｉｖｅ−Ｄｅａｄ Ａｓｓａｙ（インビトロジェン社）を用いて各検体の死組織の厚さを測定する生存率分析に掛ける。

＜引張試験＞
引張特性は、Williamson,et al., Tensile
Mechanical Properties of Bovine Articular Cartilage: Variations with Growth and
Relationships to Collagen Network Components. J Orthop Res, 2003.21(5): p.872‐80による記載に従って測定する。平衡引張剛性（Ｋ_ｔ）及び係数（Ｅ_ｔ）は、応力‐ひずみ曲線のほぼ直線である領域を、０．０５ＭＰａの応力に対応するよう設定された初期長にあてはめることによって算出する。動的引張強度（Ｆ_ｕｌｔ）及び極限応力（σ_ｕｌｔ）を、極限負荷と見なし、元の断面積を基準とする。

＜圧縮試験＞
９．６ｍｍのディスクを切り出し、厚さを測定し、このサンプルを、２枚の多孔性ステンレススチール製プラテン間の気密室（confining chamber）中に配置する。静的及び動的拘束圧縮試験を実施する。試験の手順は、０〜１５％の傾斜圧縮をサンプルに適用する工程、得られた負荷を緩和して平衡化させる工程、並びに、これに続く、０．０１〜０，５Ｈｚの範囲の周波数及び１％〜０．３％の振幅での一連の振動性の変位を適用する工程から成る。次に、サンプルに、３０％への、続いて４５％への傾斜圧縮を施し、同じ振幅及び周波数での振動試験を、各静的オフセット圧縮レベルで実施する。平衡拘束圧縮係数Ｈ_Ａ０、各オフセット圧縮レベルにおける透水率ｋｐ（ε＝０．１５、０．３、及び０．４５）、並びにひずみ依存パラメータＭを測定する。

＜表面反応の確認＞
ポリマーの軟骨表面との反応は、ＡＴＲ（減衰全反射）−ＩＲを用いて化学的に、ＳＥＭを用いて形態学的に測定する。重合、並びにポリマー及び軟骨表面の十分な洗浄の後、ポリマーと正常に反応した軟骨表面のＦＴ−ＩＲスペクトルは、１１１０ｃｍ^−１にエーテルのピークを、９４５^−１にＰＥＯのピークを、及び１７３０^−１にカルボニルのピークを追加で有する。形態学的分析では、軟骨‐ヒドロゲルコンストラクトを凍結させ、ポリマー−細胞界面で破壊する。ポリマーが化学的に軟骨と反応している場合は、未処理のコントロール軟骨表面と比べて、組織表面が変化している。

＜Ｌｉｖｅ‐Ｄｅａｄアッセイ＞
処理領域及びポリマー結合部周囲の軟骨細胞に対する毒性の可能性を、Ｌｉｖｅ‐Ｄｅａｄ Ｋｉｔ（モレキュラー・プローブズ社（Molecular Probes）（オレゴン州ユージーン（Eugene, OR）））を用いて調べる。処理された軟骨サンプルを、製造元の説明書に従って、カルセイン及びエチジウムホモダイマー−１に曝露する。ＰＢＳ中で洗浄して過剰の試薬を除去した後、中央部の薄片を切り出し、蛍光顕微鏡を用いて分析する。画像を電子的に記録し、非生存組織の範囲を対物ミクロメター（Fisher Scientific）との比較によって測定する

この計画からの結果を、ＤＥＳＩＧＮ‐ＥＸＰＥＲＴ（登録商標）ソフトウエアを用いてＡＮＯＶＡにより解析し、主な変数（要因）及び要因交互作用の有意性は、ｐ≦０．０５に基づく。この解析により、引張強度及び細胞生存率を最大化するソリューションが提供される。

［実施例４］
実施例３で得られた結果を用いて、第二のＤＯＥ実験を計画し、本開示の生体適合性複合材の関節軟骨の修復への使用を最適化する。実施例３で得られた結果の解析により、この第二のＤＯＥ実験では、選択する製剤の組み合わせを少なくすることができる。この実験により、接着強度、細胞生存率が最適化され、及び処理に要する時間が最小化される。目標とする結果を以下の表４に示す。

最大応力の目標は、従来の方法に対して接着強度を大きく上昇させた２４０ｋＰａを選択し、これは、文献で公開されている最大値の３倍であり、自然の関節軟骨の下方範囲の約２５％であり；更には、その他の筋骨格組織に対して定められる安全因子の範囲内である（腱：２．５倍〜約１０倍、骨：約１．４倍〜約４倍）。

細胞死は、切断表面に隣接する軟骨で発生する。細胞死の領域が軟骨切除後に見られた領域を超えて広がらない場合、反応条件は適合性があるとして許容される。

上記の実施例９及び１０で調べた共通の要因（すなわち、紫外線重合時間、ＰＥＧＤＡ濃度、及びＰＥＴフェルトの足場材）に対して得られた結果は、異なる場合がある。ＤＥＳＩＧＮ−ＥＸＰＥＲＴ（登録商標）ソフトウエアにより、本実験でのパラメータの交互作用の最適化に対する複数のソリューションの順位が得られ、本実施例において、最もよく適合するソリューションが判定される。このソリューションは、確認実験で確認される。

本実施例、並びに上記の実施例２及び３で述べた実験プロセスにより、影響力のある各パラメータの値を最適に及び正確に決定し、自然の関節軟骨に類似の機械的特性を有する本開示に従うヒドロゲル−繊維生体適合性複合材を開発することができる。生体適合性複合材は、ｉｎ ｓｉｔｕで形成することができ、接着部位での最大の接着力と細胞生存率で、関節軟骨と共有結合することができる。全手術時間及び費用に対する処理時間の影響を軽減する目的で、処理に要する時間が最短化される。

［実施例５］
本実施例は、生体適合性複合材装置のｉｎ ｓｉｔｕでの形成及び結合を例示するものである。

実施例２〜４で識別された条件を用いて、生体適合性複合材コンストラクトを関節欠損内にてｉｎ ｓｉｔｕで構築することができるかどうか、及び接着プロセスにより、ヒドロゲル‐繊維コンストラクトが所定の位置に維持されてコンストラクトの変位が防止されるかどうかを判定する。実験のモデルシステムは上記の実施例１で述べたものであり：軟骨欠損（直径１０ｍｍ×深さ２ｍｍ）を仔ウシ膝大腿骨顆部の関節表面に形成する。上記の実施例１で述べたように、生体適合性複合材コンストラクトを欠損部位内で構築し、実施例１で述べた条件下で接着反応を実施する。

この結果は、周囲のホスト関節軟骨と接着した構築された生体適合性複合材コンストラクトである。この修復を、（ａ）コンストラクトの機械的特性、及び（ｂ）周囲のホスト関節軟骨との接着強度という点で評価する。複合材コンストラクト又はコンストラクト−軟骨サンプルを、注意深く修復部位から切除する。コンストラクトは、圧縮係数、透過率、及び引張係数について評価する。コンストラクト−軟骨サンプルも、接着力及び細胞生存率について試験を行う。実験計画を以下の表５に示す。

目的は、コンストラクトの機械的特性、及び接着強度を達成することである。

［実施例６］
上述の方法及び構造を評価し、組織欠損をインビボで修復する能力を判定した。骨軟骨欠損（幅４．５ｍｍ、深さ８ｍｍ）をヤギの膝の膝蓋骨溝に形成した（ｎ＝３）。ＰＬＬＡメッシュを欠損部位に配置し、プライミングを行い、ＰＥＧヒドロゲルを適用して架橋させ、完全に充填された欠損部位を得た。ヤギに４週間通常の活動をさせ、屠殺して膝を採取した。肉眼的検査及び組織学により、欠損部位は修復された状態で維持され、周囲の関節及び骨組織と接着したヒドロゲル‐足場材で充填されていることが示された。修復部位の画像を図１に示す。

本開示を特定の実施形態を参照して説明してきたが、当業者は、添付の特許請求の範囲において画定される本開示の精神及び範囲内にとどまる限りにおいて、追加、削除、置換、変更、及び改良が可能であることを理解するであろう。

Claims (23)

1. 修復すべき組織欠損を識別する工程と、
   重合性剤と組み合わさった繊維性ポリマー性成分を該組織欠損へ適用する工程と、
   該欠損部位にて該重合性剤を組織と反応させる工程と、
   を含む方法。
2. 適用される前記繊維性ポリマー性成分が、ポリヒドロキシ酸、ポリアミノ酸、ポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリヒドロキシアルカノエート、及びこれらの組み合わせから成る群より選択される物質を含む、請求項１に記載の方法。
3. 適用される前記繊維性ポリマー性成分が、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリカプロラクトン、ポリジオキサノン、トリメチレンカーボネート、ヒアルロン酸、ゼラチン、セルロース、ニトロセルロース、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、及びこれらの組み合わせから成る群より選択される物質を含む、請求項１に記載の方法。
4. 適用される前記重合性剤が、ポリアルキレンオキシド、ポロキサミン、セルロース、ヒドロキシアルキル化セルロース、ポリペプチド、多糖類、炭水化物、タンパク質、これらのコポリマー、及びこれらの組み合わせから成る群より選択される物質を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記重合性剤が、ポリ（エチレングリコール）、ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（ビニルピロリドン）、ポリ（エチルオキサゾリン）、ポリ（エチレンオキシド）−コポリ（プロピレンオキシド）ブロックコポリマー、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、メチルヒドロキシプロピルセルロース、ポリスクロース、ヒアルロン酸、デキストリン、ヘパラン硫酸、コンドロイチン硫酸、ヘパリン、アルギン酸塩、ゼラチン、コラーゲン、アルブミン、オボアルブミン、これらのコポリマー、及びこれらの組み合わせから成る群より選択される物質を含む、請求項１に記載の方法。
6. 適用される前記重合性剤が、アクリレート、ジアクリレート、オリゴアクリレート、ジメタクリレート、オリゴメタクリレート、及びこれらの組み合わせから成る群より選択される少なくとも１つのフリーラジカル重合性基を有する物質を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記の反応工程が、前記の重合性剤を紫外線源に曝露する工程を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記反応工程が、前記重合性剤を化学剤に曝露する工程を含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記反応工程が、前記重合性剤を、ポリ（Ｌ−リジン）、ポリエチレンイミン、ポリ（ビニルアミン）、ポリ（アリルアミン）、キトサン、スルホン化ポリスチレン、グルタルアルデヒド、カルボジイミド、２，２’−アゾビス（Ｎ、Ｎ’ジメチレンイソブチルアミジン）二塩酸塩、過酸化ベンゾイル、及びこれらの組み合わせから成る群より選択される架橋剤に曝露する工程を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記繊維性ポリマー性成分が、前記組織欠損への適用の前に前記重合性剤と組み合わされる、請求項１に記載の方法。
11. 前記繊維性ポリマー性成分及び前記重合性剤が、前記組織欠損の表面と共有結合する生体適合性複合材を該組織欠損内で形成する、請求項１に記載の方法。
12. 治療薬を前記組織欠損に適用する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記重合性剤と組み合わさった前記繊維性ポリマー性成分を適用する前に、前記組織欠損をプライミング剤でプライミングする工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記プライミング剤が、過酸化水素、クエン酸、過酢酸、硝酸、ペルオキシハロゲン酸、ヒドロキシペルオキシド、及びこれらの組み合わせから成る群より選択される、請求項１２に記載の方法。
15. 前記組織欠損をプライミングする工程が、該組織欠損を紫外線に曝露する工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記重合性剤と組み合わさった前記繊維性ポリマー性成分を適用する前に、前記組織欠損を酵素に曝露する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
17. 前記酵素が、コンドロイチナーゼを含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記組織欠損が、軟骨に存在する、請求項１に記載の方法。
19. 前記組織欠損が、骨、靭帯、腱、皮膚、筋肉、帯膜、及び胸部組織から成る群より選択される組織に存在する、請求項１に記載の方法。
20. 請求項１に記載の方法によって形成された生体適合性複合材。
21. 治療薬を前記組織欠損に適用する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
22. 修復すべき組織欠損を識別する工程と、
    該組織欠損の表面を、プライミング剤で処理することによってプライミングし、プライミングされた組織表面を作り出す工程と、
    重合性剤と組み合わさった繊維性ポリマー性成分を該組織欠損へ適用する工程と、
    該重合性剤を、該繊維性ポリマー性成分及び該プライミングされた組織表面と反応させて、該組織欠損の表面と共有結合する生体適合性複合材を、該組織欠損内で形成する工程と、
    を含む方法。
23. 少なくとも部分的にヒドロゲルで包み込まれた繊維性ポリマー性成分を含む生体適合性複合材であって、該ヒドロゲルは組織欠損部位にてｉｎ ｓｉｔｕで形成され、該ヒドロゲルの少なくとも一部分は該組織欠損部位にて組織と共有結合する、生体適合性複合材。

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