基于吸收性纤维素的生物材料和植入物的制作方法

基于吸收性纤维素的生物材料和植入物的制作方法
【专利摘要】本公开描述了一种用于组织替代或扩充的植入物，所述植入物包括由经照射纤维素和氧化剂的前体反应性混合物形成的经照射的氧化纤维素的吸收性无热原多孔主体，其中所述主体形成不均匀的三维纤丝状网络。还公开了一种用于制备氧化的纤维素主体的方法，所述方法包括照射纤维素的主体以形成经照射的纤维素主体，以及使所述经照射的纤维素主体与氧化剂反应以形成无热原多孔的和吸收性的氧化的纤维素主体。
【专利说明】基于吸收性纤维素的生物材料和植入物
[0001] 相关专利申请的交叉引用
[0002] 本专利申请要求2012年2月22日提交的美国临时专利申请序列号61/601,653 的优先权，其公开内容据此以引用方式并入，如同全文示出于本文中一样。

【技术领域】
[0003] 本公开涉及可用作医疗植入物的吸收性的、多孔的和适应的生物材料，并且涉及 经Y照射的纤维素的受控氧化方法以提供所述生物材料。植入物可形成为片材或补片，以 用于组织替代或扩充、尤其用于软组织指征、并且更尤其与硬脑膜一起使用。

【背景技术】
[0004] 在创伤性、赘生性、炎性损害，外科切除，或者先天性缺失之后指示需要硬脑膜修 复（硬脑膜成形术）。硬脑膜替代用于其中自然脑膜的原发性闭合不可能实现的颅外科手 术中。在历史上，已使用过多种材料，包括金属箔、人体组织、动物组织（猪真皮、牛骨胶原 和心包膜）和聚合物（PTFE、丙交醋双聚合物、甲基丙烯酸羟乙酯）。动物组织一直是当前 可用的最好材料，其中猪真皮和牛骨I父原为市场引领流（如，Duragen*1、Dwrafoim*8 )。 然而，动物材料因可导致疯牛病的朊病毒而带有感染的可能性。另外，牛骨胶原常常在两周 内、硬脑膜完全愈合之前被吸收。另外，牛心包膜有时与具有天然生物毒性的戊二醛发生交 联。合成材料具有操作缺陷并且如果未适当地缝合固定则可导致脑脊液（CSF)渗漏。
[0005] 各种源的纤维素已被证明为通用的生物材料。通过仅将约每种类型的植物和选定 数量的细菌进行合成，就可获得用于多种应用中的天然的、可再生的、生物相容性的、和生 物降解性的聚合物。
[0006] 然而，天然纤维素因缺少能够分解其高度结晶结构的酶机制而不能被人体吸收， 所述高度结晶结构通过中间和内部的氢键而为稳定的。然而可通过利用各种化学物质的 氧化来实现纤维素的可吸收性，所述化学物质包括偏高碘酸盐、次氯酸盐、重铬酸盐、或二 氧化氮（参见Stilwell等人，Oxidizedcellulose：Chemistry,ProcessingandMedical Applications,HandbookofBiodegradablePolymers: 1997, 291-306)。氧化的植物纤维 素已被成功地用作吸收性止血剂（1949以来的强生的Surgicel·'和更近期的2006年以来的 捷力特医疗公司（GelitaMedical)的（je丨haeel';)。由基于植物的氧化纤维素构成的产品 常常被用作止血剂、伤口敷料和抗粘连阻隔剂（参见美国专利6, 800, 753 ;Stilwell等人， 1997)。
[0007] 通过二氧化氮蒸气的使用能最有效地氧化植物纤维素。然而，存在被视为源自 二氧化氮气体的使用的毒性效应；然而偏高碘酸钠已证明为在氧化高度结晶纤维素时的 较好选择且具有极少的副反应（参见NevellT. ,Oxidation,MethodsinCarbohydrate Chemistry,NewYork:AcademicPressl963;3 :164-185)。其氧化效果和使用方法已针对 植物纤维素进行了广泛研究（参见Stilwell等人，1997 ;Kim等人，Periodateoxidation ofcrystallinecellulose,Biomacromolecules2000;I:488-492);Calvini等人，FTIRandWAXSanalysisofperiodateoxycellulose：Evidenceforaclustermechanismof oxidation,VibrationalSpectroscopy2006 ；40 :177-183);Singh等人，Biodegradation studiesonperiodateoxidizedcellulose,Biomaterialsl982 ; 16-20);Devi等人， Biosolublesurgicalmaterialfrom2,3-dialdehydecellulose,Biomaterialsl986 ； 7 :193-196)；Laurence等人，Developmentofresorbablemacroporouscellulosic materialusedashemostaticinanosseousenvironment,JBiomedMater Res2005 ;73A:422-429);Roychowdhury和Kumar,Fabricationandevaluation ofporous2.3~dialdehydecellulosemembraneasapotentialbiodegradable tissue-engineeringscaffold,TBiomedMaterRes2006 ;76A:300-309)。使用高碘酸盐的 氧化机制依赖于吡喃葡萄糖环中的C2-C3键的裂解和二醛基团的形成。据信，此类二醛纤 维素通过身体中的生理条件下的水解而降解成2, 4-二羟基丁酸和乙醇酸（参见Singh等 人，1982)。这些降解产物中的两者已知为生物相容性和生物降解性的，并且可被身体代谢 (参见Devi等人，1986 ;Singh等人，1982)。一旦引发降解过程，其就沿着构成纤维素网络 的葡聚糖链继续进行（参见Stilwell等人，1997)。
[0008] 用于细菌来源的纤维素的氧化的方法也已在美国专利7, 709, 631中有所描述。细 菌来源的纤维素具有源自其三维结构的独特的物理特性和机械特性。由于其处理特性、生 物相容性和安全性，其已用于若干医疗装置中，例如如美国专利7, 374, 775和7, 510, 725 中所述。由醋杆菌（被重新分类为木葡糖醋杆菌）合成的一种类型的微生物纤维素的特 征在于由纯纤维素纳米纤维组成的高度结晶的三维网络。微生物纤维素长期以来已被视 为下述生物材料，所述生物材料可应用于临时性伤口覆盖、慢性伤口和烧伤治疗，用作组 织生长、人造血管的支架，以及用于多种其他生物医学应用（Fontana等人，Acetobacter cellulosepellicleasatemporaryskinsubstitute,ApplBiochemBiotechnoll990 ； 24/25 :253-264) :Alvarez等人，EffectivenessofaBiocelluloseffoundDressingfor theTreatmentofChronicVenousLegUlcers!ResultsofaSingleCenterRandom, Wounds2004 ; 16 :224-233):Czaia等人，Thefutureprospectsofmicrobialcellulose inbiomedicalapplications,Biomacromolecules2007 ；8(1) :1-12);Klemm等人， Cellulose!FascinatingBiopolymerandSustainableRawMaterial,AngewChem，Int Ed2005 ;44 :3358-3393);Bodin等人，Bacterialcelluloseasapotentialmeniscus implant,JTissueEngandRegenMed2007 ;1 (5) :406-408);Svensson等人，Bacterial celluloseasapotentialscaffoldfortissueengineeringofcartilage, Biomaterials2005 ；26(4) :419-431)〇
[0009] 尽管用于氧化纤维素的方法广泛地描述于文献中，但它们通常不能产生具有用于 医疗医用的最可取特性的均一氧化材料。对于软组织应用（例如硬脑膜修复应用）而言尤 其如此，其中材料需要能够再水合、易于与身体的各种轮廓相适应、具有足够的强度以允许 容易的操作，但在与特定解剖部位的愈合一致的时间范围上应为可吸收的。因此，需要氧化 纤维素生物材料以及用于制备可实现这些可取特性的所述氧化纤维素生物材料的方法。 [0010] 理想的材料应能够防止CSF渗漏、具有良好的生物相容性、不存在可能的感染风 险、具有良好的术中操作性、具有类似于硬脑膜的机械特性、具有有益于组织再生长的吸收 特征、并且易于获得和储存。


【发明内容】

[0011] 本公开描述了一种可用作吸收性生物材料的经照射的氧化纤维素，所述吸收性生 物材料由经照射的纤维素和氧化剂的前体反应性混合物形成。所述经照射的氧化纤维素的 反应产物是无热原的并且可为多孔的吸收性生物材料。根据一个实施例，经照射的纤维素 为微生物来源的纤维素，并且在优选的实施例中来源于木葡糖醋杆菌。所描述的吸收性生 物材料可具有可变的氧化度范围，所述氧化度根据一个实施例可在约〇%至约99%氧化的 范围内，例如，在约20%至约70%的范围内。
[0012] 本公开另外描述了一种可用于组织修复、替代、或扩充的医疗植入物，所述医疗植 入物由经照射的氧化纤维素的多孔主体形成，所述经照射的氧化纤维素根据一个实施例可 通过使经照射的纤维素与氧化剂反应来形成。形成植入物的氧化纤维素主体具有无序的、 不均匀的三维纤丝状网络，从而可允许植入物在接触生物相容性流体（如，水、盐水、血液、 脑脊液等）时从第一刚性（脱水）状态迅速地转变成第二水合状态。水合状态下的植入物 可根据一个实施例具有与解剖表面相适应，优选地与软组织表面相适应，并且更优选地与 硬脑膜组织表面相适应的表面。根据另一个实施例，植入物的表面与第二医疗装置相适应。 根据另一个实施例，植入物可为用于活性剂的支架或载体。例如，活性剂可浸渍在植入物的 多孔主体内，或者可涂布到植入物的表面上，或者这两者。根据一个实施例，可基本上在植 入时或即将植入时（即，外科手术进行时）来将活性剂浸渍到植入物内和/或涂布到植入 物上。在可供选择的实施例中，可在植入时间之前（即，外科手术之前）来将活性剂浸渍到 植入物内和/或涂布到植入物上。在某些实施例中，可将多于一种的活性剂浸渍到植入物 内和/或涂布到植入物上，并且此外可在不同的时间段来将多于一种的活性剂浸渍到植入 物内和/或涂布到植入物上。例如，一些活性剂可在外科手术之前与植入物进行混合，而其 他活性剂可在外科手术进行时混合。
[0013] 本公开还描述了一种制备多孔的并且吸收性的氧化的纤维素主体的方法，所述方 法包括：
[0014] (a)照射纤维素的主体以便形成经照射的纤维素主体，以及
[0015] (b)使经照射的纤维素主体与氧化剂反应以便形成氧化的纤维素主体。
[0016] 所形成的氧化的纤维素主体可根据一个实施例为多孔的、无热原的和吸收性的。 [0017] 根据一个实施例，所述方法还可包括优选地通过机械地挤压纤维素主体来使经照 射的纤维素主体部分地脱水的步骤。根据另一个实施例，所述方法还可包括优选地通过使 用超临界二氧化碳的临界点干燥来使氧化的纤维素主体至少部分地脱水的步骤。根据另一 个实施例，照射无热原主体的步骤可包括一次或者作为另外一种选择多于一次的照射剂量 或照射曝光。

【专利附图】

【附图说明】
[0018] 附图大体以举例的方式而非以限制性的方式示出本文档论述的各种实施例。在结 合附图阅读上述
【发明内容】
以及以下对本申请优选实施例的详细说明时能够更好地进行理 解。
[0019] 图1为氧化纤维素的所提议的体内降解的图示；
[0020] 图2为根据本公开的处于水合状态的经照射的氧化纤维素植入物和也处于水合 状态的未经照射的氧化纤维素植入物的顶视图、并排相片；
[0021] 图3为根据本公开的经照射的氧化纤维素的氧化度以及未经照射的氧化纤维素 的氧化度的图形表示；
[0022] 图4为根据本公开的经照射的氧化纤维素的破裂强度、纤维素含量和表面积的图 形表示；
[0023] 图5为未经照射的氧化纤维素样品的破裂强度、纤维素含量和表面积的图形表 示；
[0024] 图6A-6C分别为天然纤维素、未经照射的氧化纤维素和根据本公开的经照射的氧 化纤维素的样品的SEM图像；
[0025] 图7A-7C分别为天然纤维素、未经照射的氧化纤维素和根据本公开的经照射的氧 化纤维素的样品的XRD图像；
[0026] 图8为根据本公开的经照射的氧化纤维素的一系列体外降解特征的图形表示；
[0027] 图9为根据本公开的未经照射的氧化纤维素和根据本公开的经照射的氧化纤维 素的体外降解特征的图形比较；
[0028] 图10为天然纤维素样品、根据本公开的经照射的氧化纤维素样品和根据本公开 的在体外降解测试之后的经照射的氧化纤维素样品的分子量分布的图形表示；
[0029] 图11为经受不同辐射水平的四个氧化纤维素样品的顶视图相片；
[0030] 图12A-F为在体内动物研究期间的各个时间段处拍摄的本发明的经照射的氧化 纤维素样品的相片；
[0031] 图13为用于体内研究中的测得的根据本公开的经照射的氧化纤维素样品的体外 降解特征相比于现有技术的商业氧化纤维素样品的体外降解特征的图形表示。

【具体实施方式】
[0032] 在此文档中，术语"一种"或"一个"用于包括一个或多于一个，并且术语"或者"用 于指非排它性"或者"，除非另外指明。另外，应当理解，本文使用的并且未以其它方式限定 的措辞或术语仅用于描述的目的，而非进行限制。此外，此文档中提及的所有出版物、专利、 和专利文献均全文以引用方式并入本文，如同单独以引用方式并入一样。如果此文档与以 引用方式并入的那些文献之间存在不一致的用法，则并入的参考文献中的用法应视为此文 档的补充形式；对于不可协调的不一致性，此文档中的用法起作用。在表达值的范围时，另 一实施例包括从所述一个特定值和/或到另一特定值。相似地，当前面用"约"将数值表示 为近似值时，应当理解，该具体值构成了另一个实施例。所有范围均可被包括并进行组合。 此外，在提到以范围形式表述的值时，包括该范围内的每一值。还应当理解，为清晰起见在 本文各独立实施例的上下文中描述的本发明的某些特征，也可以组合形式提供在单个实施 例中。相反地，本发明的各种特征为简明起见可在单个实施例的上下文中进行阐述，也可分 开地或以任何子组合形式被提供。
[0033] 如本文所用，"纤维素的主体"及其衍生形式和变型形式，例如，"纤维素主体"、"经 照射的纤维素主体"、"氧化的纤维素主体"、"微生物纤维素的主体"等等旨在描述呈任何类 型的形状或空间构造的纤维素集合，并非意图限制将纤维素集合限定为任何特定的取向或 构型，除非本文另外明确指明。根据本公开的纤维素主体的非限制例子可包括纤维素片材、 纤维素隔膜、纤维素薄膜、纤维素膜、纤维素补片、和/或纤维素样品。
[0034] 如本文所用，"天然纤维素"及其衍生形式和变型形式旨在描述处于纯化状态的植 物源和微生物源形式的纤维素。例如，在本文所述的某些实施例中，"天然纤维素"是指未经 受任何形式的氧化或照射的任何源的纤维素。
[0035] 根据本公开，描述了一种经照射的氧化纤维素的吸收性生物材料，所述吸收性生 物材料由经照射的纤维素和氧化剂的前体混合物形成。所述经照射的氧化纤维素的吸收性 生物材料的反应产物是无热原的并且可为多孔的吸收性生物材料。纤维素可来源于植物源 或微生物源。根据一个实施例，经照射的纤维素为微生物来源的纤维素，并且优选地来源于 木葡糖醋杆菌。
[0036] 任何合适的氧化剂可用于反应性混合物中以与根据本公开的经照射的纤维素反 应。合适的氧化剂的一些例子可包括偏高碘酸盐、次氯酸盐、重铬酸盐、过氧化物、高锰酸盐 或二氧化氮。优选的氧化剂为偏高碘酸钠。根据一个实施例，氧化剂可具有约0.OlM至约 10. 0M，优选地约0. 05M至约I. 0M，并且更优选地约0.IM至约0. 5M的浓度范围。
[0037] 纤维素主体的照射可通过提供纤维素主体的纤维网络内的化学、结构和形态学变 化来导致后续氧化反应中的变化。例如，辐射处理可（除了别的以外）提高阳离子选择通透 性、隔膜传导性，并且可导致氢键变化。辐射纤维素的吡喃葡萄糖链化学结构可降低纤维素 结晶度和平均分子量，并且增加可用的表面积。尽管不受任何具体理论的约束，但据信，可 源自照射处理的纤维素的化学和物理变化使得纤维素更适于化学处理；即，氧化。此外还据 信，在氧化之前照射纤维素隔膜导致产生具有较短的并且能更有效氧化的吡喃葡萄糖链的 多孔生物材料，这种吡喃葡萄糖链较易于被生物相容性流体触及。相比之下，应当预期到， 未经照射的氧化纤维素平均具有较长的吡喃葡萄糖链，这种吡喃葡萄糖链包含较无规分散 的二醛基团并且还继续保持相对高的结晶结构。由照射形成的较短葡萄糖链因此可导致以 下纤维素主体，所述纤维素主体在氧化过程中可达到比相应的未经照射的纤维素主体更高 的总氧化纤维素量。较高百分比的氧化葡萄糖链可导致经照射的氧化纤维素主体的较快速 和较均一降解。如此前所述并且如图1所示，假定氧化纤维素的体内降解主要通过水解成 2, 4-二羟基丁酸和乙醇酸而发生。纤维素主体的降解中的至多90%可以此方式发生。一 旦降解过程被引发，其就沿着构成纤维素主体的葡萄糖链继续进行。还可发生另外的降解， 这种降解可占纤维素主体的剩余10%，其中二醛基团的水解已使得大葡萄糖链断裂成较小 的多糖或寡糖，这些较小的多糖或寡糖进一步地通过吞噬作用而从主体清除掉。
[0038] 所描述的无热原吸收性生物材料可具有可变的氧化度范围，所述氧化度根据一个 实施例可在约〇 %至约99 %氧化的范围内，例如，在约20 %至约70 %的范围内。经照射的 氧化纤维素的氧化度可取决于所选择的氧化剂、氧化剂的浓度范围、反应雾度、以及经照射 的纤维素与氧化剂之间的反应时间段。根据一个实施例，氧化度在约15%至约80%的范围 内，并且在另一个实施例中，在约20%至约70%的范围内。
[0039] 根据本公开，描述了一种植入物，所述植入物具有足够的机械强度、对解剖表面的 适应能力和吸收特征，从而可用于组织修复、替代、和/或扩充，尤其可用于软组织应用，并 且更尤其可用作硬脑膜替代补片。植入物包括通过使经照射的纤维素与氧化剂反应形成的 经照射的氧化纤维素的多孔主体。纤维素的多孔主体为无热原的并且具有纤维素的不均匀 三维纤丝状网络,所述不均匀三维纤丝状网络可在接触生物相容性流体（如,水、盐水、血 液、CSF等）时从第一刚性（脱水）状态转变成第二水合状态。图2为根据本公开的一个 实施例的处于水合状态的植入物10以及处于水合状态的未经照射的氧化纤维素植入物20 的顶视图。处于第二水合状态的植入物10可根据一个实施例为半透明的（如图2所示）， 并且可呈纤维素补片的形式。如本文所用，"半透明的"是指处于水合状态的植入物的下述 能力，即，允许光以扩散方式穿过以使得视野被照亮但不可避免地不能透过植入物清晰地 观察到物体。
[0040] 植入物的多孔特性允许流体的快速吸收（水合）以及允许植入时组织向内生长。 根据一个实施例，处于水合状态的植入物具有足够的耐久性和破裂强度（在下文中进行更 详细地解释）以便被操纵和植入到所需的解剖位置，并且对于规则和不规则轮廓的解剖表 面均显示出所需的附着性和粘附性。根据一个实施例，处于水合状态的植入物的表面与 (在下文中进行更详细地解释）解剖表面相适应，优选地与软组织的表面相适应，并且更优 选地与硬脑膜组织表面相适应。在另一个实施例中，植入物可附着到解剖表面且无需缝合 或固定装置的辅助；即，植入物为自附着的/自固定的。然而，应当理解，如果需要，可在缝 合或固定装置的辅助下来将植入物固定到解剖表面。
[0041] 在某些医疗手术中，希望在解剖位置处提供有附加的医疗装置以便在修复位点处 提供附加的支承、固定、和/或稳定。在需要此类第二医疗装置的情况下，处于水合状态的 植入物表面与解剖表面、第二医疗装置表面、和/或者这两个表面相适应。合适的第二医疗 装置的例子可包括但不限于骨螺钉、骨板、金属和聚合物网片、以及金属和聚合物板和帽盖 (例如，用于颅外科手术中的那些）。
[0042] 根据一个实施例，形成植入物的经照射的氧化纤维素的多孔主体具有在接触生物 相容性流体时从第一刚性（脱水）状态转变成第二水合状态的能力。处于第二水合状态的 植入物具有针对解剖表面的适应能力，如下文更详细所述。在某些实施例中，转变可发生在 短的时间段内。例如，根据一个实施例，植入物可在约短于10分钟内从第一刚性状态转变 成第二水合状态。根据其他实施例，植入物可在约短于五分钟内、约短于30秒内、约短于10 秒内、约短于5秒内、或约短于2秒内从第一刚性状态转变成第二水合状态（例如，完全水 合）。
[0043]根据一些实施例，形成植入物的经照射的氧化纤维素的多孔主体还可将处于第二 水合状态的生物相容性流体的量（以质量或体积测得）固定和保持为大于处于第一刚性状 态的植入物的干燥质量。植入物可在从第一刚性状态转变成第二水合状态期间实现的水合 量可通过其持水量（WHC)值来测量。WHC值将在下文中进行更详细地解释，但通常为处于第 二水合状态的植入物中的生物相容性流体的质量相对于处于第一刚性状态的植入物的干 燥质量的量度。WHC值越大，则植入物吸收生物相容性流体的能力就越高。尽管不受任何具 体理论的约束，但据信，植入物的相对其干重吸收足够大量的流体的能力可与植入物表面 与规则和不规则解剖表面以及第二医疗装置表面相适应的能力具有直接相关性。根据一个 实施例，植入物具有至少约7. 0的WHC，其中氧化剂具有0. 3M或更高的浓度。根据另一个实 施例，植入物的WHC值相对其表面积（以平方厘米测量）的比率为至少约2. 7 :1。
[0044]植入物具有可变的降解特征范围，所述降解特征可被操纵以与旨在植入所述植入 物的临床指征一致。例如，当植入物被选择为用作硬脑膜替代补片时，形成植入物的多孔主 体可具有基本上匹配自然硬脑膜的自然组织替代速率的降解特征。在仿真体内环境的条件 下进行的体外降解测试可被执行以评估植入物相对于所需临床指征（例如，作为硬脑膜替 代物或止血剂）的降解特征。体外测试可根据需要来执行任意时间长度，例如，一天、一周、 四周、两个月、六个月、一年、或多年。根据一个实施例，多孔主体在仿真体液（SBF)下具有 约0%至约90%范围内的一周体外降解特征（如在下文中进行更详细地解释）。根据另一个 实施例，当氧化剂具有大约〇.IM的浓度时，多孔主体具有约0%至40%范围内的一周体外 降解特征。根据另一个实施例，当氧化剂具有大约〇. 3M的浓度时，多孔主体具有约20%至 90%范围内的一周体外降解特征。根据另一个实施例，当多孔主体已被氧化至少一个小时 时，多孔主体具有约0%至60%范围内的一周体外降解特征。根据另一个实施例，当多孔主 体已被氧化至少三个小时时，多孔主体具有约15%至80%范围内的一周体外降解特征。在 某些优选的实施例中，多孔主体在四周之后测得具有约80%至约100%的体外降解速率。
[0045] 根据本公开的另一个实施例，植入物可为用于一种或多种活性剂的支架或载体。 可将活性剂浸渍到形成植入物的纤维素的多孔主体内、涂布到植入物的表面上、和/或这 两者。根据一个实施例，可基本上在植入时或即将植入时（即，术中）来将活性剂浸渍到植 入物内和/或涂布到植入物上。在可供选择的实施例中，可在植入时间之前（即，外科手术 之前）来将活性剂浸渍到植入物内和/或涂布到植入物上。在某些实施例中，可将不止一 种活性剂浸渍到植入物内和/或涂布到植入物上，并且此外可在不同的时间段来将不止一 种活性剂浸渍到植入物内和/或涂布到植入物上。例如，一些活性剂可在外科手术之前与 植入物进行混合，而其他活性剂可在手术进行时混合。可与植入物一起使用的活性剂包括 适用于在解剖位置处进行治疗的任何组合物，例如，骨髓、自体移植物、骨诱导性小分子、成 骨材料、干细胞、骨形态发生蛋白、抗菌剂、磷酸钙陶瓷、以及它们的混合物和共混物。
[0046] 本公开还描述了一种制备多孔的并且吸收性的氧化的纤维素主体的方法，所述方 法包括：
[0047] (a)照射纤维素的主体以便形成经照射的纤维素主体，以及
[0048] (b)使经照射的纤维素主体与氧化剂反应以便形成氧化的纤维素主体。
[0049] 所形成的氧化的纤维素主体可根据一个实施例为多孔的、无热原的、和吸收性的。
[0050] 根据一个实施例，所述方法还可包括优选地通过机械地挤压纤维素主体来使经照 射纤维素的主体部分地脱水的步骤。根据另一个实施例，所述方法还可包括优选地通过使 用超临界二氧化碳的临界点干燥来使氧化的纤维素主体至少部分地脱水的步骤。根据另一 个实施例，所述方法可包括使纤维素的无热原主体、经照射的纤维素主体、和/或氧化的纤 维素主体与一种或多种活性剂接触。
[0051] 根据本发明的方法，任何合适的氧化剂均可用于与经照射的纤维素主体进行反 应。合适的氧化剂的一些例子可包括偏高碘酸盐、次氯酸盐、重铬酸盐、过氧化物、高锰酸盐 或二氧化氮。优选的氧化剂为偏高碘酸钠。根据所述方法的一个实施例，纤维素和偏高碘 酸盐以纤维素比偏高碘酸盐为1:1至约1:160的摩尔比范围反应，并且在另一个实施例中， 纤维素和偏高碘酸盐以纤维素比偏高碘酸盐为1:1至约1:120的摩尔比范围反应。在优选 的实施例中，纤维素和偏高碘酸盐以纤维素比偏高碘酸盐为约1:120的摩尔比反应。氧化 剂的摩尔浓度范围可根据需要而有所变化。根据所述方法的一个实施例，氧化剂在反应中 具有约0. 05M至约I.OM的浓度范围，并且在另一个实施例中，氧化剂在反应中具有约0.IM至约0.4M的浓度范围。同样，经照射的纤维素主体与氧化剂之间的反应时间可根据需要而 有所变化。根据所述方法的一个实施例，氧化剂和纤维素反应约〇. 1小时至约72小时，并且 在另一个实施例中，氧化剂和纤维素反应约3小时至约12小时。例如，在处于或接近40°C 的反应温度下，氧化剂可在约〇.IM/约5小时至约0. 5M/约12小时的浓度/时间范围下与 纤维素进行反应。优选地，氧化剂可在约〇. 2M至约0. 4M的浓度范围下存在约5小时。
[0052]根据本公开的方法的使经照射的纤维素主体与氧化剂反应以形成氧化的纤维素 主体的过程可产生可变的氧化度。根据所述方法的一个实施例，在氧化剂与纤维素之间反 应一小时之后，氧化的纤维素主体具有至少约25%的氧化度。根据另一个实施例，在氧化剂 与纤维素之间反应两小时之后，氧化的纤维素主体具有至少约40%的氧化度。并且在另一 个实施例中，在氧化剂与纤维素之间反应两小时之后，氧化的纤维素主体具有至少约45% 的氧化度。在某些实施例中，根据本文所述的方法的实施例形成的氧化的纤维素主体具有 约20%至约70%范围内的氧化度。
[0053]根据本公开的一个实施例，可按照下述方式来使用制备方法。
[0054]纤维素丰体的制各
[0055]在制备本公开的吸收性生物材料期间，在包含约30°C的并且初始pH为约4. 1-4. 5 的液体培养基的生物反应器中培养（温育）木葡糖醋杆菌（醋杆菌）细胞。可利用例如蔗 糖作为碳源、铵盐作为氮源、并且玉米浆作为营养源来实现纤维素制备。通过在具有减少蒸 发的封盖的浅生物反应器中进行发酵过程。此类系统能够提供有助于确保形成均一纤维素 隔膜的限氧条件。生物反应器的尺寸可根据所合成的纤维素的所需形状、尺寸、厚度和收率 而有所变化。
[0056]温育步骤之后的主发酵过程通常在静态条件下进行约8-120小时、优选地约 24-72小时的持续时间，在此期间，培养基中的细菌合成并且沉积成包含微生物的纤维素片 材薄层，由此形成纤维素隔膜。根据所需厚度和/或纤维素收率，可停止发酵，此时可从生 物反应器中获取隔膜。根据一个实施例，在相对较短的持续时间之后停止主发酵以产生均 一的、低纤维素含量的隔膜（薄膜）。然后通过标准分离技术（例如，压缩或离心）来移除 包含在薄膜中的多余培养基，这可导致部分脱水的薄膜。
[0057] 纤维素丰体钝化
[0058]部分脱水的纤维素薄膜随后可经受纯化处理，所述纯化处理导致纤维素成为无热 原的。根据一个实施例，纯化方法为纤维素隔膜的化学纯化。使纤维素经受一系列苛性（例 如，浓缩的氢氧化钠）化学洗涤步骤以将纤维素隔膜转换成无热原材料，然后利用过滤水 进行浸泡和/或冲洗，直至达到中性pH。作为另外一种选择，或者结合这些步骤，还可进行 稀醋酸中的短时间浸泡以确保中和剩余的氢氧化钠。使用多种暴露时间、浓度和温度的纯 化工艺，以及包括挤压的机械技术可用于未纯化的纤维素隔膜。已结合约30°C至约KKTC 的温度变化研究了氢氧化钠中的约1至约12小时的处理时间，以优化该工艺。优选的或推 荐的处理温度出现在70°C下或该温度附近。
[0059]可通过鲎变形细胞溶解物试验（LAL)来测量处理之后留在纤维素主体中的内毒 素的量。本文所述的清洁过程能够提供无热原的纤维素隔膜（<〇.〇6EU/ml)，其满足硬脑膜 替代材料的FDA要求。根据一个实施例，在纤维素隔膜的纯化之后，可将薄膜机械地压缩到 所需的重量和厚度。
[0060] 纤维素丰体的照射
[0061] 根据本公开，利用电离辐射来照射无热原的纤维素隔膜。根据一个实施例，辐射为 Y福射。纤维素隔膜可吸收约IOkGy至约IOOkGy范围内并且更优选地约20kGy至约40kGy 范围内的穿透辐射。在具体实施例中，纤维素隔膜可吸收约20kGy至约26. 5kGy范围内的 穿透型Y辐射。在本公开的一个实施例中，以单次曝光或剂量形式来提供辐射。在可供选 择的实施例中，可通过多于一次的曝光来提供辐射。例如，根据本公开的纤维素主体可根据 本公开而被照射一次、两次、或三次。此外，在对纤维素主体施用多于一次的剂量或曝光的 情况下，多次剂量中的每一次穿透纤维素主体并且被纤维素主体吸收的辐射可具有变化的 范围。本领域技术人员应当理解，曝光次数和辐射强度可根据需要而有所变化。
[0062] 除了照射之外，可将纤维素隔膜预浸泡在电解质溶液中，以便促进更均一的氧化 并且增加氧化速率。电解质可得自硫酸盐或氯化物系列，优选NaCl。电解质浓度可在约 0.OOlM至约I. 0M、优选地约0. 05M至约0. 1M、并且更优选地约0. 2M至约0. 4M的范围内。 预浸泡可持续30分钟至1个月、优选地10小时至24小时的范围。
[0063] 经照射的纤维素丰体的氣化
[0064] 在照射和任选的预浸泡步骤之后，接下来使纤维素隔膜与合适的氧化剂反应，所 述氧化剂可包括例如铬酸、次氯酸盐、重铬酸盐、二氧化氮、四氧化二氮、或偏高碘酸盐。根 据一个实施例，氧化剂为偏高碘酸盐。应该指出的是，当选择偏高碘酸盐时，反应优选地在 黑暗环境中进行。根据一个实施例，与氧化剂的氧化反应持续约30分钟至72小时范围内、 优选地约2-16小时范围内、并且更优选地约2-6小时范围内的时间段。氧化反应通常可在 18°C至60°C、优选地30°C至50°C的温度范围下、并且更优选地在约40°C下进行。根据另一 个实施例，与氧化剂的氧化反应持续至少约一个小时的时间段，并且在另一个实施例中持 续至少约3个小时。容器设置在摇动器上并且在20-500rpm、优选地350-450rpm下进行摇 动。纤维素和偏高碘酸盐之间的摩尔比可保持在1:1-1:160的范围下、优选地1:1-1:120 的范围下、并且更优选地为约1:120。在氧化反应完成时，可将氧化纤维素隔膜在冰浴上的 过滤水中洗涤多次以移除过量的偏高碘酸盐。作为另外一种选择，可将氧化纤维素隔膜在 乙二醇中进行洗涤以中和偏高碘酸盐，随后在DI水中进行多次漂洗。
[0065] 除了上述氧化过程之外或者作为上述氧化过程的另外一种选择，在氧化之前，可 将纤维素隔膜研碎以形成浆料并且随后均匀加工成纤维素纤维的细小悬浮液。然后利用偏 高碘酸钠来氧化均匀加工的悬浮液，如此前所述。然后回收并且洗涤氧化纤维素悬浮液以 移除过量的偏高碘酸盐。然后将悬浮液设置在模具中并且进行交联以再次形成稳定的氧化 纤维素隔膜。
[0066] 在另一个可供选择的实施例中，纤维素隔膜可在氧化之前进行临界点干燥。临界 点干燥为分步过程，其中利用与水共溶的非水溶剂（例如，乙醇）来置换纤维素隔膜中的 水。然后利用液态二氧化碳来置换乙醇。此干燥过程可增强氧化剂渗透到纤维素隔膜内。 使干燥的隔膜与氧化剂反应（如上所述），并且按照上文所述的方式进行回收和洗涤。
[0067] 俥用轺临界二氣化碳的纤维素丰体的干燥
[0068] 在上文所述的氧化工艺中的任何一个之后，可通过使用超临界二氧化碳的临界点 干燥来进一步地干燥纤维素隔膜。如此前在上文所解释的，利用非水溶剂（如，乙醇）来置 换纤维素隔膜中的水。然后通过称为临界点干燥的工艺利用液态二氧化碳来置换溶剂。在 临界点干燥期间，将纤维素隔膜加载到夹持器上、夹在不锈钢网板之间、并且随后浸入包含 超临界二氧化碳的处于压力下的腔室中。夹持器被设计成允许CO2循环穿过纤维素隔膜，同 时网板固定隔膜以防止隔膜在干燥过程中波动起伏。一旦所有的有机溶剂均已被移除（在 最典型的情况下，在约1-6小时的范围内），就将液态CO2温度增加到二氧化碳的临界温度 之上，使得CO2形成超临界流体/气体。由于此转换期间不存在表面张力的事实，所得的产 品为保持形状、厚度、和三维结构的干燥隔膜。将干燥的产品进行切割、包装和消毒。
[0069] 实例
[0070] 除非本文另外指明，用于以下实例中的经照射的纤维素在约20-26. 5kGy的范围 内进行照射。
[0071] 除非本文另外指明，用于实例中的天然纤维素在其进行照射和/或氧化之前与氧 化纤维素（经照射的以及未经照射的）具有类似的纤维素含量（以g/cm2测量）。
[0072] 样品的氣化百分比
[0073] 通过测量存在的醛含量来确定纤维素隔膜中的氧化纤维素的百分比。例如，使氧 化样品在搅拌的烧杯中与70°C的IOmlO. 05MNaOH反应15-25分钟。然后将悬浮液冷却至 室温并且添加IOml的0. 05MHCl以中和NaOH。利用酚酞作为指示剂通过0.OlMNaOH来滴 定过量的酸。利用下述公式来计算纤维素样品的氧化百分比：
[0074]氧化 ％ = [ (MNa0HTit*VNa0HTit) *(MW氧化纤维素/M氧化纤维素）*100] /2
[0075]表1

【权利要求】
1. 一种生物材料前体反应性混合物，包括： 以下的反应性混合物： (a) 经照射的纤维素；和 (b) 氧化剂； 其中所述生物材料前体反应性混合物的反应产物为无热原吸收性生物材料。
2. 根据权利要求1所述的反应性混合物，其中所述经照射的纤维素为微生物来源的 纤维素。
3. 根据权利要求2所述的反应性混合物，其中所述微生物来源的纤维素来源于木葡 糖醋杆菌。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的反应性混合物，其中所述反应产物具有约20% 至约70%范围内的氧化度。
5. -种用于组织替代或扩充的植入物，包括： 经照射的氧化纤维素的多孔主体，其通过使经照射的纤维素与氧化剂反应来形成，其 中所述主体形成不均匀的三维纤丝状网络。
6. 根据权利要求5所述的植入物，其中所述植入物具有第一刚性状态。
7. 根据权利要求6所述的植入物，其中所述植入物具有第二水合状态，并且其中所述 植入物在通过生物相容性流体水合时从所述第一刚性状态转变成所述第二水合状态。
8. 根据权利要求7所述的植入物，其中处于所述水合状态的所述植入物的表面与解 剖表面相适应。
9. 根据权利要求8所述的植入物，其中所述解剖表面为软组织的表面。
10. 根据权利要求9所述的植入物，其中所述软组织为硬脑膜组织。
11. 根据权利要求7所述的植入物，其中处于所述水合状态的所述植入物的表面与第 二医疗装置的表面相适应。
12. 根据权利要求5-11中任一项所述的植入物，其中所述多孔主体在SBF条件下在一 周之后具有约0%至90%范围内的体外降解特征。
13. 根据权利要求5-11中任一项所述的植入物，其中所述多孔主体在SBF条件下在四 周之后具有约20%至80%范围内的体外降解特征。
14. 根据权利要求5-13中任一项所述的植入物，其中所述植入物具有至少7. 0的持水 量（WHC)，并且其中所述氧化剂具有至少大约0. 3M的浓度。
15. 根据权利要求5-13中任一项所述的植入物，其中所述植入物具有表面积和持水 量（WHC)，并且其中所述WHC与表面积比率为至少2. 7:1。
16. 根据权利要求5-15中任一项所述的植入物，其中所述植入物为用于活性剂的支 架或载体。
17. 根据权利要求16所述的植入物，其中所述活性剂浸渍在所述多孔主体内。
18. 根据权利要求16所述的植入物，其中所述活性剂被涂布到所述植入物的表面上。
19. 根据权利要求16所述的植入物，其中所述活性剂选自骨髓、自体移植物、骨诱导 性小分子、成骨材料、干细胞、骨形态发生蛋白、抗菌剂、磷酸钙陶瓷、以及它们的混合物和 共混物。
20. 根据权利要求7-11中任一项所述的植入物，其中所述植入物在水合状态下为基 本上半透明的。
21. -种制备氧化的纤维素主体的方法，包括以下步骤： (a) 照射纤维素的主体以便形成经照射的纤维素主体，以及 (b) 使所述经照射的纤维素主体与氧化剂反应以便形成氧化的纤维素主体； 其中所述氧化的纤维素主体为无热原的、多孔的和吸收性的。
22. 根据权利要求21所述的方法，还包括使所述经照射的纤维素主体至少部分地脱 水的步骤。
23. 根据权利要求21-22中任一项所述的方法，还包括使所述氧化的纤维素主体至少 部分地脱水的步骤。
24. 根据权利要求22所述的方法，其中所述使所述经照射的纤维素主体脱水的步骤 通过机械地挤压所述纤维素主体来进行。
25. 根据权利要求23所述的方法，其中所述使所述氧化的纤维素主体脱水的步骤通 过使用超临界二氧化碳的临界点干燥来进行。
26. 根据权利要求21-25中任一项所述的方法，其中所述氧化剂选自偏高碘酸盐、次 氯酸盐、重铬酸盐、过氧化物、高锰酸盐或二氧化氮。
27. 根据权利要求21-26中任一项所述的方法，其中所述氧化剂为偏高碘酸钠。
28. 根据权利要求27所述的方法，其中所述纤维素和偏高碘酸盐以纤维素比偏高碘 酸盐为1:1至约1:160的摩尔比范围反应。
29. 根据权利要求28所述的方法，其中所述纤维素和偏高碘酸盐以纤维素比偏高碘 酸盐为1:1至约1:120的摩尔比范围反应。
30. 根据权利要求21-29中任一项所述的方法，其中所述氧化剂在所述反应中具有约 0. 05M至约0. 5M的浓度范围。
31. 根据权利要求21-30中任一项所述的方法，其中所述氧化剂在所述反应中具有约 0. 2M至0. 4M的浓度范围。
32. 根据权利要求21-31中任一项所述的方法，其中所述氧化剂和所述纤维素反应约 0. 1小时至约24小时。
33. 根据权利要求21-32中任一项所述的方法，其中所述氧化剂和所述纤维素反应约 0. 1小时至约6小时。
34. 根据权利要求21-33中任一项所述的方法，其中在所述氧化剂与所述经照射的纤 维素之间反应一个小时之后，所述氧化的纤维素主体具有至少约25%的氧化度。
35. 根据权利要求21-34中任一项所述的方法，其中在所述氧化剂与所述经照射的纤 维素之间反应两个小时之后，所述氧化的纤维素主体具有至少约40%的氧化度。
36. 根据权利要求21-33中任一项所述的方法，其中在所述氧化剂与所述经照射的纤 维素之间反应之后，所述氧化的纤维素主体具有约20%至约70%的氧化度。
37. 根据权利要求21-36中任一项所述的方法，其中所述照射步骤包括在约10kGy至 约lOOkGy的范围内照射。
38. 根据权利要求21-37中任一项所述的方法，其中所述照射步骤包括在约20kGy至 约40kGy的范围内照射。
39. 根据权利要求21-38中任一项所述的方法，其中所述照射步骤包括穿透γ辐射。
40. 根据权利要求21-39中任一项所述的方法，还包括使所述纤维素的主体、所述经 照射的纤维素主体、或所述氧化的纤维素主体中的任一者与一种或多种活性剂接触的步 骤。
41. 根据权利要求21-40中任一项所述的方法，其中所述照射的步骤包括仅单次剂量 的辐射。
42. 根据权利要求21-40中任一项所述的方法，其中所述照射的步骤包括至多五次剂 量的福射。
【文档编号】A61L31/14GK104271166SQ201380010634
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年2月22日 优先权日:2012年2月22日
【发明者】W.兹扎贾, D.D.克赖里奥克 申请人:新特斯有限责任公司