专利名称：基于磷酸钙的可吸收生物聚合物交联骨替代材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种由包埋在本发明特定的交,原基质中的不同相的磷 酸钓颗粒制成的可吸收骨替代材料。
背景技术：
不能在自然愈合中通过生物体来闭合的骨缺陷，需要应用可具有天然 或人工来源的骨替代材料，并且所述替代材料将填4械陷并且被重建到内 生骨。
所谓的"黄金标准，，代表自体骨的利用，那么，例如要从患者健全的 区域，例如从髂嵴取下一块骨用于填补缺陷。因此，若具有更大的骨缺陷 或自体骨不合适，则也依靠外源骨材料，其被相应恢复。以更大量提供外
源骨的优点与它们的缺点并存，即改变恢复方法可能导致不同的机械性能
(Palmer S.H.， Gibbons C丄.M.H.， Athanasou N.A.: JBJS (Br)1999， 81國B， 333-5)。此外，使用外源骨不能排除感染(Boyce， T" Edwards J.， Scarborough N.: Orthop. Clin. North Am. 1999， 30(4)， 571-81)。对于去生物 化动物骨的应用，具有与外源骨的应用同样的缺点，因而已经开发了各种 人造骨替代物。
人造骨替代物的优点除易得性之外，还在于存在对化学組成和结构的 检查，并且可以彰响生物有效性从而实现最佳疗程。
大多数AJt骨替代物包含4丐矿物如碳酸钩、硫酸钓以及不同的磷酸钩。 过去，已经使用了特别是磷酸钓如P-磷酸三钙和羟基磷灰石，其中羟基磷 灰石是天然骨的基本成分(Dorozhkin S.V.， Epple M.: Angew. Chemie 2002 114， 3260-77)。
基于磷酸钧的骨替代材料可以针对不同的应用范围以不同的实施方案 制造。例如，颗粒用于牙骨缺陷的填补，而可注射粘固粉用于稳定推骨体。
将负荷沖莫压的陶瓷物插入头骨和大长骨的缺陷处。
在负荷情况下，对于由磷酸钩制成的骨替代材料而言出现特别的困难。 必需的结构仅能负栽有限的最大力，并且必须通过适合的生产工艺补偿合 成磷酸钩的天然具有的脆性，例如通过烧结可实现强度的增加。那么，不
利的是，烧结的磷酸钙的吸收比起正常疗程对应的重吸收要慢(LeGeros R.Z.: Clinical Materials 1993， 14， 65-88)。此外，烧结造成纳米孔隙率的损 失。
增加基于磷酸锅的骨替代材料的强度的另一可能是通过冷等压压制进 行压缩。然而，这些模制品的孔隙率则开始大量损失，致使为了补偿此影 响，必须通it^L械再加工来提供宏观结构，例如钻孔(Tadic D.， Epple M.: Biomaterials 2003， 24, 4565-71)。
如果机械强度(Belastbarkeit)不起重要作用，那么可以用其它能较好地 调整孔隙率的方法生产基于磷酸钓的骨替代材料。如果将无机组分限定为 材料成分，那么特别是溶胶-凝胶法正适合于产生开孔网状结构(Brinker CJ., Scherrer G.W.: Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing, Academic Press, 1990)。
此外，如果有机组分用作粘合剂，那么模制品既可以通过直接成型法 产生(Michnaa S.， Wua W" Lewis J.A.: Biomaterials 2005， 26， 5632-9)，例 如作为三维栅极形式，也可以通过挤压成型来生产(Weihe S.， Wehmdller M.， Tschakaloff A" von Oepen R. ， Schiller C., Epple M. , Eufinger H.: Mimd画，Kiefer-, Gesichtschirurgie 2001, 5:299 - 304)。必须通过成型方法 本身或通过机械加工来设置这些模制品的孔隙率(D. Tadic D" M. Epple M.: Biomaterials 2003， 24,4565-71)。
通过应用包含在体液中具有不同的溶解度并因此具有不同的吸收速率 的磷酸钩可调组分的骨替代物，吸收过程可以以规定的方式设定。结果，
损伤另外被骨替代材料支撑一段时间，期间新骨组织发育并且固化。较小 溶解度的磷酸钙随后在骨重塑期间将完全被重吸收(LeGeros R. Z.: Clinical Materials 1993， 14， 65-88)。
总之，注意到基于磷酸钙的骨替代材料成功用于简单缺陷的治疗。然
而此时，由于材料相关问题而没有进行重度缺陷的应用。首先这些问题依 在于，靠目前的方法不能满足对骨替代材料和由之形成的缺陷填补材料体
的实质要求，分别是
(1) 一方面，生产形锁合(formschltissig)的骨替代物模制品，即分别以 解剖学方式和根据缺陷成型，其极佳地充分填补骨缺陷并且可力锁合 (kraftschliissig)， 并且
(2) 另一方面，实现易吸收的结构。
此外，应用目前的制造方法非常难以向骨替代材料提供具有强可变浓 度的额外的有机或无机物质，也难以分别借助包埋的、永久的和吸收的支 撑结构提供负荷性能的改进。
发明内容
本发明要解决的问题是生产非脆性的积极骨替代物模制品，即分别以 解剖学方式和和才艮据缺陷成型，其极佳地充分填补骨缺陷，并且是可吸收的。
解决问题的方案通过由包埋在根据本发明交联的胶原基质中的磷酸钩
颗粒混合物生产骨替代物而获得。
具体而言，通过漆酶引发的肽交联和适合的桥接分子实现胶原交联。 取代的二羟基芳族化合物和/或木质多酚氧化酶基质如漆酶通常适合
作为桥接分子。
因此，使用单环邻二羟基芳族化合物、单环对二羟基芳族化合物、双 环单羟基芳族化合物、多环单羟基芳族化合物、双环二羟基芳族化合物、 多环二鞋基芳族化合物、双环三羟基芳族化合物、多环三羟基芳族化合物 或其混合物。与众所周知的贝类胶相反，根据本发明的羟基芳族化合物不 是聚合物链的一部分。
这些芳族化合物可以进一步被取代。优选的官能团是选自由卤素、磺 基、砜基、磺胺基(sulfamindo)、巯基(sulfanyl)、氨基、St^基、偶氮基、 亚氨基以及羟基組成的组的取代基。那么，要确定取代的芳族化合物，具 体而言取代的二幾基芳族化合物具有非常有利的聚合性能如快速聚合、低
自然键合和良好的交联强度。芳族化合物的适当取代导致单羟基芳族化合 物也适合作为用于交联的桥接分子。在本发明的范围内，取代意指除羟基
之外，1、 2、 3或4个其它基团键合到芳族化合物。此外，单羟基化二芳 基化合物也适合作为桥接分子。
特别优选作为桥接分子的是在邻位或对位上包含羟基或曱氧基的苯酚 矛《生物，对应于式1和2，
其中
n=0~10，优选0或1，特别是0;
R,-OH或NH2或囟素，优选OH、 Cl或Br,特别是OH; R2=H、 CH3、 CHO、 COCH3、 CONH2、 CON-烷基、CON-烷基-OH、 COOH、 COO-烷基、烷基、取代的芳族基团，特别是CON-烷基或COO-
烷基，以及
R3=H、 CH3、烷基、取代的芳族基团，特别H或CKb。
在本文中，烷基意指具有优选1 20个碳原子，更优选1 6个碳原子的
支化或非支化的脂族烃链，例如甲基、乙基、丙基、丁基、异丁基、正戊
基、正己基。
进一步，可能的,分子是式1化合物，尤其是氢醌，其可被进一步 取代。由快速键接反应的观点看来，如果可能的话，具有低自然键合的取 代二羟基芳族化合物根据本发明是特别合适的。优选使用2，5-二羟基苯甲 酰胺，其中特别优选2，5-二羟基-N-2-羟基乙基苯甲酰胺。
在芳族三羟基化合物的情况下，优选每个苯单元具有不超过两个羟基。 特别优选下面式3的聚苯，例如联苯或三联苯。
<formula>formula see original document page 8</formula>式3
其中
n=0~10,优选0或1; 并且
R产H且R尸OH，或者，R产OH且R尸H。
式3的聚苯可以被取代，例如，在羟基的邻位具有CH3、CHO、COCH3、 CONH2、 CON-烷基、CON-烷基-OH、 COOH、 COO-烷基、烷基、取代 的芳族基团，特别是CON-烷基或COO-烷基和/或在羟基的间位具有CH3、 烷基、取代的芳族基团，特别是CBb。
根据本发明，胶原的交联在多酚氧化酶的作用下发生，如木质多纷氧 化酶，特别是漆酶(EC 1.10.3.2)。已知漆酶为交联剂。它们可以源自植物、 蘑菇、细菌或昆虫或者源自天然酶。在本发明范围内使用的漆酶可以重组 产生或可以纯化。其实例是由曲霉菌属(aspergillus)、链孢霉属 (neurospora)、 柄孢壳属(podospora)、 葡萄孢属(botrytis)、金钱菌属 (collybia)、层孔菌属(fomes)、香菇属(lentinus)、侧耳属(pleurotus)、密孔 属(pycnoporus)、 梨孢属(pyricularia)、 栓菌属(trametes)、 丝核菌属 (rhizoctonia)、鬼伞属(coprinus)、小脆柄菇属(psatyrella )、毁丝霉属 (myceliophthora)、 schtalldium、多孑L菌属(polyporus)、射脉菌属(phlebia) 或革盖菌属(coriolus)物种提取的漆酶。EP 0947142公开了漆酶的制备。
通过多酚氧化酶，如木质多酚氧化酶，优选漆酶(EC 1.10.3.2)的应用， 其基质谱可用于交联反应。因此，本发明特别特征在于很大范围的桥接分 子可用于交联。
单独组分胶原和桥接分子物质的浓度变化范围均可大致在1 50mM。 然后，必须考虑，根据选择的桥接分子，干扰桥接分子的自然反应减 少交联键的形成。桥接分子的浓度过低导致反应太慢，浓度过高导致通过 自然键合进行的较强副反应。多酚氧化酶的浓度影响反应速率，其中根据
应用，通过改变浓度可实现更快的交联或更久的加工性能或组合。软组织
的优选交联体积比如在8.5nM胶原、12.5mM的2，5-二羟基-N-2-羟基乙基 苯甲酰胺、0，32U(156 nmol ml1 min力多盼氧化酵的配方中实现，
粒，得到适合作为骨替代^"固态材;。 、5 '
优选将多酚氧化酶和多酚溶解在磷酸盐緩沖液如磷酸4丐或磷酸納緩沖
液或PBS中。使用的漆酶和多酚组分的稠度从液态到糊状。使用的各组分
的粘度可通过溶剂改变。溶剂的浓度影响交联。
交:^应优选在5~7的pH值下发生。反应可以在2~80摄氏度范围内
的温度进行，然而，温度优选在20 37摄氏度范围内，特别是在25 30摄
氏度范围内。
为了支持交联，可以使用另一种较短链的肽。在本发明的特别优选的 实施方案中，肽的约50%氨基酸由赖氨酸构成。可安排赖氨酸和另一M 酸作为重复的二肽单元。氨基酸的另 一序列或包含其他"IL^酸也是可以的， 所述氨基酸特别是精氨酸、天冬跣胺、谷氨酰胺或组氨酸(代替赖氨酸或除 了赖氨酸之外的)，丝氨酸或苏氨酸(代替酪氨酸或除了酪氨酸之外的)，半 胱氨酸或其它氮基酸。
在同样优选的实施方案中，其仅涉及由两种氨基酸组成的聚合物如(赖 氨酸酪氨酸)n，其中n可采用5 40之间的值，如5、 10或20。
此外，(赖氨酸酪氨酸)n有利地作为肽使用。通过在基质中使用(赖氨酸 酪氨酸) ，赖氨酸在骨替代材料中以高浓度存在并对骨细胞的增育和分化 有积极的影响。
在交联之前，所述物质混合物具有粘性并可被任意成型。那么，可呈
现筒单形状如小球及复杂模制品。
此外，可以用粘性材料填补多^^制品并将其固化。
在一个优选实施方案中，所述材料被构造成互连多孔体。
优选，磷酸-钙颗粒占总重的重量份为70 95%，胶原和低聚肽占总重
的重量份为5~15%，和如果需要的话，桥接分子物质占总重的重量份为约
0.5至5%。 根据本发明的骨替代材料可包括其它物质。在优选实施模式中，所述
材料另外包括Si02。
骨替代材料可用抗生素掺杂。那么，在交联之前已被混合到骨替代物 中的具有自由氨基的抗生素将在漆酶引发交联期间^接到胶原。此时，将 会伍明以这种方式掺杂抗生素的胶原具有强抗菌效果。
骨替代材料可插^/不插入支撑结构。如果将可吸收有机材料作为支撑 结构插入，则根据本发明特别有利的是选择带有自由氛基的有机材料。在 这种情况下，借助桥接分子的交联不仅在胶原方向上而且在支撑结构方向 上出现，因此获得稳固连接，然而，其将在康复过程中被内生组织替代。 吸收的机制可以是水解或酶催的方式。具体而言，肽可被分解，并且可取
走和分离各片段。或者，所述片段或氨基酸也可并入再生组织。
在另一实施方案中，将磷酸钩模制品的孔隙率定向。因此，所得的复
合模制品的机械性能也取决于方向。
通过使具有方向依赖性机械性能的两个模制品的接触面交联，导致模
制品的稳固连接，这将会减小所得模制品的机械性能的方向依赖性。
借助多个二维模制品的成对接触面的交联而获得的稳固结合，制成具
有高机械强度的多层复合模制品。
本发明的实施方式 实施方案一
将不同变型的磷酸钾的颗粒和胶原的混合物与2，5-二羟基-N-2-羟基乙 基苯甲酰胺均匀混合从而达到12,5mM浓度。通过添加具有0.32U(156nmo1 ml" min")活性的漆酶引发交联。在粘合剂固化后，取决于固态物质组分， 矿物成分和粘合剂材料一起形成高粘性或固态材料。 实施方案二
选择如实施方案一中的实验安排，然而，除胶原之外，还添加低聚肽(长 度为2至约100氨基酸，优选约4至约20 M酸)。除了通常的蛋白质氨 基酸，在低聚肽中也可分别包含改性和非典型氨基酸，如羟基赖氨酸。优 选使用含有赖氨酸的低聚肽，当赖氨酸约为肽的氨基酸的50%时是特别有
利的。此外，肽的约50%氨基酸可以是酪氨酸。可将赖氨酸和酪氨酸例如 安排为重复的二狀单元。具体而言，通过添加由赖氨酸和酪氨酸的重复二 肽单元([lys-tyrn或[tyr-lys]n， n-5或n-10)组成的肽，已经实现良好的交 联，以;s^f的引入和磷酸4丐的包入。 实施方案三
在PBS(磷酸盐緩沖盐水，2.7 M NaCh， 54 mM KC1,87 mM Na2HP04， 30 mM KH2P04， pH7.4)中引入实施方案二中所述的低聚肽并添加漆酶(组 分1)。将2，5-二羟基-N-2-羟基乙基苯曱酰胺溶解在PBS中(组分2)。在合 并两组分后，进行与不同变型的磷酸钩的颗粒和胶原的混合。最低程度地 选择溶剂量以达到组分溶液尽可能浓缩。 实施方案四
将不同变型的磷酸锔的颗粒和胶原，以及如果需要的话根据实施方案 二的另外的低聚肽2,5-二幾基-N-2-羟基乙基苯甲酰胺和漆酶的粘性混合物 借助毛细作用、加压或真空插入到基于磷酸钓的烧结前的互连多孔脆性模 制品的孔中，其在固化后与CaP模制品复合形成固态复合模制品。在具体 实施方案中，互连多孔模制品的形成应使其内表面大部分^部确定为交 联的胶原所覆盖。
在漆酶引发的交联之后，获得与矿物和胶原均有关的互连多孔材料。 当植入时，由于它的骨传导作用，该材料用作缺失骨再生的生物导向杆并 且因此愈合缺陷。 实施方案五
制备根据实施方案三的复合模制品，其特定特征是借助接触表面的 多层交联产生简单敞开或多重敞开的中空体或密闭的中空体。植入后在骨 缺陷的恢复同时维持尺寸稳定性。 实施方案六
制备根据实施方案一的骨替代物，其特定特征是在添加漆酶之前已 将带有氨基的抗生素均勻地分布在混合物中。在用漆酶交联之后用抗生素 掺杂胶原。因此，形成在内部和表面上都栽有活性成分的骨替代物。
实施方案七
制备根据实施方案六的多层复合模制品，其特定特征是将同样的或 不同的活性成分包埋在一个或多个层界中。
权利要求
1. 一种由不同相的磷酸钙颗粒和胶原制成的可吸收骨替代材料，其特征在于，所述胶原作为通过取代的多羟基芳族化合物和漆酶完全或部分交联的基质形成。
2. 根据权利要求1的可吸收骨替代材料，其特征在于，所述的多羟基 芳族化合物选自包括单环二鞋基芳族化合物、双环二羟基芳族化合物、多 环二羟基芳族化合物、双环三羟基芳族化合物或多环三羟基芳族化合物的 組。
3. 根据权利要求2的可吸收骨替代材料，其特征在于，所迷的取代的 多羟基芳族化合物具有110 1100g/mol的分子量。
4. 根据权利要求3的可吸收骨替代材料，其特征在于，所迷的多羟基 芳族化合物是2，5-二羟基-N-2-羟基乙基苯甲耽胺。
5. 根据权利要求1 4的骨替代材料，其特征在于，所述的骨替代材料 形成互连多孔体。
6. 根据权利要求1 5的骨替代材料，其特征在于，所述的胶原基质额 外包含Si02凝胶。
7. 根据权利要求5或6的骨替代材料，其特征在于，所述的互连多孔 体的形成应使其内表面大部分被局部确定为交联的胶原所覆盖.
8. 根据权利要求1 7的骨替代材料，其特征在于，各种材料组分以不 规则顺序或规则顺序排列。
9. 根据权利要求1~8的骨替代材料，其特征在于，其形成为模制品。
10. 根据权利要求9的骨替代材料，其特征在于，其包含内支撑结构，
11. 根据权利要求10的骨替代材料，其特征在于，所述的支撑结构包 含金属，优选钬。
12. 根据权利要求11的骨替代材料，其特征在于，所述的支撑结构包 含可吸收金属。
13. 根据权利要求10的骨替代材料，其特征在于，所述的支撑结构包 含可吸收有机材料。
14. 根据权利要求1~13的骨替代材料，其特征在于，在其外和/或内表面负载有活性成分。
15. 根据权利要求1~13的骨替代材料，其特征在于，所述的活性成分 被引入体积中并且其通过所述材料的吸收才被释放。
全文摘要
本发明涉及一种由包埋在本发明特定的交联胶原基质中的不同相的磷酸钙颗粒制成的可吸收骨替代材料。本发明的目的是形成非脆性的骨替代物形锁合模制品，即具有解剖学形状和/或对应缺陷的形状，其极佳地充分填补骨缺陷，并从而可被吸收。所述目的通过由包埋在本发明的交联胶原基质中的磷酸钙颗粒混合物生产骨替代物实现。具体而言，通过漆酶引发的肽交联和适合的桥接分子实现胶原交联。取代的二羟基芳族化合物和/或木质多酚氧化酶基质如漆酶通常适合作为桥接分子。此外，使用单环邻二羟基芳族化合物、单环对二羟基芳族化合物、双环单羟基芳族化合物、多环单羟基芳族化合物、双环二羟基芳族化合物、多环二羟基芳族化合物、双环三羟基芳族化合物、多环三羟基芳族化合物或其混合物。与众所周知的贝类粘合剂相反，根据本发明的羟基芳族化合物不是聚合物链的一部分。
文档编号A61L24/04GK101378789SQ200780004768
公开日2009年3月4日 申请日期2007年2月9日 优先权日2006年2月9日
发明者A·米科拉施, E-D·柯林肯波格, F·舒尔, H-G·诺伊曼, K·曼达, U·林德奎斯特, W-D·朱立施 申请人:Dot有限公司