JP2014512426A - 星型ポリマー・ナノシェルおよびその調製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】星型ポリマー・ナノシェルおよびその調製方法を提供する。
【解決手段】ｉ）６つ以上の独立したポリマー・アームに共有結合した架橋コアを有する両親媒性単分子星型ポリマー、およびｉｉ）星型ポリマーに内包されたカーゴ材料を含む星型ポリマー内包複合体；および星型ポリマー内包複合体の外側表面と接触した無機材料を含むシェル、を含むナノシェルを開示する。
【選択図】図５

Description

本発明は、２００８年９月１２日に発効した、Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ａｃｔｉｖｉｔｙが交付するＡｇｒｅｅｍｅｎｔ Ｎｏ．Ｈ９４００３−０８−２−０８０６よる米国政府支援を受けてなされた。政府は、本発明に一定の権利を有する。

共同研究契約の当事者
本発明は、インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションとサンノゼ州立大学研究財団との間の共同研究契約に基づきなされた。

本発明は、星型ポリマー・ナノシェルおよびその調製方法に関し、さらに詳しくは外側シェルに金、シリカまたは酸化鉄を含み、かつカーゴ材料が星型ポリマーのコア領域に内包された星型ポリマーに関する。

近年、組成、構造および機能の複雑さの増したナノ粒子が、バイオセンシング、薬物送達、細胞内イメージングおよび治療剤など様々な用途に開発されている。こうしたナノ粒子として、たとえば、デンドリマーなどの有機ナノ粒子、シリカまたは遷移金属を含むナノ粒子などの無機ナノ粒子、および複合材料からなるナノ粒子が挙げられる。しかしながら、１００ナノメートル未満の平均粒子直径を有し、多分散性が小さい複雑な構造の無機ナノ粒子を構築することが課題となっている。

ナノスケールのコア・シェル構造を製造するには、小型のナノ粒子鋳型にシリカを付着させることを利用してきた。鋳型としては、コア・シェル構造を製造するための金ナノ粒子、無機量子ドットまたは有機ポリマーがあるが、シリカが成長するこれらの鋳型の表面に核形成部位を導入する必要があり、得られる任意の光学的特性が核形成鋳型の核形成部位に限定される。

ケイ素もしくは金属などの他の無機材料またはその両方を含むナノ粒子を調製するには、追加の方法および材料が必要とされる。

したがって、
ｉ）６つ以上の独立したポリマー・アームに共有結合した架橋コアを有する両親媒性単分子星型ポリマー、およびｉｉ）星型ポリマーに内包されたカーゴ材料を含む星型ポリマー内包複合体；および
星型ポリマー内包複合体の外側表面と接触した無機材料を含むシェル
を含むナノシェルを開示する。

両親媒性単分子星型ポリマーであって、６つ以上の独立したポリマー・アームに共有結合した架橋コアを有する星型ポリマーとカーゴ材料との混合物を第１の溶媒中で形成するステップ；
カーゴ材料の非溶媒である第２の溶媒に混合物を注入することにより、星型ポリマーに内包されたカーゴ材料を含む星型ポリマー内包複合体を形成するステップ；および
１つまたは複数の連続的プロセスを用いて星型ポリマー内包複合体の外側表面にシェル形成無機材料を付着させることにより、１つまたは複数の無機シェル層を含むシェルを含むナノシェルを形成するステップ
を含む方法を開示する。

両親媒性単分子星型ポリマーであって、６つ以上の独立したポリマー・アームに共有結合した架橋コアを有する星型ポリマー、カーゴ材料、および酸化鉄ナノ粒子を含む混合物を好適な溶媒中に形成するステップ；および
カーゴ材料の非溶媒である第２の溶媒に混合物を注入することにより、星型ポリマー、カーゴ材料、および酸化鉄粒子を含むナノシェルを形成するステップ
を含む別の方法も開示する。

また、上述のナノシェルを含む水性混合物も開示する。

さらに、上述の水性混合物と細胞を接触させるステップを含む画像診断法も開示する。

本発明の上述および他の特徴と利点は、以下の詳細な説明、図面および添付の特許請求の範囲から当業者に認識され、理解されよう。

図１Ａは単分子星型ポリマーの三次元図である。図１Ｂは例示的な星型ポリマーの親水性および疎水性サブ領域を示す層をグラフ化した図である。 図２Ａは３つの内包粒子または分子を含む例示的な星型ポリマー内包複合体の三次元図である。内包材料は、医薬剤でも、造影剤でも、発色団でも、または所望の比誘電率を有する内包複合体を形成するために選択される材料でもよい。図２Ｂは星型ポリマー内包複合体に塗布された連続した外側シェルを含む例示的な星型ポリマー・ナノシェルの三次元図である。中にある星型ポリマー内包複合体が見えるように、シェルの一部を切り取ってある。 図３Ａは多孔性外側シェルを含む例示的な星型ポリマー・ナノシェルの三次元図である。図３Ｂは星型ポリマー内包複合体の外側隙間空間に分散した独立した無機ナノ粒子からなる非連続シェルを含む例示的な星型ポリマー・ナノシェルの三次元図である。 星型ポリマー内包複合体の２つ以上の巨大分子を包含するシェルを含む例示的な星型ポリマー・ナノシェルの三次元図である。星型ポリマー内包複合体は各々、独立した巨大分子構造である。 共通の星型ポリマー内包複合体からシリカ・ナノシェル、酸化鉄ナノシェルおよび金ナノシェルを調製する反応の模式図である。 （左から）星型ポリマーＳＰ−１（水溶液）、ポルフィリン色素（ＤＴＢＰ）（懸濁水溶液）、およびＳＰ−１およびＤＴＢＰから調製した星型ポリマー内包複合体（ＯＣ−１）（水溶液）を含む３つのバイアルの写真である。 図７Ａは市販されている固体金ナノ粒子（１１０ｎｍ）の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。挿入図は、固体金粒子の水溶液である。溶液はマゼンタの色合いを有する。図７Ｂはポルフィリン色素ＤＴＢＰを含む、星型ポリマー内包複合体、ＯＣ−１から調製した同じような大きさの（１１０ｎｍ）金ナノシェルＡｕＮＳ−１のＳＥＭである。金ナノシェルＡｕＮＳ−１の図をＳＥＭの下に示し、シェルが、星型ポリマー内包複合体ＯＣ−１の複数の独立した巨大分子を包含しているのが分かる。挿入図は、金ナノシェルＡｕＮＳ−１の水溶液である。溶液は、濃い藍色の色合いを有する。 市販されている固体金ナノ粒子（１１０ｎｍ）と星型ポリマー内包複合体ＯＣ−１から調製した同じような大きさの金ナノシェルＡｕＮＳ−１とのＵＶ−ＶＩＳ吸収スペクトルのグラフである。金ナノシェルＡｕＮＳ−１のみが「生体組織の光学窓」（約６５０ｎｍ〜９５０ｎｍ）で強く吸収する。 金ナノシェルの厚さの変化が、金ナノシェルＡｕＮＳ−１からＡｕＮＳ−４の吸収極大にどのような影響を与えるかを示す４枚のＳＥＭのセットである。厚さは、金シード星型ポリマー溶液の量と添加されるヒドロキシルアミン溶液の量との比率、成長溶液の総量もしくは試薬濃度またはその両方、または成長溶液をシード星型ポリマー内包複合体の溶液に添加する速度あるいはそれらの組み合わせに応じて変化する。 金ナノシェルＡｕＮＳ−１からＡｕＮＳ−４の可視近赤外（ＶＩＳ−ＮＩＲ）吸収曲線を含むグラフであり、粒度が大きくなるのに伴い吸光度のレッド・シフトを示す。 金ナノシェルＡｕＮＳ−１からＡｕＮＳ−４の４つの水溶液の写真である。色合いが左側のマゼンタ−パープルから右側のブルー−ブラックに変化する。 ＡｕＮＳ−１の表面をチオール官能性ポリ（エチレングリコール）（ＰＥＧ）と接触させるステップから形成されたＡｕＮＳ−５の三次元図である。 凍結乾燥粉末（左）および水溶液（右）としてＡｕＮＳ−５を含むバイアルの写真である。溶液および粉末は、どちらも青色の色合いを有する。 星型ポリマー内包複合体の三次元図を用いた反応図であり、ｐＨが関与する星型ポリマー内包複合体の凝集により、ナノシェルの大きさ（したがって特性）を制御することができることを示す。凝集の大きさは、ｐＨもしくは溶媒強度またはその両方によって決まる。 それぞれ、ｐＨ３．１８（平均粒度５０ｎｍ）、８．４（平均粒度８０ｎｍ）および１１．３（平均粒度１１０ｎｍ）で調製した金ナノシェルＡｕＮＳ−６、ＡｕＮＳ−７、およびＡｕＮＳ−１の３枚のＳＥＭのセットである。 金ナノシェルのそれぞれの大きさおよび均一性に対する星型ポリマーのアミン・モノマー（ＤＭＡＥＭＡ）含有量の作用を示す３枚のＳＥＭのセットである。星型ポリマーＳＰ−１、ＳＰ−２およびＳＰ−３（表７）を使用して、それぞれ星型ポリマー内包複合体ＯＣ−１、ＯＣ−２およびＯＣ−３を調製した。ＯＣ−１、ＯＣ−２およびＯＣ−３を使用して、それ以外は同一の反応条件で、それぞれ金ナノシェルＡｕＮＳ−１、ＡｕＮＳ−８およびＡｕＮＳ−９を調製した。星型ポリマー鋳型は、同じような粒子の大きさ（１８ｎｍ〜２２ｎｍ）を有するが、得られた金ナノシェルは、大きく異なる平均粒度を有し、星型ポリマー鋳型のアミン含有量と共に大きくなる。 サンプル中の炭素、酸素および金の存在を示すＡｕＮＳ−１の電子エネルギー損失スペクトル（ＥＥＬＳ）である。 図１８ＡはＡｕＮＳ−１の小塊状の表面トポグラフィを拡大倍率で示す明視野透過型電子顕微鏡写真（ＢＦ−ＴＥＭ）である。図１８Ｂは走査透過型電子顕微鏡（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ）で取得したＡｕＮＳ−１の高角度散乱暗視野顕微鏡写真であり、ＡｕＮＳ−１表面の別のトポグラフィ図である。小塊は、約１８ｎｍの直径を有し、約１６ｎｍの間隔がある。図１８ＣはＡｕＮＳ−１の断面の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である（集束イオンビーム（ＦＩＢ）ミリングにより生成された断面サンプル）。 図１９Ａは星型ポリマー内包複合体ＯＣ−１（水中の４２３ｎｍの単一ピーク）および金ナノシェルＡｕＮＳ−１（水中の４１９ｎｍおよび７９０ｎｍのピーク）のＵＶ−ＶＩＳ吸収スペクトルを示すグラフである。ＯＣ−１は、三次元図で表される。ＯＣ−１は、内包されたポルフィリン色素ＤＴＢＰを含む。図１９Ｂは４２０ｎｍ励起のＯＣ−１と金ナノシェルＡｕＮＳ−１との水溶液の蛍光発光スペクトルを比較するグラフである。星型ポリマー内包複合体に内包された色素ＤＴＢＰの蛍光（下の曲線）は、金ナノシェルに内包された色素ＤＴＢＰの蛍光（上の曲線）と類似している。色素は、星型ポリマー内包複合体および金ナノシェル内で実質的に非凝集状態にある。 図２０Ａはシリカ・ナノシェルを形成する「２ポット」法の三次元図を用いた反応の模式図である。図２０Ｂはシリカ・ナノシェルを形成する「１ポット」法の三次元図を用いた反応の模式図である。 図２１Ａは「２ポット」法を用いたシリカ・ナノシェルＳｉＮＳ−１の調製に使用した星型ポリマー内包複合体ＯＣ−４（Ｚ＝１０ｎｍ）の原子間力顕微鏡画像（ＡＦＭ）である。図２１Ｂはシリカ・ナノシェルＳｉＮＳ−１の透過型電子顕微鏡画像（ＴＥＭ）である。 図２２Ａは星型ポリマー内包複合体を用いずに「２ポット」法で形成した比較固体シリカ粒子のＴＥＭである。図２２Ｂは「１ポット」法で形成したシリカ・ナノシェルＳｉＮＳ−２のＴＥＭである。 図２３Ａおよび図２３Ｂはそれぞれシリカ・ナノシェルＳｉＮＳ−３（Ｄ_ａｖｅ＝２５ｎｍ）およびＳｉＮＳ−４（Ｄ_ａｖｅ＝５０ｎｍ）の２枚のＴＥＭのセットであり、シリカ・ナノシェルの大きさの制御が、コーティング時間、コーティング試薬の濃度、もしくは鋳型の大きさまたはそれらすべて（こうした様々なパラメータから得られる混合例が示される）により制御することができることを示す。２５ｎｍの粒子は２ポット法を用いて作製した。５０ｎｍの粒子は、伸長反応時間を用い、反応液中のアンモニアの量を増加させて１ポット法により作製した。 図２４Ａおよび図２４Ｂはそれぞれシリカ・ナノシェルＳｉＮＳ−５（Ｄ_ａｖｅ＝７５ｎｍ）およびＳｉＮＳ−６（Ｄ_ａｖｅ＝１００ｎｍ）の２枚のＴＥＭのセットであり、シリカ・ナノシェルの大きさの制御が、コーティング時間、コーティング試薬の濃度、もしくは鋳型の大きさまたはそれらすべて（こうした様々なパラメータから得られる混合例が示される）により制御することができることを示す。７５ｎｍおよび１００ｎｍの粒子は、伸長反応時間を用い、反応液中のアンモニアの量を増加させて１ポット法により作製した。 有機タグ化剤を使用した、活性第一級アミン表面基を含むシリカ・ナノシェルＳｉＮＳ−２の表面機能化の三次元図を用いた反応の模式図である。４つのタグ化シリカ・ナノシェルＳｉＮＳ−７〜ＳｉＮＳ−１０（実施例１７〜２０）は、４つの異なる分子量のα−メトキシ−ω−カルボン酸スクシニミジルエステルポリ（エチレングリコール）を有機タグ化剤として使用して形成した。これらは、ＰＥＧ化剤とも呼ばれ、反応性スクシニミジルエステル末端基を有するポリ（エチレングリコール）（ＰＥＧ）を含み、図２５で「ＮＨＳ−エステル−（ＰＥＧ）_ｎ」として表される。図２５の塩化ダンシル色素は、代表的な細胞標的化剤として働く有機タグ化剤のもう１つの例である。このことから、１つまたは複数の表面官能基化剤を使用して１つまたは複数の機能的に異なる反応性表面基を形成してナノシェル表面を修飾できることが立証される。 図２６Ａはタグ化シリカ・ナノシェルＳｉＮＳ−７と、ＳｉＮＳ−８と、ＳｉＮＳ−９と、ＳｉＮＳ−１０とのＵＶ−ＶＩＳ吸光度を比較したグラフである。ＳｉＮＳ−７は、最も小さな（立体的に最も嵩の低い）ＰＥＧ鎖で完全に覆われており、塩化ダンシルとさらに反応することができず、したがってダンシル特徴領域における顕著な吸収が認められない。ＳｉＮＳ−８、ＳｉＮＳ−９、ＳｉＮＳ−１０の形成に使用するＰＥＧの長さが増すと、利用可能な表面残留アミンの数が増加して（表面結合ＰＥＧの立体的な嵩高さが増すため）、塩化ダンシルなどの小分子とさらに結合する（したがってダンシル特徴領域における吸光度が高まる）。この作用は、ＳｉＮＳ−１０と同様にＳｉＮＳ−９で最大になるようである。図２６Ｂはダンシル・タグ化ＰＥＧ化シリカ・ナノシェルＳｉＮＳ−９（周囲条件で乾燥させる前に水溶液から落としたサンプルの液滴）のＴＥＭである。 図２７Ａは（左から右に）ＳｉＮＳ−２（懸濁水溶液）、ＳｉＮＳ−８（水溶液）および水（参考として提供）を含む３つのバイアルの写真である。図２７Ｂは凍結乾燥粉末としてのＳｉＮＳ−８を含むバイアルの写真である。 図２８Ａおよび図２８Ｂはそれぞれ、ダンシル化シリカ・ナノシェルＳｉＮＳ−１１（平均直径３０ｎｍ）およびＳｉＮＳ−１２（平均直径２０ｎｍ）のＴＥＭである。この例では、粒子直径が大きくなるとシェルの厚さが増すことが示される。 テトラヒドロフランに対して７２時間透析した後のダンシル化シリカ・ナノシェルＳｉＮＳ−１１およびＳｉＮＳ−１２の吸光度曲線のグラフであり、シリカ・ナノシェル内に内包された色素の徐放速度がシェルの厚さによって異なることが立証される。シェルの厚さ３０ｎｍ（ＳｉＮＳ−１１）ではポルフィリン色素がほとんど放出されない（４２０ｎｍでピークが保持される）のに対し、２０ｎｍのシェル厚さ（ＳｉＮＳ−１２）では、実質的にすべてのポルフィリン色素が放出される（４２０ｎｍでピークが消失）。 図３０Ａは、酸化鉄ナノシェルＳＰＩＯＮＮＳ−１のＴＥＭである。図３０Ｂは、バイアルの一対の写真であり、左側のバイアルは、赤錆色の色合いを有するＳＰＩＯＮＮＳ−１の水溶液を含み、右側のバイアルは、ＳＰＩＯＮＮＳ−１の褐色の凍結乾燥粉末を含む。 ＳＰＩＯＮＮＳ−１の水溶液のＵＶ−ＶＩＳ吸光度（左）および４２０ｎｍでの励起の発光（右）のグラフである。

無機材料、たとえば四価ケイ素材料、もしくはゼロ価金属、金属酸化物および他の金属化合物を含む金属、またはその両方を、星型ポリマーもしくは星型ポリマー内包複合体またはその両方の外側表面にシェルの形態で付着させることができるという発見に基づき、本明細書でナノシェルという、殻で覆われたナノサイズの粒子を開示する。星型ポリマー内包複合体は、星型ポリマーおよびそれに内包されたカーゴ材料（たとえば、生物活性材料、色素、画像向上剤）を含む独立した巨大分子である。カーゴもしくはシェルまたはその両方は、非共有結合的にもしくは共有結合的にまたはその両方で星型ポリマーに結合することができる。ナノシェルは、１つまたは複数の星型ポリマー巨大分子もしくは星型ポリマー内包複合体の１つまたは複数の巨大分子またはその両方を包含するシェルを含んでもよい。シェルは、任意の好適な無機材料、有機金属材料もしくは金属材料またはそれらの組み合わせを含んでもよい。より詳細には、シェルは、星型ポリマーもしくは星型ポリマー内包複合体またはその両方の一部または全部を包み込む金（たとえば、金属もしくは塩またはその両方として）、四価ケイ素含有材料（たとえば、有機ケイ素材料、シリケート、シリカ）、鉄含有材料（たとえば、金属錯体、鉄錯体もしくは酸化鉄またはそれらすべてとして）を含んでもよい。すなわち、シェルは、連続した多孔性もしくは非多孔性でも、または非連続の多孔性もしくは非多孔性でもよい。ナノシェルは、同一または異なる無機材料を含む１つまたは複数のシェル層を含んでもよい。ナノシェルは、たとえば、遺伝子および薬物送達、幹細胞分化に影響を与えることができる材料のキャリアとして、さらに特に診断または細胞イメージングに役立つ材料、たとえばコントラスト増強剤のキャリアとして有用である。

図１Ａは単分子星型ポリマー１０の三次元図である。図１Ｂは星型ポリマー１０の親水性および疎水性サブ領域を示す層をグラフ化した図である。星型ポリマー１０は、６つ以上の独立した両親媒性ポリマー・アーム１４を含む。ポリマー・アーム１４は各々、中心の架橋ポリマー・コア１６に共有結合している。ポリマー・コア１６は活性（ｌｉｖｉｎｇ）コアでも、または不活性コア（すなわち、新たに官能性を生じさせる反応基を有さない）でもよい。ポリマー・コア１６は疎水性でも、または親水性でもよい。この例では、ポリマー・アーム１４は各々、外側親水性鎖セグメント１８（図１Ａの濃い色調）および内側疎水性鎖セグメント２０（図１Ａの淡い色調）を含む。領域１２は、ポリマー・アーム１４の集合体を含む。この例では、領域１２は、２つのサブ領域、すなわち外側親水性鎖セグメント１８および外側隙間部２４（図１Ａ）を含む外側親水性サブ領域２２（図１Ｂ）と、内側疎水性鎖セグメント２０および内側隙間部２５（図１Ａ）からなる内側疎水性サブ領域２６（図１Ｂ）とを有する。図１Ｂの外側サブ領域２２および内側サブ領域２６を囲んでいる破線境界線は、外側隙間部２４と内側隙間部２５との間の境界を示す。

図１Ａおよび図１Ｂは、水混和性ナノシェルを構築する構造の一例を図示する。親水性および疎水性のサブ領域、鎖セグメントおよび隙間空間は、必要に応じて逆にしてもよい。ポリマー・アーム（たとえば、ブロック・コポリマー・アームの親水性ブロックおよび疎水性ブロック）の親水性領域の数または疎水性領域の数に制限はない。星型ポリマーは、必要に応じて１つまたは複数の親水性領域もしくは１つまたは複数の疎水性領域またはその両方を含んでもよい。親水性領域の構成または疎水性領域の数に制限はない。星型ポリマー・アームの外側領域は疎水性でも、または親水性でもよい。架橋星型ポリマー・コアに隣接するポリマー・アームの最も内側の領域は親水性でも、または疎水性でもよい。外側サブ領域２２、内側サブ領域２６もしくは架橋ポリマー・コア１６またはそれらの組み合わせは、内包されるカーゴ材料の結合または放出に都合がよい化学的相互作用の制御に有用であり得、さらに機能化するため特定の部位をさらに含んでもよい。非限定的な例として、ポリマー・コア１６は、重合を開始させるかまたは別の化学修飾を行うことができる活性（ｌｉｖｉｎｇ）コアであってもよい。もう１つの非限定的な例として、ポリマー・アーム１４は、肝細胞を選択的に認識することができるガラクトース部分など機能的に有用な末端基２８を含んでもよい。

両親媒性アームおよびポリマー・コアは、ビニル・モノマーの重合、または環状カルボニル・モノマーの開環重合により形成することができる。

図２Ａは、星型ポリマー１０に内包された３つの内包粒子３２を含む例示的な星型ポリマー内包複合体３０の三次元図である。内包粒子３２は各々、内包材料の１つまたは複数の分子を含んでもよい。示した例では、内包材料は星型ポリマー１０の内側疎水性鎖セグメント２０と接触しているが、ある程度は外側親水性セグメント１８と接触して存在してもよい。実施形態の１つでは、内包材料はポルフィリノイドであり、ポルフィリノイドは凝集状態ではない。

シェルは連続した層でも、または非連続層の形態でもよい。シェルは多孔性でも、または非多孔性でもよい。シェルは、星型ポリマー分子の外側隙間部２４に分散された材料の独立したナノ粒子を含んでもよい。シェルは、星型ポリマーもしくは星型ポリマー内包複合体またはその両方の１つまたは複数の巨大分子を包含することができる。「シェル」という一般的な用語は、図２Ｂ〜図４にさらに図示される種類の付着無機層、またはその組み合わせのいずれかを含む。

図２Ｂは、単分子星型ポリマー内包複合体に塗布された連続したシェル４６を含む例示的なナノシェル４０の三次元図である。シェルは、内包されたカーゴ材料３２（たとえば、色素の分子）を含む星型ポリマー内包複合体３０を示すため、一部を切り取ってある。

図３Ａは、細孔５６を有するシェル５２を含む例示的なナノシェル５０の三次元図である。内包されたカーゴ材料３２を含む星型ポリマー内包複合体３０の一部が細孔５６から見える。

図３Ｂは、星型ポリマー内包複合体３０の外側隙間空間２４に分散された独立したナノ粒子６２を含む例示的なナノシェル６０の三次元図である。無機粒子６２は、ポリマー・アーム１４の外側親水性鎖セグメント１８（図１Ａを参照）と接触している。内包されたカーゴ材料３２は、内側疎水性鎖セグメント２０もしくはコア１６またはその両方と結合している。

図４は、星型ポリマー内包型複合体３０の複数の独立した巨大分子を包含するシェル７６を含む例示的なナノシェル７０の三次元図である。この例では、シェルは、中にある星型ポリマー内包型複合体３０の４つの巨大分子が見えるように、一部を切り取ってある。

上記のシェルの例は、例示的かつ非限定的であることを意図している。親水性鎖セグメントは、シェル材料に共有結合または非共有結合する官能性を有する。シェル材料は、外側隙間部２４に一部が存在しても、または全体が存在してもよい。あるいは、シェル材料は、図２Ｂに示すように親水性鎖セグメントの１つまたは複数が共有結合または非共有結合してもよい。

本明細書において、「制限金属」は、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、ゲルマニウム、スズ、鉛、砒素、アンチモン、ビスマス、テルル、ポロニウム、および周期表第３〜１２族の金属のイオン形態および非イオン形態を含む。周期表第３〜１２族の金属には、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀、アクチニウム、トリウム、プロトアクチニウム、ウラン、ネプツニウム、プルトニウム、アメリシウム、キュリウム、バークリウム、カリホルニウム、アインスタイニウム、フェルミウム、メンデレビウム、ノーベリウム、ローレンシウム、ラザホージウム、ドブニウム、シーボーギウム、ボーリウム、ハッシウム、マイトネリウム、ダームスタチウム、レントゲニウムおよびコペルニシウムがある。実施形態の１つでは、星型ポリマー内包複合体の調製に使用する星型ポリマーの化学式は、上記の制限金属を含まない。別の実施形態では、上記の制限金属が各々、星型ポリマー内包複合体の調製に使用する星型ポリマー中に０ｐｐｍ（百万分率）から１００ｐｐｍ、０ｐｐｂ（１０億分率）から１００ｐｐｂ、または０ｐｐｔ（１兆分率）から１００ｐｐｔの濃度を有する。好ましくは、上記の制限金属の各々は、星型ポリマー内包複合体の調製に使用する星型ポリマー中に検出限界未満の濃度を有する。星型ポリマーおよび星型ポリマー内包複合体が両親媒特性などの望ましい特性を有する限り、星型ポリマー内包複合体の調製に使用する星型ポリマーの化学式中のホウ素、ケイ素または任意の各アルカリ金属の濃度に制限はない。カーゴ材料もしくはシェルの形成に使用する無機材料またはその両方は、制限金属を含んでもよい。

カーゴ材料は、星型ポリマーに共有結合または非共有結合してもよい。非共有結合性相互作用には、疎水性相互作用もしくはイオン相互作用またはその両方がある。カーゴ材料は、有用な機能を発揮するために星型ポリマー内包複合体から放出されなくてもよい。カーゴ材料は、星型ポリマーに結合しながら有用な機能を発揮しても、あるいは、星型ポリマーから放出されてから有用な機能を発揮してもよい。

好ましくは、星型ポリマー内包複合体は、ナノサイズの粒子の形態で水溶液に分散させることができる。カーゴ材料は、生物活性物質を含む。例示的な生物活性物質として、生体分子（たとえば、ＤＮＡ、遺伝子、ペプチド、タンパク質、酵素、脂質、リン脂質およびヌクレオチド）、天然または合成有機化合物（たとえば、薬剤、色素、合成ポリマー、オリゴマーおよびアミノ酸）、無機材料（たとえば、金属および金属酸化物）、診断に役立つ発色団（たとえば、ポルフィリンおよびフタロシアニンなどのポルフィリノイド化合物）、前述の放射性変異体、および前述の組み合わせが挙げられる。生物活性物質の中には、細胞の化学構造もしくは活性またはその両方を変化させることができる、またはある細胞型の化学構造もしくは活性またはその両方を別の細胞型に選択的に変化させることができるものもある。一例を挙げると、化学構造の望ましい変化の１つは、細胞のＤＮＡに遺伝子を組み込むことであってもよい。活性の望ましい変化は、トランスフェクトされた遺伝子の発現であってもよい。細胞活性の別の変化は、所望のホルモンまたは酵素の産生誘導であってもよい。また、細胞活性の望ましい変化は、別の細胞型に対する、ある細胞型の選択的死であってもよい。生物活性物質により引き起こされる細胞活性に関連する変化は、変化が望ましく有用なものであれば、限定されるものではない。本明細書の他の生物活性材料は、組織、器官、骨もしくは細胞の構造または活性を必ずしも変化させることなく、診断能力を高める。こうした材料として、磁気共鳴画像およびＸ線画像の画像コントラスト増強剤が挙げられる。カーゴ材料は、上述の制限金属の１つまたは複数などの金属を含んでもよい。

「生分解性」という用語は、米国材料試験協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）により、生物活性、特に酵素作用による分解であり、材料の化学構造が大きく変化するものとして定義される。本明細書において、ある材料がＡＳＴＭ Ｄ６４００に従い、１８０日以内に６０％生分解を受ける場合、その材料は生分解性である。

星型ポリマー内包複合体の調製に使用される星型ポリマーは両親媒性材料である。本明細書において、両親媒性材料は、円断面の直径が２ｎｍ〜１５００ｎｍのナノサイズの粒子形態で水性混合物に分散させることができる材料である。星型ポリマーは下記一般式（１）で表される。

式中、波線は架橋ポリマー・コア（すなわち、コア）を表し、Ｔ’は各々、コアに共有結合した独立したポリマー・アームである。星型ポリマーはｗ’のポリマー・アームＴ’を含み、ｗ’は６以上である。星型ポリマーは、約２ｎｍ〜約１５０ｎｍの粒度を有する。６つ以上のポリマー・アームは各々、親水性ポリマー鎖セグメントおよび疎水性ポリマー鎖セグメントを含む。ポリマー・アームは独立に、任意の側鎖ポリマー（すなわち、ポリマー・アーム骨格に対するポリマー・ペンダント、本明細書では第２のポリマーともいう）を含んでもよい。ポリマー・アームは独立に、尿素基、カルボン酸エステル基、カルボン酸基、カルボン酸塩、潜在性カルボン酸基、第四級アミン基、第三級アミン基、第二級アミン基、第一級アミン基、アジド、アルキン、ポリ（アルキレンエーテル）基、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される側鎖官能基をさらに含んでもよい。６つ以上のポリマー・アームは独立にリビング・ポリマー・アームであってもよく、コアは独立に活性（ｌｉｖｉｎｇ）コアであってもよい。ポリマー・アームおよびコアは独立に、ホモポリマー、ランダム・コポリマー、ブロック・コポリマー、またはこれらの組み合わせを含んでもよい。

ポリマー・アームは、窒素含有骨格を含むポリマー鎖セグメントを含んでもよい。例示的な窒素含有骨格として、式−（−（ＣＨ_２−ＣＨ_２）_ｍ−Ｎ（Ｒ）−）_ｎであって、Ｒはアルキルまたは別の置換基（たとえば、骨格の窒素および同種のものに結合したカルボニル基を含む置換基）である式を有するポリ（アルキレンイミン）が挙げられる。ポリアミン鎖セグメントの数平均分子量は、１００〜１００，０００でも、より具体的には１００〜１００００でも、さらにより具体的には１００〜５０００でもよい。

上記で定義した星型ポリマーは、好ましくは無機材料との相互作用のための部位を含む外側領域を有する。こうした構造は、無機ナノシェルの形成に好適な足場となる。必要に応じて、星型ポリマー・コアおよびポリマー・アームの内側領域は、無機材料との相互作用のための部位となってもよい。これに加えて、星型ポリマーは、生分解性または部分的に生分解性であってもよい。以下に詳述するＲＯＰ星型ポリマーは、この具体例であるが、非限定的な例である。

ビニル重合により調製される星型ポリマー。
ビニル重合の方法はよく知られており、フリーラジカル重合、リビングアニオン付加重合およびリビングフリーラジカル重合（たとえば、ニトロキシド媒介ラジカル重合（ＮＭＰ）、原子移動ラジカル重合（ＡＴＲＰ）、ならびに可逆的付加開裂連鎖移動（ＲＡＦＴ））があるが、これに限定されるものではない。

例示的なビニル・モノマーとして、スチレンおよび置換スチレン、ジビニルベンゼンおよび置換ジビニルベンゼン、（メタ）アクリレートエステル、エチレングリコールジ（メタ）アクリレート、（メタ）アクリルアミド、アクリロニトリル、酢酸ビニル、塩化ビニル、エテン、プロペンおよびブタジエンが挙げられる。ポリマー技術分野の当業者には、他のビニル・モノマーも容易に明らかになるであろう。

ＡＴＲＰ重合は典型的には、ハロゲン化アルキルにより開始され、遷移金属により触媒される。臭化銅（Ｉ）を触媒とし、エチル２−ブロモ−２−プロピオン酸メチルを開始剤とし、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ，Ｎペンタメチルジエチレントリアミン（ＰＭＤＥＴＡ）を安定化配位子として使用したスチレンの重合反応をスキーム１に示す。
スキーム１

ＡＴＲＰでは分子分布の狭いポリマーが得られるものの、金属触媒が細胞毒性で、除去しにくい場合がある。ＡＴＲＰの一般的なモノマーとして、（メタ）アクリレート、（メタ）アクリルアミド、アクリロニトリルおよびスチレンが挙げられる。

ビニル・モノマー（たとえば、スチレン、プロペン、ブタジエン）のアニオン付加重合は典型的には、求核性アルキルリチウム化合物、グリニャール試薬、金属アルコキシドおよび金属水酸化物により開始される。得られたアニオン性リビング・ポリマーは一般に多分散性が小さいものの、非生分解性である。

開環重合により調製される星型ポリマー。
実施形態の１つでは、星型ポリマーは生分解性である。好ましくは、こうした星型ポリマーの多分散性指数は１．３５以下である。生分解性星型ポリマーは、好ましくは化学式に制限金属を含む触媒ではなく、有機触媒の使用を含む重合方法を用いて形成される。実施形態の１つでは、星型ポリマーのコアは、その後合成変換することができる６つ以上の部位を含み、その部位は、アルコール、アミン、カルボン酸、アジド、アルキン、アルケン、ハロゲン基およびこれらの組み合わせからなる群から選択される官能基を含む。

生分解性星型ポリマーは、好ましくは１つまたは複数の環状カルボニル・モノマーの有機触媒反応を用いた開環重合でポリマー・アームおよびコアを形成することにより得られる。有機触媒の化学式は、制限金属のイオン形態および非イオン形態を含め、上述の制限金属を含まない。ＲＯＰ法により有機触媒を用いて生成される星型ポリマーは、好ましくは１００ｐｐｍ以下の任意の１種の制限金属を含む。

環状カルボニル・モノマーの有機触媒開環重合により形成された星型ポリマーは、金属系重合触媒を用いた開環重合で形成された星型ポリマーと比較して分子量分布が狭い（すなわち、多分散性指数が小さい）ことが明らかにされている。その分子量分布はまた、フリーラジカル重合（ＦＲＰ）により調製された星型ポリマーより狭い。開環重合により形成された星型ポリマーは、生分解性であり、重合触媒に起因する金属汚染物質のレベルがより低いため、生体適合性が高い材料（すなわち、非免疫原性の非細胞毒性材料）であり得る。さらに、場合によっては単一容器で逐次ＲＯＰ重合を行ってもよい。

星型ポリマーを形成する１つのプロセスでは、最初にポリマー・アーム、続いてコアを調製し、架橋コアの形成により６つ以上の両親媒性ポリマー・アームが結合される。実施形態の１つでは、ポリマー・アームＴ’は下記一般式（２）を有する。

式中、Ｘ^ａの左側のアスタリスクはコアに対する結合点、または結合を示す。Ｐ’は各々、ポリマー・アームの外側親水性ポリマー鎖セグメントを示す一価ラジカルであり、第１のポリマーから得られる。第１のポリマーは開環重合または別の種類の重合により調製することができる。Ｐ’は、尿素基、カルボン酸基、カルボン酸塩、潜在性カルボン酸基、第四級アミン基、第三級アミン基、第二級アミン基、第一級アミン基、アジド、アルキン、ポリ（アルキレンエーテル）基、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される置換基をさらに含んでもよい。式（２）では、

の部分が、ポリマー・アームの疎水性鎖セグメントを含む二価ラジカルであり、１つまたは複数の環状カルボニル・モノマーの開環重合により得られる。カルボニルの右側のアスタリスクを付けた結合はＰ’に対する結合点を表す。Ｘ^ａは各々−Ｏ−、−ＮＨ−、

および−Ｓ−からなる群から独立に選択される二価ラジカルであり、式中、Ｒ^４は１〜３０個の炭素を含む一価ラジカルである。Ｋ’は、Ｘ^ａをカルボニル基に結合する１〜１０個の骨格炭素を含む二価ラジカルである。ｊは各々独立に、１より大きい、より詳細には４以上、さらにより詳細には１０以上の整数である。下付き文字ｊは、ポリマー・アームで所望の疎水性／親水性バランスが得られるように選択される。疎水性／親水性バランスは、親水性鎖セグメントの骨格の種類、親水性鎖セグメントの平均分子量、および疎水性鎖セグメントの調製に使用される環状カルボニル・モノマー（単数または複数）によって決まる。Ｋ’は、側鎖官能基Ｆ’をさらに含んでもよい。疎水性鎖セグメントは、（表１）に示すような繰り返し構造を有するポリエステル、ポリカーボネート、ポリ尿素、ポリカルバメート、ポリチオカルバメート、ポリジチオカルバメート、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される骨格を含む。

より詳細には、ポリマー・アームは下記一般式（３）を有する。

式中、Ｘ^ａ、ｊおよびＰ’は上記のように定義される。Ｘ^ｂおよびＸ^ｃは各々−Ｏ−、

−ＮＨ−、および−Ｓ−からなる群から独立に選択される二価ラジカルであり、式中、Ｒ^６は各々独立に水素、または１〜３０個の炭素を含む一価炭化水素ラジカルである。Ｒ^５は各々独立に水素、または１〜３０個の炭素を含む一価炭化水素ラジカルである。ｍ’およびｎ’は各々独立に０または１〜５の整数である。ｏ’は各々独立に０または１〜３の整数である。官能基Ｆ’は各々独立に０〜１００００個の炭素を含む一価ラジカルである。下付き文字ｍ’、ｎ’およびｏ’は、同じ繰り返し単位内で同時に０ではあり得ない。官能基Ｆ’は各々独立に、本明細書で任意の第２のポリマーと呼ぶ非重合基または重合基を含んでもよい。任意の第２のポリマーは、開環重合または別の種類の重合により得ることができる。

一実施形態では、各Ｘ^ａおよび各Ｘ^ｂは酸素であり、ｍ’およびｎ’は各々独立に１〜３の整数であり、ｏ’は０または１である。別の実施形態では、Ｘ^ｃは酸素であり、Ｆ’はメチルまたはエチルである。別の実施形態では、Ｆ’は第２のポリマーを含む。さらに別の実施形態では、第２のポリマーは、ポリエーテル鎖を含む。別の実施形態では、Ｐ’は、ポリエステル、ポリカーボネート、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されるポリマー骨格を含む。

スキーム２は、ポリマー・アーム前駆体を最初に、続いてポリマー・コアを調製する、開環重合による生分解性両親媒性星型ポリマーの調製を図示する。
スキーム２。

この例では、モノメチルでエンド・キャップしたポリ（エチレングリコール）（第１のポリマー、ＭＰＥＧ）により、好適な有機触媒の存在下でトリメチレンカーボネート（ＴＭＣ）の重合を開始することで、ポリマー・アーム前駆体を生成する。この例の場合、ポリマー・アーム前駆体は、ＴＭＣから得られた疎水性ポリカーボネート骨格セグメントを含むリビング・ブロック・コポリマーである。このセグメントは、開環重合を開始できる末端ヒドロキシル基を有する。ポリマー・アーム前駆体により開始されるＢＯＤの開環重合によりポリマー・コアが生成され、６つ以上のポリマー・アーム前駆体が結合されることで、星型ポリマーが形成される。この例では、ポリマー・コアは、ポリエステルの繰り返し構造を含む高度に架橋したリビング・ネットワークであり、必要に応じてさらに機能化または開環重合を行うための６つ以上の部位（末端ヒドロキシ基）も含む。下付き文字ｙおよびｚは、星型ポリマーの製造に使用するモノマーの相対モル数を示す。下付き文字ｋは、６以上の整数であり、星型ポリマーのポリマー・アームの数を表す。

以上のように、ポリマー・アーム前駆体を調製する方法（方法１）は、第１のポリマーと、第１の環状カルボニル・モノマーと、構造金属を含まない有機触媒と、任意の促進剤と、任意の溶媒とを含む混合物を撹拌することで、環状カルボニル・モノマーの開環重合によりポリマー・アーム前駆体を形成することを含む。ポリマー・アーム前駆体はリビング・ポリマーであり、親水性鎖セグメント、疎水性鎖セグメントおよび開環重合の開始剤基を含む。本明細書では、ポリマー・アーム前駆体を、コア前駆体材料の開環重合の重合開始剤ともいう。

上述の重合技術の１つまたは複数を含んでもよい、星型ポリマーを形成する方法（方法２）では、混合物は、ｉ）重合の開始剤基を含み、さらに疎水性ポリマー鎖セグメントおよび親水性ポリマー鎖セグメントを含むポリマー・アーム前駆体、ｉｉ）２つ以上の重合性基を含むコア前駆体材料、ｉｉｉ）有機触媒、ｉｖ）任意の促進剤、およびｖ）任意の溶媒を含む。この混合物を撹拌することで、コア前駆体材料の重合により両親媒性星型ポリマーを形成する。星型ポリマーは、コア前駆体材料から得られる架橋リビング・ポリマー・コアを含み、星型ポリマーは、ポリマー・アーム前駆体から得られる、コアに共有結合した６つ以上の独立したポリマー・アームを含み、さらに星型ポリマーは、１００ｐｐｍ以下の任意の１種の制限金属を含む。実施形態の１つでは、コア前駆体材料は、２つ以上の重合性環状カルボニル基を含み、ポリマー・コアは、２つ以上の環状カルボニル基の開環重合により形成される。実施形態の１つでは、６つ以上のポリマー・アームは各々、外側親水性鎖セグメント、およびポリマー・コアの最も近くに位置する疎水性鎖セグメントを含む。別の実施形態では、６つ以上のポリマー・アームは各々、外側疎水性鎖セグメント、およびポリマー・コアの最も近くに位置する親水性鎖セグメントを含む。別の実施形態では、重合開始剤は、１つまたは複数の環状カルボニル・モノマーの開環重合により得られる骨格セグメントを含む。別の実施形態では、重合開始剤は、ポリ（アルキレンオキシド）を含む骨格セグメントを含む。別の実施形態では、有機触媒は、３個以上の窒素を含む窒素塩基を含む。

上記のスキーム１に示したように、ポリマー・アーム前駆体は、ポリマー・コアに共有結合した、星型ポリマーの６つ以上のポリマー・アームと異なり、遊離ポリマー鎖である。ポリマー・アーム前駆体によりコア前駆体の開環重合が開始されると、架橋ポリマー・コア・ネットワークの成長によりポリマー・アーム前駆体が結合される。コア前駆体材料および環状カルボニル・モノマーは各々、環状エステル、環状カーボネート、環状尿素、環状カルバメート、環状チオカーボネート、環状チオ尿素、環状ジチオカーボネート、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される官能基を含んでもよい。実施形態の１つでは、コア前駆体材料および環状カルボニル・モノマーは各々、環状エステル、環状カーボネート、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される官能基を含んでもよい。別の実施形態では、第１のポリマーは、モノ・エンド・キャップしたポリ（アルキレングリコール）である。別の実施形態では、ポリマー・アーム前駆体を単離することなく１つの反応槽で本方法を行う。

生分解性両親媒性星型ポリマーを調製する別の方法（方法３）では、ポリマー・コアの形成後にポリマー・アームを完成させる。この方法は、保護された官能基および保護されていない開始剤基を含む第１のポリマーと、２つ以上の重合性基を含むコア前駆体材料と、有機触媒と、任意の促進剤と、任意の溶媒とを含む第１の混合物を撹拌することで、コア前駆体材料の重合により保護された第１の星型ポリマーを形成することを含む。保護された星型ポリマーは、架橋ポリマー・コア、および保護された官能基を含む６つ以上の独立した第１のポリマー・アームを含む。次いで、６つ以上の第１のポリマー・アームの保護された官能基を各々脱保護することにより、６つ以上の独立した第２のポリマー・アームを含む第２の星型ポリマーを形成する。６つ以上の独立した第２のポリマー・アームの脱保護された官能基は、重合により第２のポリマー・アームを伸長させるのに好適な開始剤基となり得る。あるいは、脱保護された官能基は、たとえば求核置換反応により第２のポリマー・アームの伸長に有用な活性脱離基に変換してもよい。得られた星型ポリマーは、ポリマー・コアに共有結合し、かつ疎水性ポリマー鎖セグメントおよび親水性ポリマー鎖セグメントを含む６つ以上の独立したポリマー・アームを含む。

第１のポリマー・アームの保護された官能基は、脱保護されると、それぞれアルコール、アミンまたはチオールを形成する保護されたアルコール、保護されたアミンまたは保護されたチオール基の形態であってもよい。脱保護された開始剤基は、好ましくは６つ以上の脱保護された第２のポリマー・アームの各々の末端サブユニットにある。

上述の方法では、ポリマー・アームの親水性鎖セグメントは、図１Ａに示すように、６つ以上のポリマー・アームの各々の外側末端に位置していてもよい。あるいは、疎水性鎖セグメントが６つ以上のポリマー・アームの各々の外側末端に位置していてもよい。これについては、図２Ａおよび図２Ｂの分子モデルに示してあり、星型ポリマー４０が、各々が中心のポリマー・コア４６に共有結合した６つ以上の独立した両親媒性ポリマー・アーム４４からなるシェル４２を含む。ポリマー・アームは、外側疎水性鎖セグメント４８および内側親水性鎖セグメント５０を含む。シェル４２は、外側疎水性鎖セグメント４８および隙間領域５４（図２Ａ）を含む疎水性外側シェル領域５６（図２Ｂ）と、親水性内側鎖セグメント５０および隙間領域５４からなる親水性内側シェル領域５２との２つの領域を有する。図２Ｂの内側シェル領域５２および外側シェル領域５６を囲んでいる破線境界線は、隙間部が外側シェル領域および内側シェル領域により共有されていることを示す。ポリマー・コア４６は疎水性でも、または親水性でもよい。外側シェル領域５６、内側シェル領域５２もしくはポリマー・コア４６またはそれらすべては、生物活性カーゴ材料の結合または放出に都合がよい化学的相互作用の制御に有用な特定の部位をさらに含んでもよい。たとえば、ポリマー・コア４６は、重合を開始させるかまたは別の化学修飾を行うことができる活性（ｌｉｖｉｎｇ）コアであってもよい。別の非限定的な例として、ポリマー・アーム４４は、肝細胞を選択的に認識することができるガラクトース部分など機能的に有用な末端基５８を含んでもよい。

ポリマー・アーム前駆体を調製するより具体的な方法（方法４）は、１つまたは複数の疎水性環状カルボニル・モノマーと、ＲＯＰ開始剤基を含む親水性の第１のポリマーと、構造金属を含まない有機触媒と、任意の促進剤と、任意の溶媒とを含む反応混合物を撹拌することで、開環重合によりポリマー・アーム前駆体を形成することを含む。ポリマー・アーム前駆体は、開環重合の開始剤基を含むリビング・ポリマーである。ポリマー・アーム前駆体は、１つまたは複数の疎水性環状カルボニル・モノマーから得られる疎水性鎖セグメント、および第１のポリマーから得られる親水性鎖セグメントを含む。実施形態の１つでは、第１のポリマーは、モノ・エンド・キャップしたポリ（アルキレングリコール）である。別の実施形態では、第１のポリマーは、保護されたアミン末端基および保護されていないヒドロキシル末端基を含むポリ（アルキレンエーテル）である。ヒドロキシル末端基は、開環重合の開始剤基である。別の実施形態では、第１のポリマーは、モノ・エンド・キャップしたポリ（エチレングリコール）またはモノ・エンド・キャップしたポリ（プロピレングリコール）を含む。

ポリマー・アーム前駆体は、開環重合後に新たに官能性を生じさせるように化学修飾してもよい。たとえば、この反応混合物は、１つまたは複数の潜在的疎水性環状カルボニル・モノマー、すなわち、開環重合後の化学変換により疎水性繰り返し単位を得ることができる環状カルボニル・モノマーを含んでもよい。同様に、潜在的親水性環状カルボニル・モノマーは、開環重合後の化学変換により親水性繰り返し単位を得ることができるモノマーである。

ポリマー・アーム前駆体を調製する別の方法（方法５）では、ポリマー・アーム前駆体の親水性鎖セグメントおよび疎水性鎖セグメントをそれぞれ開環重合により得る。この方法は、１つまたは複数の親水性環状カルボニル・モノマーと、構造金属を含まない有機触媒と、任意の促進剤と、開始剤とを含む第１の混合物を撹拌することで、開環重合により開環重合の開始剤基を含む第１のポリマーを形成することを含む。第１のポリマーと、１つまたは複数の疎水性環状カルボニル・モノマーと、構造金属を含まない任意の第２の有機触媒と、任意の第２の促進剤と、任意の第２の溶媒とを含む第２の混合物を形成する。混合物を撹拌することにより、１つまたは複数の疎水性環状カルボニル・モノマーから得られる疎水性鎖セグメント、および第１のポリマーから得られる親水性鎖セグメントを含むポリマー・アーム前駆体を形成する。第１の混合物は１つまたは複数の潜在的親水性環状カルボニル・モノマーを含んでもよく、第２の混合物は１つまたは複数の潜在的疎水性環状カルボニル・モノマーを含んでもよい。重合は、逆の順序で行ってもよい。

親水性鎖セグメントおよび疎水性鎖セグメントをそれぞれ開環重合により形成するとき、親水性鎖セグメントおよび疎水性鎖セグメントは、同一または異なる環状カルボニル・モノマーから得られた繰り返し単位を含んでもよい。親水性鎖セグメントおよび疎水性鎖セグメントは独立に、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ尿素、ポリカルバメート、ポリチオカルバメート、ポリチオカーボネート、ポリジチオカーボネート、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される骨格セグメントを含んでもよい。

ポリマー・アームまたはポリマー・アーム前駆体の側鎖基もしくは末端単位またはその両方はさらに、たとえば、親水性／疎水性バランス、水分散性、細胞膜認識特性、所定のカーゴ材料に対する結合特性、もしくは所定のカーゴ材料に対する放出特性またはそれらの組み合わせを制御するため、形成後に化学的に官能基を導入してもよい。

ポリマー・アーム、ポリマー・アーム前駆体、および任意の第２のポリマーは独立に、任意のエンド・キャップ基（ＥＣＧ）を含んでもよい。エンド・キャップ基は、最終構造に安定性および有用な官能性を付与することができる。末端キャップ剤は多数あり、その使用方法はポリマー技術分野において十分に確立されている。末端キャップ剤は、所望の官能性およびその使用目的に基づき選択すればよい。実施形態の１つでは、任意のエンド・キャップ基は、アルキルエステル基、アリールエステル基、ポリ（アルキレンエーテル）基（たとえば、ポリ（アルキレンオキシド））、チオール基、アミン基、カルボン酸基、第四級アミン基、特定の細胞型を標的とすることができる官能基、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される部分を含む。実施形態の１つでは、ポリマー・アームは、肝細胞を標的とするためのガラクトース部分を含む外側末端基を含む。別の実施形態では、外側末端基は、マンノース特異的タンパク質に結合するためのマンノース部分を含む。別の実施形態では、外側末端基は、第四級アミンを含む。

開環重合のためのコア前駆体材料は、２つ以上の重合性環状カルボニル部分を含むモノマーでも、オリゴマーでも、またはポリマーでもよい。さらに詳しくは、コア前駆体材料は、環状エステル、環状カーボネート、環状カルバメート、環状尿素、環状チオカルバメート、環状ジチオカーボネート、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される２つ以上の官能基を含む。コア前駆体材料の非限定的な例として、ビス−環状エステル、ビス−環状カーボネート、ビス−環状カルバメート、ビス−環状尿素、ビス−環状チオカルバメート、およびビス−環状ジチオカーボネートが挙げられる。例示的なビス−環状エステルは、下記があるが、これに限定されるものではない。

簡潔にするため、本明細書の例はすべて、すべての開始基が反応する理想的な状態を想定しており、したがって、重合体ブロックの長さは、モノマー単位（たとえば、ｘ、ｙ、ｚ等）のモル数を開始部位のモル数で割った値で表すことができる。しかしながら、開始部位が１００％反応することは、本発明が成功を収めるための条件ではない。非反応求核性開始基は、その後の合成プロセスにおいて追加の反応部位または開始剤部位として働き得る。したがって、開環反応を起こす求核性開始基の割合が高いと有利である。

スキーム２に示した上記の反応は、限定することを意図するものではない。たとえば、ＴＭＣの反応に続いて、異なる疎水性環状カルボニル・モノマーの逐次開環重合を行うことで、１つまたは複数の疎水性環状カルボニル・モノマーから得られるブロック・コポリマーを含む疎水性鎖を形成してもよい。上記のように、第１のポリマーもしくは親水性鎖セグメントまたはその両方のエンド・キャップ基は、任意である。さらに、親水性鎖セグメントまたは疎水性鎖セグメントは、尿素基、カルボン酸基、カルボン酸塩、潜在性カルボン酸基、第四級アミン基、第三級アミン基、第二級アミン基、第一級アミン基、アジド、アルキン、ポリ（アルキレンエーテル）基、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される官能基を含んでもよいが、ただし、星型ポリマーの水分散性およびキャリア特性に悪影響を与えないものとする。

ポリエーテル。
ポリエーテル鎖は、星型ポリマーに親水性を与える重要な手段となり得る。上記のように、モノ・エンド・キャップしたポリエーテルアルコール（たとえば、ポリ（アルキレングリコール）は、環状カルボニル・モノマーの開環重合の開始剤として利用することで、得られたポリマー・アーム前駆体に主鎖親水性ブロックを導入することができる。

ポリエーテルアルコールは、下記一般式（４）のポリ（アルキレングリコール）であってもよい：
ＨＯ−［Ｃ（Ｒ^７）_２（Ｃ（Ｒ^７）_２）_ａ’Ｃ（Ｒ^７）_２Ｏ］_ｎ−Ｈ （４）、
式中、ａ’は０〜８であり、ｎは２〜１００００の整数であり、Ｒ^７は各々独立に水素および１〜３０個の炭素のアルキル基からなる一価ラジカルである。このため、エーテル繰り返し単位は、各骨格酸素との間に２〜１０個の骨格炭素を含む。より詳細には、ポリ（アルキレングリコール）は、下記式（５）で表される、モノ・エンド・キャップしたポリ（アルキレングリコール）であってもよい：
Ｒ^８Ｏ−［Ｃ（Ｒ^７）_２（Ｃ（Ｒ^７）_２）_ａ’Ｃ（Ｒ^７）_２Ｏ］_ｎ−Ｈ （５）、
式中、Ｒ^８は１〜２０個の炭素を含む一価炭化水素ラジカルである。

非限定的な例として、ポリエーテルアルコールは、構造ＨＯ−［ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ］_ｎ−Ｈを有するポリ（エチレングリコール）（ＰＥＧ）であってもよく、式中、エーテル繰り返し単位ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ（角括弧内に示す）は、骨格酸素に結合した２個の骨格炭素を含む。ポリエーテルアルコールはまた、構造ＨＯ−［ＣＨ_２ＣＨ（ＣＨ_３）Ｏ］_ｎ−Ｈを有するポリ（プロピレングリコール）（ＰＰＧ）であってもよく、エーテル繰り返し単位ＣＨ_２ＣＨ（ＣＨ_３）Ｏは、メチル側鎖を含む骨格酸素に結合した２つの骨格炭素を含む。モノ・エンド・キャップしたＰＥＧの例には、市販されているモノメチルでエンド・キャップしたＰＥＧがあり、式中、Ｒ^８はメチル基である。他の例として、構造ＨＯ−［ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ］_ｎ−Ｈを有するポリ（オキセタン）、および構造ＨＯ−［ＣＨ_２（ＣＨ_２）_２ＣＨ_２Ｏ］_ｎ−Ｈを有するポリ（テトラヒドロフラン）が挙げられる。

モノ・エンド・キャップしたポリ（アルキレングリコール）は、下記一般式（６）で表されるより複雑な化学構造を含んでもよい：
Ｚ’−［Ｃ（Ｒ^７）_２（Ｃ（Ｒ^７）_２）_ａ’Ｃ（Ｒ^７）_２Ｏ］_ｎ−１−Ｈ （６）、
式中、Ｚ’は末端繰り返し単位の骨格炭素および酸素を含む一価ラジカルであり、２〜１００個の炭素を有してもよい。以下の非限定的な例は、ポリ（エチレングリコール）（ＰＥＧ）のモノ・エンド誘導体化を説明する。上記のように、モノメチルＰＥＧ（ＭＰＥＧ）などのＰＥＧの繰り返し単位の片末端を、１〜２０個の炭素を有する一価炭化水素基でキャップしてもよく、Ｚ’は、上記のスキーム２のＭＰＥＧで詳細に示したようにＭｅＯＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ−である。ＭｅＯＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ−の末端のダッシュは、ポリエーテル鎖に対する結合点を示す。別の例では、Ｚ’は、ＨＳＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ−などのチオール基、またはＭｅＳＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ−などのチオエーテル基を含む。別の例では、ＰＥＧの片末端単位はアルデヒドであり、式中、Ｚ’はＯＣＨＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ−であってもよい。アルデヒドを第一級アミンで処理すると、Ｚ’がＲ^９Ｎ＝ＣＨＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ−であるイミンが得られる。Ｒ^９は水素、１〜３０個の炭素のアルキル基、または６〜１００個の炭素を含むアリール基から選択される一価ラジカルである。続いて、イミンを、Ｚ’がＲ^９ＮＨＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ−であるアミンに還元する。別の例では、ＰＥＧの片末端繰り返し単位を、Ｚ’がＨＯＯＣＣＨ_２Ｏ−であるカルボン酸に酸化してもよい。既知の方法を用いて、カルボン酸をエステルに変換することができ、Ｚ’はＲ^９ＯＯＣＣＨ_２Ｏ−になる。あるいは、カルボン酸はアミドに変換することもでき、Ｚ’はＲ^９ＮＨＯＣＣＨ_２Ｏ−になる。多くの他の誘導体も可能である。特定の実施形態では、Ｚ’は、特定の細胞型と相互作用する生物活性部分を含む基である。たとえば、Ｚ’基は、肝細胞を特異的に認識するガラクトース部分を含んでもよい。この例では、Ｚ’は下記構造を有する。

式中、Ｌ’は、末端繰り返し単位を含む、２〜５０個の炭素を含む二価の結合基である。Ｌ’の右側のアスタリスクを付けた結合は、ポリエーテル鎖に対する結合点を示す。Ｚ’は、マンノースなど他の生物活性部分を含んでもよい。

開環重合のポリエーテルアルコール開始剤は、ポリ（アルキレングリコール）またはモノ誘導体化ポリ（アルキレングリコール）を含んでもよい。ポリエーテルアルコールの数平均分子量は、１００〜１００，０００、さらに詳しくは１００〜１００００、なおさらに詳しくは１００〜５０００であってもよい。

環状カルボニル・モノマー。
環状カルボニル・モノマーは、下記一般式（７）を有してもよい。

式中、ｔは０〜６の整数であり、ｔが０のとき、４および６で示した炭素は単結合で結合している。Ｙは各々、下記からなる群から独立に選択される二価ラジカルであり、

ダッシュ「−」は環の結合点を示す。最後の２つの基は、本明細書で−Ｎ（Ｑ^１）−および−Ｃ（Ｑ^１）_２−で表す。Ｑ^１は各々、独立した一価ラジカルである。Ｑ^１基は各々独立に分岐でも、または非分岐でもよい。Ｑ^１基は各々独立に、１〜１００００個の炭素を含むポリマーを含んでもよい。Ｑ^１基は下記構造を有してもよい。

式中、カルボニルの左側のアスタリスクを付けた結合は結合点を示し、Ｍ^１は一価のポリマーまたは非ポリマー・ラジカルである。例として、Ｍ^１は各々独立に−Ｒ^１、−ＯＲ^１、−ＮＨＲ^１、−ＮＲ^１Ｒ^１および−ＳＲ^１からなる群から選択することができ、ダッシュは結合点を表し、Ｒ^１は各々、独立した一価のポリマーまたは非ポリマー・ラジカルである。この例では、Ｒ^１は独立に、１〜１００個の炭素を含むアルキル基、および６〜１００個の炭素を含むアリール基からなる群から選択することができる。Ｑ^１基は各々独立に、ケトン基、アルデヒド基、アルケン基、アルキン基、３〜１０個の炭素を含む環状脂肪族環、２〜１０個の炭素を含む複素環式環、エーテル基、アミド基、エステル基、カルボン酸基、尿素基、および前述の追加の官能基の組み合わせからなる群から選択される１つまたは複数の追加の官能基を含んでもよい。複素環式環は、酸素、硫黄もしくは窒素またはそれらすべてを含んでもよい。２つ以上のＱ^１基が一緒になって環を形成してもよい。実施形態の１つでは、Ｑ^１基の１つまたは複数は一価尿素ラジカルを含む。別の実施形態では、Ｑ^１基の１つまたは複数は、開環重合後にカルボン酸に変換することができる潜在性カルボン酸基を含む。別の実施形態では、Ｑ^１基の１つまたは複数は、第三級アミンと反応して第四級アミンを形成することができる官能基を含む。別の実施形態では、Ｑ^１は各々独立に、水素、１〜１００個の炭素を含むアルキル基、および６〜１００個の炭素を含むアリール基からなる群から選択される。別の実施形態では、少なくとも１つのＱ^１基は水素以外の基である。

より具体的な環状カルボニル・モノマーは下記一般式（８）を有する。

式中、Ｑ^２およびＱ^３は各々、独立した一価ラジカルであり、Ｒ^２は一価のポリマーまたは非ポリマー・ラジカルである。例として、Ｑ^２およびＱ^３は各々独立に、水素、ハライド、１〜１００個の炭素を有するアルキル基、および６〜１００個の炭素を有するアリール基からなる群から選択することができる。Ｑ^２およびＱ^３が水素でない場合、Ｑ^２およびＱ^３は、ＲＯＰポリマー鎖の側鎖になる、環状カルボニルの環に対するペンダント部分を表す。−ＣＯ_２Ｒ^２基も開環重合後にＲＯＰポリマーの側鎖になる。実施形態の１つでは、Ｑ^２は各々水素であり、Ｑ^３はメチルまたはエチル基である。別の実施形態では、Ｒ^２は一価尿素ラジカルを含む。別の実施形態では、Ｒ^２は、開環重合後にカルボン酸に変換することができる潜在性カルボン酸基を含む。別の実施形態では、Ｒ^２は、第三級アミンと反応して第四級アミンを形成することができる官能基を含む。別の実施形態では、Ｒ^２は、１〜１００００個の炭素を含む第２のポリマーを含む。

別のより具体的な環状カルボニル・モノマーは、下記一般式（９）を有する。

式中、Ｑ^４は各々、独立した一価ラジカルであり、ｕは１〜８の整数である。例として、Ｑ^４は各々独立に、水素、ハライド、１〜１００個の炭素を含むアルキル基、６〜１００個の炭素原子を含むアリール基、および下記構造を有する基であり、

式中、Ｍ^１は、一価のポリマーまたは非ポリマー・ラジカルである基からなる群から選択することができる。例として、Ｍ^１は、−Ｒ^１、−ＯＲ^１、−ＮＨＲ^１、−ＮＲ^１Ｒ^１、および−ＳＲ^１からなる群から選択することができ、式中、ダッシュは結合点を表し、Ｒ^１は一価のポリマーまたは非ポリマー・ラジカルである。例として、Ｒ^１は各々独立に、１〜１００個の炭素を含むアルキル基、および６〜１００個の炭素を含むアリール基からなる群から選択することができる。Ｑ^４が水素でないとき、Ｑ^４は、開環重合後にＲＯＰポリマーの側鎖になる、環状カルボニルの環のペンダント部分を表す。ラクトン環は任意に、炭素−炭素二重結合を含んでもよい。すなわち、任意に、式（９）の

基は独立に

基を表してもよい。ラクトン環は、環のカルボニルまたは環の酸素に結合していないヘテロ原子、たとえば酸素、窒素、硫黄、またはこれらの組み合わせをさらに含んでもよい。すなわち、任意に式（９）の

基は独立に−Ｏ−基、−Ｓ−基または−ＮＲ^１−基を表し得る。実施形態の１つでは、ｕは１〜６の整数であり、Ｑ^４は各々水素である。実施形態の１つでは、Ｑ^４基の１つまたは複数は、一価尿素ラジカルを含む。別の実施形態では、Ｑ^４基の１つまたは複数は、開環重合後にカルボン酸に変換することができる潜在性カルボン酸基を含む。別の実施形態では、Ｑ^４基の１つまたは複数は、第三級アミンと反応して第四級アミンを形成することができる官能基を含む。

環状カルボニル・モノマーは下記一般式（１０）を有してもよい。

式中、Ｑ^５は各々、独立した一価ラジカルである。例として、Ｑ^５は各々独立に水素、ハライド、１〜１００個の炭素を含むアルキル基、６〜１００個の炭素原子を含むアリール基、および下記構造を有する基であり、

式中、Ｍ^１は、一価のポリマーまたは非ポリマー・ラジカルであり、ｖは各々独立に１〜６の整数である基からなる群から選択することができる。例として、Ｍ^１は、−Ｒ^１、−ＯＲ^１、−ＮＨＲ^１、−ＮＲ^１Ｒ^１、および−ＳＲ^１からなる群から選択することができ、式中、ダッシュは結合点を表し、Ｒ^１は一価のポリマーまたは非ポリマー・ラジカルである。例として、Ｒ^１は各々独立に１〜１００個の炭素を含むアルキル基、および６〜１００個の炭素を含むアリール基からなる群から選択することができる。Ｑ^６は各々、独立した一価ラジカルである。例として、Ｑ^６は各々独立に１〜１００個の炭素を有するアルキル基、および６〜１００個の炭素を有するアリール基からなる群から選択することができる。Ｑ^５およびＱ^６が水素でないとき、Ｑ^５およびＱ^６は、開環重合後にＲＯＰポリマーの側鎖になる環状カルボニルの環のペンダント部分を表す。実施形態の１つでは、ｖは各々１であり、Ｑ^５は各々水素であり、Ｑ^６は各々、１〜６個の炭素を含む炭化水素基である。実施形態の１つでは、Ｑ^５基もしくはＱ^６基またはその両方の１つまたは複数は、一価尿素ラジカルを含む。別の実施形態では、Ｑ^５基もしくはＱ^６基またはその両方の１つまたは複数は、開環重合後にカルボン酸に変換することができる潜在性カルボン酸基を含む。別の実施形態では、Ｑ^５基もしくはＱ^６基またはその両方の１つまたは複数は、第三級アミンと反応して第四級アミンを形成することができる官能基を含む。

実施形態の１つでは、ポリマー・アームは、下記一般式（１１）の環状カルボニル・モノマーから得られる繰り返し単位を含む。

式中、Ｙは各々独立に−Ｏ−、−ＮＨ−、

および−Ｓ−からなる群から選択され、Ｒ^５およびＲ^６は、１〜３０個の炭素を含む独立した一価ラジカルであり、Ｍ^１は−ＯＲ^１、−ＮＨＲ^１、−ＮＲ^１Ｒ^１および−ＳＲ^１からなる群から選択され、ダッシュは結合点を表し、Ｒ^１は一価ラジカルである。Ｍ^１は非重合基または第２のポリマーを含んでもよく、第２のポリマーは１〜１００００個の炭素を含む。

環状カルボニル・モノマーは、潜在性カルボン酸を含んでもよい。潜在性カルボン酸の非限定的な例として、温和な条件下で加水分解することができるエステル（たとえば、トリフルオロエチルエステル、ペンタフルオロフェニルエステル、またはｐ−ニトロフェニルエステル、Ｎ−ヒドロキシスクシンイミドエステル、トリメチルシリルエステル、テトラヒドロピラニルエステル）が挙げられる。他の潜在性カルボン酸としては、熱に不安定な第三級エステル（たとえば、ｔ−ブチルエステル）が挙げられる。なお他の潜在性カルボン酸として、水素および好適な触媒を用いて還元により開裂させることができるエステル（たとえば、Ｈ_２／Ｐｄ−Ｃによる開裂が可能なベンジルエステル）が挙げられる。実施形態の１つでは、潜在性カルボン酸基は、好適な触媒を用いた水素化によりカルボン酸に変換することができる任意のカルボン酸エステルである。１つの例として、下記ＭＴＣＯＢｎのベンジルエステルがある。

ＭＴＣＯＢｎのベンジルエステルは、開環重合後にＨ_２／Ｐｄ−Ｃを用いてカルボン酸に開裂させることができる。

潜在性カルボン酸基の別の例には、本明細書でアセタールエステル基とも呼ばれるアセタールで保護されたカルボン酸基がある。アセタールエステル基は、下記一般式（１２）を有する。

式中、アスタリスクを付けた結合（＊）は、環状カルボニル部分への結合部位を表し、Ｒ^ｃおよびＲ^ｄは、独立に１〜２０個の炭素を含む一価ラジカルである。実施形態の１つでは、Ｒ^ｃはメチルであり、Ｒ^ｄはエチルである。アセタールエステルを含む環状カルボニル化合物の例には、下記のＭＴＣＯＥＥがある。

ＭＴＣＯＥＥから得られる繰り返し単位は、ポリマーに共重合されると酸性エンドソーム環境で脱保護しやすい側鎖アセタールエステルを含む。得られたカチオン性ポリマーのカルボン酸基は、細胞質に放出されると、脱プロトン化され得る。

式（８）、（９）および（１０）以外の環状カルボニル・モノマーを表２に示す。

環状カルボニル・モノマーは、モノマーから可能な限り多くの水を除去するように特に注意を払いながら、酢酸エチルなどの溶媒からの再結晶によるか、または他の既知の精製方法により精製することができる。モノマーの含水量は、モノマーの１〜１０，０００重量ｐｐｍ、１〜１，０００重量ｐｐｍ、１〜５００重量ｐｐｍ、最も具体的には１〜１００重量ｐｐｍであってもよい。

環状カルボニル・モノマーは、環状カルボニル・モノマーの同位体濃縮した形態を含んでもよい。こうしたものとして、^１３Ｃ、^１４Ｃ、^１５Ｎ、ジュウテリウム、トリチウム、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される元素を含む官能基が挙げられる。環状カルボニル・モノマーは、癌細胞など特定の細胞型を標的とするのに好適な放射性部分をさらに含んでもよい。

環状カルボニル・モノマーは、第三級アミンで処理されると第四級アミンを生成する反応性の一価脱離基を含んでもよい。反応性の一価脱離基として、ハロゲン化アルキル（たとえば、アルキルクロリド、アルキルブロミドまたはアルキルヨージド）、スルホネートエステル（たとえば、トシレートまたはメシレート）、エポキシドおよびオキセタンが挙げられる。第三級アミンとの反応は一般に、反応性の一価脱離基がＲＯＰポリマーの側鎖の位置を占める開環反応の後に行われる。

第三級アミンは、以下に限定されるものではないが、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミンおよび同種のものなどトリアルキルアミンのような１つの窒素を含んでもよい。第三級アミンは、追加の官能基、特にカルボン酸基、たとえば３−（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ）プロピオン酸をさらに含んでもよい。こうした例では、カチオン性ポリマーは、第四級アミンおよびカルボン酸基を含む側鎖部分を含む第１の繰り返し単位を含む。

第三級アミンは、トリメチルアミン−^１４Ｃ、トリメチルアミン−^１５Ｎ、トリメチルアミン−^１５Ｎ、トリメチル−^１３Ｃ_３−アミン、トリメチル−ｄ_９−アミン、およびトリメチル−ｄ_９−アミン−^１５Ｎなど第三級アミンの同位体濃縮した形態をさらに含んでもよい。第三級アミンは、癌細胞などの特定の細胞型を標的とするのに好適な放射性部分をさらに含んでもよい。

第三級アミンは、下記一般式（１３）のビス−第三級アミンであってもよい。

式中、Ｌ’’は、２〜３０個の炭素を含む二価の結合基であり、一価Ｒ^ｂ基は各々独立に、１〜３０個の炭素を含むアルキル基または６〜３０個の炭素を含むアリール基から選択される。Ｒ^ｂ基は各々独立に分岐でも、または非分岐でもよい。Ｒ^ｂ基は各々独立に、追加の官能基、たとえばケトン基、アルデヒド基、ヒドロキシル基、アルケン基、アルキン基、３〜１０個の炭素を含む環状脂肪族環、２〜１０個の炭素を含む複素環式環、エーテル基、アミド基、エステル基、および前述の追加の官能基の組み合わせを含んでもよい。複素環式環は、酸素、硫黄もしくは窒素またはそれらすべてを含んでもよい。また、２つ以上のＲ^ｂ基は、一緒になって環を形成してもよい。代表的なＬ’’基として、ｚ’が２〜３０の整数である−（ＣＨ_２）_ｚ’−、ｚ’’が１〜１０の整数である−（ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ）_ｚ’’ＣＨ_２ＣＨ_２−、−ＣＨ_２ＣＨ_２ＳＣＨ_２ＣＨ_２−、−ＣＨ_２ＣＨ_２ＳＳＣＨ_２ＣＨ_２−、−ＣＨ_２ＣＨ_２ＳＯＣＨ_２ＣＨ_２−、および−ＣＨ_２ＣＨ_２ＳＯ_２ＣＨ_２ＣＨ_２−が挙げられる。Ｌ’’は、３〜２０個の炭素を含む一価または二価の環状脂肪族環、６〜２０個の炭素を含む一価または二価の芳香環、ケトン基、アルデヒド基、ヒドロキシル基、アルケン基、アルキン基、２〜１０個の炭素を含む複素環式環、エーテル基、アミド基、エステル基、および前述の官能基の組み合わせをさらに含んでもよい。複素環式環は、酸素、硫黄もしくは窒素またはそれらすべてを含んでもよい。ビス−第三級アミンは、ビス−第三級アミンの同位体濃縮した形態、たとえば、そのジュウテリウム濃縮形態、カーボン−１３濃縮形態もしくは窒素−１５濃縮形態またはそれらすべてをさらに含んでもよい。

より具体的なビス−第三級アミンとして、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−１，２−エタンジアミン（ＴＭＥＤＡ）、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−１，３−プロパンジアミン（ＴＭＰＤＡ）、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−１，４−ブタンジアミン（ＴＭＢＤＡ）、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラエチル−１，２−エタンジアミン（ＴＥＥＤＡ）、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラエチル−１，３プロパンジアミン（ＴＥＰＤＡ）、１，４−ビス（ジメチルアミノ）シクロヘキサン、１，４−ビス（ジメチルアミノベンゼン）、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラエチル−１，４−ブタンジアミン（ＴＥＢＤＡ）、４−ジメチルアミノピリジン（ＤＭＡＰ）、４，４−ジピリジル−１，４−ジアザビシクロ［２．２．２］オクタン（ＤＡＢＣＯ）、４−ピロリジノピリジン、１−メチルベンゾイミダゾール、およびこれらの組み合わせが挙げられる。実施形態の１つでは、ビス−第三級アミンはＴＭＥＤＡである。

上述の環状カルボニル・モノマーが開環重合して、アタクチック形態、シンジオタクチック形態またはアイソタクチック形態のＲＯＰポリマーを形成する。個々の立体規則性は、環状モノマー（単数または複数）、異性体純度、および反応条件によって決定される。

開環重合の反応混合物は、１つまたは複数の環状カルボニル・モノマー；触媒；任意の促進剤；任意の溶媒、および開始剤を含む。開環重合は一般に、窒素またはアルゴンなどの不活性雰囲気下、反応器で行われる。重合は、無水非プロトン性溶媒、たとえばベンゼン、トルエン、キシレン、シクロヘキサン、ｎ−ヘキサン、ジオキサン、クロロホルムおよびジクロロエタン中の溶液重合により行っても、またはバルク重合により行ってもよい。反応温度は、ほぼ周囲温度から２５０℃であればよい。一般に、反応混合物は、大気圧で０．５〜７２時間加熱して重合を行い、第２の混合物を形成する。

開環重合にそれほど好ましくない触媒として、金属酸化物、たとえばテトラメトキシジルコニウム、テトラ−イソ−プロポキシジルコニウム、テトラ−イソ−ブトキシジルコニウム、テトラ−ｎ−ブトキシジルコニウム、テトラ−ｔ−ブトキシジルコニウム、トリエトキシアルミニウム、トリ−ｎ−プロポキシアルミニウム、トリ−イソ−プロポキシアルミニウム、トリ−ｎ−ブトキシアルミニウム、トリ−イソ−ブトキシアルミニウム、トリ−ｓｅｃ−ブトキシアルミニウム、モノ−ｓｅｃ−ブトキシ−ジ−イソ−プロポキシアルミニウム、エチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレート、アルミニウムトリス（エチルアセトアセテート）、テトラエトキシチタン、テトラ−イソ−プロポキシチタン、テトラ−ｎ−プロポキシチタン、テトラ−ｎ−ブトキシチタン、テトラ−ｓｅｃ−ブトキシチタン、テトラ−ｔ−ブトキシチタン、トリ−イソ−プロポキシガリウム、トリ−イソ−プロポキシアンチモン、トリ−イソ−ブトキシアンチモン、トリメトキシホウ素、トリエトキシホウ素、トリ−イソ−プロポキシホウ素、トリ−ｎ−プロポキシホウ素、トリ−イソ−ブトキシホウ素、トリ−ｎ−ブトキシホウ素、トリ−ｓｅｃ−ブトキシホウ素、トリ−ｔ−ブトキシホウ素、トリ−イソ−プロポキシガリウム、テトラメトキシゲルマニウム、テトラエトキシゲルマニウム、テトラ−イソ−プロポキシゲルマニウム、テトラ−ｎ−プロポキシゲルマニウム、テトラ−イソ−ブトキシゲルマニウム、テトラ−ｎ−ブトキシゲルマニウム、テトラ−ｓｅｃ−ブトキシゲルマニウムおよびテトラ−ｔ−ブトキシゲルマニウム；ハロゲン化化合物、たとえばアンチモンペンタクロリド、塩化亜鉛、臭化リチウム、スズ（ＩＶ）クロリド、カドミウムクロリドおよび三フッ化ホウ素ジエチルエーテル；アルキルアルミニウム、たとえばトリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、ジエチルアルミニウムクロリド、エチルアルミニウムジクロリドおよびトリ−イソ−ブチルアルミニウム；アルキル亜鉛、たとえばジメチル亜鉛、ジエチル亜鉛およびジイソプロピル亜鉛；ヘテロポリ酸、たとえばリンタングステン酸、リンモリブデン酸、ケイタングステン酸およびそれらのアルカリ金属塩；ジルコニウム化合物、たとえば塩化ジルコニウム酸、オクタン酸ジルコニウム、ステアリン酸ジルコニウムおよび硝酸ジルコニウムが挙げられる。

重合触媒の金属は、星型ポリマーの架橋ポリマー・コアに取り込まれ得る。閉じ込められた金属は細胞毒性である可能性があり、カーゴ材料もしくは無機シェルまたはその両方の結合、放出もしくは機能またはそれらすべてを阻害する恐れもある。したがって、上記に詳述した各制限金属を最低量で含む星型ポリマーが非常に望ましい。

開環重合の好ましい触媒は有機触媒である。有機触媒は、制御された予測通りの分子量を持ち、多分散性が小さい開環ポリマーを合成する基盤となるだけでなく、取り込まれる金属の問題も解決する。環状エステル、環状カーボネートおよびシロキサンの開環重合の有機触媒の例には、４−ジメチルアミノピリジン、ホスフィン、Ｎ−複素環カルベン（ＮＨＣ）、二官能性アミノチオ尿素、ホスファゼン、アミジンおよびグアニジンがある。実施形態の１つでは、触媒は、下記のＮ−（３，５−トリフルオロメチル）フェニル−Ｎ’−シクロヘキシル−チオ尿素（ＴＵ）である。

他の有機触媒は、少なくとも１つの１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパン−２−オール−２−イル（ＨＦＰ）基を含む。１つの水素結合を供与する触媒は、下記式（１４）を有する。
Ｒ^２−Ｃ（ＣＦ_３）_２ＯＨ （１４）
Ｒ^２は、水素、または１〜２０個の炭素を有する一価ラジカル、たとえばアルキル基、置換アルキル基、シクロアルキル基、置換シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、置換ヘテロシクロアルキル基、アリール基、置換アリール基、またはこれらの組み合わせである。例示的な１つの水素結合を供与する触媒を表３に示す。

２つの水素結合を供与する触媒は、下記一般式（１５）で表される２つのＨＦＰ基を有する。

式中、Ｒ^３は、１〜２０個の炭素を含む二価ラジカル架橋基、たとえばアルキレン基、置換アルキレン基、シクロアルキレン基、置換シクロアルキレン基、ヘテロシクロアルキレン基、置換ヘテロシクロアルキレン基、アリーレン基、置換アリーレン基、またはこれらの組み合わせである。式（１５）の２つの水素が結合した代表的な触媒には、表４に示すものがある。特定の実施形態では、Ｒ^３はアリーレンまたは置換アリーレン基であり、ＨＦＰ基は、相互に芳香環のメタ位を占める。

一実施形態では、触媒は、４−ＨＦＡ−Ｓｔ、４−ＨＦＡ−Ｔｏｌ、ＨＦＴＢ、ＮＦＴＢ、ＨＰＩＰ、３，５−ＨＦＡ−ＭＡ、３，５−ＨＦＡ−Ｓｔ、１，３−ＨＦＡＢ、１，４−ＨＦＡＢ、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される。

また、支持体に結合したＨＦＰ含有基を含む有機触媒も意図している。一実施形態では、支持体は、ポリマー、架橋ポリマー・ビーズ、無機粒子または金属粒子を含む。ＨＦＰ含有ポリマーは、ＨＦＰ含有モノマー（たとえば、メタクリレート・モノマー３，５−ＨＦＡ−ＭＡまたはスチリル・モノマー３，５−ＨＦＡ−Ｓｔ）の直接重合など既知の方法により形成することができる。直接重合（またはコモノマーとの重合）が起こり得るＨＦＰ含有モノマーの官能基は、アクリレート、メタクリレート、α、α、α−トリフルオロメタクリレート、α−ハロメタクリレート、アクリルアミド、メタクリルアミド、ノルボルネン、ビニル、ビニルエーテル、および当該技術分野において公知の他の基を含む。あるいは、結合基を介してＨＦＰ含有基をポリマーまたは支持体に化学的に結合して、予め形成したポリマーおよび他の固体支持体表面を修飾してもよい。結合基の例として、Ｃ_１〜Ｃ_１２アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_１２ヘテロアルキル、エーテル基、チオエーテル基、アミノ基、エステル基、アミド基、またはこれらの組み合わせが挙げられる。さらに、イオン会合によりポリマーまたは支持体表面の反対電荷部位に結合した荷電ＨＦＰ含有基を含む触媒も意図している。

有機触媒はまた、前述の通り窒素塩基であってもよい。例示的な窒素塩基触媒として、トリアリルアミン、トリエチルアミン、トリ−ｎ−オクチルアミンおよびベンジルジメチルアミンが挙げられる。表５に示す他の窒素塩基触媒として、ピリジン（Ｐｙ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノシクロヘキサン（Ｍｅ_２ＮＣｙ）、４−Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノピリジン（ＤＭＡＰ）、トランス１，２−ビス（ジメチルアミノ）シクロヘキサン（ＴＭＣＨＤ）、１，８−ジアザビシクロ［５．４．０］ウンデク−７−エン（ＤＢＵ）、１，５，７−トリアザビシクロ［４．４．０］デカ−５−エン（ＴＢＤ）、７−メチル−１，５，７−トリアザビシクロ［４．４．０］デカ−５−エン（ＭＴＢＤ）、（−）−スパルテイン（Ｓｐ）、１，３−ビス（２−プロピル）−４，５−ジメチルイミダゾール−２−イリデン（Ｉｍ−１）、１，３−ビス（２，４，６−トリメチルフェニル）イミダゾール−２−イリデン（Ｉｍ−２）、１，３−ビス（２，６−ジ−ｉ−プロピルフェニル（イミダゾール−２−イリデン（Ｉｍ−３）、１，３−ビス（１−アダマンチル）イミダゾール−２−イリデン（Ｉｍ−４）、１，３−ジ−ｉ−プロピルイミダゾール−２−イリデン（Ｉｍ−５）、１，３−ジ−ｔ−ブチルイミダゾール−２−イリデン（Ｉｍ−６）、１，３−ビス（２，４，６−トリメチルフェニル）−４，５−ジヒドロイミダゾール−２−イリデン（Ｉｍ−７）、１，３−ビス（２，６−ジ−ｉ−プロピルフェニル）−４，５−ジヒドロイミダゾール−２−イリデン、１，３−ビス（２，６−ジ−ｉ−プロピルフェニル）−４，５−ジヒドロイミダゾール−２−イリデン（Ｉｍ−８）またはこれらの組み合わせが挙げられる。

上述の窒素塩基は、開環重合によりポリマー・アーム前駆体などの線状ポリマーを生成する場合、触媒として単独で使用してもよい。あるいは、窒素塩基は、開環重合においてＴＵなどの主触媒と組み合わせて使用する場合、任意の促進剤としてもよい。促進剤として利用する場合、各窒素は、ルイス塩基として関与することができると考えられる。一般に、窒素塩基促進剤が強力になると、重合率が向上する。

塩基の触媒作用を単独で用いて開環重合によりポリマー・コアを生成しようとする場合、上記に対するいくつかの例外が明らかになった。そうした場合、単分子星型ポリマーの形成において、１または２個の窒素を含む窒素塩基は有効ではなかった。１個の窒素の塩基触媒および２個の窒素の塩基触媒では、多分散性が大きい（１．３５を超える）星型ポリマー、または非晶質生成物が生成された。ビス−環状カルボニル・モノマーの開環重合によるポリマー・コアの形成に好ましい窒素塩基は、３個以上の窒素を有する。１．３５以下の多分散性を有する単分子ナノサイズの両親媒性星型ポリマーは、この種の触媒を用いて成功裏に生成された。こうした塩基触媒の１つが、１，５，７−トリアザビシクロ［４．４．０］デカ−５−エン（ＴＢＤ）である。場合によっては、星型ポリマーは、ＴＢＤを単独の触媒として使用して形成してもよい。星型ポリマーは、１．２６の多分散性指数、１０．９ｎｍの流体力学的半径を有してもよく、１００ｐｐｍ未満の任意の制限金属を含む。

ＲＯＰ反応混合物は、少なくとも１種の触媒を含み、適切な場合、いくつかの触媒を一緒に含む。ＲＯＰ触媒は、環状カルボニル・モノマーに対して１／２０〜１／４０，０００モル、好ましくは１／１００〜１／２０，０００モルの比率で加える。

ＲＯＰ反応混合物は開始剤をさらに含む。開始剤は一般に、求核試薬、たとえばアルコール、アミンおよびチオールを含む。開始剤は単官能性でも、二官能性でも、または多官能性でもよい。開始剤はポリマーでも、または非ポリマーでもよい。たとえば、開始剤は高分子アルコールでも、高分子アミンでも、または高分子チオールでもよい。

より詳細には、開環反応の開始剤はアルコールである。アルコール開始剤は、モノ・アルコール、ジオール、トリオールまたは他のポリオールなど任意の好適なアルコールであればよいが、ただし、アルコールの選択が、星型ポリマーの重合収率、ポリマー分子量、生物活性材料との複合体形成、もしくは望ましい機械的および物理的性質、またはそれらすべてに好ましくない影響を与えないものとする。アルコールは、１つまたは複数のヒドロキシル基に加えて、ハライド、エーテル基、エステル基、アミド基または他の官能基を含む多官能性であってもよい。例示的なアルコールとして、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、アミルアルコール、カプリルアルコール、ノニルアルコール、デシルアルコール、ウンデシルアルコール、ラウリルアルコール、トリデシルアルコール、ミリスチルアルコール、ペンタデシルアルコール、セチルアルコール、ヘプタデシルアルコール、ステアリルアルコール、ノナデシルアルコールおよび他の脂肪族飽和アルコール、シクロペンタノール、シクロヘキサノール、シクロヘプタノール、シクロオクタノールおよび他の脂肪族環状アルコール；フェノール、置換フェノール、ベンジルアルコール、置換ベンジルアルコール、ベンゼンジメタノール、トリメチロールプロパン、サッカライド、ポリ（エチレングリコール）、プロピレングリコール、オリゴマー・アルコールから得られるアルコール官能基を有するブロック・コポリマー、分岐アルコールから得られるアルコール官能基を有する分岐ポリマー、またはこれらの組み合わせが挙げられる。モノマー・ジオール開始剤は、エチレングリコール、プロピレングリコール、ヒドロキノン、およびレソルシノールを含む。ジオール開始剤の例として、２，２−ジメチロールプロピオン酸から得られるＢｎＭＰＡがある。

ＢｎＭＰＡは、環状カーボネート・モノマーの調製に使用される前駆体である。

開環重合は、溶媒を使用してあるいは使用せずに行ってもよく、より詳細には溶媒を使用して行ってもよい。任意の溶媒として、ジクロロメタン、クロロホルム、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ベンゾトリフルオリド、石油エーテル、アセトニトリル、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、２，２，４−トリメチルペンタン、シクロヘキサン、ジエチルエーテル、ｔ−ブチルメチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフラン、または前述の溶媒の１つを含む組み合わせが挙げられる。溶媒が存在する場合、好適な環状カルボニル・モノマー濃度は、１リットル当たり約０．１〜５モル、より詳細には１リットル当たり約０．２〜４モルである。

開環重合は、ほぼ周囲温度またはそれ以上の温度、さらに詳しくは１５℃〜２００℃の温度、より詳細には２０℃〜２００℃で行ってもよい。バルクで反応させる場合、重合は、５０℃以上、より詳細には１００℃〜２００℃の温度で行う。反応時間は、溶媒、温度、撹拌速度、圧力および装置によって異なるが、一般に、重合は、１〜１００時間以内に終了する。

開環重合は、溶液中で行うかそれともバルクで行うかにかかわらず、不活性な（すなわち、乾燥）雰囲気、１００〜５００ＭＰａ（１〜５ａｔｍ）の圧力、より典型的には１００〜２００ＭＰａ（１〜２ａｔｍ）の圧力で行う。反応が終了したら、溶媒は減圧により除去することができる。

窒素塩基促進剤を使用する場合、窒素塩基促進剤は、環状カルボニル・モノマーの総モル数に対して０．１〜５．０ｍｏｌ％、０．１〜２．５ｍｏｌ％、０．１〜１．０ｍｏｌ％、または０．２〜０．５ｍｏｌ％の量で存在する。

開環重合の開始剤の量は、開始剤の求核性開始基（たとえば、アルコール基）当たりの当量分子量に基づき算出される。開始基は、好ましくは環状カルボニル・モノマーの総モル数に対して０．００１〜１０．０ｍｏｌ％、０．１〜２．５ｍｏｌ％、０．１〜１．０ｍｏｌ％、および０．２〜０．５ｍｏｌ％量で存在する。たとえば、開始剤の分子量が１００ｇ／ｍｏｌｅであり、開始剤が２つのヒドロキシル基を有する場合、ヒドロキシル基当たりの当量分子量は、５０ｇ／ｍｏｌｅである。重合がモノマー１モル当たり５ｍｏｌ％ヒドロキシル基を必要とする場合、開始剤の量は、モノマー１モル当たり０．０５×５０＝２．５ｇである。

特定の実施形態では、触媒は約０．２〜２０ｍｏｌ％の量で存在し、開始剤のヒドロキシル基は、開始剤の求核基当たりの当量分子量に対して０．１〜５．０ｍｏｌ％の量で存在する。

上記のように、開環重合によりリビング・ポリマー・セグメントを含むポリマー鎖が形成される。実施形態の１つでは、ＲＯＰポリマー鎖の１つの骨格繰り返し単位は、エステル繰り返し単位である。ＲＯＰポリマー骨格は、たとえば、ポリエステル・ホモポリマー、ランダム・ポリエステル・コポリマー、ポリカーボネート・ホモポリマー、ランダム・ポリカーボネート・コポリマー、またはランダム・ポリエステルカーボネート・コポリマーをさらに含んでもよい。ＲＯＰポリマー鎖は、各々が必要に応じてＲＯＰ鎖成長を開始させることができる末端ヒドロキシル基、末端チオール基、または末端アミン基を含んでもよい。

ＲＯＰポリマーは、親水性繰り返し単位、疎水性繰り返し単位、およびこれらの組み合わせを含むことで、星型ポリマーに両親媒性特性を付与してもよい。ＲＯＰポリマー鎖は、サイズ排除クロマトグラフィで測定される数平均分子量Ｍ_ｎが少なくとも２５００ｇ／ｍｏｌ、さらに詳しくは４０００ｇ／ｍｏｌ〜１５００００ｇ／ｍｏｌ、なおさらに詳しくは１００００ｇ／ｍｏｌ〜５００００ｇ／ｍｏｌであってもよい。実施形態の１つでは、ＲＯＰポリマー鎖は、数平均分子量Ｍ_ｎが１００００〜２００００ｇ／ｍｏｌである。ＲＯＰポリマー鎖はさらに多分散性指数（ＰＤＩ）が小さく、一般に１．３５以下、より詳細には１．０１〜１．３５、なおより詳細には１．１〜１．３０、さらにより詳細には１．１〜１．２５である。

上記のように、ＲＯＰポリマーは、ベンジルエステルなどのペンダント潜在性カルボン酸基を含んでもよい。この例では、潜在性カルボン酸基は、Ｈ_２／Ｐｄ−Ｃを使用して脱保護し、ペンダント・カルボン酸基を形成することができる。保護されたカルボン酸がｔ−ブチルエステルなどの熱に不安定なカルボン酸エステルの形態である場合、脱保護は、ＲＯＰポリマーを加熱して行ってもよい。保護されたカルボン酸がトリフルオロエチルエステルなど加水分解的に不安定である場合、ＲＯＰポリマーは、温和な水性酸または塩基で脱保護してペンダント・カルボン酸基を形成してもよい。特定の実施形態では、保護されたカルボン酸はベンジルエステルである。

星型ポリマーは、正電荷、負電荷またはこれらの混合物を含む繰り返し単位を含んでもよい。

水溶液中で星型ポリマーは分散して、動的光散乱により測定した場合、約２ｎｍ〜約５００ｎｍ、約１０ｎｍ〜約２５０ｎｍ、より詳細には約５０ｎｍ〜約２００ｎｍ、約５０ｎｍ〜約１５０ｎｍ、約５０ｎｍ〜約１２０ｎｍ、さらにより詳細には約５０ｎｍ〜約１００ｎｍの平均粒度を有するナノ粒子を形成する。前述の粒度の場合、水溶液は５．０〜８．０のｐＨを有してもよい。このｐＨ範囲は、ジビニルベンゼンから調製されたポリマー・コアを有する組成物など非生分解性組成物では拡大してもよい。

星型ポリマー内包複合体。
星型ポリマー内包複合体は、星型ポリマーおよびそれに内包された好適なカーゴ材料を含む。実施形態の１つでは、カーゴ材料は、薬剤、遺伝子、色素、画像コントラスト向上材料、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される。カーゴ材料は、上述の制限金属の１種または複数種を含む金属を含んでもよい。カーゴ材料は、放射性金属をさらに含んでもよい。星型ポリマー内包複合体は、ｐＨ５．０〜８．０の水溶液での平均粒度が、動的光散乱により測定した場合、２ｎｍ〜５００ｎｍ、２ｎｍ〜２５０ｎｍ、２ｎｍ〜１５０ｎｍ、２ｎｍ〜１２０ｎｍ、より詳細には１０ｎｍ〜１２０ｎｍ、２０ｎｍ〜１２０ｎｍ、３０ｎｍ〜１２０ｎｍ、なおより詳細には５０ｎｍ〜１２０ｎｍである。星型ポリマー内包複合体は、たとえば星型ポリマー内包複合体の総乾燥重量に対して０．１〜９０ｗｔ％、より詳細には５〜５０ｗｔ％、なおより詳細には１５〜５０ｗｔ％の生物活性材料を含んでもよい。実施形態の１つでは、生物活性カーゴ材料は薬剤である。別の実施形態では、生物活性材料はコントラスト増強剤である。

星型ポリマー内包複合体は、１００ダルトン〜約１，０００ダルトンのサイズ範囲の小分子量の生物活性材料と、約１，０００ダルトン（Ｄａ）〜約１００，０００ダルトン、およびそれを超えるサイズ範囲のより高分子の材料、たとえばペプチド薬剤およびタンパク質薬剤との両方を含んでもよい。

核磁気共鳴イメージング用に検討されてきたコントラスト増強剤は、常磁性金属イオン、常磁性キレートおよび金属錯体の可溶性塩と、ニトロキシド安定フリーラジカルとを含む。常磁性金属イオンとしては、遷移金属系列のチタン（Ｔｉ^３＋）、鉄（Ｆｅ^３＋）、バナジウム（Ｖ^４＋）、コバルト（Ｃｏ^３＋）、クロム（Ｃｒ^３＋）、ニッケル（Ｎｉ^２＋）、マンガン（Ｍｎ^２＋）および銅（Ｃｕ^２＋）；ランタニド系列のプラセオジム（Ｐｒ^３＋）、ガドリニウム（Ｇｄ^３＋）、ユーロピウム（Ｅｕ^３＋）およびジスプロシウム（Ｄｙ^３＋）；アクチニド系列のプロトアクチニウム（Ｐａ^４＋）；およびニトロキシド安定フリーラジカル由来のピロリジン誘導体およびピペリジン誘導体が挙げられる。これらのうち、最も好ましいコントラスト増強剤は、第二鉄イオン、クロム・イオンおよびガドリニウム・イオンの錯体、ならびに安定なニトロキシド・フリーラジカルを含む。ｘ線イメージング用の例示的なコントラスト増強剤は、バリウム塩およびハロゲン化材料、より詳細には臭素化材料もしくはヨード材料またはその両方を含む。

有機コントラスト増強剤は、以下に限定されるものではないが、ポルフィリン、コリン、クロリン、バクテリオクロロフィル、フタロシアニン、テトラアザフィリン、テキサフィリン、サフィリンおよび同種のものを含むポルフィリノイドを含む。ポルフィリノイド化合物の非限定的な例として、配位子Ｍが金属でも、または２個の水素（Ｍ＝２Ｈ）でもよい下記５，１０，１５，２０−（３，５−ジｔｅｒｔブチルフェニル）ポルフィリン（ＤＴＢＰ）がある。

ポルフィリノイド化合物の別の非限定的な例として、配位子Ｍが金属でも、または２個の水素（Ｍ＝２Ｈ）でもよい下記ｔｅｒｔ−ブチルフタロシアニン（ＴＢＰ）がある。

コントラスト向上材料は、ポルフィリノイド化合物の組み合わせをさらに含んでもよい。ポルフィリノイド化合物は、制限金属である金属配位子をさらに含んでもよい。

ポルフィリノイド化合物は、星型ポリマー内包複合体において、星型ポリマー内包複合体の水性混合物の蛍光により検出な非凝集状態であってもよい。実施形態の１つでは、星型ポリマー内包複合体内のポルフィリノイド化合物の１０重量％〜１００重量％が非凝集状態である。別の実施形態では、星型ポリマー内包複合体内のポルフィリノイド化合物の５０重量％〜１００重量％が非凝集状態である。

例示的なタンパク質薬剤として、ペプチドホルモン、たとえばインスリン、グルカゴン、副甲状腺ホルモン、カルシトニン、バゾプレッシン、レニン、プロラクチン、成長ホルモン；ゴナドトロピン、たとえば絨毛性ゴナドトロピン、卵胞刺激ホルモン、甲状腺刺激ホルモンおよび黄体化ホルモン；生理的に活性な酵素、たとえばトランスフェラーゼ、加水分解酵素、リアーゼ、イソメラーゼ、ホスファターゼ、グリコシダーゼ、スーパーオキシドジスムターゼ、第ＶＩＩＩ因子、プラスミノーゲン活性化因子；および他の治療薬、たとえば上皮増殖因子、インスリン様成長因子、腫瘍壊死因子、トランスフォーミング増殖因子、線維芽細胞増殖因子、血小板由来増殖因子、エリスロポエチン、コロニー刺激因子、骨形成タンパク質、インターロイキンおよびインターフェロンなどのタンパク質因子が挙げられる。例示的な非タンパク質巨大分子として、多糖類、核酸ポリマーおよび治療用二次代謝産物、たとえばビンブラスチン、ビンクリスチン、タキソールおよび同種のものなどの植物産物が挙げられる。

他の例示的な薬剤としては、アスピリン、ジフルニサル、ジクロフェナク、アセクロフェナク、アセメタシン、エトドラク、インドメタシン、スリンダク、トルメチン、イブプロフェン、カルプロフェン、フェンブフェン、フェノプロフェン、フルルビプロフェン、ケトプロフェン、ケトロラク、ロキソプロフェン、ナプロキセン、オキサプロジン、チアプロフェン酸、スプロフェン、メフェナム酸、メクロフェナム酸、ルミラコキシブ、オキシフェンブタゾン、ピロキシカム、ロルノキシカム、メロキシカムおよびテノキシカムが挙げられる。ステロイド系抗炎症剤としては、ヒドロコルチゾン、プレドニゾン、プレドニゾロン、メチルプレドニゾロン、デキサメタゾン、ベタメタゾン、トリアムシノロン、ベクロメタゾン、酢酸フルドロコルチゾンおよびアルドステロンが挙げられる。化学療法薬としては、ドキソルビシンおよびＤＮＡアルキル化剤、たとえばメルファラン、クロラムブシル、ダカルバジン、テモゾロミドおよびストレプトゾトシンが挙げられる。代謝拮抗薬としては、メトトレキサート、ペメトレキセド、ラルチトレキセド、チオグアニン、フルダラビン、ペントスタチン、クラドリビン、フロクスウリジンおよびゲムシタビンが挙げられる。アルカロイド薬としては、ビンクリスチン、ビンブラスチン、ビノレルビン、ビンデシンおよびトポイソメラーゼが挙げられる。阻害剤としては、エトポシド、テニポシド、イリノテカンおよびトポテカンが挙げられる。タキサンとしては、パクリタキセルおよびドセタキセルが挙げられる。抗凝固薬は、ワルファリン、アセノクマロール、フェンプロクモン、アルガトロバンおよびキシメラガトランが挙げられる。

なお他の市販されている例示的な薬剤としては、１３−シス−レチノイン酸、２−ＣｄＡ、２−クロロデオキシアデノシン、５−アザシチジン、５−フルオロウラシル、５−ＦＵ、６−メルカプトプリン、６−ＭＰ、６−ＴＧ、６−チオグアニン、アブラキサン、Ａｃｃｕｔａｎｅ（Ｒ）、アクチノマイシン−Ｄ、Ａｄｒｉａｍｙｃｉｎ（Ｒ）、Ａｄｒｕｃｉｌ（Ｒ）、Ａｆｉｎｉｔｏｒ（Ｒ）、Ａｇｒｙｌｉｎ（Ｒ）、Ａｌａ−Ｃｏｒｔ（Ｒ）、アルデスロイキン、アレムツズマブ、ＡＬＩＭＴＡ、アリトレチノイン、Ａｌｋａｂａｎ−ＡＱ（Ｒ）、Ａｌｋｅｒａｎ（Ｒ）、オールトランスレチノイン酸、αインターフェロン、アルトレタミン、アメトプテリン、アミフォスチン、アミノグルテチミド、アナグレリド、Ａｎａｎｄｒｏｎ（Ｒ）、アナストロゾール、アラビノシルシトシン、Ａｒａ−Ｃ、Ａｒａｎｅｓｐ（Ｒ）、Ａｒｅｄｉａ（Ｒ）、Ａｒｉｍｉｄｅｘ（Ｒ）、Ａｒｏｍａｓｉｎ（Ｒ）、Ａｒｒａｎｏｎ（Ｒ）、三酸化砒素、アスパラギナーゼ、ＡＴＲＡ、Ａｖａｓｔｉｎ（Ｒ）、アザシチジン、ＢＣＧ、ＢＣＮＵ、ベンダムスチン、ベバシズマブ、ベキサロテン、ＢＥＸＸＡＲ（Ｒ）、ビカルタミド、ＢｉＣＮＵ、Ｂｌｅｎｏｘａｎｅ（Ｒ）、ブレオマイシン、ボルテゾミブ、ブスルファン、Ｂｕｓｕｌｆｅｘ（Ｒ）、Ｃ２２５、カルシウム・ロイコボリン、Ｃａｍｐａｔｈ（Ｒ）、Ｃａｍｐｔｏｓａｒ（Ｒ）、カンプトテシン−１１、カペシタビン、Ｃａｒａｃ（ＴＭ）、カルボプラチン、カルムスチン、カルムスチン・ウエハ、Ｃａｓｏｄｅｘ（Ｒ）、ＣＣ−５０１３、ＣＣＩ−７７９、ＣＣＮＵ、ＣＤＤＰ、ＣｅｅＮＵ、Ｃｅｒｕｂｉｄｉｎｅ（Ｒ）、セツキシマブ、クロラムブシル、シスプラチン、Ｃｉｔｒｏｖｏｒｕｍ因子、クラドリビン、コルチゾン、Ｃｏｓｍｅｇｅｎ（Ｒ）、ＣＰＴ−１１、シクロホスファミド、Ｃｙｔａｄｒｅｎ（Ｒ）、シタラビン、シタラビン・リポソーム、Ｃｙｔｏｓａｒ−Ｕ（Ｒ）、Ｃｙｔｏｘａｎ（Ｒ）、ダカルバジン、ダコゲン、ダクチノマイシン、ダルベポエチンアルファ、ダサチニブ、ダウノマイシン、ダウノルビシン、塩酸ダウノルビシン、ダウノルビシン・リポソーム、ＤａｕｎｏＸｏｍｅ（Ｒ）、デカドロン、デシタビン、Ｄｅｌｔａ−Ｃｏｒｔｅｆ（Ｒ）、Ｄｅｌｔａｓｏｎｅ（Ｒ）、デニロイキンジフチトクス、ＤｅｐｏＣｙｔ（ＴＭ）、デキサメタゾン、酢酸デキサメタゾン、リン酸デキサメタゾンナトリウム、デキサゾン、デクスラゾキサン、ＤＨＡＤ、ＤＩＣ、ジオデキス、ドセタキセル、Ｄｏｘｉｌ（Ｒ）、ドキソルビシン、ドキソルビシン・リポソーム、Ｄｒｏｘｉａ（ＴＭ）、ＤＴＩＣ、ＤＴＩＣ−Ｄｏｍｅ（Ｒ）、Ｄｕｒａｌｏｎｅ（Ｒ）、Ｅｆｕｄｅｘ（Ｒ）、Ｅｌｉｇａｒｄ（ＴＭ）、Ｅｌｌｅｎｃｅ（ＴＭ）、Ｅｌｏｘａｔｉｎ（ＴＭ）、Ｅｌｓｐａｒ（Ｒ）、Ｅｍｃｙｔ（Ｒ）、エピルビシン、エポエチン・アルファ、アービタックス、エルロチニブ、エルウィニア（Ｅｒｗｉｎｉａ）Ｌ−アスパラギナーゼ、エストラムスチン、エチオール、Ｅｔｏｐｏｐｈｏｓ（Ｒ）、エトポシド、リン酸エトポシド、Ｅｕｌｅｘｉｎ（Ｒ）、エベロリムス、Ｅｖｉｓｔａ（Ｒ）、エキセメスタン、Ｆａｒｅｓｔｏｎ（Ｒ）、Ｆａｓｌｏｄｅｘ（Ｒ）、Ｆｅｍａｒａ（Ｒ）、フィルグラスチム、フロクスウリジン、Ｆｌｕｄａｒａ（Ｒ）、フルダラビン、Ｆｌｕｏｒｏｐｌｅｘ（Ｒ）、フルオロウラシル、フルオロウラシル（クリーム）、フルオキシメステロン、フルタミド、フォリン酸、ＦＵＤＲ（Ｒ）、フルベストラント、Ｇ−ＣＳＦ、ゲフィチニブ、ゲムシタビン、ゲムツズマブオゾガマイシン、ジェムザール、Ｇｌｅｅｖｅｃ（ＴＭ）、Ｇｌｉａｄｅｌ（Ｒ）ウエハ、ＧＭ−ＣＳＦ、ゴセレリン、顆粒球コロニー刺激因子、顆粒球マクロファージコロニー刺激因子、Ｈａｌｏｔｅｓｔｉｎ（Ｒ）、Ｈｅｒｃｅｐｔｉｎ（Ｒ）、ヘキサドロール、Ｈｅｘａｌｅｎ（Ｒ）、ヘキサメチルメラミン、ＨＭＭ、Ｈｙｃａｍｔｉｎ（Ｒ）、Ｈｙｄｒｅａ（Ｒ）、Ｈｙｄｒｏｃｏｒｔ Ａｃｅｔａｔｅ（Ｒ）、ヒドロコルチゾン、リン酸ヒドロコルチゾンナトリウム、コハク酸ヒドロコルチゾンナトリウム、リン酸ハイドロコートン、ヒドロキシ尿素、イブリツモマブ、Ｉｂｒｉｔｕｍｏｍａｂ Ｔｉｕｘｅｔａｎ Ｉｄａｍｙｃｉｎ（Ｒ）、イダルビシン、Ｉｆｅｘ（Ｒ）、ＩＮＦ−αイホスファミド、ＩＬ−１１、ＩＬ−２、メシル酸イマチニブ、イミダゾールカルボキサミド、インターフェロンα、インターフェロンα−２ｂ（ＰＥＧコンジュゲート）、インターロイキン−２、インターロイキン−１１、Ｉｎｔｒｏｎ Ａ（Ｒ）（インターフェロンα−２ｂ）、Ｉｒｅｓｓａ（Ｒ）、イリノテカン、イソトレチノイン、イクサベピロン、Ｉｘｅｍｐｒａ（ＴＭ）、Ｋ Ｋｉｄｒｏｌａｓｅ（ＴＭ）、Ｌａｎａｃｏｒｔ（Ｒ）、ラパチニブ、Ｌ−アスパラギナーゼ、ＬＣＲ、レナリドマイド、レトロゾール、ロイコボリン、ロイケラン、Ｌｅｕｋｉｎｅ（ＴＭ）、ロイプロリド、ロイロクリスチン、Ｌｅｕｓｔａｔｉｎ（ＴＭ）、リポソームＡｒａ−Ｃ、Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｒｅｄ（Ｒ）、ロムスチン、Ｌ−ＰＡＭ、Ｌ−サルコリシン、Ｌｕｐｒｏｎ（Ｒ）、Ｌｕｐｒｏｎ Ｄｅｐｏｔ（Ｒ）、Ｍａｔｕｌａｎｅ（Ｒ）、マキシデックス、メクロレタミン、塩酸メクロレタミン、Ｍｅｄｒａｌｏｎｅ（Ｒ）、Ｍｅｄｒｏｌ（Ｒ）、Ｍｅｇａｃｅ（Ｒ）、メゲストロール、酢酸メゲストロール、メルファラン、メルカプトプリン、メスナ、Ｍｅｓｎｅｘ（ＴＭ）、メトトレキサート、メトトレキサート・ナトリウム、メチルプレドニゾロン、Ｍｅｔｉｃｏｒｔｅｎ（Ｒ）、マイトマイシン、マイトマイシン−Ｃ、ミトキサントロン、Ｍ−Ｐｒｅｄｎｉｓｏｌ（Ｒ）、ＭＴＣ、ＭＴＸ、Ｍｕｓｔａｒｇｅｎ（Ｒ）、Ｍｕｓｔｉｎｅ Ｍｕｔａｍｙｃｉｎ（Ｒ）、Ｍｙｌｅｒａｎ（Ｒ）、Ｍｙｌｏｃｅｌ（ＴＭ）、Ｍｙｌｏｔａｒｇ（Ｒ）、Ｎａｖｅｌｂｉｎｅ（Ｒ）、ネララビン、Ｎｅｏｓａｒ（Ｒ）、Ｎｅｕｌａｓｔａ（ＴＭ）、Ｎｅｕｍｅｇａ（Ｒ）、Ｎｅｕｐｏｇｅｎ（Ｒ）、Ｎｅｘａｖａｒ（Ｒ）、Ｎｉｌａｎｄｒｏｎ（Ｒ）、ニルタミド、Ｎｉｐｅｎｔ（Ｒ）、ナイトロジェンマスタード、Ｎｏｖａｌｄｅｘ（Ｒ）、Ｎｏｖａｎｔｒｏｎｅ（Ｒ）、オクトレオチド、酢酸オクトレオチド、Ｏｎｃｏｓｐａｒ（Ｒ）、Ｏｎｃｏｖｉｎ（Ｒ）、Ｏｎｔａｋ（Ｒ）、Ｏｎｘａｌ（ＴＭ）、オプレベルキン、Ｏｒａｐｒｅｄ（Ｒ）、Ｏｒａｓｏｎｅ（Ｒ）、オキサリプラチン、パクリタキセル、タンパク質結合パクリタキセル、パミドロネート、パニツムマブ、Ｐａｎｒｅｔｉｎ（Ｒ）、Ｐａｒａｐｌａｔｉｎ（Ｒ）、Ｐｅｄｉａｐｒｅｄ（Ｒ）、ＰＥＧインターフェロン、ペガスパルガーゼ、ペグフィルグラスチム、ＰＥＧ−ＩＮＴＲＯＮ（ＴＭ）、ＰＥＧ−Ｌ−アスパラギナーゼ、ペメトレキセド、ペントスタチン、フェニルアラニン・マスタード、Ｐｌａｔｉｎｏｌ（Ｒ）、Ｐｌａｔｉｎｏｌ−ＡＱ（Ｒ）、プレドニゾロン、プレドニゾン、Ｐｒｅｌｏｎｅ（Ｒ）、プロカルバジン、ＰＲＯＣＲＩＴ（Ｒ）、Ｐｒｏｌｅｕｋｉｎ（Ｒ）、プロリフェプロスパン２０カルムスチン・インプラント、Ｐｕｒｉｎｅｔｈｏｌ（Ｒ）、ラロキシフェン、Ｒｅｖｌｉｍｉｄ（Ｒ）、Ｒｈｅｕｍａｔｒｅｘ（Ｒ）、Ｒｉｔｕｘａｎ（Ｒ）、リツキシマブ、Ｒｏｆｅｒｏｎ−Ａ（Ｒ）（インターフェロンα−２ａ）、Ｒｕｂｅｘ（Ｒ）、ルビドマイシン塩酸塩、Ｓａｎｄｏｓｔａｔｉｎ（Ｒ）、Ｓａｎｄｏｓｔａｔｉｎ ＬＡＲ（Ｒ）、サルグラモスチム、Ｓｏｌｕ−Ｃｏｒｔｅｆ（Ｒ）、Ｓｏｌｕ−Ｍｅｄｒｏｌ（Ｒ）、ソラフェニブ、ＳＰＲＹＣＥＬ（ＴＭ）、ＳＴＩ−５７１、ストレプトゾシン、ＳＵ１１２４８、スニチニブ、Ｓｕｔｅｎｔ（Ｒ）、タモキシフェン、Ｔａｒｃｅｖａ（Ｒ）、Ｔａｒｇｒｅｔｉｎ（Ｒ）、Ｔａｘｏｌ（Ｒ）、Ｔａｘｏｔｅｒｅ（Ｒ）、Ｔｅｍｏｄａｒ（Ｒ）、テモゾロミド、テムシロリムス、テニポシド、ＴＥＳＰＡ、サリドマイド、Ｔｈａｌｏｍｉｄ（Ｒ）、ＴｈｅｒａＣｙｓ（Ｒ）、チオグアニン、Ｔｈｉｏｇｕａｎｉｎｅ Ｔａｂｌｏｉｄ（Ｒ）、チオホスホアミド、Ｔｈｉｏｐｌｅｘ（Ｒ）、チオテパ、ＴＩＣＥ（Ｒ）、Ｔｏｐｏｓａｒ（Ｒ）、トポテカン、トレミフェン、Ｔｏｒｉｓｅｌ（Ｒ）、トシツモマブ、トラスツズマブ、Ｔｒｅａｎｄａ（Ｒ）、トレチノイン、Ｔｒｅｘａｌｌ（ＴＭ）、Ｔｒｉｓｅｎｏｘ（Ｒ）、ＴＳＰＡ、ＴＹＫＥＲＢ（Ｒ）、ＶＣＲ、Ｖｅｃｔｉｂｉｘ（ＴＭ）、Ｖｅｌｂａｎ（Ｒ）、Ｖｅｌｃａｄｅ（Ｒ）、ＶｅＰｅｓｉｄ（Ｒ）、Ｖｅｓａｎｏｉｄ（Ｒ）、Ｖｉａｄｕｒ（ＴＭ）、Ｖｉｄａｚａ（Ｒ）、ビンブラスチン、硫酸ビンブラスチン、Ｖｉｎｃａｓａｒ Ｐｆｓ（Ｒ）、ビンクリスチン、ビノレルビン、酒石酸ビノレルビン、ＶＬＢ、ＶＭ−２６、ボリノスタット、ＶＰ−１６、Ｖｕｍｏｎ（Ｒ）、Ｘｅｌｏｄａ（Ｒ）、Ｚａｎｏｓａｒ（Ｒ）、Ｚｅｖａｌｉｎ（ＴＭ）、Ｚｉｎｅｃａｒｄ（Ｒ）、Ｚｏｌａｄｅｘ（Ｒ）、ゾレドロン酸、ゾリンザおよびゾメタが挙げられる。

星型ポリマー内包複合体の調製方法は、ｉ）第１の溶媒中で両親媒性星型ポリマーとカーゴ材料との混合物を形成するステップ；およびｉｉ）混合物を、カーゴ材料の非溶媒である第２の溶媒に注入することにより、星型ポリマー内包複合体を形成するステップを含み、星型ポリマーは、架橋ポリマー・コア、およびコアに共有結合した６つ以上の独立したポリマー・アームを含み、６つ以上のポリマー・アームは各々、疎水性鎖セグメントおよび親水性鎖セグメントを含んでもよい。実施形態の１つでは、星型ポリマーは、１００ｐｐｍ以下の任意の１種の制限金属を含む。

ナノシェル。
ナノシェルは、電子顕微鏡（ＳＥＭおよびＴＥＭ）もしくは光散乱測定またはその両方で測定した場合、好ましくは約１５ｎｍ〜約３００ｎｍ、約２０ｎｍ〜約３００ｎｍ、またはより詳細には約２０ｎｍ〜約１００ｎｍの平均粒度を有する。

ナノシェルは、電子顕微鏡（ＳＥＭおよびＴＥＭ）もしくは光散乱測定またはその両方による測定した場合、好ましくは２〜１、より詳細には１．３〜１の多分散性指数を有する。

ナノシェルは、単分子星型ポリマー内包複合体にシェル形成材料を塗布することにより調製することができる。あるいは、ナノシェルは、星型ポリマー内包複合体の２つ以上の巨大分子の集合体にシェル材料を塗布することによっても調製することができる。図５は、ポルフィリン色素（たとえば、ＤＴＢＰ）カーゴ材料を含む共通の単分子星型ポリマー内包複合体を使用して、シリカ・ナノシェル、酸化鉄ナノシェルまたは金ナノシェルを形成する例示的な反応経路を模式的に示す。第１の反応経路では、星型ポリマー内包複合体をオルガノシリケートで処理することによりシリカ・ナノシェルを形成する。シリカ含有シェルは、連続していても（図示）、または非連続でもよい（図示せず）。第２の反応では、星型ポリマー内包複合体に予め形成した酸化鉄ナノ粒子を付着することにより酸化鉄ナノシェルを形成する。酸化鉄ナノ粒子は、星型ポリマー・アームの外側親水性鎖セグメントと結合した不連続な粒子のままである。このため、この例では、酸化鉄シェルは、非連続である。図５の第３の反応経路では、金ナノシェルは、ｉ）星型ポリマー内包複合体を予め形成した金シードで処理することで、シードした内包複合体を形成するステップ、およびｉｉ）シードした内包複合体を、無電解金めっきを利用した成長ステップに供することで、金を含むシェルを形成するステップにより形成される。金含有シェルは、成長ステップの条件に応じて非連続であってもよい（図示せず）。

シェルは、星型ポリマー内包複合体の少なくとも１つの外側親水性鎖セグメントと接している。シェルの厚さは、３つのパラメータ、すなわち反応時間、星型ポリマー内包複合体の大きさ、およびシェル形成無機材料の濃度を変化させることにより調整することができる。シェルは、星型ポリマー内包複合体の１つまたは複数の巨大分子を包含してもよい。星型ポリマー内包複合体の１つまたは複数の巨大分子は、凝集状態でも、または非凝集状態でもよい。

ナノシェルは、１つまたは複数の有機タグ化剤、たとえば、反応性色素、もしくはポリ（アルキレンオキシド）鎖セグメントを含む反応性ポリマー（たとえば、１つの反応性末端基を有するポリ（エチレンオキシド））またはその両方を用いて、反応性または不活性な表面官能性を生じさせるように修飾してもよい。有機タグ化剤は、シェル材料と反応し、シェル表面に共有結合して有機表面基を形成することができる。有機表面基は、色素部分、ポリ（アルキレンオキシド）鎖フラグメントを含むポリマー、およびタグ化剤から得られるこれらの組み合わせからなる群から選択される化学部分を含んでもよい。もう１つの例として、ナノシェル表面は、特定の細胞型を標的とすることができる有機表面基を導入することにより修飾してもよい。この方法では、多機能ナノシェルを形成することができる。すなわち、カーゴ材料が第１の機能を発揮することができ、さらに１つまたは複数の共有結合した有機表面基が１つまたは複数の他の機能を発揮することができる。シェル材料が追加の機能を発揮してもよい。

以下、より具体的なナノシェルについて考察する。

シリカ・ナノシェル。
他に記載がない限り、本明細書の「シリカ・ナノシェル」という用語は、四価ケイ素材料を含むシェルを含むナノシェルをいう。四価ケイ素は、酸化ケイ素（たとえば、シリカ）の形態もしくは別の四価ケイ素材料の形態またはその両方の形態であってもよい。シリカ・ナノシェルを形成する再現性の高い方法を２つ開示し、これらを図２０Ａおよび図２０Ｂの反応スキームに図示する。

図２０Ａに例示した「２ポット」法と呼ばれる第１の方法では、第１の溶媒中で星型ポリマー内包複合体を第１のケイ素剤で処理し、得られた前駆体ナノシェルを第２の溶媒に移してから第２のケイ素剤を加えてケイ素ナノシェルを形成する。この方法は、ｉ）第１の溶媒中で星型ポリマー内包複合体を第１のケイ素剤で処理することで、前駆体ナノシェルを形成するステップ、およびｉｉ）第２の溶媒中で前駆体ナノシェルを第２のケイ素剤で処理することで、ナノシェルを形成するステップを含む。

「１ポット」法（図２０Ｂ）と呼ばれる第２の方法では、共通の溶媒および１つの反応槽を使用して、星型ポリマー内包複合体を第１のケイ素剤および第２のケイ素剤で連続的に処理する。この方法は、ｉ）星型ポリマー内包複合体を溶媒中で第１のケイ素剤により処理することで前駆体ナノシェルを形成するステップ、およびｉｉ）前駆体ナノシェルを溶媒中で第２のケイ素剤により処理することでケイ素ナノシェルを形成するステップを含む。

例示的な第１のケイ素剤として、式Ｈ_ｎＳｉ（ＯＲ）_４−ｎのオルトシリケートであって、式中、ｎは０〜２の整数であり、Ｒは、アルケニル、アルキニル、アリール、アルキル置換アリール、アルケニル置換アリール、アルキニル置換アリール、アリール置換アルキル、アルケニル置換アルキルもしくはアルキニル置換アルキル、またはこれらの組み合わせから選択される一価ラジカルであるオルトシリケートが挙げられる。第１のケイ素剤のより具体的な例としては、テトラメチルオルトシリケート（ＴＭＯＳ）、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、テトラプロピルオルトシリケート、テトライソプロピルオルトシリケート、テトラアリルオルトシリケート、テトラキス（２−ヒドロキシエチル）、テトラブチルオルトシリケート、テトラアミルオルトシリケート、テトラヘキシルオルトシリケート、テトラオクチルオルトシリケート、テトラフェニルシリケート、テトラトリルオルトシリケート、テトラキス（２−エチル−１−ブチル）オルトシリケート、テトラキス（２−メトキシエチル）オルトシリケート、およびテトラキス（ジメチルシリル）オルトシリケートが挙げられる。

例示的な第２のケイ素剤としては、式ＨＮ（ＳｉＲ_３）_２の化合物であって、式中、Ｒはアルキル、アルケニル、アルキニル、アリール、アルキル置換アリール、アルケニル置換アリール、アルキニル置換アリール、アリール置換アルキル、アルケニル置換アルキル、アルキニル置換アルキル、またはこれらの組み合わせから選択される一価ラジカルである化合物が挙げられる。具体的な例として、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）およびヘキサエチルジシラザンが挙げられる。他の第２のケイ素剤としては、式Ｒ_２Ｓｉ（ＯＲ）_２の官能性オルガノシランであって、式中、Ｒは各々、アルキル、アルケニル、アルキニル、アリール、アルキル置換アリール、アルケニル置換アリール、アルキニル置換アリール、アリール置換アルキル、アルケニル置換アルキル、アルキニル置換アルキル、前述の官能性オルガノシランのいずれかのハロ置換形態、またはこれらの組み合わせから独立に選択される一価ラジカルであるオルガノシランが挙げられる。具体的な例として、ジフェニルジメトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、およびジメトキシ−メチル（３，３，３−トリフルオロプロピル）シランが挙げられる。他の第２のケイ素剤としては、ハロシランおよびジハロシラン、たとえば、クロロトリメチルシランおよびジクロロジメチルシランが挙げられる。

第２のケイ素剤は、表面安定化剤またはアミンなどの反応性官能基の導入剤として働き得る。表面第一級アミン基を導入するための例示的な第２のケイ素剤としては、アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳ）およびアミノプロピルジメチルエトキシシラン（ＡＰＤＭＥＳ）が挙げられる。

ケイ素ナノシェルは、１つまたは複数の有機タグ化剤で処理して、シェル表面に共有結合した、タグ化剤から得られる有機表面基を含むタグ化ケイ素ナノシェルを形成してもよい。表面基は、色素、ポリ（アルキレンオキシド）鎖セグメント、ポリ（アルキレンイミン）鎖セグメント、生物活性部分、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される有機部分を含んでもよい。生物活性部分は、タンパク質、薬剤、および特定の細胞を認識することができる官能基を含む化合物を含む。ケイ素ナノシェル表面の求核基（たとえば、アミン、チオール、アルコール）と反応することができる例示的な有機タグ化剤として、求電子材料、たとえばＰＥＧ化試薬（すなわち、アミン、チオールまたはアルコールと反応して共有結合を形成することができる反応性末端基を有するポリ（エチレングリコール））が挙げられ、こうしたポリ（エチレングリコール）は、種々のポリエーテル分子量で市販されている。他の求電子タグ化剤としては、塩化ダンシルなどの求電子性色素が挙げられる。

金属ナノシェル。
金属ナノシェルを形成する方法は、ｉ）第１の金属を含む予め形成したシード粒子で星型ポリマー内包複合体を処理することにより、シード系内包複合体を形成するステップ、もしくはｉｉ）シード系内包複合体に第２の金属の塩由来の第２の金属を無電解めっきにより付着させることにより、金属ナノシェルを形成するステップ、またはその両方を含む。金属ナノシェルは、１つまたは複数の星型ポリマー内包複合体巨大分子に塗布された金属含有シェルを含む。第１の金属および第２の金属は、同じ金属でも、または別の金属でもよい。予め形成したシードおよびシェルは、金属のイオン形態もしくは非イオン形態またはその両方を含む。金属含有シェルは、連続した多孔性もしくは非多孔性シェルでも、または非連続の多孔性もしくは非多孔性シェルでもよい。

第１の金属および第２の金属は独立に金、銀、白金、スズ、銅、ニッケル、パラジウム、亜鉛、鉄、チタン、アルミニウム、およびこれらの組み合わせからなる群から選択することができる。実施形態の１つでは、第１の金属および第２の金属は、金を含む。

酸化鉄ナノシェル。
酸化鉄ナノシェルを形成する第１の方法は、星型ポリマー内包複合体を予め形成した酸化鉄粒子で処理することで、星型ポリマー内包複合体の親水性鎖セグメントとの非共有結合性相互作用により結合した酸化鉄ナノ粒子を含む酸化鉄ナノシェルを形成するステップを含む。

酸化鉄ナノシェルを形成する第２の方法は、星型ポリマーを、ｉ）溶媒、ｉｉ）溶媒に溶解させたカーゴ材料およびｉｉｉ）溶媒に懸濁させて予め形成した酸化鉄粒子を含む混合物で処理することにより、酸化鉄ナノシェルを形成するステップを含み、酸化鉄ナノシェルは、ｉ）星型ポリマー、ｉｉ）非共有結合性相互作用により星型ポリマーの疎水性鎖セグメントに結合したカーゴ材料、およびｉｉｉ）星型ポリマーの親水性鎖セグメントとの非共有結合性相互作用により結合した酸化鉄ナノ粒子を含む。

さらに、ナノシェルであって、１つまたは複数の星型ポリマーもしくは１つまたは複数の星型ポリマー内包複合体の巨大分子またはその両方に塗布されたシェル材料を含むナノシェルを含む水性混合物も開示する。星型ポリマー内包複合体はカーゴ材料および星型ポリマーを含み、星型ポリマーは架橋ポリマー・コアおよびコアに共有結合した６つ以上の独立したポリマー・アームを含み、ポリマー・アームは外側親水性ポリマー鎖セグメントおよび内側疎水性ポリマー鎖セグメントを含み、星型ポリマーは１００ｐｐｍ以下の任意の１種の制限金属を含み、カーゴ材料はポリマー・コアもしくはポリマー・アームの１つまたは複数またはその両方と接触している。実施形態の１つでは、シェル材料は、ケイ素、鉄、または金を含む。実施形態の１つでは、カーゴ材料は画像コントラスト向上材料である。別の実施形態では、コントラスト向上材料はポルフィリノイド化合物である。別の実施形態では、コントラスト向上材料は、下記およびそれらの組み合わせからなる群から選択される。

別の実施形態では、画像向上材料の１０％〜１００％は星型ポリマー内包複合体内で凝集していない。別の実施形態では、画像向上材料の５０％〜１００％は星型ポリマー内包複合体内で凝集していない。

さらに、細胞を処理する方法であって、上述のナノシェルを含む水性混合物と細胞を接触させる方法も開示する。生物活性カーゴは、１種の生物活性材料を含んでも、または生物活性材料の混合物を含んでもよい。生物活性材料は、薬剤、遺伝子、色素、画像コントラスト向上材料、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される物質でもよい。生物活性カーゴは、薬剤、たとえばドキソルビシンであってもよい。実施形態の１つでは、生物活性材料はポルフィリノイド化合物である。細胞は、インビトロで接触させても、エキソビボで接触させても、またはインビボで接触させてもよい。接触により誘導される細胞毒性は、好ましくは０％〜２０％、０％〜１５％、０％〜１０％、０％〜５％、０％〜２％、またはより詳細には０％〜１％である。実施形態の１つでは、接触により細胞毒性が誘導されない。

上述の星型ポリマー内包複合体で処理できる細胞型に制限はない。特に、細胞は、真核細胞、哺乳動物細胞、より詳細には齧歯動物細胞またはヒト細胞であってもよい。細胞は、胚体外または胚性幹細胞、全能性または多能性細胞、分裂または非分裂細胞、実質または上皮細胞、不死化または形質転換細胞、または同種のものを含む様々な組織に由来してもよい。細胞は幹細胞でも、または分化細胞でもよい。分化した細胞型は、脂肪細胞、線維芽細胞、筋細胞、心筋細胞、内皮細胞、樹状細胞、ニューロン、グリア、マスト細胞、血液細胞および白血球（たとえば、赤血球、巨核球、リンパ球、たとえばＢリンパ球、Ｔリンパ球およびナチュラルキラー細胞、マクロファージ、好中球、好酸球、好塩基球、血小板、顆粒球）、上皮細胞、ケラチノサイト、軟骨細胞、骨芽細胞、破骨細胞、肝実質細胞、および内分泌腺または外分泌腺の細胞のほか、感覚細胞を含む。

上述のナノシェルは、非ウイルス性トランスフェクション・ベクターとして使用してもよい。標的遺伝子は、任意の特定の種類の標的遺伝子またはヌクレオチド配列に限定されるものではない。たとえば、標的遺伝子は、細胞遺伝子、内在性遺伝子、オンコジーン、導入遺伝子、または翻訳および非翻訳ＲＮＡを含むウイルス遺伝子であってもよい。考えられる例示的な標的遺伝子は、転写因子および発生遺伝子（たとえば、接着分子、サイクリン依存性キナーゼ阻害剤、Ｗｎｔファミリー・メンバ、Ｐａｘファミリー・メンバ、ウィングド・ヘリックス・ファミリー・メンバ、Ｈｏｘファミリー・メンバ、サイトカイン／リンホカインおよびこれらの受容体、増殖／分化因子およびこれらの受容体、神経伝達物質およびこれらの受容体）；オンコジーン（たとえば、ＡＢＬＩ、ＢＣＬＩ、ＢＣＬ２、ＢＣＬ６、ＣＢＦＡ２、ＣＢＬ、ＣＳＦＩＲ、ＥＲＢＡ、ＥＲＢＢ、ＥＲＢＢ２、ＥＴＳＩ、ＥＴＶ６、ＦＧＲ、ＦＯＳ、ＦＹＮ、ＨＣＲ、ＨＲＡＳ、ＪＵＮ、ＫＲＡＳ、ＬＣＫ、ＬＹＮ、ＭＤＭ２、ＭＬＬ、ＭＹＢ、ＭＹＣ、ＭＹＣＬＩ、ＭＹＣＮ、ＮＲＡＳ、ＰＩＭＩ、ＰＭＬ、ＲＥＴ、ＳＫＰ２、ＳＲＣ、ＴＡＬＩ、ＴＣＬ３、およびＹＥＳ）；腫瘍抑制因子遺伝子（たとえば、ＡＰＣ、ＢＲＡＩ、ＢＲＣＡ２、ＣＴＭＰ、ＭＡＤＨ４、ＭＣＣ、ＮＦＩ、ＮＦ２、ＲＢＩ、ＴＰ５３およびＷＴＩ）；および酵素（たとえば、ＡＣＰデサチュラーゼおよびヒドロキシラーゼ、ＡＤＰ−グルコース・ピロホリラーゼ、ＡＴＰａｓｅ、アルコールデヒドロゲナーゼ、アミラーゼ、アミログルコシダーゼ、カタラーゼ、シクロオキシゲナーゼ、デカルボキシラーゼ、デキストリナーゼ、ＤＮＡおよびＲＮＡポリメラーゼ、ガラクトシダーゼ、グルコースオキシダーゼ、ＧＴＰａｓｅ、ヘリカーゼ、インテグラーゼ、インスリナーゼ、インベルターゼ、イソメラーゼ、キナーゼ、ラクターゼ、リパーゼ、リポキシゲナーゼ、リゾチーム、ペルオキシダーゼ、ホスファターゼ、ホスホリパーゼ、ホスホリラーゼ、プロテイナーゼおよびペプチダーゼ、リコンビナーゼ、逆転写酵素、ＲＮＡ成分もしくはタンパク質成分またはその両方を含むテロメラーゼ、ならびにトポイソメラーゼ）が挙げられる。

以下の例により、星型ポリマー、星型ポリマー内包複合体およびナノシェルの調製および使用について詳細に説明する。

以下の実施例に使用された材料を表６に示す。

計測器による測定。^１Ｈ ＮＭＲスペクトルは、ｏ．ｄ．５ｍｍの試料管を用いてＢｒｕｋｅｒ Ａｖａｎｃｅ ２０００スペクトロメータ（４００ＭＨｚ）で得、内部溶媒残渣を標準とした（^１Ｈ、ＣＤＣｌ_３：δ＝７．２４）。線状標準ポリスチレンに対するポリマー・サンプルの分子量分布Ｍ_ｗ／Ｍ_ｎの測定には、Ｗａｔｅｒｓ製高分解能カラムＨＲ１、ＨＲ２、ＨＲ４ＥおよびＨＲ５Ｅを使用した分析用ゲル・パーミエーション・クロマトグラフィ（ＧＰＣ）（流量１ｍＬ／ｍｉｎ、ＴＨＦ）を用いた。吸収試験は、８４５３ Ａｇｉｌｅｎｔ ＵＶ−ＶＩＳ分光分析器を使用して行った。ナノシェルを３０００ｒｐｍでシリコンウエハにスピンコートし、サーモプレート上で１１０℃にて１分間乾燥させてから、Ｈｉｔａｃｈｉ Ｓ−４７００冷陰極電界放出型走査型電子顕微鏡を使用して特性評価を行った。ナノシェルを銅グリッドに付着させ、真空下で乾燥させて、２００ｋＶ透過型電子顕微鏡Ｔｏｐｃｏｎ ００２Ｂを使用してさらに特性評価を行った。

星型ポリマー。
以下の例に使用した星型ポリマーは１９ｎｍの流体力学的半径を有し、各ポリマーは、ポリスチレン・コア（３ｋＤａ）およびジメチルアミノエチルメタクリレート・アーム（６ｋＤａあるいは８ｋＤａ）から作られた約３３のアームを含んでいた。疎水性ポリスチレン・コアは疎水性有機色素を隔離することができ、ポリアミン・シェルは、鋳型に水溶性部位および核形成部位の両方を与える。この作業では、広い範囲のＵＶ−ＶＩＳスペクトルにおいて強い吸収特性があるため、非凝集のポルフィリン色素の使用を選択した。

疎水性カーゴ材料を下方に含む内包複合体の形成に使用した星型ポリマー構造は、ｉ）架橋疎水性コア、ｉｉ）片末端で疎水性コアに共有結合した少なくとも６つの独立したアームであって、ａ）それぞれコアに結合した内側疎水性セグメントおよびｂ）それぞれ内側疎水性セグメントに結合した外側親水性セグメントを含むアーム、およびｉｉｉ）特定の無機ナノシェル前駆体との相互作用を促進するアームの外側親水性セグメントに沿った複数の官能基を含む。さらに詳しくは、以下の例で調製した星型ポリマーは、架橋ポリスチレン・コアと、それぞれポリスチレンの内側疎水性セグメントおよびそれぞれポリ（２−（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ）メタクリル酸エチル）（ＤＭＡＥＭＡ）を含む外側親水性セグメントとを含む約３３のアームを含む。

星型ポリマーＳＰ−１の調製。
（Ａ）。「保護された」３−（ｔｅｒｔ−ブチルジメチルシリルオキシ）−１−プロピルを末端に持つポリスチレン星型ポリマー、前駆体１の合成（典型的な手順）。

３−（ｔ−ブチルジメチルシリルオキシ）−１−プロピルリチウム（０．６０ｍＬ、２０ｗｔ％シクロヘキサン溶液）を、スチレン（１２．００ｍＬ）をシクロヘキサン（２００ｍＬ）およびＴＨＦ（１０ｍＬ）の混合物に加えた撹拌溶液にアルゴン雰囲気下で加えた。２０分後、アリコート（約２ｍＬ）を採取し、脱気ＭｅＯＨ（約１５０ｍＬ）でクエンチし、「遊離」ポリスチレン・アームの代表サンプルを濾過で集めた。ｐ−ジビニルベンゼン（２．７０ｍＬ）とスチレン（０．１２ｍＬ）との混合物を含むシクロヘキサン（３．００ｍＬ）を加え、反応混合物をさらに４０分間撹拌した。次いでこの反応液を、ＭｅＯＨおよびＥｔＯＨの急速撹拌した溶液（１．５Ｌ、１：１）にゆっくり加えてクエンチした。形成された沈殿物を濾過で単離し、恒量になるまで風乾した。次いでこの粗星型ポリマーをＣＨ_２Ｃｌ_２（１００ｍＬ）に溶解させてから、アセトン（１５０ｍＬ）、その後イソプロピルアルコール（３０ｍＬ）をゆっくり加えた。生成物が容器の底に実質的な油層を形成するまで、溶液を静置した。混合物をデカントし、油を分離させ、次いでこれを真空オーブンで恒量になるまで乾燥させ、「保護された」中間体星型ポリマー（前駆体１）を得た（９．５ｇ）。^１Ｈ ＮＭＲ（４００ＭＨｚ，ＣＤＣｌ_３）δ＝０．１８（ｂｒ ｓ，６Ｈ）０．８５（ｂｒ ｓ，９Ｈ），１．４４（ｂｒ ｓ，３３０Ｈ）１．８５（ｂｒ ｓ，１６５Ｈ），３．３５（ｂｒ ｓ，２Ｈ）６．５０−６．６０（ｂｒ ｍ，３３０Ｈ），７．１０（ｂｒ ｓ，４９５Ｈ）。分析用ＧＰＣ：Ｍ_ｗ／Ｍ_ｎ＝１．１５。光散乱：Ｍ_ｗ＝６００ ０００ｇ／ｍｏｌ，Ｍ_ｗ／Ｍ_ｎ＝１．０９，Ｒ_ｈ（ａｖｇ）１０．８ｎｍ。「遊離アーム」サンプルの^１Ｈ ＮＭＲ（４００ＭＨｚ，ＣＤＣｌ_３）解析から、アームの長さは、約１６５繰り返し単位であることが示された。これは、星型ポリマーの「アーム」の概数が約３６であることを示唆した。

（Ｂ）。「脱保護された」ヒドロキシを末端に持つポリスチレン星型ポリマー、前駆体２の合成（典型的な手順）。

前駆体１（９．０ｇ）をＴＨＦ（９．０ｍＬ）に溶解させ、テトラブチルアンモニウムフルオリド（１．０ＭのＴＨＦ溶液、９．０ｍＬ）を加えた。反応液を６０時間室温で撹拌してから、５０℃まで１時間加温した。溶液を室温まで放冷してから、急速撹拌しながら、これをＭｅＯＨ（１Ｌ）にゆっくりと加えた。形成された沈殿物を濾過により単離し、恒量になるまで風乾して「脱保護された」前駆体２を得た（８．５ｇ）。^１Ｈ ＮＭＲ（４００ＭＨｚ，ＣＤＣｌ_３）δ＝１．４４（ｂｒ ｓ，３３０Ｈ）１．８５（ｂｒ ｓ，１６５Ｈ），３．４５（ｂｒ ｓ，２Ｈ）６．５０−６．６０（ｂｒ ｍ，３３０Ｈ），７．１０（ｂｒ ｓ，４９５Ｈ）。分析用ＧＰＣ：Ｍ_ｗ／Ｍ_ｎ＝１．１４。光散乱：Ｍ_ｗ＝６０８０００ｇ／ｍｏｌ，Ｍ_ｗ／Ｍ_ｎ＝１．１４，Ｒ_ｈ（ＴＨＦ、ａｖｅｒａｇｅ）１０．６ｎｍ。

（Ｃ）。外側を原子移動ラジカル重合（ＡＴＲＰ）開始剤部分で官能化したポリスチレン星型ポリマー、前駆体３の合成。

２−ブロモイソブチリルブロミド（１．４ｇ、星型ポリマー・アルコール末端基当たり４当量）を無水ジクロロメタン（３０ｍＬ）に加えた溶液を、ヒドロキシ星型ポリマー前駆体２（５．０ｇ）およびトリエチルアミン（０．７５ｇ）を無水ジクロロメタン（３０ｍＬ）に加えた溶液に０℃で１５分かけて滴下して加えた。この混合物を１４時間室温まで昇温させてから、加熱して４時間穏やかに還流させた。繰り返しメタノール沈殿させた後、純粋な生成物前駆体３を得た。ＧＰＣおよびＤＬＳ解析は、ヒドロキシ星型ポリマー出発材料の解析と大きな違いを示さなかった。生成物の^１Ｈ ＮＭＲ（ＣＤＣｌ_３，４０００ＭＨｚ）による特性評価から、定量的な末端基の変換が確認された。

（Ｄ）。ポリ（２−（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ）メタクリル酸エチル）（ＤＭＡＥＭＡ）を末端に持つポリスチレン星型ポリマー、ＳＰ−１の合成

ＡＴＲＰ開始剤、外側官能性ポリスチレン（ＰＳ）星型ポリマー前駆体３（０．３ｇ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノエチルメタクリレート（ＤＭＡＥＭＡ）（２．３ｇ）、銅（Ｉ）クロリド（５．４ｍｇ）、および４，４’−ノニル−２，２’−ビピリジン（４５．０ｍｇ）をトルエン（５．０ｍＬ）に溶解させた。この溶液を脱気し、窒素雰囲気下でシールしてから、９０℃まで１５時間加熱した。次いでこの反応液を冷却し、急速撹拌しながらヘキサン（５０ｍＬ）に加えた。こうして形成された沈殿物を単離し、塩化メチレンに溶解させ、再度急速撹拌しながらヘキサン（５０ｍＬ）に加えた。こうして形成された沈殿物を単離し、恒量になるまで風乾して星型ポリマーＳＰ−１（０．４ｇ）白色の固体として得た。^１Ｈ ＮＭＲ（４００ＭＨｚ，ＣＤＣｌ_３）δ（ｐｐｍ）＝０．７８（ｂｒ，ｓ，６Ｈ），０．９０（ｂｒ ｓ，４０Ｈ），１．０８（ｂｒ ｓ，２０Ｈ），１．４５（ｂｒ ｓ，６０Ｈ），１．８６（ｂｒ ｓ，８０Ｈ），２．３３（ｂｒ ｓ，１２０Ｈ），２．６３（ｂｒ ｓ ４０），４．１１（ｂｒ ｓ，４０），６．５０−６．６０（ｂｒ ｍ，６６Ｈ），７．１３（ｂｒ ｓ，９９Ｈ）。ＤＬＳ（ＴＨＦ）：Ｍ_ｗ＝１９０，０００ｇ／ｍｏｌ，Ｍ_ｗ／Ｍ_ｎ＝１．０５，流体力学的半径Ｒ_{ｈ（ａｖｇ）}＝８．５ｎｍ。

星型ポリマーＳＰ−２の調製。
上述のＳＰ−１の手順を用いて、ＤＭＡＥＭＡ（２．６ｇ）を使用し、６０分の反応時間で星型ポリマーＳＰ−２を調製した。

星型ポリマーＳＰ−３の調製。
上述のＳＰ−１の手順を用いて、ＤＭＡＥＭＡ（２．６ｇ）を使用し、８５分の反応時間で星型ポリマーＳＰ−３を調製した。

表７にＳＰ−１、ＳＰ−２およびＳＰ−３の特性を要約してある。表７の「ＰＳ成分」および「ＤＭＡＥＭＡ成分」は、ＮＭＲにより決定された、星型ポリマーにおけるこれらの成分の平均分子量をいう。半径「ｄ」は、光散乱により決定された流体力学的半径をいう。

星型ポリマー内包複合体を調製するための一般的な手順。
図５の反応模式図に示すように、星型ポリマー内包複合体は、星型ポリマーに内包されたカーゴ材料を含む。カーゴ材料は、非共有結合性相互作用により結合していても、または共有結合性相互作用により結合していてもよい。この例ではカーゴは疎水性色素である。限定を意図するものではなく、例示のため、図５に示した分子構造は、星型ポリマーに内包された色素の３つの分子を示す。内包されたカーゴ材料の分子数は１つでも、または複数でもよい。疎水性色素は、ポリマー・アームの内側疎水性セグメントおよび疎水性コアと接触していると考えられる。

以下の一般的な手順は、治療上有用な代表的材料（たとえば、医薬品）として疎水性ソルバトクロミック色素を利用して、水系星型ポリマー内包複合体を調製する。両親媒性星型ポリマーのナノ粒子は、疎水性／親水性相互作用により色素と共に内包される。ＴＨＦ（０．１ｍＬ、約１０ｍＭ）中に疎水性色素材料（５ｍｇ）および星型ポリマー（２５．０ｍｇ、約０．１マイクロモル）を含む溶液を調製した。この溶液を水（０．９ｍＬ）に急速撹拌しながら滴下して加えると、色素で急速かつ均一に水に色が付けた。混合物を０．４５マイクロメートルのシリンジフィルターに通して、星型ポリマーに吸着しない余分な固体色素材料を除去することで、透明かつ均一に着色された水溶液が形成された。残ったＴＨＦは真空下で除去した。さらに水を加えても、溶液の均一性に眼に見える影響は認められなかった。様々なソルバトクロミック色素材料を含む水性製剤の紫外可視（ＵＶ−ＶＩＳ）吸収スペクトルを使用すると、これらのモデル疎水性材料が水性環境で星型ポリマーと結合していることが証明される。

ポルフィリン色素ＤＴＢＰを用いた内包複合体、ＯＣ−１の調製。
上述の手順を使用して、星型ポリマーＳＰ−１および下記５，１０，１５，２０−（３，５−ジテルトブチルフェニル）ポルフィリン（Ｍ＝２Ｈ）（ＤＴＢＰ）から星型ポリマー内包複合体ＯＣ−１を調製した。

図６は、左からｉ）水中で単独の星型ポリマーＳＰ−１、ｉｉ）水中で単独のポルフィリン色素ＤＴＢＰ、およびｉｉｉ）星型ポリマー内包複合体ＯＣ−１を含むバイアルが並んだ写真である。各バイアルに重ねた図は、対応する材料の三次元図である。水中に星型ポリマーＳＰ−１を含む左のバイアルは、無色透明である。水中にポルフィリン色素ＤＴＢＰを含む中央のバイアルは透明で、ＤＴＢＰが沈殿し、水相の上部に浮遊している。水中に星型ポリマー内包複合体ＯＣ−１を含む右のバイアルは、透明でマゼンタの色合いである。

無機ナノシェルの調製。
Ｉ．金ナノシェルの一般的な調製：
Ｐｈａｍ等、Ｌａｎｇｍｕｉｒ ２００２，１８，ｐａｇｅｓ ４９１５−４９２０に従い、金シード（平均直径１ｎｍ〜３ｎｍ）を調製した。要約すると、ＮａＯＨ（４．５ｍＬ、０．２Ｍ）を４５．５ｍＬのミリポア水に加え、この溶液を２分間６００ｒｐｍで撹拌した。その後、混合物に、１ｍＬのミリポア水で希釈した８０％テトラキス（ヒドロキシメチル）ホスホニウムクロリド（ＴＨＰＣ）１２マイクロリットルを加え、さらに２分間撹拌した。溶液のｐＨは約１２であった。最終ステップで金（ＩＩＩ）クロリド（２ｍＬ、０．０２９Ｍ）を速やかに添加した。金（ＩＩＩ）クロリドを加えると、溶液は無色から淡褐色に変化した。得られた金シードの溶液をさらに５分間撹拌した。次いで星型ポリマー内包複合体を含む水溶液（５ｍＬ）を金シードの水溶液（５ｍＬ）と混合した。合わせた溶液を水（１０ｍＬ）で希釈し、一晩撹拌した。分画分子量（ＭＷＣＯ）１２，０００Ｄａ〜１４，０００Ｄａのセルロース透析膜を使用して、溶液を水に対して２４時間透析した。透析した溶液を４℃で保存することにより、金シード内包複合体が生成された。この方法で形成された金シード内包複合体の三次元図を図５に示す。金（ＩＩＩ）クロリド溶液（０．０９５５Ｍ、１．７４ｍＬ）を９８．２ｍＬのミリポア水で希釈し、炭酸カリウム（１００ｍｇ）を加えた。得られた溶液を暗所で２４時間熟成し、以下の成長ステップのための水酸化金（ＩＩＩ）溶液を形成した。金成長ステップは、６５０ｒｐｍで１分間ボルテックス撹拌しながら、金シード内包複合体溶液（９ｍＬ）の水酸化金溶液（１４．８ｍＬ）を混合することにより開始した。次いでこの混合物にヒドロキシルアミンヒドロクロリド溶液（０．０２６％で新たに調製、２０ｍＬ）を４５秒かけて加えた。最終溶液をさらに１５分間撹拌し、その後の精製ステップの前に４℃で保存した。金ナノシェル溶液を水に対して２４時間、その後メタノールに対して２４時間透析した（ＭＷＣＯ１２，０００Ｄａ〜１４，０００Ｄａのセルロース膜）。金ナノシェル粒子は、凍結乾燥により単離した。

金ナノシェルの粒度は、下記の表８に示したように、金シード星型ポリマー溶液の量と添加されるヒドロキシルアミン溶液の量との比率、成長溶液試薬（すなわち、水酸化金、金シード星型ポリマー溶液、およびヒドロキシルアミンヒドロクロリド）の総量もしくは試薬濃度またはその両方、およびヒドロキシルアミンの添加速度によって決まる。たとえば、平均１１０ｎｍ粒子（直径）を得るには、水酸化金、金シード星型ポリマー溶液、およびヒドロキシルアミンヒドロクロリドの量は、それぞれ１４．８ｍＬ、９ｍＬ、および２０ｍＬであった。

金ナノシェル、ＡｕＮＳ−１の調製。
上述の手順を使用して、星型ポリマー内包複合体ＯＣ−１から金ナノシェルＡｕＮＳ−１を調製した。ＳＥＭ画像から測定したところ、平均粒子直径は１１０ｎｍであった。図７Ａおよび図７Ｂはそれぞれ、市販されている固体金粒子と金ナノシェルＡｕＮＳ−１とを比較したＳＥＭ画像である。各写真の粒度は同様で、約１１０ｎｍである。この粒度は、たとえば、薬剤などの生物活性材料のインビボでの全身送達に好適である。ＡｕＮＳ−１ナノ粒子は各々、図７Ｂの三次元図に示すように、星型ポリマー内包複合体の複数の巨大分子を包み込むと考えられる。図７Ａおよび図７ＢのＴＥＭ画像に挿入した画像は、それぞれ固体金ナノ粒子およびＡｕＮＳ−１ナノ粒子の水溶液である。図７Ａの固体金ナノ粒子溶液は、マゼンタである。図７ＢのＡｕＮＳ−１溶液は、ダークブルーである。図８は、固体金ナノ粒子とＡｕＮＳ−１との吸収スペクトルを比較する。固体金ナノ粒子は５８６ｎｍにピーク吸光度を有したのに対し、ＡｕＮＳ−１は４２０ｎｍ（ポルフィリンＤＴＢＰ）および７７８ｎｍにピーク吸光度を有する。ＡｕＮＳ−１溶液のみが、約６００ｎｍ〜１０００ｎｍを超える生体の光学窓で吸収する。

様々な反応パラメータの変更による作用。
合成条件（たとえば、成長溶液の濃度、星型ポリマー当たりのシードの量もしくは成長時間またはそれらすべて）を変更することにより、様々な金ナノシェル粒度および近赤外（ＮＩＲ）吸収を達成することができる。以下の実施例２および３は、様々に異なる反応条件パラメータの作用を立証する。

ＳＰ−１からの金ナノシェルＡｕＮＳ−２の調製。
星型ポリマーＳＰ−１（その内包複合体ＯＣ−１ではなく）を鋳型として使用し、さらに６ｍＬの金シード星型ポリマーＳＰ−１溶液（９ｍｌのＯＣ−１溶液ではなく）、半分量のヒドロキシルアミン溶液、およびヒドロキシルアミン溶液の添加時間２０分を使用した以外は、ＡｕＮＳ−１の形成に使用した上記の手順をＡｕＮＳ−２の形成にも使用した。

ＳＰ−１からの金ナノシェルＡｕＮＳ−３の調製。
６ｍＬの金シード星型ポリマー内包複合体ＯＣ−１溶液、半分量のヒドロキシルアミン溶液、およびヒドロキシルアミン溶液の添加時間５分を使用した以外は、ＡｕＮＳ−３の形成にも、ＡｕＮＳ−１の形成に使用した上記の手順を使用した。表８に、形成される金ナノシェルの平均粒子直径に対する様々に異なる反応パラメータの作用をまとめてある。

金ナノシェルへの第２のシェルの塗布−ＡｕＮＳ−２からの金ナノシェルＡｕＮＳ−４の調製。
金ナノシェルはそれ自体、最初の金ナノシェルを囲む追加シェルを与える第２の成長ステップを開始させるために使用してもよい。たとえば、金ナノシェルＡｕＮＳ−４については、金「シードした」鋳型ＯＣ−１の代わりに金ナノシェルＡｕＮＳ−２を使用した以外は、ＡｕＮＳ−１の形成に使用した上記の手順を使用して、ＡｕＮＳ−４に第２の追加金ナノシェルを設けて形成した（粒度は、ＡｕＮＳ−２の平均９０ｎｍからＡｕＮＳ−４の平均２２０ｎｍに増加した）。

図９は、それぞれ平均粒度９０ｎｍ、１１０ｎｍ、２００ｎｍおよび２２０ｎｍを有するＡｕＮＳ−１からＡｕＮＳ−４のＳＥＭのセットである。図１０は、ＡｕＮＳ−１からＡｕＮＳ−４の部分的なＶＩＳ−ＮＩＲ吸収曲線を示すグラフであり、粒度の大きい溶液のレッド・シフトを示す。図１１は、ＡｕＮＳ−１からＡｕＮＳ−４の水溶液の写真であり、左側のマゼンタ−パープルから右側の濃い青色への色の変化を示す。

ＡｕＮＳ−１からのＰＥＧ化金ナノシェルＡｕＮＳ−５の調製。
図１２は、金ナノシェル表面の周りに官能性有機材料の追加表面コーティングを有する星型ポリマー内包複合体の周囲の金ナノシェルの構造を示す三次元図である。

金ナノシェルは、官能性有機材料（有機タグ化剤）の外面コーティングを付加することでさらに官能化してもよい。たとえば、金ナノシェルＡｕＮＳ−１を溶液中で有機タグ化剤としてのα−メトキシ−ω−メルカプトポリ（エチレングリコール）ＰＥＧ化剤（ＰＥＧ ＭＷ５，０００ダルトン）と接触させて表面修飾ＰＥＧ官能性金ナノシェルＡｕＮＳ−５を得、これを水に対して透析（ＭＷＣＯ＝１４ｋＤａ）することによりさらに精製してから凍結乾燥粉末になるまで凍結乾燥した。ＰＥＧ鎖は、メルカプト末端基を介してタグ化ナノシェルの表面に共有結合している。図１３は、凍結乾燥粉末（左）および水溶液（右）としてＰＥＧ官能性金ナノシェルＡｕＮＳ−５を含むバイアルの写真である。粉末および溶液は、どちらも青色の色合いを有する。

ｐＨの作用。
星型ポリマー内包複合体の凝集および金ナノシェルの大きさは、以下の実施例６および７、ならびに図１４の三次元図に示すようにｐＨにより制御することができる。単分子星型ポリマー内包複合体ＯＣ−１は、２０ｎｍ〜２５ｎｍの平均粒度を有する。

ｐＨ３．１８での金ナノシェル、ＡｕＮＳ−６の調製。
成長ステップの前に水性ＨＣｌを添加してｐＨ３．１８に調整した金シード溶液を用いた以外は、ＡｕＮＳ−１の形成に使用した上記の手順を用いて、ＡｕＮＳ−６を形成した。

ｐＨ８．４での金ナノシェル、ＡｕＮＳ−７の調製
成長ステップの前に水性ＮａＯＨを添加してｐＨ８．４に調整した金シード溶液を用いた以外は、ＡｕＮＳ−１の形成に使用した上記の手順を用いて、ＡｕＮＳ−７を形成した。

図１５は、それぞれ実施例６および７で調製した金ナノシェルＡｕＮＳ−６およびＡｕＮＳ−７、ならびにＡｕＮＳ−１の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）のセットである。ＡｕＮＳ−６のＳＥＭ画像から測定した平均粒度は５０ｎｍであった。ＡｕＮＳ−７の平均粒度は８０ｎｍであった。これらをＡｕＮＳ−１（内部シード溶液、ｐＨ１１．３で調製）のＳＥＭ画像と比較してある。ＡｕＮＳ−１は、１１０ｎｍの平均粒度を有した。

星型ポリマーのアミン含有量の作用。
金ナノシェルの大きさは、以下の実施例８および９に示すように星型ポリマーのペンダント・アミン含有量（ＤＭＡＥＭＡ）により制御することができる。単分子星型ポリマー内包複合体ＯＣ−１からＯＣ−３は、１８ｎｍ〜２４ｎｍの平均粒度を有する。

星型ポリマーＳＰ−２（ＳＰ−２の粒子直径２２ｎｍ、表７）を用いた金ナノシェル、ＡｕＮＳ−８の調製。
鋳型が星型ポリマーＳＰ−２（表７）から形成した内包複合体ＯＣ−２である以外は、ＡｕＮＳ−１の形成に使用した上記の手順を用いて、ＡｕＮＳ−８を形成した。

星型ポリマーＳＰ−３（ＳＰ−３の粒子直径２４ｎｍ、表７）を用いた金ナノシェル、ＡｕＮＳ−９の調製。
鋳型が星型ポリマーＳＰ−３（表７）から形成した内包複合体ＯＣ−３である以外は、ＡｕＮＳ−１の形成に使用した上記の手順を用いて、ＡｕＮＳ−９を形成した。ＡｕＮＳ−９は、平均で１〜２個のＯＣ−２の巨大分子を含むと考えられる。

図１６は、金ナノシェルＡｕＮＳ−８（実施例８）、ＡｕＮＳ−１、およびＡｕＮＳ−９（実施例９）の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）のセットである。平均粒度および多分散性は、アミン含有量と共に大きくなる。ＡｕＮＳ−８の平均粒度は５０ｎｍであった。ＡｕＮＳ−８は、平均で１〜２個の巨大分子を含むと考えられる。ＡｕＮＳ−９の平均粒度は１２０ｎｍであった。ＡｕＮＳ−９はより多分散であり、約５０ｎｍ〜約１５０ｎｍの粒度範囲を有する。

金ナノシェルの他の特性評価。
図１７〜図１８Ｃは、金ナノシェルＡｕＮＳ−１に使用した様々な特性評価技術により得られた画像である。図１７は、ＡｕＮＳ−１の電子エネルギー損失スペクトル（ＥＥＬＳ）であり、挿入画像に示した線に沿ってサンプル中の炭素および金の周期的存在が示され、ナノ粒子の明部は比較的高比率の金を含み、暗い方の領域は、比較的に高比率の炭素を含むことが確認される。暗い方の領域は、直径が約１６ｎｍ〜１８ｎｍである。図１８Ａは、小塊状の表面トポグラフィを拡大倍率で示す明視野透過型電子顕微鏡写真（ＢＦ−ＴＥＭ）である。図１８Ｂは、走査透過型電子顕微鏡（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ）で取得した高角度散乱暗視野顕微鏡写真であり、ＡｕＮＳ−１ナノシェルの別の詳細なトポグラフィ写真を示す。小塊は約１８ｎｍの直径を有し、約１６ｎｍの間隔がある。図１８Ｃは、ＡｕＮＳ−１の断面の走査型電子顕微鏡写真である（集束イオンビーム（ＦＩＢ）ミリングにより生成された断面サンプル）。

金ナノシェルの蛍光。
図１９Ａは、星型ポリマー内包複合体ＯＣ−１（４２３ｎｍの単一ピーク）と金ナノシェルＡｕＮＳ−１（４１９ｎｍおよび７９０ｎｍのピーク）とのＵＶ−ＶＩＳ吸収スペクトルを比較する。図１９Ｂは、４２０ｎｍ励起のＯＣ−１と金ナノシェルＡｕＮＳ−１との蛍光発光スペクトルを比較する。内包複合体に内包されたポルフィリン色素の蛍光は、金ナノシェル内に保持されている。色素は、星型ポリマー内包複合体および金ナノシェル内で実質的に非凝集状態である。

ＩＩ． ケイ素ナノシェルの調製：
開示された星型ポリマーは、それらの外側に核形成部位を有するように設計してもよい。そうした星型ポリマーは種々の有機色素と内包複合体を形成できるため、複雑な構造のケイ素系ナノシェルを形成する別の多用途の鋳型となる。

「２ポット」法を用いたケイ素ナノシェルの合成。
図２０Ａは、ケイ素ナノシェルを形成する「２ポット」法を分子モデルを用いて図示する。第１のステップでは、適切な星型ポリマー（２０ｍｇ）およびポルフィリン色素ＤＴＰＢ（２ｍｇ）をＴＨＦ（２０マイクロリットル）に溶解させた。急速撹拌しながら、この混合物をエタノール（４ｍＬ）に滴下して加えることにより、内包複合体を作った。図２１Ａは、この方法で形成した星型ポリマー内包複合体ＯＣ−４（Ｚ＝１０ｎｍ）の原子間力顕微鏡画像（ＡＦＭ）である。この混合物をポリ（テトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ）フィルタ（０．２マイクロメートル）を使用して濾過し、アリコート（２ｍＬ）を、水酸化アンモニウム（３０％ｗ／ｖ）をエタノール（１：１９ｖ／ｖ、２０ｍＬ）に溶かした水溶液に加えた。この溶液に、０．１５ｍＬの第１のケイ素剤（たとえば、ＴＥＯＳ）を加え、反応物を室温で２時間撹拌した。反応は、粒子の凝集を防ぐため２時間を超えて進行させなかった。ステップ２では、トルエン（３００ｍＬ）の導入により反応を止めた。溶媒容量を真空下、６０℃で濃縮し、最終容量を約１０ｍＬとした。次いで官能性オルガノシラン（たとえば、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ））を加え（１．５ｍＬ）、反応物を１６時間室温で撹拌した。こうして形成された官能性ケイ素ナノシェルを、メタノールに対する透析（７ｋＤａカットオフ）を繰り返して精製した。ステップ１の図２０Ａに示すヒドロキシル基は、ナノ粒子のシリケート・ナノシェルに残留する表面結合シラノールＯＨ基である。

ＴＥＯＳは水と反応し（アンモニアおよび、おそらく星型ポリマーのアミンにより触媒される）、それ自体が縮合し始めると考えられる。縮合材料の表面に形成されるシラノール基は、星型ポリマーに見られるアミンに比較して酸性度が高い。縮合材料は、早い段階で速やかに星型ポリマーに静電気的に結合すると考えられるため、ＴＥＯＳの連続した縮合の前に星型ポリマーに「シードする」。

シリカ・ナノシェル、ＳｉＮＳ−１の調製。
星型ポリマー内包複合体ＯＣ−４、および上記のような官能性オルガノシリケートとしてのＨＭＤＳを出発物質として、上記の「２ポット」手順を使用して、シリカ・ナノシェルを調製した。図２１Ｂは、約２５ｎｍの粒度を示すＳｉＳＮ−１のＴＥＭである。

固体シリカ粒子の調製。
比較例として、２ポット手順を用いて星型ポリマー内包複合体を使用せずに、固体シリカ粒子を調製した。こうした粒子を図２２Ａに示す。粒子直径は、約５０ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲である。

「１ポット」法を用いたシリカ・ナノシェルの合成。
「２ポット」方法は有効であったが、サンプルの処理時間を大幅に短縮した１ポット形態にさらに最適化した。さらに、より反応性の高いケイ素剤を使用した場合、反応時間も大幅に短縮された。

図２０Ｂは、シリカ・ナノシェルを形成する「１ポット」法を分子モデルを用いて図示する。一般的な手順では、ＴＥＯＳ（２１マイクロリットル）を、星型ポリマー内包複合体のアリコート２ｍＬを含むエタノール（２０ｍＬ）に加え（「２ポット」法で上記した通り）、反応混合物を室温で３時間撹拌した。官能性オルガノシラン（たとえば、３−アミノプロピルジメチルエトキシシラン）を直接加え（１２マイクロリットル）、反応物をさらに１６時間室温で撹拌した。メタノールに対して透析（７ｋＤａカットオフ）を繰り返し、こうして形成された官能性シリカ・ナノシェルを精製した。ステップ１の図２０Ｂに示すアミン基は、本反応で官能性オルガノシラン成分として３−アミノプロピルジメチルエトキシシランを使用した場合に形成されるナノ粒子のシェルに残留する表面結合アミン基である。

「１ポット」法を用いたシリカ・ナノシェル、ＳｉＳＮ−２の調製。
星型ポリマー内包複合体ＯＣ−４、および官能性オルガノシリケートとしての３−アミノプロピルジメチルエトキシシランを用い、上述の手順を使用して、シリカ・ナノシェルＳｉＮＳ−２を調製した。図２２Ｂは、約３０ｎｍの平均粒度を有するＳｉＳＮ−２ナノシェルのＳＥＭである。

シリカ・ナノシェルの大きさの制御。
以下の実施例１３〜１６は、シリカ・ナノシェルの粒度を、コーティング時間、コーティング試薬の濃度もしくは星型ポリマーの大きさまたはそれらすべて（こうした様々なパラメータから得られる混合例が示される）により制御することができることを立証する。

シリカ・ナノシェル、ＳｉＮＳ−３の調製。
第２のオルガノシリケート材料としてＤＰＤＳを用い、上記のようなＳｉＮＳ−１の２ポット法を使用して、ＳｉＮＳ−３を生成した。図２３Ａは、約２５ｎｍの平均粒度を有するＳｉＮＳ−３ナノシェルのＴＥＭである。

シリカ・ナノシェル、ＳｉＮＳ−４の調製。
第２のオルガノシリケート材料としてのＤＰＤＳおよび伸長反応時間を用い、上記のような１ポット法を使用して、ＳｉＮＳ−４を生成した。図２３Ｂは、約５０ｎｍの平均粒度を有するＳｉＮＳ−４ナノシェルのＴＥＭである。

シリカ・ナノシェル、ＳｉＮＳ−５の調製。
第２のオルガノシリケート材料としてのＤＰＤＳおよび１ｍｌの水酸化アンモニウム溶液を用い、上記のような１ポット法を使用して、ＳｉＮＳ−５を生成した。図２４Ａは、約７５ｎｍの平均粒度を有するＳｉＮＳ−５ナノシェルのＴＥＭである。

シリカ・ナノシェル、ＳｉＮＳ−６の調製。
第２のオルガノシリケート材料としてのＤＰＤＳおよび１．１５ｍｌの水酸化アンモニウム溶液を用い、上記のような１ポット法を使用して、ＳｉＮＳ−２を生成した。図２４Ｂは、約１００ｎｍの平均粒度を有するＳｉＮＳ−６ナノシェルのＴＥＭである。

凝集が起こる前にシェル形成反応を終了させる最大時間は、２時間であった。このため、一定範囲の様々な大きさのシリカ・ナノシェルを生成する時間表を作成した。

シリカ・ナノシェルの表面タグ化。
以下の例は、シリカ・ナノシェルの表面タグ化を立証する。ＴＥＯＳを用いて１ポット・プロセスで、ポルフィリン内包星型ポリマーをケイ素含有シェルでコーティングし、粒子の表面をアミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳ）で処理して表面アミン基を導入した。得られた粒子を、代表的な細胞標的化剤としてα−メトキシ−ω−カルボン酸スクシニミジルエステルポリ（エチレングリコール）および塩化ダンシルで連続処理することにより、表面タグ化した。表面機能化は、水に対する十分な透析の前後にＵＶ−ＶＩＳスペクトルのダンシル成分とポルフィリン成分とを比較して点検した。図２５は、連続的なタグ化反応を模式的に示す。

タグ化シリカ・ナノシェル、ＳｉＮＳ−７の調製。
ナノシェルの表面を修飾するには、有機タグ化剤を使用してもよい。アミノ官能性ＳｉＮＳ−２（２０ｍｇ）をジクロロメタンとトリエチルアミンとの溶液（９：１）に溶解させてから、この反応液に、有機タグ化剤として７５０ＤａのＰＥＧ平均分子量（０．２ｇ）を有するα−メトキシ−ω−カルボン酸スクシニミジルエステルポリ（エチレングリコール）を加えた。次いで反応液を室温で２４時間撹拌してから、第２の有機タグ化剤として塩化ダンシル（０．２ｇ）を加え、次いで反応液をさらに２４時間撹拌した後、ＭｅＯＨ、次いで水に対する透析（ＭＷＣＯ＝１５ｋＤａ）により精製した。得られた溶液を凍結乾燥してＳｉＳＮ−７を粉末として得た。

タグ化シリカ・ナノシェル、ＳｉＮＳ−８の調製。
２０００ＤａのＰＥＧ平均分子量を有するα−メトキシ−ω−カルボン酸スクシニミジルエステルポリ（エチレングリコール）を有機タグ化剤として用い、ＳｉＮＳ−７の上述の手順を使用して、タグ化シリカ・ナノシェル、ＳｉＮＳ−８を調製した。

タグ化シリカ・ナノシェル、ＳｉＮＳ−９の調製。
５，０００ＤａのＰＥＧ鎖平均分子量を有するα−メトキシ−ω−カルボン酸スクシニミジルエステルポリ（エチレングリコール）を有機タグ化剤として用い、ＳｉＮＳ−７の上述の手順を使用して、タグ化シリカ・ナノシェル、ＳｉＮＳ−９を調製した。

タグ化シリカ・ナノシェル、ＳｉＮＳ−１０の調製。
１０，０００ＤａのＰＥＧ平均分子量を有するα−メトキシ−ω−カルボン酸スクシニミジルエステルポリ（エチレングリコール）を有機タグ化剤として用い、ＳｉＮＳ−７の上述の手順を使用して、タグ化シリカ・ナノシェル、ＳｉＮＳ−１０を調製した。

図２６Ａは、ＰＥＧ化およびダンシル化シリカ・ナノシェルＳｉＮＳ−７〜ＳｉＮＳ−１０（実施例１７〜２０）の吸収曲線を比較する。塩化ダンシルは約３８０ｎｍのピークを有するのに対し、ダンシル化シリカ・ナノシェルは約３２０ｎｍ〜３４０ｎｍのピークを有する。図２６Ｂは、約３０ｎｍ〜４０ｎｍの平均粒度を有するタグ化シリカ・ナノシェルＳｉＮＳ−９のＴＥＭである。図２７Ａは、予めタグ化したシリカ・ナノシェル（左から右に）ＳｉＮＳ−２（左、懸濁水溶液）、タグ化シリカ・ナノシェルＳｉＮＳ−８（中央、水溶液）、水（右、参考として提供）の水溶液の写真である。図２７Ｂは、凍結乾燥粉末としてのＳｉＮＳ−８を含むバイアルの写真である。

徐放。
以下の例は、ダンシル化シリカ・ナノシェルが薄いケイ素含有シェル（２０ｎｍの粒子）を有する場合、ポルフィリンがタグ化シリカ・ナノシェルから漏出し得、ケイ素含有シェルが厚い（３０ｎｍの粒子）場合、ポルフィリン色素が保持され得ることを立証する。

ダンシル化シリカ・ナノシェル、ＳｉＮＳ−１１の調製。
ナノシェルの厚さを制御する伸長反応時間を用い、ＳｉＮＳ−２の上述の手順を使用して、前駆体シリカ・ナノシェルを調製した。前駆体ナノシェル溶液を、ジクロロメタンに対する透析（ＭＷＣＯ＝１４ｋＤａ）によりジクロメタンと溶媒交換してから、塩化ダンシル（０．２ｇ）およびトリエチルアミン（０．２ｍＬ）を加えた。反応液を室温で２４時間撹拌してから、ＭｅＯＨ、次いで水に対する透析（ＭＷＣＯ＝１５ｋＤａ）により精製した。ナノシェルＳｉＮＳ−１１は、図２８ＡのＴＥＭに示すように３０ｎｍの直径を有した。

タグ化シリカ・ナノシェル、ＳｉＮＳ−１２の調製。
ナノシェルの厚さを制御する短い反応時間を用い、ＳｉＮＳ−１１の上述の手順を使用して、ＳｉＮＳ−１２を調製した。ＳｉＮＳ−１２のナノシェルは、図２８ＢのＴＥＭに示すように２０ｎｍの直径を有した。

ＳｉＮＳ−１１およびＳｉＮＳ−１２を水に対して７２時間透析（ＭＷＣＯ＝１４ｋＤａ）した。図２９の吸収曲線は、シェルの厚さ３０ｎｍ（ＳｉＮＳ−１１）ではポルフィリン色素がほとんど放出されない（４２０ｎｍでピークが保持される）のに対し、シェルの厚さ２０ｎｍ（ＳｉＮＳ−１２）では、実質的にすべてのポルフィリン色素が放出される（４２０ｎｍでピークが消失）。

ＩＩＩ． 酸化鉄ナノシェルの調製。
オレイル酸およびオレイルアミンの存在下でベンジルエーテル中の鉄（ＩＩＩ）アセチルアセトンの熱分解により酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４、６ｎｍ）ナノ粒子を合成し、この界面活性剤安定化酸化鉄ナノ粒子を、Ｓ．Ｊ．Ｓｕｎ等、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．２００４，１２６，２７３に記載されているようにヘキサンに沈殿させて単離した。

一般的な手順では、適切な星型ポリマー（２０ｍｇ）と、疎水性ポルフィリン色素（２ｍｇ）と、界面活性剤安定化酸化鉄ナノ粒子（１０ｍｇ）の溶液をＴＨＦ（０．２ｍＬ）に溶解させ、周囲温度で３０分間撹拌してから、急速撹拌しながらこの溶液を速やかに水に注入した。こうして形成された水溶液を０．２マイクロメートルのテフロン・フィルタで濾過し、遠心分離によりさらに精製した。

酸化鉄ナノシェルＳＰＩＯＮＮＳ−１の調製。
星型ポリマーＳＰ−１を使用した上述の手順を用いて、酸化鉄ナノシェルＳＰＩＯＮＮＳ−１水を生成した。図３０Ａは、ＳＰＩＯＮＮＳ−１のＴＥＭである。図３０Ｂは、赤錆色の色合いを有する水溶液（左）および褐色の凍結乾燥粉末（右）のＳＰＩＯＮＮＳ−１の一対の写真である。この溶液は、図３１の吸収曲線に示すように４２０ｎｍおよび５５０ｎｍにＵＶ−ＶＩＳのピークを有し、６５０ｎｍおよび７２０ｎｍの発光ピーク（４２０ｎｍの励起）を有する。

理論に束縛されるものではないが、内包された色素成分およびシェル成分を生成する自己組織化プロセスは、相前後して行われ得ると考えられる。疎水性色素が星型ポリマーの内側に保持されて内包複合体を形成し、そのポリマー構造が色素をある程度外部環境から遮蔽する。加えて、酸化鉄ナノ粒子は、ポリマーの外側に結合してナノシェルを形成し、ポリマーをある程度外部環境から遮蔽すると考えられる。

本明細書に使用した用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合、単数形「１つの（ａ、ａｎ）」および「前記（ｔｈｅ）」は、文脈上明らかに他の意味に解すべき場合を除き、複数形も含むことを意図している。さらに、「〜を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」もしくは「〜を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語またはその両方は、本明細書に使用する場合、記載した特徴、整数、ステップ、操作、要素、もしくは成分またはそれらすべての存在を明記するものであるが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、成分、もしくはそれらの群またはそれらすべての存在または付加を排除するものではないことも理解されよう。２つの限界値ＸおよびＹを用いた範囲を使用して考えられる値を表現する場合（たとえば、Ｘｐｐｍ〜Ｙｐｐｍの濃度）、他に記載がない限り、その値はＸでも、Ｙでも、またはＸとＹとの間の任意の値でもよい。

本発明の記載は、例示および説明を目的として提示したものであるが、網羅的であること、または開示した形態に本発明を限定することを意図するものではない。本発明の範囲および精神を逸脱することなく、多くの修正および変形が当業者には明らかになるであろう。各実施形態については、本発明の原理およびその実用的用途を最もよく説明し、当業者が本発明を理解できるように選択し、記載した。

Claims (40)

1. ｉ）６つ以上の独立したポリマー・アームに共有結合した架橋コアを有する両親媒性単分子星型ポリマー、およびｉｉ）前記星型ポリマーに内包されたカーゴ材料を含む星型ポリマー内包複合体；および
   前記星型ポリマー内包複合体の外側表面と接触した無機材料を含むシェル
   を含むナノシェル。
2. ｉ）前記コアは疎水性であり、ｉｉ）前記カーゴ材料は疎水性であり、かつｉｉｉ）前記６つ以上のポリマー・アームは別々に、ａ）前記コアに共有結合した疎水性鎖セグメントおよびｂ）前記疎水性鎖セグメントに結合した外側親水性鎖セグメントを含む、請求項１に記載の組成物。
3. 前記ナノシェルは前記星型ポリマー内包複合体の２つ以上の巨大分子を含む、請求項１に記載の組成物。
4. 前記シェルは１つまたは複数のシェル層を含む、請求項１に記載の組成物。
5. 前記１つまたは複数のシェル層は多孔性である、請求項４に記載の組成物。
6. 前記シェルは四価ケイ素材料もしくは金属またはその両方を含む、請求項１に記載の組成物。
7. 前記ナノシェルは約１５ｎｍ〜約３００ｎｍの平均直径を有する、請求項１に記載の組成物。
8. 前記カーゴ材料は造影剤である、請求項１に記載の組成物。
9. 前記造影剤はポルフィリノイド化合物であり、前記ポルフィリノイド化合物は実質的に非凝集である、請求項８に記載の組成物。
10. 前記カーゴ材料は生物活性化合物である、請求項１に記載の組成物。
11. 前記生物活性化合物は薬剤である、請求項１０に記載の組成物。
12. 前記シェルは連続している、請求項１に記載の組成物。
13. 前記シェルは金を含む、請求項１に記載の組成物。
14. 前記シェルはシリカを含む、請求項１に記載の組成物。
15. 前記シェルは酸化鉄を含む、請求項１に記載の組成物。
16. 前記シェルに共有結合した有機表面基をさらに含む、請求項１に記載の組成物。
17. 前記有機表面基は色素、ポリ（アルキレンオキシド）鎖セグメント、ポリ（アルキレンイミン）鎖セグメント、生物活性部分、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される化学部分を含む、請求項１６に記載の組成物。
18. 両親媒性単分子星型ポリマーであって、６つ以上の独立したポリマー・アームに共有結合した架橋コアを有する前記星型ポリマーとカーゴ材料との混合物を第１の溶媒中で形成するステップ；
    前記カーゴ材料の非溶媒である第２の溶媒に前記混合物を注入することにより、前記星型ポリマーに内包された前記カーゴ材料を含む星型ポリマー内包複合体を形成するステップ；および
    １つまたは複数の連続的プロセスを用いて前記星型ポリマー内包複合体の外側表面にシェル形成無機材料を付着させることにより、１つまたは複数の無機シェル層を含むシェルを含むナノシェルを形成するステップ
    を含む方法。
19. 前記ナノシェルを１つまたは複数の有機タグ化剤で処理することにより、タグ化ナノシェルであって、前記タグ化ナノシェルのシェル表面に共有結合した１つまたは複数の有機表面基を含むタグ化ナノシェルを形成するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. ｉ）前記コアは疎水性であり、ｉｉ）前記カーゴ材料は疎水性であり、かつｉｉｉ）前記６つ以上のポリマー・アームは別々に、ａ）前記コアに共有結合した疎水性鎖セグメントおよびｂ）前記疎水性鎖セグメントに結合した外側親水性鎖セグメントを含む、請求項１８に記載の方法。
21. 前記ナノシェルは前記星型ポリマー内包複合体の２つ以上の巨大分子を含む、請求項１８に記載の方法。
22. 前記星型ポリマーは有機触媒開環重合により形成される、請求項１８に記載の方法。
23. 前記星型ポリマーはポリカーボネート鎖セグメント、ポリエステル鎖セグメント、またはこれらの組み合わせを含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記カーゴ材料はポルフィリノイド化合物である、請求項１８に記載の方法。
25. 前記カーゴ材料は薬剤である、請求項１８に記載の方法。
26. 前記シェルは金を含む、請求項１８に記載の方法。
27. 前記星型ポリマー内包複合体の外側表面にシェル形成無機材料を付着させる前記ステップは、ｉ）予め形成した金シードで前記星型ポリマー内包複合体を処理することにより、シード内包複合体を形成するステップ、およびｉｉ）無電解付着により前記シード内包複合体に金を付着させることにより、前記ナノシェルを形成するステップを含み、前記ナノシェルは金を含むシェルを含む、請求項１８に記載の方法。
28. 前記シェルはシリカを含む、請求項１８に記載の方法。
29. 前記星型ポリマー内包複合体の外側表面にシェル形成無機材料を付着させる前記ステップは、ｉ）第１の溶媒中で前記星型ポリマー内包複合体を第１の四価ケイ素材料で処理することにより、前駆体シリカ・ナノシェルを形成するステップ、ｉｉ）第２の溶媒中で前記前駆体シリカ・ナノシェルを第２の四価ケイ素材料で処理することにより、ナノシェルを形成するステップを含み、前記ナノシェルは四価ケイ素材料を含むシェルを含む、請求項１８に記載の方法。
30. 前記第１の四価ケイ素剤はオルガノシリケートであり、前記第２の四価ケイ素剤はオルガノジシラザンである、請求項２９に記載の方法。
31. 求核基を含む四価ケイ素化合物で前記ナノシェルを処理することにより、アミン、チオール、アルコール、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される求核性表面基を含む修飾シェルを含む修飾ナノシェルを形成するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
32. 反応して前記求核性表面基と共有結合を形成することができる有機タグ化剤で前記修飾ナノシェルを処理することにより、タグ化ナノシェルを形成するステップをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
33. 前記有機タグ化剤は色素、ポリ（アルキレンオキシド）鎖セグメント、ポリ（アルキレンイミン）鎖セグメント、生物活性化合物、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項３２に記載の方法。
34. 前記シェルは酸化鉄を含む、請求項１８に記載の方法。
35. 前記星型ポリマー内包複合体の外側表面にシェル形成無機材料を付着させる前記ステップは、前記星型ポリマー内包複合体を酸化鉄ナノ粒子で処理することにより、前記ナノシェルを形成するステップを含み、前記ナノシェルは酸化鉄ナノ粒子を含むシェルを含む、請求項１８に記載の方法。
36. 前記ナノシェルは約１５ｎｍ〜約３００ｎｍの平均直径を有する、請求項１８に記載の方法。
37. 好適な溶媒中に両親媒性単分子星型ポリマーであって、６つ以上の独立したポリマー・アームに共有結合した架橋コアを有する前記星型ポリマー、カーゴ材料、および酸化鉄ナノ粒子を含む混合物を形成するステップ；および
    前記カーゴ材料の非溶媒である第２の溶媒に前記混合物を注入することにより、前記星型ポリマー、前記カーゴ材料、および前記酸化鉄粒子を含むナノシェルを形成するステップ
    を含む方法。
38. 前記ナノシェルは約１５ｎｍ〜約３００ｎｍの平均直径を有する、請求項３７に記載の方法。
39. 請求項１に記載のナノシェルを含む水性混合物。
40. 請求項３７に記載の水性混合物と細胞を接触させるステップを含む、画像診断法。

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