用于修饰医疗装置表面形态的工艺的制作方法

用于修饰医疗装置表面形态的工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于修饰医疗装置表面形态的工艺。除其他有益性质外，所述修饰的表面具有改进各种生物活性剂吸附或结合的能力，所述生物活性剂的加入将使所述医疗装置变成局部药物递送系统。
【专利说明】用于修饰医疗装置表面形态的工艺

【技术领域】
[0001] 本发明涉及医疗装置领域。特别地，本发明涉及用于修饰医疗装置表面形态的工 艺及由此衍生的产品。

【背景技术】
[0002] 控制医疗装置的性能，例如控制药物的释放，是在医疗装置设计中的一个重要方 面。该性能部分地由该装置表面积的大小及其特定的物理性质诸如硬度（stiffness)和形 貌（topography)来决定。例如，在医疗装置上增加的表面积影响药物吸收速度和能力、药 物释放速率、细胞粘附和细胞表型诸如干细胞分化。被修饰的表面可通过各种方法来生产， 包括蚀刻和涂布。然而，这两种方法都有弊端。蚀刻在引入新的表面化学时具有损坏表面层 中的分子的缺点。这些问题使表面性质的预测复杂化且可导致不期望的有害效果。此外， 医疗装置的涂布导致复杂的多组分系统。在后者的情况下，根据其各自的特性选择聚合物 组分，使得该混合物或组合物满足所期望的特性。不幸的是，该组合不总是表现存在于各个 组分中的特性的组合。聚合物特性各不相同，这基于众多因素，其除其他因素外可取决于该 聚合物中链对链的相互作用或在该聚合物表面上官能团的排布。但当一种聚合物与另一种 组合时，所述因素中的一些不再存在。使用上述实例，在聚合物组合中链对链相互作用可不 同，因为链的类型不同。类似地，在该表面上官能团的排布可以是不同的，因为该混合物含 有不同组群的表面基团。
[0003] 一种常见的医疗装置类型是大孔脚手架（scaffold)。这些大孔脚手架的内表面可 以通过使用由相分离生成的第二微孔结构来填充自上而下控制的体系结构的大孔进行修 饰。虽然这些方法增加了脚手架的表面积，然而它们也破坏可以限制细胞渗透的原始孔相 互连结性、养分运输以及最重要地药物装载入脚手架。
[0004] 另一种方法，是通过浙滤出与该脚手架聚合物本身被共同挤压的水溶性ΡΕ0致孔 剂的高度多孔FDM的制造。还报道了使用聚合物溶液而不是聚合物熔化物的FDM产生增加 的孔隙率且不消除大孔空间。水解降解加速也有增加表面积和孔隙率的可能性。然而，这 些方法可以说损害通常与FDM脚手架相关的机械承载能力。
[0005] W02007/106247公开了一种方法，其中通过相转化在例如支架上使用溶剂+聚合 物形成聚合物的涂层，从而在医疗装置上形成一层涂层。
[0006] 此外，在加工和贮存过程中，以及在体内应用之后，医疗装置的表面形态学改变。 因此，医疗装置的可预测性，以及随后地临床效用可依赖于控制这些变化的能力。
[0007] 因此，有对在其表面区域控制包含聚合物组合物的医疗装置的表面形态的需要。


【发明内容】

[0008] 本发明提供一种用于修饰医疗装置的表面形态的方法，用以控制药剂从表面区域 的释放。本发明也可以使用于生物生产中，其中关于细胞附着、增殖和生物相容性的相同品 质对于来自粘附细胞的细胞产物的生成有益的。
[0009] 因此，本发明的一个方面涉及一种用于修饰医疗装置表面形态的方法，其包含：
[0010] a)提供包括主体部分和表面区域的医疗装置，所述表面区域包含生物相容性聚合 物组合物，其包含生物相容性聚合物；
[0011] b)使在所述表面区域中的至少部分所述生物相容性聚合物组合物与所述生物相 容性聚合物的溶剂接触，以在所述表面区域的至少第一部分上形成第一表面区域膜；和
[0012] c)使至少部分所述第一表面区域膜与所述生物相容聚合物的非溶剂接触，从而在 至少部分所述表面区域上形成第一固体化的表面区域膜。
[0013] 本发明的另一个方面涉及可通过本发明所述方法获得的医疗装置。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 图1显示本发明的方法的一种可能的设置（setup)。用溶剂润湿基础脚手架，并使 其暴露于所述溶剂一段时间，其后，将所述脚手架浸入包含非溶剂的凝固浴中，
[0015] 图2显示在该纤维表面上呈现极少表面结构化的未修饰FDM PCL脚手架的SEM图。 凹陷标记各个PCL球粒之间的边界，其在所述聚合物熔化物冷却的过程中形成。400X放大 倍率，
[0016] 图3显示了根据表2排布的代表性环境SEM图像。可辨识显著差异。800X放大 倍率，
[0017] 图4显示：左：用100 μ m厚的纤维和500 μ m厚度的中心到中心纤维距离和80 μ m 的层厚度构建的FDM脚手架（100/0, ls，70/30)。通过减少溶剂暴露时间成功地避免相互连 结性的减少。右：经细胞培养处理的脚手架用于尺寸比较。400X放大倍率，
[0018] 图5显示：左：通过使用非溶剂（其为以适当的份数包含纯非溶剂、乙醇和以及纯 溶剂、二噁烷的混合物）在相分离交界面的非溶剂梯度的缓和，将所述表面的外观从典型 的洞穴状/空泡剧烈地改变为具有更小的特征的更无序表面。上）由100%二噁烷组成的 溶剂浴以及70%乙醇和30%水的非溶剂浴。中）由100%二噁烷组成的溶剂浴以及90% 乙醇和10%二噁烷的非溶剂浴。下）由100%二噁烷组成的溶剂浴以及80%乙醇和20% 二噁烷的非溶剂浴。
[0019] 图6显示了一种用溶剂或非溶剂冲洗脚手架的装置，其包含紧密地安装在所述脚 手架上的漏斗。从顶部入口准许进入溶剂和非溶剂。内部存在叶片以引导流体流动。
[0020] 图7显示所述脚手架的表面形态。左：NaOH处理的对照脚手架在纤维连接处的 外观。其近平滑的纤维表面以多边形的约50 μ m宽的球粒区域（具有位于其边界的凹陷） 为特征（1400X)。中：在相同的放大倍率显示更高程度的表面结构化的经处理（溶剂-非 溶剂处理；该术语"PIPA"也用于根据本发明的表面处理）的脚手架。图像中央的粘附 细胞的形态是高度伸展的（1400X)右：在更高的放大倍率下显示多孔特征的PIPA表面 (11200X)。
[0021] 图8显示CelITracker染色的共焦显微照片，其显示所述脚手架在第2+7天（顶 行），2+14天（中），和2+21天（下）的上表面。在第2+14天对于PCL(左栏）和经处理的 脚手架（右栏），孔被融合的细胞片层完全覆盖。
[0022] 图9显示在DEXA培养基中在第2+21天所述脚手架的上周边缘部分内部的细胞分 布。左上：静态培养的对照脚手架，具有密集强染色的细胞片层。在该图像的左部可见纤维 基质的沉积。左下：对照脚手架的更高放大倍率显微照片。所述细胞具有纺锤状成纤维细 胞外观。右上：在固体纤维芯和粘附细胞之间具有典型的淡染色的多孔边界（箭头）的经 处理（PIPA)的脚手架。边界厚度的明显变化来自剖面和所述纤维之间的角度改变。右下： 稀疏存在半立方嗜碱性细胞。
[0023] 图10显示每个脚手架的DNA量。将细胞接种于具有或不具有表面修饰的（PIPA) 脚手架且在静态条件下培养2+7、2+14、2+21天和从第2+14天开始使用DEXA的2+21天。所 述量被表示为平均值土SD(η = 3)。*相同时间点内脚手架之间的显著性差异（P〈0. 05)，
[0024] 图11显示由每个脚手架μ gDNA归一化的ALP活性。将细胞接种于具有或不具有 表面修饰的（PIPA)脚手架且在静态条件下培养2+7、2+14、2+21天和从第2+14天开始使用 DEXA的2+21天。所述活性被表示为平均值土 SD (η = 3)。活性以纳摩尔对硝基苯酚/微克 DNA每分钟（nmol/μ g DNA*min)来表不。*相同时间点内脚手架之间的显著差异（Ρ〈0. 05)。
[0025] 图12显示在DEXA中培养七天后在第2+21天相对于DNA含量归一化的每个脚手 架的钙含量。钙含量被表示为平均值土 SD(n = 4)，（P〈0. 05)。
[0026] 图 13 显不三种不同的转染试剂 Oligofectamine (上），Lipofectamine2000 (中）， TransIT-TKO (下）从 PCL+H20、PCL+Na0H、PIPA+H20 和 PIPA+NaOH 的累积释放动力学。PIPA 脚手架在4周内显示较慢的释放。
[0027] 图14显示牛血清白蛋白（左）和溶菌酶（右）从PCL+H20、PCL+NaOH、PIPA+H20 和PIPA+NaOH的累积释放动力学。PIPA+NaOH脚手架在4周内显示较慢的释放。
[0028] 图15显示第28天的累积释放。更暗的4周释放柱堪比图13的数据。剩余的解 释了困在所述脚手架孔内且未扩散进入周围介质中的蛋白量。
[0029] 图16显示其如何才能通过大孔的几何结构来控制脚手架的硬度。左）具有4_ 直径和2mm高度的PIPA脚手架。熔融沉积成型的纤维的方向改变105度每层（pr layer)。 右）其中每个第二层的纤维方向成60度角的脚手架的实例。
[0030] 图17显示机械测试结果，结果表明脚手架的机械硬度随图16所示的高度各向异 性几何结构，是高度各向异性的。
[0031] 图18显示被吸附在PCL脚手架上的多柔比星的累积释放曲线。该释放动力学取 决于负载量、水解处理和形态。
[0032] 图19显示在植入猪背部肌袋后PIPA脚手架的染色部分。A)以其整体显示的未 装载的PIPA_A+Na0H脚手架与周围的肌肉B)在孔隙内具有坏死细胞的装载药物的PIPA_ Α+NaOH脚手架C+D)表示快速成型脚手架的具有空隙的未装载脚手架的关闭。所述PIPA修 饰具有深色染色（箭头）。D+F)部分装载药物的脚手架充满了死细胞或多核细胞。棒分别 为 1mm、500 μ m 和 200 μ m。
[0033] 图20显示荧光纳米颗粒在所述脚手架内的掺入。A)在荧光显微镜（白光无屏障 滤光片）中观察的没有颗粒掺入的对照PIPA脚手架。B)在528nm激发和644nm屏障滤光 片下的荧光信号的缺失。C)颗粒掺入的脚手架。D)荧光信号的存在。棒为200 μ m。
[0034] 现将在下文中更详细地描述本发明。


【发明内容】
[0035]
[0036] 本发明涉及用于修饰医疗装置表面形态的工艺以获得对于细胞附着和/或生物 活性物质释放而言改进的表面。
[0037] 本发明的一个方面涉及用于修饰医疗装置表面形态的方法，其包含：
[0038] a)提供包含主体部分和表面区域的医疗装置，所述表面区域包含生物相容的聚合 物组合物,所述生物相容性聚合物组合物包含生物相容性聚合物；
[0039] b)使在所述表面区域中的至少部分所述生物相容性聚合物组合物与所述生物相 容性聚合物的溶剂接触，以在所述表面区域的至少第一部分上形成第一表面区域膜；
[0040] c)使至少部分所述第一表面区域膜与所述生物相容聚合物的非溶剂接触，从而在 至少部分所述表面区域上形成第一固化的表面区域膜。
[0041] 在一个实施方案中所述非溶剂可包含第二溶解的聚合物，对于第二溶解的聚合物 而言所述非溶剂为溶剂。所述第二聚合物可通过使所述至少部分表面区域与所述第二聚合 物的第二非溶剂接触而固化。
[0042] 如本文所用，术语"溶剂"指所述表面区域的所述生物相容性聚合物组合物中的聚 合物的溶剂。术语"非溶剂"是指所述表面区域的所述生物相容性聚合物组合物中的聚合 物的非溶剂。因此，溶剂和非溶剂的选择是聚合物依赖的，且一组聚合物的溶剂可作为另一 不同组的聚合物的非溶剂。
[0043] 适合的溶剂包括但不限于，例如CH2C12、氯仿、乙醇、异丙醇、正丙醇、二甲基甲酰 胺、二甲基乙酰胺和二甲基亚砜。在一些实施方案中，所述溶剂可为醇类（例如，甲醇、乙 醇、1，3-丙醇、1，4-丁醇）、庚烷、己烷、戊烷、环己酮、三氯乙烷、丙酮、四氢呋喃（THF)、二甲 基乙酰胺（DMAc)、二噁烷、甲苯、二甲苯、二甲基亚砜（DMS0)、二甲基甲酰胺（DMF)、乙酸乙 酯、甲基乙基酮（MEK)和乙腈。
[0044] 适合的非溶剂包括但不限于，例如，水、二噁烷、丙酮、甲苯、环己酮、甲基乙基酮、 苯、甲苯、二甲苯、戊烷、己烷、环己烷、辛烷。表1归纳了特定聚合物的溶剂或非溶剂的一些 实例。
[0045]

【权利要求】
1. 一种用于修饰医疗装置表面形态的方法，其包含： a) 提供包括主体部分和表面区域的医疗装置，所述表面区域包含生物相容性聚合物组 合物，所述生物相容性聚合物组合物包含生物相容性聚合物； b) 使在所述表面区域中的至少部分所述生物相容性聚合物组合物与所述生物相容聚 合物的溶剂接触，以在所述表面区域的至少第一部分上形成第一表面区域膜； c) 使至少部分所述第一表面区域膜与所述生物相容性聚合物的非溶剂接触，从而在至 少部分所述表面区域上形成第一固化的表面区域膜。
2. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包含以下步骤： -将所述第一固化的表面区域膜进行水解处理。
3. 根据权利要求2所述的方法，所述水解处理使用水性碱性溶液进行。
4. 根据权利要求1-3任一项所述的方法，其进一步包含以下步骤： -将生物活性剂吸附在所述固化的表面区域膜上。
5. 根据权利要求1-4任一项所述的方法，其中在低于所述生物相容性聚合物组合物的 熔点的温度下，所述生物相容性聚合物的溶剂和非溶剂是可混溶的。
6. 根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中所述生物相容性聚合物的溶剂和/或非 溶剂包含生物活性剂。
7. 根据权利要求1-6任一项所述的方法，其中所述医疗装置的主体部分包含与在所述 表面区域中的所述生物相容性聚合物组合物完全相同的生物相容性聚合物组合物。
8. 根据权利要求1-7任一项所述方法，其中所述生物相容性聚合物的溶剂和/或非溶 剂包含用于掺入所述表面区域的生物活性剂。
9. 根据权利要求4-8任一项所述的方法，其中所述生物活性剂选自由抗病毒剂、抗微 生物剂、血管生成剂、抗原剂、抗肿瘤剂、免疫抑制剂、蛋白质、肽、类固醇、病毒载体、生长因 子、氨基酸、聚核糖核酸，聚脱氧核糖核苷酸、化学修饰的聚核酸、维生素、透明质酸、生物活 性碳水化合物、生物活性脂质骨形态发生蛋白、激素、酶、骨移植物、止痛剂、骨髓、骨移植 物、羟基磷灰石、磷酸钙、碳酸钙颗粒、磷酸三钙、生物玻璃、锶化合物、实质细胞以及间充质 细胞或其组合组成的组。
10. 根据权利要求4-9任一项所述的方法，其中所述生物活性剂与递送载体、靶向剂、 内体逃逸剂、亚细胞靶向剂、受控制的释放载体或其混合物组合。
11. 根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中所提供的溶剂不包含溶解在其中的生 物相容性聚合物。
12. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中在所提供的溶剂中所述生物相容性 聚合物的固体含量在0-10%范围内，诸如〇%，诸如在〇. 01-10% (w/w)范围内，诸如在 0. 01-5%范围内，诸如在0. 01-3%范围内，诸如在0. 01-2%范围内，诸如在0. 01-1 %范围 内，诸如在0. 1-10%范围内，诸如在1-10%范围内，诸如在2-10%范围内，诸如在3-10%范 围内或诸如在5-10%范围内。
13. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中在所提供的溶剂中的固体含量在 0-10%范围内，诸如0%，诸如在0.01-10% (w/w)范围内，诸如在0.01-5%范围内，诸如在 0. 01-3%范围内，诸如在0. 01-2%范围内，诸如在0. 01-1 %范围内，诸如在0. 1-10%范围 内，诸如在1-10%范围内，诸如在2-10%范围内，诸如在3-10%范围内或诸如在5-10%范 围内。
14. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述溶剂为多于一种类型溶剂的混合 物。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述溶剂的混合物为1-5种溶剂的混合物，诸如 1_4种，诸如1_3种，诸如1_2种，诸如2或3种。
16. 根据权利要求14或15所述的方法，其中所述溶剂混合物为二噁烷/乙醇。
17. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述非溶剂为多于一种类型非溶剂的 混合物。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中所述非溶剂的混合物为1-5种非溶剂的混合物， 诸如1_4种，诸如1_3种，诸如1_2种，诸如2或3种。
19. 根据权利要求17或18所述的方法，其中所述非溶剂混合物为乙醇/水。
20. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述非溶剂为非溶剂和溶剂的混合物。
21. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述非溶剂进一步包含一部分步骤b) 的溶剂。
22. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述溶剂和/或非溶剂包含至少1种溶 解的物质，所述溶解的物质可通过升华从所述固化的表面去除。
23. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述整个医疗装置包含在表面上的生 物相容性聚合物组合物，所述生物相容性聚合物组合物包含生物相容性聚合物，并且其中 对所述整个医疗装置进行所述方法的步骤b)和c)。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中所述医疗装置由或基本由包含生物相容性聚合 物的所述生物相容性聚合物组合物组成。
25. 通过权利要求1-10任一项所述的方法可获得的医疗装置。
26. 根据权利要求10所述的医疗装置，其中所述表面区域具有粗糙的或粗的形态或具 有通道或孔的形态。
27. 根据权利要求25或26任一项所述的医疗装置，其被设置用于骨移植物替代组合 物，其中所述医疗装置具有在1-1〇_范围内的颗粒尺寸。
28. 根据权利要求25-27任一项所述的医疗装置，其被设置用于骨移植物替代组合物， 其中所述医疗装置成形为尺寸在l_20mm范围内的可包装的咬合固体元件。
29. 根据权利要求25-28任一项所述的医疗装置，其中所述医疗装置成形为形成一个 或多个开放孔隙网络的框架。
30. 根据权利要求25-29任一项所述的医疗装置，其中所述医疗装置选自由骨组织工 程化脚手架、支架、自扩张型支架、球囊扩张支架，支架移植物、移植物、主动脉移植物、心脏 瓣膜假体、脑脊液流体分流器、神经导管、血管移植物、输尿管移植物、尿道移植物、起搏器 电极、导管、骨盆底修复膜、贴齐?、腹膜贴齐?、心内膜导线、吻合装置、CABG吻合夹和连接器、 骨科植入物、螺钉、脊椎植入物、电刺激装置和骨螺钉；美容植入物；和气孔装置组成的组。
31. 根据权利要求30所述的医疗装置，其中所述医疗装置是骨组织工程化脚手架。
32. 根据权利要求25-31任一项所述的医疗装置，其中所述医疗装置是可生物降解的。
33. 根据权利要求25-32任一项所述的医疗装置，其中所述第一固化的表面区域膜具 有至少2微米的深度。
34. 根据权利要求25-33任一项所述的医疗装置，其作为药剂使用。
35. 根据权利要求25-33任一项所述的医疗装置，其作为受控制的药物释放储库使用。
36. 根据权利要求25-33任一项所述的医疗装置，其作为可植入的细胞载体使用。
37. 根据权利要求25-32任一项所述的医疗装置，其作为皮肤贴剂使用。
38. 根据权利要求25-33任一项所述的医疗装置，其作为用于干细胞培养、组织工程、 药物递送、药物检验、高通量药物筛选、生物生产、抗体生产、蛋白生产、和广泛的细胞生物 学应用的3D细胞培养基板来使用。
【文档编号】A61L31/10GK104203295SQ201280070658
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2012年12月21日 优先权日:2011年12月23日
【发明者】丹格·广·斯文·勒, 陈慕婉, 陈孟林, 安妮特·奥弗高·巴特, 科迪·埃里克·布格, 赫勒·利丹, 约尔根·克耶姆斯, 莫滕·厄斯特高·安徒生, 弗莱明·贝森巴切尔 申请人:丹格·广·斯文·勒, 陈慕婉, 科迪·埃里克·布格, 弗莱明·贝森巴切尔