NL1008582C2

NL1008582C2 - Bone material.

Info

Publication number: NL1008582C2
Application number: NL1008582A
Authority: NL
Inventors: Jenneke Klein Nulend; Patricia Anita Titia Christel; Elisabeth Henriette Burger
Original assignee: Vrije Universiteit
Priority date: 1998-01-05
Filing date: 1998-03-13
Publication date: 1999-07-06
Also published as: WO1999034844A1; AU1787999A

Description

ii

BOTMATERIAALBONE MATERIAL

De uitvinding heeft betrekking op botmateriaal ter bevordering van botweefselgroei, voorzien van TGF-S dat 5 gedurende een tijdsperiode aan de omgeving kan worden afgegeven.The invention relates to bone material for promoting bone tissue growth, provided with TGF-S which can be released into the environment over a period of time.

In de westerse wereld vormt botverlies een steeds groter wordend probleem voor de volksgezondheid, waarbij 10 verwacht wordt dat miljoenen mensen in de nabije toekomst zullen lijden aan osteoporose. Alleen al vanwege deze reden bestaat er een grote interesse in stoffen ter bestrijding van botverlies en ter stimulering van gezond nieuw botweefsel. Daarbij wordt niet 15 alleen gedacht aan de eerdergenoemde aandoening osteoporose, doch ook aan ontbrekend of in onvoldoende mate aanwezig botweefsel in een botdefect, tussen een implantaat en een omgevende botwand, etcetera. Heden ten dage is botmateriaal bekend, gevormd door droog 20 calciumfosfaatpoeder te mengen met een vloeistof bestaande uit water en diverse toevoegingen, en het daardoor ontstane mengsel in de vorm van een pasta ter plaatse aan te brengen, waarna uitharding van het pasteuze botmateriaal tot botcement plaatsvindt. Daarbij 25 stelt men zich tot doel het scheppen van een tijdelijke, resorbeerbare botvervanging die na verloop van tijd door levend botweefsel wordt vervangen. Deze vervanging is mogelijk doordat uitgehard calciumfosfaat-cement oplosbaar is in omringende, zich steeds verversende 30 lichaamsvloeistoffen, zodat in aldus degraderend botcement poriën ontstaan, waarin zich levend botweefsel kan vormen. Een en ander is beschreven in "Journal of Materials Science: Materials in Medicine 6 (1995) 340-347, K. Kurachina et al.,· Journal of Materials Science: 35 Materials in Medicine 5 (1994) 164-17, F.C.M. Driessens et al".In the Western world, bone loss is an increasing public health problem, with millions expected to suffer from osteoporosis in the near future. For this reason alone, there is a great interest in substances to combat bone loss and to stimulate healthy new bone tissue. Not only the aforementioned condition osteoporosis is envisaged, but also missing or insufficiently present bone tissue in a bone defect, between an implant and a surrounding bone wall, etc. Bone material is now known, formed by mixing dry calcium phosphate powder with a liquid consisting of water and various additives, and applying the resulting mixture in the form of a paste on site, after which curing of the pasty bone material into bone cement takes place. . The aim is to create a temporary, absorbable bone replacement that is replaced by living bone tissue over time. This replacement is possible because cured calcium phosphate cement is soluble in surrounding, constantly refreshing body fluids, so that pores in which degraded bone cement are formed, in which living bone tissue can form. This has been described in "Journal of Materials Science: Materials in Medicine 6 (1995) 340-347, K. Kurachina et al., Journal of Materials Science: 35 Materials in Medicine 5 (1994) 164-17, FCM Driessens et al ".

Botmateriaal ter bevordering van botweefselgroei, 10 0 3 5 8 2 2 * voorzien van TGF-β dat gedurende een tijdsperiode aan de omgeving kan worden afgegeven, is met name bekend uit het Amerikaanse octrooischrift No. 5,422,340 (Ammann et al.). Het hieruit bekende botmateriaal in de vorm van 5 een pasta wordt gevormd door tri-calciumfosfaatkorrels te mengen met de menselijke transformerende groeifactor TGF-β, waardoor deze factor aan het oppervlak van de tri-calciumfosfaatkorrels wordt geadsorbeerd. De korrels met de aan het oppervlak daarvan geadsorbeerde TGF-β 10 factor worden daarna gemengd met een polymeer om de = consistentie van het geheel te verhogen, waarna een pasta wordt gevormd ter aanbrenging op plaatsen in een bot waar botgroei wordt gewenst. De TGF-β factor wordt gedurende een tijdsperiode aan de omgeving losgelaten, 15 waardoor botgroei ter plaatse wordt gestimuleerd.Bone material to promote bone tissue growth, provided with TGF-β that can be released to the environment over a period of time, is known, in particular, from U.S. Pat. 5,422,340 (Ammann et al.). The paste material known therefrom in the form of a paste is formed by mixing tri-calcium phosphate granules with the human transforming growth factor TGF-β, whereby this factor is adsorbed on the surface of the tri-calcium phosphate granules. The granules with the TGF-β 10 factor adsorbed on their surface are then mixed with a polymer to increase the consistency of the whole, and a paste is formed for application to sites in a bone where bone growth is desired. The TGF-β factor is released to the environment over a period of time, stimulating bone growth on site.

Opgemerkt wordt dat in het kader van de uitvinding voor de term "TGF-β" dezelfde definitie geldt als aangegeven in het bovengenoemde Amerikaanse octrooischrift.It is noted that within the framework of the invention the term "TGF-β" has the same definition as indicated in the above-mentioned US patent.

2020

Een bezwaar van het pasteuze botmateriaal bekend uit de eerdergenoemde Amerikaanse octrooipublicatie is dat de tijdsperiode waarin het TGF-β aan de omgeving wordt afgegeven ter stimulering van botweefselgroei in de 25 praktijk te kort blijkt om tot een adequate hoeveelheid aangegroeid natuurlijk botweefsel te komen. Vanuit de praktijk bestaat dan ook een lang gevoelde behoefte om , !? die tijdsperiode te verlengen, zodat op een gewenste j wijze, in het bijzonder geleidelijk afnemend in de tijd, 30 TGF-β door het botmateriaal wordt afgegeven. Bovendien geldt als nadeel dat dit bekende botmateriaal vanwege zijn pasteusiteit de mechanische functie van botweefsel niet kan overnemen en derhalve niet als tijdelijke vervanging van botweefsel kan dienen. Door deze 35 pasteusiteit vindt ook geen aanhechting van het pasteuze botmateriaal aan bestaand botweefsel plaats. Dit heeft weer als nadelig gevolg dat geen levend botweefsel zich 10 0s 5 8 2 3 kan vormen in met name poriën van degraderend botmateri-aal.A drawback of the pasty bone material known from the aforementioned US patent publication is that the time period in which the TGF-β is released to the environment to stimulate bone tissue growth appears in practice to be too short to obtain an adequate amount of grown natural bone tissue. In practice, there is a long-felt need to,!? extend that period of time so that TGF-β is released by the bone material in a desired manner, especially gradually decreasing over time. Moreover, the drawback is that this known bone material, due to its pastyness, cannot take over the mechanical function of bone tissue and therefore cannot serve as a temporary replacement of bone tissue. Due to this pastyness, no adhesion of the pasty bone material to existing bone tissue takes place either. This in turn has the disadvantage that no living bone tissue can form in particular pores of degradable bone material.

Het is het doel van de uitvinding een botmateriaal van 5 de in de aanhef vermelde soort te verschaffen, waarbij de bezwaren van de stand van de techniek zijn ondervangen, en daartoe heeft een dergelijk botmateriaal volgens de uitvinding als bijzonderheid dat het botmateriaal na uitharding botcement vormt en dat het TGF-β homogeen in 10 het uitgeharde botcement is verdeeld. In het bijzonder is het TGF-β opgelost in een vloeibaar medium, bij voorkeur water, met het botmateriaal vóór harding daarvan gemengd.The object of the invention is to provide a bone material of the type mentioned in the opening paragraph, which obviates the drawbacks of the prior art, and for this purpose such bone material according to the invention has the special feature that the bone material after curing forms bone cement and that the TGF-β is homogeneously distributed in the cured bone cement. In particular, the TGF-β is dissolved in a liquid medium, preferably water, mixed with the bone material before curing.

15 Bij voorkeur wordt een bloedeiwit bevattende oplossing, in het bijzonder albumine, gebruikt om de TGF-β in oplossing te houden teneinde een homogene verdeling van het TGF-β in het uiteindelijk uitgeharde botcement te waarborgen.Preferably, a blood protein-containing solution, especially albumin, is used to keep the TGF-β in solution to ensure a homogeneous distribution of the TGF-β in the final cured bone cement.

2020

Het botcement overeenkomstig de uitvinding bevordert botweefselgroei, waarbij sprake is van een resorbeerbaar materiaal dat door zijn hardheid gedeeltelijk de mechanische functie van bot kan overnemen, alsmede door 25 zijn botgroei-bevorderende eigenschappen de vervanging met levend botweefsel bevordert. Uitvoerige experimenten hebben aangetoond dat de toevoeging van het TGF-β geenszins de geleidelijke afgifte daarvan na uitharding van het botcement belemmert.The bone cement according to the invention promotes bone tissue growth, which is an absorbable material which, due to its hardness, can partially take over the mechanical function of bone, as well as through its bone growth-promoting properties promotes replacement with living bone tissue. Extensive experiments have shown that the addition of the TGF-β in no way hinders its gradual release after curing of the bone cement.

3030

In een voorkeursuitvoeringsvorm van botmateriaal overeenkomstig de uitvinding bevat het botmateriaal calciumfosfaat. Vanwege de biocompatibiliteit is daarbij in het bijzonder sprake van een mengsel van di-calcium-35 fosfaat, tri-calciumfosfaat, tetra-calciumfosfaat en/of hydroxyl-apathiet.In a preferred embodiment of bone material according to the invention, the bone material contains calcium phosphate. Because of the biocompatibility, this particularly concerns a mixture of dicalcium phosphate, tri-calcium phosphate, tetra-calcium phosphate and / or hydroxyl apathite.

" 'lo8 2 4"'lo8 2 4

In een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van het onderhavige botmateriaal is dit tot een granulaat (korrels) gevormd, hetgeen tot een optimale vorming van levend botweefsel in ruimten tussen de korrels leidt, 5 alvorens de korrels zelf door levend botweefsel worden vervangen.In a further preferred embodiment of the present bone material, it is formed into a granulate (granules), which leads to an optimal formation of living bone tissue in spaces between the granules, before the granules themselves are replaced by living bone tissue.

- De uitvinding refereert tevens aan een werkwijze ter ' vervaardiging van een botmateriaal volgens de uitvin- : 10 ding, waarbij het botmateriaal wordt uitgehard tot botcement en waarbij het TGF-β homogeen in het uitge- ' harde botcement wordt verdeeld. Zoals gezegd, wordt het . TGF-β in een vloeibaar medium, bij voorkeur water, 1 opgelost en met het botmateriaal vóór uitharding daarvan 15 gemengd. Aldus wordt bewerktstelligd dat er een langere i afgxfteperiode wordt verschaft, waarin het TGF-β na aanbrenging van het botmateriaal kan worden afgegeven 1 aan de omgeving. Daarbij is telkens het uitgangspunt dat 1 TGF-β steeds alleen daar werkt waar dat nodig is.The invention also refers to a method of manufacturing a bone material according to the invention, wherein the bone material is cured into bone cement and the TGF-β is distributed homogeneously in the cured bone cement. As said, it will be. TGF-β dissolved in a liquid medium, preferably water, 1 and mixed with the bone material before curing thereof. It is thus effected to provide a longer release period in which the TGF-β can be delivered to the environment after application of the bone material. The basic principle here is that 1 TGF-β always only works where it is needed.

j 20j 20

De uitvinding is tevens gerelateerd aan een inrichting —- ter toediening van botmateriaal voorzien van TGF-β I overeenkomstig de uitvinding, waarbij is voorzien in ten minste twee compartimenten voor het afzonderlijk houden 25 van het botmateriaal en TGF-β, in een mengkamer voor het mengen van het botmateriaal en het TGF-β, alsmede in een spuitmond voor het vanuit de mengkamer spuiten van het mengsel.The invention is also related to a device for administering bone material provided with TGF-β I according to the invention, wherein at least two compartments are provided for keeping the bone material and TGF-β separate, in a mixing chamber for mixing the bone material and the TGF-β, as well as in a nozzle for spraying the mixture from the mixing chamber.

30 De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een bespreking van een aantal proeven volgens een voorkeursvariant van de uitvinding, waarbij eerst een procedure voor het vervaardigen van het onderhavige botmateriaal met toegevoegd TGF-β zal worden besproken. 35 1. Een steriele cementpoeder bestaat uit een mengsel van alfa-tricalciumfosfaat, tetracalciumfosfaat- 10 0 8 5 8 2 5 monoxyde en di-calciumfosfaat-dibasisch, in een verhouding van 75:20:5, of anders indien gewenst.The invention will be further elucidated on the basis of a discussion of a number of tests according to a preferred variant of the invention, in which a procedure for manufacturing the present bone material with added TGF-β will first be discussed. 1. A sterile cement powder consists of a mixture of alpha tricalcium phosphate, tetracalcium phosphate monoxide and di-calcium phosphate dibasic, in a ratio of 75: 20: 5, or else if desired.

2. Een steriele TGF-S oplossing (oplossing (A)) 5 bestaat uit 4 milimolair HC1 in water met daarin opgelost 0,1% runder serum albumine en TGF-S een concentratie naar wens variërend van 2xl0's % tot 2%.2. A sterile TGF-S solution (solution (A)) 5 consists of 4 milimolar HCl in water with 0.1% bovine serum albumin and TGF-S dissolved in a concentration ranging from 2 x 10% to 2% as desired.

10 3. Een tweede steriele oplossing (oplossing (B)) bestaat uit water met daarin opgelost 12% natrium-succinaat en 5% chondroïtine-succinaat.3. A second sterile solution (solution (B)) consists of water with 12% sodium succinate and 5% chondroitin succinate dissolved therein.

4. Oplossing (A) wordt 1 op 1 gemengd met oplossing 15 (B), onder steriele omstandigheden.4. Solution (A) is mixed 1 to 1 with solution 15 (B), under sterile conditions.

5. Een volumedeel oplossing (A+B) wordt gemengd met twee volumedelen cementpoeder onder steriele omstandigheden. Dit kan gebeuren; 20 a. in een bakje en gemengd met een spatel, waarna de cementpasta onmiddellijk in het lichaam van de patiënt ter plaatse wordt aangebracht en daar uithardt; 25 b. via een spuit met twee kamers, waarvan er één het cementpoeder en de andere oplossing (A+B) bevat; met behulp van de spuit worden poeder en vloeistof ter plekke in het lichaam samen- 30 gebracht waarna het mengsel ter plaatse uithardt (conclusie 8).5. A volume part solution (A + B) is mixed with two volume parts cement powder under sterile conditions. This can happen; 20 a. In a container and mixed with a spatula, after which the cement paste is immediately applied in the patient's body on the spot and hardens there; 25 b. via a two-chamber syringe, one of which contains the cement powder and the other solution (A + B); using the syringe, powder and liquid are brought together in the body on the spot, after which the mixture hardens on the spot (claim 8).

c. in een bak, mal of container, waarna het mengsel buiten het lichaam uithardt en al of 35 niet wordt vermalen tot een poeder van de gewenste korrelgrootte, waarna het in het lichaam van de patiënt wordt aangebrachtc. in a container, mold or container, after which the mixture hardens outside the body and may or may not be ground into a powder of the desired grain size, after which it is applied into the patient's body

1 ö u 8 a 8 Z1 ö u 8 a 8 Z

6 * (conclusie 7).6 * (claim 7).

De eerste proef 5 Uit volwassen ratten-botweefsel werden osteoblast-achtige cellen en voorlopers van osteoblastachtige cellen geïsoleerd. Vervolgens werden 5xl04 cellen in 1 ml celkweekvloeistof met antibiotica en 10% foetaal runder serum aangebracht op 60 mg cement, waaraan al of 10 niet TGF-β was toegevoegd. Het kweekmedium werd ververst na 3 tot 4 dagen. Na de tiende dag werden de cellen verzameld en de hoeveelheden eiwit en alkalische fosfatase (ALP) activiteit bepaald in de cellen. Een significante toename van ALP activiteit werd geconsta-15 teerd in osteoblastvoorloper-achtige cellen op cement dat 10'4% TGF-β bevatte.The first test 5 Osteoblast-like cells and precursors of osteoblast-like cells were isolated from adult rat bone tissue. Then, 5x10 4 cells in 1 ml cell culture fluid with antibiotics and 10% fetal bovine serum were applied to 60 mg cement, to which may or may not have added TGF-β. The culture medium was changed after 3 to 4 days. After the tenth day, the cells were collected and the amounts of protein and alkaline phosphatase (ALP) activity determined in the cells. A significant increase in ALP activity was found in cement-containing osteoblast precursor-like cells containing 10'4% TGF-β.

De tweede proef 20 Het cement werd samengesteld zoals hierboven beschreven. Het vrijkomen van de TGF-β in het kweekmedium werd bepaald door de concentratie van de TGF-β te meten in kweekmedium zonder cellen. Binnen 24 uur werd 20% van het TGF-β aangetroffen in het medium.The second run. The cement was formulated as described above. The release of the TGF-β in the culture medium was determined by measuring the concentration of the TGF-β in culture medium without cells. Within 24 hours, 20% of the TGF-β was found in the medium.

2525

De derde proef j In de schedel van volwassen ratten werden botdefecten van 5 mm diameter aangebracht tot aan de dura mater. De 30 defecten werden gevuld met cement (zie boven), waaraan wel of niet TGF-β was toegevoegd (zie boven). Toevoegen van TGF-β aan het cement veroorzaakte een versnelde ingroei van botweefsel in het cement, zoals is gebleken uit histologisch onderzoek.The third experiment j. In the skull of adult rats, bone defects of 5 mm diameter were made up to the dura mater. The 30 defects were filled with cement (see above), with or without TGF-β added (see above). Addition of TGF-β to the cement accelerated the ingrowth of bone tissue into the cement, as histological studies have shown.

3 53 5

De vierde proef 10 0 6 58 ? 7The fourth test 10 0 6 58? 7

In de linker ulna van volwassen konijnen werd een zogenaamd "critical size defect" aangebracht, dat wil zeggen een segment bot werd verwijderd dat te groot was om door spontane callusvorming te helen. Het defect werd 5 gevuld met cement, waaraan wel of niet TGF-β is toegevoegd. Toevoegen van TGF-β aan het cement veroorzaakte een versnelde vervanging van het cement door levend botweefsel en een overbrugging van het defect, zoals is gebleken uit histologisch onderzoek.A so-called "critical size defect", i.e. a segment of bone that was too large to heal by spontaneous callus formation, was introduced into the left ulna of adult rabbits. The defect was filled with cement, to which TGF-β may or may not have been added. Addition of TGF-β to the cement caused accelerated replacement of the cement by living bone tissue and bridging the defect, as histological studies have shown.

1010

De vijfde proefThe fifth test

In de bovenkaak van geiten werden zowel links als rechts de eerste twee promolaren geëxtraheerd. De extractieva-15 cuolen werden opgevuld met cement (zie boven), waaraan wel of niet TGF-β was toegevoegd. Toevoegen van TGF-β aan het cement veroorzaakte een versnelde vervanging van het cement door levend botweefsel, zoals is gebleken uit histologisch onderzoek.In the upper jaw of goats, the first two promolars were extracted both left and right. The extraction vials were filled with cement (see above) to which TGF-β was or had not been added. Addition of TGF-β to the cement accelerated the replacement of the cement with living bone tissue, as histological studies have shown.

2020

De zesde proefThe sixth trial

Bij patiënten die voor behandeling met tandheelkundige implantaten in aanmerking kwamen, werden in het edentate 25 kaakdeel tandwortelvormige implantaten geplaatst. Vervolgens werden de dehiscenties en fenestraties opgevuld met calciumfosfaat-cement, waaraan TGF-β was toegevoegd. Bij plaatsen van het permucosale gedeelte van het implantaat werd een klein biopt afgenomen dat 30 histologisch werd onderzocht. Het cement was vervangen door vitaal botweefsel, zoals blijkt uit histologisch onderzoek.Tooth root implants were placed in the edentulous jaw section in patients eligible for treatment with dental implants. Then the dehiscences and fenestrations were filled with calcium phosphate cement, to which TGF-β had been added. A small biopsy was taken from the permucosal portion of the implant and examined histologically. The cement had been replaced by vital bone tissue, as histological studies show.

' 0 0 « 5 3 2'0 0 «5 3 2

Claims

Bone material to promote bone tissue growth, provided with TGF-β which can be released into the environment for a period of time, characterized in that the bone material forms a bone cement after curing and that the TGF-β is homogeneous in the 1 cured bone cement divided. i

Bone material according to claim 1, wherein the TGF-β dissolved in a liquid medium, preferably water, is mixed with the bone material before curing thereof.

Bone material according to claim 1 or 2, wherein the bone material contains calcium phosphate.

Bone material according to claim 3, wherein the bone material contains a mixture of dicalcium phosphate, tri-calcium phosphate, tetra-calcium phosphate and / or hydroxyl apathite.

A method of manufacturing bone material * according to any one of claims 1 to 4, wherein the bone material is cured into bone cement and the TGF-β is distributed homogeneously in the cured bone cement.

6. A method according to claim 5, wherein the TGF-β is dissolved in a liquid medium, preferably water, and mixed with the bone material before curing thereof.

7. A method according to claim 5 or 6, wherein the cured bone cement is granulated. - 1000582

The bone material delivery device according to any one of claims 1 to 4, wherein at least two compartments are provided for keeping the bone material and the TGF-β separate, in a mixing chamber for mixing the bone material and the TGF-β, as well as in a nozzle for spraying the mixture from the mixing chamber for administration of the bone material provided with the TGF-β before curing thereof. 10

5 G 0 r. ?. G 2 COOPERATION TREATY (PCT) REPORT ON NEWNESS RESEARCH OF INTERNATIONAL TYPE IDENTIFICATION OF THE NATIONAL APPLICATION Identifier of the applicant or of the fellowship j 126.77.4186 Neo-netherlands application no. Verzoex for an investigation of mtemasonaai type By oe Insanae for tntemaaonaai OncerzoeK (ISA) on net! insure for an impasto of intamaDoraai type te ge Core no. SN 31124 EN I. CLASSIFICATION OF THE SUBJECT (Pipe of various dassilicaoes. state all the dassificaoe symbols) According to the inoemaoonaie dassjftcaoe (IPC) Int.Cl.6; A 61 L 25/00, A 61 L 27/00, A 61 K 38/18 II. FIELD OF TECHNIQUE EXAMINED Minimum documentation _ Classification system _ Classification scr. __ * _ j i Int.Cl.6: A 61 L, A 61 K j! I i i __I_ Untrue anoere oocumenaae on the minimum battery menace enter as far as the right documents. j! j! i i ___________1 i; ~ '1; jlll._; NO RESEARCH SIMILAR FOR CERTAIN CONCLUSIONS (csnerxmgen eoupplementoad) 1IV, LACK OF INVENTION iccmerx.ncen cc supplement sheet] '"orm PC7, lSA,' 23lfa> C =! SS ^