TWI802291B - 高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠及其使用與製備方法以及椎間盤支架 - Google Patents

高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠及其使用與製備方法以及椎間盤支架 Download PDF

Info

Publication number
TWI802291B
TWI802291B TW111106537A TW111106537A TWI802291B TW I802291 B TWI802291 B TW I802291B TW 111106537 A TW111106537 A TW 111106537A TW 111106537 A TW111106537 A TW 111106537A TW I802291 B TWI802291 B TW I802291B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
hydrogel
double
shape
cellulose
crosslinking
Prior art date
Application number
TW111106537A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202333809A (zh
Inventor
王子威
何家宇
Original Assignee
國立清華大學
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 國立清華大學 filed Critical 國立清華大學
Priority to TW111106537A priority Critical patent/TWI802291B/zh
Priority to US17/707,969 priority patent/US20230263942A1/en
Application granted granted Critical
Publication of TWI802291B publication Critical patent/TWI802291B/zh
Publication of TW202333809A publication Critical patent/TW202333809A/zh

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/52—Hydrogels or hydrocolloids
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/20—Polysaccharides
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2400/00—Materials characterised by their function or physical properties
    • A61L2400/16—Materials with shape-memory or superelastic properties
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/38—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of the spine, vertebrae or intervertebral discs

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Prostheses (AREA)
  • Polysaccharides And Polysaccharide Derivatives (AREA)
  • Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)

Abstract

一種高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠，包括相互交織形成的第一網狀物和第二網狀物。所述第一網狀物是經化學性交聯的纖維素，且所述纖維素之間由醚基的形成完成所述化學性交聯。所述第二網狀物是經物理性交聯的褐藻酸，所述褐藻酸通過與二價金屬離子的反應完成所述物理性交聯。在所述高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠的製備過程中，先混合所述纖維素與所述褐藻酸，並在進行所述化學性交聯得到所述第一網狀物後，進行所述物理性交聯得到所述第二網狀物。

Description

高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠及其使用與製備方法以及椎間盤支架
本發明是有關於一種雙層網狀水膠（double network hydrogel）的技術，且特別是有關於一種高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠及其使用與製備方法以及一種椎間盤支架（scaffold）。
水膠是以水為分散介質的凝膠。具有網狀交聯結構的水溶性高分子中引入一部分疏水基團和親水殘基，親水殘基與水分子結合，將水分子連線在網狀內部，而疏水殘基遇水膨脹的交聯聚合物。傳統上所製備出來的水膠材料往往是由單一的高分子結構所組成，或是經由共價鍵結交聯的雙層結構。
傳統的天然高分子水膠其機械性質較低，若是作為生醫材料，容易在植入體內後遭到擠壓而破壞。除此之外，目前的一些植入式手術中，造成的傷口往往較大，可能會使復原過程緩慢以及造成疼痛。
本發明提供一種高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠，能大幅改善天然高分子水膠的強度與可壓縮性質。
本發明另提供一種高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠的應用，係用於椎間盤支架。
本發明再提供一種高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠的使用方法，能用於椎間盤支架的植入手術。
本發明又提供一種高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠的製備方法，能製作出具有高壓縮性以及具形狀記憶的雙層網狀水膠。
本發明的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠，包括相互交織形成的第一網狀物和第二網狀物。所述第一網狀物是經化學性交聯的纖維素，且所述纖維素之間由醚基的形成完成所述化學性交聯。所述第二網狀物是經物理性交聯的褐藻酸，所述褐藻酸通過與二價金屬離子的反應完成所述物理性交聯。在所述高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠的製備過程中，先混合所述纖維素與所述褐藻酸，並在進行所述化學性交聯得到所述第一網狀物後，進行所述物理性交聯得到所述第二網狀物。
在本發明的一實施例中，上述纖維素的濃度在2~8 wt.%。
在本發明的一實施例中，上述雙層網狀水膠還可包括用於化學性交聯的交聯劑，其中所述交聯劑的濃度在6~10 wt.%。
在本發明的一實施例中，上述交聯劑包括環氧氯丙烷（ECH）、聚乙二醇二缩水甘油醚（Poly(ethylene glycol) diglycidyl ether）或二縮水甘油醚（diglycidyl ether）。
在本發明的一實施例中，上述二價金屬離子係為鈣離子、銅離子、亞鐵離子或鋅離子。
在本發明的一實施例中，上述鈣離子（Ca 2+）的濃度在2~8 wt.% ，且所述褐藻酸的濃度在0.5~2 wt.%。
在本發明的一實施例中，上述雙層網狀水膠還可包括螯合劑。
本發明的椎間盤支架包括上述的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠。
本發明的上述高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠的使用方法，包括將高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠置入一容置空間，再添加螯合劑至上述高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠內。
本發明的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠的製備方法，包括混合纖維素與褐藻酸以得到一混合物，再對所述混合物中的纖維素進行化學性交聯，以形成水膠結構，在所述化學性交聯之後進行物理性交聯，以使水膠結構內的褐藻酸與二價金屬離子反應形成雙層網狀水膠。
在本發明的另一實施例中，上述化學性交聯使用的交聯劑包括環氧氯丙烷（ECH）、聚乙二醇二缩水甘油醚（Poly(ethylene glycol) diglycidyl ether）或二縮水甘油醚（diglycidyl ether）。
在本發明的另一實施例中，上述物理性交聯中的二價金屬離子係為鈣離子、銅離子、亞鐵離子或鋅離子。
在本發明的另一實施例中，進行上述物理性交聯之前還可先對所述水膠結構進行塑形。
在本發明的另一實施例中，在進行上述物理性交聯之後還可在雙層網狀水膠中添加螯合劑，然後對所述水膠結構進行塑形，在塑形後的雙層網狀水膠中添加含二價金屬離子的溶液，以達到形狀固定的效果。
在本發明的另一實施例中，混合上述纖維素與上述褐藻酸的方法包括將褐藻酸粉末加入纖維素溶液中。
在本發明的另一實施例中，混合上述纖維素與上述褐藻酸之前還可包括：重複冷凍和解凍上述纖維素溶液三至五次。
在本發明的所有實施例中，上述螯合劑包括乙二胺四乙酸（EDTA）、氮基三醋酸（Nitrilotriacetic acid）或羥乙基乙二胺三乙酸（HEDTA）。
基於上述，本發明利用兩種天然高分子間的不同交聯機制，來達到提升材料機械性質與形狀記憶效果。相較於傳統的單層網狀水膠，本發明的雙層網狀水膠具備更強的機械性質，也能在高強度的壓應力下回彈，因而具有高壓縮性。若與皆由共價鍵結交聯的雙層結構相比，本發明的雙層網狀水膠由於具有物理性交聯的部份，能藉由斷鍵來吸收並消散能量，爾後再重新形成新的鍵結，能保護高分子內部結構不易受到損害，造成材料的崩解，因此適用於須承受較高壓應力的椎間盤支架。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下內容提供許多不同的實施例，用於實現本發明的不同特徵。然而，這些實施例僅為示範例，並不用來限制本發明的範圍與應用。再者，為了清楚起見，各成分或結構的相對尺寸（如長度、間距等）及相對位置可能縮小或放大。
圖1是依照本發明的第一實施例的一種高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠的示意圖。
請參照圖1，第一實施例的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠100包括相互交織形成的第一網狀物102和第二網狀物104。所述第一網狀物102是經化學性交聯的纖維素106，且纖維素106之間由醚基（ester bond）108的形成完成化學性交聯，其中可使用的交聯劑例如環氧氯丙烷（epichlorohydrin，ECH）、聚乙二醇二缩水甘油醚（Poly(ethylene glycol) diglycidyl ether）或二縮水甘油醚（diglycidyl ether），前述具有環氧基的交聯劑能完成上述化學性交聯，且交聯劑的濃度例如在6~10 wt.%。交聯劑的濃度若是小於6 wt.%，則化學交聯的比例會降低，進而影響到形狀記憶的效果(無法有效的固定永久性形狀)；另一方面，交聯劑的濃度若是大於10 wt.%，則交聯密度會過高，無法將材料進行塑型，導致水膠材料變硬且脆，無法維持原本可壓縮性的性質。在第一實施例中使用的纖維素106的濃度例如在2~8 wt.%。纖維素濃度若是小於2 wt.%，則高分子濃度太低可能導致水溶液難以成膠；若是纖維素濃度大於8 wt.%，則過高的濃度會讓水溶液呈現高度黏滯性，使後續添加的交聯劑及褐藻酸難以攪拌均勻，導致水膠穩定性下降。所述第二網狀物104則是經物理性交聯的褐藻酸110，所述褐藻酸110可通過與二價金屬離子112的反應完成物理性交聯，在圖1中的圓球代表二價金屬離子112，褐藻酸110會和二價金屬離子112間螯合（chelation），以構型上的吻合來形成物理性交聯，其中二價金屬離子112例如鈣離子（Ca 2+）、銅離子、亞鐵離子、鋅離子等。鈣離子的來源係選自於由氯化鈣、硫酸鈣、鋁矽酸鈣、碳酸鈣、氯化鈣、氧化鈣、氫氧化鈣、乳酸鈣、檸檬酸鈣、葡糖酸鈣中的一種或其組成之群組，且鈣離子的濃度例如在2~8 wt.%。鈣離子的濃度若是在大於8 wt.%，整體水膠的非共價性鍵結濃度也會提升，導致水膠整體會變脆且疏水，而形狀記憶性質也會變得不明顯(無法有效地除去鈣離子達成形狀回復的效果)，而鈣離子濃度太高也會導致細胞毒性；另一方面，鈣離子的濃度若是小於2 wt.%，則形狀固定效果會不佳，進而影響形狀回復的狀態。在第一實施例中使用的褐藻酸110的濃度例如在0.5~2 wt.%。褐藻酸濃度若是小於0.5 wt.%，則雙層網狀水膠的機械性質並不會有顯著的提升，且形狀記憶效果也不明顯；若是褐藻酸濃度大於2 wt.%，則過高的褐藻酸濃度會影響先前纖維素的成膠效果，破壞纖維素和交聯劑的反應，使水膠穩定性下降。在所述高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠100的製備過程中，會先混合纖維素106與褐藻酸110，並在進行上述化學性交聯得到第一網狀物102後，進行物理性交聯得到第二網狀物104。在第一實施例中，高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠100還可包含螯合劑，其中所述螯合劑，例如乙二胺四乙酸（ethylenediaminetetraacetic acid，EDTA）、氮基三醋酸（Nitrilotriacetic acid）或羥乙基乙二胺三乙酸（HEDTA）。有關高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠100的製備方法將於下文詳述。
圖2A至圖2C是依照本發明的第二實施例的一種高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠的製備流程示意圖，其中使用第一實施例的元件符號來表示相同的成分，且相同的成分的說明可參照上述第一實施例的相關內容，於此不再贅述。
請先參照圖2A，混合纖維素106與褐藻酸110以得到一混合物200，且混合纖維素106與褐藻酸110的方法包括將褐藻酸粉末加入纖維素溶液中。而且，為了使纖維素106和後續添加的交聯劑能在室溫下進行反應，可先重複冷凍和解凍上述纖維素溶液三至五次，再進行混合纖維素106與褐藻酸110的步驟。
然後，請參照圖2B，對混合物200中的纖維素106進行化學性交聯，以形成水膠結構202。由於本發明中的化學性交聯是利用交聯劑中的環氧基（epoxy group），因此可使用具有環氧基的交聯劑，例如環氧氯丙烷（ECH）、聚乙二醇二缩水甘油醚（Poly(ethylene glycol) diglycidyl ether）或二縮水甘油醚（diglycidyl ether），所述交聯劑的濃度例如在6~10 wt.%。
接著，請參照圖2C，進行物理性交聯，以使水膠結構202內的褐藻酸110與二價金屬離子112反應形成雙層網狀水膠204。此外，以需求形狀記憶的效能來看，進行圖2C的步驟之前，可先對圖2B的水膠結構202進行塑形，如壓扁或拉長，後續通過與二價金屬離子112的物理性交聯，能使雙層網狀水膠204定型，以達到形狀固定的效果。在本實施例中，二價金屬離子112若為鈣離子，其來源可選自於由氯化鈣、硫酸鈣、鋁矽酸鈣、碳酸鈣、氯化鈣、氧化鈣、氫氧化鈣、乳酸鈣、檸檬酸鈣、葡糖酸鈣中的一種或其組成之群組。
若是以高強度、高壓縮性的需求來看，在圖2C的步驟之前不塑形，而是在物理性交聯之後，在雙層網狀水膠204中添加如乙二胺四乙酸（EDTA）的螯合劑(EDTA的濃度例如2~6 wt.%)，藉由螯合劑對二價金屬離子112（如鈣離子）具有更高的親和力，讓二價金屬離子從褐藻酸結構中被移除，即可再對水膠結構進行塑形，其中螯合劑也可改用氮基三醋酸（Nitrilotriacetic acid）或羥乙基乙二胺三乙酸（HEDTA）。然後在塑形後的雙層網狀水膠中再次添加含二價金屬離子的溶液，進行定型，以達到形狀固定的效果。然而，本發明並不限於此。在另一實施例中，可省略塑形的步驟，直接完成雙層網狀水膠204的製備。
由於上述雙層網狀水膠204的交聯順序是先混合纖維素106與褐藻酸110，並在進行化學性交聯後，進行物理性交聯，所以所製得的產品具有高壓縮性，同時還有形狀記憶的特性。以下列舉數個機械性能實驗來驗證其功效。
原料：
化學品 分子量Mw (g/mol) 廠商 型號
纖維素（微晶） 203.2 Sigma (SIG) AL-435236
環氧氯丙烷（ECH） 92.52 Alfa Aesar AF-A15823
褐藻酸鈉 216.12 Alfa Aesar AF-A18565
氫氧化鈉(NaOH) 39.997 ECHO 1943-0150
氯化鈣 (CaCl 2) 110.98 Sigma-Aldrich S1-C4901
尿素 60.06 Alfa Aesar AF-36428
以上原料均為室溫保存。
〈實驗例1〉
首先，在10mL去離子水中加入0.8g的NaOH與0.4g尿素，以製備尿素4wt.%/NaOH 8wt.%的溶液。
在上述溶液中加入0.4g (濃度為4wt.%)的纖維素並混合15分鐘，得到纖維素溶液。
將上述纖維素溶液放置於-80°C中保存24小時，再重複冷凍和解凍上述纖維素溶液三至五次。此步驟是為了讓纖維素和交聯劑能夠在室溫下進行反應。若是冷凍/解凍次數少於三次，則纖維素和交聯劑的反應需要在60度的環境下進行才能成膠。然而若是冷凍/解凍次數大於五次，則纖維素側鏈上的醇基(hydroxyl group)反應力降低，使得纖維素溶液無法成膠。
接著，在10mL的纖維素溶液中加入0.2g (濃度為2 wt.%)的褐藻酸粉末，並攪拌30分鐘得到混合物。
在上述混合物中加入0.8mL環氧氯丙烷（ECH）(濃度為8 wt.%)並於室溫下攪拌15分鐘成為水膠，再將水膠儲存到特定的模具中。
然後，將上述水膠浸泡在4wt.%的氯化鈣溶液(鈣離子濃度為4 wt.%)中兩小時，以得到雙層網狀水膠。
〈比較例1〉
採用實驗例1的步驟，但不加入褐藻酸粉末，也不將水膠浸泡在磷酸鈣。因此所得到的是纖維素經化學性交聯後的單層網狀水膠（Single network hydrogel）。
〈比較例2〉
使用實驗例1的原料，但是製備流程如下。
首先，在10mL去離子水中加入0.8g的NaOH與0.4g尿素，以製備尿素4wt.%/NaOH 8wt.%的溶液。
在上述溶液中加入0.4g (濃度為4wt.%)的纖維素並混合15分鐘，得到纖維素溶液。
將上述纖維素溶液放置於-80°C中保存24小時，再重複冷凍和解凍上述纖維素溶液三至五次。此步驟是為了讓纖維素和交聯劑能夠在室溫下進行反應。若是冷凍/解凍次數少於三次，則纖維素和交聯劑的反應需要在60度的環境下進行才能成膠。然而若是冷凍/解凍次數大於五次，則纖維素側鏈上的醇基(hydroxyl group)反應力降低，使得纖維素溶液無法成膠。
接著，在上述纖維素溶液中加入0.8mL的ECH並於室溫下攪拌15分鐘，再將其儲存到特定的模具中24小時，成為纖維素水膠。
在10mL去離子水中加入0.4g (濃度為4wt.%)的褐藻酸粉末，形成褐藻酸溶液。
然後，將上述纖維素水膠浸入上述褐藻酸溶液中並攪拌約24小時。
之後，將上述水膠浸泡在濃度為4wt.%的氯化鈣溶液中兩小時，以得到雙層網狀水膠。
〈機械強度〉
將實驗例1、比較例1和比較例2的樣品進行應力-應變測試，結果顯示在圖3。
從圖3可以得到，比較例1的單層網狀水膠不管是在強度或是延展性上，都比實驗例1的雙層網狀水膠要來的弱很多。而且，即使都是雙層網狀水膠，比較例2的水膠強度也明顯低於實驗例1的水膠強度，代表交聯以及添加褐藻酸的順序不同，也會很大程度地影響其機械性質。
〈循環壓縮測試〉
將實驗例1的樣品進行循環壓縮測試，結果顯示在圖4，其中加載和卸載曲線之間的面積代表每單位體積的耗能。圖4中的「Cycle 1-5」代表由水膠第一次循環壓縮至第五次循環壓縮的應力應變曲線，因此會有五條曲線疊在一起；依此類推。
從圖4可以得到，實驗例1的雙層網狀水膠在經過50%的應變後，仍然能夠恢復原本的形狀。儘管實驗例1的雙層網狀水膠在加載和卸載20次循環後顯示出滯後迴線，但水膠的完整性仍然保持不變，會恢復到原始形狀而不會發生永久變形。
由於本發明的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠經實驗驗證具有以上特性，所以可應用於人體的椎間盤（如頸椎、腰椎等）與關節軟骨等需要承受強大壓應力的組織或器官。
當高度壓縮後，所述雙層網狀水膠具有良好的回彈性，故特別適合當作需要承受反覆壓應力的組織移植物，如椎間盤支架。因此，本發明的第三實施例的一種椎間盤支架係包括上述高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠。此外，本發明的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠還具有形狀記憶特性，方便手術植入過程並降低難度，因此能簡化繁複的手術過程，降低風險與併發症。
舉例來說，為了方便植入狹小的空間（如頸椎之間的空間），本發明的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠可以是經塑型成為小的片狀體，然後其使用方法是先將其置入一容置空間（如頸椎、腰椎之間），再添加螯合劑於上述高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠內，使片狀體膨脹恢復為原來的形狀，其中所述螯合劑例如EDTA。在另一實施例中，本發明的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠也可不經過塑形，直接置入上述容置空間，並且不添加螯合劑，以保有較佳的強度與壓縮性。
以下列舉幾個生物實驗來驗證高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠應用於椎間盤支架的功效。
〈核磁共振造影（MRI）測試〉
下表為MRI測試對象的各組的詳細資訊。
組別 資訊
椎間盤切除術對照組（DC） 將大鼠的椎間盤取出並注入PBS。
雙層網狀水膠組（DN） 將椎間盤取代成實驗例1的雙層網狀水膠
胜肽化雙層網狀水膠組（PDN） 將椎間盤取代成含有功能性胜肽的雙層網狀水膠，其中雙層網狀水膠是使用實驗例1的雙層網狀水膠。
GDF-5合併胜肽官能化雙層網狀水膠組（GPDN） 將椎間盤取代成含有功能性胜肽與生物活性分子的雙層網狀水膠，其中雙層網狀水膠是使用實驗例1的雙層網狀水膠。
表中的DC代表將椎間盤取出的對照組，其中並未植入任何材料；DN代表將椎間盤取代成實驗例1的雙層網狀水膠的實驗組；PDN、GPDN分別代表將椎間盤取代成搭載生長因子或不同治療因子的水膠的實驗組。
然後，在雙層網狀水膠植入大鼠尾椎後一段時間，使用T2-MRI來進行拍攝，得到圖5的影像，其中白色的訊號越強，代表含水量越高，而方框框住的面積便是雙層網狀水膠植入的位置，NC代表健康的大鼠的尾椎影像。
從圖5可以發現，在八週的植入後，透過MRI依然能夠觀察到水膠還留在植入的位置，且保持著較高的含水量。而加上生長因子或不同治療因子的幫忙，也能發現水膠能夠有效地支撐起受損的部位，並且維持水膠的完整性。
〈免疫染色（IHC）測試〉
利用免疫染色的方式，去觀察大鼠尾椎是否有生成新的椎間盤組織，其中目標蛋白質為Vimentin（波形蛋白，綠色）和FOXF1 （Forkhead Box F1蛋白，紅色），這兩種都是在健康的椎間盤中常發現的特異性蛋白，因此可以藉由這種方法來判斷植入的雙層網狀水膠是否有幫助椎間盤再生修復的治療效果。
圖6是5組實驗（NC、DC、DN、PDN、GPDN）在八週後的染色影像，其中VB是指椎體（vertebral bodies）、NP是指髓核（nucleus pulposus）、CEP是指軟骨端板（cartilage endplate）、AF是指纖維環（annulus fibrosus）。從圖6的染色結果可發現，在有添加生長因子或不同治療因子的水膠組別中(PDN、GPDN)，紅色及綠色的面積有顯著的提升。
為了更有效地分析，透過影像分析軟體(ImageJ)，將圖6中的紅色與綠色面積量化，得到圖7。
從圖7可得到，DN、PDN與GPDN中均含有Vimentin與FOXF1蛋白，且在有添加生長因子或不同治療因子的組別(如GPDN)的結果中發現Vimentin與FOXF1蛋白的含量也接近健康的椎間盤組別。因此，經實驗證實，本發明的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠，不僅可以支撐住椎間盤的受損部位，也可以在支撐的同時透過生長因子或不同治療因子的幫忙，長出新的椎間盤組織，進而成為椎間盤替代物的一種選擇。
綜上所述，本發明使用天然高分子作為原料，並且通過特定的交聯順序，使得製備的雙層網狀水膠具有高壓縮性以及形狀記憶的功能。本發明的雙層網狀水膠主要由化學性交聯和物理性交聯所構成，其中化學性交聯會形成穩定水膠的硬端，負責控制永久性形狀；而物理性交聯則是形成可逆反應的軟端，決定水膠的暫時性形狀。因此，本發明的雙層網狀水膠能應用在須承受較高壓應力的椎間盤支架。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠 102:第一網狀物 104:第二網狀物 106:纖維素 108:醚基 110:褐藻酸 112:二價金屬離子 200:混合物 202:水膠結構 204:雙層網狀水膠
圖1是依照本發明的第一實施例的一種高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠的示意圖。 圖2A至圖2C是依照本發明的第二實施例的一種高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠的製備流程示意圖。 圖3是實驗例1、比較例1和比較例2的應力-應變曲線圖。 圖4是實驗例1經反覆壓縮測得的應力-應變曲線圖。 圖5 是NC、DC、DN、PDN和GPDN的大鼠尾椎之核磁共振造影（MRI）影像。 圖6是NC、DC、DN、PDN和GPDN的大鼠尾椎之免疫染色（IHC）影像。 圖7是圖6的IHC影像中的Vimentin與FOXF1蛋白的量化條狀圖。
100:高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠
102:第一網狀物
104:第二網狀物
106:纖維素
108:醚基
110:褐藻酸
112:二價金屬離子

Claims (18)

  1. 一種高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠，包括：相互交織形成的第一網狀物和第二網狀物，其中所述第一網狀物是經化學性交聯的纖維素，且所述纖維素之間由醚基的形成完成所述化學性交聯；以及所述第二網狀物是經物理性交聯的褐藻酸，所述褐藻酸通過與二價金屬離子的反應完成所述物理性交聯，其中所述二價金屬離子包含鈣離子，所述鈣離子的濃度在2~8wt.%；以及交聯劑，用於所述化學性交聯，其中所述交聯劑的濃度在6~10wt.%，在所述高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠的製備過程中，先混合所述纖維素與所述褐藻酸，並在進行所述化學性交聯得到所述第一網狀物後，進行所述物理性交聯得到所述第二網狀物。
  2. 如請求項1所述的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠，其中所述纖維素的濃度在2~8wt.%。
  3. 如請求項2所述的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠，其中所述交聯劑包括環氧氯丙烷(ECH)、聚乙二醇二缩水甘油醚(Poly(ethylene glycol)diglycidyl ether)或二縮水甘油醚(diglycidyl ether)。
  4. 如請求項1所述的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠，其中所述二價金屬離子為鈣離子、銅離子、亞鐵離子或鋅離子。
  5. 如請求項4所述的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠，其中所述褐藻酸的濃度在0.5~2wt.%。
  6. 如請求項1所述的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠，更包括螯合劑。
  7. 如請求項6所述的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠，其中所述螯合劑包括乙二胺四乙酸(EDTA)、氮基三醋酸(Nitrilotriacetic acid)或羥乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)。
  8. 一種椎間盤支架(scaffold)，包括如請求項1~7中任一項所述的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠。
  9. 一種如請求項1所述的高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠的使用方法，包括：將所述高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠置入一容置空間；以及添加螯合劑至所述高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠內。
  10. 如請求項9所述的使用方法，其中所述螯合劑包括乙二胺四乙酸(EDTA)、氮基三醋酸(Nitrilotriacetic acid)或羥乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)。
  11. 一種高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠的製備方法，包括：混合纖維素與褐藻酸，得到一混合物；對所述混合物中的所述纖維素進行化學性交聯，以形成水膠結構；以及 在所述化學性交聯之後進行物理性交聯，以使所述水膠結構內的所述褐藻酸與二價金屬離子反應形成雙層網狀水膠，其中所述化學性交聯使用交聯劑，所述交聯劑的濃度在6~10wt.%，其中所述二價金屬離子包含鈣離子，所述鈣離子的濃度在2~8wt.%。
  12. 如請求項11所述的製備方法，其中所述化學性交聯使用的所述交聯劑包括環氧氯丙烷(ECH)、聚乙二醇二缩水甘油醚(Poly(ethylene glycol)diglycidyl ether)或二縮水甘油醚(diglycidyl ether)。
  13. 如請求項11所述的製備方法，其中所述二價金屬離子為鈣離子、銅離子、亞鐵離子或鋅離子。
  14. 如請求項11所述的製備方法，其中進行所述物理性交聯之前更包括對所述水膠結構進行塑形。
  15. 如請求項11所述的製備方法，其中在進行所述物理性交聯之後更包括：在所述雙層網狀水膠中添加螯合劑；對所述水膠結構進行塑形；以及在塑形後的所述雙層網狀水膠中添加含所述二價金屬離子的溶液。
  16. 如請求項15所述的製備方法，其中所述螯合劑包括乙二胺四乙酸(EDTA)、氮基三醋酸(Nitrilotriacetic acid)或羥 乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)。
  17. 如請求項11所述的製備方法，其中混合所述纖維素與所述褐藻酸的方法包括將褐藻酸粉末加入纖維素溶液中。
  18. 如請求項17所述的製備方法，其中混合所述纖維素與所述褐藻酸之前，更包括：重複冷凍和解凍所述纖維素溶液三至五次。
TW111106537A 2022-02-23 2022-02-23 高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠及其使用與製備方法以及椎間盤支架 TWI802291B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW111106537A TWI802291B (zh) 2022-02-23 2022-02-23 高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠及其使用與製備方法以及椎間盤支架
US17/707,969 US20230263942A1 (en) 2022-02-23 2022-03-30 Highly compressible shape memory double network hydrogel, use and preparation method thereof, and intervertebral disk scaffold

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW111106537A TWI802291B (zh) 2022-02-23 2022-02-23 高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠及其使用與製備方法以及椎間盤支架

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI802291B true TWI802291B (zh) 2023-05-11
TW202333809A TW202333809A (zh) 2023-09-01

Family

ID=87424407

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW111106537A TWI802291B (zh) 2022-02-23 2022-02-23 高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠及其使用與製備方法以及椎間盤支架

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20230263942A1 (zh)
TW (1) TWI802291B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104448396A (zh) * 2014-11-28 2015-03-25 武汉大学 一种基于化学和物理交联的双网络纤维素凝胶系材料
CN108186555A (zh) * 2017-12-20 2018-06-22 华南理工大学 具有钙离子络合和氧化还原双重响应的形状记忆水凝胶及其制备方法
CN109971042A (zh) * 2019-03-15 2019-07-05 浙江工业大学 一种高强度双网络两性离子水凝胶及其制备方法
TW202136499A (zh) * 2020-03-27 2021-10-01 發覺科技股份有限公司 適合細胞生長的微載體以及微載體於微環境培養之方法
JP2021533892A (ja) * 2018-08-14 2021-12-09 ユニヴァーシティ オブ ワシントン 双性イオン二重ネットワークヒドロゲル

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109503757B (zh) * 2018-02-06 2021-03-30 青岛大学 双网络水凝胶的制备及得到的双网络水凝胶与应用

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104448396A (zh) * 2014-11-28 2015-03-25 武汉大学 一种基于化学和物理交联的双网络纤维素凝胶系材料
CN108186555A (zh) * 2017-12-20 2018-06-22 华南理工大学 具有钙离子络合和氧化还原双重响应的形状记忆水凝胶及其制备方法
JP2021533892A (ja) * 2018-08-14 2021-12-09 ユニヴァーシティ オブ ワシントン 双性イオン二重ネットワークヒドロゲル
CN109971042A (zh) * 2019-03-15 2019-07-05 浙江工业大学 一种高强度双网络两性离子水凝胶及其制备方法
TW202136499A (zh) * 2020-03-27 2021-10-01 發覺科技股份有限公司 適合細胞生長的微載體以及微載體於微環境培養之方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20230263942A1 (en) 2023-08-24
TW202333809A (zh) 2023-09-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7163965B2 (en) Process for producing porous composite materials
JP6340346B2 (ja) 異なる密度の成分を有する粒子状組織グラフトならびにそれを作成および使用する方法
Varghese et al. Hydrogels for musculoskeletal tissue engineering
JP4335316B2 (ja) アルギネートまたは修飾アルギネートのようなポリサッカライドを含むポリマー
JP4873555B2 (ja) アパタイト／コラーゲン複合体繊維を含む多孔体の製造方法
CA2345773C (en) Buffered resorbable internal fixation devices and methods for making material therefore
WO2021258725A1 (zh) 一种可注射抗压裂可降解超分子水凝胶的制备方法
Kuo et al. Effect of genipin‐crosslinked chitin‐chitosan scaffolds with hydroxyapatite modifications on the cultivation of bovine knee chondrocytes
CA2334664A1 (en) Collagen material and its production process
ES2922848T3 (es) Bioelastómeros y aplicaciones de los mismos
EP2812039B1 (en) Wires composed of a composite comprising collagen extracted from sarcophyton sp. coral
JP4551761B2 (ja) ケラチン由来の整形外科材料
AU2015231595A1 (en) Methods of promoting bone growth and healing
CN110548171B (zh) 一种明胶基骨组织粘合剂、其制备方法和应用
US20090028957A1 (en) Implantable Tissue-Reactive Biomaterial Compositions and Systems, and Methods of Us Thereof
JP4968976B2 (ja) コラーゲン材及びその製法
CN110302430B (zh) 生物3d打印植入凝胶及其在软组织缺损修复中的应用
WO2011007152A1 (en) Polymeric collagen biomaterials
TWI802291B (zh) 高壓縮性形狀記憶雙層網狀水膠及其使用與製備方法以及椎間盤支架
CN112717202A (zh) 一种金属@茶多酚纳米颗粒自组装生物组织及其制备方法
CN108478874B (zh) 一种羟乙基壳聚糖纳米复合骨支架材料的制备方法
Chen et al. Hydrogels with tunable modulus regulate chondrocyte microaggregates growth for cartilage repair
WO2023065474A1 (zh) 基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料及其制备方法
KR20130142729A (ko) 피브리노겐이 코팅된 골 분말을 포함하는 골 재생용 조성물 및 이의 제조 방법
CN112587723B (zh) 一种原位快速成型泌尿系统修复磁水凝胶及其制备方法