TWI435728B

TWI435728B - 注射式之骨修復複合材料

Info

Publication number: TWI435728B
Application number: TW101123207A
Authority: TW
Inventors: Te Li Su; Fu Chen Kung; Yu Lin Kuo; hui yi Lin; Ming Chien Yang; Wen Fu Lai
Original assignee: St Mary S Medicine Nursing And Man College
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-05-01
Also published as: TW201400129A

Description

注射式之骨修復複合材料

本發明係關於一種注射式之骨修復複合材料，尤指一種由聚麩胺酸組成物(γ-PGA)以及多醣類組成物所組成之骨修復複合材料。

組織工程的目的即在於製造一生物體的局部作為一替代品，用以取代移植的組織或器官，抑或製造皮膚相關疾病的生物材料，以達到包覆傷口的目的。以骨修復組織工程為例，習知的骨修復植入物大略可分為兩種模式：固態型或注入型，其中，固態型係預先量測待修補大小後，製作該尺寸之固態植入物並植入組織中；而注入型植入物係透過液態或膠狀組織修補材料，直接填補於欲修補之組織中，該修補材料凝固後即形成與固態植入物相當之組織修補材料。

其中，注入型植入物使用上較為彈性且植入方便，而水膠(Hydrogel)由於具有良好的覆蓋性、無生物毒性、優異的生物相容性、具有生物分解性等特性，透過不斷的改良研究，為此類植入物提供良好的基底材料，亦廣泛應用於支架(scaffold)或敷料等生醫材料。然而，由於其交聯鍵結具有可逆性，造成其機械性質較差，難以應用於較硬的組織或器官。因此，如何增進其強度以及耐久力，製造成新型式的水膠以更符合廣泛的生物組織工程應用，成為近幾年來此類生醫材料開發的重點之一。

聚麩胺酸(γ-PGA)係一麩胺酸聚合而成的直線型天然聚合物，為一種水膠。該聚麩胺酸可由桿菌屬細菌，如枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis )藉由細菌發酵作用獲得。該聚麩胺酸具有與水分子結合的能力，大約可與自己重量5000倍的水分子結合。由於該聚麩胺酸為一天然化合物，且具有一重要的特殊性質，即其最終可分解為水以及二氧化碳，因此不會殘留於體內，被視為生醫材料閃亮的明日之星。然而，其結構柔軟如膠，習知以其用於二維的軟組織修復，例如醫療用敷材、美容保養品，並不適合直接用於較堅硬的組織替代物，如人類的硬骨骼。

褐藻酸鈉(Alginate)亦為近年來逐漸應用的一種水膠，繼承了傳統水膠無生物毒性、優異的生物相容性，亦具有高膨潤度且容易備製的優點。褐藻酸鈉為一線型的聚合物，該聚合物包括兩種單體：β-1,4-D-甘露糖醛酸以及α-1,4-L-葡萄糖醛酸，且該兩單體以β-1,4與α-1,4糖苷鍵鍵結。該褐藻膠於低酸鹼值環境中水溶性不佳，而溶解於鹼性環境中。褐藻酸鈉的凝膠化是由1,4-鍵結α-L-葡萄糖醛酸單體中的COO^- 和二價金屬陽離子，如鈣離子、鋇離子等作用後，使得其中的鈉離子與該二價金屬陽離子發生交換而進行離子型交聯反應，進而產生三維網狀架構的膠狀體。另一方面，該褐藻酸鈉亦具有高含水性，增強其親水漫反射表面與低表面張力特性，進而將輸送時因為吸收或釋放溶質所產生的阻力減到最低。該褐藻酸鈉是一天然化合物，可用於各種不同醫療以及藥物的設計開發。為了解決其機械強度不足的問題，目前做法是將其混合三鈣磷酸鹽、氫氧基磷灰石、硫酸鈣鹽、以及碳酸鈣鹽等材料，再與鈣離子混合，製備成俗稱的「骨水泥」，具有足夠的機械強度以作為硬組織修復材料。然而，其凝膠化的速度非常快速，製備完成後即無法改變其外觀形狀，因此無法依據骨骼缺損形狀加以塑形，造成實際應用上的不便，亟需進一步改良之使其應用範圍更佳廣泛。

本發明之主要目的係在提供一種注射式之骨修復複合材料，該骨修復複合材料備製方便，並具可塑性，可進行軟骨或硬骨的修復。

本發明另一目的係在提供一種注射式之骨修復複合材料，該骨修復複合材料具有使受損骨骼達到快速修復及再生之功效。

為達成上述目的，本發明提供一種注射式之骨修復複合材料，包括由一聚麩胺酸溶液固化形成之一聚麩胺酸組成物(γ-PGA)，以及由一多醣類溶液固化形成之一多醣類組成物，其中，該聚麩胺酸組成物之含量為該多醣類組成物之含量的2至5倍。

如上述之該聚麩胺酸溶液為一具生物相容性及降解性之載體材料，其製造方式係由一聚麩胺酸粉末溶解於一稀釋溶劑，並使其均勻分散於該稀釋溶劑中，使溶液濃度為1至5重量百分比。由於該聚麩胺酸具有高度金屬螯合性，容易與金屬陽離子結合，進而增強該聚麩胺酸水膠吸水特性與強韌程度。本發明之該聚麩胺酸粉末即為一金屬型聚麩胺酸，較佳為一鈣型聚麩胺酸、一鈉型麩胺酸、以及一鉀型麩胺酸，而其中又以鈣型聚麩胺酸為最佳，係因鈣離子與一海藻酸鈉(如後所述)有著極佳的結合能力，選用鈣型聚麩胺酸可使本發明之複合材料組成物之間結合更加緊密。該聚麩胺酸粉末在尺寸上並無特別限制，例如奈米級聚麩胺酸粉末、或是微米級聚麩胺酸粉末，皆可用於本發明。

再者，為了使材料韌性增加，並達促使骨細胞生長之目的，將上述聚麩胺酸粉末與一多醣類溶液混合，該多醣溶液係由一多醣類粉末溶解於一稀釋溶劑製備而成，過程中攪拌使該多醣類粉末均勻溶解於該稀釋溶劑中。該多醣類粉末為一β醣苷鍵聚合物，較佳為一聚葡萄糖(β-glucan)粉末或一幾丁聚糖(chitosan)粉末，而更佳為聚葡萄糖(β-glucan)粉末。此外，為使該多醣類溶液達到促進細胞生長的濃度，該多醣類溶液之濃度較佳為1至10重量百分比，更佳為1至5重量百分比，濃度太低將失去促進細胞生長的效果。

在本發明注射式之骨修復複合材料中，為增強該注射式之骨修復複合材料之機械強度，該骨修復複合材料更包括具有一褐藻酸鈉溶液固化形成之褐藻酸鈉組成物。該褐藻酸鈉溶液係由一褐藻酸鈉粉末均勻溶解於一稀釋溶液製成，且固化形成一褐藻酸鈉組成物。於本發明中，可視其欲修復的骨骼種類，如軟骨或者硬骨，調整該褐藻酸鈉溶液之濃度，其濃度範圍可於1至5重量百分比之間。

在本發明注射式之骨修復複合材料中，該聚麩胺酸組成物、該多醣類組成物、以及該褐藻酸鈉組成物可以一適當含量混合後，以習知之一般注射器或分液注射器注入患部，其中，前述之適當含量係包括佔注射式之骨修復複合材料總重量之50%至70%之聚麩胺酸組成物、10%至30%之多醣類組成物、及0%至40%之褐藻酸鈉組成物，較佳為聚麩胺酸組成物、多醣類組成物及褐藻酸鈉組成物之重量比例為6：2：3。然而，為避免該褐藻酸鈉組成物凝膠化的速度太快，導致該注射式骨修復複合材料失去其依據標的部位塑形的優點，較佳為使用分液注射器，使其進入患部之時再進行混合，如此一來，既不失去其彈性塑形的優點，亦可於褐藻酸鈉組成物混入後增強其機械強度。

其中，上述用於稀釋該聚麩胺酸組成物、該多醣類組成物、以及該褐藻酸鈉組成物之稀釋溶劑，係至少一選自由去離子水、稀釋次氯酸溶液、或稀釋醋酸溶液所組成之群組。為了保持本發明之骨修復複合材料之無菌狀態，最佳為使用稀釋次氯酸溶液為稀釋溶液。該次氯酸溶液具有一優點在於其特有之滅菌功效，因此，若以次氯酸溶液為該稀釋溶液，上述組成物即可以簡單的方法達到滅菌步驟。

再者，習知臨床使用的醫療器械以及所使用的材料皆會再次進行滅菌步驟，以確保器械材料的無菌狀態。因此，本發明之注射式之骨修復複合材料，內部可能殘留的次氯酸溶液，將於臨床應用前照射UV的滅菌步驟自動裂解，而無對人體細胞造成傷害之疑慮。

然而，該稀釋次氯酸溶液濃度太高將破壞本發明骨修復複合材料之結構，相反的，若濃度太低則失去其滅菌能力，因此，該稀釋次氯酸溶液濃度為5 ppm至35 ppm，更佳為10 ppm至25 ppm。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。

本發明所製備的可注射式骨修復複合材料，其操作以下實施例所述；此外，於本發明實施例1、2之中所使用的名詞「室溫」，可指一自然發生之溫度，不是熱的或冷的，例如，可指大約10℃至30℃、大約20℃至30℃、或者大約是25℃，並沒有特別地限制，且本發明並未侷限於此。

實施例1：三成份注射式之骨修復複合材料製備

請參閱圖1A係本發明實施例1之注射式之骨修復複合材料操作示意圖，在本實施例係以鈣型聚麩胺酸(CaPGA) 與聚葡萄糖(β-glucan，Glu)先進行混合以形成一具生物相容性及降解性之第一載體溶液21。

首先，一鈣型聚麩胺酸粉末於室溫下溶解於一純次氯酸溶液中，其中，該純次氯酸溶液之濃度為10 ppm，期間進行攪拌兩小時使其形成均勻溶解的聚麩胺酸溶液，且該聚麩胺酸溶液含有重量百分比為3 wt%之聚麩胺酸粉末；接著，秤取一聚葡萄糖粉末使其溶解於另一濃度為10 ppm之純次氯酸溶液中，並於室溫下進行攪拌約24小時以形成均勻的聚葡萄糖溶液，且該聚葡萄糖溶液含有重量百分比為1 wt%之聚葡萄糖粉末。

之後，確認該聚麩胺酸溶液與該聚葡萄糖溶液皆溶解均勻後，各自取20毫升之聚麩胺酸溶液及聚葡萄糖溶液，將其混合均勻形成第一載體溶液21，並置入分液注射器11之一側。

接著，將褐藻酸鈉粉末於室溫下溶解於另一濃度為10 ppm之純次氯酸溶液中，並且攪拌約24小時使其均勻溶解，使該褐藻酸鈉(alginate，Alg)溶液含有重量百分比為1.5 wt%之褐藻酸鈉粉末，將此褐藻酸鈉溶液作為第二載體溶液31，並將20毫升之褐藻酸鈉溶液置於該分液注射器11之另一側。

最後，將藉由分液注射器11將前述第一載體溶液21及第二載體溶液31混合形成之注射式之骨修復複合材料(Alg-CaPGA-Glu)注入至患部，以作為軟骨或硬骨修復之生醫材料載體或主體；此外，在前述注射式之之骨修復複合材料中，其係藉由控制聚麩胺酸溶液、多醣類溶液、或褐藻酸鈉溶液之重量濃度或混入體積之變化，以調整注射式之之骨修復複合材料之組成物含量比例，在本實施例注射式之骨修復複合材料含有聚麩胺酸組成物、多醣類組成物、褐藻酸鈉組成物之比例為6：2：3。

實施例2：三成份注射式之骨修復複合材料製備

圖1B係本發明實施例2之注射式之骨修復複合材料操作示意圖，除了改變前述本發明注射式之骨修復複合材料之混合次序及配方之外，本實施例與實施例1之操作流程大致相同。

請參閱圖1B，於本實施例2中，以一聚葡萄糖(β-glucan，Glu)與一褐藻酸鈉(alginate，Alg)預先進行混合，以形成第一載體溶液22。

首先，秤取一聚葡萄糖粉末使其溶解於一濃度為20 ppm之稀釋醋酸溶液中，並於室溫下進行攪拌約24小時以形成均勻的聚葡萄糖溶液，且該聚葡萄糖溶液含有重量百分比為1 wt%之聚葡萄糖粉末。

接著，將褐藻酸鈉粉末於室溫下溶解於另一濃度為20 ppm之稀釋醋酸溶液中，並且攪拌約24小時使其均勻溶解，使該褐藻酸鈉溶液含有重量百分比為1.5 wt%之褐藻酸鈉粉末。

之後，確認該聚葡萄糖溶液與該褐藻酸鈉溶液皆溶解均勻後，各自取20毫升之聚葡萄糖溶液與褐藻酸鈉溶液，將其混合均勻形成第一載體溶液22，並置入分液注射器12之一側。

接著，將鈣型聚麩胺酸粉末於室溫下溶解於另一濃度為20 ppm之稀釋醋酸溶液中，期間進行攪拌兩小時使其形成均勻溶解的聚麩胺酸(CaPGA)溶液，且該聚麩胺酸溶液含有重量百分比為3.5 wt%之聚麩胺酸粉末，將此聚麩胺酸溶液作為第二載體溶液32，並將20毫升之聚麩胺酸溶液置於該分液注射器12之另一側。

最後，將藉由分液注射器12將前述第一載體溶液22及第二載體溶液32混合形成之注射式之骨修復複合材料注入至患部，以作為軟骨或硬骨修復之生醫材料載體或主體；此外，在前述注射式之之骨修復複合材料中，其係藉由控制聚麩胺酸溶液、多醣類溶液、或褐藻酸鈉溶液之重量濃度或混入體積之變化，以調整注射式之之骨修復複合材料之組成物含量比例，在本實施例注射式之骨修復複合材料含有聚麩胺酸組成物、多醣類組成物、褐藻酸鈉組成物之比例為6：2：3。

比較例1至3：二成份注射式之骨修復複合材料製備

比較例1至3與前述實施例1之操作流程大致相同，除了改變前述本發明注射式之骨修復複合材料之混合次序與組成之外，且比較例1至3所製備注射式之骨修復複合材料並不含有聚葡萄糖(β-glucan，Glu)；其中，比較例1係利用褐藻酸鈉溶液(alginate，Alg)及氯化鈣(CaCl₂ )混合配製成含有褐藻酸鈉及氯化鈣之注射式之骨修復複合材料 (Alg-CaCl₂ )；比較例2係利用褐藻酸鈉溶液(alginate，Alg)及鈉型聚麩胺酸溶液(NaPGA)混合配製成含有褐藻酸鈉及鈉型聚麩胺酸之注射式之骨修復複合材料(Alg-NaPGA)；比較例3係利用褐藻酸鈉溶液(alginate，Alg)及鈣型聚麩胺酸溶液(CaPGA)混合配製成含有褐藻酸鈉及鈣型聚麩胺酸之注射式之骨修復複合材料(Alg-CaPGA)。

測試例

測試例係將前述實施例1之褐藻酸鈉-鈣型聚麩胺酸-聚葡萄糖(Alg-CaPGA-Glu)、比較例1之褐藻酸鈉-氯化鈣(Alg-CaCl₂ )、比較例2之褐藻酸鈉-鈉型聚麩胺酸(Alg-NaPGA)、以及比較例3之褐藻酸鈉-鈣型聚麩胺酸(Alg-CaPGA)所製備之注射式之骨修復複合材料進行性質分析及比較。

圖2係為本發明注射式之骨修復複合材料之紅外線光譜圖(IR)，其利用紅外光和分子作用所產生的分子振動的原理，記錄分子吸收紅外光之後所呈的振動模式(vibrational mode)，也被稱為分子的指紋，常用於作為鑑定分子；在圖2之紅外線光譜圖(IR)中，由於褐藻酸鈉與聚麩胺酸之金屬離子(Ca²⁺ 或Na⁺ )作用後將形成交聯結構，同時使C-O鍵結及COO^- 之對稱或非對稱吸收峰強度隨之減弱，故可藉由觀察褐藻酸鈉(Alg)之吸收峰變化以確認本發明注射式之骨修復複合材料在混合後之反應程度，其中，波數950 cm^-1 至1350 cm^-1 代表C-O鍵結結構、波數1423 cm^-1 及1608 cm^-1 分別代表COO^- 之對稱或非對稱結構；因此，比較圖2之紅外線光譜圖(IR)之C-O鍵結及COO^- 之對稱或非對稱吸收峰強度，結果顯示比較例2之褐藻酸鈉-鈉型聚麩胺酸(Alg-NaPGA)>比較例1之褐藻酸鈉-氯化鈣(Alg-CaCl₂ )>比較例3之褐藻酸鈉-鈣型聚麩胺酸(Alg-CaPGA)>實施例1之褐藻酸鈉-鈣型聚麩胺酸-聚葡萄糖(Alg-CaPGA-Glu)，故由圖2之紅外線光譜圖(IR)顯示實施例1之褐藻酸鈉-鈣型聚麩胺酸-聚葡萄糖(Alg-CaPGA-Glu)具有較佳之交聯結構。

再者，一生醫材料的生物相容性好壞與否，係決定該生醫材料是否適合實際應用的重要因素之一。由於血小板的吸附量與血液相容性質具有正向關係，因此，血小板吸附為判定生物相容性的依據之一。如圖3所示係本發明注射式之骨修復複合材料之血小板吸附能力長條圖，其中，比較例1之褐藻酸鈉-氯化鈣溶液(Alg-CaCl₂ )所組成之骨修復複合材料之血小板吸附能力最差，而實施例1之褐藻酸鈉-鈣型聚麩胺酸-聚葡萄糖(Alg-CaPGA-Glu)及比較例2之褐藻酸鈉-鈣型聚麩胺酸(Alg-CaPGA)之骨修復複合材料皆具有優良的血小板吸附能力。

此外，一生醫材料是否有細胞毒性，亦是評估該生醫材料是否適合實際應用的要點之一；因此，進一步將一人類骨肉瘤細胞MG63細胞株培養於前述實施例1之褐藻酸鈉-鈣型聚麩胺酸-聚葡萄糖(Alg-CaPGA-Glu)及比較例2之褐藻酸鈉-鈣型聚麩胺酸(Alg-CaPGA)之骨修復複合材料基質上，並測試該MG63細胞株的存活情況；如圖4所示係本發明注射式之骨修復複合材料細胞生長長條圖，Y軸為利用微量盤樣品測讀機(Bio-Tek,EL800)於OD₅₄₀ nm時吸光值，其中，空白組係指生長於空白培養皿基質之MG63細胞。相較於空白組，MG63細胞於實施例1(Alg-CaPGA-Glu)及比較例3(Alg-CaPGA)之兩種基質均可以穩定生長，顯示該兩種基質無細胞毒性；另外，進一步比較MG63細胞於實施例1(Alg-CaPGA-Glu)及比較例3(Alg-CaPGA)之兩種不同基質生長情況，圖4顯示以實施例1之褐藻酸鈉-鈣型聚麩胺酸-聚葡萄糖(Alg-CaPGA-Glu)為基質時，MG63細胞生長情況有顯著的成長，尤其在第21天的時間點，其效果更為顯著。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

11、12‧‧‧分液注射器

21、22‧‧‧第一載體溶液

31、32‧‧‧第二載體溶液

圖1A係本發明實施例1之注射式之骨修復複合材料操作示意圖。

圖1B係本發明實施例2之注射式之骨修復複合材料操作示意圖。。

圖2係本發明注射式之骨修復複合材料之紅外線光譜圖。

圖3係本發明注射式之骨修復複合材料之血小板吸附能力長條圖。

圖4係本發明注射式之骨修復複合材料細胞生長長條圖。

11‧‧‧分液注射器

21‧‧‧第一載體溶液

31‧‧‧第二載體溶液

Claims

一種注射式之骨修復複合材料，包括：一聚麩胺酸組成物(γ-PGA)，該聚麩胺酸組成物為一鈣型聚麩胺酸組成物，且該聚麩胺酸組成物係由一聚麩胺酸溶液固化形成；一多醣類組成物，該多醣類組成物為一聚葡萄糖(β-glucan)組成物，且該多醣類組成物係由一多醣類溶液固化形成；以及一褐藻酸鈉組成物(alginate)，其係由一褐藻酸鈉溶液固化形成；其中，該聚麩胺酸組成物之含量為該多醣類組成物之含量的2至5倍；該鈣型聚麩胺酸溶液與該聚葡萄糖溶液先進行混合以形成第一載體溶液，且該褐藻酸鈉溶液作為第二載體溶液，並藉由分液注射器將第一載體溶液及第二載體溶液混合形成該注射式之骨修復複合材料；或者，該聚葡萄糖溶液與該褐藻酸鈉溶液先進行混合以形成第一載體溶液，且該鈣型聚麩胺酸溶液作為第二載體溶液，並藉由分液注射器將第一載體溶液與第二載體溶液混合形成該注射式之骨修復複合材料。
如申請專利範圍第1項所述之注射式之骨修復複合材料，其中該聚麩胺酸溶液係由一聚麩胺酸粉末溶解分散於一稀釋溶劑。
如申請專利範圍第2項所述之注射式之骨修復複合材料，其中該聚麩胺酸粉末係為微米級聚麩胺酸粉末、或奈米級聚麩胺酸粉末。
如申請專利範圍第1項所述之注射式之骨修復複合材料，其中該多醣類溶液係由一多醣類粉末溶解分散於一稀釋溶劑。
如申請專利範圍第1項所述之注射式之骨修復複合材料，其中該聚麩胺酸組成物、該多醣類組成物及該褐藻酸鈉組成物之重量比例為6：2：3。
如申請專利範圍第1項所述之注射式之骨修復複合材料，其中該褐藻酸鈉溶液係由一褐藻酸鈉粉末溶解分散於一稀釋溶劑。
如申請專利範圍第2、4、或6項所述之注射式之骨修復複合材料，其中該稀釋溶劑係為稀釋次氯酸溶液，且其濃度係為10ppm至25ppm。