生物相容性原位水凝膠的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)
[0002] 本申請(qǐng)要求2013年4月18日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/854, 108的優(yōu)先權(quán)， 該申請(qǐng)的全文，包括所有表格、圖像和繪圖，在此通過(guò)援引并入本申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明主要涉及能夠在注射到身體中的空間內(nèi)后形成水凝膠的材料及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0004] 水凝膠是一種由充滿水的交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的材料。這種類型的材料最重要的 特征之一是其親水性，這種性質(zhì)使得這種材料的許多品種能夠與身體相容。此外，水凝膠系 統(tǒng)的物理和化學(xué)性質(zhì)可以很好地控制，這些性質(zhì)包括但不限于：力學(xué)性質(zhì)、體積變化表現(xiàn)、 藥物控制釋放表現(xiàn)、化學(xué)基團(tuán)的功能化、以及凝膠-身體相互作用。因此，水凝膠適用于多 種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括但不限于：組織工程、組織擴(kuò)張、組織填充、藥物輸送、以及細(xì)胞輸送。
[0005] 但是，水凝膠是一種粘彈性固體，由于其變形能力有限，很難在不通過(guò)手術(shù)切開(kāi)身 體的情況下將其置入體內(nèi)。有時(shí)被稱為"原位"水凝膠的特殊的水凝膠是一種能夠在被注 射到體內(nèi)時(shí)從粘彈性液體變成粘彈性固體（或"溶膠-凝膠轉(zhuǎn)化"）的材料。這種性質(zhì)使得 這種材料可以通過(guò)入侵性最小的方式置入體內(nèi)，例如，通過(guò)注射。這個(gè)額外的好處，加上上 述其他特性，使得原位水凝膠在許多生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中有良好的應(yīng)用前景。不過(guò)，這種類型的 水凝膠的開(kāi)發(fā)是具有挑戰(zhàn)性的。最具有挑戰(zhàn)性的用于形成原位水凝膠的空間之一是用于腔 內(nèi)療法的腔內(nèi)空間。形容詞"腔內(nèi)"是指身體的管腔的內(nèi)部空間。管腔是指身體內(nèi)部的管 狀結(jié)構(gòu)。身體中的管腔的例子包括但不限于：血管、淋巴管、呼吸道、消化道、輸卵管、以及輸 精管。一種類型的腔內(nèi)療法是使用外部材料來(lái)填充腔內(nèi)的特定空間。這種類型的療法的例 子包括管腔栓塞和結(jié)扎。需要這種類型的療法的疾病是多種多樣的。這些疾病的一個(gè)具體 例子是血管異常。
[0006] 血管異常在多種疾病中的普遍性和核心角色一直在驅(qū)動(dòng)生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)新的 藥物和設(shè)備。異常血管段的有效且安全的閉塞是其中一個(gè)重要的但還未被滿足的需求，尤 其是在動(dòng)靜脈畸形、動(dòng)脈瘤和腫瘤的治療中。與外科手術(shù)和放射療法相比，血管內(nèi)栓塞術(shù)可 以實(shí)現(xiàn)最小的入侵性、減少并發(fā)癥并縮短住院時(shí)間。隨著介入儀器和材料的最新進(jìn)步，血管 內(nèi)栓塞術(shù)已成為血管病變的臨床治療中的首選或重要輔助手段。鋼圈和液體栓塞系統(tǒng)是最 常見(jiàn)的兩種栓塞材料。鋼圈的問(wèn)題是由于鋼圈療法本身的物理限制而造成的不完全的初始 堵塞（小于血管腔的50%)以及由此產(chǎn)生的重通?？晒┡R床使用的液體栓塞劑很少。其主 要缺點(diǎn)是毒性和難于控制。例如，最常用的栓塞劑Onyx由溶解在二甲基亞砜（DMSO)中的 乙烯-乙烯醇（EVAL)構(gòu)成。為消除異常血管結(jié)構(gòu)，通過(guò)引導(dǎo)性微導(dǎo)管注射Onyx，其主要成 分EVAL在DMSO擴(kuò)散后立即沉淀并固化，而液態(tài)形式的DMSO已知是有毒的?？焖俚哪z化 可能導(dǎo)致微導(dǎo)管與栓塞物粘連；因此，該過(guò)程必須由有經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師和血管外科醫(yī)生 小心的進(jìn)行。此外，Onyx對(duì)血管壁無(wú)粘附性，這使得手術(shù)中和手術(shù)后發(fā)生凝膠移位的風(fēng)險(xiǎn) 很高。副作用、操作困難以及可能出現(xiàn)并發(fā)癥都導(dǎo)致醫(yī)療費(fèi)用增加以及效果未及理想。
[0007] 在某些應(yīng)用中，形成化學(xué)交聯(lián)原位水凝膠的潛在缺點(diǎn)是凝膠的易碎性。單由化學(xué) 交聯(lián)形成的水凝膠可以很易碎，在相對(duì)較小的壓力和變形下就容易破裂成為碎片。對(duì)許多 水凝膠將經(jīng)受壓力的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，凝膠最好能具有承受較大的壓力或較大程度的變形的能 力，例如，在經(jīng)常存在壓力的腔內(nèi)療法和組織擴(kuò)張中，或者在也可能存在壓力的藥物輸送和 細(xì)胞輸送中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的某些方面提供包括溶解在水溶液中的一種或多種化學(xué)交聯(lián)劑的組合物。 該組合物的特征在于其在下列非生理性物理化學(xué)條件下是液體形式：在低于身體pH的pH 下、在低于或高于體溫的溫度下、和/或在非緩沖或輕微緩沖的溶液中。該組合物的特征還 在于，當(dāng)其與生理性物理化學(xué)條件下的流體和/或身體接觸時(shí)發(fā)生化學(xué)凝膠化，例如，PH與 身體的PH接近的流體/身體、溫度與體溫接近的流體/身體、和/或以與身體的緩沖強(qiáng)度 接近的強(qiáng)度緩沖的流體/身體。該組合物的特征還在于，其在與身體或體液的生理性物理 化學(xué)條件不同的某些非生理性物理化學(xué)條件下是液體形式，例如溫度、PH、緩沖能力、離子 強(qiáng)度等，且其特征還在于，當(dāng)其與身體或體液接觸時(shí)發(fā)生化學(xué)凝膠化。
[0009] 本發(fā)明的其他方面提供包括溶解在水溶液中以形成前體溶液的一種或多種化學(xué) 交聯(lián)劑的組合物，其中，生理?xiàng)l件下的化學(xué)反應(yīng)速率高于非生理?xiàng)l件下的化學(xué)反應(yīng)速率。該 前體溶液的特征在于，它在與身體的PH相差至少約0. 5的pH下為液體形式。該前體溶液 的特征還在于它是非緩沖的或輕微緩沖的。該前體溶液的特征還在于，它在比體溫高或低 至少約5攝氏度的溫度下為液體形式。該前體溶液的特征還在于，當(dāng)它與身體或體液接觸 時(shí)發(fā)生凝膠化。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，該前體溶液的溫度為約2至15攝氏度，pH為約5 至6或約8至9。
[0010] 在某些實(shí)施方案中，所述化學(xué)交聯(lián)劑中的至少一種是由選自以下組的分子修飾的 聚合物：共輒不飽和基團(tuán)，包括丙烯酸酯、馬來(lái)酰亞胺、乙烯砜、醌等；包括N-羥基琥珀酰亞 胺的活性酯，醛，酮，碳二亞胺，碳酸酯，碘代乙酰基，巰基煙酰胺，及其組合。在某些實(shí)施方 案中，所述化學(xué)交聯(lián)劑中的至少一種是由選自以下組的分子修飾的聚合物：親核試劑，例如 巰基和胺基。
[0011] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述組合物還包括物理交聯(lián)劑和粘度調(diào)節(jié)劑中的至少一種。 在某些實(shí)施方案中，所述物理交聯(lián)劑是能夠在溶液中的物理力的作用下交聯(lián)的聚合物。這 種物理力的例子包括離子相互作用、疏水性相互作用、氫鍵、以及范德華力。能夠形成離子 相互作用的聚合物的例子包括具有臨界密度和某種空間排列的負(fù)電荷的聚合物，例如海藻 酸鈉和結(jié)蘭膠，其中所述聚合物能夠由多價(jià)鹽交聯(lián)，所述多價(jià)鹽例如Ca 2+、Mg' Na+、Fe' Al3+等。能夠通過(guò)疏水性相互作用形成交聯(lián)的聚合物的例子包括具有臨界密度和某種排列 的疏水性基團(tuán)的聚合物，所述疏水性基團(tuán)例如聚（N-異丙基丙烯酰胺）和Pluronic F127〇 在某些實(shí)施方案中，當(dāng)形成化學(xué)交聯(lián)時(shí)，可增強(qiáng)這些試劑的疏水性基團(tuán)的疏水性，并增加 形成的物理交聯(lián)。在某些優(yōu)選實(shí)施方案中，當(dāng)這些試劑被注射到體內(nèi)時(shí)，當(dāng)所述試劑的物 理-化學(xué)環(huán)境（包括溫度、離子強(qiáng)度、鹽濃度及pH)發(fā)生變化時(shí)，可增強(qiáng)這些基團(tuán)的疏水性， 并增加形成的物理交聯(lián)。
[0012] 能夠通過(guò)氫鍵形成交聯(lián)的聚合物的例子包括具有臨界密度和某種空間排列的化 學(xué)基團(tuán)的聚合物，所述化學(xué)基團(tuán)包含H、0、N、C、S、F等，例如瓊脂糖和某些自組裝多肽和蛋 白質(zhì)。在某些實(shí)施方案中，物理交聯(lián)是在不同力的組合的作用下形成的，例如在包括某些自 組裝多肽（如AcN-精氨酸-丙氨酸-天冬氨酸-丙氨酸-精氨酸-丙氨酸-天冬氨酸-丙 氨酸-精氨酸-丙氨酸-天冬氨酸-丙氨酸-精氨酸-丙氨酸-天冬氨酸-丙氨酸-CNH 2) 和蛋白質(zhì)（例如明膠和膠原蛋白）的聚合物中。在某些優(yōu)選實(shí)施方案中，在物理交聯(lián)劑被 注射到體內(nèi)后發(fā)生物理交聯(lián)。在某些實(shí)施方案中，當(dāng)物理交聯(lián)劑被注射到體內(nèi)時(shí)，物理交聯(lián) 由物理-化學(xué)環(huán)境的變化觸發(fā)，包括溫度、離子強(qiáng)度、鹽濃度和pH。在某些實(shí)施方案中，物理 交聯(lián)劑在注射之前或之后被化學(xué)連接到化學(xué)交聯(lián)劑上。在某些實(shí)施方案中，溶液中存在一 種或多種促進(jìn)物理交聯(lián)劑的物理交聯(lián)形成的試劑。這些試劑的例子包括用于海藻酸鈉的磷 酸鈣等。在某些實(shí)施方案中，所述粘度調(diào)節(jié)劑是能夠改變水溶液的粘度的鹽或聚合物。在 某些實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)后的水溶液的粘度是0. 5厘泊至100, 000厘泊。
[0013] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述化學(xué)交聯(lián)聚合物中的至少一種是多糖。
[0014] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述水溶液還包括鹽、有機(jī)溶劑、藥物、粘著劑、和/或顯像 劑。在某些實(shí)施方案中，所述藥物、粘著劑和/或顯像劑與所述化學(xué)交聯(lián)劑、物理交聯(lián)劑和 粘度調(diào)節(jié)劑中的任一種結(jié)合。
[0015] 本發(fā)明的其他方面提供在體內(nèi)的空間中形成水凝膠的方法，其包括：（i)將包括 一種或多種化學(xué)交聯(lián)劑的水溶液注射到所述空間中，其中，所述一種或多種化學(xué)交聯(lián)劑選 自修飾有選自以下組的分子的聚合物：丙烯酸酯、馬來(lái)酰亞胺、乙烯砜、N-羥基琥珀酰亞 胺、醛、酮、碳二亞胺、碳酸酯、碘代乙酰基、巰基煙酰胺、醌、硫醇、胺、及其組合，其中，所述 溶液在非生理性物理化學(xué)條件（例如與身體或體液的物理化學(xué)條件不同的溫度、pH、緩沖 能力、離子強(qiáng)度等）下為液體形式；
[0016] (ii)在所述空間中觸發(fā)水凝膠的形成，所述觸發(fā)在所述水溶液在所述空間中與處 于生理性物理化學(xué)條件下的身體和/或體液接觸時(shí)發(fā)生；以及
[0017] (iii)允許在所述空間中形成所述水凝膠。
[0018] 在某些實(shí)施方案中，所述水凝膠的形成需要1秒至2小時(shí)。在某些實(shí)施方案中， 所述體內(nèi)被注射所述水溶液的空間是管腔（lumen);在其他實(shí)施方案中，所述空間是空腔 (cavity)。所形成的水凝膠也可用于堵塞所述管腔或空腔。濃度、修飾程度、聚合物類型和 反應(yīng)基團(tuán)類型是基于所需的水凝膠形成速度的考慮因素。
[0019] 本發(fā)明的其他方面提供在體內(nèi)的空間形成水凝膠的方法，其包括：（i)注射包括 化學(xué)交聯(lián)劑和物理交聯(lián)劑的水溶液；（ii)允許在體內(nèi)或體表形成所述水凝膠。
[0020] 在一個(gè)實(shí)施方案中，化學(xué)交聯(lián)的形成速率高于物理交聯(lián)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，物 理交聯(lián)的形成速率高于化學(xué)交聯(lián)。在某些實(shí)施方案中，所述水凝膠的形成需要1秒至2小 時(shí)。在某些實(shí)施方案中，所述體內(nèi)被注射所述水溶液的空間是管腔；在其他實(shí)施方案中，所 述空間是空腔；在其他實(shí)施方案中，所述空間是體內(nèi)的缺損部位。所形成的水凝膠也可用于 擴(kuò)張腔體、組織或填充缺損部位。在某些實(shí)施方案中，所述缺損部位可為軟組織或硬組織。
[0021] 本發(fā)明的其他方面提供在體內(nèi)的空間形成水凝膠的方法，其包括：（i)將包括化 學(xué)交聯(lián)劑的水溶液注射到所述空間中，所述化學(xué)交聯(lián)劑包括含有多個(gè)乙烯砜的聚合物和含 有多個(gè)親核試劑的聚合物，其中，所述溶液在6. 5或更低的pH下、在20攝氏度或更低的溫 度下、和/或在非緩沖溶液中為液體形式；（ii)在所述空間中觸發(fā)水凝膠的形成，所述觸發(fā) 在所述水溶液與pH為7. 2或更高和/或溫度為30攝氏度或更高的身體或身體的緩沖液接 觸時(shí)發(fā)生；以及（iii)在所述空間中形成所述水凝膠。在某些實(shí)施方案中，所述水凝膠的形 成需要1秒至2小時(shí)。在某些實(shí)施方案中，所述體內(nèi)被注射所述水溶液的空間是管腔；在其 他實(shí)施方案中，所述空間是空腔。所形成的水凝膠也可用于堵塞所述管腔或空腔。濃度、修 飾程度、聚合物類型、反應(yīng)基團(tuán)類型、溶液的PH、溶液的緩沖能力、以及溶液的溫度也需要為 這種快速變化而設(shè)計(jì)。
[0022] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述水凝膠的形成包括化學(xué)交聯(lián)聚合物的共價(jià)鍵合。在其他 實(shí)施方案中，所述水凝膠的形成包括物理交聯(lián)劑的物理鍵合。在其他實(shí)施方案中，物理交聯(lián) 劑在注射之前或之后被以化學(xué)方式