CN104870026A - 等同于组织的生物塑料材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医学，且具体地涉及combustiology、外科手术和整容术，且可以用作用于替换上皮组织中的缺陷(保护免于蒸发和感染)和用于刺激再生的生物塑料材料。技术结果是增加的愈合创伤的效力。使用等同于组织的生物塑料材料实现了该目的，所述材料包括基质形式的基质，天然形式的透明质酸用作所述基质的材料，其特征在于，所述等同于组织的生物塑料材料含有1.5％透明质酸溶液和5％肽复合物溶液，在生物安全柜中以下述定量比(ml)将它们混合以形成粘稠的弹性凝胶，将所述凝胶置于床中并进行紫外光聚合5-7小时：1.5％的透明质酸溶液：80-90％；5％的肽复合物溶液：10-20％；完成的材料具有洞孔和缺口。

Description

等同于组织的生物塑料材料

技术领域

本发明涉及医学，即涉及combustiology、外科手术、整容术，且可以用作用于替换上皮组织中的缺陷(保护免于蒸发和感染)和刺激再生的生物塑料材料。

背景技术

具有高功能和美学结果的、用于有效的器官特异性的再生的、新的可生物降解的塑料和生物相容的材料的开发和研究，是现代再生医学和移植学(transplantatology)中的实际问题。显然，新的材料必须满足受体组织的特定形态学的顺应性的要求并促进它们的功能恢复(Bioartificialorgans,1999；Biocompatibility,1999；Sudesh等人,2000；2004；Biopolymers for Medicinal and Pharmaceutical Applications,2005)。

目前，与开发组织工程改造的构建体和生物人工器官(其基于具有新功能性质的生物材料，即所谓的等同于组织的(histo-equivalent)生物塑料材料(HEB))有关的医学生物工程的最新领域正在活跃发展中(Shumakov,1995；Shumakov等人,2003；Stilman,2006)。这些材料的一个关键性质是它们的通过天然代谢途径进行生物降解的能力(包括在生化循环中的中间体和终产物)，不存在它们的全身和局部积累，例如，乳酸和羟乙酸参与三羧酸循环。另外，这些材料应当是无毒的，并且它们在血流中的浓度不应当超过最大许可限度(Volova T.G.,2003)。

构成组织工程改造的构建体的框架基础的生物材料的生理学代谢，决定了没有炎症反应的明显效应的修复过程的平衡，并防止免疫排斥的现象，从而避免身体对异物的应答(Shishatskaya E.,2011)。

新的等同于组织的生物塑料材料(BM)的开发是基于研究生物降解的动力学和它的强度性能的动力学，以及基于评估再生过程的影响和性质。该影响的性质和严重程度取决于材料本身的物理化学性能和受体生物体的应答生理学和生化反应的强度的组合。

因此，具有最大程度的生化互补性的、新的可生物降解的材料的开发，是基于提供由大分子复合物组成的基质，所述基质暴露于身体的自身酶***和其它溶解剂。

同时，可生物降解的材料的理想变体必须满足下述要求：

1.在天然代谢途径中具有可编程的生物降解阶段的大分子构建体，其不是免疫炎症反应的来源。

2.在身体的保护性细胞的信号趋化性的阶段，包含所述材料在再生机制中的生物代谢的中间体和/或终产物。

3.所述材料的生物降解的时间段和修复过程的持续时间之间的最大顺应性。

因而，从最佳免疫生物化学顺应性的观点看，满足上述关于开发新的可生物降解的材料的要求，将会提供器官特异性的组织发生的最佳形态学和功能结果。

关于开发可生物降解的材料的早期研究聚焦于天然聚合物(胶原、纤维素和其它)，此后，聚焦于化学合成的产物。这样的可生物降解的聚合物的例子是聚酸酐、聚酯、聚丙烯(polyacryles)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯。揭示了几种关键因素会控制所述材料的溶解度：亲水性/疏水性、无定形/结晶状态、分子量、杂原子(例如，除了碳以外)的存在(Khlusov I.A.,2007)。

显而易见，最有前途的是在裂解后形成天然单体的那些材料。例如，聚丙交酯、聚乙醇酸交酯、聚氧烷酸酯(polyoxyalkonates)和它们的共聚物的裂解分别会提供乳酸、羟乙酸、羟基丁酸，它们在三羧酸循环中转化成水和二氧化碳，在天然途径中从身体***出。

本发明的原型是具有纳米结构的生物塑料材料(俄罗斯专利号2425694，于2011年10月08日公开)，其包括天然形式的透明质酸，且基于具有纳米结构的基质，所述基质代表通过光化学交联得到的具有纳米结构的透明质酸且具有在50-100nm范围内的微孔结构。

透明质酸和胶原的大分子的这样的结构组构会给生物材料提供弹性、增加的粘附力、引流性能、透明性。

但是，如此得到的生物塑料材料的大分子结构在临床实践中不具有足够的有效性。

1.该材料的结构是单相的，因此，在伤口愈合过程的条件下，它形成均匀的涂层，从而转化成干燥的痂(Rakhmatullin R.R.Bioplastic materialbased on hyaluronic acid:biophysical aspects of the pharmacologicalproperties.//Pharmacy.2011,第4期,第37-39页)。根据临床医师的反馈，均匀的干燥的生物痂要求每天绷带包扎以及强制性的痂润湿，这最终导致愈合延迟，并且也导致伴有功能限制(例如，关节的功能限制)的瘢痕形成。

2.生物材料的复杂的具有纳米结构的组构会使它在创伤中的生物代谢显著复杂化，即它在愈合过程中不会溶解，并变成继发感染的原因，结果，导致复杂化的创伤疗程。因此，在绷带包扎期间必须从创伤除去所述材料，但是由于干燥的痂牢固地结合至下面的组织，该操作会造成对创伤的损伤和患者的疼痛。

3.生物材料的单相纳米结构组构不会提供创伤流体的有效引流，并导致流体在生物材料下面积累，因此，在绷带包扎过程中必须使用解剖刀刺穿所述材料和在其中形成引流孔(Rakhmatullin R.R.,Burlutskaya O.I.,Adelshina L.R.,Burtseva T.I.Effectiveness of a novel method of repairingskin defect in a patient with congenital epidermolysis bullosa:clinicalobservation.//Current pediatric issues.2011,第10卷,第2期,第190-192页)。这样的操作会扰乱创伤，并且患者、特别是儿童需要忍受疼痛。

因而，生物塑料材料的纳米构造会造成最佳生物工程性能(粘附力、透明性)的提供，但是不会提供有利的伤口愈合，且可能造成并发症。

发明内容

技术结果在于提高伤口愈合的效率。

使用等同于组织的生物塑料材料实现了该目的，所述材料包含基质形式的基础，天然形式的透明质酸用作所述基质的材料，其特征在于，所述等同于组织的生物塑料材料含有1.5％透明质酸溶液和5％肽复合物溶液，在层流洁净工作台中以下述定量比(ml)将它们混合以形成粘稠的弹性凝胶，将所述凝胶置于床中并暴露于紫外光聚合5-7小时：

-1.5％透明质酸溶液-80-90,

-5％肽复合物溶液-10-20；

其中所述制备的材料具有洞孔和缺口。

附图说明

图1显示了等同于组织的生物塑料材料的微起伏(microrelief)；

图2–等同于组织的生物塑料材料的表面上的附着力的分布；

图3-生物材料和人皮肤图案的起伏的相似性；

图4–置于创伤区域中的生物材料的两相结构的简图(1-片层，2-水胶体)；

图5-细胞培养以后生物材料的原子光谱测定图像；

图6-等同于组织的生物塑料材料中的缺口和孔的排列(3–用于引流的缺口，4–用于自体组织或细胞的孔)；

图7-糖尿病患者的左脚的营养不良性溃疡的视图；

图8和9–糖尿病患者的左脚的溃疡的生物塑料的步骤；

图10和11–糖尿病患者的左脚的溃疡的愈合阶段。

在表中呈现了在透明质酸的水胶体中包含的肽复合物的组成，从该表可以看出，所述肽复合物具有分子量范围在244-459Da之间的不同氨基酸组成。在揭示的肽中，脂族的(亮氨酸、异亮氨酸、丙氨酸、甘氨酸)和极性的不带电荷的氨基酸残基(苏氨酸、脯氨酸、组氨酸、丝氨酸)、以及极性的带电荷的氨基酸残基(精氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺、赖氨酸、精氨酸)占优势。另外，存在异亮氨酸二聚体和聚合三肽，包括含有芳族氨基酸残基(色氨酸)和极性的不带电荷的氨基酸残基的肽。

重要的是，锁链素(氨基酸，一种赖氨酸衍生物)存在于肽部分中。由于它的支链结构(其具有4个氨基酸基团)，4个肽链可以共享一个锁链素分子。这使得形成等同于组织的生物塑料材料的两相结构成为可能。

新的生物材料的两相结构允许在创伤中形成适当的生物痂(板在外面)，并且在面向创伤的一侧上呈粘稠的水胶体的形式。

另外，由于张力的差异，新的生物材料的两相结构会给其提供独特的大起伏(macrorelief)图案。等同于组织的生物塑料生物材料的大表面具有独特的外观，且看起来非常类似于人皮肤皮纹学。

由于所述氨基酸的不同极性，表面张力能的效应显现，所述效应影响独特微起伏的形成。

原子光谱测定数据的图像将所述制品的表面超结构显示为具有独特起伏的类似形态学的球形结构。

已知的是，体细胞的粘附力更可能发生在具有高表面能的材料的表面上(在亲水表面上)，同时，基础细胞过程(生长、分化、迁移)在更大程度上受衬底的起伏的几何和尺寸特征影响(HertzН.Uber die Beruhrung FesterElastischer Korper(在接触弹性固体后)//J.Reine Angew.2011,第292期,第156-171页)。

通过使用固定水的接触角(其等于83°)的方法评估根据本发明的生物材料的亲水/疏水性能，作者在此基础上计算出粘附力的功(其考虑了粗糙度系数)等于99,88mN/m，其将新颖材料的表面表征为中等可润湿的。

处于登记模式的生物聚合物的表面的额外成像，所述附着力允许定位具有增强的粘附力的区域。

附着力的表面能是生物塑料材料的一个根本特征，从而允许评价在再生过程中细胞在其上面的有效迁移。经确定，产生不同粘附力的局部区域的存在会确保在整个表面上的有方向性的细胞趋性和均匀分布(HallabN.J.,Bundy K.J.,O'ConnorК.等人.Evaluation of metallic and polymericbiomaterial surface energy and surface roughness characteristics fordirected cell adhesion//Tissue engineering.2001,第7卷,第1期,第55-71页)。

由于通过限制润湿角来评价水在等同于组织的生物塑料材料的表面上的热力学功(work)，确定的附着力值会表征具有亲水/疏水性能的它的两相生物材料。这是由于异极物质(肽复合物的氨基酸)的存在，所述异极物质在空间上分布于透明质酸的水胶体的结构中，所述透明质酸充当所述材料的基质基础。

这通过处于粘附力模式的生物材料的表面的直接显影(接触原子力显微术)进行了证实。得到的结果指示这样的区域的存在：所述区域就显影区域而言是显著的，从而证实了在生物材料表面上的粘附性能。

又使用等同于组织的生物塑料材料作为衬底培养间质干细胞，随后进行表明的原子力显微术，以检测具有3.7μm的宽度的长方形细胞的存在。随后的更详细的研究揭示了缠绕的纤丝状纤维在细胞的表面上的存在。它们的位置的类似性质是培养的间质干细胞迁移的存在的证据，由此它们与衬底的表面活跃地相互作用，从而浸润进下面的基质中。

因而，肽复合物的存在提供了生物材料的两相结构的组构，其为在创伤中形成适当生物痂的基础(板在外表面上，水胶体在内部)。

等同于组织的生物塑料材料具有贯穿的微洞孔，用于创伤流体的有效引流。

生物材料和上皮组织(皮肤)之间的结构和外观的最大形态学相似性，提供了在本发明的标题中介绍术语“等同于组织的生物塑料材料”的原因。

如下制备等同于组织的生物塑料材料。

作为原料，使用天然形式的透明质酸(其具有能够形成弹性板的纤维纳米结构)和肽复合物。天然形式的透明质酸会提供最佳的细胞迁移和增殖条件，其来源是置于等同于组织的生物塑料材料的微洞孔(一类蜂窝状格)区域中的活组织块。

在室温制备1.5％透明质酸溶液和5％肽复合物溶液。然后将它们混合以形成粘稠的弹性凝胶。

然后，在专门设计的层流洁净工作台中将粘稠的弹性凝胶置于床模具中，并进行紫外光聚合。

为此目的，在层流洁净工作台中建立特殊的小气候(温度是0-3℃，湿度是～50-55％，以0,50m/s的空气流速通气)。然后，对混合物进行紫外辐照5-7小时。将制备的材料转移至设备进行穿孔和包装。

所以，在模具中形成了带白色的弹性板，其非常类似于人皮肤图案的皮纹学。

将所述板切成椭圆形(长直径是15cm，短直径是11cm)，椭圆形板的面积对应于成年人手掌的平均面积。在医学中，认为成年人的手掌占身体表面的约5％；例如，以这样的方式估计烧伤面积。

然后，用穿孔器在板中穿出圆形孔，然后用特殊的刀子机械地切割缺口。需要均匀分布的缺口来引流创伤渗出物以及用于改善生物材料和下面组织之间的粘附力。直径为3mm的圆形孔充当上皮组织的栽培穴(planting hole)。这些组织是患者的自身组织，它们在其外科手术治疗过程中从创伤的边缘切下。进一步，它们充当用于创伤的有效上皮形成(愈合)的细胞源。

作为在具有上皮组织缺陷的患者中的临床应用的结果，发现等同于组织的生物塑料材料会形成适当的生物痂和促进快速的伤口愈合。

重要的是，注意到，等同于组织的生物塑料材料被证实在不能从常规疗法接受任何帮助的患者中是有效的。

临床实施例

女性患者A，59岁，住在Kuvandyk，于2011年12月16日在火车站Orenburg of JSC“RZD”被收入Orenburg当地临床医院的第四外科手术单元，她具有诊断：左脚的巨大圆形坏死性营养不良性溃疡；严重的II型糖尿病；腿的变应性皮炎；贫血。

在坏死性丹毒素引起的溃疡形成以后，该患者遭受该疾病1年。缺陷的大小–从小腿的下三分之一至中间三分之一的8-10cm宽度的圆形带，在创伤床中具有筋膜和肌腱的元素。以前使用的所有治疗方法(包括含有杀菌剂、软膏剂和各种创伤覆盖物的绷带包扎)都没有产生任何作用，且产生患者难以忍受的疼痛。

住院后，进行了创伤的外科手术清创术，将坏死区域切离，得到0.5-1mm大小的活皮肤组织的圆形块。然后，将等同于组织的生物塑料材料(其在它的结构中具有3mm直径的微洞孔和缺口)施加于准备好的创伤。在生物材料附着于创伤并转化成弹性板以后，将从盐水中取出的患者的活组织块放入生物材料的洞孔中。用组织块填充所有微洞孔以后，在其上面施加无菌的布和绷带。

进行纠正并存病的复杂保守治疗的长疗程。观察到生物材料的两相结构在创伤区域中的形成：外侧是生物痂，内侧是水胶体。

清洁创伤以后，形成了具有边缘上皮形成的扁平粒化圆形缺陷(defect)。

当使用等同于组织的生物塑料材料时，发现它如下对成纤维细胞具有最有力的刺激作用：促进CD44受体合成自身透明质酸、III型胶原和弹性蛋白，由此阻止肥大性疤痕的形成。

作为用要求保护的生物材料进行治疗的结果，注意到，所有患者都报告称，疼痛在施用后2-3小时以后消失。随后观察到，不存在创伤区域中的挛缩变化的现象，并且存在皮肤的完全再生。应当指出，该生物材料的应用在康复期中阻止了炎症应答(脓毒症)和肥大性疤痕的形成。没有观察到患者中的变应性反应和/或炎症反应的病例。

因而，与原型相比，研究表明，等同于组织的生物塑料材料能够形成适当的生物痂和刺激创伤的愈合，具有不存在瘢痕形成的良好美学结果，并且也具有与人体中的上皮组织的高生物相容性。

要求保护的等同于组织的生物塑料材料的新颖性是包括极性氨基酸的肽复合物的原始组成。该肽复合物的存在会提供生物材料的两相结构的形成，这是在创伤中形成适当生物痂(板在外侧，水胶体在内侧)的基础。

等同于组织的生物塑料材料具有贯穿微洞孔用于创伤流体的有效引流。该等同于组织的生物塑料材料的一个独特特征是它的以下能力：形成两相创伤覆盖物并从而形成适当的生物痂，以有效地给创伤排液，最终提供了上皮组织缺陷的最佳再生，而没有瘢痕形成和变形。另外，所述生物材料具有患者自身组织的特殊栽培穴，在其中形成用于伤口愈合的胚原基区域。

Claims (1)

1.等同于组织的生物塑料材料，其包含基质形式的基础，天然形式的透明质酸用作所述基质的材料，其特征在于，所述等同于组织的生物塑料材料含有1.5％透明质酸溶液和5％肽复合物溶液，在层流洁净工作台中以下述定量比(ml)将它们混合以形成粘稠的弹性凝胶，将所述凝胶置于床中并暴露于紫外光聚合5-7小时：

-1.5％透明质酸溶液-80-90，

-5％肽复合物溶液-10-20；

其中所述制备的材料具有洞孔和缺口。