[发明专利]用于分析具有不同拓扑图的表面与环境之间相互作用的高通量筛选方法和设备

说明书

本发明涉及一种用于分析材料表面与其环境之间的相互作用的高通量筛选方法，还涉及一种用于进行高通量筛选的设备。

以往对能够用于临床的材料已经进行了广泛的研究。在临床应用中普遍使用的材料的重要示例是钛植入体、汞合金牙齿植入体以及塑料心脏瓣膜。大多数材料能够成功应用的关键在于它们的生物惰性，即材料与周围组织之间的最小的相互作用。

尽管具有这些优势特性，通常可以接受的是：理想的补救方法是对正常组织的完全修复。比较有利的方法是植入能够提供临时的机械性支持，但最终会降解，从而被已恢复的正常组织取代的材料。一个示例是可降解的缝合线。在伤口愈合之后，缝合线不再被需要并将降解。有许多可降解的聚合物体系可用。在特定的领域，例如在骨重建领域，也使用可降解的陶瓷材料，以及聚合物/陶瓷复合材料。

可降解的植入体在骨科和软骨手术领域也是有利的。在该领域中主要的手术治疗依靠金属医用植入体与骨或骨替代物结合使用。这些植入体必须被成功地纳入骨组织，以取得良好的临床效果。在过去几十年中，在这一领域已取得了关键进展和成果，但随着时间的推移，对于成功的长期关节置换来说，植入体松动仍然是一个重要问题。目前的材料无法实现较大的骨缺损的桥接，并单独保持长期稳定。若使用取自患者自身的骨移植物来解决这些问题，则供区的发病率相对较高，为15-30％。多达20％经受髋关节置换手术的患者在初次手术后的10至15年内发生假体周围骨质流失，在进行脊柱融合手术的患者中，20-30％发生融合不良。此外，在不久的将来，患病人群将包括大量的年轻患者，预计与长期无菌性植入体松动相关的问题将大幅度增加。

体内植入体的生物相容性/生物结合非常复杂，涉及传统上属于医学科学、表面科学、材料科学和分子生物技术的过程。在植入体被植入身体之后的几毫秒之内，由来自生理液的水、蛋白质和其它生物分子组成的生物膜层形成于植入体表面。来自周围组织的细胞迁移到植入体周围的区域。植入体表面的特性严重影响其与细胞的相互作用。为了优化生物相容性，植入体表面对细胞生物学特性的影响变得至关重要。此外，细胞的特性，例如，它们通过信号分子穿过细胞外基质进行沟通的能力对良好的生物相容性来说是很重要的。所有这些机制都有助于组织对植入体的响应，和确定植入体是否以足够的机械强度成功地固定在患者的骨头内，或者是否对植入体发生炎症反应，这些最终都将导致无菌性松动和手术失败。

人们普遍承认，医疗器材或植入体的材料与其周围组织或细胞之间的相互作用可以通过调节表面拓扑图来加以改善，参见例如WO-A-2006/114098。

已经表明，表面拓扑图可以例如影响细胞定位、细胞粘附和增殖，和/或细胞分化。

可以通过在例如所述的用于肌腱修复(Curtis等，Eur.Cell Mater.2005，9，50-57)和心肌细胞定位(Deutsch等，J Biomed.Mater.Res.B2000，53(3)，267-275)的生物材料上制造图形来控制细胞定位。最近，本发明人还通过微图案聚合物设计证实了C2C12小鼠前成肌细胞与MC3T3小鼠前成骨细胞的排列(Papenburg等，Biomaterials 2007，28(11)，1998-2009)。

细胞对材料的粘附在例如骨外科领域中可能是一种理想的特性，因为它增强了材料与邻近骨组织之间的接触。相反，在其它应用中，例如当植入人工主动脉瓣膜时，它可能是不可取的。如文献中大量描述的(参见例如Den Braber等，J.Biomed.Mater.Res.A1998，40(2)，291-300；Van Kooten等，J.Biomed.Mater.Res.B1998，43(1)，1-14；和Thapa等，J.Biomed.Mater.Res.A2003，67(4)，1374-1383)，细胞粘附可以由生物材料表面的拓扑设计来控制。例如，表面粗糙度对细胞表面受体的整合素家族的性质有影响(Luthen等，Biomaterials 2005，26(15)，2423-2440)。此外，本发明人最近描述了聚合物纤维直径和表面拓扑图对人间质干细胞增殖的影响(Moroni等，Biomaterials 2006，27(28)，4911-4922)。