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Diese
Erfindung betrifft Hydrogele, die durch Photovernetzung biologisch
abbaubarer Polymere, die Vinylgruppen enthalten, erhältlich sind.
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Es
ist anerkannt, dass die Einführung
von Vinylgruppen in wasserlösliche
Polymere die Funktionalität zur
Photovernetzung zu Hydrogelen schafft. Beispielsweise werden die
wasserlöslichen
Polymere mit Acrylaten, die Vinylgruppen für die Photovernetzungsreaktion
liefern, zur Reaktion gebracht. Die Einführung von Vinylgruppen in die
wasserlöslichen
Polymere wurde jedoch auf Kosten vorliegender hydrophiler Gruppen
der Polymere wie Hydroxyl- oder Carboxyl-Gruppen, die zur Wasserlöslichkeit
beitragen, erreicht. Als ein Ergebniswird die Hydrophilie eines
sich ergebenden Polymers und seine Wasser- oder Lösungsmittel-Löslichkeit durch
den Substitutionsgrad beeinflußt,
so dass die Löslichkeit
in Wasser oder in einem Lösungsmittel
sinkt wenn der Substitutionsgrad steigt. Darüber hinaus sinkt das Quellverhältnis der
daraus hergestellten Hydrogele wenn der Substitutionsgrad steigt.
Daher ist beim Stand der Technik für eine Verwendung von Hydrogelen zur
langsamen Freisetzung biologisch aktiver Verbindungen ein hoher
Substitutionsgrad notwendig, und eine Hydrogel-Verwendung zur langsamen
Freisetzung biologisch aktiver Verbindungen ist mit einer guten
Löslichkeit
der das Hydrogel bildenden Polymere nicht vereinbar.
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Es
wurde herausgefunden, dass von Monoestern von Maleinsäure mit
Dextran Vinylgruppen enthaltende Hydrogel-Vorläufer von hervorragender Löslichkeit,
die Hydrogele liefern, die zur langsamen Freisetzung biologisch
aktiver Verbindungen brauchbar sind, bereitgestellt werden. Mit
Monoester ist gemeint, dass die Verbindungen freies Carboxyl haben,
das durch nicht-Veresterung einer Carboxylgruppe von Maleinsäure bereitgestellt
wird. Mit anderen Worten, in jedem gebundenen Maleinsäure-Segment
gibt es eine Estergruppe und eine Vinylgruppe und eine freie Carboxylgruppe.
Die Vinylgruppen liefern die Funktionalität zur Vernetzung zu Hydrogelen.
Die freien Carboxylgruppen verleihen Hydrophilie und erhöhte Löslichkeit
und stehen zur Verfügung,
um mit einer biologisch aktiven Verbindung einen Ester zu bilden
und sie dadurch zu binden. Daher führt die Veresterung von Dextran-Hydroxyl
nicht nur zum Zusatz von Ungesättigtheit
zur Vernetzung zur Hydrogel-Bildung, sondern auch zur Bereitstellung
einer freien Carboxylgruppe, die hydrophiler ist als das Dextran-Hydroxyl, das verestert
wird, und sie erhöht
die Löslichkeit,
während
sie eine Vinylgruppe zur Vernetzung bereitstellt. Im Gegensatz zu
dem, was im Stand der Technik offenbart ist, haben die Hydrogel-Vorläufer mit steigendem
Substitutionsgrad eine erhöhte
Löslichkeit
und liefern Hydrogele mit erhöhtem
Quellverhältnis wenn
der Substitutionsgrad steigt. Die Hydrogel-Vorläufer hierin sind insofern einzigartig,
als eine Erhöhung des
Substitutionsgrads nicht das Opfern von Löslichkeit erfordert.
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Die
Erfindung hierin ist gerichtet auf biologisch abbaubare Hydrogele,
die erhältlich
sind durch Photovernetzung von Dextran-Maleinsäure-Monoestern, bei denen der
durchschnittliche Substitutionsgrad jeder Glucose-Einheit jeder α-D-Glucopyranosyl-Baueinheit
von Dextran mit Maleinsäure
im Bereich von 0,60 bis 1,6, bevorzugt von 0,60 bis 1,30, liegt,
beispielsweise von 0,60 bis 1,26, und die eine massegemittelte Molekülmasse von
40.000 bis 80.000 auf der Basis von Dextran haben, oder Ester davon,
mit einem biologisch aktiven Mittel in Lösung in einem auf einen pH
von 2 bis 8 gepufferten Medium, und Trocknen, die bei pH 7 einen maximalen
Gleichgewichts-Quellverhältnis-Prozentsatz
von 500 bis 1.500 haben, und die gekennzeichnet sind durch eine
Erhöhung
des Quellverhältnisses
bei Erhöhung
des mittleren Substitutionsgrads.
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Diese
Dextran-maleinsäure-monoester-Verbindungen
werden, für
einen Substitutionsgrad von 1,0, beispielhaft veranschaulicht durch
die Formel
in der n einen Bereich hat,
der den oben beschriebenen Molekülmassen-Bereich
liefert.
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In
einer Untergruppe haben die Dextran-maleinsäure-monoester einen mittleren
Substitutionsgrad im Bereich von 0,85 bis 0,95 und eine massegemittelte
Molekülmasse
im Bereich von 65.000 bis 75.000 auf der Basis von Dextran.
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In
einer anderen Untergruppe haben die Dextran-maleinsäure-monoester
einen mittleren Substitutionsgrad im Bereich von 1,20 bis 1,26 und
eine massegemittelte Molekülmasse
im Bereich von 65.000 bis 75.000 auf der Basis von Dextran.
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Die
freie Carbonsäuregruppe
der Maleinsäure-Baueinheit
kann mit einem biologisch aktiven Mittel, z. B. einem zu verabreichenden
Arzneimittel, verestert werden.
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Der
Begriff "auf der
Basis von Dextran" wird
hierin verwendet, um anzugeben, dass die massegemittelte Molekülmasse,
auf die Bezug genommen wird, diejenige des Dextran-Ausgangsmaterials
zur Herstellung des Dextran-maleinsäure-monoesters, das die Dextran-Baueinheit
des Dextran-maleinsäuremonoesters
liefert, ist.
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Der
Begriff "Hydrogel" wird hierin verwendet,
um ein polymeres Material zu bezeichnen, das die Fähigkeit
besitzt, in Wasser zu quellen und eine beträchtli che Menge Wasser innerhalb
seiner Struktur zurückzuhalten,
ohne sich aufzulösen.
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Der
Begriff "biologisch
abbaubares Hydrogel" wird
hierin verwendet, um ein durch Vernetzen eines Polymers gebildetes
Hydrogel zu bezeichnen, das durch Wasser und/oder durch in der Natur
vorkommende Enzyme abgebaut wird.
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Der
Begriff "Hydrogel-Vorläufer" wird hierin verwendet,
um ein wasserlösliches
Polymer zu bezeichnen, das unter Bildung eines Hydrogels in Lösung in
einem Medium photovernetzbar ist.
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Der
Begriff "Photovernetzung" wird hierin verwendet,
um zu bezeichnen, dass Vinylbindungen durch die Anwendung von Strahlungsenergie
zur Spaltung und zur Bildung von Vernetzungen veranlaßt werden.
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Der
Begriff "Substitutionsgrad" wird hierin verwendet,
um die Anzahl an Hydroxylgruppen in einer Glucose-Einheit einer α-D-Glucopyranosyl-Baueinheit
von Dextran zu bezeichnen, die mit Maleinsäure Estergruppen bilden. Da
jede solche Glucose-Einheit drei Hydroxylgruppen enthält, ist
der maximale Substitutionsgrad 3,0. Der mittlere Substitutionsgrad
bedeutet zugleich den mittleren Substitutionsgrad auf der Basis
aller Glucose-Einheiten in den Molekülen des Hydrogel-Vorläufers.
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Der
Begriff Quellverhältnis
ist ein Prozentsatz auf der Basis der folgenden Berechnung
worin W
S gleich
dem Gewicht des gequollenen Hydrogels ist und Wo das Gewicht eines
getrockneten Hydrogels ist. Das Quellen findet mit wässeriger
Lösung
statt und das getrocknete Hydrogel ist so getrocknet, dass es berührungstrocken
ist.
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Der
Begriff "maximales
Quellverhältnis" (bei pH 7) bedeutet
das maximale Quellverhältnis,
das in dem in dem nachfolgenden Beispiel VI dargelegten Test beim
Einweichen in einer Pufferlösung
pH 7 erhalten wurde.
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In
den begleitenden Zeichnungen zeigt:
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1 Quellverhältnisse,
die in Beispiel VI nach Einweichen bei pH 3 erhalten wurden;
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2 Quellverhältnisse,
die in Beispiel VI nach Einweichen bei pH 7 erhalten wurden; und
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3 Quellverhältnisse,
die in Beispiel VI nach Einweichen bei pH 10 erhalten wurden.
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Das
Ausgangsmaterial Dextran ist Dextran mit einer massegemittelten
Molekülmasse
im Bereich von 40.000 bis 80.000 und ist im Handel erhältlich.
Dextran besteht aus (1→6)-verknüpften α-D-Glucopyranosyl-Resten
und trägt
drei Hydroxylgruppen pro Glucose-Einheit.
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Die
Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufer für die Erfindung
hierin werden leicht hergestellt durch Reaktion von Dextran mit
Maleinanhydrid in Anwesenheit eines Lewis-Base-Katalysators. Der
Lewis-Base-Katalysator dient dazu, die Nucleophilie der Hydroxygruppen
des Dextrans zu verstärken.
Bei der Reaktion reagiert eine Hydroxygruppe von Dextran mit Maleinanhydrid
unter Bildung einer Esterbindung; dieser Schritt führt zu einer
Ringöffnung
der Anhydridgruppe von Maleinanhydrid und erzeugt eine freie Carbonsäuregruppe
am Ende des gebundenen Segments.
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Die
Reaktion von Dextran mit Maleinanhydrid wird bevorzugt in einem
dipolaren aprotischen Lösungsmittel,
z. B. N,N-Dimethylformamid (DMF), durchgeführt. LiCl ist bevorzugt in
dem DMF-Reaktionslösungsmittel
enthalten, um die Löslichkeit
von Dextran in DMF zu erhöhen.
Das LiCl tut dies, indem es mit DMF ein Salz bildet und dadurch
die Polarität
des DMF erhöht.
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Der
Lewis-Base-Katalysator ist bevorzugt Triethylamin (TEA).
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Die
Reaktion kann, beispielsweise, bei einem Molverhältnis von Maleinanhydrid zu
Hydroxylgruppen von Dextran im Bereich von 0,3:1 bis 3,0:1, einem
Molverhältnis
von Triethylamin (TEA) zu Maleinanhydrid im Bereich von 0,001:1,0
bis 0,10:1,0, Reaktionstemperaturen im Bereich von 20° C bis 80° C und Reaktionszeiten
im Bereich von 1 Stunde bis 20 Stunden oder mehr ausgeführt werden.
Bedingungen, die die höchsten Substitutionsgrade
im Einklang mit einer effizienten Nutzung von Reagenzien und Zeit
lieferten, wurden mit einem Molverhältnis von Maleinanhydrid zu
Hydroxylgruppen von Dextran von 2:1, einem Molverhältnis von Triethylamin
zu Maleinanhydrid von 0,05:1, einer Reaktionstemperatur von 60° C und Reaktionszeiten
von 10 bis 20 Stunden erhalten.
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Im
allgemeinen bewirkt ein Erhöhen
des Molverhältnisses
von Maleinanhydrid, zu Dextran-Hydroxyl, ein Erhöhen des Molverhältnisses
von TEA zu Maleinanhydrid und ein Erhöhen der Reaktionszeit eine
Erhöhung
des Substitutionsgrads. Eine nahezu lineare Erhöhung des Substitutionsgrads
wurde beim Erhöhen
des Molverhältnisses
von Maleinanhydrid zu Hydroxylgruppe auf 2:1 beobachtet. Eine weitere
Erhöhung
des Molverhältnisses
auf 3:1 führte
zu einer sehr kleinen Erhöhung
des Substitutionsgrads (2%). Von einer Erhöhung des Molverhältnisses
von Katalysator zu Maleinanhydrid wurde beobachtet, dass sie den
Substitutionsgrad bei Erhöhung
des Molverhältnisses
auf 0,05:1 beträchtlich
erhöhte.
Eine weitere Erhöhung
auf 0,1:1 ergab eine kleine Erhöhung
des Substitutionsgrads. Was den Einfluß der Reaktionstemperatur betrifft,
geben die Daten an, dass ein maximaler Substitutionsgrad bei einer
Reaktionstemperatur von etwa 60° C
erhalten wird. Die Veresterungsreaktion wurde bei einer Erhöhung der
Reaktionstemperatur von 20° C
auf 60° C
erleichtert, aber bei 80° C
wurde gefunden, dass der erhaltene Substitutionsgrad im Vergleich
zu dem bei einer Reaktion bei 60° C
erhaltenen Substitutionsgrad verringert war. Es wurde gefunden,
dass der den Substitutionsgrad am meisten beeinflussende Parameter
das Molverhältnis
von Maleinanhydrid zu Dextran-Hydroxyl war.
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Ein
Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufer mit
einem mittleren Substitutionsgrad im Bereich von 0,85 bis 0,95 und
einer massegemittelten Molekülmasse
im Bereich von 65.000 bis 75.000 auf der Basis von Dextran kann,
beispielsweise, hergestellt werden durch Verwendung von Dextran
dieser massegemittelten Molekülmasse
als ein Ausgangsmaterial, und von Reaktionsbedingungen von 1 Mol
Maleinanhydrid zu 1 Mol Dextran-Hydroxyl, 0,10 Mol TEA zu 1 Mol
Maleinanhydrid, einer Reaktionstemperatur von 60° C und einer Reaktionszeit von
8 Stunden, um eine Verbindung mit einem Substitutionsgrad von etwa
0,90 herzustellen, oder eines Molverhältnisses von Maleinanhydrid
zu Hydroxylgruppe von Dextran von 1:1, eines Molverhältnisses
von TEA zu Maleinanhydrid von 0,03:1, einer Reaktionstemperatur
von 80° C
und einer Reaktionszeit von 20 Stunden, um eine Verbindung mit einem
Substitutionsgrad von 0,90 zu erhalten, oder durch Verwendung dieser
Ergebnisse, um andere Bedingungen zu wählen, um Verbindungen mit Substitutionsgraden in
dem Bereich von 0,85 bis 0,95 herzustellen.
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Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufer mit
einem mittleren Substitutionsgrad im Bereich von 1,20 bis 1,26 und
einer massegemittelten Molekülmasse
im Bereich von 65.000 bis 75.000 auf der Basis von Dextran können, beispielsweise,
hergestellt werden durch Verwendung von Dextran dieser massegemittelten
Molekülmasse
als ein Ausgangsmaterial und von Reaktionsbedingungen von 1 Mol
Maleinanhydrid zu 1 Mol Dextran-Hydroxyl, 0,10 Mol TEA zu 1 Mol
Maleinanhydrid, einer Reaktionstemperatur von 60° C und einer Reaktionszeit von
8 Stunden, um eine Verbindung mit einem Substitutionsgrad von 1,26
zu erhalten, oder durch Verwendung dieses Ergebnisses, um andere
Bedingungen zu wählen,
um Verbindungen mit Substitutionsgraden in dem Bereich von 1,20
bis 1,26 herzustellen.
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Wie
oben angegeben, können
die freien Carboxyle in den Monoestern mit einem biologisch aktiven Mittel,
z. B. einem Arzneimittel, verestert werden. Beispiele für Arzneimittel
und biologisch aktive Mittel, die mit freiem Carboxyl des Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufers hierin
unter Bildung von Estern zur Reaktion gebracht werden können, umfassen
Arzneimittel und andere biologisch aktive Mittel, die eine oder mehrere
Hydroxylgruppen enthalten, wozu beispielsweise Estron, Estradiol,
Doxorubicin und Camptothecin gehören.
Die Veresterungen können
bei normalen Veresterungsbedingungen ausgeführt werden.
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Der
erhaltene Substitutionsgrad wird leicht aus 1H-NMR-Daten
durch Integration und Normalisierung der Peaks der Doppelbindung
in dem Maleinsäure-Segment
und des Hydroxyl-Wasserstoffs des Dextran-Segments, und Dividieren
der Peakfläche
des Doppelbindungsbereichs des Maleinsäure-Segments durch die Peakfläche des
Hydroxyl-Wasserstoffs in dem Dextran berechnet.
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Der
zu erhaltende Substitutionsgrad hängt von der Endverwendung des
Hydrogels ab. Beispielsweise kann für eine Hydrogel-Verwendung
zur Zuführung
von Arzneimittel über
einen Zeitraum im Bereich von nur 2 Stunden bis 48 Stunden oder
mehr ein Substitutionsgrad im Bereich von 0,60 bis 1,6 für wesentlich
erachtet werden. Für
eine Hydrogel-Verwendung zur Einkapselung von Viren, die in der
Gentherapie verwendet werden, kann ein Substitutionsgrad im Bereich
von 0,60 bis 1,6 für
wesentlich erachtet werden.
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Die
Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufer haben
eine hervorragende Löslichkeit,
die im Vergleich zur Löslichkeit
von Dextran erhöht
ist. Diese hervorrragende Löslichkeit
ist wichtig, weil sie die Reaktion mit oder das Einschließen oder
Beschichten von hydrophilen, biologisch aktiven Mitteln erleichtert
und die Hydrogelbildung erleichtert. Sie tut dies, indem sie den
Bedarf an von Wasser verschiedenen Lösungsmitteln minimiert und
das Erfordernis des Erhitzens, um eine Lösung zu bewirken, minimiert.
Wie Dextran lösen sich
die Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufer bei
Raumtemperatur in Wasser und Dimethylsulfoxid unter Bildung klarer
Lösungen,
aber die Dextran-maleinsäure-monoester-Vorläufer lösen sich
in Wasser und Dimethylsulfoxid schneller unter Bildung klarer Lösungen,
als es Dextran tut. Die Löslichkeit
in Wasser bei Raumtemperatur ist wichtig, weil Wasser im Überfluß vorhanden
ist und nicht toxisch ist. Andererseits sind Hydrogel-Vorläufer des
Stands der Technik normalerweise nicht leicht in Wasser löslich und
erfordern zur Auflösung
höhere
Temperaturen als Raumtemperatur und/oder organische Lösungsmittel,
die Reinigungsprobleme bereiten und zu einer verringerten Beladung
an biologisch aktivem Mittel im Hydrogel führen können (da die Reinigung ein
Waschen beinhalten kann, das nebenbei etwas von dem eingefüllten biologisch
aktiven Mittel entfernt). Darüber
hinaus sorgt die hervorragende Löslichkeit
des Dextran-maleinsäure-Vorläufers hierin
für eine
homogenere Beladung mit biologisch aktivem Mittel. Die Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufer hierin
lösen sich
auch bei Raumtemperatur in Dimethylformamid, Diethylacetamid und
N-Methylpyrrolidon unter Bildung klarer Lösungen, während Dextran es nicht tut.
Weder Dextran noch die Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufer lösen sich
bei Raumtemperatur in Tetrahydrofuran oder Methylenchlorid unter
Bildung klarer Lösungen.
Daher haben die Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufer im
Vergleich zu Dextran die einzigartige Eigenschaft, dass sie leicht
mit bestimmten Arzneimitteln und anderen biologisch aktiven Verbindungen,
z. B. Estron, das sich in polaren Lösungsmitteln wie Dimethylformamid,
Dimethylacetamid, N-Methylpyrrolidon
und Dimethylsulfoxid bei Raumtemperatur löst, sich aber nur sehr geringfügig in Wasser
löst, Isonicotinsäure-Hydrazid
und Acetylsalicylsäure,
die sich in Dimethylformamid lösen,
aber in Wasser begrenzte Löslichkeit
haben, zur Reaktion gebracht werden.
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In
einem Fall wird das wässerige
Medium, in dem der Vorläufer
zur Photovernetzung gelöst
wird, auf einen pH von 7 gepuffert. Ein geeignetes, auf pH 7 gepuffertes,
wässeriges
Medium ist erhältlich
von VWR Scientific Products aus West Chester, Pennsylvania, unter
der Katalog-Nr. 3417-115, und enthält 0,05 M Natriumphosphat,
zweibasig (Chemical Abstract Registrier-Nr. 7558-79-4), 0,05 M Kaliumphosphat,
einbasig (Chemical Abstract Registrier-Nr. 7778-770), antimikrobielles
Mittel und Wasser. Ein niedrigerer pH bringt die Doppelbindungen
wegen des Kollabierens der Struktur näher zusammen und erleichtert
dadurch die Vernetzungsreaktion.
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Bevorzugt
wird ein Photoinitiator, z. B. 2,2'-Dimethoxy-2-phenyl-acetophenon, zu
der Lösung,
die der Photovernetzung unterzogen werden soll, in einer Menge von
1 bis 5 Gew.% des Dextran-maleinsäure-Hydrogel-Vorläufers, der
photovernetzt wird, zugegeben.
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Die
Photovernetzung wird ohne weiteres durch UV-Bestrahlung, z. B. unter
Verwendung einer langwelligen UV-Lampe, ausgeführt.
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Die
Trocknung erfolgt bevorzugt so, dass das gebildete Hydrogel berührungstrocken
ist.
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Die
Trocknung kann bei Raumtemperatur in einem Vakuumofen ausgeführt werden.
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Zum
Einschließen
eines biologisch aktiven Mittels kann das Mittel mit dem Hydrogel-Vorläufer in
der Lösung
des gepufferten Mediums, das Photovernetzungs-Bedingungen ausgesetzt
wird, gemischt werden, so dass die Photovernetzung eine Bildung
von Hydrogel mit darin eingeschlossenem oder davon eingekapseltem biologisch
aktiven Mittel bewirkt.
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Der
erhaltene Vernetzungsgrad hängt
vom Substitutionsgrad des Vorläufers
ab. Es wurde gefunden, dass der minimale Substitutionsgrad, der
für eine
angemessene UV-Photovernetzung in dem Vorläufer erforderlich ist, 0,60
ist. Die Photovernetzung wird ausgeführt, um zumindest die ein Gelieren
erzeugende Vernetzung zu erhalten. Die Zeit der Photovernetzung
kann über
diejenige, bei der man nur ein Gelieren erhält, hinaus verlängert werden,
um mehr Vernetzung zu erhalten. Die Wirkung des erhöhten Vernetzungsgrads
ist, die Löslichkeit
zu verringern und die Stabilität
zu erhöhen.
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Ein
Beispiel einer Vernetzung, die erhalten werden kann, ist unten dargelegt
worin n einen Bereich hat,
der den oben beschriebenen Molekülmassen-Bereich
liefert, für
einen Substitutionsgrad von 1,0.
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Bei
pH 7 hat das Hydrogel im wässerigen
Medium ein maximales Quellverhältnis
im Bereich von 500 bis 1.500%.
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Das
gebildete Hydrogel hat ein hohes Quellverhältnis in wässeriger Lösung, wobei die Größe der Quellung
von dem pH der wässerigen
Lösung,
in die ein getrocknetes Hydrogel eingetaucht wird, abhängt. Die höchsten Gleichgewichts-Queliverhältnisse
werden bei neutralem pH erhalten, gefolgt von saurem pH (wie von einem
pH von 3 repräsentiert).
Bei alkalischem pH (wie von einem pH von 10 repräsentiert) lösten sich die Hydrogele auf,
bevor die Gleichgewichts-Quellung erhalten wurde. Ein höheres Quellverhältnis ergibt
eine raschere Freisetzung von chemisch reagiertem oder eingeschlossenem
Mittel. Daher schafft die Wahl des pH des Quellungsmediums ein Verfahren
zur Kontrolle des Freisetzungsverhältnisses von chemisch reagiertem oder
eingeschlossenem Mittel in einer anderen als einer medizinischen
Umgebung. In ei ner medizinischen Umgebung ist der pH derjenige,
der in dem Bereich des Körpers,
den das Hydrogel berührt,
vorliegt.
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Das
gebildete Hydrogel ist gekennzeichnet durch ein erhöhtes Quellverhältnis und
eine erhöhte
Löslichkeit
mit der Erhöhung
des Substitutionsgrads durch Maleinsäure in dem Hydrogel-Vorläufer. Eine
Erhöhung des
Quellverhältnisses
bei einem erhöhten
Substitutionsgrad wird durch Hydrogele von Acrylsäure und
ihren Derivaten nicht erreicht. Alle gegenwärtigen experimentiellen und
kommerziellen biologisch abbaubaren Hydrogele zeigen ein geringeres
Quellverhältnis
und eine geringere Löslichkeit,
wenn der Substitutionsgrad steigt.
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Ein
höheres
Quellverhältnis
ergibt eine raschere Freisetzung eines Mittels, das mit dem Hydrogel
reagiert oder in ihm eingeschlossen ist. Ein höheres Quellverhältnis ergibt
eine offenere Struktur, die der Struktur von Gewebe ähnlicher
ist, und ist wichtig für
Verwendungen mit Gewebekontakt.
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Ein
höheres
Quellverhältnis
ist mit einer hohen Hydrophilie verbunden, die wichtig ist für den Gebrauch für Kontaktlinsen
und Wundheilung.
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Ein
höheres
Quellverhältnis
sorgt auch für
eine bessere Absorption für
Hygieneverwendungen.
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Die
von den Vorläufern
hierin gebildeten Hydrogele sind leicht herzustellen wegen der Fähigkeit
des Hydrogel-Vorläufers,
sich leichter in üblichen
organischen Lösungsmitteln,
einschließlich
Wasser, zu lösen
als konventionelle Hydrogel-Vorläufer.
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Je
höher der
mittlere Substitutionsgrad in dem Hydrogel-Vorläufer, desto geringer die Nässestabilität des gebildeten
Hydrogels, d. h., desto geringer die Zeit, die das Hydrogel im wässerigen
Medium besteht, bevor es sich auflöst.
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Die
gebildeten Hydrogele sind biologisch abbaubar, weil Dextran biologisch
abbaubar ist und die Esterbindungen biologisch abbaubar sind.
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Die
Hydrogele aus den Vorläufern
hierin sind zur kontrollierten Freisetzung von Arzneimitteln brauchbar.
Für diesen
Gebrauch können
die Arzneimittel mit den freien Carboxylen in den Vorläufern zur
Reaktion gebracht werden, um kovalente Bindungen zwischen Arzneimitteln
und Vorläufer
zu bilden, oder das Arzneimittel kann von dem Vorläufer physikalisch
eingekapselt oder eingeschlossen werden. Das Arzneimittel wird durch
metabolische Einwirkung auf das Hydrogel freigesetzt, und die Bindung
an, oder die Einschließung
oder Einkapselung in Hydrogel verzögert die Freisetzung, beispielsweise
für 2 bis
48 Stunden oder mehr.
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Die
Hydrogele aus den Vorläufern
hierin sind als zeitweilige Hautabdeckung, z. B. als ein Wundverband
oder eine künstliche
Haut, brauchbar. In diesem Fall kann das Hydrogel vorteilhafterweise
antimikrobielles Mittel und/oder Wundheilungs-Wachstumsfaktor(en)
enthalten.
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Die
Hydrogele aus den Vorläuferin
hierin sind als Beschichtungen auf chirurgischen Implantaten, beispielsweise
als eine Beschichtung auf einem Gefäß- transplantat zur Verringerung
der Thrombogenität, brauchbar.
Im Falle einer anti-thrombogenen Funktion kann das Hydrogel vorteilhafterweise
ein Mittel gegen Gerinnung, z. B. Heparin, einschließen oder
einkapseln oder enthalten.
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Die
Hydrogele aus den Vorläufern
hierin sind brauchbar zum Einkapseln von in der Gentherapie verwendeten
Viren, um die Viren vor dem Immunsystem des Körpers zu schützen, bis
sie die Stelle erreichen, wo die genetische Veränderung stattfinden soll. Bei
der konventionellen Gentherapie werden die Viren an der Stelle des
zukünftigen
Einbaus injiziert, und es sind viele Injektionen erforderlich, um
die Inaktivierung von Viren auszugleichen. Die Hydrogele hierin
schützen
die Viren, so dass weniger Injektionen verwendet werden können.
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Die
Hydrogele aus den Vorläufern
hierin sind für
landwirtschaftliche Zwecke zum Beschichten von Samen brauchbar.
Die Hydrogel-Beschichtung fördert
die Rückhaltung
von Wasser während
der Keirnung der Saat und fördert
den Sauerstofftransport mittels der Porenstrukturen und kann chemische
Mittel, z. B. Pestizide, zur Zuführung
zu den Samen enthalten.
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Die
Hydrogele aus den Vorläufern
hierin sind brauchbar für
die Verabreichung von basischem Fibroblasten-Wachstumsfaktor (bFGF),
um die Proliferation von Osteoblasten zu stimulieren (d. h. die
Knochenbildung zu fördern)
und um die Angiogenese (Entwicklung von Blutgefäßen) zu stimulieren. Die anhängenden freien
Carbonsäuregruppen
der Vorläufer
hierin dienen als Stellen für
die ionische Bindung von bFGF. Die Hydrogele, in denen bFGF enthalten
ist, werden örtlich
am Knochen oder an Blutgefäßen angewendet.
Beim biologischen Abbau des Hydrogels wird eine Langzeitfreisetzung
von bFGF zur Förderung
des Knochenwachstums und der Blutgefäßbildung erhalten. Die Bindung
des bFGF an die Vorläufer
hierin schützt
den bFGF gegen enzymatischen Abbau oder Denaturierung, so dass der
bFGF seine biologischen Funktionen erfüllen kann, und sie tritt ein
wegen der bFGF eigenen Affinität
zu sauren Verbindungen.
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Die
Hydrogele aus den Vorläufern
hierin sind auch in den Fällen
brauchbar, in denen Hydrogele konventionell verwendet werden, z.
B. zur Verdickung in Nahrungsmitteln, zur Feuchtigkeitsabgabe an
Pflanzen, zur Fluid-Aufnahme und -Rückhaltung im Hygienebereich,
als hydrophile Beschichtungen für
Textilanwendungen, für
Kontaktlinsen und für
Trenn- und Diffusions-Gele in der Chromatographie und Elektrophorese.
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Die
Erfindung hierin wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht.
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Beispiel 1
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Dextran
(2,0 g) mit einer massegemittelten Molekülmasse von 70.000 wurde in
20 ml Dimethylformamid, das 10 Gew.% LiCl enthielt, bei 90° C unter
Stickstoffgas gelöst.
Nachdem festgestellt wurde, dass sich das Dextran klar löste, wurde
die sich ergebende Lösung
auf Reaktionstemperatur abkühlen
lassen. Dann wurde Triethylamin in einer Menge von 0,11 g zugegeben,
und es wurde 15 Minuten lang gerührt.
Maleinanhydrid (3,626 g) wurde zugegeben. Das Molverhältnis von
Hydroxylgruppen in Dextran zu Maleinanhydrid war 1:1. Das Molverhältnis von
Triethylamin zu Maleinanhydrid war 0,03:1. Die Reaktion stemperatur
wurde 20 Stunden lang gehalten. Es wurden Versuche durchgeführt bei
Reaktionstemperaturen von 20° C,
40° C, 60° C und 80° C. Am Ende
des 20-stündigen
Reaktionszeitraums wurden die Reaktionsgemische in kaltem Isopropylalkohol ausgefällt, mehrere
Male mit Isopropylalkohol gewaschen und bei Raumtemperatur in einem
Vakuumofen getrocknet. Es wurde Dextranmaleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufer gebildet,
und die Substitutionsgrad-Ergebnisse sind in Tabelle 1 unten dargelegt.
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Beispiel II
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Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufer wurde
hergestellt wie in Beispiel I mit der Ausnahme, dass die Reaktion
bei 60° C
durchgeführt
wurde und die Reaktionszeit variiert wurde, wobei Versuche mit Reaktionszeiten
von 1, 3, 5, 10 und 20 Stunden durchgeführt wurden. Die Substitutionsgrad-Ergebnisse sind
in Tabelle 2 unten dargelegt.
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Beispiel III
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Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufer wurde
wie in Beispiel I hergestellt mit der Ausnahme, dass die Reaktionstemperatur
60° C betrug,
die Reaktionszeit 10 Stunden betrug und das Molverhältnis von
Triethylamin zu Maleinanhydrid variiert wurde, wobei Versuche mit
Molverhältnissen
von Triethylamin zu Maleinanhydrid von 0,01:1,0, 0,03:1,0, 0,05:1,0
und 0,10:1,0 durchgeführt
wurden. Die Substitutionsgrad-Ergebnisse sind in Tabelle 3 unten
dargelegt:
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Beispiel IV
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Dextran-maleinsäure-Hyrogel-Vorläufer wurde
hergestellt wie in Beispiel I mit der Ausnahme, dass das Molverhältnis von
Triethylamin zu Maleinanhydrid 0,10:1 betrug, die Reaktionstemperatur
60° C betrug und
die Reaktionszeit 8 Stunden betrug und das Molverhältnis von
Maleinanhydrid zu Hydroxylgruppen von Dextran variiert wurde, wobei
Versuche mit Molverhältnissen
von Maleinanhydrid zu Hydroxylgruppen von Dextran von 0,5:1,0, 1,0:1,0,
1,5:1,0, 2,0:1,0 und 3,0:1,0 durchgeführt wurden. Die Substitutionsgrad-Ergebnisse
sind in Tabelle 4 unten dargelegt:
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Beispiel V
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Löslichkeitstests
von Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufer und
Dextran wurden bei Raumtemperatur in Wasser, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid,
Dimethylacetamid, N-Methylpyrrolidon, Tetrahydrofuran und Methylenchlorid
nach dem folgenden Verfahren durchgeführt: 0,1 g Hydrogel-Vorläufer wurde
in 5 ml Lösungsmittel
eingemischt und es wurde 24 Stunden lang gerührt. Es wurden Versuche durchgeführt mit
Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufer, der
aus Dextran mit einer massegemittelten Molekülmasse von 70.000 hergestellt
worden war, in einem Fall mit einem Substitutionsgrad von 0,30,
und in anderen Fällen
mit Substitutionsgraden von 0,90 und 1,26. Das getestete Dextran
hatte eine massegemittelte Molekülmasse
von 70.000. Die Ergebnisse waren für die Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufer dieselben,
unabhängig
vom Substitutionsgrad. Die Löslichkeitsergebnisse
sind in Tabelle 5 unten dargelegt, worin "+" bedeutet,
löst sich
unter Bildung einer klaren Lösung
bei Raumtemperatur, und "–" bedeutet, löst sich
nicht unter Bildung einer klaren Lösung bei Raumtemperatur.
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Es
wurde zwar gefunden, dass sich sowohl Dextran-maleinsäure-monoester
als auch Dextran in Wasser und Dimethylsulfoxid unter Bildung klarer
Lösungen
bei Raumtemperatur lösten,
aber die Lösung
geschah für
die Dextran-maleinsäure-monoester
schneller als für
Dextran.
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Beispiel VI
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In
einem Fall wurde Dextran-maleinsäure-Hydrogel-Vorläufer mit
einem Substitutionsgrad von 0,90 (aus Dextran mit einer massegemittelten
Molekülmasse
von 70.000) und in einem anderen Fall Dextran-maleinsäure-Hydrogel-Vorläufer mit
einem Substitutionsgrad von 1,26 (aus Dextran mit einer massegemittelten Molekülmasse von
70.000) in einer Pufferlösung
mit pH 7 (VWR Scientific Products, Katalog-Nr. 34170-115, oben beschrieben)
gelöst.
In jedem Fall wurde das folgende Verfahren verwendet: 0,4 g Vorläufer wurden
in 1 ml Pufferlösung
gelöst.
Dann wurde 2,2'-Dimethoxy-2-phenyl-acetophenon-Photoinitiator
(3 Gew.% des Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogel-Vorläufers),
gelöst
in 0,024 ml N-Methylpyrrolidon, zugegeben, und es wurde einige wenige
Sekunden lang schnell gerührt.
Die sich ergebende Lösung
wurde auf eine Glasplatte gegossen und mit einer langwelligen UV-Lampe mit 360 nm
(UVL-18, UVP Upland, CA, USA) bestrahlt, bis ein Gelieren auftrat.
Die Bestrahlung wurde nach dem Auftreten des Gelierens für 4 Stunden
und 20 Minuten fortgesetzt, für
eine Gesamtbestrahlungszeit von 5 Stunden. Die sich ergebenden Hydrogele
waren biegsam und halbtransparent. Die sich ergebenden Hydrogele
wurden mehrmals mit Isopropylalkohol gewaschen und bei Raumtemperatur
in einem Vakuumofen getrocknet, so dass sie berührungstrocken waren. Das getrocknete Hydrogel
hatte ein braunes, klebriges gummiartiges Aussehen und Wesen.
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An
den getrockneten Hydrogelen wurden Quellungstests nach dem folgenden
Verfahren durchgeführt. Getrocknete
Dextran-maleinsäure-monoester-Hydrogele
wurden gewogen und dann in Pufferlösungen eingeweicht. Es wurden
Versuche durchgeführt
unter Verwendung von Pufferlösung
von pH 3 (Katalog-Nr. 34170-103 von VWR Scientific Products aus
West Chester, Pennsylvania, bestehend aus 0,05 M Kaliumhydrogenphthalat,
Chemical Abstracts Registrier-Nr. 877-24-7, und antimikrobiellem
Mittel in Wasser), unter Verwendung von Pufferlösung von pH 7 (VWR Scientific
Products Katalog-Nr. 34170-115,
oben beschrieben), und unter Verwendung von Pufferlösung von
pH 10 (Katalog-Nr. SB116-500 von Fischer Chemical, Fisher Scientific,
Fair Lawn, New Jersey, bestehend aus einer 0,05 M Lösung von
Kaliumhydroxid, CAS 1310-58-3, Kaliumcarbonat, CAS 584-08-7, Kaliumtetraborat-pentahydrat,
CAS 1228-83-5, und Dinatrium-ethylendiamin-tetraessigsäure-dihydrat,
CAS 6381-92-6, in Wasser). In jedem Fall wurde das eingeweichte
Hydrogel in vorbestimmten Intervallen entfernt, das Oberflächenwasser
des Hydrogels wurde mit einem Papierhandtuch schonend entfernt,
und dann wurde das Hydrogel gewogen bis keine weitere Gewichtsveränderung
festgestellt wurde. Die Quellungsverhältnis-Prozentsätze wurden
unter Verwendung der oben dargelegten Formel berechnet. Die Ergebnisse
sind in den 1, 2 und 3 dargelegt,
wobei 1 die Quellverhältnisse nach Einweichen in
einer Lösung
von pH 3 angibt, 2 die Quellverhältnisse
nach Einweichen in einer Lösung
von pH 7 angibt, und 3 die Quellverhältnisse
nach Einweichen in einer Lösung
von pH 10 angibt. In jeder der Figuren steht "D.S." für "Substitutionsgrad". Für Hydrogel
aus Dextran-maleinsäure-monoester
mit einem Substitutionsgrad von 0,90 wurde die Gleichgewichtsquellung
in einer Pufferlösung
von pH 7 nach 5 Stunden erhalten (1.171 %), und sie blieb ohne irgendein
Zeichen für
strukturelles Auseinanderfallen für einige wenige Tage erhalten,
und in einer Pufferlösung
von pH 3 wurde die Gleichgewichtsquellung nach 300 Minuten erhalten
(600%), und dieses Quellverhältnis
blieb erhalten bis, beginnend 48 Stunden nach dem Eintauchen, das Hydrogel
sich aufzulösen
begann.
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Beispiel VII
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In
dem Bestreben, Hydrogele mit Dextran-maleinsäure-monoestern mit Substitutionsgraden
von 0,30, 0,36, 0,39, 0,51, 0,57, 0,60 und 0,84 zu erhalten, wurde
eine Behandlung durchgeführt,
wie sie in Beispiel VI angegeben ist. Es wurde gefunden, dass der
minimale Substitutionsgrad, der für ein Hydrogel zur angemessenen
UV-Photovernetzung erforderlich ist, 0,60 ist.
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Beispiel VIII
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Quellungstests
wurden an Hydrogelen, die aus Dextran-maleinsäure-monoestern mit Substitutionsgraden
von 0,90, 1,26, 1,47 und 1,53 gebildet waren, durchgeführt, wie
in Beispiel VI dargelegt. Die aus Monoestern mit Substitutionsgraden
von 0,90 und 1,26 gebildeten Hydrogele hatten in Pufferlösungen (pH
3, 7 und 10) mindestens 60 Minuten Bestand. Die aus den Monoestern
mit Substitutionsgraden von 1,47 und 1,53 gebildeten Hydrogele zeigten
augenblicklich, wenn sie in Pufferlösungen (pH 3, 7 und 10) eingetaucht
wurden, eine große
Wasseraufnahme, aber lösten
sich kurz danach (innerhalb von 10 Minuten) in den Pufferlösungen auf.
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Beispiel IX
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Dextran-maleinsäure-Hydrogel-Vorläufer mit
einem Substitutionsgrad von 0,90 (aus Dextran mit einer massegemittelten
Molekülmasse
von 70.000) und mit einem Substitutionsgrad von 1,26 (aus Dextran
mit einer massegemittelten Molekülmasse
von 70.000) werden verwendet.
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In
jedem Fall werden 0,2 g Dextran-maleinsäure-Hydrogel-Vorläufer in
1 ml Phosphat-Pufferlösung (PBS)
von pH 7,4 gelöst.
Dann werden 0,004 g 2,2'-Dimethoxy-2-phenyl-acetophenon
als ein Initiator zugegeben. Dann werden 50 μg bFGF zugegeben. Die sich ergebenden
Lösungen
werden auf eine TeflonTM-Platte gegossen
und mit einer langwelligen UV-Lampe 4 Stunden lang bestrahlt, um
ein vernetztes Dextran-maleinsäure-Hydrogel-Netzwerk
mit darin imprägniertem
bFGF zu erhalten. Das Hydrogel-Netzwerk wird zwei Tage lang unter
Vakuum getrocknet. Das sich ergebende Produkt kann örtlich am
Knochen angewendet werden, um das Knochenwachstum zu fördern, und
an Blutgefäßen, um
die Blutgefäßbildung
zu fördern.
