羟基苯交联大分子网络及其应用制造技术

本发明专利技术提供了二羟基苯交联的大分子网络，该网络可用于人工组织和组织工程应用中，特别提供了一种适合多种组织类型的合成的、可移植的组织基质材料，如人工或合成软骨、声带、玻璃体材料、软组织材料和二尖瓣材料。在实施例中，大分子网络由酪胺取代和交联的透明质酸分子组成，其中交联通过过氧化酶调制的而酪胺键形成，可以在体内使用。二酪胺键提供稳定、连续的透明质酸为基础的、具有很好物理性能的水凝胶。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利申请主张2004年7月9日提交的美国临时专利申请号60/586,585的优先权，该临时专利申请的全部内容在此并入作为本申请的一部分。
技术介绍
关节软骨在健康的关节中行使基本功能。关节软骨吸收和分散冲击和摩擦载荷从而将这些载荷从骨骼上转移，保护骨骼免受伤害。软骨通过将载荷力转移至受限于关节间隙内的聚蛋白多糖分子(在下一节中有所描述)三维网络内的流体相实现该功能。聚蛋白多糖分子含有与核心蛋白相连的多达100条的硫酸软骨素(CS)链，在每条硫酸软骨素链全长上分布着多个电负性的硫酸根基团。这些硫酸根基团引起了单个聚蛋白多糖分子上的各条硫酸软骨素链之间的相互排斥(造成静态聚蛋白多糖分子占有最大的空间体积)，并导致软骨聚集体中相邻的聚蛋白多糖分子互相排斥。在健康软骨中，聚蛋白多糖分子与透明质酸长链相连，而透明质酸链被胞外胶原纤维基质限制于关节间隙内的大型软骨聚集体中。因此，即使每个聚蛋白多糖分子(和与相同或不同的透明质酸链相连的相邻聚蛋白多糖分子)中相邻的硫酸软骨素链之间相互排斥，它们仍然被限制在胶原基质中。图1描述了正常、健康的软骨。由于硫酸软骨素链之间如此排斥，透明质酸-聚蛋白多糖网络(或大分子网络)在胶原基质的限制下会尽可能大的延展从而在静态获得尽可能低的能量态，即使得相邻的电负性的硫酸根基团间的距离尽可能最大化。由此，网络分子为了避免和相邻的网络分子靠近而很难发生移动或替代。这些大型软骨聚集体被限制在体积为其自由溶液体积五分之一的胶原纤维网络中，无法继续膨胀。具有很高的负电荷密度的软骨聚集体与大量溶剂结合从而赋予软骨吸收载荷和抵抗变形的能力。在压缩下，固定在聚蛋白多糖上的负电荷基团之间的距离缩小，从而增加了电荷-电荷之间的排斥力以及自由浮动的平衡阳离子的浓度(如Ca2+和Na+)。这些效应均对软骨的粘弹性和软骨抵抗变形及吸收压缩载荷的能力有所帮助，以下将进一步加以说明。水分子在大分子网络中提供了充分连续的流体相。如下所述，大分子网络通过将冲击和摩擦载荷转移至连续的流体(水)相将它们从骨骼上转移。当关节承受载荷时，大分子网络首先将力吸收，该力作用于网络欲使其变形或将其压缩。力在流体相中形成压力梯度从而诱导流体流动以适应由载荷造成的网络的变形或压缩。但是流体无法改变坚实的大分子网络，网络填满了相互排斥的硫酸软骨素链，足以在不移动或替代网络分子的情况下容纳大量的水。因此，虽然每个水分子可以在网络中扩散，但由于网络分子不会发生替代，因此除非流速大幅减慢，否则大量的流体相将基本被限制于网络中而无法通过。尽管存在压力梯度，但是由于水分子无法顺利流动，冲击或摩擦载荷的能量转移至流体相并被其吸收，其中该能量压缩液体水直至水发生充分的转移以适应网络形状且压力梯度发生衰减。总体效果即软骨吸收潜在有害载荷，并将其从骨骼上转移。通过该完善的机制，正常的关节能够通过将大量的载荷力转移至受限于大分子网络内的流体相而吸收大量的载荷。在现有技术中，该过程还没有被人工或合成方法充分地重现。因此，对于软骨退行性疾病还无法进行充分的治疗，如关节炎，其中聚蛋白多糖分子从它们的透明质酸链上脱离，被消化或运出软骨聚集体。据估计，骨性关节炎和风湿性关节炎分别影响着20.7和2.1百万美国人。仅骨性关节炎每年就造成大约7百万次的医生探访。对于严重的致残性关节炎，目前的治疗包括全关节置换手术，仅美国每年就平均进行168,000桩全髋关节置换和267,000桩全膝关节置换手术。由于软骨细胞在修复软骨中的有限能力，关节软骨的缺陷带来了复杂的治疗问题。迄今为止的治疗策略将重点放在对细胞培养中的自体软骨细胞的应用或在体内通过趋化试剂或促有丝分裂试剂对间质干细胞的募集上。这些策略的目的在于增加和/或活化软骨细胞群落从而重新合成正常的、健康的关节软骨表面。这些策略的一个主要问题是无法将这些试剂保留在缺陷位点。由于透明质酸特有的性质，包括极佳的生物相容性、可降解性和流变学及理化性质，有提议将透明质酸用作发展软骨细胞或生物活性试剂局部给药的生物材料的候选材料。然而，悬浮于组织工程透明质酸基质中的软骨细胞能否合成机械性质与正常健康的关节软骨相当的新软骨基质仍然是未知的。这是因为由透明质酸制成传统生物材料的化学制备方法与保持细胞存活力不相容。软骨细胞必须在基质形成后才能被引入基质，结果不稳定且通常很差。因此，本领域需要一种能够以有效的方式将载荷力从骨骼上有效转移的人工或合成基质。优选地，此基质在整形外科手术过程中可以在原位点或在体内修复或置换关节软骨。更优地，人工或合成基质以一种液体或多种液体的形式提供在原位点或体内靶点，在位点与病人体内已经存在的软骨或骨骼组织形成基本密实的整合。本专利技术也希望提供一种能够用于或适用于合成多种替代组织的人工或合成基质。
技术实现思路
专利技术综述本专利技术提供的大分子网络包含以下结构 其中R1和R2分别是或者包含选自聚羧酸酯、聚胺、聚羟基苯分子以及它们的共聚体的结构，其中R1和R2的结构可以相同也可以不同。本专利技术提供了多种合成、可移植的、包括或由上述组织基质材料组成的组织材料，该组织材料包括合成的、可移植的软骨材料，合成的、可移植的声带材料，合成的、可移植的玻璃体材料，合成的、可移植的软组织材料，以及合成的、可移植的二尖瓣(mitral valve)材料。附图说明图1是正常健康的人体软骨的示意图。图2是本专利技术的二羟基苯交联大分子网络的示意图。图3是透明质酸分子的结构式。图4a-4c显示的是根据本专利技术的T-HA(图4a)、T-Aggrecan(聚蛋白多糖)(图4b)和50％T-HA/50％T-Aggrecan混合物(图4c)的水凝胶在封闭抗压测试机械测试中(平衡应力对施加张力)的结果与已公开的关节软骨栓的结果(实施例3)的比较图表。图4d中显示了糖胺聚糖(GAG)浓度与材料抗压强度之间的关系。图5是埋于T-HA水凝胶中(1.7％和4.7％T-HA)的软骨细胞与在组织培养塑胶上培养的软骨细胞(对照)关于葡萄糖利用的比较数据的图表。图6是根据本专利技术实施例6的四张系列图片，图片显示的是在关节软骨缺损中植入T-HA水凝胶的外科手术过程。图7是T-HA水凝胶移植到实施例6中所述的Yucatan猪的中间滑车面(medial trochlar facet)以及对侧(关节)膝盖面中1个月后的两张系列图片。图8的系列图片显示的是对照侧(未填充)和试验侧(填充了TB-HA水凝胶)的犬声带的组织学结果，3个月后，使用实施例7所述的T-HA水凝胶作成的合成声带材料进行声带修复工艺。图9的系列图片显示的是使用实施例7所述的T-HA水凝胶作成的合成声带材料在兔子模型中的外科手术增加声带的组织学结果。图10显示的是手术一个月后试验眼睛(外科手术替换的)和对照眼睛(未手术的)的系列图片，接着用实施例8所述的用T-HA水凝胶作成的合成陶瓷材料进行陶瓷替换工艺。图11显示的是记录实施例8中所述的兔子模型中对照眼睛和陶瓷替换的眼睛对闪光反应的比较网膜电图结果(ERG)。图12显示的是手术一个月后试验眼睛(外科手术替换的)和对照眼睛(未手术的)四个象限中的视网膜的电子显微图片，接着用实施例8所述的用T-HA水凝胶作成的合成陶瓷材料进行陶瓷替换工艺。图13显示的是实施例9所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种合成的、可移植的组织基质材料，该材料包括大分子网络，该大分子网络包含　　　　＊＊＊　　　　其中Ｒ↓［１］和Ｒ↓［２］分别包含选自聚羧酸酯、聚胺、聚羟基苯分子和它们的共聚体的结构，其中Ｒ↓［１］和Ｒ↓［２］可以是相同或不同的结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：安东尼卡拉布罗，李阿克斯特，丹尼尔阿拉姆，詹姆斯陈，阿尼克B达尔，深町清隆，理查德A格罗斯，大卫海恩斯，蒲原庆滋，丹尼尔P诺特，伊莱尔李维斯，艾里克斯梅拉穆德，安东尼米尼亚奇，马歇尔斯特罗梅，
申请(专利权)人：克利夫兰临床基金会，
类型：发明
国别省市：US[美国]