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，如人工或合成软骨中。在该网络制备中首先提供聚胺或聚羧酸酯大分子（在分子链上分别带有多个胺基或羧酸基团），该大分子若是聚胺，则将其与带有自由羧酸基团的羟基苯化合物反应，若是聚羧酸酯，则与带有自由一级胺基团的羟基苯化合物反应，通过碳二亚胺介导的反应途径将羟基苯化合物取代至大分子上生成羟基苯取代大分子。随后在代谢的温度和ｐＨ条件下，在分别与不同大分子相连的两个羟基苯基团间发生酶催化二聚化反应，从而将该大分子连接至另一大分子上。在优选具体实施方案中，大分子网络由通过二酪胺键连接的酪胺取代透明质酸分子组成，从而提供了具有理想物理性质的稳定、粘着的水凝胶。本发明专利技术还提供了制备该网络的方法。

【技术实现步骤摘要】
羟基苯交联大分子网络及其应用
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集蛋白聚糖分子(在下 一节中有所描述)三维网络内的流体相实现该功能。聚集蛋白聚糖分子含有与核心蛋白相连的多达ioo条的硫酸软骨素链，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 了单个聚集蛋白聚糖分子上的各条硫酸软骨素链之间的相互排斥(造成静态聚集蛋白聚糖分子占有最大的空间体积)，并导致软骨聚集体中 相邻的聚集蛋白聚糖分子互相排斥。在健康软骨中，聚集蛋白聚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伺隙内的大型软骨聚集体中。 因此，即使每个聚集蛋白聚糖分子(和与相同或不同的透明质酸链相 连的相邻聚集蛋白聚糖分子)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，透明质酸一聚集蛋白聚糖网络(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。 在压縮下，固定在聚集蛋白聚糖上的负电荷基团之间的距离縮小，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C^+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縮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縮。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，其中该能量压縮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，其中聚集蛋白聚糖分子从它们 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。
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<formula>formula see original document page 6</formula>其中&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R和R2的结构可以相同也可以不同。本专利技术还提供了含有大量酪胺取代透明质酸分子的大分子网络， 其中至少两个相邻透明质酸分子由二酪胺键相连。本专利技术还提供了一种水凝胶，水凝胶包含酪胺取代透明质酸分子 的大分子网络，网络通过透明质酸分子之间的二酪胺键交联。本专利技术还提供了制备大分子网络的方法，包含步骤有提供第一 类大分子，大分子选自羟基苯取代聚羧酸酯、羟基苯取代聚胺、其它 聚羟基苯分子和它们的共聚物；以及在与相邻的第一类大分子分别相 连的两个羟基苯基团之间形成至少一个二羟基苯键。本专利技术还提供了包含下列步骤的制备水凝胶的方法a)提供第一 溶液，其中含有过氧化物酶或过氧化物但不同时含有两者，同时含有一类大分子，大分子选自羟基苯取代聚羧酸酯、羟基苯取代聚胺、其它聚羟基苯分子和它们的共聚物；b)提供第二溶液，其中含有第一溶 液中所没有的过氧化酶或过氧化物中的一种；和c)混合第一和第二溶 液起始二羟基苯交联反应，形成水凝胶。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4是本专利技术的T-HA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。具体实施例方式在此所用的术语聚羧酸酯指链长含有至少两个功能基团或单位的 分子、结构或类，其链中的至少两个这样的基团或单位是或者包含羧 酸基团，在所述的亲核取代反应中，该羧酸基团在空间上是可以接近 的。同样在此所用的术语聚胺指链长含有至少两个功能基团或单位的 分子、结构或类，其链中的至少两个这样的基团或单位是或包含可用 于亲核取代反应的一级胺基团。同样在此所用的聚羟基苯分子指链长 含有至少两个功能基团或单位的分子，其链中的至少两个这样的基团 或单位是或包含羟基苯基团，它们能通过C-C键与另一个羟基苯基团 相连。同样用于此的水凝胶是制备的一种含有大分子网络的材料，大 分子网络用于组织置换或工程应用，例如作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备水凝胶的方法，所述方法包括的步骤有：　ａ）提供含有过氧化物酶或过氧化物的第一溶液，但溶液中不同时含有上述两种物质，溶液中还含有选自羟基苯取代聚羧酸酯、羟基苯取代聚胺、其它聚羟基苯分子以及它们的共聚物的大分子；　ｂ）提供第二溶液，该溶液含有所述第一溶液中没有提供的所述过氧化物酶或过氧化物中的一种；以及　ｃ）混合所述第一和第二溶液促使二羟基苯交联以形成所述水凝胶。

【技术特征摘要】
US 2003-1-10 60/439,2011.一种制备水凝胶的方法，所述方法包括的步骤有a)提供含有过氧化物酶或过氧化物的第一溶液，但溶液中不同时含有上述两种物质，溶液中还含有选自羟基苯取代聚羧酸酯、羟基苯取代聚胺、其它聚羟基苯分子以及它们的共聚物的大分子；b)提供第二溶液，该溶液含有所述第一溶液中没有提供的所述过氧化物酶或过氧化物中的一种；以及c)混合所述第一和第二溶液促使二羟基苯交联以形成所述水凝胶。2. 如权利要求1中所述的方法，所述方法进一步包含无孔模具， 所述模具的内模巢与所需水凝胶部分的形状、轮廓和体积吻合，所述 方法还包括在所述内模巢中混合第一和第二溶液生成具有内模巢形状 的所述水凝胶。3. 如权利要求1中所述的方法，所述方法进一步包含的步骤有d) 提供用多孔材料制作的模具，所述模具...

【专利技术属性】
技术研发人员：安东尼卡拉布罗，理查德A格罗斯，安尼克B达尔，
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]