JP2004043749A - Hydrogel, gelatinous material and method for controlling diffusion of substance - Google Patents

Hydrogel, gelatinous material and method for controlling diffusion of substance Download PDF

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吉岡 浩
Yamato Kubota
窪田 倭
Yuichi Mori
森 有一
Yasuharu Noisshiki
野一色 ▲やす▼晴
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogel capable of suitably controlling the retention and/or diffusion of a valuable substance, a gelatinous material and a method for controlling the diffusion of a substance. <P>SOLUTION: The hydrogel at least contains a hydrogel-forming polymer giving an aqueous solution exhibiting a thermoreversible sol-gel transition to take a sol state at a low temperature and a gel state at a high temperature. The hydrogel satisfies the formulas (D<SB>PR</SB>/D<SB>MB</SB>)≥2 and (D<SB>PR</SB>/D<SB>MG</SB>)≥1.2 wherein D<SB>PR</SB>, D<SB>MB</SB>and D<SB>MG</SB>are diffusion coefficients of phenol red, methyl blue and myoglobin, respectively. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、種々の有用物質の保持および/又は拡散(ないし放出)に好適に使用可能なハイドロゲル、該ハイドロゲルを用いたゲル体、および該ハイドロゲルを用いて有用物質の保持および/又は拡散を好適に制御することが可能な制御方法に関する。
【0002】
本発明のハイドロゲルを用いることにより、種々の有用物質(例えば、医薬品等の生理活性物質)の保持/拡散を、種々の条件に適合するように好適に制御することが可能となる。
【0003】
【従来の技術】
ハイドロゲル形成性の高分子(例えば、コラーゲン、寒天、アルギン酸、ヒアルロン酸等)と、水性の分散媒とを少なくとも含むハイドロゲルは、種々の産業(例えば、化学、製薬、食品、農業、等)のみならず個人的・家庭的な用途にも幅広く使用されて来た。水性の分散媒を含むハイドロゲルは、いわゆる「環境に優しい材料」であることから、今後とも、その利用はなお一層拡大することが有望視されている。
【0004】
このようなハイドロゲルの保持/拡散の機能を有効に利用することにより、該ハイドロゲル中に配置された物質の保持および/又は(ないし放出)を好適に制御できる可能性があるため、従来より、ハイドロゲルは、種々の物質の保持および/又は拡散に利用されて来た。例えば、ハイドロゲルの保持/拡散の機能は、所望の生理活性物質を所望のリリースプロファイルで、且つ所望の場所にデリバリーするドラッグデリバリーシステム(DDS)への応用が大いに期待されている。
【0005】
しかしながら、上述したような従来のハイドロゲル形成性の高分子(コラーゲン、寒天、アルギン酸、ヒアルロン酸等)と、水性の分散媒とからなるハイドロゲルにおいては、該ハイドロゲル中に配置されるべき物質の拡散性を制御することが極めて困難であった。これは、このような物質の拡散性に影響すべきファクターが数多く、しかもそれらファクター相互間の関係が極めて複雑であるために、統一的な指標が無く、したがって、従来は数多くの試行錯誤の結果に基づき、経験則的に(いわば「手探り」の探索で)特定のハイドロゲルにおける物質の保持/拡散性を制御していたに過ぎない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記した従来のハイドロゲルの欠点を解消したハイドロゲル、ゲル体、および物質の拡散制御方法を提供することにある。
【0007】
本発明の他の目的は、有用物質の保持および/又は拡散を好適に制御することが可能なハイドロゲル、ゲル体、および物質の拡散制御方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者は鋭意研究の結果、特定のハイドロゲル形成性の高分子を少なくとも含むハイドロゲルにおいては、特定の物質相互間の拡散係数の比が、種々の有用物質の保持および/又は拡散の機能を直接的に反映する指標として極めて有用であることを見出した。
【0009】
本発明者はこのような知見に基づいて更に研究を進めた結果、上記した特定の物質相互間の拡散係数の比を調節することにより、有用物質の保持および/又は拡散を好適に制御することが可能であることを見出した。
【0010】
本発明のハイドロゲルは上記知見に基づくものであり、より詳しくは、その水溶液が低温でゾル状態、高温でゲル状態となる熱可逆的なゾル−ゲル転移を示すハイドロゲル形成性の高分子を少なくとも含むハイドロゲルであって;
フェノールレッド(PR)、メチルブルー(MB)、およびミオグロビン(MG)の拡散係数の比が、(DPR/DMB)≧2および(DPR/DMG)≧1.2を満たすことを特徴とするものである。
本発明によれば、更に、有用物質と、該有用物質の周囲に配置されたハイドロゲルとを少なくとも含むゲル体であって;該ハイドロゲルが、その水溶液が低温でゾル状態、高温でゲル状態となる熱可逆的なゾル−ゲル転移を示すハイドロゲル形成性の高分子を少なくとも含み、且つ、前記ハイドロゲルにおけるフェノールレッド(PR)、メチルブルー(MB)、およびミオグロビン(MG)の拡散係数の比が、(DPR/DMB)≧2および(DPR/DMG)≧1.2を満たすことを特徴とするゲル体が提供される。
【0011】
本発明によれば、更に、有用物質と、該有用物質の周囲に配置されたハイドロゲルとを少なくとも含むゲル体を用いて、有用物質の保持/拡散を制御する方法であって;該ハイドロゲルが、その水溶液が低温でゾル状態、高温でゲル状態となる熱可逆的なゾル−ゲル転移を示すハイドロゲル形成性の高分子を少なくとも含み、且つ、前記ハイドロゲルにおけるフェノールレッド(PR)、メチルブルー(MB)、およびミオグロビン(MG)の拡散係数の比が、(DPR/DMB)≧2および(DPR/DMG)≧1.2を満たすことを特徴とする制御方法が提供される。
【0012】
本発明者の知見によれば、上記した拡散係数の比(DPR/DMB)および(DPR/DMG)は、それぞれ、ハイドロゲル中のハイドロゲル形成性高分子からなる親水性/疎水性バランス、およびハイドロゲル形成性高分子の網目構造による「篩い効果」に基づく、有用物質の拡散における分子量依存性を反映するものと推定される。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、必要に応じて図面を参照しつつ本発明を更に具体的に説明する。以下の記載において量比を表す「部」および「%」は、特に断らない限り質量基準とする。
【0014】
(ハイドロゲル)
本発明のハイドロゲルは、ゾル−ゲル転移温度を有するハイドロゲル形成性の高分子を少なくとも含む。該ハイドロゲルは、より低い温度でゾル状態、より高い温度でゲル状態となる熱可逆的なゾル−ゲル転移を示す。
【0015】
(ハイドロゲル形成性高分子)
本発明のハイドロゲルを構成する「ハイドロゲル形成性高分子」とは、架橋(crosslinking)構造ないし網目構造を有し、該構造に基づき、その内部に水等の分散液体を保持することによりハイドロゲルを形成可能な性質を有する高分子をいう。又、「ハイドロゲル」とは高分子からなる架橋ないし網目構造と該構造中に支持ないし保持された(分散液体たる)水を少なくとも含むゲルをいう。
【0016】
架橋ないし網目構造中に保持された「分散液体」は水を主要成分として含む液体である限り、特に制限されない。より具体的に言えば、分散液体は水自身であってもよく、また水溶液及び/又は含水液体のいずれであってもよい。この含水液体は、該含水液体の全体100部に対して、水を80部以上、更には90部以上含むことが好ましい。
【0017】
本発明の目的に反しない限り、上記分散液体は、所定の含量で有機溶媒(例えば、水と相溶性を有するエタノール等の親水性溶媒)を含んでいてもよい。
【0018】
(ゾル−ゲル転移温度)
本発明において「ゾル状態」、「ゲル状態」および「ゾル−ゲル転移温度」は以下のように定義される。この定義については文献(Polymer Journal.18(5)、411〜416(1986))を参照することができる。
【0019】
より詳しくは、ゾル状のハイドロゲル1mLを内径1cmの試験管に入れ、所定の温度(一定温度)とした水浴中で12時間保持する。この後、試験管の上下を逆にした場合に、溶液/空気の界面(メニスカス)が溶液の自重で変形した場合(溶液が流出した場合を含む)には、上記所定温度においてハイドロゲルは「ゾル状態」であると定義する。他方、上記試験管の上下を逆にしても、上記した溶液/空気の界面(メニスカス)が溶液の自重で変形しない場合には、該ハイドロゲルは、上記所定温度において「ゲル状態」であると定義する。
【0020】
上記測定において、濃度が例えば約8質量%のゾル状のハイドロゲル(溶液)を用い、上記した「所定温度」を徐々に(例えば1℃きざみで)上昇させて「ゾル状態」が「ゲル状態」に転移する温度を求めた場合、これによって求められる転移温度を「ゾル−ゲル転移温度」と定義する(この際、「所定温度」を例えば1℃きざみで下降させ、「ゲル状態」が「ゾル状態」に転移する温度を求めてもよい)。
【0021】
(ゾル−ゲル転移温度)
本発明において「ゾル状態」、「ゲル状態」および「ゾル−ゲル転移温度の定義および測定は、文献(H.Yoshiokaら、Journal of Macromolecular Science,A31(1),113(1994))に記載された定義および方法に基づき、以下のようにして求めてもよい。
【0022】
即ち、観測周波数1Hzにおける試料の動的弾性率を低温側から高温側へ徐々に温度を変化(1℃/1分)させて測定し、該試料の貯蔵弾性率(G’、弾性項)が損失弾性率(G“、粘性項)を上回る点の温度をゾル−ゲル転移温度とする。一般に、G”>G’の状態がゾルであり、G”<G’の状態がゲルであると定義される。このゾル−ゲル転移温度の測定に際しては、下記の測定条件が好適に使用可能である。
【0023】
<動的・損失弾性率の測定条件>
測定機器(商品名):ストレス制御式レオメーターCSL700、Carri−Med社製
試料溶液(ないし分散液)の濃度(ただし「ゾル−ゲル転移温度を有する高分子化合物」の濃度として):10(重量)%
試料溶液の量:約0.8g
測定用セルの形状・寸法:アクリル製平行円盤(直径4.0cm)、ギャップ600μm
測定周波数:1Hz
適用ストレス:線形領域内。
【0024】
(好適なゾル−ゲル転移温度)
本発明においては、このゾル−ゲル転移温度は目的・用途に応じて、広い範囲で調整することが可能である。
【0025】
例えば、生物体の細胞をインビトロで培養する用途に使用する場合には、細胞や生体組織の熱的損傷を防ぐ点から、上記ゾル−ゲル転移温度は0℃より高く、45℃以下であることが好ましく、更には、0℃より高く42℃以下(特に4℃以上40℃以下である)ことが好ましい。
【0026】
このような好適なゾル−ゲル転移温度を有するハイドロゲルは、後述するような具体的な化合物の中から、上記したスクリーニング方法(ゾル−ゲル転移温度測定法)に従って容易に選択することができる。例えば、本発明のハイドロゲルを用いて生物体組織・臓器を再生させる一連の操作においては、上記したゾル−ゲル転移温度(a℃)を細胞・組織の培養温度(b℃)と、細胞・組織を播種、混和または回収するための冷却時の温度(c℃)との間に設定することが好ましい。すなわち、上記した3種の温度a℃、b℃、およびc℃の間には、b>a>cの関係があることが好ましい。更には、(b−a)は1〜40℃、更には2〜30℃であることが好ましく、また(a−c)は1〜40℃、更には2〜30℃であることが好ましい。
【0027】
(ゲル体)
本発明のゲル体は、有用物質と、該有用物質の周囲に配置された上記ハイドロゲルとを少なくとも含む。
【0028】
(有用物質)
上記したハイドロゲルとともに本発明のを構成する有用物質は、該ハイドロゲル中に保持可能であって、且つ、ハイドロゲル中におけるその保持および/又は拡散(ないし放出)が、何らかの意味で有用である限り、特に制限されない。この「何らかの意味で有用」とは、有用物質が、その特性(例えば、物理的作用、化学的作用、生理的作用、着色、反応性、等)に基づき、その保持および/又は拡散(ないし放出)が、外部から認識可能な何らかの影響を周囲に与えることを言う。
【0029】
このハイドロゲル中における保持は、ハイドロゲル中における保持の目的(例えば、所定のリリースプロファイルでの有用物質の放出、所定の場所へのドラッグデリバリー、等)が達成可能である限り、一時的なものであってもよい。更には、このようなハイドロゲル中における保持が達成可能である限り、有用物質の組成物、状態、性質等は特に制限されない。すなわち、気体、液体、固体のいずれでもよく、また必要に応じて混合物(固溶体、溶液を含む)であってもよい。更には本発明のゲル体は、必要に応じて、複数および/又は複数種類の有用物質を含んでいてもよい。
【0030】
ゲル体の安定性の点からは、この有用物質は、少なくともそれがハイドロゲル中に保持されている時間の範囲内では、ハイドロゲル形成性高分子と実質的に化学的な結合反応を生じないことが好ましい。
【0031】
(有用物質の具体例)
以下に、本発明において使用可能な有用物質の具体例を例示する。
(1)物理的作用に基づき有用な物質
例えば、種々の気体、液体、固体が挙げられる。
より具体的な例を以下に示す。
気体:酸素、空気、窒素、水素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、エチレンオキサイドなど
液体:エタノール、メタノール、THF、DMFなどの水と相溶性のものおよびクロロホルム、ジエチルエーテル、シリコン油など水と非相溶性のもの
固体:14Cなどの放射性同位体標識化合物、15Nなどの安定同位体標識化合物、種々の電気的特性あるいは磁気的特性を有する金属あるいは有機物質など
【0032】
(2)化学的作用に基づき有用な物質
例えば、種々の反応試薬が挙げられる。
より具体的な例を以下に示す。
過酸化水素、過ヨウ素酸、過マンガン酸塩などの酸化剤、
水素化ホウ素ナトリウム、アスコルビン酸、アルデヒド類、糖類などの還元剤、
チトクロームCオキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、グルコースオキシダーゼ、アミンオキシダーゼなどの酸化酵素、あるいは還元酵素、脱水素酵素、酸素添加酵素、ペルオキシダーゼなど各種酵素類、
【0033】
(3)生理的作用
後述するように種々の物質があげられる。
【0034】
(4)光学的性質
酸化還元指示薬:メチレンブルー、バリアミンブルーB、ジフェニルアミン、フェロインなど
pH指示薬:フェノールフタレイン、メチルオレンジ、メチルグリーンなど
蛍光指示薬:ウンベリフェロン、ローダミンB、フルオレセイン、カルセインなど
着色蛋白:ヘモグロビン、ミオグロビン、チトクロムなど
染料:メチルブルー、コンゴーレッド、ダイレクトイエローなど
顔料:カーボンブラック、酸化鉄、酸化チタンなど
【0035】
(5)コスメッティックス
例えば種々の抗酸化剤、細胞賦活剤、抗炎症剤、チロシナーゼ活性阻害剤、保湿剤、タンパク質、カロチノイド類
などがあげられる。
【0036】
より具体的な例を以下に示す。
活性酸素除去剤:SOD、マンニトール、ハイドロキノン、ビリルビン、コレステロール、トリプトファン、ヒスチジン、クエルセチン、クエルシトリン、没食子酸、没食子酸誘導体、イチョウ抽出物等のフラボノイドを成分中に含む植物抽出物、ゴカヒ抽出物、ヤシャジツ抽出物及びジコッピ抽出物
【0037】
抗酸化剤:ビタミンA類及びそれらの誘導体並びにそれらの塩、ビタミンB類及びそれらの誘導体並びにそれらの塩、ビタミンC及びその誘導体並びにそれらの塩、ビタミンD類及びそれらの誘導体並びにそれらの塩、ビタミンE及びその誘導体並びにそれらの塩、グルタチオン及びその誘導体並びにそれらの塩、BHT及びBHA
【0038】
細胞賦活剤:デオキシリボ核酸及びその塩、アデノシン三リン酸、アデノシン一リン酸などのアデニル酸誘導体及びそれらの塩、リボ核酸及びその塩、グアニン、キサンチン及びそれらの誘導体並びにそれらの塩などの核酸関連物質;血清除蛋白抽出物、脾臓抽出物、胎盤抽出物、鶏冠抽出物、ローヤルゼリーなどの動物由来の抽出物;酵母抽出物、乳酸菌抽出物、ビフィズス菌抽出物、霊芝抽出物などの微生物由来の抽出物;ニンジン抽出物、センブリ抽出物、ローズマリー抽出物、オウバク抽出物、ニンニク抽出物、ヒノキチオール、セファランチンなどの植物由来の抽出物;α−またはγ−リノレイン酸、エイコサペンタエン酸及びそれらの誘導体、コハク酸及びその誘導体並びにそれらの塩、エストラジオール及びその誘導体並びにそれらの塩、グリコール酸、乳酸、リンゴ酸、クエン酸、サリチル酸などのα−ヒドロキシ酸及びそれらの誘導体並びにそれらの塩
【0039】
抗炎症剤:グリチルリチン酸、グリチルレチン酸、メフェナム酸、フェニルブタゾン、インドメタシン、イブプロフェン、ケトプロフェン、アラントイン、グアイアズレン及びそれらの誘導体並びにそれらの塩、ε−アミノカプロン酸、酸化亜鉛、ジクロフェナクナトリウム、アロエ抽出物、サルビア抽出物、アルニカ抽出物、カミツレ抽出物、シラカバ抽出物、オトギリソウ抽出物、ユーカリ抽出物及びムクロジ抽出物
【0040】
チロシナーゼ活性阻害剤:システイン及びその誘導体並びにその塩、センプクカ抽出物、ケイケットウ抽出物、サンペンズ抽出物、ソウハクヒ抽出物、トウキ抽出物、イブキトラノオ抽出物、クララ抽出物、サンザシ抽出物、シラユリ抽出物、ホップ抽出物、ノイバラ抽出物及びヨクイニン抽出物
【0041】
保湿剤:ムコ多糖類及び/又はタンパク質。
ムコ多糖類:ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、デルマタン硫酸、ヘパラン硫酸、ヘパリン及びケラタン硫酸並びにこれらの塩類
タンパク質:コラーゲン、エラスチン、ケラチン及びこれらの誘導体並びにその塩類
【0042】
カロチノイド:その誘導体としては、アスタキサンチンのエステルが挙げられ、例えば、グリシン、アラニン等のアミノ酸エステル類、酢酸エステル、クエン酸エステル等のカルボン酸エステル及びその塩類、リン酸エステル、硫酸エステル等の無機塩エステル及びその塩類、グルコシド等の配糖体類、またはエイコサペンタエン酸やドコサヘキサエン酸等の高度不飽和脂肪酸、オレイン酸やリノール酸等の不飽和脂肪酸またはパルミチン酸やステアリン酸等の飽和脂肪酸から選択される脂肪酸エステル類等から選択されるモノエステル体及び同種または異種のジエステル体等
【0043】
(6)生体由来材料
例えば、種々の生物体(微生物、植物、ヒトを含む動物)そのもの、ないしはその一部である細胞および/又は組織が挙げられる。より具体的な例は後述する。
【0044】
生体由来材料をゲル中における有用物質として用いた場合には、該生体由来材料自体のハイドロゲル中における保持/拡散のみならず、生体由来材料から放出される物質の保持/拡散を観測しても、および/又は複数の若しくは複数種類の生体由来材料相互の相互作用を観測してもよいことはもちろんである。
【0045】
(ゲル中における有用物質の拡散)
本発明のハイドロゲルは、ハイドロゲル中の有用物質の拡散速度を任意に制御することができる。例えば、親水性物質と疎水性物質を、それらの親水/疎水性の程度に応じて、異なる拡散速度で拡散させることができる。水溶性親水性物質の拡散は、ハイドロゲル形成性高分子の3次元網目構造による分子篩い効果によって制御される。従って水溶性親水性物質の拡散速度を低下させるには、ハイドロゲルを構成するハイドロゲル形成性高分子の濃度を高めれば良い。また、水溶性親水性物質の拡散は、その物質の分子量にも依存する。ハイドロゲルを構成するハイドロゲル形成性高分子の濃度が一定であれば分子量の大きな物質ほどその拡散速度は遅くなる。
【0046】
本発明のハイドロゲル中における水溶性疎水性物質の拡散は、ハイドロゲル形成性高分子の3次元網目構造による分子篩い効果に加えて、ハイドロゲル形成性高分子の疎水性部分への分配によっても影響を受け、ハイドロゲル形成性高分子中の疎水性部分の割合によっても制御されるため、水溶性親水性物質の拡散よりも通常遅くなる。
【0047】
ハイドロゲル中の溶質の拡散係数は文献(Eric K.L.Lee,et al,Journal of Membrane Science,24,125−143(1985))に記載された“early−time”近似法により求めることができる。この方法では、均一な厚さL(cm)のハイドロゲル平板中に均一に分散された溶質がハイドロゲル平板の両表面から溶出する過程を経時的に観測する。時間t(sec)における溶質の溶出量をMt、無限大時間後の溶出量をM∞とすると、M/M<0.6の範囲で溶質のハイドロゲル中における拡散係数D(cm/sec)について下記の式(1)が成立する。
/M=(Dt/π)1/2×4/L     (1)
【0048】
従って、経過時間tの平方根に対して、時間tまでの溶出率をプロットした直線の傾きから拡散係数Dを算出することができる。
【0049】
種々の物質の保持/拡散(ないし放出)性能のバランスの点からは、本発明のハイドロゲルは、フェノールレッド(PR)、メチルブルー(MB)、およびミオグロビン(MG)の拡散係数Dの比が、(DPR/DMB)≧2および(DPR/DMG)≧1.2であることが好ましい。これらの値の、より好ましい範囲は、以下の通りである。
【0050】
(1) (DPR/DMB):より好ましくは10以上、更には20以上、特に50以上
好ましくは1×10以下、より好ましくは1×10以下、更には1×10以下
【0051】
(2) (DPR/DMG):より好ましくは1.5以上、更には3以上、特に5以上
好ましくは1×10以下、より好ましくは1×10以下、更には1×10以下
【0052】
(コラーゲン等の場合)
前述したように、従来のハイドロゲル形成性高分子であるコラーゲンは、親水性の高分子であり、本発明のハイドロゲルにおけるように、その親水性/疎水性のバランスを任意に制御することができず、したがって、コラーゲン中の有用物質の拡散速度を制御することが困難であった。
【0053】
また、ポリ乳酸またはポリグリコール酸等の場合には、逆に疎水性が強く、これらのポリマー中の有用物質の拡散速度を制御することは、やはり困難であった。
【0054】
これに対して、本発明のハイドロゲルは、上述したように、親水性/疎水性のバランスを実質的に任意に制御することができるため、本発明のゲル中の有用物質の拡散速度をも実質的な自由度で制御することができる。
【0055】
本発明のゲルをコラーゲン等の公知のゲル形成性高分子とともに用いた場合(すなわち、ゲル形成性高分子として、本発明に用いる高分子とコラーゲン等の公知のゲル形成性高分子とが共存する場合)には、コラーゲン等の公知のゲル形成性高分子を含有するゲル中においても、化学仲介物質の拡散速度を、実質的な自由度で制御することができる。
【0056】
(動作に対するハイドロゲルの追従性)
本発明のハイドロゲルは、その保持すべき有用物質の形態変化への追従性のバランスの点から、より高い周波数に対しては固体的な挙動を示し、他方、より低い周波数に対しては液体的な挙動を示すことが好ましい。より具体的には、該ハイドロゲルの動作に対する追従性は以下の方法で好適に測定することが可能である。
【0057】
(動作に対する追従性の測定方法)
ハイドロゲル形成性の高分子を含む本発明のハイドロゲル(ハイドロゲルとして1mL)をゾル状態(ゾル−ゲル転移温度より低い温度)で内径1cmの試験管に入れ、該担体のゾル−ゲル転移温度よりも充分高い温度(たとえば該ゾル−ゲル転移温度よりも約10℃高い温度)とした水浴中で上記試験管を12時間保持し、該ハイドロゲルをゲル化させる。
【0058】
次いで、該試験管の上下を逆にした場合に溶液/空気の界面(メニスカス)が溶液の自重で変形するまでの時間(T)を測定する。ここで1/T(sec−1)より低い周波数の動作に対しては該ハイドロゲルは液体として振舞い、1/T(sec−1)より高い周波数の動作に対しては該ハイドロゲルは固体として振舞うことになる。本発明のハイドロゲルの場合にはTは1分〜24時間、好ましくは5分〜10時間である。
【0059】
(定常流動粘度)
本発明のハイドロゲルのゲル的性質は、定常流動粘度の測定によっても好適に測定可能である。定常流動粘度η(イータ)は、例えばクリープ実験によって測定することができる。
クリープ実験では一定のずり応力を試料に与え、ずり歪の時間変化を観測する。一般に粘弾性体のクリープ挙動では、初期にずり速度が時間とともに変化するが、その後ずり速度が一定となる。この時のずり応力とずり速度の比を定常流動粘度ηと定義する。この定常流動粘度は、ニュートン粘度と呼ばれることもある。ただし、ここで定常流動粘度は、ずり応力にほとんど依存しない線形領域内で決定する。
【0060】
具体的な測定方法は、測定装置としてストレス制御式粘弾性測定装置CSL型レオメーター(CSL500、米国キャリーメド社製)を、測定デバイスにアクリル製円盤(直径4cm)を使用し、試料厚み600μmとして少なくとも5分間以上の測定時間クリープ挙動(遅延曲線)を観測する。サンプリング時間は、最初の100秒間は1秒に1回、その後は10秒に1回とする。
適用する「ずり応力」(ストレス)の決定にあたっては、10秒間ずり応力を負荷して偏移角度が2×10−3rad以上検出される最低値に設定する。解析には5分以降の少なくとも20以上の測定値を採用する。本発明のハイドロゲルは、そのゾル−ゲル転移温度より約10℃高い温度において、ηが5×10〜5×10Pa・secであることが好ましく、更には8×10〜2×10Pa・sec、特に1×10Pa・sec以上、1×10Pa・sec以下であることが好ましい。
【0061】
上記ηが5×10Pa・sec未満では短時間の観測でも流動性が比較的高くなり、ゲルによる細胞や組織の三次元的な保持が不充分となり易く、担体として機能することが困難となる傾向がある。他方、ηが5×10Pa・secを超えると、長時間の観測でもゲルが流動性をほとんど示さなくなる傾向が強まり、生物体組織の再生に伴う動きに追従することの困難性が増大する。また、ηが5×10を超えるとゲルが脆さを呈する可能性が強まり、わずかの純弾性変形の後、一挙にもろく破壊する脆性破壊が生起しやすい傾向が強まる。
【0062】
(動的弾性率)
本発明のハイドロゲルのゲル的性質は、動的弾性率によっても好適に測定可能である。該ゲルに振幅γ、振動数をω/2πとする歪みγ(t)=γcosωt(tは時間)を与えた際に、一定応力をσ、位相差をδとするσ(t)=σcos(ωt+δ)が得られたとする。|G|=σ/γとすると、動的弾性率G’(ω)=|G|cosδと、損失弾性率G”(ω)=|G|sinδとの比(G”/G’)が、ゲル的性質を表す指標となる。
【0063】
本発明のハイドロゲルは、ω/2π=1Hzの歪み(速い動作に対応する)に対しては固体として挙動し、且つ、ω/2π=10−4Hzの歪み(遅い動作に対応する)に対しては固体として挙動する。より具体的には、本発明のハイドロゲルは、以下の性質を示すことが好ましい(このような弾性率測定の詳細については、例えば、文献:小田良平ら編集、近代工業化学19、第359頁、朝倉書店、1985を参照することができる)。
ω/2π=1Hz(ゲルが固体として挙動する振動数)の際に、(G”/G’)=(tan δ)が1未満であることが好ましい。この(G”/G’)=(tan δ)は、より好ましくは0.8以下、特に好ましくは0.5以下である。
【0064】
ω/2π=10−4Hz(ゲルが液体として挙動する振動数)の際に、(G”/G’)=(tan δ)が1以上であることが好ましい。この(G”/G’)=(tan δ)は、より好ましくは1.5以上、特に好ましくは2以上である。
【0065】
上記(tan δ)と、(tan δ)との比{(tan δ)/(tan δ)}が1未満であることが好ましい。この比{(tan δ)/(tan δ)}は、より好ましくは0.8以下、特に好ましくは0.5以下である。
【0066】
<測定条件>
ハイドロゲル形成性高分子の濃度:約8質量%
温度:担体のゾル−ゲル転移温度より約10℃高い温度
測定機器:ストレス制御式レオメータ(機種名:CSL 500、米国キャリーメド社製)
【0067】
(生体内残存性の制御)
本発明のハイドロゲルは、必要に応じて、生体内(腹腔内、皮下など)における残存性を任意に制御することができる。本発明のハイドロゲルは、主にインビトロにおける使用を目的とするが、その使用法(例えば、本発明のハイドロゲルを用いて増殖させた組織を、生体内に戻す場合等)によっては、該ハイドロゲルの生体内残存性の制御が好ましい場合があるからである。
【0068】
本発明のハイドロゲルのゾル−ゲル転移温度を低下させると、ハイドロゲルは生体内で長期間残存するようになり、ゾル−ゲル転移温度を上昇させると生体内でハイドロゲルの消失が速くなる。また、ハイドロゲル中のハイドロゲル形成性高分子の濃度を高くするとハイドロゲルは生体内で長期間残存するようになり、ハイドロゲル中のハイドロゲル形成性高分子の濃度を低くすると、生体内でハイドロゲルの消失が速くなる。
【0069】
本発明のハイドロゲルでは、本発明のハイドロゲルのゾル−ゲル転移温度を低下させると、生体温度(37℃)におけるハイドロゲルの貯蔵弾性率(G’)が上昇する。また、ハイドロゲル中のハイドロゲル形成性高分子の濃度を高くすると、生体温度(37℃)におけるハイドロゲルの貯蔵弾性率(G’)が上昇する。すなわち、生体内での残存性を制御するためには、37℃におけるG’を制御すれば良い。
【0070】
このG’の測定測定に際しては、下記の測定条件が好適に使用可能である。
<動的・損失弾性率の測定条件>
測定機器(商品名):ストレス制御式レオメーターCSL500、Carri−Med社製
試料溶液の量:約0.8 g
測定用セルの形状・寸法:アクリル製平行円盤(直径4.0cm)、ギャップ600μm、
測定周波数:1Hz
適用ストレス:線形領域内。
【0071】
本発明のハイドロゲルの生体内での残存期間とG’の関係は生体内の部位によっても異なるので一概には言えないが、例えば腹腔内での残存期間と、観測周波数1HzでのG’の関係は、本発明者らの知見によれば、以下の通りである。
すなわち、3日以内に消失させるためのG’の望ましい範囲は10〜500Pa、3日以上残存し14日以内にさせるためのG’の望ましい範囲は200〜1500Pa、14日以上残存させるためのG’の望ましい範囲は400〜10000Paである。
【0072】
(繊維芽細胞の増殖性)
本発明のハイドロゲルを細胞および/又は生体組織の培養に用いる場合には、繊維芽細胞によるコンタミネーションを抑制する点から、ハイドロゲル形成性高分子に基づくハイドロゲルにおいては、該ゲル内で繊維芽細胞が実質的に増殖しないことが好ましい。繊維芽細胞は通常、細胞培養ディッシュ(プレート)上の単層培養やコラーゲンゲル内での培養において、繊維芽細胞に特徴的な樹枝状の形態変化を伴った著しい増殖が認められる(例えば、文献榎並淳平:培養細胞を用いる方法。渡辺明治編、細胞外マトリックス、メディカルレビュー社、東京、1996,pp108−115を参照)。これに対して、本発明のハイドロゲル内では、繊維芽細胞は球状の形態を保ったままで実質的に増殖を示さないようにすることが容易である。
【0073】
(繊維芽細胞増殖抑制の推定メカニズム)
本発明のハイドロゲルにおいて、繊維芽細胞の増殖が抑制されるメカニズムは必ずしも明確ではないが、本発明者の知見によれば、以下のように推定される。
【0074】
すなわち、繊維芽細胞は単層培養、すなわち支持体表面を認識して接着することにより2次元的に活発に増殖する性質を有する。コラーゲンゲルの構造は、長さ300nm、直径1.5nmのコラーゲン分子(分子量30万)が多数集合し、規則正しく配列して繊維の状態(collagen fibril)となって水中に網目構造を作ったものである。この網目構造は可視光の波長より大きい構造(400nm以上)のため、コラーゲンゲルは通常白濁して見える。コラーゲンゲルは3次元培養担体として利用されているが、繊維芽細胞はこの太いコラーゲン繊維(collagen fibril)の表面を支持体として認識して接着するため、コラーゲンゲル内で2次元的に著しい増殖性を示すものと推定される。
【0075】
これに対して、本発明のハイドロゲルはハイドロゲル形成性の高分子が分子状態で3次元網目構造を形成したハイドロゲルとなるため、その構造の不均質性は、可視光の波長より小さく比較的透明性が高い。従って、本発明の材料中では繊維芽細胞が明確な2次元的支持体表面を認識することがなく、その結果、本発明の材料中では繊維芽細胞が過剰に増殖することが抑制されるものと推定される。
【0076】
(繊維芽細胞の増殖性の評価)
繊維芽細胞の増殖性は、以下の方法により評価できる(この方法の詳細に関しては、例えば、吉川剛司、月川賢、聖マリアンナ医科大学雑誌、第28巻、第4号、161−170(2000)を参照することができる)。
【0077】
本発明のハイドロゲルを構成するハイドロゲル形成性高分子を培養液、例えばRPMI−1640(Life Technologies、N.Y.、USA)に低温(例えば4℃)下で攪拌溶解し、正常ヒト肺繊維芽細胞(NormalHuman Lung Fibroblasts、NHLF、宝酒造(株)社製))を6×10個/mlの細胞密度になるように分散させる。このNHLF分散液0.2mLを24ウェル−プレート(材料:プラスチック製、ウェル1個の大きさは縦15mm、横15mm、深さ20mm程度;市販品では、例えばBecton−Dickinson社製の商品名:Multiwell)の各ウェル中に注入し、37℃でゲル化させた後、培養液0.4mLを添加して37℃、5%CO大気圧下で培養する。繊維芽細胞の増殖の様子は、経日的に(例えば、0、1、3、7日)位相差顕微鏡による観察で確認する。
【0078】
(繊維芽細胞の増殖率)
更に、以下の酵素活性を利用する方法により、培養期間中の繊維芽細胞の増殖率を測定することが可能である。
【0079】
例えば、上記したように24−ウェル−プレートを用いて、本発明のハイドロゲル中で繊維芽細胞を所定期間培養した後、該担体をそのゾル−ゲル転移温度より低い温度(例えば、ゾル−ゲル転移温度より10℃低い温度)に下げることによって該担体を溶解し、次いで各ウェル中にコハク酸脱水素酵素活性測定用試薬たるWST−8試薬(同仁化学(株)製)50μlを添加する。
【0080】
この24−ウェル−プレートを、ゾル−ゲル転移温度より低い温度(例えばゾル−ゲル転移温度より10℃低い温度、例えば10℃)で10時間反応させた後、約4℃に1時間保存し完全に均一な水溶液の状態にする。該水溶液を96ウェル−プレートに200μlづつ分注し、マイクロプレート用比色計を用いて450nm(参照波長620nm)で吸光度(OD(450))を測定する。このOD(450)と、生細胞数とは比例関係にあることが確かめられている(例えば、文献Furukawa、 T.ら、”High in vitro−in vitro correlation of drug response using spongegel−supported three−dimensional histoculture and MTT end point”、Int.J.Cancer 51:489、1992を参照)。すなわち、繊維芽細胞の増殖率は、培養開始時の吸光度OD=(OD(450))と培養後の吸光度OD=(OD(450))の比(OD/OD)により求められる。
【0081】
本発明において、3日間37℃で培養した後の繊維芽細胞の増殖率P=(OD/OD)は、70%から200%の範囲であることが好ましい。この増殖率(OD/OD)は、更には80%から150%の範囲、特に90%から120%の範囲であることが望ましい。
【0082】
(繊維芽細胞の相対的な増殖性)
本発明において、ハイドロゲル形成性の高分子に基づくゲル中で、繊維芽細胞の増殖は抑制される一方で、目的とする(繊維芽細胞以外の)細胞の増殖は、相対的に抑制されないことが好ましい。より詳しくは、目的とする細胞の増殖率Pと、上記した繊維芽細胞の増殖率Pとの比(P/P)は、1.1以上であることが好ましい。更には、この比(P/P)は、1.5以上、特に2.0以上であることが好ましい。この目的とする細胞の増殖率Pは、以下のようにして求めることができる。
【0083】
上記した繊維芽細胞の増殖率P測定における正常ヒト肺繊維芽細胞(NHLF)に代えて、ヒト大腸ガン細胞(SW−948、商品名:大腸腺癌細胞株、大日本製薬(株)製)を用いる以外は、上記増殖率P測定と同様にして、繊維芽細胞以外の細胞の増殖率Pを求める(これらの増殖率PおよびPの測定は、同様の条件下で行う)。
【0084】
上記により測定した増殖率PおよびPの値に基づき、これらの比(P/P)を求める。
【0085】
(ハイドロゲル形成性の高分子)
上述したような熱可逆的なゾル−ゲル転移を示す(すなわち、ゾル−ゲル転移温度を有する)限り、本発明のハイドロゲルに使用可能なハイドロゲル形成性の高分子は特に制限されない。生理的温度(0〜42℃程度)において好適なゾル−ゲル変化を示すことが容易な点からは、例えば、該ハイドロゲル形成性の高分子中の曇点を有する複数のブロックと親水性のブロックの曇点、両ブロックの組成および両ブロックの疎水性度、親水性度、および/又は分子量等をそれぞれ調整することによって、好適なゾル−ゲル転移温度を達成することが好ましい。
【0086】
その水溶液がゾル−ゲル転移温度を有し、該転移温度より低い温度で可逆的にゾル状態を示す高分子の具体例としては、例えば、ポリプロピレンオキサイドとポリエチレンオキサイドとのブロック共重合体等に代表されるポリアルキレンオキサイドブロック共重合体;メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等のエーテル化セルロース;キトサン誘導体(K.R.Holme.et al. Macromolecules、24、3828(1991))等が知られている。
【0087】
ポリアルキレンオキサイドブロック共重合体として、ポリプロピレンオキサイドの両端にポリエチレンオキサイドが結合したプルロニック(Pluronic)F−127(商品名、BASF Wyandotte Chemicals Co.製)ゲルが開発されている。このプルロニックF−127の高濃度水溶液は、約20℃以上でハイドロゲルとなり、これより低い温度で水溶液となることが知られている。しかしながら、この材料の場合は約20質量%以上の高濃度でしかゲル状態にはならず、また約20質量%以上の高濃度でゲル化温度より高い温度に保持しても、更に水を加えるとゲルが溶解してしまう。また、プルロニックF−127は分子量が比較的小さく、約20質量%以上の高度のゲル状態で非常に高い浸透圧を示すのみならず細胞膜を容易に透過するため、細胞・組織に悪影響を及ぼす可能性がある。
【0088】
一方、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等に代表されるエーテル化セルロースの場合は、通常は、ゾル−ゲル転移温度が高く約45℃以上である(N.Sarkar、J.Appl.Polym.Science、 24、1073、1979)。これに対して、生体の体温は通常37℃近辺の温度であるため、上記エーテル化セルロースはゾル状態であり、該エーテル化セルロースを組織・臓器の担体として用いることは事実上は困難である。
【0089】
上記したように、その水溶液がゾル−ゲル転移点を有し、且つ該転移温度より低い温度で可逆的にゾル状態を示す従来の高分子の問題点は、1)ゾル−ゲル転移温度より高い温度で一旦ゲル化しても、更に水を添加するとゲルが溶解してしまうこと、2)ゾル−ゲル転移温度が生体の体温(37℃近辺)よりも高く、体温ではゾル状態であること、3)ゲル化させるためには、水溶液の高分子濃度を非常に高くする必要があること、等である。
【0090】
これに対して、本発明者らの検討によれば、好ましくは0℃より高く42℃以下であるゾル−ゲル転移温度を有するハイドロゲル形成性の高分子(例えば、曇点を有する複数のブロックと親水性のブロックが結合してなり、その水溶液がゾル−ゲル転移温度を有し、且つ、ゾル−ゲル転移温度より低い温度で可逆的にゾル状態を示す高分子)を用いて本発明のハイドロゲルを構成した場合に、上記問題は解決されることが判明している。
【0091】
(好適なハイドロゲル形成性の高分子)
本発明のハイドロゲルとして好適に使用可能な疎水結合を利用したハイドロゲル形成性の高分子は、曇点を有する複数のブロックと親水性のブロックが結合してなることが好ましい。該親水性のブロックは、ゾル−ゲル転移温度より低い温度で該ハイドロゲルが水溶性になるために存在することが好ましく、また曇点を有する複数のブロックは、ハイドロゲルがゾル−ゲル転移温度より高い温度でゲル状態に変化するために存在することが好ましい。換言すれば、曇点を有するブロックは該曇点より低い温度では水に溶解し、該曇点より高い温度では水に不溶性に変化するために、曇点より高い温度で、該ブロックはゲルを形成するための疎水結合からなる架橋点としての役割を果たす。すなわち、疎水性結合に由来する曇点が、上記ハイドロゲルのゾル−ゲル転移温度に対応する。
【0092】
ただし、該曇点とゾル−ゲル転移温度とは必ずしも一致しなくてもよい。これは、上記した「曇点を有するブロック」の曇点は、一般に、該ブロックと親水性ブロックとの結合によって影響を受けるためである。
【0093】
本発明に用いるハイドロゲルは、疎水性結合が温度の上昇と共に強くなるのみならず、その変化が温度に対して可逆的であるという性質を利用したものである。1分子内に複数個の架橋点が形成され、安定性に優れたゲルが形成される点からは、ハイドロゲル形成性の高分子が「曇点を有するブロック」を複数個有することが好ましい。
【0094】
一方、上記ハイドロゲル形成性の高分子中の親水性ブロックは、前述したように、該ハイドロゲル形成性の高分子がゾル−ゲル転移温度よりも低い温度で水溶性に変化させる機能を有し、上記転移温度より高い温度で疎水性結合力が増大しすぎて上記ハイドロゲルが凝集沈澱してしまうことを防止しつつ、含水ゲルの状態を形成させる機能を有する。
【0095】
(曇点を有する複数のブロック)
曇点を有するブロックとしては、水に対する溶解度−温度係数が負を示す高分子のブロックであることが好ましく、より具体的には、ポリプロピレンオキサイド、プロピレンオキサイドと他のアルキレンオキサイドとの共重合体、ポリN−置換アクリルアミド誘導体、ポリN−置換メタアクリルアミド誘導体、N−置換アクリルアミド誘導体とN−置換メタアクリルアミド誘導体との共重合体、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルアルコール部分酢化物からなる群より選ばれる高分子が好ましく使用可能である。上記の高分子(曇点を有するブロック)の曇点が4℃より高く40℃以下であることが、本発明に用いる高分子(曇点を有する複数のブロックと親水性のブロックが結合した化合物)のゾル−ゲル転移温度を4℃より高く40℃以下とする点から好ましい。
【0096】
ここで曇点の測定は、例えば、上記の高分子(曇点を有するブロック)の約1質量%の水溶液を冷却して透明な均一溶液とした後、除々に昇温(昇温速度約1℃/min)して、該溶液がはじめて白濁する点を曇点とすることによって行うことが可能である。
【0097】
本発明に使用可能なポリN−置換アクリルアミド誘導体、ポリN−置換メタアクリルアミド誘導体の具体的な例を以下に列挙する。
ポリ−N−アクロイルピペリジン;ポリ−N−n−プロピルメタアクリルアミド;ポリ−N−イソプロピルアクリルアミド;ポリ−N、N−ジエチルアクリルアミド;ポリ−N−イソプロピルメタアクリルアミド;ポリ−N−シクロプロピルアクリルアミド;ポリ−N−アクリロイルピロリジン;ポリ−N、N−エチルメチルアクリルアミド;ポリ−N−シクロプロピルメタアクリルアミド;ポリ−N−エチルアクリルアミド。
【0098】
上記の高分子は単独重合体(ホモポリマー)であっても、上記重合体を構成する単量体と他の単量体との共重合体であってもよい。このような共重合体を構成する他の単量体としては、親水性単量体、疎水性単量体のいずれも用いることができる。一般的には、親水性単量体と共重合すると生成物の曇点は上昇し、疎水性単量体と共重合すると生成物の曇点は下降する。従って、これらの共重合すべき単量体を選択することによっても、所望の曇点(例えば4℃より高く40℃以下の曇点)を有する高分子を得ることができる。
【0099】
(親水性単量体)
上記親水性単量体としては、N−ビニルピロリドン、ビニルピリジン、アクリルアミド、メタアクリルアミド、N−メチルアクリルアミド、ヒドロキシエチルメタアクリレート、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシメチルメタアクリレート、ヒドロキシメチルアクリレート酸性基を有するアクリル酸、メタアクリル酸およびそれらの塩、ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸等、並びに塩基性基を有するN、N−ジメチルアミノエチルメタクリレートN、N−ジエチルアミノエチルメタクリート、N、N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミドおよびそれらの塩等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0100】
(疎水性単量体)
一方、上記疎水性単量体としては、エチルアクリレート、メチルメタクリレート、グリシジルメタクリレート等のアクリレート誘導体およびメタクリレート誘導体、N−n−ブチルメタアクリルアミド等のN−置換アルキルメタアクリルアミド誘導体、塩化ビニル、アクリロニトリル、スチレン、酢酸ビニル等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0101】
(親水性のブロック)
一方、上記した曇点を有するブロックと結合すべき親水性のブロックとしては、具体的には、メチルセルロース、デキストラン、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、ポリN−ビニルピロリドン、ポリビニルピリジン、ポリアクリルアミド、ポリメタアクリルアミド、ポリN−メチルアクリルアミド、ポリヒドロキシメチルアクリレート、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸およびそれらの塩;ポリN、N−ジメチルアミノエチルメタクリレート、ポリN、N−ジエチルアミノエチルメタクリレート、ポリN、N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミドおよびそれらの塩等が挙げられる。
【0102】
曇点を有するブロックと上記の親水性のブロックとを結合する方法は特に制限されないが、例えば、これらのブロックを有するブロック共重合体、またはグラフト共重合体またはデンドリマー型共重合体として得ることが好ましい。
曇点を有するブロックと親水性のブロックとの結合は、上記いずれかのブロック中に重合性官能基(例えばアクリロイル基)を導入し、他方のブロックを与える単量体を、このように重合性官能基を導入したブロックと共重合させることによって行うことができる。また、曇点を有するブロックと上記の親水性のブロックとの結合物は、曇点を有するブロックを与える単量体と、親水性のブロックを与える単量体とのブロック共重合によって得ることも可能である。また、曇点を有するブロックと親水性のブロックとの結合は、予め両者に反応活性な官能基(例えば水酸基、アミノ基、カルボキシル基、イソシアネート基等)を導入し、両者を化学反応により結合させることによって行うこともできる。この際、親水性のブロック中には通常、反応活性な官能基を複数導入する。
【0103】
また、曇点を有するポリプロピレンオキサイドと親水性のブロックとの結合に関しては、例えば、アニオン重合またはカチオン重合で、プロピレンオキサイドと「他の親水性ブロック」を構成するモノマー(例えばエチレンオキサイド)とを繰り返し逐次重合させることで、ポリプロピレンオキサイドと「親水性ブロック」(例えばポリエチレンオキサイド)が結合したブロック共重合体を得ることができる。このようなブロック共重合体は、ポリプロピレンオキサイドの末端に重合性基(例えばアクリロイル基)を導入後、親水性のブロックを構成するモノマーを共重合させることによっても得ることができる。更には、親水性のブロック中に、ポリプロピレンオキサイド末端の官能基(例えば水酸基)と結合反応し得る官能基を導入し、両者を反応させることによっても、本発明に用いる高分子を得ることができる。また、ポリプロピレングリコールの両端にポリエチレングリコールが結合した、プルロニック F−127(商品名、旭電化工業(株)製)等の材料を連結させることによっても、本発明に用いるハイドロゲル形成性の高分子を得ることができる。
【0104】
この曇点を有するブロックを含む態様における本発明の高分子は、曇点より低い温度においては、分子内に存在する上記「曇点を有するブロック」が親水性のブロックとともに水溶性であるため、完全に水に溶解し、ゾル状態を示す。しかしながら、この高分子の水溶液の温度を上記曇点より高い温度に加温すると、分子内に存在する「曇点を有するブロック」が疎水性となり、疎水的相互作用によって、別個の分子間で会合する。
【0105】
一方、親水性のブロックは、この時(曇点より高い温度に加温された際)でも水溶性であるため、本発明の高分子は水中において、曇点を有するブロック間の疎水性会合部を架橋点とした三次元網目構造を持つハイドロゲルを生成する。このハイドロゲルの温度を再び、分子内に存在する「曇点を有するブロック」の曇点より低い温度に冷却すると、該曇点を有するブロックが水溶性となり、疎水性会合による架橋点が解放され、ハイドロゲル構造が消失して、本発明の高分子は、再び完全な水溶液となる。このように、好適な態様における本発明の高分子のゾル−ゲル転移は、分子内に存在する曇点を有するブロックの該曇点における可逆的な親水性、疎水性の変化に基づくものであるため、温度変化に対応して、完全な可逆性を有する。
【0106】
(ゲルの溶解性)
上述したように水溶液中でゾル−ゲル転移温度を有する高分子を少なくとも含む本発明のハイドロゲル形成性の高分子は、該ゾル−ゲル転移温度より高い温度(d℃)で実質的に水不溶性を示し、ゾル−ゲル転移温度より低い温度(e℃)で可逆的に水可溶性を示す。
【0107】
上記した高い温度(d℃)は、ゾル−ゲル転移温度より1℃以上高い温度であることが好ましく、2℃以上(特に5℃以上)高い温度であることが更に好ましい。また、上記「実質的に水不溶性」とは、上記温度(d℃)において、水100mLに溶解する上記高分子の量が、5.0g以下(更には0.5g以下、特に0.1g以下)であることが好ましい。
【0108】
一方、上記した低い温度(e℃)は、ゾル−ゲル転移温度より(絶対値で)1℃以上低い温度であることが好ましく、2℃以上(特に5℃以上)低い温度であることが更に好ましい。また、上記「水可溶性」とは、上記温度(e℃)において、水100mLに溶解する上記高分子の量が、0.5g以上(更には1.0g以上)であることが好ましい。更に「可逆的に水可溶性を示す」とは、上記ハイドロゲル形成性の高分子の水溶液が、一旦(ゾル−ゲル転移温度より高い温度において)ゲル化された後においても、ゾル−ゲル転移温度より低い温度においては、上記した水可溶性を示すことをいう。
上記高分子は、その10%水溶液が5℃で、10〜3,000mPa・s(10〜3,000センチポイズ)、更には50〜1,000mPa・s(50〜1,000センチポイズ)の粘度を示すことが好ましい。このような粘度は、例えば以下のような測定条件下で測定することが好ましい。
【0109】
粘度計:ストレス制御式レオメータ(機種名:CSL 500、米国 キャリーメド社製)
ローター直径:60mm
ローター形状:平行平板
測定周波数:1Hz(ヘルツ)
【0110】
本発明のハイドロゲル形成性の高分子の水溶液は、上記ゾル−ゲル転移温度より高い温度でゲル化させた後、多量の水中に浸漬しても、該ゲルは実質的に溶解しない。上記担体の上記特性は、例えば、以下のようにして確認することが可能である。
【0111】
すなわち、本発明のハイドロゲル形成性の高分子0.15gを、上記ゾルーゲル転移温度より低い温度(例えば氷冷下)で、蒸留水1.35gに溶解して10W%の水溶液を作製し、該水溶液を径が35mmのプラスチックシャーレ中に注入し、37℃に加温することによって、厚さ約1.5mmのゲルを該シャーレ中に形成させた後、該ゲルを含むシャーレ全体の質量(fグラム)を測定する。次いで、該ゲルを含むシャーレ全体を250ml中の水中に37℃で10時間静置した後、該ゲルを含むシャーレ全体の質量(gグラム)を測定して、ゲル表面からの該ゲルの溶解の有無を評価する。この際、本発明のハイドロゲル形成性の高分子においては、上記ゲルの質量減少率、すなわち(f−g)/fが、5.0%以下であることが好ましく、更には1.0%以下(特に0.1%以下)であることが好ましい。
【0112】
本発明のハイドロゲル形成性の高分子の水溶液は、上記ゾル−ゲル転移温度より高い温度でゲル化させた後、多量(体積比で、ゲルの0.1〜100倍程度)の水中に浸漬しても、長期間に亘って該ゲルは溶解することがない。このような本発明に用いる高分子の性質は、例えば、該高分子内に曇点を有するブロックが2個以上(複数個)存在することによって達成される。
【0113】
これに対して、ポリプロピレンオキサイドの両端にポリエチレンオキサイドが結合してなる前述のプルロニックF−127を用いて同様のゲルを作成した場合には、数時間の静置で該ゲルは完全に水に溶解することを、本発明者らは見出している。
【0114】
非ゲル化時の細胞毒性をできる限り低いレベルに抑える点からは、水に対する濃度、すなわち{(高分子)/(高分子+水)}×100(%)で、20%以下(更には15%以下、特に10%以下)の濃度でゲル化が可能なハイドロゲル形成性の高分子を用いることが好ましい。
【0115】
(生理的作用を有する成分)
本発明のハイドロゲルないしゲル体は、先に述べたような有用物質を含んでいてもよい。該有用物質が生理的作用を有する場合として、例えば、抗生剤、抗癌剤、コラーゲン、ゼラチン等のECM、後述の局所性化学仲介物質、インスリン、細胞成長因子等のホルモン類、外来遺伝子等あるいはこれら化学仲介物質や細胞成長因子等を分泌するその他の細胞や組織などが挙げられる。
【0116】
このような「他の成分」の使用量は、所定の効果を奏する量であって、且つハイドロゲル形成性の高分子に基づくゲル内に所定の時間(例えば、細胞・組織の培養に必要な時間)保持可能な量である限り、特に制限されない。通常は、ハイドロゲル形成性の高分子を基準(10部)として、2部以下程度、更には1部以下程度であることが好ましい。
【0117】
(化学仲介物質)
生体組織の再生には、前駆細胞等の細胞のみならず、その分化や増殖を促す細胞成長因子等の種々の化学仲介物質(chemical mediator)が必要な場合がある。これらの化学仲介物質は、通常は細胞自身から分泌されるが、再生を効率良く進めるために本発明の細胞・組織培養用担体に予めこれらの化学仲介物質を含有させて外部から補給することが効果的である。
【0118】
この化学仲介物質としては、1)細胞のごく近傍でしか作用しない局所性化学仲介物質(local chemical mediator)、2)神経細胞から分泌され有効作用距離がごく短い神経伝達物質(neurotransmitter)、3)内分泌細胞から分泌され血流等を通じて全身の標的細胞に作用するホルモン(hormone)、あるいは細胞間の情報伝達物質である細胞増殖因子等が挙げられる。
【0119】
上記1)の局所性化学仲介物質としては、神経細胞成長因子等のタンパク、走化性因子等のペプチド、ヒスタミン等のアミノ酸誘導体、プロスタグランジン等の脂肪酸誘導体等が挙げられる。
【0120】
上記2)の神経伝達物質としては、グリシン等のアミノ酸、ノルアドレナリン、アセチルコリン、エンケファリン等の低分子ペプチド等の低分子量物質が挙げられる。
【0121】
上記3)の細胞増殖因子あるいはホルモンとしては、線維芽細胞成長因子(fibroblast growth factor、FGF)、上皮細胞成長因子(epithelial growth factor、EGF)、血管内皮細胞成長因子(vascular endothelial growth factor、VEGF)、肝細胞増殖因子(hepatocyte growth factor、HGF)等の細胞成長因子、インスリン、ソマトトロピン、ソマトメジン、副腎皮質刺激ホルモン(ACTH)、副甲状腺ホルモン(PTH)、甲状腺刺激ホルモン(TSH)等のタンパク、または糖タンパク、TSH放出因子、バソプレシン、ソマトスタチン等のアミノ酸誘導体、コルチゾール、エストラジオール、テストステロン等のステロイド等が挙げられる。
【0122】
(生体内組織・臓器)
本発明において「生体組織・臓器」とは、動物(特にヒト)の組織、器官、臓器をいう。本発明のハイドロゲルにより培養可能な生体組織・臓器は特に制限されないが、例えば食道、胃、小腸、大腸、膵臓、肝臓、心臓、血管、骨、軟骨、神経、角膜、真皮等を例示することができる。
【0123】
(細胞・組織)
本発明のハイドロゲルにより培養可能な細胞・組織は、特に制限されない。
本発明のハイドロゲルは、分化性の細胞・組織に対して特に効果的に利用可能である。このような分化性の細胞としては、例えば、幹細胞(stem cell)および前駆細胞を挙げることができる。分化性の細胞は、分化単能性、分化多能性、ないし分化全能性のいずれの細胞をも包含する。
【0124】
(生体組織・臓器の修復・再生方法)
本発明のハイドロゲルを用いて、例えば細胞・組織を修復・再生することがでいる。この修復・再生方法は特に制限されないが、該細胞等の播種および回収を容易とする点からは、ハイドロゲル形成性高分子のゾル−ゲル転移を利用することが好ましい。
【0125】
(ゾル−ゲル転移を利用する態様)
このようなゾル−ゲル転移を利用する態様においては、先ず、本発明のハイドロゲル中に細胞(例えば、幹細胞や前駆細胞)またはそれらを含有する組織等を播種、混和する。このような播種、混和を行うためには、例えば、本発明のハイドロゲルを構成するハイドロゲル形成性高分子を、培養液、例えばRPMI−1640(Life Technologies、N.Y.、USA)に低温(例えば4℃)下で攪拌溶解し、本発明のハイドロゲルをそのゾル−ゲル転移温度より低い温度の水溶液(ゾル)の状態として該細胞や組織を添加、懸濁させれば良い。ここで用いる培養液には特に制限はなく、目的とする細胞(幹細胞、前駆細胞等)が増殖・分化し易いものを適宜選択して用いれば良い。またこの培養液に目的の幹細胞や前駆細胞の増殖・分化を促進する前述の化学仲介物質を、必要に応じて含有させてもよい。更にコラーゲン、ゼラチン等のECMを添加してもよい。
【0126】
本発明のハイドロゲル中で生体組織・臓器を再生させるには、例えば、上記懸濁液を本発明のハイドロゲルのゾル−ゲル転移温度より高い温度(通常は37℃)に昇温してゲル化させた後、該温度(通常37℃)で目的とする細胞またはそれを含有する組織等を培養すればよい。
【0127】
また、本発明のハイドロゲルをゲル化させる際、所望の形状の型を用いて所望の形状を付与してゲル化させることもできる。例えば軟骨組織を耳や鼻の再建に用いる場合等に、本発明のハイドロゲルを耳や鼻の適用部位に適合する形状として軟骨細胞を培養し、軟骨組織を再生させれば、容易に所望の形状に成型して使用することができる。
【0128】
本発明のハイドロゲル中で目的の組織・臓器が再生された後に、これらを本発明のハイドロゲルから回収するには、目的の組織・臓器を含む本発明のハイドロゲルを該ゾル−ゲル転移温度より低い温度(例えば4℃)に冷却して本発明のハイドロゲルをゾル状態に戻し、遠心分離等の通常の分離方法で目的の組織・臓器と本発明のハイドロゲルを分離すれば良い。
【0129】
上述したように、本発明のハイドロゲルは繊維芽細胞の増殖を抑える一方で、目的とする細胞(幹細胞、前駆細胞等)の増殖や分化を実質的に阻害しない(ないしは促進させる)ことが可能であるため、本発明のハイドロゲル中で目的とする組織・臓器を効率よく再生させることができる。
【0130】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明を更に具体的に説明するが、本発明の範囲は特許請求の範囲により限定されるものであり、以下の実施例によって限定されるものではない。
【0131】
製造例1
ポリプロピレンオキサイド−ポリエチレンオキサイド共重合体(プロピレンオキサイド/エチレンオキサイド平均重合度約60/180、旭電化工業(株)製:プルロニックF−127)10gを乾燥クロロホルム30mlに溶解し、五酸化リン(1g)共存下、ヘキサメチレンジイソシアネート0.13gを加え、沸点還流下に6時間反応させた。溶媒を減圧留去した後、残さを蒸留水に溶解し、分画分子量3万の限外濾過膜(アミコンPM−30)を用いて限外濾過を行い、高分子量重合体と低分子量重合体を分画した。得られた水溶液を凍結して、F−127高重合体およびF−127低重合体を得た。
【0132】
上記により得たF−127高重合体(本発明のハイドロゲル形成性高分子、TGP−1)を、氷冷下、8質量%の濃度で蒸留水に溶解した。この水溶液をゆるやかに加温していくと、21℃から徐々に粘度が上昇し、約27℃で固化して、ハイドロゲルとなった。このハイドロゲルを冷却すると、21℃で水溶液に戻った。この変化は、可逆的に繰り返し観測された。
【0133】
一方、上記F−127低重合体を、氷点下8質量%の濃度で蒸留水に溶解したものは、60℃以上に加熱しても全くゲル化しなかった。
【0134】
製造例2
トリメチロールプロパン1モルに対し、エチレンオキサイド160モルをカチオン重合により付加して、平均分子量約7000のポリエチレンオキサイドトリオールを得た。
【0135】
上記により得たポリエチレンオキサイドトリオール100gを蒸留水1000mlに溶解した後、室温で過マンガン酸カリウム12gを徐々に加えて、そのまま約1時間、酸化反応させた。固形物を濾過により除いた後、生成物をクロロホルムで抽出し、溶媒(クロロホルム)を減圧留去してポリエチレンオキサイドトリカルボキシル体90gを得た。
【0136】
上記により得たポリエチレンオキサイドトリカルボキシル体10gと、ポリプロピレンオキサイドジアミノ体(プロピレンオキサイド平均重合度約65、米国ジェファーソンケミカル社製、商品名:ジェファーミンD−4000、曇点:約9℃)10gとを四塩化炭素1000mlに溶解し、ジシクロヘキシルカルボジイミド1.2gを加えた後、沸点還流下に6時間反応させた。反応液を冷却し、固形物を濾過により除いた後、溶媒(四塩化炭素)を減圧留去し、残さを真空乾燥して、複数のポリプロピレンオキサイドとポリエチレンオキサイドとが結合した本発明のハイドロゲル形成性高分子(TGP−2)を得た。これを氷冷下、5質量%の濃度で蒸留水に溶解し、そのゾル−ゲル転移温度を測定したところ、約16℃であった。
【0137】
製造例3
N−イソプロピルアクリルアミド(イーストマンコダック社製)96g、N−アクリロキシスクシンイミド(国産化学(株)製)17g、およびn−ブチルメタクリレート(関東化学(株)製)7gをクロロホルム4000mlに溶解し、窒素置換後、N、N’−アゾビスイソブチロニトリル1.5gを加え、60℃で6時間重合させた。反応液を濃縮した後、ジエチルエーテルに再沈(再沈殿)した。濾過により固形物を回収した後、真空乾燥して、78gのポリ(N−イソプロピルアクリルアミド−コ−N−アクリロキシスクシンイミド−コ−n−ブチルメタクリレート)を得た。
【0138】
上記により得たポリ(N−イソプロピルアクリルアミド−コ−N−アクリロキシスクシンイミド−コ−n−ブチルメタクリレート)に、過剰のイソプロピルアミンを加えてポリ(N−イソプロピルアクリルアミド−コ−n−ブチルメタクリレート)を得た。このポリ(N−イソプロピルアクリルアミド−コ−n−ブチルメタクリレート)の水溶液の曇点は19℃であった。
【0139】
前記のポリ(N−イソプロピルアクリルアミド−コ−N−アクリロキシスクシンイミド−コ−n−ブチルメタクリレート)10g、および両末端アミノ化ポリエチレンオキサイド(分子量6、000、川研ファインケミカル(株)製)5gをクロロホルム1000mlに溶解し、50℃で3時間反応させた。室温まで冷却した後、イソプロピルアミン1gを加え、1時間放置した後、反応液を濃縮し、残渣をジエチルエーテル中に沈澱させた。濾過により固形物を回収した後、真空乾燥して、複数のポリ(N−イソプロピルアクリルアミド−コ−n−ブチルメタクリレート)とポリエチレンオキサイドとが結合した本発明のハイドロゲル形成性高分子(TGP−3)を得た。
【0140】
このようにして得たTGP−3を氷冷下、5質量%の濃度で蒸留水に溶解し、そのゾル−ゲル転移温度を測定したところ、約21℃であった。
【0141】
製造例4
(滅菌方法)
上記した本発明のハイドロゲル形成性高分子(TGP−3)の2.0gを、EOG(エチレンオキサイドガス)滅菌バッグ(ホギメディカル社製、商品名:ハイブリッド滅菌バッグ)に入れ、EOG滅菌装置(イージーパック、井内盛栄堂製)でEOGをバッグに充填し、室温にて一昼夜放置した。更に40℃で半日放置した後、EOGをバッグから抜き、エアレーションを行った。バッグを真空乾燥器(40℃)に入れ、時々エアレーションしながら半日放置することにより滅菌した。
【0142】
この滅菌操作により高分子のゾル−ゲル転移温度が変化しないことを、別途確認した。
【0143】
製造例5
N−イソプロピルアクリルアミド37gと、n−ブチルメタクリレート3gと、ポリエチレンオキサイドモノアクリレート(分子量4,000、日本油脂(株)製:PME−4000)28gとを、ベンゼン340mlに溶解した後、2、2′−アゾビスイソブチロニトリル0.8gを加え、60℃で6時間反応させた。得られた反応生成物にクロロホルム600mlを加えて溶解し、該溶液をエーテル20L(リットル)に滴下して沈澱させた。得られた沈殿を濾過により回収し、該沈澱を約40℃で24時間真空乾燥した後、蒸留水6Lに再び溶解し、分画分子量10万のホローファイバー型限外濾過膜(アミコン社製H1P100−43)を用いて10℃で2lまで濃縮した。
【0144】
該濃縮液に蒸留水4lを加えて希釈し、上記希釈操作を再度行った。上記の希釈、限外濾過濃縮操作を更に5回繰り返し、分子量10万以下のものを除去した。この限外濾過により濾過されなかったもの(限外濾過膜内に残留したもの)を回収して凍結乾燥し、分子量10万以上の本発明のハイドロゲル形成性高分子(TGP−4)60gを得た。
【0145】
上記により得た本発明のハイドロゲル形成性高分子(TGP−4)1gを、9gの蒸留水に氷冷下で溶解した。この水溶液のゾル−ゲル転移温度を測定したところ、該ゾル−ゲル転移温度は25℃であった。
【0146】
製造例6
製造例3の本発明のハイドロゲル形成性高分子(TGP−3)を10質量%の濃度で蒸留水に溶解し、5.8×10Pa・secであった。この定常流動粘度ηの測定においては、ストレス式レオメータ(CSL500)、および測定デバイスとしてアクリル製円盤(直径4cm)を使用し、試料厚み600μmとして、10N/mのずり応力を適用して、5分後から5分間のクリープを観測した。
【0147】
一方、寒天を2質量%の濃度で蒸留水に90℃で溶解して、10℃で1時間ゲル化させた後、37℃におけるηを測定したところ、そのηは機器の測定限界(1×10Pa・sec)を越えていた。
【0148】
製造例7
(繊維芽細胞の増殖性評価)
製造例3で作製した本発明のハイドロゲル形成性高分子(TGP−3)を製造例4の方法によって滅菌した後、該ポリマーの最終濃度が約8%になるように20%の胎児牛血清(FCS;Dainippon Pharmaceutical社製、商品名:Fetal Calf Serum)および抗生剤(LifeTechnologies社製、商品名:penicillin;最終濃度10,000U/ml)を含有するRPMI−1640(Life Technologies社製)中に、4℃で24時間、撹拌下に溶解した。この操作は無菌的に実施した。
【0149】
上記の本発明のハイドロゲル(TGP−3/RPMI)に正常ヒト肺繊維芽細胞(Normal Human Lung Fibroblasts、NHLF、宝酒造(株)社製))を6×10個/mlの細胞密度になるように分散させた。このNHLF分散液を24ウェループレート[flat bottom multiwell tissue culture plate(FALCON、Becton Dickinson & Company)]の各ウェルに0.2mlずつ分注し、37℃でゲル化させた後、培養液0.4mlを添加して37℃、5%CO大気圧下で培養した。24ウェループレートは顕微鏡観察用と繊維芽細胞増殖率測定用の各2枚を0、1、3、7日目用の分として、合計8枚用意した。
【0150】
これとは別に比較用としてTGP−3を用いないで上記の培養液に6×10個/mlの細胞密度になるように分散させたNHLF分散液を調製し、同様にして24ウェル−プレート8枚を用意して同様の培養試験を行った。
【0151】
位相差顕微鏡(オリンパス社製、商品名:IMT−2、10倍)により経日的(0、1、3、7日)に観察した結果、比較例(RPMI)の培養では1日後から繊維芽細胞に特徴的な樹枝状の増殖が見られ、7日後にはコンフルエントの状態となったのに対し、本発明のハイドロゲル(TGP−3/RPMI)中では7日後まで繊維芽細胞が単細胞の形態を保ったままで増殖の様子は認められなかった。
【0152】
所定培養日数の経過後、24ウェル−プレートを4℃に下げることによって該担体を溶解した後、各ウェル中にコハク酸脱水素酵素活性測定用試薬たるWST−8試薬(同仁化学(株)製)50μlを添加した。この24ウェル−プレートを4℃で10時間反応させた後、完全に均一な水溶液の状態にした。
【0153】
該水溶液を96−ウェル−プレートに200μlづつ分注し、マイクロプレート用比色計を用いて450nm(参照波長620nm)で吸光度(OD(450))を測定した。繊維芽細胞の増殖率は、培養開始時(0日)の吸光度OD=(OD(450))と、培養後(1、3、7日後)の吸光度OD=(OD(450))の比(OD/OD)により求めた。
本発明のハイドロゲル(TGP−3/RPMI)中では1、3、7日後の繊維芽細胞の増殖率(OD/OD)がそれぞれ105%、120%、125%であったのに対し、比較例(RPMI)では1、3、7日後の繊維芽細胞の増殖率(OD/OD)がそれぞれ170%、370%、420%であった。
【0154】
実施例1
ビーグル系雑犬(9.0〜11.0kg体重)をペントバルビタールにて静脈麻酔後、開腹し、膵臓を全摘出した。膵管に直径100μmのガイドワイヤーを挿入し、ガイドワイヤーにそって膵組織を切除、除去していくと膵管のみが採取できた。約6cm長、径150〜200μmの膵管を0.5mm幅にて細切した。
【0155】
製造例3の本発明のハイドロゲル形成性高分子(TGP−3)を10質量%の濃度で培養液(RPMI−1640、Life Technologies社製)に溶解した溶液(本発明のハイドロゲル)を4℃に冷却して、上記膵管細切片を分散させ、12ウェル−プレート[flat bottom multiwell tissue culture plate(FALCON、Becton Dickinson & Company)]の各ウェルに0.4mlずつ分注し、37℃でゲル化させた後、培養液0.4mlを添加して37℃、5%CO大気圧下で培養した。尚、培養液RPMI−1640にはイヌ血清(イヌ血液50〜100mlを採血し、室温30分静置して上清を採取したもの)10%、10mMニコチンアミド(Sigma社製、商品名:NIACINAMIDE)、10ng/mlケラチノサイト増殖因子(KGF;PEPROTECH FC Ltd.社製、商品名:Recombinant Keratinocyte Growth Factor)を添加した。
【0156】
経日的に実体顕微鏡(Olympus社製、商品名:倒立型システム顕微鏡;100倍)で観察すると、培養5日目より膵管組織片外側より、細胞が分裂、増殖した集塊が認められた(図1)。該細胞集塊は経日的に大きさを増し、14日目には150μm、30日目には300μmとなった(図2)。30日目の組織像では細胞集塊にインスリン陽性細胞が存在し、ランゲルハンス島のクラスターが形成されたことを示した。
【0157】
該細胞集塊を含有する本発明のハイドロゲルを4℃に冷却して遠心分離することにより、該細胞集塊と、この冷却によりゾル化した本発明のハイドロゲルを容易に分離することができた。
【0158】
実施例2
Lewis系4週令雄性ラット肋軟骨を無菌的に採取し、付着する軟組織を除去して取り出した軟骨を細片化した。次いで、酵素液{第一液:0.1%EDTA(ナカライテスク社製)/PBS(−)(ローマン工業社製)、第二液:0.25%トリプシン−EDTA(ギブコ社製)/PBS(−)(ローマン工業社製)、第三液:0.1%コラゲナーゼ(和光純薬社製)/PBS(+)(ギブコ社製)}をそれぞれ入れた試験管中にこの軟骨組織を入れ、37℃でそれぞれ15分間、1時間、3時間処理して軟骨組織を分解した。
【0159】
採取した軟骨分散液を培地中{D−MEM(Dulbecco’s Modified Eagle Medium:(ギブコ社製)+10% FCS(Fetal Bovine Serum)+ペニシリン+ ストレプトマイシン)に入れ、コンフルエント状態になるまで約2週間、37℃、5%CO大気圧下で培養した。得られた培養液を0.25%トリプシン/PBS(−)で5分間処理して、1000rpm、10分間遠心分離し、軟骨細胞を回収した。
【0160】
製造例3の本発明のハイドロゲル形成性高分子(TGP−3)を10質量%の濃度で培養液(RPMI−1640、Life Technologies社製)に溶解した溶液(本発明のハイドロゲル)を4℃に冷却して、上記軟骨細胞を6×10個/mlの細胞密度になるように分散させ、12ウェル−プレート[flat bottom multiwell tissue cultureplate(FALCON、Becton Dickinson & Company)]の各ウェルに0.4mlずつ分注し、37℃でゲル化させた後、培養液0.4mlを添加して37℃、5%CO大気圧下で培養した。尚、培養液RPMI−1640には、実施例1と同様に、ラット血清(ラット血液を室温30分静置して上清を採取したもの)10%、10mMニコチンアミド、10ng/mlケラチノサイト増殖因子(KGF)を添加した。
【0161】
経日的に実体顕微鏡で観察すると、培養5日目より、細胞が分裂、増殖した集塊が認められた。該細胞集塊は経日的に大きさを増し、14日目には150μm、30日目には300μmとなった。30日目の組織像(Azan染色およびAggrecan免疫染色)において、細胞集塊に軟骨塊の形成を示す染色像が認められた。
【0162】
該細胞集塊を含有する本発明のハイドロゲルを4℃に冷却して遠心分離することにより、該細胞集塊と、この冷却によりゾル化した本発明のハイドロゲルを容易に分離することができた。
【0163】
製造例8
N−イソプロピルアクリルアミド71.0gおよびn−ブチルメタクリレート4.4gをエタノール1117gに溶解した。これにポリエチレングリコールジメタクリレート(PDE6000、日本油脂(株)製)22.6gを水773gに溶解した水溶液を加え、窒素気流下70℃に加温した。窒素気流下70℃を保ちながら、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン(TEMED)0.8mLと10%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液8mLを加え30分間攪拌反応させた。さらにTEMED0.8mLと10%APS水溶液8mLを30分間隔で4回加えて重合反応を完結させた。反応液を10℃以下に冷却後、10℃の冷却蒸留水5Lを加えて希釈し、分画分子量10万の限外ろ過膜を用いて10℃で2Lまで濃縮した。
【0164】
該濃縮液に冷却蒸留水4Lを加えて希釈し、上記限外ろ過濃縮操作を再度行った。上記の希釈、限外ろ過濃縮操作を更に5回繰り返し、分子量10万以下のものを除去した。この限外ろ過によりろ過されなかったもの(限外ろ過膜内に残留したもの)を回収して凍結乾燥し、分子量10万以上の本発明のハイドロゲル形成性高分子(TGP−5)72gを得た。
【0165】
上記により得た本発明のハイドロゲル形成性高分子(TGP−5)1gを、9gの蒸留水に氷冷下で溶解した。この水溶液のゾル−ゲル転移温度を測定したところ、該ゾル−ゲル転移温度は20℃であった。
【0166】
製造例9
N−イソプロピルアクリルアミド42.0gおよびn−ブチルメタクリレート4.0gをエタノール592gに溶解した。これにポリエチレングリコールジメタクリレート(PDE6000、日本油脂(株)製)11.5gを水65.1gに溶解した水溶液を加え、窒素気流下70℃に加温した。窒素気流下70℃を保ちながら、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン(TEMED)0.4mLと10%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液4mLを加え30分間攪拌反応させた。さらにTEMED0.4mLと10%APS水溶液4mLを30分間隔で4回加えて重合反応を完結させた。反応液を5℃以下に冷却後、5℃の冷却蒸留水5Lを加えて希釈し、分画分子量10万の限外ろ過膜を用いて5℃で2Lまで濃縮した。
【0167】
該濃縮液に冷却蒸留水4Lを加えて希釈し、上記限外ろ過濃縮操作を再度行った。上記の希釈、限外ろ過濃縮操作を更に5回繰り返し、分子量10万以下のものを除去した。この限外ろ過によりろ過されなかったもの(限外ろ過膜内に残留したもの)を回収して凍結乾燥し、分子量10万以上の本発明のハイドロゲル形成性高分子(TGP−6)40gを得た。
【0168】
上記により得た本発明のハイドロゲル形成性高分子(TGP−6)1gを、9gの蒸留水に氷冷下で溶解した。この水溶液のゾル−ゲル転移温度を測定したところ、該ゾル−ゲル転移温度は7℃であった。
【0169】
製造例10
N−イソプロピルアクリルアミド45.5gおよびn−ブチルメタクリレート0.56gをエタノール592gに溶解した。これにポリエチレングリコールジメタクリレート(PDE6000、日本油脂(株)製)11.5gを水65.1gに溶解した水溶液を加え、窒素気流下70℃に加温した。窒素気流下70℃を保ちながら、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン(TEMED)0.4mLと10%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液4mLを加え30分間攪拌反応させた。さらにTEMED0.4mLと10%APS水溶液4mLを30分間隔で4回加えて重合反応を完結させた。反応液を10℃以下に冷却後、10℃の冷却蒸留水5Lを加えて希釈し、分画分子量10万の限外ろ過膜を用いて10℃で2Lまで濃縮した。
【0170】
該濃縮液に冷却蒸留水4Lを加えて希釈し、上記限外ろ過濃縮操作を再度行った。上記の希釈、限外ろ過濃縮操作を更に5回繰り返し、分子量10万以下のものを除去した。この限外ろ過によりろ過されなかったもの(限外ろ過膜内に残留したもの)を回収して凍結乾燥し、分子量10万以上の本発明のハイドロゲル形成性高分子(TGP−7)22gを得た。
上記により得た本発明のハイドロゲル形成性高分子(TGP−7)1gを、9gの蒸留水に氷冷下で溶解した。この水溶液のゾル−ゲル転移温度を測定したところ、該ゾル−ゲル転移温度は37℃であった。
【0171】
実施例3
製造例8,9,10で得られたハイドロゲル形成性高分子TGP−5,TGP−6,TGP−7それぞれを生理食塩水に溶解して10wt%の溶液を調製した。それぞれのゾル−ゲル転移温度を測定したところ、18℃(TGP−5)、5℃(TGP−6)、35℃(TGP−7)であった。各生理食塩水溶液をそのゾルーゲル転移温度以下に冷却して、1群10匹の6週齢のラット(雄5匹、雌5匹)の腹腔内に20mL/kgずつ投与した。
【0172】
投与法はラットの腹部を電気バリカンにて除毛し、消毒用エタノールにて投与部位を消毒した後、シリンジ及び留置針(22G)を用いて投与した。いずれの群も対照として生理食塩水を腹腔内に20mL/kgずつ投与した群と同等の体重増加を示し、7日間の観察期間中異常な所見は全く認められなかった。投与後7日目にエーテル麻酔下で放血致死させ、すべての器官および組織について異常の有無とともに、腹腔内のハイドロゲル(本発明の再生用材料)の残存を検査した。いずれの群もすべての器官および組織について異常は全く認められなかった。TGP−5およびTGP−6については腹腔内にハイドロゲルの残存を認めたが、ゾル−ゲル転移温度が35℃と高いTGP−7については投与後7日目に腹腔内にハイドロゲルの残存を認めなかった。
【0173】
実施例4
製造例8,9で得られたハイドロゲル形成性高分子TGP−5,TGP−6それぞれを生理食塩水に溶解して10wt%の溶液を調製した。各生理食塩水溶液をそのゾル−ゲル転移温度以下に冷却して、ラットの背部皮下に1mLずつ注入した。投与法はラットの背部を電気バリカンにて除毛し、消毒用エタノールにて投与部位を消毒した後、シリンジ及び留置針(22G)を用いて投与した。
ゾル−ゲル転移温度が18℃のTGP−5は投与23日目にラット皮下から消失しており、肉眼的にその残存を認めなかった。一方、ゾル−ゲル転移温度が5℃のTGP−6は投与37日目に剖検したところ、その残存を肉眼的に認め(図3)、HE染色組織像(図4)でも周囲組織に異物反応等の異常所見は認められなかった。
【0174】
実施例5
製造例8,9で得られたハイドロゲル形成性高分子TGP−5,TGP−6それぞれをヒト塩基性線維芽細胞増殖因子(FGF−b、コスモバイオ社製、100−18B)を含有する生理食塩水(FGF−b:50pg/mL)に溶解して10wt%の溶液を調製した。各生理食塩水溶液をそのゾル−ゲル転移温度以下に冷却して、ラットの背部皮下に1mLずつ注入した。投与法はラットの背部を電気バリカンにて除毛し、消毒用エタノールにて投与部位を消毒した後、シリンジ及び留置針(22G)を用いて投与した。
ゾル−ゲル転移温度が18℃のTGP−5は投与23日目にラット皮下から消失しており、肉眼的にその残存を認めなかった。一方、ゾル−ゲル転移温度が5℃のTGP−6は投与37日目に剖検したところ、ハイドロゲル(本発明の再生用材料)の残存を肉眼的に認め(図5)、HE染色組織像(図6)よりその周囲には無数の毛細血管網の形成が確認された。これは本発明の再生材料から成長因子(FGF−b)が徐徐に放出され、毛細血管の再生が促進された結果と考えられる。
【0175】
実施例6
製造例8で得られたハイドロゲル形成性高分子TGP−5を、フェノールレッド(和光純薬製)3mMを含有するリン酸緩衝液(1/15M,pH7)、メチルブルー(和光純薬製)6mMを含有するリン酸緩衝液(1/15M,pH7)、ミオグロビン(和光純薬製)0.9%を含有するリン酸緩衝液(1/15M,pH7)、それぞれに9wt%の濃度で氷冷下溶解した。これらの溶液を長さ1.3mm、内径6mmのガラス管内に充填して37℃に昇温しゲル化させた。これらの円盤状のハイドロゲルをガラス管ごと3mLのリン酸緩衝液(1/15M,pH7)の入った分光用セルに入れ、37℃に保温して攪拌しながら、吸光度を連続的に測定した。吸光度の測定波長はフェノールレッド、メチルブルー、ミオグロビンそれぞれについて、558nm、571nm、409nmで行った。経時的な3mLのリン酸緩衝液(1/15M,pH7)中へのフェノールレッド、メチルブルー、ミオグロビンの溶出率を吸光度測定により求め、式(1)の関係からそれぞれの拡散係数を求めたところ、1.6×10−6(cm/sec)、7.5×10−9(cm/sec),2.1×10−7(cm/sec)であった。
【0176】
TGP−5ハイドロゲル中37℃における水溶性親水性物質であるフェノールレッドと水溶性疎水性物質であるメチルブルーの拡散係数の比(DPR/DMB)は213であった。
TGP−5ハイドロゲル中37℃における水溶性親水性低分子物質であるフェノールレッドと水溶性親水性高分子物質であるミオグロビンの拡散係数の比(DPR/DMG)は7.6であった。
【0177】
比較例1
低融点アガロース(Sea Prep(登録商標)agarose,BMA(Rockland USA)社製、融点50℃以下、ゲル化点8℃〜17℃)を、フェノールレッド(和光純薬製)3mMを含有するリン酸緩衝液(1/15M,pH7)、メチルブルー(和光純薬製)6mMを含有するリン酸緩衝液(1/15M,pH7)、ミオグロビン(和光純薬製)0.9%を含有するリン酸緩衝液(1/15M,pH7)、それぞれに1wt%の濃度で加温溶解した。これらの溶液を長さ10mm、内径2mmのガラス管内に充填して2℃に冷却しゲル化させた。これらの円柱状のハイドロゲルをガラス管ごと3mLのリン酸緩衝液(1/15M,pH7)の入った分光用セルに入れ、37℃に保温して攪拌しながら、吸光度を連続的に測定した。吸光度の測定波長はフェノールレッド、メチルブルー、ミオグロビンそれぞれについて、558nm、571nm、409nmで行った。経時的な3mLのリン酸緩衝液(1/15M,pH7)中へのフェノールレッド、メチルブルー、ミオグロビンの溶出率を吸光度測定により求め、式(1)の関係からそれぞれの拡散係数を求めたところ、4.7×10−6(cm/sec)、7.1×10−6(cm/sec),2.6×10−5(cm/sec)であった。
低融点アガロースハイドロゲル中37℃における水溶性親水性物質であるフェノールレッドと水溶性疎水性物質であるメチルブルーの拡散係数の比(DPR/DMB)は0.7であった。
【0178】
低融点アガロースハイドロゲル中37℃における水溶性親水性低分子物質であるフェノールレッドと水溶性親水性高分子物質であるミオグロビンの拡散係数の比(DPR/DMG)は0.18であった。
【0179】
実施例7
製造例8で得られたハイドロゲル形成性高分子TGP−5を生理食塩水に溶解して高分子濃度10質量%(wt%)、8質量%(wt%)、6質量%(wt%)の溶液を調製した。それぞれのゾル−ゲル転移温度を測定したところ、それぞれ18℃、20℃、22℃であった。各生理食塩水溶液をそのゾル−ゲル転移温度以下に冷却して、1群10匹の6週齢のラット(雄5匹、雌5匹)の腹腔内に1mL/kgずつ投与した。投与法はラットの腹部を電気バリカンにて除毛し、消毒用エタノールにて投与部位を消毒した後、シリンジ及び留置針(22G)を用いて投与した。投与後1日目、3日目、7日目、14日目、21日目に各群2匹(雄1匹、雌1匹)をエーテル麻酔下で放血致死させ、腹腔内のハイドロゲル(本発明の再生用材料)の残存を検査した。高分子濃度6質量%(wt%)のハイドロゲルは投与後3日目に腹腔内から消失、高分子濃度8質量%(wt%)のハイドロゲルは投与後14日目に腹腔内から消失、高分子濃度10質量%(wt%)のハイドロゲルは投与後21日目に腹腔内から消失した。
【0180】
【発明の効果】
上述したように、本発明のハイドロゲルを用いた場合には、種々の有用物質の保持/拡散を好適に制御することが可能となる。
【0181】
このようなハイドロゲルを、例えば細胞・組織培養用担体として用いた場合には、繊維芽細胞が実質的に増殖しないため、目的とする細胞・組織(例えば、修復・再生等を目的とする臓器や組織の細胞)を選択的に増殖させ、目的とする臓器や組織の再生を効果的に達成できる。
【0182】
本発明のハイドロゲルは、所定の温度(例えば、ヒトまたは動物の体温)でゲル化して三次元網目構造を形成し、細胞成長因子等を長期間保持できるため、目的とする臓器や組織の再生を促進させることができる。
【0183】
本発明のハイドロゲルは低温でゾル状態、体温でゲル化するハイドロゲル形成性の高分子から構成されるため、低温のゾル状態で本発明のハイドロゲル中に幹細胞や前駆細胞またはそれらを含有する組織等を播種、混和することができ、そのまま所定の温度(例えば、ヒトまたは動物の体温)でゲル化させることによって該担体をゲル状態として、組織や臓器を再生する幹細胞や前駆細胞の接着・分化・形態形成のための人工担体として機能させることができる。
【0184】
更に本発明のハイドロゲルはそのゾル−ゲル転移温度より低い温度に冷却することによってゾル状態に戻るため、ゲル内で再生した組織や臓器に実質的に傷害を与えることなく回収できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1において膵管組織外側から、細胞が分裂、増殖した集塊を示す顕微鏡写真である(5日目、倍率×100)。
【図2】実施例1において、経日的に大きさを増した細胞塊を示す顕微鏡写真である(30日目、倍率×100)。
【図3】ラットの背部に投与されたゾル−ゲル転移温度が5℃のTGP−6の残存を示す、実施例4において得られた写真である。
【図4】ラットの背部に投与されたゾル−ゲル転移温度が5℃のTGP−6周囲を示す、実施例4において得られたHE(ヘマトキシリン−エオシン)染色組織像(倍率:100倍)である。
【図5】ラットの背部に投与されたゾル−ゲル転移温度が5℃のTGP−6の残存を示す、実施例5において得られた写真である。
【図6】ラットの背部に投与されたゾル−ゲル転移温度が5℃のTGP−6周囲を示す、実施例5において得られたHE染色組織像(倍率:100倍)である。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a hydrogel that can be suitably used for holding and / or diffusing (or releasing) various useful substances, a gel body using the hydrogel, and holding and / or holding a useful substance using the hydrogel. The present invention relates to a control method capable of suitably controlling diffusion.
[0002]
By using the hydrogel of the present invention, retention / diffusion of various useful substances (for example, physiologically active substances such as pharmaceuticals) can be suitably controlled so as to conform to various conditions.
[0003]
[Prior art]
Hydrogels containing at least a hydrogel-forming polymer (eg, collagen, agar, alginic acid, hyaluronic acid, etc.) and an aqueous dispersion medium can be used in various industries (eg, chemical, pharmaceutical, food, agricultural, etc.). In addition, it has been widely used for personal and home use. Since hydrogels containing an aqueous dispersion medium are so-called “environmentally friendly materials”, their use is expected to be further expanded in the future.
[0004]
By effectively utilizing the function of holding / diffusion of such a hydrogel, there is a possibility that the holding and / or (or release) of a substance disposed in the hydrogel can be suitably controlled, and thus, it has been conventionally possible. Hydrogels have been used for retention and / or diffusion of various materials. For example, the function of hydrogel retention / diffusion is greatly expected to be applied to a drug delivery system (DDS) that delivers a desired bioactive substance with a desired release profile to a desired location.
[0005]
However, in a conventional hydrogel comprising a hydrogel-forming polymer (collagen, agar, alginic acid, hyaluronic acid, etc.) and an aqueous dispersion medium, the substance to be disposed in the hydrogel It was extremely difficult to control the diffusivity of the material. This is because there are a number of factors that must affect the diffusivity of such substances, and the relationships between these factors are extremely complex, so there is no unified index, and therefore, the result of many trials and errors in the past. Empirically (in a so-called "fumbling" search) only control the retention / diffusion of a substance in a particular hydrogel.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a hydrogel, a gel body, and a method for controlling the diffusion of a substance which have solved the above-mentioned disadvantages of the conventional hydrogel.
[0007]
It is another object of the present invention to provide a hydrogel, a gel body, and a method for controlling the diffusion of a substance, which can appropriately control retention and / or diffusion of a useful substance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies, the present inventor has found that in a hydrogel containing at least a specific hydrogel-forming polymer, the ratio of the diffusion coefficient between the specific substances is different from the function of retaining and / or diffusing various useful substances. Has been found to be extremely useful as an index that directly reflects
[0009]
As a result of further research based on such findings, the present inventor has found that by controlling the ratio of the diffusion coefficient between the above-mentioned specific substances, the retention and / or diffusion of useful substances can be suitably controlled. Is possible.
[0010]
The hydrogel of the present invention is based on the above findings, and more specifically, a hydrogel-forming polymer exhibiting a thermoreversible sol-gel transition in which an aqueous solution thereof becomes a sol state at a low temperature and a gel state at a high temperature. A hydrogel comprising at least:
The ratio of the diffusion coefficients of phenol red (PR), methyl blue (MB) and myoglobin (MG) is (DPR/ DMB) ≧ 2 and (DPR/ DMG) ≧ 1.2.
According to the present invention, there is further provided a gel body comprising at least a useful substance and a hydrogel disposed around the useful substance; wherein the hydrogel is in a sol state at an aqueous solution at a low temperature and in a gel state at an elevated temperature. And a diffusion coefficient of phenol red (PR), methyl blue (MB), and myoglobin (MG) in the hydrogel, which contains at least a hydrogel-forming polymer exhibiting a thermoreversible sol-gel transition. The ratio is (DPR/ DMB) ≧ 2 and (DPR/ DMGA) providing a gel body characterized by satisfying ≧ 1.2.
[0011]
According to the present invention, there is further provided a method for controlling retention / diffusion of a useful substance by using a gel body containing at least a useful substance and a hydrogel disposed around the useful substance; Contains at least a hydrogel-forming polymer exhibiting a thermoreversible sol-gel transition in which the aqueous solution becomes a sol state at a low temperature and a gel state at a high temperature, and phenol red (PR), methyl The ratio of the diffusion coefficients of blue (MB) and myoglobin (MG) is (DPR/ DMB) ≧ 2 and (DPR/ DMG) ≧ 1.2 is provided.
[0012]
According to the findings of the present inventors, the above-mentioned ratio of the diffusion coefficients (DPR/ DMB) And (DPR/ DMG) Indicates the molecular weight dependence of the diffusion of useful substances based on the hydrophilic / hydrophobic balance of the hydrogel-forming polymer in the hydrogel, and the “sieving effect” due to the network structure of the hydrogel-forming polymer. It is estimated to reflect
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings as necessary. In the following description, “parts” and “%” representing quantitative ratios are based on mass unless otherwise specified.
[0014]
(Hydrogel)
The hydrogel of the present invention contains at least a hydrogel-forming polymer having a sol-gel transition temperature. The hydrogel exhibits a thermo-reversible sol-gel transition that becomes a sol at lower temperatures and a gel at higher temperatures.
[0015]
(Hydrogel-forming polymer)
The “hydrogel-forming polymer” that constitutes the hydrogel of the present invention has a crosslinking structure or a network structure. Based on this structure, a hydrogel is formed by holding a dispersion liquid such as water therein. A polymer having the property of forming a gel. Further, the term "hydrogel" refers to a gel containing at least a crosslinked or network structure composed of a polymer and water supported or held in the structure (a dispersion liquid).
[0016]
The “dispersed liquid” held in the crosslinked or network structure is not particularly limited as long as it is a liquid containing water as a main component. More specifically, the dispersion liquid may be water itself, and may be either an aqueous solution and / or a hydrated liquid. The water-containing liquid preferably contains water in an amount of 80 parts or more, more preferably 90 parts or more, based on 100 parts of the entire water-containing liquid.
[0017]
As long as the object of the present invention is not contradicted, the dispersion liquid may contain an organic solvent (for example, a hydrophilic solvent such as ethanol compatible with water) at a predetermined content.
[0018]
(Sol-gel transition temperature)
In the present invention, “sol state”, “gel state” and “sol-gel transition temperature” are defined as follows. This definition is described in the literature (Polymer @ Journal.18(5), 411-416 (1986)).
[0019]
More specifically, 1 mL of the sol-like hydrogel is placed in a test tube having an inner diameter of 1 cm, and is kept in a water bath at a predetermined temperature (constant temperature) for 12 hours. Thereafter, when the test tube is turned upside down, if the solution / air interface (meniscus) is deformed by the weight of the solution (including the case where the solution flows out), the hydrogel is “ Sol state ". On the other hand, if the solution / air interface (meniscus) does not deform due to the weight of the solution even when the test tube is turned upside down, the hydrogel is considered to be in a “gel state” at the predetermined temperature. Define.
[0020]
In the above measurement, a sol-state hydrogel (solution) having a concentration of, for example, about 8% by mass is used, and the above-mentioned “predetermined temperature” is gradually increased (for example, in steps of 1 ° C.) to change the “sol state” to the “gel state” Is determined as a “sol-gel transition temperature” (in this case, the “predetermined temperature” is decreased in steps of 1 ° C., for example, and the “gel state” is changed to “sol-gel transition temperature”). The temperature at which the transition to the "sol state" may be obtained).
[0021]
(Sol-gel transition temperature)
In the present invention, the definition and measurement of the "sol state", "gel state" and "sol-gel transition temperature" are described in the literature (H. Yoshioka et al., Journal of Macromolecular Science, A31 (1), 113 (1994)). Based on the definition and method described above, it may be obtained as follows.
[0022]
That is, the dynamic elastic modulus of a sample at an observation frequency of 1 Hz is measured by gradually changing the temperature from a low temperature side to a high temperature side (1 ° C./1 minute), and the storage elastic modulus (G ′, elastic term) of the sample is determined. The temperature at the point where the loss elastic modulus (G ", viscous term) is exceeded is defined as the sol-gel transition temperature. Generally, the state where G"> G 'is a sol, and the state where G "<G' is a gel. In measuring the sol-gel transition temperature, the following measurement conditions can be suitably used.
[0023]
<Measurement conditions for dynamic and loss elastic modulus>
Measuring equipment (trade name): Stress control type rheometer CSL700, manufactured by Carri-Med
Concentration of sample solution (or dispersion) (however, as concentration of “polymer compound having sol-gel transition temperature”): 10 (weight)%
Amount of sample solution: about 0.8g
Measurement cell shape / dimension: Acrylic parallel disk (diameter 4.0 cm), gap 600 μm
Measurement frequency: 1Hz
Applied stress: within the linear region.
[0024]
(Suitable sol-gel transition temperature)
In the present invention, the sol-gel transition temperature can be adjusted in a wide range according to the purpose and application.
[0025]
For example, when the cells of an organism are used for culturing cells in vitro, the sol-gel transition temperature should be higher than 0 ° C. and 45 ° C. or lower from the viewpoint of preventing thermal damage to cells and living tissues. More preferably, the temperature is higher than 0 ° C. and 42 ° C. or less (particularly 4 ° C. or more and 40 ° C. or less).
[0026]
A hydrogel having such a suitable sol-gel transition temperature can be easily selected from the specific compounds described below according to the above-mentioned screening method (sol-gel transition temperature measurement method). For example, in a series of operations for regenerating biological tissues and organs using the hydrogel of the present invention, the above-mentioned sol-gel transition temperature (a ° C.) is used to determine the cell / tissue culture temperature (b ° C.) The temperature is preferably set between the temperature at the time of cooling (c ° C.) for seeding, mixing or collecting the tissue. That is, it is preferable that there is a relation of b> a> c between the above three temperatures a ° C., b ° C., and c ° C. Further, (ba) is preferably 1 to 40 ° C, more preferably 2 to 30 ° C, and (ac) is preferably 1 to 40 ° C, more preferably 2 to 30 ° C.
[0027]
(Gel body)
The gel body of the present invention includes at least a useful substance and the above-mentioned hydrogel disposed around the useful substance.
[0028]
(Useful substances)
The useful substance constituting the present invention together with the above-mentioned hydrogel can be retained in the hydrogel, and its retention and / or diffusion (or release) in the hydrogel is useful in some sense. As long as it is not particularly limited. The term "useful in some sense" means that a useful substance is retained and / or diffused (or released) based on its properties (eg, physical action, chemical action, physiological action, coloring, reactivity, etc.). ) Has some sort of externally recognizable influence on the surroundings.
[0029]
This retention in the hydrogel is temporary, as long as the purpose of the retention in the hydrogel (eg, release of useful substances with a given release profile, drug delivery to a given location, etc.) can be achieved. It may be. Furthermore, the composition, state, properties, and the like of the useful substance are not particularly limited as long as retention in such a hydrogel can be achieved. That is, it may be any of a gas, a liquid, and a solid, and may be a mixture (including a solid solution and a solution) as needed. Further, the gel body of the present invention may contain plural and / or plural kinds of useful substances as needed.
[0030]
In terms of the stability of the gel, the useful substance does not substantially undergo a chemical bonding reaction with the hydrogel-forming polymer, at least within the time period in which the useful substance is retained in the hydrogel. Is preferred.
[0031]
(Specific examples of useful substances)
Hereinafter, specific examples of useful substances that can be used in the present invention will be described.
(1) Useful substances based on physical action
For example, various gases, liquids, and solids can be used.
A more specific example is shown below.
Gas: oxygen, air, nitrogen, hydrogen, argon, helium, carbon dioxide, ethylene oxide, etc.
Liquid: Water-compatible ones such as ethanol, methanol, THF, and DMF, and water-incompatible ones such as chloroform, diethyl ether, and silicone oil
solid:14Radioisotope-labeled compounds such as C,FifteenN and other stable isotope-labeled compounds, metals or organic substances with various electrical or magnetic properties
[0032]
(2) Useful substances based on chemical action
For example, various reaction reagents can be mentioned.
A more specific example is shown below.
Oxidizing agents such as hydrogen peroxide, periodic acid, permanganate,
Reducing agents such as sodium borohydride, ascorbic acid, aldehydes, sugars,
Oxidases such as cytochrome C oxidase, ascorbate oxidase, glucose oxidase, and amine oxidase, or various enzymes such as reductase, dehydrogenase, oxygenase, and peroxidase;
[0033]
(3) Physiological effects
Various substances are mentioned as described below.
[0034]
(4) Optical properties
Redox indicator: methylene blue, variamine blue B, diphenylamine, ferroin, etc.
pH indicator: phenolphthalein, methyl orange, methyl green, etc.
Fluorescent indicators: umbelliferone, rhodamine B, fluorescein, calcein, etc.
Colored proteins: hemoglobin, myoglobin, cytochrome, etc.
Dyes: Methyl Blue, Congo Red, Direct Yellow, etc.
Pigments: carbon black, iron oxide, titanium oxide, etc.
[0035]
(5) Cosmetics
For example, various antioxidants, cell activators, anti-inflammatory agents, tyrosinase activity inhibitors, humectants, proteins, carotenoids
And so on.
[0036]
A more specific example is shown below.
Active oxygen scavenger: SOD, mannitol, hydroquinone, bilirubin, cholesterol, tryptophan, histidine, quercetin, quercitrin, gallic acid, gallic acid derivative, plant extract containing flavonoids such as ginkgo extract, Gokahi extract, Jashajitsu extract and Jicoppi extract
[0037]
Antioxidants: vitamins A and their derivatives and their salts, vitamins B and their derivatives and their salts, vitamin C and its derivatives and their salts, vitamin D and their derivatives and their salts, Vitamin E and its derivatives and their salts, glutathione and its derivatives and their salts, BHT and BHA
[0038]
Cell activator: Deoxyribonucleic acid and its salts, adenylic acid derivatives such as adenosine triphosphate and adenosine monophosphate and their salts, ribonucleic acids and their salts, guanine, xanthine and their derivatives, and nucleic acids related to their salts Substances; animal-derived extracts such as serum deproteinized extract, spleen extract, placenta extract, cockscomb extract, royal jelly; microorganisms derived from yeast extract, lactic acid bacteria extract, bifidobacterium extract, reishi extract, etc. Extracts from plants such as carrot extract, assembly extract, rosemary extract, oak extract, garlic extract, hinokitiol, cepharanthin; α- or γ-linoleic acid, eicosapentaenoic acid and the like Derivatives, succinic acid and its derivatives and their salts, estradiol and its derivatives and Α-hydroxy acids such as salts thereof, glycolic acid, lactic acid, malic acid, citric acid, salicylic acid and derivatives thereof, and salts thereof.
[0039]
Anti-inflammatory agents: glycyrrhizic acid, glycyrrhetinic acid, mefenamic acid, phenylbutazone, indomethacin, ibuprofen, ketoprofen, allantoin, guaiazulene and their derivatives and their salts, ε-aminocaproic acid, zinc oxide, diclofenac sodium, aloe extract, Salvia extract, Arnica extract, chamomile extract, Birch extract, Hypericum extract, Eucalyptus extract and Mokumoji extract
[0040]
Tyrosinase activity inhibitor: cysteine and its derivatives and salts thereof, Sengoku mosquito extract, Scutellaria extract, Sampens extract, Soybean extract, Touki extract, Ibukittrano extract, Clara extract, Hawthorn extract, Shirahuri extract, Hop extract, Neubara extract and Yoquinin extract
[0041]
Humectant: mucopolysaccharide and / or protein.
Mucopolysaccharides: hyaluronic acid, chondroitin sulfate, dermatan sulfate, heparan sulfate, heparin and keratan sulfate and salts thereof
Protein: collagen, elastin, keratin and their derivatives and their salts
[0042]
Carotenoids: Derivatives thereof include esters of astaxanthin, for example, amino acid esters such as glycine and alanine, carboxylic acid esters such as acetate and citrate and salts thereof, and inorganic salts such as phosphate and sulfate. Esters and salts thereof, glycosides such as glucoside, or highly unsaturated fatty acids such as eicosapentaenoic acid and docosahexaenoic acid, unsaturated fatty acids such as oleic acid and linoleic acid, and saturated fatty acids such as palmitic acid and stearic acid. And similar or different diesters selected from fatty acid esters and the like
[0043]
(6) Biological material
For example, various living organisms (microorganisms, plants, animals including humans) themselves, or cells and / or tissues that are part thereof, may be mentioned. A more specific example will be described later.
[0044]
When a biological material is used as a useful substance in a gel, not only the retention / diffusion of the biological material itself in the hydrogel but also the retention / diffusion of a substance released from the biological material is observed. And / or interaction of a plurality or a plurality of types of biological materials may be observed.
[0045]
(Diffusion of useful substances in gel)
The hydrogel of the present invention can arbitrarily control the diffusion rate of the useful substance in the hydrogel. For example, a hydrophilic substance and a hydrophobic substance can be diffused at different diffusion rates depending on their degree of hydrophilicity / hydrophobicity. The diffusion of the water-soluble hydrophilic substance is controlled by a molecular sieving effect of the three-dimensional network structure of the hydrogel-forming polymer. Therefore, in order to decrease the diffusion rate of the water-soluble hydrophilic substance, the concentration of the hydrogel-forming polymer constituting the hydrogel may be increased. The diffusion of a water-soluble hydrophilic substance also depends on the molecular weight of the substance. If the concentration of the hydrogel-forming polymer constituting the hydrogel is constant, the diffusion rate of the substance having a higher molecular weight becomes lower.
[0046]
The diffusion of the water-soluble hydrophobic substance in the hydrogel of the present invention can be caused not only by the molecular sieve effect due to the three-dimensional network structure of the hydrogel-forming polymer, but also by the distribution of the hydrogel-forming polymer to the hydrophobic portion. Because it is affected and is also controlled by the proportion of hydrophobic moieties in the hydrogel-forming polymer, it is usually slower than the diffusion of the water-soluble hydrophilic substance.
[0047]
The diffusion coefficient of the solute in the hydrogel can be determined by the "early-time" approximation method described in the literature (Eric KL Lee, et al, Journal of Membrane Science, 24, 125-143 (1985)). it can. In this method, a process in which a solute uniformly dispersed in a hydrogel plate having a uniform thickness L (cm) elutes from both surfaces of the hydrogel plate is observed with time. When the amount of eluted solute at time t (sec) is Mt and the amount of eluted after infinite time is M∞, Mt/ MIn the range of <0.6, the diffusion coefficient D of the solute in the hydrogel (cm2/ Sec), the following equation (1) holds.
Mt/ M= (Dt / π)1/2× 4 / L (1)
[0048]
Therefore, the diffusion coefficient D can be calculated from the slope of a straight line plotting the elution rate up to the time t with respect to the square root of the elapsed time t.
[0049]
In view of the balance of retention / diffusion (or release) performance of various substances, the hydrogel of the present invention has a ratio of the diffusion coefficient D of phenol red (PR), methyl blue (MB), and myoglobin (MG). , (DPR/ DMB) ≧ 2 and (DPR/ DMGIt is preferred that ≧ 1.2. More preferable ranges of these values are as follows.
[0050]
(1) (DPR/ DMB): More preferably 10 or more, further 20 or more, especially 50 or more
Preferably 1 × 105Below, more preferably 1 × 104Hereinafter, 1 × 103Less than
[0051]
(2) (DPR/ DMG): More preferably 1.5 or more, further 3 or more, especially 5 or more
Preferably 1 × 104Below, more preferably 1 × 103Hereinafter, 1 × 102Less than
[0052]
(In the case of collagen etc.)
As described above, collagen, which is a conventional hydrogel-forming polymer, is a hydrophilic polymer, and the hydrophilic / hydrophobic balance can be arbitrarily controlled as in the hydrogel of the present invention. No, it was difficult to control the diffusion rate of the useful substance in collagen.
[0053]
On the other hand, in the case of polylactic acid or polyglycolic acid or the like, on the contrary, the hydrophobicity is strong, and it is still difficult to control the diffusion rate of the useful substance in these polymers.
[0054]
On the other hand, the hydrogel of the present invention can control the balance of hydrophilicity / hydrophobicity substantially arbitrarily as described above, so that the diffusion rate of the useful substance in the gel of the present invention is also reduced. It can be controlled with a substantial degree of freedom.
[0055]
When the gel of the present invention is used together with a known gel-forming polymer such as collagen (that is, as the gel-forming polymer, the polymer used in the present invention and a known gel-forming polymer such as collagen coexist. In the case, the diffusion rate of the chemical mediator can be controlled with a substantial degree of freedom even in a gel containing a known gel-forming polymer such as collagen.
[0056]
(Followability of hydrogel to movement)
The hydrogel of the present invention shows a solid behavior at higher frequencies, while exhibiting a liquid behavior at lower frequencies, in view of the balance of the following properties of the useful substance to be retained. It is preferable to exhibit dynamic behavior. More specifically, the ability to follow the operation of the hydrogel can be suitably measured by the following method.
[0057]
(Measurement method of follow-up performance)
A hydrogel of the present invention containing a hydrogel-forming polymer (1 mL as a hydrogel) is placed in a sol state (a temperature lower than the sol-gel transition temperature) in a test tube having an inner diameter of 1 cm, and the sol-gel transition temperature of the carrier is obtained. The test tube is held for 12 hours in a water bath at a temperature sufficiently higher than the temperature (for example, about 10 ° C. higher than the sol-gel transition temperature) to gel the hydrogel.
[0058]
Next, the time (T) until the solution / air interface (meniscus) is deformed by the weight of the solution when the test tube is turned upside down is measured. Here, 1 / T (sec-1For lower frequency operation, the hydrogel behaves as a liquid, with 1 / T (sec-12.) For higher frequency operation, the hydrogel will behave as a solid. In the case of the hydrogel of the present invention, T is 1 minute to 24 hours, preferably 5 minutes to 10 hours.
[0059]
(Steady flow viscosity)
The gel-like properties of the hydrogel of the present invention can be suitably measured by measuring the steady-state flow viscosity. The steady flow viscosity η (eta) can be measured by, for example, a creep experiment.
In the creep experiment, a constant shear stress is applied to the sample, and the time change of the shear strain is observed. In general, in the creep behavior of a viscoelastic body, the shear rate changes with time at the initial stage, but thereafter, the shear rate becomes constant. The ratio between the shear stress and the shear rate at this time is defined as a steady flow viscosity η. This steady flow viscosity is sometimes referred to as Newtonian viscosity. Here, the steady flow viscosity is determined within a linear region that hardly depends on shear stress.
[0060]
The specific measuring method is as follows: a stress control type viscoelasticity measuring device CSL type rheometer (CSL500, manufactured by Carry Med Co., USA) is used as a measuring device, and an acrylic disk (diameter 4 cm) is used as a measuring device. Observe the creep behavior (delay curve) for a measurement time of at least 5 minutes or more. The sampling time is once every second for the first 100 seconds, and once every 10 seconds thereafter.
In determining the "shear stress" (stress) to be applied, the shear angle is applied for 10 seconds and the shift angle is 2 × 10-3Set to the lowest value that is detected more than rad. At least 20 or more measured values after 5 minutes are used for analysis. The hydrogel of the present invention has a η of 5 × 10 5 at a temperature about 10 ° C. higher than its sol-gel transition temperature.3~ 5 × 106Pa · sec, more preferably 8 × 103~ 2 × 106Pa · sec, especially 1 × 104Pa × sec or more, 1 × 106It is preferably Pa · sec or less.
[0061]
The above η is 5 × 103If it is less than Pa · sec, the fluidity becomes relatively high even in a short observation, and the three-dimensional holding of cells and tissues by the gel tends to be insufficient, and it tends to be difficult to function as a carrier. On the other hand, η is 5 × 106When it exceeds Pa · sec, the gel tends to hardly show fluidity even during long-time observation, and the difficulty of following the movement accompanying the regeneration of the biological tissue increases. Also, η is 5 × 106If it exceeds, the gel is more likely to exhibit brittleness, and after a slight pure elastic deformation, the tendency for brittle fracture, which breaks all at once, increases.
[0062]
(Dynamic elastic modulus)
The gel-like properties of the hydrogel of the present invention can be suitably measured also by the dynamic elastic modulus. The gel has an amplitude γ0, The distortion γ (t) = γ where the frequency is ω / 2π0When given cosωt (t is time), the constant stress is given by σ0, Σ (t) = σ where δ is the phase difference0It is assumed that cos (ωt + δ) is obtained. | G | = σ0/ Γ0Then, the ratio (G ″ / G ′) between the dynamic elastic modulus G ′ (ω) = | G | cos δ and the loss elastic modulus G ″ (ω) = | G | sin δ is an index representing the gel-like property. It becomes.
[0063]
The hydrogel of the present invention behaves as a solid for strains of ω / 2π = 1 Hz (corresponding to fast operation) and ω / 2π = 10-4It behaves as a solid for Hz distortion (corresponding to slow operation). More specifically, the hydrogel of the present invention preferably exhibits the following properties (for details of such elastic modulus measurement, see, for example, Literature: Ryohei Oda, Modern Industrial Chemistry 19, p. 359). , Asakura Shoten, 1985).
When ω / 2π = 1 Hz (frequency at which the gel behaves as a solid), (G ″ / G ′)s= (Tan δ)sIs preferably less than 1. This (G "/ G ')s= (Tan δ)sIs more preferably 0.8 or less, particularly preferably 0.5 or less.
[0064]
ω / 2π = 10-4Hz (frequency at which the gel behaves as a liquid), (G "/ G ')L= (Tan δ)LIs preferably 1 or more. This (G "/ G ')L= (Tan δ)LIs more preferably 1.5 or more, particularly preferably 2 or more.
[0065]
The above (tan δ)sAnd (tan δ)L{(Tantδ)s/ (Tan δ)L} Is preferably less than 1. This ratio {(tan δ)s/ (Tan δ)L} Is more preferably 0.8 or less, particularly preferably 0.5 or less.
[0066]
<Measurement conditions>
Hydrogel-forming polymer concentration: about 8% by mass
Temperature: temperature about 10 ° C. higher than the sol-gel transition temperature of the carrier
Measuring equipment: stress control type rheometer (model name: CSL # 500, manufactured by Carrie Med, USA)
[0067]
(Control of persistence in living body)
The hydrogel of the present invention can optionally control the persistence in a living body (intraperitoneal, subcutaneous, etc.), if necessary. Although the hydrogel of the present invention is mainly intended for use in vitro, depending on the method of use (for example, when a tissue grown using the hydrogel of the present invention is returned to a living body), the hydrogel may be used. This is because it may be preferable to control the in vivo persistence of the gel.
[0068]
If the sol-gel transition temperature of the hydrogel of the present invention is lowered, the hydrogel will remain in the living body for a long time, and if the sol-gel transition temperature is raised, the disappearance of the hydrogel in the living body will be faster. Also, when the concentration of the hydrogel-forming polymer in the hydrogel is increased, the hydrogel will remain in the living body for a long time, and when the concentration of the hydrogel-forming polymer in the hydrogel is reduced, the The hydrogel disappears faster.
[0069]
In the hydrogel of the present invention, when the sol-gel transition temperature of the hydrogel of the present invention is reduced, the storage elastic modulus (G ') of the hydrogel at a biological temperature (37 [deg.] C.) increases. In addition, when the concentration of the hydrogel-forming polymer in the hydrogel is increased, the storage elastic modulus (G ') of the hydrogel at the biological temperature (37C) increases. That is, G ′ at 37 ° C. may be controlled to control the persistence in the living body.
[0070]
In the measurement of G ', the following measurement conditions can be suitably used.
<Measurement conditions for dynamic and loss elastic modulus>
Measuring equipment (trade name): Stress control type rheometer CSL500, manufactured by Carri-Med
Amount of sample solution: about 0.8 kg
Measurement cell shape / dimension: Acrylic parallel disk (diameter 4.0 cm), gap 600 μm,
Measurement frequency: 1Hz
Applied stress: within the linear region.
[0071]
Since the relationship between the remaining time of the hydrogel of the present invention in vivo and G ′ varies depending on the site in the living body, it cannot be said unconditionally. For example, the remaining time in the abdominal cavity and the G ′ at an observation frequency of 1 Hz are not possible. According to the findings of the present inventors, the relationship is as follows.
That is, a desirable range of G ′ for disappearing within 3 days is 10 to 500 Pa, a desirable range of G ′ for remaining for 3 days or more and within 14 days is 200 to 1500 Pa, and G for remaining for 14 days or more. The desirable range of 'is 400 to 10000 Pa.
[0072]
(Fibroblast proliferation)
When the hydrogel of the present invention is used for culturing cells and / or living tissues, a hydrogel based on a hydrogel-forming polymer is used in a hydrogel based on the viewpoint of suppressing contamination by fibroblasts. Preferably, the blast cells do not substantially proliferate. Fibroblasts usually show remarkable proliferation with dendritic morphological changes characteristic of fibroblasts in monolayer culture on cell culture dishes (plates) or in collagen gels (eg, Junpei Enami: Method using cultured cells, see Meiji Watanabe, edited by Extracellular Matrix, Medical Review, Tokyo, 1996, pp. 108-115). On the other hand, in the hydrogel of the present invention, it is easy to prevent the fibroblasts from substantially exhibiting proliferation while maintaining the spherical shape.
[0073]
(Estimated mechanism of suppression of fibroblast proliferation)
The mechanism by which the proliferation of fibroblasts is suppressed in the hydrogel of the present invention is not necessarily clear, but according to the findings of the present inventors, it is estimated as follows.
[0074]
That is, fibroblasts have the property of proliferating two-dimensionally by monolayer culture, that is, by recognizing and adhering to the surface of the support. The structure of a collagen gel is formed by assembling a large number of collagen molecules (molecular weight 300,000) having a length of 300 nm and a diameter of 1.5 nm, and regularly arranging them into a fiber state (collagen fibril) to form a network structure in water. is there. Since this network structure is larger than the wavelength of visible light (400 nm or more), the collagen gel usually looks cloudy. Although collagen gel is used as a three-dimensional culture carrier, fibroblasts recognize the surface of this thick collagen fiber (collagen fibril) as a support and adhere to it. It is estimated that
[0075]
On the other hand, since the hydrogel of the present invention is a hydrogel in which a hydrogel-forming polymer forms a three-dimensional network structure in a molecular state, the heterogeneity of the structure is smaller than the wavelength of visible light. High transparency. Therefore, in the material of the present invention, fibroblasts do not recognize a clear two-dimensional support surface, and as a result, excessive proliferation of fibroblasts is suppressed in the material of the present invention. It is estimated to be.
[0076]
(Evaluation of fibroblast proliferation)
The proliferation of fibroblasts can be evaluated by the following method (for details of this method, for example, Takeshi Yoshikawa, Ken Tsukikawa, St. Marianna University School of Medicine, Vol. 28, No. 4, 161-170 (2000) )).
[0077]
The hydrogel-forming polymer constituting the hydrogel of the present invention is dissolved by stirring in a culture solution, for example, RPMI-1640 (Life @ Technologies, NY, USA) at a low temperature (for example, 4 ° C.), and the normal human lung fiber is dissolved. Blast cells (Normal Human Lung Fibroblasts, NHLF, manufactured by Takara Shuzo Co., Ltd.) at 6 × 104Disperse to a cell density of cells / ml. 0.2 mL of this NHLF dispersion is added to a 24-well plate (material: plastic, one well is about 15 mm in length, 15 mm in width, and about 20 mm in depth; a commercial product, for example, a product name of Becton-Dickinson Co., Ltd .: Multiwell), gelled at 37 ° C., added 0.4 mL of culture solution and added at 37 ° C., 5% CO 22Incubate under atmospheric pressure. The state of proliferation of the fibroblasts is confirmed daily (for example, on days 0, 1, 3, and 7) by observation with a phase contrast microscope.
[0078]
(Fibroblast proliferation rate)
Furthermore, the proliferation rate of fibroblasts during the culture period can be measured by a method utilizing the following enzyme activities.
[0079]
For example, after culturing fibroblasts in the hydrogel of the present invention for a predetermined period using a 24-well plate as described above, the carrier is cooled to a temperature lower than its sol-gel transition temperature (for example, sol-gel). The carrier is dissolved by lowering the temperature to 10 ° C. lower than the transition temperature, and 50 μl of WST-8 reagent (manufactured by Dojindo Co., Ltd.) as a reagent for measuring succinate dehydrogenase activity is added to each well.
[0080]
The 24-well plate is reacted at a temperature lower than the sol-gel transition temperature (for example, a temperature lower than the sol-gel transition temperature by 10 ° C., for example, 10 ° C.) for 10 hours, and then stored at about 4 ° C. for 1 hour and completely stored. To a uniform aqueous solution. The aqueous solution is dispensed into a 96-well plate in an amount of 200 μl, and the absorbance (OD (450)) is measured at 450 nm (reference wavelength 620 nm) using a colorimeter for microplate. It has been confirmed that this OD (450) is proportional to the number of viable cells (for example, literature Furukawa, @T., Et al., "High in in vitro-in vitro" histoculture and MTT end point, Int. J. Cancer 51: 489, 1992). That is, the proliferation rate of fibroblasts is determined by the absorbance OD at the start of culture.f= (OD (450)) and absorbance OD after cultureL= (OD (450)) ratio (ODL/ ODf).
[0081]
In the present invention, the growth rate P of fibroblasts after culturing at 37 ° C. for 3 daysF= (ODL/ ODf) Is preferably in the range of 70% to 200%. This growth rate (ODL/ ODf) Is more preferably in the range of 80% to 150%, especially in the range of 90% to 120%.
[0082]
(Relative proliferation of fibroblasts)
In the present invention, in a gel based on a hydrogel-forming polymer, the growth of fibroblasts is suppressed, while the growth of target cells (other than fibroblasts) is not relatively suppressed. Is preferred. More specifically, the growth rate P of the target cellTAnd the above-mentioned proliferation rate P of fibroblastsFAnd the ratio (PT/ PF) Is preferably 1.1 or more. Furthermore, this ratio (PT/ PF) Is preferably 1.5 or more, particularly 2.0 or more. The target cell growth rate PTCan be obtained as follows.
[0083]
Fibroblast proliferation rate PFThe above proliferation rate P was changed except that human colon cancer cells (SW-948, trade name: colon adenocarcinoma cell line, manufactured by Dainippon Pharmaceutical Co., Ltd.) were used instead of normal human lung fibroblasts (NHLF) in the measurement.FSimilarly to the measurement, the growth rate P of the cells other than the fibroblastsT(These growth rates PTAnd PFIs measured under the same conditions).
[0084]
Growth rate P measured as aboveTAnd PFThese ratios (PT/ PF).
[0085]
(Hydrogel-forming polymer)
The hydrogel-forming polymer that can be used in the hydrogel of the present invention is not particularly limited, as long as it exhibits a thermoreversible sol-gel transition as described above (ie, has a sol-gel transition temperature). From the viewpoint that it is easy to show a suitable sol-gel change at a physiological temperature (about 0 to 42 ° C.), for example, a plurality of blocks having a cloud point in the hydrogel-forming polymer and a hydrophilic It is preferable to achieve a suitable sol-gel transition temperature by adjusting the cloud point of the block, the composition of both blocks, and the hydrophobicity, hydrophilicity, and / or molecular weight of both blocks, respectively.
[0086]
Specific examples of the polymer whose aqueous solution has a sol-gel transition temperature and exhibits a sol state reversibly at a temperature lower than the transition temperature include, for example, a block copolymer of polypropylene oxide and polyethylene oxide. Polyalkylene oxide block copolymers; etherified celluloses such as methylcellulose and hydroxypropylcellulose; and chitosan derivatives (KR Holme. Et al. Macromolecules, 24, 3828 (1991)).
[0087]
As a polyalkylene oxide block copolymer, Pluronic F-127 (trade name, manufactured by BASF Wyandotte Chemicals Co.) gel in which polyethylene oxide is bonded to both ends of polypropylene oxide has been developed. It is known that this highly concentrated aqueous solution of Pluronic F-127 becomes a hydrogel at about 20 ° C. or higher, and becomes an aqueous solution at a lower temperature. However, in the case of this material, a gel state is obtained only at a high concentration of about 20% by mass or more, and even when the temperature is higher than the gelation temperature at a high concentration of about 20% by mass or more, water is further added. And the gel dissolves. In addition, Pluronic F-127 has a relatively small molecular weight, exhibits a very high osmotic pressure in a high gel state of about 20% by mass or more, and easily penetrates a cell membrane, which may adversely affect cells and tissues. There is.
[0088]
On the other hand, in the case of etherified cellulose represented by methylcellulose, hydroxypropylcellulose and the like, the sol-gel transition temperature is usually high and about 45 ° C. or higher (N. Sarkar, J. Appl. Polym. Science,24, 1073, 1979). On the other hand, since the body temperature of the living body is usually around 37 ° C., the etherified cellulose is in a sol state, and it is practically difficult to use the etherified cellulose as a carrier for tissues and organs.
[0089]
As described above, the problems of the conventional polymer in which the aqueous solution has a sol-gel transition point and reversibly shows a sol state at a temperature lower than the transition temperature are as follows: 1) Higher than the sol-gel transition temperature. Once gelled at the temperature, the gel is dissolved when water is further added. 2) The sol-gel transition temperature is higher than the body temperature of the living body (around 37 ° C.), and the body temperature is in the sol state. ) In order to cause gelation, the polymer concentration of the aqueous solution needs to be extremely high.
[0090]
On the other hand, according to the study of the present inventors, a hydrogel-forming polymer having a sol-gel transition temperature preferably higher than 0 ° C. and 42 ° C. or lower (for example, a plurality of blocks having a cloud point, And a hydrophilic block are combined, and the aqueous solution thereof has a sol-gel transition temperature, and a polymer which reversibly shows a sol state at a temperature lower than the sol-gel transition temperature). It has been found that the above problem is solved when a hydrogel is formed.
[0091]
(Suitable hydrogel-forming polymer)
The hydrogel-forming polymer utilizing a hydrophobic bond that can be suitably used as the hydrogel of the present invention is preferably formed by combining a plurality of blocks having a cloud point with a hydrophilic block. The hydrophilic blocks are preferably present for the hydrogel to become water-soluble at a temperature lower than the sol-gel transition temperature, and the plurality of blocks having a cloud point are those in which the hydrogel has a sol-gel transition temperature. It is preferably present to change to a gel state at higher temperatures. In other words, at temperatures above the cloud point, the blocks dissolve the gel because the block with the cloud point dissolves in water below the cloud point and changes to insoluble in water above the cloud point. It acts as a cross-linking point consisting of hydrophobic bonds to be formed. That is, the cloud point derived from the hydrophobic bond corresponds to the sol-gel transition temperature of the hydrogel.
[0092]
However, the cloud point and the sol-gel transition temperature do not necessarily have to match. This is because the cloud point of the above-mentioned “block having a cloud point” is generally affected by the bond between the block and the hydrophilic block.
[0093]
The hydrogel used in the present invention utilizes the property that not only the hydrophobic bond becomes stronger with an increase in temperature but also that the change is reversible with respect to temperature. From the viewpoint that a plurality of crosslinking points are formed in one molecule and a gel having excellent stability is formed, it is preferable that the hydrogel-forming polymer has a plurality of “blocks having a cloud point”.
[0094]
On the other hand, the hydrophilic block in the hydrogel-forming polymer has a function of changing the hydrogel-forming polymer to water-soluble at a temperature lower than the sol-gel transition temperature, as described above. It has the function of forming a hydrogel while preventing the hydrogel from agglomerating and precipitating due to excessive increase in the hydrophobic binding force at a temperature higher than the transition temperature.
[0095]
(Multiple blocks with cloud points)
The block having a cloud point is preferably a block of a polymer having a negative solubility in water-temperature coefficient, and more specifically, polypropylene oxide, a copolymer of propylene oxide and another alkylene oxide, A polymer selected from the group consisting of poly N-substituted acrylamide derivatives, poly N-substituted methacrylamide derivatives, copolymers of N-substituted acrylamide derivatives and N-substituted methacrylamide derivatives, polyvinyl methyl ether, and partially acetylated polyvinyl alcohol Can be preferably used. The above polymer (block having a cloud point) having a cloud point higher than 4 ° C. and not higher than 40 ° C. is a polymer (a compound in which a plurality of blocks having a cloud point and a hydrophilic block are bonded) used in the present invention. ) Is preferred because the sol-gel transition temperature is set to be higher than 4 ° C. and 40 ° C. or lower.
[0096]
Here, the cloud point is measured, for example, by cooling an aqueous solution of about 1% by mass of the above-mentioned polymer (block having a cloud point) into a transparent uniform solution, and then gradually increasing the temperature (heating rate is about 1%). ° C / min), and the point where the solution becomes cloudy for the first time is set as the cloud point.
[0097]
Specific examples of the poly N-substituted acrylamide derivative and the poly N-substituted methacrylamide derivative that can be used in the present invention are listed below.
Poly-N-acroylpiperidine; poly-Nn-propylmethacrylamide; poly-N-isopropylacrylamide; poly-N, N-diethylacrylamide; poly-N-isopropylmethacrylamide; poly-N-cyclopropylacrylamide; Poly-N-acryloylpyrrolidine; poly-N, N-ethylmethylacrylamide; poly-N-cyclopropylmethacrylamide; poly-N-ethylacrylamide.
[0098]
The above polymer may be a homopolymer (homopolymer) or a copolymer of a monomer constituting the polymer and another monomer. As the other monomer constituting such a copolymer, any of a hydrophilic monomer and a hydrophobic monomer can be used. In general, copolymerization with a hydrophilic monomer increases the cloud point of the product, and copolymerization with a hydrophobic monomer lowers the cloud point of the product. Accordingly, a polymer having a desired cloud point (for example, a cloud point higher than 4 ° C. and equal to or lower than 40 ° C.) can be obtained also by selecting these monomers to be copolymerized.
[0099]
(Hydrophilic monomer)
Examples of the hydrophilic monomer include N-vinylpyrrolidone, vinylpyridine, acrylamide, methacrylamide, N-methylacrylamide, hydroxyethyl methacrylate, hydroxyethyl acrylate, hydroxymethyl methacrylate, and acrylic acid having an hydroxy group. , Methacrylic acid and salts thereof, vinyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid and the like, and N, N-dimethylaminoethyl methacrylate N having a basic group, N-diethylaminoethyl methacrylate, N, N-dimethylaminopropyl acrylamide and Examples thereof include, but are not limited to, salts thereof.
[0100]
(Hydrophobic monomer)
On the other hand, as the hydrophobic monomer, acrylate derivatives such as ethyl acrylate, methyl methacrylate, glycidyl methacrylate and methacrylate derivatives, N-substituted alkyl methacrylamide derivatives such as N-n-butyl methacrylamide, vinyl chloride, acrylonitrile, styrene , Vinyl acetate and the like, but are not limited thereto.
[0101]
(Hydrophilic block)
On the other hand, as the hydrophilic block to be bonded to the block having the above cloud point, specifically, methyl cellulose, dextran, polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, poly N-vinyl pyrrolidone, polyvinyl pyridine, polyacrylamide, polymethacrylamide , Poly N-methylacrylamide, polyhydroxymethyl acrylate, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polyvinyl sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid and salts thereof; poly N, N-dimethylaminoethyl methacrylate, poly N, N-diethylaminoethyl methacrylate , Poly N, N-dimethylaminopropylacrylamide and salts thereof.
[0102]
The method for bonding the block having a cloud point and the hydrophilic block is not particularly limited, and for example, it may be obtained as a block copolymer having these blocks, or a graft copolymer or a dendrimer-type copolymer. preferable.
A bond between a block having a cloud point and a hydrophilic block is obtained by introducing a polymerizable functional group (for example, an acryloyl group) into any one of the above blocks and forming a monomer that gives the other block in this manner. It can be carried out by copolymerizing with a block into which a functional group has been introduced. Further, a combination of a block having a cloud point and the above-described hydrophilic block may be obtained by block copolymerization of a monomer that provides a block having a cloud point and a monomer that provides a hydrophilic block. It is possible. Further, the bonding between the block having the cloud point and the hydrophilic block is performed by introducing a reactive group (for example, a hydroxyl group, an amino group, a carboxyl group, an isocyanate group, etc.) into both of them in advance and bonding them together by a chemical reaction. It can also be done by doing. At this time, usually, a plurality of reactive functional groups are introduced into the hydrophilic block.
[0103]
Regarding the bond between a polypropylene oxide having a cloud point and a hydrophilic block, for example, propylene oxide and a monomer (for example, ethylene oxide) constituting “another hydrophilic block” are repeatedly formed by anionic polymerization or cationic polymerization. By sequentially polymerizing, a block copolymer in which polypropylene oxide and a “hydrophilic block” (for example, polyethylene oxide) are bonded can be obtained. Such a block copolymer can also be obtained by introducing a polymerizable group (for example, an acryloyl group) into the terminal of polypropylene oxide and then copolymerizing a monomer constituting a hydrophilic block. Furthermore, the polymer used in the present invention can also be obtained by introducing a functional group capable of binding with a functional group (for example, a hydroxyl group) at the terminal of polypropylene oxide into the hydrophilic block and reacting the functional groups. . The hydrogel-forming polymer used in the present invention can also be obtained by connecting a material such as Pluronic® F-127 (trade name, manufactured by Asahi Denka Kogyo KK) in which polyethylene glycol is bonded to both ends of polypropylene glycol. Can be obtained.
[0104]
The polymer of the present invention in the embodiment including the block having the cloud point, at a temperature lower than the cloud point, since the `` block having the cloud point '' present in the molecule is water-soluble together with the hydrophilic block, It is completely dissolved in water and shows a sol state. However, when the temperature of the aqueous solution of the polymer is heated to a temperature higher than the above cloud point, the "block having a cloud point" existing in the molecule becomes hydrophobic, and the molecules are associated with each other by hydrophobic interaction. I do.
[0105]
On the other hand, since the hydrophilic block is still water-soluble at this time (when heated to a temperature higher than the cloud point), the polymer of the present invention can be used in water to form the hydrophobic association between the blocks having the cloud point in water. To form a hydrogel having a three-dimensional network structure with the crosslinking points. When the temperature of the hydrogel is cooled again to a temperature lower than the cloud point of the “block having a cloud point” present in the molecule, the block having the cloud point becomes water-soluble and the cross-linking points due to hydrophobic association are released. When the hydrogel structure disappears, the polymer of the present invention becomes a complete aqueous solution again. Thus, the sol-gel transition of the polymer of the present invention in a preferred embodiment is based on a reversible change in hydrophilicity and hydrophobicity at the cloud point of a block having a cloud point present in the molecule. Therefore, it has complete reversibility in response to temperature changes.
[0106]
(Solubility of gel)
As described above, the hydrogel-forming polymer of the present invention containing at least a polymer having a sol-gel transition temperature in an aqueous solution is substantially water-insoluble at a temperature (d ° C) higher than the sol-gel transition temperature. And reversibly shows water solubility at a temperature (e ° C.) lower than the sol-gel transition temperature.
[0107]
The above-mentioned high temperature (d ° C) is preferably a temperature higher than the sol-gel transition temperature by 1 ° C or more, and more preferably a temperature higher by 2 ° C or more (particularly 5 ° C or more). The term “substantially water-insoluble” means that the amount of the polymer dissolved in 100 mL of water at the temperature (d ° C.) is 5.0 g or less (further 0.5 g or less, particularly 0.1 g or less). ) Is preferable.
[0108]
On the other hand, the above-mentioned low temperature (e ° C.) is preferably 1 ° C. or more (in absolute value) lower than the sol-gel transition temperature, more preferably 2 ° C. or more (particularly 5 ° C. or more). preferable. The term “water-soluble” means that the amount of the polymer dissolved in 100 mL of water at the temperature (e ° C.) is preferably 0.5 g or more (more preferably 1.0 g or more). Further, "reversibly water-soluble" means that the aqueous solution of the hydrogel-forming polymer is once gelled (at a temperature higher than the sol-gel transition temperature) even after it is gelled. At lower temperatures, it indicates the above-mentioned water solubility.
The above polymer has a viscosity of 10 to 3,000 mPa · s (10 to 3,000 centipoise), and further 50 to 1,000 mPa · s (50 to 1,000 centipoise) at 5 ° C. in a 10% aqueous solution. Preferably. Such a viscosity is preferably measured, for example, under the following measurement conditions.
[0109]
Viscometer: stress control type rheometer (model name: CSL 500, manufactured by Carry Med, USA)
Rotor diameter: 60mm
Rotor shape: Parallel plate
Measurement frequency: 1 Hz (Hertz)
[0110]
Even if the aqueous solution of the hydrogel-forming polymer of the present invention is gelled at a temperature higher than the sol-gel transition temperature and then immersed in a large amount of water, the gel does not substantially dissolve. The characteristics of the carrier can be confirmed, for example, as follows.
[0111]
That is, 0.15 g of the hydrogel-forming polymer of the present invention is dissolved in 1.35 g of distilled water at a temperature lower than the sol-gel transition temperature (for example, under ice cooling) to prepare a 10 W% aqueous solution. An aqueous solution was poured into a 35 mm plastic Petri dish, and heated to 37 ° C. to form a gel having a thickness of about 1.5 mm in the Petri dish. G). Next, the whole petri dish containing the gel was allowed to stand in water in 250 ml of water at 37 ° C. for 10 hours, and then the mass (g gram) of the whole petri dish containing the gel was measured to determine the dissolution of the gel from the gel surface. Evaluate the presence or absence. At this time, in the hydrogel-forming polymer of the present invention, the mass reduction rate of the gel, that is, (f−g) / f is preferably 5.0% or less, more preferably 1.0%. Or less (especially 0.1% or less).
[0112]
The aqueous solution of the hydrogel-forming polymer of the present invention is gelled at a temperature higher than the above sol-gel transition temperature, and then immersed in a large amount (about 0.1 to 100 times the volume of gel) of water. However, the gel does not dissolve over a long period of time. Such properties of the polymer used in the present invention can be achieved, for example, by the presence of two or more (plural) blocks having a cloud point in the polymer.
[0113]
On the other hand, when a similar gel was prepared using the above-mentioned Pluronic F-127 in which polyethylene oxide was bonded to both ends of polypropylene oxide, the gel was completely dissolved in water after standing for several hours. The inventors have found that
[0114]
From the viewpoint of suppressing the cytotoxicity at the time of non-gelation to the lowest possible level, the concentration with respect to water, that is, {(polymer) / (polymer + water)} × 100 (%) is not more than 20% (further 15%). %, Particularly preferably 10% or less), is preferably used.
[0115]
(Ingredient having physiological action)
The hydrogel or gel body of the present invention may contain a useful substance as described above. Examples of the case where the useful substance has a physiological effect include, for example, antibiotics, anticancer drugs, ECM such as collagen and gelatin, local chemical mediators described below, hormones such as insulin and cell growth factor, foreign genes and the like, or chemicals thereof. Other cells and tissues that secrete mediators, cell growth factors and the like can be mentioned.
[0116]
The amount of such “other components” is an amount that exhibits a predetermined effect, and is used in a gel based on a hydrogel-forming polymer for a predetermined period of time (for example, a period necessary for culturing cells and tissues). Time) There is no particular limitation as long as the amount can be held. Usually, it is preferably about 2 parts or less, more preferably about 1 part or less, based on the hydrogel-forming polymer (10 parts).
[0117]
(Chemical mediator)
Regeneration of living tissue may require not only cells such as progenitor cells but also various chemical mediators such as cell growth factors that promote their differentiation and proliferation. These chemical mediators are normally secreted from the cells themselves. However, in order to promote regeneration efficiently, the carrier for cell / tissue culture of the present invention may contain these chemical mediators in advance and supply them from outside. It is effective.
[0118]
The chemical mediators include: 1) a local chemical mediator that acts only in the immediate vicinity of a cell; 2) a neurotransmitter secreted from a nerve cell and having a very short effective action distance; 3) Examples include hormones that are secreted from endocrine cells and act on target cells throughout the body through the bloodstream or the like, or cell growth factors that are intercellular messengers.
[0119]
Examples of the local chemical mediator 1) include proteins such as nerve cell growth factor, peptides such as chemotactic factor, amino acid derivatives such as histamine, and fatty acid derivatives such as prostaglandin.
[0120]
Examples of the neurotransmitter 2) include low molecular weight substances such as amino acids such as glycine and low molecular peptides such as noradrenaline, acetylcholine and enkephalin.
[0121]
Examples of the cell growth factor or hormone of 3) include fibroblast growth factor (FGF), epithelial growth factor (EGF), vascular endothelial growth factor, and GF. Cell growth factors such as hepatocyte growth factor (HGF), proteins such as insulin, somatotropin, somatomedin, adrenocorticotropic hormone (ACTH), parathyroid hormone (PTH), thyroid stimulating hormone (TSH), or Glycoproteins, TSH-releasing factors, vasopressin, amino acid derivatives such as somatostatin, cortisol, estradiol, tes Steroids such as Suteron and the like.
[0122]
(In vivo tissues and organs)
In the present invention, “biological tissues / organs” refer to tissues, organs, and organs of animals (particularly humans). The living tissues and organs that can be cultured by the hydrogel of the present invention are not particularly limited, but examples include esophagus, stomach, small intestine, large intestine, pancreas, liver, heart, blood vessels, bone, cartilage, nerve, cornea, dermis, and the like. Can be.
[0123]
(Cells / tissues)
Cells and tissues that can be cultured with the hydrogel of the present invention are not particularly limited.
The hydrogel of the present invention can be used particularly effectively for differentiating cells and tissues. Such differentiating cells include, for example, stem cells (stem @ cells) and progenitor cells. Differentiating cells include any of pluripotent, pluripotent, or totipotent cells.
[0124]
(How to repair and regenerate living tissues and organs)
By using the hydrogel of the present invention, for example, cells and tissues can be repaired and regenerated. The method of repair / regeneration is not particularly limited, but it is preferable to use the sol-gel transition of the hydrogel-forming polymer from the viewpoint of facilitating seeding and recovery of the cells and the like.
[0125]
(Embodiment utilizing sol-gel transition)
In such an embodiment utilizing the sol-gel transition, first, cells (for example, stem cells or progenitor cells) or tissues containing them are seeded and mixed in the hydrogel of the present invention. In order to perform such seeding and mixing, for example, a hydrogel-forming polymer constituting the hydrogel of the present invention is added to a culture solution such as RPMI-1640 (Life @ Technologies, NY, USA) at a low temperature. The cells or tissue may be added and suspended by dissolving the hydrogel of the present invention in an aqueous solution (sol) at a temperature lower than its sol-gel transition temperature by stirring and dissolving at 4 ° C., for example. The culture solution used here is not particularly limited, and a culture solution in which target cells (stem cells, progenitor cells, etc.) are easily proliferated and differentiated may be appropriately selected and used. If necessary, the culture medium may contain the aforementioned chemical mediator that promotes the growth and differentiation of the target stem cells or progenitor cells. Further, ECM such as collagen and gelatin may be added.
[0126]
In order to regenerate a living tissue or organ in the hydrogel of the present invention, for example, the suspension is heated to a temperature higher than the sol-gel transition temperature of the hydrogel of the present invention (usually 37 ° C.) to form a gel. After the transformation, the target cells or tissues containing the cells may be cultured at the temperature (usually 37 ° C.).
[0127]
Further, when the hydrogel of the present invention is gelled, it can be gelled by giving a desired shape using a mold having a desired shape. For example, when using cartilage tissue for reconstruction of the ear or nose, the hydrogel of the present invention is cultured in a shape suitable for the application site of the ear or nose, and the cartilage cells are cultured to regenerate the cartilage tissue. It can be used after being molded into a shape.
[0128]
After the target tissue / organ has been regenerated in the hydrogel of the present invention, to recover them from the hydrogel of the present invention, the hydrogel of the present invention containing the target tissue / organ is subjected to the sol-gel transition temperature. The hydrogel of the present invention may be cooled to a lower temperature (for example, 4 ° C.) to return the hydrogel of the present invention to a sol state, and the target tissue / organ may be separated from the hydrogel of the present invention by a usual separation method such as centrifugation.
[0129]
As described above, while the hydrogel of the present invention suppresses the growth of fibroblasts, it does not substantially inhibit (or promote) the growth or differentiation of target cells (stem cells, progenitor cells, etc.). Therefore, the target tissue / organ can be efficiently regenerated in the hydrogel of the present invention.
[0130]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the scope of the present invention is limited by the claims, and is not limited by the following Examples.
[0131]
Production Example 1
10 g of a polypropylene oxide-polyethylene oxide copolymer (propylene oxide / ethylene oxide average polymerization degree: about 60/180, manufactured by Asahi Denka Kogyo KK: Pluronic F-127) was dissolved in 30 ml of dry chloroform, and phosphorus pentoxide (1 g) was dissolved. In the coexistence, 0.13 g of hexamethylene diisocyanate was added, and the mixture was reacted for 6 hours under reflux at the boiling point. After distilling off the solvent under reduced pressure, the residue was dissolved in distilled water, and subjected to ultrafiltration using an ultrafiltration membrane (Amicon PM-30) having a molecular weight cut off of 30,000 to obtain a high molecular weight polymer and a low molecular weight polymer. Was fractionated. The obtained aqueous solution was frozen to obtain an F-127 high polymer and an F-127 low polymer.
[0132]
The F-127 high polymer obtained above (the hydrogel-forming polymer of the present invention, TGP-1) was dissolved in distilled water at a concentration of 8% by mass under ice-cooling. When this aqueous solution was gradually heated, the viscosity gradually increased from 21 ° C., and solidified at about 27 ° C. to form a hydrogel. When the hydrogel was cooled, it returned to an aqueous solution at 21 ° C. This change was repeatedly observed reversibly.
[0133]
On the other hand, the F-127 low polymer dissolved in distilled water at a concentration of 8% by mass below the freezing point did not gel at all even when heated to 60 ° C or higher.
[0134]
Production Example 2
160 moles of ethylene oxide were added to 1 mole of trimethylolpropane by cationic polymerization to obtain polyethylene oxide triol having an average molecular weight of about 7,000.
[0135]
After dissolving 100 g of the polyethylene oxide triol obtained above in 1000 ml of distilled water, 12 g of potassium permanganate was gradually added at room temperature, and the reaction was allowed to proceed as it was for about 1 hour. After removing the solid by filtration, the product was extracted with chloroform, and the solvent (chloroform) was distilled off under reduced pressure to obtain 90 g of a polyethylene oxide tricarboxyl compound.
[0136]
10 g of the polyethylene oxide tricarboxyl compound obtained as described above and 10 g of a polypropylene oxide diamino compound (propylene oxide average polymerization degree: about 65, manufactured by Jefferson Chemical Co., USA, trade name: Jeffamine D-4000, cloud point: about 9 ° C.) After dissolving in 1,000 ml of carbon tetrachloride and adding 1.2 g of dicyclohexylcarbodiimide, the mixture was reacted for 6 hours under reflux at the boiling point. After cooling the reaction solution and removing solids by filtration, the solvent (carbon tetrachloride) is distilled off under reduced pressure, and the residue is dried under vacuum to obtain a hydrogel of the present invention in which a plurality of polypropylene oxides and polyethylene oxides are bonded. A forming polymer (TGP-2) was obtained. This was dissolved in distilled water at a concentration of 5% by mass under ice-cooling, and its sol-gel transition temperature was measured.
[0137]
Production Example 3
96 g of N-isopropylacrylamide (manufactured by Eastman Kodak Company), 17 g of N-acryloxysuccinimide (manufactured by Kokusan Chemical Co., Ltd.), and 7 g of n-butyl methacrylate (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) were dissolved in 4000 ml of chloroform, and nitrogen was dissolved. After the substitution, 1.5 g of N, N′-azobisisobutyronitrile was added, and the mixture was polymerized at 60 ° C. for 6 hours. After the reaction solution was concentrated, it was reprecipitated (reprecipitated) in diethyl ether. After collecting the solid by filtration, it was dried under vacuum to obtain 78 g of poly (N-isopropylacrylamide-co-N-acryloxysuccinimide-co-n-butyl methacrylate).
[0138]
An excess of isopropylamine is added to the poly (N-isopropylacrylamide-co-N-acryloxysuccinimide-co-n-butyl methacrylate) obtained above to obtain poly (N-isopropylacrylamide-co-n-butyl methacrylate). Obtained. The cloud point of the aqueous solution of this poly (N-isopropylacrylamide-co-n-butyl methacrylate) was 19 ° C.
[0139]
10 g of the above-mentioned poly (N-isopropylacrylamide-co-N-acryloxysuccinimide-co-n-butyl methacrylate) and 5 g of a terminally aminated polyethylene oxide (molecular weight 6,000, manufactured by Kawaken Fine Chemical Co., Ltd.) were mixed with chloroform. It was dissolved in 1000 ml and reacted at 50 ° C. for 3 hours. After cooling to room temperature, 1 g of isopropylamine was added, and the mixture was allowed to stand for 1 hour. Then, the reaction solution was concentrated, and the residue was precipitated in diethyl ether. After collecting the solid matter by filtration, the solid matter is vacuum-dried, and the hydrogel-forming polymer (TGP-3) of the present invention in which a plurality of poly (N-isopropylacrylamide-co-n-butyl methacrylate) and polyethylene oxide are bonded. ) Got.
[0140]
The TGP-3 thus obtained was dissolved in distilled water at a concentration of 5% by mass under ice-cooling, and the sol-gel transition temperature was measured.
[0141]
Production Example 4
(Sterilization method)
2.0 g of the above-described hydrogel-forming polymer (TGP-3) of the present invention was placed in an EOG (ethylene oxide gas) sterilization bag (manufactured by Hogi Medical Co., Ltd., trade name: hybrid sterilization bag), and an EOG sterilizer ( The bag was filled with EOG using an easy pack (manufactured by Inuchi Seieido) and left at room temperature for 24 hours. After further leaving at 40 ° C. for half a day, the EOG was removed from the bag and aerated. The bags were placed in a vacuum dryer (40 ° C.) and sterilized by leaving for half a day with occasional aeration.
[0142]
It was separately confirmed that the sol-gel transition temperature of the polymer did not change by this sterilization operation.
[0143]
Production Example 5
After dissolving 37 g of N-isopropylacrylamide, 3 g of n-butyl methacrylate, and 28 g of polyethylene oxide monoacrylate (molecular weight: 4,000, manufactured by NOF Corporation: PME-4000) in 340 ml of benzene, 2,2 ′ -0.8 g of azobisisobutyronitrile was added and reacted at 60 ° C for 6 hours. The obtained reaction product was dissolved by adding 600 ml of chloroform, and the solution was dropped into 20 L (liter) of ether to precipitate. The resulting precipitate was collected by filtration, and the precipitate was vacuum-dried at about 40 ° C. for 24 hours, then redissolved in 6 L of distilled water, and a hollow fiber ultrafiltration membrane having a molecular weight cut off of 100,000 (H1P100 manufactured by Amicon) was used. -43) and concentrated to 2 l at 10 ° C.
[0144]
The concentrated liquid was diluted by adding 4 l of distilled water, and the dilution operation was repeated. The above-mentioned dilution and ultrafiltration / concentration operations were further repeated five times to remove those having a molecular weight of 100,000 or less. What was not filtered by the ultrafiltration (the one remaining in the ultrafiltration membrane) was recovered and freeze-dried to obtain 60 g of the hydrogel-forming polymer (TGP-4) of the present invention having a molecular weight of 100,000 or more. Obtained.
[0145]
1 g of the hydrogel-forming polymer (TGP-4) of the present invention obtained above was dissolved in 9 g of distilled water under ice cooling. When the sol-gel transition temperature of this aqueous solution was measured, the sol-gel transition temperature was 25 ° C.
[0146]
Production Example 6
The hydrogel-forming polymer (TGP-3) of the present invention of Production Example 3 was dissolved in distilled water at a concentration of 10% by mass, and 5.8 × 105Pa · sec. In the measurement of the steady flow viscosity η, a stress-type rheometer (CSL500) and an acrylic disk (diameter 4 cm) were used as a measuring device, and a sample thickness of 600 μm was used and 10 N / m2Shear stress was applied and creep was observed for 5 minutes after 5 minutes.
[0147]
On the other hand, agar was dissolved in distilled water at a concentration of 2% by mass at 90 ° C., gelled at 10 ° C. for 1 hour, and η at 37 ° C. was measured. The η was the measurement limit of the instrument (1 × 107Pa · sec).
[0148]
Production Example 7
(Evaluation of proliferation of fibroblasts)
After sterilizing the hydrogel-forming polymer (TGP-3) of the present invention prepared in Production Example 3 by the method of Production Example 4, 20% fetal bovine serum was prepared so that the final concentration of the polymer was about 8%. (FCS; manufactured by Dainippon Pharmaceutical Co., Ltd., trade name: Fetal Calf Serum) and antibiotics (LifeTechnologies, trade name: penicillin; final concentration 10,000 U / ml) in RPMI-1640 (manufactured by LifeTechno) in RPMI Dissolved with stirring at 4 ° C. for 24 hours. This operation was performed aseptically.
[0149]
6 × 10 normal human lung fibroblasts (Normal Human Lung Fibroblasts, NHLF, manufactured by Takara Shuzo Co., Ltd.) were added to the above-mentioned hydrogel (TGP-3 / RPMI) of the present invention.4The cells were dispersed to a cell density of cells / ml. The NHLF dispersion was dispensed into each well of a 24-well plate [flat bottom multiwell tissue plate (FALCON, Becton Dickinson & Company)], gelled at 37 ° C, and then cultured at 0 ° C. Add 4 ml to 37 ° C, 5% CO2Cultured under atmospheric pressure. A total of eight 24-well plates were prepared for microscopic observation and measurement of fibroblast proliferation rate, each for the 0th, 1st, 3rd, and 7th days.
[0150]
Separately, 6 × 10 6 cells were added to the above culture medium without using TGP-3 for comparison.4An NHLF dispersion liquid was prepared to be dispersed so as to have a cell density of cells / ml. Eight 24-well plates were prepared in the same manner, and the same culture test was performed.
[0151]
As a result of daily observation (0, 1, 3, 7 days) with a phase contrast microscope (Olympus, trade name: IMT-2, 10 times), in the culture of the comparative example (RPMI), fibroblasts started 1 day later. Dendritic growth characteristic of the cells was observed, and the cells became confluent after 7 days, whereas in the hydrogel (TGP-3 / RPMI) of the present invention, the fibroblasts were single cells until 7 days. No growth was observed with the morphology maintained.
[0152]
After a predetermined number of days of culture, the carrier was dissolved by lowering the 24-well plate to 4 ° C., and the WST-8 reagent (Dohin Chemical Co., Ltd.) as a reagent for measuring succinate dehydrogenase activity was placed in each well. ) 50 μl was added. After the 24-well plate was reacted at 4 ° C. for 10 hours, a completely uniform aqueous solution was obtained.
[0153]
The aqueous solution was dispensed at 200 μl into a 96-well plate, and the absorbance (OD (450)) was measured at 450 nm (reference wavelength 620 nm) using a colorimeter for microplate. The proliferation rate of fibroblasts was determined by the absorbance OD at the start of culture (day 0).f= (OD (450)) and absorbance OD after culture (after 1, 3, 7 days)L= (OD (450)) ratio (ODL/ ODf).
In the hydrogel of the present invention (TGP-3 / RPMI), the proliferation rate (OD) of the fibroblasts after 1, 3 and 7 daysL/ ODf) Were 105%, 120%, and 125%, respectively, whereas in Comparative Example (RPMI), the proliferation rate (OD) of the fibroblasts was 1, 3, and 7 days later.L/ ODf) Were 170%, 370%, and 420%, respectively.
[0154]
Example 1
A beagle dog (9.0 to 11.0 kg body weight) was anesthetized with pentobarbital by intravenous anesthesia, the abdomen was opened, and the pancreas was completely removed. When a guide wire having a diameter of 100 μm was inserted into the pancreatic duct, and the pancreatic tissue was excised and removed along the guide wire, only the pancreatic duct could be collected. A pancreatic duct having a length of about 6 cm and a diameter of 150 to 200 μm was minced at a width of 0.5 mm.
[0155]
A solution (hydrogel of the present invention) obtained by dissolving the hydrogel-forming polymer of the present invention (TGP-3) of Production Example 3 at a concentration of 10% by mass in a culture solution (RPMI-1640, manufactured by Life @ Technologies) was used. After cooling to 0 ° C, the above-mentioned pancreatic duct thin section was dispersed, and 0.4 ml was dispensed into each well of a 12-well plate [flat \ multiwell \ tissue \ culture \ plate (FALCON, Becton \ Dickinson \ & Company)] and gel at 37 ° C. After that, 0.4 ml of the culture solution was added, and the mixture was added at 37 ° C. and 5% CO 2.2Cultured under atmospheric pressure. The culture solution RPMI-1640 contains 10% of dog serum (50 to 100 ml of canine blood collected and allowed to stand at room temperature for 30 minutes to collect the supernatant), 10 mM nicotinamide (manufactured by Sigma, trade name: NIACINAMIDE) ), 10 ng / ml keratinocyte growth factor (KGF; manufactured by PEPROTECH FC Ltd., trade name: Recombinant Keratinocyte Growth Factor).
[0156]
Observation with a stereoscopic microscope (manufactured by Olympus, trade name: inverted system microscope; 100-fold) daily revealed that the cells were divided and proliferated from the outside of the pancreatic duct tissue from day 5 of the culture (see FIG. 5). (Fig. 1). The cell clumps increased in size over time, becoming 150 μm on day 14 and 300 μm on day 30 (FIG. 2). The histological image on day 30 showed that insulin-positive cells were present in the cell clumps and that clusters of islets of Langerhans were formed.
[0157]
By cooling the hydrogel of the present invention containing the cell clumps to 4 ° C. and centrifuging, the cell clumps and the hydrogel of the present invention solubilized by the cooling can be easily separated. Was.
[0158]
Example 2
The costal cartilage of a 4-week-old Lewis male rat was aseptically collected, and the attached soft tissue was removed to remove the cartilage and fragmented. Next, enzyme solution {first solution: 0.1% EDTA (manufactured by Nacalai Tesque) / PBS (-) (manufactured by Roman Industries), second solution: 0.25% trypsin-EDTA (manufactured by Gibco) / PBS (−) (Manufactured by Roman Industrial Co., Ltd.), third solution: 0.1% collagenase (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) / PBS (+) (manufactured by Gibco Co.) At 37 ° C. for 15 minutes, 1 hour and 3 hours to decompose cartilage tissue.
[0159]
The collected cartilage dispersion was put in a medium containing D-MEM (Dulbecco's Modified Eagle Medium: (manufactured by Gibco) + 10% FCS (Fetal Bovine Serum) + penicillin + streptomycin) for about 2 weeks until confluent. 37 ° C, 5% CO2Cultured under atmospheric pressure. The resulting culture was treated with 0.25% trypsin / PBS (-) for 5 minutes, and centrifuged at 1000 rpm for 10 minutes to collect chondrocytes.
[0160]
A solution (hydrogel of the present invention) obtained by dissolving the hydrogel-forming polymer of the present invention (TGP-3) of Production Example 3 at a concentration of 10% by mass in a culture solution (RPMI-1640, manufactured by Life @ Technologies) was used. C. and the chondrocytes were cooled to 6 × 105Cells / ml, and dispensed in a volume of 0.4 ml into each well of a 12-well plate [flat bottom multiwell tissue plate (FALCON, Becton Dickinson & Company)] and gelled at 37 ° C. After that, 0.4 ml of the culture solution was added and the mixture was added at 37 ° C. and 5% CO 2.2Cultured under atmospheric pressure. In addition, as in Example 1, the culture solution RPMI-1640 contained 10% rat serum (a sample obtained by leaving rat blood at room temperature for 30 minutes and collecting the supernatant), 10 mM nicotinamide, and 10 ng / ml keratinocyte growth factor. (KGF) was added.
[0161]
Observation with a stereomicroscope daily revealed that the cells were divided and proliferated from day 5 of culture. The cell clumps increased in size over time, becoming 150 μm on day 14 and 300 μm on day 30. A histological image (Azan staining and Aggrecan immunostaining) on day 30 showed a stained image indicating the formation of a cartilage mass in the cell clumps.
[0162]
By cooling the hydrogel of the present invention containing the cell clumps to 4 ° C. and centrifuging, the cell clumps and the hydrogel of the present invention solubilized by the cooling can be easily separated. Was.
[0163]
Production Example 8
71.0 g of N-isopropylacrylamide and 4.4 g of n-butyl methacrylate were dissolved in 1117 g of ethanol. An aqueous solution in which 22.6 g of polyethylene glycol dimethacrylate (PDE6000, manufactured by NOF Corporation) was dissolved in 773 g of water was added thereto, and the mixture was heated to 70 ° C. in a nitrogen stream. While maintaining the temperature at 70 ° C. in a nitrogen stream, 0.8 mL of N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine (TEMED) and 8 mL of a 10% aqueous solution of ammonium persulfate (APS) were added, and the mixture was stirred and reacted for 30 minutes. Further, 0.8 mL of TEMED and 8 mL of 10% APS aqueous solution were added four times at 30-minute intervals to complete the polymerization reaction. The reaction solution was cooled to 10 ° C. or lower, diluted by adding 5 L of 10 ° C. cold distilled water, and concentrated to 2 L at 10 ° C. using an ultrafiltration membrane having a molecular weight cut off of 100,000.
[0164]
The concentrated solution was diluted by adding 4 L of cold distilled water, and the ultrafiltration and concentration operation was performed again. The above dilution and ultrafiltration / concentration operations were further repeated five times to remove those having a molecular weight of 100,000 or less. What was not filtered by the ultrafiltration (the one remaining in the ultrafiltration membrane) was recovered and freeze-dried to obtain 72 g of the hydrogel-forming polymer (TGP-5) of the present invention having a molecular weight of 100,000 or more. Obtained.
[0165]
1 g of the hydrogel-forming polymer (TGP-5) of the present invention obtained above was dissolved in 9 g of distilled water under ice cooling. When the sol-gel transition temperature of this aqueous solution was measured, the sol-gel transition temperature was 20 ° C.
[0166]
Production Example 9
42.0 g of N-isopropylacrylamide and 4.0 g of n-butyl methacrylate were dissolved in 592 g of ethanol. To this was added an aqueous solution in which 11.5 g of polyethylene glycol dimethacrylate (PDE6000, manufactured by NOF Corporation) was dissolved in 65.1 g of water, and the mixture was heated to 70 ° C. under a nitrogen stream. While maintaining the temperature at 70 ° C. under a nitrogen stream, 0.4 mL of N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine (TEMED) and 4 mL of a 10% aqueous solution of ammonium persulfate (APS) were added, and the mixture was stirred and reacted for 30 minutes. Further, 0.4 mL of TEMED and 4 mL of a 10% APS aqueous solution were added four times at 30-minute intervals to complete the polymerization reaction. The reaction solution was cooled to 5 ° C. or lower, diluted by adding 5 L of 5 ° C. cold distilled water, and concentrated to 2 L at 5 ° C. using an ultrafiltration membrane having a molecular weight cut off of 100,000.
[0167]
The concentrated solution was diluted by adding 4 L of cold distilled water, and the ultrafiltration and concentration operation was performed again. The above dilution and ultrafiltration / concentration operations were further repeated five times to remove those having a molecular weight of 100,000 or less. What was not filtered by this ultrafiltration (the one remaining in the ultrafiltration membrane) was collected and freeze-dried to obtain 40 g of the hydrogel-forming polymer (TGP-6) of the present invention having a molecular weight of 100,000 or more. Obtained.
[0168]
1 g of the hydrogel-forming polymer (TGP-6) of the present invention obtained as described above was dissolved in 9 g of distilled water under ice cooling. When the sol-gel transition temperature of this aqueous solution was measured, the sol-gel transition temperature was 7 ° C.
[0169]
Production Example 10
45.5 g of N-isopropylacrylamide and 0.56 g of n-butyl methacrylate were dissolved in 592 g of ethanol. To this was added an aqueous solution in which 11.5 g of polyethylene glycol dimethacrylate (PDE6000, manufactured by NOF Corporation) was dissolved in 65.1 g of water, and the mixture was heated to 70 ° C. under a nitrogen stream. While maintaining the temperature at 70 ° C. under a nitrogen stream, 0.4 mL of N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine (TEMED) and 4 mL of a 10% aqueous solution of ammonium persulfate (APS) were added, and the mixture was stirred and reacted for 30 minutes. Further, 0.4 mL of TEMED and 4 mL of a 10% APS aqueous solution were added four times at 30-minute intervals to complete the polymerization reaction. The reaction solution was cooled to 10 ° C. or lower, diluted by adding 5 L of 10 ° C. cold distilled water, and concentrated to 2 L at 10 ° C. using an ultrafiltration membrane having a molecular weight cut off of 100,000.
[0170]
The concentrated solution was diluted by adding 4 L of cold distilled water, and the ultrafiltration and concentration operation was performed again. The above dilution and ultrafiltration / concentration operations were further repeated five times to remove those having a molecular weight of 100,000 or less. Those not filtered by the ultrafiltration (residuals in the ultrafiltration membrane) are collected and freeze-dried to obtain 22 g of the hydrogel-forming polymer (TGP-7) of the present invention having a molecular weight of 100,000 or more. Obtained.
1 g of the hydrogel-forming polymer (TGP-7) of the present invention obtained as described above was dissolved in 9 g of distilled water under ice cooling. When the sol-gel transition temperature of this aqueous solution was measured, the sol-gel transition temperature was 37 ° C.
[0171]
Example 3
The hydrogel-forming polymers TGP-5, TGP-6, and TGP-7 obtained in Production Examples 8, 9, and 10 were each dissolved in physiological saline to prepare a 10 wt% solution. When the respective sol-gel transition temperatures were measured, they were 18 ° C (TGP-5), 5 ° C (TGP-6), and 35 ° C (TGP-7). Each physiological saline solution was cooled to the sol-gel transition temperature or lower, and 20 mL / kg was administered intraperitoneally to 10 6-week-old rats (5 males and 5 females) per group.
[0172]
In the administration method, the abdomen of the rat was shaved with an electric clipper, the administration site was disinfected with ethanol for disinfection, and then administered using a syringe and an indwelling needle (22G). All groups showed the same weight gain as the control group in which physiological saline was administered intraperitoneally at 20 mL / kg, and no abnormal findings were observed during the 7-day observation period. Seven days after the administration, the animals were exsanguinated and killed under ether anesthesia, and all the organs and tissues were examined for abnormalities and for the remaining hydrogel (regeneration material of the present invention) in the abdominal cavity. No abnormalities were observed in any of the organs and tissues in any of the groups. For TGP-5 and TGP-6, hydrogel remained in the abdominal cavity. However, for TGP-7 having a high sol-gel transition temperature of 35 ° C., the hydrogel remained in the abdominal cavity 7 days after administration. I did not admit.
[0173]
Example 4
Hydrogel-forming polymers TGP-5 and TGP-6 obtained in Production Examples 8 and 9 were each dissolved in physiological saline to prepare a 10 wt% solution. Each saline solution was cooled below its sol-gel transition temperature and 1 mL was injected subcutaneously into the back of the rat. In the administration method, the back of the rat was shaved with an electric hair clipper, the administration site was disinfected with ethanol for disinfection, and then administered using a syringe and an indwelling needle (22G).
TGP-5 having a sol-gel transition temperature of 18 ° C. disappeared from the rat subcutaneous day on the 23rd day of administration, and no residual was visually observed. On the other hand, TGP-6 having a sol-gel transition temperature of 5 ° C. was necropsied on the 37th day after administration, and its residual was visually observed (FIG. 3). No abnormal findings were found.
[0174]
Example 5
Each of the hydrogel-forming polymers TGP-5 and TGP-6 obtained in Production Examples 8 and 9 was a physiological solution containing human basic fibroblast growth factor (FGF-b, Cosmo Bio Inc., 100-18B). It was dissolved in saline (FGF-b: 50 pg / mL) to prepare a 10 wt% solution. Each saline solution was cooled below its sol-gel transition temperature and 1 mL was injected subcutaneously into the back of the rat. In the administration method, the back of the rat was shaved with an electric hair clipper, the administration site was disinfected with ethanol for disinfection, and then administered using a syringe and an indwelling needle (22G).
TGP-5 having a sol-gel transition temperature of 18 ° C. disappeared from the rat subcutaneous day on the 23rd day of administration, and no residual was visually observed. On the other hand, when TGP-6 having a sol-gel transition temperature of 5 ° C. was necropsied on the 37th day after administration, the remaining hydrogel (the material for regeneration of the present invention) was visually observed (FIG. 5), and the HE-stained tissue image was obtained. (FIG. 6), formation of countless capillary networks was confirmed around the periphery. This is probably because the growth factor (FGF-b) was gradually released from the regenerated material of the present invention, and the regeneration of capillaries was promoted.
[0175]
Example 6
The hydrogel-forming polymer TGP-5 obtained in Production Example 8 was mixed with a phosphate buffer (1 / 15M, pH7) containing 3 mM phenol red (manufactured by Wako Pure Chemical), and methyl blue (manufactured by Wako Pure Chemical). Phosphate buffer (1/15 M, pH 7) containing 6 mM and phosphate buffer (1/15 M, pH 7) containing 0.9% myoglobin (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) It melted under cooling. These solutions were filled in a glass tube having a length of 1.3 mm and an inner diameter of 6 mm, and heated to 37 ° C. to be gelled. These disc-shaped hydrogels were put together with a glass tube into a spectroscopic cell containing 3 mL of a phosphate buffer solution (1/15 M, pH 7), and the absorbance was continuously measured while maintaining the temperature at 37 ° C. and stirring. . The measurement wavelength of the absorbance was 558 nm, 571 nm, and 409 nm for phenol red, methyl blue, and myoglobin, respectively. The elution rate of phenol red, methyl blue, and myoglobin into 3 mL of a phosphate buffer (1/15 M, pH 7) over time was determined by absorbance measurement, and the respective diffusion coefficients were determined from the relationship of equation (1). , 1.6 × 10-6(Cm2/ Sec), 7.5 × 10-9(Cm2/ Sec), 2.1 × 10-7(Cm2/ Sec).
[0176]
The ratio of the diffusion coefficient of phenol red as a water-soluble hydrophilic substance and methyl blue as a water-soluble hydrophobic substance in a TGP-5 hydrogel at 37 ° C. (DPR/ DMB) Was 213.
The ratio of the diffusion coefficient of phenol red, a water-soluble hydrophilic low-molecular substance, to myoglobin, a water-soluble hydrophilic high-molecular substance, at 37 ° C. in TGP-5 hydrogel (DPR/ DMG) Was 7.6.
[0177]
Comparative Example 1
Phosphorus containing 3 mM of low melting point agarose (Sea @ Prep (registered trademark) agarose, manufactured by BMA (Rockland @ USA), melting point: 50 ° C. or less, gel point: 8 ° C. to 17 ° C.) Phosphate buffer containing 1/1 mM buffer (1 / 15M, pH7), 6 mM methyl blue (manufactured by Wako Pure Chemical), phosphoric acid containing 0.9% myoglobin (manufactured by Wako Pure Chemical) Each of the buffer solutions (1 / 15M, pH7) was heated and dissolved at a concentration of 1 wt%. These solutions were filled in a glass tube having a length of 10 mm and an inner diameter of 2 mm, cooled to 2 ° C., and gelled. These columnar hydrogels were put together with a glass tube into a spectroscopic cell containing 3 mL of a phosphate buffer solution (1/15 M, pH 7), and the absorbance was continuously measured while keeping the temperature at 37 ° C. and stirring. . The measurement wavelength of the absorbance was 558 nm, 571 nm, and 409 nm for phenol red, methyl blue, and myoglobin, respectively. The elution rate of phenol red, methyl blue, and myoglobin into 3 mL of a phosphate buffer (1/15 M, pH 7) over time was determined by absorbance measurement, and the respective diffusion coefficients were determined from the relationship of equation (1). , 4.7 × 10-6(Cm2/ Sec), 7.1 × 10-6(Cm2/ Sec), 2.6 × 10-5(Cm2/ Sec).
The ratio of the diffusion coefficient of phenol red (water-soluble hydrophilic substance) to methyl blue (water-soluble hydrophobic substance) at 37 ° C. in a low melting point agarose hydrogel (DPR/ DMB) Was 0.7.
[0178]
The ratio of the diffusion coefficient of phenol red, a water-soluble hydrophilic low-molecular substance, to myoglobin, a water-soluble hydrophilic high-molecular substance, at 37 ° C. in a low melting point agarose hydrogel (DPR/ DMG) Was 0.18.
[0179]
Example 7
The hydrogel-forming polymer TGP-5 obtained in Production Example 8 was dissolved in physiological saline, and the polymer concentration was 10% by mass (wt%), 8% by mass (wt%), and 6% by mass (wt%). Was prepared. The respective sol-gel transition temperatures were measured and found to be 18 ° C, 20 ° C, and 22 ° C, respectively. Each physiological saline solution was cooled below its sol-gel transition temperature and administered intraperitoneally to 10 6-week-old rats (5 males and 5 females) in groups of 1 mL / kg. In the administration method, the abdomen of the rat was dehaired with an electric clipper, the administration site was disinfected with ethanol for disinfection, and then administered using a syringe and an indwelling needle (22G). On the 1st, 3rd, 7th, 14th, and 21st days after the administration, two animals (one male and one female) in each group were exsanguinated and killed under ether anesthesia. The remaining material (the material for reproduction of the present invention) was inspected. The hydrogel having a polymer concentration of 6% by mass (wt%) disappeared from the intraperitoneal cavity on day 3 after administration, and the hydrogel having a polymer concentration of 8% by mass (wt%) disappeared from the intraperitoneal cavity on day 14 after administration. The hydrogel having a polymer concentration of 10% by mass (wt%) disappeared from the intraperitoneal cavity 21 days after administration.
[0180]
【The invention's effect】
As described above, when the hydrogel of the present invention is used, retention / diffusion of various useful substances can be suitably controlled.
[0181]
When such a hydrogel is used, for example, as a carrier for cell / tissue culture, fibroblasts do not substantially proliferate, and therefore the target cells / tissues (eg, organs intended for repair / regeneration etc.) And cells of the tissue) can be selectively proliferated, and the regeneration of the target organ or tissue can be effectively achieved.
[0182]
The hydrogel of the present invention gels at a predetermined temperature (for example, human or animal body temperature) to form a three-dimensional network structure, and can retain cell growth factors and the like for a long period of time. Can be promoted.
[0183]
Since the hydrogel of the present invention is composed of a hydrogel-forming polymer that gels at body temperature in a sol state at a low temperature, the hydrogel of the present invention contains stem cells, progenitor cells, or the like in a low-temperature sol state. Tissues and the like can be seeded and mixed, and the carrier is turned into a gel state by gelling at a predetermined temperature (for example, the body temperature of a human or animal) as it is to adhere stem cells and progenitor cells that regenerate tissues and organs. It can function as an artificial carrier for differentiation and morphogenesis.
[0184]
Furthermore, since the hydrogel of the present invention returns to the sol state by cooling to a temperature lower than the sol-gel transition temperature, it can be recovered without substantially damaging tissues and organs regenerated in the gel.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a photomicrograph showing clumps in which cells were divided and proliferated from the outside of a pancreatic duct tissue in Example 1 (day 5, magnification × 100).
FIG. 2 is a micrograph showing the cell mass that has increased in size over time in Example 1 (30 days, magnification × 100).
FIG. 3 is a photograph obtained in Example 4 showing the residual TGP-6 with a sol-gel transition temperature of 5 ° C. administered to the back of a rat.
FIG. 4 is a HE (hematoxylin-eosin) stained tissue image (magnification: 100 ×) obtained in Example 4 showing around TGP-6 having a sol-gel transition temperature of 5 ° C. administered to the back of a rat. is there.
FIG. 5 is a photograph obtained in Example 5 showing the remaining TGP-6 having a sol-gel transition temperature of 5 ° C. administered to the back of a rat.
FIG. 6 is an HE-stained tissue image (magnification: 100 ×) obtained in Example 5, showing around TGP-6 at a sol-gel transition temperature of 5 ° C. administered to the back of a rat.

Claims (10)

その水溶液が低温でゾル状態、高温でゲル状態となる熱可逆的なゾル−ゲル転移を示すハイドロゲル形成性の高分子を少なくとも含むハイドロゲルであって;
フェノールレッド(PR)、メチルブルー(MB)、およびミオグロビン(MG)の拡散係数Dの比が、(DPR/DMB)≧2および(DPR/DMG)≧1.2を満たすことを特徴とするハイドロゲル。
A hydrogel containing at least a hydrogel-forming polymer exhibiting a thermoreversible sol-gel transition in which the aqueous solution becomes a sol state at a low temperature and a gel state at a high temperature;
The ratio of the diffusion coefficient D of phenol red (PR), methyl blue (MB), and myoglobin (MG) satisfies (D PR / D MB ) ≧ 2 and (D PR / D MG ) ≧ 1.2. Characterized hydrogel.
前記ハイドロゲル形成性の高分子が、曇点を有する複数のブロックと、親水性のブロックとが結合した高分子である請求項1項記載のハイドロゲル。The hydrogel according to claim 1, wherein the hydrogel-forming polymer is a polymer in which a plurality of blocks having a cloud point and a hydrophilic block are bonded. 前記ゾル−ゲル転移温度が、0℃より高く42℃以下である請求項1または2記載のハイドロゲル。The hydrogel according to claim 1, wherein the sol-gel transition temperature is higher than 0 ° C. and 42 ° C. or less. 更に化学仲介物質を含有する請求項1〜3のいずれかに記載のハイドロゲル。The hydrogel according to claim 1, further comprising a chemical mediator. 前記ハイドロゲル形成性高分子の水溶液が、高温のゲル状態で実質的に水不溶性を示すことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のハイドロゲル。The hydrogel according to any one of claims 1 to 4, wherein the aqueous solution of the hydrogel-forming polymer exhibits substantially water insolubility in a high temperature gel state. 更に水を含む請求項1〜5のいずれかに記載のハイドロゲル。The hydrogel according to claim 1, further comprising water. 有用物質と、該有用物質の周囲に配置されたハイドロゲルとを少なくとも含むゲル体であって;
該ハイドロゲルが、その水溶液が低温でゾル状態、高温でゲル状態となる熱可逆的なゾル−ゲル転移を示すハイドロゲル形成性の高分子を少なくとも含み、且つ、
前記ハイドロゲルにおけるフェノールレッド(PR)、メチルブルー(MB)、およびミオグロビン(MG)の拡散係数の比が、(DPR/DMB)≧2および(DPR/DMG)≧1.2を満たすことを特徴とするゲル体。
A gel body comprising at least a useful substance and a hydrogel disposed around the useful substance;
The hydrogel contains at least a hydrogel-forming polymer exhibiting a thermoreversible sol-gel transition in which the aqueous solution becomes a sol state at a low temperature and a gel state at a high temperature, and
The ratio of the diffusion coefficients of phenol red (PR), methyl blue (MB), and myoglobin (MG) in the hydrogel is (D PR / D MB ) ≧ 2 and (D PR / D MG ) ≧ 1.2. A gel body characterized by filling.
前記有用物質が、生理活性物質、着色物質、コスメティックス、および生体由来材料からなる群から選ばれる1以上の物質である請求項7に記載のゲル体。The gel body according to claim 7, wherein the useful substance is at least one substance selected from the group consisting of a physiologically active substance, a coloring substance, cosmetics, and a biological material. 有用物質と、該有用物質の周囲に配置されたハイドロゲルとを少なくとも含むゲル体を用いて、有用物質の保持/拡散を制御する方法であって、
該ハイドロゲルが、その水溶液が低温でゾル状態、高温でゲル状態となる熱可逆的なゾル−ゲル転移を示すハイドロゲル形成性の高分子を少なくとも含み、且つ、
前記ハイドロゲルにおけるフェノールレッド(PR)、メチルブルー(MB)、およびミオグロビン(MG)の拡散係数の比が、(DPR/DMB)≧2および(DPR/DMG)≧1.2を満たすことを特徴とする制御方法。
A method for controlling retention / diffusion of a useful substance by using a gel body containing at least a useful substance and a hydrogel disposed around the useful substance,
The hydrogel contains at least a hydrogel-forming polymer exhibiting a thermoreversible sol-gel transition in which the aqueous solution becomes a sol state at a low temperature and a gel state at a high temperature, and
The ratio of the diffusion coefficients of phenol red (PR), methyl blue (MB), and myoglobin (MG) in the hydrogel is (D PR / D MB ) ≧ 2 and (D PR / D MG ) ≧ 1.2. A control method characterized by satisfying.
前記ゾル−ゲル転移温度より低い温度とすることにより、前記ハイドロゲルをゾル状態として、有用物質を回収する請求項9に記載の制御方法。The control method according to claim 9, wherein the useful substance is recovered by setting the temperature of the hydrogel to a sol state by setting the temperature lower than the sol-gel transition temperature.
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