CN102266592B - 具有不同交联度的水凝胶植入体 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种水凝胶组合物及其使用方法。所述水凝胶组合物可以包含在接触时彼此反应的前体以及与引发剂接触时发生反应的前体。在实施方式中，所产生的水凝胶可以同时具有较致密和不太致密区域的不同的交联水平。

Description

具有不同交联度的水凝胶植入体

相关申请的交叉引用

本申请要求享有在2010年5月27日提交的美国临时专利申请第61/348896号的利益和优先权，将其全部公开内容在此引入作为参考。

背景技术

用于体内的水凝胶可以用于许多不同的目的。例如，水凝胶可以用作粘合剂或者密封剂。水凝胶也可以用于涂层或者植入体的形成。这种植入体或者涂层也可以包括用于局部施用的药物。

水凝胶可以从前体组分形成。这些组分可具有反应性，即所述组分在接触时彼此反应，或者通过暴露在外部的引发剂中引起它们反应，如紫外(UV)光、离子、热量、可见光、γ射线、电子束及其组合等。产生的水凝胶的特性可以限于所述特定种类的前体的特性。

有利的是形成一种水凝胶，其同时具有反应性和引发的水凝胶前体的性能。

发明概述

本公开提供了水凝胶及其制备和使用方法。本公开也提供包括这些水凝胶的设备。例如，在实施方式中，本公开的水凝胶可以用于将医疗设备附着到组织上。

在实施方式中，本公开的水凝胶组合物可以包括：第一反应性前体，其包含具有亲电子基团的多-臂聚醚；第二反应性前体，其包含亲核基团；和至少一种引发的前体，其包含至少一个乙烯基团。

在实施方式中，本公开的方法可以包括：使第一反应性前体和第二反应性前体以及包含至少一个乙烯基团的引发的前体接触；使第一反应性前体和第二反应性前体交联以形成第一水凝胶；以及将所述引发的前体暴露到引发剂中以引发所述引发的前体的交联。

在实施方式中，交联引发的前体可形成第二水凝胶。在实施方式中，第一和第二水凝胶可形成互穿网络。

附图说明

在下文中将参考附图对本公开的各种实施方式进行描述，其中：

图1A是根据本公开的水凝胶植入体的侧视图；

图1B是描述暴露于引发剂时的图1A的水凝胶的横截面图；

图1C是暴露于引发剂之后的图1A的水凝胶的横截面图；

图2A是根据本公开的水凝胶植入体的透视图；

图2B是描述暴露于引发剂时的图2A的水凝胶的侧视图；

图2C是暴露于引发剂之后的图2A的水凝胶的横截面图；

图3A是在本公开的水凝胶形成过程中使用的模板的侧视图；

图3B是根据本公开用于模板上的阻隔设备或者屏幕的立构图；

图3C是根据本公开使用的模板和阻隔设备的侧视图；

图3D是本公开的水凝胶植入体的侧视图；

图4是描述本公开的水凝胶植入体在引发的前体的交联之前和之后的模量的图；

图5A是具有包含本公开的水凝胶的涂层的网状植入体的立构图；

图5B是一部分本公开的水凝胶降解后的图5A的植入体立构图；

图6A是使用本公开的水凝胶形成的缝合锚的横截面图；

图6B是描述引发的前体的交联的图6A的缝合锚的横截面图；

图6C是在引发的前体的交联之后的图6A的缝合锚的横截面图；

图7A是使用本公开的水凝胶用于粘附到组织上的植入体的立构图；

图7B是在引发的前体的交联之前的图7A的植入体的立构图；

图7C是在引发的前体的交联之后的图7A的植入体的立构图；

图8是表2所示的数据的图；

图9是比较对引发的水凝胶和未引发的水凝胶施加的力和压缩的量的图；

图10是描述不同的组织以及包括胶原和明胶的其他材料的弹性模量的图；

图11是对本公开组合物在修复组织缺陷中的用途的描述；

图12A是包含本公开的组合物的植入体的图，其具有由一种凝胶在第二种水凝胶中形成的分散区域；和

图12B是包含本公开的组合物的植入体的供选择的图，其具有由一种凝胶在第二种水凝胶中形成的分散区域。

发明内容

本文所描述的水凝胶可以通过交联不需要使用引发剂的反应性前体与需要外部引发的前体(如引发的前体)来形成。所述前体可以是例如单体或者大分子单体。如本文使用的术语“水凝胶前体”、“第一水凝胶前体”和“第二水凝胶前体”可以用来指或者使用或者不使用引发剂可以结合而形成水凝胶的组分。因此，在实施方式中这些前体可以包括反应性前体和引发的前体的组合。如本文使用的术语“反应性前体”、“第一反应性水凝胶前体”和“第二反应性水凝胶前体”包含那些彼此暴露时交联形成水凝胶的前体。如本文使用的术语“引发的前体”、“第一引发的水凝胶前体”和“第二引发的水凝胶前体”可以用来描述那些暴露于外源后发生交联的水凝胶前体，外源有时指的是“引发剂”。引发剂包括比如离子、紫外线、氧化还原反应组分及其组合，以及本领域技术人员知晓的其它引发剂。

所述水凝胶前体，无论是反应性前体或者引发的前体，都可以具有生物学上惰性的和水溶性的核。当所述核是一个水溶性的聚合区域，可以使用的合适的聚合物包括：聚醚，例如聚亚烷基氧化物如聚乙二醇(“PEG”)、聚环氧乙烷(“PEO”)、聚环氧乙烷-共-聚环氧丙烷(“PPO”)、共聚环氧乙烷嵌段或无规共聚物和聚乙烯醇(“PVA”)；聚(乙烯基吡咯烷酮)(“PVP”)；聚(氨基酸)；聚(糖)，例如葡聚糖、壳聚糖、藻酸盐、羧甲基纤维素、氧化纤维素、羟乙基纤维素和/或羟甲基纤维素；透明质酸；和蛋白质例如白蛋白、胶原、酪蛋白和明胶。在实施方式中，可以使用上述聚合材料的组合来形成核。在某些实施方式中，可以使用所述聚醚，更具体地，可以使用聚(亚烷基氧化物)或聚(乙二醇)或聚乙二醇(“PEG”)。

当所述核从分子特性来说较小时，任何亲水的官能团可以用来使水凝胶前体具有水溶性。在实施方式中，水溶性的官能团如羟基、胺、磺酸盐和羧酸盐可以用来使前体具有水溶性。例如辛二酸(subaric acid)的N-羟基琥珀酰亚胺(“NHS”)酯是不溶于水的，但通过加入磺酸基到琥珀酰亚胺环上，可以使得辛二酸的NHS酯是水溶的，由于其对氨基的反应性，不影响其作为反应基团的能力。

在实施方式中，反应性前体可通过共价键、离子键或疏水键来形成水凝胶。物理的(非共价的)交联可以通过络合、氢键、去溶剂化、范德华相互作用、离子键及其组合等来产生，并且可以通过混合直到在原位结合之前物理上分离的两种前体来引发或者作为生理环境普遍情况的结果，所述生理环境包括温度、pH、离子强度及其组合等。化学的(共价的)交联反应可以通过许多机制中的任意一种来完成，包括但不限于自由基聚合、缩合聚合、阴离子或阳离子聚合、逐步生长聚合、亲电亲核反应及其组合等。

在实施方式中，所述水凝胶的反应性前体部分可以由单类型的或多类型的反应性前体形成。在另一个实施方式中，其中所述水凝胶是由多类型的反应性前体形成的，例如两种反应性前体，所述反应性前体可以称为第一和第二反应性前体。在实施方式中利用超过一种反应性前体时，至少一种反应性的水凝胶前体可以是交联剂，且至少另一种反应性水凝胶前体可以是大分子，并且在此可称为“官能性聚合物”。

在一些实施例中，反应性前体可以包括生物相容的多前体体系，当将前体混合时所述体系能自发地交联，但是其中两种或多种前体在沉积过程期间单个是稳定的。当所述反应性前体在允许反应的环境(例如与pH或溶剂相关)中混合时，所述官能团互相反应从而形成共价键。当至少某些反应性前体可以与一种以上其它的前体反应时，反应性前体发生交联。举例来说，具有两个第一类型的官能团的前体可以与能够与第一类型的官能团反应的具有至少三个第二类型官能团的交联前体反应。

所述反应性组分包括例如具有亲电子基团的第一反应性前体和具有亲核基团的第二反应性前体。亲电子体与亲核体反应形成共价键。共价交联或共价键指的是由不同的聚合物上的官能团反应形成的化学基团，其用来使不同的聚合物彼此共价键合。在某些实施方式中，在第一反应性前体的第一类亲电子的官能团可以与在第二反应性前体的第二类亲核的官能团反应。在实施方式中，这样的体系包括第一反应性前体和第二反应性前体，所述第一反应性前体包括含有二官能或多官能亚烷基氧化物部分，所述第二反应性前体包括二官能或多官能胺的大分子单体。

在实施方式中，所述反应性的水凝胶前体可以是多官能性的，意思是它们可以包括两种或多种亲电子的或亲核的官能团，例如，使得第一反应性的水凝胶前体的亲电子的官能团可以与在第二反应性的水凝胶前体的亲核的官能团反应来形成共价键。第一或第二反应性的水凝胶前体中的至少一个含有两个以上的官能团，这样，作为亲电-亲核反应的结果，所述前体结合形成交联的聚合产物。

在实施方式中，只要在交联反应中同时使用了亲核的反应性前体和亲电子的反应性前体，则各第一和第二反应性的水凝胶前体仅包括一种官能团，要么仅为亲核基团，要么仅为亲电子的官能团。因此，例如，如果所述第一反应性的水凝胶前体具有亲电子的官能团例如N-羟基琥珀酰亚胺，则第二反应性的水凝胶前体可以具有亲核的官能团例如胺。另一方面，如果第一反应性的水凝胶前体具有亲电子的官能团例如磺基琥珀酰亚胺，则第二反应性的水凝胶前体可以具有亲核官能团例如胺或硫醇。

在实施方式中，多官能的亲电聚合物例如用多个NHS基团官能化的多臂PEG可以用作第一反应性的水凝胶前体，多官能的亲核聚合物例如三赖氨酸可以用作第二反应性的水凝胶前体。所述用多个NHS基团官能化的多臂PEG可以例如具有四个、六个或八个臂和从大约5,000到大约25,000的分子量。美国专利号6152943；6165201；6179862；6514534；6566406；6605294；6673093；6703047；6818018；7009034和7347850公开了其它的合适的第一和第二反应性的水凝胶前体实施例，每个专利公开的全部内容引入本文作为参考。

水凝胶前体的某些性能是有用的，包括例如，对各种组织的粘附性、保证外科医生能够准确地和方便地放置在原位形成的水凝胶前体的合理的固化时间、产生生物相容性的高含水量、用于密封剂时的机械强度和/或抵抗放置之后的破坏的刚性。合成材料容易杀菌并且可以避免可能伴随天然材料的使用的疾病传输的危险，因此可以使用合成材料。事实上，使用合成的前体制备的某些可聚合水凝胶是本领域技术人员所知晓的，例如使用市售的产品如(Genzyme,Inc.)， (Angiotech Pharmaceuticals)和(Confluent Surgical，Inc)。其它已知的水凝胶包括例如在美国专利第6656200；5874500；5543441；5514379；5410016；562430；5324775；5752974和5550187号中所公开的。

用于从反应性前体形成交联的聚合水凝胶的反应条件可以取决于所使用的反应性前体的性质。在实施方式中，在pH值为大约5至大约12的缓冲水溶液中进行反应。缓冲液包括比如硼酸钠缓冲液(pH值10)和三乙醇胺缓冲液(pH值7)。在一些实施方式中，可以添加有机溶剂如乙醇或者异丙醇来提高反应速度或者调整所得制剂的粘度。

当所述水凝胶前体是合成的(比如当它们是基于聚亚烷基氧化物时)，可能需要使用摩尔当量的反应剂。有时候，可以添加过量摩尔的交联剂来补偿副反应，诸如由于官能团水解导致的反应。

当选择所述反应性前体(在实施方式中的交联剂和可交联的聚合物)时，所述聚合物中的至少一种可以具有超过两个官能团/每分子，并且如果需要合成的水凝胶是生物可降解的，所述聚合物中至少存在一个可降解的区域。在实施方式中，每个反应性聚合物前体可以具有超过两个的官能团，在实施方式中，还可具有超过四个的官能团。

从所述反应性前体形成的生物相容的、交联的聚合物的交联密度可以通过所述前体(实施方式中的交联剂和官能聚合物)的总分子量以及每分子中存在的官能团的数目来控制。与较高分子量如10,000Da相比，交联之间较低的分子量如600Da可以获得较高的交联密度。弹性凝胶可以通过具有超过3000Da分子量的较高分子量的的官能聚合物得到。

交联密度也可以通过控制在溶液中的前体(实施方式中的交联剂和官能聚合物)的总的固体百分数来控制。增加固体百分数可增加每单位体积中的可交联基团的数目和潜在的交联密度。还有另一种控制交联密度的方法是调节亲核基团对亲电子的基团的化学计量。一比一的比值可以获得最高的交联密度，然而，适合所需的制剂的反应性的官能团的其他比值(如亲电体:亲核体)也是可预见的。

在实施方式中，第一反应性前体可以是多-臂PEG以及可以通过含有乙烯基的酸酐的开环来官能化并用NHS封端。第二反应性前体可以是多官能的胺组分。本公开的水凝胶可以因此由至少两种前体形成。

如上所述，在某些实施方式中，水凝胶前体可含有引发的前体。本公开所使用的引发的前体可以具有烯键式不饱和的官能团。这些具有烯键式不饱和的官能团的前体可以如上文所述具有生物学上惰性的和水溶性的核。这种核可以以本领域技术人员知晓的任何手段来官能化。

烯键式不饱和的官能团(实施方式中的乙烯基)可以通过使用引发剂来启动聚合反应来聚合。具有至少两个烯键式不饱和的官能团的前体可以形成交联的聚合物。一些组成具有仅含有一个所述官能团的某些前体以及含有多个用于交联所述前体的官能团的另外的交联的前体。烯键式不饱和的官能团可以通过各种的技术来聚合，例如自由基聚合、缩合聚合或加成聚合。根据本公开可以使用的示例性的引发的前体包括丙烯酸酯；包含乙烯基基团的酸酐，如衣康酸酐、马来酸酐、柠康酸酐及其组合等。其它的示例性的引发的前体包括比如丙烯酸、甲基丙烯酸、含有磷酰胆碱的单体、呋喃酮官能的乙烯基单体、磺丙基丙烯酸钾、磺丙基甲基丙烯酸钾、N-乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸羟乙酯、具有高折射率的乙烯基单体、硅氧烷官能的乙烯基化合物、具有乙烯基基团的聚乙二醇-硅酮共聚单体、三丙烯酸酯、吡咯、液晶乙烯基单体、液晶乙烯基聚合物，及其组合等。

合适的用于聚合引发的前体的引发剂包括，但不限于，热引发剂、光激活引发剂、氧化还原(redox)系统，自由基引发剂、辐射、热引发系统及其组合等。在实施方式中，合适的辐射源包括热量、可见光、紫外(UV)光、γ射线、电子束，及其组合等。在实施方式中，也可以使用光引发剂。这种光引发剂包括，但不局限于，自由基引发剂、氧化还原引发剂如溴酸亚铁、过硫酸铵/醋酸、过硫酸铵-四甲基二胺、过硫酸钾/VA044(Wako Chemicals Inc.，Richmond VA)等等。紫外光也可以与染料介导的光氧化、戊二醛交联、1,6-己二异氰酸酯交联、碳二亚胺交联及其组合等一起使用。

在实施方式中，可以包括存在于官能团之间的具有生物可降解的连接的一种或多种水凝胶前体来使所述水凝胶成为可生物降解的或者可吸收的。在一些实施方式中，这些连接可以是比如酯类，所述酯类在生理溶液中可以水解降解。使用这种连接与蛋白质连接不同，蛋白质连接可以通过蛋白水解来降解。生物可降解的连接也可形成一个或多个水凝胶前体的水溶性核的一部分。可选择地，或者另外地，可以选择水凝胶前体的官能团使得它们之间的反应产物产生生物可降解的连接。对于每一方法，可以选择生物可降解的连接使得得到的生物可降解的、生物相容的、交联的聚合物在所需的时间期间内发生降解或被吸收。通常地，可以选择在生理条件下能够将所述水凝胶降解成无毒的或者低毒产物的生物可降解的连接。

如上文所述的生物可降解的交联剂或者小分子可以与蛋白质反应，如白蛋白、其它的血清蛋白和/或血清浓缩物，来产生交联的聚合网络。通常地，可以将交联剂的水溶液与蛋白质的浓缩液混合来产生交联的水凝胶。所述反应可以通过在交联步骤期间添加缓冲剂来加速，如硼酸盐缓冲剂或者三乙醇胺。

在实施方式中，导致凝胶化的交联反应会在大约1秒到大约5分钟之内发生，在实施方式中，大约3秒到大约1分钟。本领域普通技术人员可立刻理解在这些明确记载的范围之内的所有范围和数值都是可考虑的。在某些情况下凝胶化可在小于10秒内发生。

交联的水凝胶的降解可以取决于在交联剂中的生物可降解的片段以及水凝胶暴露到的任何酶。在不存在任何降解酶时，所述交联的聚合物可以独自通过生物可降解的片段的水解而降解。降解速率可以取决于形成水溶性核的聚合物，更具体地说取决于形成的任何酯连接的结构和位置。比如，在开环聚合中可形成酯连接。例如，所述开环聚合可以发生在PEG和环状酯或者酸酐之间，所述环状酯或者酸酐包括，比如，呋喃-2,5-二酮、1,4-二氧杂环己烷-2,5-二酮、戊二酸酐、琥珀酸酐、马来酸酐、衣康酸酐、甲基琥珀酸酐、2,2二甲基琥珀酸酐、2-十二碳烯-1-基琥珀酸酐、顺-1,2,3,6-四氢邻苯二甲酸酐、柠康酐、2,3-二甲基马来酸酐、1-环戊烯-1,2二羧酸酐、3,4,5,6-四氢邻苯二甲酸酐、3-乙基-3-甲基戊二酸酐、3,3-二甲基戊二酸酐、3-甲基戊二酸酐，及其组合等。在实施方式中，产生的聚合物然后可以用琥珀酰亚胺基团官能化，然后可以用作反应性前体来形成本公开的水凝胶(比如，通过与例如胺的交联剂结合)。用于开环聚合的与PEG结合的单体以及因此产生的可降解的酯基团将影响水凝胶在体内的持久性。固体百分数和用来形成这些反应性前体的单体的臂长也可以影响它的降解速率。

比如在实施方式中，所述产物可以是PEG与包含酸酐的第二组分之间发生开环聚合后的产物；所述包含酸酐的第二组分为例如，戊二酸酐、衣康酸酐、甲基琥珀酸酐、2,2-二甲基琥珀酸酐、2-十二碳烯-1-基琥珀酸酐、顺式-1,2,3,6-四氢邻苯二甲酸酐、柠康酐、2,3-二甲基马来酸酐、1-环戊烯-1,2-二羧酸酐、3,4,5,6-四氢邻苯二甲酸酐、3-乙基-3-甲基戊二酸酐、3,3-二甲基戊二酸酐、3-甲基戊二酸酐，及其组合等。产生的产物可以形成在从大约6周到大约8周的期间内降解的水凝胶。

在其它的实施方式中，在PEG和琥珀酸酐之间的开环聚合得到的产物可以在从大约2天到大约7天期间内降解。在使用PEG和马来酸酐的实施方式中，所述产物可以在大约6个月期间内降解。在开环的马来酸酐中的乙烯基可以参与到二次乙烯基聚合中。因此，在实施方式中，在开环的马来酸酐中的乙烯基可以作为引发的前体。

通过生物可降解的嵌段(如羟基酸低聚物嵌段)产生的疏水性或在PLURONIC或TETRONIC聚合物中的PPO嵌段的疏水性可以有助于溶解有机药物小分子。通过引入生物可降解的或者疏水性的嵌段而影响的其它的性能包括：水吸收性；机械特性和热敏性。

合成的交联的凝胶由于生物可降解的区域的水解而降解。包含合成肽序列的凝胶的降解可以取决于所述序列的降解所必需的特定的酶及其浓度。在某些情况下，可以在交联反应期间添加特定的酶来加速降解过程。

可以在使用之前将水凝胶前体放置于溶液中，随着所述溶液被输送到组织。其中采用两种溶液，每种溶液可以包含一种或者多种在接触时可以彼此反应的前体。所述溶液可以单独储存并且在被输送到组织时发生混合。

用作在原位形成材料体系的一部分的任何溶液不应该包含有害的或者有毒的溶剂。在实施方式中，所述前体可以是基本上可溶于溶剂如水，以使在生理上相容的溶液(如缓冲的等渗盐水)中的应用。水溶性的包衣层可以形成薄膜，但在实施方式中也可以形成具有控制的厚度的三-维凝胶。所述凝胶也可以是生物可降解的，以使其不必从身体取回。如本文使用的术语“生物可降解的”定义为包括生物可吸收的和生物再吸收的材料。生物可降解的，指的是所述材料在体内条件下(比如酶促降解或者水解)分解、或者失去结构的完整性、或者在体内生理条件下瓦解(物理地或者化学地)使得降解产物被身体排泄或者吸收。

不同的应用会需要不同的水凝胶的特性。通常，应该基于所展现的生物相容性和没有毒性来选取所述水凝胶前体。

在实施方式中，可以从至少一种反应性前体(例如，能够通过自由基聚合而发生交联)和至少一种引发的前体来形成水凝胶；或由三个以上的前体来制备，其具有一个以上的参与到交联反应中以形成原位形成物质的前体。

在水凝胶形成之前，引发的前体(在实施方式中是线性PEG丙烯酸酯)可以在高pH值缓冲液中重组，高pH值缓冲液是例如具有pH值从大约7到大约11，在实施方式中为大约8到大约10的硼酸钠。所述引发的前体(在实施方式中是具有亲电子的官能团的多臂PEG)可在低pH值缓冲液中重组，低pH值缓冲液是诸如具有pH值从大约3到大约6，在实施方式中为大约4到大约5的磷酸钠。

在实施方式中，可以将线性PEG丙烯酸酯用作引发的前体。在实施方式中，因此可以通过接触第一反应性的水凝胶前体、第二反应性的水凝胶前体和引发的前体来形成水凝胶。所述水凝胶可以通过第一反应性前体和第二反应性前体的反应形成。所述组分还可以暴露于引发剂中来交联所述引发的前体，由此产生较致密的水凝胶。

在实施方式中，所产生的水凝胶可以形成互穿网络。在实施方式中，可以由两个水凝胶网络形成互穿网络，即由至少两种反应性前体结合引发的前体形成的水凝胶。在其它的实施方式中，所述互穿网络能够由也具有反应性基团的引发的前体来形成。这种前体既能够与另一个反应性前体反应，也能够在暴露于引发剂中被引发。

比如，在实施方式中，第一水凝胶可以在多臂PEG和三赖氨酸之间形成。第二水凝胶可以通过将烯键式不饱和单体暴露到引发剂中来形成。可以将这两种水凝胶在暴露于引发剂之前结合。将这些水凝胶暴露到所述引发剂中产生水凝胶的互穿网络，每种水凝胶可以具有独立的特性，如不同的降解速率。此外，改变反应性前体和引发的前体的量可以导致所得到的组合物的不同的特性。

在其它的实施方式中，多臂PEG可以用乙烯基基团官能化，并且与三赖氨酸反应来形成第一水凝胶。通过用引发剂来引发已被乙烯基基团官能化的PEG，由于乙烯基基团的交联可以增加所述水凝胶的交联，由此形成了互穿网络。在其它的实施方式中，用乙烯基基团官能化的多臂PEG可以与胺在一定限度内发生反应，接着通过添加引发剂来增加乙烯基基团的交联。

在反应性前体形成第一水凝胶，引发的前体形成第二水凝胶，并且这两种水凝胶一起形成一个互穿网络，在实施方式中，由所述反应性前体形成的第一水凝胶会比由所述引发的前体形成的第二水凝胶降解的更快，由此形成允许通过例如组织生长、血管形成及其组合等方式愈合的空间。

在实施方式中，本公开的具有不同降解程度的互穿网络的水凝胶可以用作组织支架，由此提供用于组织整合/向内生长的方式。组织支架也能够提供具有生长发育组分的细胞。因而，在本公开的水凝胶用作组织支架时，它可以通过向周围组织提供所需的营养物和生物活性剂来帮助天然组织再生长。在一些实施方式中，如本文所述，水凝胶本身可以包含天然的组分，例如胶原、明胶、透明质酸及其组合等，因此，在组织支架降解时，所述天然组分可以在植入位点被释放出来或者降解。

在其它的实施方式中，本公开的水凝胶组合物可以具有两种水凝胶，其中一种水凝胶分散在另一种之内。例如，在实施方式中，本公开的组合物可以包含由反应性前体形成的第一水凝胶，在第一水凝胶之内具有至少一个分散区域，由引发的前体形成的第二水凝胶形成了所述分散区域。在其它的实施方式中，由反应性前体形成的第一水凝胶可在由引发的前体形成的第二水凝胶之内形成至少一个分散区域。由一种水凝胶形成的分散区域可以在第二水凝胶中形成一个区域，例如，中央区域或者核；或者，由一种水凝胶形成的所述分散区域可以在第二水凝胶之内形成许多小区域。

改变反应性前体和引发的前体的浓度可以导致产生的水凝胶的不同特性。例如，在实施方式中，溶液可以包含具有从大约200g/摩尔到大约50000g/摩尔，在某些实施方式中从大约500g/摩尔至大约35000g/摩尔分子量的丙烯酸酯，所述溶液浓度为从大约5g/ml至大约40g/ml，在实施方式中从大约10g/ml到大约20g/ml。所述溶液也可包含从大约5mg/ml到大约100mg/ml，在实施方式中从大约10mg/ml到大约20mg/ml浓度的光引发剂。所述光引发剂可以是，例如，4,4’-双(二乙基氨基)二苯甲酮、2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮、樟脑醌/4-二甲氨基安息香酸、曙红、偶氮二异丁腈(AIBN)、二甲氧基二苯酮，及其组合等。所述丙烯酸酯/光引发剂溶液可以具有从大约4.25％到大约17％的浓度，在实施方式中从大约6％到大约14％，在实施方式中约为8.5％。在实施方式中，所述丙烯酸酯/光引发剂溶液可以与多臂PEG在磷酸钠缓冲液中相结合，多臂PEG的浓度约为0.05g/ml到约2g/ml，在实施方式中大约0.1g/ml到大约1g/ml，在实施方式中约为0.26g/ml。这种溶液可以反应来形成本公开的水凝胶。

如上所述，将引发的前体加入到反应性前体中并随后暴露到引发剂中，可以改变产生的水凝胶的特性。此外，引发的前体与反应性前体的比值可以影响机械特性。如图4所描述的和下面表1所列出的，存在于反应性前体和引发的前体的混合物中的引发的前体的百分数极大地影响着反应性水凝胶交联后得到的水凝胶的强度。

表1

因而，根据本公开，水凝胶可以由两种不同的机制形成：反应性前体的反应；和引发的前体的引发。产生的水凝胶可以依次由两种不同的水凝胶制备而成。例如第一水凝胶可以由反应性前体形成，而第二水凝胶可以由引发的前体形成。

第一水凝胶可以包含从大约10％到大约30％，在实施方式中从大约15％到大约25％的量的第一反应性前体；和从大约70％到大约90％，在实施方式中从大约75％到大约85％的量的第二反应性前体。在其它的实施方式中，第一水凝胶可以包含从大约70％到大约90％，在实施方式中从大约75％到大约85％的量的第一反应性前体；和从大约10％到大约30％，在实施方式中从大约15％到大约25％的量的第二反应性前体。

用来形成本公开的组合物的材料的模量可以取决于组合物的最终用途。例如应用于组织作为组织支架的组合物可比将医疗设备粘附到组织上的组合物具有较低的模量。

在实施方式中，由反应性前体形成的第一水凝胶可以具有从大约5千帕斯卡(kPa)到大约90kPa的模量，在实施方式中从大约10kPa到大约50kPa；并且由引发的前体形成的第二水凝胶可以具有从大约50kPa到大约5,000kPa的模量，在实施方式中从大约100kPa到大约4,000kPa。

取决于产生的水凝胶的降解速率，由反应性前体形成的水凝胶的部分可以比由引发的前体形成的水凝胶的部分更迅速地降解，从而在水凝胶中形成可以允许组织生长、血管形成等的空间。在实施方式中，由反应性前体形成的第一水凝胶可以在从大约1周到大约12周的时间期间内降解，在实施方式中从大约4周到大约10周；而由引发的前体形成的第二水凝胶可以在至少大约2周的期间内降解，在实施方式中它可以不降解，即它在体内永久性地保留。在一些实施方式中，第二水凝胶可以在至少大约6个月的期间内降解。在一些实施方式中，第二水凝胶可以在从大约6周到大约6个月的期间内降解。

当第二水凝胶对第一水凝胶形成阻隔层(barrier layer)时，第一水凝胶可以具有从大约5kPa到大约60kPa的模量，在实施方式中从大约10kPa到大约50kPa；并且形成隔离层的第二水凝胶可以具有从大约100kPa到大约1,000kpa的模量，在实施方式中从大约200kPa到大约900kPa。因而第一水凝胶可以在从大约1天到大约7天的期间内降解，在实施方式中从大约2天到大约6天，并且阻隔层可以在至少大约6个月的期间内降解，在实施方式中从大约6个月到大约12个月。

当水凝胶形成互穿网络时，第一水凝胶可以具有从大约5kPa到大约20kPa的模量，在实施方式中从大约8kPa到大约17kPa；并且第二水凝胶可以具有从大约50kPa到大约500kPa的模量，在实施方式中从大约75kPa到大约400kpa。

当水凝胶用来形成用于将医疗设备附着到组织上的附着设备时，第一前体可以具有从大约10kPa到大约50kPa的模量，在实施方式中从大约15kPa到大约45kPa；并且第二水凝胶可以具有从大约60kPa到大约200kPa的模量，在实施方式中从大约75kPa到大约175kPa。形成第二水凝胶的引发的前体存在的量可为附着设备的大约40wt％到大约90wt％，在实施方式中为附着设备的大约50wt％到大约75wt％。第一水凝胶可以在从大约1天到大约7天的期间内降解，在实施方式中从大约2天到大约6天，并且第二水凝胶可以在至少大约6个月的期间内降解，在实施方式中从大约6个月到大约12个月。

当本公开的组合物用来输送生物活性剂时，第一水凝胶可以具有从大约5kPa到大约50kPa的模量，在实施方式中从大约10kPa到大约40kPa，并且第二水凝胶可以具有从大约10kPa到大约100kpa的模量，在实施方式中从大约20kPa到大约80kpa。

在实施方式中，可以将一种反应性前体和一种引发的前体置于第一溶液中，并且可以将第二种反应性前体与任选的引发的前体置于第二溶液中。一旦这些溶液混合，反应性前体可以交联来形成基底水凝胶，而引发的前体在暴露于引发剂之前不会发生交联。在其它的实施方式中，可以将一种反应性前体和一种以上的引发的前体置于第一溶液中，并且可以将第二种反应性前体置于第二溶液中。

基于用来形成所述水凝胶的引发剂，可以进一步控制由反应性前体和引发的前体的结合产生的水凝胶的密度。例如，用NHS封端的多臂PEG的第一反应性的水凝胶前体、多官能的胺第二反应性的水凝胶前体和线性PEG丙烯酸酯的引发的前体可以产生包含未反应的丙烯酸酯基团的水凝胶。在暴露于引发剂，在实施方式中为紫外线时，所述丙烯酸酯基团可以与自身以及PEG臂的末端发生反应。通过控制对引发剂的暴露，可使用丙烯酸酯交联的量来进一步调节水凝胶的密度。

调节所述水凝胶的密度可以影响产生的水凝胶的渗透性，比如，越致密的水凝胶的渗透性越差。在实施方式中，所述引发的前体可以是致密地交联，由此在由所述反应性前体形成的水凝胶的内部或外部形成渗透性差的阻隔层，从而形成复合的水凝胶组合物。

根据本公开，由引发的前体形成的聚合物可以占到产生的复合水凝胶的约5wt％到大约30wt％，在实施方式中为产生的水凝胶的大约10wt％到大约20wt％；由反应性前体形成的聚合物占到产生的水凝胶的大约5wt％到大约60wt％，在实施方式中为产生的水凝胶的大约15wt％到大约40wt％。产生的水凝胶的其余部分可由流体/水组成。

本公开的水凝胶的形成可以发生在原位。在其它的实施方式中，所述水凝胶的形成可以在体外发生，也就是说，在放置在原位之前。反应性前体与引发的前体的结合可以使得展现两种类型的交联的前体的特性的水凝胶的形成。在一些实施方式中，在将水凝胶表面暴露到引发剂之前，可以将水凝胶塑造成组织缺陷内所需的形状。

通常，可以通过使在应用到组织上时被激活的水凝胶前体形成交联的水凝胶来实现原位形成。激活可以发生在将所述前体施用到组织之前、期间或之后。激活包括，例如，触发一个聚合过程、引发自由基聚合、或混合含有能够互相反应的官能团的前体。因此，原位聚合包括在将所述材料置于患者体表、体内或同时在体表和体内的位置激活化学部分来形成共价键和产生不溶的物质(比如，水凝胶)。原位可聚合的聚合物可以从可反应的水凝胶前体来制备，使得其在患者体内形成聚合物。如上所述，在实施方式中，水凝胶可以同时由反应性前体和引发的前体形成。

如上所述，可以在使用之前将水凝胶前体置于溶液，并将所述溶液输送给患者。在实施方式中，所述前体可以是基本上溶于水的，以使在生理学相容的溶液中应用，例如缓冲的等渗盐水。可以使用一种双重的注射器或类似的设备来施用所述前体溶液，如在美国专利号4874368；4631055；4735616；4359049；4978336；5116315；4902281；4932942；6179862；6673093；6152943和7347850中所描述的。

通常，可以通过喷雾器将两种以上的水凝胶前体施用到组织上以在原位形成涂层。比如，可以将两种反应性前体的溶液(其中至少一种包含引发的前体)置于喷雾器的单独的室中。当所述喷雾器被激活时，急速喷出的喷雾接触组织，导致两种反应性前体在组织表面混合并交联形成涂层(例如水凝胶)。

在实施方式中，所述喷雾器包括用于两种以上的反应性前体溶液的每一种的独立的喷头，围绕每个喷嘴的独立的或共用的气流出口。所述反应性前体的溶液储存在独立的隔室内，例如多筒注射器，并在压力下转移到喷嘴。在通过气流出口的气流存在下，所述可交联的溶液雾化并且在气流中混合来形成喷雾，所述喷雾可以用来涂覆组织。在某些实施方式中，可以将CO₂气筒可逆地或者永久地安装在所述设备上以便于输送所述前体。

某些实施方式包括将抽吸-冲洗装置与水凝胶前体输送设备相结合。这种结合的优点是可以清洗组织上凝结的血液和粘附材料，并且这种结合可以允许使用单个设备进行水凝胶的放置。

本公开的水凝胶也可以用来形成组件，比如粘合剂、止血剂、密封剂、植入体、保护隔层、药物输送设备，及其组合等。可以形成的植入体包括：比如骨架、人工血管、心脏瓣膜、人工器官、骨修补物、埋植微透镜、血管移植物、支撑架、缝合线、吻合钉、夹子、网、悬带、螺钉、别针、缆索、软骨植入体、脊骨植入体及其组合等。所述植入体同时可以用来填充在哺乳动物体内的软组织或者硬组织。软组织填充应用的例子包括：括约肌(比如尿道、肛门、食道)扩充；用作人造皮肤；皱纹的治疗；和/或疤痕的治疗。硬组织填充的例子包括骨和/或软骨的组织的修理和/或替换。可以用本公开的水凝胶和/或植入体处理的其它的组织缺陷包括，例如括约肌，包括食管下括约肌膨胀来治疗胃食管反流病(GERD)；尿道膨胀来治疗尿失禁；在组织层之间产生垫层来帮助组织解剖和/或切除术，例如息肉切除术；预防粘附、在整形外科作为真皮填充物；用于治疗嘴唇、乳房以及其他身体组织的缺陷；及其组合等。

在实施方式例中，所述水凝胶可以用来形成半柔性的椎间盘，其具有由引发的前体产生的水凝胶形成的刚性或者致密的外部以及由反应性前体产生的水凝胶形成的较低密度的、更具柔性的内部。在实施方式中，可以使用具有类似于需要替换的椎间盘形状的模板。可以用所述水凝胶前体填充所述模板来形成所述水凝胶。然后所述水凝胶可以暴露于引发剂以便诱导被引发前体在表面上的交联反应，从而形成围绕水凝胶内部的致密的外层或者阻隔层。

对于椎间盘植入体的形成，所述植入体可以在外科手术期间、或者在外科手术之前形成。比如，合适的植入体尺寸可以在外科手术期间通过首先使用卡尺或者类似设备来测量需修复的缺陷的长度和尺寸来确定。然后外科医生可以利用如上所述的模板通过将反应性前体和引发的前体引入到所述的模板并使反应性前体形成第一水凝胶来形成所需尺寸的植入体。然后所述组合物可以经引发剂处理，从而形成围绕水凝胶内部的致密的的外层或者阻隔层，从而产生椎间盘植入体。

任选地，使用包括X射线、MRI等的放射照相技术可以在手术前确定合适的植入体尺寸，并且在手术之前如上所述形成椎间盘植入体。

在其它的实施方式中，可以将反应性前体应用到组织缺陷中，由此在其中形成第一水凝胶，，在覆盖组织缺陷的第一水凝胶的表面的至少一部分上，引发的前体形成起到隔离层作用的第二水凝胶。

用于形成水凝胶材料的选择的可以根据本公开的水凝胶组合物的最终用途进行调整。比如当需要防止蛋白粘附时，基于聚乙二醇的聚合物是合乎需求的；当需要增强的滑动、滑移和/或润滑性时，基于透明质酸的聚合物是合乎需求的；当需要提供细胞连接的粘附位点时，基于胶原的聚合物是合乎需求的；当用于长期和/或永久植入体时，合成的聚合物是合乎需求的，等等。

在实施方式中，反应性水凝胶前体可以形成包含生物活性剂的水凝胶。可以在反应前或反应后向所述前体中加入引发的前体。然后所述引发的前体可以被引发形成阻隔层。所述阻隔层可以抑制生物活性剂从由反应性前体形成的水凝胶沿隔离层方向的扩散，从而迫使生物活性剂的单向给药，即向阻隔层的相对方向给药。

在实施方式中，反应性的和引发的水凝胶前体也可以在模具的底层相结合。然后所述基层可以暴露于引发剂来进一步交联所述底层。然后可以将包括前体的第二层置于所述底层，并且可用屏幕来限制第二层对引发剂的暴露。因此，未被屏蔽的部分可以进一步交联，而屏蔽的部分不交联，由此提供在所述层中的不同程度的交联。使用相同的或者不同的屏幕可以加入另外的层。每层可以包含相同或不同的生物活性剂。变化的交联量可以提供可选择的的降解速率，从而提供生物活性剂的不同的释放速率。所述引发剂可以在与医疗设备接触之前或之后与水凝胶接触。可以与水凝胶一同被粘附到组织上的医疗设备包括缝合线、吻合钉、平头钉、夹子、铆钉，及其组合等。

在其它的实施方式中，可以将反应性的和引发的水凝胶前体的混合物喷雾到或者施用到植入体如网上。所述网可以是包含用于引发的水凝胶的引发剂的细丝状的底物。反应性的水凝胶可以形成覆盖所述网的涂层。所述涂层可以在几天降解，从而防止了粘合。所述涂层的降解也可以用来在网中产生用于组织生长的孔隙。所述引发的水凝胶可以不必经历相同的降解，由此维持所述网对于组织的粘附。

在其它的实施方式中，可以用反应性前体和引发的前体接触网，所述反应性前体可以形成第一水凝胶，和所述引发的前体可以形成第二水凝胶来将所述网固定到组织。在实施方式中，所述第一水凝胶可以在第二水凝胶之前形成。在其它的实施方式中，第二水凝胶可以在第一水凝胶之前形成。在一些实施方式中，其中所述第一水凝胶在第二水凝胶之前形成，所述第一水凝胶可以使网暂时的粘附和放置于组织，在其之后形成的用于永久放置所述网的第二水凝胶，允许网到组织重新定位和重新粘附。在这种情况下，所述第一水凝胶应该保持将网粘附和再粘附到组织上的粘性至少10分钟，在实施方式中从大约10分钟到大约40分钟，在实施方式中从大约12分钟到大约25分钟。此后，可形成第二水凝胶。

在实施方式中，本公开的网状植入体可以包括细丝状的底物，在所述细丝状的底物的至少一部分上具有膜涂层。在实施方式中，所述膜涂层可以包含冻干的组合物，所述组合物包含具有至少一个乙烯基的引发的前体，以及包含含有具有亲电子基团的多臂聚醚的第一水凝胶和包含亲核基团的第二反应性前体。在使用时，第一水凝胶可以是再水合的，用于将网可释放的连接到组织上，引发的前体可以暴露在引发剂中以形成能够牢固地将所述网固定到组织上的第二水凝胶。当与体液接触、加入盐水及其组合等情况时，第一水凝胶可以是再水合的。

在其它的实施方式中，反应性的和引发的水凝胶前体的混合物可以结合并且注入到组织的表面以下，也可允许在组织表面蓄积。在组织之下和组织表面由此形成的水凝胶可以接触缝合线或者其它的医疗设备。然后所述医疗设备可以接触水凝胶锚，其帮助将所述设备固定到组织。比如对于缝合锚，可以形成所述水凝胶并且缝合线从其中穿过。在引发的前体形成第二水凝胶之前，所述反应性前体可以形成第一水凝胶。在其它的实施方式中，从引发的前体形成的水凝胶可以在由反应性前体形成的水凝胶之前形成。

在其它的实施方式中，反应性的和引发的水凝胶前体的混合物可以用来形成植入体连接设备如锚或者铆钉。网或者其它的植入体可以通过所述前体固定到组织。所述植入体可以具有通过其挤出所述混合物的孔，类似于上文描述的缝合锚，即所述水凝胶能够注入到组织表层以下，和允许在覆盖组织的植入体的表面上蓄积。然后可形成反应性的水凝胶来维持所述植入体在其位置上，植入以后，所述水凝胶混合物可以暴露于引发剂以将所述植入体固定到组织。

比如，在实施方式中，可以形成的混合物包含含有具有亲电子基团的多臂聚醚的第一反应性前体、具有亲核基团的第二反应性前体和具有至少一个乙烯基团的至少一种引发的前体。可以将网与组织接触，所述混合物可以通过所述网被注入组织内。与所述网相接触所述混合物可以在组织下面和表面都形成第一水凝胶。引发的前体可与引发剂相接触以形成第二水凝胶，由此形成用于将所述网连接到组织的连接设备。

所述水凝胶前体和/或产生的水凝胶可以包含显色剂来在外科手术过程期间提高它们的可见度。显色剂可以选自适合用于可植入医疗设备的各种无毒的有色物质，如染料。合适的染料是本领域技术人员所知晓的，可以包括，比如用于显示原位形成的水凝胶的厚度的染料，比如在美国专利号7009034中描述的。在一些实施方式中，合适的染料可以包括，比如FD&C Blue#1、FD&C Blue#2、FD&C Blue#3、FD&C Blue#6、D&C Green#6、亚甲基蓝、靛青绿、其他有色染料，及其组合。加入其他可使用的显色剂如荧光化合物(例如荧光素或曙红)、X射线造影剂(例如含碘化合物)、超声造影剂和MRI造影剂(例如包含钆的化合物)是可以预期的。

所述显色剂可以存在于水凝胶前体溶液中。所述有色物质可引入或不引入到所产生的水凝胶中。

显色剂可以小剂量适用，在实施方式中小于1wt％/vol％；在实施方式中小于0.01wt％/vol％；在实施方式中小于0.001wt％/vol％的浓度。

水凝胶前体及其它们的反应产物，也可以用于药物治疗或者生物活性试剂的输送。在实施方式中，所述水凝胶可以用另外的生物活性剂涂覆或包含另外的生物活性剂。如本文使用的术语“生物活性剂”用其最广的含义，包括任何具有临床的用途的物质或者物质的混合物。因此，生物活性剂本身可以具有或者可以不具有药理学活性，例如染料。另选的，生物活性剂可以是任何能提供治疗或者预防的效果的试剂、影响或者参与组织生长、细胞生长、细胞分裂的化合物；抗粘附化合物；能够引起生物作用如免疫反应的、或者能够在一个或多个生物学过程中扮演任何其它的角色的化合物。可以预期所述生物活性剂可以任何合适的物质形式应用于水凝胶，例如薄膜、粉末、液体、凝胶等等。

如上所述，在包括多臂PEG或者PEG星的实施方式中，可以将所述生物活性剂引入到PEG的核、PEG的支臂、或其组合的方式中。在实施方式中，所述生物活性剂可以附着到PEG链的反应性基团上。所述生物活性剂可以共价键合、非共价键合(即静电的)、通过硫羟介导的或者肽介导的键的键合，或者使用生物素-亲和素化学剂的键合等等。

根据本公开可以使用的的生物活性剂的种类的例子包括，比如防粘剂；抗微生物剂；镇痛药；清热药；麻醉剂；抗癫痫药；抗组胺剂；抗炎药；心血管药；诊断剂；拟交感神经药；类胆碱能药；抗毒蕈碱药；解痉药；激素；生长因子；肌肉松弛剂；肾上腺素阻断剂；抗肿瘤药；免疫原的试剂；免疫抑制剂；胃肠药物；利尿剂；甾体；脂质；脂多糖；聚糖；血小板活化药；凝血因子；和酶。预期也可以使用生物活性剂的组合。

防粘剂可用于预防在水凝胶(在实施方式中是水凝胶植入体)和周围组织之间形成粘合。这些试剂的一些例子包括，但不局限于亲水的聚合物如聚(乙烯基吡咯烷酮)、羧甲基纤维素、透明质酸、聚环氧乙烷、聚乙烯醇及其组合。

可以包含作为生物活性剂的合适的抗微生物剂包括：三氯生，亦称2,4,4'-三氯-2’-羟基二苯醚；洗必太及其盐，包括醋酸洗必泰、洗必太葡糖酸盐、洗必太盐酸盐和洗必太硫酸盐；银及其盐，包括乙酸银、苯甲酸银、碳酸银、柠檬酸银、碘酸银、碘化银、乳酸银、月桂酸银、硝酸银、氧化银、棕榈酸银、蛋白银和磺胺嘧啶银；多粘菌素；四环素；氨基糖甙类，如托普霉素和庆大霉素、利福平、崔西杆菌素、新霉素、氯霉素和霉康唑；2-羟基喹啉如恶喹酸、诺氟沙星、萘啶酮酸、培氟沙星、依诺沙星和环丙沙星；青霉素如新青霉素和哌拉西林钠输注液；壬苯醇醚9；夫西地酸；头孢菌素及其组合。此外，可以包含抗菌的蛋白质和肽如牛乳铁传递蛋白和乳铁素B作为生物活性剂。

可以包含作为生物活性剂的其他的生物活性剂包括：局部麻醉剂；非甾体避孕剂；拟副交感神经药；精神疗法剂；镇定剂；解充血剂；镇静安眠药；激素类；磺胺类药；拟交感神经药；疫苗；维他命；抗疟药；抗偏头痛药；抗帕金森药如左旋多巴；抗痉挛药；抗胆碱能药(例如奥昔布宁)；镇咳药；支气管扩张剂；心血管药，例如冠状血管扩张剂和硝化甘油；生物碱；止痛剂；麻醉剂例如甲基吗啡、二氢可待因酮、度冷丁、吗啡等等；非麻醉药，例如水杨酸盐、乙酰水杨酸、乙酰氨基酚、右旋-丙氧芬等等；阿片样受体拮抗剂，例如纳曲酮和纳洛酮；抗癌药；抗惊厥剂；解催吐药；抗组胺剂；消炎药，例如激素药、氢化可的松、氢化泼尼松、强的松、非激素试剂、别嘌呤醇、消炎痛、苯基保泰松等等；前列腺素；细胞毒类药物；化疗药物；雌激素；抗菌剂；抗真菌剂；抗病毒剂；抗凝血剂；抗惊厥药；抗抑郁剂；抗组胺剂；和免疫试剂。

可以包含在所述水凝胶中的合适的生物活性剂的其他的例子包括，例如病毒和细胞；肽、多肽和蛋白质，及其类似物、突变蛋白和活性片段；免疫球蛋白；抗体；细胞因子(例如淋巴因子，单核因子，趋化因子)；凝血因子；促红细胞生长因素；白细胞间介素(IL-2、IL-3、IL-4、IL-6)；干扰素(β-IFN、α-IFN和γ-IFN)；红细胞生成素；核酸酶；肿瘤坏死因子；集落刺激因子(例如GCSF、GMCSF、MCSF)；胰岛素；抗肿瘤试剂和肿瘤抑制剂；血液蛋白质如血纤维蛋白、凝血酶、纤维蛋白原、人造的凝血酶、人造的血纤维蛋白、人造的纤维蛋白原；促性腺激素(例如FSH、LH、CG等等)；激素和激素类似物(例如生长激素)；疫苗(例如肿瘤、细菌和病毒抗原)；生长激素释放抑制激素；抗原；凝血因子；生长因子(例如神经生长因子、胰岛素类似生长因子)；骨形态发生蛋白；TGF-B；蛋白质抑制剂；蛋白质拮抗剂；蛋白质激动剂；核酸，例如反义分子、DNA、RNA、RNAi；低聚核苷酸；多核苷酸和核糖酶。

所述生物活性试剂可以作为一种丸剂在一段时间内从水凝胶释放，或其组合的方式。所述反应性前体可以形成一种更具渗透性的水凝胶，其允许生物活性剂从所述水凝胶中扩散。在实施方式中，所述引发的前体可以交联来形成对由所述反应性前体形成的水凝胶的阻隔层，由此减少生物活性剂从其的扩散。

现在参考附图描述本公开的实施方式。参考图1A，反应性前体交联在组织120上原位形成水凝胶100，其中可任选的含有生物活性试剂110。如图1B所示，然后所述水凝胶100可以暴露于引发剂130例如紫外线下来引发包含在其中的引发的前体的反应。图1C显示在水凝胶100上的阻隔层140的形成，其由所述引发的前体形成并抑制所述生物活性剂110从所述水凝胶的扩散。因此，所述生物活性剂110可以单向扩散进需要所述生物活性剂110的组织120中，由于阻隔层140的存在，其不会扩散入邻近组织120的任何腔或区域。例如，可以使用生物活性剂的单向分配将化疗剂直接输送到硬脑膜、肺、或肠；将抗凝结药物输送到心血管组织；将抗心律不齐药物输送到心脏；将抗炎或镇痛药输送到受伤的组织；用止血剂来治疗受伤的组织等等及其组合。

如图2A所示，可以由反应性前体形成椎间盘形状的水凝胶200。图2B是水凝胶200的侧视图，所述水凝胶可以暴露于引发剂220来胶凝任何在水凝胶200中的引发的前体。图2C是所产生的盘的横截面图，所述盘具有由反应性前体形成的水凝胶200和由引发的前体形成的致密的阻隔层230。所述引发的前体的反应可以增加表面区域的密度，由此在水凝胶200表面上产生致密的水凝胶230的“皮肤”或者屏障。以这种方式，可以形成如不可降解的椎间盘替换物的植入体。

在实施方式中，可以形成两相的水凝胶植入体。比如，可以使用模板和/或屏幕来形成所述两相的水凝胶植入体。所述模板和屏幕可以是任何形状或者任何尺寸的。在实施方式中，所述模板可以是具有基底的圆筒(类似实验室的烧杯)，所述屏幕可以包括各种尺寸的圆盘的系列。利用所述的模板和屏幕，可以形成具有模板和屏幕的致密的底层、中间层和致密的顶层。比如，致密的底层可以这样形成：通过将反应性和引发的水凝胶前体涂覆到模板的基底，使反应性前体形成水凝胶，然后将水凝胶暴露到引发剂中来交联引发的前体，由此形成致密的底层。然后通过将反应性前体涂覆在所述底层上，任选地包含引发的前体，并使它们反应，在底层的顶部形成中间层。然后可以形成致密的顶层，比如通过以下方法：将屏幕置于所述中间层，然后将反应性的和引发的水凝胶前体都置于中间层，并使反应性前体形成水凝胶层，然后可以将顶部水凝胶暴露于引发剂中来交联在顶部水凝胶中的引发的前体以形成致密的顶层。所述屏幕可防止中间层中任何引发的前体的交联。所述屏幕可以保留或者，在实施方式中，所述屏幕可以移除。因此，所产生的凝胶将具有较致密的顶层和较致密的底层，和不太致密的中间层。

形成的每一层可以包含相同的或者不同的水凝胶前体。此外，每一层可以包含生物活性剂。每层中的生物活性剂的类型和数量可以是相同的或者不同的。

将参考图3来进一步描述形成两相的药物输送水凝胶植入体的方法。如图3所示，将水凝胶前体的层置于模板310中。在互相暴露时所述反应性前体形成水凝胶300。将引发的水凝胶前体暴露于引发剂320以增加它们的交联，从而形成致密的底层。图3B显示几个不同尺寸的屏幕330。屏幕330可以置于水凝胶300之上。然后可以将另外的前体添加到水凝胶300的顶部，并使其反应，任选地将其暴露于引发剂320来形成下一层(没有显示)。可以重复这些方法来产生具有不太致密的核的致密的交联的凝胶，这是由于所述屏幕的存在，阻止了所述前体暴露于引发剂。如图3C所示，被屏蔽的中央350可以保持比没有被屏幕覆盖的水凝胶340的部分较低的致密。在实施方式中，不同尺寸和形状的屏幕330可以用来形成不同中央。因此所产生的两相的药物输送水凝胶植入体340可以包括具有形成中央部分的不太致密的水凝胶350的较致密的水凝胶340。

一旦在原位放置，所述两相的药物输送水凝胶的水凝胶中央水凝胶部分350的可以以比较致密的水凝胶340更快的速率降解。所述较致密的水凝胶340的较慢的降解速率可以因此提供生物活性剂随时间的逐渐释放，以及伴随水凝胶340的降解并较低致密的中心350作为一种丸剂的另外的释放。在其它的实施方式中，所述中央水凝胶可以降解得比周围水凝胶慢，使得丸剂运送之后缓慢释放维持剂量。这证明对缓释应用是有益的。速释/缓释药物输送系统对例如在麻醉剂、抗凝血剂、抗炎剂、化疗药物、肽、生长因子，及其组合等的输送方面是有帮助的。

根据本公开的水凝胶形成植入体的另一用途描述于图5A和5B中。所述植入体400包括网410。网410可以用引发剂涂覆，引发剂如高锰酸盐/醋酸、过硫酸铵/醋酸、过硫酸钾/2,2’-偶氮双[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸化物(2,2’-偶氮双[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸化物可以以VA044(Wako)市售购得)、过硫酸铵/1,4-丁二胺，及其组合等。可以将亲电子的反应性前体和引发的前体的混合物如PEG-NHS和PEG-丙烯酸酯420喷雾在所述网410上。然后整个网格410可以用亲核的反应性前体如三赖氨酸和另外的引发的前体如未反应的丙烯酸酯涂覆。与网410接触的所述PEG-丙烯酸酯可以被在所述网中的高锰酸盐/醋酸引发并交联430。所述PEG-NHS和三赖氨酸也可以反应来形成横穿整个网的表面的包括所述网410的孔隙的不太致密的交联的水凝胶420。如图5B中描述的，所述PEG-NHS-三赖氨酸水凝胶420可以在从大约4天到大约6天的期间内降解，暴露所述网410的孔隙440，以获得用于组织生长的空间。这种网能够用于，例如疝修复。

在其它的实施例中，如图6A所示，本公开的水凝胶可以用于形成缝合锚600。注射器610可以将亲电子的和亲核的(反应性的)水凝胶前体和引发的水凝胶前体的混合物620注入到组织630之下以在所述组织630的之下和表面640都形成柔性水凝胶620。如图6B所示，柔性水凝胶620可以用紫外线670引发来产生致密交联的缝合锚650。如图6C所示，然后缝合线660可以穿过缝合锚650。这种缝合锚能够用于比如，原位伤口闭合、骨锚、腱修复、及其组合等。

在其它的实施方式中，未示出，可首先引发所述引发的水凝胶前体，然后在引发的水凝胶形成之后使得反应性前体发生反应。

在其它的实施方式中，如在图7A-C所示，可以由本公开的水凝胶形成铆钉本公开以将植入体粘附到组织。可以将植入体700应用于腹膜710用于疝矫正。通过所述植入体700的孔701、702、703、704、705、706、707和708从腹膜710的下面(或者上面，未示出)使用注射器720注入水凝胶混合物730。所述水凝胶混合物730可以在腹膜下面形成柔性水凝胶740，填充孔701、702、703、704、705、706、707和708，并且在所述植入体700的非组织侧稍微蓄积。然后所述柔性水凝胶740可以暴露于引发剂750来形成致密地交联的水凝胶铆钉760,由此将所述植入体700粘附到腹膜710。

如上文所指出的，在实施方式中，本公开的水凝胶组合物可以具有不同的模量。在实施方式中，本领域技术人员可以基于需要应用所述组合物的组织来调整使用的组分来形成本公开的组合物。图10给出了用于各种组织的弹性模量，其可作为制备具有所需模量的本公开组合物时的参考。

在实施方式中，如图11中描述，可以使用水凝胶组合物修复组织缺陷。图11描述使用本公开的组合物来修复软骨的缺陷。所述可以将反应性前体和引发的前体施用于软骨865的缺陷820，由此在那里形成第一水凝胶800。可以将辐射源830施加到与围绕组织缺陷的关节软骨855相邻的水凝胶800的表面，由此在表面上形成起到阻隔层840作用的第二水凝胶。

如上文所指出的，在实施方式中，本公开的水凝胶组合物可以包括一种分散在第二水凝胶中水凝胶。如图12A所描述的，分散区域920可以包括由第二水凝胶在第一水凝胶910中形成的核，所述第二水凝胶由引发的前体形成，所述第一水凝胶910由反应性前体形成。可选地，如在图12B中所描述的，许多分散区域920可以在第一水凝胶910中形成。虽然没有在图12A和12B中描述，在一些实施方式中，由引发的前体形成的阻隔层可以形成在本公开的所述水凝胶组合物而上。

生物活性剂可以包含在第一水凝胶、第二水凝胶或者两者中。在实施方式中，所述生物活性剂可以是以脂质体、微球、微泡及其组合等形式。当生物活性剂存在于第一和第二水凝胶之中时，水凝胶中可含有相同的或者不同的生物活性剂。所述生物活性剂可以从第一水凝胶中在大约1天至大约6星期的期间内释放，在实施方式中从大约1周至大约4周；所述生物活性剂可以从第二水凝胶中在大约5天至大约12周的期间内释放，在实施方式中从大约2周到大约8周。

具有多种释放性质的包含水凝胶的组合物的例子包括那些在美国专利申请公开第2009/0047349号中公开的，其公开内容整体并入本文作为参考。

提供下列实施例来阐明本公开的实施方式。这些实施例仅仅是阐述性的，而不意于限制本公开的范围。同样，除非另有说明，份数和百分数为重量份和重量百分数。如本文所使用的，“室温”指的是从大约20℃到大约30℃的温度。

实施例

实施例1

溶液制备

第一反应性前体：制备80％的PEG-二丙烯酸酯的磷酸盐缓冲液，pH4.04。向溶液中添加PEG-NHS至0.13g/ml的浓度(0.39克PEG-NHS溶于3ml的80％二丙烯酸盐的磷酸盐缓冲液)。

第二反应性前体：制备0.01g/ml的赖氨酸在硼酸盐缓冲剂中溶液，并且调节pH值到8.6。

引发的前体：制备10mg/ml的4,4’-双(二乙基-氨基)二苯甲酮(365nm的激发波长)在乙醇中的溶液。

如表格2(下列)所述，将不同量的引发的前体的溶液加入到第一反应性前体中。

第一和第二反应性前体的反应

将等体积的第一和第二反应性前体注入独立的注射器中。将所述注射器相连，并且混合所述溶液15秒。接着将所述溶液放置15分钟以确保水凝胶的完全交联。

引发的前体的交联

然后将各交联的水凝胶从其各自的注射器中取出，并且切割成几个圆筒。然后所述交联的水凝胶暴露于不同量的紫外光(参见表2)来引发所述引发的前体的交联反应以形成引发的水凝胶。用长针将凝胶的圆筒串起，放置于紫外光源下，并且旋转以使其均匀固化。

水凝胶组合物测试

一旦所述圆筒固化，将各圆筒放置在12mm平探头下，并且压制到不超过其初始高度的80％，或者直到断裂，速率为0.08mm/秒，触发力为20g，且断裂灵敏度为5g。每个固化水凝胶的结果记录在表2中。图8是显示表2的数据的柱状图表(用100微升的光引发剂的样品)。图9是引发的水凝胶(顶线)和未引发的水凝胶(底线)的对比。

表2

实施例2

重复实施例1的制备方法，在第二水凝胶前体中用三赖氨酸代替赖氨酸。测试结果提供于下面表3中。

表3

通过上述实施例所示，通过改变引发的前体的量和引发剂的紫外暴露的量取得了不同的交联度。此外，取决于所使用的第一和第二水凝胶前体，在暴露于紫外线之前取得了不同的交联水平。

上述描述包含许多细节。这些细节不应解释为是对本文公开的范围的限制，而仅仅作为其特别有益的实施方式的示例性说明。本领域技术人员可以预期通过所附的权利要求定义的本公开的范围和精神之内的多种其他的可能方案。

Claims (24)

1.一种水凝胶组合物，其包含：

生物活性剂；

包含具有亲电子基团的多臂聚醚的第一反应性前体；

包含亲核基团的第二反应性前体；以及

包含至少一个乙烯基的至少一种引发的前体，

其中，所述第一反应性前体与所述第二反应性前体交联形成具有生物活性剂的第一生物相容水凝胶，并且所述引发的前体暴露于引发剂以使所述引发的前体交联从而在第一生物相容水凝胶的外表面上形成阻隔层，所述阻隔层引导所述生物活性剂从第一生物相容水凝胶向所述阻隔层的相对方向输送。

2.根据权利要求1所述的水凝胶组合物，其中，所述第一反应性前体包含核，所述核选自聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚环氧乙烷-共-聚环氧丙烷、共-聚环氧乙烷嵌段共聚物、共-聚环氧乙烷无规共聚物及其组合；以及所述第二反应性前体包含核，所述核包含选自下列的组分：聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚环氧乙烷-共-聚环氧丙烷、共-聚环氧乙烷嵌段共聚物、共-聚环氧乙烷无规共聚物、聚乙烯醇、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(氨基酸)、葡聚糖、壳聚糖、藻酸盐、羧甲基纤维素、氧化纤维素、羟乙基纤维素、羟甲基纤维素、透明质酸、白蛋白、胶原、酪蛋白、明胶及其组合。

3.根据权利要求1所述的水凝胶组合物，其中，所述第一反应性前体具有N-羟基琥珀酰亚胺基团并且所述第二反应性前体具有胺基。

4.根据权利要求1所述的水凝胶组合物，其中，所述引发的前体选自：丙烯酸、甲基丙烯酸、包含磷酸胆碱的单体、呋喃酮官能的乙烯基单体、磺丙基丙烯酸钾、磺丙基甲基丙烯酸钾、N-乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸羟乙酯、具有高折射率的乙烯基单体、硅氧烷官能的乙烯基化合物、具有乙烯基基团的聚乙二醇-硅酮共聚单体、三丙烯酸酯、吡咯、液晶乙烯基单体、液晶乙烯基聚合物及其组合。

5.根据权利要求1所述的水凝胶组合物，其进一步包含选自氧化还原引发剂、自由基引发剂、辐射及其组合的引发剂。

6.根据权利要求5所述的水凝胶组合物，其中，所述辐射选自热量、可见光、紫外光、γ射线和电子束。

7.根据权利要求1所述的水凝胶组合物，其中，所述引发的前体占水凝胶组合物的5wt％至30wt％。

8.根据权利要求7所述的水凝胶组合物，其中，所述第一生物相容水凝胶具有从5kPa到90kPa的模量，并且所述阻隔层具有从50kPa到5,000kPa的模量。

9.根据权利要求7所述的水凝胶组合物，其中，所述第一生物相容水凝胶在从1周到12周的期间降解，并且所述阻隔层在至少2周的期间降解。

10.一种方法，其包括：

使生物活性剂、第一反应性前体与第二反应性前体和包含至少一个乙烯基的引发的前体接触；

使所述第一反应性前体和所述第二反应性前体交联以形成具有生物活性剂的第一生物相容水凝胶；以及

将所述引发的前体暴露到引发剂中以引发所述引发的前体的交联从而在所述第一生物相容水凝胶的外表面上形成阻隔层，所述阻隔层引导所述生物活性剂从第一生物相容水凝胶向所述阻隔层的相对方向输送。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一反应性前体包含亲电子基团并且所述第二反应性前体包含亲核基团。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一反应性前体、所述第二反应性前体或者两者包含核，所述核包含选自下列的组分：聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚环氧乙烷-共-聚环氧丙烷、共-聚环氧乙烷嵌段共聚物、共-聚环氧乙烷无规共聚物、聚乙烯醇、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(氨基酸)、葡聚糖、壳聚糖、藻酸盐、羧甲基纤维素、氧化纤维素、羟乙基纤维素、羟甲基纤维素、透明质酸、白蛋白、胶原、酪蛋白、明胶及其组合。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一反应性前体具有N-羟基琥珀酰亚胺基团并且所述第二反应性前体具有胺基。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述引发的前体选自丙烯酸、甲基丙烯酸、包含磷酸胆碱的单体、呋喃酮官能的乙烯基单体、磺丙基丙烯酸钾、磺丙基甲基丙烯酸钾、N-乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸羟乙酯、具有高折射率的乙烯基单体、硅氧烷官能的乙烯基化合物、具有乙烯基基团的聚乙二醇-硅酮共聚单体、三丙烯酸酯、吡咯、液晶乙烯基单体、液晶乙烯基聚合物及其组合。

15.根据权利要求10所述的方法，其进一步包含选自氧化还原引发剂、自由基引发剂、辐射及其组合的引发剂。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述辐射选自热量、可见光、紫外光、γ射线和电子束。

17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一反应性前体和所述第二反应性前体被应用于组织缺陷，并且所述引发的前体的交联在覆盖组织缺陷的所述第一生物相容水凝胶的表面上形成阻隔层。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一生物相容水凝胶具有从5kPa至90kPa的模量，并且所述阻隔层具有从50kPa至5,000kPa的模量。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一生物相容水凝胶在从1周到12周的期间降解，并且所述阻隔层在至少2周的期间降解。

20.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一反应性前体、第二反应性前体和所述引发的前体彼此接触并且在原位形成所述第一生物相容水凝胶。

21.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一生物相容水凝胶被用作选自粘合剂、止血剂、密封剂、植入体、保护性屏障、药物输送设备及其组合的组分。

22.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一反应性前体、第二反应性前体和所述引发的前体彼此接触并且在体外形成所述第一生物相容水凝胶。

23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一反应性前体、第二反应前体和引发的前体在所述第一生物相容水凝胶形成之前被应用到模板。

24.根据权利要求10的方法，其中，所述第一生物相容水凝胶比所述阻隔层降解得更快，由此形成包括组织生长、血管生成及其组合的愈合空间。