加强的生物组织的制作方法

专利名称：加强的生物组织的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于组织修复的组织基质，更具体地 说，涉及用于组织修复的、与合成的生物相容性材料组合的混杂无细 胞组织基质。
背景技术：
0003长期以来一直在寻找接近天然韧带和腱结构的负荷传 递和性能的材料在哺乳动物中进行韧带和腱替换。业已由钢、聚酯、 聚脲烷、聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯、碳纤维和其它人造材料制备了 合成的韧带和腱。还已经使用任一种或多种前述材料的组合制造合成 韧带组织。然而，合成材料通常随时间推移而出现功能性下降，可在 植入后的相对短的时间段(例如约1、 2、 3或4年)内用坏、磨损和/或 粒子化。 作为合成材料的替代，由供区(例如自体移植物和/或尸 体组织移植物(即同种异体移植物))采集的天然韧带或腱组织，也可以 用于韧带或腱替换程序。同合成材料一样，对于自体移植物和同种异 体移植物这二者而言，功能参数(例如破坏荷载、线性和切向刚度、破 坏应力和应变失效)的长期恢复与天然韧带、腱或其它软组织结构相比 仍显著降低。
本发明的另 一实施方案包括具有复合材料的可植入医 疗器械，所述复合材料包含具有粒状无细胞组织基质的第一种生物组 分和第二种非生物组分。
0017] 本发明的又一个实施方案包括具有复合材料的可植入 医疗器械，所述复合材料包含具有生物基质的第一种生物组分和第二 种非生物组分，所述第二种非生物组分在植入时具有比第一种组分更 高的载荷能力。 本发明的又一个实施方案包括具有复合材料的可植入 医疗器械，所述复合材料含有具有生物基质的第 一种生物组分和第二 种非生物组分。第一种组分在植入后且在天然细胞于第一种组分的生 物基质中生长后具有比第二种组分更高的载荷能力。 本发明的又一个实施方案包括具有复合材料的可植入 医疗器械，所述复合材料含有具有生物基质的第 一种生物组分和包含 生物相容性金属的第二种非生物组分。 本发明的又一个实施方案包括具有复合材料的可植入 医疗器械，所述复合材料含有具有生物基质的第一种生物组分和连续 材料的第二种非生物组分。 本发明的又一个实施方案包括具有复合材料的可植入 医疗器械，所述复合材料含有具有生物基质的第 一种生物组分和第二 种非生物组分。而且，所述第二种组分为包括非生物材料的织物，所 述织物为针织(knit)、梭织(weave)、编织(braid)或非织结构，或者为针 织、梭织、编织或非织结构的组合。所述织物还可以包括单丝的非生 物材料或者编织的或纺成的非生物材料细丝。 本发明的又一个实施方案包括具有复合材料的可植入 医疗器械，所述复合材料含有具有生物基质的笫一种生物组分和第二 种非生物组分；以及4全系部分。


图1图示了本发明的实施方案的生物力学特征；
10029J 图2图示了本发明的实施方案的生物力学特征； 图4和4A显示了本发明的实施方案； 图5显示了本发明的实施方案；和 本发明涉及"混杂的"复合材料，其包括适于用作韧带、 腱或软组织结构的组织移植物或替代物的生物和非生物组分。混杂组 织被构建为至少两种材料的复合物，例如人造的非生物组分(例如合成 聚合物)和生物组分(例如生物基质)。在一个实施方案中，人造非生物 组分与生物组分密切组合，产生复合的混杂修复组织，其平衡了每种 组成材料的有利特性。多个实施方案可以包括一层或多层生物和非生物组分， 产生本文设想的混杂复合材料。在描述复合结构之前，将更详细地描 述单独的组分。 本文使用的"无细胞组织基质"("ATM")是组织来源 的生物基质结构，由各种各样的含胶原组织中的任一种如下制备除 去所有的或基本上所有的存活细胞和所有可检测的亚细胞组分和/或 通过杀死细胞产生的碎片。本文使用的没有"基本上所有的存活细胞" 的ATM为其中存活细胞的浓度低于制备ATM的组织或器官中的存活 细胞浓度的1%(例如低于0.1%、 0.01%、 0.001%、 0.0001%、 0.00001% 或0.000001%)的ATM。。另外，在重建过程中移植物必须提 供一定程度的(大于阈值的)抗拉伸强度和生物力学强度。 要理解的是，ATM可以由任何含胶原的软组织和肌肉 骨骼(例如真皮、筋膜、心包膜、硬脑膜、脐带、胎盘、心瓣、韧带、 腱、血管组织(动脉和静脉，如隐静脉)、神经结締组织、膀胱组织、输尿管组织或肠组织)产生，只要上述特性被基质保留。而且，其中放
置含有ATM的混杂基质的组织包括基本上任何的组织，其可通过侵 袭或浸润细胞重建。相关组织包括但不限于骨骼组织，例如骨、软骨、 韧带、筋膜和腱。其中可以放置以上任一种同种异体移植物的其它组 织包括但不限于皮肤、齿龈、硬脑膜、心肌、血管组织、神经组织、 横紋肌、平滑肌、膀胱壁、输尿管组织、肠和尿道组织。 而且，尽管ATM —般将由与ATM移植物受者相同的 物种的一个或多个单体制备，但未必都是如此。因此，例如，ATM可 以由猪组织制备，并植入人类患者中。可用作ATM受者和用于产生 ATM的组织或器官的供体的物种包括但不限于人、非人灵长类动物 (例如猴、狒狒或黑猩猩)、猪、牛、马、山羊、绵羊、狗、猫、兔、 豚鼠、沙鼠、仓鼠、大鼠或小鼠。作为供体特别令人感兴趣的是已被 遗传改造为没有末端oc-半乳糖部分的动物(例如猪)。关于适宜动物的 描述，参见共同未决的美国申请序号10/896,594和美国专利号 6,166,288,全部文献的公开内容都整体在此引入作为参考。 在一个实施方案中，在杀死ATM中的软组织细胞之前 或之后，用一种或多种糖苷酶，尤其是半乳糖苷酶，例如a-半乳糖苷 酶，对含胶原的材料进行含胶原材料的体外消化。具体地说，如在以 下反应中所示，用a-半乳糖苷酶酶促处理消除a-gal表位
a-半乳糖苷酶
G效! al',3③ip.！—a!《'、《:〗汰1 p〗40:kMArf,十 "1沐l 1# N-乙酰乳糖胺 N-乙酰乳糖胺残基为通常在人和哺乳动物细胞上表达的表位，因此不是免疫原性的。通过多种方法实现用糖苷酶体外消化 含胶原的材料。例如，含胶原的材料可以在含糖苷酶的緩沖溶液中浸 泡或温育。或者，可以经由脉冲式冲洗法在压力下将含糖香酶的緩沖 溶液推入含胶原的材料中。 然后将组织置于处理溶液中，以由结构基质除去存活细 胞(例如上皮细胞、内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞)，而不损伤 基底膜复合物或胶原基质的生物和结构完整性。处理溶液一般含有适 宜的緩冲液、盐、抗生素、 一种或多种洗涤剂(例如Triton-x-lOO、脱 氧胆酸钠、聚氧乙烯(20)山梨醇酐单油酸酯)、 一种或多种防止交联的物质、 一种或多种蛋白酶抑制剂和/或一种或多种酶。组织处理必须(a)
采用含有一定浓度的活性物质的处理溶液，并(b)持续一段时间，使基 质的结构完整性得以保持。 或者，可以在进行水替换之前冷冻保存组织。如果这样 的话，则在脱细胞之后，将组织在冷冻保护溶液中温育。该溶液一般 含有一种或多种冷冻保护剂，以使可在冷冻过程中发生的对结构基质 的冰晶损伤最小化。如果要冻干组织，则溶液一般还包含一种或多种 干燥保护组分，以使干燥过程中的结构损伤最小化，并可以包含有机 溶剂和水的组合，该组合在冷冻过程中既不膨胀也不收缩。冷冻保护 剂和干燥保护剂可以为相同的一种或多种物质。如果组织不进行冻 干，则可通过将组织(在无菌容器中)放置于约-80。C的冰箱中或通过将 组织投入无菌液氮中冷冻组织，然后储存于-160。C以下的温度，直至 使用。组织样品可在使用前融化，例如通过将含有该样品的无菌的不 可穿透性容器(参见下文)浸没在约37。C的水浴中，或者使组织在环境 温度下恢复到室温。 将含有所述组织的容器以特定速率冷却至低温，该速率 与特定的冷冻保护制剂相适，以使冷冻损伤最小化。参见美国专利号 5,336,616中适宜的冷却方案的实例。然后在真空条件下以低温干燥组 织，从而使得水汽由每个冰晶相中被序贯除去。
iim至约150 (im的范 围内。 本发明的粒状或研磨成粉(粉末化)的ATM颗粒的最长 尺度小于1.0 mm。尺度大于此的ATM块为非粒状无细胞基质。
非生物组分:
0070] 本发明实施方案的非生物组分一般可以包含生物相容 性合成材料，包括生物吸收性聚合物、非生物吸收性聚合物和金属合 金或组合物。多个实施方案可以包括为生物相容性和生物吸收性的非 生物组分，使得完成的耙组织再生不包含显著的和/或载荷量的非生物 组分。使用生物吸收性聚合物使得可以在天然组织于生物组分的整个 基质结构中再生时，将载荷能力由非生物组分(例如聚合物)转移至生 物组分。 本文使用的"生物相容性"组合物是能够支持完整或部 分组织再生必需的细胞活性但不刺激宿主中显著的局部或系统炎症 或免疫反应的组合物。本文使用的"宿主中显著的局部或系统炎症或 免疫反应"是部分或完全阻止组织再生的局部或系统炎症或免疫反 应。 本发明的混杂复合组织的多个实施方案将典型的合成 聚合组织移植物的利益一具有相对较高的初始机械性能特征，连同天 然组织移植物的促愈合和更好的长期机械特性組合在一起。混杂组织 可呈现为单独组分的总和。混杂组织还可以比单独组分的总和表现得 更好。例如，典型的合成移植物随时间推移出现降解和物理性能下降。 本文开发的混杂复合组织在合成组分周围或之上提供生物基质层，由 此使降解比典型的未包被合成移植物出现的降解减慢。 在将生物组分50绕非生物组分40缠绕之后，将非生物 组分40的上方部分42在缠绕的生物组分50之上并向下方部分44巻 起或折叠，使得上方部分42的至少某一些延伸到上方锥形区43之下， 并与颈部部分46重叠。同样，下方部分44在生物组分50之上并向 上方部分42巻起或折叠，使得下方部分44的至少某一些延伸到下方 锥形区45之上，并与颈部部分46重叠，如在图3A中所示。 进一步的实施方案包括一个或多个紧固带58和拴系60。 紧固带58向巻起的混杂复合移植物提供压力，更好地平衡生物组分 对非生物组分的微和纳表面结构的摩擦接触和结合。紧固带58可由 与非生物组分40相同的材料制造。 界面螺钉可由钛、不锈钢、生物可降解金属、生物降解 性或生物吸收性聚合物(例如PGA、 PLA、 PLGA或PCL)制成。典型 的界面螺钉应为Smith and Nephew, Andover MA, 01810,螺钉类型 RCI Screw。
[0098
实施例:
[00991 制备适于ACL替换的混杂复合組织移植物，其具有含 有生物基质的第一种生物组分。生物基质包含符合本文所述的无细胞 组织基质的无细胞组织基质。所述生物基质作为单层材料提供。
[001001混杂复合组织移植物还含有由聚羟基丁酸酯(聚羟基链 烷酸酯)制成的第二种非生物组分，例如由Tepha， Incorporated of Cambridge, Mass生产的TephaFlex聚合物。第二种组分也作为与第一 种生物组分类似尺寸的单层材料提供。
[001011如下构建复合移植物将第二种组分覆盖在第一种组分的上部，将分层的薄片巻成一巻复合材料，从巻材中心朝外向巻材外 层产生多层的第 一种组分和第二种组分。巻绕的复合材料的直径约为
8 mm。
[00102天然ACL通常具有处于以下范围的生物力学性能特征 破坏载荷(1200-2400N);刚度(l50-300 N/mm);破坏应力(18-28 MPa); 破坏应变(20-35%);和弹性系数(75-180 Mpa)。为了匹配天然ACL组 织的天然力学和生物特性，对混杂装置中的每种组分进行选择并构 建，以满足特殊设计要求。混杂组织的非生物组分的弹性系数为约140 MPa,最大破坏荷载或最终破坏载荷为约1200N，在构建混杂复合组 织移植物之前具有9-16个月的耐降解性。
[00103J生物组分在植入时的弹性系数为约55 MPa，在构建复合 混杂组织移植物之前的最大破坏栽荷为约600 N。
[OOIO引在组装复合移植物之后，完成的移植物在植入前的最大 破坏载荷为约1400N。最终破坏载荷在植入后下降，但在天然细胞通 过生物基质增殖时随着时间推移稳定地增加。植入物的最终破坏载荷 在植入后的4个月内为约600N，在植入的8个月内为约400N,在植 入的12个月内为约1000 N。用于ACL替换的混杂材料在植入前的刚 度为约85N/mm,在植入的4个月内为约106 N/mm，在固定的8个 月内为约78N/mm，在固定的12个月内为约176N/mm。
[001051在5个测试病例中的5个当中，在移植的4个月、8个 月和12个月之后，用混杂组织进行的ACL替换产生连续组织，该连 续组织由经由生物基质的骨连接至对侧的骨连接。仅组织的移植物在 植入的4和8个月内通常5次中有2次不能产生连续组织生长。仅合 成材料的移植物在植入的4、 8和12个月内通常5次中有1次不能产 生组织生长。
00106图6图示了示例性实施方案的第一种组分、第二种组分 和混杂移植物随时间变化的载荷能力。如图所示，第一种组分(线8) 显示出在植入后载荷能力立即下降，此后随着天然细胞在整个生物基质中增殖而载荷能力增加。线10图示了第二种组分在植入后的初始 高载荷能力，随着第二种组分随时间推移降解，载荷能力稳步下降。
线12显示了含第一种组分和第二种组分这二者的混杂移植物的载荷 能力。
[00107尽管参考某些实施方案相当详细地描述了本发明，但其 它实施方案是可能的。例如，混杂组织结构的实施方案可用于其中需 要替换软组织的许多用途，还提供特定的承载或生物力学特征，包括 有关膝盖、踝、肩膀、颈和脊骨的韧带、腱或软组织替换。可如上所 述使用相同的基本思路开发其它混杂系统。实例包括人工半月板替 换或修复；腹壁(例如疝)修复；例如膝盖、肩膀和髋中的软骨修复； 关节表面置换(可使用适宜设计的锚钉或缝线以织物加固的混杂组织 简单地覆盖关节面，而不用取出关节)；和起搏器小袋(一种用于容纳 起搏器或疼痛管理系统的简单的包/小袋，使其定期替换更简单，建立 更稳定的锚定起搏器移植物)。因此，随附权利要求的精神和范围不应 限于本文包含的具体实施方案。
权利要求
1.一种可植入的医疗器械，所述医疗器械包括复合材料，所述复合材料包含具有生物基质的第一种生物组分；和第二种非生物组分。
2. 权利要求l的医疗器械，其中对于复合材料的至少部分组成， 第一种组分覆盖第二种组分。
3. 权利要求1的医疗器械，其中对于基本上全部的复合材料，第 一种组分覆盖第二种组分。
4. 权利要求1的医疗器械，其中所述生物基质包括无细胞组织基质。
5. 权利要求4的医疗器械，其中所述生物基质包括粒状无细胞组 织基质。
6. 权利要求1的医疗器械，其中第二种组分在植入时具有比第一 种组分更高的载荷能力。
7. 权利要求1的医疗器械，其中，在植入后且在生物基质中的天 然细胞生长后，第 一种组分具有比第二种组分更高的载荷能力。
8. 权利要求l的医疗器械，其中第二种组分包括生物吸收性聚合物。
9. 权利要求1的医疗器械，其中第二种组分包括生物相容性金属。
10. 权利要求l的医疗器械，其中第二种组分包括聚羟基丁酸酯、 聚乳酸、聚乳酸羟基乙酸、聚二噁烷酮或聚己酸内酯。
11. 权利要求l的医疗器械，其中第二种组分是连续的材料。
12. 权利要求l的医疗器械，其中第二种组分为包含非生物材料 的织物，所述织物为针织、梭织、编织、非织结构，或者为针织、梭 织、编织或非织结构的组合。
13. 权利要求12的医疗器械，其中第二种组分包括单丝非生物材料。
14. 权利要求12的医疗器械，其中第二种组分还包括编织的或纺 成的复丝纱。
15. 权利要求12的医疗器械，其中第一种组分被整合入第二种组 分的织物结构中。
16. 权利要求1的医疗器械，其中第一种组分作为包被物、浆料、 粉末或液体涂覆于第二种组分上。
17. 权利要求1的医疗器械，其中复合材料制成片状、圓柱、实 心管、中空管或巻材。
18. 权利要求l的医疗器械，所述医疗器械还包括拴系部分。
19. 一种植入医疗器械的方法，包括 向植入部位提供复合材料，所述复合材料包含 包含生物基质的第一种生物组分；在植入时强化复合材料的第二种非生物组分； 提供一个或多个锚钉，以将医疗器械固定在植入部位附近；和 将复合材料锚定在植入部位附近，其中锚钉从复合材料中固定住 所述器械。
全文摘要
本发明提供可植入的医疗器械，其包括混杂复合材料，该混杂复合材料包含第一种生物组分，例如无细胞组织基质，和在植入后加强所述器械的第二种非生物组分。
文档编号A61F2/08GK101553189SQ200780025349
公开日2009年10月7日 申请日期2007年5月9日 优先权日2006年5月9日
发明者C·T·沃纳, D·J·麦奎兰, E·S·格林哈尔格, J·R·哈珀 申请人:生命细胞公司;斯托特医疗集团