可水分固化的异氰酸酯官能的组合物在制备用于粘合组织的粘合剂中的用途转让专利
申请号 : CN200480043348.3
文献号 : CN1968718B
文献日 : 2010-06-09
发明人 : 艾瑞克·贝克曼 , 迈克尔·巴克利 , 苏德哈·阿加瓦尔 , 张健英
申请人 : 匹兹堡大学
摘要 :
一种包括异氰酸酯封端分子的混合物的粘合剂，该异氰酸酯封端分子通过使多异氰酸酯官能分子与包含选自以下组中的末端官能团的多官能前体分子反应而形成：羟基、伯氨基和仲氨基。优选地，所述官能团是羟基。该多官能前体化合物是生物相容的。该多异氰酸酯官能分子的多胺官能前体也是生物相容的。如上所述，分子混合物优选其平均异氰酸酯官能度为至少2.1，更优选地，其平均异氰酸酯官能度为至少2.5。同样如上所述，优选分子混合物的粘度为约1～约100厘泊。该分子混合物通过与水存在下的有机组织的接触而形成交联的聚合物网络。交联的聚合物网络是生物相容的和生物降解的。交联的聚合物网络降解成包括前体分子和多胺官能前体的降解产物。
权利要求 :
1.可水分固化的异氰酸酯官能的组合物在制备用于粘合组织的粘合剂中的用途，所述异氰酸酯官能的组合物包含基本由以下物质组成的反应混合物的反应产物：(a)化学计量过量的衍生自多官能氨基酸前体的多异氰酸酯官能的分子；和(b)选自以下组中的多官能反应物：糖、多糖、甾族化合物、甘油、抗坏血酸、氨基酸、及它们的组合，该多官能反应物具有至少两个异氰酸酯反应性官能团，其中所述反应产物的平均异氰酸酯官能度为至少2.1。
2.权利要求1的用途，其中所述多官能氨基酸前体包括赖氨酸。
3.权利要求2的用途，其中所述多异氰酸酯官能分子选自以下组中：赖氨酸三异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯衍生物、或它们的组合。
4.权利要求2的用途，其中所述多异氰酸酯官能分子选自以下组中：赖氨酸三异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯乙基酯、或它们的组合。
5.权利要求1的用途，其中所述反应产物的平均异氰酸酯官能度为至少2.5。
6.权利要求1的用途，其中所述多官能反应物包括糖、甘油或抗坏血酸。
7.权利要求6的用途，其中所述糖包括葡萄糖。
8.权利要求6的用途，其中所述多官能反应物包括甘油。
9.权利要求1的用途，其中所述多官能反应物选自以下组中：糖、甘油、及它们的组合。
10.权利要求3的用途，其中使所述多官能反应物与化学计量过量的多异氰酸酯官能分子反应，以使所述多官能反应物的每个异氰酸酯反应性基团与所述多异氰酸酯化合物的一个异氰酸酯基团反应。
11.可水分固化的异氰酸酯官能的组合物在制备用于粘合组织的粘合剂中的用途，所述异氰酸酯官能的组合物包含以下化合物，该化合物是选自糖、甘油或抗坏血酸的前体化合物与至少一种化学计量量的、由多氨基酸官能的氨基酸前体形成的多异氰酸酯官能化合物的反应产物。
12.权利要求11的用途，其中所述前体化合物是糖或甘油。
13.权利要求11的用途，其中所述前体化合物是甘油。
14.权利要求11的用途，其中所述前体化合物是葡萄糖。
15.权利要求11的用途，其中所述氨基酸前体是赖氨酸。
16.权利要求15的用途，其中所述多异氰酸酯官能化合物由赖氨酸形成。
17.权利要求16的用途，其中所述多异氰酸酯官能化合物是赖氨酸二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯衍生物、赖氨酸三异氰酸酯、或它们的混合物。
18.权利要求17的用途，其中所述多异氰酸酯官能化合物是赖氨酸二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯乙基酯、赖氨酸三异氰酸酯、或它们的混合物。
19.权利要求17的用途，其中所述前体化合物是甘油。
20.权利要求17的用途，其中所述前体化合物是葡萄糖。
说明书 :
技术领域
本发明一般涉及医用粘合剂和组织闭合方法，更具体而言涉及医用粘合剂和组织粘合方法，其中异氰酸酯官能分子或预聚物的混合物被应用到组织上。
背景技术
在美国每年急诊医师需要处理大约有11,000,000个创伤性伤口。创伤性伤口及呼吸道感染二者是人们寻求医疗救助的最常见原因。组织闭合的常规方法(例如，缝合和肘钉)有几种严重局限性，包括不能形成流体密封性闭合、不适于显微外科应用、需要进行二次手术来去除、炎症和感染的可能性增大、以及在介入过程中产生明显疤痕和组织损伤。医用胶带已被用于某些应用中，但是医用胶带的局限性是强度弱并且与组织粘合有问题。用缝合线处理破口经常涉及注射局部麻醉剂和使用针，这会给已处于恐惧中的患者造成紧张。参见，例如McCaig LF，″National Hospital Ambulatory Medical Care Survey：1992Emergency Department Summary，Vital Health Stat.，1994，245，1-12；和ElandJM，Anderson JE，″The Experience of Pain in Children，″Jacox AK版，Pain，Boston，Mass：Little Brown & Co.，1997453-473。缝合线伤口修复也很疼痛并且费时。在相当长一段时间内，医师正在寻找需时很少、不需要额外的手术、患者不适最小并具有良好掩饰效果的伤口修复方法。
在试图实现该目标的过程中，研发了生物和合成的组织粘合剂。涂敷粘合剂的生物组织可以是软(结缔)组织粘合到硬(钙化的)组织粘合。软组织粘合剂例如用于外部和内部伤口闭合和密封。硬组织粘合剂例如用于将修复材料粘合到牙齿和骨头。对于这种组织粘合剂已经提出了四种主要粘合机理，包括机械互联、吸附、扩散理论和电子理论。机械互联涉及将粘合剂渗透到作为粘合手段的表面的不规则部或基底表面的孔中。吸附理论所依赖的事实是，如果实现了紧密界面的分子接触，原子间和分子间力将建立强连接。扩散理论阐述的是聚合物与基底及聚合物相互间的粘合要求聚合物分子或链段穿过界面相互扩散。最后，电子理论建议粘合剂和粘附物间的电子转移可以导致形成高固有粘合的静电力。
不幸的是，现有可用的组织粘合剂都具有明显的局限性。例如，生物组织粘合剂如血纤维蛋白胶粘物(glue)在一些应用中很有效，但极贵，因为它们取自于自体同源的组织。血纤维蛋白胶粘物的拉伸强度也相对较弱，需要大量的劳动来产生。此外，从人血中得到的纤维蛋白原和凝血酶可能例如因获得性免疫缺乏综合征和/或肝炎而引起病毒感染。参见，例如Spotniz WD，″History ofTissue Adhesives，″Sierra D，Saits R编辑，Surgical Adhesives and Sealants，Current Technology and Applications，USA：Technomic，1996；和Borst AH等人，″Fibrin Adhesive：An Important Hemostatic Adjunct in CardiovascularOperations，″J.Thorac.Cardiovasc.Surg.，1982，84，548-553。
已经提出了合成和半合成的外科粘合剂，如氰基丙烯酸酯、聚氨酯预聚物和明胶-间苯二酚-甲醛。参见，例如Tseng Y-C等人，″In Vivo Evaluation of2-cyanoacrylate as Surgical Adhesives，″J.Appl.Biomater，1990，1，11-22；Kobayashi H.等人，″Water-curable and Biodegradable Prepolymer，J.Biomed.Mater.Res.，1991，25，1481-1494；Matsuda T等人，″A Novel Elastic SurgicalAdhesive，Design Properties and In Vivo Performance，″Trans.Am.Soc.Artif.Intern.Organ，1986，32，151-156；和Matsuda T等人，Department of a CompliantSurgical Adhesive Derived from Novel Flurinated Hexamethylene Diisocyanate，″Trans.Am.Soc.Artif.Intern.Organ，1989，35，381-383。然而，这些合成的胶粘物都具有几个缺点，包括细胞毒性、降解速率低、以及因其降解产物的持续释放引起的慢性炎症(例如从氰基丙烯酸酯聚合物和明胶-间苯二酚-甲醛释放出的甲醛，和从聚氨酯释放出的芳香二胺)。参见，例如Braumwald NS等人，″Evaluation of Crosslinked Gelatin as a Tissue Adhesive and Hemostatic Agent：AnExperimental Study″Surgery，1966，59，1024-1030；和Toriumi D，″Surgical TissueAdhesive：Host Tissue Response，Adhesive Strength and Clinical Performance″Sierra D和Saits R编辑，Surgical Adhesives and Sealants Current Technology andApplications，USA：Technomic，1996；61-69。通常，合成的胶粘物不适于体内使用。
氰基丙烯酸酯大单体通过与公知的″超强胶粘物″中所用的相似化学方法经与水接触而聚合。然而，除了上述问题之外，在氰基丙烯酸酯聚合物中使用氰基丙烯酸酯基团限制了制剂的多功能性，并且材料中的其它官能团必须与超敏感的氰基丙烯酸酯相容。使用丙烯酸酯-官能的聚乙二醇能够密封和降解(通过在聚乙二醇前体中引入乳酸或羟基乙酸重复单元)。然而，固化需要使用UV射线或其它辐照。假设光的渗透深度受到限制，那么射线固化就限制了这种技术被应用到易于受光源影响的薄膜上。
因此，需要开发一种改进的用于与活体组织连接的粘合剂和组织粘合的方法。
在试图实现该目标的过程中，研发了生物和合成的组织粘合剂。涂敷粘合剂的生物组织可以是软(结缔)组织粘合到硬(钙化的)组织粘合。软组织粘合剂例如用于外部和内部伤口闭合和密封。硬组织粘合剂例如用于将修复材料粘合到牙齿和骨头。对于这种组织粘合剂已经提出了四种主要粘合机理，包括机械互联、吸附、扩散理论和电子理论。机械互联涉及将粘合剂渗透到作为粘合手段的表面的不规则部或基底表面的孔中。吸附理论所依赖的事实是，如果实现了紧密界面的分子接触，原子间和分子间力将建立强连接。扩散理论阐述的是聚合物与基底及聚合物相互间的粘合要求聚合物分子或链段穿过界面相互扩散。最后，电子理论建议粘合剂和粘附物间的电子转移可以导致形成高固有粘合的静电力。
不幸的是，现有可用的组织粘合剂都具有明显的局限性。例如，生物组织粘合剂如血纤维蛋白胶粘物(glue)在一些应用中很有效，但极贵，因为它们取自于自体同源的组织。血纤维蛋白胶粘物的拉伸强度也相对较弱，需要大量的劳动来产生。此外，从人血中得到的纤维蛋白原和凝血酶可能例如因获得性免疫缺乏综合征和/或肝炎而引起病毒感染。参见，例如Spotniz WD，″History ofTissue Adhesives，″Sierra D，Saits R编辑，Surgical Adhesives and Sealants，Current Technology and Applications，USA：Technomic，1996；和Borst AH等人，″Fibrin Adhesive：An Important Hemostatic Adjunct in CardiovascularOperations，″J.Thorac.Cardiovasc.Surg.，1982，84，548-553。
已经提出了合成和半合成的外科粘合剂，如氰基丙烯酸酯、聚氨酯预聚物和明胶-间苯二酚-甲醛。参见，例如Tseng Y-C等人，″In Vivo Evaluation of2-cyanoacrylate as Surgical Adhesives，″J.Appl.Biomater，1990，1，11-22；Kobayashi H.等人，″Water-curable and Biodegradable Prepolymer，J.Biomed.Mater.Res.，1991，25，1481-1494；Matsuda T等人，″A Novel Elastic SurgicalAdhesive，Design Properties and In Vivo Performance，″Trans.Am.Soc.Artif.Intern.Organ，1986，32，151-156；和Matsuda T等人，Department of a CompliantSurgical Adhesive Derived from Novel Flurinated Hexamethylene Diisocyanate，″Trans.Am.Soc.Artif.Intern.Organ，1989，35，381-383。然而，这些合成的胶粘物都具有几个缺点，包括细胞毒性、降解速率低、以及因其降解产物的持续释放引起的慢性炎症(例如从氰基丙烯酸酯聚合物和明胶-间苯二酚-甲醛释放出的甲醛，和从聚氨酯释放出的芳香二胺)。参见，例如Braumwald NS等人，″Evaluation of Crosslinked Gelatin as a Tissue Adhesive and Hemostatic Agent：AnExperimental Study″Surgery，1966，59，1024-1030；和Toriumi D，″Surgical TissueAdhesive：Host Tissue Response，Adhesive Strength and Clinical Performance″Sierra D和Saits R编辑，Surgical Adhesives and Sealants Current Technology andApplications，USA：Technomic，1996；61-69。通常，合成的胶粘物不适于体内使用。
氰基丙烯酸酯大单体通过与公知的″超强胶粘物″中所用的相似化学方法经与水接触而聚合。然而，除了上述问题之外，在氰基丙烯酸酯聚合物中使用氰基丙烯酸酯基团限制了制剂的多功能性，并且材料中的其它官能团必须与超敏感的氰基丙烯酸酯相容。使用丙烯酸酯-官能的聚乙二醇能够密封和降解(通过在聚乙二醇前体中引入乳酸或羟基乙酸重复单元)。然而，固化需要使用UV射线或其它辐照。假设光的渗透深度受到限制，那么射线固化就限制了这种技术被应用到易于受光源影响的薄膜上。
因此，需要开发一种改进的用于与活体组织连接的粘合剂和组织粘合的方法。
发明内容
在一个方面中，本发明提供一种将粘合剂涂覆到有机组织上的方法。该方法包括将分子混合物涂覆到有机组织上的步骤。所述分子混合物包括具有末端异氰酸酯官能团的分子。该分子混合物的平均异氰酸酯官能度为至少2.1，以便能够交联(或固化)。更优选所述混合物的平均异氰酸酯官能度为至少2.5。优选所述分子混合物的粘度为约1～约100厘泊，以便在例如使用温度的范围内(通常约0℃～约40℃)容易地涂覆到组织上。更优选地，在使用温度范围内所述粘度为约1～约50厘泊。通常，在使用温度下分子混合物必须可涂覆或可铺展。
分子混合物通过与水存在下的有机组织接触而形成交联的聚合物网络或固化体。足量的水通常存在于有机组织上或其中，因此固化通常不需要加入水。交联的聚合物网络是生物相容的和生物降解的。交联的聚合物网络生物降解成生物相容的分子或降解产物。
并不是所有的混合物分子都需要以混合的形式放置。例如，可以在涂覆之前或涂覆之中混合分子。
在一个实施方案中，分子混合物包括赖氨酸三-异氰酸酯或赖氨酸三-异氰酸酯衍生物(例如，赖氨酸三-异氰酸酯乙酯)。
优选地，所述分子混合物包括通过使多异氰酸酯官能分子与包含选自以下组中的末端官能团的多官能前体分子反应而形成的异氰酸酯封端的分子：羟基、伯氨基和仲氨基。本说明书中，术语″多官能″指具有两个(二官能的)或更多个官能团的化合物。聚氨酯预聚物可以由此而形成。多官能前体化合物是生物相容的。此外，多异氰酸酯官能分子的多胺官能的前体也是生物相容的。多异氰酸酯官能分子的多胺官能前体可以例如是生物相容的氨基酸，或生物相容的氨基酸的衍生物。多官能前体分子例如可以包括以下的至少一种：聚乙二醇、聚氨基酸(通常大于50个连接的氨基酸，并包括例如蛋白和/或多肽)、脂肪族聚酯(包括例如聚乳酸、聚羟基乙酸和/或聚己内酯)、糖(包括例如蔗糖)、多糖(例如淀粉)、脂肪族聚碳酸酯、聚酸酐、甾族化合物(例如氢化可的松)、甘油、抗坏血酸、氨基酸(例如赖氨酸、酪氨酸、丝氨酸和/或色氨酸)、或肽(通常，2～50个连接的氨基酸)。
在一个实施方案中，所述多官能前体分子包括聚乙二醇，多异氰酸酯官能分子包括赖氨酸二-异氰酸酯乙酯或赖氨酸三-异氰酸酯乙酯的至少一种。多官能前体分子还可以包括糖，如葡萄糖。
在多官能前体分子包括聚乙二醇的情况下，所述聚乙二醇优选数均分子量为小于10,000。更优选地，所述聚乙二醇的数均分子量为小于2,000。最优选地，所述聚乙二醇数均分子量为小于1,000。在本发明的几个实施方案中，聚乙二醇的数均分子量为约50～约1000。
优选地，本发明的分子混合物在小于2分钟内形成交联的聚合物网络。更优选地，分子混合物在小于1分钟内形成交联的聚合物网络。对由本发明的分子混合物固化所得到的交联聚合物网络而言，优选所述聚合物网络在发生愈合的时间内经与有机组织接触而生物降解。例如，交联的聚合物网络优选保持完整地与破口或切口的组织粘合，直到愈合已经充分地进行到使得伤口或切口闭合。在一个实施方案中，例如，交联的聚合物网络生物降解至其材料在约7～约30天、更优选在约7～约14天内失去至少约2/3。
在另一个方面中，本发明提供了一种包括异氰酸酯封端的分子混合物的粘合剂，该异氰酸酯封端的分子通过使多异氰酸酯官能分子与包含选自以下组中的末端官能团的多官能前体分子反应形成：羟基、伯氨基和仲氨基。优选所述官能团是羟基。多官能前体化合物是生物相容的。多异氰酸酯官能分子的多胺官能前体也是生物相容的。如上所述，所述分子混合物优选平均异氰酸酯官能度为至少2.1，更优选地，其平均异氰酸酯官能度为至少2.5。如上所述，该分子混合物优选粘度为约1～约100厘泊。所述分子混合物通过与水存在下的有机组织接触而形成交联的聚合物网络。交联的聚合物网络是生物相容的和生物降解的。交联的聚合物网络降解成包括前体分子和多胺官能前体的降解产物。
在还另一个方面中，本发明提供了一种包括异氰酸酯封端的预聚物的混合物的粘合剂，该异氰酸酯封端的预聚物通过使多异氰酸酯官能分子与包含选自以下组中的末端官能团的多官能前体分子反应而形成：羟基、伯氨基和仲氨基。同样，多官能前体化合物是生物相容的。还有，多异氰酸酯官能分子的多胺官能前体是生物相容的。至少一种多官能前体是数均分子量为至少50的柔顺性的生物相容的聚合物。如上所述，所述预聚物混合物的平均异氰酸酯官能度为至少2.1。预聚物的混合物不是固体的，优选在使用温度的范围内可铺展涂覆到组织上。预聚物的混合物通过与水存在下的有机组织接触而形成交联的聚合物网络。交联的聚合物网络是生物相容的和生物降解的。交联的聚合物网络降解成为包括前体分子和多胺官能前体的降解产物。
除了上述粘合到组织上的其它机理之外，本发明的粘合剂可以与组织进行化学(共价)粘合。例如，粘合剂上的反应性异氰酸酯基团可以与组织中的反应性基团如羟基或游离胺基反应形成共价键(即，氨基甲酸酯键或脲键)。异氰酸酯基团也在组织中和其上固有存在的水分的存在下形成交联的聚合物网络。
如上所述，本发明的粘合剂、由其形成的生物降解的交联的聚合物网络及所述聚合物网络的生物降解产物优选是生物相容的。本说明书中，术语″生物降解的″通常指粘合剂在使用环境中随时间分解的能力(尤其是分解成无毒的降解产物)。本说明书中，术语″生物相容的″通常指与活体组织或活体系统的相容能力。在此方面，本发明的粘合剂、聚合物网络和降解产物在接触/暴露时间内的所需量下优选对活体组织或活体系统基本上无毒和/或基本上没有伤害。此外，这种材料在接触/暴露时间内的所需量下优选不会引起大量的免疫反应或排斥。
与组织闭合和其它用途的医用领域中所用的多种现用粘合剂不同的是，本发明的粘合剂具有相对较强的拉伸强度，并与组织形成相对较强的粘合，同时可降低或根除诸如与多种现用粘合剂相关的细胞毒性、降解速率低和炎症等问题。本发明的粘合剂和方法对例如组织闭合提供最小的侵入通道，通常对组织没有机械损伤，并且感染的可能性下降。本发明的粘合剂相对易于合成，并且不需要使用可能有害的溶剂。
在一个实施方案中，本发明提供了适于用作组织粘合剂的生物相容和生物降解的赖氨酸-二-异氰酸酯-(LDI-)或赖氨酸-三-异氰酸酯-(LTI-)系氨基甲酸酯聚合物/预聚物。举例来说，LDI-聚氨酯粘合剂或胶粘物易于在没有溶剂下由LDI、聚乙二醇(有时称作PEG)和葡萄糖合成。降解产物是赖氨酸、PEG、葡萄糖和乙醇。本发明的LDI-聚氨酯组织粘合剂和其它粘合剂可以减小伤口修复所需的时间，提供柔性防水性保护涂层，并且不需要除去缝合线。与现用皮肤粘合剂相比，本发明的LDI-聚氨酯组织粘合剂和其它组织粘合剂相对容易使用以下适合及常用的伤口制剂。与常规修复方法如缝合线相比，本发明的粘合剂更便于使用，因为与常规或传统修复方法相比，例如，尤其是孩子的患者更易于接受被″胶粘″的这种主意。
此外，本发明的LDI-系聚氨酯组织粘合剂和其它组织粘合剂的模量或刚性可以容易地调节，以在人和动物中用作软(结缔)组织粘合剂(例如，代替缝合线和纤维作为用于闭合某些破口和/或切口的皮肤粘合剂)，以及用作硬(钙化的)组织粘合剂(例如，作为骨或牙齿粘合剂)。
分子混合物通过与水存在下的有机组织接触而形成交联的聚合物网络或固化体。足量的水通常存在于有机组织上或其中，因此固化通常不需要加入水。交联的聚合物网络是生物相容的和生物降解的。交联的聚合物网络生物降解成生物相容的分子或降解产物。
并不是所有的混合物分子都需要以混合的形式放置。例如，可以在涂覆之前或涂覆之中混合分子。
在一个实施方案中，分子混合物包括赖氨酸三-异氰酸酯或赖氨酸三-异氰酸酯衍生物(例如，赖氨酸三-异氰酸酯乙酯)。
优选地，所述分子混合物包括通过使多异氰酸酯官能分子与包含选自以下组中的末端官能团的多官能前体分子反应而形成的异氰酸酯封端的分子：羟基、伯氨基和仲氨基。本说明书中，术语″多官能″指具有两个(二官能的)或更多个官能团的化合物。聚氨酯预聚物可以由此而形成。多官能前体化合物是生物相容的。此外，多异氰酸酯官能分子的多胺官能的前体也是生物相容的。多异氰酸酯官能分子的多胺官能前体可以例如是生物相容的氨基酸，或生物相容的氨基酸的衍生物。多官能前体分子例如可以包括以下的至少一种：聚乙二醇、聚氨基酸(通常大于50个连接的氨基酸，并包括例如蛋白和/或多肽)、脂肪族聚酯(包括例如聚乳酸、聚羟基乙酸和/或聚己内酯)、糖(包括例如蔗糖)、多糖(例如淀粉)、脂肪族聚碳酸酯、聚酸酐、甾族化合物(例如氢化可的松)、甘油、抗坏血酸、氨基酸(例如赖氨酸、酪氨酸、丝氨酸和/或色氨酸)、或肽(通常，2～50个连接的氨基酸)。
在一个实施方案中，所述多官能前体分子包括聚乙二醇，多异氰酸酯官能分子包括赖氨酸二-异氰酸酯乙酯或赖氨酸三-异氰酸酯乙酯的至少一种。多官能前体分子还可以包括糖，如葡萄糖。
在多官能前体分子包括聚乙二醇的情况下，所述聚乙二醇优选数均分子量为小于10,000。更优选地，所述聚乙二醇的数均分子量为小于2,000。最优选地，所述聚乙二醇数均分子量为小于1,000。在本发明的几个实施方案中，聚乙二醇的数均分子量为约50～约1000。
优选地，本发明的分子混合物在小于2分钟内形成交联的聚合物网络。更优选地，分子混合物在小于1分钟内形成交联的聚合物网络。对由本发明的分子混合物固化所得到的交联聚合物网络而言，优选所述聚合物网络在发生愈合的时间内经与有机组织接触而生物降解。例如，交联的聚合物网络优选保持完整地与破口或切口的组织粘合，直到愈合已经充分地进行到使得伤口或切口闭合。在一个实施方案中，例如，交联的聚合物网络生物降解至其材料在约7～约30天、更优选在约7～约14天内失去至少约2/3。
在另一个方面中，本发明提供了一种包括异氰酸酯封端的分子混合物的粘合剂，该异氰酸酯封端的分子通过使多异氰酸酯官能分子与包含选自以下组中的末端官能团的多官能前体分子反应形成：羟基、伯氨基和仲氨基。优选所述官能团是羟基。多官能前体化合物是生物相容的。多异氰酸酯官能分子的多胺官能前体也是生物相容的。如上所述，所述分子混合物优选平均异氰酸酯官能度为至少2.1，更优选地，其平均异氰酸酯官能度为至少2.5。如上所述，该分子混合物优选粘度为约1～约100厘泊。所述分子混合物通过与水存在下的有机组织接触而形成交联的聚合物网络。交联的聚合物网络是生物相容的和生物降解的。交联的聚合物网络降解成包括前体分子和多胺官能前体的降解产物。
在还另一个方面中，本发明提供了一种包括异氰酸酯封端的预聚物的混合物的粘合剂，该异氰酸酯封端的预聚物通过使多异氰酸酯官能分子与包含选自以下组中的末端官能团的多官能前体分子反应而形成：羟基、伯氨基和仲氨基。同样，多官能前体化合物是生物相容的。还有，多异氰酸酯官能分子的多胺官能前体是生物相容的。至少一种多官能前体是数均分子量为至少50的柔顺性的生物相容的聚合物。如上所述，所述预聚物混合物的平均异氰酸酯官能度为至少2.1。预聚物的混合物不是固体的，优选在使用温度的范围内可铺展涂覆到组织上。预聚物的混合物通过与水存在下的有机组织接触而形成交联的聚合物网络。交联的聚合物网络是生物相容的和生物降解的。交联的聚合物网络降解成为包括前体分子和多胺官能前体的降解产物。
除了上述粘合到组织上的其它机理之外，本发明的粘合剂可以与组织进行化学(共价)粘合。例如，粘合剂上的反应性异氰酸酯基团可以与组织中的反应性基团如羟基或游离胺基反应形成共价键(即，氨基甲酸酯键或脲键)。异氰酸酯基团也在组织中和其上固有存在的水分的存在下形成交联的聚合物网络。
如上所述，本发明的粘合剂、由其形成的生物降解的交联的聚合物网络及所述聚合物网络的生物降解产物优选是生物相容的。本说明书中，术语″生物降解的″通常指粘合剂在使用环境中随时间分解的能力(尤其是分解成无毒的降解产物)。本说明书中，术语″生物相容的″通常指与活体组织或活体系统的相容能力。在此方面，本发明的粘合剂、聚合物网络和降解产物在接触/暴露时间内的所需量下优选对活体组织或活体系统基本上无毒和/或基本上没有伤害。此外，这种材料在接触/暴露时间内的所需量下优选不会引起大量的免疫反应或排斥。
与组织闭合和其它用途的医用领域中所用的多种现用粘合剂不同的是，本发明的粘合剂具有相对较强的拉伸强度，并与组织形成相对较强的粘合，同时可降低或根除诸如与多种现用粘合剂相关的细胞毒性、降解速率低和炎症等问题。本发明的粘合剂和方法对例如组织闭合提供最小的侵入通道，通常对组织没有机械损伤，并且感染的可能性下降。本发明的粘合剂相对易于合成，并且不需要使用可能有害的溶剂。
在一个实施方案中，本发明提供了适于用作组织粘合剂的生物相容和生物降解的赖氨酸-二-异氰酸酯-(LDI-)或赖氨酸-三-异氰酸酯-(LTI-)系氨基甲酸酯聚合物/预聚物。举例来说，LDI-聚氨酯粘合剂或胶粘物易于在没有溶剂下由LDI、聚乙二醇(有时称作PEG)和葡萄糖合成。降解产物是赖氨酸、PEG、葡萄糖和乙醇。本发明的LDI-聚氨酯组织粘合剂和其它粘合剂可以减小伤口修复所需的时间，提供柔性防水性保护涂层，并且不需要除去缝合线。与现用皮肤粘合剂相比，本发明的LDI-聚氨酯组织粘合剂和其它组织粘合剂相对容易使用以下适合及常用的伤口制剂。与常规修复方法如缝合线相比，本发明的粘合剂更便于使用，因为与常规或传统修复方法相比，例如，尤其是孩子的患者更易于接受被″胶粘″的这种主意。
此外，本发明的LDI-系聚氨酯组织粘合剂和其它组织粘合剂的模量或刚性可以容易地调节，以在人和动物中用作软(结缔)组织粘合剂(例如，代替缝合线和纤维作为用于闭合某些破口和/或切口的皮肤粘合剂)，以及用作硬(钙化的)组织粘合剂(例如，作为骨或牙齿粘合剂)。
附图说明
图1所示为明本发明的异氰酸酯封端预聚物的通常的结构。
图2所示为赖氨酸二-异氰酸酯(LDI)、赖氨酸三-异氰酸酯(LTI)、聚乙二醇(PEG)和葡萄糖的化学结构。
图3所示为LDI封端的葡萄糖、LDI封端的聚乙二醇和LDI封端的LID-PEG-葡萄糖预聚物的化学结构实例。
图4A所示为包含本发明粘合剂的容器，其中基本上所有或所有的粘合剂分子的官能团都由异氰酸酯官能封端。
图4B所示为双室容器，其中一个室包含具有过量羟基(和/或胺)官能团的分子/预聚物的混合物，另一个室包含具有过量异氰酸酯(-NCO)官能团的分子/预聚物的混合物。
图2所示为赖氨酸二-异氰酸酯(LDI)、赖氨酸三-异氰酸酯(LTI)、聚乙二醇(PEG)和葡萄糖的化学结构。
图3所示为LDI封端的葡萄糖、LDI封端的聚乙二醇和LDI封端的LID-PEG-葡萄糖预聚物的化学结构实例。
图4A所示为包含本发明粘合剂的容器，其中基本上所有或所有的粘合剂分子的官能团都由异氰酸酯官能封端。
图4B所示为双室容器，其中一个室包含具有过量羟基(和/或胺)官能团的分子/预聚物的混合物，另一个室包含具有过量异氰酸酯(-NCO)官能团的分子/预聚物的混合物。
具体实施方式
为涂覆到组织上，组织粘合剂优选是液体或另一种可铺展的形式(例如，流体状凝胶)。优选所述粘合剂在涂覆和粘结到水分存在下的活体组织时能相对较快地固化。在实现有效组织粘合所需的量下，优选所述组织粘合剂也没有局部刺激性和全身毒性。此外，对于在例如伤口闭合中用的固化粘合剂而言，适合的曲挠性和降解性是需要的，以使粘合剂不干扰愈合。本发明的组织粘合剂满足了这些标准。
一般来说，本发明的粘合剂包括具有末端异氰酸酯官能团的分子混合物。该分子混合物的平均异氰酸酯官能度为大于2(每个分子或键)，优选大于2.1，从而能够交联(或固化)。更优选地，混合物的平均异氰酸酯官能度为至少2.5。尽管可以使用相对较低分子量的分子作为本发明的粘合剂，如赖氨酸三-异氰酸酯或赖氨酸二-异氰酸酯和三-异氰酸酯的组合，但本发明的粘合剂优选以异氰酸酯封端的聚合物/预聚物的混合物进行涂覆。这种分子实例的一般性描述示于图1中。该预聚物例如可以通过使多异氰酸酯官能分子与包含选自以下组中的末端官能团的多官能前体分子反应而形成：羟基、伯氨基和仲氨基。优选所述官能团是羟基。
如上所述，例如图1中所表示的异氰酸酯封端分子使得可以交联，并可以通过与组织中的羟基和胺基的共价结合而增强与组织的粘合。优选选择与多异氰酸酯官能分子反应形成这种分子的″中间″或内部链段的前体化合物，由此使得可以控制物理性能，如粘合剂的粘度和固化的聚合物网络的弹性。
例如，通过粘合剂的全部或平均官能度(异氰酸酯端基/链的平均数)、交联键间的分子量(即，预聚物中异氰酸酯基团间的分子量)、包括芳基的某些预聚物中的预聚物芳香物含量(例如，通过加入生物相容的氨基酸酪氨酸而引入)以及预聚物中的氢键基团量(例如，脲基团和氨基甲酸酯基团)，可以控制固化的聚合物网络的物理性能。例如，增大官能度(例如，通过在前体中使用大量异氰酸酯封端的蔗糖)使交联的聚合物网络具有相对较高的模量(刚性)。增大交联点间的分子量(例如，通过加入高分子量的PEG″间隔物″)、减小氢键基团数或减小芳香物含量，可以降低由本发明粘合剂形成的交联聚合物网络的模量。因此，通过对原始制剂进行的已知变化，可以在很宽范围内调节粘合剂粘合性能。
也可以选择中间或内部链段用的生物相容的化合物或分子，以使粘合剂具有其它所需性能。例如，可以加入活性酶(蛋白)，例如用于抑制特定的细菌或增强特定的生物功能。之前已表明，通过将蛋白的水溶液加入聚氨酯预聚物中可以促进蛋白(共价)结合进聚氨酯网络中(通过蛋白上的游离胺与异氰酸酯端基的反应)。这种结合保持了蛋白的活性，同时使稳定性增加了几个数量级。同样，可以加入甾族化合物如氢化可的松(已经被结合到本发明的粘合剂中)，例如以用于抗炎症。
为了阐明本发明，对包括从以下分子或结构嵌段产生的异氰酸酯官能预聚物的代表性粘合剂的研究陈述如下：赖氨酸二-异氰酸酯乙酯或LDI(通过赖氨酸乙酯的光气化法合成)或赖氨酸三-异氰酸酯LTI；葡萄糖(包括5个羟基官能团)和聚乙二醇或PEG(包括2个羟基官能团)。LDI或LTI的异氰酸酯基团通过与葡萄糖和PEG的羟基反应形成预聚物链。使用过量LDI或LTI有助于确保基本上所有或所有的羟基与异氰酸酯的反应，从而形成异氰酸酯-封端的预聚物。本发明研究中所用的分子结构嵌段的化学结构示于图2中。图3所示为异氰酸酯-(LDI-)封端的葡萄糖、异氰酸酯-(LDI-)封端的PEG和异氰酸酯-(LDI-)封端的PEG-葡萄糖-LDI预聚物分子的代表性实例。赖氨酸二-异氰酸酯是一种挥发性化合物，通过加入本发明的聚合物前体中而变成为非挥发性(因此，LDI不存在，而是被锁进大单体中)的。
因而，所述粘合剂简单地说是聚氨酯预聚物，即，其中所有反应性端基(胺和羟基)已由例如赖氨酸二-异氰酸酯封端的聚氨酯前体，在预聚物中留下许多异氰酸酯的端基，并且优选很少有或没有游离羟基或胺基团(防止进一步反应)。使这种预聚物与组织接触可以导致聚合物通过在预聚物中的游离胺基团或羟基与异氰酸酯基团反应而与组织共价结合。此外，水也可与异氰酸酯基团反应，释放出CO2并形成额外的游离胺基团，最终与异氰酸酯反应形成交联点。
通常，主要通过包括5个羟基的葡萄糖的浓度来控制交联点数量。使用相对较高浓度的葡萄糖增多了交联点，从而增大了交联的聚合物网络的模量。生物相容的、通常柔顺性的聚合物如PEG可部分地用作间隔物。增大本发明的粘合剂中所用PEG的分子量可以增大交联点间的距离，减小交联聚合物网络的模量。
与本发明的粘合剂不同的是，市售的聚氨酯(包括粘合剂)由芳香族异氰酸酯产生。在活体内使用时它们的降解速率不够快(作为生物降解的粘合剂)，并且市售聚氨酯粘合剂的降解副产物包括毒性芳香二胺。
赖氨酸二-异氰酸酯通过赖氨酸乙酯的光气化作用在吡啶存在下产生。与赖氨酸或其乙酯不同的是，LDI是挥发性的，因此易于通过减压蒸馏纯化。
几个研究已经说明了LDI-系聚合物的生物相容性和生物降解性。例如，聚合物泡沫是通过将水加入甘油/LDI预聚物中而产生的。而预聚物通过用LDI对甘油中三个羟基的每一个封端产生。泡沫的降解需时几周，60天后材料损失2/3。经测定降解产物主要是赖氨酸和甘油。因此，这些材料的降解明显比常规聚氨酯快。可能地，酯基团(源自赖氨酸)活化氨基甲酸酯键发生水解。此外，一旦水解，酯基团将作用为原位酸催化剂来加快氨基甲酸酯键的水解。将新西兰白兔的骨髓基质细胞(BSMC)接种在甘油/LDI泡沫上，观察其粘合与铺展。BMSC产生与对照细胞相当的胶原(通过测量羟基脯氨酸发现)。
使用葡萄糖/LDI泡沫进行进一步研究。在该研究中，以5∶2的比例将LDI加入葡萄糖中。加入水产生硬的(高模量)泡沫材料。通过在LDI+葡萄糖反应完成之前取出预聚物样品，可以产生柔软且曲挠的泡沫。如前面的研究所述，将BMSC接种在这些泡沫上。BMSC粘合在泡沫上，同时在上面铺展。依赖于材料的交联密度，葡萄糖-LDI泡沫在2～3个月的时间内降解成蔗糖和赖氨酸(即，软泡沫比硬泡沫降解更快)。此外，将葡萄糖-LDI泡沫的小样品植入新西兰白兔中。2个月后采集材料和周围组织的样品。与使用聚乳酸/羟基乙酸共聚物的对照样品相比，举例来说在这些样品中观察到较少的巨细胞。
上述聚合物泡沫通常是高度交联的材料。一旦形成，这些材料就不能被再加工。还合成了从LDI和二-官能聚乙二醇(分子量200～8000)得到的线性聚合物。尽管这种聚合物是可加工的，但是这种聚合物在水中溶解。通过使用酪氨酸、赖氨酸或色氨酸作为扩链剂，完成对制备的热塑性弹性体(即，可加工但不溶于水的聚合物)的那些聚氨酯″硬″链段的扩链。在此研究中，将过量的LDI加入其它氨基酸中。然后，得到的LDI-氨基酸-LDI化合物与聚乙二醇反应。使用扩链的硬链段能够由LDI产生在水中不溶解的可加工的聚氨酯。
上述交联材料通常不优选用作粘合剂，尽管它们可以按下面图4B中所示的方式涂覆。但是，上面的研究表明，(a)异氰酸酯-封端的预聚物易于合成，(b)从LDI和葡萄糖或甘油产生的聚合物泡沫在2-3个月内降解，产生主要是赖氨酸和羟基官能的前体，(c)骨髓基质细胞易于在从LDI产生的聚合物泡沫上粘附并生长，(d)LDI-葡萄糖聚合物在活体内产生轻微的免疫反应。
本发明粘合剂的优选实施方案包括异氰酸酯封端的预聚物的混合物，经过如上所述涂覆到组织上，可适当地官能化至发生交联。为得到经固化成为防水性生物降解的和生物相容的聚合物网络的可铺展粘合剂，预聚物可以引入如上所述的多异氰酸酯官能分子如LDI或LTI、具有相对较高官能度(具有至少三个反应性官能团)而产生交联点的分子如甘油或糖、以及必须是至少二-官能的用于引入预聚物内部链中的间隔物分子/基团如PEG。所述间隔物优选是数均分子量为至少50的聚合物，当相对于预聚物的其它组分而浓度增加时，所述间隔物用于降低粘合剂的粘度和/或用于降低固化聚合物网络的模量。
优选地，基本上所有或所有粘合剂分子的官能团用异氰酸酯官能团封端/官能化，以防止进一步反应。就此，在合成中使用至少化学计量的量的异氰酸酯官能团，优选过量的异氰酸酯官能团。如图4A中所示，本发明的这种粘合剂(其中基本上所有或所有粘合剂分子的官能团由异氰酸酯官能团封端)可以在无水条件下的防水容器中贮存相当长的时间，直至应用。如图4B所示，使用双室容器可以实现延长贮存，其中一个室包括具有过量羟基(和/或胺)官能团的分子/预聚物的混合物，另一个室包括具有过量异氰酸酯(-NCO)官能团的分子/预聚物的混合物。该容器可以包括本领域公知的混合单元或部件，用于在涂覆组织时使各室的内含物混合，产生交联的聚合物网络。
实施例1
使用下述过程合成代表性的LDI系聚氨酯组织粘合剂或胶粘物。为制备所述粘合剂，将0.5889克葡萄糖(3.27mmol，-OH 16.36mmol)加入干燥的圆底烧瓶中的5ml PEG 400(14.09mmol，-OH 28.18mmol)中，用氮气吹扫并在50℃下加热，制得透明溶液。PEG在室温下是液体，可溶解葡萄糖而不需要额外的溶剂。然后，将4.6ml赖氨酸二-异氰酸酯(LDI，d 1.157，FW 226，23.55mmol，-NCO 47.10mmol)加入，给烧瓶安装橡胶隔片并密封。将反应混合物在50℃下搅拌48hr，得到粘性溶液。将粘性溶液在室温下保存在氮气中，直到使用。使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上，当两块组织压在一起时，约1-2分钟后相互牢固粘合。
实施例2
使用PEG 200而不是PEG 400，使用下述过程合成另一种LDI系聚氨酯组织粘合剂，与实施例1的粘合剂相比，最终产生了更硬、更大强度的密封体。在此过程中，将0.6克葡萄糖(3mmol，-OH 15mmol)加入干躁的圆底烧瓶中的5ml PEG 200(28.18mmol，-OH 56.35mmol)中，用氮气吹扫并在50℃下加热，制得透明溶液。然后，加入7ml LDI(d 1.157，FW 226，35.83mmol，-NCO 71.67mmol)，给烧瓶安装橡胶隔片并密封。将反应混合物在50℃下搅拌48hr，得到粘性溶液。将胶粘物在室温下保存在氮气中，直到使用。使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上，当两块组织压在一起时，1-2分钟后相互牢固粘合。
实施例3
实施例3表明当反应混合物中的葡萄糖部分增加时，闭合伤口所需的时间更短，粘合强度增大，最终的材料更硬。在此研究中，将1.8克葡萄糖(10mmol，-OH 50mmol)加入干躁的圆底烧瓶中的5ml PEG 200(28.18mmol，-OH 56.35mmol)中，用氮气吹扫并在50℃下加热，制得透明溶液。然后，加入10ml LDI(d 1.157，FW 226，51.19mmol，-NCO 102.02mmol)。给烧瓶安装橡胶隔片并密封。在50℃下搅拌反应混合物48hr，得到粘性溶液。将该胶粘物在室温下保存在氮气中，直到使用。使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上，当两块组织压在一起时，约1分钟后相互牢固粘合。
实施例4
在此研究中，总的来说使用实施例3的步骤，除了用PEG 400代替PEG200。在此研究中，将1.8克葡萄糖(10mmol，-OH 50mmol)加入干躁的圆底烧瓶中的10ml PEG 400(28.18mmol，-OH 56.35mmol)中，用氮气吹扫并在50℃下加热，制得透明溶液。然后，加入10ml LDI(d 1.157，FW 226，51.19mmol，-NCO 102.39mmol)，给烧瓶安装橡胶隔片并密封。将反应混合物在50℃下搅拌48hr，得到粘性溶液。将该胶粘物在室温下保存在氮气中，直到使用。使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上，当两块组织压在一起时，约1分钟后相互牢固粘合。
实施例5
在此研究中，使用赖氨酸三-异氰酸酯代替赖氨酸二-异氰酸酯。赖氨酸三-异氰酸酯可以购得，或通过如下过程合成：(a)通过使用多种碳二亚胺的任意一种使乙二胺(大大过量)偶联到赖氨酸上产生赖氨酸的氨基酰胺衍生物，然后(b)光气化。当LTI(赖氨酸三-异氰酸酯)代替LDI与葡萄糖和PEG反应时，材料的启粘时间更短(仅30秒)，粘合强度更大。在此实施例的研究中，将0.6克葡萄糖(3.33mmol，-OH 16.67mmol)加入干躁的圆底烧瓶中的5ml PEG 200(28.18mmol，-OH 56.35mmol)中，用氮气吹扫并在50℃下加热，制得透明溶液。然后，加入5ml LTI(d 1.231，FW 267.25，23.05mmol，-NCO 69.15mmol)，给烧瓶安装橡胶隔片并密封。将反应混合物在50℃下搅拌48hr，得到粘性溶液。将所述溶液在室温下保存在氮气中，直到使用。使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上，当两块组织压在一起时，30秒后相互牢固粘合。
实施例6
在此实施例中，通常使用实施例5的步骤，除了用PEG 400(代替PEG 200)与LTI反应。在此研究中，材料的启粘时间与LTI-葡萄糖-PEG 200相同。这里，将0.229克葡萄糖(1.27mmol，-OH 6.36mmol)加入干躁的圆底烧瓶中的5ml PEG 400(14.1mmol，-OH 28.2mmol)中，用氮气吹扫并在50℃下加热，制得透明溶液。然后加入2.5ml LTI(d 1.231，FW 267.25，11.52mmol，-NCO 34.55mmol)，给烧瓶安装橡胶隔片并密封。将反应混合物在50℃下搅拌48hr，得到粘性溶液。将粘性溶液在室温下保存在氮气中，直到使用。使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上，当两块组织压在一起时，30秒后相互牢固粘合。
实施例7
在此实施例中，制备两种前体溶液，然后在涂覆到潮湿组织之前混合。溶液A由2.15g PEG 200(10.75mmol，-OH 21.5mmol)和4.4ml LDI(d 1.157，FW 226，22.53mmol，-NCO 45.05mmol)反应48hr后制得。溶液B由4.2g PEG200(21mmol，-OH 42mmol)和2.2ml LDI(11.26mmol-NCO 22.52mmol)反应48hr后制得。由于溶液A在反应混合物中具有过量的LDI，溶液B在反应混合物中具有过量的PEG 200，因此A和B溶液都能长时间贮存。充分混合相同体积的每一种溶液，以用作胶粘物。一旦A和B溶液彻底混合(1∶1体积比)，就将粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上。当两块组织压在一起时，2分钟后相互牢固粘合。
实施例8
在此实施例中，再次制备两种前体溶液，然后在涂覆到潮湿组织之前混合。溶液A由4g PEG 400(10mmol，-OH 20mmol)和4ml LDI(d 1.157，FW 226，20.48mmol，-NCO 40.96mmol)反应48hr后制得。溶液B由8g PEG 400(20mmol，-OH 40mmol)和2ml LDI(10.23mmol-NCO 20.48mmol)反应48hr后制得。由于溶液A在反应混合物中具有过量的LDI，溶液B在反应混合物中具有过量的PEG 400，因此溶液A和B都能长时间贮存。充分混合相同体积的每一种溶液，以用作胶粘物。一旦A和B溶液彻底混合(1∶1体积比)，就使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上。当两块组织压在一起时，2分钟后相互牢固粘合。
实施例9
在此实施例中，再次制备两种前体溶液，然后在涂覆到潮湿组织之前混合。溶液A由0.9g葡萄糖(5mmol，25mmol-OH)和5ml PEG 200(28.18mmol，-OH56.35mmol，总-OH 81.35mmol)和16ml LDI(d 1.157，FW 226，81.9mmol，-NCO 163.82mmol)反应48hr后制得。溶液B由10ml PEG 200(56.35mmol，-OH 112.7mmol，总-OH 162.7mmol)中的1.8g葡萄糖(10mmol，-OH 50mmol)和8ml LDI(40.96mmol，-NCO 81.91mmol)反应48hr后制得。由于溶液A在反应混合物中具有过量的-NCO，溶液B在反应混合物中具有过量的-OH，因此溶液A和B都能长时间贮存。充分混合相同体积的每一种溶液，以用作皮肤胶粘物。一旦A和B溶液彻底混合(1∶1体积比)，就使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上。当两块组织压在一起时，约2分钟后相互牢固粘合。
实施例10
在此实施例中，明胶与本发明的LDI-聚氨酯粘合剂一起使用。与使用LDI系聚氨酯粘合剂而没有使用明胶时相比，启粘时间或固化时间更短。在此研究中，将100μl 0.1％的明胶(A型：从猪皮得到，300bloom，Sigma Co.)与0.5ml实施例1的LDI系聚氨酯混合。使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上，当两块组织压在一起时，约10-30秒后相互牢固粘合。
上述说明书和附图阐明了目前本发明优选的实施方案。当然，本领域所属技术人员显然可以根据上述教导在本发明的范围内做出各种修改、添加和替代。本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明书表明。落入权利要求等同含义和范围内的所有变化和修改也包括在其范围内。
一般来说，本发明的粘合剂包括具有末端异氰酸酯官能团的分子混合物。该分子混合物的平均异氰酸酯官能度为大于2(每个分子或键)，优选大于2.1，从而能够交联(或固化)。更优选地，混合物的平均异氰酸酯官能度为至少2.5。尽管可以使用相对较低分子量的分子作为本发明的粘合剂，如赖氨酸三-异氰酸酯或赖氨酸二-异氰酸酯和三-异氰酸酯的组合，但本发明的粘合剂优选以异氰酸酯封端的聚合物/预聚物的混合物进行涂覆。这种分子实例的一般性描述示于图1中。该预聚物例如可以通过使多异氰酸酯官能分子与包含选自以下组中的末端官能团的多官能前体分子反应而形成：羟基、伯氨基和仲氨基。优选所述官能团是羟基。
如上所述，例如图1中所表示的异氰酸酯封端分子使得可以交联，并可以通过与组织中的羟基和胺基的共价结合而增强与组织的粘合。优选选择与多异氰酸酯官能分子反应形成这种分子的″中间″或内部链段的前体化合物，由此使得可以控制物理性能，如粘合剂的粘度和固化的聚合物网络的弹性。
例如，通过粘合剂的全部或平均官能度(异氰酸酯端基/链的平均数)、交联键间的分子量(即，预聚物中异氰酸酯基团间的分子量)、包括芳基的某些预聚物中的预聚物芳香物含量(例如，通过加入生物相容的氨基酸酪氨酸而引入)以及预聚物中的氢键基团量(例如，脲基团和氨基甲酸酯基团)，可以控制固化的聚合物网络的物理性能。例如，增大官能度(例如，通过在前体中使用大量异氰酸酯封端的蔗糖)使交联的聚合物网络具有相对较高的模量(刚性)。增大交联点间的分子量(例如，通过加入高分子量的PEG″间隔物″)、减小氢键基团数或减小芳香物含量，可以降低由本发明粘合剂形成的交联聚合物网络的模量。因此，通过对原始制剂进行的已知变化，可以在很宽范围内调节粘合剂粘合性能。
也可以选择中间或内部链段用的生物相容的化合物或分子，以使粘合剂具有其它所需性能。例如，可以加入活性酶(蛋白)，例如用于抑制特定的细菌或增强特定的生物功能。之前已表明，通过将蛋白的水溶液加入聚氨酯预聚物中可以促进蛋白(共价)结合进聚氨酯网络中(通过蛋白上的游离胺与异氰酸酯端基的反应)。这种结合保持了蛋白的活性，同时使稳定性增加了几个数量级。同样，可以加入甾族化合物如氢化可的松(已经被结合到本发明的粘合剂中)，例如以用于抗炎症。
为了阐明本发明，对包括从以下分子或结构嵌段产生的异氰酸酯官能预聚物的代表性粘合剂的研究陈述如下：赖氨酸二-异氰酸酯乙酯或LDI(通过赖氨酸乙酯的光气化法合成)或赖氨酸三-异氰酸酯LTI；葡萄糖(包括5个羟基官能团)和聚乙二醇或PEG(包括2个羟基官能团)。LDI或LTI的异氰酸酯基团通过与葡萄糖和PEG的羟基反应形成预聚物链。使用过量LDI或LTI有助于确保基本上所有或所有的羟基与异氰酸酯的反应，从而形成异氰酸酯-封端的预聚物。本发明研究中所用的分子结构嵌段的化学结构示于图2中。图3所示为异氰酸酯-(LDI-)封端的葡萄糖、异氰酸酯-(LDI-)封端的PEG和异氰酸酯-(LDI-)封端的PEG-葡萄糖-LDI预聚物分子的代表性实例。赖氨酸二-异氰酸酯是一种挥发性化合物，通过加入本发明的聚合物前体中而变成为非挥发性(因此，LDI不存在，而是被锁进大单体中)的。
因而，所述粘合剂简单地说是聚氨酯预聚物，即，其中所有反应性端基(胺和羟基)已由例如赖氨酸二-异氰酸酯封端的聚氨酯前体，在预聚物中留下许多异氰酸酯的端基，并且优选很少有或没有游离羟基或胺基团(防止进一步反应)。使这种预聚物与组织接触可以导致聚合物通过在预聚物中的游离胺基团或羟基与异氰酸酯基团反应而与组织共价结合。此外，水也可与异氰酸酯基团反应，释放出CO2并形成额外的游离胺基团，最终与异氰酸酯反应形成交联点。
通常，主要通过包括5个羟基的葡萄糖的浓度来控制交联点数量。使用相对较高浓度的葡萄糖增多了交联点，从而增大了交联的聚合物网络的模量。生物相容的、通常柔顺性的聚合物如PEG可部分地用作间隔物。增大本发明的粘合剂中所用PEG的分子量可以增大交联点间的距离，减小交联聚合物网络的模量。
与本发明的粘合剂不同的是，市售的聚氨酯(包括粘合剂)由芳香族异氰酸酯产生。在活体内使用时它们的降解速率不够快(作为生物降解的粘合剂)，并且市售聚氨酯粘合剂的降解副产物包括毒性芳香二胺。
赖氨酸二-异氰酸酯通过赖氨酸乙酯的光气化作用在吡啶存在下产生。与赖氨酸或其乙酯不同的是，LDI是挥发性的，因此易于通过减压蒸馏纯化。
几个研究已经说明了LDI-系聚合物的生物相容性和生物降解性。例如，聚合物泡沫是通过将水加入甘油/LDI预聚物中而产生的。而预聚物通过用LDI对甘油中三个羟基的每一个封端产生。泡沫的降解需时几周，60天后材料损失2/3。经测定降解产物主要是赖氨酸和甘油。因此，这些材料的降解明显比常规聚氨酯快。可能地，酯基团(源自赖氨酸)活化氨基甲酸酯键发生水解。此外，一旦水解，酯基团将作用为原位酸催化剂来加快氨基甲酸酯键的水解。将新西兰白兔的骨髓基质细胞(BSMC)接种在甘油/LDI泡沫上，观察其粘合与铺展。BMSC产生与对照细胞相当的胶原(通过测量羟基脯氨酸发现)。
使用葡萄糖/LDI泡沫进行进一步研究。在该研究中，以5∶2的比例将LDI加入葡萄糖中。加入水产生硬的(高模量)泡沫材料。通过在LDI+葡萄糖反应完成之前取出预聚物样品，可以产生柔软且曲挠的泡沫。如前面的研究所述，将BMSC接种在这些泡沫上。BMSC粘合在泡沫上，同时在上面铺展。依赖于材料的交联密度，葡萄糖-LDI泡沫在2～3个月的时间内降解成蔗糖和赖氨酸(即，软泡沫比硬泡沫降解更快)。此外，将葡萄糖-LDI泡沫的小样品植入新西兰白兔中。2个月后采集材料和周围组织的样品。与使用聚乳酸/羟基乙酸共聚物的对照样品相比，举例来说在这些样品中观察到较少的巨细胞。
上述聚合物泡沫通常是高度交联的材料。一旦形成，这些材料就不能被再加工。还合成了从LDI和二-官能聚乙二醇(分子量200～8000)得到的线性聚合物。尽管这种聚合物是可加工的，但是这种聚合物在水中溶解。通过使用酪氨酸、赖氨酸或色氨酸作为扩链剂，完成对制备的热塑性弹性体(即，可加工但不溶于水的聚合物)的那些聚氨酯″硬″链段的扩链。在此研究中，将过量的LDI加入其它氨基酸中。然后，得到的LDI-氨基酸-LDI化合物与聚乙二醇反应。使用扩链的硬链段能够由LDI产生在水中不溶解的可加工的聚氨酯。
上述交联材料通常不优选用作粘合剂，尽管它们可以按下面图4B中所示的方式涂覆。但是，上面的研究表明，(a)异氰酸酯-封端的预聚物易于合成，(b)从LDI和葡萄糖或甘油产生的聚合物泡沫在2-3个月内降解，产生主要是赖氨酸和羟基官能的前体，(c)骨髓基质细胞易于在从LDI产生的聚合物泡沫上粘附并生长，(d)LDI-葡萄糖聚合物在活体内产生轻微的免疫反应。
本发明粘合剂的优选实施方案包括异氰酸酯封端的预聚物的混合物，经过如上所述涂覆到组织上，可适当地官能化至发生交联。为得到经固化成为防水性生物降解的和生物相容的聚合物网络的可铺展粘合剂，预聚物可以引入如上所述的多异氰酸酯官能分子如LDI或LTI、具有相对较高官能度(具有至少三个反应性官能团)而产生交联点的分子如甘油或糖、以及必须是至少二-官能的用于引入预聚物内部链中的间隔物分子/基团如PEG。所述间隔物优选是数均分子量为至少50的聚合物，当相对于预聚物的其它组分而浓度增加时，所述间隔物用于降低粘合剂的粘度和/或用于降低固化聚合物网络的模量。
优选地，基本上所有或所有粘合剂分子的官能团用异氰酸酯官能团封端/官能化，以防止进一步反应。就此，在合成中使用至少化学计量的量的异氰酸酯官能团，优选过量的异氰酸酯官能团。如图4A中所示，本发明的这种粘合剂(其中基本上所有或所有粘合剂分子的官能团由异氰酸酯官能团封端)可以在无水条件下的防水容器中贮存相当长的时间，直至应用。如图4B所示，使用双室容器可以实现延长贮存，其中一个室包括具有过量羟基(和/或胺)官能团的分子/预聚物的混合物，另一个室包括具有过量异氰酸酯(-NCO)官能团的分子/预聚物的混合物。该容器可以包括本领域公知的混合单元或部件，用于在涂覆组织时使各室的内含物混合，产生交联的聚合物网络。
实施例1
使用下述过程合成代表性的LDI系聚氨酯组织粘合剂或胶粘物。为制备所述粘合剂，将0.5889克葡萄糖(3.27mmol，-OH 16.36mmol)加入干燥的圆底烧瓶中的5ml PEG 400(14.09mmol，-OH 28.18mmol)中，用氮气吹扫并在50℃下加热，制得透明溶液。PEG在室温下是液体，可溶解葡萄糖而不需要额外的溶剂。然后，将4.6ml赖氨酸二-异氰酸酯(LDI，d 1.157，FW 226，23.55mmol，-NCO 47.10mmol)加入，给烧瓶安装橡胶隔片并密封。将反应混合物在50℃下搅拌48hr，得到粘性溶液。将粘性溶液在室温下保存在氮气中，直到使用。使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上，当两块组织压在一起时，约1-2分钟后相互牢固粘合。
实施例2
使用PEG 200而不是PEG 400，使用下述过程合成另一种LDI系聚氨酯组织粘合剂，与实施例1的粘合剂相比，最终产生了更硬、更大强度的密封体。在此过程中，将0.6克葡萄糖(3mmol，-OH 15mmol)加入干躁的圆底烧瓶中的5ml PEG 200(28.18mmol，-OH 56.35mmol)中，用氮气吹扫并在50℃下加热，制得透明溶液。然后，加入7ml LDI(d 1.157，FW 226，35.83mmol，-NCO 71.67mmol)，给烧瓶安装橡胶隔片并密封。将反应混合物在50℃下搅拌48hr，得到粘性溶液。将胶粘物在室温下保存在氮气中，直到使用。使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上，当两块组织压在一起时，1-2分钟后相互牢固粘合。
实施例3
实施例3表明当反应混合物中的葡萄糖部分增加时，闭合伤口所需的时间更短，粘合强度增大，最终的材料更硬。在此研究中，将1.8克葡萄糖(10mmol，-OH 50mmol)加入干躁的圆底烧瓶中的5ml PEG 200(28.18mmol，-OH 56.35mmol)中，用氮气吹扫并在50℃下加热，制得透明溶液。然后，加入10ml LDI(d 1.157，FW 226，51.19mmol，-NCO 102.02mmol)。给烧瓶安装橡胶隔片并密封。在50℃下搅拌反应混合物48hr，得到粘性溶液。将该胶粘物在室温下保存在氮气中，直到使用。使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上，当两块组织压在一起时，约1分钟后相互牢固粘合。
实施例4
在此研究中，总的来说使用实施例3的步骤，除了用PEG 400代替PEG200。在此研究中，将1.8克葡萄糖(10mmol，-OH 50mmol)加入干躁的圆底烧瓶中的10ml PEG 400(28.18mmol，-OH 56.35mmol)中，用氮气吹扫并在50℃下加热，制得透明溶液。然后，加入10ml LDI(d 1.157，FW 226，51.19mmol，-NCO 102.39mmol)，给烧瓶安装橡胶隔片并密封。将反应混合物在50℃下搅拌48hr，得到粘性溶液。将该胶粘物在室温下保存在氮气中，直到使用。使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上，当两块组织压在一起时，约1分钟后相互牢固粘合。
实施例5
在此研究中，使用赖氨酸三-异氰酸酯代替赖氨酸二-异氰酸酯。赖氨酸三-异氰酸酯可以购得，或通过如下过程合成：(a)通过使用多种碳二亚胺的任意一种使乙二胺(大大过量)偶联到赖氨酸上产生赖氨酸的氨基酰胺衍生物，然后(b)光气化。当LTI(赖氨酸三-异氰酸酯)代替LDI与葡萄糖和PEG反应时，材料的启粘时间更短(仅30秒)，粘合强度更大。在此实施例的研究中，将0.6克葡萄糖(3.33mmol，-OH 16.67mmol)加入干躁的圆底烧瓶中的5ml PEG 200(28.18mmol，-OH 56.35mmol)中，用氮气吹扫并在50℃下加热，制得透明溶液。然后，加入5ml LTI(d 1.231，FW 267.25，23.05mmol，-NCO 69.15mmol)，给烧瓶安装橡胶隔片并密封。将反应混合物在50℃下搅拌48hr，得到粘性溶液。将所述溶液在室温下保存在氮气中，直到使用。使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上，当两块组织压在一起时，30秒后相互牢固粘合。
实施例6
在此实施例中，通常使用实施例5的步骤，除了用PEG 400(代替PEG 200)与LTI反应。在此研究中，材料的启粘时间与LTI-葡萄糖-PEG 200相同。这里，将0.229克葡萄糖(1.27mmol，-OH 6.36mmol)加入干躁的圆底烧瓶中的5ml PEG 400(14.1mmol，-OH 28.2mmol)中，用氮气吹扫并在50℃下加热，制得透明溶液。然后加入2.5ml LTI(d 1.231，FW 267.25，11.52mmol，-NCO 34.55mmol)，给烧瓶安装橡胶隔片并密封。将反应混合物在50℃下搅拌48hr，得到粘性溶液。将粘性溶液在室温下保存在氮气中，直到使用。使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上，当两块组织压在一起时，30秒后相互牢固粘合。
实施例7
在此实施例中，制备两种前体溶液，然后在涂覆到潮湿组织之前混合。溶液A由2.15g PEG 200(10.75mmol，-OH 21.5mmol)和4.4ml LDI(d 1.157，FW 226，22.53mmol，-NCO 45.05mmol)反应48hr后制得。溶液B由4.2g PEG200(21mmol，-OH 42mmol)和2.2ml LDI(11.26mmol-NCO 22.52mmol)反应48hr后制得。由于溶液A在反应混合物中具有过量的LDI，溶液B在反应混合物中具有过量的PEG 200，因此A和B溶液都能长时间贮存。充分混合相同体积的每一种溶液，以用作胶粘物。一旦A和B溶液彻底混合(1∶1体积比)，就将粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上。当两块组织压在一起时，2分钟后相互牢固粘合。
实施例8
在此实施例中，再次制备两种前体溶液，然后在涂覆到潮湿组织之前混合。溶液A由4g PEG 400(10mmol，-OH 20mmol)和4ml LDI(d 1.157，FW 226，20.48mmol，-NCO 40.96mmol)反应48hr后制得。溶液B由8g PEG 400(20mmol，-OH 40mmol)和2ml LDI(10.23mmol-NCO 20.48mmol)反应48hr后制得。由于溶液A在反应混合物中具有过量的LDI，溶液B在反应混合物中具有过量的PEG 400，因此溶液A和B都能长时间贮存。充分混合相同体积的每一种溶液，以用作胶粘物。一旦A和B溶液彻底混合(1∶1体积比)，就使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上。当两块组织压在一起时，2分钟后相互牢固粘合。
实施例9
在此实施例中，再次制备两种前体溶液，然后在涂覆到潮湿组织之前混合。溶液A由0.9g葡萄糖(5mmol，25mmol-OH)和5ml PEG 200(28.18mmol，-OH56.35mmol，总-OH 81.35mmol)和16ml LDI(d 1.157，FW 226，81.9mmol，-NCO 163.82mmol)反应48hr后制得。溶液B由10ml PEG 200(56.35mmol，-OH 112.7mmol，总-OH 162.7mmol)中的1.8g葡萄糖(10mmol，-OH 50mmol)和8ml LDI(40.96mmol，-NCO 81.91mmol)反应48hr后制得。由于溶液A在反应混合物中具有过量的-NCO，溶液B在反应混合物中具有过量的-OH，因此溶液A和B都能长时间贮存。充分混合相同体积的每一种溶液，以用作皮肤胶粘物。一旦A和B溶液彻底混合(1∶1体积比)，就使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上。当两块组织压在一起时，约2分钟后相互牢固粘合。
实施例10
在此实施例中，明胶与本发明的LDI-聚氨酯粘合剂一起使用。与使用LDI系聚氨酯粘合剂而没有使用明胶时相比，启粘时间或固化时间更短。在此研究中，将100μl 0.1％的明胶(A型：从猪皮得到，300bloom，Sigma Co.)与0.5ml实施例1的LDI系聚氨酯混合。使粘性液体铺展在两块潮湿组织的每一块上，当两块组织压在一起时，约10-30秒后相互牢固粘合。
上述说明书和附图阐明了目前本发明优选的实施方案。当然，本领域所属技术人员显然可以根据上述教导在本发明的范围内做出各种修改、添加和替代。本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明书表明。落入权利要求等同含义和范围内的所有变化和修改也包括在其范围内。