CN111356485B

CN111356485B - 改进的组织粘合性聚合物

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Publication number: CN111356485B
Application number: CN201880063627.8A
Authority: CN
Inventors: 马丁·弗兰克·佟瑞恩; 贾斯汀·范德文; 德克·埃里克·米勒
Original assignee: Polyganics BV
Current assignee: Polyganics BV
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-10-01
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2038-10-01
Also published as: EP3687589A1; WO2019066658A1; CN111356485A; US11801325B2; US20200282103A1; NL2019650B1

Abstract

本发明涉及多臂组织粘合性聚合物，其中至少六个或更多个臂各自包含可以与组织中存在的胺基团形成氨基甲酸酯键或脲键的反应性官能团；以及所述多臂组织粘合性聚合物用于密封或闭合组织的用途和在人体或动物体的医学治疗中的用途。在另一方面，本发明涉及用于制备所述多臂组织粘合性聚合物的方法。

Description

改进的组织粘合性聚合物

本发明是生物医学聚合物的领域。本发明尤其涉及组织粘合性聚合物。

组织粘合性聚合物通常用于医疗装置，例如泡沫或片材，以使医疗装置能够粘附于人或动物的组织。医疗装置可以用于密封和/或闭合人或动物患者的伤口。

常规组织粘合性聚合物的实例包括用活化酯(例如N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)酯)官能化的聚合物。通常认为这些聚合物可以与组织的胺基团反应以在组织与聚合物之间形成共价酰胺键，并且这种反应性提供了组织粘合性质。

常规组织粘合性聚合物的具体实例是平均分子量M_n为10000的4-臂琥珀酰亚胺基戊二酸酯封端的聚(环氧乙烷)(CAS号154467-38-6，也被称为PEG10k-SG)，如由下式表示：

4-臂-PEG10k-SG的缺点是与组织形成的酰胺键和酯键的存在导致相对弱的组织粘附，特别是在长期时。

通常，期望聚合物与组织之间的粘合强度是大的，特别是在长期(即，几天至几周)时。因此，本发明涉及提供组织粘合性聚合物，所述组织粘合性聚合物提供改进的粘合强度。

本发明人出乎意料地发现，可以用多臂聚合物获得改进的组织粘合强度，其中至少六个或更多个臂各自包含可以与组织中存在的胺基团形成氨基甲酸酯键、硫代氨基甲酸酯键或脲键的反应性官能团。因此，反应性官能团在本文中也被称为组织反应性基团。

组织粘合性质可以表示为与聚胺聚合物(例如聚乙烯亚胺)的胶凝时间和/或在组织(例如胶原，硬脑膜或肝脏组织)上的粘附。在这方面，参考以下提供的实例。

能够形成氨基甲酸酯的官能团可以由式X–C(O)–LG表示，其中X是氧原子O并且LG表示离去基团。如此，在与组织(即，动物或身体组织)一起形成时，离去基团LG可以离去并且组织粘合性聚合物经由O–C(O)–NH(即，氨基甲酸酯)键共价结合至组织。类似地，能够形成脲的官能团可以由式X–C(O)–LG表示，其中X是氮原子N并且LG表示离去基团。如此，在与组织(即，动物或身体组织)一起形成时，离去基团LG可以离去并且组织粘合性聚合物经由N–C(O)–NH(即，脲)键共价结合至组织。能够形成硫代氨基甲酸酯的官能团可以由式X–C(O)–LG表示，其中X是硫原子S并且LG表示离去基团。如此，在与组织(即，动物或身体组织)一起形成时，离去基团LG可以离去并且组织粘合性聚合物经由S–C(O)–NH(即，硫代氨基甲酸酯)键共价结合至组织。

因此，在特定的实施方案中，多臂组织粘合性聚合物是根据式I的聚合物：

其中n为6或更大的整数；优选地其中n为6至12，更优选为6至10，甚至更优选为7至8，最优选地其中n为8；

LG表示离去基团；

X选自S、NH和O；

R¹表示聚合物基团；以及

Y表示核结构；

使得R¹-X-C(O)-LG表示包含反应性官能团X-C(O)-LG的每个臂。

组织粘合性聚合物可以基于各种聚合物或聚合物基团。本发明不一定限于聚(乙二醇)，如最常用的常规多臂聚合物。然而，本发明人确实发现，如果组织粘合性聚合物基于亲水性聚合物，则可以特别地获得与组织的良好反应(即，良好的粘附)。适合的亲水性聚合物的实例包括亲水性聚醚、聚酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚醚氨基甲酸酯、聚氨基甲酸酯脲、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(糖)、聚(乙烯醇)、聚噁唑啉或其组合。不必排除疏水性聚合物部分的存在，只要这对组织粘合性聚合物的粘合性质不是有害的。例如，疏水部分可以被组织粘合性聚合物的亲水部分覆盖，使得总的来说聚合物保持对组织的粘合性。

特别优选的聚合物基团包括聚醚、聚酯、聚碳酸酯，例如聚(亚烷基二醇)或聚(乳酸)、聚(己内酯)、聚二噁烷酮、聚(乙交酯)或聚(碳酸三亚甲基酯)。尽管聚酯(例如聚(乳酸)和聚(己内酯))显示出有利的亲水性质，但聚合物中酯键的存在，特别是当与醚组合时，导致比聚醚和聚碳酸酯更短的粘附性。因此，甚至更优选地，聚合物或聚合物基团包含聚(乙二醇)(PEG)、聚己内酯(PCL)、聚(乳酸)(PLA)，例如聚(L-乳酸)(PLLA)、PCL和PLA的共聚物或聚(碳酸三亚甲基酯)(PTMC)，最优选PEG。

反应性官能团包含离去基团LG，其在与胺反应时离去。只要离去基团对组织粘合性聚合物与组织的反应性不是有害的，离去基团对粘合强度不具有主要影响，因为它在反应后离开聚合物和组织。然而，由于离去基团可以影响聚合物对组织的反应速率，所以聚合物对组织的粘性可以随着离去基团的选择而受到影响。反应速率不应太低以使得实际上不会发生粘附，但它也不应太高以使得反应性基团将太容易与组织以外的其它组分(例如水)反应。在这方面，发现优选离去基团LG是包含吸电子基团的醇基团，优选为其中所述醇选自全氟烷基醇、对硝基苯酚、3,4,5-三氯苯酚、五氟苯酚、1-苯并三唑基醇、1-羟基-7-氮杂苯并三唑、1-羟基苯并三唑和N-羟基琥珀酰亚胺醇及其衍生物的醇基团，例如N-羟基马来酰亚胺、N-羟基邻苯二甲酰亚胺、内-N-羟基-5-降冰片烯-2,3-二甲酰亚胺和N-羟基磺基琥珀酰亚胺盐，更优选地其中所述醇为N-羟基琥珀酰亚胺醇。

聚合物的多臂性质可以归因于具有可以连接臂的多个反应性基团的核(也被称为引发剂)。核或引发剂可以基于臂所基于的聚合物部分适当地选择。例如，在其中聚合物基团包括聚(乳酸)、乙交酯、己内酯、聚(乙二醇)和/或聚(碳酸三亚甲基酯)的优选实施方案中，核可以基于多元醇，例如甘油(GL)、季戊四醇(P)、六聚甘油(HG)、三季戊四醇(TP)、三羟甲基丙烷(TMP)和二季戊四醇(DP)。如此，在优选的实施方案中，式I的Y基于Y，Y基于包含n个羟基的多元醇，优选地其中Y基于如以下所述的结构II、III或IV中的任一个的多元醇，

其中每个R²独立地为H或每个R³独立地为H或/>每个R⁴为H或/>R²、R³和R⁴可以基于所需的羟基的量来选择。例如，六聚甘油(HG)可以表示为

式III的季戊四醇，其中式III的每个R²为

在特定的实施方案中，核是用于制备多臂PEG的引发剂，然后将其用作与丙交酯、碳酸三亚甲基酯、己内酯的乙交酯的聚合反应中的后续引发剂，以形成多臂嵌段共聚物，所述多臂嵌段共聚物包含用这些单体中的一种或多种延长的多臂PEG链段。

应注意，Y可以包含(R¹-X-C(O)-LG)作为唯一的取代基，但其也可以包含其它基团(例如非组织反应性基团)，例如以R¹-X-H为例。通常，优选所有臂包含组织反应性基团，但其可以例如由于制备方法的限制(参见下文)，不是所有的臂均被组织反应性基团取代。包含组织反应性基团的臂的程度在本文中表示为取代度。取代度可以通过1H-NMR结合下式确定

其中：

A是对应于离去基团的所有质子的一个或多个峰的面积；

Q是离去基团中的质子的数量；

R是组织粘合性聚合物的臂的总数；

B是对应于聚合物臂的所有质子的一个或多个峰的面积；

Z是聚合物基团所基于的单体中的质子的数量；

M_w是聚合物基团所基于的单体的分子量；

M_n是没有反应性官能团的组织粘合性聚合物的数均分子量。

当通过¹H-NMR测定的取代度大于60％、优选大于80％时，获得良好的粘合强度。

本发明人进一步出乎意料地发现，聚合物的组织粘合性质随着臂的数量以及聚合物的数均分子量(M_n)而增加。此外，通过改进包含反应性官能团的每个臂的长度，获得更好的粘附性。因此，不一定是反应性官能团的总量主要决定粘合强度的情况。在某些实施方案中，粘合强度可以主要与包含反应性官能团的臂的量与分子量的结合相关。由于从毒理学的观点来看，需要少量的反应性官能团，基于组织粘合性聚合物的总重量，可以优选反应性官能团的量小于5％，更优选小于4％，最优选小于3％。这些量特别适用于作为反应性官能团的NHS。

臂的长度可以用它们的分子量表示。因此，平均来说，每个臂的数均分子量(M_n)优选为500Da至50kDa，更优选为1kDa至25kDa，最优选为2kDa至10kDa。此外，多臂组织粘合性聚合物的数均分子总量优选为5kDa至100kDa，更优选为10kDa至80kDa，最优选为20kDa至60kDa。例如，用数均分子量为40000g/mol(即40kDa)的8臂(PEG)获得了非常好的结果，其中每个臂因此约为5kDa。可以通过已知的分析技术例如尺寸排阻色谱法(SEC)和/或基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱法(MALDI-TOF-MS)测定数均分子量。

本发明的聚合物特别适用于医疗装置中的应用，例如医疗泡沫和医疗片材。它还可以适当地作为喷雾应用在组织上以形成组织覆盖物或原位密封。

本发明的其他方面是制备多臂组织粘合性聚合物的方法，根据以下方案，所述方法包括使具有结构Y–R¹–XH的聚合物化合物与具有式III的结构的化合物反应：

以形成式I的多臂组织粘合性聚合物。

具有结构Y–R¹–XH的聚合物化合物可以是可商购的(例如具有10kDA的M_n的羟基封端的4-臂PEG)，或者可以容易地通过用基于Y的引发剂引发聚合而用标准聚合物合成程序产生。

如本文使用，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述”旨在还包括复数形式，除非上下文另外明确指明。术语“和/或”包括相关列出项中的一个或多个的任意组合和所有组合。应理解，术语“包含(comprises)”和/或“包含(comprising)”指明规定特征的存在，但不排除一个或多个其他特征的存在或增添。

为了清楚和简明描述的目的，本文将特征描述为相同或单独实施方案的一部分，然而，应理解，本发明的范围可以包括具有所述特征中的所有或一些的组合的实施方案。

本发明可以通过以下非限制实施例来说明。

实施例1聚合物的制备

分子量为40kDa的琥珀酰亚胺基碳酸酯封端的8-臂PEG(8-臂-PEG40k-SC)的合成根据以下方案和以下程序进行。

将碳酸二琥珀酰亚胺基酯(0.03mmol,256.17g/mol,3当量，7.69g)在搅拌下添加至在二氯甲烷(100mL)和乙腈(200mL)中的可商购的8-臂-PEG40k-OH(1.25μmol，1当量，50g)中。添加吡啶(5mL)。将反应混合物搅拌4小时，并且在真空中去除溶剂。将残余物在加热(45℃)的情况下溶解在450mL的乙酸乙酯中。将450mL的量的叔丁基甲基醚(TBME)添加至混合物，并且将所得物随后在冰箱中冷却。形成白色固体(43g，83％产率)，其通过结晶纯化。

根据图1中例示的1H-NMR光谱和式IV测定取代度，其中A为在约2.85ppm处的峰的面积，Q为4，R为8，B为3.3ppm至3.9ppm的峰的面积，Z为4，M_w为44.05，M_n为40000。六个不同批次的取代度在91％至97％。通过增加反应时间，纯化方法中的变化和/或琥珀酰亚胺基碳酸酯的等同物可以获得更高的取代度。

用不同的起始聚合物化合物重复该程序以获得表1中提供的相应的多臂组织粘合性聚合物。表1中的命名法构建如下：[臂数]-[聚合物基团][数均分子量][(核)]-[反应性基团]。因此，8-臂-PEG40k(HG)-SC对应于具有40kDa分子量的琥珀酰亚胺基碳酸酯(SC)封端的8-臂PEG，其基于六聚甘油核。

表1

¹比较例：4-臂聚合物和8-臂琥珀酰亚胺基戊二酸酯封端的聚(环氧乙烷)，其平均分子量M_n为40000，购自JenKem Technology USA。

实施例2胶凝时间和稳定性

在其中测定聚合物与含胺聚乙烯亚胺的胶凝时间的模型系统中测试组织粘合性质。快速凝结对应于与组织的快速反应，而慢速凝结对应于与组织的较慢反应。

因此，如下测量实施例1中制备的一些聚合物在聚乙烯亚胺中的胶凝时间。

将50mg多臂组织粘合性聚合物在1mL Sorensen缓冲溶液中的溶液添加至小瓶中的5mg聚乙烯亚胺(PEI)在1mL Sorensen缓冲剂中的溶液中。测量直到溶液胶凝的时间，持续5次。结果提供在表2中。

对于8-臂PEG40k组织粘合性聚合物1、6和10获得最快胶凝。

将具有聚合物1至6的含有凝胶的小瓶放置在37℃的温度的孵育箱中。在24小时内，8-臂PEG40k-SG(聚合物编号10)完全溶解在Sorensen缓冲溶液中，表明粘合性聚合物降解。其他多臂组织粘合性聚合物1至6保持凝胶至少1周。这表明对组织的持续粘附。

表2

聚合物编号	PEI的胶凝时间(s)
		1	9,5
2	130
		3	12
4	62
		5	46
6	9,3
		10	8,8

实施例3用于粘合测试的装置的制备

如下制备包含组织粘合性聚合物的泡沫装置。

制备聚氨基甲酸酯(4.84g在152mL的1,4-二噁烷中)的溶液并且搅拌直到聚氨基甲酸酯完全溶解在1,4-二噁烷中(约1小时)。当聚氨基甲酸酯溶解时，添加190mg作为缓冲剂的磷酸氢二钠(Na₂HPO₄)。将混合物搅拌1小时。添加根据实施例1制备的1.9g的量的组织粘合性聚合物。然后，将约12ml制备的载体聚氨基甲酸酯溶液倾倒在模具内的片材层的顶部上。

将所得物冷冻干燥以去除溶剂并且获得装置。

用表1中提供的大多数聚合物制备装置，参见表3。

实施例4在硬脑膜和肝脏组织上的粘合

如下测定实施例3中制备的装置中的组织粘合性聚合物对肝脏和硬脑膜组织的粘合力(N)。

将装置的测试制品切成20mm×20mm的片并且使用双面胶带附接到活塞。用盐水预润湿肝脏或硬脑膜组织的表面。使用Instron拉伸试验机以20mm/min的斜度将测试制品压在肝脏表面上，直至达到10N的力。在2分钟后，以20mm/min从肝脏或硬脑膜表面移除测试制品，并且测量所需的力。最大载荷被报告为粘合力(N)。

结果提供在表3中。

表3

装置编号	聚合物编号	肝脏粘合力(毫巴)	硬脑膜拉伸测试(N)
				1	1	1.3	5.4
2	2	0.2	4.4
				3	3	0.5	3.9
4	4	0.8	3.3
				5	5	1.1	3
6	6	1.2	6.5
				10	10	1.0	3.6

实施例5组织粘合性质：拉伸强度

为了测定拉伸强度，用手术刀片切割胶原、肝脏和硬脑膜组织的20mm×50mm的矩形片。用手术刀片切割装置的方形测试制品(尺寸为20mm×20mm)。精确地在中间切割胶原的20mm×50mm的矩形片，并且用软化水润湿。将20mm×20mm的测试制品放置在切口上并且压制10秒，随后施加1kg的压力持续2分钟。使用用于抓握的具有额外的砂纸的纸夹将包括测试制品的胶原放置在拉伸试验机的夹中。用10mm min^-1的恒定十字头速度测定拉伸强度并且记录载荷延伸图。产生图(载荷对延伸)，并且将屈服载荷(零斜率)确定为测试制品的粘合强度。

在0天、3天和7天进行测量。对于3天和7天的时间段，将含有测试制品的胶原的矩形片放置在缓冲溶液中，并且放置在设定为37℃的温度的孵育箱中。3天或7天后，根据上述方法测定拉伸强度。

结果提供在图2中。

实施例6组织粘合性质：破裂压力

测试实施例3中制备的装置的破裂压力，作为对组织的粘合强度的指示。

对于破裂压力测试，在胶原中进行30mm圆的穿孔。在使用时，在圆的中心制作4mm的活检穿孔。将特氟龙(Teflon)环放置在衬底上以使缺陷居中。将20mm的圆形测试样品放置在缺陷上(用软化水预润湿)，并且将1kg的重量放置在装置的顶部上持续2分钟的时间。

破裂压力设置具有主要单元，所述主要单元包括连接至流量传感器和压力传感器的压力容器。流量传感器放入可以放置样品的测试位置。通过调节流量传感器，可以控制/建立测试位置中的压力，从而可以评估样品在压力方面的性能。通过前述压力传感器记录该压力。

将具有测试制品的胶原放置在夹具底座上。将O形环(22mm ID)放置在含有测试制品的胶原的顶部上，并且通过用4个旋钮封闭来固定。施加1mL/min(60g/h)的水流速。在测定期间，记录最大压力并且以毫巴报告。在0天和7天进行测量。对于7天时间段，将含有测试制品的胶原的矩形片放置在缓冲溶液中并且放置在设定为37℃的温度的孵育箱中。在7天后，根据以上描述的方法测量破裂压力。

结果提供在图3中。

Claims

1.多臂组织粘合性聚合物，包含至少六个或更多个臂，其中至少六个或更多个臂各自包含可以与组织中存在的胺基团形成氨基甲酸酯键的反应性官能团，

其中所述多臂组织粘合性聚合物的数均分子总量为40kDa至100kDa，

其中所述聚合物具有式I

其中n为6或更大的整数；

LG表示N-羟基琥珀酰亚胺醇；

X是O；

R¹表示聚合物基团；以及

Y表示核结构；

使得R¹-X-C(O)-LG表示包含反应性官能团X-C(O)-LG的每个臂，

其中Y基于结构II、III和IV中的任一项的多元醇：

其中每个R²独立地为H或每个R³独立地为H或/>每个R⁴为H或取决于期望的羟基基团和所述结构的量。

2.根据权利要求1所述的多臂组织粘合性聚合物，其中Y基于六聚甘油(HG)、三季戊四醇(TP)或二季戊四醇(DP)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的多臂组织粘合性聚合物，其中所述聚合物基团R¹包含聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚醚氨基甲酸酯、聚氨基甲酸酯脲、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(糖)、聚(乙烯醇)、聚噁唑啉或其组合。

4.根据权利要求1或2所述的多臂组织粘合性聚合物，其中所述聚合物基团R¹包含聚醚或聚酯。

5.根据权利要求1或2所述的多臂组织粘合性聚合物，其中所述聚合物基团R¹包含聚(亚烷基二醇)、聚(乳酸)、聚(己内酯)、聚二噁烷酮、聚(乙交酯)或聚(碳酸三亚甲基酯)。

6.根据权利要求5所述的多臂组织粘合性聚合物，其中所述聚合物基团R¹包含聚(乙二醇)。

7.根据权利要求1所述的多臂组织粘合性聚合物，其中n为6至12。

8.根据权利要求7所述的多臂组织粘合性聚合物，其中n为6至10的整数。

9.根据权利要求8所述的多臂组织粘合性聚合物，其中n为6至8的整数。

10.根据权利要求9所述的多臂组织粘合性聚合物，其中n为8。

11.根据权利要求1所述的多臂组织粘合性聚合物，其中每个臂具有500Da至50kDa的数均分子量。

12.根据权利要求11所述的多臂组织粘合性聚合物，其中每个臂具有1kDa至25kDa的数均分子量。

13.根据权利要求12所述的多臂组织粘合性聚合物，其中每个臂具有2kDa至10kDa的数均分子量。

14.根据权利要求1所述的多臂组织粘合性聚合物，具有通过¹H-NMR测定的大于60％的所述臂被所述反应性官能团取代的取代度。

15.根据权利要求14所述的多臂组织粘合性聚合物，具有通过¹H-NMR测定的大于80％的所述臂被所述反应性官能团取代的取代度。

16.根据权利要求15所述的多臂组织粘合性聚合物，具有通过¹H-NMR测定的大于90％的所述臂被所述反应性官能团取代的取代度。

17.根据权利要求1所述的多臂组织粘合性聚合物，其中基于所述组织粘合性聚合物的总重量，所述反应性官能团以小于5％的量存在。

18.根据权利要求17所述的多臂组织粘合性聚合物，其中基于所述组织粘合性聚合物的总重量，所述反应性官能团以小于4％的量存在。

19.根据权利要求18所述的多臂组织粘合性聚合物，其中基于所述组织粘合性聚合物的总重量，所述反应性官能团以小于3％的量存在。

20.用于制备根据权利要求1至19中任一项所述的多臂组织粘合性聚合物的方法，包括使具有结构Y–R¹–XH的聚合物化合物与具有式III的结构的化合物反应，

从而形成式I的所述多臂组织粘合性聚合物。

21.用于人体或动物体的医学治疗的权利要求1至19中任一项所述的多臂组织粘合性聚合物。

22.根据权利要求21所述的用于人体或动物体的医学治疗的多臂组织粘合性聚合物，其中所述治疗包括密封或闭合组织。

23.医疗装置，包含权利要求1至19中任一项所述的多臂组织粘合性聚合物。