專利名稱：羥基苯交聯大分子網絡及其應用的制作方法
羥基苯交聯大分子網絡及其應用
背景技術：
關節(jié)軟骨在健康的關節(jié)中行使基本功能。關節(jié)軟骨吸收和分散沖擊和摩擦載荷從而將這些載荷從骨骼上轉移，保護骨骼免受傷害。軟骨通過將載荷力轉移至受限于關節(jié)間隙內的聚集蛋白聚糖分子(在下一節(jié)中有所描述)三維網絡內的流體相實現該功能。聚集蛋白聚糖分子含有與核心蛋白相連的多達100條的硫酸軟骨素鏈，在每條硫酸軟骨素鏈全長上分布著多個電負性的硫酸根基團。這些硫酸根基團引起了單個聚集蛋白聚糖分子上的各條硫酸軟骨素鏈之間的相互排斥(造成靜態(tài)聚集蛋白聚糖分子占有最大的空間體積)， 并導致軟骨聚集體中相鄰的聚集蛋白聚糖分子互相排斥。在健康軟骨中，聚集蛋白聚糖分子與透明質酸長鏈相連，而透明質酸鏈被胞外膠原纖維基質限制于關節(jié)間隙內的大型軟骨聚集體中。因此，即使每個聚集蛋白聚糖分子 (和與相同或不同的透明質酸鏈相連的相鄰聚集蛋白聚糖分子)中相鄰的硫酸軟骨素鏈之間相互排斥，它們仍然被限制在膠原基質中。
圖1描述了正常、健康的軟骨。由于硫酸軟骨素鏈之間如此排斥，透明質酸-聚集蛋白聚糖網絡(或大分子網絡)在膠原基質的限制下會盡可能大的延展從而在靜態(tài)獲得盡可能低的能量態(tài)，即使得相鄰的電負性的硫酸根基團間的距離盡可能最大化。由此，網絡分子為了避免和相鄰的網絡分子靠近而很難發(fā)生移動或替代。這些大型軟骨聚集體被限制在體積為其自由溶液體積五分之一的膠原纖維網絡中，無法繼續(xù)膨脹。具有很高的負電荷密度的軟骨聚集體與大量溶劑結合從而賦予軟骨吸收載荷和抵抗變形的能力。在壓縮下，固定在聚集蛋白聚糖上的負電荷基團之間的距離縮小，從而增加了電荷-電荷之間的排斥力以及自由浮動的平衡陽離子的濃度(如Ca2+和 Na+)。這些效應均對軟骨的粘彈性和軟骨抵抗變形及吸收壓縮載荷的能力有所幫助，以下將進一步加以說明。水分子在大分子網絡中提供了充分連續(xù)的流體相。如下所述，大分子網絡通過將沖擊和摩擦載荷轉移至連續(xù)的流體(水)相將它們從骨骼上轉移。當關節(jié)承受載荷時，大分子網絡首先將力吸收，該力作用于網絡欲使其變形或將其壓縮。力在流體相中形成壓力梯度從而誘導流體流動以適應由載荷造成的網絡的變形或壓縮。但是流體無法改變堅實的大分子網絡，網絡填滿了相互排斥的硫酸軟骨素鏈，足以在不移動或替代網絡分子的情況下容納大量的水。因此，雖然每個水分子可以在網絡中擴散，但由于網絡分子不會發(fā)生替代， 因此除非流速大幅減慢，否則大量的流體相將基本被限制于網絡中而無法通過。盡管存在壓力梯度，但是由于水分子無法順利流動，沖擊或摩擦載荷的能量轉移至流體相并被其吸收，其中該能量壓縮液體水直至水發(fā)生充分的轉移以適應網絡形狀且壓力梯度發(fā)生衰減。 總體效果即軟骨吸收潛在有害載荷，并將其從骨骼上轉移。通過該完善的機制，正常的關節(jié)能夠通過將大量的載荷力轉移至受限于大分子網絡內的流體相而吸收大量的載荷。在現有技術中，該過程還沒有被人工或合成方法充分地重現。因此，對于軟骨退行性疾病還無法進行充分的治療，如關節(jié)炎，其中聚集蛋白聚糖分子從它們的透明質酸鏈上脫離，被消化或運出軟骨聚集體。據估計，骨性關節(jié)炎和風濕性關節(jié)炎分別影響著20. 7和2. 1百萬美國人。僅骨性
3關節(jié)炎每年就造成大約7百萬次的醫(yī)生探訪。對于嚴重的致殘性關節(jié)炎，目前的治療包括全關節(jié)置換手術，僅美國每年就平均進行168,000樁全髖關節(jié)置換和267,000樁全膝關節(jié)置換手術。由于軟骨細胞在修復軟骨中的有限能力，關節(jié)軟骨的缺陷帶來了復雜的治療問題。迄今為止的治療策略將重點放在對細胞培養(yǎng)中的自體軟骨細胞的應用或在體內通過趨化試劑或促有絲分裂試劑對間質干細胞的募集上。這些策略的目的在于增加和/或活化軟骨細胞群落從而重新合成正常的、健康的關節(jié)軟骨表面。這些策略的一個主要問題是無法將這些試劑保留在缺陷位點。由于透明質酸特有的性質，包括極佳的生物相容性、可降解性和流變學及理化性質，有提議將透明質酸用作發(fā)展軟骨細胞或生物活性試劑局部給藥的生物材料的候選材料。然而，懸浮于組織工程透明質酸基質中的軟骨細胞能否合成機械性質與正常健康的關節(jié)軟骨相當的新軟骨基質仍然是未知的。這是因為由透明質酸制成傳統(tǒng)生物材料的化學制備方法與保持細胞存活力不相容。軟骨細胞必須在基質形成后才能被引入基質，結果不穩(wěn)定且通常很差。因此，本領域需要一種能夠以有效的方式將載荷力從骨骼上有效轉移的人工或合成基質。優(yōu)選地，此基質在整形外科手術過程中可以在原位點或在體內修復或置換關節(jié)軟骨。更優(yōu)地，人工或合成基質以一種液體或多種液體的形式提供在原位點或體內靶點，在位點與病人體內已經存在的軟骨或骨骼組織形成基本密實的整合。
發(fā)明內容
發(fā)明綜述本發(fā)明提供的大分子網絡包含以下結構
權利要求
1.一種合成的大分子網絡，其包括羥苯基取代的聚羧酸酯、羥苯基取代的聚胺、其它聚羥基苯分子或其共聚物大分子；以及至少一個二羥基苯鍵連接不同的大分子或連接相同大分子的不同位置。
2.根據權利要求1所述的合成的大分子網絡，其中所述的大分子為聚羧酸酯。
3.根據權利要求1所述的合成的大分子網絡，其中所述的大分子為聚胺。
4.根據權利要求1所述的合成的大分子網絡，其中所述的大分子為透明質酸。
5.根據權利要求1所述的合成的大分子網絡，其中所述的大分子包括肽或蛋白質分子。
6.根據權利要求1-5中任一權利要求所述的合成的大分子網絡，其中所述的大分子網絡內進一步包括活細胞群。
7.根據權利要求1-6中任一權利要求所述的合成的大分子網絡，其中所述的大分子網絡內進一步包括生物活性因子。
8.根據權利要求1所述的合成的大分子網絡，其中所述的大分子包括羥苯基化合物取代的聚羧酸酯，其中至少一個二羥基苯鍵在兩個羥苯基之間形成，該兩個羥苯基分別和臨近的聚羧酸酯分子連接。
9.根據權利要求1所述的合成的大分子網絡，其中所述的大分子包括羥苯基化合物取代的聚胺，其中至少一個二羥基苯鍵在兩個羥苯基之間形成，該兩個羥苯基分別和臨近的聚胺分子連接。
10.根據權利要求1所述的合成的大分子網絡，其中所述的大分子包括羥苯基化合物取代的肽或蛋白質分子，其中至少一個二羥基苯鍵在兩個羥苯基之間形成，該兩個羥苯基分別和臨近的肽或蛋白質分子連接。
11.根據權利要求8-10中任一權利要求所述的合成的大分子網絡，其中所述的羥苯基化合物為酪胺或酪氨酸。
12.根據權利要求8所述的合成的大分子網絡，其中所述的聚羧酸酯分子中的羥基苯化合物取代率相對于所述聚羧酸酯分子上的CO2H位點摩爾量小于50%。
13.根據權利要求8所述的合成的大分子網絡，其中所述的聚羧酸酯分子中的羥基苯化合物取代率相對于所述聚羧酸酯分子上的CO2H位點摩爾量小于10%。
14.根據權利要求8所述的合成的大分子網絡，其中所述的大分子包括多個酪胺取代的透明質酸分子，至少兩個相鄰的透明質酸分子通過二酪胺鍵連接。
15.根據權利要求14所述的合成的大分子網絡，相對于所述透明質酸分子上的0)辺位點摩爾量，其中所述透明質酸分子上的酪胺取代率低于50%。
16.根據權利要求14所述的合成的大分子網絡，相對于所述透明質酸分子上的0)辺位點摩爾量，其中所述透明質酸分子上的酪胺取代率低于10%。
17.根據權利要求14所述的合成的大分子網絡，相對于所述透明質酸分子上的0)辺位點摩爾量，其中所述透明質酸分子上的酪胺取代率低于5%。
18.一種合成的、可移植的軟骨材料，其包括權利要求1-17中任一權利要求所述的合成的大分子網絡。
19.一種凝膠，其包括權利要求1-17中任一權利要求所述的合成的大分子網絡。
全文摘要
本發(fā)明提供了二羥基苯交聯的大分子網絡，該網絡可用于人工組織和組織工程應用中，如人工或合成軟骨中。在該網絡制備中首先提供聚胺或聚羧酸酯大分子(在分子鏈上分別帶有多個胺基或羧酸基團)，該大分子若是聚胺，則將其與帶有自由羧酸基團的羥基苯化合物反應，若是聚羧酸酯，則與帶有自由一級胺基團的羥基苯化合物反應，通過碳二亞胺介導的反應途徑將羥基苯化合物取代至大分子上生成羥基苯取代大分子。隨后在代謝的溫度和pH條件下，在分別與不同大分子相連的兩個羥基苯基團間發(fā)生酶催化二聚化反應，從而將該大分子連接至另一大分子上。在優(yōu)選具體實施方案中，大分子網絡由通過二酪胺鍵連接的酪胺取代透明質酸分子組成，從而提供了具有理想物理性質的穩(wěn)定、粘著的水凝膠。本發(fā)明還提供了制備該網絡的方法。
文檔編號A61L27/20GK102382308SQ20101019223
公開日2012年3月21日 申請日期2005年7月8日 優(yōu)先權日2004年7月9日
發(fā)明者安東尼·卡拉布羅, 理查德·A·格羅斯, 阿尼克·B·達爾 申請人:克利夫蘭臨床基金會