專利名稱：生物復合材料及其制造方法
技術領域：
總體上，本發(fā)明涉及生物聚合體和生物復合材料及結構，以及制造和使用它們的方法。在一些實施方案中，本發(fā)明涉及基于定向膠原蛋白的生物復合材料和結構，以及制造方法。
背景技術：
膠原蛋白凝膠、繃帶、海綿和纖維已用作干細胞的載體。膠原蛋白是存在于許多組織中的中性蛋白。它向組織提供拉伸強度并提供細胞結合、遷移和增殖的附著點。然而，膠原蛋白凝膠和粉狀膠原蛋白缺乏拉伸強度并且在壓力下往往分散在組織中，因此不太適合將細胞保持在確定部位的任務。膠原蛋白能夠以純形式從多種組織中分離成能夠重新形成纖維的可溶蛋白。一般來說，纖維缺乏它們在不同組織中顯示的上層結構。這已限制在許多醫(yī)學應用中成功使用膠原蛋白。心臟、橫紋肌、皮膚、骨骼和軟骨、脊髓等的組織損傷通常發(fā)展并引起正常周圍組織的分解，增加了受損傷的區(qū)域并嚴重損害組織功能。當前觀念建議多種因子或細胞可通過直接注射被引入受損傷的區(qū)域中，并阻止進一步損傷甚至修補受損傷的區(qū)域。實際上，臨床前試驗和臨床試驗已顯示，當將間充質(zhì)干細胞注入組織損傷位點時，心臟功能改善。然而，這類研究還顯示，大量的注射細胞從組織漏出并且剩余的細胞大部分迅速死亡。因此， 對允許各種類型細胞遞送到受損組織的特定位點并保持其存活和擴增的裝置存在需求。然而，不同組織的物理特性差別明顯(比較心肌與橫紋肌、與皮膚或脊髓)。因此，遞送媒介物應具有足夠強度使其被放置在特定的組織，而沒有因不良匹配的物理因素而引起組織功能改變。這需要如下材料所述材料的物理特性適合于它們將要在其中使用的組織。同樣，細胞需要支持其存活、遷移和特定修復因子的產(chǎn)生的因子和表面。簡言之，受損組織的治療應該通過新穎裝置改善，所述裝置將干細胞和其他細胞遞送并保持在特定位點以使其存活并產(chǎn)生維持處于危險的組織的因子。腱和韌帶的損傷是影響成年人口的最常見的健康問題之一。估計在2000年美國進行了 175，000例前交叉韌帶(ACL)重建，花費超過20億美元。單在美國每年有50，000 個需要手術修復肩袖的患者和500萬網(wǎng)球肘新病例。此外，11%的定期運動者患阿基里斯腱炎(Achilles tendinopathy) 0在2000年，肩痛治療花費美國政府高達70億美元，并且腱和韌帶損傷的總花費估計每年在300億美元；參見Chen，J. , Xu J.，Wang Α.，Zheng Μ. ,2009. Scaffolds for tendon and ligament repair :review of the efficacy of commercial products (用于腱和韌帶修復的支架商業(yè)產(chǎn)品的功效綜述).Expert Rev. Med. Devices. 6. 1 :61_73。目前修復手和腳的腱和韌帶的方法只取得有限的成功。在一些情況下，在瘢痕組織構建的同時，關節(jié)被固定4周。這種具有不良機械特性的瘢痕組織必須承擔原來的腱/ 韌帶的功能，但具有高失敗率。在其他情況下使用錨定于骨的非吸收縫線。這些縫線缺乏適當?shù)膹椥圆⒊３Ｒ鹈庖邞?。在其他情況下，修復是不可能的并且可用的替代程序具有各種局限性。目前臨床和研究實踐利用動物和人的移植物作為日常臨床實踐中的主要材料來修復腱和韌帶的缺陷。生物學代用品包括自體移植物、同種異體移植物和異種移植物。髕腱和胭繩肌腱的自體移植物被認為是組織修復的“黃金標準”并且通常是優(yōu)選的以避免排斥反應。然而，這些自體移植物有許多缺點。例如，自體移植物需要對患者進行額外的手術，手術可能引起供體部位發(fā)病、恢復時間增加和/或在收獲部位的可能疼痛加上收獲部位感染、神經(jīng)損傷和髕骨骨折。使用胭繩肌腱重建ACL的另一個缺點是缺乏有效的腱-骨愈合，由于腱-骨界面的不穩(wěn)定性而影響患者恢復。同種異體移植物是從尸體的腱、真皮和其他組織獲得。異種移植物是從動物腱、小腸黏膜下層、真皮和皮膚、以及心包膜收集。同種異體移植物和異種移植物主要由具有與人腱相似的機械特性的I型膠原蛋白組成。然而，同種異體和異種移植物能夠潛在地傳遞疾病或感染，并且可引起宿主不利的免疫應答。合成的移植物顯示出優(yōu)異的短期效果，但長期臨床結果不良，有40%到78%失敗率的斷裂、新組織應力遮蔽、疲勞、蠕變和磨損產(chǎn)物，它們能夠最終導致關節(jié)炎和滑膜炎。目前的細胞接種技術包括a)遞送細胞-凝膠復合材料到支架區(qū)域中，以及b)遞送細胞懸液到處于靜態(tài)或動態(tài)的支架中。然而，這些技術有一些缺點，諸如細胞連接到致密纖維基質(zhì)或支架的效率低以及凝膠系統(tǒng)的機械強度差。這些缺點使得在致密組織移植物上接種大量細胞很困難。因此，目前技術的局限性阻止使用干細胞來改善用于組織修復的大組織移植物的效能。為了解決這些局限性，發(fā)展部分厚度切口和超聲破碎以使接種的細胞在植入之前浸潤培養(yǎng)中的腱。沒有切口或超聲破碎，接種到腱表面上的非固有細胞難以滲入腱。然而，有切口和超聲破碎，移植物的機械強度被減小，這限制了臨床應用的潛力。幾個研究組已著手將體外組織工程新韌帶用于腱和韌帶的替代，如在 Hairfield-Stein M.等人 2007. Development of Self-Assembled, Tissue-Engineered Ligament from Bone Marrow Stromal Cells (自裝配的來自骨髓間質(zhì)細胞的組織工程韌帶的開發(fā)).Tissue Engineering. 13. 4 :703-710中所述。在這一方向上第一次有前景的結果之一已被 Goldstein JD 等人在 Goldstein，JD，等人 1989. Development of a Reconstituted Collagen Tendon Prosthesis (重建的膠原蛋白腱假體的開發(fā))· The Journal of Bone and Joins Surgery. 71. A. 8 :1183-1191 ；以及 Dunn 等人在 Dunn，MG.等人1992. Anterior cruciate ligament reconstruction using a composite collagenous prosthesis. A biomechanical & histological rabbit study (使用復合材料膠原蛋白假體的前交叉韌帶重建兔中的生物力學和組織學研究).Am J Sports Med. 20. 507-515中公開。構建的膠原蛋白纖維支架在有或沒有膠原蛋白凝膠的情況下被束以不同的構型以使其保持在一起。Durm等人和其他研究組使用有或沒有接種的細胞的膠原蛋白支架。這種方法的主要問題是a)支架膠原蛋白的降解速率比新合成膠原蛋白的速率高，促使新韌帶不能支撐體內(nèi)負荷；以及b)產(chǎn)生成本太高，而再現(xiàn)性低。為了降低降解速率，幾個研究組使用絲和其他合成材料。這解決了酶降解問題但產(chǎn)生了其他問題，包括免疫反應、纖維化和磨損產(chǎn)物。清除細胞外基質(zhì)支架的試圖導致了稱作“功能組織工程”或“自發(fā)的3維組織形成”的新方法，如Calve，S.，Dennis RG, Kosnik PE，Baar K, Grosh K, Arruda EM. 2004. Engineering of functional tendon (功能鍵的工程化).Tissue Engineering. 10,755-761中所述的。這種方法并沒有在很大程度上依賴限制新形成的組織的生理學特性或機械特性的現(xiàn)有的人造支架或生物學支架的材料特性。反之，利用介質(zhì)像膠原蛋白凝膠、纖維蛋白凝膠、基質(zhì)膠或合成凝膠來協(xié)調(diào)新形成的組織的構造。Chen 等人在 Chen X，Zou XH, Yin GL, Ouyang HW. 2009. Tendon tissue engineering with mesenchymal stem cells and biografts :an option for large tendon defects ？ (使用間充質(zhì)干細胞和生物移植物的腱組織工程對較大的腱缺陷的選擇？ frontiers in Bioscience. Si. 23_32中。然而，以上強調(diào)的問題(a)和(b)在功能組織工程的情況下仍是有效的。已作出一些努力來賦予重建的膠原蛋白結構某種程度的定向各向異性。已在研究實驗室演示了通過機械負載，微流通道、流和磁場引起的對齊，電化學處理、間隙流、高磁場、定向電紡絲、Langmuir-Blodgett沉積和擠壓方法使分子和原纖維對齊。由這些方法中的每一種所產(chǎn)生的膠原蛋白基質(zhì)已成功引起不同細胞的對齊。然而，它們沒有模擬天然細胞外基質(zhì)(ECM)并且缺乏必要的天然空間復雜性，例如，受控的原纖維直徑、對齊的原纖維、卷曲、周期性和角分布。二級結構的缺乏導致合成支架的強度差并且影響細胞的存活和行為。Builles等人O007)證明了細胞環(huán)境對新合成的ECM的重要性。一些已獲得更好的原纖維大小的控制并證明組織樣圖樣的構造。然而，對于它們產(chǎn)生的構建體的大小和所需的漫長過程存在問題。納米結構和微結構及其取向?qū)﹄旌晚g帶特別重要，因為這些組織需要強度、彈性以及引導細胞附著和遷移以發(fā)生修復。例如，致力于人組織的細胞-細胞外構造的最近的綜述沒有討論原纖維取向或ECM對齊，但它聲稱“支架構造在組織工程中的重要性正日益被認識，這導致支架設計的傾向改變，從各向同性支架到不均勻的且各向異性的“仿生”支架，目標是模擬細胞的組織(諸如對齊或簇集)和/或考慮組織的 ECM?！?參見 30. Singh M.，Tech B, Berkland C，和 Detamore MS. 2008. Strategies and Applications for Incorporating Physical and Chemical Signal Gradients in Tissue ^igineering (用于在組織工程中加入物理和化學信號梯度的策略和應用).Tissue Engineering. B 部分· 14. 4 :341_366。最近，將膠原蛋白以有序陣列沉積在玻璃基底或塑料基底上以制造具有皮膚樣、腱樣、對齊編織的和其他原纖維結構的薄膜的方法描述在美國專利申請公開第 2009/0069893號和美國專利申請系列第11/951，324號中，其整個公開內(nèi)容通過引用并入本文。重要的是，這些對齊和有序的膠原蛋白沉積物指導應用于它們之上的細胞的取向。具體而言，細胞在膜上附著并對齊，并沿著對齊的軸遷移。這些膜可以用增強細胞存活、遷移和增殖的因子諸如生長因子處理。其他生物聚合體可以被并且已經(jīng)被設計成遞送細胞到組織，但是許多缺乏生物相容性，不消失或被加入到組織中，或具有與組織非常不同的物理特性并改變其功能。盡管為發(fā)展模擬腱、皮膚和其他基于膠原蛋白的原纖維組織的生物材料付出了大量努力，但迄今為止還沒有用于生產(chǎn)這些材料的工業(yè)制造方法。因此，迫切需要進一步的重大發(fā)展。發(fā)明概述總體上，本發(fā)明涉及生物復合材料及結構，以及制造和使用它們的方法。在一些實施方案中，本發(fā)明涉及基于定向膠原蛋白的生物復合材料和結構，以及制造方法。在一些實施方案中，提供了形成基于膠原蛋白的膜的方法，在所述膜中膠原蛋白以多種形式排列 (對齊的、扭折的、編織的或以上的組合)?？梢酝ㄟ^依次施加水溶劑和在溶劑空氣界面的力將基于膠原蛋白的膜轉(zhuǎn)換成或形成個體假纖維。在一些實施方案中，這些假纖維能夠交聯(lián)以增強其強度并用多種因子或材料諸如肝素處理以增強其儲存生長因子的能力和/或增強其水合作用和其他性質(zhì)。一方面，本發(fā)明的實施方案提供了生產(chǎn)定向原纖維生物聚合體材料的方法，所述方法包括以下步驟制備期望相的原纖維生物聚合體溶液或凝膠；使該原纖維生物聚合體溶液或凝膠以大致層流的狀態(tài)或方式流動；并且將該原纖維生物聚合體溶液或凝膠從液體轉(zhuǎn)化為固相以形成定向原纖維生物聚合體材料。在一些實施方案中，原纖維生物聚合體溶液或凝膠的期望相是液晶相。在一些實施方案中，原纖維生物聚合體溶液或凝膠顯示范圍在0. OOlM到0. 5M的離子強度以及范圍在2到9的pH。在其他實施方案中，離子強度在0. IM 到0. 3M的范圍，并且pH在2到5的范圍。在一些實施方案中，將原纖維生物聚合體溶液或凝膠轉(zhuǎn)化為固相的步驟包括干燥該溶液或凝膠。干燥可以通過多種方法實現(xiàn)，諸如例如通過控制環(huán)境條件諸如但不限于濕度、溫度和靜電條件來促進蒸發(fā)。在一些實施方案中，原纖維生物聚合體溶液或凝膠流經(jīng)并沉積于官能化基底上。 該基底可以用任何數(shù)目的期望化合物進行官能化，諸如促進粘附、分離、影響原纖維組織等的化合物。一個具體的優(yōu)點是，根據(jù)本發(fā)明的實施方案的生物聚合體可以被進一步加工形成生物復合材料和結構。在一個實施方案中，提供了具有一種或多種帶狀形式的定向原纖維材料。在一些實施方案中，提供了具有層形式的定向原纖維生物聚合體材料，所述層具有與層表面平行的任何方向的平均原纖維取向。在其他實施方案中，層具有在垂直于層表面的方向的平均原纖維取向。在一些實施方案中，提供了具有管形式的原纖維生物聚合體材料， 其中所述管具有平行于管軸或者與其有一定角度的平均原纖維取向。定向的原纖維生物聚合體材料可具有單卷曲圖樣?？蛇x地，定向的原纖維生物聚合體材料可具有雙卷曲圖樣，在卷曲構造之間有任意角。在一些實施方案中，定向的原纖維生物聚合體材料顯示由左手螺旋原纖維和右手螺旋原纖維所形成的卷曲圖樣。在其他實施方案中，定向原纖維生物聚合體材料具有大致平行線以大致相等交錯角的人字紋形式的卷曲圖樣。另一方面，本發(fā)明的實施方案提供了形成一種或多種原纖維生物聚合體材料諸如假纖維的方法，所述方法包括如下步驟將生物聚合體材料浸入具有大致上中性PH的溶液中；并且將該生物聚合體材料從該溶液中拉出以使得該材料在空氣-液體界面塌縮成假纖維。根據(jù)期望的應用，可以將形成的原纖維生物聚合體假纖維干燥、交聯(lián)和/或滅菌。另一個優(yōu)點是，可以將本發(fā)明的原纖維生物聚合體假纖維形成生物復合材料和或結構。在一些實施方案中，提供了包含至少一種定向原纖維生物聚合體材料和生物可降解的生物相容性基質(zhì)的生物復合結構。在其他實施方案中，提供了包含由生物可降解的生物相容性基質(zhì)粘合的具有任意取向的多種定向原纖維生物聚合體材料的生物復合結構。生物相容基質(zhì)可由任何適宜材料組成，諸如有限實例糖胺聚糖、蛋白聚糖、釩酸鹽、磷酸鈣、活細胞、生長因子以及它們的組合。在一些實施方案中，定向原纖維生物聚合體材料在細胞和組織培養(yǎng)應用中找到用作基質(zhì)和基底的用途。在其他實施方案中，定向原纖維生物聚合體材料用作體內(nèi)細胞引導
7支架。又在另一個實施方案中，定向原纖維生物聚合體材料包含被設置成向期望位點或靶標遞送組分的遞送媒介物。在一個實例中，該材料遞送富含血小板的血漿的組分。在另一個實施方案中，該材料被設置成遞送活細胞，以用于組織修復和再生。在另一個實施方案中， 該材料被設置成遞送肽、藥物、生長因子和小分子。在一些實施方案中，通過液膜施用器制造生物聚合體材料，所述生物聚合體材料包括(i)具有平行楔狀梁的形式的至少兩個縱向側部構件，其基礎與基底在同一平面內(nèi)； (ii)在所述側部構件之間具有橋形式的交叉構件，其中所述交叉構件具有至少一個平坦面并且以至少一個點與每個所述梁接觸；以及(iii)確保橋在任何預設位置嚴格固定在所述梁上的鉗系統(tǒng)，其中所述橋能夠沿著兩個所述梁移動以使得所述橋的平坦面與基底平面形成0-10弧分內(nèi)的某一恒定二面角，并且在所述平坦面與所述基底平面之間的間隙具有5到 50微米的寬度。在一些實施方案中，通過如下步驟制造生物聚合體材料輸送膠原蛋白溶液到第一平板和第二平板，其中所述第二平板保持大致上與所述第一平板平行，空隙寬度為5到 50微米，并且其中膠原蛋白溶液在所述第一平板與所述第二平板之間被捕獲；并且移動與所述第一平板平行的所述第二平板以在所述膠原蛋白溶液上產(chǎn)生適宜剪切力來使膠原蛋白溶液以大致層流的狀態(tài)或方式流動，其中所述第一平板在所述移動步驟過程中保持靜止，并且其中移動第二板的方向是涂覆方向。在一些實施方案中，涂覆方向與所述單軸取向平行。在一些實施方案中，所述膠原蛋白溶液的濃度為大約20mg/ml至100mg/ml。在一些實施方案中，所述膠原蛋白溶液的濃度為至少25mg/ml。在一些實施方案中，膠原蛋白溶液呈現(xiàn)向列液晶態(tài)。在一些實施方案中，通過濃縮的液體膠原蛋白溶液的剪切來制造膠原蛋白層。在一些實施方案中，生物聚合體溶液包括濃縮的液體膠原蛋白溶液，所述濃縮的液體膠原蛋白溶液具有但不限于膠原蛋白類型I、II、III、VI和XI中的至少一種(包括生物改性或化學改性的膠原蛋白以及類似膠原蛋白)，并且所述濃縮的液體膠原蛋白溶液任選地具有一種或多種添加劑，諸如例如但不限于，能夠促進所述膠原蛋白的定向或粘附的添加劑。在一些實施方案中，添加劑為ATP。附圖簡述本發(fā)明的前述目的和其他目的在考慮與附圖結合的以下詳細描述時將是明顯的， 在附圖中同樣的參考字符通篇是指同樣的部件。

圖1是描繪腱的層級結構的示意圖；圖2A-2C分別示出顯示在取自豬二尖瓣的腱索中的卷曲膠原蛋白纖維的螺旋性質(zhì)的SEM照片，以及由Freed和Doering在其數(shù)學模型中使用的螺旋狀彈簧的簡圖，和螺旋膠原蛋白纖維的應力拉伸曲線；圖3A-3F是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施方案形成的多種膠原蛋白膜或材料的原子力顯微鏡(AFM)照片；圖4A-4B分別是大鼠尾腱的SEM圖像和新穎的牛膠原蛋白1基質(zhì)的AFM圖像；圖5A-5C是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施方案形成的多種膠原蛋白膜或材料的AFM照片；圖6A-6B分別是豬心臟二尖瓣的SEM圖像和根據(jù)本發(fā)明的腱樣生物聚合體基質(zhì)的
8AFM圖像；圖7A-7B是分別顯示根據(jù)本發(fā)明的實施方案的單個膠原蛋白假纖維和膠原蛋白線的照片；圖8A-8C展示了顯示右手和左手取向或卷曲的雙超螺旋結構；圖9描繪了可用于執(zhí)行本發(fā)明的方法的系統(tǒng)的一個實施方案的示意圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案的具有對齊編織的取向的螺旋非嵌套生物聚合體材料的AFM圖像；圖11是根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案的雙卷曲生物聚合體材料的AFM圖像；圖12A-12C是分別描繪在形成根據(jù)本發(fā)明的實施方案的生物復合結構的定向膠原蛋白層上的人成纖維細胞、MSC和肌細胞的照片；圖13展示了可用于執(zhí)行本發(fā)明的方法來形成根據(jù)本發(fā)明的實施方案的假纖維的系統(tǒng)的一個實施方案的示意圖；并且圖14示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案在定向膠原蛋白假纖維上接種并于五天后從該假纖維上增殖和遷移的細胞。發(fā)明詳述應理解上述一般描述和以下詳細描述僅是示例性和解釋性的，并且不是對本文所述的組合物、膜和方法的限制。在本申請中，除非另作特別說明，單數(shù)的使用包括復數(shù)。同樣，除非另作說明，“或”的使用表示“和/或”。類似地，“包含”、“包含有”、“包含了”、“包括”、“包括有”和“包括了”不旨在是限制的。術語“層”或“膜”或“薄膜”或“基質(zhì)”在整篇描述中可互換使用。總體上，本發(fā)明涉及生物復合材料和結構，以及制造和使用它們的方法。在一些實施方案中，本發(fā)明涉及基于定向膠原蛋白的生物復合材料和結構以及制造方法。在一些實施方案中，提供了形成基于膠原蛋白的膜的方法，其中膠原蛋白以各種形式(對齊的、扭折的、編織的或以上的組合)排列。基于膠原蛋白的膜可以通過順序應用含水溶劑和在溶劑空氣界面的力被轉(zhuǎn)化或形成個體假纖維。在一些實施方案中，這些假纖維可以交聯(lián)以增強其強度并用多種因子或材料諸如肝素處理以增強其儲存生長因子的能力和/或增強其水合作用和其他性質(zhì)。本文使用了以下非限制性定義?！霸w維生物聚合體”是指不同類型的膠原蛋白、 層粘連蛋白、纖連蛋白、血纖蛋白、絲、其他多肽和它們的組合?！岸ㄏ蛟w維生物聚合體材料”是指具有重復圖樣的材料。具體來說，它可以是結晶原纖維生物聚合體或半結晶原纖維生物聚合體。在一些實施方案中，如果生物聚合體表面具有重復圖樣，它被稱為“定向的”。具體來說，表面圖樣可以通過17個平面結晶群之一來確定。取向可以通過光偏振、偏光顯微術、激光衍射、χ光衍射、原子探針顯微術、電子顯微鏡中的任何一個來評估。取決于濃度、溫度、pH、離子強度和添加劑，“原纖維生物聚合體溶液和凝膠”具有不同的相。在一些實施方案中，這些相是具有長程取向次序(例如，各向同性、膽留、層列、 向列、六方)的液晶相。當在偏光顯微鏡下觀察時，不同的液晶相顯示具有不同的紋理。 不同的相可以通過光衍射和散射、通過穆勒矩陣偏振、通過密度變化以及通過差示量熱術來識別。膠原蛋白、層粘連蛋白、DNA、許多多肽以及其他原纖維生物聚合體是溶致液晶材料的好例子。少量的無機添加劑(例如原釩酸鹽)可改變相變。膠原蛋白相形成的綜合 ftEMJM Mosser G, Anglo A, Helary C, Bouligand Y, Giraud-Guille MM. 2006 ；Dense tissue-like collagen matrices formed in cell-free conditions (在無細胞條件下形成的致密組織樣膠原蛋白基質(zhì))；Matrix Biology. 25 :3-13中；通過引用將其整體并入本文。穩(wěn)定(層)流條件施加至特定液相導致圖樣形成。換言之，在一些實施方案中，生物聚合體溶液或凝膠以分層方式或以分層狀態(tài)流動。這些流條件的例子包括但不限于庫愛特流、泰勒-庫愛特流、平面泊蕭流(Poiseuille flow)和軸對稱泊蕭流。環(huán)境條件(濕度、溫度、UV、X射線、電子束、電場、磁場)或原纖維生物聚合體的關鍵參數(shù)像PH和離子強度的改變可能導致自組裝過程并促使定向材料從液/凝膠相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?。在一個示例性實施方案中，從液/凝膠相到固相的轉(zhuǎn)變是通過干燥過程完成的。在固相中得到的生物聚合體的圖樣取決于在液相中的圖樣和自組裝過程。在一個實施方案中， 膠原蛋白溶液的快速干燥過程導致具有小直徑的螺旋狀原纖維(透明材料)的形成，而緩慢干燥過程導致具有大直徑的螺旋狀原纖維(模糊材料)的形成。在薄膠原蛋白層(例如幾微米厚度)的情況下，得到的取向基本上取決于基底的化學和物理特性。在一些實施方案中，基底的官能化可用于控制取向。當促使定向膠原蛋白的獨立帶沿該帶的長軸縱向卷起并通過靜電力被穩(wěn)定地就地保持時產(chǎn)生“假纖維”?！熬€”是通過將多個假纖維、通常三個或更多個假纖維編織在一起而產(chǎn)生。“生物可降解基質(zhì)”在本文是指能夠自然分解并被生理環(huán)境重吸收的材料。此處的生物可降解基質(zhì)是用于將生物聚合體粘合在一起的生物相容材料。簡要地評述在文獻中討論的韌帶和腱的結構是有用的。盡管膠原蛋白在分子水平上的特征已被廣泛地研究并得到很好的理解，但對腱和韌帶水平上的特征和結構的理解還不太清楚。本發(fā)明的一些實施方案描述了具有在哺乳動物身體中發(fā)現(xiàn)的腱和韌帶的相同結構的制造的支架產(chǎn)物。該方法用分子級膠原蛋白，通常為I型，開始，并使用專利方法將其重組成支架。該方法在不存在細胞材料或其他生物材料的情況下創(chuàng)建支架。因為不存在這些額外的組分，所以該方法容許獲得得到的支架的更清晰的圖片及其基本幾何結構。這樣做時，該方法給出了對這些哺乳動物身體部件如何組織以及它們?nèi)绾蝿?chuàng)建的理解，這些至今沒有在文獻中報道。在描述韌帶和腱的結構時，存在每個層次上特性不同的組織層級結構。取決于如何定義每個層次，研究者確定六個、七個或八個層次。以下表1顯示通常用于描述八個層次的命名法(參考=Cowin & Doty, 2007 的 “Tissue Mechanics (組織力學)，，)。
權利要求
1.一種制造定向原纖維生物聚合體材料的方法，所述方法包括以下步驟 制備期望相的原纖維生物聚合體溶液或凝膠；使所述原纖維生物聚合體溶液或凝膠以大致上層流的狀態(tài)或方式流動；并且將所述原纖維生物聚合體溶液或凝膠從液體轉(zhuǎn)化為固相以形成定向原纖維生物聚合體材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中通過調(diào)整以下一種或多種來制備所述原纖維生物聚合體溶液或凝膠濃度、溫度、PH、離子強度或添加劑。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述流動步驟導致具有長程取向次序的特定圖樣的形成。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)化步驟還包括促進所述原纖維生物聚合體的自組裝。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述相是液晶相。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)化步驟還包括在轉(zhuǎn)化過程中改變環(huán)境條件。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述環(huán)境條件是以下的任何一種或多種環(huán)境濕度、溫度或靜電條件。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述原纖維生物聚合體溶液或凝膠顯示可通過外部蒸發(fā)調(diào)整的離子強度和PH。
9.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中所述液相被沉積在官能化基底上。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中官能化被設置成促進對基底的低粘附。
11.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中官能化被設置成促進對基底的高粘附。
12.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中官能化被設置成影響所述固相中的最終取向。
13.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述定向原纖維材料被進一步交聯(lián)和滅菌。
14.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中定向原纖維材料從具有低粘附力的基底中移出。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述定向原纖維材料具有帶形式。
16.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述相是溶致液晶相。
17.一種由帶生產(chǎn)原纖維生物聚合體假纖維的方法，所述方法包括如下步驟 將定向生物聚合體材料浸入溶液中；并且將所述定向生物聚合體材料從所述溶液中拉出以使得所述材料在空氣-液體界面塌縮成假纖維。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，所述方法還包括干燥所述原纖維生物聚合體假纖維。
19.根據(jù)權利要求17所述的方法，所述方法還包括交聯(lián)所述原纖維生物聚合體假纖維。
20.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述定向生物聚合體材料由一種或多種帶構成。
21.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述溶液具有中性pH。
22.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述溶液具有2到9范圍內(nèi)的pH。
23.一種根據(jù)權利要求1形成的定向原纖維生物聚合體材料，所述材料具有層形式，所述層具有與所述層的表面平行的任何方向的平均原纖維取向。
24.一種根據(jù)權利要求1形成的定向原纖維生物聚合體材料，所述材料由層構成，所述層具有與所述層的表面垂直的方向的平均原纖維取向。
25.一種根據(jù)權利要求1形成的定向原纖維生物聚合體材料，所述材料由管構成，所述管具有與所述管的軸成一定角度的平均原纖維取向。
26.一種根據(jù)權利要求1形成的定向原纖維生物聚合體材料，所述材料具有單卷曲圖樣。
27.一種根據(jù)權利要求1形成的定向原纖維生物聚合體材料，所述材料具有卷曲構造之間成任意角度的雙卷曲圖樣。
28.一種根據(jù)權利要求1形成的定向原纖維生物聚合體材料，所述材料具有由左手螺旋原纖維和右手螺旋原纖維形成的卷曲圖樣。
29.一種根據(jù)權利要求1形成的定向原纖維生物聚合體材料，所述材料具有大致平行線以大致相等交錯角的人字紋形式的卷曲圖樣。
30.一種生物復合結構，包括至少一種定向原纖維生物聚合體材料和生物可降解的生物相容性基質(zhì)。
31.一種生物復合結構，包括具有任意取向的多種定向原纖維生物聚合體材料以及將所述多種原纖維生物聚合體材料粘合在一起的生物可降解的生物相容性基質(zhì)。
32.一種根據(jù)權利要求1形成的定向原纖維生物聚合體材料，所述材料被設置成用作細胞培養(yǎng)和組織培養(yǎng)應用中的基質(zhì)和基底。
33.一種根據(jù)權利要求1形成的定向原纖維生物聚合體材料，所述材料被設置成用作體內(nèi)細胞引導支架。
34.一種根據(jù)權利要求1形成的定向原纖維生物聚合體材料，所述材料被設置成遞送富含血小板的血漿的組分。
35.一種根據(jù)權利要求1形成的定向原纖維生物聚合體材料，所述材料被設置成遞送活細胞用于組織的修復和再生。
36.根據(jù)權利要求17形成的一種原纖維生物聚合體假纖維或多種假纖維，所述一種原纖維生物聚合體假纖維或多種假纖維被設置成遞送活細胞和富含血小板的血漿的組分用于組織的修復和再生。
37.一種根據(jù)權利要求1形成的定向原纖維生物聚合體材料，所述材料被設置成遞送肽、藥物、生長因子和小分子。
38.根據(jù)權利要求30所述的生物復合結構，其中所述生物相容性基質(zhì)由糖胺聚糖、蛋白聚糖、釩酸鹽、磷酸鈣、活細胞、生長因子以及它們的組合組成。
39.一種形成基于定向膠原蛋白的材料的方法，其特征在于使原纖維膠原蛋白溶液或凝膠以大致上分層的狀態(tài)流動并以期望的方式定向，并且隨后將所述溶液或凝膠從液相轉(zhuǎn)化為固相來形成基于定向膠原蛋白的材料。
全文摘要
總體上，本發(fā)明涉及生物聚合體和生物復合材料及結構，以及制造和使用它們的方法。在一些實施方案中，本發(fā)明涉及基于定向膠原蛋白的生物復合材料和結構，以及制造方法。
文檔編號A61L27/50GK102281907SQ200980140288
公開日2011年12月14日 申請日期2009年8月11日 優(yōu)先權日2008年8月11日
發(fā)明者喬治·R·馬丁, 塔蒂阿娜·塞茨瓦, 大衛(wèi)·哈伍德·麥克默特里, 尤里·亞歷山德羅維奇·波洛夫, 米哈伊爾·維托多維奇·帕克施托 申請人:菲布拉利恩公司