专利名称：用于生物医学应用的厚泡沫及其制备方法
技术领域：
本发明概括地说涉及组织修复和再生领域。本发明具体地说涉及开孔多孔生物相容性泡沫及其在组织修复和再生方面的用途。
背景技术：
已认识到开孔多孔生物相容性泡沫具有用于组织修复和再生的显著潜力。这种泡沫此类的潜在用途有药物递送系统、神经再生、血管置换和人工骨模板。具有直接意义的具体领域包括生物可降解微孔泡沫用于骨和软骨再生应用以及微孔泡沫用于器官再生。组织修复和再生方面现有的尝试利用了无定形生物相容性泡沫作为多孔塞以填充骨头中的空隙。例如，已知将孔径在约10至约200微米的聚羟基酸多孔开孔泡沫用于血管和细胞的向内生长。这种泡沫可用纤维、纱线及编织物、针织织物、稀松布等进行增强。泡沫可由多种聚羟基酸聚合物和共聚物如聚-L-丙交酯、聚-DL-丙交酯、聚乙醇酸交酯和聚对二氧环己酮组成。还已知的是三维互连开孔多孔泡沫，其在一个或多个方向上在组成和/或微结构方面具有梯度。已知的泡沫的另一个例子是按以下方式制备的三维层合泡沫。首先通过干燥含有溶出性盐晶体的聚合物溶液制备多孔膜。然后通过将几张膜层合在一起，接着用所需形状的轮廓图样(contour drawing)进行切割，来获得三维结构。但是，这个方法相当麻烦和费时。常规的冻干法在加工热敏聚合物时具有许多优点，是制造聚合物泡沫的一种方法。此外，它适宜于用于生物可降解应用的无菌加工方法，尤其是当使用聚合物与药物或其他生物活性剂(如生长因子、蛋白质等)的组合时。常规的冻干方法是按以下方式进行的 制备出具有已知浓度的聚合物溶液。溶液制备后，将它倒入模具中。然后将含有聚合物溶液的模具放到冷冻干燥机架子上，该架子运行经过整个冻干循环，该循环包括冷冻步骤和后续的干燥步骤。但是，这个技术局限于制备这样的薄泡沫厚度小于约1cm，且沿着泡沫的横截面具有均勻的孔隙率。制备厚泡沫(厚度大于Icm)的尝试遭遇失败，未能生产出在其整个厚度具有均勻的孔隙率和形态的泡沫，且这类方法费时，通常要求3天以上的加工时间来加工一个泡沫。当使用两种主要的制备泡沫的传统方法即低温冷冻干燥(即冻干法) 和盐溶出时，制备均勻多孔的泡沫是困难的。常规的盐溶出方法是按以下方式进行的通过筛分制备盐颗粒。盐颗粒的所需大小通过筛分来控制。通过将不同数量和类型的聚合物溶解于溶剂(例如二氯甲烷或氯仿) 中制备聚合物溶液。将筛分到的盐颗粒加到聚合物溶液，并将所得分散液轻轻旋涡混合。将溶液倒入模具中。随后，通过压力器械压制具有分散液的模具。将所形成的样品从模具取出。将样品在去离子水中溶解达所需的时间(48小时。将除盐样品在低温下冷冻干燥达所需的时间(约48小时)。将支架(scaffold)在25°C烘箱中干燥1个星期，以除去残余溶齐U。盐溶出的一个限制是，往往难以用盐形成小的微孔，且需要高盐负荷来实现孔间沟道以产生连续的微孔泡沫。
本领域需要新型的方法，用于从具有均勻结构的生物可降解聚合物制备高质量的厚泡沫。
发明内容
因此，公开了一种制备具有互连孔隙且还具有均勻形态结构的厚的生物相容性、 生物可降解聚合物泡沫的方法。该厚聚合物泡沫通过将胶凝的聚合物溶液冻干来制备。本发明的另一个方面是通过上述方法制备的具有互连孔隙的厚聚合物泡沫。由以下描述和附图，将更能明白本发明的这些和其他的方面及其优点。
图1是本发明新方法制造的厚(2. 5cm)聚合物泡沫支架的底部截面的SEM图像。图2是2. 5cm泡沫支架的中部横截面的SEM图像。图3是本发明方法制造的厚泡沫支架的顶部横截面的SEM图像。图4是本发明方法制造的具有沟道的厚泡沫的SEM图像。图5是本发明新方法制造的具有沟道的泡沫的SEM图像。
具体实施例方式所公开的本发明新方法可以制备具有互连孔隙且还具有均勻的形态结构的厚的生物相容性、生物可降解泡沫。术语互连孔隙定义为以其常规含义在本文中另外拓展，具体而言在这种情况中孔是与其相邻孔互连的开孔结构，为细胞迁移和营养物转移提供通道。 术语均勻的形态结构定义为以其常规含义在本文中另外拓展，具体而言是孔径范围在支架的厚度上是均勻的。本发明的厚泡沫按照本发明的新方法如下制备提供热致可逆的聚合物溶液，将溶液倒入模具中，将模具放在冷冻干燥机的预冷的架子上达足够的一段时间以使溶液发生胶凝，并通过冻干法从胶凝的热致可逆聚合物溶液除去溶剂，从而提供厚聚合物泡沫。出于本发明的目的，“厚”定义为大于约1cm。出于本发明的目的，热致可逆聚合物溶液定义为视溶液的温度而定，会在液体和凝胶之间转变的聚合物溶液。将液体转换为凝胶的胶凝化过程从温度的变化开始，如有利于凝胶的形成的温度降低。液体向凝胶的转变(反之亦然)是热致可逆的，从而随后温度的提高会导致凝胶变成液体。凝胶定义为包埋在连续液体相中的连续固体网络。凝胶/液体转变温度是聚合物浓度和溶剂相互作用的函数。热致可逆聚合物溶液是通过将一种或多种生物相容性、生物可降解的聚合物在合适的溶剂(如1，4_ 二氧杂环己烷)中溶解来制备。聚合物以通常约0.5至约10重量百分比的量存在于溶液中。在另一个实施例中，聚合物以约2至约6重量百分比的量存在于溶液中。在又另一个实施例中，聚合物以约5重量百分比的量存在于溶液中。取决于使用溶剂可制备的最大浓度，也可采用聚合物在溶液中的其他浓度。例如，对于1，4_ 二氧杂环己烷，最大可达到的浓度为15重量％聚合物。将聚合物溶解于处于足够有效的温度下的1， 4- 二氧杂环己烷中以溶解聚合物，例如约60°C，优选进行搅动如搅拌。溶液在倒入模具中进行冻干之前优选先进行过滤。
可用于制造本发明的厚泡沫的合适生物相容性、生物可降解聚合物的例子包括选自以下的聚合物脂族聚酯、聚(氨基酸)、共聚(醚-酯)、聚亚烷基草酸酯(polyalkylenes oxalate)、聚酰胺、聚(亚氨基碳酸酯)、聚原酸酯、聚氧杂酯(polyoxaester)、聚酰胺酯、 含有胺基团的聚氧杂酯、聚(酸酐)、聚磷腈、生物分子以及它们的共混物。出于本发明的目的，脂族聚酯包括但不限于丙交酯(包括乳酸、d-、l-和m-丙交酯)、乙交酯(包括乙醇酸)、ε-己内酯、P-对二氧环己酮(1，4_ 二氧杂环己-2-酮)、三亚甲基碳酸酯(1，3_ 二氧杂环己-2-酮)、三亚甲基碳酸酯的烷基衍生物的均聚物和共聚物以及它们的共混物。在一个实施例中，脂族聚酯是丙交酯和乙交酯的共聚物。在另一个实施例中，脂族聚酯是摩尔比为约95 5的丙交酯和乙交酯的共聚物。一类优选的脂族聚酯聚合物是弹性体共聚物。出于本发明的目的，弹性体共聚物定义为在室温下可反复伸展至其原始长度的至少约两倍且在应力立即释放时会大约回复到其原始长度的材料。合适的生物可降解、生物相容性弹性体包括但不限于己内酯和乙交酯的弹性体共聚物(优选地，ε-己内酯与乙交酯的摩尔比为约30 70至约70 30， 优选为35 65至约65 35，更优选为35 65-45 55) ； ε -己内酯和丙交酯的弹性体共聚物，包括L-丙交酯、D-丙交酯、其共混物或乳酸共聚物在内(优选地，ε-己内酯与丙交酯的摩尔比为约35 65至约65 35，更优选为30 70-45 55) ；ρ-二氧杂环己酮 (1，4_ 二氧杂环己-2-酮)和丙交酯(包括L-丙交酯、D-丙交酯和乳酸)的弹性体共聚物(优选地，P-二氧杂环己酮与丙交酯的摩尔比为约40 60至约60 40); ε-己内酯和ρ- 二氧杂环己酮的弹性体共聚物(优选地，ε -己内酯与ρ- 二氧杂环己酮的摩尔比为约30 70至约70 30) ；ρ-二氧杂环己酮和三亚甲基碳酸酯的弹性体共聚物(优选地， ρ-二氧杂环己酮与三亚甲基碳酸酯的摩尔比为约30 70至约70 30)；三亚甲基碳酸酯和乙交酯的弹性体共聚物(优选地，三亚甲基碳酸酯与乙交酯的摩尔比为约30 70至约 70 30)；三亚甲基碳酸酯和丙交酯的弹性体共聚物，包括L-丙交酯、D-丙交酯、其共混物或乳酸共聚物在内(优选地，三亚甲基碳酸酯与丙交酯的摩尔比为约30 70至约70 30) 以及它们的共混物。在一个实施例中，脂族聚酯是ε-己内酯和乙交酯的弹性体共聚物。在另一个实施例中，ε-己内酯和乙交酯的弹性体共聚物的ε-己内酯与乙交酯摩尔比为约30 70至约70 30。在另一个实施例中，ε-己内酯和乙交酯的弹性体共聚物的ε-己内酯与乙交酯摩尔比为约35 65至约65 35。在又另一个实施例中，ε _己内酯和乙交酯的弹性体共聚物的ε-己内酯与乙交酯摩尔比为约35 65至45 55。一旦如上所述制备了聚合物溶液，将溶液倒入常规的模具中，该模具的尺寸使得可制备出大于Icm的厚泡沫。加入到模具中的溶液的体积将取决于模具的大小和泡沫的所需厚度。本领域技术人员将能够确定要倒入模具中的溶液的适当体积以根据模具大小提供大于Icm的厚泡沫。任选地，可将模具插件结合到注入了溶液的模具中，使得除了泡沫的均勻孔隙率和形态结构外，还可产生出另外的形状和轮廓并结合到泡沫中，如沟道或通道。将含有聚合物溶液的模具放在常规的冷冻干燥机中预冷的架子上。架子预冷至足以有效引起溶液形成凝胶的温度，例如约10°c +/-5°c范围内的温度。本领域技术人员会理解，该温度将随诸如聚合物浓度和溶剂等参数而变。将溶液保持在预冷温度下达足够有效的时间，使得溶液已完全发生胶凝。例如，溶液可保持在预冷温度下约360分钟至约1440分钟。然后使用适当的常规冻干循环使1，4-二氧杂环己烷溶剂从胶凝的溶液中除去。 例如，在如上所述的胶凝步骤后，冻干循环从冷冻步骤开始，接着是一级干燥步骤，其中施加真空以除去溶剂，最后是进行多个第二干燥步骤，这些步骤包括慢慢提高温度和提高真空以确保溶剂的完全除去。示例性的冻干循环在以下实例中详述。在冻干循环完成时得到厚泡沫。该厚泡沫具有均勻的孔隙率和形态结构。另外，可将固体加到聚合物-溶剂系统。加到聚合物-溶剂系统的固体优选地不会与聚合物或溶剂发生反应。合适的固体包括促进组织再生或再生长的材料、缓冲剂、增强材料或孔隙率改性剂。合适的固体包括但不限于去矿物质骨的颗粒、磷酸钙颗粒或碳酸钙颗粒(用于骨头修复)，溶出性固体(用于孔隙生成)和在该溶剂系统中不可溶的生物可降解聚合物的颗粒(作为增强材料或用来在其被吸收时生成孔隙)。合适的溶出性固体包括但不限于选择以下的无毒溶出性材料盐(即氯化钠、氯化钾、氯化钙、酒石酸钠、柠檬酸钠等)、生物相容性单糖和二糖(即葡萄糖、果糖、右旋糖、麦芽糖、乳糖和蔗糖)、多糖(即淀粉、藻酸盐)、水溶性蛋白质(即明胶和琼脂糖)。通常，所有这些材料将具有小于约Imm的平均直径，优选地将具有约50至约500微米的平均直径。颗粒通常将占颗粒和聚合物-溶剂混合物的总体积(其中该总体积百分数等于100重量百分数)的约1至约50体积百分数。溶出性材料可通过将具有该溶出性材料的泡沫浸泡在溶剂中来除去，在该溶剂中颗粒可溶解足够的一段时间，以让基本上所有的颗粒溶出，但不会溶解或不利地改变该泡沫。优选的提取溶剂是水，最优选蒸馏的去离子水。优选地，在溶出过程完成后，泡沫将在低温和 /或真空下进行干燥以使泡沫的水解减至最低，除非泡沫的加速吸收是所期望的。具有如本文所述的这个均勻构造的本发明厚泡沫，在组织工程应用中特别有利于模拟天然组织(如软骨、皮肤、骨头和血管组织)的结构。例如，通过使用摩尔比为(35/65) 的聚(ε-己内酯-co-乙交酯)的弹性体共聚物，我们制备了厚弹性体泡沫，而通过使用摩尔比为95/5的聚(丙交酯-co-乙交酯)的共聚物，我们制备了硬挺的厚泡沫。通过从摩尔比为(35/65)的聚(ε -己内酯-co-乙交酯)和摩尔比为95/5的聚(丙交酯-co-乙交酯)共聚物的共混物制备厚泡沫，可形成出这么一种泡沫，其能类似于软骨转变成骨头那样从较软的海绵状泡沫转变成较硬挺的更具刚性的泡沫。显然，其他聚合物共混物可用于类似的梯度效应或者用来提供不同的梯度，如不同的吸收分布(profile)、应力响应分布或不同程度的弹性。由本发明新方法制造的本发明新型厚泡沫可用于制备医疗器械如组织支架，用在诸如皮肤再生和软骨再生的应用。泡沫还可与可在冻干步骤中加入的其他装置组合使用。 例如，网材和非织造物。另外，用这个方法和用诸如95/5PLA/PGA的材料制备的泡沫既硬挺又坚固。本发明的厚泡沫可进一步加工以制备医疗器械。厚泡沫可进行车床加工或激光切害!]，或者用其他常规的技术进行加工，以提供医疗器械和医疗器械部件，包括但不限于薄泡沫片材或膜、具有对称或不对称形状或结构的三维装置(包括螺钉、销子、植入物、丝网状植入物等)和呈三维不对称形状的结构(如用于器官组织工程和轮廓被设计成配合不规则组织缺陷(如骨头或软组织)的不规则形状或结构)。以下实例为本发明的原理和操作的示例性的说明，而非限制本发明。在本公开内容的帮助下，本发明的范围和精神内的许多其他实施例对本领域技术人员来说将显而易见。实例1 本实例描述用于组织植入物的厚泡沫的制备。制备热致可逆聚合物溶液。将1，4 二氧杂环己烷/(35/65 聚己内酯 / 聚乙交酯)(PCL/PGA) (Ethicon, Inc.，Somerville, NJ) 的90/10重量比溶液称取到烧瓶中。将烧瓶放在水浴中，在70°C下搅拌5-6小时。然后将溶液用抽提套管(特粗孔隙率，ASTM 170-220 (EC)型)过滤，并在室温下保藏在烧瓶中。用Kinetics 热系统(FTS Dura 冷冻干燥机)(型号 TDiBB2T5IOO) =Stone Ridge, NY)进行实验。将架子预冷至12°C的温度。将以上制备的聚合物溶液倒入4. 5英寸X4. 5 英寸X2. 5英寸的模具中(对于2.5(^泡沫，使用330!^的溶液)。模具为铝制的矩形槽， 涂覆有特氟隆。将充入溶剂的模具放在预冷的架子上。采用表1的条件运行循环。表1 实例2的冷冻干燥备件
权利要求
1.一种制备厚聚合物泡沫的方法，包括以下步骤提供热致可逆聚合物溶液，所述溶液包含生物相容性、生物可降解的聚合物和溶剂；冷却所述溶液，直到所述溶液发生胶凝；以及通过冻干法除去所述溶剂，以得到具有互连孔隙的厚泡沫构件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物相容性、生物可降解的聚合物包含选自脂族聚酯的聚合物，所述脂族聚酯选自丙交酯、乳酸、乙交酯、乙醇酸、ε-己内酯、P-二氧杂环己酮(1，4_ 二氧杂环己-2-酮)、三亚甲基碳酸酯(1，3_ 二氧杂环己-2-酮)、三亚甲基碳酸酯的烷基衍生物、S-戊内酯、β-丁内酯、Y-丁内酯、癸内酯、羟基丁酸酯、羟基戊酸酯、1，4- 二氧杂环庚烷-2-酮、1，5，8，12-四氧杂环十四烷_7，14- 二酮)、1，5- 二氧杂环庚烷-2-酮、6，6- 二甲基-1，4- 二氧杂环己-2-酮的均聚物和共聚物以及它们的聚合物共混物。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂是1，4_二氧杂环己烷。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶液在冷却之前放入模具中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述冻干包括第一冷冻步骤和第一干燥步骤以及至少一个后续的附加干燥步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶液另外包含选自以下的溶出性固体氯化钠、氯化钾、氯化钙、酒石酸钠、柠檬酸钠、葡萄糖、果糖、右旋糖、麦芽糖、乳糖、蔗糖以及它们的组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶液另外包含选自以下的治疗剂抗感染剂、 激素、止痛剂、抗炎剂、生长因子、化学治疗剂、抗排斥剂、前列腺素、RDG肽以及它们的组合。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述泡沫构件的厚度大于约1cm。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述孔隙具有均勻形态。
10.一种泡沫构件，包括具有互连孔隙的泡沫构件，其中所述泡沫构件的厚度大于约1cm，且其中所述泡沫构件通过包括以下步骤的方法制造提供热致可逆聚合物溶液，所述溶液包含生物相容性、生物可降解的聚合物和溶剂；冷却所述溶液，直到所述溶液发生胶凝；以及通过冻干法除去所述溶剂，以得到具有互连孔隙的厚泡沫构件。
11.根据权利要求10所述的泡沫构件，其中所述生物相容性、生物可降解的聚合物包含选自脂族聚酯的聚合物，所述脂族聚酯选自丙交酯、乳酸、乙交酯、乙醇酸、ε-己内酯、 ρ-二氧杂环己酮(1，4_ 二氧杂环己-2-酮)、三亚甲基碳酸酯(1，3-二氧杂环己-2_酮)、 三亚甲基碳酸酯的烷基衍生物、S-戊内酯、β-丁内酯、γ-丁内酯、ε-癸内酯、羟基丁酸酯、羟基戊酸酯、1，4_ 二氧杂环庚烷-2-酮、1，5，8，12_四氧杂环十四烷_7，14_二酮)、1， 5- 二氧杂环庚烷-2-酮、6，6- 二甲基-1，4- 二氧杂环己-2-酮的均聚物和共聚物以及它们的聚合物共混物。
12.根据权利要求10所述的泡沫构件，其中所述溶剂是1，4_二氧杂环己烷。
13.根据权利要求10所述的泡沫构件，其中所述溶液在冷却之前放入模具中。
14.根据权利要求10所述的泡沫构件，其中所述冻干包括第一冷冻步骤和第一干燥步骤以及至少一个后续的附加干燥步骤。
15.根据权利要求10所述的泡沫构件，其中所述溶液另外包含选自以下的溶出性固体氯化钠、氯化钾、氯化钙、酒石酸钠、柠檬酸钠、葡萄糖、果糖、右旋糖、麦芽糖、乳糖、蔗糖以及它们的组合。
16.根据权利要求10所述的泡沫构件，其中所述溶液另外包含选自以下的治疗剂抗感染剂、激素、止痛剂、抗炎剂、生长因子、化学治疗剂、抗排斥剂、前列腺素、RDG肽以及它们的组合。
17.根据权利要求10所述的泡沫构件，其中所述孔隙具有均勻形态。
18.一种制备医疗器械的方法，包括以下步骤 提供根据权利要求10所述的泡沫构件； 将所述泡沫构件切割成医疗器械。
全文摘要
本发明公开一种制造可用作组织支架和其他医疗器械的厚泡沫特别是模制的厚泡沫的新方法。还公开了用本发明的方法制备的新型的厚泡沫，其中这种厚泡沫可用作医疗器械或医疗器械的部件。
文档编号A61L15/42GK102481388SQ201080024904
公开日2012年5月30日 申请日期2010年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者D·S·谢蒂, I·春, M·N·弗亚卡纳姆, T·P·海兰 申请人:先进科技及再生医学有限责任公司