具有设计的孔隙率的动态生物活性骨移植物材料
2020-01-10

具有设计的孔隙率的动态生物活性骨移植物材料

本发明涉及具有设计的孔隙率的动态生物活性骨移植物材料。在一个实施方案中,提供具有排列在多孔基质中的生物活性纤维的骨移植物材料,该多孔基质可模制成用于植入的所需形状。所述材料可以是基本无添加剂的,并可包含至少一种纳米纤维。所述多孔基质可包括一种或多种孔径尺寸的组合,包括纳孔、微孔、中孔和大孔。在另一实施方案中,提供具有下述基质的骨移植植入物,所述基质含有大量重叠和交锁的生物活性玻璃纤维,并具有基于在生物活性玻璃纤维中提供的一系列孔的分布式的孔隙率。所述分布式的孔隙率可包括大孔、中孔和微孔的组合,并且所述基质可形成用于植入患者的所需的形状。

在另一个实施方案中,用锶部分地代替钙配制生物活性玻璃。用锶部分代替钙生产具有降低的再吸收/反应速率和增加的放射密度或辐射不透明度的生物活性玻璃。因此,该生物活性玻璃保持存在于体内一段较长的时间,并还提供更容易看见的X-射线靶点。

通常,构建物范围内的纤维直径范围从纳米水平(其中将纳米纤维定义为具有低于1微米(亚微米)直径的纤维)开始到至多大约100微米;更典型地,纤维直径范围是大约0.005微米至大约10微米;还更典型地,纤维直径范围是大约0.05微米至大约6微米;还更典型地,纤维直径范围是大约0.5微米至大约20微米;还更典型地,纤维直径范围是大约1微米至大约6微米。在所有情况下,可加入预定量的较大纤维,以按照需要改变所得到的支架10的一种或多种性质。应该指出:当较小(通常低于10微米)直径的纤维15的量减少且更多的支架结构10含有相对较大直径的纤维15时,整个构建物10的自束缚通常趋向于变得更低。因此,通过改变作为组分的纤维15的相对直径和长宽比,可调整产生的支架结构10,以具有更大或更小的柔性和更小或更大的承载刚度。此外,可将纤维15在特定尺寸例如纳米级大小的尺寸上构建,以提高用于细胞附着和反应的表面积。在一个实施方案中,骨移植物材料包含至少一种纳米纤维。

图9显示一系列慢速拍摄扫描电子显微照片(SEM),表明在本发明的玻璃纤维支架上培育2天、4天和6天的成骨细胞。如所显示的,6天培养期间显示了提高的细胞密度。图10显示每支架起始接种l〇〇,〇〇〇MC3T3-El细胞后2天、4天和6天时,图9玻璃纤维支架上所显示的成骨细胞生长图。图11显示接种间质干细胞的纤维的显微照片。所述细胞可有助于成骨细胞增殖和分化的骨刺激作用。可基于测定DNA含量、以及出现增高的骨钙蛋白和碱性磷酸酶水平来测量所述作用。

实施方案的详述

图2A显示例如条状或片状形式的植入物20的实施方案。图2B显示例如类似于棉球的三维结构形式的植入物20的实施方案。在一个实例中,将多个交锁的纤维15旋转或吹成随机朝向的装配物20,其具有棉球状的常规外表。纤维15通常以具有小于大约1000nm(l微米)至大约10,000nm(10微米)的直径为特征。可将产生的棉球状装置20成形为通常大约1至大约6厘米未压缩的直径,但也可形成任何常规尺寸,并且可压缩至其起始尺寸的大约V2至74。在一些情况下,一旦除去压力,装置20可基本回归至原始大小和形状(除非将其用液体润湿,该种类型液体将装置固定成需要的形状和密度或者是真空压缩的)。然而,在一些情况下,装置20可保持不变形。通过改变一些纤维15的相对直径,可产生“棉球”至“棉花糖”状的结构,具有小于大约I0nm至大于大约10微米的不同范围的纤维直径。

目前,多种合成的骨移植物材料是可用的。最近,新材料例如基于生物活性玻璃(“BAG”)微粒的材料已越来越成为天然骨衍生的移植物材料的可行的替代物或补充物。这些新的(非骨衍生的)材料具有避免患者在收集程序的疼痛和固有风险的益处。并且,非骨衍生的材料的应用能够降低疾病传染的风险。与自体移植和同种异体移植物材料类似,所述新的人造材料可作为促进骨再生的骨传导支架。优选地,移植物材料是可吸收的并最终被新的骨组织替换。

图4A是根据本发明的示例性生物活性玻璃纤维骨移植物材料的示意图,所述材料具有有组织的平行纤维排列,具有与交替的纤维层之间有交叉定向关系的下行的纤维层。

目前,多种合成的骨移植物材料是可用的。最近,新材料例如基于生物活性玻璃(“BAG”)微粒的材料已越来越成为天然骨衍生的移植物材料的可行的替代物或补充物。这些新的(非骨衍生的)材料具有避免患者在收集程序的疼痛和固有风险的益处。并且,非骨衍生的材料的应用能够降低疾病传染的风险。与自体移植和同种异体移植物材料类似,所述新的人造材料可作为促进骨再生的骨传导支架。优选地,移植物材料是可吸收的并最终被新的骨组织替换。

Description

图2C是图1的纤维状生物活性玻璃基质形成的第三个交锁、缠绕的多孔结构的透视图。

在另一个实施方案中,用锶部分地代替钙配制生物活性玻璃。用锶部分代替钙生产具有降低的再吸收/反应速率和增加的放射密度或辐射不透明度的生物活性玻璃。因此,该生物活性玻璃保持存在于体内一段较长的时间,并还提供更容易看见的X-射线靶点。

骨移植植入物20通常具有超过大约30%的孔体积,并且更通常地,可具有超过50%的孔体积或者60%也是可常规实现的。在一些实施方案中,支架植入物20可具有至少大约70%的孔体积,而其他实施方案通常可具有超过大约75%或者甚至80%的孔体积。甚至可制备具有大于大约90%〜97%的孔体积的骨移植植入物。

比较性的动物研究