DE69825618T2

DE69825618T2 - Biologisch-abbaubare anionische polymere, die sich von der aminosäure l-tyrosin herleiten

Info

Publication number: DE69825618T2
Application number: DE69825618T
Authority: DE
Inventors: B. Joachim KOHN; Durgadas Bolikal; L. George BRODE; I. Sylvie ERTEL; Shuiyun Guan; E. John KEMNITZER
Original assignee: Rutgers State University of New Jersey
Current assignee: Rutgers State University of New Jersey
Priority date: 1997-11-07
Filing date: 1998-11-07
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2018-11-08
Also published as: ATE273041T1; CA2484177A1; AU1391399A; CA2309278C; ATE403463T1; DE69839851D1; ATE454916T1; DE69825618D1; JP5421018B2; CA2309278A1; JP2001522899A; AU730549B2; EP1028774A1; EP1484080A1; EP1484080B1; JP2009299064A; EP1028774A4; US6120491A; ES2227895T3; EP1028774B1

Description

Diese Anmeldung basiert auf der provisorischen U. S. Patentanmeldung Nr. 60/064,656, angemeldet am 7. November 1997 von Joachim B. Kohn, Durgadas Bolikal, George L. Brode, Sylvie I. Eitel, Shuiyun Guan und John Kemnitzer unter dem Titel „Biologisch abbaubare anionische Polymere, die von der Aminosäure L-Tyrosin abgeleitet sind," deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Staatliche Lizenzrechte
Die U. S.-Regierung hält eine bezahlte Lizenz an dieser Erfindung sowie das Recht, unter gewissen Umständen vom Patentinhaber zu verlangen, Lizenzen an Dritte zu angemessenen Bedingungen zu vergeben, wie dies durch die Bedingungen der von den National Institutes of Health gewährten Förderungen Nr. GM-39455 und GM-49849 festgelegt ist.
Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft biologisch abbaubare anionische Polycarbonate und Polyarylate mit anhängenden Carbonsäureresten und Blockcopolymere davon mit Polyalkenoxiden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Spezies der vorstehend angeführten Polymere, die anhängende Carbonsäureesterreste aufweisen, und genauer, anhängende Benzylesterreste, und das selektive Entfernen solcher Benzylester durch Palladium(Pd)-katalysierte Hydrogenolyse der Benzylester, um anhängende Carbonsäurereste zu bilden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Polycarbonate, Polyarylate und Polyalkenoxid-Blockcopolymere davon, bei denen es sich um Homopolymere und Copolymere von von Tyrosin abgeleiteten Diphenol-Monomeren mit anhängenden Benzylcarboxylatresten handelt.
Diphenole sind monomere Ausgangsmaterialien für Polycarbonate, Polyiminocarbonate, Polyarylate, Polyurethane und dergleichen. Die U. S.-Patente Nr. 5,099,060 und 5,198,507, die sich im Allgemeineigentum befinden, offenbaren von Aminosäuren abgeleitete Diphenolverbindungen, die bei der Polymerisierung von Polycarbonaten und Polyiminocarbonaten nützlich sind. Die entstehenden Polymere sind als abbaubare Polymere im Allgemeinen, und im Besonderen als gewebeverträgliche bioerodierbare Materialien für medizinische Verwendungen nützlich. Die Eignung dieser Polymere für diese Endanwendung ist die Folge ihrer Polymerisierung aus Diphenolen, die von der natürlich vorkommenden Aminosäure L-Tyrosin abgeleitet sind. Die Offenbarungen der U. S.-Patente Nr. 5,099,060 und 5,198,507 sind hiermit durch Bezugnahme aufgenommen. Diese bereits bekannten Polymere sind starke, wasserunlösliche Materialien, die am Besten als strukturelle Implantate verwendet werden können.
Die gleichen monomeren, von L-Tyrosin abgeleiteten Diphenole wurden auch bei der Synthese von Polyarylaten verwendet, wie im U. S.-Patent Nr. 5,216,115, das sich im Allgemeineigentum befindet, beschrieben ist, sowie bei der Synthese von Polyalkenoxid-Blockcopolymeren mit den vorstehend erwähnten Polycarbonaten und Polyarylaten, wie im U. S.-Patent Nr. 5,658,995, das sich im Allgemeineigentum befindet, beschrieben ist. Die Offenbarungen der U. S.-Patente Nr. 5,216,115 und 5,658,995 sind hiermit ebenfalls durch Bezugnahme aufgenommen. Das U. S.-Patent Nr. 5,670,602 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Diphenolverbindungen, die bei der Herstellung von Polymeren mit Alkylestern verwendet werden können.
Die Polycarbonate, Polyarylate und Polyalkenoxid-Blockcopolymere davon können nicht mit herkömmlichen Verfahren in Lösung aus Monomeren mit freien Carbonsäureresten hergestellt werden. Daher muss man entfernbare Schutzgruppen selektiv einfügen, die nach dem Bilden des Polymers ohne wesentlichen Abbau des Polymergerüsts abgespalten werden können. Die Schutzgruppen werden benötigt, um eine Vernetzungsreaktion der sonst freien Carbonsäurereste (i) mit dem bei der Herstellung von Polycarbonaten verwendeten Phosgen und (ii) mit den bei der Herstellung von Polyarylaten verwendeten Carbodiimid-Reagenzien zu vermeiden.
Die entstandenen Polymere mit geschützten Carbonsäureresten sind wegen ihrer langsamen Abbaugeschwindigkeit und ihrer wesentlichen Hydrophobie in den Anwendungen beschränkt. Die freie Säureform der Polymere, bei der die Ester-Schutzgruppen von den anhängenden Carbonsäureresten der Diphenole entfernt worden sind, wären weniger hydrophob, und es wäre daher zu erwarten, dass sie etwas erhöhte Abbaugeschwindigkeiten aufweisen.
In Polycarbonaten, Polyarylaten und Polyalkenoxid-Blockcopolymeren davon, die aus von Tyrosin abgeleiteten Diphenol-Monomeren hergestellt sind, enthält das Polymergerüst Bindungen, die zum Abbauen in wässrigen Medien (sauer, neutral oder basisch) entworfen sind. Daher stellt das selektive Entfernen jeder Carbonsäureschutzgruppe eine Herausforderung dar. Bei Polyarylaten und Polyalkenoxid-Blockcopolymeren davon können die Esterschutzgruppen mit herkömmlichen Hydrolyseverfahren nicht ohne vollständigen Abbau des Polymergerüsts entfernt werden. Bei Polycarbonaten und Polyalkenoxid-Blockcopolymeren davon können die Esterschutzgruppen mit herkömmlichen Hydrolyseverfahren nicht ohne starken Abbau des Polymergerüsts entfernt werden. Da die Abspaltung der anhängenden Esterreste mit zunehmender Sperrigkeit der anhängenden Gruppe langsamer wird (bezogen auf die Spaltung des Polymergerüsts), wird eine herkömmliche Hydrolyse von anhängenden Methyl- und Ethylesterketten von einer dramatischen Abnahme des Molekulargewichts begleitet, während Versuche, sperrigere anhängende Esterketten durch entweder basische oder saure Hydrolyse von Polycarbonaten zu entfernen, zu vollständiger Zerstörung des Polymers und zur Gewinnung von nur oligomeren Spezies führen. Daher ist eine herkömmliche Hydrolyse von Polycarbonaten und Polyalkenoxid-Blockcopolymeren davon von sehr geringem Wert, wenn sie auf anhängende Methyl- oder Ethylesterketten angewendet wird, und ist völlig unbrauchbar zur Entfernung von sperrigeren anhängenden Ketten.
Es kann mehrfacher Bedarf am Einfügen von freien Carbonsäureresten in die vorstehend genannten Polymersysteme genannt werden. Erstens erlaubt die Anwesenheit von freien Carbonsäureresten auf Polymeroberflächen das Modifizieren der Oberflächeneigenschaften über das chemische Befestigen ausgewählter anhängender Ketten, das Befestigen von biologisch aktiven Molekülen oder das Befestigen von Arzneimitteleinheiten. Zweitens stellt die Anwesenheit von freien Carbonsäureresten selbst einen starken Regulator von Anhaftung, Wachstum und Wanderung von Zellen an bzw. auf Polymeroberflächen dar. Dies ist beim Entwerten von medizinischen Implantatmaterialien, die bei gewebstechnischen Anwendungen, bei denen eine genaue Regulierung von Anhaftung, Ausbreitung und Proliferation von Zellen ein Schlüssel zum Erfolg des gewebstechnischen Implantats darstellt, verwendet werden, von besonderer Bedeutung.
Es besteht Bedarf an abbaubaren, biologisch verträglichen Polymersystemen, deren Entwurf die zweckmäßige Bildung eines anhängenden Carbonsäurerests an jeder monomeren Wiederholungseinheit ohne wesentlichen Abbau des Polymergerüsts einschließt. Ein zweiter Bedarf besteht im Bedarf, die Geschwindigkeit des Polymerabbaus über kleine Änderungen der Polymerzusammensetzung zu regulieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Dieser mehrfache Bedarf wird durch die vorliegende Erfindung befriedigt. Es wurde jetzt gefunden, dass das Einfügen von anhängenden Carbonsäureresten in der Hauptmasse des Polymers zu einer dramatischen und bisher nicht bekannten beschleunigenden Wirkung auf die Geschwindigkeit von Abbau und Resorption des Polymergerüsts sowohl in vitro als auch in vivo führt. Daher ermöglicht es die vorliegende Erfindung, die Geschwindigkeit von Abbau und Resorption zu einem solchen erstaunlichen Maß zu modulieren, dass stabartige Vorrichtungen formuliert werden können, die in Zeiträumen von etwa 5 Stunden bis hin zu 3 Jahren nach der Implantation vollständig resorbiert werden – einfach durch Ändern des Prozentanteils von anhängenden Carbonsäureketten, die entlang des Polymergerüsts verfügbar sind.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, anhängende Carbonsäurereste auf der Polymeroberfläche ohne begleitende Spaltung des Polymergerüsts zu schaffen. Dies stellt einen wichtigen Unterschied im Vergleich zu herkömmlich verwendeten medizinischen Polymeren, wie Polymilchsäure, Polyglycolsäure, Polycaprolacton und anderen dar, bei denen das Polymergerüst gespalten werden muss (mit der damit verbundenen Verringerung von Molekulargewicht und physikalischer Festigkeit), um chemisch reaktive Bindungsstellen auf der Polymeroberfläche zu schaffen. Die vorliegende Erfindung verbessert daher wesentlich die Vielseitigkeit und Anwendbarkeit der vorstehend erwähnten Polymersysteme, insbesondere Polycarbonate, Polyarylate und die jeweiligen Polyalkenoxid-Copolymere davon.
Es wurde daher jetzt ein neues Verfahren zur Herstellung neuer Polymermaterialien entdeckt, bei dem der Ester von anhängenden Carbonsäureresten vom Polymergerüst selektiv entfernt wird. Die entstehenden Polymere enthalten anhängende Carbonsäurereste auf einigen oder allen ihren monomeren Wiederholungseinheiten. Die anhängenden Carbonsäurereste verleihen den Polymeren erhöhte Hydrophilie und führen zu unerwarteten nützlichen neuen Eigenschaften. Es wurden Polycarbonate, Polyarylate und Polyalkenoxid-Blockcopolymere davon mit anhängenden Carbonsäureresten hergestellt.
Insbesondere wurde jetzt entdeckt, dass Benzylester von anhängenden Polymer-Carbonsäureresten durch palladiumkatalysierte Hydrogenolyse in N,N-Dimethylformamid (DMF) oder ähnlichen Lösungsmitteln wie z. B. N,N-Dimethylacetamid (DMA) und N-Methylpyrrolidon (NMP) entfernt werden können, um anhängende Carbonsäurereste zu bilden. Obwohl diese Umsetzung im Stand der Technik zum Entfernen von Benzylestern von monomeren Verbindungen oder Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht gut bekannt ist, ist die vorliegende Anwendung dieses Wegs zum selektiven Entfernen von Benzylestergruppen von biologisch abbaubaren Polycarbonaten und Polyarylaten bisher nicht bekannt. Durch Verändern des molaren Verhältnisses von monomeren Wiederholungseinheiten mit anhängenden Benzylcarboxylatresten zu den monomeren Wiederholungseinheiten mit anderen Alkyl- oder Alkylarylcarboxylatresten in einem Polymer kann das molare Verhältnis von monomeren Wiederholungseinheiten mit anhängenden Carbonsäureresten in einem Polymer nach Ausführen des selektiven Entfernens der Benzylcarboxylatreste verändert werden.
Daher werden gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Polymere mit monomeren Wiederholungseinheiten, die in Formel 1 wie folgt definiert sind, bereitgestellt:
Formel I stellt eine Diphenoleinheit dar, wobei R₉ einen Alkyl-, Aryl- oder Alkylarylrest mit bis zu 18 Kohlenstoffatomen mit der speziellen Maßgabe, dass dieser Rest als Teil seiner Struktur einen Carbonsäurerest oder den Benzylester davon enthält, bedeutet. R₉ kann auch Nichtkohlenstoffatome wie Stickstoff und Sauerstoff enthalten. Insbesondere kann R₉ eine zu Derivaten der natürlichen Aminosäure Tyrosin, Zimtsäure oder 3-(4-Hydroxyphenyl)propionsäure verwandte Struktur aufweisen. In diesen Fällen nimmt R₉ die speziellen Strukturen, die in Formeln II bzw. III gezeigt sind, an.
Die Maßzahlen a und b in Formeln II und III können unabhängig null, eins oder zwei sein. R₂ bedeutet ein Wasserstoffatom oder eine Benzylgruppe.
Eine zweite Diphenoluntereinheit des Polymers ist in Formel IV definiert. Bei dieser zweiten Diphenoluntereinheit bedeutet R₁₂ einen Alkyl-, Aryl- oder Alkylarylrest, der mit einem Carbonsäureesterrest substituiert ist, wobei der Ester aus geradkettigen und verzweigten Alkyl- und Alkylarylestern mit bis zu 18 Kohlenstoffatomen und Esterderivaten biologisch und pharmazeutisch aktiver Verbindungen, die kovalent an das Polymer gebunden sind, ausgewählt ist, mit der Maßgabe, dass der Esterrest keine Benzylgruppe oder eine andere chemische Einheit, die durch Hydrogenolyse gespalten werden könnte, aufweist. R₁₂ kann auch Nichtkohlenstoffatome wie Stickstoff und Sauerstoff enthalten. Insbesondere kann R₁₂ eine zu Derivaten der natürlichen Aminosäure Tyrosin, Zimtsäure oder 3-(4-Hydroxyphenyl)propionsäure verwandte Struktur aufweisen.
Für Derivate von Tyrosin, 3-(4-Hydroxyphenyl)propionsäure und Zimtsäure nimmt R₁₂ die in Formeln V bzw. VI gezeigten speziellen Strukturen an:
Die Maßzahlen c und d können unabhängig null, eins oder zwei sein. R₁ ist aus geradkettigen und verzweigten Alkyl- und Alkylarylresten mit bis zu 18 Kohlenstoffatomen und Esterderivaten von biologisch aktiven Verbindungen, die an das Diphenol kovalent gebunden sind, ausgewählt, mit der Maßgabe, dass R₁ keine Benzylgruppe ist.
Einige Polymere gemäß der vorliegenden Erfindung können auch wie in Formel VII definierte Blöcke von Polyalkenoxid enthalten. In Formel VII bedeutet R₇ unabhängig ein Alkenrest mit bis zu 4 Kohlenstoffatomen, und k liegt zwischen etwa 5 und 3 000.
Eine verknüpfende Bindung, die als „A" bezeichnet ist, ist als entweder
definiert, wobei R₈ aus gesättigten und ungesättigten, substituierten und unsubstituierten Alkyl-, Aryl und Alkylarylresten mit bis zu 18 Kohlenstoffatomen ausgewählt ist. Polymere gemäß der vorliegenden Erfindung haben daher die Struktur von Formel VIII:
In Formel VIII bedeuten x und f die molaren Verhältnisse der verschiedenen Untereinheiten. X und f können im Bereich von null bis 0,99 liegen.
Selbstverständlich ist die Darstellung von Formel VIII schematisch, und die durch Formel VIII dargestellte Polymerstruktur ist ein echtes statistisches Copolymer, in dem die verschiedenen Untereinheiten entlang des Polymergerüsts in jeder zufälligen Abfolge vorkommen können. Formel VIII stellt eine allgemeine chemische Beschreibung von Polycarbonaten bereit, falls A folgendes
bedeutet, und von Polyarylaten, falls A folgendes
bedeutet. Ferner können mehrere beschränkende Fälle erkannt werden: falls x gleich null ist, enthält das Polymer nur anhängende Benzylesterketten, die nach Hydrogenolyse wie nachstehend beschrieben anhängende Carbonsäurereste an jeder Diphenol-Wiederholungseinheit bereitstellen. Falls x eine beliebige Zahl größer als null aber kleiner als eins ist, wird ein Copolymer erhalten, das ein definiertes Verhältnis von Benzylester-tragenden und Nichtbenzylester-tragenden anhängenden Resten enthält. Nach Hydrogenolyse wird ein Copolymer erhalten, das einen definierten Anteil von Carbonsäureresten als anhängende Ketten enthält.
Falls f gleich null ist, enthalten die Polymere keine Polyalkenoxidblöcke. Die Häufigkeit, mit der Polyalkenoxidblöcke im Polymergerüst vorkommen, nimmt mit zunehmendem Wert von f zu.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung der vorstehend definierten Polymere durch:
Herstellen einer Reaktionsmischung eines Polymers der Formel VIII, wobei R₉ einen anhängenden benzylgeschützten Carbonsäurerest aufweist, in einem wasserfreien Reaktionslösungsmittel, das im Wesentlichen aus einem oder mehreren Lösungsmitteln, die aus der Gruppe, bestehend aus DMF, DMA und NMP, ausgewählt sind, besteht;
und Kontaktieren der Reaktionsmischung mit einem Palladiumkatalysator in Gegenwart einer Wasserstoffquelle, so dass die Benzylestergruppen durch Hydrogenolyse selektiv entfernt werden, bereitgestellt.
Die Entfernung von Benzylgruppen durch Hydrogenolyse wurde bei der vorliegenden Erfindung an Polycarbonaten, Polyarylaten und Polyalkenoxid-Blockcopolymeren davon, wobei eine Benzylesterschutzgruppe vorhanden war, erfolgreich durchgeführt. Die Polymere können Homopolymere der ersten Wiederholungseinheit von Formel I sein, oder die Polymere können Copolymere der ersten Wiederholungseinheit von Formel I und einer zweiten Wiederholungseinheit mit einer Struktur der Formel IV sein. Die Polymere können auch Polyalkenoxidblöcke, die wie in Formel V definiert sind, enthalten, und die verknüpfende Bindung „A" kann
sein, wobei R₈ aus gesättigten und ungesättigten, substituierten und unsubstituierten Alkyl-, Aryl- und Alkylarylresten mit bis zu 18 Kohlenstoffatomen ausgewählt ist.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Entdeckung, dass reines DMF, DMA oder NMP als das Reaktionslösungsmittel notwendig ist. Es war ein überraschendes und unerwartetes Ergebnis, dass in Methylenchlorid, Methanol oder in Lösungsmittelmischungen, die verschiedene Anteile von Methylenchlorid, Methanol und DMF enthielten, keine Umsetzung beobachtbar war. Ein weiteres unerwartetes Ergebnis war, dass das Reaktionsmedium wasserfrei sein muss, und dass die Lösungsmittel getrocknet sein müssen, um eine vollständige Entfernung aller Benzylestergruppen bei der Hydrogenolysereaktion zu gewährleisten. Bei bevorzugten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Palladiumkatalysator um Palladium auf Bariumsulfat. Dieser Katalysator ist rückgewinnbar und wiederverwendbar, was die Kosten der Hydrogenolyse dramatisch senkt.
Bevorzugte Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden auch 1,4-Cyclohexadien, ein Transferhydrogenolysereagens, in Verbindung mit Wasserstoffgas als Wasserstoffquelle. Es wurde unerwartet entdeckt, dass die Hydrogenolyse bei Umgebungsdruck durch Aussetzen der Reaktionsmischung gegenüber einer Kombination von 1,4-Cyclohexadien und Wasserstoffgas dramatisch beschleunigt werden kann. Wenn gewünscht, kann die Umsetzung bei hohem Druck in einem PARR-Hydrogenolysegerät durchgeführt werden. Unter Hochdruckbedingungen wird die Zugabe von 1,4-Cyclohexadien nicht benötigt, um die vollständige Entfernung aller Benzylestergruppen von den Polymeren zu gewährleisten.
Die Benzylcarboxylat-Polycarbonat-Homopolymere und -Copolymere der vorliegenden Erfindung sind neue und nicht-offensichtliche Zwischenverbindungen mit Verwendbarkeit bei der Herstellung von Polycarbonaten mit anhängenden Carbonsäureresten. Die Benzylcarboxylat-Polyarylat-Homopolymere und -Copolymere der vorliegenden Erfindung sind gleichfalls neue und nicht-offensichtliche Zwischenverbindungen mit Verwendbarkeit bei der Herstellung von Polyarylaten mit anhängenden Carbonsäureresten.
Die Polymere der vorliegenden Erfindung mit anhängenden Carbonsäureresten entsprechen den Erfordernissen für verarbeitbare, biologisch verträgliche, biologisch abbaubare Polymere. Die vorliegende Erfindung umfasst daher auch implantierbare medizinische Vorrichtungen, die die Polymere der vorliegenden Erfindung mit anhängenden Carbonsäureresten enthalten. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Polymere mit einer Menge einer biologisch oder pharmazeutisch aktiven Verbindung kombiniert, die zur wirksamen ortsspezifischen oder systemischen Verabreichung eines Arzneimittels ausreicht, wie von Gutowska et al., J. Biomater. Res., 29, 811-21 (1995) und Hoffman, J. Controlled Release, 6, 297-305 (1987) beschrieben. Die biologisch oder pharmazeutisch aktive Verbindung kann physikalisch zugemischt, oder in der Polymermatrix eingebettet oder dispergiert sein. Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt das Polymer in Form eines Films oder einer Beschichtung vor, die auf verletztes Gewebe zur Verwendung als Barriere zur Vermeidung von Wundverklebungen aufgebracht wird, wie von Urry et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 292, 253-64(1993) beschrieben.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zur ortsspezifischen oder systemischen Verabreichung von Medikamenten durch Implantieren einer implantierbaren Medikamentenverabreichungsvorrichtung, die eine therapeutisch wirksame Menge einer biologisch oder pharmazeutisch aktiven Verbindung in Kombination mit einem Polymer der vorliegenden Erfindung umfasst, in den Körper eines Patienten mit Bedarf bereit. Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Vermeiden der Bildung von Verklebungen zwischen verletzten Geweben durch Einführen eines Films oder einer Beschichtung eines Polymers der vorliegenden Erfindung als Barriere zwischen den verletzten Geweben bereit.
Wie vorstehend angemerkt, können Derivate von biologisch und pharmazeutisch aktiven Verbindungen, einschließlich Arzneimitteln, an das Polymergerüst durch kovalente Bindungen, die mit der anhängenden Carbonsäurekette verbunden sind, befestigt werden. Dies stellt die Depotfreisetzung der biologisch oder pharmazeutisch aktiven Verbindung durch Hydrolyse der kovalenten Bindung zwischen dem Wirkstoff und dem Polymergerüst bereit.
Außerdem versehen die anhängenden Carbonsäurereste der Polymere bei der vorliegenden Erfindung die Polymere mit einer vom pH-Wert abhängenden Auflösungsgeschwindigkeit. Dies ermöglicht ferner die Verwendung der Polymere als Beschichtungen in gastrointestinalen Medikamentenabgabeträgern, um gewisse biologisch und pharmazeutisch aktive Verbindungen wie Arzneimittel vor der Zersetzung in der sauren Magenumgebung zu schützen. Die Copolymere der vorliegenden Erfindung mit einer vergleichsweise hohen Konzentration von anhängenden Carbonsäureresten sind in sauren Umgebungen stabil und wasserunlöslich, lösen bzw. zersetzen sich aber rasch, wenn sie neutralen oder basischen Umgebungen ausgesetzt sind. Copolymere mit niedrigen Verhältnissen von Säure zu Ester sind dagegen stärker hydrophob und zersetzten sich bzw. resorbieren weder in basischen noch in sauren Umgebungen rasch. Daher stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein gesteuertes System zur Medikamentenverabreichung bereit, bei dem ein biologisch oder pharmazeutisch aktiver Wirkstoff mit einem Polymer der vorliegenden Erfindung beschichtet ist.
Die Polymere, die aus Tyrosin-abgeleiteten Diphenolverbindungen mit anhängenden Carbonsäureresten hergestellt sind, sind stärker hydrophil. Daher werden Polymere der vorliegenden Erfindung mit Carbonsäureresten unter physiologischen Bedingungen leichter resorbierbar sein als die bisher bekannten Polycarbonate und Polyarylate. Die Polymere der vorliegenden Erfindung weisen, da sie stärker hydrophil sind, eine höhere Wasseraufnahme auf, und wenn die monomeren Untereinheiten mit Carbonsäureresten vorherrschen, sind sie besser in wässrigen Medien löslich. Wenn die monomeren Wiederholungseinheiten mit anhängenden Carbonsäureresten nicht vorherrschen, können sich die Polymere in wässrigen Medien mit langsamerer Zersetzung langsam lösen. Die Auflösungs- bzw. Zerfallsgeschwindigkeiten hängen stark vom pH-Wert ab.
Wie vorstehend angemerkt, können die anhängenden Carbonsäurereste der Polymere der vorliegenden Erfindung auf die Anhaftung, das Wachstum und die Wanderung von Zellen auf den Polymeroberflächen regulierend wirken. Daher wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Regulieren von Zellanhaftung, Zellwanderung und Zellproliferation auf einem Polymersubstrat durch Kontaktieren von lebenden Zellen, Geweben oder biologischen Flüssigkeiten, die lebende Zellen enthalten, mit den Polymeren der vorliegenden Erfindung mit anhängenden Carbonsäureresten bereitgestellt. Der Grad der Copolymerisation, d. h. das Verhältnis von anhängenden Carbonsäureresten zu anhängenden Esterresten, kann verringert werden, um Polymere bereitzustellen, die Zellanhaftung, Zellwanderung und Zellproliferation fördern, ebenso wie Polymere, die Anhaftung, Wanderung und Proliferation hemmen.
Eine vollständigere Wertschätzung der Erfindung und vieler anderer beabsichtigter Vorteile kann leicht durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und Ansprüche erhalten werden, welche die Prinzipien der Erfindung und die besten Ausführungsformen, die gegenwärtig für ihre Ausführung betrachtet werden, offenbart.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 stellt die prozentuale Masseerhaltung von Poly(0,5 DT-0,5 DTE-carbonat)-
, Poly(DT-carbonat)-
und Poly(DTE-carbonat)-
Polymerzusammensetzungen in vitro unter physiologischen Bedingungen über die Zeit dar.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung stellt Polycarbonate und Polyarylate, ebenso wie Polyalkenoxid-Blockpolymere davon mit anhängenden Carbonsäureresten an einigen oder allen ihren monomeren Untereinheiten bereit. Die Polymere mit anhängenden Carbonsäureresten werden durch Hydrogenolyse von polymeren Ausgangsmaterialien mit entsprechenden anhängenden Benzylcarboxylatresten hergestellt. Die polymeren Benzylcarboxylat-Ausgangsmaterialien werden aus Diphenolverbindungen mit anhängenden Benzylester-geschützten Carbonsäureresten, allein oder in Kombination mit Diphenolverbindungen mit anderen Ester-geschützten Carbonsäureresten, hergestellt. Insbesondere haben die Benzylcarboxylat-Diphenole die Struktur der Formel Ia:
wobei R₉ das Gleiche bedeutet, wie vorstehend mit Bezug auf Formel I beschrieben, aber auf die Spezies beschränkt ist, die einen Benzylester-geschützten Carbonsäurerest als Teil ihrer Struktur enthält. Die Benzylcarboxylat-Diphenole haben vorzugsweise die Struktur von Formel Ia, wobei R₉ die Struktur von Formel II oder Formel III bedeutet, wobei R₂ eine Benzylgruppe bedeutet. Unter den bevorzugten Diphenolen befinden sich Verbindungen, bei denen R₉ die Struktur der Formel II bedeutet, wobei a und b unabhängig den Wert eins oder zwei haben. Am meisten bevorzugt hat a den Wert zwei und b den Wert eins. Diese am stärksten bevorzugten Verbindungen sind Tyrosin-Dipetid-Analoga, die als Desaminotyrosyl-tyrosin-alkyl- oder alkylaryl-ester bekannt sind. Bei dieser bevorzugten Gruppe können die Diphenole als Derivate von Tyrosyl-tyrosin-Dipeptiden, von denen die N-terminale Aminogruppe entfernt worden ist, betrachtet werden.
Diphenolverbindungen mit anderen Ester-geschützten Carbonsäureresten haben die Struktur der Formel IVa:
wobei R₁₂ das Gleiche bedeutet, wie vorstehend mit Bezug auf Formel IV beschrieben. R₁₂ bedeutet vorzugsweise die Struktur von Formel V oder Formel VI. Stärker bevorzugt bedeutet R₁₂ die Struktur von Formel V, wobei c und d vorzugsweise unabhängig die Werte eins oder zwei haben. Am meisten bevorzugt hat c den Wert zwei und d den Wert eins.
Verfahren zum Herstellen der Diphenolmonomere sind in den U. S.-Patenten Nr. 5,587,507 und Nr. 5,670,602, die sich im Allgemeineigentum befinden, offenbart, deren beider Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme aufgenommen sind. Die bevorzugten Desaminotyrosyl-tyrosin-ester sind die Ethyl-, Butyl-, Hexyl-, Octyl- und Benzylester. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird Desaminotyrosyl-tyrosin-ethylester als DTE bezeichnet, Desaminotyrosyl-tyrosin-benzylester wird als DTBn bezeichnet, und dergleichen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird die freie Säure Desaminotyrosyl-tyrosin als DT bezeichnet.
Die Polymere der vorliegenden Erfindung können Homopolymere, von denen jede monomere Untereinheit einen anhängenden Carbonsäurerest aufweist, sein, die durch die Hydrogenolyse von entsprechenden Benzylcarboxylat-Homopolymeren hergestellt sind. Copolymere von Diphenolmonomeren mit anhängenden Carbonsäureesterresten und Diphenolmonomeren mit anhängenden Carbonsäureresten können ebenfalls durch die Hydrogenolyse von entsprechenden Copolymeren von Benzylestermonomeren und Monomeren mit anderen anhängenden Estern als Benzylcarboxylaten in die Polymergerüststruktur eingefügt sein.
Daher werden beispielsweise Poly(DT-carbonate) durch die Hydrogenolyse von Poly(DTBn-carbonaten) hergestellt, Poly(DT-DTE-carbonat)-Copolymere werden durch die Hydrogenolyse von Poly(DTBn-DTE-carbonat)-Copolymeren hergestellt, und so weiter. Man kann daher die molaren Verhältnisse der monomeren Untereinheiten mit anhängenden Alkyl- und Alkylarylesterresten und den monomeren Untereinheiten mit anhängenden Carbonsäureresten in Polymeren variieren.
Polymere gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen Homopolymere einer Wiederholungseinheit mit einem anhängenden Carbonsäurerest. Solche Homopolymere haben Strukturen der Formel VIII, wobei x und f beide null sind und R₉ das Gleiche bedeutet, wie vorstehend mit Bezug auf Formel I beschrieben, mit der Maßgabe, dass es auf Spezies mit anhängenden Carbonsäureresten beschränkt ist. Die Homopolymere werden durch die Hydrogenolyse von entsprechenden Homopolymeren mit der Struktur von Formel VIII, wobei x und f beide null sind und R₉ das Gleiche bedeutet, wie vorstehend mit Bezug auf Formel I beschrieben, mit der Maßgabe, dass es auf Spezies mit anhängenden Benzylcarboxylatresten beschränkt ist, hergestellt.
Polymere gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen auch Copolymere mit anhängenden Carbonsäureresten der Struktur von Formel VIII, wobei f gleich null ist, x eine Zahl größer als null, aber kleiner als eins ist, R₁₂ das Gleiche bedeutet, wie vorstehend mit Bezug auf Formel IV beschrieben, und R₉ das Gleiche bedeutet, wie vorstehend mit Bezug auf Formel I beschrieben, mit der Maßgabe, dass es auf Spezies mit anhängenden Carbonsäureresten beschränkt ist. Bei Copolymeren gemäß der vorliegenden Erfindung liegt x vorzugsweise zwischen etwa 0,50 und etwa 0,90, und stärker bevorzugt zwischen etwa 0,60 und 0,80.
Copolymere mit anhängenden Carbonsäureresten werden durch die Hydrogenolyse von entsprechenden Copolymeren der Struktur von Formel VIII, wobei f gleich null ist, x eine Zahl größer als null, aber kleiner als eins ist, R₁₂ das Gleiche bedeutet, wie vorstehend mit Bezug auf Formel IV beschrieben, und R₉ das Gleiche bedeutet, wie vorstehend mit Bezug auf Formel I beschrieben, mit der Maßgabe, dass es auf Spezies mit anhängenden Benzylcarboxylatresten beschränkt ist. Bei bevorzugten Copolymeren gemäß der vorliegenden Erfindung weist R₉ die Struktur entweder von Formel II oder von Formel III auf, und R₁₂ weist die Struktur entweder von Formel V oder von Formel VI auf, wobei R₁, R₂, a, b, c und d das Gleiche bedeuten, wie vorstehend mit Bezug auf die Formeln II, III, V und VI beschrieben.
Bei stärker bevorzugten Copolymeren weist R₉ die Struktur von Formel II auf und R₁₂ weist die Struktur von Formel V auf, wobei a, b, c und d unabhängig eins oder zwei sind. Am meisten bevorzugt sind a und c gleich zwei und b und d sind gleich eins.
Wenn A in Formel VIII folgendes ist:
dann sind die Polymere der vorliegenden Erfindung Polycarbonate. Die Polycarbonat-Homopolymer- und -Copolymer-Ausgangsmaterialien mit anhängenden Benzylcarboxylatresten können mit dem Verfahren hergestellt werden, das im U. S.-Patent Nr. 5,099,060 und in der U. S.-Patentanmeldung Nr. 08/884,108, eingereicht am 27. Juni 1997, deren beider Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, beschrieben wird. Bei dem beschriebenen Verfahren handelt es sich im Wesentlichen um das herkömmliche Verfahren zum Polymerisieren von Diphenolen zu Polycarbonaten. Geeignete Verfahren, damit verbundene Katalysatoren und Lösungsmittel sind im Stand der Technik bekannt und werden von Schnell, Chemistry and Physics of Polycarbonates, (Interscience, New York 1964), gelehrt, dessen Lehren hiermit durch Bezugnahme aufgenommen sind.
Polycarbonat-Homopolymere und -Copolymere gemäß der vorliegenden Erfindung mit anhängenden Carbonsäureresten und die Polycarbonate mit anhängenden Benzylcarboxylatresten, aus denen sie hergestellt werden, haben gewichtsgemittelte Molekulargewichte im Bereich von etwa 20 000 bis etwa 400 000 Dalton, vorzugsweise etwa 100 000 Dalton, wie durch Gelpermeationschromatographie (GPC) gegen Polystyrol-Standards ohne weitere Korrektur gemessen ist.
Wenn A in Formel VIII folgendes ist:
dann sind die Polymere der vorliegenden Erfindung Polyarylate. Die Polyarylat-Homopolymer- und -Copolymer-Ausgangsmaterialien mit anhängenden Benzylcarboxylatresten können mit dem Verfahren hergestellt werden, das im U. S.-Patent Nr. 5,216,115 beschrieben ist, in dem Diphenolverbindungen mit aliphatischen oder aromatischen Dicarboxylatsalzen in einer Carbodiimid-vermittelten direkten Polyesterbildung unter Verwendung von 4-(Dimethylamino)pyridin-p-toluolsulfonat (DPTS) als Katalysator umgesetzt werden, um aliphatische oder aromatische Polyarylate zu bilden. Die Offenbarung dieses Patents ist hiermit ebenfalls durch Bezugnahme aufgenommen. Es soll angemerkt werden, dass R₈ nicht mit funktionellen Gruppen substituiert sein sollte, die mit den Dicarbonsäuren reagieren.
Dicarbonsäuren, aus denen die Polyarylat-Ausgangsmaterialien der vorliegenden Erfindung polymerisiert werden können, haben die Struktur von Formel IX:
wobei für aliphatische Polyarylate R₈ aus gesättigten und ungesättigten, substituierten und unsubstituierten Alkylresten mit bis zu 18 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise von 4 bis 12 Kohlenstoffatomen, ausgewählt ist. Für aromatische Polyarylate ist R₈ aus Aryl- und Alkylarylresten mit bis zu 18 Kohlenstoffatomen, aber vorzugsweise von 8 bis 14 Kohlenstoffatomen, ausgewählt. Wiederum sollte R₈ nicht mit funktionellen Gruppen substituiert sein, die mit den Diphenolen reagieren.
R₈ ist noch stärker bevorzugt so ausgewählt, dass es sich bei den Dicarbonsäuren, aus denen die Polyarylat-Ausgangsmaterialien polymerisiert werden, entweder um wichtige natürlich vorkommende Stoffwechselprodukte oder um biologisch hochverträgliche Verbindungen handelt. Bevorzugte aliphatische Dicarbonsäuren umfassen daher die intermediären Dicarbonsäuren des zellulären Atmungswegs, der als Krebs-Zyklus bekannt ist. Diese Dicarbonsäuren umfassen α-Ketoglutarsäure, Bernsteinsäure, Fumarsäure, Maleinsäure und Oxalessigsäure. Andere bevorzugte biologisch verträgliche aliphatische Dicarbonsäuren umfassen Sebacinsäure, Adipinsäure, Oxalsäure, Malonsäure, Glutarsäure, Pimelinsäure, Suberinsäure und Azelainsäure. Unter den bevorzugten aromatischen Dicarbonsäuren sind Terephthalsäure, Isophthalsäure und Bis(p-carboxyphenoxy)alkane wie z. B. Bis(p-carboxyphenoxy)propan. Anders ausgedrückt: R₈ ist stärker bevorzugt eine Einheit, die ausgewählt ist aus: -CH₂-C(=O)-, -CH₂-CH₂-C(=O)-, -CH=CH- und (-CH₂)_z, wobei z eine ganze Zahl zwischen einschließlich zwei und acht bedeutet.
Polyarylat-Homopolymere und -Copolymere gemäß der vorliegenden Erfindung mit anhängenden Carbonsäureresten und die entsprechenden Polyarylate mit anhängenden Benzylcarboxylatresten, aus denen sie hergestellt werden, haben gewichtsgemittelte Molekulargewichte zwischen etwa 20 000 und etwa 400 000 Dalton, vorzugsweise etwa 100 000 Dalton, wie durch GPC gegen Polystyrol-Standards ohne weitere Korrektur gemessen ist.
Polycarbonate und Polyarylate gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen auch statistische Blockcopolymere mit einem Polyalkenoxid mit anhängenden Carbonsäureresten mit der Struktur von Formel VIII, wobei f größer als null, aber kleiner als eins ist, R₁₂ das Gleiche bedeutet, wie vorstehend mit Bezug auf Formel IV beschrieben, k und R₇ das Gleiche bedeuten, wie vorstehend mit Bezug auf Formel VII beschrieben, und R₉ das Gleiche bedeutet, wie vorstehend mit Bezug auf Formel I beschrieben, mit der Maßgabe, dass es auf Spezies mit anhängenden Carbonsäureresten beschränkt ist. Der Wert von x ist kleiner als eins, aber x kann größer als null sein oder auch nicht.
Der molare Anteil von Alkenoxid im Blockcopolymer, f, liegt zwischen etwa 0,01 und 0,99. Die Blockcopolymere mit anhängenden Carbonsäureresten werden durch Hydrogenolyse von entsprechenden Blockcopolymeren mit der Struktur von Formel VIII hergestellt, wobei x größer als null, aber kleiner als eins ist, R₁₂ das Gleiche bedeutet, wie vorstehend mit Bezug auf Formel IV beschrieben, k und R₇ das Gleiche bedeuten, wie vorstehend mit Bezug auf Formel VII beschrieben, und R₉ das Gleiche bedeutet, wie vorstehend mit Bezug auf Formel I beschrieben, mit der Maßgabe, dass es auf Spezies mit anhängenden Benzylcarboxylatresten beschränkt ist. Wiederum ist der Wert von x kleiner als eins, kann aber größer als null sein oder auch nicht.
Für bevorzugte polymere Ausgangsmaterialien und die entstehenden freie-Säure-Blockcopolymere bedeutet R₇ Ethylen, k liegt zwischen etwa 20 und etwa 200, und der molare Anteil von Alkenoxid im Blockcopolymer, f, liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 0,05 und etwa 0,75. R₇ kann auch zwei oder mehrere verschiedene Alkenreste in einem Polymer darstellen.
Die Blockcopolymere der vorliegenden Erfindung mit anhängenden Benzylcarboxylatresten können mit dem Verfahren hergestellt werden, das im U. S.-Patent Nr. 5,658,995 offenbart ist, dessen Offenbarung hiermit ebenfalls durch Bezugnahme aufgenommen ist. Für Blockcopolymere der vorliegenden Erfindung mit entweder anhängenden Carbonsäureresten oder anhängenden Benzylcarboxylatresten, bei denen x größer als null ist, wird das molare Verhältnis von Alkenoxid und Blockcopolymer, f, zwischen etwa 0,01 und 0,99 liegen.
Die Blockcopolymere gemäß der vorliegenden Erfindung mit anhängenden Carbonsäureresten und die Blockcopolymere mit anhängenden Benzylcarboxylatresten, aus denen sie hergestellt werden, haben gewichtsgemittelte Molekulargewichte zwischen etwa 20 000 und etwa 400 000 Dalton, vorzugsweise etwa 100 000 Dalton. Die anzahlgemittelten Molekulargewichte der Blockcopolymere liegen vorzugsweise über etwa 50 000 Dalton. Molekulargewichtbestimmungen wurden mit GPC gegen Polystyrol-Standards ohne weitere Korrektur gemessen.
Bei den Copolymeren der vorliegenden Erfindung mit der Struktur von Formel VIII, wobei x größer als null ist, kann der anhängende Carbonsäureesterrest von R₁₂ ein Esterderivat einer biologisch oder pharmazeutisch aktiven Verbindung, die an das Polycarbonat- oder Polyarylat-Copolymer kovalent gebunden ist, sein. Die kovalente Bindung erfolgt durch eine Amidbindung, falls in der underivatisierten biologisch oder pharmazeutisch aktiven Verbindung ein primäres oder sekundäres Amin an der Position der Amidbindung im Derivat vorhanden ist. Die kovalente Bindung erfolgt durch einer Esterbindung, falls in der underivatisierten biologisch oder pharmazeutisch aktiven Verbindung eine primäre Hydroxylgruppe an der Position der Esterbindung im Derivat vorhanden ist. Die biologisch oder pharmazeutisch aktiven Verbindungen können auch an einer Keton-, Aldehyd- oder Carbonsäuregruppe mit einer Verknüpfungseinheit derivatisiert sein, die an das Copolymer oder das Diphenol mittels einer Amid- oder Esterbindung kovalent gebunden wird.
In der Literatur sind chemische Verfahren zum Befestigen von verschiedenen Arzneimitteln und Liganden an polymergebundene freie Carbonsäurereste ausführlich beschrieben worden. Siehe beispielsweise Nathan et al., Bio. Cong. Chem., 4, 54-62 (1993). Die Offenbarung dieser Veröffentlichung ist hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
Beispiele von biologisch oder pharmazeutisch aktiven Verbindungen, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen Aciclovir, Cephradin, Malphalen, Procain, Ephedrin, Adriamycin, Daunomycin, Plumbagin, Atropin, Chinin, Digoxin, Chinidin, biologisch aktive Peptide, Chlorin e₆, Cephradin, Cephalothin, cis-Hydroxy-L-prolin, Melphalan, Penicillin V, Aspirin, Nicotinsäure, Chemodesoxycholsäure, Chlorambucil und dergleichen. Die Verbindungen werden an das Polycarbonat- oder Polyarylat-Copolymer mit Verfahren, die dem Fachmann wohlbekannt sind, kovalent gebunden. Verbindungen zur Arzneimittelverabreichung können auch durch physikalisches Mischen der zu verabreichenden biologisch oder pharmazeutisch aktiven Verbindung mit den Polymeren der vorliegenden Erfindung mit anhängenden Carbonsäureresten unter Verwendung von herkömmlichen Verfahren, die dem Fachmann wohlbekannt sind, gebildet werden.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden biologisch aktive Verbindungen so definiert, dass sie auch verbrückende Einheiten umfassen, wie z. B. Moleküle mit Doppelbindungen (z. B. Acrylsäurederivate), die an die anhängenden Carbonsäurereste zur Vernetzung befestigt werden können, um die Festigkeit der Polymere zu erhöhen. Biologisch aktive Verbindungen für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden zusätzlich so definiert, dass sie Zellanhaftungsvermittler, biologisch aktive Liganden und dergleichen umfassen.
Wie vorstehend angemerkt, enthalten die Polymere der vorliegenden Erfindung anhängende Carbonsäurereste an ausgewählten Wiederholungseinheiten. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden Homopolymere (Formel VII, x = 0) so definiert, dass sie an jeder Diphenoluntereinheit einen anhängenden Carbonsäurerest enthalten. Diese Homopolymere können Polycarbonate oder Polyarylate sein und können Polyalkenoxidblöcke enthalten. Die Homopolymere werden am Besten als neue, abbaubare Polyanionen beschrieben, die eine Anzahl von pharmakologischen und biologischen Wirkungen aufweisen können. Gleichermaßen werden für die Zwecke der vorliegenden Erfindung Copolymere (Formel VII, 0 < x < 1) so definiert, dass sie an einigen Diphenoluntereinheiten einen anhängenden Carbonsäurerest enthalten. Diese Copolymere können Polycarbonate oder Polyarylate sein und können Polyalkenoxidblöcke enthalten.
In Bezug auf Verarbeitbarkeit neigen Homopolymere (wie vorstehend definiert) dazu, aufgrund starker Wasserstoffbrückenbindung innerhalb der Ketten und zwischen den Ketten sehr hohe Glasübergangstemperaturen aufzuweisen. Homopolymere sind wegen der hohen Dichte von freien Carbonsäureresten, die vorhanden sind, in Wasser löslich und weisen ein vom pH-Wert abhängendes Löslichkeitsprofil auf. Ihre Löslichkeit ist in leicht sauren Medien wesentlich verringert. Homopolymere sind auch in üblicherweise verwendeten organischen Lösungsmitteln wie Mischungen von Methylenchlorid und Methanol löslich. Wegen ihrer Löslichkeit sowohl in Wasser als auch in organischen Medien können sie der Lösungsmittel-Gießtechnologie verarbeitet werden und sind gute Filmbildner. Homopolymere können auch mit Salzextraktionsverfahren in poröse Schäume verarbeitet werden, wie von Freed et al., J. Biomed. Mater. Res., 27,11-23 (1993) beschrieben wurde, so fern die wässrigen Extraktionsschritte in leicht sauren Medien (pH-Wert 4-5) durchgeführt werden, so dass sich die Homopolymere nicht lösen. Homopolymere können auch mit Phasentrennungsverfahren in poröse Schäume verarbeitet werden, wie von Schugens et al., J. Biomed. Meter. Res., 30, 449-462 (1996) beschrieben wurde, sofern eine gesättigte Natriumchloridlösung als das „nicht-Lösungsmittel" anstelle von Wasser verwendet wird. Die Offenbarung dieser Veröffentlichung wird hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
Die vorstehend definierten Copolymere können von etwa 1 bis zu etwa 99 Molprozent monomere Untereinheiten mit anhängenden Carbonsäureresten enthalten. Ihre Eigenschaften werden vom molaren Anteil der vorhandenen freien Carbonsäurereste stark beeinflusst. Copolymere mit weniger als 20 Molprozent an monomeren Wiederholungsuntereinheiten mit anhängenden Carbonsäureresten sind durch Pressen und Extrusion verarbeitbar. Als allgemeine Regel sind Copolymere mit weniger als 20 Molprozent an monomeren Wiederholungsuntereinheiten mit anhängenden Carbonsäureresten in Wasser nicht löslich.
Für Copolymere mit mehr als 20 Molprozent an monomeren Untereinheiten mit anhängenden Carbonsäureresten wurde bei herkömmlichem Pressen und Extrudieren bei erhöhten Temperaturen eine gewisse thermische Zersetzung beobachtet. Copolymere mit mehr als 20 Molprozent an monomeren Untereinheiten mit anhängenden Carbonsäureresten neigen dazu, bei Aussetzung gegenüber wässrigen Medien erhöhtes Quellen zu zeigen (wegen der Aufnahme von Wasser), und wenn mehr als etwa 50 Molprozent an monomeren Untereinheiten freie Carbonsäurereste tragen, neigen die Copolymere dazu, wasserlöslich zu werden, und ihr Verhalten wird dem Verhalten der entsprechenden Homopolymere ähnlich, die sich in Phosphatpuffer mit einem pH-Wert von 7,4 in einer Menge von etwa 2 mg/ml lösen.
Unabhängig von der Menge der Carbonsäurereste sind alle Copolymere der vorliegenden Erfindung gut filmbildende Materialien. Copolymere mit weniger als etwa 70 Molprozent an monomeren Untereinheiten mit anhängenden Carbonsäureresten können mit Salzextraktionsverfahren, wie von Freed et al., J. Biomed. Mater. Res., 27,11-23 (1993) beschrieben wurde, oder mit Phasentrennungsverfahren, wie von Schugens et al., J. Biomed. Meter. Res., 30, 449-462 (1996) beschrieben wurde, in poröse Schäume verarbeitet werden. Die Offenbarungen dieser Veröffentlichungen sind hiermit durch Bezugnahme aufgenommen. Copolymere mit mehr als etwa 70 Molprozent an monomeren Untereinheiten mit anhängenden Carbonsäureresten neigen dazu, wasserlöslich zu sein, und müssen wie für die entsprechenden Homopolymere beschrieben in poröse Schäume verarbeitet werden.
Es wurde jetzt gefunden, dass die freien Carbonsäurereste eine tiefgehende Wirkung auf die Geschwindigkeiten des Abbaus und der Resorption der Polymere der vorliegenden Erfindung haben. Dies ermöglicht es, Abbau und Resorption der Polymere der vorliegenden Erfindung durch Regulieren des molaren Anteils der freien Carbonsäurereste (wie mit Bezug auf Formel VIII definiert) genau abzustimmen. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber den im Stand der Technik bekannten Polycarbonaten und Polyarylaten dar, die keine anhängenden freien Carbonsäurereste aufweisen, und deren Abbau/Resorptions-Geschwindigkeiten nicht einfach durch geringe Veränderungen der Polymerstruktur verändert werden könnten. Die Wirkung der freien Carbonsäurereste auf Abbau und Resorption kann sehr dramatisch sein, wie am Beispiel eines Polycarbonats gezeigt wird: Poly(DTE-carbonat) ist ein durch Formel VIII definiertes Polymer, wobei x gleich eins ist, f gleich null ist, und R₁₂ durch Formel V definiert ist, wobei c gleich zwei ist, d gleich eins ist, und R₁ gleich CH₂-CH₃ ist. Es wurde bereits früher gefunden, dass dieses Polymer keinerlei Masse verliert, wenn es mehr als 18 Monate in Phosphatpufferlösung unter physiologischen Bedingungen gelagert wird. Wenn jedoch etwa 20 Molprozent der R₁-Reste durch freie Carbonsäurereste ersetzt werden, weisen dünne Filme des entsprechenden Copolymers bereits nach 20 Wochen unter gleichen Lagerungsbedingungen einen wesentlichen Masseverlust auf. Wenn etwa 50 Prozent der R₁-Reste durch freie Carbonsäurereste ersetzt werden, bauen sich dünne Filme des entsprechenden Copolymers innerhalb von etwa einer Woche vollständig ab bzw. lösen sich auf.
Die Zusammensetzung der Polymere der vorliegenden Erfindung kann auch verwendet werden, um die Wechselwirkung mit Zellen zu beeinflussen. Wenn die Polycarbonate oder Polyarylate der vorliegenden Erfindung kein Polyalkenoxid enthalten (f = 0 in Formel VIII), können sie stärker anhaftende Wachstumssubstrate für Zellkulturen darstellen als die estergeschützten Polymere im Stand der Technik. Es wurde entdeckt, dass die negative Ladung der freien Carbonsäurereste, die an den Polymeroberflächen vorhanden sind, die Anhaftung und das Wachstum von Fibroblasten aus Rattenlunge verbessert und die spezifischen Wechselwirkungen mit Proteinen, Peptiden und Zellen erleichtern kann. Die Polymere sind daher als Gerüstimplantate zum Gewebewiederaufbau nützlich. Die Polymeroberflächen können auch durch einfache chemische Protokolle zum Befestigen von spezifischen Peptiden modifiziert werden, insbesondere den wichtigen Peptiden, die Variationen der „RGD"-Integrinbindungssequenz enthalten, von der bekannt ist, dass sie Zellanhaftung tiefgehend beeinflusst. Die Fähigkeit, Peptide und Proteine über die freien Carbonsäurereste auf die Polymeroberfläche zu immobilisieren, um selektive Zellantworten hervorzurufen, wird daher von großer Bedeutung bei gewebsbildenden Anwendungen und dem Implantatentwurf sein. Die notwendigen chemischen Verfahren zum Befestigen von Liganden an polymergebundenen Carbonsäureresten sind im Stand der Technik wohlbekannt und wurden u. A. von Nathan et al., Bioconi. Chem., 4, 54-62 (1993) beschrieben. Die Offenbarung dieser Veröffentlichung ist hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
Andererseits verringert der Einbau von Polyalkenoxidblöcken das Haftvermögen der Polymeroberflächen. Polymere, für die f gemäß Formel VIII größer als 5 Molprozent ist, widerstehen der Zellanhaftung und können als nicht-thrombogene Beschichtungen auf Oberflächen, die mit Blut in Kontakt sind, nützlich sein. Diese Polymere widerstehen auch bakterieller Anhaftung.
Die Polymere der vorliegenden Erfindung mit anhängenden Carbonsäureresten können durch palladiumkatalysierte Hydrogenolyse von entsprechenden Polymeren mit anhängenden Benzylcarboxylatresten hergestellt werden. Im Wesentlichen ist jeder Hydrogenolysekatalysator auf Palladiumbasis zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet. Palladium auf Bariumsulfat wird bevorzugt, da gefunden wurde, dass es der am leichtesten vom Polymer zu trennende ist. Dies stellt nicht nur ein Polymer hoher Reinheit bereit, es ermöglicht auch das effiziente Wiedergewinnen dieses kostspieligen Katalysators.
Ein Anteil von Palladium auf Bariumsulfat zwischen etwa 5 und etwa 10 Gewichtsprozent wird bevorzugt. Niedrigere Anteile verlängern entweder die Reaktionszeit oder sie verringern die Ausbeute, und höhere Anteile bedeuten eine unnötige Ausgabe.
Die Verwendung von Dimethylformamid als das Reaktionslösungsmittel ist entscheidend. Das polymere Ausgangsmaterial mit anhängenden Benzylcarboxylatresten sollte in Dimethylformamid mit einer Lösungskonzentration (Gew./Vol.-%) zwischen etwa 5 und etwa 50 Prozent gelöst werden, vorzugsweise zwischen etwa 10 und etwa 20 Prozent.
Das Polymer wird gerührt, bis eine klare Lösung erhalten ist. Dann wird der Palladiumkatalysator zugegeben, und danach wird die Reaktionsmischung mit der Wasserstoffquelle versorgt.
Die einzusetzende Menge an Palladiumkatalysator ist jene Menge, die wirksam ist, um die Hydrogenolysereaktion zu katalysieren. Das absolute Masseverhältnis von elementarem Palladium und dem Polymer ist weniger wichtig als die Oberflächenaktivität des elementaren Palladiums. Die zu verwendende Menge einer Katalysatorzubereitung wird von der spezifischen katalytischen Aktivität der Zubereitung abhängen, und diese kann von einem Fachmann ohne unangemessenen Versuchsaufwand bestimmt werden.
Bei einer Zubereitung, die etwa 5 Gewichtsprozent Palladium auf Bariumsulfat enthält, sollte zwischen etwa 15 und etwa 30 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 25 Gewichtsprozent, der Zubereitung, bezogen auf das polymere Ausgangsmaterial, verwendet werden. Wenn die Katalysatorzubereitung rückgeführt wird, werden höhere Anteile der Zubereitung benötigt, da bei der Wiederverwendung des Katalysators das Palladium langsam deaktiviert wird, und die verwendete Menge muss so eingestellt werden, dass die angegebene katalytische Aktivität aufrechterhalten bleibt. Die Zunahmen der Katalysatoranteile, die zum Ausgleichen der Abnahme an katalytischer Aktivität notwendig sind, können jedoch ebenfalls von einem Fachmann ohne unangemessenen Versuchsaufwand bestimmt werden.
Im Wesentlichen ist jede Wasserstoffquelle zur palladiumkatalysierten Hydrogenolyse zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet. Beispielweise kann die Reaktionsmischung mit einer Decke aus Wasserstoffgas versorgt werden. Alternativ kann ein Transferhydrogenolysereagens, wie 1,4-Cyclohexadien, verwendet werden. Die Verwendung eines Transferhydrogenolysereagens in Kombination mit einer Wasserstoffgasdecke wird bevorzugt. Es wurde gefunden, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit dramatisch beschleunigt, wenn beide Wasserstoffquellen zusammen verwendet wurden.
Wenn das Transferhydrogenolysereagens als Wasserstoffquelle verwendet wird, sollte ein stöchiometrischer Überschuss, bezogen auf das polymere Ausgangsmaterial, verwendet werden. Mit 1,4-Cyclohexadien bedeutet dies einen Überschuss von bis zu etwa 50 Gewichtsprozent, vorzugsweise einen Überschuss von etwa 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das polymere Ausgangsmaterial.
Die Hydrogenolysereaktion kann auch unter Wasserstoffgasdruck in einem PARR-Hydrogenolysegerät durchgeführt werden. Unter diesen Bedingungen erfolgt die Entfernung von anhängenden Benzylesterketten besonders rasch, und es ist nicht notwendig, ein Transferhydrogenolysereagens zuzugeben. Unabhängig von der genauen Weise der Reaktionsführung ist es wichtig, wasserfreie Bedingungen streng aufrechtzuerhalten.
Das Fortschreiten der Umsetzung kann durch Beobachten der Entfernung der Benzylester vom polymeren Ausgangsmaterial in Reaktionsstichproben mit NMR-Spektroskopie gemessen werden. Wenn die Umsetzung zum Abschluss gekommen ist (etwa 24 bis 48 Stunden), wird das Polymer durch Abfiltrieren des festen Palladiumkatalysators isoliert, und das Filtrat wird zu Wasser zugegeben, um das Polymer auszufällen. Das Polymer kann durch Lösen in 9:1 Methylenchlorid-Methanol (etwa 10 Gewichtsprozent bis 20 Gewichtsprozent) und durch Wiederausfällen in Ether gereinigt werden. Das polymere Produkt kann dann bis zu konstantem Gewicht unter Hochvakuum getrocknet werden.
Die Polymere der vorliegenden Erfindung mit anhängenden Carbonsäureresten sind nicht auf die mit Hydrogenolyse hergestellten Polymere beschränkt. Jedes andere Verfahren, das die selektive Entfernung einer anhängenden Benzylestergruppe ermöglicht, ist zur Verwendung bei der Herstellung der Polymere der vorliegenden Erfindung geeignet. Beispielsweise kann lodtrimethylsilan verwendet werden, um anhängende Methylesterketten in Gegenwart von anhängenden Ethylesterketten selektiv zu entfernen. Das Hydrogenolyseverfahren der vorliegenden Erfindung ist jedoch bevorzugt, da es eine höhere Reaktionsausbeute liefert.
Die Polymere der vorliegenden Erfindung können in Gebieten, in denen sowohl feste Materialien als auch in Lösungsmittel lösliche Materialien häufig verwendet werden, Anwendung finden. Solche Anwendungen umfassen polymere Gerüste in gewebsbildenden Anwendungen und medizinischen Implantatanwendungen, umfassend die Verwendung von Polycarbonaten und Polyarylaten der vorliegenden Erfindung zum Bilden von geformten Gegenständen wie z. B. Gefäßtransplantaten und -stents, Knochenplatten, Nahtmaterial, implantierbaren Sensoren, Barrieren zum Vermeiden von Wundverklebung, implantierbaren Arzneimittelverabreichungsvorrichtungen, Gerüsten zur Gewebewiederherstellung, und anderen therapeutischen Arzneimittelgegenständen, die sich innerhalb eines bekannten Zeitraums unbedenklich zersetzen.
Es können polymere Medikamentenverabreichungssysteme hergestellt werden, in denen ein biologisch oder pharmazeutisch aktiver Wirkstoff in einer polymeren Matrix physikalisch eingebettet oder dispergiert ist oder einem Polycarbonat oder Polyarylat der vorliegenden Erfindung physikalisch zugemischt ist. Da die Polymere der vorliegenden Erfindung eine vom pH-Wert abhängende Auflösungsgeschwindigkeit aufweisen, sind sie als Medikamentenbeschichtungen zur gastrointestinalen Freisetzung nützlich, um einige Arzneimittel vor der Zersetzung in der sauren Umgebung des Magens zu schützen, da die Polymere in sauren Umgebungen stabil und wasserunlöslich sind, während sie sich schnell lösen und zersetzten, wenn sie gegenüber neutralen oder basischen Umgebungen ausgesetzt sind.
Die folgenden nichtbeschränkenden Beispiele, die nachfolgend dargelegt sind, veranschaulichen gewisse Ausführungsformen der Erfindung. Alle Anteile und Prozentanteile werden in Molprozent angegeben, sofern nicht anders angemerkt, und alle Temperaturen werden in Grad Celsius angegeben. Poly(DTBn-DTE-carbonate) wurden gemäß dem im U. S. Patent Nr. 5,099,060 offenbarten Verfahren hergestellt. Der 5-Prozent Palladium auf Bariumsulfat Katalysator, 1,4-Cyclohexadien und Thionylchlorid wurden von Acros Organics, einer Abteilung der Fisher Scientific Company, erhalten. Polyethylenglycol 2000 (PEG 2000) wurde von der Aldrich Chemical Company erhalten. Tyrosinbenzylester und sein p-Toluolsulfonsäuresalz wurde von der Sigma Chemical Company erhalten. Alle Lösungsmittel waren vom HPLC-Grad. Alle anderen Reagenzien waren vom analytischen Grad und wurden wie erhalten verwendet.
Beispiele
In den Beispielen werden folgende Verfahren zur Charakterisierung der Produkte verwendet.
Spektroskopie
¹H-NMR-Spektren und ¹³C-NMR-Spektren wurden bei 199,98 MHz bzw. 49,99 MHz mit einem Varian Gemini 200 Gerät in 5 mm Röhrchen bei 10 Prozent (Gew./Vol.) in deuterierten Lösungsmitteln aufgezeichnet. Chemische Verschiebungen sind in ppm angegeben.
Molekulargewichte
Molekulargewichte wurden durch GPC mit einem Chromatographiesystem, das aus einer Perkin-Elmer Model 410 Pumpe, einem Waters Model 410 Refraktionsindexdetektor und einer Perkin-Elmer Model 2600 computerisierten Datenstation bestand, bestimmt. Zwei PL-Gel GPC-Säulen (10⁵ bzw. 10³ Angström Porengröße, 30 cm Länge) wurden bei einer Durchflussgeschwindigkeit von 1ml/min Tetrahydrofuran (THF) in Reihe betrieben. Polymerlösungen (5 mg/ml) wurden hergestellt, filtriert (0,45 Mikron Membranfilter), und vor der Injektion 30 Minuten äquilibriert. Das injizierte Volumen betrug 25 Mikroliter. Molekulargewichte wurden gegen Polystyrol-Standards (Polymer Laboratories, Inc.) ohne weitere Korrekturen berechnet.
Thermische Analyse
Die Bestimmung der Produktreinheit stand auf der Grundlage der Schmelzpunkterniedrigung, die mit einem Indium-kalibrierten TA Instruments 910 Differenzscanningkalorimeter (DSC) gemessen wurde. Zur Bestimmung der Schmelztemperatur wurde eine 2,0 mg-Probe einem einzelnen Lauf mit einer Aufwärmgeschwindigkeit von 1 °C/min über einen Temperaturbereich von 60 °C unterworfen.
Atomabsorption
Die Restpegel der Katalysatorzubereitung wurden durch Atomabsorption durch Quantitative Technologies Inc. gemessen.
Folgende Tabelle definiert die Abkürzungen, die für die durch die nachstehenden Beispiele veranschaulichten Diphenole verwendet werden:

Desaminotyrosyl-tyrosin freie Säure DT

Desaminotyrosyl-tyrosin-ethylester DTE

Desaminotyrosyl-tyrosin-benzylester DTBn
Beispiel 1
Hydrogenolyse von Poly(DTBn₅₀-DTE₅₀-carbonat)
Herstellung
15 g Poly(DTBn-DTE-carbonat), das DTBn und DTE in einem Verhältnis von 1:1 enthielt, wurde in einen 500 ml-Rundkolben gegeben. Dann wurden 150 ml trockenes DMF zu dem Kolben zugegeben und die Mischung wurde gerührt, bis eine klare Lösung erhalten war. Zu dieser Lösung wurden 3,5 g 5-% Pd auf BaSO₄ Katalysator und 7 ml 1,4-Cyclohexadien (Wasserstoffdonator) zugegeben. Die Mischung wurde bei Raumtemperatur gerührt. Ein mit Wasserstoffgas gefüllter Gummiballon wurde unter Verwendung eines Gaseinlassadapters an der Öffnung des Kolbens befestigt. Der Ballon wurde wie benötigt mit Wasserstoff nachgefüllt. Nach etwa 40 Stunden Rühren wurde eine 0,5 ml-Probe entnommen, zentrifugiert, und dann durch Zugabe von Wasser unter Rühren ausgefällt. Das Präzipitat wurde getrocknet und mit ¹H-NMR analysiert, was eine vollständige Umwandlung der Benzylgruppen zu freier Säure zeigte. Die Umsetzung wurde beendet und die Reaktionsmischung wurde zentrifugiert. Der Überstand wurde unter Verwendung eines 0,45-μm Spritzenfilters in mehreren Teilen filtriert. (Ein Kieselgurbett auf einem Fritteglastrichter kann ebenfalls zum Filtrieren verwendet werden.) Es wurde ein klares, schwachgelbes Filtrat erhalten. Das Filtrat wurde unter Bewegung mit einem mechanischen Rührer zu 1,5 l entionisiertem Wasser zugegeben. (Ein Hochgeschwindigkeitsmischer kann ebenfalls zur Fällung verwendet werden, um fein getrennte Teilchen zu erhalten.) Das gefällte Produkt wurde durch Filtrieren isoliert und mit 750 ml Wasser in einem Hochgeschwindigkeitsmischer gewaschen. Das Produkt wurde in einem Stickstoffstrom 16 h getrocknet und dann zwei Tage in einem Vakuumofen getrocknet. Zur weiteren Reinigung wurde das Produkt in 150 ml 9:1 Methylenchlorid-Methanol gelöst und mit 1,5 l Ether ausgefällt, und dann wie vorstehend getrocknet.
Die Hydrogenierung kann auch in einem PARR-Hydrogenierer bei hohen Wasserstoffdrucken (60 psi) durchgeführt werden. Wenn ein Hydrogenierer bei hohen Wasserstoffdrucken verwendet wird, ist der Wasserstofftransferdonator, 1,4-Cyclohexadien, nicht notwendig.
Strukturnachweis
Das ¹H-NMR Spektrum des Produkts in DMSO-d₆ zeigte die folgenden Resonanzen (δ, ppm bezogen auf TMS): 8,40 (br s, 1H, NH von DTE), 8,25 (br s, 1H, NH von DT), 7,15-7,35 (m, 8H, aromatische H-Atome), 4,50 (m, 1H, CH von Tyrosin), 4,03 (q, 1H, CH₂-CH₃), 2,20-3,20 (m, 6H, CH₂ von DAT und Tyrosin), 1,11 (t, 1,5H, CH₂-CH₃). Ferner ist ein Multiplett, das in Poly(DTBn-DTE-carbonat) bei 5,1 ppm für Benzyl-H-Atome beobachtet wird, vollständig abwesend, was eine vollständige Entfernung der Benzyl-Schutzgruppe anzeigt. Die gleich hohen Intensitäten der beiden NH-Signale zeigen, dass DT und DTE in gleichen Konzentrationen vorliegen. Das Verhältnis der Wasserstoffe von Tyrosin-CH zu den Wasserstoffen von CH₂-CH₃ zeigt, dass eine Ethylestergruppe pro zwei Monomeruntereinheiten vorhanden ist. Diese Spektraldaten zeigen, dass das Polymer DT und DTE in einem Verhältnis von 1:1 enthält, und die Benzylgruppe vollständig entfernt ist.
Charakterisierung
Das Molekulargewicht des Produkts wurde mit GPC unter Verwendung von THF als mobile Phase bestimmt. Ein M_w von 74 kDa und ein M_n von 47 kDa wurden erhalten. Der Tg-Wert des Polymers wurde mit DSC zu 114 °C bestimmt und die Zerfallstemperatur (für 10 Prozent Zerfall) betrug 309 °C.
Atomabsorptionsmessungen zeigten eine Pd-Konzentration von 39 ppm und eine Bariumkonzentration unterhalb der Nachweisgrenze (10 ppm).
Beispiel 2
Hydrogenolyse von Poly(DTBn_0,05-DTE_0,95-carbonat)
Herstellung
Die Hydrogenolyse einer 15-Gramm Probe Poly(DTBn-DTE-carbonat), das DTBn und DTE in einem Verhältnis von 1:19 enthielt und ein M_w von 286 kDa und ein M_n von 116 kDa aufwies, wurde wie in Beispiel 1 durchgeführt.
Strukturnachweis
Das ¹H-NMR Spektrum des Produkts in DMSO-d₆ zeigte die folgenden Resonanzen (δ, ppm bezogen auf TMS): 8,40 (br s, 0,95H, NH von DTE), 8,25 (br s, 0,05H, NH von DT), 7,15-7,35 (m, 8H, aromatische H-Atome), 4,71 (m, 1H, CH von Tyrosin), 4,03 (q, 1,9H, CH₂-CH₃), 2,1-3,3 (m, 6H, CH₂ von DAT und Tyrosin), 1,11 (t, 2,85H, CH₂-CH₃). Ferner ist ein Multiplett, das in Poly(DTBn-DTE-carbonat) bei 5,1 ppm für Benzyl-H-Atome beobachtet wird, vollständig abwesend, was eine vollständige Entfernung der Benzyl-Schutzgruppen anzeigt. Das Verhältnis von 1:19 des DT-NH-Signals zum DTE-NH-Signal zeigt, dass das Polymer aus 5 % DT und 95 % DTE besteht. Das Verhältnis der CH-Gruppe zur Ethylestergruppe zeigt, dass neunzehn Ethylestergruppen pro zwanzig Monomeruntereinheiten vorhanden sind. Diese Spektraldaten zeigen, dass das Polymer DT und DTE in einem Verhältnis von 1:19 enthält, und die Benzylgruppe vollständig entfernt ist.
Charakterisierung
Das Molekulargewicht des Produkts wurde mit GPC unter Verwendung von THF als mobile Phase bestimmt. Ein M_w von 125 kDa und ein M_n von 55 kDa wurden erhalten. Der T₉-Wert des Polymers wurde mit DSC zu 96 °C bestimmt und die Zerfallstemperatur (für 10 Prozent Zerfall) betrug 334 °C.
Beispiel 3
Hydrogenolyse von Poly(DTBn_0,10-DTE_0,90-carbonat)
Herstellung
Die Hydrogenolyse einer 15-Gramm Probe Poly(DTBn-DTE-carbonat), das DTBn und DTE in einem Verhältnis von 1:9 enthielt und ein M_w von 183 kDa und ein M_n von 84 kDa aufwies, wurde wie in Beispiel 1 durchgeführt.
Strukturnachweis
Das ¹H-NMR Spektrum des Produkts in DMSO-d₆ zeigte die folgenden Resonanzen (δ, ppm bezogen auf TMS): 8,40 (br s, 0,9H, NH von DTE), 8,25 (br s, 0,1H, NH von DT), 7,15-7,35 (m, 8H, aromatische H-Atome), 4,50 (m, 1H, CH von Tyrosin), 4,03 (q, 1,8H, CH₂-CH₃), 2,1-3,3 (m, 6H,CH₂ von DAT und Tyrosin), 1,11 (t, 2,7H, CH₂-CH₃). Ferner ist ein Multiplett, das in Poly(DTBn-DTE-carbonat) bei 5,1 ppm für Benzyl-N-Atome beobachtet wird, vollständig abwesend, was eine vollständige Entfernung der Benzyl-Schutzgruppen anzeigt. Das Verhältnis von 1:9 des DT-NH-Signals zum DTE-NH-Signal der Estergruppe zeigt, dass neun Ethylestergruppen pro zehn Monomeruntereinheiten vorhanden sind. Diese Spektraldaten zeigen, dass das Polymer DT und DTE in einem Verhältnis von 1:9 enthält, und die Benzylgruppe vollständig entfernt ist.
Charakterisierung
Das Molekulargewicht des Produkts wurde mit GPC unter Verwendung von THF als mobile Phase bestimmt. Ein M_w von 100 kDa und ein M_n von 46 kDa wurden erhalten. Der Tg-Wert des Polymers wurde mit DSC zu 98 °C bestimmt und die Zerfallstemperatur (für 10 Prozent Zerfall) betrug 330 °C.
Beispiel 4
Hydrogenolyse von Poly(DTBn_0,25-DTE_0,75-carbonat)
Herstellung
Die Hydrogenolyse einer 15-Gramm Probe Poly(DTBn-DTE-carbonat), das DTBn und DTE in einem Verhältnis von 1:3 enthielt und ein M_w von 197 kDa und ein M_n von 90 kDa aufwies, wurde wie in Beispiel 1 durchgeführt.
Strukturnachweis
Das ¹H-NMR Spektrum des Produkts in DMSO-d₆ zeigte die folgenden Resonanzen (δ, ppm bezogen auf TMS): 8,40 (br s, 0,75H, NH von DTE), 8,25 (br s, 0,25H, NH von DT), 7,15-7,35 (m, 8H, aromatische H-Atome), 4,50 (m, 1H, CH von Tyrosin), 4,03 (q, 1,5H, CH₂-CH₃), 2,1-3,3 (m, 6H,CH₂ von DAT und Tyrosin), 1,11 (t, 2,25H, CH₂-CH₃). Ferner ist ein Multiplett, das in Poly(DTBn-DTE-carbonat) bei 5,1 ppm für Benzyl-H-Atome beobachtet wird, vollständig abwesend, was eine vollständige Entfernung der Benzyl-Schutzgruppen anzeigt. Das Verhältnis von 1:3 des DT-NH-Signals zum DTE-NH-Signal zeigt, dass das Polymer aus 25 % DT und 75 % DTE besteht. Das Verhältnis der CH-Gruppe zur Ethylestergruppe zeigt, dass drei Ethylestergruppen pro vier Monomeruntereinheiten vorhanden sind. Diese Spektraldaten zeigen, dass das Polymer DT und DTE in einem Verhältnis von 1:3 enthält, und die Benzylgruppe vollständig entfernt ist.
Charakterisierung
Das Molekulargewicht des Produkts wurde mit GPC unter Verwendung von THF als mobile Phase bestimmt. Ein M_w von 115 kDa und ein M_n von 57 kDa wurden erhalten. Der Tg-Wert des Polymers wurde mit DSC zu 106 °C bestimmt und die Zerfallstemperatur (für 10 Prozent Zerfall) betrug 309 °C.
Beispiel 5
Poly(DT-DTE-carbonat)-Copolymere mit DT-Gehalten von 20 Prozent, 40 Prozent, 60 Prozent und 100 Prozent wurden ebenfalls hergestellt. Es wurden Lösungsmittelguss-Filme hergestellt, und pH-abhängige Auflösungs- und Abbauuntersuchungen wurden durchgeführt. Poly(100 % DT-carbonat) wurde als stabil und unlöslich in saurer Pufferlösung mit einem pH-Wert < 5 gefunden. 25 bis 30 mg Polymerfilm lösten sich jedoch innerhalb einiger Stunden in 10 ml PBS mit einem pH-Wert von 7,4 bei 37 °C. Der Abbau des gelösten Polymers wurde mit wässriger GPC unter Verwendung eines UV-Detektors bei 220 nm verfolgt. Es wurde beobachtet, dass sich das Polymer ohne wesentlichen Abbau löste. Als die Polymerlösung in Puffer bei 37 °C inkubiert wurde, baute sich das Polymer rasch ab.
Die Lösungs- und Abbaugeschwindigkeiten der Copolymere nahmen mit abnehmendem DT-Gehalt ab. Das Copolymer mit 60 Prozent DT-Gehalt löste sich in PBS mit einem pH-Wert von 7,4 innerhalb eines Tages. Das Copolymer mit 40 Prozent DT-Gehalt löste sich in PBA mit einem pH-Wert von 7,4 innerhalb von zwei Tagen. Das Copolymer mit 20 Prozent DT-Gehalt war in PBS mit einem pH-Wert von 7,4 bei 37 °C nicht löslich.
Beispiel 6
Hydrogenolyse von Poly(DTBn-Adipat)
Herstellung
21 g Poly(DTBn-adipat) mit einem M_w von 76,8 kDa und einem M_n von 43,7 kDa wurde in eine 500 ml-Druckflasche gegeben. Dann wurden 200 ml trockenes DMF zu der Flasche zugegeben und die Mischung wurde gerührt, bis eine klare Lösung erhalten war. Zu dieser Lösung wurden 4 g 5-% Pd auf BaSO₄-Katalysator zugegeben. Die Druckflasche wurde an dem PARR-Hydrogenierer befestigt, und die Luft in der Flasche wurde durch abwechselndes Unterdrucksetzen mit Wasserstoff und anschließendes Drucklosmachen durch Wasserstoff ersetzt. Die Flasche wurde bei einem Wasserstoffdruck von 60 psi gehalten und dann 24 h Schütteln unterworfen. Ein Aliquot wurde entnommen und nach geeigneter Behandlung mit ¹H-NMR untersucht, die vollständige Entfernung der Benzylgruppe zeigte. Die Umsetzung wurde beendet und die Reaktionsmischung wurde zentrifugiert. Der Überstand wurde unter Verwendung eines Kieselgurbetts auf einem Sinterglastrichter filtriert. Das Filtrat wurde zu 2,0 l gekühltem entionisiertem Wasser in einem Hochgeschwindigkeitsmischer zugegeben. Das gefällte Produkt wurde durch Filtrieren isoliert und mit 2,0 l Wasser gewaschen. Das Produkt wurde in einem Stickstoffstrom 16 h getrocknet und dann zwei Tage in einem Vakuumofen getrocknet.
Strukturnachweis
Das ¹H-NMR Spektrum des Produkts in DMSO-d₆ zeigte die folgenden Resonanzen (δ, ppm bezogen auf TMS): 8,26 (br s, 0,95H, NH), 7,00-7,09(m, 8H, aromatische H-Atome), 4,71 (m, 1H, CH von Tyrosin, 2,2-3,3 (m, 10H,CH₂ von DAT, Tyrosin und CH₂-CO-), 1,74 (t, 4H, CH₂-CH₂ von Adipat). Ferner ist ein Multiplett, das in Poly(DTBn-Adipat) bei 5,1 ppm für Benzyl-H-Atome beobachtet wird, vollständig abwesend, was eine vollständige Entfernung der Benzyl-Schutzgruppen anzeigt. Ferner waren die Amid-NH-Signale in Poly(DTBn-Adipat) von 8,45 ppm zu 8,26 ppm verschoben. Die Phenylresonanz der Benzylgruppe bei 7,35 ppm war im Produkt ebenfalls nicht vorhanden. Es wurden keine weiteren Änderungen im Spektrum beobachtet.
Charakterisierung
Das Molekulargewicht des Produkts wurde mit GPC unter Verwendung von THF als mobile Phase bestimmt. Ein M_w von 36,2 kDa und ein M_n von 25,4 kDa wurden erhalten. Der Tg-Wert des Polymers wurde mit DSC zu 106 °C bestimmt und die Zerfallstemperatur (für 10 Prozent Zerfall) betrug 334 °C.
Beispiel 7
Die unerwartete Beschleunigung des Polymerabbaus durch das Vorhandensein von freien Carbonsäureresten
Poly(DTE-carbonat) ist ein festes, extrem hydrophobes Polymer, das weniger als 3 Gew.-% Wasser absorbiert, und das keinen messbaren Masseverlust durch Resorption unter physiologischen Bedingungen zeigt. Durch Einbau von Monomereinheiten mit freien Carbonsäureresten ändern sich diese Materialeigenschaften in einem unerwarteten Mass. 1 zeigt, dass, wenn x gleich 0,5 ist, f gleich null ist, und A gleich C=O ist (wie in Formel VIII definiert), das Copolymer innerhalb von 100 Stunden bei physiologischen Bedingungen in vitro (phosphatgepufferte Lösung, pH-Wert 7,4, 37 °C) vollständig resorbiert (sich löst), und wenn x gleich null ist, f gleich null ist, und A gleich C=O ist (wie in Formel VIII definiert), das freie-Säure-Homopolycarbonat innerhalb von etwa 7 Stunden bei physiologischen Bedingungen in vitro vollständig resorbiert.
Die Polymere mit freien Carbonsäureresten können entweder durch Pressen oder durch Lösungsmittelguss in Filme gegossen werden, und können durch Salzextraktionsverfahren oder durch Phasentrennungsverfahren in Schwämme verarbeitet werden. Die Homopolymere (x = 0, f = 0 und A=C=O, wie in Formel VIII definiert) lösen sich in Phosphatpuffer mit einem pH-Wert von 7,4 in einem Maß von 2 mg/ml. Bei der Untersuchung mit wässriger GPC unter Verwendung von UV-Detektion bei 200 nm wurde beobachtet, dass sich das Polymer ohne wesentlichen Abbau des Polymergerüsts löste. Einmal in Lösung, trat jedoch Abbau des Polymergerüsts zu Oligomeren mit niedrigem Molekulargewicht und schließlich zu Monomeren auf. Nach 70 Stunden Inkubation nahm das häufigste Molekulargewicht von 40 000 g/mol auf 4 000 g/mol ab, und etwa 10 % des Probengewichts bestand aus Monomer. Für Poly(DT_0,5-DTE_0,5-carbonat) ist die Löslichkeit auf 0,2 mg/ml wesentlich verringert. Auch eine Probe dieses Polymers resorbierte jedoch im Wesentlichen durch Auflösen ohne wesentlichen Abbau des Polymergerüsts. Für Polycarbonate mit einem DT-Gehalt von 25 Molprozent und weniger (x > 0,75, f = 0 und A=C=O, wie in Formel VIII definiert) wurde mit HPLC keine Löslichkeit beobachtet.
Die vorliegende Erfindung stellt daher neue freie-Säure Versionen von Polymeren aus dem Stand der Technik mit erhöhten Abbauraten bereit, die mit einem hochselektiven palladiumkatalysierten Hydrogenolyseverfahren hergestellt sind. Die neuen Polymere befriedigen bisher unerfüllten Bedarf an gewebeverträglichen implantierbaren Biomaterialien mit verringerten, und auch erhöhten, Abbaugeschwindigkeiten.

Claims

Polymer mit einem hydrolyseempfindlichen Polymergerüst, wobei das Polymer folgende Struktur hat:
wobei R₉ ein Alkyl-, Aryl- oder Alkylarylrest mit bis zu 18 Kohlenstoffatomen mit einem anhängenden Carbonsäurerest oder dem Benzylester davon bedeutet; R₁₂ ein Alkyl-, Aryl- oder Alkylarylrest mit bis zu 18 Kohlenstoffatomen mit einem anhängenden Carbonsäureesterrest, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus unverzweigten und verzweigten Alkyl- und Alkylarylestern, die bis zu 18 Kohlenstoffatome enthalten, und Esterderivaten von biologischen und pharmazeutischen Wirkstoffen, die kovalent an das Polymer gebunden sind, bedeutet, mit der Maßgabe, dass die Estergruppe keine Benzylgruppe oder eine Gruppe, die durch Hydrogenolyse entfernt wird, aufweist; jedes R₇ unabhängig ein Alkylenrest mit bis zu vier Kohlenstoffatomen bedeutet; A aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
wobei R₈ aus der Gruppe, bestehend aus gesättigten und ungesättigten, substituierten und unsubstituierten Alkyl-, Aryl- und Alkylarylresten, die bis zu 18 Kohlenstoffatome enthalten, ausgewählt ist; k zwischen etwa 5 und 3 000 liegt; und x und f unabhängig im Bereich zwischen null und kleiner als eins liegen; wobei das Polymer ein durchschnittliches Molekulargewicht, das mit GPC gegen Polystyrol-Standards ohne weitere Korrektur gemessen ist, zwischen etwa 20 000 und etwa 400 000 Dalton aufweist.
Polymer gemäß Anspruch 1, wobei sowohl x als auch f null sind.
Polymer gemäß Anspruch 1, wobei R₉ eine Struktur hat, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
wobei R₂ Wasserstoff oder eine Benzylgruppe bedeutet und a und b unabhängig null, eins oder zwei sind.
Polymer gemäß Anspruch 3, wobei x größer als null ist und R₁₂ eine Struktur hat, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
wobei R₁ aus der Gruppe, bestehend aus unverzweigten und verzweigten Alkyl- und Alkylarylresten, die bis zu 18 Kohlenstoffatome enthalten, und Derivaten von biologischen und pharmazeutischen Wirkstoffen, die kovalent an das Polycarbonat gebunden sind, ausgewählt ist, mit der Maßgabe, dass R₁ keine Benzylgruppe oder eine Gruppe, die durch Hydrogenolyse entfernt wird, aufweist; und c und d unabhängig null, eins oder zwei sind.
Polymer gemäß Anspruch 4, wobei R₉ folgende Struktur hat:
und R₁₂ folgende Struktur hat:
wobei a und c zwei sind und b und d eins sind.
Polymer gemäß Anspruch 1, wobei x zwischen etwa 0,5 und etwa 0,75 liegt.
Polymer gemäß Anspruch 1, wobei die Estergruppe des anhängenden Carbonsäureesterrestes von R₁₂ ein gradkettiger Alkylrest, der aus der Gruppe, bestehend aus Ethyl-, Butyl-, Hexyl- und Octylgruppen, ausgewählt ist, aufweist.
Polymer gemäß Anspruch 1, wobei der anhängende Rest von R₉ ein Benzylcarboxylatrest bedeutet.
Polymer gemäß Anspruch 1, wobei f größer als null ist.
Polymer gemäß Anspruch 9, wobei jeder R₇-Rest Ethylen bedeutet.
Polymer gemäß Anspruch 9, wobei k zwischen etwa 20 und etwa 200 liegt.
Polymer gemäß Anspruch 9, wobei f im Bereich zwischen etwa 0,05 und etwa 0,95 liegt.
Implantierbare medizinische Vorrichtung, umfassend das Polymer gemäß Anspruch 1.
Implantierbare medizinische Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei die Oberfläche der Vorrichtung mit dem Polymer beschichtet ist.
Implantierbare medizinische Vorrichtung gemäß Anspruch 13, umfassend einen biologischen oder pharmazeutischen Wirkstoff in Kombination mit dem Polymer, wobei der Wirkstoff in einer Menge, die zur therapeutisch wirksamen ortsspezifischen oder systemischen Verabreichung eines Medikaments ausreichend ist, vorliegt.
Implantierbare medizinische Vorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei der biologische oder pharmazeutische Wirkstoff kovalent an das Polymer gebunden ist.
Implantierbare medizinische Vorrichtung in Form einer Folie, hauptsächlich bestehend aus dem Polymer gemäß Anspruch 9, zur Verwendung als Barriere zur Vermeidung von Wundverklebung.
Verwendung des Polymers gemäß Anspruch 1 zur Herstellung einer implantierbaren Medikamentenabgabevorrichtung, umfassend eine therapeutisch wirksame Menge eines biologischen oder pharmazeutischen Wirkstoffes zur ortsspezifischen oder systemischen Medikamentenabgabe, umfassend das Implantieren der Vorrichtung in den Körper eines Patienten mit Bedarf.
Verwendung gemäß Anspruch 18, wobei der biologische oder pharmazeutische Wirkstoff kovalent an das Polymer gebunden ist.
Verwendung des Polymers gemäß Anspruch 9 zur Herstellung einer Folie, die dazu gedacht ist, als Barriere zwischen verletzten Geweben zur Vermeidung der Bildung von Verklebungen zwischen den verletzten Geweben eingeführt zu werden.
Gesteuertes Medikamentenabgabesystem, umfassend einen biologischen oder pharmazeutischen Wirkstoff, der mit dem Polymer gemäß Anspruch 1 physikalisch beschichtet ist.
Gesteuertes Medikamentenabgabesystem, umfassend das Polymer gemäß Anspruch 1, dem ein biologischer oder pharmazeutischer Wirkstoff physikalisch beigemischt ist.
Gesteuertes Medikamentenabgabesystem, umfassend einen biologischen oder pharmazeutischen Wirkstoff, der in eine Polymermatrix, die durch das Polymer gemäß Anspruch 1 gebildet ist, physikalisch eingebettet oder dispergiert ist.
Verwendung des Polymers gemäß Anspruch 1 bei der Herstellung eines Polymersubstrats, wobei das Polymer mit lebenden Zellen, Geweben oder biologischen Flüssigkeiten, die lebende Zellen enthalten, kontaktiert wird zum Regulieren von Zellanhaftung, Wanderung und Proliferation auf dem Polymersubstrat.
Verwendung gemäß Anspruch 24, wobei das Polymer in Form einer Beschichtung auf einem medizinischen Implantat vorliegt.
Verwendung gemäß Anspruch 24, wobei das Polymer in Form eines Films vorliegt.
Verwendung gemäß Anspruch 24, wobei das Polymer in Form eines Polymergewebegerüsts vorliegt.
Polymer gemäß Anspruch 1, umfassend ein Polycarbonat, wobei A folgendes bedeutet:
Polymer gemäß Anspruch 1, umfassend ein Polyarylat, wobei A folgendes bedeutet:
wobei R₈ aus der Gruppe, bestehend aus gesättigten und ungesättigten, substituierten und unsubstituierten Alkylresten, die 2 bis 12 Kohlenstoffatome enthalten, ausgewählt ist.
Polyarylat gemäß Anspruch 29, wobei R₈ aus der Gruppe, bestehend aus -CH₂-C(=O)-, -CH₂-CH₂-C(=O)-, -CH=CH- und (-CH₂-)_z, wobei z eine ganze Zahl zwischen 2 und einschließlich 8 bedeutet, ausgewählt ist.
Polyarylat gemäß Anspruch 29, wobei R₈ aus der Gruppe, bestehend aus substituierten und unsubstituierten Aryl- und Alkylarylresten, die 6 bis 12 Kohlenstoffatome enthalten, ausgewählt ist.
Polyarylat gemäß Anspruch 31, wobei R₉ eine Phenylgruppe ist.
Verfahren zum selektiven Entfernen von anhängenden Esterseitenketten, umfassend folgende Schritte: Herstellen einer Reaktionsmischung des Polymers gemäß Anspruch 1, wobei die anhängende Gruppe von R₉ ein Benzylcarboxylatrest bedeutet, in einem nichtwässrigen Reaktionslösungsmittel, umfassend hauptsächlich ein Lösungsmittel oder mehrere Lösungsmittel, die aus der Gruppe, bestehend aus N,N-Dimethylformamid (DMF), N,N-Dimethylacetamid (DMA) und N-Methylpyrrolidon (NMP) ausgewählt werden; und Kontaktieren der Reaktionsmischung mit einem Palladiumkatalysator in Gegenwart einer Wasserstoffquelle, so dass die Benzylgruppen der anhängenden Benzylcarboxylatreste durch Hydrogenolyse selektiv entfernt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei die Wasserstoffquelle Wasserstoffgas umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei die Wasserstoffquelle 1,4-Cyclohexadien, das der Reaktionsmischung zugesetzt wird, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 35, wobei das 1,4-Cyclohexadien der Reaktionsmischung zugesetzt wird, bevor die Reaktionsmischung mit dem Palladiumkatalysator kontaktiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 34, wobei die Wasserstoffquelle ferner 1,4-Cyclohexadien, das der Reaktionsmischung zugesetzt wird, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei der Palladiumkatalysator Palladium auf Bariumsulfat umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei A folgendes bedeutet:
so dass das Polymer ein Polycarbonat ist.
Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei A folgendes bedeutet:
so dass das Polymer ein Polyarylat ist.
Verfahren gemäß Anspruch 39, wobei f größer als null ist.
Verfahren gemäß Anspruch 40, wobei f größer als null ist.
Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei x null ist.
Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei R₉ eine Struktur hat, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird:
wobei R₂ eine Benzylgruppe bedeutet und a und b unabhängig null, eins oder zwei sind.
Verfahren gemäß Anspruch 44, wobei R₉ folgende Struktur hat:
wobei a zwei und b eins ist.
Verfahren gemäß Anspruch 44, wobei R₁₂ eine Struktur hat, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird:
wobei R₁ aus der Gruppe, bestehend aus unverzweigten und verzweigten Alkyl- und Alkylarylresten, die bis zu 18 Kohlenstoffatome enthalten, und Derivaten von biologischen und pharmazeutischen Wirkstoffen, die kovalent an das Polymer gebunden sind, ausgewählt wird, mit der Maßgabe, dass R₁ keine Benzylgruppe oder eine Gruppe, die durch Hydrogenolyse entfernt wird, aufweist und c und d unabhängig null, eins oder zwei sind.
Verfahren gemäß Anspruch 46, wobei R₁₂ folgende Struktur hat:
wobei c zwei und d eins ist.
Verfahren gemäß Anspruch 47, wobei a und c zwei und b und d eins sind.
Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei x zwischen etwa 0,50 und 0,75 liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 34, wobei die Estergruppe des anhängenden Carbonsäureesterrestes von R₁₂ ein gradkettiger Alkylrest, der aus der Gruppe, bestehend aus Ethyl-, Butyl-, Hexyl- und Octylgruppen ausgewählt wird, bedeutet.