本发明涉及权利要求1的具有包含生物活性涂层的表面的植入物以及权利要求15的获得所述植入物的方法。
描述
植入物如骨科植入物用来替换或修复骨，如关节(例如膝关节、髋关节和肘关节)。在骨骼由于诸如骨折的创伤而不稳定的情况中，植入物还可以用于稳定骨骼，或者植入物还可以用于正确对齐。这些植入物通常由塑料、聚合物、陶瓷、钢、不锈钢、金属或合金制成。
植入物的临床应用中的一个问题是植入物在人体中的机械锚定。为了促进假体在骨中的锚定，已知生物活性涂层如骨样涂层或肽涂层如rgd-涂层促进假体或植入物向内生长进入骨中。
但是，由植入物引起的骨和组织感染仍然是另一主要障碍。表面植入物为细菌提供附着和生长的平台。由于细菌的快速生长速度，它们能够在外科手术的几天内形成感染，这引起植入物固定的丧失、局部组织炎症以及局部组织坏死和败血症。
对抗感染的一种方法是局部采用抗生素。这可以例如通过使用在其上施加有抗生素的局部抗生素载体如骨胶合剂、珠、胶原片来完成。但是，所述局部疗法大量失败，常最终导致必需截肢。
引起感染性并发症的最常见生物体是表皮葡萄球菌(staphylococcusepidermis)、金黄色葡萄球菌(staphylococcusaureus)和不同的假单胞菌(pseudomonassp.)，在骨科手术的情况下，表皮葡萄球菌和金黄色葡萄球菌占所有感染性生物体的几乎70-80％。
防止骨科手术引起的细菌感染的另一方法是使用抗微生物剂涂层或表面处理的植入物用于抑制细菌附着和/或抑制细菌生长。
过去开发了这样的技术，其使用涂层载体基质，其中包埋抗微生物剂如抗生素、防腐剂或银离子并且在植入之后递送至植入体表面。这样的载体基质包含例如聚合物或者由不可吸收的聚合物和/或生物可吸收的聚合物组成的聚合物层。这些聚合物可以选自聚交酯、聚丙烯酸酯、聚硅氧烷、聚氨基甲酸酯、壳聚糖、糊精、环糊精、聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、氨基葡聚糖(glycoseaminglycanes)、聚乙二醇等。
还已知使用磷酸钙涂层的金属植入物作为生物活性剂的储库(wo03/035123)。这里将植入物首先涂覆一层或多层磷酸钙矿物质如羟基磷灰石。生物活性剂仅在临植入之前施加于该植入物。
ep1683531b1公开了由基质组成的植入物抗生素涂层，所述基质由脂肪酸或脂肪酸酯如棕榈酸酯、鲸蜡醇棕榈酸酯、甘油硬脂酸酯等制成。抗生素悬浮于所述基质中。
提供稳定涂覆生物活性剂的植入物的另一方法是添加纤维至涂层用于提供纤维增强。这类纤维可以具有长度5μm的长度。
迄今已知的提供涂层植入物的方法因为一个或多个原因具有几个缺点。例如，当使用包含包埋于聚合物中的抗微生物剂的涂层时，植入之后释放入组织的抗微生物剂的量是有限的，因此不能保证有效预防细菌感染。此外，过去应用的许多聚合物可能降解并释放单体，这可能引起其他健康并发症。此外，应当避免使用载体，因为剪切力的转移通过中间层进行，减少主要稳定性。而且，制造者应用抗微生物剂为植入物增加非常高的成本。结果，仅有少量预涂覆装置是可商购的。另一问题是涂层的稳定性，这可以大大减少涂覆植入物的保质期。
因此，仍需要提供具有抗微生物涂层的植入物用于治疗和预防细菌感染，其可以以合理的成本生产并且其特征还在于合理的保质期。还需要不妨碍骨愈合并且对植入物-骨界面没有任何负面影响的植入物。
通过权利要求1的具有包含涂层的表面的植入物以及权利要求15的获得这样的植入物的方法实现这个目的。
因此，提供具有表面的植入物，其中所述植入物包含涂层，所述涂层在所述植入物的至少部分所述表面上，其中所述涂层包含互相毗邻的至少两个涂覆层的生物活性化合物。
根据本发明，本发明的植入物可在包含以下步骤的方法中获得：
-提供具有表面的植入物，
-提供第一悬浮液，其包含在第一溶剂中的至少一种第一生物活性化合物，其中所述第一生物活性化合物在所述第一溶剂中是不溶的或仅部分可溶的，
-将包含所述至少一种第一生物活性化合物的所述第一悬浮液施加在至少一部分所述植入物表面上，形成第一涂覆层；
-干燥所述第一涂覆层，
-提供第二溶液，其包含在第二溶剂中的至少一种第二生物活性化合物，其中所述第二生物活性化合物在所述第二溶剂中是可溶的或易溶的；
-将包含所述至少一种第二生物活性化合物的所述第二溶液施加在所述第一涂覆层上，形成第二涂覆层，以及
-干燥所述第二涂覆层。
因此，将所述至少两层生物活性化合物以迭代过程施加，其中在第一步中，将所述至少一种第一生物活性化合物施加在所述植入物表面，特别是金属植入物表面，并且在中间干燥所述第一涂覆层之后，将所述至少一种第二生物活性化合物施加在所述第一涂覆层上。因此，包含所述至少一种第一生物活性化合物和至少一种第二生物活性化合物的层可以形成单独的层或者还可以形成至少部分重叠的层。还可以这样描述所述涂层：外(第二)层隐藏所述植入物表面上的内(第一)层。
令人惊讶地发现，当应用这样的将至少两种生物活性化合物施加在植入物表面的迭代过程时，所述涂层很好地附着至所述植入物，并且形成包含至少两种生物活性化合物的稳定涂覆层。如实施例所述，在磨损试验中显示涂层的附着力提高。
这在一种生物活性化合物(例如形成所述第一涂覆层的至少一种生物活性化合物)在通常使用的诸如低级有机醇的有机溶剂和/或水中具有低溶解度的某些情况下特别显著。
在这种情况下，利用悬浮液将所述第一生物活性化合物施加在所述植入物表面，即，所述第一生物活性化合物仅有限程度地溶解在所使用的溶剂中，从而将固体而不是液体施加在的的植入物表面。
例如，所述第一生物活性化合物在常用有机溶剂如四氢呋喃(thf)、二甲亚砜(dmso)、甲醇、乙醇或异丙醇中是几乎不溶的。
甚至在具有诸如醇的有机溶剂的水性溶液中，溶解度也是有限的。在这类情况下，所述第一生物活性化合物在水性溶液中的溶解度低于1mg/ml，优选低于0.8mg/ml，特别优选低于0.5mg/ml。例如，所述第一生物活性化合物在水/异丙醇混合物中的溶解度非常低(例如在异丙醇/水2:1v/v中的溶解度少于0.8mg/ml)。
所述第一生物活性化合物在水中的溶解度可以小于5mg/ml，优选小于4mg/ml，特别是小于3mg/ml。但是，使用水作为所述第一生物活性化合物的唯一溶剂不是优选的，因为干燥过程会被延长并受阻。
此外，所述第一生物活性化合物在所述悬浮液中的粒径优选小于15μm，优选小于10μm，最优选小于5μm。例如悬浮液可以利用高压匀浆器获得。
结果，所述第一生物活性化合物在所述植入物表面上形成(在干燥之后)片状、粉末状涂层，其可以很容易擦掉。所述第一涂覆层还可以描述为斑状粉末涂层；即，不连续的涂覆层。
相反，包含所述至少一种第二生物活性化合物(其在所述第二溶剂中是可溶的)的所述第二涂覆层形成几乎连续的涂覆层；即，连续涂层表面。所述第二涂覆层隐藏或粘合所述植入物表面上的第一层。
形成所述第一涂覆层的第一生物活性化合物的悬浮液的溶剂或悬浮剂(suspensionmeans)可以选自非极性溶剂如烷、烯、醚、羧酸酯，极性溶剂如水或有机醇或者它们的混合物。特别优选甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丁醇、水或它们的混合物。
用于形成所述第一层的至少一种第一生物活性化合物(和可能的其他生物活性化合物)的适当溶剂的选择取决于所述化合物的总溶解度。特别地，通过在与人体相容的任何溶剂中具有一般低溶解度的一种或多种生物活性化合物形成所述第一涂覆层。如上文所述，形成所述第一涂覆层的第一生物活性化合物的最小溶解度使得所述第一生物活性化合物在所述悬浮液中的粒径小于15μm。
相反，包含所述至少一种第二生物活性化合物(其在所述第二溶剂中是可溶的，优选是完全可溶的)的第二涂覆层形成连续的涂覆层；即，连续涂层表面。所述第二涂覆层隐藏或粘合所述植入物表面上的第一层和第二层的组合。
形成所述第二涂覆层的第二生物活性化合物的溶液的溶剂可以是极性溶剂如有机醇或水。在优选实施方案中，所述第二生物活性化合物的溶剂是甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丁醇、水或它们的混合物。
在本发明的植入物的特别优选的实施方案中，所述涂层不含用于促进所述涂层附着至所述植入物表面并且可以形成载体基质或支持基质的任何额外的化合物。因此，所述至少两层的任一层中使用的生物活性化合物不被掺入到任何聚合物、聚合物层或磷酸钙层。此外，所述涂覆层中的每一个不含任何增强材料如纤维或者任何其他附着辅助剂如蜡状材料，其可以是选自脂肪酸、三酰甘油、二酰甘油、甘油磷脂、磷脂酰胆碱和它们的混合物。此外，本发明的植入物的生物活性涂层不含任何酶或酶促可降解的键。因此，本发明的植入物的生物活性涂层不包含或含有可以促进对植入物表面的附着的任何额外的基底。所述涂覆层中包含的唯一组分可以是抗氧化剂，用于抗老化原因。
在本发明的植入物的变体中，所述第一涂覆层包含超过一种生物活性化合物，特别是两种或三种生物活性化合物。
在本发明的植入物的另一实施方案中，所述第一生物活性化合物和第二生物活性化合物选自止痛药、血液稀释物质(抗凝剂)、激素、细胞生长抑制物质、生长因子、炎症抑制剂和抗生素。
止痛药可以选自布比卡因、布洛芬、对乙酰氨基酚、阿片剂和利多卡因。
血液稀释物质可以选自肝素或香豆素。
用作涂层材料的合适激素可以是雌激素和孕激素。
细胞生长抑制物质优选是甲氨蝶呤(mtx)，蒽环类抗生素如多柔比星、柔红霉素或伊达比星，顺铂，紫杉烷，或者拓扑异构酶抑制剂如托泊替康(toptecan)。生长因子优选地选自fgf-家族(成纤维细胞生长因子)；tgf-家族(转化生长因子)，hedgehog，wingless，deltaundserrate和ephrines。优选的生长因子是成纤维细胞生长因子(fgf)、转化生长因子(tgf)、血小板衍生生长因子(pdgf)、表皮生长因子(egf)、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(gmcsf)、血管内皮生长因子(vegf)、胰岛素样生长因子(igf)、肝细胞生长因子(hgf)、白介素-1b、白介素-8(il-1b,il-8)、神经生长因子(ngf)。最优选的生长因子是bmp-2、bmp-5和bmp-7。
炎症抑制剂选自非甾体消炎药如布洛芬、乙酰水杨酸、双氯芬酸、吲哚美辛或保泰松，或者甾体消炎药如地塞米松、氢化可的松或泼尼松龙。
在本发明的植入物的一实施方案中，与所述植入物的表面相邻的至少一个第一层包含至少一种抗生素，所述抗生素选自影响细菌细胞壁或其合成的抗生素。在一实施方案中，作为细菌细胞壁合成抑制剂或者直接使细胞壁不稳定和破坏的所述抗生素包括糖肽、磷霉素和多肽。在一实施方案中，所选的糖肽是万古霉素和替考拉宁。所选的多肽是杆菌肽和达托霉素。用作与所述植入物表面相邻的第一涂覆层的最优选抗生素是磷霉素。
包含抗生素的第一层从而直接涂覆在所述植入物表面上意味着没有使用促进所述抗生素附着至所述植入物表面的辅助剂。但是，在施加所述第一涂覆层之前可以将所述植入物表面预处理，如喷砂或喷玻璃珠。
在本发明的植入物的另一实施方案中，排列在所述第一层上的包含抗生素的第二层包含选自细菌rna聚合酶抑制剂的至少一种抗生素。特别地，所述第二涂覆层的抗生素选自安沙霉素类，特别是利福霉素类。特别地，可以选择利福平(rifampicin)、利福平(rifampin)、利福布汀、利福喷汀或利福昔明。包含利福霉素、特别是利福平的第二涂覆层特别适合消除细胞内的葡萄球菌，以前已显示在局部给药包含利福平的药物组合物之后3天内减少葡萄球菌。
在本发明的植入物的最优选的实施方案中，与所述植入物表面相邻的第一涂覆层包含磷霉素，而且排列在所述第一涂覆层上的第二涂覆层包含利福霉素。包含利福霉素和磷霉素的本发明的植入物的涂层基本上覆盖待减少和根除的整个细菌谱，因此还对有问题的细菌如mrsa和mrse有效。磷霉素具有进一步的特性，其可逆地结合至羟基磷灰石，因此甚至在从植入物释放之后在骨中比任何其他抗生素保留更久。磷霉素具有进一步的优势，其是能够扩散通过骨组织的小分子。
在本发明的框架内应当理解，本文描述的抗生素还可以以它们药学可接受的盐或其衍生物的形式使用。
在另一实施方案中，本发明的植入物选自可植入的假体，特别是髋关节假体(hipprosthesis)、肩关节假体(shoulderprosthesis)、肘关节假体(elbowprosthesis)、膝关节假体(kneeprosthesis)或脊椎植入物或者用于创伤手术的植入物如螺丝、板等。
在本发明的植入物的另一实施方案中，在与所述植入物表面直接相邻的第一涂覆层中的生物活性化合物的浓度，特别是抗生素浓度为50-500μg/cm2表面积，优选70-350μg/cm2，特别优选150-250μg/cm2。在一最优选的实施方案中，在所述第一涂覆层中的生物活性化合物浓度为300μg/cm2。
在另一实施方案中，排列在所述第一涂覆层上的第二涂覆层中的生物活性化合物浓度、特别是抗生素浓度为30-350μg/cm2表面积，优选50-250μg/cm2，特别优选50-100μg/cm2。在所述第二涂覆层中最优选的抗生素浓度为60μg/cm2。
在另一实施方案中，本发明的植入物在所述涂覆层中的至少一个中，特别是在所述第二涂覆层中，包含至少一种抗氧化剂。优选地，与所述植入物表面相邻的第一涂覆层不含任何抗氧化剂，其中排列在所述第一层上的第二层包含抗氧化剂。
在所述植入物上包含生物活性化合物、特别是抗生素的涂覆层中的至少一个中使用抗氧化剂提高所述生物活性化合物的稳定性。因此，涂覆植入物的保质期增加。
因此，所述至少一种抗氧化剂优选地选自维生素c、维生素e、包含多酚的组合物等。所述包含多酚的组合物优选包含黄酮类化合物；苯甲酸衍生物，如羟基苯甲酸类，例如香草酸，三羟基苯甲酸如没食子酸以及二羟基苯甲酸如原儿茶酸；肉桂酸衍生物，如对香豆酸；以及均二苯乙烯衍生物如白藜芦醇。
特别优选的是所述抗氧化剂是所述第二涂覆层的部分，即所述第二涂覆层包含抗生素和抗氧化剂的混合物。
所述抗氧化剂在所述第二涂覆层中的浓度可以为所述第二生物活性化合物的10-50重量％，优选15-40重量％，特别优选20-30重量％。例如，如果使用1g所述第二生物活性化合物，则该溶液可以补充200mg抗氧化剂如维生素c。
在一最优选的实施方案中，本发明的植入物包含：第一涂覆层，其包含磷霉素，以及第二涂覆层，其包含与抗氧化剂、特别是维生素c混合的利福霉素、特别是利福平。优选的是所述第一涂覆层包含300μg/cm2每表面积磷霉素和60μg/cm2每表面积利福霉素和优选12μg/cm2的维生素c。
本发明的植入物进一步用于治疗植入所述植入物的个体的组织感染，其中所述组织可以是例如软组织和/或骨组织和/或骨。这些感染可能由于外科手术而发生，特别是由于与将植入物植入人体或非人体相关的手术。因此，所述治疗可能施加于人体或非人体。
在一实施方案中，待治疗的感染组织是急性或慢性感染的。还可以治疗急性感染和慢性感染的组合，即，叠加慢性感染的急性感染。
在进一步的实施方案中，感染的细胞如感染的组织细胞是成骨细胞、白细胞、红细胞、角质形成细胞、成纤维细胞、脂肪细胞、肌肉细胞和/或内皮细胞。
利用本发明的植入物治疗的微生物感染是由革兰氏阴性细菌和/或革兰氏阳性细菌或酵母引起的。这类生物体包括克雷伯氏菌(klebsiella)、肠杆菌(enterobacter)、不动杆菌(acinetobacter)、假单胞菌(pseudomonas)、埃希氏菌(escherichia)和葡萄球菌(staphylococcus)。具体细菌包括金黄色葡萄球菌，由菌株nctc8325以及目前在医院环境中引起重大问题的甲氧西林耐受菌株代表。其它的靶标是表皮葡萄球菌，由菌株nctc11047代表，以及酵母如白色念珠菌(candidaalbicans)，由菌株atcc26555代笔。最优选革兰氏阳性葡萄球菌类型，特别是金黄色葡萄球菌和/或表皮葡萄球菌引起的感染的治疗。
优选地，所述第一涂覆层和第二涂覆层是通过分别利用至少一个第一喷头(inkjet)和至少一个第二喷头或者对于两层仅利用一个喷头而被施加至所述植入物表面的。因此，利用喷头施加本发明的植入物的涂覆层，所述喷头将涂层物质的小滴(在此为抗生素悬浮液或溶液)施加至所述植入物表面上。
在一优选实施方案中，待涂覆的植入物在施加所述涂层之前接受特殊预处理，具体地，将所述植入物表面喷砂或喷玻璃珠。所述表面处理提高所述第一涂覆层对所述植入物表面的附着。但是，涂覆过程也可以在未处理的表面或机械加工的表面上进行。
如之前所提到的，所述至少一种第一悬浮液包含粒径小于15μm、优选小于10μm、特别优选小于5μm的所述至少一种第一生物活性化合物，如抗生素。
为了获得这样的溶液或悬浮液，所述第一生物活性化合物如第一抗生素优选在适当的悬浮剂或溶剂中匀浆直至获得定义的粒径和浓度。这样的匀浆可以例如在高压匀浆器中进行。在利用所述第一喷头将所述第一悬浮液施加至所述植入物表面期间或之后，所述溶剂或悬浮剂蒸发，从而获得第一涂覆层。
特别优选的是提供磷霉素-钙一水合物在2-丙醇/水(2:1体积/体积)中的悬浮液并且在高压匀浆器中匀浆直至80％的磷霉素颗粒具有小于10μm的粒径或粒度。
还优选的是作为第二抗生素的利福平在与维生素c和甲醇的混合物中提供，随后利用第二喷头将其施加至第一磷霉素层。
以下参考示例性实施方案解释本发明的进一步细节。
实施例1
提供磷霉素-钙一水合物在2-丙醇/水＝2:1vol/vol中的悬浮液并将其在适当的高压匀浆器中匀浆。磷霉素盐在悬浮液中的浓度使得在施加至植入物表面之后限定涂覆层中的磷霉素浓度为300μg/cm2每植入物表面积。
磷霉素悬浮液包含80％的颗粒，其具有小于10μm的直径。这样的磷霉素悬浮液稳定约35天。随后利用第一喷头将磷霉素悬浮液施加至植入物表面。
平行地，通过将利福平和维生素c溶于甲醇中提供用于第二涂覆层的包含第二抗生素的第二溶液。选择溶液中的利福平浓度，使得植入物上的最终利福平浓度为60g/cm2。
随后利用分开的第二喷头将包含利福平和维生素c的所述第二溶液涂覆至第一磷霉素涂层上。
实施例2:
应用擦拭试验来测定磷霉素-利福平双涂覆层的附着。将基底(在此为玻璃基底)首先用磷霉素-ca一水合物悬浮液涂覆。随后，将一部分用磷霉素-ca涂覆的玻璃基底用利福平部分涂覆。
磷霉素-ca颗粒以约430μg/cm2(对应于约300μg/cm2活性磷霉素)的密度分布在表面上。施加至磷霉素-ca层的利福平的密度为约60μg/cm2。
然后，利用聚酯布擦拭完全涂覆的基底。通过在仅施加磷霉素-ca(即没有第二层利福平)的区域这样做，大量去除磷霉素-ca。相比之下，用利福平涂覆磷霉素的那些区域保持完整。因此，第二层利福平的施加防止去除第一磷霉素层。
实施例3:
在高压匀浆器中制备地塞米松在水/乙醇中的悬浮液。利用第一喷头将悬浮液施加至植入物表面。将第一涂覆层干燥。
平行地，提供利多卡因(盐酸盐)的甲醇溶液并利用第二喷头施加至第一层。