(57)【要約】  軟骨（例えば、耐荷重性のある関節軟骨）の修復および置換のための人工軟骨材料である。本明細書に記載の人工軟骨材料は、架橋された繊維ネットワーク（例えば、バクテリアセルロースナノファイバーネットワーク）と、ダブルネットワークハイドロゲル（例えば、ポルファクリルアミド−メチルプロピルスルホン酸を含むダブルネットワークハイドロゲル）とを含む、トリプルネットワークハイドロゲルを含む。人工軟骨は、インプラント（例えば、プラグ）上にコーティングされてもよいし、インプラントに形成されてもよい。人工軟骨は、表面マクロポレーション、例えば直径０．１〜３００マイクロメートルを含んでもよい。また、本明細書には、トリプルネットワークハイドロゲル人工軟骨材料を形成する方法および使用する方法も記載されている。
2021502140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トリプルネットワークハイドロゲルを含む人工軟骨材料であって、
前記トリプルネットワークハイドロゲルが、
５ＭＰａより大きい引張強さと８ＭＰａより大きい引張弾性率を有する架橋セルロースナノファイバーネットワーク；および
１４ＭＰａより大きい圧縮強度を有するダブルネットワークハイドロゲルを含み、
前記架橋ナノファイバーネットワークが、前記トリプルネットワークハイドロゲルの２〜２５重量％の間である、
人工軟骨材料。
【請求項２】
直径０．１〜３００マイクロメートルの間の空隙率を有する外側領域をさらに含む、請求項１に記載の人工軟骨材料。
【請求項３】
前記外側領域が、０．１から２．５ｍｍの間の厚さを有する、請求項２に記載の人工軟骨材料。
【請求項４】
ヒドロキシアパタイト（ＨＡ）およびインスリン様成長因子Ｉ（ＩＧＦ）のうちの１種以上の前記外側領域のコーティングをさらに含む、請求項２に記載の人工軟骨材料。
【請求項５】
前記架橋セルロースナノファイバーネットワークが、８ＭＰａより大きい引張弾性率を有するバクテリアセルロースを含む、請求項１に記載の人工軟骨材料。
【請求項６】
前記トリプルネットワークハイドロゲルが、４〜１０ＭＰａの間の引張強度、８〜２５ＭＰａの間の引張弾性率、１４〜６０ＭＰａの間の圧縮強度、および８〜２２ＭＰａの間の圧縮弾性率を有する、請求項１に記載の人工軟骨材料。
【請求項７】
前記トリプルネットワークハイドロゲルが、１ｍｍ／秒で０．１未満の摩擦係数を有する、請求項１に記載の人工軟骨材料。
【請求項８】
前記ダブルネットワークハイドロゲルが、ポリファクリルアミド−メチルプロピルスルホン酸（ＰＡＭＰＳ）を含む、請求項１に記載の人工軟骨材料。
【請求項９】
前記ダブルネットワークハイドロゲルが、ポリアクリルアミド−メチルプロピルスルホン酸（ＰＡＭＰＳ）と、ポリアクリルアミド（ＰＡＡｍ）およびポリ−（Ｎ，Ｎ’−ジメチルアクリルアミド）（ＰＤＭＡＡｍ）のうちの１種以上とを含む、請求項１に記載の人工軟骨材料。
【請求項１０】
トリプルネットワークハイドロゲルのプラグを形成する本体である、請求項１に記載の人工軟骨材料。
【請求項１１】
トリプルネットワークハイドロゲルを含む人工軟骨材料であって、
前記トリプルネットワークハイドロゲルが、
５ＭＰａより大きい引張強さと８ＭＰａより大きい引張弾性率を有する架橋バクテリアセルロースナノファイバーネットワーク；および
ポリファクリルアミド−メチルプロピルスルホン酸を含むものであって、１４ＭＰａより大きい圧縮強度を有する、負に帯電したダブルネットワークハイドロゲルを含み、
前記架橋ナノファイバーネットワークが、前記トリプルネットワークハイドロゲルの２〜２５重量％の間である、
人工軟骨材料。
【請求項１２】
直径０．１〜３００マイクロメートルの間の空隙率を有する外側領域をさらに含む、請求項１１に記載の人工軟骨材料。
【請求項１３】
前記外側領域が、０．１から２．５ｍｍの間の厚さを有する、請求項１２に記載の人工軟骨材料。
【請求項１４】
ヒドロキシアパタイト（ＨＡ）およびインスリン様成長因子Ｉ（ＩＧＦ）のうちの１種以上の前記外側領域のコーティングをさらに含む、請求項１２に記載の人工軟骨材料。
【請求項１５】
前記トリプルネットワークハイドロゲルが、４〜１０ＭＰａの間の引張強度、８〜２５ＭＰａの間の引張弾性率、１４〜６０ＭＰａの間の圧縮強度、および８〜２２ＭＰａの間の圧縮弾性率を有する、請求項１１に記載の人工軟骨材料。
【請求項１６】
前記トリプルネットワークハイドロゲルが、１ｍｍ／秒で０．１未満の摩擦係数を有する、請求項１１に記載の人工軟骨材料。
【請求項１７】
前記ダブルネットワークハイドロゲルが、ポリアクリルアミド−メチルプロピルスルホン酸（ＰＡＭＰＳ）と、ポリアクリルアミド（ＰＡＡｍ）およびポリ−（Ｎ，Ｎ’−ジメチルアクリルアミド）（ＰＤＭＡＡｍ）のうちの１種以上とを含む、請求項１１に記載の人工軟骨材料。
【請求項１８】
トリプルネットワークハイドロゲルのプラグを形成する本体である、請求項１１に記載の人工軟骨材料。
【請求項１９】
トリプルネットワークハイドロゲルを含む人工軟骨材料であって、
前記トリプルネットワークハイドロゲルが、
５ＭＰａより大きい引張強さを有する架橋ナノファイバーネットワーク；および
１４ＭＰａより大きい圧縮強度を有するダブルネットワークハイドロゲルを含み、
前記架橋ナノファイバーネットワークが、前記トリプルネットワークハイドロゲルの２〜２５重量％の間である、
人工軟骨材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本特許出願は、２０１７年１１月７日に出願された米国特許仮出願第６２／５８２，５０５号（「調整可能な超長繊維ハイドロゲル及びその製造方法及び使用方法」）、及び２０１８年７月１８日に出願された米国特許仮出願第６２／６９９，９９１号（「軟骨修復のための装置及びその製造方法及び使用方法」）に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】
参照による引用
本明細書に記載されている全ての刊行物および特許出願は、それぞれの個々の刊行物又は特許出願が参照によって引用されることが具体的かつ個別に示されている場合と同様に、その全体が、参照により引用される。
【０００３】
本開示は、一般に、軟骨の修復に適したトリプルネットワークハイドロゲルインプラントに関するものであり、特に、トリプルネットワークハイドロゲル関節インプラント、およびそれに関連する様々なツール、装置、システム、及び方法を含むものに関する。
【背景技術】
【０００４】
関節軟骨病変は内在性の治癒能力が限られており、関節痛や慢性的な障害を伴うことが多い。骨髄刺激、軟骨細胞移植、および骨軟骨移植を含む軟骨修復のための現在の方法は、失敗率が高く（例えば、１０年で−５０％）、リハビリ期間が長く（例えば、１２〜１８ヶ月）、さらには非常に高額になる可能性がある。最近承認された外反母趾の関節炎治療のための細胞性ハイドロゲルインプラントは、回復時間を６ヶ月から６週間に短縮することができるが、現在のハイドロゲルは、膝や他の負荷のかかる部位の軟骨置換として機能するのに十分な強度を有していない。即効性のある臨床的利益を提供し、即効性のある負荷支持を可能にし、回復時間が短く、かつ、硝子軟骨の機械的特性を１０年以上にわたり完全に代替でき、かつ失敗率が低い（１０％未満）、軟骨の置換材料および修復方法が必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
概略的に、本明細書に記載されているのは、軟骨の修復および置換のための（および特に荷重に耐える関節軟骨のための）、人工軟骨材料である。本明細書に記載される人工軟骨材料は、典型的には、架橋された繊維ネットワーク（例えば、バクテリアセルロースナノファイバーネットワーク）を有するトリプルネットワークハイドロゲル（三重網状ハイドロゲル）と、ダブルネットワークハイドロゲル（二重網状ハイドロゲル）（例えば、ダブルハイドロゲルネットワークの一方または両方のネットワークに、ポルファクリルアミド−メチルプロピルスルホン酸またはＰＡＭＰＳを含むダブルネットワークハイドロゲル）とを含む。人工軟骨は、インプラント（例えば、プラグ）上にコーティングされてもよいし、インプラントに形成されてもよい。人工軟骨は、例えば直径０．１〜３００マイクロメートルの表面マクロポロシティ（表面マクロ孔）を含むように構成されていてもよい。
【０００７】
本明細書に記載の人工軟骨材料は、トリプルネットワークハイドロゲルを含んでもよく、このトリプルネットワークハイドロゲルは、：５ＭＰａ以上の引張強度を有する架橋ナノファイバーネットワーク；および１４ＭＰａ以上の圧縮強度を有するダブルネットワークハイドロゲル、を含んでもよく、ここで、架橋ナノファイバーネットワークは、トリプルネットワークハイドロゲルの２〜２５重量％である。
【０００８】
例えば、人工軟骨材料は、トリプルネットワークハイドロゲルを含んでいてもよく、このトリプルネットワークハイドロゲルは、：５ＭＰａを超える引張強度および８ＭＰａを超える引張弾性率を有する架橋セルロースナノファイバーネットワーク；および１４ＭＰａを超える圧縮強度を有するダブルネットワークハイドロゲル、を含んでもよく、ここで、架橋ナノファイバーネットワークは、トリプルネットワークハイドロゲルの２〜２５重量％である。
【０００９】
例えば、人工軟骨材料は、トリプルネットワークハイドロゲルを含んでいてもよく、このトリプルネットワークハイドロゲルは、：５ＭＰａを超える引張強度および８ＭＰａを超える引張弾性率を有する架橋バクテリアセルロースナノファイバーネットワーク；およびポリファクリルアミド−メチルプロピルスルホン酸を含み、１４ＭＰａを超える圧縮強度を有する、負に帯電したダブルネットワークハイドロゲルを含んでいてもよく、ここで、架橋ナノファイバーネットワークは、トリプルネットワークハイドロゲルの２〜２５重量％である。
【００１０】
本明細書に記載の人工軟骨材料のいずれかは、例えば、少なくとも外側領域が直径０．１〜３００マイクロメートルの間の空隙率を有する形状をさらに含んでもよい。この外側領域は、０．１から２．５ｍｍの間の厚さを有してもよい。この人工軟骨材料はまた、ヒドロキシアパタイト（ＨＡ）およびインスリン様成長因子Ｉ（ＩＧＦ）のうちの１つ以上の外側領域のコーティングのような、イングロースを増加させるためのコーティングを含む、１つ以上のコーティングを含んでいてもよい。
【００１１】
いくつかの変形例では、トリプルネットワークハイドロゲルの架橋セルロースナノファイバーネットワークは、８ＭＰａを超える引張弾性率を有するバクテリアセルロース（ＢＣ）を含む。このバクテリアセルロースは、単独で、または１つ以上の追加材料と組み合わせて、使用することができる。
【００１２】
本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲルは、４〜１０ＭＰａの間の引張強度、８〜２５ＭＰａの間の引張弾性率、２０〜６０ＭＰａの間の圧縮強度、および８〜２２ＭＰａの間の圧縮弾性率を有するように構成されてもよい。いくつかの変形例では、トリプルネットワークハイドロゲルは、１ｍｍ／秒で０．１未満の摩擦係数を有する。
【００１３】
人工軟骨材料のダブルネットワークハイドロゲル成分は、ダブルネットワークの引張強度が例えば５ＭＰａより低い場合でも、所望の圧縮強度を有する任意のダブルネットワークハイドロゲルであってもよい。特に、本明細書に記載された任意のダブルネットワークハイドロゲルは（ダブルネットワークハイドロゲルの一方のネットワークまたは両方のネットワークにおいて）、ポルファクリルアミド−メチルプロピルスルホン酸（例えば、ポリ−（２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸）またはＰＡＭＰＳ）を含んでいてもよい。いくつかの変形例では、ダブルネットワークハイドロゲルは、ポリファクリルアミド−メチルプロピルスルホン酸（ＰＡＭＰＳ）、およびポリアクリルアミド（ＰＡＡｍ）とポリ−（Ｎ，Ｎ’−ジメチルアクリルアミド）（ＰＤＭＡｍ）の内の１つ以上を含む。
【００１４】
本明細書に記載の人工軟骨材料は、関節を再構築するため、および／またはインプラントを覆うために使用することができる。したがって、人工軟骨材料は、所望の任意の形状またはサイズに形成することができる。特に、人工軟骨材料は、トリプルネットワークハイドロゲルの、プラグ、円盤、マッシュルーム形状、円柱などに形成してもよい。
【００１５】
上述したように、本明細書に記載された人工軟骨材料のいずれか、または当該材料の少なくとも外側表面は、当該材料に複数の気孔（細孔）を形成するように処理されていてもよい。例えば、人工軟骨材料は、直径０．１〜３００マイクロメートルの間の空隙率を有する外側領域を含んでもよい。気孔は、トリプルネットワークハイドロゲルの全部または一部（例えば、トリプルネットワークハイドロゲルの外側領域）が形成される際に、トリプルネットワークハイドロゲルの全部または一部に溶解可能な材料を含めており、この材料を溶解して気孔を残すことによって、形成されてもよい。このようにして、気孔の密度は、気孔の位置と同様に、制御され得る。いくつかの変形例では、インプラントは、任意の気孔を含んでおり、または気孔内に排他的に、組織の成長を助ける材料、例えば、ヒドロキシアパタイト（ＨＡ）およびインスリン様成長因子Ｉ（ＩＧＦ）のうちの１つまたは複数を含んでもよい。
【００１６】
一例として、本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲルは、ＢＣ重量％が約５％から約１５％（例えば、約８％、約９％、約１０％、約１１％、約１２％等）の間に存在する、ＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍのトリプルネットワークハイドロゲルのような材料で形成されてもよい。
【００１７】
また、本明細書には、人工軟骨材料のいずれかを用いて患者を治療する方法であって、例えば、再表面化を含む、軟骨の修復または置換を行う方法が記載されている。本明細書に記載のいずれかのトリプルネットワークハイドロゲルを用いて被験体の軟骨を修復または置換する方法は、本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲルの少なくとも一部で形成された本体を移植（インプラント）または挿入することを含んでもよい。いくつかの変形例では、本体は、患者の組織に接着剤で固定されてもよい。代替的または追加的に、本体は、ねじ、ステープル、縫合糸などの固定装置によって固定されてもよい。例えば、本体は、トリプルネットワークハイドロゲルが付着された（コーティングされた、カプセル化された、貼付された、など）金属および／または高分子材料で形成されてもよく、本体は、ねじ、ピン、ステープル、縫合糸などを介して骨および／またはカートリッジに固定されてもよい。これらの方法のいずれかは、任意に、例えば、組織を除去することおよび／または受容領域を形成することによって、本体領域（例えば、骨、既存の軟骨など）を準備することを含んでもよい。
【００１８】
これらの方法のいずれかは、膝、手首、足首、肩、脊椎、股関節などのような、負荷に耐える関節の軟骨を修復または置換することによって、患者を治療するために使用されてもよい。代替的に、これらの方法のいずれかは、身体の非耐荷重領域（例えば、足指、指など）を修復するために使用されてもよい。
【００１９】
また、本明細書には、トリプルネットワークハイドロゲル人工軟骨材料を形成する方法およびその使用方法も記載されている。例えば、トリプルネットワークハイドロゲルを形成する方法は、最初に、バクテリアセルロース（ＢＣ）、またはいくつかの変形例ではバクテリアセルロースとポリアクリルアミド（ＢＣ−ＰＡＡｍ）のネットワークのような、ナノファイバーの架橋ネットワークを形成し、次に、架橋ネットワークにダブルネットワークハイドロゲルを添加することを含むことができる。
【００２０】
例えば、トリプルネットワークハイドロゲルを、ダブルネットワークハイドロゲルの第１のハイドロゲルネットワークの成分に、ナノファイバーのネットワーク（例えば、バクテリアセルロースであり、バクテリアセルロースで形成された本体、シート、プラグなど）を含浸させることにより形成してもよい。例えば、ナノファイバーは、所望の量のモノマー、架橋剤および活性化剤の溶液（例えば、ＡＭＰＳ、ＭＢＡＡおよびＩ２９５９）に浸漬期間（例えば、一晩）浸漬し、所望の形状（例えば、成形品など）に成形した後、例えば、ＵＶ硬化により硬化させてもよく、これによりナノファイバーが架橋され、および／または第１のハイドロゲルネットワークが形成されてもよい。硬化後、第１のハイドロゲルネットワークと架橋されたネットワークは、次に、第２のネットワークを形成するための材料、例えば、モノマー、架橋剤および活性化剤（例えば、アクリルアミド、ＭＢＡＡおよびＩ２９５９）で含浸させ、そして再び硬化させて（例えば、ＵＶ光を介して）、第２のハイドロゲルネットワークを形成し、すなわちトリプルネットワークハイドロゲルを形成してもよい。
【００２１】
上述したように、いくつかの変形例では、気孔は、材料、つまり、材料全体または材料の領域のいずれか、に追加されてもよい。例えば、所定のサイズおよび／または密度の気孔は、トリプルネットワークハイドロゲルまたはトリプルネットワークハイドロゲルの領域（例えば、外側領域）に、溶解可能な材料を添加することによって、に形成されてもよい。いくつかの変形例では、トリプルネットワークハイドロゲルの第２の層がコア上に形成されてもよく、孔形成材料（例えば、炭酸カルシウム砂粒子）が固体ハイドロゲルコアの周囲に形成されてもよい。その後、溶解性物質を溶媒により溶解して（例えば、炭酸カルシウムを塩酸に溶解してもよい）、多孔質ゲル表面を得てもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明の新規な特徴は、特に以下の特許請求の範囲に記載されている。本発明の特徴および効果は、本発明の原理が利用されている例示的な実施形態を示す以下の詳細な説明と、添付の図面を参照することにより、一層理解されるであろう。
【００２３】
【図１】図１は、関節軟骨の機械的特性、軟骨の修復に使用するためのトリプルネットワークハイドロゲルの一例、および使用され得る様々な可能性のある成分（例えば、架橋された繊維ネットワークおよび／またはダブルネットワークハイドロゲル）を図示し、比較する表である。
【図２Ａ】図２Ａは、異なる濃度のＢＤ（例えば、１．７重量％ＢＣおよび６重量％ＢＣ）を有するトリプルネットワークハイドロゲル（ＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＤＭＡＡｍハイドロゲル）の圧縮応力−ひずみ曲線を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、異なる濃度のＢＤ（例えば、１．７重量％ＢＣおよび６重量％ＢＣ）を有するトリプルネットワークハイドロゲル（ＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＤＭＡＭＡｍハイドロゲル）の引張応力−ひずみ曲線を示す図である。
【図３】図３は、軟骨のような材料（または人工軟骨として使用され得る多くのトリプルネットワークハイドロゲル）の見掛けのひずみ曲線を示すグラフである。
【図４Ａ】図４Ａは、異なる濃度のＢＣを有するＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍハイドロゲルの引張応力−ひずみ曲線を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、異なる濃度のＣＮＦを有するＣＮＦ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍの引張応力−ひずみ曲線を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、異なる濃度のＢＣを有するＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍハイドロゲルの圧縮応力−ひずみ曲線を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、異なる濃度のＣＮＦを有するＣＮＦ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍの圧縮応力−ひずみ曲線を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、架橋繊維ネットワークがＢＣ型またはＣＮＦ型のいずれかのセルロースである種々のトリプルネットワークハイドロゲルの１０％ひずみにおける、引張強度およびヤング率についてのセルロースの種類および濃度の比較を示す表（表２）である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、架橋繊維ネットワークがＢＣ型またはＣＮＦ型のいずれかのセルロースである種々のトリプルネットワークハイドロゲルの２５％ひずみにおける、圧縮強度およびヤング率についてのセルロースの種類および濃度の比較を示す表（表３）である。
【図７Ａ】図７Ａは、軟骨と、本明細書に記載されているトリプルネットワークハイドロゲルで形成された合成軟骨の摩擦係数を示すグラフである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、ネイティブ軟骨と例示的なトリプルネットワークハイドロゲル（例えば、ＢＣ−ＰＣＡＭＰＳ−ＰＡＡｍ）の摩擦係数を比較する表（表４）である。
【図８】図８Ａ〜８Ｄは、トリプルネットワークハイドロゲルを被験体の組織に付着させる１つの方法を示す図である。
【図９】図９は、例示的なトリプルネットワークハイドロゲル（例えば、ＢＣ−ＰＣＡＭＰＳ−ＰＡＡｍ）の機械的パラメータを調整するために範囲内で変更され得るパラメータを示す表（表５）である。
【図１０】図１０は、本明細書に記載されたトリプルネットワークハイドロゲルのいずれかにおいて変更され得るパラメータ（表面多孔質厚さ、表面コーティングの種類、例えば、ＨＡ、ＩＧＦ）の例を示す表（表６）である。
【図１１】図１１Ａ〜１１Ｄは、マクロポーラス（微多孔質）表面（およびマイクロポーラスである内部多孔質）を含むトリプルネットワークハイドロゲルの一例を示す図である。図１１Ａは、多孔質の外表面を有するインプラントを示し、図１１Ｂでは、液体材料（例えば、血液）が外表面と接触して添加されており、図１１Ｃでは、前記液体材料が外表面の気孔を通って滲み出ている様子が示されており、図１１Ｄでは、内側のマイクロポーラス領域が血液によって有意に浸潤していないことが示されている。
【図１２】図１２Ａ〜１２Ｃは、軟骨を修復するためにトリプルネットワークハイドロゲルを使用する方法の一例を示す図である。図１２Ａでは、骨の領域は、軟骨（および／または図示の通り骨および軟骨）の欠損領域を含む。この欠損領域は、外科的に作成されてもよいし、例えば骨の改変された欠損から、改変されてもよい。図１２Ｂに示すように、欠損を埋めるために、トリプルネットワークハイドロゲルが添加されてもよい。図１２Ｃは、トリプルネットワークハイドロゲルが多孔質の外側領域（縮尺または代表密度が示されていない気孔）を含む例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本明細書に記載された、それらを含む方法、材料および装置（インプラントを含む）は、概略的に、トリプルネットワークハイドロゲルに関するものであり、特に、約５ＭＰａを超える引張強度および約５ＭＰａを超える（例えば、約５〜２５ＭＰａの間の）引張弾性率を有する架橋繊維（例えば、ナノファイバー）ネットワークを含み、約２４ＭＰａを超える圧縮強度および約１０〜２０ＭＰａを超える圧縮弾性率を有するダブルネットワークハイドロゲルと組み合わされた、トリプルネットワークハイドロゲルに関する。架橋繊維ネットワークとダブルネットワークハイドロゲルとの組み合わせは、トリプルネットワークハイドロゲル材料である。これらの材料および方法は、軟骨と実質的に同じタイムゼロ（time-zero）の機械的特性（または優れた特性）を有し、組織の成長および統合のための能力を有する可能性がある、調整可能な超強力ハイドロゲルを、部分的に提供することができる。
【００２５】
これらのトリプルネットワークハイドロゲル組成物は、例えば、人間の関節の高負荷に耐えるために必要とされる機械的強度を満たす関節軟骨置換用途など、それが必要な被験体の治療に使用され得る。本明細書で提供されるトリプルネットワークハイドロゲルは、軟骨、筋肉、乳房組織、椎間板の髄核、他の軟質組織、一般に関節内のクッションとして機能する関節器具などの、任意の組織を増強または置換するために体内で使用することができる。
【００２６】
本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲル組成物は、以下のものから構成されていてもよいし、本質的に以下のものから構成されていてもよい：（ｉ）架橋繊維ネットワーク；および（ｉｉ）約２０より大きい（例えば、約２２より大きい、約２３より大きい、約２４より大きい、約２５より大きい、約２０と６０の間、約２２と５５の間、約２３と５０の間、約２４と４６の間など）圧縮強度、および約８ＭＰａより大きい（例えば、約９ＭＰａより大きい、約１０ＭＰａより大きい、約８〜２５ＭＰａの間、約９〜２２ＭＰａの間、約１０〜２０ＭＰａの間など）圧縮弾性率を有する、ダブルネットワークハイドロゲル。このダブルネットワークハイドロゲルは、負に帯電していてもよい。
【００２７】
本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲル組成物を形成する架橋繊維ネットワークおよびダブルネットワークハイドロゲルは、それらの機械的特性に基づいて選択することができる。所定の機械的特性を有する任意の適切なダブルネットワークハイドロゲルおよび／または架橋繊維ネットワークを使用することができる。例えば、本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲル組成物は、（ｉ）約５ＭＰａより大きい引張弾性率（例えば、約８ＭＰａより大きい、約８．２ＭＰａより大きい、約８．４ＭＰａより大きい、約５ＭＰａと約２５ＭＰａの間、約８ＭＰａと約３０ＭＰａの間、約８ＭＰａと約２５ＭＰａの間、約８．４ＭＰａと約２３ＭＰａの間など）、および約５ＭＰａより大きい引張強度（例えば、約４ＭＰａより大きい、約５ＭＰａより大きい、約５．２ＭＰａより大きい、約４〜２０ＭＰａの間、約４．５〜１０ＭＰａの間、約５〜９ＭＰａの間など）を有する、架橋された繊維ネットワーク、および（ｉｉ）約１３ＭＰａより大きい圧縮強度（例えば、約１４ＭＰａより大きい、約２０ＭＰａより大きい、約２２ＭＰａより大きい、約２３ＭＰａより大きい、約２４ＭＰａより大きい、約２５ＭＰａより大きい、約１３〜６５ＭＰａの間、約１４〜５９ＭＰａの間、約２０〜６０ＭＰａの間、約２２〜５５ＭＰａの間、約２３〜５０ＭＰａの間、約２４〜４６ＭＰａの間、等）を有するダブルネットワークハイドロゲル（例えば、負に帯電したダブルネットワークハイドロゲル）を、含んでおり、これらから構成されており、あるいはこれらから本質的に構成されていてもよい。いくつかの変形例おいて、ダブルネットワークハイドロゲルは、約８ＭＰａより大きい（例えば、約９ＭＰａより大きい、約１０ＭＰａより大きい、約８〜約２５ＭＰａの間、約９〜約２２ＭＰａの間、約１０〜約２０ＭＰａの間など）の圧縮弾性率（例えば、平衡弾性率）を有していてもよい。
【００２８】
架橋された繊維ネットワークおよびダブルネットワークハイドロゲルは、任意の適当なパーセンテージ（例えば、重量％）でトリプル架橋ネットワークに含まれていてもよい。例えば、トリプル架橋ネットワークは、架橋された繊維ネットワークおよびダブルネットワークハイドロゲルを、約２〜２０重量％（例えば、約２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％などと、約１５％、１６％、１７％、１８％、１９％、２０％、２１％、２２％、２３％、２４％、２５％などとの間）の間の重量％で含んでもよく、これらは７５〜９８重量％の間で含まれてもよい。最終的なパーセンテージは、構成要素（例えば、特定のダブルネットワークハイドロゲルおよび／または架橋繊維ネットワーク）、身体領域、患者、および／またはインプラントによって置換される軟骨に、特異的に調整されてもよい。
【００２９】
本明細書に記載の架橋繊維ネットワークは、任意の適切な架橋繊維ネットワークであってよい。架橋繊維ネットワークは生体適合性があり、共有結合的にまたは水素結合を介して架橋されていてもよい。いくつかの変形例では、架橋ファイバネットワークは、架橋ナノファイバーである。架橋されたネットワークの１つの非限定的な例は、架橋されたナノファイバーセルロースネットワークである。繊維ネットワークは、例えば、バクテリアセルロース（ＢＣ）、またはいくつかの変形例では、バクテリアセルロースとポリアクリルアミド（ＢＣ−ＰＡＡｍ）のネットワークであってもよい。例えば、ＢＣ−ＰＡＡｍの引張強度は、５ＭＰａより大きくてもよく（例えば、３０〜５０ＭＰａの間、または約４０ＭＰａの間）、引張弾性率は、５ＭＰａより大きくてもよい（例えば、最大１００〜１２０ＭＰａの間）。引張強度および引張弾性率は、少なくとも部分的には、バクテリアセルロースの密度に依存してもよい。ＢＣ−ＰＡＡｍの圧縮強度は、比較的弱い（例えば、約５．１ＭＰａ）。ＢＣ−ＰＡＡｍに加えて、他の架橋繊維ネットワークを、代わりに（またはそれに加えて）、使用してもよい。例えば、他の架橋繊維ネットワークは、電気紡績ポリ（ビニルアルコール）繊維、アラミドナノファイバー（例えば、アラミド−ＰＶＡナノファイバー）、湿式紡績シルクタンパク質繊維、化学的に架橋されたセルロースナノファイバー、ポリカプロラクトン繊維（例えば、３次元織物ＰＣＬ繊維）、電気紡績ゼラチンナノファイバーなどを含んでよく、これらのいずれかは、引張強度が所望の範囲内（例えば、５ＭＰａより大きく、引張弾性率が８ＭＰａより大きい、など）になるように調整されてもよい。
【００３０】
本明細書に記載されたトリプルネットワークハイドロゲルの一部として使用されるダブルネットワークハイドロゲルは、任意の適切なダブルネットワークハイドロゲルであってよく、特に所望の機械的特性（例えば、圧縮強度）を有するものであってよい。一般に、ダブルネットワークハイドロゲルは生体適合性がある。ダブルネットワークハイドロゲルは、典型的には、非同一の特性を有する２つのネットワークを含む。例えば、第１のネットワークは、硬くおよび／または脆くすることができ、軟らかくおよび／または延性のある第２のネットワークと架橋（例えば、光架橋）することができる。次いで、マルチネットワークまたはデュアルネットワークハイドロゲルは、圧縮強度および弾性率を含む、複数の特性であって、個々のネットワーク単独のものとは非同一の特性を有するものであってもよい。例えば、第１のネットワーク単独では耐荷重インプラントとして使用するには脆すぎるかもしれず、第２のネットワークは軟らかすぎるかもしれないが、２つのネットワークを組み合わせて本発明のハイドロゲルを形成すると、必要とされる構造的、機械的、および生物学的特性を有するものであってもよい。例えば、ダブルネットワークハイドロゲルは、本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲルの一部として使用するのに適した望ましい機械的特性を有する内部構造を有することができる。ダブルネットワークハイドロゲルの正確な機械的特性は、第一のネットワークのポリマーと第二のネットワークのポリマーとの比率を変化させることによって、変化させることができる。代替的に、またはそれに加えて、架橋密度を変化させることができる。
【００３１】
例えば、ダブルネットワークハイドロゲルは、ポリ（２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸）（ＰＡＭＰＳ）ベースのダブルネットワークハイドロゲル、例えば、ＰＡＭＰＳとポリ（Ｎ，Ｎ’−ジメチルアクリルアミド）（ＰＤＭＡＡｍ）のダブルネットワークハイドロゲルであってもよい。ＰＡＭＰＳ−ＰＤＭＡＡｍダブルネットワークハイドロゲルは、特に架橋繊維ネットワーク（例えばＢＣ−ＰＡＡｍ）と組み合わせてトリプルネットワークハイドロゲルを形成する場合、優れた生体適合性と耐生分解性を有していてもよい。例えば、ＰＡＭＰＳ−ＰＤＭＡＡｍダブルネットワークハイドロゲルは、圧縮弾性率は、引張強度および引張弾性率と同様に、典型的には非常に低い（例えば、約０．３３ＭＰａ）が、圧縮強度は、約１４ＭＰａと同じまたはそれより大きい（例えば、約１５ＭＰａより大きい、約１８ＰＡより大きい、約２０ＭＰａより大きい、約２２ＭＰａより大きいなど）であってもよい。いくつかの変形例では、ダブルネットワークハイドロゲルは、それ自体が負に帯電していてもよく、またはそれを負に帯電させるための薬剤を含んでいてもよい。例えば、ＰＡＭＰＳ−ＰＤＭＡＡｍは、典型的には負の電荷密度（ｍＥｑ／ｍＬ）を有する。
【００３２】
適切な機械的特性（例えば、圧縮強度および／または電荷および／または摩擦係数および／または耐摩耗性）を有する他のダブルネットワークハイドロゲルを使用してもよい。これらは、１−ビニルイミダゾールとメタクリル酸との共重合により製造されたもの、両親媒性トリブロック共重合体に基づくダブルネットワークハイドロゲル、ポリアンプラントヒドロゲル、ＰＶＡ−タンニン酸ヒドロゲル、ポリ（Ｎ−アクリロイル）グリシンアミドヒドロゲル、ポリアクリル酸−アクリルアミド−Ｃ１８ヒドロゲル、グアニン−ボロン酸強化ＰＤＭＡＡ、ポリ電解質ヒドロゲル、ポリ（アクリロニトリル−ＣＯ−Ｌ−ビニルイミダゾール）ヒドロゲル（例えば、ミネラル化されたポリ（アクリロニトリル−ＣＯ−Ｌ−ビニルイミダゾール）ヒドロゲル）、ＰＡＭＰＳ／ＭＭＴクレー複合ヒドロゲル、ポリアクリル酸−Ｆｅ３＋キトサンヒドロゲル、ＰＭＡＡｃゲル、グラフェン酸化物／キソノライト強化ＰＡＡｍゲル、ポリ（メタクリル酸ステアリル）−ポリアクリル酸ゲル、アニーリングされたＰＶＡ−ＰＡＡハイドロゲル、マルチウレア連結セグメントコポリマーの超分子ハイドロゲル、ＰＡＮ−ＰＡＡｍハイドロゲル、マイクロシリカ強化ＤＭＡゲル、寒天−ＰＨＥＭＡゲル、を含む。
【００３３】
ハイドロゲルのための好適な材料の例は、関節軟骨および例示的なトリプルネットワークハイドロゲルの機械的特性を含む表を示すものであって、本明細書に記載されたトリプルネットワークハイドロゲルを形成するために使用される可能性のあるダブルネットワークハイドロゲルおよび架橋された繊維（例えば、ナノファイバー）のいくつかの特性をリストアップして提供する図１に、記載されている。図１において、リストされた材料は、ＰＡＭＰＳ（ポリファクリルアミド−メチルプロピルスルホン酸）；ＰＡＡｍ（ポリアクリルアミド）；ＰＡＡ（ポリアクリル酸）；ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）；ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）；ＣＴＡＢ（臭化セチルトリメチルアンモニウム）；ＰＮＩＰＡＭ（ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド））；ＰＤＡＡｍ（ポリジメチルアクリルアミド）；ＰＤＡＥＡ−Ｑ（ポリファクリロイルエチルトリメチルアンモニウムクロライド）；ＰＭＰＴＣ（ポリ（３−（メチルアクリロイルアミノ）プロピル−トリメチルアンモニウムクロライド）；ＰＮａＳＳ（ポリ（Ｐ-スチレンスチレンスルホン酸ナトリウム））；ＢＣ（バクテリアセルロース）；ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）；ｃ（コポリマー）；ＰＦＧＤＡ（ポリエチレングリコールジアクリレート）；ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）を含む。
【００３４】
本明細書に記載の組成物は、架橋された（例えば、ナノファイバー）ネットワークの優れた引張強度と、ＰＡＭＰＳ−ベースのハイドロゲルのようなダブルネットワークハイドロゲルの優れた圧縮強度とを組み合わせて、軟骨の引張強度および圧縮強度を有するハイドロゲルを作製してもよい。この結果、強力な架橋コラーゲンナノファイバーの大部分（例えば、最大２２％）と、負に帯電したマトリックスとからなる、軟骨の機械的特性および構造を模倣した、トリプルネットワークハイドロゲル材料が得られる。いくつかのそのようなトリプルネットワーク構造では、コラーゲンは、セルロースナノファイバーで置換され、負の電荷は、ＰＡＭＰＳダブルネットワークハイドロゲルから来る。特定の実施形態では、ハイドロゲルは、ＰＡＭＰＳ−ＰＤＭＡＡｍハイドロゲルを含む。例えば、図２Ａ〜２Ｂは、ＰＡＭＰＳ−ＰＤＭＡＡｍダブルネットワークハイドロゲルと架橋バクテリアセルロース（ＢＣ）ナノファイバーネットワーク（６重量％で）から形成されたトリプルネットワークハイドロゲルの機械的特性を図示しており、その結果、並外れた生体適合性と生分解に対する耐性を有する材料が得られる。
【００３５】
図１に示すように、例示的なトリプルネットワークハイドロゲル（例えば、ＰＡＭＰＳ−ＰＤＭＡＡｍダブルネットワークハイドロゲルおよび架橋バクテリアセルロース（ＢＣ）ナノファイバーネットワーク（６重量％で））の他に、架橋ナノファイバーネットワークおよびダブルネットワークハイドロゲルを含む構成要素は、それぞれ、軟骨の引張強度および圧縮強度の両方を欠いている。例えば、ナノクレイ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍハイドロゲルは、圧縮強度（例えば、９３ＭＰａ）は優れているが、引張弾性率および引張強度は比較的劣っている。一方、バクテリアセルロースとポリアクリルアミド（ＢＣ−ＰＡＡｍ）からなるダブルネットワークゲルは、ゲル中のバクテリアセルロースの密度に応じて、非常に高い引張強度（最大４０ＭＰａ）および弾性率（最大１１４ＭＰａ）を有するが、圧縮強度（例えば、５．１ＭＰａ）は比較的劣っている。
【００３６】
本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲルは、架橋された繊維（例えば、ナノファイバー）ネットワークの優れた引張強度と、ＰＡＭＰＳベースのハイドロゲルの優れた圧縮強度とを組み合わせて、軟骨の引張強度および圧縮強度を有するゲルを生み出す。このアプローチは、強力な架橋コラーゲンナノファイバーの大部分と負に帯電したマトリックスからなる軟骨の構造を模倣している。本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲル材料は、コラーゲンを、セルロースナノファイバー（例えば、バクテリアセルロース）などの別の架橋された繊維状ネットワークで置き換えてもよく、負の電荷は、ダブルネットワークハイドロゲル（例えば、ＰＡＭＰＳダブルネットワークハイドロゲル）によって含まれてもよい。ＰＡＭＰＳ−ＰＤＭＡＡｍハイドロゲルは、優れた生体適合性および生分解に対する耐性を有することが以前より実証されている。図２Ａおよび２Ｂは、２つの異なるトリプルネットワークハイドロゲル：ＰＡＭＰＳ−ＰＤＭＡＡｍダブルネットワークハイドロゲル、および架橋バクテリアセルロース（ＢＣ）ナノファイバーネットワークであって当該架橋バクテリアセルロース（ＢＣ）ナノファイバーネットワークの２つの異なる重量％（１．７重量％ＢＣおよび６重量％ＢＣ）であるもの、についての試験結果を示している。
【００３７】
図２Ａおよび２Ｂにおいて、６重量％のＢＣトリプルネットワークハイドロゲルは、圧縮強度、動的圧縮弾性率（図２Ａ）、および非線形引張弾性率（図２Ｂ）が、軟骨とほぼ同等であることを示している。
【００３８】
本明細書に記載されたトリプルネットワークハイドロゲルはまた、軟骨と比較して、類似または優れた透水性および固定電荷密度を有していてもよい。トリプルネットワークハイドロゲル（例えば、ＰＡＭＰＳ−ＰＤＭＡＡｍのようなダブルネットワークハイドロゲル）の成分の含水率、ひいては透水性は、重合を行う前に溶液中のモノマーおよび架橋剤の量を変化させることによって、変化させることができる。固定電荷密度、ひいては浸透圧の効果は、図３に示すように、０．１５Ｍでの時間依存性のひずみ応答を２Ｍでのそれと比較することによって、決定することができる。固定電荷密度の定量的な値は、０．１５Ｍでのデータに三相モデルを適合させることにより、機械的特性の測定から抽出することができる。例えば、トリプルネットワークハイドロゲル（例示的にはＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＤＭＡＡｍハイドロゲルなど）の圧力依存性摩擦係数は、トライボメータで測定することができる。
【００３９】
このように、本明細書に記載されたトリプルネットワークハイドロゲルは、軟骨の主要な特性を模倣することができる。関節軟骨は、主に、水（６０〜８５重量％）、直径−１００ｎｍのＩＩ型コラーゲン繊維（１５〜２２％）、および負に帯電したアグレカン（４〜７％）から構成される。コラーゲンナノファイバーは、引張応力（ストレッチ）とせん断に応じて軟骨にその剛性を与え、その一方、短い時間スケールでの圧縮に対する耐性は、主に水へのその低い透過性に起因する。圧縮下での変形速度は、一般的に特性時定数（τ）で定量化され、これは、集合体の圧縮弾性係数（ＨＡ、閉じ込められた圧縮における剛性の尺度）、透水性（ｋ）、および厚さ（ｈ）の観点から定義される：τ＝ｈ２／ＨＡｋ。図３は、圧痕試験中に一定の力を加えた場合、短い時間スケール（＜３００秒）ではほとんど変形がないことを示しているが、これは軟骨が押されたときに最初は非常に硬く感じることを意味します。このような短い時間スケールでは、軟骨に加えられる総応力の９５％以上が間質液によって生じ、軟骨には、例えば１０〜２０ＭＰａの見かけ上の剛性と非常に低い摩擦係数が与えられます。力が加えられる時間が長くなるにつれて、軟骨が平衡に達するまで軟骨は変形して液体を押し出し、その時点での見掛けの圧縮弾性係数ＨＡ＝０．５ＭＰａとなる。この剛性は、膝のピーク圧縮応力（例えば、１０〜２０ＭＰａ）を支持するには小さすぎるため、生理学的条件の下では、関節内の圧力はほとんど加圧された流体によって支持されることを意味する。しかしながら、平衡弾性係数は、変形および回復の速度を決定し得る。関節軟骨では、平衡弾性係数の３０〜５０％は、負に帯電したアグレカンからの浸透圧によるものである。この浸透圧効果は、電解質浴中の塩の濃度が等張状態（０．１５Ｍ）から高張状態（２．０Ｍ）に増加すると、ひずみ（変形）が増加する、図３に示すようなグラフで観察することができる。高張性浴は、アグレカン上の固定電荷をスクリーンアウトし、浸透圧効果を除去する。
【００４０】
本明細書に記載されたトリプルネットワークハイドロゲルは、天然のヒト軟骨と同等の、類似の時間依存性の機械的特性および低い摩擦係数を有していてもよい。図３に示すように、これらのトリプルネットワークハイドロゲルは、架橋コラーゲンナノファイバーマトリックスによって示されるのと同様の非線形引張弾性率、低い流体透過性、および大きな負の固定電荷密度を有していてもよい。さらに、本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲル合成軟骨は、破断しないように、高い引張強度および圧縮強度を有していてもよい。ハイドロゲルは、大部分が水からなり、低い透過性を有し、非常に低い摩擦係数を与える。しかしながら、現在のハイドロゲルは、耐荷重軟骨代替物として機能するのに十分な機械的強度を有していない。
【００４１】
本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲルの別の例は、ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍハイドロゲルのダブルネットワークと、バクテリアセルロース（ＢＣ）、バクテリアセルロースおよびポリアクリルアミド（ＢＣ−ＰＡＡｍ）、またはセルロースナノファイバー（ＣＮＦ）などの緻密な架橋繊維（例えば、ナノファイバー）ネットワークの割合（例えば、１〜２５重量％の間）から形成された、トリプルネットワークハイドロゲルである。
【００４２】
図４Ａおよび４Ｂは、他のトリプルネットワークハイドロゲルの引張強度試験を示す。図４Ａでは、３重量％のＢＣを有するトリプルネットワークＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍハイドロゲルと、１０％のＢＣを有するトリプルネットワークＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍハイドロゲルとの、両方の引張応力プロファイルが示されている。図５Ｂは、それぞれ３重量％のＣＮＦ、６重量％のＣＮＦおよび２０重量％のＣＮＦを有する、３つの異なるトリプルネットワークＣＮＦ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍハイドロゲルの引張強度プロファイルを示す。
【００４３】
同様に、図５Ａは、６重量％のＢＣを有するトリプルネットワークＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍハイドロゲルと、１．７％のＢＣを有するトリプルネットワークＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍハイドロゲルの、圧縮応力プロファイルを示す。図５Ｂは、それぞれ０重量％のＣＮＦ、３重量％のＣＮＦ、６重量％のＣＮＦおよび２０重量％のＣＮＦを有する、ＣＮＦ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍハイドロゲルの圧縮応力プロファイルを示す。
【００４４】
図４Ａ〜５Ｂに示すような引張試験に基づいて、異なるＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍおよびＣＮＦ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍサンプルの機械的特性を調べた。引張試験は、材料試験機（例えば、Ｉｎｓｔｒｏｎ  １３２１）を用いて、０．２５ｍｍ／ｓのせん断速度で実施した。図４Ａに示すように、ＢＣ濃度を３％から１０％に増加させると、１０％ひずみ時のサンプルのヤング率は６．８ＭＰａから２８ＭＰａに増加した。また、試料の引張強度も１．５ＭＰａから６ＭＰａに増加した。軟骨のヤング率（５〜２５ＭＰａ）と引張強さ（１５〜２５ＭＰａ）を比較すると、１０％ＢＣのＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍ試料が最も類似した引張特性を示している。一方、ＦＩＧ．４Ｂに示すように、未架橋セルロースナノファイバー（ＣＮＦ）で得られる最大引張強度は２．５ＭＰａであり、軟骨の引張強度を大きく下回っている。図６Ａ（表２）は、架橋された繊維ネットワークがＢＣ型またはＣＮＦ型のいずれかのセルロースである、種々のトリプルネットワークハイドロゲルについてのセルロースの種類および濃度の比較を示す。
【００４５】
ＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍおよびＣＮＦ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍ試料の機械的圧縮特性も調べた。圧縮試験は、材料試験機（例えば、Ｉｎｓｔｒｏｎ  １３２１）を用いて実施した。図５Ａに示すように、ＢＣの濃度が６重量％の場合、ＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍハイドロゲルは２８ＭＰａの圧縮強度を有し、これは軟骨に匹敵する（例えば、３５．７±１１．２５ＭＰａ）。一方、セルロースナノファイバーが架橋されていない場合（ＣＮＦの場合のように）、ＣＮＦ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍサンプルの最大圧縮強度は９ＭＰａであり、これは軟骨置換の目標値よりも低い。表３（図６Ｂ）は、これらの結果をまとめたものである。
【００４６】
本明細書に記載されたトリプルネットワークハイドロゲルはまた、ネイティブ軟骨に匹敵する（または優れた）他の機械的特性を有していた。例えば、図７は、ネイティブ（例えば、関節）軟骨の摩擦係数を、本明細書に記載された例示的なトリプルネットワークハイドロゲルと比較したグラフである。図７Ａでは、異なる摺動速度の下でのＵＨＭＷＰＥ表面に対するトリプルネットワークハイドロゲルおよび軟骨の摩擦係数が示されている。表４（図７Ｂ）は、ＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍサンプルおよび軟骨サンプルのトライボロジー特性の結果を要約したものであり、試験された例示的なトリプルネットワークハイドロゲル（例えば、ＢＣ−ＰＣＡＭＰＳ−ＰＡＡｍ）について、１ｍｍ／ｓでの摩擦係数がより低い（したがって、より優れている）ことを示している。トライボロジー試験は、トライボロジーアクセサリー（例えば、Ｃｅｌｌｌ  Ｔ−ＢＴＰ）を装着したレオメーター（例えば、アントンパール社製、ＭＲ３０２）を用いて実施した。試験は、３本のピン・オン・ディスク構成で実施した。軟骨ピンは、６ｍｍのドナーを有するコア押出機（例えば、Ａｒｔｈｒｅｘ、ＯＡＴＳキット）を用いて、地元の食料品店から入手した豚の大腿骨サンプルから押し出した。ハイドロゲルピンは、同じコア押出機を用いてハイドロゲルシートから押し出した。ピンのサイズは６ｍｍ×６ｍｍであった。
【００４７】
試験中、３本のピンを、１５Ｎ（０．１７ＭＰａ）の制御された法線力で、平らな超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）ディスクの片に押し付けた。潤滑剤として作用するように５ｍＬのＰＢＳを添加した。摩擦係数は、１０−７ｍｓ−１から０．１ｍｓ−１までの摺動速度の範囲内でモニターされた。図７Ａに示すように、ハイドロゲルサンプルは軟骨サンプルよりも低い摩擦係数を示した。トリプルネットワークハイドロゲルサンプルが、１０−３ｍｓ−１の摺動速度で０．０２４という驚くほど低い摩擦係数を示したのに対し、軟骨サンプルは、０．１０という非常に高い摩擦係数を示しました。この試験は、我々のトリプルネットワークハイドロゲル（ＢＣ−ＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍハイドロゲルなど）の優れた潤滑特性を示している。
【００４８】
上述したように、方法、組成物、および装置（例えば、インプラント、プラグなど）のいずれかを、生体適合性接着剤および／またはアタッチメントと共に、材料（生体適合性土台、本体など）で形成されたインプラント本体に使用してもよい。ハイドロゲルの固定方法は、フィブリン接着剤で補強されたインレーフィットを含んでもよい。代替的または追加的に、手術直後に体重支持を可能にし、それによって回復を加速するために、超強力接着剤を、本明細書に記載されたトリプルネットワークハイドロゲルのいずれかの固定（例えば、骨および／または軟骨に付着させるため）に使用してもよい。様々な強靭な生体適合性接着剤が、骨に対するネイティブ軟骨の接着エネルギー（８００Ｊｍ−２）よりも強い接着エネルギー＞１０００Ｊｍ−２を有する。これに対して、フィブリンおよびシアノアクリレート接着剤は、それぞれ〜１０および１００Ｊｍ−２の接着エネルギーを有する。例えば、強靭な接着剤は、第一級アミン（例えばキトサン）と架橋剤（スルホ−ＮＨＳ＆ＥＤＣ）とを有する架橋ポリマーを含んでもよく、この架橋剤は、ハイドロゲルマトリックス及び組織の第一級アミン基とカルボン酸基との間で共有結合を形成する。接着剤は、生体適合性があり、湿潤環境下で数分でセットされ、紫外線硬化性ポリエチレングリコールマトリックスを用いて処方することができる。したがって、プラグ挿入後であってＵＶ硬化前の３０秒の間に、プラグと軟骨との間の界面が滑らかで欠陥がないことを確実にするために、過剰な接着剤を軟骨の表面から拭き取ることができる（例えば、図８Ａ〜８Ｄ参照）。トリプルネットワークハイドロゲルは、生体適合性のある超強力接着剤を用いて、骨および／または軟骨の欠陥に接着されてもよい。例示では、図８Ａは、元の軟骨を示し、図８Ｂは、損傷領域の除去を示す。図８Ｃは、生体適合性接着剤の適用を示し、図８Ｄは、ＵＶ硬化の前における、人工軟骨（例えば、トリプルネットワークハイドロゲル）の挿入、および任意の過剰な接着剤の除去を示す。
【００４９】
本明細書に記載されたトリプルネットワークハイドロゲルのいずれかは、気孔を含むように改変されてもよい。特に、トリプルネットワークハイドロゲルの外側厚さ領域は、例えば、直径０．１〜３００マイクロメートルの間（例えば、約０．５〜２５０μｍの間、約１〜２００μｍの間など）の気孔を含むように改変されてもよい。気孔のサイズは、この範囲のサブレンジ（例えば、約１０〜２００μｍの間、約１０〜１５０μｍの間、約１０〜１００μｍの間、約５０〜３００μｍの間、約５０〜２００μｍの間、約５０〜１５０μｍの間など）の中から選択されてもよい。サイズの範囲は、変化してもよいし、狭い範囲内であってもよい（例えば、±５０％、±４０％、±３０％、±２５％、±２０％、±１５％、±１０％、±５％など）。気孔は、インプラント材料の外側の外周（ただし、内側の領域ではない）に形成されてもよく、例えば、少なくとも外側０．５ｍｍ、外側０．７５ｍｍ、外側１ｍｍ、外側１．５ｍｍ、外側２ｍｍ、外側２．５ｍｍ、外側３ｍｍなどに形成されてもよい。いくつかの変形例では、気孔は、外側１ｍｍ未満、外側１．５ｍｍ未満、外側２ｍｍ未満、外側２．５ｍｍ未満、外側３ｍｍ未満など（または、約０．２５ｍｍと約５ｍｍの間、約０．３５ｍｍと約４ｍｍの間、約０．５ｍｍと約３ｍｍの間、約０．５ｍｍと約２ｍｍの間など）であってもよい。任意の適切な気孔の密度が含まれてもよい（例えば、気孔の高密度と気孔の低密度との間；気孔の高密度は、インプラントへのほぼ連続的な経路を提供してもよい）。
【００５０】
気孔を含めることは、体内の周囲の組織との細胞浸潤および生体適合性を高めるために、トリプルネットワークハイドロゲルを改変するものであってもよい。細胞浸潤は、本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲルが被験体の軟骨の再表面化および／または置換のために使用される場合に、特に有用であり得る。軟骨の再表面化は、体重のかかる関節で行われてもよい。特定の実施形態では、関節は、膝または股関節を含む。
【００５１】
いくつかの変形例では、本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲルは、ハイドロゲルを、移植足場あるいは直接的に身体（例えば骨および軟骨）に固定するための超強力接着剤などの、生体適合性接着剤と一緒に使用されてもよく、手術直後に体重支持を可能にし、それによって回復を早めるようにしてもよい。
【００５２】
上述した生物学的軟骨修復の限界により、ヒアルロン酸およびコバルトクロム合金で被覆されたポリエチレンプラグのような、軟骨または骨軟骨の欠陥を充填するための耐久性のある整形外科材料を使用した、局所的関節表面置換術に関心が高まっている。しかし、これらのインプラントは生物学的に統合する能力に限界があり、５人に１人の患者は平均４年後に関節形成術に移行しなければならない。また、これらのデバイスの固定には骨への機械的な固定が必要であり、再手術が必要な場合には軟骨下骨欠損症を引き起こす可能性がある。最後に、これらのインプラントは、ネイティブ軟骨のトライボロジーと一致しないので、変性関節の変化につながることが知られている、異常な応力およびひずみの分布、ならびに反対側の表面の摩耗についての重大な懸念がある。
【００５３】
本明細書に記載の方法、組成物および装置は、生物学的原理および再表面化原理を組み合わせて、より理想的な軟骨置換物を作成することができる。本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲルは、他の用途の中で、軟骨と同じ時間ゼロの生体力学的特性を有しながらも、周囲の骨および軟骨に長期的に統合する能力を保持する構築物を提供することができる。したがって、これらのトリプルネットワークハイドロゲルは、即時の体重支持、短い回復時間、およびより優れた長期的な生体適合性を可能にする可能性を有する、局所的な関節表面置換に使用され得る。
【００５４】
いくつかの変形例では、関節軟骨の代替材料（例えば、人工軟骨）は、理想的には、少なくとも軟骨の圧縮強度および引張強度、同等の時間依存性の変形および回復力、ならびに反対側の表面の摩耗を引き起こさない一方で時間の経過に伴う摩耗に抵抗するように非常に低い摩擦係数、を有し得る、合成トリプルネットワークハイドロゲルを含む。さらに、トリプルネットワークハイドロゲルは、何度も繰り返される変形のサイクルに渡り、また滑液中で何年もの歳月に渡り、劣化に抵抗し、上記の機械的およびトライボロジー特性を保持することができる。最後に、トリプルネットワークハイドロゲルは、周囲の組織との迅速な統合、および長期的な生体適合性を可能にする可能性がある。
【００５５】
軟骨に相当する機械的特性を有する本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲルは、周囲の組織と統合する能力を高めるように改変されるかもしれず、これは、インプラントの耐久性を向上させながら外科的回復を早める可能性がある。例えば、一組のトリプルネットワークハイドロゲル、例えばセルロースナノファイバー強化ダブルネットワークハイドロゲルにおいて、ダブルネットワーク（例えばＰＡＭＰＳ−ＰＤＭＡＡｍ）ハイドロゲルをセルロースナノファイバーネットワークと組み合わせて、軟骨に匹敵する圧縮強度および引張強度を有するトリプルネットワークハイドロゲルを得てもよく、そのようなトリプルネットワークハイドロゲルは、少なくとも表面（または表面近傍）の空隙率を増加させるように改変されてもよい。
【００５６】
例えば、トリプルネットワークハイドロゲルの表面の空隙率（および／またはコーティング）は、生物学的統合のために改変されてもよい。例えば、骨および軟骨と接触するトリプルネットワークハイドロゲルの少なくとも表面は、周囲の組織との迅速な統合を可能にするために、マクロポーラスであってもよい。ハイドロゲルの大部分は、軟骨に相当する剛性に有用な低い流体透過性を達成するために、ナノポーラスであってもよい。
【００５７】
図９（表５）は、指定された範囲を含む範囲内で変更され得る、トリプルネットワークハイドロゲルのいくつかの例示的なパラメータを示している。結果として得られるトリプルネットワークハイドロゲルは、わずかに異なる機械的特性、疲労特性、および／または摩耗特性を有してもよい。いくつかの変形例では、本明細書に記載されるトリプルネットワークハイドロゲルは、ナノファイバー強化ダブルネットワーク（ＮＲ−ＤＮ）ハイドロゲルと呼ばれることもあり、それらは、摩耗の可能性を最小化するように摩擦係数を最小化しながら、軟骨の動的および静的な機械的特性に一致してもよい。
【００５８】
例えば、（許容される機械的特性のより広い範囲内で）正確な機械的特性を調整するために変化させてもよいＮＲ−ＤＮハイドロゲルの４つの成分が、図９に示されている（入力パラメータ、および使用されてもよい値の範囲を列挙している）。これらのトリプルネットワークハイドロゲル内のバリエーションは、圧縮強度、圧縮弾性率、引張強度、引張弾性率、圧縮疲労、引張疲労、および摩擦係数のうちの１つ以上に基づいて、特定の組織（軟骨）、身体部位（膝、肩、股関節、脊椎など）、患者などと使用するために、多かれ少なかれ最適化されていてもよい。許容可能なハイドロゲルの範囲内で、特定のハイドロゲルは、固体多孔質構造体と表面多孔質構造体との間における、機械的特性、疲労特性、トライボロジー特性、および摩耗特性（すべての連続変数）に基づいて選択されてもよい。
【００５９】
いくつかの変形例では、疲労閾値を増加させるために架橋剤の濃度を減少させてもよい。上述したように、ＤＮゲルと軟骨との間の摩擦係数は、軟骨と軟骨との間の摩擦係数よりも低いので、全てではないにしても、ほとんどの、トリプルネットワークハイドロゲルは、許容可能な摩擦係数および摩耗係数を示し得る。
【００６０】
本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲルのいずれかにおいて、インプラントと周囲の骨および軟骨との統合を容易にするマクロポレーションおよび化学戦略的（ケモタクチック）な因子は、調整されてもよい。ハイドロゲルを取り囲む組織の活力、および移植されたトリプルネットワークハイドロゲルプラグの組織−ハイドロゲル界面におけるグリコサミノグリカン（ＧＡＧ）およびコラーゲン含量の組織学的分析は、多孔性が、トリプルネットワークハイドロゲルインプラントの組織のイングロースおよび生物学的アンカーリングを増強し得ることを示している。例えば、ハイドロゲル−組織界面の構造は、移植後のイングロースによって変化する可能性がある。
【００６１】
一般に、表面の多孔質（気孔質）の厚さは、例えば、０（空隙率なし）から２．５ｍｍの厚さ（例えば、０、約０．２、約０．４、約１ｍｍなど）で、変化し得る。代替的または追加的に、ケモタクチックコーティングを使用して、その側面および／または基部に空隙率を有するトリプルネットワークハイドロゲルを作製してもよい。例えば、いくつかの変形例では、多孔質を設定するために２段階の成形プロセスが使用されてもよい。所定の大きさおよび／または密度の気孔は、トリプルネットワークハイドロゲル全体またはトリプルネットワークハイドロゲルの外側領域に、溶解可能な材料を添加することによって形成されてもよい。一例では、炭酸カルシウム砂（例えば、粒子径〜０．２５ｍｍ）を含むゲルのシェルが、固体ゲルコアの周囲に成形されてもよい。次いで、炭酸カルシウムを塩酸に溶解して多孔質ゲル表面を得てもよい。ゲルの一例に対するこのプロセスの結果の例は、図１１Ａ−１１Ｄに示されており、ここでは、模擬血液がゲルの多孔質シェルに運ばれているが、内部には浸透していない。骨の成長を刺激するケモタクチックなコーティングを作成するために、骨と界面するＮＲ−ＤＮハイドロゲルの部分は、ゲルの表面内にヒドロキシアパタイト（ＨＡ）を形成するために、リン酸水素二カリウム（Ｋ２ＨＰＯ４，３００ｍＭ）と塩化カルシウム（ＣａＣｌ２，５００ｍＭ）の溶液に、２分間ずつ交互に５回浸漬されてもよい。このテクニックは、4週間後の骨結合（オッセオインテグレーション）を大幅に改善する。軟骨との統合を改善するために、トリプルネットワークハイドロゲル（例えば、軟骨と界面するゲルの部分）を、コラゲナーゼ（０．６％）およびインスリン様成長因子Ｉ（ＩＧＦ、２５ｎｇ／ｍｌ）を組み合わせたものに、浸漬してもよい。この組み合わせは、骨軟骨移植片の外周部の軟骨細胞死領域の軟骨細胞再増殖を促進する可能性がある。表面マクロポレーションおよび表面ケモタクチックコーティングの両方が、トリプルネットワークハイドロゲルインプラント内での組織の統合を改善する可能性がある。
【００６２】
表面多孔性トリプルネットワークハイドロゲルは、ハイドロゲルの強度および弾性率の大部分を維持しながら、厚さ約０．４ｍｍの薄さの多孔性層で、骨結合を改善し得る。
【００６３】
製造方法
一般に、本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲルは、任意の適切な方法で作製することができる。一態様において、架橋された繊維ネットワークの初期足場（例えば、シート、フォーム、プラグなど）を、ダブルネットワークハイドロゲルに浸潤させて、トリプルネットワークハイドロゲルを形成してもよい。架橋繊維ネットワークは、所望の高さ（例えば約２ｍｍ〜約１０ｍｍの間）のスタックに圧縮可能である、バクテリアセルロース（ＢＣ）のネットワークのシート、またはバクテリアセルロースとポリアクリルアミド（ＢＣ−ＰＡＡｍ）のネットワークのシートなどの、様々な材料のシートで形成されてもよく、ＰＡＭＰＳ−ＰＤＭＡＡｍダブルネットワークハイドロゲルまたはＰＡＭＰＳ−ＰＡＡｍハイドロゲルなどの、ダブルネットワークハイドロゲルで浸潤され、約２〜約２５重量％（例えば、約２〜約２０重量％など）のＢＣｒＢＣ−ＰＡＡｍの最終的な重量％としてもよい。
【００６４】
例えば、バクテリアセルロースシートの一片を、２−アクリラミド−２−メチルプロパンスルホン酸（ＡＭＰＳ）、架橋剤（例えばＭＢＡＡ）、および０．５ｗ／ｖ％２−ヒドロキシ−ｌ−［４−（２−ヒドロキシエトキシ）フェニル］−２−メチル−ｌ−プロパノン（Ｉ２９５９）の溶液に一晩浸す。ＡＭＰＳおよびＭＢＡＡの濃度は、例えば図９に示すように、ハイドロゲルの剛性および強度を変化させるために、変化させることができる。次いで、バクテリアセルロースは、所望の形状およびサイズを与えるために、型に押し込まれてもよい。次いで、このバクテリアセルロースを、型内で一定の圧力下で１５分間、紫外線を照射して硬化させてもよい。最終製品中のバクテリアセルロースの濃度は、元のバクテリアセルロースシートが圧縮された厚さを制御することにより、制御してもよい。バクテリアセルロースの濃度を変化させる効果は、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａおよび図６Ｂに示されている。ＵＶ硬化後、バクテリアセルロース−ＰＡＭＰＳハイドロゲルを、アクリルアミド、２ｍＭ  ＭＢＡＡ、０．５ｗ／ｖ％Ｉ２９５９の溶液に一晩浸す。アクリルアミドの濃度は、ハイドロゲルの剛性および強度を調整するために、例えば、図９に示す範囲内で変化させることができる。浸漬後、セルロース−ＰＡＭＰＳハイドロゲルを取り出し、再びＵＶ光で１５分間硬化させる。両方のＵＶ硬化ステップの時間は、ハイドロゲルの厚さによって異なり得る。
【００６５】
軟骨の修復または置換のためのトリプルネットワークハイドロゲルの使用方法
本明細書に記載されているようなトリプルネットワークハイドロゲルインプラントを使用するための別の方法は、関節内の空洞の充填を介したものである。空洞は、既存のものであってもよいし、外科医によって準備されたものであってもよい。トリプルネットワークハイドロゲルインプラントは、空洞に挿入することができるプラグとして構成することができる。図１２Ａ〜１２Ｃは、ハイドロゲルプラグ（図１２Ｂ）で充填されたキャビティ（例えば、図１２Ａ）の例を示しており、いくつかの変形例では、図１２Ｃに示されているような多孔質の外側領域１２０３のような気孔を含むトリプルネットワークハイドロゲルプラグを含む。トリプルネットワークハイドロゲルプラグは、任意の形状およびサイズであってもよく、例えば、円筒形や先細りなどであってもよい。いくつかの実施形態では、トリプルネットワークハイドロゲルプラグは、周囲の軟骨表面から高くなるように大きなサイズにすることができる。他の実施形態では、プラグは、空洞内に凹んだままになるように、小さなサイズにすることができる。大きなサイズまたは小さなサイズは、トリプルネットワークハイドロゲルプラグが、約１ｍｍ未満、約１ｍｍ、約１ｍｍ超、約２ｍｍ、約３ｍｍ、または約３ｍｍ超だけ、周囲の軟骨表面の上にしっかりと立つか、または周囲の軟骨表面から凹むような、ものであり得る。いくつかの実施形態では、ハイドロゲルプラグを、そのサイズを縮小し、空洞内への容易な配置を可能にするために、わずかに脱水することができる。その後、ハイドロゲルプラグを、空洞内に一層良好に適合するように、その場で水和して膨潤させることができる。ハイドロゲルプラグの脱水された寸法および再水和された寸法は、再水和および再膨潤後における、プラグの良好なフィット感、サイズ不足、またはサイズ過剰を得るように、調整することができる。また、原位置での再水和は、プラグと空洞との間の摩擦適合を増大させるために使用することができる。これは、再水和時にプラグの断面が空洞の断面よりも大きくなり得るように、例えば、約１ｍｍ、約１ｍｍ未満、または約１ｍｍ超となるように、脱水の寸法および程度を調整することによって達成され得る。いくつかの実施形態では、空洞は、本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲル材料の注入可能な形態で充填される。
【００６６】
本明細書に記載されるトリプルネットワークハイドロゲルの脱水は、様々な方法によって達成され得る。例えば、トリプルネットワークハイドロゲルを室温または高温で真空中に置くことにより、水分を追い出して脱水を起こすことができる。真空の量は、脱水時にトリプルネットワークハイドロゲルが配置される真空チャンバに空気または不活性ガスを入れることにより、減少させることができる。また、トリプルネットワークハイドロゲルの脱水は、これを空気中または不活性ガス中に常温または高温で保持することにより行うことができる。また、空気中または不活性ガス中での脱水は、室温よりも低い温度で行うこともできる。あるいは、トリプルネットワークハイドロゲルの脱水は、ハイドロゲルを溶媒中に置くことによって実施することができる。この溶媒は、ハイドロゲルから水を追い出すことができる。溶媒脱水はまた、高温で行われてもよい。これらの脱水方法は、互いに組み合わせて使用することができる。トリプルネットワークハイドロゲルの再水和は、例えば、生理食塩水、水、脱イオン水、生理食塩水、または水溶液またはＤＭＳＯなどの、水溶液を含む水中で行うことができる。
【００６７】
本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲルは、医療デバイスとして成形され、その後に脱水されてもよい。脱水されたインプラントは、その後、再水和されてもよい。医療用インプラントの初期のサイズおよび形状は、脱水によって引き起こされる収縮およびその後の再水和によって引き起こされる膨潤が、人間の関節で使用できる所望のインプラントのサイズおよび形状をもたらすように、調整されてもよい。例えば、変形前のトリプルネットワークハイドロゲルの最初の形状は、長方形の角柱、円柱、立方体、または不均一な形状であり得る。
【００６８】
本明細書に記載のインプラントは、変形性関節炎、関節リウマチ、他の炎症性疾患、全身性関節痛、事故で損傷した関節、運動中に損傷した関節、反復使用により損傷した関節、および／または他の関節疾患を治療するために使用することができる。本明細書に開示された実施形態の様々な装置、システム、方法、および他の特徴は、非医学的な利点または応用を有するアレンジを含む、他のタイプの装置、システム、手順、および／または方法に利用されるか、または適用され得る。
【００６９】
本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲルインプラントは、円筒形プラグや他の形状を含む、任意の適切な形状であってよい。例えば、インプラントの上面は、特定の解剖学的構造（例えば、平面（例えば、平滑面）、非平面（例えば、曲面、凹面、凸面、起伏面、フルート状））に接合するように、輪郭付けされていてもよい。インプラントは、一般的に円形、楕円形、長方形、三角形、六角形などの断面形状、または不規則な形状、および／または類似の形状を含むことができる。いくつかの実施形態では、インプラントは、一般的に円柱またはマッシュルームのような形状である。本明細書に開示されたインプラントのいずれかの全体的な形状は、特定の用途または使用に応じて変化し得る。
【００７０】
形状は、成形工程、切削工程、あるいは類似の工程によって、形成されてもよい。
【００７１】
本明細書に記載のトリプルネットワークハイドロゲルインプラントは、患者にカスタマイズされてもよい。例えば、これらのインプラントのいずれかは、特定の被験体の解剖学上の目的のために設計されてもよいし、カスタマイズされてもよい。例えば、骨および／または対向する骨の表面は、（例えば、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、コンピュータ軸方向断層撮影（ＣＡＴ）、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）、それらの組み合わせなどを介して）スキャンされてもよく、これを使用して、特定の患者または被験体の特定の解剖学的特徴に適合するように、（例えば、３Ｄプリント、ＣＡＤ−ＣＡＭフライス加工などを介して）鋳型を作製することができる。したがって、トリプルネットワークハイドロゲルインプラントの１つ以上の表面は、特定の形状にカスタマイズされ得る。別の例として、インプラントの底部は、トリプルネットワークハイドロゲルの１つ以上の外側表面が特定の形状をとるように、カスタマイズされてもよい。カスタムインプラントは、例えば、解剖学的に損傷を受けているか、または然もなくば固有の特性を含む場合に、有利であり得る。あるいは、汎用的なインプラント（または複数のサイズの範囲を有するインプラント）が提供され、適合するように切断またはトリミングされてもよい。
【００７２】
いくつかの実施形態では、スキャンにより、複数のインプラントが治療のために使用されてもよいことが明らかにすることができる。例えば、１つのインプラントと比較して、複数のインプラントは、大きな欠陥を治療するのに適しているかもしれないし、重要な箇所に耐荷重面を提供するのに適しているかもしれないし、および／または医師へのアクセスを提供するのに適しているかもしれない。スキャンは、複数のインプラントの位置および／またはサイズを選択するために使用することができる。例えば、膝関節を例にとると、ユーザは、スキャンにより、第１のインプラントのための側方結節の一部を選択し、第２のインプラントのための内側結節の一部を選択することができる。その部分がやや前方、やや後方、やや内側、やや側方などであれば、スキャンを使用してインプラントをその特定の位置にカスタマイズすることができ、その結果、例えば、異なる耐荷重面の特徴、異なる寸法、異なる突出量、それらの組み合わせなどが得られる場合があり、インプラントが有利になり得る。
【００７３】
本明細書で使用されるように、「治療」、「療術（セラピー）」および／または「療術（セラピー）方法」とは、患者によって顕在化された、または患者が罹患しやすい、疾患、障害または生理学的状態に応答して行われる、臨床的介入を指す。治療の目的には、症状の緩和または予防、疾患、障害または状態の進行または悪化を遅らせたり止めたりすること、および／または疾患、障害または状態の寛解が含まれる。
【００７４】
「有効量」または「治療的に有効な量」という用語は、有益または望ましい生物学的および／または臨床的結果をもたらすのに十分な量を指す。
【００７５】
本明細書で使用されるように、「被験体」および「患者」という用語は、本明細書で互換的に使用され、人間および人間以外の動物の両方を指す。本明細書の用語人間以外の動物」は、すべての脊椎動物、例えば、哺乳類および哺乳類以外を含み、人間以外の霊長類、羊、犬、猫、馬、牛、鶏、両生類、爬虫類などを含む。いくつかの実施形態では、被験体は、軟骨の修復または置換を必要としている。
【００７６】
別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語は、本開示が属する当技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。
【００７７】
本明細書において、特徴または要素が他の特徴または他の要素上に「ある」と称されるとき、それは、他の特徴または他の要素上に直接存在することができ、または、介在する特徴および／または要素が存在してもよい。対照的に、特徴または要素が別の特徴または別の要素上に「直接的にある」と言及されるとき、介在する特徴または要素は存在しない。また、特徴または要素が、別の特徴または別の要素に「接続されている」、「取り付けられている」、または「結合されている」と言及される場合、他の特徴または他の要素に直接接続されているか、取り付けられているか、または結合されているか、または介在する特徴または要素が存在していてもよいことが理解されるであろう。対照的に、特徴または要素が、別の特徴または別の要素に「直接接続されている」、「直接取り付けられている」、または「直接結合されている」と称される場合、介在する特徴または要素は存在しない。一実施形態に関して記載または示されているが、そのように記載または示された特徴または要素は、他の実施形態にも適用することができる。また、別の特徴に「隣接して」配置されている構造または特徴への言及は、隣接する特徴に対して重なる部分または下敷きになる部分を有することがあることは、当業者であれば理解されるであろう。
【００７８】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のためのものであり、本発明を限定することを意図していない。例えば、本明細書で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明確にそうでないことを示さない限り、複数形も含むことが意図される。本明細書で使用される場合、「含む（備える）（有する）」および／または「含んでいる（備えている）（有している）」という用語は、記載された特徴、ステップ、操作、要素、および／または構成要素の存在を規定するが、１つ以上の他の特徴、ステップ、操作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではないことが、さらに理解されるであろう。したがって、本明細書およびそれに続く特許請求の範囲の全体を通して、文脈が別段の要求をしない限り、「含む（備える）（有する）」という語、および「含む（備える）」および「含んでいる（備えている）（有している）」のような変形は、様々な構成要素が、方法および物品（例えば、組成物および装置）において、共同して採用され得ることを意味する。例えば、用語「含む（備える）」は、任意の記載された要素またはステップを含むことを意味するが、他の要素またはステップを除外することを意味しないと理解されるであろう。本明細書において、「含む」、「構成する」、または「有する」という用語の使用、およびその変形は、その後に記載された要素、およびその等価物、ならびに追加の要素を包含することを意味する。特定の要素を「含む」、「構成する」、または「有する」と記載された実施形態は、「それらの特定の要素から本質的に構成されている」および「それらの特定の要素から構成されている」とも考えられる。したがって、一般的に、任意の本明細書に記載された装置および方法のいずれかは、包括的であると理解されるべきであるが、構成要素および／またはステップの全てまたはサブセットは、代替的に排他的であってもよく、「それらの要素から構成されている」または代替的に「様々な構成要素、ステップ、サブ構成要素またはサブステップから本質的に構成されている」と表現されてもよい。
【００７９】
本明細書で使用されるように、「および／または」という用語は、関連して記載された項目のうちの１つ以上の任意のおよびすべての組み合わせを含み、「／」と略されてもよい。
【００８０】
「下」、「下方」、「下側」、「上」、「上側」などの空間的に相対的な用語は、説明を容易にするために、本明細書では、図に図示されているような別の要素または特徴に対する１つの要素または特徴の関係を説明するために使用されてもよい。空間的に相対的な用語は、図に描かれている向きに加えて、使用中または操作中のデバイスの異なる向きを包含することが意図されていることが理解されるであろう。例えば、図のデバイスが反転している場合、他の要素または特徴の「下」または「下方」と記載されている要素は、その後、他の要素または特徴の「上」を向いていることになる。したがって、例示的な用語「下」は、「上」方向と「下」方向の両方を包含することができる。装置は、他の方向を向いていてもよく（９０度回転させた方向や、他の方向を向いていてもよい）、本明細書で使用される空間的相対記述子は、それに応じて解釈される。同様に、「上向き」、「下向き」、「垂直」、「水平」などの用語は、特に別段の指示がない限り、本明細書では説明の目的でのみ使用される。
【００８１】
用語「第１」および「第２」は、様々な特徴／要素（ステップを含む）を説明するために本明細書で使用されてもよいが、これらの特徴／要素は、文脈が別段のことを示さない限り、これらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、１つの特徴／要素を別の特徴／要素から区別するために使用されるものである。したがって、以下で議論される第１の特徴／要素は、第２の特徴／要素と称することができ、同様に、以下で議論される第２の特徴／要素は、本発明の教示から逸脱することなく、第１の特徴／要素と称することができる。
【００８２】
本明細書および特許請求の範囲で使用されているように、実施例で使用されているように、および特に明示的に指定されていない限り、すべての数字は、たとえその用語が明示的に現れていなくても、「約」または「おおよそ」という語句によって前置されているかのように読み取ることができる。「約」または「おおよそ」という語句は、記載された値および／または位置が、値および／または位置の合理的に予想される範囲内にあることを示すために、大きさおよび／または位置を記載する際に使用されてもよい。例えば、数値は、記載された値（または値の範囲）の±０．１％、記載された値（または値の範囲）の±１％、記載された値（または値の範囲）の±２％、記載された値（または値の範囲）の±５％、記載された値（または値の範囲）の±１０％などの値を有していてもよい。また、本明細書で与えられた任意の数値は、文脈が別段のことを示さない限り、その値の約またはおおよそを含むと理解されるべきである。例えば、値「１０」が開示されている場合、「約１０」も開示されている。本明細書で言及される任意の数値範囲は、そこに包含されるすべてのサブ範囲を含むことが意図されている。また、値が開示されている場合、「その値以下」、「その値以上」、および値間の可能な範囲も、当業者に適切に理解されるように開示されていることが理解される。例えば、値「Ｘ」が開示されている場合、「Ｘ以上」だけでなく、「Ｘ以下」や、（例えば、ここでＸは数値である）も開示されている。また、本願の全体を通して、データが多数の異なるフォーマットで提供され、このデータは、終点、始点、およびデータ点の任意の組み合わせの範囲を表すことが理解される。例えば、特定のデータ点「１０」と特定のデータ点「１５」とが開示されている場合、１０と１５との間だけでなく、１０より大きい、１０以上、１０未満、及び１０以下も開示されていると考えられることが理解される。また、２つの特定の単位の間の各単位も開示されていると理解される。例えば、１０と１５が開示される場合、１１、１２、１３、および１４も開示されている。本明細書での値の範囲の記載は、本明細書で他に示されていない限り、当該範囲内に属する各値を個別に参照するための略記法として機能することを単に意図しており、各値は、あたかも個別に本明細書で記載されているかのように本明細書に組み込まれている。例えば、濃度範囲が１％〜５０％と記載されている場合、２％〜４０％、１０％〜３０％、または１％〜３％などの値が明示的に本明細書に列挙されていることが意図される。これらは、具体的に意図されていることの例示に過ぎず、列挙された最低値と最高値との間およびそれを含む数値のすべての可能な組み合わせは、本開示において明示的に記載されていると考えられる。
【００８３】
様々な例示的な実施形態が上記に記載されているが、特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲から逸脱することなく、様々な実施形態にいくつかの変更を加えてもよい。例えば、様々な説明された方法ステップが実行される順序は、代替的な実施形態において、しばしば変更されてもよく、他の代替的な実施形態では、１つ以上の方法ステップは完全にスキップされてもよい。様々なデバイスおよびシステムの実施形態の任意の特徴は、いくつかの実施形態に含まれ、他の実施形態には含まれないことがある。したがって、これまでの説明は、主に例示的な目的のために提供されるものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲を制限するように解釈されるべきではない。
【００８４】
本明細書に含まれる例示および図示は、例示の方法で、限定するものではなく、主題が実施され得る特定の実施形態を示すものである。上述したように、本開示の範囲から逸脱することなく、構造的および論理的な置換および変更が行われ得るように、他の実施形態が利用され、そこから派生することができる。本発明の主題のそのような実施形態は、単に便宜上、実際には発明または発明的概念が複数が開示されている場合に、本願の範囲を、任意の単一の発明または発明的概念に自発的に限定することを意図することなく、個別にまたは総称して、「発明」という用語で本明細書において表現することができる。したがって、特定の実施形態が図示され、本明細書に記載されているが、同じ目的を達成するために計算された任意の変形が、開示された特定の実施形態を代替し得る。本開示は、様々な実施形態のあらゆる適応または変形を包含することを意図している。上記の実施形態の組み合わせ、および本明細書に特に記載されていない他の実施形態は、上記の説明を検討すれば、当技術分野の当業者には明らかであろう。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【国際調査報告】
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