可植入软骨组织修复装置.pdf

一种软骨组织修复装置，其具有生物相容的，可生物再吸收的立体丝(8)或其它纤维层和生物相容的、可生物再吸收的基本上多孔的丝基的或其它水凝胶，该水凝胶部分或基本上完全填满纤维层的孔隙；可以具有也可以没有将该装置固定到病人骨上的整体部件。

权利要求书
1.  可植入软骨组织修复装置，其包括：
生物相容的和至少部分可生物再吸收的立体纤维层，该立体纤维层由生物相容的、至少部分可生物再吸收的、基本上多孔的水凝胶至少部分浸透，由此，在使用中，细胞被包含在该装置的至少一些孔中。

2.  按照权利要求1所述的可植入软骨组织修复装置，其中所述立体纤维层基本上是所要修复的软骨组织的仿生纤维模型。

3.  按照前述权利要求中任一项所述的可植入软骨组织修复装置，其中所述立体纤维层的纤维包括选自纤维组的纤维，该纤维组由以下组成：天然的桑蚕丝纤维或天然的野蚕丝纤维或蜘蛛丝纤维，或基本上基于桑蚕丝蛋白质的重组蛋白的纤维，或基本上基于野蚕丝蛋白质的重组蛋白的纤维，或基本上基于蜘蛛丝蛋白质的重组蛋白的纤维。

4.  按照前述权利要求中的任何一项所述的可植入软骨组织修复装置，其中所述多孔的水凝胶至少包括一个组分选自下组，该组由下列组成：来自桑蚕丝的再生丝纤蛋白或来自野蚕丝的再生丝纤蛋白或来自蜘蛛丝的再生蛛丝蛋白或白明胶或血纤维蛋白或纤维连接蛋白或海藻酸盐或透明质酸或硫酸软骨素。

5.  按照前述权利要求中任何一项所述的可植入软骨组织修复装置，其中平均孔径在50μm至300μm之间。

6.  按照前述权利要求任何一项所述的可植入软骨组织修复装置，其进一步包括：
一种或一种以上的共价结合生长因子，其选自下列生长因子：Beta-FGF、TGF-beta1、GDF-5、胰岛素类生长因子、碱性成纤维生长因子、软骨组织生长因子或成骨蛋白质-1；
由此，对间质或干细胞的结合和/或分化的促进，是为了形成软骨或刺激分泌蛋白多糖。

7.  按照前述权利要求任何一项所述的可植入软骨组织修复装置，其进一步包括：
用于将所述立体纤维层和/或所述多孔水凝胶附着到骨的整体附着部件。

8.  按照权利要求7所述的可植入软骨组织修复装置，其中所述整体附着部件包括至少一个矿化表面层、延伸部或凸缘。

9.  按照权利要求8所述的可植入软骨组织修复装置，其中所述至少一个矿化表面层、延伸部或凸缘包含羟基磷灰石。

10.  按照权利要求7-9任何一项所述的可植入软骨组织修复装置，其中所述整体附着部件进一步包括：
一种或一种以上的共价结合生长因子，其选自下列生长因子：骨形态发生蛋白质、TGF-beta、表皮生长因子、胰岛素类生长因子、生长/分化因子-10或Runx2(Cbfa1/AML3)转录因子；
由此，对间质或干细胞的补充、结合和/或分化的刺激是为了分泌普通骨。

11.  按照权利要求7-9任何一项所述的可植入软骨组织修复装置，其中所述整体附着部件进一步包括：
具有与任何生长因子类似功能的一种或一种以上的共价结合合成药物，该生长因子选自下列：骨形态发生蛋白质、TGF-beta、表皮生长因子、胰岛素类生长因子、生长/分化因子-10或Runx2(Cbfa1/AML3)转录因子；
由此，对间质或干细胞的补充、结合和/或分化的刺激是为了分泌普通骨。

12.  按照前述权利要求任何一项所述的可植入软骨组织修复装置，用于全部或部分替代或增强椎间盘时，该装置基本上成形为类似于解剖的椎间盘。

13.  按照权利要求12所述的可植入软骨组织修复装置，其包括：
由水凝胶和随机取向纤维组成的基本上圆柱形的髓核同功异质体；
围绕所述髓核同功异质体放置的连续纤维层，由此形成格子状的环状纤维同功异质体；和
放置在髓核同功异质体和环状纤维同功异质体的头向端部和尾向端部的基本上平坦的纤维层。

14.  按照权利要求13所述的可植入软骨组织修复装置，其中所述环状纤维同功异质体包括：
多个基本上同心的、基本上圆柱的纤维层，在其每一个中，基本上圆柱的纤维层是：
基本上彼此平行；和
与所述同心圆柱层的主轴以基本上一常角倾斜；
以及其中在髓核同功异质体和环状纤维同功异质体的头向端部和尾向端部的所述基本上平坦的层包含：
与所述基本上同心的、基本上圆柱的层径向放置的多个纤维；
其中，同心邻近的圆柱纤维层的纤维以与所述同心圆柱层的主轴倾斜，该倾斜成不同的角度，但是基本上是一常角，由此，连续的纤维层提供交叉的格子状结构。

15.  按照权利要求1-11任何一项所述的可植入软骨组织修复装置，用于全部替代或部分替代或增强膝半月板，该装置基本上成形为类似解剖的膝半月板。

16.  按照权利要求15所述的可植入软骨组织修复装置，其中所述立体纤维层包含基本上圆周布置的多个纤维和基本上径向布置的多个纤维。

17.  按照权利要求1-11任何一项所述的可植入软骨组织修复装置，用于全部替代或部分替代或增强关节软骨时，其中所述立体纤维层中的纤维取向基本上类似于所需修复的关节软骨部分的纤维取向。

18.  按照权利要求1-11或17任何一项所述的可植入软骨组织修复装置，用于全部替代或部分替代或增强关节软骨时，其中所述立体纤维层成形为拱形的拱廊结构，其包括：
至少一个基本上平坦的基层；
至少一个基本上平坦的顶部关节表面层，其基本上与所述基层平行；和
多个环纤维，其：
缝合穿过所述基层；
基本上垂直于所述基层和所述顶部关节表面层；和
通过捆绑，被固定在基层上和/或在顶部关节表面层。

19.  按照权利要求1-11任何一项所述的可植入软骨组织修复装置，用于全部替代或部分替代或增强颞下颌的半月板时，其中所述立体纤维层中的纤维取向基本上类似解剖的颞下颌的半月板部分的纤维取向。

20.  制造可植入软骨组织修复装置的方法，其包括如下步骤：
由生物相容的和至少部分可生物再吸收的纤维通过下列一种或一种以上的方法形成立体纤维层，该方法包括：缠绕或编织或压缩毡或捻合或针织或编结或缝合或刺绣或与布层结合；
制备生物相容的和至少部分可生物再吸收的、基本上多孔的水凝胶；以及
在所述立体纤维层的生产期间或之后，用所述生物相容的和至少部分地可生物再吸收的、基本上多孔的水凝胶浸透所述立体纤维层。

21.  按照权利要求20所述的制造可植入软骨组织修复装置的方法，进一步包括步骤：
交联所述立体纤维层和/或交联所述基本上多孔的水凝胶。

22.  按照权利要求20和21任一项所述的制造可植入软骨组织修复装置的方法，进一步包括步骤：
用疏水的酰化剂处理所述立体纤维层和/或处理所述基本上多孔的水凝胶。

23.  按照权利要求20-22任一项所述的制造可植入软骨组织修复装置的方法，其中所述制备多孔水凝胶的步骤包括子步骤：
制备脱胶丝溶液；
使所述脱胶丝溶液形成凝胶；
冷冻所得到的脱胶丝凝胶。

24.  按照权利要求20-23任一项所述的制造可植入软骨组织修复装置的方法，其进一步包括矿化所述可植入软骨组织修复装置的表面层、延伸部或凸缘的步骤。

25.  按照权利要求24所述的制造可植入软骨组织修复装置的方法，其中所述的矿化所述可植入软骨组织修复装置的表面层、延伸部或凸缘的步骤还包括子步骤：
制备缓冲的磷酸盐溶液；
将所述缓冲的磷酸盐溶液添加到被包含在所述可植入软骨组织修复装置的所述表面层、延伸部或凸缘内的水凝胶；
受控冷冻和/或干燥所述可植入软骨组织修复装置的所述表面层，延伸部或凸缘；
将所述可植入软骨组织修复装置的所述表面层、延伸部或凸缘暴露到缓冲氯化钙溶液。

26.  按照权利要求25所述的制造可植入软骨组织修复装置的方法，其中通过使用缓冲磷酸盐溶液对水凝胶进行凝胶化而将所述缓冲磷酸盐溶液添加到水凝胶中的。

27.  制造可植入组织修复装置的方法，其包括如下步骤：
由生物相容的和至少部分可生物再吸收的纤维通过下列一种或一种以上的方法制成立体纤维层，该方法包括：缠绕或编织或压缩毡或捻合或针织或编结或缝合或刺绣或结合布层；
制备生物相容的和至少部分地可生物再吸收的水凝胶；
在所述立体纤维层的生产期间或之后，用所述生物相容的和至少部分地可生物再吸收的水凝胶浸透所述立体纤维层；
矿化所述可植入组织修复装置的至少一个表面，其通过：
制备缓冲的磷酸盐溶液；
将所述缓冲磷酸盐溶液添加到被包含在所述可植入组织修复装置的所述表面内的水凝胶中；
受控冷冻和/或干燥所述可植入组织修复装置的所述表面；
将所述可植入组织修复装置的所述表面暴露到缓冲氯化钙溶液中。

28.  按照权利要求27的制造可植入组织修复装置的方法，其中通过使用缓冲磷酸盐溶液对水凝胶进行凝胶化而将所述缓冲磷酸盐溶液添加到水凝胶中的。

29.  可植入组织修复装置，其包括：
生物相容的和至少部分可生物再吸收的纤维层至少被生物相容的和至少部分可生物再吸收的水凝胶部分浸透，以及包括至少一个矿化表面的用于将所述纤维层和/或所述水凝胶附着到骨的整体附着部件。

30.  可植入组织修复装置，其包括生物相容的和至少部分可再生物吸收的、矿化的水凝胶。

31.  制造可植入组织修复装置的方法，其包括如下步骤：
制备生物相容的和至少部分地可生物再吸收的水凝胶；
通过下列步骤矿化所述水凝胶：
制备缓冲的磷酸盐溶液溶液；
将所述缓冲磷酸盐溶液添加到水凝胶；
受控冷冻和/或干燥所述水凝胶；
将所述水凝胶暴露到缓冲的氯化钙溶液。

32.  按照权利要求31的制造可植入组织修复装置的方法，其中通过使用缓冲磷酸盐溶液对水凝胶进行凝胶化而将所述缓冲磷酸盐溶液添加到水凝胶中的。

说明书可植入软骨组织修复装置
技术领域
本发明通常涉及模拟、修复或再生受损或患病软骨的外科装置，及其制造方法。尤其是，本发明涉及用于替代、部分替代或增强受损的软骨的装置，从而适用于修复关节软骨、膝关节半月板、颞下颌关节或椎间盘。
背景技术
成年哺乳动物身体内软骨主要以三种形式存在：透明软骨；白纤维软骨；和黄色弹性软骨。透明软骨作为关节软骨主要存在于髋和肩的滑液动关节内以及长骨之间，其中透明软骨形成粘稠和平滑的关节联接的表面。白纤维软骨存在于膝关节的半月板和颚的颞下颌关节内和椎间盘内。黄色弹性软骨支持会厌，耳咽管和外耳。
涉及软骨损害的三种病理学条件是非常普通的：关节软骨的骨关节炎；膝半月板的纤维软骨的损伤，椎间盘的塌陷，破裂或突出。
骨关节炎通常由髋和膝内最普通的关节软骨的累计受损和破坏所导致的，而这是老年人群中疼痛和活动能力下降的重要原因。半月板纤维软骨的损伤是普通的运动损伤，在公路交通事故也可以出现这样的情况。
关节软骨的结构和功能已经由Hasler EM，Herzog W，Wu JZ，Muller W，Wyss U于1999年在刊登于生物医学工程评论(Critical Reviews In BiomedicalEngineering)第27卷第6部分第415-488的文章″关节软骨生物力学：理论模型，材料性质，和生物合成反应″(“Articular cartilage biomechanics：Theoretical models，material properties，and biosynthetic response”)内评述。关节软骨专用于在相对刚性的骨之间提供相对无摩擦的，非常润滑的，耐磨的表面。它也可以起到传递和分散的功能，即传递和分散来自与周围软骨和支撑软骨下的脊柱骨的载荷接触的力。透明软骨并不被认为可以作为减震器限制撞击对骨的作用力。这是因为与骨相比，其消散动能的容积非常小，还因为其在增加应变率的同时增加了刚性，从而使得其用作减震器是不合格的材料。关节软骨是无脉管的结缔组织，其主要由散布于固相中的流体相构成，该流体相主要由水和电解液组成，该固相包含II型胶原(collagen)，蛋白聚糖及其他糖蛋白。后者的成分围绕着软骨细胞并由高度专业化的间质细胞分泌而得，该软骨细胞占关节软骨的总量的约10％。健康的关节软骨是坚固和刚性的(模量在1至20MPa之间)。关节内部的胶原纤维的结构对其功能是必不可少的。它们排布为形成垂直布置和固定于软骨连接的柱形的复合拱形结构。这些柱形体向上穿过深层软骨，但是在表面的软骨内，主要纤维方向逐渐地转换形成拱廊结构的拱形。
在与关节间隙邻接的表面层内，胶原纤维的网络要稠密的多，同时小纤维几乎与软骨表面完全相切。关节软骨内胶原的方向对其机械性能非常重要。
没有完全满意的方法用于替换患骨关节炎的损伤的关节软骨，反而人造的修复体最通常用于替换整个髋和膝关节。这些在增加活动能力的同时，也减少了它们遭受自累进的磨损，机械损坏，反向的组织反应和在其与骨的界面处的松弛所带来的疼痛。
膝关节的半月板是插入股骨髁和胫骨坪之间的C形的圆盘和具有压力载荷散布，减震，稳定和分泌用于润滑的滑液的功能。半月板的结构，功能和病理学已经由S.M.Bahgia和M.Weinick，Y.Xing，和K.Gupta于2005年，以“Meniscal Injury”(半月板损伤)一文进行评述，其发表在E-medicine WorldLibrary，27th July 2005，http://www.emedicine.com/pmr/topic75.htm(数字医学世界图书馆，2005年7月27号，网址http://www.emedicine.com/pmr/topic75.htm)。外边缘是血管，而中心部分是无血管的纤维软骨。I型胶原(非关节软骨的纤维状胶原)占半月板胶原的约70％至90％。大部分胶原布置成绳状圆周的纤维并伴有少量径向捆绑纤维。而在关节软骨内，胶原方向对于其机械性能和该结构的固定极端重要。半月板的压缩导致圆周纤维拉伸环形载荷和径向纤维的径向载荷，从而抵抗半月板的铺展和弯曲。因而半月板散布载荷和消散动能的能力取决于胶原纤维层的完整性。为此，当正常载荷分散和减震功能受到削弱时，对这些纤维的损害增加了对于关节软骨次要的骨关节损害的风险。半月板股骨韧带坚固地将外侧半月板的后角相连到股骨髁和冠状韧带将外周的半月板边缘固定到胫骨。
半月板损伤在成年人中相当普遍，最常见的是与运动有关。对于形态正常的半月板而言，半月板损伤在10岁以上孩子的普遍性比较少和在10岁以下孩子中比较罕见(Iobst，C.A.and Stanitski，C.L.，2000，Acute kneeinjuries.Clin Sports Med.2000 Oct；19(4)：621-35)。
损伤的半月板的外科疗法经常是必需的。尽管全部或部分半月板切除术在大约四十多年前很流行，但是如今已经熟知该方法导致关节软骨退化(King，D.Clin.Orthop.1990，252，4-7；Fairbank，T.J.J.Bone Joint Surg.Br.1948，30，664-670)。软骨退化的程度看起来取决于已经除去了多少组织。因此部分半月板切除术是当前首选的方法。然而，即使部分半月板切除，二次骨关节炎仍然是长期的结果。因此仍然在寻找半月板切除术更好的替换方法。同种异体移植物移植是相当成功的替换方法。然而，没有证据表明用同种异体移植物替换半月板能够重建一些重要的半月板功能并因此防止或减少半月板切除术所导致的二次骨关节炎的形成(Messner，K.and Gao，J.1998 The menisciof the knee joint.Anatomical and functional characteristics，and arationale for clinical treatment.Journal of Anatomy，193：161-178)。主要的问题是缺乏移植物的重新塑造，从而导致劣质的结构性能、生物化学和机械性能以及不能充分固定到骨。此外缺点包括适当供体的不足，保存技术的难度，疾病的可能传递，将移植物成形以适合供体方面的困难和对于移植物可能的免疫反应(Stone，K.R.Clin.Sports Med.1996，15，557-571)。
整个膝置换不可能被认为是对于不复杂的半月板损伤的治疗方法。涤纶和聚四氟乙烯半月板修复组分可以引发严重的滑液反应(Cook，J.L.，Tomlinson，J.L.，Kreeger，J.M.，and Cook，C.R.1999.The American Journal of SportsMedicine 27：658665 Induction of meniscal regeneration in dogs using anovel biomaterial)同时松弛和机械损坏是一个难题(de Groot，J.H.1995Doctoral dissertation.University of Gronigen，Summary p153)。
由胶原，聚四氟乙烯纤维，碳纤维，增强聚酯，或聚氨基甲酸酯涂覆的涤纶制成的部分或全部半月板置换件，已经显示出固定不良、机械损坏或严重发炎反应的高故障率。
基于中极两性的氨基甲酸乙酯嵌段共聚物的弹性体已经被建议用于半月板的修复和在动物模型中进行过试验(Heijkants，R.G.J.C.2004 Polyurethanescaffolds as meniscus reconstruction materials，Ph.D.Thesis，University of Groningen，The Netherlands，MSC Ph.D.-thesis series2004-09；ISSN：1570-1530；ISBN：90 367 2169 5，chapter 10 pp 167-184)。与涤纶或聚四氟乙烯相比，这些原料能产生较小毒性的降解产物然而，试验的聚氨基甲酸酯的机械性能并不很好的匹配本身的半月板，这就能够解释为什么在普通半月板内移植装置中新生的纤维软骨内发现只有不良取向的胶原而不是很好方向的胶原。一个另外的隐患是聚氨脂原料产生了阶段I发炎反应(巨细胞和一些巨噬细胞)。
最近，已经提出用于半月板修复的组织工程技术，包括利用生物相容的移植物作为再生的基质，和细胞补充从而促进重新塑造和治愈。然而，关于这些新颖的修复策略对于普通半月板功能恢复的贡献，还知之甚少。(Setton，L.A.，Guilak，F，Hsu，E.W.Vail，T.P.(1999)Biomechanical Factors inTissue Engineered Meniscal Repair.Clinical Orthopaedics & RelatedResearch.(367S)supplement：S254-S272 S272，October 1999)。
美国专利US 4,344,193(Kenny/Dow Chemical)看起来已经是第一个公开半月板修复体而不是整个置换内修补物方法的专利文献。所提出的半月板修复体是非增强的硅橡胶。该材料具有较低的生物适应性和有可能引发严重的滑液的反应。
美国专利US 4,502,161(Wall)公开了在其内部用不锈钢线束，尼龙或机织织物增强的硅橡胶，橡胶或聚四氟乙烯半月板修复体。所提出的材料具有较低的生物适应性和有可能引发严重的滑液的反应。
WO 89/00413(Stone/Regen Biologies Inc.)公开了由胶原类型I纤维的三维阵列构成的修复用的半月板，该胶原类型I纤维由聚合氨基多糖分子组成并且经由交联而互连。活体内，基质具有与天生的半月板基本上相同的外表面轮廓。基质提供部分可再吸收的适合于半月板纤维软骨细胞向内生长的架子。尽管其构造可以具有确定的形状和大小，然而其机械性能-特别是压缩模量-并不能接近于软骨的机械性能。
美国专利US 4,919,667(Richmond/Stryker)公开了一种由聚酯与聚氨基甲酸酯结合构造的半月板修复体。该聚酯布置为多层的毡，其中一层或以上的中间层夹在也是聚酯的编织布顶层和底层之间。该聚酯和聚氨基甲酸酯很可能与US 4,502,161的材料相比具有更好的生物相容性。
美国专利US 6,306,169(Lee)公开了一种由孔隙中填满水合凝胶的多孔宏观结构组成的移植物。该宏观结构由可生物再吸收的聚合物(胶原，白明胶，聚左旋乳酸，聚己酸内酯，聚羟基丁酸酯(polyhydroxybutarate)，或聚酐)和无孔的水合凝胶组成，该无孔的水合凝胶由藻朊酸盐，琼脂糖，角叉菜胶，氨基多糖，含蛋白多糖，聚乙烯氧化物或胶原单体组成。这种结构改进了WO89/00413中所公开结构的机械性能，但是仍需努力达到软骨机械性能。
美国专利US 6,514,515和US 6,867,247(Williams)公开了利用可生物再吸收和生物相容的聚羟基链烷酸酯聚合物作为修复组织。此类聚合物可以调整为具有特殊的机械性能。
美国专利US 6,679,914(Gabbay)公开了一种半月板修复体，其包括多个由醛交联的动物心包的叠合片构成。
PCT专利申请WO 00/72782(Wolowacz/Smith & Nephew)公开了一种生物相容的，可再吸收的，可植入的材料，其用于完全置换或增强由包含定位纤维的柔韧性的带状的结缔组织。该申请提出利用水凝胶作为载体介质，通过该介质将细胞吸收入材料。
椎间盘的结构和功能已经由Matcher，SJ，Winlove，CP and Gangnus，SV于2004年在其文章中评述，该文章“The collagen structure of bovineintervertebral disc studied using polarization-sensitive opticalcoherence tomography”刊登于Physics in Medicine and Biology，volume 49pages 1295-1306。该椎间盘包括内区域，即被纤维环围绕的髓核。内髓核是由蛋白多糖在精细的II型胶原纤维无序网络被截留而构造的粘-弹性凝胶。与此相反，由轴向同心片组成的外纤维环，由I型胶原的较大的纤维和相当低浓度的蛋白多糖构造而成。在纤维环的每个片内的纤维彼此平行，但是与椎间盘的轴保持一个常角。片与片之间间隔的角度产生类似格子状的结构，其中当椎间盘轴向被压缩时，纤维角度增加。因而，椎间盘具有与半月板有些类似的结构与功能，可以作为充满流体的压力容器，其功能是将轴向压力转换为纤维环的同心片的胶原内的拉伸力。纤维环的胶原纤维在椎间盘的顶部和底部牢固的固定到邻近椎骨中心的骺骨。
PCT专利申请WO 2005/094911(Knight/Oxford BioMaterialsBioMaterials Ltd.)公开了一种复合材料，其包括一种或一种以上的在丙烯酸或交联的蛋白质基质内的丝元件和其用于广泛的可植入装置。该申请教导利用某种天然掺杂有整联蛋白-结合三肽RGD的野蚕丝。该野蚕丝中的三肽促进间质与其他细胞的结合。
因而，在用于修复或置换关节软骨，椎间盘和半月板的可植入材料与装置中，仍然具有相当大的改善范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种相对于现有技术的装置，机械性能更接近于用于修复组织所需要的解剖学要求的可植入软骨组织修复装置。
此外，本发明的目的是提供一种基本上可生物再吸收的可植入软骨组织修复装置，与现有技术的装置相比，其允许和支持至少一部分具有自体移植物胶原和蛋白多糖(即通过病人自身产生的胶原和蛋白多糖)的装置更为有效地逐渐浸透和替代。
另一方面，本发明的另一个目的是提供一种可植入组织修复装置，其至少部分可生物再吸收和具有有效的部件用于附着或固定到病人的骨上。
发明简述
本发明提供一种可植入软骨组织修复装置，其包括生物相容的和至少部分可生物再吸收的立体纤维层，该立体纤维层至少部分由生物相容的和至少部分可生物再吸收的、基本上多孔的水凝胶浸透，由此，在使用中，细胞被包含在装置的孔隙中。
本发明另一方面提供一种制造可植入软骨组织修复装置的方法，其包括如下步骤：由生物相容的和至少部分可生物再吸收的纤维通过一种或多种方法形成立体纤维层，形成的方法包括缠绕或编织或压缩毡或捻或编结或编织或缝合或刺绣或结合布层，制备生物相容的和至少部分可生物再吸收的、实质上多孔的水凝胶，以及在所述立体纤维层生产的期间或之后，用所述生物相容的和至少部分可生物再吸收的、基本上多孔的水凝胶浸透所述立体纤维层。
本发明另一方面提供一种制造可植入软骨组织修复装置的方法，其包括如下步骤：(I)由生物相容的、至少部分可生物再吸收的纤维通过一种或一种以上的方法形成立体纤维层，形成的方法包括缠绕或编织或压缩毡、或捻或编结或编织或缝合或刺绣，(II)制备生物相容的、至少部分可生物再吸收的、基本上多孔的水凝胶，(III)在所述立体纤维层生产的期间或之后，用所述生物相容的、至少部分可生物再吸收的、基本上多孔的水凝胶浸透所述立体纤维层，(IV)通过以下步骤矿化所述可植入组织修复装置的至少一个表面，(IVa)制备缓冲磷酸盐溶液，(IVb)将所述缓冲磷酸盐溶液添加到包含在所述可植入组织修复装置的所述表面内的水凝胶中，(IVc)受控冷冻和/或干燥所述可植入组织修复装置的所述表面，(IVd)将所述可植入组织修复装置的所述表面暴露到缓冲氯化钙溶液中。
本发明另一方面提供一种可植入组织修复装置，其包括生物相容的和至少部分可生物再吸收的纤维层，该纤维层由生物相容的和至少部分可生物再吸收的水凝胶至少部分浸透，以及用于将所述纤维层和/或所述水凝胶附着到至少包含一个矿化表面的骨的整体附着部件。
在本发明的另一方面提供一种可植入的组织修复装置，其包括生物相容的和至少部分可生物再吸收的矿化的水凝胶。
在本发明另一方面提供用于制造可植入组织修复装置的方法，其包括如下步骤：(I)制备生物相容的和至少部分可生物再吸收的水凝胶；(II)通过以下步骤矿化所述水凝胶，(IIa)制备缓冲磷酸盐溶液，(IIb)将所述缓冲磷酸盐溶液添加到水凝胶中，(IIc)受控冷冻和/或干燥所述的水凝胶(IId)将所述水凝胶暴露至缓冲氯化钙溶液。
本发明其他理想的和有益的实施方式将在从属权利要求2-19，21-26和28中提出。
本发明提供一种可植入软骨组织修复装置，相对于现有技术的装置，其机械性能更接近于预得到修复组织所需要的解剖学条件。实际上，按照本发明适当构造的装置能够从植入时候起就实现所替换组织的机械功能。
本发明也提供一种实质上可生物再吸收的可植入软骨组织修复装置，与现有技术的装置相比，其允许和支持自身的胶原和蛋白多糖(即通过病人自身产生的胶原和蛋白多糖)更为有效地逐渐浸透和置换装置的至少一部分。特别的，水凝胶的孔隙率允许间质或干细胞的浸透。
本发明提供一种复合结构的装置，其能够局部调整修复体的机械性能从而在整个修复体内提供适当的应力/应变环境，由此避免应力保护的难题从而支持正确的结缔组织的重新形成，该正确的结缔组织适合于不同位置的复合组织。
如果是半月板和椎间盘时，该立体纤维层和受约束的多孔水凝胶给予可植入装置以类似软骨的性能以使其能够在压缩载荷期间分散压力和起到减震器作用。
在一些实施方式中，根据本发明的可植入装置中模仿天然组织中胶原纤维的方向，从而赋予其类似于天然组织的各向异性的机械性能。
本发明的一些实施方式中，本发明提供一种可植入组织修复装置，其至少部分可生物再吸收，具有有效的部件用于附着或固定到病人的骨上。
在一些实施方式中，可植入装置附着或固定到病人骨上的整体部件帮助克服许多整形外科装置一贯的缺陷-在骨/移植物界面处的机械损坏。当其用于本发明的一些具体实施方式中时，牢固附着或固定该装置的这种整体部件的矿化，提供坚韧的、抗压缩材料，其也能够促进用聚乳酸骨钉(“poly screw”)或等效装置在骨内钻孔隧道的固定，由此在骨上提供稳固和坚韧的附着。
在本发明的一些实施方式中，稳固的、弹性和坚韧的丝纤维的高密度立体纤维层捕获交联到丝纤维的多孔水凝胶基质，其赋予坚韧、弹性的复合材料以高模量。
在本发明的一些实施方式中，在立体纤维层和/或丝蛋白质水凝胶中丝纤维的再吸收比率可以局部调整，该局部调整的手段可以是通过控制共价的交联，控制β折叠结晶的形成和/或通过对疏水支链的烷基化来调整蛋白质的疏水性。这使得在再吸收过程中，应力有序“移交”到新形成的结缔组织而没有应力保护。
在一些实施方式中，将局部特殊的生长因子引入一些或全部的可植入装置，其支持适当细胞的复原、分化和分泌，因而促进装置到局部适当的结缔组织的转化。
本发明另外的目的和优点通过下面的说明和附图的讨论而得以明了，举例来说，其描述了本发明的实施方式，本发明提供可植入软骨组织修复装置，其用于修复或替代半月板(“半月板修复装置”)、椎间盘(“椎间盘修复装置”)和关节软骨(“软骨修复装置”)。示范实施方式包括由多孔再生的丝心蛋白水凝胶浸透的野蚕丝纤维的立体纤维层。
附图说明
图1：按照本发明半月板修复装置的平面示意图；
图2：按照本发明半月板修复装置的剖面示意图；
图3：按照本发明椎间盘修复装置的示意图；
图4：按照本发明椎间盘修复装置的透视示意图；
图5：按照本发明关节软骨修复装置的透视示意图；
图6：扫描电镜(SEM)照片显示了按照本发明的多孔水凝胶的多微孔的结构；
图7：用原代人体骨髓基质细胞播种后的图6的多孔水凝胶；
图8：扫描电镜(SEM)显示了按照本发明的矿化水凝胶的横向断裂缝孔隙；
图9：按照本发明制备的矿化丝心蛋白水凝胶的X射线衍射图；
图10：按照本发明制备的矿化丝心蛋白水凝胶的傅里叶变换红外光谱。
具体实施方式
图1和图2分别是按照本发明半月板修复装置实施方式的平面示意图和剖面示意图。
立体纤维层--圆周向的(8)和径向的(没有显示)--丝纤维都已经用多孔再生的丝纤蛋白水凝胶部分浸透和用无孔的再生丝纤蛋白水凝胶部分浸透，从而形成该装置。
图1和2的装置由附加于多孔外周带(6)的冠状韧带同功异质体(1)和半月板股骨韧带同功异质体(4)组成，该多孔外周带(6)附加于中心的、无孔的区域(2)。多孔外周带(6)沿着多孔外周带的边界(7)与无孔区域附着。中心的模腔(3)的使用是为了便于半月板修复装置的制造。该中心模腔(3)在使用之前沿着切割线(5)切离。
因而解剖形态的半月板修复装置由仿生的纤维层和放置在纤维层的纤维之间的多孔水凝胶组成。纤维层模拟人体半月板内的胶原纤维。因而纤维层的纤维方向实质上是圆周向的，有少量径向纤维缝合或编织穿过圆周向纤维。径向纤维也用于保持圆周纤维之间的开放空间从而容纳水凝胶。
纤维圆周方向接续进入半月板股骨的韧带同功异质体(4)(该装置的新月状体的一个或二个角的边缘凸缘或延伸部)，从而提供固定该装置到骨的部件。半月板股骨韧带同功异质体(4)用羟基磷灰石通过浸渍涂敷或浸入模拟体液而矿化。
仿生的纤维层赋予半月板修复装置类似于天然膝半月板的各向异性的机械性能。
半月板修复装置的纤维层通过缠绕和缝合的方式组合，圆周向纤维(8)通过缠绕进行铺设，径向纤维环绕着圆周向纤维缝合并缝合入圆周向纤维内部从而将两者捆绑在一起。半月板修复装置能够可选择地通过编织、捻、编结、针织、刺绣或上述的组合进行制造。
纤维层也可以通过将织物的连续层缝合在一起而生产。在本例中纤维层内纤维的圆周取向通过使用比纬纱纤维更高密度的经线纤维织物并折叠该织物而实现，这样经线纤维大约为圆周方向。
该装置的纤维层包含可生物再吸收的丝纤维-例如牢固和坚韧的聚丙氨酸丝纤维，其丝心蛋白包含至少八个重复的整联蛋白-结合三联体RGD。可选择地，这些可以是天然桑蚕丝纤维、其它的天然野蚕丝或天然蜘蛛丝。可选择地，它们可以是从再生的桑蚕丝、野蚕丝或蜘蛛丝中提取的纤维，或者是从基于桑蚕丝、野蚕丝、蜘蛛丝或上述的组合的重组体蛋白质中提取的纤维。
该纤维层由6至9根茧丝轻轻地彼此捻合而成的脱胶或原丝的股线组成。可选择地，该丝纤维层可以由长条丝纤维形成，可以由捻合长条丝纤维形成的丝线形成，可以由单丝形成，可以由捻合在一起的单丝形成，可以由脱胶的丝茧丝形成，可以由脱胶的丝单丝形成，可以由线形成，该线由2至8个前面的股线捻合在一起或丝线编成的或编织在一起而成的。
水凝胶具有开口孔隙结构，由蚕丝、野蚕丝或蜘蛛丝的天然或再生丝纤蛋白组成。可选择地，水凝胶可以由白明胶，纤维蛋白，纤维连接蛋白，藻朊酸盐，透明质酸，软骨素硫酸盐或者上述的组合。
当多孔水凝胶是蛋白质时，其可通过浸入共价交联剂交联。
当多孔水凝胶由丝心蛋白组成时，其可通过30-70％乙醇处理的方式通过氢键交联。
任一形式的交联影响水凝胶和丝纤维层两者的机械性能和再吸收时间。可以使用不同种类的交联剂来交联不同组成的水凝胶。例如，它们包括：脂肪族醛类、二醛类、碳二亚胺类、琥珀酸亚胺类、琥珀酰胺类、氢过氧化物中存在的过氧化物酶类、谷氨酰胺转移酶类、酚酶类、酪氨酸酶类和/或锌基反应催化剂。
再吸收时间也可以通过用疏水支链对蛋白质烷基化而改变蛋白质的疏水性能而调整。丝蛋白质内氨基酸的亲水性的羧基、羟基、胺和氢硫基支链可以用作此类酰化的位置。可选择地，各类的单官能、双官能或多官能酰化剂可以用于增加蛋白质的疏水性。如果是双官能或多官能酰化剂，则它们具有交联蛋白质组分的附加效果。用于增加蛋白质疏水性的酰化剂包括例如芳基化剂和烷基化剂。此外，适合于增加蛋白质疏水性的酰化剂包括全氟丁酰基氯化物、月桂酰氯化物、肉豆蔻酰氯化物、苯甲酮四羧酸、二氨基二苯醚、脂肪族和双功能、十二烷基异氰酸盐、环己烷二异氰酸盐、脂肪族酐和十八烷烯基琥珀酸酐。
一种或一种以上的生长因子被加入或共价结合到该装置主体(2，6)的水凝胶中。这些生长因子刺激间质或干细胞的结合和/或分化，从而形成软骨或分泌蛋白多糖。适当的生长因子包括Beta-FGF、TGF-beta 1、GDF-5、胰岛素类生长因子、基本成纤维细胞生长因子、软骨组织生长因子或生骨蛋白质-1。一种或一种以上的具有与生长因子类似功能的合成药可以用来替换或增强天然生长因子的功能。
同样地，一种或一种以上的共价结合生长因子被加入该装置的边缘凸缘或延伸部(1，4)。这些生长因子刺激间质或干细胞的复原、结合和/或分化，从而分泌普通骨。适当的生长因子包括骨形态发生蛋白质、TGF-beta、表皮生长因子、胰岛素类生长因子、生长/分化因子-10或Runx2(Cbfa1/AML3)转录因子。一种或一种以上具有与生长因子类似功能的共价结合的合成药可以用来替换或增强天然生长因子的功能。
活细胞可以直接加入在改性细胞培养基内配制的未形成凝胶的丝心蛋白和海藻酸盐单体的溶液。然后在完成铺设纤维层或预成形的水凝胶架子之前，将获得的细胞悬浮液加入该装置。加入之后，海藻酸盐单体被引发聚合。活细胞悬浮液可以与用在低钙细胞培养基内配制的海藻酸盐溶液混合。这种混合物可以接着通过加入细胞相容浓度的钙而形成凝胶。
同样地，再生的丝纤蛋白溶液在中性的或轻微碱性的细胞培养基中保留溶胶，但是当用缓冲磷酸盐轻微酸化时慢慢形成凝胶。这能够使得活细胞被加入到多孔丝心蛋白水凝胶中。
图3和4显示了按照本发明的椎间盘修复装置的实施方式的示意图。
在这个实施方式中，具有再生的丝纤蛋白水凝胶结合随机取向的丝纤维(没有显示)的圆柱髓核同功异质体(15)。该髓核同功异质体(15)形成芯层，围绕该芯层铺设环状纤维同功异质体(14)。环状纤维同功异质体(14)在髓核同功异质体(15)周围以类似网格的结构铺设的丝纤维组成。如同环状纤维同功异质体(14)的连续层的铺设那样，将纤维层和水凝胶的预矿化片(13，16)加入到该装置。预矿化片(13，16)形成装置的顶部和底部，并便于该装置与病人脊椎中心的骨表面的整合。为了便于将该装置固定到脊椎中心的骨表面，预矿化片(13，16)横向伸展超过环状纤维同功异质体(14)。
立体纤维层由在该装置(9)顶部和底部径向取向的丝纤维层和放置在连续同心圆柱层(10)内的丝纤维层一起组成。多孔再生的丝纤蛋白水凝胶(11)将纤维和纤维层保持在一起。在任何特定圆柱层内的纤维彼此平行放置并与装置(12)的垂直轴以一常量角度倾斜。纤维在连续圆柱层内左右交替倾斜，从而形成类似格子状的结构。
除了在纤维层的性质不同外，解剖形态的椎间盘修复装置非常类似于如上所述的半月板修复装置。
椎间盘修复装置的纤维层也结合使用了缠绕和缝合，然而可选择地能够通过编织、捻、编结、针织或刺绣或上述的组合来生产。
椎间盘修复装置的纤维层基本上具有三个组件：髓核同功异质体(15)，环状纤维同功异质体(14)和具有凸缘的底部及顶部表面(13，16)，凸缘是为了附着到两个邻近的脊椎中心的骨头。
髓核同功异质体(15)的纤维层基本上是圆柱的，包括用多孔水凝胶基质浸透的随机取向丝纤维的疏松网络。环状纤维同功异质体(14)的纤维层由紧密包围髓核同功异质体(15)的连续圆柱薄片组成。在每个薄片内该纤维彼此平行布置并与该装置的垂直轴基本上成一常角。该纤维在连续薄片内左右交替倾斜并基本上在整个环状纤维同功异质体(14)内维持一倾斜常角，从而形成格子状结构。多孔水凝胶填满薄片之间的空间和薄片内纤维之间的空间。
环状纤维(14)的一个可选择的纤维层(没有显示)由缠绕在髓核同功异质体(15)上的丝布绷带状条带组成，从而形成同心瑞士果酱馅小面包卷结构。该丝条带首先斜切和拉伸，直到经线纤维和纬线纤维之间的角是健康椎间盘内胶原纤维倾斜角的两倍。该条带用形成水凝胶基质的单体溶液缓慢地浸透，由于条带的缠绕而形成该溶液的连续层。该条带的顶部和底部边缘可以切割成等腰三角形从而帮助形成该装置的顶部和底部表面。
椎间盘修复装置的顶部和底部表面(13，16)和用来与骨连接的法兰由多层矿化纤维和水凝胶组成。这些层可以缝合到环状纤维同功异质体(14)的端部或由用于形成该组件的相同的布或绕线构造而成。
图5显示按照本发明的关节软骨修复装置的实施方式的示意图。在这个实施方式中，该装置的基层(20)是由矿化丝纤维层和再生的丝纤蛋白水凝胶形成的。这些矿化的基层(20)便于将该装置固定到软骨下骨。将刚性的水凝胶层(19)放置在矿化基层(20)的顶部。这个刚性水凝胶层(19)结合有软骨母细胞。关节软骨的拱廊结构的同功异质体由环状纤维(17)形成，该环状纤维(17)缝合穿过矿化基层(20)，从刚性水凝胶层(19)穿过伸出，并垂直于基层(20)。这些纤维环(17)的顶部和底部通过约束细纱(没有显示)在适当的位置固定。顶部层(18)由再生丝纤蛋白水凝胶组成，该再生丝纤蛋白水凝胶浸透到切线方向的纤维层例如约束细纱或丝布。这些顶部层(18)为该装置提供了平滑关节面。软骨母细胞也可以加入到顶部层(18)。
除了纤维层的性质不同外，仿生的关节软骨修复装置接近类似如上所述的半月板修复装置和椎间盘修复装置。
关节软骨修复装置的纤维层使用了缝合，可选择地，其也能够通过编织、缠绕、捻、编结、针织或刺绣或其上述的组合而进行。
关节软骨修复装置的纤维层基本上具有三个组件：具有边缘凸缘的基层(20)，该边缘凸缘用于与骨附着，中心层(17，19)和表面层(18)。基层(20)由多层矿化布和多孔水凝胶组成，并形成用于附着到骨的表面。中心层由丝刚性多孔水凝胶(19)组成，穿过该刚性的多孔水凝胶(19)，丝纤维环(17)以这样的方式缝合，即模拟健康关节软骨拱廊结构。该丝纤维环可以通过缝纫机生产和通过锁定纤维适当的固定。表面层(18)由多个丝布片或纤维薄片组成，穿过该丝布片或纤维薄片缝合拱廊纤维。在表面层的最顶层薄片内的水凝胶是无孔的从而产生平滑和刚性的关节面。在生理条件下聚合之前，软骨母细胞或间质干细胞可以被加入遍及该装置的水凝胶的单体，需要指出的是丝心蛋白和海藻酸盐溶液在维持细胞活力的条件下可以形成凝胶。前者要求轻微地酸性条件和后者要求轻微地提高钙水平而凝胶化。
图6是按照下面的方案A从家蚕再生丝纤蛋白制备的水凝胶的扫描电子显微照片。水凝胶的孔隙(23)可以清楚的显示在该照片中。
图7是如图6中所描绘的多孔凝胶的扫描电镜照片，但不同的是图7在用人骨髓基质细胞播种之后拍摄，该人骨髓基质细胞选自strom 1活性的无性系(clones)，并在具有10％胎牛血清和1％青霉素-链霉素(penstrep)的alpha MEM培养基中在37℃和5％CO2下生长第一个7天，然后在相同的培养基下继续3天，但是此时为了成骨加入了地塞米松和抗坏血酸。活细胞已经完全填满装置表面上的孔隙(23)，从而显示出该装置具有优良的细胞附着力和出色的细胞相容性。该细胞成功分化为成骨细胞(如同与碱性磷酸酶的正反应试验中所显示的那样)。
图8是按照下面的方案C制备的矿化丝心蛋白水凝胶的横断裂缝孔隙壁的扫描电子显微照片，该扫描电子显微照片中还插入了能量散射X射线谱。切断面显示浸透的羟基磷灰石(如通过片状晶体以及通过来自按照下面方案C制备的矿化丝心蛋白水凝胶的X射线衍射曲线图(图9)所表明，其中X射线衍射曲线图中标有箭头的峰(22)显示了羟基磷灰石的211和222反射特性)。在能量散射X射线谱中，钙，磷和氧的主峰表明磷酸钙无机物例如羟基磷灰石的存在，按照下面方案C制备的矿化丝心蛋白水凝胶的傅里叶变换红外光谱(图10)中，图中标有箭头的峰(21)也显示磷酸钙的存在。
方案A：从天然丝心蛋白制备多孔凝胶。
1、通过在60℃下连续搅拌4小时，溶解20g/100ml的9.3M LiBr溶液制备大约20w/v％的脱胶蚕丝溶液。转移到称重渗析管(优选MWCO 3500或更小)。对照去离子水的5变化在4℃下渗析2天。最终溶液应当是8％w/v。在真空干燥器中渗析袋内对溶液进行部分干燥，直到达到所需要的蛋白质浓度(8-15％w/v之间)，该浓度通过折光法或在真空烘箱中加热到50℃将样品干燥到恒重之后通过重量分析法进行评定。柔和地向下挤压渗析管的内含物和再次夹住渗析袋，以便蛋白质溶液完全充满未夹的一段管子。
2.在4℃下，对照0.5-1％乙酸渗析样品，时间不长于12小时。
3.可选择地，用0.1％乙酸的蒸汽处理小滴的浓缩丝心蛋白溶液或将10μl的1M柠檬酸钠缓冲液(pH5.0)添加到1ml的浓缩丝心蛋白，在放置12小时形成凝胶之前立即转移到圆柱模具中。
4.在-50℃下冷冻20分钟。
5.该材料具有足够的刚性(在最佳蛋白质浓度下压缩模量约1MPa)，从而产生优良的手切片(hand sections)，其能够安装在水中，通过偏振化或差示干涉显微镜检术观察从而确定孔径分布和连通孔的密度。该材料也应当经受临界点干燥和用SEM进行检查。
6.孔隙的互通可以通过挤压食指和拇指间的湿凝胶而快速评定。通过水快速流出后，空气流入松驰压力下的凝胶的所有部分而表明高级别的孔隙互通性。
方案B：制备半月板修复装置。
1.使用直径等于新月形半月板修复装置内径的圆柱有机玻璃成型器。大约随机取向的野蚕丝纤维腊肠形的芯层用方案A制备的8-12％w/v新鲜丝纤蛋白溶液浸透。丝心蛋白通过用pH 4.5的稀释的柠檬酸钠缓冲液浸渍芯层而形成凝胶。疏松编织的脱胶野蚕丝布片切割成大约肾形和用丝心蛋白溶液涂覆。将层连续叠加从而形成月牙形的装置。用捻丝编织的野蚕丝缝合线，每一层被缝合到上层之下，从而模拟该装置的圆周纤维。也进行一些径向缝合。减小丝片的径向宽度从而产生该装置的楔形轮廓。当形成该装置的主体时，外围凸缘和内侧韧带同功异质体也被包括并在适当阶段被缝合。
2.在该装置主体成型器另一侧上的绕线被切割，从而将整个结构从模腔中移出。
3.丝心蛋白基质如下面方案C所述通过用0.1-1.5M磷酸钠溶液缓冲液在4℃和pH 6.3下浸渍4-16小时而凝胶化。可选择地，该装置内的丝心蛋白基质可以通过用0.1-1％乙酸浸渍12小时或通过暴露在0.1％w/v乙酸中形成凝胶，两者的条件都是4℃和12小时。
4.该基质在-50℃下快速冷冻，从而产生多孔结构。
5.该结构通过将其转移到50％乙醇中而硬化和保存在该溶液中或在10-25％戊二醛中交联，彻底地洗涤和在0.1％氢化硼钠水溶液中被还原直到不再有氢析出。
6.最终的复合材料非常刚性和稳固并且具有开口的多孔结构。
方案C：矿化丝蛋白质的生产
1.使用磷酸二氢钠制备0.1-1.5M磷酸盐溶液。每100ml的磷酸盐溶液添加1g的0.08M Trizma base，并滴加10至1M的HCl调整pH从而使得pH值范围在6.3-9.0之间。
2.用方案A制备包含10％w/v丝心蛋白溶液的渗析袋。该袋然后放入在步骤1中制备的三羟甲基氨基甲烷缓冲磷酸盐溶液，在4℃下保持4-16小时从而使蛋白质形成凝胶并引入磷酸盐离子。
3.包含丝心蛋白的渗析袋在-20℃下快速冷冻从而引入多孔结构，然后在室温下解冻。冷冻-解冻循环重复5次从而增加孔隙的互连性。
4.将解冻的凝胶剂从渗析管中移出，对于大多数应用而言，用锋利的解剖刀移除凝胶的不渗透表面层。丝凝胶然后被切割成为立方体以用作进一步的处理。
5.对立方体凝胶冷冻干燥，然后转移到如同步骤1中那样被用Tris HCl缓冲到pH7.0-9.0的0.25-2.5M氯化钙溶液。凝胶片在37℃下放置24小时。可选择地，立方体凝胶可不进行冷冻干燥而被直接转移到缓冲的氯化钙溶液或在被转移到缓冲的氯化钙溶液之前可以在20℃下风干。
6.按照方案B制备的加了凝胶丝心蛋白的丝纤维层，可以在被渗析膜所包或不被渗析膜所包的情况下用同样的步骤被矿化。
通过在离液剂中溶解脱胶茧，丝心蛋白粉末或脱胶丝纤维制备再生丝纤蛋白浓缩溶液的方法有几种。
也有几个不同的方法可以用来将水凝胶引入纤维层的空隙中。这些包括喷雾、浸渍、涂敷、注射或真空渗入。
水凝胶可以在创造纤维层的期间的几个阶段被应用，与在纤维层制造完成之后应用水凝胶相比，能更好的渗入纤维层基质中。
同样，水凝胶可以在部分脱水或退胀状态下应用，接着在组织液内充分溶胀，以提供紧胀压而帮助可植入材料硬化。
在纤维层形成之前，用于形成纤维层的纤维或织物可以用水凝胶涂覆。
该多孔水凝胶可以在纤维层内通过允许一些水蒸发而浓缩到所需的蛋白质浓度。如果初始的丝心蛋白浓度和湿重已知，通过允许一些水蒸发直到预定的重量损失，从而使该丝心蛋白达到所需的最后浓度。10-12％的最终蛋白质浓度产生优良的结果。一旦所需的蛋白质浓度已经达到，丝心蛋白溶胶然后形成凝胶。
许多方法能够被用于引发丝心蛋白溶胶的凝胶化。例如，这些方法包括在pH 3.5至6.4之间的酸性缓冲液内浸渍，用来自适度酸性的挥发性缓冲液如乙酸铵的蒸汽处理或用水乙醇溶液浸渍/蒸汽处理。
具有相当均匀直径分布的高密度连通孔的多孔结构能够通过快速凝固而方便的生产。具有平均孔径50-300μm的连通孔可以通过改变蛋白质浓度和与酸的暴露时间来生产。
非均质性的多孔结构可以通过控制横穿该材料的冷冻区的运动方向来生产。
即使没有纤维层，由丝心蛋白的酸凝胶化继之以凝固形成的多孔水凝胶具有1-2MPa之间的压缩刚性-在关节软骨的范围内(1-20MPa)。
其它方法能够用于赋予水凝胶基质多孔。这些方法包括，例如，热感应相分离，溶剂浇铸和粒子浸出，超临界气体发泡，用微粒氯化钠的盐浸出，冷冻干燥，将丝心蛋白与能与水混相且能引发微相分离聚合物混合；用蚁酸部分地溶解丝纤维，在多孔毡中将它们粘在一起，将另外的可溶纤维加入纤维层的丝纤维，在水凝胶聚合以及将不充分蛋白应用到纤维层以完全填满空隙之后，该纤维层能被提取。
对于多孔水凝胶优选70-120μm的孔径。该数值是允许细胞浸透最佳值(大约150-300μm)与为最优化水凝胶的压缩性能所需要的低孔隙密度之间的折中。
一旦制备出了多孔水凝胶，加入交联剂使其稳定和坚固地将其结合到丝纤维层是有利的。
可用多种交联剂交联不同组分的水凝胶。例如，这些交联剂包括脂基醛类、二醛、碳二亚胺、琥珀酰亚胺类、琥珀酰胺类、过氧化氢存在下的过氧化物酶类、谷氨酰胺转移酶类、酚氧化酶类、酚酶类、酪氨酸酶类、过硫酸铵存在下继之以光照处理的的三-二吡啶钌(II)、Fenton反应催化剂、10-60％w/v甲醇或乙醇和10-40％蚁酸。
如果是海藻酸盐，可以通过加入适度浓度的钙离子来制备稳定的水凝胶。
超过一种的交联剂接连地应用或一起应用。可选择地或另外地，可植入装置可以通过γ辐、中子辐射或高压放电交联和/或杀菌。
多孔丝心蛋白水凝胶可以用50％乙醇在室温下处理1小时，从而增加分子间β折叠(beta sheet)氢键的形成。
多孔的水凝胶也可以用10-50％戊二醛处理从而共价交联多孔凝胶。
在水中彻底洗涤之后，水凝胶可以用新制备的含水的0.1％硼氢化钠在4℃下处理直到没有氢析出。这能够使由与丝心蛋白的精氨酸和赖氨酸组分反应形成的最终的醛亚胺交联稳定。它也将任何剩余未反应的醛基还原为无毒的乙醇类。这两个机理大大减少了通过戊二醛交联产生的毒性。
含水蚁酸溶液对于干丝纤蛋白具有两个效果：通过膨胀或部分将其溶解以及通过引发分子间和分子内β折叠氢键的形成而使其交联，从而使其具有粘性。由此，多孔的交联纤维层可以通过将蚁酸添加到丝纤维层而制备，随后蚁酸能被干燥。使用该方法，然后可以通过拉伸，压缩或弯曲纤维层而改变孔径。在用蚁酸处理之前，可以引入粉末丝心蛋白来部分或基本上填满纤维层的孔隙。
将可植入装置的纤维层和水凝胶两者交联具有增加该装置这些组分再吸收时间的额外好处。因而，共价交联的程度可以用作调节这些组分再吸收比率的方法。添加能够将疏水基取代为亲水性支链的酰化剂为调节纤维层和水凝胶两者再吸收比率提供了另外一种方法。丝蛋白内的氨基酸的亲水性的羧基、羟基、胺和氢硫基支链可以用作酰化的位置。各类的单官能、双官能或多官能酰化剂可以用于增加蛋白质的疏水性。如果是双官能或多官能酰化剂，则它们具有交联蛋白质组分的附加效果。能用于增加蛋白质疏水性的酰化剂包括，例如，酰化剂和烷基化剂。适合于增加蛋白质疏水性的酰化剂包括，例如，全氟丁酰基氯化物、月桂酰氯化物、肉豆蔻酰氯化物、苯甲酮四羧酸、二氨基二苯醚、脂肪族和双官能异氰酸盐、十二烷基异氰酸盐、环己烷二异氰酸盐、脂肪族酐和十八烷烯基琥珀酸酐。
该装置较高的压缩模量以及由此的抗压性部分地取决于被限制在纤维层内水凝胶的膨胀压力。这是因为水凝胶的膨胀预加应力给纤维层，以致即使该装置轻微的弯曲或压缩都将导致纤维应力直接明显的增大。复合材料的刚性和强度部分增加是因为施加的弯曲或压缩力使得水凝胶基质内的流体静压力增加，而单位面积上的这种力被立即转移到预加压的纤维。相应地需要对纤维层内的水凝胶用交联剂在其不完全膨胀状态下以一定方式处理，该处理方式是使水凝胶在交联之后或当移植入病人时易于进一步水合和膨胀。这可以如此实现，例如，使用下列方法中的一种或其组合：在交联之前或交联时，通过添加胶体，如聚乙烯基吡咯烷酮或聚乙二醇，以螯合一些水从而部分地从水凝胶中移除水；在交联冷冻干燥之前和交联冷冻干燥时，部分地移除一些或全部的水；使用一种含有基本上降低了水浓度的有机共溶剂或溶剂体系用于干燥和交联；在交联反应之前和交联反应时，使纤维层和约束的水凝胶处于流体静压力或压缩载荷下；以及在交联之前或交联反应时，添加或移除盐和/或控制pH从而减少水凝胶的膨胀。
当在用化学试剂或辐射或放电或光聚作用进行交联之前，应用如上所述的部分水合水凝胶层之时，纤维层也可以通过将其几乎全部缠绕成教导状态而预加压。
在基本上脱水状态下包含水凝胶或用于形成水凝胶的单体的教导缠绕的纤维层，可以用也包含聚乙烯基吡咯烷酮或聚乙二醇的戊二醛和/或甲醛浓缩溶液交联。
通过在受到不同处理的连续层或区域内应用形成水凝胶的组分，在该装置不同部分的水凝胶也可以被赋予不同的性质。
除在纤维层内形成水凝胶之外，形成水凝胶的组分也可以被应用于形成纤维层的涂层。
该装置全部或部分的表面多孔性允许将活体外或活体内的活干细胞浸透入该装置的孔隙。在移植之前，病人自身的活干细胞或那些来自供体者的或干细胞可以允许进入该装置的孔隙。在已知用于提高透明或纤维软骨形成的条件下，用干细胞浸透过的植入物可以立即植入或保持在活体外。在两种之任一种的情况下，这提供了具有能后续形成活软骨的细胞的移植物。可选择地，植入之后，病人自身的间质干细胞也可以被引入到多孔水凝胶。然而植入之前加入细胞可以提高新功能组织的合成比率，特别是在这种比率下该装置能全功能的固定到骨头上。
多孔水凝胶和一个或多个延伸部或表面的纤维层的纤维组分可以用骨无机羟基磷灰石矿化，由此生产了一种材料，该材料基本上在物理性能上模拟了骨，该材料是骨传导性和骨诱导性的，是生物相容的并可作为间质细胞的附着位置，而且在这些方式下，有利于该装置与下面骨头的附着和一体化。
水凝胶的丝纤蛋白溶液首先用包含磷酸盐离子的弱酸性溶液进行凝胶化，在冷冻从而产生多孔基质之后，该材料可以用包含钙离子的溶液进行处理从而形成羟基磷灰石。可选择地，交联之后，通过重复交替的在20℃下，在120mM磷酸氢二钠内在pH7下浸渍1小时，接着在200mM氯化钙溶液内在pH 7.4下浸渍1小时，羟基磷灰石可以沉积在纤维层和多孔水凝胶内。进一步可选择的是用模拟体液处理纤维层及其所包的水凝胶，在此情况下，可以添加柠檬酸以作为表面上的成核剂。
该装置一个或以上的延伸部可以通过将延伸部浸渍于方案C所描述的矿化溶液中而矿化，并且不会矿化该装置的其余部分。当该装置的一个或以上的表面层或外层需要矿化时，可以浸渍该表面层，或者要不然用一薄层的矿化溶液进行处理。
在制备纤维层的过程中，可以将防水的生物相容的薄膜加入到该装置，从而限制矿化溶液扩散到所需表面。
一层或多层或延伸部在被缝合到或者要不然是附着到该装置的非矿化的一个组件或多个组件之前，可以分别制备，接着进行矿化。矿化水凝胶其本身可以做为修复骨或骨内固定整形外科装置(例如内支架(endoprostheses))的材料。
该装置旨在用于关节软骨内缺损的修复或膝的一个或两个半月板的部分或完全的替代或颞下颌的半月板或一个或一个以上的椎间盘的替代。