用于再生医学和组织工程的可生物降解的网络聚合物的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般地设及与生物环境兼容的可生物降解的网络聚合物。本发明特别地设 及通过醋连接基（esterlinkage)交联的可生物降解的聚酸网络聚合物，包含所述可生物 降解的聚酸网络聚合物的基质、植入物和支架，用于制备运类网络聚合物、植入物和支架的 方法，W及使用包含所述网络聚合物的基质、植入物和支架的方法，特别是用于培养细胞和 再生组织。
【背景技术】
[0002] 由于其在一系列生物医学应用（例如组织工程）中的潜力，与生物环境兼容的聚 合物材料特别令人感兴趣。已研究的用于运类应用中的聚合物材料通常是合成的或天然来 源的。
[0003] 天然的聚合物材料例如胶原、藻酸盐、壳聚糖（Chitosan)和径憐灰石已用于制备 祀向多种组织的组织工程应用中的支架。虽然运样的天然材料有许多优点，但是关于其使 用也存在某些问题，例如，批次与批次的差异、疾病传播的风险和免疫原性。此外，获得运些 天然材料所需的加工方法可影响其物理特性。例如，虽然胶原在体内展示出高的机械强度， 但是由于天然交联的损失，获取、分离和纯化的过程显著降低了运种性质。
[0004] 在另一方面，合成的聚合物提供了胜过天然聚合物的某些优势。运些优势可包括 批次与批次间差异的减少，对聚合物结构的高度控制，W及调整聚合物组成和特性W适合 特定应用的能力。
[0005] 对于生物医学应用，已经开发了基于聚酸聚合物的亲水性材料，例如聚（乙二醇） (PEG)。特别对PEG进行了广泛的研究，原因是其水溶性、非毒性、极低免疫原性和抗蛋白质 结垢性（anti-protein化ulingproperty),并且PEG已被美国食品和药品管理局（FDA)批 准用于药物和化妆品应用。在体外和体内的多种研究已证实用阳G制造的材料具有所期望 的生物相容性。
[0006] 对于细胞培养和组织工程应用，已经研究了基于聚酸的交联聚合物网络聚合物和 水凝胶例如PEG,并且多个研究小组已经对使用多种反应条件来构建阳G水凝胶进行了报 道。然而，虽然PEG聚合物和水凝胶一般是生物相容的，但是它们通常不是可生物降解的。
[0007] 已经通过将基于聚（a径基酸）（例如聚（乳酸）和聚（乙醇酸））的聚合物片段 结合入（inco巧oration)水凝胶中制备了可降解的阳G水凝胶。然而，将聚（a径基酸） 片段结合入PEG水凝胶中的一个问题是，聚（a径基酸）片段可W是非常疏水的，运可能是 刺激主要的异物反应的重要因素。聚（a径基酸）片段的另一个问题是当它们降解时，它 们能够产生高局部浓度的酸，其可刺激炎症反应。
[0008] 期望提供可解决或改善与现有的材料相关的一个或多个缺点和不足之可生物降 解的聚酸网络聚合物和/或至少提供此类材料的可用的替代物。
【发明内容】
[0009] 在一个方面，本发明提供了通过醋连接基交联的可生物降解的聚酸网络聚合物， 其是通过使包含多官能聚酸单体和多官能交联单体的单体组合物聚合而制备的，其中所述 聚酸单体和所述交联单体之一包含径基官能团并且所述聚酸单体和所述交联单体之另一 包含能够与所述径基官能团反应形成醋连接基的互补官能团（complementary化nctional group),且其中选自聚酸单体和交联单体的至少一者是支链的。
[0010] 聚酸网络聚合物通过聚酸单体和交联单体之间形成的醋连接基交联。醋连接基在 生理条件下和水解作用下可水解，使得网络聚合物发生降解。
[0011] 在另一个方面，本发明提供了用于制备通过醋连接基交联的可生物降解的聚酸网 络聚合物的方法，所述方法包括在允许所述聚酸单体和所述交联单体之间形成醋连接基的 条件下，使包含多官能聚酸单体和多官能交联单体的单体组合物进行反应的步骤，其中所 述聚酸单体和所述交联单体之一包含径基官能团并且所述聚酸单体和所述交联单体之另 一包含能够与所述径基官能团反应形成醋连接基的互补官能团，且其中选自所述聚酸单体 和所述交联单体的至少一者是支链的。
[0012] 根据本发明的一个或更多个方面，聚酸单体和交联单体之一包含径基官能团，而 聚酸单体和交联单体之另一包含能够与径基官能团反应W形成醋连接基的互补官能团。在 一组实施方案中，互补官能团选自簇酸、簇酸醋、簇酸酢和簇酷面化物（carboxylicacid halide)。在一组具体的实施方案中，所述互补官能团是簇酷面化物。
[0013] 为了能够形成聚酸网络聚合物，所述聚酸单体和所述交联单体的至少一种必须是 支链的。在一个实施方案中，所述聚酸单体是支链的。
[0014] 在本发明的一个或更多个方面的实施方案中，所述聚酸单体包含多个径基官能 团。因此在运样的实施方案中，所述交联单体包含互补官能团。
[0015] 在一些实施方案中，聚酸单体是支链的并且具有式（I)的结构：
[001 引 A做)。（I)
[0017]其中：
[001引A是n价核屯、；
[0019] B是聚酸链段；
[0020] X是径基官能团；并且
[0021] n表示度讶基团的数目且至少为3。
[0022] 在一些实施方案中，在聚酸网络聚合物的制备中使用的聚酸单体包含衍生自 C2-C3二元醇的聚酸链段。
[0023] 在一组实施方案中，聚酸单体中的聚酸链段各自具有选自约IOODa至约 10,OOODa、约150Da至约SOOODa和约200Da至约1000 Da范围内的分子量。
[0024] 在一些实施方案中，所述聚酸单体选自甘油乙氧基化物和季戊四醇乙氧基化物。
[0025] 在本发明的一个或更多个方面的实施方案中，所述交联单体包含至少两个能够与 径基官能团反应W形成醋连接基的互补官能团。在特定的一组实施方案中，所述交联单体 包含至少两个簇酷面化物官能团。
[0026] 在一种形式中，所述交联单体可具有式（II)的结构：
[0027] ROOm(II)
[0028] 其中：
[0029] R是控基；
[0030] Y是选自簇酸、簇酸醋、簇酸酢和簇酷面化物的互补官能团（优选簇酷面化物官能 团）；并且
[0031] m表示Y基团的数目且至少为2。
[0032] 在一些实施方案中，式（II)的交联单体可具有式（IIa)或（IIb)的结构：
[0033]
[0034] 其中：
[0035] R是控基；并且
[003引 Y是选自簇酸、簇酸醋、簇酸酢和簇酷面化物（优选簇酷面化物）的互补官能团。
[0037] 在式（II)、（IIa)和（Hb)的交联单体的实施方案中，R可W是直链控基、支链控 基、环控基或芳香控基。在一些具体的实施方案中，R可包含2至12个碳原子。
[0038] 在一种形式中，所述交联单体可选自班巧酷氯、己二酷氯、癸二酷氯、戊二酷氯、庚 二酷氯、辛二酷氯和均苯S甲酯氯（trimeso^chloride),优选班巧酷氯和癸二酷氯。
[0039] 用于制备可生物降解的聚酸网络聚合物的单体组合物可包含摩尔比在约5 : 1至 1 : 5,或约3 : 1至1 : 3范围内的聚酸单体与交联单体。在一组实施方案中，聚酸单体 与交联单体的摩尔比为约1 : 2。
[0040] 在一组实施方案中，用于制备可生物降解的聚酸网络聚合物的单体组合物还可包 含机械性能（mechanicalproperty)改性剂。在一些实施方案中，单体组合物可包含多至 20% (w/w)、多至15% (w/w)或多至10% (w/w)的机械性能改性济I。所述机械性能改性剂 可W是疏水性大分子或疏水性低聚物。
[0041] 当机械性能改性剂是疏水性大分子时，所述大分子可W是聚醋多元醇（polyester polyol),如二径基聚（己内醋）（dihy化oxyPoly(Caprolactone))。
[0042] 在一组实施方案中，本发明的可生物降解的聚酸网络聚合物是多孔的。在运样的 实施方案中，可生物降解的聚酸网络聚合物的平均孔直径（porediameter)可在约1皿至 约3mm的范围内。
[0043] 在一种形式中，聚酸单体和交联单体之间的反应生成在聚酸网络聚合物中产生孔 的气态形式的缩合物（condensate)。
[0044] 在一组实施方案中，用于制备可生物降解的聚酸网络聚合物的单体组合物还 可包含固体成孔剂（porogen)，例如，成孔剂颗粒。所述成孔剂颗粒的粒径可在选自约 50Jim-lOOOJim、约100Jim-700Jim、约300Jim-600Jim的范围内。在一些实施方案中，所述 成孔剂颗粒可包括盐颗粒。
[0045] 本发明的可生物降解的聚酸网络聚合物可用于一系列应用。
[0046] 在一个方面，提供了体外细胞培养基质，其包含根据本文描述的任一实施方案的 可生物降解的聚酸网络聚合物。在一种形式中，所述细胞培养基质为膜的形式。
[0047] 在另一个方面，提供了可植入装置，其包括包含根据本文描述的任一实施方案的 可生物降解的聚酸网络聚合物的基质W及接种到该基质上的细胞。
[0048] 在另一个方面，提供了支架，其包含根据本文描述的任一实施方案的可生物降解 的聚酸网络聚合物。在一些实施方案中，所述支架是多孔海绵的形式。
[0049] 在本发明的另一个方面，提供了用于制备通过醋连接基交联的多孔可生物降解的 聚酸网络聚合物的方法，所述方法包括在允许形成通过醋连接基交联的聚酸网络聚合物且 在原位生成在网络聚合物内产生多个孔的气态缩合物的条件下，使包含多官能聚酸单体和 多官能交联单体的单体组合物进行反应的步骤，其中聚酸单体和交联单体的一种包含径基 官能团且聚酸单体和交联单体的另一种包含能够与所述径基官能团反应形成醋连接基的 互补官能团，其中选自所述聚酸单体和交联单体的至少一种是支链的。
[0050] 本发明还提供了在对象中再生组织的方法，所述方法包括在对象的期望部位植入 包含根据本文描述的任一实施方案的可生物降解的聚酸网络聚合物的支架的步骤。在一组 实施方案中，所述组织是脂肪组织且所述支架植入到对象的乳房区域中。
[0051] 本发明还提供了培养细胞的方法，其包括在细胞培养的条件下，使细胞与包含根 据本文描述的任一实施方案的可生物降解的聚酸网络聚合物的基质相接触的步骤。
[0052] 本发明还提供了制备可植入装置的方法，其包括提供包含根据本文描述的任一实 施方案的可生物降解的聚酸网络聚合物的基质和用细胞接种该基质的步骤。在一种形式 中，所述装置是用于在对象的眼中植入的眼植入物且所述细胞选自角膜上皮细胞和角膜内 皮细胞。
[0053] 本发明还提供了用于治疗对象的病患或病症的方法，其包括W下步骤：提供包含 含有根据本文描述的一个或更多个实施方案之可生物降解的聚酸网络聚合物的基质的可 植入装置并将细胞接种在基质上，W及在对象需要治疗的部位植入所述装置。在一些实施 方案中，疾病或病患是角膜内皮功能障碍，且所述方法包括在对象的眼睛中植入包含接种 在基质上的角膜内皮细胞的装置的步骤，所述基质包含根据本文描述的一个或更多个实施 方案的可生物降解的聚酸网络聚合物。
【附图说明】
[0054] 本文将仅参考附图举例说明本发明的优选实施方案，其中：
[00巧]图1是说明根据本发明的一个实施方案的通过甘油乙氧基化物（GE)、癸二酷氯 (SebCl)和二径基rcL的反应合成可生物降解的聚酸网络聚合物的方案。
[0056] 图2示出了说明根据本发明的一些实施方案的具有不同量之机械性能改性剂 (PCL)的可生物降解的聚酸网络聚合物在8周内的体外降解谱的图。
[0057] 图3示出了说明根据本发明的一些实施方案的（a)聚合物条件培养基和化）含有 不同量的PCL的可生物降解聚酸网络聚合物的降解产物之细胞毒性评估之结果的图。
[0058] 图4示出了根据本发明的一个实施方案的（a)在组织培养板上培养的绵羊角膜内 皮细胞（cornealendothelialcell,CEC)的显微图像，W及化）在具有5wt%PCL的可生 物降解的聚酸网络聚合物上培养的CEC的显微图像。
[0059] 图5示出了（a)对照和化）植入绵羊角膜的可生物降解的聚酸网络聚合物（PHF) 在植入后28天H&E染色切片的显微图像。
[0060] 图6是示出了根据本发明的一个实施方案使用季戊四醇乙氧基化物牌）和癸二 酷氯（SebCl)制造可生物降解的多孔PEG海绵的方案。
[0061] 图7示出了本发明的一个实施方案的可生物降解的多孔PEG海绵的扫描电子显微 镜（SEM)图像。
[0062]图8示出了（a)说明本发明的一个实施方案在对用季戊四醇乙氧基化物（PE)、癸 二酷氯（SebCl)和rcU2wt%)制备的可生物降解的多孔阳G海绵进行30个压缩循环之压 缩应力（compressivestress)相对应变的曲线图，和化）说明了本发明的一些实施方案的 多种可生物降解的多孔阳G海绵的压缩模量（compressivemo化Ii)的图。
[0063] 图9是示出了本发明的一个实施方案的可生物降解的多孔PEG海绵在8周内 (PBS，37°C)的体外降解的图。
[0064] 图10示出了说明（a)多孔阳G海绵条件培养基和化）多孔PEG海绵降解产物的 细胞毒性评估之结果的图。
[0065] 图11示出了W下图像：(a)在植入和缝合之前，本发明的一个实施方案的用季戊 四醇乙氧基化物（P巧和癸二酷氯（SebCl)W及PCL(2wt% )制备的可生物降解的多孔PEG 海绵，（b)背侧皮下袋的制备，（C)插入到背侧袋的可生物降解的多孔PEG海绵，（d)在2周 时可生物降解的多孔PEG海绵外植体的宏观横截面，（e)在8周时可生物降解的多孔PEG 海绵外植体的宏观横截面，（f)在8周时可生物降解多孔PEG海绵外植体之放大的横截面， 在2周时取出的可生物降解的多孔PEG海绵外植体的（g) 1.25X，化)10X和a) 20X放大 倍率的H&E染色切片和在8周时取出的可生物降解的多孔PEG海绵外植体的（j) 1. 25X、 似IOX和（1)20X放大倍率的H&E染色切片。
[0066] 图12示出了（a) 16周后，植入的本发明的一个实施方案的用季戊四醇乙氧基化 物牌）和癸二酷氯（SebCl)化及rcU2wt% )制备的可生物降解的多孔PEG海绵的位置， 化）在16周时取出的可生物降解的多孔PEG海绵的宏观横截面，（C)其中植入了可生物 降解的多孔PEG海绵之组织的H&E染色切片，在2周取出的可生物降解的多孔PEG海绵的 (d)1.25X、（e)lOX和讯20X放大倍率的邸1染色切化在8周时取出的可生物降解的 多孔PEG海绵的（g) 1.25X、化)IOX和（i) 20X放大倍率的EDl染色切片，和在16周时在 植入位置之组织的（j)1.25X、（k)lOX和（1)20X放大倍率的邸1染色切片。
[0067] 图13示出了本发明的一个实施方案之用盐模板与（a)班巧酷氯交联单体和2wt% 的PCL(b)癸二酷氯交联单体和%的rcL和（C)均苯S甲酯氯交联单体和%的PCL 形成的可生物降解的多孔阳G海绵的化Viro-SEM图像。
[0068] 图14示出了（a)说明根据本发明的一些实施方案的用盐模板与不同wt%的PCL 制备的可生物降解的多孔PEG海绵的压缩模量的图，和化）说明一个实施方案的用盐模板、 癸二酷氯交联单体和%的rcL制备的可生物降解的多孔PEG海绵在15个压缩循环过程 中的压缩应力相比应变的曲线图。
[0069] 图15说明了示出根据本发明的一些实施方案的用不同的交联单体和盐模板制备 的可生物降解的多孔PEG海绵在8周内（PBS，37°C)的体外降解的图。
[0070] 图16示出了说明（a)条件培养基和化）从用不同的交联单体制备的本发明的一 些实施方案之多孔PEG海绵获得的降解产物的细胞毒性评估的结果。
[0071] 图17示出了（a)根据本发明的一些实施方案的用于植入用盐模板和癸二酷氯交 联单体制备的可生物降解的多孔PEG海绵之制备的皮下袋，（b)植入和缝合前的可生物降 解的多孔PEG海绵，（C)插入并缝合到背侧袋的可生物降解的多孔PEG海绵。（d)在2周 后，在从植入位置切除之前可生物降解的多孔PEG海绵，（e)在2周时，可生物降解的多孔 PEG海绵外植体的宏观横截面，讯在8周时，可生物降解的多孔PEG海绵外植体，在2周时 取出的可生物降解的多孔PEG海绵的（g)1.25X，化)10X和a)20X放大倍率的H&E染色 切片，在8周时取出的可生物降解的多孔PEG海绵（j)1.25X、（k)lOX和（1)20X放大倍 率的H&E染色切片。
[0072] 图18示出了（a)在16周取出的根据本发明的一些实施方案的用盐模板和癸二酷 氯交联单体制备的可生物降解的多孔PEG海绵之宏观横截面，植入可生物降解的多孔PEG 海绵外植体之组织的（b) 1. 25X、（C)IOX放大倍率的H&E染色切片，在2周时取出的可生 物降解的多孔PEG海绵的（d)1.25X、（e)lOX和（f)20X放大倍率的EDl染色切片，在8 周时取出的可生物降解的多孔PEG海绵的（g)1.25X、化）10X和a)20X放大倍率的邸1 染色切片，W及在16周时在植入位置之组织的（j) 1. 25X、化)IOX和（1)20X放大倍率的 EDl染色切片。
【具体实施方式】
[0073] 本发明设及通过醋连接基交联的可生物降解的聚酸网络聚合物和用于制备运些 网络聚合物的方法。包含在聚酸网络聚合物中的醋连接基是可生物降解的且在生物环境中 是可水解和/或酶促裂解的，使得交联的网络聚合物分解。从网络聚合物的分解产生的降 解产物对于身体基本上是无毒的。
[0074] 本文相对于物质、连接基或基团所使用的术语"可降解的"和"可生物降解的"意味 着该物质、连接基或基团在生理条件下或在生物环境中随着时间的推移易于降解、裂解或 破碎。在选定的生理或生物条件下，此类降解、裂解或碎片可通过合适的不稳定部分的化学 分解（例如，通过水解或还原）而发生。当相对于聚合物物质使用时，术语"可降解的"和 "可生物降解"表明该聚合物包含合适的不稳定或可降解的部分作为该聚合物分子结构的 一部分。聚合物中一种或更多种可降解部分的裂解或分解通常导致聚合物碎裂为单体和/ 或低分子量的聚合物片段。
[00巧]在一个方面，本发明提供了通过醋连接基交联的可生物降解的聚酸网络聚合物， 其是通过使包含多官能聚酸单体和多官能交联单体的单体组合物聚合而制备的，其中聚酸 单体和交联单体之一包含径基官能团并且聚酸单体和交联单体之另一包含能够与所述径 基官能团反应形成醋连接基的互补官能团，且其中选自聚酸单体和交联单体中的至少一者 是支链的。
[0076] 为了形成可生物降解的聚酸网络聚合物，使用包含多官能聚酸单体和多官能交联 单体的单体组合物。存在于所述单体组合物中的聚酸单体和交联单体各自包含能够共价反 应的官能团W便聚合并形成可生物降解的聚酸网络聚合物。由聚合反应形成的聚酸网络聚 合物是固体且不溶的聚合物基质。
[0077] 包含在单体组合物中的聚酸单体和交联单体中的至少