CN113038934A - 水凝胶的释放动力学的调节 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于调节设置在水凝胶中的生物制品的释放特性的方法。可以用于所述调节的参数包含亲核基团与亲电子基团的摩尔比、第一前体中的所述亲核基团的数量、第二前体中的所述亲电子基团的数量、所述第一前体的分子量、所述第二前体的分子量、所述生物制品和赋形剂与所述水凝胶的重量比、所述生物制品在固态调配物中的重量百分比以及所述水凝胶的表面积/体积比。本文所述的方法允许形成具有适合于不同治疗性应用的不同释放特性的水凝胶。

Description

水凝胶的释放动力学的调节
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年7月9日提交的美国临时申请第62/695,472号的优先权权益，其内容通过引用整体由此并入。
技术领域
本发明涉及装载有生物制品的水凝胶以及调节水凝胶的释放动力学的方法。
背景技术
治疗剂需要有效的递送手段。药物递送涉及施用药物化合物以在人或动物中实现治疗效果。随时间推移而提供试剂释放的递送机制很有用。药物递送技术可以帮助改变药物释放特性、吸收、分配或药物消除，以有利于增加产品功效和安全性并改善患者便利性和依从性。
发明内容
本公开的一个方面涉及一种生产针对其中设置的生物制品具有期望的释放特性的水凝胶的方法，其中所述生物制品在被设置在所述水凝胶中之前处于固态调配物中，所述方法包括：(i)预先确定以下参数中的至少一个：(a)第一前体中的亲核基团的数量；(b)第二前体中的亲电子基团的数量；(c)所述第一前体的分子量；(d)所述第二前体的分子量；(e)所述生物制品和赋形剂与所述水凝胶的重量比；(f)所述生物制品在所述固态调配物中的重量百分比；和(g)所述水凝胶的表面积/体积比；(ii)单独或与未预先确定的上述参数中的任何一个或多个相组合地确定所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比，直到实现所期望的释放特性；和(iii)在无水条件下以所确定的摩尔比在所述固态调配物周围交联所述第一前体和所述第二前体。
在一些实施例中，所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比大于1。
在一些实施例中，所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比小于1。
在一些实施例中，所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比在约1.1到约2的范围内。
在一些实施例中，所述生物制品是重组蛋白，例如抗体和Trap蛋白(具有诱骗受体结构域的融合蛋白)。
在一些实施例中，所述亲电子基团包括琥珀酰亚胺、琥珀酰亚胺酯、n-羟基琥珀酰亚胺、马来酰亚胺、琥珀酸酯、硝基苯基碳酸酯、醛、乙烯基砜、叠氮化物、酰肼、异氰酸酯、二异氰酸酯、甲苯磺酰基、三氟乙烷磺酰基或羰二咪唑。
在一些实施例中，所述亲核基团包括伯胺或伯硫醇。
在一些实施例中，所述第一前体中的所述亲核基团的数量在约2到约10的范围内，例如4或8。
在一些实施例中，所述第二前体中的所述亲电子基团的数量在约2到约10的范围内，例如4或8。
在一些实施例中，所述第一前体包括(氨基丙基)m聚氧乙烯，其中m在约2到约10的范围内。
在一些实施例中，所述第一前体的分子量在约1kDa到约100kDa的范围内。
在一些实施例中，所述第二前体包括(琥珀酰亚胺基氧戊二酰基)n聚氧乙烯，其中n在约2到约10的范围内。
在一些实施例中，所述第二前体的分子量在约1kDa到约100kDa的范围内。
在一些实施例中，所述生物制品与所述水凝胶的重量比在约10％到约90％之间。在一些实施例中，所述生物制品在所述固态调配物中的重量百分比在约30％到约95％之间。
在一些实施例中，所述方法进一步包括通过喷雾干燥、研磨、结晶、沉淀、喷雾冷冻、超临界流体干燥、电喷雾或微模板化来生产所述固态调配物。
在一些实施例中，所述生产所述固态调配物的方法是喷雾干燥。
在一些实施例中，所述固态调配物包括直径≤20μm的颗粒。
在一些实施例中，对于至少90％生物制品释放，所期望的释放特性包括约两个月到六个月的释放期。
在一些实施例中，对于至少90％生物制品释放，所期望的释放特性包括约一周到两个月的释放期。
在一些实施例中，所期望的释放特性表现出在至少一周内的近线性释放。
在一些实施例中，所期望的释放特性包括延迟释放部分、S形、线性部分、近线性部分、对数部分、指数部分或其组合。
在一些实施例中，所述交联在无水且疏水的有机溶剂的存在下进行。
在一些实施例中，所述有机溶剂是亚甲基氯、乙酸乙酯、碳酸二甲酯、氯仿或其组合。
在一些实施例中，所述确定步骤是利用预测模型进行的。
在一些实施例中，所述摩尔比对所述预测模型中的释放特性具有连续影响。在一些实施例中，当所述摩尔比大于1(例如，在约1.3到约1.8的范围内)时，可以以每摩尔比变化约-41天的速率调节所述释放特性中的所述释放期。在一些实施例中，当所述摩尔比小于1(例如，在约0.77到约0.56的范围内)时，可以以每摩尔比变化约103天的速率调节所述释放特性中的所述释放期。
在一些实施例中，所述第一和第二前体的分子量对所述预测模型中的释放特性具有非连续影响。
另一方面，本公开涉及一种生产其中设置有生物制品的水凝胶的方法，其中所述生物制品在被设置在所述水凝胶中之前处于固态调配物中，并且其中所述水凝胶的特征在于对于至少90％生物制品释放，期望的释放期为约一周到约六个月，所述方法包括：(i)选择包括两个或更多个亲核基团的第一前体，其中所述第一前体的分子量在约1kDa到约100kDa的范围内；(ii)选择包括两个或更多个亲电子基团的第二前体，其中所述第二前体的分子量在约1kDa到约100kDa的范围内；(iii)单独或相组合地确定以下参数中的至少一个，直到实现所期望的释放期：(a)所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比；(b)所述生物制品和赋形剂与所述水凝胶的重量比；(c)所述生物制品在所述固态调配物中的重量百分比；和(d)所述水凝胶的表面积/体积比；和(iv)在无水条件下以所确定的摩尔比在所述固态调配物周围交联所述第一前体和所述第二前体。
在一些实施例中，所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比大于1。
在一些实施例中，所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比小于1。
在一些实施例中，所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比在约1.1到约2的范围内。
在一些实施例中，所述生物制品是重组蛋白，例如抗体和Trap蛋白。
在一些实施例中，所述亲电子基团包括琥珀酰亚胺、琥珀酰亚胺酯、n-羟基琥珀酰亚胺、马来酰亚胺、琥珀酸酯、硝基苯基碳酸酯、醛、乙烯基砜、叠氮化物、酰肼、异氰酸酯、二异氰酸酯、甲苯磺酰基、三氟乙烷磺酰基或羰二咪唑。
在一些实施例中，所述亲核基团包括伯胺或伯硫醇。
在一些实施例中，所述第一前体包括约2到约10个亲核基团，例如4或8个亲核基团。
在一些实施例中，所述第二前体包括约2到约10个亲电子基团，例如4或8个亲电子基团。
在一些实施例中，所述第一前体包括(氨基丙基)m聚氧乙烯，其中m在约2到约10的范围内。
在一些实施例中，所述第二前体包括(琥珀酰亚胺基氧戊二酰基)n聚氧乙烯，其中n在约2到约10的范围内。
在一些实施例中，所述生物制品与所述水凝胶的重量比在约10％到约90％之间。在一些实施例中，所述生物制品在所述固态调配物中的重量百分比在约30％到约95％之间。
在一些实施例中，所述方法进一步包括通过选自由以下组成的群组的方法生产所述固态调配物：喷雾干燥、研磨、结晶、沉淀、喷雾冷冻、超临界流体干燥、电喷雾和微模板化。
在一些实施例中，所述生产所述固态调配物的方法是喷雾干燥。
在一些实施例中，所述固态调配物包括直径≤20μm的颗粒。
在一些实施例中，对于至少90％生物制品释放，所期望的释放期包括约两个月到六个月的释放期。
在一些实施例中，对于至少90％生物制品释放，所期望的释放期包括约一周到两个月的释放期。
在一些实施例中，在所期望的释放期期间，所述水凝胶产生所述生物制品的近线性释放。
在一些实施例中，所期望的释放期包括延迟释放部分、S形、线性部分、近线性部分、对数部分、指数部分或其组合。
在一些实施例中，所述交联在无水且疏水的有机溶剂(例如，亚甲基氯、乙酸乙酯、碳酸二甲酯、氯仿或其组合)的存在下进行。
在一些实施例中，所述确定步骤是利用预测模型进行的。
在一些实施例中，所述摩尔比对所述预测模型中的释放期具有连续影响。在一些实施例中，当所述摩尔比大于1(例如，在约1.3到约1.8的范围内)时，可以以每摩尔比变化约-41天的速率调节所述释放特性中的所述释放期。在一些实施例中，当所述摩尔比小于1(例如，在约0.77到约0.56的范围内)时，可以以每摩尔比变化约103天的速率调节所述释放特性中的所述释放期。
在一些实施例中，所述第一和第二前体的分子量对所述预测模型中的释放期具有非连续影响。
另一方面，本公开涉及一种包括通过本文所述的方法生产的生物制品的水凝胶。
附图说明
图1是解释了来自水凝胶的单克隆抗体(mAb)的特征性S形释放特性的示意图。
图2是示出了摩尔比对释放特性的影响的图。实验释放特性与逻辑5参数(L5P)曲线拟合。本图中示出的所有蛋白质装载交联PEG(XPEG)水凝胶均为mAb IgG1-XPEG(喷雾干燥调配物中的81.9％w/w蛋白质含量，40kDa PEG-NHS HGEO和15kDa PEG-NH HGEO PEG组分)，其中摩尔比分别为1.1、1.3和1.8，固体装载分别为60％、60％和70％。
图3是示出了分子对释放特性影响最小的图。实验释放特性与L5P曲线拟合。本图中示出的所有蛋白质装载水凝胶均含有喷雾干燥调配物(90％w/w蛋白质含量，40kDa PEG-NHS HGEO和15kDa PEG-NH HGEO PEG组分，60％w/w固体装载，摩尔比约1.8-1.9，表面积/体积比约3mm-1-4mm-1)。从mAb IgG4-XPEG的释放以空心圆圈示出，而从mAb IgG1-XPEG的释放以实心圆圈示出。由于两种mAb的大小相似，其主要性质会影响通过多孔基质的扩散，因此预计水凝胶的释放动力学将与分子无关。
图4是示出了喷雾干燥调配物中的蛋白质含量对释放特性的影响的图。本图中示出的所有蛋白质装载水凝胶均含有mAb IgG1，60％装载，1.5摩尔比以及40kDa PEG-NHSHGEO和15kDa PEG-NH HGEO PEG组分(90％w/w蛋白质含量和4mm-1表面积/体积比(正方形)；或50％w/w蛋白质含量和35mm-1表面积/体积比(菱形))。尚未针对表面积/体积比对数据进行归一化，但是通过将本数据集与图6进行比较，很明显的是，所观察到的释放特性的差异并非仅归因于表面积/体积比，因为趋势是相反的。因此，在本数据集中观察到的差异归因于喷雾干燥调配物中的蛋白质含量和/或表面积/体积比和喷雾干燥调配物中的蛋白质含量的组合影响。
图5是示出了固体装载对释放特性的影响的图。本图中示出的所有蛋白质装载水凝胶均含有1.5摩尔比，40kDa PEG-NHS HGEO和15kDa PEG-NH HGEO PEG组分以及50％蛋白质含量(mAb IgG4、30％固体装载和79mm-1表面积/体积比(正方形)；或mAb IgG1，60％固体装载和35mm-1表面积/体积比(菱形))。图3示出了分子对释放特性影响最小。图5和6示出了表面积/体积比的增加对初始爆发释放具有直接影响。因此，本图中示出的数据集的释放特性在溶解阶段的差异归因于固体装载的影响。对释放特性的总体影响是固体装载和表面积/体积比的组合影响的结果。
图6是示出了如表面积/体积比所述的形状因子对释放特性(特别是初始爆发释放)的影响的图。本图中示出的所有蛋白质装载水凝胶均含有40kDa PEG-NHS HGEO和15kDaPEG-NH HGEO PEG组分，mAb IgG1、80％蛋白质含量，80％固体装载以及1.7摩尔比(平板形式的低表面积/体积比，12mm-1(正方形)；或微粒形式的高表面积/体积比，＞30mm-1(菱形))。
图7是示出了如何可以一起调节多个因子以调节释放特性从而实现1-3个月的近线性释放的图。本图中示出的所有蛋白质装载水凝胶均含有40kDa PEG-NHS HGEO和15kDaPEG-NH HGEO PEG组分，mAb IgG1，平板形式的82％蛋白质含量(1.8摩尔比和60％固体装载(菱形)；1.7摩尔比和80％固体装载(正方形)；或1.5摩尔比和90％固体装载(三角形))。
图8是示出了具有四种不同mAb和一种Trap蛋白(即，具有诱骗受体结构域的融合蛋白)的五种不同蛋白质装载水凝胶调配物的近线性释放的图。本图中示出的所有蛋白质装载水凝胶调配物均含有40kDa PEG-NHS HGEO和15kDa PEG-NH HGEO PEG组分。
图9是示出了如何可以通过调节因子(包含摩尔比、蛋白质含量和固体装载)的组合来将具有高表面积/体积比的微粒形式的释放特性调节为更具线性且持续时间更长的图。本图中示出的所有蛋白质装载水凝胶调配物均含有40kDa PEG-NHS HGEO和15kDa PEG-NH HGEO PEG组分以及mAb IgG1，并且均被生产为微粒。
图10示出了实例2中进行的研究的模型分析。能力＞0.95且AC＜6指示模型的强预测能力。
图11示出了释放由三个主要机制驱动：扩散、溶解和耗尽。初始释放(爆发)将在很大程度上由凝胶的水合和蛋白质从基质外部的扩散所驱动；扩散将受到防止基质内的包封蛋白质的水合的交联的限制。对于溶解，一旦交联被水性介质水解，另外的蛋白质将被暴露，水合并从基质中释放，直到药物装载耗尽。通过调节PEG MW和摩尔比的组合，可以将释放动力学调节为目标持续时间和期望的形状。
图12示出了基于模型参数的测量99％释放时间以及预测99％释放时间的实际及预测散布图。99％释放预测模型的拟合优度由RSquare Adj(＞96％)指示。
图13示出了所有三个主要因子均对完全释放(99％)时间具有统计学显著影响(p＜0.05)。按等级顺序，每种影响的重要性为：1.摩尔比(连续因子——负相关)；2.PEG-NHS分子量(分类因子，即非连续或离散)；和3.PEG-NH分子量(分类因子)。40kDa PEG-NH(以灰色圆圈突出显示)对所测试的PEG-NH试剂影响最大。15kDaPEG-NHS(以空心圆圈突出显示)对所测试的PEG-NHS试剂影响最大。
图14是一个图，其示出了根据预测模型，摩尔比1.6、PEG-NH分子量(MW)10kDa和PEG-NHS MW 10kDa的组合可以生产99％释放的释放期为42.5天的水凝胶。
图15是一个图，其示出了根据预测模型，摩尔比1.71、PEG-NH MW 40kDa和PEG-NHSMW 15kDa的组合可以生产99％释放的释放期为14天的水凝胶。
图16是一个图，其示出了根据预测模型，摩尔比1.54、PEG-NH MW 40kDa和PEG-NHSMW 15kDa的组合可以生产99％释放的释放期为21天的水凝胶。
图17是一个图，其示出了根据预测模型，摩尔比1.68、PEG-NH MW 10kDa和PEG-NHSMW 15kDa的组合可以生产99％释放的释放期为21天的水凝胶。图16-17示出了可以通过选择PEG试剂和摩尔比的不同组合来靶向相同的释放期。
图18是一个图，其示出了根据预测模型，摩尔比1.84、PEG-NH MW 40kDa和PEG-NHSMW 15kDa的组合可以生产99％释放的释放期为8.88天的水凝胶。
图19是一个图，其示出了根据预测模型，摩尔比1.30、PEG-NH MW 15kDa和PEG-NHSMW 10kDa的组合可以生产99％释放的释放期为58.9天的水凝胶。图18-19示出了可以通过调节摩尔比和PEG试剂来实现约8到59天的释放期。
图20是一个图，其示出了根据预测模型，摩尔比1.30、PEG-NH MW 40kDa和PEG-NHSMW 15kDa的组合可以生产99％释放的释放期为30.9天的水凝胶。图18和20示出了可以仅通过调节摩尔比来靶向给定PEG组合的在允许范围内的释放期。
图21是一个图，其示出了根据预测模型，摩尔比1.83、PEG-NH MW 20kDa和PEG-NHSMW 20kDa的组合可以生产99％释放的释放期为30天的水凝胶。
图22是一个图，其示出了根据预测模型，摩尔比1.46、PEG-NH MW 10kDa和PEG-NHSMW 15kDa的组合可以生产99％释放的释放期为30天的水凝胶。图21和22示出了可以通过选择PEG试剂和摩尔比的不同组合来靶向相同的释放期。
具体实施方式
封装了微粉化固态蛋白质的交联PEG水凝胶已表现出有望在大约数周或数月的时间内持续释放，并具有良好的蛋白质稳定性。基于装载量已被证明可多至88％w/w总固体装载，本方法对于持续时间为大约数月(例如，约1周到6个月)的低剂量和中等剂量的分子都是可行的。在努力将本系统开发为可调节以进行适合各种目标产品特性的持续释放的平台递送系统的过程中，已经标识了影响释放动力学的重要调配物参数，并且在多因子研究中对其进行了探索。引入了一种捕捉可降解水凝胶释放特性的典型形状的用于释放特性的非线性建模的方法，并且使用所述方法来评估调配物参数对蛋白质释放的影响。
本发明部分地基于以下发现：以下参数在影响设置于水凝胶中的生物制品的释放特性方面很重要：(a)亲核基团与亲电子基团的摩尔比，其中第一前体包括两个或更多个亲核基团，并且第二前体包括两个或更多个亲电子基团；(b)所述第一前体中的所述亲核基团的数量；(c)所述第二前体中的所述亲电子基团的数量；(d)所述第一前体的分子量；(e)所述第二前体的分子量；(f)所述生物制品和赋形剂与所述水凝胶的重量比；(g)所述生物制品在固态调配物中的重量百分比；和(h)所述水凝胶的表面积/体积比。通过调节这些参数中的至少一个，同时其它参数是预先确定的，可以生成具有不同释放特性的一系列生物制品装载水凝胶调配物。
在一些实施例中，可以使用定量预测模型来确定用于期望释放特性的这些参数。例如，使用预测模型，可以预先确定上述参数中的一个或多个，并调节一个或多个目标参数以评估其对释放特性的影响。可以调节目标参数，直到实现所期望的释放特性。除了其它方面，预测模型提供了以下能力：(1)通过选择前体和摩尔比的不同组合来靶向相同的释放期；(2)通过调节摩尔比和前体来靶向释放期，例如8-59天；和(3)通过仅调节摩尔比来靶向给定前体组合的在允许范围内的释放期。
本公开的一个方面涉及一种生产针对其中设置的生物制品具有期望的释放特性的水凝胶的方法，其中所述生物制品在被设置在所述水凝胶中之前处于固态调配物中，所述方法包括：(i)预先确定以下参数中的至少一个：(a)第一前体中的亲核基团的数量；(b)第二前体中的亲电子基团的数量；(c)所述第一前体的分子量；(d)所述第二前体的分子量；(e)所述生物制品和赋形剂与所述水凝胶的重量比；(f)所述生物制品在所述固态调配物中的重量百分比；和(g)所述水凝胶的表面积/体积比；(ii)单独或与未预先确定的上述参数中的任何一个或多个相组合地确定所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比，直到实现所期望的释放特性；和(iii)在无水条件下以所确定的摩尔比在所述固态调配物周围交联所述第一前体和所述第二前体。
本公开的另一方面涉及一种生产其中设置有生物制品的水凝胶的方法，其中所述生物制品在被设置在所述水凝胶中之前处于固态调配物中，并且其中所述水凝胶的特征在于对于至少90％生物制品释放，期望的释放期为约一周到约六个月，所述方法包括：(i)选择包括两个或更多个亲核基团的第一前体，其中所述第一前体的分子量在约1kDa到约100kDa的范围内；(ii)选择包括两个或更多个亲电子基团的第二前体，其中所述第二前体的分子量在约1kDa到约100kDa的范围内；(iii)单独或相组合地确定以下参数中的至少一个，直到实现所期望的释放期：(a)所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比；(b)所述生物制品和赋形剂与所述水凝胶的重量比；(c)所述生物制品在所述固态调配物中的重量百分比；和(d)所述水凝胶的表面积/体积比；和(iv)在无水条件下以所确定的摩尔比在所述固态调配物周围交联所述第一前体和所述第二前体。
前体不是水凝胶，而是可以彼此交联以形成水凝胶。交联可以通过共价键或物理键形成。物理键的实例是离子键、前体分子片段的疏水缔合和前体分子片段的结晶。可以触发前体反应以形成交联水凝胶。前体可以是可聚合的，并且包含经常但不总是可聚合的前体的交联剂。因此，可聚合的前体是具有能够彼此反应以形成基质和/或由重复单元制成的聚合物的官能团的前体。前体可以是聚合物。
为了形成共价交联水凝胶，将前体共价交联在一起。通常，聚合前体是将在两个或更多个点处与其它聚合前体连结的聚合物，其中每个点是与相同或不同聚合物连接的键。具有至少两个反应中心的前体(例如，在自由基聚合中)可以用作交联剂，因为每个反应基团都可以参与不同的增长聚合物链的形成。在没有反应性中心的官能团的情况下，除了其它方面，交联在至少一种前体类型上需要三个或更多个这种官能团。例如，多个亲电子-亲核反应消耗了亲电子和亲核官能团，使得需要第三官能团来使前体形成交联。因此，这种前体可以具有三个或更多个官能团，并且可以被具有两个或更多个官能团的前体交联。交联分子可以经由离子或共价键、物理力或其它吸引力来交联。然而，共价交联通常将在反应物产物结构中提供稳定性和可预测性。
在一些实施例中，每个前体是多官能的，表示它包括两个或更多个亲电子或亲核官能团，使得一个前体上的亲核官能团可以与另一前体上的亲电子官能团反应以形成共价键。前体中的至少一个包括超过两个官能团，使得由于亲电子-亲核反应，前体组合形成交联聚合产物。
前体可以是小分子，例如丙烯酸或乙烯基己内酰胺；含有可聚合基团的较大分子，例如丙烯酸酯封端的聚乙二醇(PEG-二丙烯酸酯)；或其它含有烯键式不饱和基团的聚合物，例如授予Dunn等人的美国专利第4,938,763号、授予Cohn等人的美国专利第5,100,992号和第4,826,945号或授予DeLuca等人的美国专利第4,741,872号和第5,160,745号，其中每一个的内容在不与本文明确公开的内容相抵触的范围内通过引用由此整体并入。
在一些实施例中，只要在交联反应中使用亲核和亲电子前体，则每个前体仅包括亲核官能团或仅包括亲电子官能团。因此，例如如果交联剂具有亲核官能团(例如，胺)，则官能聚合物可以具有亲电子官能团，例如N-羟基琥珀酰亚胺。另一方面，如果交联剂具有亲电子官能团(例如，磺基琥珀酰亚胺)，则官能聚合物可以具有亲核官能团，例如胺或硫醇。因此，可以使用官能聚合物，例如蛋白质、聚(烯丙基胺)或胺封端的双官能或多官能聚(乙二醇)。
前体可以具有生物惰性和亲水部分，例如核。在支化聚合物的情况下，核是指与连结到从核延伸的臂的分子的连续部分，其中每个臂的末端具有官能团。亲水前体或前体部分在水溶液中的溶解度为至少1g/100mL。亲水部分可以例如是聚醚，例如聚氧化烯烃，例如聚乙二醇(PEG)、聚氧化乙烯(PEO)、聚氧乙烯、聚氧化乙烯-共-聚氧化丙烯(PPO)、共聚氧化乙烯嵌段或无规共聚物，以及聚乙烯醇(PVA)、聚(乙烯吡咯烷酮)(PVP)、聚(氨基酸)、葡聚糖或蛋白质。前体可以具有聚亚烷基二醇部分，并且可以是基于聚乙二醇的，其中至少约80重量％或90重量％聚合物包括聚氧化乙烯重复。聚醚以及更特别的聚(氧烯烃)或聚(乙二醇)或聚乙二醇通常是亲水的。如这些领域中所惯用，术语PEG用来指具有或不具有羟基末端基团的PEO。
如果所得的水凝胶保留必要量的水，则前体可以用疏水部分制成。在一些情况下，前体仍可溶于水，因为它还具有亲水部分。在其它情况下，前体在水中分散(混悬)，但仍然能够反应以形成交联材料。一些疏水部分可以包含多个烷基、聚亚丙基或其它基团。一些具有疏水部分的前体以商品名
Figure BDA0002965751710000101
F68、
Figure BDA0002965751710000102
或
Figure BDA0002965751710000103
出售。共聚物等的疏水分子或疏水部分是指具有足够的疏水性以使分子(例如，聚合物或共聚物)聚集以形成涉及水连续相中的疏水结构域的胶束或微相的疏水分子或疏水部分，或在单独测试时具有足够的疏水性以在约30到约50摄氏度的温度下从pH为约7到约7.5的水溶液沉淀或下存在于所述水溶液中时以其它方式相变的疏水分子或疏水部分。
前体可以具有多个臂，例如2-100个臂，其中每个臂具有一个末端，要记住的是，一些前体可以是树枝状聚合物或其它高度支化的材料。每个臂的末端可以包含亲核或亲电子基团。水凝胶前体上的臂是指将可交联的官能团连接到聚合物核的化学基团的线性链。一些实施例是具有3至300个臂的前体；技术人员将立即认识到，明确叙述的范围内的所有范围和值是在考虑之内的，例如4到16个、8到100个或至少6个臂。
在一些实施例中，第一前体可以包括约2-30个亲核基团，例如约2-25个、约2-20个、约2-15个、约2-10个、约5-30个、约5-25个、约5-20个或约5-15个亲核基团。在一些实施例中，第一前体包括约2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个、19个、20个、21个、22个、23个、24个、25个、26个、27个、28个、29个或30个亲核基团。
在一些实施例中，第二前体可以包括约2-30个亲电子基团，例如约2-25个、约2-20个、约2-15个、约2-10个、约5-30个、约5-25个、约5-20个或约5-15个亲电子基团。在一些实施例中，第二前体包括约2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个、19个、20个、21个、22个、23个、24个、25个、26个、27个、28个、29个或30个亲电子基团。
因此，水凝胶可以例如由具有第一组官能团的多臂前体和具有第二组官能团的另一个多臂前体制成。例如，六臂或八臂前体可以具有亲水臂，例如聚乙二醇，其用伯胺封端，其中臂的分子量为约1,000到约40,000道尔顿(Da)；技术人员将立即认识到，明确叙述的界限内的所有范围和值是在考虑之内的。这种前体可以与相对较小的前体混合，例如具有至少约三个官能团或约3到约16个官能团的分子量在约100Da和约5000Da之间或不超过约800Da、1000Da、2000Da或5000Da的分子；普通技术人员将认识到，这些明确表达的值之间的所有范围和值是在考虑之内的。这种小分子可以是天然或合成的聚合物或非聚合物。
在一些实施例中，前体可以是树枝状聚合物。树枝状聚合物是高度支化的、径向对称的聚合物，其中原子布置在多个从中心核辐射出来的臂和子臂中。在一些实施例中，前体不是树枝状聚合物。
肽可以用作前体。通常，优选具有少于约10个残基的肽，但是也可以使用较大的序列(例如，蛋白质)。技术人员将立即认识到，包含了这些明确界限内的每个范围和值，例如1-10、2-9、3-10、1、2、3、4、5、6或7。一些氨基酸具有亲核基团(例如，伯胺或伯硫醇)或可以根据需要衍生化以并入亲核基团或亲电子基团的基团(例如，羧基或羟基)。
一些水凝胶用含聚乙二醇前体制成。聚乙二醇(PEG，当以高分子量存在时也被称为聚氧化乙烯)是指具有重复基团(CH2CH2O)n的聚合物，其中n至少为3。因此，具有聚乙二醇的聚合前体的这些重复基团中的至少三个以线性序列相互连接。聚合物或臂的聚乙二醇含量是通过将聚合物或臂上的所有聚乙二醇基团相加而计算出的(即使它们被其它基团中断)。因此，具有至少1000Da MW聚乙二醇的臂具有足够的CH2CH2O基团以总计为至少1000DaMW。如这些领域中的惯用术语，聚乙二醇聚合物不一定指以羟基基团终止的分子。分子量中的千用符号k缩写，例如15k Da表示15,000Da分子量。琥珀酸琥珀酰亚胺酯、戊二酸琥珀酰亚胺酯、己二酸琥珀酰亚胺酯和壬二酸琥珀酰亚胺酯是琥珀酰亚胺酯，其酯基通过在水中水解而降解。因此，可水解降解是指在不存在任何介导降解的酶或细胞的情况下在过量的水中体外自发降解的材料。降解时间是指通过肉眼判断的材料的有效消失。PEG和/或水凝胶以及包括它们的组合物可以以药学上可接受的形式提供，表示它是高度纯化的并且不含污染物(例如，致热原)。
亲核基团的非限制性实例包含胺、羟基、羧基和硫醇。在一些实施例中，亲核基团是胺。胺可以是伯胺、仲胺、叔胺或环胺。在一些实施例中，第一前体包括(氨基丙基)m聚氧乙烯，其中m在约2到约10的范围内。例如，m为2、3、4、5、6、7、8、9或10。在一些实施例中，第一前体可以是季戊四醇四(氨基丙基)聚氧乙烯、六聚甘油八(氨基丙基)聚氧乙烯或其组合。第一前体的分子量可以在约1kDa到约100kDa的范围内，例如约5kDa到约100kDa、约10kDa到约100kDa或约20kDa到约100kDa。
亲电子基团的非限制性实例包含磺酰氯、氯碳酸酯、n-羟基琥珀酰亚胺酯、琥珀酰亚胺酯、磺基琥珀酰亚胺酯、琥珀酰亚胺、琥珀酰亚胺酯、n-羟基琥珀酰亚胺、马来酰亚胺、琥珀酸酯、硝基硝基碳酸酯、醛、乙烯基砜、叠氮化物、酰肼、异氰酸酯、二异氰酸酯、甲苯磺酰基、三氟乙烷磺酰基或羰二咪唑以及在美国专利第5,410,016号和第6,149,931号中公开的那些(其中每一个在不与本文明确公开的内容相抵触的范围内通过引用由此整体并入本文)。在一些实施例中，亲电子基团是n-羟基琥珀酰亚胺酯或n-羟基琥珀酰亚胺。在一些实施例中，第二前体包括(琥珀酰亚胺基氧戊二酰基)n聚氧乙烯，其中n在约2到约10的范围内。例如，n为2、3、4、5、6、7、8、9或10。在一些实施例中，第二前体可以是季戊四醇四(琥珀酰亚胺基氧戊二酰基)聚氧乙烯、季戊四醇四(琥珀酰亚胺基氧琥珀酰基)聚氧乙烯、季戊四醇四(琥珀酰亚胺基羧基戊基)聚氧乙烯、六聚甘油八(琥珀酰亚胺基氧戊二酰基)聚氧乙烯、六聚甘油八(琥珀酰亚胺基氧琥珀酰基)聚氧乙烯或其组合。第二前体的分子量可以在约1kDa到约100kDa的范围内，例如约5kDa到约100kDa、约10kDa到约100kDa或约20kDa到约100kDa。
在一些实施例中，亲电子基团是n-羟基琥珀酰亚胺酯或n-羟基琥珀酰亚胺，并且亲核基团是伯胺。
某些官能团(例如，醇或羧酸)在生理条件下(例如，pH 7.2-11.0，37℃)通常不与其它官能团(例如，胺)反应。然而，可以通过使用活化基团(例如，N-羟基琥珀酰亚胺)来使这种官能团更具反应性。某些活化基团包含羰二咪唑、磺酰氯、芳基卤、磺基琥珀酰亚胺酯、N-羟基琥珀酰亚胺酯、琥珀酰亚胺酯、环氧化物、醛、马来酰亚胺、酰亚胺酯等。
官能团可以是例如可与亲核试剂反应的亲电子试剂、可与特异性亲核试剂(例如，伯胺)反应的基团、与生物流体中的材料形成酰胺键的基团、与羧基形成酰胺键的基团、活化酸官能团或其组合。官能团可以是例如强亲电子官能团，表示在室温和压力下于pH 9.0的水溶液中与伯胺有效形成共价键的亲电子官能团和/或通过Michael式反应进行反应的亲电子基团。强亲电试剂可以是不参与Michael式反应的类型，也可以是参与Michael式反应的类型。不参与Michael式反应的强亲电试剂的实例是：琥珀酰亚胺、琥珀酰亚胺酯或NHS酯。Michael式亲电试剂的实例是丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯和其它不饱和可聚合基团。前体和官能团的更多实施例可以在US 9,205,150中找到，其内容通过引用整体并入。
亲核基团与亲电子基团的摩尔比可以确定交联密度。摩尔比为一导致最高的交联密度。摩尔比大于或小于一可以导致比摩尔比为一时更低的交联密度。交联密度随摩尔比的增加而增加，直到值达到一，然后交联密度在超过一时随摩尔比的增加而降低。当交联密度较低时，嵌入水凝胶中的生物制品可以更快地释放。例如，参见图2中示出的结果。因此，通过调节亲核基团与亲电子基团的摩尔比，可以调节生物制品的释放动力学。不希望受到理论的束缚，摩尔比有效地调节水凝胶基质内的交联密度(即，形成网络的共价交联的数量)和网络孔隙大小。通过降低交联密度，可以增加基质的有效孔隙大小，从而使蛋白质更快地通过基质扩散。另外，交联密度的降低可以增加水凝胶中的结构域，在所述结构域中，围绕蛋白质颗粒的PEG的局部浓度不足以在水合时将蛋白质保持在固态，从而导致爆发释放以及基于质量的扩散速率的增加。因此，可以预期，随着摩尔比的增加，扩散控制方案中的爆发释放和释放动力学都将增加。另外，随着摩尔比的增加，在溶解控制方案中观察到释放特性的斜率的增加。这可以通过交联程度随摩尔比增加而降低来解释，因为可用于反应和交联的亲核基团和亲电子基团的数量之间存在更大的不匹配。生长速率由交联的水解速率确定，从而导致水凝胶溶胀的增加和PEG局部浓度的随之降低，这又导致了另外的蛋白质颗粒溶解。水凝胶的溶胀还与水凝胶孔隙率相关，其随着蛋白质溶解的发生而增加。随着摩尔比的增加和水合时蛋白质溶解的增加，水凝胶的有效孔隙率也将增加，从而在溶解控制方案中导致更多的溶胀、更快的水解和更快的生长速率。此外，标识扩散和溶解控制方案之间过渡的拐点将与摩尔比呈负相关。因为有效扩散速率随摩尔比的增加而增加，所以扩散增加到不再是速率限制步骤的程度所需的时间减少，从而将拐点移至较早的时间点。综合考虑，单独改变摩尔比可以允许取决于所期望的结果将释放特性从近线性调节为S形。
在一些实施例中，亲核基团与亲电子基团的摩尔比大于1。在一些实施例中，亲核基团与亲电子基团的摩尔比小于1。在一些实施例中，亲核基团与亲电子基团的摩尔比可以在约0.1到3.0的范围内，例如约0.1到0.9、约0.1到0.8、约0.1到0.7、约0.1到0.6、约0.2到0.9、约0.2到3.0、约0.2到2.8、约0.2到2.5、约0.5到2.5、约0.5到2.0、约0.8到2.5、约0.8到2.0、约1.1到2.0、约1.1到2.5、约1.1到3.0、约1.5到3.0、约1.5到2.5、约1.5到2.0或约1.3到1.8。在一些实施例中，亲核基团与亲电子基团的摩尔比可以为约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9或3.0。在一些实施例中，亲核基团与亲电子基团的摩尔比不为1。
在预测模型中，摩尔比对释放特性具有连续影响。如本文使用，术语“连续的”是指可以在各水平之间进行内插。因此，可以连续调节摩尔比以给出释放期的增量变化。在一些实施例中，当摩尔比大于1(例如，在约1.3到约1.8的范围内)时，可以以每摩尔比变化约-41天的速率调节释放特性中的释放期。在一些实施例中，当摩尔比小于1(例如，在约0.77到约0.56的范围内)时，可以以每摩尔比变化约103天的速率调节释放特性中的释放期。
与摩尔比有关，第一前体中的亲核基团的数量和/或第二前体中的亲电子基团的数量也可以确定交联密度。通常，在给定的摩尔比下，亲核或亲电子基团的数量越高，交联密度就越高。在一些实施例中，所述方法包括选择释放期为60天或更长时间的8臂PEGNH和8臂PEG NHS试剂。在一些实施例中，所述方法包括选择释放期少于60天的4臂PEG NH和4臂PEG NHS试剂。
另一个可以用来调节释放动力学的参数是第一和/或第二前体的分子量。在给定的摩尔比下，前体的分子量越低，网络孔隙大小就越小。在本文所述的预测模型中，第一和第二前体的分子量对释放特性具有非连续或离散影响。如本文使用，术语“非连续的”或“离散的”是指不能在各水平之间进行内插。例如，具有预定分子量的第一和第二前体(例如，PEG试剂)的组合可以限定可能的释放期范围。可以使用其它因子(例如，摩尔比)来微调释放特性或释放期。例如，如表9中所示，10kDa PEG NH和15kDa PEGNHS的组合限定了范围为9-31天的释放期；通过在1.3至1.8的范围内改变摩尔比，可以连续地将释放期从31天调节为9天。在预测模型中，摩尔比、第一前体的分子量和第二前体的分子量是独立的参数。
在一些实施例中，所述方法包括：(a)选择由第一摩尔比(最小值)和第二摩尔比(最大值)限定的摩尔比范围以及第一和第二前体的分子量，从而得到由第一释放期(最大值)和第二释放期(最小值)限定的释放期范围，其中第一摩尔比为1或更大，并且其中所期望的释放期在释放期范围内；和(b)根据以下公式中的任一个确定所期望的摩尔比：
期望的摩尔比＝第一摩尔比+(第一释放期-期望的释放期)/41；和
期望的摩尔比＝第二摩尔比+(第二释放期-期望的释放期)/41。
在一些实施例中，摩尔比的范围为约1.3到约1.8或其子范围。在一些实施例中，第一摩尔比可以为约1.3，并且第二摩尔比可以大于约1.3且不大于约1.8，例如约1.4、约1.5、约1.6、约1.7或约1.8。在一些实施例中，第一摩尔比可以为约1.4，并且第二摩尔比可以大于约1.4且不大于约1.8，例如约1.5、约1.6、约1.7或约1.8。在一些实施例中，第一摩尔比可以为约1.5，并且第二摩尔比可以大于约1.5且不大于约1.8，例如约1.6、约1.7或约1.8。在一些实施例中，第一摩尔比可以为约1.6，并且第二摩尔比可以大于约1.6且不大于约1.8，例如约1.7或约1.8。在一些实施例中，第一摩尔比可以为约1.7，并且第二摩尔比可以大于约1.7且不大于约1.8，例如约1.8。
在一些实施例中，所述方法包括：(a)选择由第一摩尔比(最大值)和第二摩尔比(最小值)限定的摩尔比范围以及第一和第二前体的分子量，从而得到由第一释放期(最大值)和第二释放期(最小值)限定的释放期范围，其中第一摩尔比为1或更小，并且其中所期望的释放期在释放期范围内；和(b)根据以下公式中的任一个确定所期望的摩尔比：
期望的摩尔比＝第一摩尔比-(第一释放期-期望的释放期)/103；和
期望的摩尔比＝第二摩尔比-(第二释放期-期望的释放期)/103。
在一些实施例中，摩尔比的范围为约0.77到约0.56或其子范围。在一些实施例中，第一摩尔比可以为约0.77，并且第二摩尔比可以小于约0.77且不小于约0.56，例如，约0.7、约0.65、约0.6或约0.56。在一些实施例中，第一摩尔比可以为约0.7，并且第二摩尔比可以小于约0.7且不小于约0.56，例如约0.65、约0.6或约0.56。在一些实施例中，第一摩尔比可以为约0.65，并且第二摩尔比可以小于约0.65且不小于约0.56，例如约0.6或约0.56。在一些实施例中，第一摩尔比可以为约0.6，并且第二摩尔比可以小于约0.6且不小于约0.56，例如约0.56。
另一个可以用来调节释放动力学的参数是生物制品和赋形剂与水凝胶的重量比。生物制品和赋形剂与水凝胶的重量比在本文中也被称为“固体装载”。这是指生物制品和赋形剂与生物制品、赋形剂和包括蛋白质装载水凝胶的聚合物的总重量的重量比。已经发现，增加固体装载可以改变释放特性的形状，这主要是由于在拐点之前的初始扩散阶段期间更快的释放。溶解阶段的开始(即，拐点)和固体装载之间也可能存在逆相关。不希望受到理论的束缚，随着固体装载的增加，预期在初始扩散阶段将有更快的释放，因为在蛋白质溶解度受到的限制较小的PEG浓度相对较低的微环境中，将会存在较大量的蛋白质。在基质的最初水合时，这些区域中的蛋白质将被溶解，从而增加浓度依赖性扩散的速率。另外，在最初水合时溶解的蛋白质颗粒的增加将在基质内产生空隙并导致基质孔隙率的增加。孔隙率更高的基质将会增加通过整个基质的有效扩散速率，并在到达表面时释放。不希望受到理论的束缚，还可以通过随着固体装载增加观察到的扩散速率的增加来以假设方式解释拐点和固体装载之间的逆相关。拐点表示扩散控制方案和溶解控制方案之间的过渡。随着固体装载的增加，扩散速率开始较高，并更快地增加，从而导致扩散不再受到速率限制之前的持续时间更短。在扩散控制方案中，溶解的蛋白质通过基质的扩散是蛋白质释放的速率限制步骤。随着更多的蛋白质颗粒溶解，基质内会形成空隙，并且基质的孔隙率增加，从而导致扩散速率增加。在溶解控制方案中，通过基质的扩散不再是速率限制步骤。随着固体装载的增加，这一点可以更快地达到。例如，图5示出了固体装载对释放速率和特性的影响。
在一些实施例中，生物制品可以是肽或蛋白质，例如重组蛋白。重组蛋白可以是抗体或其片段，短链可变片段(scFv)、生长因子、血管生成因子或胰岛素。其它水溶性生物制品是碳水化合物、多糖、核酸、反义核酸、RNA、DNA、小干扰RNA(siRNA)和适体。在一些实施例中，生物制品是抗血管内皮生长因子剂，例如阿柏西普、贝伐单抗和兰尼单抗。在一些实施例中，生物制品是免疫球蛋白G，例如IgG1、IgG2、IgG3和IgG4。在一些实施例中，生物制品是双特异性单克隆抗体。双特异性单克隆抗体的形式有很多种，但主要分为两类：IgG样和非IgG样。在一些实施例中，生物制品是具有诱骗受体结构域的融合蛋白。
在分散到水凝胶中之前，可以将水溶性生物制品制备成颗粒。存在多种蛋白质颗粒化技术(例如，喷雾干燥或沉淀)，并且只要目标蛋白质与此加工相容即可使用。颗粒制备的一个实施例涉及例如从供应商或动物或重组来源接收没有实质变性的生物制品。固相是蛋白质的稳定形式。将蛋白质冻干或浓缩或在接收时使用。然后，通过将其加工成固态并避免高温、潮湿(并且任选地在无氧环境中)，将蛋白质制成不变性的细粉末。粉末可以通过例如喷雾干燥、研磨、球磨、低温研磨、微流化或先用研钵和研杵研磨再过筛固体蛋白来制备。还可以在所讨论的蛋白质不溶于其的相容无水有机溶剂中加工蛋白质，同时将蛋白质保持为固体形式。将颗粒大小减小到期望的范围可以通过例如在相容有机溶剂中研磨、球磨、喷射研磨固体蛋白混悬液来实现。
常见的赋形剂包含但不限于蔗糖、脯氨酸、海藻糖、三亮氨酸、甘露醇、异亮氨酸、缓冲液(例如，组氨酸、磷酸盐、乙酸盐和聚山梨酯)。
固体装载可以在0.1到0.9的范围内，例如0.1-0.8、0.1-0.7、0.1-0.6、0.2-0.9、0.2-0.8、0.2-0.7、0.2-0.6、0.3-0.9、0.3-0.8、0.3-0.7或0.3-0.6。在一些实施例中，固体装载可以为约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8或0.9。
又一个可以用来调节释放动力学的参数是生物制品在固态调配物中的重量百分比。本文所述的固态调配物在组成上与本公开的脱水水凝胶不同。通过在固态调配物周围交联第一前体和第二前体来形成脱水水凝胶。生物制品在固态调配物中的重量百分比在本文中也被称为“蛋白质含量”。已经发现，蛋白质含量越高，释放速率就越快。此外，蛋白质含量还可以通过改变拐点和直到拐点的释放速率来影响释放特性的形状。微粉化颗粒中的蛋白质含量可以确定颗粒溶解在基质中时的微环境中的蛋白质的有效浓度。PEG水凝胶内的扩散是由整个基质内的微环境内的这种浓度梯度驱动的。因此，对于具有高蛋白质含量的固态调配物，溶解时的局部浓度将高于具有低蛋白质含量的调配物，这产生了更大的扩散驱动力。通过拐点之前的扩散控制方案中的释放速率和蛋白质含量之间的相关观察到这一点。不希望受到理论的束缚，拐点和蛋白质含量之间的逆相关可以通过减少浓度依赖性扩散速率增加并且溶解成为释放的速率限制步骤的时间范围来解释。例如，图4示出了蛋白质含量对释放速率和特性的影响。
固态调配物包括生物制品和一种或多种赋形剂。固态调配物可以通过方法(例如，沉淀、结晶、冻干、喷雾干燥、研磨、微模板化、喷雾冷冻、可逆沉淀、超临界流体干燥和电喷雾)来生产。冻干、喷雾干燥或以其它方式加工的蛋白质通常用用于稳定蛋白质的糖(例如，海藻糖或蔗糖)或用于制备蛋白质的其它过程来调配。这些糖可以在整个水凝胶形成过程中保留在颗粒中。蛋白质含量可以在10重量％到95重量％的范围内，例如10重量％-90重量％、10重量％-80重量％、10重量％-70重量％、10重量％-60重量％、20重量％-90重量％、20重量％-80重量％、20重量％-70重量％、30重量％-90重量％、30重量％-80重量％或30重量％-70重量％。在一些实施例中，蛋白质含量可以为约10重量％、20重量％、30重量％、40重量％、50重量％、60重量％、70重量％、80重量％或90重量％。
固态调配物可以包含平均直径不超过20μm的颗粒。在一些实施例中，固态调配物可以包含平均直径为约10nm到20μm的颗粒。例如，颗粒的平均直径可以为约10nm到15μm、10nm到10μm、50nm到20μm、50nm到15μm、50nm到10μm、100nm到15μm、100nm到10μm、200nm到10μm、400nm到10μm、600nm到10μm、1μm到10μm、2μm到10μm、100nm到1μm或200nm到800nm。
又一个可以用来调节释放动力学的参数是水凝胶的表面积/体积比。已经发现，表面积/体积比越高，释放速率就越快。例如，图6示出了两种不同形式(平板和微粒)的释放速率的差异。所述比可以通过改变水凝胶的形状因子来改变。示例性形状因子包含但不限于平板、微薄片、微粒和粉末。测量材料的表面积的方法在本领域中是已知的，包含BrunauerEmmett Teller(BET)模型。表面积/体积比可以在约1-150mm-1的范围内，例如约2-100mm-1、约5-100mm-1或约10-75mm-1。
当预先确定了八个参数中的一个时，可以调节其余七个参数中的至少一个以实现期望的释放特性。例如，当预先确定了生物制品和赋形剂与水凝胶的重量比时，可以调节以下参数中的至少一个：(a)所述亲核基团和所述亲电子基团的摩尔比；(b)所述第一前体中的所述亲核基团的数量；(c)所述第二前体中的所述亲电子基团的数量；(d)所述第一前体的分子量；(e)所述第二前体的分子量；(f)所述生物制品在固态调配物中的重量百分比；和(g)所述水凝胶的表面积/体积比。
在一些实施例中，当预先确定了八个参数中的两个时，可以调节其余六个参数中的至少一个以实现期望的释放特性。
在一些实施例中，当预先确定了八个参数中的三个时，可以调节其余五个参数以实现期望的释放特性。
在一些实施例中，当预先确定了八个参数中的四个时，可以调节其余四个参数中的至少一个以实现期望的释放特性。
在一些实施例中，当预先确定了八个参数中的五个时，可以调节其余三个参数中的至少一个以实现期望的释放特性。
在一些实施例中，当预先确定了八个参数中的六个时，可以调节其余两个参数中的至少一个以实现期望的释放特性。
在一些实施例中，当预先确定了八个参数中的七个时，可以调节其余参数以实现期望的释放特性。
预测模型可以用于确定参数中的一个或多个。在一些实施例中，在确定所期望的释放期以及第一和第二前体的分子量之后，预测模型可以提供将导致所期望的释放期的摩尔比。
所期望的释放特性可以取决于多个因子，包含但不限于生物制品、所治疗的疾病或病状以及施用途径。在一些实施例中，对于至少90％生物制品释放，所期望的释放特性包括约一周到六个月的释放期，例如约两个月到六个月或约一周到两个月。对于眼部应用，所期望的释放特性可以包含约14天的控制释放。在一些实施例中，所期望的释放特性表现出约1周到6个月内近线性释放。在一些实施例中，所期望的释放特性表现出至少一周内的近线性释放。在一些实施例中，所期望的释放特性表现出至少两周内的近线性释放。在一些实施例中，所期望的释放特性表现出至少一个月内的近线性释放。在一些实施例中，所期望的释放特性表现出至少两个月内的近线性释放。在一些实施例中，所期望的释放特性表现出至少六个月内的近线性释放。
期望的释放特性可以包含延迟释放部分、S形、线性部分、非线性部分、对数部分、指数部分或其组合。在一些实施例中，期望的释放特性可以是S形释放特性，其中先是最小释放或无释放的长时间延迟，随后是持续释放直至耗尽。这种释放特性与液体装载剂量结合可能是期望的，并且在初始装载剂量清除至低于身体的有效水平时被调节为开始持续释放。可以通过同时施用两种或更多种具有调节的S形特性的水凝胶来实现另一个期望的释放特性，以实现脉动释放特性。可以通过同时施用两种或更多种具有不同释放特性(其中一个较快(例如，近线性释放，对数或指数)，而另一个较慢/延迟(S形))的水凝胶来实现又一个期望的释放特性。
水凝胶形成
在无水和疏水溶剂的存在下，可以通过以所确定的摩尔比在具有生物制品的固态调配物周围交联第一前体和第二前体来形成水凝胶。在一些实施例中，无水和疏水溶剂可以是亚甲基氯、乙酸乙酯、碳酸二甲酯、氯仿或其组合。
一些前体使用引发剂反应。引发剂基团是能够引发自由基聚合反应的化学基团。例如，它可以作为单独的组分或作为前体上的侧基存在。引发剂基团包含热引发剂、可光激活引发剂和氧化还原(redox)体系。长波UV和可见光可光激活引发剂包含例如乙基曙红基团、2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮基团、其它苯乙酮衍生物、噻吨酮基团、苯甲酮基团和樟脑醌基团。热反应性引发剂的实例包含4，4′偶氮双(4-氰基戊酸)基团和过氧化苯甲酰基团的类似物。几种可商购的低温自由基引发剂(例如，可购自Wako ChemicalsUSA，Inc.，里士满，弗吉尼亚州的V-044)可以用于在体温下引发自由基交联反应，以形成具有上述单体的水凝胶涂层。
金属离子可以在氧化还原引发体系中用作氧化剂或还原剂。例如，亚铁离子可与过氧化物或氢过氧化物结合使用以引发聚合，或用作聚合体系的一部分。在这种情况下，亚铁离子将用作还原剂。可替代地，金属离子可以用作氧化剂。例如，铈离子(铈的4+价态)与各种有机基团(包含羧酸和氨基甲酸酯)相互作用，以将电子移到金属离子上，并在有机基团上留下引发自由基。在这种体系中，金属离子用作氧化剂。可能适合任一作用的金属离子是过渡金属离子(镧系元件和锕系元件)中的任何一种，它们具有至少两个易达到的氧化态。特别有用的金属离子具有至少两个仅被一个电荷差分开的状态。其中最常用的是铁/亚铁；铜/亚铜；铈/亚铈；钴/亚钴；钒酸根V及IV；高锰酸根；和锰/亚锰。可以使用含过氧化合物，例如过氧化物和氢过氧化物，包含过氧化氢、过氧化氢叔丁基、过氧化叔丁基、过氧化苯甲酰、过氧化枯基。
引发体系的一个实例是过氧化合物的一种溶液与反应性离子(例如，过渡金属)的另一种溶液的组合。在这种情况下，当含有两个互补的反应性官能团的部分在应用部位相互作用时，不需要外部聚合引发剂，并且聚合自发地进行而无需应用外部能量或使用外部能源。
可视化剂可以以粉末用于水凝胶中。它反射或发射出人眼可检测到的波长的光，使得应用水凝胶的使用者可以在其含有有效量的试剂时观察到对象。需要成像机器辅助的试剂在本文中被称为显像剂，并且实例宝毫安不透射线的造影剂和超声造影剂。
一些生物相容性可视化剂是FD&C BLUE#1、FD&C BLUE#2和亚甲基蓝。优选地，这些试剂以大于0.05mg/ml的浓度，优选以至少0.1到约12mg/ml的浓度范围，更优选以0.1到4.0mg/ml的范围存在于最终的亲电子-亲核反应性前体物种混合物中，但是可以潜在地使用更大的浓度，直至可视化剂的溶解度极限。可视化剂可以共价连接到水凝胶的分子网络，因此在应用于患者后保留可视化，直到水凝胶水解至溶解。
可视化剂可以选自适合用于医用植入式医疗装置的各种无毒有色物质中的任何一种，例如FD&C BLUE染料3和6、曙红、亚甲基蓝、吲哚菁绿或通常在合成手术缝合线中可见的有色染料。反应性可视化剂(例如，NHS-荧光素)可以用于将可视化剂结合到水凝胶的分子网络中。可视化剂可以与反应性前体物种(例如，交联剂或官能聚合物溶液)一起存在。优选的有色物质可以化学键合到或不化学键合到水凝胶。可视化剂可以少量使用，例如1％重量/体积，更优选小于0.01％重量/体积，最优选小于0.001％重量/体积浓度；技术人员将立即认识到，明确叙述的范围内的所有范围和值是在考虑之内的。所述试剂往往会标记颗粒的位置并提供其存在和溶解速率的指示。
脱水水凝胶可以由交联水凝胶形成，使得在生理溶液中水合时形成可水降解的水凝胶，这可通过水凝胶通过水可降解基团的水解降解失去其机械强度并最终在体外在过量的水中消散来测量。本测试可预测体内水解驱动的溶解，这是一个与细胞或蛋白酶驱动的降解相反的过程。然而，重要的是，降解为酸性组分的聚酸酐或其它常规使用的可降解材料往往会引起组织的炎症。然而，水凝胶可以排除这些材料，并且可以不含聚酸酐、酸酐键或降解为酸或二酸的前体。
例如，可以使用亲电子基团，例如戊二酸N-羟基琥珀酰亚胺酯、琥珀酸N-羟基琥珀酰亚胺酯、碳酸N-羟基琥珀酰亚胺酯、己二酸N-羟基琥珀酰亚胺酯或壬二酸N-羟基琥珀酰亚胺酯，并且所述亲电子基团具有水解不稳定的酯键。也可以使用更具线性的疏水键，例如庚二酸酯、辛二酸酯、壬二酸酯或癸二酸酯键，这些键的降解性不如琥珀酸酯、戊二酸酯或己二酸酯键。也可以使用支化、环状或其它疏水键。可以用这些基团制备聚乙二醇和其它前体。当使用水可降解材料时，交联水凝胶降解可以通过生物可降解片段的水驱动的水解来进行。也可以包含包含酯键的聚合物以提供期望的降解速率，其中在酯附近加入或减少基团以增加或降低降解速率。因此，有可能使用可降解片段来构建具有期望的降解特性(几天到几个月)的水凝胶。例如，如果使用聚乙醇酸酯作为生物可降解片段，则取决于网络的交联密度，可以使交联聚合物在约1到约30天之内降解。类似地，可以使基于聚己内酯的交联网络在约1到约8个月内降解。降解时间通常根据所使用的可降解片段的类型而不同，顺序如下：聚乙醇酸酯＜聚乳酸酯＜聚三亚甲基碳酸酯＜聚己内酯。因此，有可能使用可降解片段来构建具有期望的降解特性(几天到几个月)的水凝胶。
水凝胶和/或前体中的生物可降解键可以是水可降解的或酶可降解的。说明性水可降解的生物可降解键包含乙交酯、dl-丙交酯、1-丙交酯、二噁烷酮、酯、碳酸酯和三亚甲基碳酸酯的聚合物、共聚物和低聚物。说明性酶生物可降解键包含可被金属蛋白酶和胶原酶切割的肽键。生物可降解键的实例包含聚(羟基酸)、聚(原碳酸酯)、聚(酸酐)、聚(内酯)、聚(氨基酸)、聚(碳酸酯)和聚(膦酸酯)的聚合物和共聚物。
如果期望生物相容性交联基质是生物可降解的或可吸收的，则可以使用一种或多种生物可降解键存在于官能团之间的前体。生物可降解键也可以任选地用作一种或多种用于制造基质的前体的水溶性核。对于每种方法，可以选择生物可降解键，使得所得的生物可降解的生物相容性交联聚合物将在期望的时间段内降解或吸收。
可以选择基质材料，使得降解产物被吸收到循环系统中，并经由肾脏过滤基本从体内清除。基质材料可以是水凝胶的生理溶液。一种方法是选择在体内未被分解的前体，其中前体之间的键被降解以返还所述前体或具有由共价交联过程引起的很小变化的前体。本方法与选择被酶促过程破坏的生物基质材料和/或被巨噬细胞清除的材料，或导致副产物有效地不溶于水的生物基质材料相反。可以使用技术人员已知的技术对通过肾脏过滤从体内清除的材料进行标记和检测。尽管这些材料中的一些至少在理论上可能会流失到其它身体系统，但是材料的正常命运是肾脏清除过程。因此，术语“基本清除”是指通常通过肾脏清除的材料。
应用
在一些实施例中，可以将水凝胶材料置于患者体内，例如在组织或器官中(包含眼内、玻璃体内、脉络膜上、结膜下、局部、皮下、肌肉内、腹膜内)，在身体的潜在空间中，或在天然腔体或开口中。所述材料提供了用于随时间释放治疗剂(例如，生物制品)的储库。因此，实施例包含约0.05和约500ml之间的放置体积(在递送颗粒收集物的情况下，是指总体积)；技术人员将立即认识到，明确叙述的范围内的所有范围和值是在考虑之内的，例如1到10ml或5到50ml。例如，腹膜内或肌肉内注射是用于试剂在数小时、数天或数周内的延长控制释放的可用区域。
本文所述的材料可以用于递送药物或其它治疗剂(例如，显像剂或标志物)。一种应用方式是通过针头、套管、导管或空心线将水凝胶颗粒和其它材料(例如，治疗剂、缓冲液、促进剂、引发剂)的混合物应用到部位。可以例如使用手动控制的注射器或机械控制的注射器(例如，注射泵)来递送混合物。可替代地，可以使用双桶注射器或多桶注射器或多腔系统来将水凝胶颗粒在所述部位处或其附近与水合流体和/或其它试剂混合。
脱水水凝胶可以以可流动形式(例如，作为可流动颗粒)提供给所述部位。可以将水凝胶混悬在液体中并应用到所述部位。可以将水凝胶颗粒制成具有最大直径，以通过3到5French导管或10到30gauge针头从注射器手动传出。技术人员将立即认识到，明确叙述的范围内的所有范围和值是在考虑之内的，例如25到30gauge。小针头的使用在作为敏感器官的眼睛中特别有利。应用于其它器官也是有利的，例如以控制出血或其它损伤。可以通过形成水凝胶然后将其破碎成较小的碎片来形成颗粒。水凝胶可以例如在球磨机中或用研钵和研杵研磨，或用刀或线切碎或切成小块。或者，可以在搅拌器或类似设备中将水凝胶切碎。也可以迫使水凝胶通过网孔或将其浇铸到具有期望大小和形状的模板模具中。水凝胶可以含有治疗剂装载颗粒。一些或全部水凝胶颗粒可以含有治疗剂装载颗粒。在一些实施例中，装载有第一治疗剂的第一组治疗剂装载颗粒包含在第一组水凝胶颗粒内部，而装载有第二治疗剂的第二组治疗剂装载颗粒包含在第二组水凝胶颗粒内部。以这种方式，可以从单个植入物释放多种治疗剂。颗粒的实施例包含具有特定形状(例如，球形、棒形或盘形)的那些。
实施例包含多个水凝胶颗粒的放置。水凝胶颗粒可以包括治疗剂。可以将颗粒制成可手动通过25guage或更小直径针头的大小。可以手动提供迫使颗粒通过针头的压力。
一种递送颗粒的替代方案是将凝胶预先形成为成型物品，然后将材料引入体内。例如，水凝胶可以被形成为球形、棒形、圆柱形或其它形状。实施例包含用于皮下植入以及一种或多种治疗剂的递送的水凝胶实心棒。
本文所述的水凝胶可以用于组织增强。胶原用于皮肤增强的用途是众所周知的。例如，水凝胶可以用于皮肤填充剂或用于组织增强。实施例包含在组织中注射或以其它方式放置多个颗粒，或原位形成水凝胶。可以将材料注射或以其它方式放置在预期部位。
本文所述的水凝胶可以用于分离组织以减少其中一个组织所接收的放射性剂量。如美国专利第7,744,913号(其出于所有目的通过引用由此并入本文，在冲突的情况下，以本说明书为准)中所述，可以将间隔物材料放置在患者体内。某些实施例是一种方法，其包括将间隔物引入第一组织位置和第二组织位置之间的位置以增加第一组织位置和第二组织位置之间的距离。此外，可能存在对至少第一组织位置或第二组织位置施用某一放射性剂量的步骤。例如，一种方法是向患者递送治疗剂量的辐射，其包括在第一组织位置和第二组织位置之间引入生物相容性生物可降解的颗粒水凝胶(例如，任选地具有不透射线的内容物的颗粒集合)，以增加第一组织位置和第二组织位置之间的距离；和用治疗性放射剂量治疗第二组织位置，使得填充装置的存在使第一组织位置接收更少的放射性剂量(相较于第一组织位置在不存在间隔物的情况下将接收的放射性剂量的量)。间隔物可以作为脱水水凝胶引入，其在患者体内形成水凝胶，所述水凝胶通过患者体内的间隔物-水凝胶的生物降解而被去除。一个实例是第一组织位置与直肠相关联并且第二组织位置与前列腺相关联的情况。辐射减少的量可能会有所不同。实施例包含至少约10％到约90％；技术人员将立即认识到，明确叙述的范围内的所有范围和值是在考虑之内的，例如至少约50％。辐射可以可替代地被引导到第三组织，使得第一组织或第二组织由于其与其它组织的分离而接收较低量的辐射。第一组织和第二组织可以在体内彼此相邻，或者可以被其它组织彼此分开。用于分离组织的间隔物体积取决于待治疗的组织和待彼此分离的组织的配置。在许多情况下，约20立方厘米(cc或m1)的体积是合适的。在其它实施例中，可能需要小至约1cc。其它体积在约5-1000cc的范围内；技术人员将立即认识到，明确叙述的范围内的所有范围和值是在考虑之内的，例如10-30cc。在一些实施例中，间隔物在不同时间以两次剂量施用，以允许组织拉伸并容纳间隔物，从而接收比原本可能容易的体积更大的间隔物。待被间隔物分离的组织包含例如直肠、前列腺和乳房中的至少一种或其一部分。例如，乳房的第一部分可以与第二部分分离。
本发明的细节在下面所附的描述中阐明。尽管与本文所述的那些类似或等同的方法和材料可以用于本发明的实践或测试中，但是现在描述说明性方法和材料。通过说明书和权利要求，本发明的其它特征、目的和优点将变得显而易见。在说明书和所附权利要求中，单数形式也包含复数，除非上下文另外明确指出。除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解相同的含义。本说明书中引用的所有专利和出版物均通过引用整体并入本文。
定义
如本文定义和使用的所有定义应被理解为优先于字典定义、通过引用并入的文档中的定义和/或所定义术语的普通含义。
如本文在说明书和权利要求中使用，在提及一个或多个元件的列表时，短语“至少一个”应被理解为是指选自元件列表中的任何一个或多个元件的至少一个元件，但不一定包含元件列表中具体列出的每个元件中的至少一个，并且不排除元件列表中的元件的任何组合。本定义还允许，可以任选地存在除了短语“至少一个”所指代的元件列表中具体标识的元件之外的元件，无论与具体标识的那些元件有关还是无关。因此，作为一个非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的至少一个”，或等效地“A和/或B中的至少一个”)可以是指，在一个实施例中，至少一个(任选地包含超过一个)A，并且不存在B(并且任选地包含除B之外的元件)；在另一个实施例中，至少一个(任选地包含超过一个)B，并且不存在A(并且任选地包含除A之外的元件)；在又一个实施例中，至少一个(任选地包含超过一个)A和至少一个(任选地包含超过一个)B(并且任选地包含其它元件)；等等。
在权利要求以及以上说明书中，所有过渡短语(例如，“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“由......构成”等)应被理解为开放式的，即表示包含但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，仅过渡短语“由......组成”和“基本由......构成”应分别是封闭式或半封闭式的过渡短语。
如本文使用，术语“释放特性”和“释放动力学”可互换使用，是指生物制品在生理条件下随时间从水凝胶释放的方式。释放特性可以通过释放期和释放期期间的一个或多个释放速率来表征。释放特性可以通过X轴为时间并且Y轴为生物制品释放量度(例如，百分比、释放的生物制品的累积质量或释放的生物制品的累积质量/总水凝胶质量比)的图来可视化。
如本文使用，术语“近线性释放”是指与tn成比例的释放速率，其中t是时间，并且n在0.5-1的范围内。技术人员将立即认识到，明确叙述的范围内的所有范围和值是在考虑之内的，例如0.5到0.95、0.5到0.9、0.5到0.85、0.5到0.8、0.6到0.95、0.6到0.9、0.6到0.85、0.6到0.8、0.7到0.95、0.7到0.9、0.7到0.85或0.7到0.8。在一些实施例中，n为0.5。在一些实施例中，n为0.55。在一些实施例中，n为0.6。在一些实施例中，n为0.65。在一些实施例中，n为0.7。在一些实施例中，n为0.75。在一些实施例中，n为0.8。在一些实施例中，n为0.85。在一些实施例中，n为0.9。在一些实施例中，n为0.95。在一些实施例中，n为1。
术语“约”是指可以比指定值大或小15％、10％、8％、5％、3％、2％、1％或0.5％的值的范围。例如，“约10％”可以是8.5％到11.5％。在一个实施例中，术语“约”是指比指定值大或小5％的值的范围。在另一个实施例中，术语“约”是指比指定值大或小2％的值的范围。在另一个实施例中，术语“约”是指比指定值大或小1％的值的范围。
在本公开中，冠词“一个/一种”用于指代所述冠词的语法对象中的一个或超过一个(即，至少一个)。举例来说，“一个元件”是指一个元件或超过一个元件。
除非另外指示，否则术语“和/或”在本公开中用于表示“和”或“或”。
权利要求不应被理解为限于所描述的顺序或元件，除非对此进行了说明。应当理解，本领域的普通技术人员可以在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下做出各种形式和细节上的改变。要求保护落入以下权利要求及其等同的精神和范围内的所有实施例。
实例
通过以下实例和合成实例进一步说明本公开，这些实例和合成实例不应被解释为将本公开在范围或精神上限制为本文所述的具体程序。应当理解，提供这些实例是为了说明某些实施例，并且由此并不旨在限制本公开的范围。应当进一步理解，可以进行本领域技术人员在不脱离本公开的精神和/或所附权利要求的范围的情况下可以想到的各个其它实施例、修改及其等同。
实例1
本文描述了这些参数如何独立地以及组合地影响释放动力学以及如何可以利用它们以满足特定的目标产品特性的说明性实例。mAb IgG1和mAb IgG4用作针对本报告中呈现的大多数结果的模型单克隆抗体，其中数据集还包含双特异性mAb和Trap蛋白。通常，此处呈现的结果可以扩展到其它单克隆抗体(mAb)或大小与此处使用的mAb相似的蛋白质。
在混悬于有机溶剂中的喷雾干燥蛋白质的存在下，通过使两种支化PEG试剂与互补的反应性末端基团反应来制造蛋白质水凝胶递送系统。在反应时，PEG试剂形成一个交联网络，其将喷雾干燥蛋白质截留，所述蛋白质保持固态。然后，从所得的mAb装载聚合物基质去除溶剂，从而留下固体脱水mAb水凝胶药物产品(被称为mAb-XPEG)。为了与喷雾干燥蛋白质的相容性并出于加工考虑选择有机溶剂，所述喷雾干燥蛋白质需要不溶于溶剂且稳定。在此处呈现的所有实验中，使用二氯甲烷(DCM)作为反应溶剂，并选择其以获得其与所选蛋白质的相容性以及挥发性，从而实现mAb-XPEG基质易于在真空下于室温下干燥。mAb-XPEG基质可以被形成为平板，也可以被浇铸为薄膜或浇铸到模具中；在干燥之后，可以将固体基质进一步切成具有特定几何结构的形状和/或颗粒。
当mAb-XPEG药物产品水合时，作为水凝胶的基质溶胀。在水合时，一部分装载的喷雾干燥mAb将溶解并从基质扩散。在本初始阶段，蛋白质从基质释放是基于扩散的，并且表现出对时间平方根的依赖。暴露于聚合物基质内的局部微环境中的高浓度PEG的蛋白质的其余部分将保持固态，直到水凝胶溶解进展到局部微环境中的PEG浓度降至允许蛋白质溶解的水平的点。因此，随着在水合环境中的时间流逝，PEG基质中的交联由于水解而降解，从而导致蛋白质溶解并随后从聚合物基质扩散。在本释放阶段，基质溶解是速率限制步骤，并且蛋白质释放随时间呈指数变化。最后，当基质降解至没有固体蛋白残留的点时，通过通过残留基质的扩散再一次控制溶液中的残留蛋白质在基质内的释放。这些蛋白质从基质释放的阶段产生了释放特性的特征性S形曲线(图1)。
在图1的阶段I中，在水合时，使暴露于表面或低PEG密度区域中的一部分装载蛋白质溶解。表面上或表面附近的蛋白质颗粒会立即作为“爆发”释放而释放。这一点通过爆发释放的增加与表面积/体积(质量)比的增加相关来证明。水合时溶解的蛋白质(大概在低PEG密度的区域中，而不是在表面处)可以在“扩散”阶段释放。这一点通过扩散阶段释放的蛋白质量随NH：NHS摩尔比的增加而增加来证明。不希望受到理论的束缚，通过增加摩尔比，形成了更少的交联，并且具有足够低的PEG密度以允许蛋白质颗粒溶解的区域将更加普遍。在本阶段，扩散遵循菲克扩散，其中扩散的驱动力是溶解蛋白质的浓度，但扩散被由于PEG交联产生的多孔网络减慢，因此本扩散阶段期间的释放速率可能会受到PEG交联的程度和结构的影响。
在图1的阶段II中，当PEG交联的切割达到它已成为蛋白质从基质释放的速率限制步骤的程度时，溶解阶段开始。不希望受到理论的束缚，PEG交联的切割是一阶过程，并且随着它的发生，预期会降低基质内的PEG密度(从而实现蛋白质颗粒的溶解)并且在多孔网络打开时增加蛋白质通过PEG基质扩散的速率。当蛋白质从基质扩散的总体速率快于交联的有效溶解时，就会发生在释放特性中可观察到溶解控制释放的点。溶解阶段期间的释放特性的形状与溶解的一阶过程直接相关。溶解阶段的释放速率和持续时间预计取决于交联程度(NH：NHS摩尔比)、切割速率以及本阶段开始时基质中残留的蛋白质总量。
在图1的阶段III中，当菲克扩散再一次受到速率限制时，发生耗尽阶段。在本阶段，所有蛋白质大概都已溶解在基质内，并且释放的扩散驱动力随着残留蛋白质从基质耗尽而降低。这一点通过刚好在指示耗尽的稳定期之前的释放特性的特征性形状(相对于时间的平方根呈线性)来证明。取决于蛋白质装载以及扩散和溶解阶段的释放的动力学和持续时间，本阶段可能在完全凝胶溶解之前发生。
表1列出了与蛋白质装载水凝胶药物递送系统中的释放动力学在理论上相关联的调配物参数。这些参数已分为三类：基于聚合物试剂的选择的因子、与喷雾干燥蛋白质调配物有关的因子以及在mAb-XPEG制造中确定的因子。本列表仅考虑了调配物相关参数，并且不包含过程参数(例如，溶剂、试剂浓度、反应条件等)。对于此处包含的所有研究，这种过程参数均保持恒定。
表1.mAb-XPEG调配物参数
Figure BDA0002965751710000271
将努力集中在利用蛋白质装载水凝胶制造和喷雾干燥蛋白质调配物以及限制聚合物试剂(即，MW和相同的官能末端基团化学结构)的选择背后的基本原理是通过将PEG试剂的数量限制为两种来从CMC(化学、制造和控制)和监管角度简化平台的复杂性。然而，应注意，通过利用不同的聚合物特性(例如，官能末端基团化学结构)来影响基质内的蛋白质的扩散和水凝胶基质的溶解速率，可以在本系统中实现类似的调节。
在理解释放动力学时考虑喷雾干燥调配物参数是本递送系统的平台开发的关键因子。尽管可以利用喷雾干燥调配物来实现期望的释放动力学，但是也可以基于蛋白质稳定性来决定调配物。尽管就释放动力学而言，分子在装载到水凝胶基质中时可能表现出相似的行为，但已知蛋白质稳定性是分子特异性的，并且不同的蛋白质可能需要更改喷雾干燥调配物，以在生产过程中或作为中间体药物物质或蛋白质装载水凝胶储存期间保持稳定性。因此，无论哪种情况，重要的是，了解喷雾干燥调配物将如何影响释放动力学。对于表面积/体积比作为水凝胶制造参数，情况同样如此。尽管在一些情况下可以利用表面积/体积比来实现期望的释放动力学，但是它也可以由施用所需的形状因子决定或限制(例如，可注射或作为植入物)。
材料和方法
表2：用于蛋白质装载水凝胶制造和体外释放(IVR)研究的喷雾干燥蛋白质配方、试剂和材料
Figure BDA0002965751710000272
Figure BDA0002965751710000281
表3.mAb-XPEG设计空间多因子研究I
因子 测试范围
摩尔比 0.9-1.8NH：NHS
固体装载 0.6-0.9w/w
蛋白质含量 0.4-0.8w/w
分子 mAb IgG1，mAb IgG4
在表3中，范围和因子包含在蛋白质装载水凝胶调配物参数对蛋白质释放动力学的影响的多因子分析中。在本评估中，表面积/体积比不受控制。样品在表4中规定。
表4.蛋白质装载水凝胶设计空间多因子研究I。
Figure BDA0002965751710000282
表5.蛋白质装载水凝胶设计空间多因子研究II。
因子 测试范围
摩尔比 1.1-2.0NH：NHS
固体装载 0.2-0.7w/w
蛋白质含量 0.5-0.9w/w
分子 mAb IgG1，mAb IgG4
表面积/体积比 3-79(mm<sup>-1</sup>)
在表5中，范围和因子包含在蛋白质装载水凝胶调配物参数对mAb释放动力学的影响的多因子分析中。范围从研究I扩展，并且包含表面积：体积比作为因子。样品在表6中规定。
表6.蛋白质装载水凝胶设计空间多因子研究II。
Figure BDA0002965751710000291
mAb-XPEG制造方案如下示出。
I.试剂制备：
·将PEG试剂加入单独的管中。
·加入DCM。
·充分混合直到PEG试剂溶解。
·将PEG-NH溶液加入喷雾干燥蛋白质的每个小瓶中。
·涡旋并超声处理，以将蛋白质混悬在PEG-NH溶液中。和
·在每一步之后记录重量。
II.交联反应：
·将入PEG-NH/蛋白质混悬液，并且边混合边配制。
·摩尔比(NH：NHS)是基于在制造期间加入的PEG-NHS溶液和PEG-NH/蛋白质混悬液的重量(假定溶液/混悬液均匀)确定的。
·于室温下置于真空室或通风柜中，开盖，过夜，以允许溶剂蒸发。
结论
图2-6示出了独立因子对释放特性的影响的实例。
图7-8示出了利用重要的调配物参数来调节释放特性的实例。
图9示出了调节因子以抵消从平板到微粒的形状因子变化对释放动力学的影响的一个实例。微粒是经由研磨和筛分而生产的，并且是不均匀的。目标是减少爆发释放并实现45-56天的释放。
实例2。
本实例研究了三个因子对水凝胶释放特性的影响：NH：NHS摩尔比、PEG-NH的分子量和PEG-NHS的分子量。分子比应选择＞1.0且范围为1.3-1.8，以满足目标持续时间＜60天。研究中包含可商购的4臂PEG NH和NHS基团。摩尔比被视为连续因子，但PEG-NH或PEG-NHS的分子量被分类地对待。有关设计参数，参见表7。
表7.设计参数
Figure BDA0002965751710000301
在表7中，恒定参数：50％蛋白质装载(mAb IgG1)，60％固体装载和SA：V～23mm-1。
下表8示出了为生产预测模型而进行的不同运行。
表8.
Figure BDA0002965751710000302
Figure BDA0002965751710000311
图10示出了模型分析。能力＞0.95且AC＜6指示模型的强预测能力。
表9.示例性参数调节能力
PEG-NH MW(kDa) PEG-NHS MW(kDa) 摩尔比范围 释放范围(99％释放时间)
10 15 1.3-1.8 9-31天
40 20 1.3-1.8 22-44天
15 10 1.3-1.8 37-59天
如下表10中所示，四个选定点的模型的准确度＞99.8％。在本示例性调配物中，预测方程的整体准确度＞99.9％。模型中使用的所有调配物拟合的预测准确度(即，R平方)＞98％。
表10。预测模型与实验数据非常匹配
释放％ 时间(天数)制量 时间(天数)-预测 偏差(天数)
23.3 30.9 31.3 -0.4
51.5 42.0 41.7 -0.3
72.5 45.0 45.1 -0.1
99.7 49.0 49.0 0
表11总结了使用不同的摩尔比、PEGNH分子量和PEGNHS分子量以及恒定的蛋白质(IgG1 mAb1)、赋形剂装载和表面积：体积(SA：V)比实现＜60天的指定释放期的4臂XPEG调配物。
表11。
Figure BDA0002965751710000312
实例3。
表12示出，可以调节溶剂混合物的组合和比例以更改XPEG反应时间，以实现按比例放大的制造。反应时间诶定义为从最初混合溶剂/PEG溶液到水凝胶变成整体固体结构的时间。
表12.
Figure BDA0002965751710000321
等同
尽管已经结合上述特定实施例描述了本发明，但是对于本领域普通技术人员而言，其多个替代方案、修改和其它变型将是显而易见的。所有这些替代方案、修改和变型旨在落入本发明的精神和范围内。

Claims (59)

1.一种生产针对其中设置的生物制品具有期望的释放特性的水凝胶的方法，其中所述生物制品在被设置在所述水凝胶中之前处于固态调配物中，所述方法包括：
预先确定以下参数中的至少一个：
(a)第一前体中的亲核基团的数量；
(b)第二前体中的亲电子基团的数量；
(c)所述第一前体的分子量；
(d)所述第二前体的分子量；
(e)所述生物制品和赋形剂与所述水凝胶的重量比；
(f)所述生物制品在所述固态调配物中的重量百分比；和
(g)所述水凝胶的表面积/体积比；
单独或与未预先确定的上述参数中的任何一个或多个相组合地确定所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比，直到实现所期望的释放特性；和
在无水条件下以所确定的摩尔比在所述固态调配物周围交联所述第一前体和所述第二前体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比大于1。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比小于1。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比在约1.1到约2的范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物制品是重组蛋白。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述重组蛋白是抗体或Trap蛋白(具有诱骗受体结构域的融合蛋白)。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述亲核基团包括伯胺或伯硫醇。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述亲电子基团包括琥珀酰亚胺、琥珀酰亚胺酯、n-羟基琥珀酰亚胺、马来酰亚胺、琥珀酸酯、硝基苯基碳酸酯、醛、乙烯基砜、叠氮化物、酰肼、异氰酸酯、二异氰酸酯、甲苯磺酰基、三氟乙烷磺酰基或羰二咪唑。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一前体中的所述亲核基团的数量在约2到约10的范围内。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一前体中的所述亲核基团的数量为4或8。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二前体中的所述亲电子基团的数量在约2到约10的范围内。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二前体中的所述亲电子基团的数量为4或8。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一前体包括(氨基丙基)m聚氧乙烯，其中m在约2到约10的范围内。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一前体的分子量在约1kDa到约100kDa的范围内。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二前体包括(琥珀酰亚胺基氧戊二酰基)n聚氧乙烯，其中n在约2到约10的范围内。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二前体的分子量在约1kDa到约100kDa的范围内。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物制品与所述水凝胶的重量比在约10％到约90％之间。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物制品在所述固态调配物中的重量百分比在约30％到约95％之间。
19.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过选自由以下组成的群组的方法生产所述固态调配物：喷雾干燥、研磨、结晶、沉淀、喷雾冷冻、超临界流体干燥、电喷雾和微模板化。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述生产所述固态调配物的方法是喷雾干燥。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述固态调配物包括直径≤20μm的颗粒。
22.根据权利要求1所述的方法，其中对于至少90％生物制品释放，所期望的释放特性包括约两个月到六个月的释放期。
23.根据权利要求1所述的方法，其中对于至少90％生物制品释放，所期望的释放特性包括约一周到两个月的释放期。
24.根据权利要求1所述的方法，其中所期望的释放特性表现出所述生物制品在至少一周内的近线性释放。
25.根据权利要求1所述的方法，其中所期望的释放特性包括延迟释放部分、S形、线性部分、近线性部分、对数部分、指数部分或其组合。
26.根据权利要求1所述的方法，其中所述交联在无水且疏水的有机溶剂的存在下进行。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述有机溶剂是亚甲基氯、乙酸乙酯、碳酸二甲酯、氯仿或其组合。
28.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定步骤是利用预测模型进行的。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述摩尔比对所述预测模型中的释放特性具有连续影响。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述第一和第二前体的分子量对所述预测模型中的释放特性具有非连续影响。
31.一种生产其中设置有生物制品的水凝胶的方法，其中所述生物制品在被设置在所述水凝胶中之前处于固态调配物中，并且其中所述水凝胶的特征在于对于至少90％生物制品释放，期望的释放期为约一周到约六个月，所述方法包括：
选择包括两个或更多个亲核基团的第一前体，其中所述第一前体的分子量在约1kDa到约100kDa的范围内；
选择包括两个或更多个亲电子基团的第二前体，其中所述第二前体的分子量在约1kDa到约100kDa的范围内；
单独或相组合地确定以下参数中的至少一个，直到实现所期望的释放期：
(a)所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比；
(b)所述生物制品和赋形剂与所述水凝胶的重量比；
(c)所述生物制品在所述固态调配物中的重量百分比；和
(d)所述水凝胶的表面积/体积比；和
在无水条件下以所确定的摩尔比在所述固态调配物周围交联所述第一前体和所述第二前体。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比大于1。
33.根据权利要求31所述的方法，其中所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比小于1。
34.根据权利要求31所述的方法，其中所述亲核基团与所述亲电子基团的摩尔比在约1.1到约2的范围内。
35.根据权利要求31所述的方法，其中所述生物制品是重组蛋白。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述重组蛋白是抗体或Trap蛋白(具有诱骗受体结构域的融合蛋白)。
37.根据权利要求31所述的方法，其中所述亲核基团包括伯胺或伯硫醇。
38.根据权利要求31所述的方法，其中所述亲电子基团包括琥珀酰亚胺、琥珀酰亚胺酯、n-羟基琥珀酰亚胺、马来酰亚胺、琥珀酸酯、硝基苯基碳酸酯、醛、乙烯基砜、叠氮化物、酰肼、异氰酸酯、二异氰酸酯、甲苯磺酰基、三氟乙烷磺酰基或羰二咪唑。
39.根据权利要求31所述的方法，其中所述第一前体包括约2到约10个亲核基团。
40.根据权利要求31所述的方法，其中所述第一前体包括4或8个亲核基团。
41.根据权利要求31所述的方法，其中所述第二前体包括约2到约10个亲电子基团。
42.根据权利要求31所述的方法，其中所述第二前体包括4或8个亲电子基团。
43.根据权利要求31所述的方法，其中所述第一前体包括(氨基丙基)m聚氧乙烯，其中m在约2到约10的范围内。
44.根据权利要求31所述的方法，其中所述第二前体包括(琥珀酰亚胺基氧戊二酰基)n聚氧乙烯，其中n在约2到约10的范围内。
45.根据权利要求31所述的方法，其中所述生物制品与水凝胶的重量比在约10％到约90％之间。
46.根据权利要求31所述的方法，其中所述生物制品在所述固态调配物中的重量百分比在约30％到约95％之间。
47.根据权利要求31所述的方法，其进一步包括通过选自由以下组成的群组的方法生产所述固态调配物：喷雾干燥、研磨、结晶、沉淀、喷雾冷冻、超临界流体干燥、电喷雾和微模板化。
48.根据权利要求47所述的方法，其中所述生产所述固态调配物的方法是喷雾干燥。
49.根据权利要求47所述的方法，其中所述固态调配物包括直径≤20μm的颗粒。
50.根据权利要求31所述的方法，其中对于至少90％生物制品释放，所期望的释放期包括约两个月到六个月的释放期。
51.根据权利要求31所述的方法，其中对于至少90％生物制品释放，所期望的释放期包括约一周到两个月的释放期。
52.根据权利要求31所述的方法，其中在所期望的释放期期间，所述水凝胶产生所述生物制品的近线性释放。
53.根据权利要求31所述的方法，其中所期望的释放期包括延迟释放部分、S形、线性部分、近线性部分、对数部分、指数部分或其组合。
54.根据权利要求31所述的方法，其中所述交联在无水且疏水的有机溶剂的存在下进行。
55.根据权利要求54所述的方法，其中所述有机溶剂是亚甲基氯、乙酸乙酯、碳酸二甲酯、氯仿或其组合。
56.根据权利要求31所述的方法，其中所述确定步骤是利用预测模型进行的。
57.根据权利要求56所述的方法，其中所述摩尔比对所述预测模型中的释放期具有连续影响。
58.根据权利要求56所述的方法，其中所述第一和第二前体的分子量对所述预测模型中的释放期具有非连续影响。
59.一种水凝胶，其包括通过根据权利要求1到58中任一项所述的方法生产的生物制品。
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