DE69921158T2

DE69921158T2 - Gele und mehrschichtige oberflächenstrukturen aus boronsäurehaltigen polymeren

Info

Publication number: DE69921158T2
Application number: DE69921158T
Authority: DE
Inventors: A. Jeffrey HUBBELL; L. Donald ELBERT; D. Natalie WINBLADE
Original assignee: Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ; Universitaet Zuerich
Current assignee: Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ; Universitaet Zuerich
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2019-08-28
Also published as: EP1107802A1; ATE279222T1; WO2000012146A1; CA2341519A1; NZ510057A; AU5695499A; US6350527B1; EP1107802B1; US20020061288A1; AU761903B2; DE69921158D1; US6652902B2; CA2341519C; ES2233072T3; JP2002523476A

Description

Hintergrund der Erfindung
Das Vorliegende betrifft allgemein das Gebiet polymerer Materialien für die Modulation der Wechselwirkungen zwischen Zellen, insbesondere für biomedizinische Anwendungen.
Hydrogele als Träger für eine verzögerte Freisetzung
Biologisch abbaubare Hydrogele können Träger für biologisch aktive Materialien wie Hormone, Enzyme, Antibiotika, antineoplastische Mittel und Zellsuspensionen sein. Es sind die temporäre Erhaltung der funktionellen Eigenschaften einer in ihnen enthaltenen Spezies sowie die verzögerte Freisetzung der Spezies in lokale Gewebe oder in den systemischen Kreislauf möglich. Die geeignete Wahl der Hydrogelmakromere kann zu Membranen mit unterschiedlichen Permeabilitäten, Porengrößen und Abbaugeschwindigkeiten führen, die für verschiedenste Anwendungen in der Chirurgie, der medizinischen Diagnose und der Behandlung geeignet sind.
Klebstoffe und Versiegelungsmittel
Polymere Hydrogele werden auch als Klebstoffe und Versiegelungsmittel für Gewebe verwendet. Fibringele werden in Europa extensiv als Versiegelungsmittel und Klebstoffe in der Chirurgie verwendet (Thompson el al., 1988, Drug Intell. and Clin. Pharm. 22: 946, Gibble et al., 1990, Transfusion 30(8): 741). Synthetische Polymere sind als Klebstoffe erforscht worden (Lipatova, 1986, Advances in Polymer Science 79: 65-93), aber diese Materialien sind im Allgemeinen mit einer lokalen Entzündung, Zytotoxizität und schlechten Biokompatibilität assoziiert.
Verhinderung von postoperativen Adhäsionen
Die Bildung von Adhäsionen nach einem chirurgischen Eingriff, an denen Organe der Bauchhöhle und die Bauchwand beteiligt sind, ist ein häufiges und unerwünschtes Ergebnis der Unterleibschirurgie. Eine chirurgische Verletzung des Gewebes, die durch die Behandlung und Austrocknungsprozesse hervorgerufen wird, führt zur Freisetzung eines serös-blutigen (proteinhaltigen) Exudats, das dazu neigt, sich im Beckenraum anzusammeln (Holtz, G., 1984). Wenn das Exudat innerhalb dieses Zeitraums nicht absorbiert oder lysiert wird, wird es von Fibroblasten besiedelt, und die nachfolgende Kollagenablagerung führt zur Bildung von Adhäsionen.
Es sind zahlreiche Ansätze zur Verhinderung der Bildung von Adhäsionen erprobt worden, allerdings in den meisten Fällen mit begrenztem Erfolg. Zu diesen Ansätzen gehören eine Lavage der Bauchhöhle, die Verabreichung von Pharmaka und der Einsatz von Barrieren zur mechanischen Trennung der Gewebe. Allerdings ist keiner dieser Ansätze kosteneffektiv und wirksam in In-vivo-Studien gewesen. Lösungen von Poloxamer 407 wurden mit einem gewissen Erfolg zur Behandlung von Adhäsionen eingesetzt. Poloxamer ist ein Copolymer von Ethylenoxid und Propylenoxid, und es ist löslich in Wasser. Die Lösungen sind bei Raumtemperatur Flüssigkeiten. Steinleitner et al., 1991, Obstetrics and Gynecology 77(1): 48, und Leach et al., 1990, Am. J. Obstet. Gynecol. 162(5): 1317, untersuchten Poloxamer-Lösungen in Modellen der peritonealen Adhäsion und beobachteten statistisch signifikante Abnahmen der Adhäsionen; sie konnten jedoch die Adhäsionen nicht beseitigen, möglicherweise aufgrund einer begrenzten Adhäsion und Retention an der Stelle der Verletzung. Oxidierte regenerierte Cellulose ist ebenfalls extensiv zur Verhinderung von Adhäsionen eingesetzt worden, und es ist ein zugelassenes klinisches Produkt mit dem Handelsnamen Interceed TC7. Für dieses Sperrmaterial wurde gezeigt, dass es beim Kaninchen (Linsky el al., 1987, J. Reprod. Med. 32: 17, Diamond et al., 1987, Microsurgery 8: 103) und beim Menschen (Interceed (TC7) Adhesion Barrier Study Group, 1989) eine gewisse Wirkung zeigt. Es wurde gezeigt, dass es wirksamer ist, wenn es mit Heparin vorbehandelt wurde, aber es war immer noch nicht imstande, die Adhäsionen vollständig zu beseitigen (Diamond et al., 1991, Fertility and Sterility 55(2): 389). Das US-Patent Nr. 5 410 016 an Hubbell et al. beschreibt photopolymerisierbare, biologisch abbaubare Hydrogele als Materialien, die mit Gewebe in Kontakt stehen, und als Träger für eine verzögerte Freisetzung. Diese Polymere schlossen einen wasserlöslichen Bereich ein, der von biologisch abbaubaren Linkern, die in photopolymerisierbaren Gruppen enden, flankiert wird. Trotz vielversprechender Ergebnisse in einem Kaninchen-Modell für Adhäsionen waren die Ergebnisse klinischer Studien zur Verhinderung von Adhäsionen nach Kaiserschnitten gemischt, möglicherweise aufgrund einer unzureichenden Polymerdicke der Schichten.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, polymere Materialien, die Beschichtungen bilden, sowie mehrschichtige Strukturen, die bioinert sind und deshalb für eine Vielzahl biomedizinischer Anwendungen, einschließlich der Verhinderung von Adhäsionen, als Versiegelungsmittel und für die verzögerte Zufuhr nützlich sind, bereit zu stellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Verfahren zur Verwendung dieser polymeren Materialien zur Bildung von Beschichtungen und Medizinprodukten bereit zu stellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es werden Boronsäure-haltige Polymere zur Bildung von mehrschichtigen Oberflächenstrukturen eingesetzt. Diese Polymere bilden vernetzte Hydrogele, die in Wasser stark gequollen sind. Die Vernetzung kann entweder chemischer oder physikalischer Art sein. Wasserlösliche Polymere, die Boronsäuregruppen enthalten, wie Phenylboronsäure (PBA), können durch das Mischen der Polymere in Wasser mit anderen Polymeren, die Hydroxygruppen oder Carbonsäuren enthalten, physikalisch vernetzt werden. Oberflächen können schrittweise über eine Inkubation mit einer Lösung des Boronsäure-haltigen Polymers, gefolgt von einer Inkubation mit einer Lösung eines Diol- oder Carbonsäure-haltigen Polymers, behandelt werden. Es können viele aufeinanderfolgende Schichten erzeugt werden, wobei bei jedem Schritt die Dicke der gebildeten Struktur ansteigt. Die Behandlung der Oberfläche hängt von der Oberflächenaktivität des Boronat-haltigen Polymers oder des Diol- oder Carbonsäure-haltigen Polymers oder dem Einsatz einer Primer-Schicht ab, die aus einem Molekül besteht, das eine Affinität für die Oberfläche sowie eine Affinität für das Boronat-haltige Polymer oder das Diol- oder Carbonsäure-haltige Polymer besitzt. Das Primen ist bei einer Bindung an eine Zell- oder Gewebeoberfläche möglicherweise nicht erforderlich, da die Boronsäure-Domänen an Diole binden, die in glycosylierten Proteinen vorliegen, die in den Zellen vorhanden sind.
Die bioinerte Oberflächenbeschichtung kann zur Passivierung der Oberflächen medizinischer Implantate (insbesondere solcher, die auf transplantiertem Gewebe basieren) oder zur Passivierung der Oberflächen von Gewebe in situ verwendet werden, wodurch die Häufigkeit oder Schwere solcher pathologischer Zustände wie die Bildung von Adhäsionen nach einem chirurgischen Eingriff und eine Thrombose nach einer Angioplastie verringert wird.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Es werden Boronsäure-Polymere für die Verwendung in biomedizinische Anwendungen beschrieben. Sie werden in Kombination mit Diol- oder Carbonsäure-haltigen Polymeren zur Erzeugung mehrschichtiger Strukturen eingesetzt. Die Polymere und Strukturen können für die Arzneimittelzufuhr, für Beschichtungen oder Medizinprodukte verwendet werden, oder sie können modifiziert werden, um die Anheftung oder die Wechselwirkung von Zellen zu verändern.
I. Boronsäure-haltige Zusammensetzungen
Boronsäurepolymere
Phenylboronsäure und ihre Derivate binden mit hoher Affinität an Moleküle, die benachbarte oder nahe gegenüberliegende Diole oder Carbonsäuren enthalten. Diese Eigenschaft wurde in der Biotechnologie bereits ausgenützt zur Herstellung von Vorrichtungen, die Glucose freisetzen (A. Kikuchi et al., 1996, Anal. Chem. 68:823-828), von chromatographischen Medien mit Affinität für Polysaccharide (K. Tsukagoshi et al., Analytical Sciences, 1997, 13: 485-487) und als Mittel für die Wechselwirkung mit Zelloberflächen zur Förderung der Zellanheftung oder eines Rezeptor-Clustering (T. Aoki et al., J. Biomat. Sci. Polym. Ed., 1997, 9: 1-14, T. Ikeya et al., Reactive & Functional Polymers, 1998, 37: 251-261).
Zu nützlichen Boronaten gehören Phenylboronsäure (PBA), 2-Carboxyethanboronsäure, 1,2-Dicarboxyethanboronsäure, β,β'-Dicarboxyethanboronat, β,γ-Dicarboxypropanboronat, 2-Nitro- und 4-Nitro-3-succinamidobenzolboronsäuren, 3-Nitro-4-(6-aminohexylamido)phenylboronsäure, {4-[(Hexamethylentetramin)methyl]phenyl}boronsäure, 4-(N-Methyl)carboxamidobenzolboronsäure, 2-{[(4-Boronphenyl)methyl]ethylammonio}ethyl- und 2-{[(4-Boronphenyl)methyl]diethylammonio}ethylgruppen, Succinyl-3-aminophenylboronsäure, 6-Aminocaproyl-3-aminophenylboronsäure, 3-(N-Succinimidoxycarbonyl)aminophenylboronat, p-(ω-Aminoethyl)phenylboronat, p-Vinylbenzolboronat, N-(3-Dihydroxyborylphenyl)succinamidsäure, N-(4-Nitro-3-dihydroxyborylphenyl)succinamidsäure, O-Dimethylaminomethylbenzolboronsäure, 4-Carboxybenzolboronsäure, 4-(N-Octyl)carboxamidobenzolboronsäure, 3-Nitro-4-carboxybenzolboronsäure, 2-Nitro-4-carboxybenzolboronsäure, 4-Bromphenylboronat, p-Vinylbenzolboronat, 4-(ω-Aminoethyl)phenylboronat, Catechol[2-(diethylamino)carbonyl, 4-brommethyl]phenylboronat und 5-Vinyl-2-dimethylaminomethylbenzolboronsäure. Diese Boronat-haltigen Gruppen unterscheiden sich bezüglich ihres pKa, ihrer Spacerarme oder der mit ihnen assoziierten unterschiedlichen Kopplungsbedingungen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Boronatgruppe von Phenylboronsäure (PBA) bereit gestellt, von der bekannt ist, dass sie reversible Konjugate mit koplanaren Diolen bildet, wie Kohlenhydraten mit einem geschlossenen Ring und Polyvinylalkohol, sowie mit sauren Liganden wie Dicarbonsäuren und α-Hydroxycarbonsäuren. PBA hat eine starke Affinität für viele biologische Oberflächen, da die Oberflächen von Zellen und die extrazelluläre Matrix reich an Proteoglycanen und anderen Kohlenhydratgruppen sowie vielen sauren Gruppen sind. Für PBA wurde auch gezeigt, dass es reversible Komplexe mit Glycokonjugaten auf den Membranen von Endothelzellen (T. Aoki et al., 1995, Journal of Biomaterials Science Polymer Edition 7: 539-550) und den Membranen von Lymphozyten (H. Miyazaki et al., 1993, Biochemical and Biophysical Research Communications 195: 829-836) bildet.
Der „Arbeits-pH" der PBA-Einheiten in jedem Copolymer kann durch das Anordnen von Aminogruppen in Nachbarschaft zu den PBA-Einheiten oder durch das Anordnen von elektronenziehenden Gruppen in der PBA-Einheit selbst eingestellt werden. Eine PBA-Einheit mit einer Nitrogruppe im Ring und einer Succinamidsäurefunktionalität wurde von Singhal et al., 1991, Journal of Chromatography 543: 17-38, synthetisiert und konnte mittels Carbonyldiimidazol oder N-Hydroxysuccinimid an Aminogruppen gekoppelt werden. Eine PBA-Einheit, die eine interne Koordinationsbindung aufweist, wodurch das Bor tetraedrisch wird, und die eine Brommethylgruppe aufweist, die mit der Thiolgruppe von Cystein umgesetzt werden konnte, wurde von X.-C. Liu et al., 1994, Journal of Chromatography A 687:61-69, synthetisiert. Ein Polymervorläufer mit einem sehr niedrigen pKa-Wert, 5-Vinyl-2-dimethylaminomethylbenzolboronsäure, der bei der Erzeugung von Zufalls-Copolymeren, die PBA enthalten, verwendet werden konnte, wurde von G. Wulff, 1982, Pure and Applied Chemistry 54: 2093-2102, synthetisiert.
Es kann jedes beliebige aus einer Anzahl wasserlöslicher Polymere, die eine beliebige der oben aufgeführten Boronatgruppen enthalten, als das Boronat-haltige Polymer verwendet werden. Derartige Polymere sind in diesem Fachgebiet bekannt. Beispiele sind Poly(ethylenglycol), Poly(ethylenoxid), Poly(vinylalkohol), Poly(vinylpyrrolidon), Poly(ethyloxazolin), Poly(ethylenoxid)-co-poly(propylenoxid)-Blockcopolymere, wie Polypropylenoxid-Polyethylenoxid-Blockcopolymere, Polysaccharide oder Kohlenhydrate, wie Hyaluronsäure, Dextran, Heparansulfat, Chondroitinsulfat, Heparin oder Alginat, und Proteine, wie Gelatine, Collagen, Albumin oder Ovalbumin. Der Bergriff „wenigstens im Wesentlichen wasserlöslich" zeigt an, dass die Löslichkeit bei wenigstens ungefähr 5 g/100 ml der wässrigen Lösung liegen sollte.
Synthese Boronat-haltiger Polymere
Polymere, die Phenylboronsäuregruppen aufweisen, können beispielsweise durch das Umsetzen von Aminophenylboronsäure mit Acryloylchlorid (D. Shino et al., 1996, J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 7: 697-701), gefolgt von einer radikalischen Polymerisation mit Acrylamid unter Erzeugung von Poly(acrylamid-co-acrylamidophenylboronsäure), synthetisiert werden.
Diol- oder Carbonsäure-haltiges Polymer
Das Diol- oder Carbonsäure-haltige Polymer kann Dextran, Mannan, Polysialinsäure, Polyvinylalkohol, Hyaluronsäure, Polyacrylsäure (oder ein Derivat von dieser, wie Methacrylsäure) sein, ist aber nicht auf diese beschränkt.
Synthese von Copolymeren
Ein Copolymer von Poly(acrylamid-co-acrylamidophenylboronsäure) und Dextran kann durch das Lösen der Poly(acrylamid-co-acrylamidophenylboronsäure) in gepufferter Saline und das Mischen der Lösung mit Dextran unter Bildung eines Gels synthetisiert werden. Die Phenylboronsäure bindet bei niedrigem pH nicht an Diole, und somit könnte der pH der Lösung zunächst bei pH 5 liegen, und dann könnte der pH erhöht werden, um die Gelbildung einzuleiten. Die Gelbildung könnte, beim Einsatz zur Verhinderung von Adhäsionen nach einem chirurgischen Eingriff über das Bereitstellen von Barrieren zwischen Geweben, im Inneren des Körpers erfolgen.
Polymermodifikationen
Die Boronsäure-haltigen Polymere können mehrere andere Funktionalitäten in der Polymerkette aufweisen, die Eigenschaften wie die Wasserlöslichkeit, die Bioinertheit oder die Ladung verbessern können. Die Diol- oder Carbonsäure-haltigen Polymere können so synthetisiert oder ausgewählt werden, dass die Bioinertheit maximiert wird, oder sie können so synthetisiert oder ausgewählt werden, dass sie andere Funktionalitäten enthalten, die Eigenschaften wie die Wasserlöslichkeit, die Bioinertheit oder die Ladung verbessern. Es können weitere polymere Komponenten, Domänen, Verknüpfungsgruppen und bioaktive, prophylaktische oder diagnostische Materialien einem jedem der Polymere zugesetzt werden, um ihre Eigenschaften zu modifizieren.
Verknüpfungsgruppen oder -polymere
Beispiele für zusätzliche polymere Komponenten für eine Befestigung von Verknüpfungsgruppen oder bioaktiven, prophylaktischen oder diagnostischen Materialien sind PEG, Polyacrylsäure, Poly-N-vinylpyrrolidon, Hyaluronsäure und andere Polysaccharide. Zu anderen Domänen, die in die Boronsäure- oder Diol- oder Carbonsäure-haltigen Polymere eingearbeitet werden können, gehören bioadhäsive Moleküle, Domänen, die sich in vivo von einer bindenden Domäne in eine nicht-bindende Domäne umwandeln, und Domänen, die sich in vivo von einer nicht-bindenden Domäne in eine bindende Domäne umwandeln, wie es im US-Patent Nr. 5 410 016 an Hubbell et al. beschrieben wurde. Beispiele für Verknüpfungsgruppen sind biologisch abbaubare Verknüpfungen, wie Anhydrid-, Ester-, Amid- und Carbonatverknüpfungen.
Materialien, die die Eigenschaffen der polymeren Materialien modifizieren
Die Domänen und/oder Verknüpfungen können dazu verwendet werden, dem polymeren Material bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Zum Beispiel können Domänen so in das Polymer eingearbeitet werden, dass es selektiv an bestimmten Typen von Zellen oder Molekülen haftet oder selektiv auf enzymatischem oder nichtenzymatischem Weg abgebaut wird. Der Abbau der Zusammensetzungen kann über die Einarbeitung von Stellen gesteuert werden, die entweder chemisch oder enzymatisch abbaubar sind, wodurch ein Mechanismus für die Entfernung der Struktur bereit gestellt wird. Die Domänen können aus einem anderen Polymer bestehen, beispielsweise einem biologisch abbaubaren Polymer, wie einem Polyanhydrid, einer Polyhydroxysäure oder einem Polycarbonat, das das polymere Material biologisch abbaubar macht. Photopolymerisierbare Substituenten, einschließlich von Acrylaten, Diacrylaten, Oligoacrylaten, Dimethacrylaten oder Oligomethacrylaten, und andere biologisch annehmbare photopolymerisierbare Gruppen können ebenfalls an die polymeren Materialien gekoppelt werden. Diese können dazu verwendet werden, das Polymer weiter zu polymerisieren, sobald es sich in Kontakt mit Gewebe oder anderen Oberflächen befindet, was zu einer verbesserten Haftung an die Oberfläche führen kann.
Monomere oder funktionelle Gruppen, die eingearbeitet werden sollen, sowie Verfahren zu ihrer Einarbeitung sind Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt. Die Zeit, die für den Abbau eines Polymers erforderlich ist, kann über die Auswahl der geeigneten Monomere maßgeschneidert werden. Unterschiede hinsichtlich der Kristallinität verändern ebenfalls die Abbaugeschwindigkeiten. Aufgrund der relativ hydrophoben Natur dieser Polymere beginnt ein wirklicher Massenverlust erst dann, wenn die oligomeren Fragmente so klein werden, dass sie wasserlöslich sind. Somit beeinflusst das anfängliche Molekulargewicht des Polymers die Abbaugeschwindigkeiten. Abbaubare Polymere, die wasserlösliche Polymerelemente enthalten, sind beschrieben worden. Zum Beispiel copolymerisierten Sawhney et al., 1990, J. Biomed. Mater. Res. 24: 1397-1411, Lactid, Glycolid und ε-Caprolacton mit PEG, um ihre Hydrophilie und ihre Abbaugeschwindigkeit zu erhöhen. Das US-Patent Nr. 4 716 203 an Casey et al., 1987, berichtet auch die Synthese von PGA-PEG-Diblockcopolymeren, wiederum mit PEG im Bereich von 5 – 25 %. Abbaubare Materialien biologischen Ursprungs sind gut bekannt, beispielsweise vernetzte Gelatine. Hyaluronsäure wurde vernetzt und als ein abbaubares, quellendes Polymer für biomedizinische Anwendungen verwendet (Della Valle et al., 1991, Polym. Mater. Sci. Eng. 62: 731-735). Das US-Patent Nr. 5 410 016, erteilt am 25. April 1995, beschreibt biologisch abbaubare Copolymere, die wasserlösliche Polymere einschließen, für eine Verwendung als photopolymerisierbare Gewebebeschichtungen und als Vehikel für eine verzögerte Freisetzung.
Materialien, die an die Polymere gekoppelt oder über diese zugeführt werden sollen
Beispiele für bioaktive Materialien, die an die polymeren Materialien gekoppelt oder in diese eingearbeitet werden können, sind Proteine und Peptide, Zucker und Polysaccharide, organische Verbindungen mit Arzneimittelaktivität, Nucleinsäuren und Kombinationen von diesen, wie Glycoproteine und Arzneimittelkonjugate. Es kann ein Peptid wie RGD, oder sogar eine einzelne Aminosäure, die dazu eingesetzt wird, eine Polyaminosäure zum Ziel für die Spaltung durch ein Enzym zu machen, in die Polymerstruktur eingearbeitet werden, um die Anheftung zu steuern oder das Polymer anschließend zu modifizieren.
Die bioaktive, prophylaktische oder diagnostische Spezies kann an den Copolymeren befestigt werden, und zwar entweder kovalent oder ionisch oder durch Mischen der Spezies mit dem polymeren Material, vorzugsweise ehe es dem Gewebe appliziert oder zur Bildung eines Medizinprodukts oder einer mehrschichtigen Struktur eingesetzt wird.
Es kann eine große Vielzahl biologisch aktiver Materialien verkapselt oder eingearbeitet werden, einschließlich von Proteinen, wie Antikörpern, Rezeptorliganden und Enzymen, Peptiden, wie Adhäsionspeptiden, Zuckern, Oligosacchariden und Polysacchariden, organischen oder anorganischen Arzneimitteln, Nucleotiden und Nucleinsäuren, sowie von Zellen, Geweben oder subzellulären Organellen oder anderen subzellulären Komponenten.
Zu exemplarischen Liganden, bei denen es sich nicht um RGD handelt, gehören das Pentapeptid Tyr-Ile-Gly-Ser-Arg (YIGSR), das die Adhäsion von Endothelzellen, glatten Muskelzellen und Fibroblasten unterstützt, aber nicht die Adhäsion von Blutplättchen, sowie das Tetrapeptid Arg-Glu-Asp-Val (REDV), für das gezeigt wurde, dass es die Adhäsion von Endothelzellen unterstützt, aber nicht die Adhäsion von glatten Muskelzellen, Fibroblasten oder Blutplättchen, wie es bei Hubbell et al., 1991, Bio Technology 9: 568-572, beschrieben wurde. YIGSR, aus Laminin, bindet an Rezeptoren auf Endothelzellen, aber nicht auf Blutplättchen. Somit würde man für die Applikation eines Copolymers, das mit dem Peptid YIGSR konjugiert ist, auf eine geschädigte Gefäßwand erwarten, dass es eine Thrombose an der Gefäßwand blockiert, aber nicht die Reendothelisierung durch die umgebende, ungeschädigte Gefäßwand.
Zu exemplarischen diagnostischen Mitteln gehören diagnostische Enzyme und radioaktiv markierte und fluoreszierende Verbindungen.
II. Bildung von mehrschichtigen Strukturen
Boronsäure-haltige Polymere werden dazu verwendet, mehrschichtige Oberflächenstrukturen zu bilden.
Bildung von Gelen und Beschichtungen
Es werden mehrschichtige Strukturen unter Verwendung alternierender Schichten aus Boronsäure-haltigen Polymeren und einem Diol- oder Carbonsäure-haltigen Polymer, das auf jede Oberfläche aufgetragen wird, auf die das Boronsäurepolymer aufgetragen wird, gebildet, um Stellen für eine Adhäsion bereit zu stellen.
Das Boronatpolymer kann in einer fluiden Phase auf die Oberfläche, wie ein Gewebe oder Zellen, die geschützt werden soll, aufgetragen werden, woraufhin die Boronatgruppen das polymere Material an die Oberfläche adsorbieren. Die fluide Phase kann auf isoliertes Gewebe oder auf Gewebe während eines chirurgischen Eingriffs oder mittels eines Katheters oder einer anderen weniger invasiven Vorrichtung aufgetragen werden. Ein Primen ist im Allgemeinen in dem Falle nicht erforderlich, bei dem die Lösung auf Zellen oder eine Gewebeoberfläche aufgetragen wird, da die Boronsäuredomänen an die Diole binden, die in glycosylierten Proteinen vorhanden sind, die in den Zellen vorkommen.
Bildung polymerer mehrschichtiger Strukturen
Mehrschicht-Techniken wurden bereits früher im Hinblick auf eine Modifizierung von Oberflächen untersucht (G. Decher & J. Hong, 1991, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 95: 1430-1434) und zur Verkapselung lebender Zellen für eine Transplantation eingesetzt (A. Sawhney et al., 1992, Biomaterials 13: 863-870). Frühere Arbeiten setzten Polykationen und Polyanionen ein, die ebenfalls Gele bilden, wenn sie in bestimmten Verhältnissen unter bestimmten Bedingungen gemischt werden.
Die hier beschriebene Verwendung der Boronsäurepolymere zur Bildung mehrschichtiger Strukturen aus Polymeren vermeidet einige der Toxizitätsprobleme, die mit den Polykation- und Polyanion-Materialien assoziiert sind. Oberflächen können schrittweise über eine Inkubation mit einer Lösung des Boronsäure-haltigen Polymers, gefolgt von einer Inkubation mit einer Lösung eines Diol- oder Carbonsäure-haltigen Polymers, behandelt werden, um viele aufeinanderfolgende Schichten zu erzeugen, wobei bei jedem Schritt die Dicke der erzeugten Struktur ansteigt. Die Behandlung der Oberfläche hängt von der Oberflächenaktivität des Boronat-haltigen Polymers oder des Diol- oder Carbonsäure-haltigen Polymers oder dem Einsatz einer Primer-Schicht ab, die aus einem Molekül besteht, das eine Affinität für die Oberfläche sowie eine Affinität für das Boronat-haltige Polymer oder das Diol- oder Carbonsäure-haltige Polymer besitzt. Diese Moleküle treten nicht über die Bildung von Salzbrücken in Wechselwirkung, wodurch die extreme Toxizität polykationischer Moleküle, wenn sie sich in Lösung befinden, vermieden wird (S. Choksakulnimitr et al., 1995, J. Contr. Rel. 34: 233-241), die ein Problem bei der Anwendung der polykationischen/polyanionischen Struktur und während des Abbaus der Struktur ist. Die Bioinertheit derartiger Materialien kann auch höher sein, wenn wenigstens eine der Komponenten nichtionisch ist.
Wie oben festgestellt wurde, kann das Boronatpolymer in einer fluiden Phase auf die Oberfläche, wie Gewebe oder Zellen, die geschützt werden soll, wobei die Zellen oder das Gewebe in isolierter Form vorliegen, oder während eines chirurgischen Eingriffs oder mittels eines Katheter oder einer anderen weniger invasiven Vorrichtung appliziert werden. Das Diol- oder Carbonsäurepolymer wird dann in einer fluiden Phase zugesetzt und vernetzt das bereits applizierte Boronatpolymer.
Dieser Prozess wird wiederholt, bis die gewünschte Dicke erreicht worden ist. Dieser Prozess wird hier als „Mehrschicht-Technik" bezeichnet. Wenn nur ein Monolayer eines jeden Boronat-haltigen Polymers bei jeder Inkubation adsorbiert wird, dann kann die Beschichtung auf einer Oberfläche jedes mal um ein paar Mikrometer aufgebaut werden. Es liegen vorzugsweise mehr als fünf alternierende Schichten, bevorzugter mehr als zehn alternierende Schichten und am bevorzugtesten mehr als fünfzehn alternierende Schichten der Polymere vor.
Bei einer anderen Ausführungsform wird die Oberfläche zwischen der Auftragung der Polymere nicht gründlich gespült. Das führt zur Bildung dickerer Strukturen. Es kann eine mit einer Sprühdüse bestückte Apparatur eingesetzt werde, beispielsweise, um abwechselnd eine Schicht aus einem Boronat-haltigen Polymer und eine Schicht aus einem Diol- oder Carbonsäure-haltigen Polymer aufzusprühen. Alternativ können beide Polymere gleichzeitig gesprüht werden, um relativ dicke Schichten zu erzeugen.
Die Dicke der Beschichtung kann über die Wahl der Reaktionskomponenten und/oder der Reaktionsbedingungen variiert werden. Zum Beispiel kann die Schichtdicke über das Einstellen der Zahl der Schichten und auch des Ausmaßes des Spülens zwischen den Schichten gesteuert werden. Die Steuerung der Tropfengröße und der Dichte während des Sprühens des Polymers führt zu Beschichtungen der gewünschten Dicke, ohne dass notwendigerweise eine Spülung zwischen den Schichten erforderlich ist. Außerdem kann das überschüssige (nicht gebundene) Material mittels anderer Verfahren entfernt werden, beispielsweise mittels eines Luftstroms. Die Polymersysteme können dazu verwendet werden, dicke, nicht-adhäsive Filme über die Erhöhung der Zahl der Zyklen, zum Beispiel auf 50 oder mehr, zu erzeugen.
Beschichtungen für Implantate oder Medizinprodukte
Das Boronsäurepolymer wird vorzugsweise auf eine Vorrichtung aufgetragen, die auf ihrer Oberfläche Stellen aufweist, die mit dem Boronsäurepolymer eine Vernetzung eingehen. Das kann entweder durch die Auswahl eines Trägers mit geeigneten funktionellen Gruppen oder durch das Auftragen einer Lösung eines polymeren Materials, das Diol- und/oder Carboxygruppen enthält, auf die Oberfläche erzielt werden. Zum Beispiel kann eine gepufferte Lösung von Poly(acrylamid-co-acrylamidophenylboronsäure) mit einem Implantat in Form einer Schweineherzklappe inkubiert werden, woran sich ein Waschen mit gepufferter Saline anschließt. Das Implantat kann dann mit einer gepufferten Lösung von Hyaluronsäure, Dextran oder Polysialinsäure inkubiert werden, woran sich ein Waschen anschließt. Dieser Prozess könnte fünfmal oder öfter wiederholt werden, um eine bioinerte Oberflächenbeschichtung auf dem Implantat zu erzeugen, und zwar von unterschiedlicher Dicke in Abhängigkeit von der Zahl der Wiederholungen.
III. Verfahren zur Anwendung der Zusammensetzungen
Mehrschichtige Strukturen aus den Polymeren können auf makroskopischen Gewebeoberflächen, einschließlich der Oberflächen von Säugetiergeweben, gebildet werden und dadurch den beschichteten Oberflächen verschiedene Vorteile bereit stellen. Zu diesen gehören die Verhinderung einer Haftung von Gewebe an Gewebe oder von Zellen an Gewebe oder die Bereitstellung einer selektiven Anheftung, wie unten beschrieben wird. Die Schichten können dazu verwendet werden, eine makroskopische Oberfläche zu verkapseln, zu verstopfen, zu versiegeln oder zu stützen. Die Auftragung einer mehrschichtigen Beschichtung kann dazu eingesetzt werden, eine Gewebsadhäsion zu minimieren oder zu verhindern, postoperative Adhäsionen zu minimieren oder zu verhindern, eine Thrombose zu verhindern, eine Implantation von Krebszellen zu verhindern, ein Gewebe zu beschichten, um eine Heilung zu begünstigen, oder eine Infektion zu verhindern oder die lokale Zufuhr bioaktiver Mittel zu verbessern. Vorzugsweise werden wenigstens vier Schichten, und, bevorzugter, wenigstens sechs Schichten zur Bildung der Beschichtungen eingesetzt.
Die Zusammensetzungen können, während sie als bioinerte Gerüste dienen, auch dazu dienen, spezifische biologische Signale bereit zu stellen.
Der gleiche Techniktyp kann dazu eingesetzt werden, das Innere einer Arterie nach einer Ballon-Angioplastie zu beschichten, eine Thrombose zu vermindern, die Oberflächen von roten Blutkörperchen zu beschichten, um die Effizienz einer Bluttransfusion zu verbessern, ein mittels Gewebe-Engineering hergestelltes Implantat zu beschichten und ein Gewebe zu beschichten, das bei einem chirurgischen Eingriff geschädigt wurde.

Claims

Beschichtung auf der Oberfläche von Zellen, Gewebe oder einer Vorrichtung zur Implantation in einen Patienten, wobei die Beschichtung die Adhäsion von Zellen oder Gewebe an die Oberfläche minimiert oder verhindert und ein Polymer umfasst, das mehr als eine Boronsäuregruppe enthält, die mit mehr als einer Gruppe mit Hydroxy- oder Carbonsäurefunktionalität auf der Oberfläche vernetzt ist, und ein Polymer, das mehr als eine Gruppe mit Hydroxy- oder Carbonsäurefunktionalität enthält, wobei die Beschichtung alternierende Schichten aus dem Polymer, das mehr als eine Boronsäuregruppe enthält, und dem Polymer, das mehr als eine Gruppe mit Hydroxy- oder Carbonsäurefunktionalität enthält, umfasst.
Beschichtung nach Anspruch 1, wobei das Polymer, das mehr als eine Gruppe mit Hydroxy- oder Carbonsäurefunktionalität enthält, ein wasserlösliches Polymer ist.
Beschichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Oberfläche die Oberfläche der Zellen oder des Gewebes ist.
Beschichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Oberfläche die Oberfläche einer medizinischen Vorrichtung ist.
Beschichtung nach Anspruch 1, die wenigstens fünf Polymerschichten umfasst.
Beschichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, die ferner ein Mittel umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus therapeutischen, prophylaktischen und diagnostischen Mitteln besteht, und das an das Polymer gekoppelt oder in dieses inkorporiert ist.
Beschichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Polymer, das mehr als eine Boronsäuregruppe enthält, funktionelle Gruppen oder Domänen umfasst, die die Eigenschaften des Polymers modifizieren.
Beschichtung nach Anspruch 7, wobei das Polymer, das mehr als eine Boronsäuregruppe enthält, biologisch abbaubare Gruppen oder Domänen umfasst.
Beschichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Polymer, das mehr als eine Boronsäuregruppe enthält, Domänen umfasst, die selektiv an bestimmten Zellen oder Molekülen haften.
Verfahren zur Beschichtung, Verkapselung, Verschließung, Abdichtung oder Stützung einer Oberfläche, das umfasst das Aufbringen einer Lösung, die ein Polymer umfasst, das mehr als eine Boronsäuregruppe enthält, auf die Oberfläche, um die Adhäsion von Zellen oder Gewebe an die Oberfläche zu minimieren oder zu verhindern, wobei die Oberfläche mehr als eine Gruppe mit Hydroxy- oder Carbonsäurefunktionalität umfasst, die eine Quervernetzung mit dem Polymer ausbildet, das mehr als eine Boronsäuregruppe enthält, und das Auftragen einer Schicht aus einem Polymer, das mehr als eine Gruppe mit Hydroxy- oder Carbonsäurefunktionalität enthält, auf das Polymer, das mehr als eine Boronsäuregruppe enthält, wobei eine mehrschichtige Struktur gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner das Beschichten der Oberfläche mit einem Polymer umfasst, das mehr als eine Gruppe mit Hydroxy- oder Carbonsäurefunktionalität enthält, vor der Aufbringung der Lösung, die ein Polymer umfasst, das mehr als eine Boronsäuregruppe enthält.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner das alternierende Wiederholen der Schritte der Aufbringung des Polymers, das mehr als eine Boronsäuregruppe enthält, und der Aufbringung des Polymers, das mehr als eine Gruppe mit Hydroxy- oder Carbonsäurefunktionalität enthält, umfasst, wobei weitere Schichten der mehrschichtigen Struktur gebildet werden.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Polymer, das mehr als eine Boronsäuregruppe enthält, auf Zell- oder Gewebeoberflächen in vitro aufgetragen wird, um eine Gewebeadhäsion oder Thrombose zu minimieren oder zu verhindern, oder um eine Heilung zu fördern oder eine Infektion zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Polymer, das mehr als eine Boronsäuregruppe enthält, ein angekoppeltes oder inkorporiertes Mittel aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus therapeutischen, diagnostischen und prophylaktischen Mitteln besteht, wobei das Verfahren das Aufbringen des Polymers, das mehr als eine Boronsäuregruppe enthält, auf eine Stelle für die Zuführung des Mittels umfasst.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Polymer, das mehr als eine Boronsäuregruppe enthält, auf die Oberfläche einer medizinischen Vorrichtung aufgebracht wird.
Beschichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9 für den Einsatz in der Medizin.
Verwendung der Beschichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9 bei der Herstellung eines Medikaments zur Minimierung oder Verhinderung einer Gewebeadhäsion oder Thrombose oder zur Förderung einer Heilung oder Verhinderung einer Infektion, wobei die Aufbringung postoperativ erfolgt.
Verwendung der Beschichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9 bei der Herstellung eines Medikaments zur Minimierung einer Metastasierung von Krebszellen.