CN1822802A - 由纤维增强的水凝胶制成的修补物、该修补物的制造方法及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包含挠性部分和至少一个挠性较小的部分的修补物，其中挠性部分包含纤维增强的水凝胶。除此之外，本发明涉及由纤维增强的水凝胶构成的修补物，所述修补物打算用来代替软骨材料。本发明进一步涉及所述修补物的使用和生产这种修补物的方法。此外，本发明涉及制备用于修补物的挠性部分的方法。最后，本发明涉及显然用于所述修补物中的纤维材料。

Description

由纤维增强的水凝胶制成的修补物、该修补物的制造方法及其用途
                     技术领域
本发明涉及一种包含挠性部分和至少一个挠性较小的部分的修补物(prosthesis)。除此之外，本发明涉及由纤维增强的水凝胶构成的修补物。本发明进一步涉及所述修补物的用途和生产这种修补物的方法。此外，本发明涉及制备用于修补物的挠性部分的方法。最后，本发明涉及显然用于所述修补物中的纤维材料。
                     背景技术
为了获得适当的减震作用和与天然椎间盘相当的膨胀特性，除了坚硬外，用于椎间盘的修补物还必须满足许多要求(Eijkelkamp等，The International Journal of Artificial Organs，2001，21(5)，311-321)，特别是与相邻椎骨有关的适于最优粘附和压力最优分布的正确的几何形状。
美国专利申请2003/0045939公开了人工椎间盘，其包含两个端板，中间是空隙并且用弹性和/或塑料的可变形核填充，中间的空隙用举例来说由聚酰胺、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的空心纤维环包封。
美国专利第6,533,817号公开了包含用于移植的修复盘核的修复盘核仪器，所述盘核包括水凝胶核(在移植后其由脱水状态变为水合物)和固位体(retainer)。
国际申请WO 02/17824涉及椎间盘核植入物，其包含由可再吸收壳围绕着的载荷弹性体，所述可再吸收壳举例来说由纤维蛋白、明胶和聚合物(例如聚环氧乙烷、聚乙二醇和聚乙烯醇)组成。
欧洲专利申请0 346 129涉及椎间盘间隔，其包含由生物相容的弹性体制成的中央核和包围所述中央核的薄片，所述中央核由包埋在生物相容的弹性体和端板(endplates)中的增强纤维片的条带组成。
美国专利5,047,055公开了由生物相容的水凝胶材料制成的用于椎间盘的修复核。
天然椎间盘是连接椎骨的软骨盘。椎间盘由包封在纤维环中的凝胶状核(髓核)组成(White等，Clinical biomechanics of the spine，J.B.Lippencott Company，Philadelphia，1978))。所述核和纤维环包含由蛋白聚糖链缠绕的刚性胶原纤维。所述蛋白聚糖包含固定的带有强的负电性的侧链(糖胺聚糖)，其与来自环境中的离子相互作用，结果水被椎间盘所吸引。由于高浓度的蛋白聚糖，所述核包含85-95％的水，而包含较大量胶原纤维和少量蛋白聚糖的纤维环包含70-85％水。作为这种特殊组合的结果，椎间盘允许椎骨彼此相对移动，另外还具有减震作用。两个相邻的椎骨包含由透明蛋白(“玻璃状”)软骨组成的端盘，它们用作软的椎间盘和硬的椎骨之间的过渡区。
在与椎间盘病变相关的背部困扰，例如严重的椎间盘突出(hernianucleus pulposus)的情况中，需要外科手术。在一些情况中部分椎间盘可以保留下来，但是在严重的情况中，必须完全更换椎间盘。为了恢复脊柱的功能，必须植入在机械刚度及膨胀特性方面起到椎间盘的力学功能的修补物。
代替椎间盘的可商购的修补物的实例包括：用钛端盘覆盖的橡胶核(Acroflex)和用钴/铬端盘覆盖的聚乙烯核(Charite)。由水凝胶材料制成的打算用来代替椎间盘核的修补物是已知的，特别是从美国专利第5,674,295、6,402,784和5,047,055中可以知道，在这些专利中，用具有膨胀特性的水凝胶填充纤维环，纤维环可以被膜包围着或没有被膜包围着。
纤维增强的水凝胶材料从下面的文献中公知：“Compositehydrogels for implants”：L.Ambrosio & Co.，Proceedings of theinstitution of mechanical engineers，part N，Journal of Engineering inMedicine(1998)，212(2)，93-9，文献24。其中使用了非吸收的聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维束，这些纤维束被结合在聚合水凝胶中。对于许多应用，与所要代替的软生物组织的特征刚度相比，如此获得的材料是坚硬的。
Young等(Btomaterials 1998，19，175-1752)公开了基于Lycra(商标)纤维增强的聚-2-羟基乙基甲基丙烯酸酯(pHEMA)的材料。在水凝胶中提供了编结或编织的纤维结构。所述纤维增强的水凝胶包含约1％纤维并且可以用作人造皮肤。
                     发明内容
本发明的目的是提供一种由结合了低刚度和高韧性的材料制成的修补物。
所述目的通过本发明来实现。本发明涉及由挠性部分和至少一个挠性较小的部分构成的修补物，其中挠性部分包含纤维增强的水凝胶。
这样具有如下优点：挠性较小的部分例如可以用来使修补物保持正确的形状，或者作为所述修补物与周围组织粘附的位置。
本发明还涉及由纤维增强的水凝胶构成的修补物，所述修补物起着代替软骨材料的作用。其中可以使用本发明修补物的优选软骨材料是椎间盘。
根据本发明的修补物可以特别地用于代替软骨材料，因为所述修补物的结构和特性与那些软骨材料十分相似。
本发明进一步涉及由纤维增强的水凝胶构成的修补物，所述修补物起着代替软骨材料的作用，其中所述修补物至少包含一个挠性较小的部分。
如上所述，挠性较小的部分具有可以用来使修补物保持正确的形状，或者作为所述修补物与周围组织粘附的位置的优点。
另外，本发明涉及其中挠性较小的部分存在于挠性部分的底侧和/或顶侧的修补物。
所述挠性较小的部分提供了将所述修补物粘附到待植入修补物的周围组织上的位置，从而保证最优的粘附和最优的压力分布。
在一个实施方案中，所述挠性较小的部分是一个端板，其优点是几何形状容易与待使用修补物的环境适应。
本发明还涉及其中挠性较小的部分存在于挠性部分内侧的修补物。
这样做的优点在于修补物的几何形状可以完全不同于当挠性较小的部分存在于挠性部分顶侧和底侧时所获得的几何形状。
在优选的实施方案中，修补物起着全部或部分代替椎间盘的作用。
这种修补物的优点是可以用于只代替核以及代替整个核和椎间盘的纤维环。
此外，根据本发明的修补物的挠性部分具有与天然椎间盘相当的膨胀特性。这就具有如下优点：如同天然椎骨的修补物能够在白天期间在压力和身体移动的影响下流出体液，并且在夜间吸收体液。
根据优选的实施方案，根据本发明的修补物的挠性部分由5-15毫米厚度，特别是8-10毫米厚的纤维增强的水凝胶薄片组成。
本发明人已经发现这种几何形状对于特定的应用是特别有利的。
除此之外，根据本发明的纤维增强的水凝胶至少包含5％的纤维。
本发明人已经发现所述纤维浓度在最终材料所需的特性方面提供了最好的结果。
本发明还涉及所述修补物植入人或动物体内的用途。
根据一个实施方案，本发明涉及使用所述修补物的方法，其中通过在植入前从中提取出水而降低了修补物的体积。
这样具有如下优点：因为修补物在植入时在尺寸上是小的并且将在植入体内后呈现所需的形状，因而因为不需要拉伸和/或刺穿韧带，所以在修补物植入期间会发生更少的并发症。
根据本发明另一个实施方案，通过将其浸入高渗盐浴中降低了修补物的体积。
本发明人已经发现这是最自然的降低材料体积的方式。很明显，材料的体积随着外部盐浴中盐浓度的降低而增加。
此外，本发明涉及生产所述修补物的方法，其中在由挠性部分和/或至少一个挠性较小的部分构成的整体上通过缠绕提供纤维。这种方法的优点是通过以与天然纤维环中纤维的布置相似的方式进行纤维增强将各向异性引入设计中。通过使用适当的缠绕或编结技术可以针对目的应用优化纤维取向。
根据本发明方法的优选实施方案，纤维布置的角度相对于旋转轴在5°到90°之间变化，特别是在45°到60°之间变化。
本发明人实施的研究已经表明本发明方法提供了其中纤维取向是最优的材料。
本发明的一个实施方案包括制备所述修补物的挠性部分的方法，其中形成水凝胶棒，并从中切出薄片。这种方法的优点是通过简单的方法可以制备出几种修补物，为用于特定应用的修补物提供了正确的形状。
在优选的实施方案中，所述水凝胶是纤维增强的水凝胶。这就具有与不使用纤维的情况相比水凝胶是更强的优点。
在根据本发明的方法中，通过在车床上安装水凝胶棒并且移动刀具穿过水凝胶棒，将其切成薄片。
这样具有可以精确确定水凝胶薄片几何形状和厚度的优点。在优选的方法中，在使用期间润滑刀具。这样具有能获得表面更平滑的水凝胶薄片的优点。
本发明进一步涉及明显打算用于修补物中的纤维材料，其中所述纤维具有低的弹性模量。这样具有在根据本发明的修补物中在水凝胶和纤维之间提供最佳粘附的优点。通过使用具有低弹性模量的纤维，使作用在纤维和水凝胶之间界面上的力最小。
本发明进一步涉及其中纤维能够吸收水凝胶单体的纤维材料。由于这种性质，通过事先将纤维浸入单体浴中就可以生产出复合材料，发生上述的吸收并随后引发水凝胶基质的聚合。不仅在复合物的水凝胶基质中，而且在纤维中发生所述聚合。通过这种方法，可以获得纤维与水凝胶基质粘附性非常好的材料。很明显，所用的材料对纯水不是亲水的。但是，结合一种或多种在聚合时提供水凝胶基质的单体，获得了亲水性质，并且与纤维特定的弹性行为结合，获得了与水凝胶基质非常强的结合。单体溶液渗入纤维中引起纤维体积的增加(＞50％)。
最后，本发明涉及其中纤维基于聚氨酯的纤维材料。
已经发现聚氨酯纤维，特别是Lycra(商标)表现出在低张力下刚度与水凝胶在同一量级，并且除此之外，它们具有能够吸收部分水凝胶单体混合物的有利性质。
参考所附的非限制性的附图，在下面的说明书中将更详细地解释本发明。
                     附图说明
图1表示作为本发明一部分的挠性部分(1)和挠性较小的部分(2)的整体结构。
图2表示根据本发明的修补物的结构，其包含挠性部分(1)和挠性较小的部分(2)以及为了增强目的提供在周围的纤维(3)。
图3表示从水凝胶棒(6)切出水凝胶薄片(5)的装置。
图4表示用于为旋转杆上的由水凝胶挠性部分(1)和挠性较小的部分构成的整体上提供纤维(3)的装置。
图5表示在由水凝胶挠性部分(1)和挠性较小的部分构成的整体上通过缠绕提供纤维(3)的装置。
                   具体实施方式
图1表示了本发明的实施方案，其中表示出了用来代替椎间盘的修补物的基料(base)。所述基料在其中央处包含挠性部分(1)，在顶侧和底侧由挠性较小的部分包围。
图2表示了根据本发明的修补物的实施方案，其中如图1所示，通过围绕由(1)和(2)构成的整体提供纤维(3)对所述整体进行纤维增强。
以Lycra(Dupont de Nemours)或Spandex(商标)型纤维为例。Lycra纤维由聚氨酯组成并且可以被拉伸至其原始长度的八倍。
通过聚合可以获得根据本发明的水凝胶的单体可以包括HEMA和甲基丙烯酸钠以及其它物质。可以使用彼此或者与上述物质结合或不结合的其它单体。所述单体的亲水性质可以基于吸附以及通过永久电荷静电吸引亲水阳离子。通过化学、热或光(UV照射)的方法引发聚合过程。很明显，以这种方法获得的材料具有在几个MPa量级的压缩强度，而水的重量百分数高于50％。
生产根据本发明的水凝胶挠性部分(1)的方法的实例包括如图3所示，从通过使用至少一种聚合方法在棒状模具中聚合至少一种水凝胶单体的溶液而制成的水凝胶聚合棒(6)中切出5-15毫米，优选8-10毫米的薄片。
根据本发明生产所述修补物的一种方法包括围绕由挠性部分(1)和至少一个挠性较小的部分(2)构成的整体提供纤维。图4表示了优选的方法，其中将水凝胶的挠性部分(1)和至少一个挠性较小的部分(2)固定在旋转的杆(4)上，然后如图5所示，通过缠绕围绕由(1)和(2)构成的整体提供纤维(3)。
在根据本发明使用如图5所示的装置实施的一种方法中，通过以与天然纤维环中纤维的布置相似的方式进行纤维增强将各向异性引入设计中。在水凝胶中部分纤维或者所有纤维作为“碎纤维”提供。使用根据本发明的这种结构，可以以简单的方式实施修补物力学性质的变化。首先，水凝胶组成的变化可能影响膨胀特性。其次，通过根据修补物的几何形状改变纤维的增强，可以给不同的修补物运动方向赋予不同的力学性质。
根据优选的方法，在提供纤维期间，纤维被拉伸至其原始长度的1-6倍，优选3倍，从而确保整个纤维增强的均匀性质。这就可以提供几层纤维材料，优选是几十层或者甚至数百层，其中在提供纤维期间，侧面上纤维相对于旋转轴的角度在5°到90°之间变化，优选在45°到60°之间变化。
还可以使用其它的方法围绕由挠性部分和至少一个挠性较小的部分构成的整体提供纤维，特别是其它的缠绕或编结技术。根据优选的实施方案，将由纤维增强的水凝胶构成的挠性部分和可能的挠性较小部分整体浸入水凝胶单体浴中，从而如上所述通过使单体吸附到纤维上并随后引发水凝胶聚合而生产出复合材料，以至于获得根据本发明的修补物。
根据本发明的一个具体实施方式，所述修补物的挠性较小部分(2)由位于挠性部分(1)顶侧和底侧的聚合水凝胶材料的硬化部分组成。根据本发明优选的实施方案，所述挠性较小的部分(2)由分离的端板组成，其覆盖了所述水凝胶挠性部分(1)的顶侧和底侧。所述挠性较小的部分(2)保证纤维(3)在提供时均匀分布，阻止纤维陷入水凝胶中并且提供了修补物可以粘附到相邻椎骨上的位置。挠性较小的部分(2)的几何形状优选与待植入修补物的关节或椎骨的几何形状相适应，从而保证最优的粘附和压力分布。本领域技术人员可以改变并选择修补物的几何形状和材料。
根据本发明的修补物的膨胀特性可以用来简化外科手术。外科手术期间频繁的并发症是修补物植入时拉伸和/或刺穿椎骨韧带的必然产物。当修补物以其最终状态植入时，相邻的椎骨在外科手术期间必须保持分开，从而可以***修补物。长期以来，所述韧带的过度拉伸可能导致韧带的钙化。根据本发明的修补物可以在外科手术前放入盐浴中，从而降低其体积。这就降低了外科手术期间椎骨韧带被过度拉伸的程度，因此降低了短期和长期并发症的危险，此外还促进了手术后的愈合过程。
一旦根据本发明的修补物被植入体内，水凝胶内荷负电基团的渗透作用将按照使其呈现所需形状和所需体积的方式使之吸收水，填充相邻椎骨之间的空隙。随后，类似天然椎间盘的修补物将在白天期间排出体液并且在夜间吸收体液。
现在将通过下面的实施例来更详细地解释本发明。
                     实施例
在温度为45℃的水浴中，在玻璃管(22毫米直径)中，使组成为HEMA的水凝胶单体混合物聚合16小时。接着，从玻璃管中取出棒状水凝胶材料，并且切去两端。中间部分夹在安装在如图3所示的车床旋转部分上的金属管中。在用Teflon喷雾润滑的情况下，缓慢移动刀具(10毫米/分钟)穿过水凝胶棒(6)，在此期间水凝胶棒(6)以每分钟100转的速度旋转。在水凝胶薄片(5)的顶侧和底侧提供两个直径为22毫米且厚度为0.5毫米的端板，并且整个放在如图4所示的旋转杆(4)上。
随后，通过缠绕提供拉伸至其原始长度的3倍的Lycra纤维。提供3层纤维，按照与旋转杆的角度为45-60°的方式提供所述纤维。缠绕期间所述角度可以变化。提供了7500转(revolution)纤维。缠绕后，将包封在端板(2)间并且包裹在纤维(3)中的水凝胶的挠性部分(1)浸到水凝胶单体(HEMA)的浴中，从而用单体浸渍纤维。在水凝胶于紫外光影响下聚合后，获得根据本发明的修补物。
尽管上面已经通过具体的实施方案和实施例说明了本发明，但是在阅读了前面的说明书后，本领域技术人员可以做出明显的变化，这些变化都落入所附的权利要求的范围内。

Claims (33)

1.一种包含挠性部分和至少一个挠性较小的部分的修补物，其特征在于所述挠性部分包含纤维增强的水凝胶。
2、权利要求1的修补物，其特征在于在所述挠性部分的底侧和/或顶侧上提供所述挠性较小的部分。
3、权利要求2的修补物，其特征在于所述挠性较小的部分是端板。
4、权利要求1的修补物，其特征在于在所述挠性部分的内侧上提供所述挠性较小的部分。
5、权利要求1-4之一的修补物，其特征在于所述修补物用于代替人或动物中的关节。
6、权利要求5的修补物，其特征在于所述修补物用于代替椎间盘的一部分或者全部。
7、权利要求1-6之一的修补物，其特征在于所述挠性部分的膨胀特性与天然椎间盘相当。
8、权利要求1-7之一的修补物，其特征在于所述挠性部分由5-15毫米厚的纤维增强的水凝胶薄片组成。
9、权利要求8的修补物，其特征在于所述纤维增强的水凝胶薄片的厚度为8-10毫米。
10、权利要求1-9之一的修补物，其特征在于所述纤维增强的水凝胶至少包含5％的纤维。
11.一种由纤维增强的水凝胶构成的修补物，其特征在于所述修补物打算用来代替软骨材料。
12、权利要求11的修补物，其特征在于所述软骨材料是椎间盘。
13、权利要求11-12之一的修补物，其特征在于所述修补物包含至少一个挠性较小的部分。
14、权利要求13的修补物，其特征在于在所述挠性部分的底侧和/或顶侧上提供所述挠性较小的部分。
15、权利要求14的修补物，其特征在于所述挠性较小的部分是端板。
16、权利要求13的修补物，其特征在于在所述挠性部分的内侧上提供所述挠性较小的部分。
17、权利要求11-16之一的修补物，其特征在于所述挠性部分的膨胀特性与天然椎间盘相当。
18、权利要求11-17之一的修补物，其特征在于所述挠性部分由5-15毫米厚的纤维增强的水凝胶薄片组成。
19、权利要求18的修补物，其特征在于所述纤维增强的水凝胶薄片的厚度为8-10毫米。
20、权利要求11-19之一的修补物，其特征在于所述纤维增强的水凝胶至少包含5％的纤维。
21.权利要求1-20之一的修补物的用途，其特征在于所述修补物被植入人或动物体内。
22.权利要求21的使用方法，其特征在于在植入所述修补物前通过从中提取水而降低所述修补物的体积。
23.权利要求22的方法，其特征在于通过将其浸入高渗盐浴中来降低所述修补物的体积。
24.一种生产权利要求1-20之一的修补物的方法，其特征在于在整个挠性部分和/或至少一个挠性较小的部分上通过缠绕提供纤维。
25.权利要求24的方法，其特征在于布置所述纤维的角度相对于旋转轴在5°至90°之间变化。
26.权利要求25的方法，其特征在于所述角度在45°到60°之间变化。
27.制备用于权利要求1或11的修补物的挠性部分的方法，其特征在于形成水凝胶棒，从该棒切出薄片。
28.权利要求27的方法，其特征在于所述水凝胶是纤维增强的水凝胶。
29.权利要求27或28的方法，其特征在于通过将所述水凝胶棒安装到车床上并且将刀具移过所述棒来切出所述薄片。
30.权利要求29的方法，其特征在于在切割期间润滑所述刀具。
31.明显打算用于权利要求1或11的修补物中的纤维材料，其特征在于所述纤维具有低的弹性模量。
32.权利要求1或11的纤维材料，其特征在于所述纤维能够吸收水凝胶单体。
33.权利要求31或32的纤维材料，其特征在于所述纤维由聚氨酯制成。
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