(57)【要約】  線維が天然に存在している組織と同じくまたはほぼ同じく整列されている人工軟部組織をもたらす、軟骨、半月板、線維輪、および腱／靭帯を含む人工整形外科軟部組織を作製、製造、および／または生産する改善された方法。本発明はまた、本発明の方法を実施するための金型および他の装置、ならびにキットを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマーに力を加えることと、前記人工整形外科軟部組織の線維配向が天然に存在する整形外科軟部組織の線維配向を模倣または再現できるようにする条件下かつその間、前記力を加えながら前記ポリマーを架橋させることとを含む、人工整形外科軟部組織を作製、製造および／または生産する方法。
【請求項２】
前記人工整形外科軟部組織が軟骨であり、前記加えられる力が、径方向の力（ＦＲ）、圧縮力、引張力、およびそれらの組み合わせである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記人工整形外科軟部組織が半月板であり、前記加えられる力が、周方向（ＦＣ）、Ｙ（ＦＹ）およびＺ（ＦＺ）方向の力、圧縮力、引張力、およびそれらの組み合わせである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記人工整形外科軟部組織が線維輪であり、前記力が、ねじり（Ｆτ）、Ｚ方向の力（ＦＺ）、およびそれらの組み合わせである、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記人工整形外科軟部組織が腱および靭帯であり、前記力が、ねじり（Ｆτ）、Ｚ方向の力（ＦＺ）、およびそれらの組み合わせである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ポリマーが架橋可能である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ポリマーが、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリウレタン、ポリカーボネートウレタン、超高分子量ポリエチレン、ポリアクリル酸、コラーゲン、キトサン、ヒアルロン酸およびその他の合成または天然ポリマーからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ポリマーの濃度が約１０％〜約４０％の範囲である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記架橋が１以上の凍結／解凍サイクル、化学剤への曝露、またはＵＶ光への曝露によって行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記凍結／解凍サイクルが
ａ．温度を約０．５℃／分の速度で約−２０℃までランピングするステップと、
ｂ．前記ポリマーを約‐２０℃で約４〜約２４時間凍結させるステップと、
ｃ．温度を約０．５℃／分の速度で約２０℃までランピングするステップと、
ｄ．前記ポリマーを約２０℃で約４〜約１２時間解凍するステップと、を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ポリマーが、追加のポリマー、冷却ゲル、またはヒドロゲル、剛性多孔質ベース、天然組織、またはそれらの組み合わせに付着またはつなげられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法によって製造される人工整形外科軟部組織。
【請求項１３】
ａ．金型を半球状容器内に配置するステップであって、前記金型は、中央ポストの周りのリーフレットカラーによって一緒に保持されるときに半球を構成する少なくとも４つのリーフレットを含み、
ｂ．液体ポリマーを前記容器内に注ぐステップであって、前記容器は前記金型を囲み、
ｃ．前記ポリマーを部分的に架橋するステップと、
ｄ．前記容器から前記金型およびポリマーを取り外すステップと、
ｅ．前記金型および前記ポリマーをエキスパンダ上に配置するステップであって、前記エキスパンダが、前記金型の前記中央ポストがねじ込まれる中央ねじ込みチャネルを含み、
ｆ．前記エキスパンダ上の前記ポリマーと共に前記金型を前進させるステップと、
ｇ．前記エキスパンダが前記金型およびポリマーを徹底的に膨張させている間に前記ポリマーを架橋するステップと、
ｈ．前記金型から前記ポリマーを取り外すステップと、を含む、軟骨を作製、製造、および／または生産する方法。
【請求項１４】
前記ポリマーがポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ポリマーの濃度が約２０％である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記架橋が、１以上の凍結／解凍サイクル、化学剤への曝露、またはＵＶ光への曝露によって行われる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記凍結／解凍サイクルが
ａ．温度を約０．５℃／分の速度で約‐２０℃までランピングするステップと、
ｂ．前記ポリマーを約‐２０℃で約４〜約２４時間凍結させるステップと、
ｃ．温度を約０．５℃／分の速度で約２０℃までランピングするステップと、
ｄ．前記ポリマーを約２０℃で約４〜約１２時間解凍するステップと、を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ステップｃの前記部分的架橋が、１凍結／解凍サイクルまたは約１０〜約３０秒間のＵＶ光への曝露によって行われる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
ステップｇの前記架橋が、５凍結／解凍サイクルまたは約６０分間のＵＶ光への曝露によって行われる、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
請求項１３に記載の方法によって製造される人工軟骨。
【請求項２１】
ａ．液体ポリマーが出口ポートから流れ始めるまで、前記液体ポリマーを金型の入口ポートに注入するステップであって、前記金型は前記ポリマーの所望の形状であり、入口ポート、出口ポート、前記ポリマーのための領域、および少なくとも１つの剛性多孔質ベースのための領域を有し、かつ少なくとも１つの剛性多孔質ベースを含み、
ｂ．前記ポリマーを部分的に架橋させるステップと、
ｃ．前記少なくとも１つの剛性多孔質ベースに付着した前記ポリマーを前記金型から取り外すステップと、
ｄ．前記部分的に架橋されたポリマーおよび前記少なくとも１つの剛性多孔質ベースを、少なくとも１つのネジ、クランク、およびポストを含むローディングフレーム内に配置するステップと、
ｅ．前記剛性多孔質ベースを前記ローディングフレームにおける前記ネジに固定するステップと、
ｆ．前記ローディングフレームの前記クランクを時計回りに回して、前記クランクに向かって前記剛性多孔質ベースを移動させて、次に前記ポストに対して前記ポリマーを押し付けるステップと、
ｇ．前記ポリマーを架橋させるステップと、
ｈ．前記ローディングフレームから前記ポリマーを取り外すステップとを含むことができる、ステップを含む、半月板を作製、製造および／または生産する方法。
【請求項２２】
前記ポリマーがポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ポリマーの濃度が約２０％である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記架橋が、１以上の凍結／解凍サイクル、化学剤への曝露、またはＵＶ光への曝露によって行われる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記凍結／解凍サイクルが、
ａ．温度を約０．５℃／分の速度で約−２０℃までランピングするステップと、
ｂ．前記ポリマーを約−２０℃で約４〜約２４時間凍結させるステップと、
ｃ．温度を約０．５℃／分の速度で約２０℃までランピングするステップと、
ｄ．前記ポリマーを約２０℃で約４〜約１２時間解凍するステップと、を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ステップｂの部分的架橋が、１凍結／解凍サイクルまたは約１０〜約３０秒間のＵＶ光への曝露によって行われる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記ステップｇの架橋が、５凍結／解凍サイクルまたは約６０分間のＵＶ光への曝露によって行われる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
請求項２１に記載の方法によって製造される人工半月板。
【請求項２９】
ａ．少なくとも１つのリーフレットであって、リーフレット圧縮バネロッドおよび引張バネを含み、
ｂ．リーフレットカラーと、
ｃ．少なくとも１つの圧縮バネ管を備えた中央ポストであって、圧縮バネ管の数はリーフレットの数に対応する、請求項１３に記載の方法を実施するための金型。
【請求項３０】
前記金型が４つのリーフレットを含み、前記リーフレットが前記中央ポストから径方向に向かって組み立てられ、前記リーフレットカラーによって一緒に保持される、請求項２９に記載の金型。
【請求項３１】
金型の中央ポストがねじ込まれるねじ込みチャネルを含む、請求項１３に記載の方法を実施するためのエキスパンダ。
【請求項３２】
請求項３０に記載の金型、請求項３１に記載のリーフレットエキスパンダ、および組み立てられた金型を保持する半球状容器を含む、人工軟骨を作製、製造および／または生産するためのキット。
【請求項３３】
架橋性ポリマーおよび説明書をさらに含む、請求項３２に記載のキット。
【請求項３４】
入口ポート、出口ポート、ポリマーを保持するための領域、および少なくとも１つの剛性多孔質ベースを保持するための領域を含み、前記金型が、凍結温度、温度変化、化学架橋剤、およびＵＶ光への曝露に耐えることができる、請求項２１に記載の方法を実施するための金型。
【請求項３５】
ベース、ポスト、クランク、少なくとも１つのウォーム、少なくとも１つのウォームギア、および少なくとも１つのネジを含む、請求項２１に記載の方法を実施するためのローディングフレーム。
【請求項３６】
請求項３４に記載の金型および請求項３５に記載のローディングフレームを含む、人工半月板を作製、製造および／または生産するためのキット。
【請求項３７】
架橋性ポリマー、少なくとも１つの剛性多孔質ベース、および説明書をさらに含む、請求項３６に記載のキット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１７年１０月１９日に出願された米国特許出願第６２／５７４，５２４号に対する優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、合成ポリマーおよび天然ポリマーを使用して、軟骨、半月板、線維輪、および腱／靭帯を含む人工整形外科軟部組織を作製、製造および／または生産する改善された方法に関する。この方法により、線維が天然に存在する組織と同じくまたはほぼ同じく整列した人工軟部組織がもたらされる。
【０００３】
本発明はまた、本発明の方法を実施するための金型および他の装置を含む。
【背景技術】
【０００４】
関節負荷は、体内の組織の発達および特性において重要な役割を果たしている。これが最も明白な１つの場所は軟骨の細胞外マトリックスであり、組織の深さに亘ってコラーゲン線維配列の異なるゾーンが存在する。軟骨は、３つのゾーン、すなわち、組織の約１０〜２０％である骨から最も遠い表面接線ゾーン、組織の約４０〜６０％である中間ゾーン、および組織の約３０％である深いゾーン、から構成されている。この配列を再生することを試みて生理的な力が適用されているが、今まで、この構造を完全に再現することに成功していない。出生後の軟骨の観察により、負荷が加えられる前にその場でこの規定された構造の発生が示され、他の制約が構造を推進している可能性が開かれた。そのような要因の１つは、出生後の急速な細胞成長と成熟である。
【０００５】
本発明は、これらの観察を使用して、天然組織を模倣する人工軟骨および他の整形外科軟部組織を生成する。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、部分的に架橋されたポリマーに力を加えることと、人工整形外科軟部組織の線維配向が天然に存在する整形外科軟部組織の線維配向を模倣または再現できるようにする条件下でかつその時間の間、力を加えながらポリマーを架橋させることとを含む、人工整形外科軟部組織を作製、製造および／または生産する新規方法を提供することによって、当該技術における課題を克服する。
【０００７】
いくつかの実施形態では、整形外科軟部組織は軟骨であり、軟骨は関節である。
【０００８】
さらなる実施形態では、整形外科軟部組織は、半月板、線維輪、または腱／靭帯である。
【０００９】
いくつかの実施形態では、整形外科軟部組織は独立している。いくつかの実施形態では、整形外科軟部組織が、別の冷却ゲル、ポリマー、またはヒドロゲル、多孔質ＰＥＥＫまたは多孔質チタンなどの材料からなる少なくとも１つの剛性多孔質ベース、および／または天然組織に付着される。
【００１０】
いくつかの実施形態では、本発明は、
ａ．金型の表面上にポリマーの均一な層を配置するステップであって、金型は半球として成形され、
ｂ．ポリマーを部分的に架橋するステップと、
ｃ．部分的に架橋されたポリマーおよび金型をエキスパンダ上に配置するステップであって、エキスパンダは半球として成形され、金型上のポリマーを径方向に膨張させることができ、
ｄ．エキスパンダがポリマーを径方向に膨張させている間にポリマーを架橋するステップと、
ｅ．金型からポリマーを取り外すステップと、を含む人工軟骨を作製、製造および／または生産する方法を提供する。
【００１１】
いくつかの実施形態では、本発明は、
ａ．ネガティブ金型でポリマーを成形するステップであって、金型は、ポリマーを注入するための入口ポート、ポリマーを含む領域、および少なくとも１つの剛性多孔質ベースのための領域を含み、
ｂ．ポリマーを部分的に架橋するステップと、
ｃ．ポリマーおよび少なくとも１つの剛性多孔質ベースを金型から取り外すステップと、
ｄ．部分的に架橋されたポリマーと少なくとも１つの剛性多孔質ベースをローディングフレーム上に配置するステップであって、ローディングフレームは、ポストと、ポリマーおよび剛性多孔質ベースを所定の位置に保つための少なくとも１つのネジと、ポリマーに力を加えるクランクとを含み、
ｅ．ポリマーを架橋するステップと、
ｆ．ポリマーおよび剛性多孔質ベースをローディングフレームから取り外すステップと、を含む、人工半月板を作製、製造および生産する方法を提供する。
【００１２】
いくつかの実施形態では、ポリマーは架橋可能であり、ポリ（ビニルアルコール）、ポリウレタン、ポリカーボネートウレタン、超高分子量ポリエチレン、ポリアクリル酸、コラーゲン、キトサン、ヒアルロン酸またはその他の合成または天然のポリマーを含むが、それらに限定されるものではない。
【００１３】
いくつかの実施形態では、架橋は、１つ以上の凍結／解凍サイクル、化学架橋剤の適用、および／またはＵＶ光曝露によって行われる。
【００１４】
本発明はまた、本明細書に記載の方法によって作製、製造および／または生産される人工整形軟部組織を提供する。
【００１５】
本発明はまた、この方法を実施するための金型、エキスパンダおよび他の装置を提供する。
【００１６】
本発明はキットも提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
本発明を例示する目的で、本発明の特定の実施形態を図面に示す。ただし、本発明は、図面に示された実施形態の正確な配置および手段に限定されない。
【００１８】
【図１】人工関節整形外科軟部組織を作製、製造または生産するときにポリマーに力を加える模式図である。図１Ａは、軟骨を再生するために加えられる力を示す。図１Ｂは、半月板を再生するために加えられる力を示す。図１Ｃは、線維輪を再生するために加えられる力を示す。図１Ｄは、腱と靭帯を再生するために必要な力を示す。
【図２】人工軟骨の作製、製造、生産に使用するための例示的な金型を示す。図２Ａは、金型の垂直断面図である。図２Ｂは、例示的な金型が内部にある例示的な容器を示す。
【図３】人工軟骨の作製、製造、生産に使用する例示的なエキスパンダを示す。
【図４】金型を構成する４つのユニットで径方向の力を使用して人工軟骨を作製、製造、または生産するために使用する例示的な金型を示す。図４Ａは、金型の構成要素の分解図である。図４Ｂは、組み立てられた金型の断面図である。
【図５−１】本発明の人工軟骨が、天然に存在する軟骨と線維配列が類似していることを示す。図５Ａは、３つの異なる層を示す膨張後のポリマーの８ｍｍの生検パンチである。図５Ｂは、偏光下で画像化された位置を示す赤いボックスが付いた膨張ポリマーの断面図である。図５Ｃは、上層と下層で高複屈折を示す膨張ポリマーの偏光画像である。図５Ｄは、生まれたばかりのブタの関節軟骨からの軟骨の複屈折パターンの代表画像である。
【図５−２】同上。
【図６−１】人工半月板の作製、製造、または生産に使用する例示的な金型を示す。図６Ａは金型の平面図である。図６Ｂは、金型の側面断面図である。図６Ｃは、金型から取り外した後のポリマーおよび剛性多孔質ベースである。図６Ｄは、金型から取り外した後のポリマーの断面図である。
【図６−２】同上。
【図７−１】人工半月板の作製、製造、または生産に使用される例示的なローディングフレームを示す。図７Ａは、ローディングフレームの平面図である。図７Ｂは、ローディングフレームの側面図である。図７Ｃは、クランクの回転を示すローディングフレームの平面図である。図７Ｄは、ローディングフレームを使用したときにポリマーに加えられる力を示す。
【図７−２】同上。
【図８】人工半月板の厚さ１００μｍのスライスの偏光画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
定義
本明細書で使用される用語は、一般に、本発明の文脈および各用語が使用される特定の文脈内で、当該技術分野におけるそれらの通常の意味を有する。特定の用語は、本発明の方法およびそれらの使い方を説明する際の追加の指針を実施者に提供するために、以下または本明細書の他の部分で論じられる。さらに、当然のことながら、同じことでも複数の言い方がある。したがって、本明細書で論じられるいずれか１以上の用語に対して代替の言語および同義語を使用してもよいし、用語を本明細書で詳述または論じるかどうかに特別な意義を置くことはない。特定の用語の同義語は与えられている。１以上の同義語の記載により、他の同義語の使用を除外することはない。本明細書で論じられる用語の例を含む、本明細書のどこかにおける例の使用は実例のみであり、本発明または例示される用語の範囲および意味を決して限定しない。同様に、本発明はその好ましい実施形態に限定されない。
【００２０】
「約」または「およそ」という用語は、当業者によって決定される特定の値の許容誤差範囲内であることを意味し、これは値の測定または決定方法、すなわち、測定システムの制限、すなわち、医薬製剤などの特定の目的に必要な精度にある程度依存する。例えば、「約」は、当技術分野の慣行により、１標準偏差内または１標準偏差超を意味し得る。あるいは、「約」は所与の値の２０％まで、好ましくは１０％まで、より好ましくは５％まで、さらにより好ましくは１％までの範囲を意味し得る。あるいは、特に生物学的システムまたはプロセスに関して、この用語は、値の１桁違い以内、好ましくは５倍以内、より好ましくは２倍以内を意味し得る。本出願および特許請求の範囲に特定の値が記載されている場合、特に明記しない限り、特定の値の許容誤差範囲内を意味する「約」という用語と考えるのが妥当である。
【００２１】
「ポリマー」という用語は、多くの場合、共有化学結合によって結び付けられた繰返し構造単位で構成される大きな分子を意味する。ポリマーは天然または合成であり得る。
【００２２】
「冷却ゲル」という用語は、例えば１〜１０サイクルの反復凍結／解凍サイクルにより架橋されるポリマー材料を意味する。
【００２３】
上記で論じたように、天然に存在する組織の線維配列を再現または模倣する軟骨および他の整形外科軟部組織を人工的に作り出すことは、今まで成功がない。軟骨における細胞の急速な成長および成熟は軟骨構造の発達における要因であり、細胞が分裂して成熟するにつれ、軟骨にかかる力が、軟骨におけるコラーゲン、すなわち線維の成長および配列に影響すると仮定された。
【００２４】
この概念を使って、ポリマーが架橋されている間にポリマーに例えば、圧縮、引張などの力を加える方法およびシステムが作られた。これらの方法およびシステムにより、軟骨を含む天然に存在する整形外科軟部組織を再現または模倣する人工軟骨および他の整形外科軟部組織（図５参照）および天然に存在する半月板を再現または模倣する人工半月板（図８参照）がもたらされる。
【００２５】
人工軟部整形外科組織の作製、製造、および／または生産方法
部分架橋冷却ゲル、化学架橋ポリマー、およびＵＶ架橋ポリマーにおいて複数の方向に力を加える現在の本発明の方法は、様々な人工整形外科軟部組織の線維配列を模倣するために使用でき、軟骨（図１Ａ）、半月板（図１Ｂ）、線維輪（図１Ｃ）、および腱／靭帯（図１Ｄ）を含むがこれらに限定されない、様々な人工整形外科軟部組織の作製、製造および／または生産に使用できる。本発明の方法は、冷却ゲルおよび架橋性ポリマー、ならびに別の冷却ゲル／ポリマーおよび／または多孔質ＰＥＥＫまたは多孔質チタンなどの少なくとも１つの剛性多孔質ベースに付着したものに対して独立して実施することができる。
【００２６】
図１に示すように、作製される整形外科軟部組織の種類に応じて、部分的または完全にポリマーを架橋しながら、ポリマーには様々な力が必然的に加えられる。
【００２７】
図１Ａは、ポリマーを架橋し、関節を含む人工軟骨を作製、製造、および／または生産するときに加えることができる力を示している。これらの力には、ポリマーの下に加えられる径方向の力（ＦＲ）、およびポリマーの表面に引張をかつポリマーの基部に圧縮を生じさせる力が含まれる。実施例２で例示する方法は、ポリマーを架橋しながらこれらの力を使用して、天然軟骨と同様の線維配列を有する人工軟骨をもたらす（図５）。
【００２８】
図１Ｂは、ポリマーを架橋し、設計された半月板を作製、製造、および／または製造するときに加えることができる力を示している。これらの力には、周方向（ＦＣ）、Ｙ（ＦＹ）およびＺ（ＦＺ）方向の力、および引力および圧縮が含まれる。さらに、人工半月板を作製するとき、ポリマーを少なくとも１つの剛性多孔質ベースに取り付けることができる。実施例４に例示する方法は、ポリマーを架橋しながらこれらの力を使用して、天然の半月板と同様の線維配列を有する人工半月板をもたらす（図８）。
【００２９】
図１Ｃは、ポリマーを架橋し、ねじり（Ｆτ）およびＺ方向の力（ＦＺ）を含む、人工線維輪を作製、製造、および／または生産するときに加えられる力を示す。
【００３０】
図１Ｄは、ポリマーを架橋し、ねじり（Ｆτ）およびＺ方向の力（ＦＺ）を含む人工腱および靭帯を作製、製造、および／または生産するときに加えられる力を示す。さらに、人工腱および靭帯を作製するとき、ポリマーを少なくとも１つの多孔質ベースに取り付けることができる。
【００３１】
上記のすべての方法では、使用するポリマーは架橋性であり、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリウレタン、ポリカーボネートウレタン、超高分子量ポリエチレン、ポリアクリル酸、コラーゲン、キトサン、ヒアルロン酸またはその他の合成または天然ポリマーを含む必要があるが、これらに限定されない。ＰＶＡは好ましいポリマーである。
【００３２】
これらの方法のすべてでは、架橋は、１以上の凍結／解凍サイクル、化学架橋、および／またはＵＶ光曝露により行われる。
【００３３】
これらの方法のすべてにおいて、凍結／解凍のための好ましい方法は、温度を約０．５℃／分の速度で約−２０℃までランピングすること、ポリマーを約−２０℃で約４〜約２４時間、好ましくは２０時間凍結して、その後温度を約０．５℃／分の速度で約２０℃までランピングすること、ポリマーを約２０℃で約４〜約１２時間、好ましくは４時間、解凍すること、とを含む。やはり、これは当業者によって変えることができる。凍結および／または解凍の両方の時間数は、サイクル数および歪み量と同様に変えることができる（表１参照）。
【００３４】
これらのすべての方法では、ＵＶ架橋の好ましい方法は、３０℃で液体ポリマーと共に４０５ｎｍレーザを使用してポリマーを部分的に架橋し、反応性基の６０％を架橋することである。この方法は、ネガティブ金型を使用するか、ステレオリソグラフィ３Ｄ印刷によって実行できる。歪み量および歪みサイクル数は、最終構造を達成するために変えることができる。
【００３５】
これらのすべての方法では、化学的架橋の好ましい方法は、約０．５時間〜約２時間、１０％のホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、またはグルタルアルデヒドのいずれかでポリマーを部分的に架橋することである。やはり、これは当業者によって変えることができる。化学的架橋剤の濃度と曝露時間の両方を変えることができる。
【００３６】
さらに、以下のパラメータも変化させて、ポリマー線維配列の量を決定することができ、所望の線維配列を有する所望の人工軟部整形外科組織を得るためにパラメータを変える方法を決定することは当該技術の範囲内にある。
【００３７】
表１−人工軟部整形外科組織の作製におけるポリマー線維配列のパラメータ
【表１】
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歪みサイクル＝ポリマーが延伸される回数。例えば、一般にポリマーは最初の凍結／解凍サイクルの後に１回だけ延伸されるが、ポリマーは、２回目の凍結／解凍サイクルの後に再び延伸されることもあり、より整列した線維を生成できる。
歪みの割合（％）＝元の形状からのポリマーの変形の割合（％）
歪み率＝望ましい歪みの割合（％）に達するまでゆっくり時間を掛けて加えられた歪みの割合（％）
【００３８】
人工軟骨の作製、製造および／または生産のための方法およびシステム
図１Ａは、ポリマーを架橋し、関節を含む人工軟骨を作製、製造および／または生産するときに加えることができる力を示す。
【００３９】
径方向の力を使用して軟骨を作製、製造または生産し、かつ引張力と圧縮力を生成する方法（図１Ａ参照）は、
ａ．金型２００を半球状容器３００内に配置するステップであって、金型２００は半球状の形状であり、少なくとも１つ、好ましくは４つなどの複数のリーフレット２１０と、リーフレットの自由端を受け入れかつ囲むリーフレットカラー２２０とを含み、
ｂ．容器３００内に液体ポリマーを注入するステップであって、容器３００は金型２００を囲み、
ｃ．ポリマーを部分的に架橋して、ポリマー構造１００を形成するステップと、
ｄ．容器３００から金型２００およびポリマー１００を取り外し、リーフレットカラー２２０を取り外すステップと、
ｅ．金型２００およびポリマー１００をエキスパンダ４００上に配置するステップであって、エキスパンダは、金型２００の中央ポスト２３０がねじ込まれる中央ねじ込みチャネル４１０（エキスパンダ４００の中央ボス／突起において画定される）を含む、ステップと、
ｆ．所望の膨張に達するまで、エキスパンダ４００を中央ポスト２３０にねじ込むことにより、表面上の金型２００のポリマー１００と共に金型２００に向かってエキスパンダ４００を進める（金型の径方向膨張は、金型の構成のために可能である）ステップと、
ｇ．エキスパンダ４００が金型２００およびポリマー１００を径方向に膨張させた後、ポリマー１００を架橋するステップと、
ｈ．金型からポリマーを取り外すステップと、を含むことができる（図２および３参照）。
【００４０】
いくつかの実施形態では、ステップｂにおける部分的架橋は、約１〜約３サイクル、好ましくは１凍結／解凍サイクルによって、または約１０秒〜約３０秒間のＵＶ露光によって、または化学的架橋剤への曝露によって行われる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、ステップｄにおける架橋は、約３〜約５サイクル、好ましくは５凍結／解凍サイクルによって、または好ましくは約１５分〜約６０分のＵＶ光曝露によって、または化学的架橋剤への曝露によって行われる。
【００４２】
いくつかの実施形態では、リーフレットエキスパンダは、好ましくは約１ｍｍ〜約５ｍｍだけ中央ポストの上方に前進される。歪み速度および最終な歪みの割合を変えるためにエキスパンダの半径を変えることができ、エキスパンダの好ましい半径は約２５ｍｍ〜約１００ｍｍである。
【００４３】
軟骨を作製、製造または生産するためのシステムは、金型２００、容器３００、エキスパンダ４００、およびポリマー１００を含み得る。さらに、システムは、凍結／解凍またはＵＶ光または化学的架橋剤のいずれかによってポリマーを架橋するサブシステムを含み得る。
【００４４】
上記の方法およびシステムのすべてでは、使用されるポリマーは架橋性であり、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリウレタン、ポリカーボネートウレタン、超高分子量ポリエチレン、ポリアクリル酸、コラーゲン、キトサン、ヒアルロン酸またはその他の合成または天然ポリマーが含む必要があるが、これらに限定されない。ＰＶＡは好ましいポリマーである。ポリマーの濃度は、約１０％〜約４０％の範囲であり、２０％が理想的である。ポリマーは液体状態であることが好ましい。
【００４５】
これらの方法のすべてにおいて、凍結／解凍の好ましい方法は、温度を約０．５℃／分の速度で約−２０℃までランピングし、ポリマーを約−２０℃で約４〜約２４時間、好ましくは２０時間凍結し、次いで温度を約０．５℃／分の速度で２０℃までランピングし、ポリマーを約２０℃で約４〜約１２時間、好ましくは４時間解凍することを含むものである。やはり、これは当業者によって変えることができる。凍結および／または解凍の両方の時間数は、サイクル数および歪み量と同様に変えることができる（表１参照）。
【００４６】
この方法の理想的なパラメータは、表１の軟骨の列に見られる。
【００４７】
当然のことながら、エキスパンダ４００以外の他の種類の装置は、本明細書に記載の様式でポリマーに標的とする力を加えるために使用することができる。
【００４８】
人工軟骨の作製、製造および／または生産する方法のための金型およびエキスパンダ
本発明のさらなる態様は、径方向の力を使用して人工関節軟骨を作製、製造および／または生産する方法で使用される独特の金型およびエキスパンダである。
【００４９】
図２Ａに示す一実施形態では、金型は、リーフレット圧縮バネロッド２４０および引張バネ２６０を含む少なくとも１つのリーフレット２１０と、リーフレットカラー２２０と、少なくとも１つの圧縮バネ管２５０（バネロッド２４０が配置される多数の外側に延びるアームを有する）を含む中央ポスト２３０から成る。
【００５０】
図４に示す一実施形態では、図示の金型２００は、各々がリーフレット２１０と、リーフレット圧縮バネロッド２４０と、径方向に組み立てられ、リーフレットカラー２２０によって互いに保持されて、半球状である金型を形成する引張バネ２６０（バネ管２５０もバネ２６０の一端に取り付けるようにも構成される一方、バネ２６０の他端は、リーフレットに付勢力を加えるようにリーフレット２１０に連結されている）とを含む４つのリーフレットユニットで構成されている。カラー２２０は、弁尖の底部を受ける環状溝を有する。図２Ｂも参照のこと。
【００５１】
金型は、半球状リーフレットエキスパンダ４００と組み合わせて使用される。
【００５２】
図３に示すエキスパンダの一実施形態では、エキスパンダ４００は、金型２００をエキスパンダ４００に結合するために、金型の中央ポスト２３０がねじ込み式に受けられるねじ込みチャネル４１０を含む。
【００５３】
金型２００およびエキスパンダ４００は、テフロン（登録商標）、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫ、ポリカーボネートまたはＵＬＴＥＭから、従来の製造方法を使用して作製でき、ポリカーボネートが好ましい材料である。３Ｄ印刷などのより新しい技術を使用して金型を製造することもできる。
【００５４】
さらに、金型２００およびエキスパンダ４００は、凍結温度、温度変化、化学架橋剤、およびＵＶ光への曝露に耐えることができる材料からなり得る。
【００５５】
各リーフレット２１０は、約１０ｍｍ〜約５０ｍｍの好ましい半径で作製されている。エキスパンダ４００は、約２５ｍｍ〜約１００ｍｍの好ましい半径で作製されている。半球状容器の内径を変えて、金型の表面に異なる厚さ、好ましくは約１１ｍｍ〜約６０ｍｍのポリマーを形成することができる。
【００５６】
人工半月板を作製、製造および／または生産するための方法およびシステム
図１Ｂは、ポリマーを架橋し、人工半月板を作製、製造および／または生産するときに加えることができる力を示している。
【００５７】
Ｘ、ＹおよびＺ方向の力ならびに引張および圧縮（図１Ｂ参照）を使用して半月板を作製、製造、または生産する方法は、
ａ．液体ポリマーが金型５００の出口ポート５２０から流れ始めるまで、金型５００の入口ポート５１０に液体ポリマーを注入するステップであり、金型５００は、ポリマーの所望の形状であり、入口ポート５１０、出口ポート５２０、ポリマー１００のための領域（キャビティ）５３０および剛性多孔質ベース６００のための領域（キャビティ）５４０を有し、
ｂ．ポリマー１００を部分的に架橋するステップと、
ｃ．金型５００から各端部（図６Ｃ参照）における剛性多孔質ベース６００に付着された部分的に架橋されたポリマー１００を取り除くステップと、
ｄ．部分的に架橋されたポリマー１００および剛性多孔質ベース６００をローディングフレーム７００内に配置するステップと、
ｅ．止めネジ７２０を使用して、ローディングフレーム７００のどちらかの側の親ネジ７１０に剛性多孔質ベース６００を固定する（例えば、図７Ｄは、対応する穴に受け入れられる下向きに延びる突起（ピン）を含む１つのベース６００を示す）ステップと、
ｆ．ローディングフレーム７００のクランク７３０を時計回り（第１の方向）に回転させて、剛性多孔質ベース６００をクランク７３０に向けて移動させる（図７Ｃの矢印で示すように）ステップであり、これにより、次に部分的に架橋されたポリマー１００の端部に引張力をもたらし、径方向（Ｆｙ）、軸方向（Ｆｚ）、周方向（Ｆｃ）の圧縮力および引力（図７Ｃおよび７Ｄを参照のこと）を生成するポスト７４０に対してポリマー１００を押し付け（図示しているように、ポリマーを引っ張ってポスト７４０に接触させることにより、ポリマーがポスト７４０の一端に巻き付き、その側面に沿って延びる）、
ｇ．ポリマー１００を架橋するステップと、
ｈ．ローディングフレーム７００からポリマー１００を取り外すステップと、を含むことができる（図６および７参照）。
【００５８】
いくつかの実施形態では、ステップｂにおける部分的架橋は、約１〜約３サイクル、好ましくは１凍結／解凍サイクルによって、または１０〜３０秒のＵＶ光曝露によって、または化学架橋剤への曝露によって行われる。
【００５９】
いくつかの実施形態では、ステップｄにおける架橋は、約３〜約５サイクル、好ましくは５凍結／解凍サイクルによって、または好ましくは約１５分〜約６０分のＵＶ光曝露によって、または化学的架橋剤への曝露によって行われる。
【００６０】
架橋ステップｇは、ポリマーが約２０％〜約５０％、好ましくは３０％の歪みに引き伸ばされた後に実行される。
【００６１】
半月板を作製、製造、または生産するシステムは、金型５００、ローディングフレーム７００、少なくとも１つの剛性多孔質ベース６００、およびポリマー１００を含み得る。さらに、システムは、ポリマーを注入し、凍結／解凍またはＵＶ光によってまたは化学的架橋剤への曝露によってポリマーを架橋するためのサブシステムを含み得る。
【００６２】
上記の方法およびシステムのすべてでは、使用されるポリマーは架橋性であり、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリウレタン、ポリカーボネートウレタン、超高分子量ポリエチレン、ポリアクリル酸、コラーゲン、キトサン、ヒアルロン酸または任意の他の合成または天然ポリマーを含む必要があるが、これらに限定されない。ＰＶＡは好ましいポリマーである。ポリマーの濃度は、約１０％〜約４０％の範囲であり、２０％が理想的である。理想的には、ポリマーは液体状態である必要がある。
【００６３】
ポリマーは、シリンジで金型５００の入口ポート５１０内に注入することができる。
【００６４】
これらの方法のすべてにおいて、凍結／解凍の好ましい方法は、温度を約０．５℃／分の速度で約−２０℃までランピングすること、ポリマーを約−２０℃で約４〜約２４時間、好ましくは２０時間凍結し、その後、温度を約０．５℃／分の速度で約２０℃までランピングすること、ポリマーを約２０℃で約４〜約１２時間、好ましくは４時間解凍すること、とを含む。やはり、これは当業者によって変えることができる。凍結および／または解凍の両方の時間数は、サイクル数と同様に変えることができる（表１参照）。
【００６５】
この方法の理想的なパラメータは表１の半月板の列に見られる。
【００６６】
当然のことながら、ローディングフレーム７００以外の他の種類の装置を使用して、本明細書に記載の様式でポリマーに目標とした力を加えることができる。
【００６７】
人工半月板の作製、製造および／または生産する方法のための金型およびローディングフレーム
本発明のさらなる態様は、人工半月板を作製、製造および／または生産する方法で使用される独特の金型およびローディングフレームである。
【００６８】
図６に示す一実施形態では、金型５００は、入口ポート５１０、出口ポート５２０、ポリマー１００を保持するためのウェル５３０、および剛性多孔質ベース６００のための領域５４０から構成される。
【００６９】
ポリマーが金型５００から取り外された後、ポリマー１００および剛性多孔質ベース６００が装填フレーム７００上に載置される。図７に示す一実施形態では、ローディングフレーム７００は、ベース７６０、ポスト７４０、クランク７３０、少なくとも１つのウォーム７５０、少なくとも１つのウォームギア７７０、少なくとも１つの止めネジ７２０、および少なくとも１つの親ネジ７１０から構成される。ウォーム７５０およびウォームギア７６０は、ベース６００が止めネジ７２０に固定（定着）される（次に止めネジ７１０に結合される）ため、剛性多孔質ベース６００に運動を与えるように、クランク７３０の回転に基づいてネジ７２０の制御された動きを引き起こす機械的手段である。
【００７０】
金型は、テフロン（登録商標）、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫ、ポリカーボネートまたはＵＬＴＥＭから、従来の製造方法を使用して作製され得、ポリカーボネートが好ましい材料である。金型は、３Ｄ印刷などの新しい技術を使用して製造することもできる。
【００７１】
さらに、金型およびローディングフレームは、凍結温度、温度変化、化学的架橋剤、およびＵＶ光への曝露に耐えることができる材料からなり得る。
【００７２】
金型は、幅が約５ｍｍ〜約２０ｍｍ、高さが約３〜約８ｍｍ、長さが約７０ｍｍ〜約１００ｍｍの三角形のキャビティを収容するために作成され得る。ローディングフレームは、約５ｍｍ〜約１５ｍｍの半径、および約１０％〜約５０％の歪みをポリマーに付与する能力を有するポストを含み得る。
【００７３】
人工整形外科軟部組織
本発明はまた、本明細書に開示している方法およびシステムによって作製、製造および／または生産される人工整形外科軟部組織を提供する。
【００７４】
一実施形態では、人工整形外科軟部組織は軟骨であり、表面接線ゾーン、中間ゾーン、および深いゾーンを含む天然に存在する軟骨の線維配列を有している。図５を参照のこと。
【００７５】
さらなる実施形態では、人工整形外科軟部組織は半月板であり、天然に存在する軟骨の線維配列を有している。図８を参照のこと。いくつかの実施形態では、人工半月板は、少なくとも１つの剛性多孔質ベースに取り付けられる。
【００７６】
さらなる実施形態では、人工整形外科軟部組織は線維輪であり、天然に存在する軟骨の線維配列を有していた。いくつかの実施形態では、人工線維輪は、髄核を模倣するまたは髄核の代替物であるヒドロゲルに付着している。
【００７７】
さらに別の実施形態では、人工整形外科軟部組織は腱および靭帯であり、天然に存在する腱および靭帯の線維配列を有している。
【００７８】
いくつかの実施形態では、人工整形外科軟部組織を単独で使用して、生体組織、より具体的には筋骨格組織、より具体的には整形外科軟部組織の欠損および／または損傷を治療、修復および／または置換する。
【００７９】
いくつかの実施形態では、人工整形外科軟部組織は、生体組織、より具体的には整形外科軟部組織および骨などの剛性材料の両方を含む筋骨格組織の欠損および／または損傷を治療、修復および／または置換するために、少なくとも１つの剛性多孔質ベースと組み合わせてまたはそれに取り付けられて使用される。
【００８０】
いくつかの実施形態では、人工整形外科軟部組織は、機械的付着（すなわち、縫合、ネジ、または剛性材料）、化学的付着（すなわち、ホルムアルデヒド、グルタルアルデヒド）、またはＵＶ付着（すなわち、ポリマーとレドックス試薬のメタクリル化）によって別のポリマーもしくは天然組織と組み合わせてまたはそれらに付着させて使用される。
【００８１】
さらなる実施形態では、人工整形外科軟部組織を追加のポリマー、ヒドロゲルまたは冷却ゲルと組み合わせて使用して、生体組織、より具体的には筋骨格組織の欠損および／または損傷を治療、修復および／または置換する。
【００８２】
キット
本発明はまた、人工軟骨を作製、製造および／または生産する新規な方法を実施するために必要な材料を含むキットを提供する。
【００８３】
一実施形態では、キットは、人工軟骨を作製、製造および／または生産するための本発明の金型２００およびリーフレットエキスパンダ４００を含む。
【００８４】
別の実施形態では、キットは、人工半月板を作製、製造および／または生産するための本発明の金型５００およびローディングフレーム７００を含む。
【００８５】
さらなる実施形態では、キットは、ポリマーと、必要に応じて剛性多孔質ベースとを含む、方法用出発材料を提供する。
【００８６】
いくつかの実施形態では、説明書がキットに含まれている。その説明書は、、様々な構成要素との金型及びエキスパンダまたはローディングフレームの組立、ならびに時間、温度およびサイクル数を含む凍結および解凍、化学物質濃度および曝露時間、または紫外線への曝露のいずれかによるポリマーの架橋についてのパラメータに関する情報を含み得る。
【実施例】
【００８７】
本発明は、本発明の好ましい実施形態をより十分に説明するために提示される以下の非限定的な実施例を参照することにより、よりよく理解され得る。それらは、決して本発明の広い範囲を制限するものと解釈されるべきではない。
【００８８】
実施例１−放射状の力を使用して人工軟骨を作製するための金型の組み立て
この方法で使用する金型は４つのリーフレットを含む。この方法の最初のステップは、４つのリーフレットを１つの半球状金型内の径方向に向けて組み立てることである。
【００８９】
図２および４に示すように、４つのリーフレットユニットは、径方向に組み立てられ、リーフレットカラー２２０によって一緒に保持されてるリーフレット２１０、リーフレット圧縮バネロッド２４０、および引張バネ２６０を含み、半球である金型を形成する（図２）。金型を組み立てるために、各リーフレット２１０は、中央ポスト２３０のチューブ２５０に取り付けられたリーフレット２４０上のロッドを介して中央ポスト２３０に取り付けられた（図５Ｂ）。次いで、リーフレットをリーフレットカラー２２０で一緒に保持した（図２Ａおよび４Ｂ）。
【００９０】
実施例２−径方向の力を使用する人工軟骨の作製
金型が組み立てられると、それは半球状容器３００内に配置された（図２Ｂ）。１０％液体ポリ（ビニルアルコール）５ｍｌが容器３００に注ぎ込まれ、金型の周りを取り囲み、金型２００の表面に均一な厚さの層を形成した。
【００９１】
次いで、液体ポリマーは、１）０．５℃／分の速度で−２０℃までランプダウンするステップと、２）−２０℃の温度に達したとき、チャンバを−２０℃に２０時間保持するステップと、その後、３）温度を０．５℃／分の速度で２０℃までランピングして、４時間保持するステップと、を伴う１凍結／解凍サイクルを受けた。これにより、ランダムに整列されたポリマー鎖で部分的に架橋されたポリマーネットワークが生成された。
【００９２】
部分的に架橋されたポリマー１００および金型２００を容器３００から取り外し、リーフレットカラー２２０を取り外した。次いで、金型２００の中央ポスト２３０を半球状リーフレットエキスパンダ４００にねじ込んだ。リーフレットエキスパンダは、半球を中央ポスト（図３）の上方に前進させるように作用し、金型２００上で鋳造されるポリマー１００を径方向に膨張させた中央ねじ込み構成要素４１０を含んでいた。膨張率は、４０％の歪みに達するまで１％／秒の歪み速度を生成するように制御された。次いで、膨張した金型は、記述されているように、残りの５凍結／解凍サイクルを受けた。
【００９３】
実施例３−金型からのＰＶＡの取り外しおよび線維配列の試験
ＰＶＡを膨張させた後、部分的に架橋したＰＶＡにおいて架橋したランダムに整列したポリマー鎖が歪みの方向に整列し、新しいランダムに架橋した鎖を生成したさらなる架橋によってそれらの歪んだ位置に固定されていた。
【００９４】
残りの架橋プロセスの完了後、ＰＶＡを金型から取り外し、水中で水和した状態を維持した。膨張後、人工軟骨は、天然に存在する軟骨に似た３つの異なる層を示している（図５Ａ）。
【００９５】
ＰＶＡの断面（図５Ｂ）を偏光光下で撮像した。ＰＶＡの１００μｍの区画は、先ず膨張および架橋されたＰＶＡをその半径に沿って８分割し、次いで滑走式ミクロトームに取り付けられた凍結ステージ上で切断エッジを含む８片の１つを凍結した。ＰＶＡスライスが完全に凍結した後、１００μｍの切片を取り、顕微鏡スライド上に置いた。次に、スライドを円偏光下で画像化して、ポリマー鎖の配列を視覚化した。
【００９６】
図５に示すように、実施例２（図５Ｃ）で作製した人工軟骨は、偏光下で区分された領域を有し、これらは天然に存在する関節軟骨（図５Ｄ）の配列に似ている。
【００９７】
実施例４−人工半月板の作製
図６Ａおよび６Ｂに示すネガティブ金型５００が、ポリマーを所望の形状に鋳造した。金型は、入口ポート５１０、出口ポート５２０、ならびにポリマー５４０およびポリマー５３０と一体化するための剛性多孔質ベースを配置するための領域からなる。
【００９８】
液体ポリマーが出口ポート５２０から流れ始めるまで、液体ＰＶＡ（２０％）をシリンジで入口ポート５１０に注入した。次いで、液体ポリマーを含む金型は、環境室に入れられ、１）０．５℃／分の速度で−２０℃までランプダウンするステップと、２）−２０℃の温度に達したとき、チャンバを−２０℃に２０時間保持するステップと、その後、３）温度を０．５℃／分の速度で２０℃までランピングして４時間保持するステップと、を伴う１凍結／解凍サイクルを受けた。１凍結／解凍サイクルの後、部分的に架橋したポリマーを金型から取り出した。図６Ｃおよび６Ｄは、ポリマーの形状および金型から取り外したときの断面を示している。
【００９９】
次いで、部分的に架橋されたＰＶＡポリマーをローディングフレーム７００に入れ、剛性多孔質ベースを、止めネジ７２０（図７Ａ）によりローディングフレームの両側の親ネジ７１０に固定した。クランクを時計回りに回して、剛性多孔質ベース６００をクランクに向かって移動させた（図７Ｃ）。これにより、部分的に架橋されたポリマー１００の端部に引張力が生じ、ポリマーに作用する径方向（Ｆｙ）、軸方向（Ｆｚ）、周方向（Ｆｃ）の力、圧縮力および引張力（図７Ｄ）を生成するポスト７４０に対してポリマー１００を押し付けた。３０％の歪みに伸ばした後、ローディングフレーム上のＰＶＡを環境室内に置き、上記のようにさらに５凍結／解凍サイクルを行った。
【０１００】
凍結／解凍サイクルが完了すると、完全に架橋したＰＶＡ冷却ゲルをローディングフレームから取り外した。
【０１０１】
厚さ１００μｍの冷却ゲルのスライスの偏光画像は、ＰＶＡ冷却ゲルの周方向配列を示している（図８）。
【図１】
2021500098.tif 000004
【図２】
2021500098.tif 000005
【図３】
2021500098.tif 000006
【図４】
2021500098.tif 000007
【図５−１】
2021500098.tif 000008
【図５−２】
2021500098.tif 000009
【図６−１】
2021500098.tif 000010
【図６−２】
2021500098.tif 000011
【図７−１】
2021500098.tif 000012
【図７−２】
2021500098.tif 000013
【図８】
2021500098.tif 000014
【国際調査報告】
2021500098.tif 000015
2021500098.tif 000016
2021500098.tif 000017