CN109219582A - 生物活性玻璃微球 - Google Patents

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Abstract

如本文定义的一种铝硼酸盐组合物、一种铝硼硅酸盐玻璃组合物或其混合物、其实心或中空微球。还公开了制造和使用所公开的组合物的方法，例如形成微球以用于生物活性应用，以及形成组合物提取物以用于处理或愈合伤口。

Description

生物活性玻璃微球
本申请依据35 U.S.C.§119要求于2016年5月27日提交的系列号为62/342,411的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。
相关申请的交叉引用
本申请涉及与本文同时提交的共同拥有和转让的以下USSN临时申请：
62/342,384，名称为“BIOACTIVE ALUMINOBORATE GLASSES”[《生物活性的铝硼酸盐玻璃》]；
62/342,377，名称为“MAGNETIZABLE GLASS CERAMIC COMPOSITION AND METHODSTHEREOF”[《可磁化的玻璃陶瓷组合物及其方法》]；
62/342,381，名称为“LITHIUM DISILICATE GLASS-CERAMIC COMPOSITIONS ANDMETHODS THEREOF”[《焦硅酸锂玻璃陶瓷组合物及其方法》]；
62/342,391，名称为“BIODEGRADABLE MICROBEADS”[《可生物降解的微球》]；以及
62/342,426，名称为“BIOACTIVE BOROPHOSPHATE GLASSES”[《生物活性的硼磷酸盐玻璃》]，但未要求其优先权。
本申请还涉及2015年7月7日提交的，名称为“ANTIMICROBIAL PHASE-SEPARATINGGLASS AND GLASS CERAMIC ARTICLES AND LAMINATES”[《抗微生物相分离的玻璃和玻璃陶瓷制品及层压件》]的共同拥有和转让的第62/189,880号USSN申请，其提到了具有可生物降解相和不可生物降解相的含铜层压件，所述可生物降解相释放铜离子。
本文中提及的每种公开物或专利文件的完整公开内容通过引用纳入本文。
背景
本公开涉及生物活性玻璃组合物、由该生物活性玻璃组合物制造的生物活性玻璃微球，以及制造和使用所述组合物和微球的方法。
发明内容
在一些实施方式中，本公开提供了：
一种铝硼酸盐组合物；
一种铝硼硅酸盐玻璃组合物；
包含本公开的铝硼酸盐组合物的微球制品，包含本公开的铝硼硅酸盐玻璃组合物的微球制品，或者包含本公开的铝硼酸盐和铝硼硅酸盐玻璃组合物的组合或混合物的微球制品；
一种使用本公开的铝硼酸盐组合物、本公开的铝硼硅酸盐玻璃组合物或者其组合或混合物制造高品质玻璃微球的方法；
具有优异的生物相容性的生物活性铝硼酸盐玻璃组合物、生物活性铝硼硅酸盐玻璃组合物或者其组合或混合物；以及
一种制造和使用公开的组合物中的每一种组合物的方法。
当将本公开的玻璃组合物用于生物活性应用时，其显示出优异的生物相容性，并且具有支持促进伤口愈合的能力。实心和中空微球均可以利用例如火焰成形技术以及本公开的来源组合物制备。
附图说明
在本公开的实施方式中：
图1示出了在不同放大倍数下的使用示例性组合物2，利用火焰成形技术制备的实心微球。
图2示出了使用示例性组合物8，利用火焰成形方法制备的中空玻璃微球的实例。
图3A至3D显示了用比较的组合物和本公开的组合物完成的伤口愈合。
图4示出了比较的玻璃组合物C-1和本公开的组合物2和3对伤口愈合百分比的影响。
图5A至5D显示了公开的组合物的实例，其具有优异的支持血管生成的能力，这对于伤口愈合是重要的，特别是对于含Al2O3的硼酸盐玻璃组合物(实施例8)。
具体实施方式
下面参考附图(如果有的话)对本公开的各个实施方式进行详细描述。参考各个实施方式不限制本发明的范围，本发明的范围仅受所附权利要求书的范围限制。此外，在本说明书中列出的任何实施例都不是限制性的，并且仅列出了要求保护的本发明的诸多可能的实施方式中的一些实施方式。
在一些实施方式中，所公开的组合物、制品、制备方法和使用方法提供了一个或多个优势特征或方面，包括例如，如下文所述。在任何权利要求中列出的特征或方面一般可应用于本发明的所有方面。在任一项权利要求中所述的任何单个或多个特征或方面可以结合任一项或多项其他权利要求中所述的任何其他特征或方面或与任一项或多项其他权利要求中所述的任何其他特征或方面置换。
定义
“玻璃”或类似术语可以指玻璃或玻璃陶瓷。
“玻璃制品”或类似术语可以指完全或部分由本公开的玻璃或玻璃陶瓷制造的任何物体。
“颗粒”、“微颗粒”、“珠”、“微珠”、“中空珠”、“中空微珠”、“中空微颗粒”、“玻璃颗粒”、“玻璃微颗粒”等术语是指，例如，具有以下特征的实心或中空微球：直径为例如1至1000微米，中空微球密度为0.1至1.5g/cm3，实心微球密度为0.1至2.5g/cm3，以及颗粒纵横比为例如5:1至1:5。
“生物活性指数”、“生物活性的指数”、“IB”等术语或符号是指，例如，特定生物活性材料的超过50％的界面被生物材料(例如骨、组织等材料)结合的时间。从数学上来说，生物活性指数[根据Hench；参见Cao,W.等人,Bioactive Materials(生物活性材料),Ceramics International(《国际陶瓷》),22(1996)493-507.]为IB＝100/t0.5bb，其中t0.5bb是超过50％的生物活性材料界面(例如移植物)被生物材料(例如骨、组织等材料)结合的时间，所述生物材料包含骨生成性材料(具有细胞内和细胞外响应的A类，例如45S5)和骨引导材料(仅在界面处具有细胞外响应的B类，例如合成的羟磷灰石)。
“包括”、“包含”或类似术语意为包括但不限于，也就是说，内含而非排他。
在描述本公开的实施方式中所使用的修饰例如组合物中成分的量、浓度、体积、工艺温度、工艺时间、产量、流率、压力、粘度等数值及其范围，或者部件尺寸等数值及其范围的“约”是指数量的变化，可发生在例如：用于制备材料、组合物、复合物、浓缩物、部件零件、制造制品或应用制剂的典型测定和处理步骤中；这些步骤中的无意误差；用来实施所述方法的原料或成分的制造、来源、或纯度方面的差异中；以及类似的考虑因素中。术语“约”还包括由于组合物或制剂的老化而与特定的初始浓度或混合物不同的量，以及由于混合或加工组合物或制剂而与特定的初始浓度或混合物不同的量。
“任选的”或“任选地”意为随后描述的事件或情形可发生，或可不发生，而且该描述包括事件或情形发生的情况和所述事件或情形不发生的情况。
除非另有说明，否则，本文所用的不定冠词“一个”或“一种”及其相应的定冠词“该/所述”表示至少一(个/种)，或者一(个/种)或多(个/种)。
可采用本领域普通技术人员熟知的缩写(例如，表示小时的“h”或“hrs”；表示克的“g”或“gm”；表示毫升的“mL”；表示室温的“rt”；表示纳米的“nm”以及类似缩写)。
在组分、成分、添加剂、尺度、条件、时间和类似方面公开的具体和优选的数值及其范围仅用于说明；它们不排除其它限定数值或限定范围内的其他数值。本公开的组合物和方法可包括本文所描述的任何数值或数值、具体数值、更具体的数值和优选数值的任何组合，包括显义或隐义的中间值和中间范围。
塑料微珠和其他成分已经在个人护理和化妆品中使用了超过50年。它们一般较廉价、重量轻、牢固、耐久并耐腐蚀。已将它们用于各种免洗型和清洗型制剂，例如：除臭剂、洗发水、，护发素、沐浴凝胶、唇膏、染发剂、剃须膏、防晒霜、驱虫剂、抗皱霜、保湿霜、发胶、面膜、婴儿护理产品、眼影、睫毛膏等制剂。它们用于许多目的，例如用于递送活性成分、用于成膜、用于去角质、用于粘度调节等的吸附剂相。合成和天然聚合物均已经用于生产微珠，包括，例如：聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚酰胺等。大多数塑料微珠是不可降解的，例如，要花费几百年时间，通过氧化或光降解路径来完全降解。甚至是可生物降解的塑料，例如聚乳酸，只有受到高温才能够降解。此外，微珠被设计成顺着排水管被丢弃，并且已经在每个主要的公海和许多淡水湖泊和河流中报告过它们[参见C.M.Rochman等人，“Scientific evidence supports a ban on microbeads”(科学证据支持禁止微珠)，Environ Sci&Tech(环境科学与技术),2015,49:10759-10761]。微珠的较小尺寸(例如1至1000微米)也使得它们对几乎所有回归线水平上的数千种物质具有生物可利用性(参见C.M.Roch等人，同上)。
由于对微塑料污染的关注增加，包括美国在内的许多国家都试图禁止使用塑料微珠，这种禁令可能为玻璃和陶瓷微球的替代品扩大市场。玻璃微球已经在医药、消费品和各种行业中得到广泛应用[参见J.Bertling等人，Hollow microspheres(中空微球).ChemEng Technol，2004,27：829-837]。在组织工程中，已经使用多孔球作为药物和生长因子的微载体[参见Fu,H.,等人,Hollow hydroxyapatite microspheres as a device forcontrolled delivery of proteins(中空羟基磷灰石微球作为控制蛋白质递送的装置).JMater Sci:Mater Med.,2011；22:579-91]。例如，中空玻璃球可用作复合材料中的轻质填料，用于控制释放药物和放射性示踪剂的载体，以及用于储存和释放氢的介质[参见V.V.Budov,Hollow glass microspheres.Use,properties and technology(中空玻璃微球——使用、性质和技术)(综述文章),Glass Ceram,1994,51:230-235]。商购中空微球通常基于二氧化硅。在例如个人护理和化妆品中潜在需要具有可控的生物降解性和优异的生物相容性的实心和中空的玻璃球[参见Napper,I.E.等人，Characterisation,quantityand sorptive properties of microplastics extracted from cosmetics(从化妆品中提取的微塑料的表征、数量和吸附性质)Marine Pollution Bulletin 99(2015)178-185。]
Schott的名称为“抗微生物、抗感染、伤口愈合性玻璃粉末及其用途”的US7,709,027提到了用于处理皮肤刺激、急性和慢性伤口的产品，其包含：玻璃粉末，其中，基于氧化物，以重量％计，该玻璃粉末的玻璃包含以下组分：20-48％SiO2、0-40％Na2O、0-40％K2O、0-40％Li2O、0-40％CaO、0-40％MgO、0-8％Al2O3、0％P2O5、0-40％B2O3、0-10％ZnO，其中Na2O+K2O+Li2O+CaO+MgO的总量达到15至80％，Pb的量小于20ppm，该玻璃粉末的玻璃不含Ag，并且该玻璃粉末的玻璃颗粒的平均尺寸小于20微米。
Schott的名称为“抗微生物、抗炎性、伤口愈合性和消毒性玻璃及其用途”的US 7,166,549提到了一种抗微生物、抗炎性和消毒性玻璃，其中以重量％计，该玻璃包含：30–95％SiO2、0–40％Na2O、0–40％K2O、0–40％Li2O、0–35％CaO、0–10％MgO、0–10％Al2O3、0–15％P2O5、％B2O3、0–10％NaF、0–10％LiF、0–10％KF、0–10％CaF2、0–5％Ag2O、0–10％MgF2、0–2％Fe2O3和0–10％XJy，其中X为Li、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ag或Zn并且y为1或者y为2，并且XJy的总和>10ppm。
在一些实施方式中，本公开提供了表现出优异的生物相容性并且可形成实心和中空微球的铝硼酸盐和铝硼硅酸盐玻璃组合物的组。
铝硼酸盐玻璃
在一些实施方式中，铝硼酸盐玻璃组合物可包含以下来源，例如：
30至65％B2O3、
1至30％Al2O3、
1至5％P2O5、
3至30％Na2O和
5至30％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计。
在一些实施方式中，铝硼酸盐玻璃组合物还可包含以下来源，例如：
0.1至15％K2O、
0.1至15％MgO、
0.1至10％SrO、和
0.1至5％SO3，基于100摩尔％的组合物总量计。
在一些实施方式中，更优选的组合物可包含以下来源，例如：
50至60％B2O3、
2至10％Al2O3、
1至3％P2O5、
4至10％Na2O、
6至10％K2O、
6至10％MgO、和
20至30％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计。
在一些实施方式中，最优选的组合物可包含以下来源，例如：
50至60％B2O3、
5至10％Al2O3、
1至3％P2O5、
4至8％Na2O、
6至10％K2O、
6至10％MgO、
20至24％CaO，和
0.2至2％SO3，基于100摩尔％的组合物总量计。
铝硼硅酸盐玻璃
在一些实施方式中，本公开的铝硼硅酸盐玻璃组合物可包含以下来源，例如：
50至60％(B2O3+SiO2)、
0.1至25％SiO2、
25至59.9％B2O3、
2至10％Al2O3、
1至3％P2O5、
4至10％Na2O、
6至10％K2O、
6至10％MgO、和
20至30％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计。
在一些实施方式中，铝硼硅酸盐玻璃组合物可进一步包含0.2至2摩尔％SO3的SO3来源，基于100摩尔％的组合物总量计。
在一些实施方式中，更优选的玻璃组合物可包含以下来源，例如：
50至60％(B2O3+SiO2)、
4至25％SiO2、
25至56％B2O3、
2至10％Al2O3、
1至3％P2O5、
4至8％Na2O、
6至10％K2O、
6至10％MgO、
20至24％CaO、和
0.2至2％SO3，基于100摩尔％的组合物总量计。
在一些实施方式中，公开的铝硼酸盐或铝硼硅酸盐玻璃组合物还可包含，例如形状因子，其选自中空微球、实心微球或其组合或其混合物，也就是说，其中玻璃组合物具有颗粒形状，例如球形、卵形或类似的几何形状。
在一些实施方式中，形状因子可以例如，与药物、营养药等功能材料或载体或者其组合相关。
在一些实施方式中，例如，中空微球、实心微球或其组合的直径可以为1至1000微米。
在一些实施方式中，例如，中空微球的密度可以为0.1至1.5g/cm3。
在一些实施方式中，中空微球可以为载体，例如治疗剂和类似的功能成分的载体。
在一些实施方式中，治疗剂可以为，例如，药物、生物学物质或其混合物，举例来说，例如用于慢性感染的控制释放治疗的抗生素；例如用于病毒的控制释放治疗的抗病毒剂；用于癌症的控制释放治疗的抗癌剂。
在一些实施方式中，本公开提供了一种伤口愈合组合物，其包含，例如：
选自以下中的至少一种的组合物的水性提取物：
包含以下的铝硼酸盐组合物：
30至65％B2O3、
1至30％Al2O3、
1至5％P2O5、
3至30％Na2O、和
5至30％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计；
包含以下的铝硼酸盐组合物：
30至65％B2O3、
1至30％Al2O3、
1至5％P2O5、
3至30％Na2O、
5至30％CaO、
0.1至15％K2O、
0.1至15％MgO、
0.1至10％SrO、和
0.1至5％SO3，基于100摩尔％的组合物总量计；
包含以下的铝硼硅酸盐组合物：
50至60％(B2O3+SiO2)、
0.1至25％SiO2、
25至59.9％B2O3、
2至10％Al2O3、
1至3％P2O5、
4至10％Na2O、
6至10％K2O、
6至10％MgO、和
20至30％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计；或者它们的组合。
在一些实施方式中，在提取之前，水性提取物的液体部分包含补充有4.5g/L葡萄糖、2mM L-谷氨酰胺和10％胎牛血清的DMEM培养基。
在一些实施方式中，伤口愈合组合物还可包含，例如，包含所述组合物的制品，例如，液体载体或固体支持物、伤口敷料、绷带、软膏、用于口服或局部施用的药膏、用于口服或局部给药的剂型，例如用于治疗口腔或胃肠道中的伤口或细胞的剂型。
在一些实施方式中，本公开提供了一种伤口愈合方法，所述方法包括：
使伤口细胞与上述伤口愈合组合物接触足以使一个或多个伤口细胞愈合的时间，例如1分钟至90天。
在一些实施方式中，本公开的组合物及其方法在若干个方面具有优势，例如包括：
实心玻璃微球、中空玻璃微球或其混合物可以由本公开的玻璃组合物及方法来制造；
本公开的组合物可支持体外伤口愈合和血管生成；
本公开的组合物在化妆品、软组织再生及其他保健应用中具有用处；以及
本公开的组合物可提供环境更友好且更加降解的材料来作为常规聚合物微球的替代品。
本公开的铝硼酸盐组合物及本公开的铝硼硅酸盐组合物的代表性实例列于表1。实例C-1是比较例，其不含Al2O3。
表1.公开的铝硼酸盐组合物(实例C-2至C-10)和铝硼硅酸盐组合物(实例C-11至C-15)的实例。
1.实例C-1是比较例。
在一些实施方式中，公开的组合物可以不含或基本上不含以下中的至少一种，例如Fe2O3、ZnO、CuO、ZnO和TiO2，或其任意组合或混合物。
在一些实施方式中，公开的玻璃通常可以在低于1300℃的温度下熔化，在某些实施方式中可在低于1200℃的温度下熔化，这使得可以在相对较小的商业玻璃槽中进行熔化。例如，可以利用火焰成形技术，使用公开的组合物生产微球。中空的球可以在包含起泡剂(如SO3)的组合物中获得。
制造玻璃微球的方法是已知的，例如参见第3,323,888号和第6,514,892号美国专利。制造中空玻璃微球的方法包括，例如，第2,978,339号；第3,323,888号；第5,14,892号和第6,254,981号美国专利；以及Campbell,J.H.等人的“Preparation and Properties ofHollow Glass Microspheres for Use in Laser Fusion Experiments”(用于激光熔合实验的中空玻璃微球的制备及其性质)，技术报告编号UCRL-53516，美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Lab.,CA(USA))1983年11月1日。
在一些实施方式中，玻璃组合物可以制成实心微球(参见图1)。
在一些实施方式中，玻璃微球可以例如通过下述制造：
制备本公开的组合物的至少一种的半成品(玻璃料)，该半成品由化学和粒度组成确定的粉末组成；以及
由半成品形成玻璃微球。
溶胶-凝胶或火焰成形技术是生产玻璃微球的广泛使用的方法。溶胶-凝胶过程一般包括制备含有额外特殊试剂(例如硼酸、尿素等)的碱性硅酸盐水溶液，随后在喷雾干燥器中干燥溶液，以及制备粒度确定的组合物的粉末，在酸溶液中对玻璃微球进行化学处理以除去过量的碱性组分，在水中洗涤，并干燥成品(参见上述的V.V.Budov)。在火焰成形过程中，由之前合成的玻璃粉末制造玻璃微球。玻璃料例如通过下述球化：使玻璃料通过温度为1000至1800℃的气体-氧气燃烧器的火焰，或通过具有类似温度范围的垂直***炉。根据玻璃料的尺寸，球的直径可以为，例如1至1000微米。细玻璃料(例如小于100微米)可以使用例如喷磨机、磨碎机或球磨机来获得；粗颗粒可以通过使用例如钢研钵和研杵粉碎玻璃来生产。
在一些实施方式中，中空玻璃微球可以通过将起泡剂(例如SO3)加入到玻璃批料组合物中来制造(图2)。在球化过程期间，起泡剂分解并释放气体以在球的中心处形成单个中空腔体。中空球的密度可以由包含在玻璃中的起泡剂的浓度决定，并且其可以在例如0.1至1.5g/cm3之间变化。中空玻璃微球表现出比塑料微球更大的优势，例如：它们更加环境友好并且可生物降解程度更高；它们可提供额外的功能或益处，例如伤口愈合和抗氧化；它们具有更高的折射率，使得它们对化妆品和美容产品更有吸引力；它们可以在皮肤上产生舒适或润滑的触感；它们可以具有良好的吸油率，并且可以改善不同成分之间的相容性；以及可以容易地改变玻璃组合物以包含所需功能。图2示出了使用示例性组合物8，利用火焰成形方法制备的中空玻璃微球的实例。将中空微球的样品放置在胶带上并使用切片机切割单个微球，以显示经过切片的微球中心内的大的内部球形腔体。
在一些实施方式中，物理性质、化学性质、光学性质和机械性质主要取决于玻璃组成。例如，微球的密度可以通过添加不同量的起泡剂以控制壳厚度来控制。壳的耐久性可受到例如玻璃组合物中的B2O3/Al2O3交换或B2O3/SiO2来控制。球的视觉外观或颜色可以通过例如用过渡金属如Au、Ag、Cu、Ni、Co、Fe、Mn、Cr和V掺杂玻璃来改变。
在一些实施方式中，已经证明本公开的组合物支持改进的体外伤口愈合(图3和4)。特别地，在含有约8摩尔％Al2O3的示例性组合物2(C-2)中出现了较快的间隙愈合，这提示其适于皮肤修复、伤口愈合、组织工程和化妆应用。虽然不囿于理论，但是认为离子的释放，例如来自本公开的含Al2O3的玻璃组合物的Na2O和CaO解释了观察到的改进的体外生物活性性能。
图3A至3D证明了用比较组合物和本公开的组合物实现的伤口愈合；具体地，(3A)无玻璃提取物的对照培养基；(3B)含有来自实施例2的玻璃组合物(C-2)的提取物的培养基；(3C)含有来自比较的玻璃组合物1(C-1)的提取物的培养基；和(3D)含有来自实施例3的玻璃组合物(C-3)的提取物的培养基。玻璃提取物通过在37℃下，5％CO2湿气氛下，将来自示例性组合物的生物活性玻璃盘(直径12.5mm×厚2mm)浸泡在细胞培养基(补充有4.5g/L葡萄糖、2mM L-谷氨酰胺、10％胎牛血清的DMEM培养基)中一周获得。该液体提取物显示出支持伤口愈合的优异能力，尤其是对于含Al2O3的硼酸盐玻璃组合物(例如示例性玻璃组合物8；C-8)来说。使用CytoSelectTM 24孔伤口愈合试验(购自Cell Biolabs公司的试验试剂盒)来评价这些玻璃提取物支持伤口愈合的能力。该试剂盒含有2×24孔板，每个板含有十二(12)个经过专门处理的塑料***物，其形成了具有0.9mm的限定间隙的伤口区域，用于测量细胞的迁移和增殖速率。用放置就位的***物将HaCaT细胞加入到孔中。在形成细胞单层后移除***物以产生0.9mm宽的“伤口区域”。然后在培养基或包含玻璃离子提取物的培养基中培养细胞。离子提取：随后将玻璃盘加入到具有2mL细胞培养基的孔中，在37℃以及5％CO2下在加湿的孵育器中孵育一周。
图4示出了比较的示例性玻璃组合物C-1和本公开的组合物2和3(C-2和C3)对伤口愈合百分比的影响。示例性玻璃组合物2显示出优异的支持伤口愈合的能力。该图基于图3示出的伤口愈合的面积分析。
在一些实施方式中，已经证明本公开的组合物支持血管生成(参见图5)，所述血管生成对伤口愈合是重要的。相比于对照组合物，在含有示例性组合物的培养基中发现了更多的细胞环。
图5A至5D显示了公开的组合物的实例，其具有优异的支持血管生成的能力，特别是对于含Al2O3的硼酸盐玻璃组合物(例如实施例8)来说尤其如此。对照(不具有玻璃盘)：89个环(5A)；比较组合物1(C-1)的玻璃盘：53个环(5B)；示例性组合物2(C-2)的玻璃盘：109个环(5C)；以及示例性组合物3(C-3)的玻璃盘：99个环(5D)。
在实验前一天将在4℃下解冻。将上文提到的玻璃盘添加到24孔微孔板的孔中。将微孔板放置在湿冰上，并且将经过解冻的加在玻璃盘的顶部上。然后在37℃下孵育该微孔板30分钟，直到胶凝化。接种HUVEC-2细胞并培养16至18小时。在用钙黄绿素AM荧光染料标记后，对管形成进行成像和测量。HUVEC-2培养基：具有2％胎牛血清、牛脑提取物、抗坏血酸、氢化可的松和表皮生长因子的Lonza EBMTM基础培养基。
在一些实施方式中，在血管生成应用中的本公开的组合物比对照组合物具有更快的降解，并且在溶液中或生物活性应用中具有更快的离子释放。
在一些实施方式中，本公开的组合物的优异的生物相容性使它们适于组织工程应用。多孔玻璃支架可以通过将玻璃球烧结成用于骨修复和再生的3-D构造来生产。
本公开的组合物的生物相容性和降解性受玻璃组合物的影响。在本公开的组合物中，B2O3用作主要的玻璃成形氧化物。硼酸盐玻璃的耐久性显著低于硅酸盐玻璃，因此对快速降解具有吸引力。然而，在足够高的浓度下，硼是有毒性的。硼毒性的最敏感终点似乎是慢性毒性，包括发育和生殖毒性。在一些实施方式中，实现了限制由快速降解引起的毒性和控制本公开的组合物的降解速率。
在一些实施方式中，本公开的具有SiO2含量的铝硼硅酸盐玻璃组合物可用作另一种玻璃成形氧化物，可起到稳定玻璃的网络结构作用，并且可改进组合物的化学耐久性。然而，玻璃不能含有太多的SiO2，因为纯SiO2或高SiO2玻璃的熔化温度(200泊温度)不合需要地高。
在一些实施方式中，P2O5也用作网络形成剂。磷酸根离子从生物活性玻璃的表面释放有助于形成磷灰石。负载有可释放的磷酸根离子的本公开的生物活性玻璃可提高磷灰石形成速率及骨组织结合能力。另外，P2O5增加了玻璃的熔体粘度，进而扩大了操作温度的范围，并且有利于玻璃制造。
在一些实施方式中，Al2O3也可用作本公开的玻璃组合物的玻璃成形剂。较高的Al2O3含量一般使熔体粘度增加，并且相对于碱金属或碱土金属，Al2O3的增加一般使耐久性得到改进。铝离子的结构作用可取决于玻璃组成。然而，Al2O3一般不存在或以最小的量存在于现有技术的基于硅酸盐的生物活性玻璃中，因为其使生物活性显著下降(参见，Hench,Bioceramics.J AM Ceram Soc,1998,81:1705-28)。
在一些实施方式中，碱金属氧化物(即，Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O)有助于实现低的熔化温度和低的液相线温度。已知将碱金属氧化物加入玻璃组合物能改进生物活性(Fu,H.等人，同上)。
在一些实施方式中，二价阳离子氧化物(例如，碱土金属氧化物)也可改善玻璃的熔化性质和生物活性。在具体的实例中，从本公开的玻璃组合物溶解出的CaO能够与P2O5来源反应，所述P2O5来源例如在玻璃组合物中或来自周围的培养基，以在将本公开的玻璃组合物浸没在模拟体液(SBF)或体内时形成磷灰石。Ca2+离子从本公开的玻璃组合物的表面释放有助于形成富含磷酸钙的层。
在一些实施方式中，起泡剂(例如SO3来源)可用于形成中空的玻璃微球。在高温下，SO3分解成SO2和O2，并且可在玻璃微球内产生大的腔体。
伤口愈合制品和伤口愈合方法
在一些实施方式中，本公开提供了一种伤口愈合组合物或制品，其包含，例如：
玻璃组合物；和形状因子，所述玻璃组合物选自以下中的至少一种：
包含以下的铝硼酸盐组合物：
30至65％B2O3、
1至30％Al2O3、
1至5％P2O5、
3至30％Na2O、和
5至30％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计；
包含以下的铝硼酸盐组合物：
30至65％B2O3、
1至30％Al2O3、
1至5％P2O5、
3至30％Na2O、
5至30％CaO、
0.1至15％K2O、
0.1至15％MgO、
0.1至10％SrO、和
0.1至5％SO3，基于100摩尔％的组合物总量计；
包含以下的铝硼硅酸盐组合物：
50至60％(B2O3+SiO2)、
0.1至25％SiO2、
25至59.9％B2O3、
2至10％Al2O3、
1至3％P2O5、
4至10％Na2O、
6至10％K2O、
6至10％MgO、和
20至30％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计；
或这些组合物的组合，
所述形状因子选自中空微球、实心微球或其组合。
在一些实施方式中，伤口愈合制品还可包含，例如：药物(例如在中空微球中的抗生素化合物以用于在慢性感染时控制释放抗生素)、营养药或其组合，它们与形状因子相关，例如涂覆在制品表面上，包封在中空微球中以及类似的组合或制剂。
在一些实施方式中，伤口愈合制品还可包含以下中的至少一种，例如：
固体支持物或载体，例如绷带、贴剂、移植物、支架等，其涂覆或浸渍有组合物的形状因子；凝胶等；
液体载体，例如，液体分散培养基、培养基等；以及
任选的制剂、配制剂或递送载体或者其组合。
在一些实施方式中，本公开提供了一种伤口愈合方法，所述方法包括，例如：
使伤口细胞与本公开的伤口愈合制品接触，例如使本公开的生物活性组合物——其包含本公开的玻璃组合物中的至少一种——与伤口细胞(例如体外细胞、体内细胞、培养中的细胞和类似的活细胞组合)结合，所述公开的伤口愈合制品包含选自以下中的至少一种的组合物：
包含以下的铝硼酸盐组合物：
30至65摩尔％B2O3、
1至30摩尔％Al2O3、
1至5摩尔％P2O5、
3至30摩尔％Na2O、和
5至30摩尔％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计；
包含以下的铝硼酸盐组合物：
30至65摩尔％B2O3、
1至30摩尔％Al2O3、
1至5摩尔％P2O5、
3至30摩尔％Na2O、
5至30摩尔％CaO、
0.1至15％K2O、
0.1至15％MgO、
0.1至10％SrO、和
0.1至5％SO3，基于100摩尔％的组合物总量计；
包含以下的铝硼硅酸盐组合物：
50至60％(B2O3+SiO2)、
0.1至25％SiO2、
25至59.9％B2O3、
2至10％Al2O3、
1至3％P2O5、
4至10％Na2O、
6至10％K2O、
6至10％MgO、和
20至30％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计；或其组合；并且
所述组合物具有形状因子，所述形状因子选自中空微球、实心微球或其组合。
实施例
以下实施例展示了所公开的组合物的制造、使用和分析、以及按照上述一般程序进行的方法。
实施例1
制造铝硼酸盐玻璃的方法在电热炉中熔化示例性组合物2至10，使用的批料包括硼酸、氧化铝、碳酸钠、碳酸钾、石灰石、氧化镁、磷酸钙和硫酸钠。在熔化前，使用混合器在塑料罐中剧烈混合批料。然后将它们转移到内部体积为约650cc的铂坩埚中。接着将该坩埚装载到退火炉中以在250℃下煅烧批料24小时。使经过煅烧的批料在1200℃下熔化6小时，然后将玻璃熔体倒在钢板上，并在500℃下退火。
实施例2
用实施例1的玻璃制造实心微球铝硼酸盐玻璃的方法实心玻璃微球可以由表1的公开的示例性玻璃组合物中的任一种来制备。玻璃微球的制备一般包括两个阶段：半成品(玻璃料)的制备，该半成品由化学和粒度组成确定的粉末组成；以及形成玻璃微球。熔胶-凝胶工艺、火焰成形、垂直炉、液滴、旋转电弧以及氩等离子体喷射是用于生产玻璃微球的常规方法。在火焰成形工艺中，首先通过使用钢研钵和研杵粉碎玻璃来制备大致具有所需粒度的碎玻璃，然后例如使用喷磨、磨碎、球磨或类似方法进行研磨。另外或者替代性地，粉碎或研磨的颗粒可以通过下述球化：使变小的颗粒通过温度为1000至1800℃的气体-氧气燃烧器的火焰，或在相似的温度下通过垂直炉。也可以使用上文提到的其他常规微球形成方法。根据玻璃料的尺寸，玻璃微球的直径可以为，例如1至1000微米。
实施例3
用实施例1的玻璃制造中空微球铝硼酸盐玻璃的方法通过将起泡剂(例如SO3)分批加入到玻璃组合物中来制备中空玻璃微球。在球化过程期间，起泡剂热分解并释放气体以在球的中心处形成单个中空腔体。类似于实心玻璃微球，中空玻璃微球的制备也包括两个阶段：半成品(玻璃料)的制备，该半成品由化学和粒度组成确定的粉末组成；以及形成玻璃微球。首先通过使用钢研钵和研杵粉碎玻璃来制备具有所需粒度的碎玻璃，然后例如使用喷磨、磨碎或球磨进行研磨。研磨的颗粒可以通过下述球化：使颗粒通过温度为1000至1800℃的气体-氧气燃烧器的火焰，或通过具有类似温度范围的垂直***炉。根据玻璃料的尺寸，玻璃微球的直径可以为1至1000微米。
实施例4
用实施例2的实心微球进行伤口愈合的方法可使用CytoSelectTM 24孔伤口愈合试验(CytoSelectTM24孔伤口愈合试验试剂盒，Cell Biolabs公司)来评价本公开的生物活性玻璃支持伤口愈合的能力。培养基由补充有4.5g/L葡萄糖、2mM L-谷氨酰胺、10％胎牛血清的DMEM培养基组成，其含有玻璃的水性提取物，使用该培养基进行评价。在37℃,5％CO2的湿气氛下，将玻璃盘(直径12.5mm×厚度2mm)或微球(实心或中空，150至300微米)浸泡在DMEM补充细胞培养基中一周。伤口愈合试验包含2×24孔板，每个板含有12个经过专门处理的塑料***物，其形成了具有0.9mm的限定间隙的伤口区域，用于测量细胞的迁移和增殖速率。用塑料***物将HaCaT细胞加入到孔中。在形成细胞单层后移除***物以产生0.9mm的“伤口区域”。然后在培养基或包含玻璃离子提取物的培养基中培养细胞。通过离子提取程序获得玻璃离子提取物，在所述离子提取程序中，将玻璃盘加入到具有2mL细胞培养基的孔中(所述细胞培养基为补充有4.5g/L葡萄糖、2mM L-谷氨酰胺、10％胎牛血清的DMEM培养基)，在37℃和5％CO2下在加湿的孵育器中孵育一周。闭合(伤口愈合)百分比定义如下：
闭合百分比(％)＝迁移的细胞表面积/总表面积×100
其中，迁移的细胞表面积＝细胞迁移的长度(mm)×2×长度，并且总表面积＝0.9mm×长度(mm)；
用实施例3的中空微球铝硼酸盐玻璃进行伤口愈合的方法(预测性)重复实施例4，不同之处在于，选择实施例3的中空微球铝硼酸盐玻璃作为起始材料。
实施例5
制造铝硼硅酸盐玻璃的方法在电热炉中熔化示例性组合物11至15，使用的批料包括砂、硼酸、氧化铝、碳酸钠、碳酸钾、石灰石、氧化镁、磷酸钙和硫酸钠。在熔化前，使用混合器在塑料罐中剧烈混合批料。然后将它们转移到内部体积为约650cc的铂坩埚中。接着将该坩埚装载到退火炉中以在250℃下煅烧批料24小时。使经过煅烧的批料在1200℃下熔化6小时，然后将玻璃熔体倒在钢板上，并在500℃下退火。
实施例6
用实施例5的玻璃制造实心微球铝硼硅酸盐玻璃的方法重复实施例2，不同之处在于，选择实施例5的铝硼硅酸盐玻璃作为起始材料。
实施例7(预测性)
用实施例5的玻璃制造中空微球铝硼硅酸盐玻璃的方法重复实施例3，不同之处在于，选择实施例5的铝硼硅酸盐玻璃作为起始材料以制造中空微球铝硼硅酸盐玻璃。
实施例8(预测性)
用实施例7的中空微球铝硼酸盐玻璃进行伤口愈合的方法重复实施例4，不同之处在于，选择实施例7的中空微球铝硼酸盐玻璃作为伤口愈合组合物。
比较例9
重复实施例1，不同之处在于来源成分排除了Al2O3和SiO2，以形成表1中的比较组合物C-1。表1中的比较组合物C-1(也称为1393B3)基于Dermafuse(德玛粘合)，其是购自Mo-Sci Health Care公司(摩配保健公司)的一种由1393B3玻璃制造的，类似于棉花糖样材料的纳米纤维(参见todayswoundclinic.com/articles/twc-news-update-1)。据报道，一项临床前试验表明，该产品对于伤口深的患者的加速愈合有98％的有效率。
已经参考各种具体实施方式和技术描述了本公开。但是，应当理解，可以做出许多变化和改进而仍旧在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种铝硼酸盐玻璃组合物，其包含：
30至65％B2O3、
1至30％Al2O3、
1至5％P2O5、
3至30％Na2O、和
5至30％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计。
2.如权利要求1所述的铝硼酸盐玻璃组合物，其还包含：
0.1至15％K2O、
0.1至15％MgO、
0.1至10％SrO、和
0.1至5％SO3，基于100摩尔％的组合物总量计。
3.如权利要求1至2中任一项所述的铝硼酸盐玻璃组合物，其还包含形状因子，所述形状因子选自中空微球、实心微球或其组合。
4.如权利要求3所述的铝硼酸盐玻璃组合物，其还包含与形状因子相关的药物、生物学物质、营养药或其组合。
5.如权利要求3至4所述的铝硼酸盐玻璃组合物，其中，形状因子的直径为1至1000微米。
6.如权利要求2至5中任一项所述的铝硼酸盐玻璃组合物，其中，所述中空微球的密度为0.1至1.5g/cm3。
7.一种铝硼硅酸盐玻璃组合物，其包含：
50至60％(B2O3+SiO2)、
0.1至25％SiO2、
25至59.9％B2O3、
2至10％Al2O3、
1至3％P2O5、
4至10％Na2O、
6至10％K2O、
6至10％MgO、和
20至30％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计。
8.如权利要求7所述的铝硼硅酸盐玻璃组合物，其还包含0.2至2％SO3，基于100摩尔％的组合物总量计。
9.如权利要求7至8中任一项所述的铝硼硅酸盐玻璃组合物，其还包含：具有至少一种形状因子，所述形状因子选自中空微球、实心微球或其组合。
10.如权利要求9所述的铝硼硅酸盐玻璃组合物，其还包含与形状因子相关的药物、营养药或其组合。
11.如权利要求9所述的铝硼硅酸盐玻璃组合物，其还包含位于中空微球形状因子内的治疗剂。
12.如权利要求11所述的铝硼硅酸盐玻璃组合物，其中，所述治疗剂选自以下中的至少一种：药物、生物学物质、营养药或其混合物。
13.一种伤口愈合制品，其包含：
玻璃组合物；和形状因子，所述玻璃组合物选自以下中的至少一种：
包含以下的铝硼酸盐组合物：
30至65摩尔％B2O3、
1至30摩尔％Al2O3、
1至5摩尔％P2O5、
3至30摩尔％Na2O、
5至30摩尔％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计；
包含以下的铝硼酸盐组合物：
30至65摩尔％B2O3、
1至30摩尔％Al2O3、
1至5摩尔％P2O5、
3至30摩尔％Na2O、
5至30摩尔％CaO、
0.1至15％K2O、
0.1至15％MgO、
0.1至10％SrO、和
0.1至5％SO3，基于100摩尔％的组合物总量计；
包含以下的铝硼硅酸盐组合物：
50至60％(B2O3+SiO2)、
0.1至25％SiO2、
25％至59.9％B2O3、
2至10％Al2O3、
1至3％P2O5、
4至10％Na2O、
6至10％K2O、
6至10％MgO、和
20至30％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计；或其组合，
所述形状因子选自中空微球、实心微球或其组合。
14.如权利要求13所述的伤口愈合制品，其还包含与形状因子相关的药物、营养药或其组合。
15.如权利要求13至14中任一项所述的伤口愈合制品，其还包含以下中的至少一种：
固体支持物；
液体载体；
或其组合。
16.一种伤口愈合方法，所述方法包括：
使伤口细胞与伤口愈合制品接触，所述伤口愈合制品包含选自以下中的至少一种的组合物：
包含以下的铝硼酸盐组合物：
30至65％B2O3、
1至30％Al2O3、
1至5％P2O5、
3至30％Na2O、和
5至30％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计；
包含以下的铝硼酸盐组合物：
30至65％B2O3、
1至30％Al2O3、
1至5％P2O5、
3至30％Na2O、
5至30％CaO、
0.1至15％K2O、
0.1至15％MgO、
0.1至10％SrO、和
0.1至5％SO3，基于100摩尔％的组合物总量计；
包含以下的铝硼硅酸盐组合物：
50至60％(B2O3+SiO2)、
0.1至25％SiO2、
25％至59.9％B2O3、
2至10％Al2O3、
1至3％P2O5、
4至10％Na2O、
6至10％K2O、
6至10％MgO、和
20至30％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计；或者其组合；并且
所述组合物具有形状因子，所述形状因子选自中空微球、实心微球或其组合。
17.一种伤口愈合组合物，其包含：
选自以下中的至少一种的组合物的水性提取物：
包含以下的铝硼酸盐组合物：
30至65％B2O3、
1至30％Al2O3、
1至5％P2O5、
3至30％Na2O、和
5至30％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计；
包含以下的铝硼酸盐组合物：
30至65％B2O3、
1至30％Al2O3、
1至5％P2O5、
3至30％Na2O、
5至30％CaO、
0.1至15％K2O、
0.1至15％MgO、
0.1至10％SrO、和
0.1至5％SO3，基于100摩尔％的组合物总量计；
包含以下的铝硼硅酸盐组合物：
50至60％(B2O3+SiO2)、
0.1至25％SiO2、
25％至59.9％B2O3、
2至10％Al2O3、
1至3％P2O5、
4至10％Na2O、
6至10％K2O、
6至10％MgO、和
20至30％CaO，基于100摩尔％的组合物总量计；或其组合。
18.如权利要求17所述的伤口愈合组合物，其中，在提取之前，水性提取物的液体部分包含培养基，所述培养基由补充有4.5g/L葡萄糖、2mM L-谷氨酰胺和10％胎牛血清的DMEM培养基组成。
19.如权利要求17所述的伤口愈合组合物，其还包括含有所述组合物的制品。
20.一种伤口愈合方法，所述方法包括：
使一个或多个伤口细胞与权利要求17所述的伤口愈合组合物接触足以使一个或多个伤口细胞愈合的时间。
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