1.本技术要求优先于2020年6月1日提交的美国临时申请63/032847号，标题为“生物材料组合物和使用方法”，其全部内容通过引用并入本文。
2.技术领域
3.本公开涉及生物材料组合物和使用方法。所形成的生物材料的实施方案是骨传导和骨诱导的，从而使患者能够沿着骨-植入物界面以及在骨-植入物界面内生长新的骨。
背景技术：
4.除非本文另有说明，否则本节中描述的材料不被视为本技术权利要求的现有技术。
5.越来越多的运动、年龄和创伤相关损伤，如骨折、关节磨损和韧带撕裂，增加了对能够治疗骨科损伤的生物材料的需求。作为应对，公司已经开发出了将各种物体附着在骨骼上的骨接合剂(cement)，以及能够治疗骨折和其他骨缺损的骨填充物。还需要一种能够刺激骨形成和生长的生物材料。大多数现有的生物材料由促进显著新骨形成的磷酸钙或生物相容性较差的相对惰性硬化聚合物(如聚甲基丙烯酸甲酯(“pmma”)制成。
6.ramp等人获批准的美国专利no.5968999描述了一种用于矫形手术的基于pmma的骨接合剂组合物。不幸的是，基于pmma的生物材料在固化过程中向周围骨骼释放大量热量，导致细胞死亡。所得材料在凝固过程中收缩，且抗断裂性差。由于向血液中释放有毒单体，pmma生物材料的生物吸收速度慢，生物相容性差。几乎没有证据表明pmma基材料促进任何显著的新骨形成。
7.近年来，许多基于磷酸钙的组合物被开发为生物材料。例如授予lee等人的美国专利no.6,331,312公开了一种可注射的磷酸钙基复合材料，可用作骨填充物和骨接合剂。所公开的材料是生物可吸收的，并且设计用于骨组织的修复和生长促进以及螺钉、板和其他固定装置的连接。lee的组合物在凝固时不会膨胀，也不会促进显著的新骨形成。许多现有的磷酸钙基填充物和接合剂具有高钙磷摩尔比，使其难以再吸收。此外，美国食品和药物管理局(fda)最近发布的一份报告警告称，使用现有的磷酸钙基骨填充物治疗脊柱骨折可能会出现严重并发症(fda公共卫生网站公告，“complications related to the use of cement and bone void fillers in treating compression fractures ofthe spine”，最初于2002年10月31日发布，2004年5月27日更新)。
技术实现要素：
8.本公开包括生物材料组合物及其生产方法，其中所形成的一个或多个实施方案是骨传导和骨诱导的，从而使患者的新骨能够沿着骨-植入物界面以及在骨-植入物界面内的生长。
9.在第一方面，本公开提供了一种生物材料组合物，其包含干燥的磷酸钾基混合物，该混合物包含：mgo、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、蛋白聚糖、磷硅酸钠钙和抗生素，其中磷酸二
氢钾与mgo的重量百分比为约3:1至1:1，其中所述干燥的磷酸钾基混合物被配置为与水溶液混合从而形成可再吸收生物材料浆料，并且其中所述蛋白聚糖作为胶原原纤维生成的活性调节剂，从而通过将骨细胞外基质进行组织来构建患者的组织。
10.在一个具体示例中，所述生物材料组合物包含占总组合物约44％-61％的磷酸二氢钾。磷酸二氢钾提供组合物的更快吸收。所述生物材料组合物还包括占总组合物约4％-9％的磷硅酸钠钙。磷硅酸钠钙为骨生长提供了额外的强度和平台，并有助于提供更好的处理特性。所述生物材料组合物还包括占总组合物约4％-9％的磷酸二氢钠，这有助于控制离子释放。所述生物材料组合物还包含占总组合物约30％-45％的氧化镁，其可以被烧透以提供受控的反应性。与现有的钙骨空隙填充物相比，mgo使组合物能够更快地被再吸收。当成骨细胞在骨形成过程中使用镁作为刺激因素时，mgo刺激成骨细胞的活性。所述生物材料组合物还包含占总组合物约0％-5％的蛋白聚糖。蛋白聚糖是骨传导和骨诱导的，因为它允许新的骨沿着骨-植入物界面以及在骨-植入物界面内生长。所述生物材料组合物还包含占总组合物约0-5％的磷酸，这有助于分解mgo以产生更多的磷酸盐。上述组分和百分比的各种组合也是可能的。
11.所述生物材料组合物可应用于各种部位，包括但不限于骨表面或邻近骨的部位；软骨表面、软骨内或软骨附近的部位；骨或软骨内、表面或邻近的部位，以及植入装置的骨或软骨接触表面。生物材料组合物可直接应用于骨缺损，用作骨填充物、骨接合剂、递送装置、骨移植和/或一般粘合剂基质。或者，生物材料组合物可以与各种固定装置(例如螺钉和板)结合使用。
12.在第二方面，本公开包括一种生产具有增加的孔隙率和再吸收特性的生物材料的方法，该方法包括：(a)供应第一方面的干燥的磷酸钾基混合物，和(b)将干燥的磷酸钾基混合物与第一方面的水溶液混合以形成第一方面的可再吸收生物材料浆料。
13.在第三方面，本公开包括一种使用具有增加的孔隙率和再吸收特性的生物材料回填骨缺损空隙的方法，该方法包括：(a)从骨中去除骨缺损以形成空隙，(b)将干燥的磷酸钾基混合物与第一方面的水溶液混合以形成第一方面的可再吸收生物材料浆料，以及(c)用可再吸收的生物材料浆液回填空隙，从而使患者能够沿着骨-植入物界面以及在骨-植入物界面内生长新的骨。
14.这些以及其他方面、优点和备选方案对于本领域普通技术人员来说，通过阅读以下具体实施方式，并适当参考附图，将变得显而易见。
具体实施方式
15.本文描述了示例性装置和系统。应当理解，“示例性”一词在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性的”的任何实施方案或特征不一定被解释为优于其他实施方案或特点。这里描述的示例性实施方案并不意味着是限制性的。
16.如本文所用，关于量度，“约”表示+/-5％。
17.如本文所用，“骨传导的”是指材料作为支架使活骨生长和愈合的能力。
18.如本文所用，“骨诱导的”是指刺激或诱导骨生长的能力。
19.如本文所用，“生物相容性”是指在受体中不会引起显著不良反应的材料。
20.如本文所用，“生物可吸收”定义为材料通过身体过程在体内吸收的能力。再吸收
材料可在受体体内利用或被排出。
21.i.制备/供应干燥混合物
22.本公开的干燥混合物通常包括：mgo、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、蛋白聚糖、磷硅酸钠钙和抗生素，其中磷酸二氢钾与mgo的重量百分比在约3:1至1:1之间。最好提前制备干燥混合物。制备后，应将其储存在无菌环境中，更优选的是储存在无菌和密封的容器或包装中。
23.可使用多种方法将混合物的干组分混合，包括手动混合或机器混合。一种混合、上浆和均质化各种粉末的方法是通过振动研磨。另一种均质化方法利用带式混合器，其中颗粒被研磨成细粒度。在加入活化水溶液之前，最好在现场再次混合干燥组分。
24.任选地对组合物的mgo进行煅烧和热分解过程。mgo的煅烧是在没有或有限供应空气或氧气的情况下对矿石和其他固体材料进行热分解的处理过程。热分解，或热裂解，是由热引起的化学分解。物质的分解温度是物质化学分解的温度。该反应通常是吸热的，因为需要热量来破坏正在分解的化合物中的化学键。换言之，这个过程允许氧化镁分解并转化为水合物，从而被身体再吸收。
25.根据最终特性和所需凝固时间，根据经验确定煅烧时间和温度。在一些实施方案中，使用高达约1300℃的煅烧温度长达数小时，尽管煅烧可以变化。制备类似骨组合物领域的普通技术人员可以常规地确定适当的煅烧条件以获得所需的性能。
26.除了水相形式之外，本公开的组合物可以是包含干燥混合物的凝胶。
27.通常，在可用的情况下使用药物级化合物。可能需要使用本领域已知的适当灭菌技术对用于制造和应用浆料的部件、器具、溶液等进行灭菌，包括但不限于化学灭菌技术，如用环氧乙烷充气，以及通过高能辐射(通常是γ辐射或β辐射)进行灭菌。
28.尽管本文描述的配方是优选比例，但也可以使用一系列干成分。例如，磷酸二氢钾的合适范围通常为约20-70的重量百分比，优选约40-65的重量百分比。在一些情况和/或实施方案中，优选使用约40-50重量百分比的磷酸钾。
29.氧化镁(即mgo)的合适范围通常为约10-60的重量百分比，优选10-50的重量百分比，更优选30-50的重量百分比。在一些情况和/或实施例中，可以使用约35的重量百分比至50的重量百分比。
30.磷硅酸钠钙优选以约1-15的重量百分比，更优选约1-10的重量百分比添加。在一个具体实施例中，磷硅酸钠钙的添加量为总组合物的约4-9％。在某些情况下可以采用更高的百分比。作为示例，磷硅酸钙钠可包括45s5生物活性玻璃纤维、二氧化硅生物活性玻璃、二氧化硅、硅酸盐、氧化钙、氧化钠、五氧化二磷及其组合。
31.磷酸二氢钠优选以约1-15的重量百分比，更优选约1-10的重量百分比添加。在一个具体实施例中，磷酸二氢钠的添加量为总组合物的约4-9％。在某些情况下可以采用更高的百分比。
32.蛋白聚糖通常以干组合物的0.5至20的重量百分比，优选约0.5至10的重量百分比存在。作为示例，蛋白聚糖占干组合物的约1-5的重量百分比、干组合物约1.5-2.5的重量百分比、干组合物约1.5-3的重量百分比、干组合物约1.5-3.5的重量百分比、干组合物约1.5-4的重量百分比、干组合物约1.5-4.5的重量百分比、干组合物约2的重量百分比、干组合物约1.5-2的重量百分比、或干组合物约1.5-2.5的重量百分比。合适的蛋白聚糖包括矿物胶
原复合基质、纤维、颗粒、粉碎纤维、纳米颗粒及其组合。
33.通常，添加的抗生素、抗菌剂或抗病毒剂的重量百分比小于干组合物约20的重量百分比，优选约0.5至10的重量百分比，更优选约1至5的重量百分比。关节置换和修复手术中通常使用的任何抗生素都可以使用。
34.在另一个实施方案中，本发明的干燥混合物通常包括磷酸二氢钾(kh2po4)(约44的重量百分比)、mgo(约41的重量百分比)、羟基磷灰石钙(ca5(po4)3oh2)(约8的重量百分比)和磷酸二氢钠(nah2po4，约3的重量百分比)以及蔗糖(c
12h22o11
)(约4的重量百分比)。
35.ii.溶液配方
36.水(或另一种水溶液)可以以大范围的重量百分比加入，通常为约15-40的重量百分比，优选约20-35的重量百分比，甚至更优选约28-32的重量百分比。发现可以使用盐水溶液。示例性盐水溶液是0.9％盐水溶液。作为另一示例，水溶液包括血液(例如，来自患者的血液或患者血液以外的血液)。在又一实施例中，水溶液包括氯化钠(约0.75的重量百分比)、磷酸二氢钠(nah2po4)(约16.60的重量百分比)和水(约82.65的重量百分比)。其他水溶液也是可能的。
37.iii.形成可再吸收生物材料浆料
38.干燥混合物最好在现场活化。活化包括将干组合物与水溶液混合(例如在无菌混合容器中以形成可再吸收生物材料浆料)。水(例如，无菌水(或其他无菌水溶液，例如，即，微盐水溶液)通常添加至干重的约40％，尽管可以调节水量以形成不同粘度的生物材料。在一个实施方案中，在使用之前对混合容器和任何器具进行消毒。可以使用各种混合容器，包括但不限于无菌药杯、碗、碟、盆或其他无菌容器。在另一示例中，水溶液包括血液(例如，来自患者的血液或患者血液以外的血液)。
39.混合可以通过本领域使用的各种技术实现，包括手动和电动/自动混合。一种优选的方法是用无菌抹刀或其他混合器具手动混合。可再吸收生物材料浆料通常手动混合约1-10分钟，尽管混合时间可根据条件和混合装置进行调整。
40.可以使用手动搅拌机(如stryker(kalamzoo，密歇根州)的mixevac iii))或电动骨搅拌机(例如exactech(gainesville，佛罗里达州)的cemex自动搅拌机)混合浆料。
41.可以可注射形式、糊状、胶土状(puddy)和其他形式制作可再吸收生物材料浆料。因为浆料是在用户的部位生产的，所以可以通过改变添加到干燥混合物中的水量来控制材料的稠度。增加水含量通常会增加流动性，而降低水含量则会使浆料变稠。
42.可通过改变生物材料成分的温度来增加或减少工作时间。温度较高的部件往往比温度较低的部件更快地反应和凝固。因此，调节水(或其他反应物)的温度可以是调节工作时间的有效方式。
43.发明人发现，使用磷酸溶液代替水可以提高材料的粘结强度。磷酸的摩尔浓度可以变化，只要浆液的最终ph值对患者没有危害，或不会不利于愈合。
44.iv.将可再吸收生物材料浆料应用于部位
45.一旦形成了可再吸收生物材料浆料，就将其涂敷到所需软骨生长的部位(以及任选的周围)。浆料可以多种方式施涂于该部位，包括但不限于使用无菌抹刀、压舌板、刀或其他可用于涂抹膏状或胶土状材料的无菌工具将一定量的材料涂抹于该部位。在某些情况下，在施用活性浆料时，最好使用相对较厚的稠度，如浆糊或胶土，因为这种稠度往往比较
薄的稠度更容易粘在骨头和其他表面上。如果需要可注射层，可以使用注射器或其他类似装置进行应用。
46.v.蛋白聚糖
47.蛋白聚糖可用于本公开的组合物中，因为它通过促进胶原纤维固结及其与矿物晶体的连接而在骨组织形成中发挥作用。
48.vi.磷硅酸钠钙
49.磷硅酸钠钙可用于本公开的组合物中，因为它提供了在水性口腔环境中降解以释放钙和磷酸盐离子的生物活性玻璃材料，从而导致骨形成。
50.令人惊讶和意外是，发现本公开的组合物和方法提供了改善的再吸收、改善的孔隙率和改善的内聚力。鉴于最近的研究表明磷酸钙骨接合剂不能被再吸收，这一结果尤其令人惊讶。组合物的磷酸盐组分允许增加孔隙率。增加的孔隙率允许支架提供合适的用于细胞或生长因子整合的微环境，以使受损组织再生和使骨长入。支架通常是高度多孔的，具有相互连接的孔隙网络，以促进营养物和氧气的扩散和废物的去除。这种支架也有助于吸收。组合物的糖成分允许具有粘合性能。由于该产品放置在一定尺寸的骨空隙中，因此需要具有粘合性能。粘合剂的特性将使产品能够附着在两侧，并形成支架，使细胞能够使骨骼再生。
51.vii.抗生素
52.可以向组合物中添加各种抗生素或其他抗菌和抗病毒组合物和药剂。本发明的生物材料可以用作输送装置，或者可以添加抗生素以防止手术期间的细菌感染。
53.将药物加入生物材料时，阳离子抗生素，尤其是氨基糖苷类和某些肽类抗生素可能是最理想的。合适的氨基糖苷包括但不限于：阿米卡星(amikacin)、丁酰苷菌素(butirosin)、双脱氧卡那霉素(dideoxykanamycin)、福提霉素(fortimycin)、庆大霉素(gentamycin)、卡那霉素(kanamycin)、青紫霉素(lividomycin)、新霉素(neomycin)、奈替米星(netilmicin)、核糖霉素(ribostamycin)、小诺霉素(sagamycin)、昔尔杜霉素(seldomycin)及其差向异构体、紫苏霉素(sisomycin)、山梨醇菌素(sorbistin)、大观霉素(spectinomycin)和妥布霉素(tobramycin)。使用无机盐如硫酸盐、磷酸盐、磷酸氢盐可能是优选的，硫酸盐是最优选的。有关在生物材料中使用抗生素和生长因子的更多信息，请参阅授予wenz的美国专利no.6485754，通过引用将其全文并入本文。生长因子包括但不限于转化生长因子tgf-β等生长因子。也可以使用万古霉素和类似的抗生素。
54.viii.泊洛沙姆类(poloxamine)
55.可将各种泊洛沙姆类(即具有乙二胺核的x形聚(环氧乙烷)-聚(环氧丙烷)嵌段共聚物(如)添加到组合物中。作为非限制性实例，可将304、904、90r4、908、1107、1301和1307添加到组合物中。
56.泊洛沙姆类(如)的存在可改善组合物的水解、凝固反应、微观结构和机械性能。特别地，组合物中泊洛沙姆离子的存在可延长可再吸收生物材料浆料的凝固时间。另外或可选地，组合物中泊洛沙姆类的存在可增加固化组合物的抗压强度。
57.viiii.骨移植材料
58.在一个实施方案中，本公开的组合物提供骨替代物和骨形成平台。该物质的优点是其逐渐被身体吸收，而不会对接触的结构产生排斥或反应。本发明组合物的另一优点是
其显著的骨增殖特性。事实上，我们已经进行了研究，证明本公开的组合物将骨形成增强到惊人的程度，以至于似乎该组合物也具有骨诱导性，这对于不使用生长因子的多用途生物材料来说是完全出乎意料和前所未有的。生物材料还被认为具有微孔和大孔。出乎意料的是，初步测试表明，所发明的组合物能够促进骨骼中的运动保存。
59.我们还观察到，本公开的组合物具有适合于固定各种医疗假体的独特粘结特性。
60.x.其他实施方案
61.本文公开的制剂可包含额外的填充物、添加剂和补充材料。根据预期用途，可以以不同的量和各种物理形式将补充材料添加到生物材料中。补充材料可用于以各种方式改变生物材料。
62.添加材料、添加剂和填充物最好是生物相容的和/或生物可吸收的。在一些情况下，可能希望材料也具有骨传导和/或骨诱导性。合适的生物相容性补充材料包括但不限于：生物活性玻璃组合物、硫酸钙、珊瑚藻、多聚酸聚合物、肽、脂肪酸、胶原蛋白、糖原、甲壳素、纤维素、淀粉、角蛋白、核酸、葡糖胺、软骨素、变性和/或脱矿骨基质，和移植物(自体移植物、同种异体移植物、异种移植物)。其他合适的补充材料在授予lee的美国专利no.6,331,312和授予constanz的美国专利no.6,719,992号文件中公开，其全部内容通过引用并入本文。
63.在本公开的另一个实施方案中，生物材料包含允许在体内成像材料的射线照相材料。合适的射线照相材料包括但不限于氧化钡和钛。
64.在另一个实施方案中，本发明的生物材料含有凝固延迟剂或促进剂，以调节组合物的凝固时间。凝固调节剂优选具有生物相容性。合适的缓凝剂包括但不限于氯化钠、氟硅酸钠、聚磷酸钠、硼酸盐、硼酸、硼酸酯及其组合。
65.所公开的生物材料也可以制备具有不同孔隙度的材料。控制孔隙率可以通过多种方法实现，包括：控制干反应物的粒度，以及化学和物理蚀刻和浸出。生物材料可以通过将生物活性化合物(即抗生素、生长因子、细胞等)整合进生物材料中而用作递送系统。多孔生物粘合剂提高了这种递送系统的效率。
66.所公开的生物材料组合物也可以接种各种活细胞或细胞系。可以采用任何已知的收获、维持和制备细胞的方法。参见授予constanz的美国专利no.6,719,993、授予pugh的美国专利no.6,585,992、和授予lee的美国专利no.6,544,290。
67.我们已经表明，本公开的组合物作为硬组织生长和可能的软组织生长的支架极其有用。此外，可将组织产生和组织降解细胞添加到组合物中，所述组合物包括但不限于：骨细胞、成骨细胞、破骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞、软骨产生细胞和干细胞。分离和培养这种细胞的方法在本领域是公知的。
68.本公开的组合物可整合进矫形套件中，所述矫形套件包括干燥形式的材料(即磷酸二氢钾、金属氧化物、含钙化合物等)、活化剂溶液(水或其他水溶液)和任何医疗器械(即注射器、刀、混合材料、刮刀等)、植入物，或在使用本发明组合物的操作期间所需的其它试剂。材料和活化剂溶液优选以预定的优化比例存在。也可以设想这种矫形套件的其他实施方案。生物材料和其他试剂盒组件优选通过本领域公知的技术灭菌。
69.xi.示例性方法
70.本文描述了一种使用具有增加的孔隙率和再吸收特性的生物材料回填骨缺损空
隙的方法。该方法包括(a)从骨中去除骨缺损以产生空隙，(b)将干燥的磷酸钾基混合物与水溶液混合以形成可再吸收的生物材料浆料，其中干燥的磷酸钠基混合物包括mgo、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、蛋白聚糖、磷硅酸钠钙和抗生素，其中磷酸二氢钾与mgo的重量百分比为约3:1至1:1，其中所述基于磷酸钾的干混合物被配置为与所述水溶液混合，从而形成可再吸收生物材料浆料，其中蛋白聚糖占所述干组合物的约1-10的重量百分比，和(c)用所述可再吸收生物材料浆料回填所述空隙，其中所述可吸收生物材料浆增加所述骨中的成骨细胞活性以帮助维持所述骨的结构。
71.在这种方法中，可再吸收生物材料浆料转化为骨，以在骨中提供改善的骨结构。相比之下，传统的钙基骨填充物提供了一种支架，骨可以在该支架上生长，但不会像上述组合物那样变成骨。因此，传统钙基骨填充物中的骨细胞耗尽，骨填充物变质并再吸收到体内。本文所述的可再吸收生物材料浆料的优点在于，它实际上转化为骨，从而提供改进的骨结构。此外，由于可再吸收生物材料浆料中存在的镁，本文所述的可再吸收的生物材料浆液增加了骨中的成骨细胞活性。成骨细胞是骨的主要细胞成分。成骨细胞是间充质干细胞的专属的、终末分化产物。它们以小得多的量合成致密的交联胶原和特殊蛋白质，包括骨钙素和骨桥蛋白，它们构成了骨的有机基质。因此，上述方法包括保存骨的方法，所述保存骨的方法包括因存在于可再吸收生物材料浆料中的镁而对成骨细胞进行刺激，以帮助维持骨结构。
72.如上所讨论的，该方法包括从骨中去除骨缺损以形成空隙。骨缺损可以采取多种形式。特别地，骨缺损可选自：骨囊肿、骨髓损伤和骨质疏松骨。骨囊肿是在骨内形成的充满液体的洞。它们大多发生在儿童和年轻人身上。骨囊肿通常不会引起任何症状，它们不是癌症，通常不会对健康造成严重威胁。骨髓损伤(bml)或使用更古老的术语“骨髓水肿”的特征是磁共振成像或超声上骨髓空间中的水信号过多；bml是影响肌肉骨骼系统的各种炎性和非炎性风湿病的中心组成部分：bml不仅被认为是疼痛的重要来源，而且与许多肌肉骨骼疾病(例如骨关节炎、类风湿性关节炎)的疾病活动增加有关。上述方法的骨缺损可以是四肢和/或骨盆骨的缺损。
73.在一个示例中，该方法还包括在用可再吸收生物材料浆料回填空隙之前将锚定器定位在空隙中。这种锚定器可以为骨提供额外的结构支撑。锚定器可以是可再吸收聚合物材料或金属材料。一种示例性聚合物材料是聚乳酸(poly-l d-lactide，pldla)。
74.xii.结论
75.在描述了本公开的基本概念之后，对于本领域技术人员来说，显而易见的是，上述详细公开仅以示例的方式呈现，而不是限制性的。旨在建议各种改变、改进和修改，并且在本公开的范围和精神内。此外，元素或序列的描述顺序，或数字、字母或因此的其他名称的使用，并不意在将要求保护的过程限制为任何顺序，除非权利要求中可能规定。因此，本公开仅受以下权利要求及其等价方案的限制。
76.本技术中引用的所有出版物和专利文件出于所有目的以引用的方式整体并入，其程度与每个单独的出版物或专利文件单独表示的程度相同，并且其程度与本文的明示教导不一致。