JP2017536458A - ポリリン酸ヒドロゲル並びにその製造及び使用方法 - Google Patents

Abstract

本明細書には、改良された機械的性質を備えるヒドロゲルが記載される。ヒドロゲルは、互いに共有結合的に架橋された２つのポリマー網目構造から構成される。ヒドロゲルへの多価カチオン及び／又はポリカチオンの添加は、ポリリン酸網目構造をさらに架橋し、且つ必要に応じてヒドロゲルの機械的性質を調節することができる。本明細書に記載されるヒドロゲルを製造及び使用する方法が以下に提示される。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１４年１１月１８日にいずれも出願された米国仮特許出願第６２／０８１，０５１号明細書及び同第６２／０８１，４７３号明細書に対する優先権を請求する。これらの出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、米陸軍研究事務所（Ａｒｍｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｆｆｉｃｅ）により付与されるＷ９１１ＮＦ−１３−０３１９の下での政府の支援を受けて実施された。政府は、本発明に一定の権利を有する。

損傷又は擦り切れた柔構造組織を再生する組織工学における相当の進歩にもかかわらず、不活性で生体適合性な人工代替材料が常に必要となる可能性がある。しかし、従来のヒドロゲルの構造及び機械的特性は、天然組織の優れた階層的組織、強度、靭性、及び段階的機構とほとんど類似点がないことから、進歩は限定的である。既存のヒドロゲルの１つの問題点は、これらが脆く、低い応力で破壊することである。伝統的な合成ヒドロゲルは、水環境中で膨潤しやすく、これによりその機械的性質がさらに劣化するため、その有用性も限定される。従って、改良された機械的性質を備える新規のヒドロゲルが必要である。

本明細書には、改良された機械的性質を備えるヒドロゲルが記載される。ヒドロゲルは、互いに共有結合的に架橋された２つのポリマー網目構造から構成される。ヒドロゲルへの多価カチオン及び／又はポリカチオンの添加は、ポリリン酸網目構造をさらに架橋し、且つ必要に応じてヒドロゲルの機械的性質を調節することができる。本明細書に記載されるヒドロゲルを製造及び使用する方法が以下に提示される。

本発明の利点を以下の説明に一部を記載し、一部は説明から明らかとなるか、又は以下に記載する態様の実施により理解されるであろう。以下に記載する利点は、添付の特許請求の範囲に具体的に指摘する要素及び組合せを用いて実現及び達成されるであろう。以上の概要及び以下の詳細な説明はいずれも、例示的及び説明的に過ぎず、限定的ではないことを理解すべきである。

本明細書に組み込まれ、且つ本明細書の一部を構成する添付の図面により、以下に記載するいくつかの態様を示す。

本明細書に記載するヒドロゲルを製造する合成例を示す。 金属イオン交換中のヒドロゲルの体積変化を示す。ヒドロゲルは、二価金属イオンの添加による解膨潤の前に、総ポリマー濃度７．５ｗｔ／ｖｏｌ％で６．５ｗｔ／ｖｏｌ％ｐＭＯＥＰ及び１．０ｗｔ／ｖｏｌ％ｐＡＡｍを含有した。各データ点について、ｎ＝３及びエラーバー＝±１ｓ．ｄ．である。 Ｃａ^２＋−ヒドロゲル強靭化の限界ｐＭＯＥＰ濃度依存性を示す。（Ａ）ｐＭＯＥＰを増加すると共に、ｐＡＡＭ濃度を低減しながら、調製したヒドロゲルの代表的応力歪曲線を示す。総ポリマー濃度は、７．５ｗｔ／ｖｏｌ％に固定した。楕円形は、各ヒドロゲル製剤（ｎ≧３）について平均応力及び伸張の±ｓ．ｄ．により囲まれた面積を示す。（Ｂ）ヒドロゲルの平衡体積は、ｐＭＯＥＰ／ｐＡＡｍｗｔ％比の増加と共に降下した。初期モジュラス及び降伏応力は、ｐＭＯＥＰ／ｐＡＡｍｗｔ％比に対し非線形依存を有した。エラーバーは±１ｓ．ｄ．、ｎ≧３を示す。 水中で９０％まで引っ張られたＣａ^２＋−ヒドロゲルの初期長さの自発的回復を示す。スケールバー＝６ｍｍ。 二価金属イオン平衡ヒドロゲルの回復動態を示す。（Ａ）サイクル間の回復時間が増加する代表的応力歪プロフィールを示す。グレイの曲線：Ｃａ^２＋。緑色の曲線：Ｍｇ^２＋。（Ｂ）初期モジュラス及び降伏応力回復の経時変化を示す。（Ｃ）ヒステリシス及び初期長さ回復の経時変化を示す。エラーバー＝±１ｓ．ｄ．、ｎ≧３。 Ｃａ^２＋−ヒドロゲル応力応答の歪速度依存を示す。（Ａ）繰返し負荷されるヒドロゲルの代表的応力歪曲線を示す。（Ｂ）歪速度の関数としての降伏応力の片対数グラフを示す。破線は最適線形近似である。エラーバー＝±１ｓ．ｄ．、ｎ≧３。 Ｎａ^＋、Ｍｇ^２＋、Ｃａ^２＋、及びＺｎ^２＋で平衡したヒドロゲルについての破壊歪中の応力応答を示す。長円は平均±１ｓ．ｄ．を示す。差し込み図：Ｍｇ^２＋及びＮａ^＋ヒドロゲル応力応答を強調するための拡大目盛。 ｐＨ８．０の金属イオン平衡ヒドロゲルのＰ−Ｏ⁻振動モードに対応する領域（青色の陰で示されるピーク）における正規化ＡＴＲ−ＦＴＩＲスペクトルを示す。（Ａ）Ｎａ^＋−平衡ヒドロゲルを示す。（Ｂ）Ｃａ^＋−平衡ヒドロゲルを示す。（Ｃ）Ｍｇ^＋−平衡ヒドロゲルを示す。（Ｄ）Ｚｎ^＋−平衡ヒドロゲルを示す。鉛直方向の数は、正規化吸収単位のフィットピークの面積（点線のスペクトル）である。 本明細書に記載する例示的な接着ヒドロゲルを示す。 基質に適用された本明細書に記載の接着ヒドロゲルの一例を示す。 ５ｍＭのトブラマイシンの添加後のヒドロゲルの体積減少パーセントを示す。ｐＨは最初の２時間が１２で、続く全ての時点では７．５である（ｎ＝３）。 ０．０２ｍｌのヒドロゲル（ｎ＝３）からのトブラマイシンの累積放出を示す。

本化合物、組成物、物品、装置、及び／又は方法を開示及び記載する前に、以下に記載する態様は、当然のことながら変動し得るため、特定の化合物、合成方法、又は使用に限定されないことを理解すべきである。また、本明細書に使用する技術用語は、特定の態様を記載することのみを目的とし、限定を意図するものではないことも理解すべきである。

本明細書及びそれに続く特許請求の範囲でいくつかの用語について言及され、これらの用語は下記の意味を有するものと定義される。

本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるとき、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈から明らかに他の解釈が要求されない限り、複数形も含むことに留意しなければならない。従って、例えば、「１つのモノマー」と言うとき、２つ以上のそうしたモノマーの混合物なども含む。

「任意選択の」又は「任意選択で」とは、後に記載する事象又は状況が起こっても、又は起こらなくてもよいこと、並びにその記載が、事象又は状況が起こる事例、及びそれが起こらない事例を含むことを意味する。例えば、「任意選択で置換された低級アルキル」という語句は、低級アルキル基が置換されても、又はされていなくてもよいこと、並びにその記載が、非置換低級アルキルと、置換が存在する低級アルキルとの両方を含むことを意味する。

範囲は、本明細書において、「約」１つの特定の値から、及び／又は「約」もう１つの特定の値までとして表すことができる。このような範囲が表されるとき、別の態様は、１つの特定の値から、及び／又は別の特定の値までを含む。同様に、値がそれに先立つ「約」の使用により近似値として表されるとき、その特定の値が別の態様を形成することが理解されるであろう。さらに、各々の範囲の端点は、他方の端点に関して且つ他方の端点とは独立して重要であることが理解されるであろう。

本明細書及び末尾の特許請求の範囲で、組成物又は物品中の特定の要素又は成分の重量部と言うとき、これは、重量部が表される組成物又は物品中の上記要素又は成分といずれか他の要素又は成分との間の重量関係を意味する。従って、２重量部の成分Ｘと５重量部の成分Ｙとを含有する化合物において、Ｘ及びＹは、２：５の重量比で存在し、その化合物中に別の成分が含まれるか否かにかかわらず、上記の比で存在する。

ヒドロゲル又はヒドロゲルを生成するのに使用される成分の重量／体積パーセントは、反対のことが明示されていない限り、１００ｍＬ当たりのグラム数で表すポリマー又は成分の量である。例えば、７．５ｗｔ／ｖｏｌ％であるヒドロゲルは、多価金属イオン又はポリカチオンを添加する前の１００ｍＬのヒドロゲル中の７．５ｇのポリマーである。

「対象」は、限定はしないが、ヒト、非ヒト霊長類、ヒツジ、イヌ、げっ歯類（例えば、マウス、ラットなど）、モルモット、ネコ、ウサギ、ウシなどの哺乳動物、並びにニワトリ、両生類、及び爬虫類などの非哺乳動物を指す。

本明細書で使用されるとき、「シクロアルキル基」という用語は、少なくとも３個の炭素原子から構成される非芳香族炭素系環である。シクロアルキル基の例として、限定はしないが、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチル、シクロヘキシルなどが挙げられる。「ヘテロシクロアルキル基」という用語は、環の炭素原子の少なくとも１つが、限定はしないが、窒素、酸素、硫黄、又はリンなどのヘテロ原子で置換されている、上に定義した通りのシクロアルキル基である。

本明細書で使用されるとき、「フェノール基」という用語は、限定はしないが、アリール基に共有結合した１つ又は複数のヒドロキシル基を有するアリール基などの任意の炭素系芳香族基である。

本明細書で使用されるとき、「アリール基」という用語は、少なくとも１つのベンゼン環を有する任意の炭素系芳香族基である。アリール基は、単一のベンゼン環、又は融合（例えば、ナフタレン）若しくは単結合により互いに共有結合した２つ以上のベンゼン環を有し得る。用語「アリール基」はまた、「ヘテロアリール基」も包含し、これは、芳香基の環内に組み込まれた少なくとも１つのヘテロ原子を有する芳香族基である。ヘテロ原子の例として、限定はしないが、窒素、酸素、硫黄、及びリンが挙げられる。アリール基は、置換又は非置換のいずれでもよい。アリール基は、限定はしないが、アルキル、アルキニル、アルケニル、アリール、ハロゲン化物、ニトロ、アミノ、エステル、ケトン、アルデヒド、ヒドロキシ、カルボン酸、又はアルコキシなどの１つ又は複数の基で置換することができる。

本明細書で使用されるとき、「低級アルキル」という用語は、１〜５個の炭素原子を有するアルキル基である。アルキル基は、分岐鎖又は直鎖のいずれであってもよい。

本明細書で使用されるとき、「ヒドロキシアルキル」という用語は、共有結合した１つ又は複数のヒドロキシル基を有するアルキル基である。アルキル基は、１〜１０個の炭素原子を有する分岐鎖又は直鎖であってよい。例えば、２−ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）の場合、−ＣＨ_２ＣＨ_２ＯＨ基がヒドロキシアルキル基である。「ヒドロキシル置換（低級アルキル）」は、１〜５個の炭素原子を有するアルキル基と共有結合した１つ又は複数のヒドロキシル基を有する。ＨＥＭＡは、ヒドロキシル置換（低級アルキル）メタクリレートの一例である。

ヒドロキシルアルキルアクリルアミド及びヒドロキシルアルキルメタクリルアミドは、それぞれ−ＮＨ_２プロトンの１つがヒドロキシアルキル基で置換されているアクリルアミド及びメタクリルアミドである。

（低級アルキル）アクリルアミド及び（低級アルキル）メタクリルアミドは、それぞれ−ＮＨ_２プロトンの１つが低級アルキル基で置換されているアクリルアミド及びメタクリルアミドである。

第１ポリマー網目構造を生成するために用いられる（メト）アクリルモノマーは、下記の式

（式中、Ｒが水素であるとき、これはアクリロイル基であり、Ｒがメチルであるとき、これはメタクリロイル基である）
で表されるアクリロイル基又はメタクリロイル基を含む任意の化合物である。

本明細書には、改良された機械的性質を備えたヒドロゲルが記載される。ヒドロゲルは、互いに共有結合的に架橋した２つのポリマー網目構造から構成される。

一態様では、ヒドロゲルは、（ａ）（メト）アクリルモノマーから得られたポリマーを含む第１ポリマー網目構造と、（ｂ）ポリアニオンを含む第２ポリマー網目構造とであって、互いに共有結合的に架橋している、第１ポリマー網目構造及び第２ポリマー網目構造と、（ｃ）第２ポリマー網目構造を非共有結合的に架橋する複数の多価カチオン、ポリカチオン、又はそれらの組合せを含む。本明細書に記載するヒドロゲルを製造するのに用いられる成分及びそれらの用途を以下に記載する。

一態様では、ヒドロゲルは、
ａ．（１）複数のリン酸基と複数のペンダントアクリロイル基、ペンダントメタクリロイル基、又はそれらの組合せとを含むポリリン酸プレポリマーを含む第２ポリマー網目構造、及び（２）遊離ラジカル開始剤の存在下で、（メト）アクリルモノマーを重合して、第１ポリマー網目構造を生成するステップであって、第１網目構造及び第２網目構造が互いに共有結合的に架橋されて、第１ヒドロゲルを生成する、ステップと、
ｂ．第１ヒドロゲルを多価カチオン、ポリカチオン、又はそれらの組合せと接触させて、第２ポリマー網目構造をさらに非共有結合的に架橋するステップと
により製造される。

ヒドロゲルには２つのタイプの架橋が存在する。第１に、ヒドロゲル中に存在する２つのポリマー網目構造間に共有結合が起こる。第２のタイプの架橋は、ポリリン酸網目構造と多価カチオン又はポリカチオンとの間の相互作用（すなわち、非共有結合的架橋）を含む。リン酸基と多価カチオン又はポリカチオンとの間の相互作用は、静電結合、イオン結合、又は配位結合を含み得る。２つのタイプの架橋の非限定的例を図１に示す。

ヒドロゲルを製造するためのステップ（ａ）は、一般に、溶媒中で１つ又は複数の（メト）アクリルモノマー、ポリリン酸プレポリマー、及び開始剤を混合することを含む。一態様では、溶媒は、水又は生物学的用途で典型的に用いられる緩衝水溶液（例えば、ＴＲＩＳ、ＴＡＰＳ、ＴＡＰＳＯ、ＨＥＰＥＳ、ＴＥＳ、ＭＯＰＳ）である。１つ又は複数の（メト）アクリルモノマー、ポリリン酸プレポリマー、及び開始剤から構成される溶液のｐＨも変動し得る。一般に、ｐＨは、ポリリン酸プレポリマー中に存在するリン酸基をイオン化するのに十分に高い。（メト）アクリルモノマーの重合時、第１ポリマー網目構造が生成される。ポリリン酸プレポリマーは、第１ポリマー網目構造上に存在するアクリロイル基及び／又はメタクリロイル基と共有結合的に架橋することができる、複数のペンダントアクリロイル基、ペンダントメタクリロイル基、又はそれらの組合せを有することから、第１ポリマー網目構造は、重合の工程中、ポリリン酸プレポリマー（すなわち、第２ポリマー網目構造）と共有結合的に架橋することができる。後述するように、第１及び第２ポリマー網目構造をさらに共有結合的に架橋するために、ステップ（ａ）で任意選択の架橋剤を添加することができる。

別の態様では、ヒドロゲルは、必要に応じて、いずれか所望の形状及びサイズに成形することができる。例えば、ステップ（ａ）の成分を型に注ぎ込んだ後、成分を重合することにより、特定のサイズ及び寸法を有するヒドロゲルを製造することができる。続いて、成形品を多価カチオン及び／又はポリカチオンと接触させることができる。ヒドロゲルから構成される成形品を製造する例示的な手順は、実施例に記載する。

ステップ（ａ）で製造されるヒドロゲル中のポリマーの総量（すなわち、第１及び第２ポリマー網目構造の合計）は、１〜２０ｗｔ／ｖｏｌ％で変動し得る。ステップ（ａ）で生成されるヒドロゲル中に存在する第１及び第２ポリマー網目構造の重量比は、１〜９９％で変動し得る。

本発明で有用な（メト）アクリルモノマーの例として、限定はしないが、アクリル酸、メタクリル酸、メタクリル酸ヒドロキシアルキル、アクリル酸ヒドロキシアルキル、アクリルアミド、メタクリルアミド、（低級アルキル）アクリルアミド、（低級アルキル）メタクリルアミド、アクリル酸ヒドロキシル置換（低級アルキル）、メタクリル酸ヒドロキシル置換（低級アルキル）、ヒドロキシルアルキルアクリルアミド、ヒドロキシルアルキルメタクリルアミド、ヒドロキシル置換（低級アルキル）アクリルアミド、ヒドロキシル置換（低級アルキル）メタクリルアミド、又はそれらの任意の組み合わせが挙げられる。一態様では、（メト）アクリルモノマーは、アクリルアミド又はメタクリルアミドである。

第２網目構造は、複数のリン酸基と、複数のペンダントアクリロイル基、ペンダントメタクリロイル基、又はそれらの組み合わせとを有するポリリン酸プレポリマーを含む。

一態様では、ポリリン酸プレポリマーは、複数のペンダントリン酸基を含むポリアクリル酸塩である。例えば、ポリリン酸プレポリマーは、限定はしないが、アクリル酸塩、メタクリル酸塩などの（メト）アクリルモノマーの重合から得ることができる。別の態様では、ポリリン酸プレポリマーは、ランダムコポリマーであり、コポリマーのセグメント又は部分は、コポリマーを製造するのに用いられるモノマーの選択に応じてリン酸基及び中性基を有する。本発明で有用なポリリン酸プレポリマーは、ヒドロゲルを製造するのに用いられる反応条件（例えば、ｐＨ）に応じて、遊離酸、その塩、又はそれらの組み合わせであってよい。

一態様では、ポリリン酸プレポリマーは、（１）リン酸（メト）アクリルモノマーを重合して、第１ポリマーを生成するステップと、（２）アクリロイル基、メタクリロイル基、又はそれらの組合せを第１ポリマーとグラフト化するステップとにより製造される。リン酸（メト）アクリルモノマーは、モノマーに共有結合した少なくとも１つのリン酸基を有する、本明細書に定義する通りの任意のアクリルモノマーである。

この態様では、前述した（メト）アクリルモノマーのいずれかをリン酸アクリルモノマーと共重合して、ポリリン酸プレポリマーを生成することができ、続いて、これをアクリロイル又はメタクリロイル基で修飾して、この実施形態で使用することができる。一態様では、リン酸（メト）アクリルモノマーは、式Ｉ

（式中、Ｒ^４は、水素又はアルキル基であり、及びｎは、１〜１０である）
を有する。一態様では、式Ｉ中、Ｒ^４はメチルであり、ｎは２である。

別の態様では、式Ｉのリン酸（メト）アクリルモノマーは、アクリル酸、メタクリル酸、メタクリル酸ヒドロキシアルキル、アクリル酸ヒドロキシアルキル、アクリルアミド、メタクリルアミド、（低級アルキル）アクリルアミド、（低級アルキル）メタクリルアミド、ヒドロキシル置換（低級アルキル）アクリルアミド、ヒドロキシル置換（低級アルキル）メタクリルアミド、又はそれらの任意の組合せと重合される。

別の態様では、式Ｉのリン酸（メト）アクリルモノマーは、アクリル酸若しくはメタクリル酸と単独で、又はメタクリル酸ヒドロキシアルキル若しくはアクリル酸ヒドロキシアルキルなどの１つ又は複数の別のモノマーと組み合わせて共重合される。共重合後、アクリロイル基及び／又はメタクリロイル基をリン酸コポリマーにグラフト化する。別の態様では、リン酸コポリマーが、ヒドロキシル、カルボキシル、又はアミノ基などの基を有するとき、これは、アクリロイル基又はメタクリロイル基を有する化合物と反応することができる。例えば、メタクリル酸グリシジルは、リン酸コポリマーに対してメタクリロイル基をグラフト化するのに用いることができる。この手法を用いて、アクリロイル基及び／又はメタクリロイル基は、ポリリン酸コポリマー骨格のペンダント基である。これは、図１に描かれており、ポリリン酸プレポリマー（メタクリレート化ポリＭＯＥＰ）について、リン酸基及びメタクリル酸基の両方がコポリマー骨格のペンダント基である。実施例において、リン酸コポリマーを作製すると共に、第１ポリマーにアクリロイル又はメタクリロイル基をグラフト化して、ポリリン酸プレポリマーを製造する非限定的手順を記載する。

前述した１つ又は複数の（メト）アクリルモノマーと重合した式Ｉのリン酸（メト）アクリルモノマーを使用して、ポリリン酸プレポリマーを製造する場合、得られるポリリン酸プレポリマーは、式ＩＩ

（式中、Ｒ^４及びｎは、上に定義した通りである）
の複数の単位を有する。

一態様では、ポリリン酸プレポリマーは、ポリリン酸プレポリマーを製造するために用いられる他のモノマーに対して２０ｍｏｌ％〜９０ｍｏｌ％の式ＩＩの単位を有する。例えば、ポリリン酸プレポリマーが、式Ｉのリン酸（メト）アクリルモノマー、メタクリル酸、及びメタクリル酸２−ヒドロキシエチルの重合生成物である場合、式Ｉのリン酸（メト）アクリルモノマーの量は、２０ｍｏｌ％〜９０ｍｏｌ％であり、メタクリル酸の量は、１ｍｏｌ％〜３０ｍｏｌ％であってよく、及びメタクリル酸２−ヒドロキシエチルの量は、１ｍｏｌ％〜３０ｍｏｌ％である。一態様では、ポリリン酸プレポリマーは、３０ｍｏｌ％〜９０ｍｏｌ％、４０ｍｏｌ％〜９０ｍｏｌ％、又は５０ｍｏｌ％〜７０ｍｏｌ％の式ＩＩの単位を有する。別の態様では、ポリリン酸プレポリマーは、２０ｍｏｌ％、２５ｍｏｌ％、３０ｍｏｌ％、３５ｍｏｌ％、４０ｍｏｌ％、４５ｍｏｌ％、５０ｍｏｌ％、５５ｍｏｌ％、６０ｍｏｌ％、６５ｍｏｌ％、７０ｍｏｌ％、７５ｍｏｌ％、８０ｍｏｌ％、８５ｍｏｌ％又は９０ｍｏｌ％の式ＩＩの単位を有し、いずれの値もある範囲の上下端点を形成し得る。

一態様では、ポリリン酸プレポリマーは、式ＩＩＩ

（式中、ｘは、ポリリン酸プレポリマーの４０〜９０ｍｏｌ％であり、ｙは、ポリリン酸プレポリマーの１〜３０ｍｏｌ％であり、且つｚは、ポリリン酸プレポリマーの１〜３０ｍｏｌ％であり、及び
各Ｒ^１は、独立して水素又はメチルである）
で示される単位を有するランダムコポリマーである。

一態様では、ｘ（ｍｏｌ％）は、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、又は９０であり、ｙ（ｍｏｌ％）は、１、５、１０、１５、２０、２５、又は３０であり、且つｚ（ｍｏｌ％）は、１、５、１０、１５、２０、２５、又は３０であり、いずれの値もｘ、ｙ、及びｚの範囲の上下端点を形成し得る。別の態様では、ｘは、ポリリン酸プレポリマーの５０〜７０ｍｏｌ％であり、ｙは、５〜２０ｍｏｌ％であり、且つｚは、２０〜３０ｍｏｌ％であり、及び各Ｒ^１は、メチルである。別の態様では、ポリリン酸プレポリマーは、１，０００Ｄａ〜２００，０００Ｄａ、２５，０００Ｄａ〜１００，０００Ｄａ、又は５０，０００Ｄａ〜１００，０００Ｄａの分子量を有する。

他の態様では、ポリリン酸プレポリマー以外のポリマーを用いて、ヒドロゲルを製造することができる。例えば、上の式Ｉを有するモノマーを式ＩＶ

（式中、Ｒ^５は、水素又はアルキル基であり、
ｎは、１〜１０であり、
Ｙは、酸素、硫黄、又はＮＲ^６であり、ここで、Ｒ^６は、水素、アルキル基、又はアリール基であり、
Ｚは、硫酸塩、スルホン酸塩、カルボン酸塩、ホウ酸塩、ボロン酸塩、又はリン酸塩である）
のモノマーで置換することができる。

遊離ラジカル重合に当技術分野で一般的に用いられる遊離ラジカル開始剤を上のステップ（ａ）で使用することができる。一態様では、開始剤は、有機過酸化物又はアゾ化合物を含む。有機過酸化物の例として、過酸化ケトン、ペルオキシケタール、ヒドロペルオキシド、過酸化ジアルキル、過酸化ジアシル、ペルオキシジカーボネート、ペルオキシエステルなどが挙げられる。

油溶性開始剤として使用することができるアゾ化合物のいくつかの具体的な非限定的例としては、２，２’−アゾビス−イソブチロニトリル、２，２’−アゾビス−２，４−ジメチルバレロニトリル、１，１’−アゾビス−１−シクロヘキサン−カルボニトリル、ジメチル−２，２’−アゾビスイソブチレート、１，１’−アゾビス−（１−アセトキシ−１−フェニルエタン）、４，４’−アゾビス（４−シアノペンタン酸）及びその可溶性塩（例えば、ナトリウム、カリウム）などが挙げられる。

別の態様では、遊離ラジカル開始剤は、限定はしないが、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウム、及びそれらの混合物などの水溶性開始剤である。別の態様では、開始剤は、前述した過硫酸塩と、二亜硫酸ナトリウム及び亜硫酸水素ナトリウムなどの還元剤との反応生成物などの酸化−還元開始剤、並びに４，４’−アゾビス（４−シアノペンタン酸）及びその可溶性塩（例えば、ナトリウム、カリウム）である。

特定の態様では、第１及び第２ポリマー網目構造をさらに架橋するために、二官能価架橋剤をステップ（ａ）で添加することができる。一態様では、架橋剤は、２つ以上のアクリロイル基、メタクリロイル基、又はそれらの組合せを有する。一態様では、架橋剤は、ポリアルキレンオキシドグリコールジアクリレート又はジメタクリレートである。例えば、ポリアルキレンは、エチレングリコールのポリマー、プロピレングリコール、又はそれらのブロックコポリマーであってよい。別の態様では、架橋剤は、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド又はＮ，Ｎ’−メチレンビスメタクリルアミドを含む架橋剤である。一態様では、第１ポリマー網目構造を製造するのに用いられる（メト）アクリルモノマーと架橋剤とのモル比は、１００：１〜２０：１である。別の態様では、モル比は、１００：１、９０：１、８０：１、７０：１、６０：１、５０：１、４０：１、３０：１、又は２０：１である。

ステップ（ａ）の後、得られたヒドロゲルを多価カチオン、ポリカチオン、又はそれらの組合せの溶液と接触させる。別の態様では、ヒドロゲルを多価カチオン及び／又はポリカチオンの溶液に浸漬させる。一態様では、溶媒は、水又は生物学的用途で典型的に用いられる緩衝溶液（例えば、ＴＲＩＳ、ＴＡＰＳ、ＴＡＰＳＯ、ＨＥＰＥＳ、ＴＥＳ、ＭＯＰＳ）である。また、多価カチオン及び／又はポリカチオンから構成される溶液のｐＨも、リン酸基の数及び多価カチオン及びポリカチオンの溶解度に応じて変動し得る。一態様では、多価カチオン及びポリカチオンの溶液のｐＨは、６〜１０、７〜９、又は７〜８である。多価カチオンをヒドロゲルに組み込むための例示的手順は、実施例に記載する。

本発明で使用する多価カチオンは＋２以上の電荷を有する。一態様では、多価カチオンは、１つ又は複数のアルカリ土類金属から構成される二価カチオンであってよい。例えば、二価カチオンは、Ｃａ^＋２及びＭｇ^＋２の混合物であってよい。別の態様では、＋２以上の電荷を有する遷移金属イオンを使用することができる（例えば、Ｆｅ^＋２、Ｆｅ^＋３、Ｚｎ^＋２、Ａｌ^＋３、Ｃｕ^＋２、Ｃｕ^＋３）。別の態様では、多価カチオンは、希土類金属、例えば、ランタン、テルビウム、及びユウロピウムなどである。多価カチオンの対イオンも同様に変わり得る。一態様では、対イオンは、ハロゲン化物（例えば、塩化物）、硫酸塩、カルボキシレートなどである。多価カチオンの種類及び量により、ヒドロゲルの物理的性質を調節することができる。

ポリカチオンは、特定のｐＨの複数のカチオン基を有する化合物である。一態様では、ポリカチオンは、ポリアミン化合物（すなわち、２つ以上のアミノ基を有する化合物）である。アミノ基は、１級、２級、又は３級アミノ基であってよく、これらをプロトン化して、選択したｐＨでカチオンアンモニウム基を生成することができる。

一態様では、ポリカチオンは、アミノグリコシド抗生物質である。アミノグリコシド抗生物質は、タンパク質合成を阻害し、アミノ修飾グリコシド（糖）を分子の一部として含有するグラム陰性菌抗菌治療薬である。本発明で有用なアミノグリコシド抗生物質の例として、ストレプトマイシン、トブラマイシン、カナマイシン、ゲンタマイシン、ネオマイシン、アミカシン、デベカシン、シソマイシン、ネチルマイシン、ネオマイシンＢ、ネオマイシンＣ、ネオマイシンＥ、又はそれらの任意の組合せが挙げられる。以下に詳しく述べるように、本明細書に記載するヒドロゲルは、薬剤送達デバイスとして使用することができる。

本明細書に記載するヒドロゲルの設計特徴は、２つの独立に架橋した相互貫入網目構造：柔軟な高度伸張性弾性網目構造（すなわち、ポリマー網目構造）、及び非共有結合可逆性結合（すなわち、ヒドロゲル中に存在するリン酸基と多価カチオン及び／又はポリカチオンとの間の架橋の形成）を介して形成された硬く脆い犠牲網目構造を含む。機械的負荷により、擬降伏点に相当する限界力及び伸張で、硬い犠牲網目構造の非共有結合的相互作用が破断し、その結果、弾性網目構造が伸張するに従って、歪軟化が起こる。除荷されると、弾性網目構造は、非共有結合の再形成を誘導する復元力を付与し、これにより、ヒドロゲルは、その初期の寸法及び剛性を回復することができる。本明細書に記載するヒドロゲルは、多数回の高度ヒステリシスサイクルを受けることにより、歪エネルギーを繰り返し散逸させることができる。実施例で、本明細書に記載するヒドロゲルの独特な物理的性質を明らかにする。

前述したように、本明細書に記載するヒドロゲルは、成形品として製造することができる。しかし、別の実施形態では、当技術分野で公知の技術を用いてヒドロゲルを処理することにより、ミクロゲル又はナノゲルを製造することができる。一態様では、ナノゲル又はミクロゲルは、逆エマルション又は「ミニ」エマルション重合により製造することができる。他の態様では、より大きいヒドロゲルを機械的に摩砕して、ナノゲル又はミクロゲルにすることもできる。この実施形態では、ミクロゲル又はナノゲルは、生物活性剤を対象に送達するうえで有用となり得る。生物活性剤は、限定はしないが、抗生物質、鎮痛剤、免疫変調成分、成長因子、酵素阻害剤、ホルモン、媒介物質、メッセンジャー分子、細胞シグナル伝達分子、受容体アゴニスト、又は受容体アンタゴニストなどの任意の薬剤であってよい。例えば、アミノグリコシド抗生物質と一緒にヒドロゲルを製造する場合、細菌感染を有する患者にミクロゲル又はナノゲルを投与することができる。一実施形態では、肺感染を有する対象に投与するために、アミノグリコシド抗生物質を含むミクロゲル又はナノゲルをエアロゾル化することができる。

特定の実施形態では、生物活性剤を含むミクロゲル又はナノゲルは、ミクロゲル又はナノゲルからの生物活性剤の放出パターンを改変するために、１つ又は複数の多価カチオンと一緒に製剤化することができる。さらに、ヒドロゲルの機械的応力負荷、例えば、伸張又は圧縮により、生物活性剤の放出を加速させることもできる。別の実施形態では、ミクロゲル又はナノゲルは、アミノグリコシド抗生物質と、多価カチオンとしてのＣｕ^＋２イオンとを含有することができる。この実施形態では、Ｃｕ^＋２イオンは、アミノグリコシド抗生物質の抗菌特性を補足又は増強するための抗菌活性を有する。さらに、Ｃｕ^＋２イオンは、アミノグリコシド抗生物質の放出パターンを調節することができる。

ミクロゲル又はナノゲルを、生物系又は実体が許容し得る任意の賦形剤に製剤化して、医薬組成物を製造することができる。そのような賦形剤の例として、限定はしないが、水、水性ヒアルロン酸、食塩水、リンガー（Ｒｉｎｇｅｒ’ｓ）液、デキストロース液、ハンクス（Ｈａｎｋ’ｓ）液、及びその他の生理学的平衡塩水溶液が挙げられる。さらに、非水性ビヒクル、例えば、不揮発性油、オリーブ油及びゴマ油などの植物油、トリグリセリド、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、及びオレイン酸エチルなどの注射用有機エステルを使用することもできる。他の有用な製剤は、増粘剤、例えば、ナトリウムカルボキシメチルセルロース、ソルビトール、又はデキストランを含む懸濁液を含む。賦形剤はまた、少量の添加剤、例えば、等張性及び化学的安定性を増強する物質を含有することができる。バッファーの例として、リン酸バッファー、重炭酸イオンバッファー及びトリスバッファーが挙げられ、保存料の例としては、チメロサール、クレゾール、ホルマリン及びベンジルアルコールが挙げられる。特定の態様では、投与方法に応じてｐＨを改変することができる。例えば、組成物のｐＨは、約５〜約８であり、これは局所適用に好適である。さらに、医薬組成物は、本明細書に記載する化合物に加えて、担体、増粘剤、希釈剤、保存料、界面活性剤などを含んでもよい。

記載する事例におけるミクロゲル及びナノゲル中の生物活性剤の実際の好ましい量は、使用する具体的な化合物、製剤化した特定の組成物、適用方法、並びに治療対象の具体的な部位及び対象に応じて変動し得ることは理解されるであろう。所与の宿主に対する用量は、例えば、一般的な考慮事項を用いて、例えば、対象化合物及び既知薬剤の活性の特異的活性の常用的比較により、例えば、適切な通常の薬理学的プロトコルの使用により決定することができる。医薬化合物の用量を決定する技術分野で熟練した医師及び薬剤師は、標準的推奨事項に従って用量を決定するのに何らの問題もないであろう（Ｐｈｙｓｉｃｉａｎｓ Ｄｅｓｋ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，Ｂａｒｎｈａｒｔ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ（１９９９）。

本明細書に記載する医薬組成物は、局所又は全身治療のいずれが要望されるか、並びに治療しようとする部位に応じて、いくつかの方法で投与することができる。投与は、局所に（眼、膣、直腸、鼻内、経口、又は皮膚に直接など）実施することができる。歯周病又は歯肉炎などの場合の投与は、患部歯茎又は歯周ポケットに対するゲル、ペースト、又はリンスの送達により、局所的に実施することができる。局所投与用の製剤は、軟膏、ローション、クリーム、ゲル、液滴、坐薬、スプレー、液剤及び散剤を含み得る。一般的な製剤用担体、水性、粉末若しくは油性基剤、増粘剤などが必要又は望ましい場合もある。投与は、エアゾール又は乾燥微粉末の吸入によって肺に直接導入することもできる。投与はまた、炎症又は変性関節空間への直接注射によっても可能である。別の態様では、本明細書に記載するヒドロゲルは、物品に塗布するコーティングとして製剤化し、これを対象に埋め込むことができる。

本明細書に記載するヒドロゲルの独特な特性のために、本ヒドロゲルは、柔軟であり、なおも強度の高い材料を使用することが望ましい多数の用途を有する。一態様では、接着ヒドロゲルは、（１）第１面と第２面とを有する本明細書に記載のヒドロゲル層と、（２）ヒドロゲル層の第１面に隣接する接着層を含み、粘着剤が、（ａ）マクロマーであって、そのマクロマーに共有結合した複数のフェノール基を含むマクロマーと、（ｂ）マクロマー中のフェノール基と組織などの基質に存在するフェノール基との間の共有結合的架橋を触媒するための酵素とを含む。

マクロマーは、マクロマーに共有結合した複数のフェノール基を含む。フェノール基の数は、接着ヒドロゲルの用途によって変動し得る。マクロマーがポリマーである場合、フェノール基は、ポリマー骨格のペンダント基であってもよく、及び／又はポリマー骨格内に組み込まれていてもよい。各フェノール基に存在するヒドロキシル基の数も変動し得る。一態様では、各フェノール基は、１つのヒドロキシル基を有する。別の態様では、各フェノール基は、２つ以上のヒドロキシル基を有する。

一態様では、マクロマーは、複数のフェノール基を有する１つ又は複数の合成ポリマーから構成されてもよい。一態様では、マクロマーは、ペプチド又はタンパク質である。例えば、ペプチド又はタンパク質は、フェノール側鎖を有する１つ又は複数のチロシン残基を含んでもよい。

別の態様では、マクロマーは、１つ又は複数のペンダントフェノール基を有するポリアクリレートを含んでもよい。例えば、マクロマーは、本明細書に記載する（メト）アクリルモノマーの重合から得ることができる。

別の態様では、ポリアニオンは、式Ｖ

（式中、Ｒ^７は、水素又はアルキル基であり、
ｎは、１〜１０であり、
Ｙは、酸素、硫黄、又はＮＲ^８であり、ここで、Ｒ^８は、水素、アルキル基、又はアリール基であり、及び
Ｚは、フェノール基又はフェノール基を有する基である）
を有する少なくとも１つの断片を有するポリマーである。

一態様では、Ｚは、

（式中、リンカーＬが存在しないとき、フェノール基は、式ＩのＣＨ_２基に直接結合している）
である。Ｌが存在する（例えば、酸素若しくは窒素などのヘテロ原子、又は別の有機基である場合）、Ｚは、フェノール基を含む基である。

一態様では、フェノール基は、１つのヒドロキシ基を含む。他の態様では、フェノール基は、２つのヒドロキシ基を有し得る。例えば、フェノール基は、酸化剤の存在下で酸化を受けることができるジヒドロキシ置換芳香族基を含む。一態様では、ジヒドロキシ置換芳香族基は、対応するキノンに酸化することができるオルト−ジヒドロキシ芳香族基である。別の態様では、ジヒドロキシ置換芳香族基は、例えば、カテコール（例えば、３，４−ジヒドロキシフェノール）などのジヒドロキシフェノール又はハロゲン化ジヒドロキシフェノール基である。過酸化物などの酸化剤の存在下で、ジヒドロキシ置換芳香族基を酸化して、隣接基と一緒に新たな共有結合を形成することができる。

接着ヒドロゲルの接着層はまた、マクロマー中のフェノール基と基質に存在するフェノール基との間の共有結合的架橋を触媒するための酵素も含む。一態様では、酵素は、植物、動物、又は細菌に由来するペルオキシダーゼである。別の態様では、ペルオキシダーゼは、組換えペルオキシダーゼである。さらに別の態様では、酵素は、セイヨウワサビペルオキシダーゼである。別の態様では、酵素は、カテコールオキシダーゼである。

酵素とマクロマーとの組合せは、成分の選択及び粘着剤の用途に応じて変わり得る。一態様では、酵素がマクロマー層内に物理的に閉じ込められ、マクロマーと共有結合しないように、マクロマーと酵素とを互いに混合する。他の態様では、酵素をマクロマーと共有結合させることができる。例えば、マクロマー上の求核基との架橋のために、当技術分野で公知の技術を用いて、セイヨウワサビペルオキシドを活性化エステル基で官能基化することができる。

別の態様では、酵素を１つ又は複数のフェノール基で修飾して、酵素自体との共有結合を形成することにより、マクロマー内に自己架橋網目構造を生成することができる。この実施形態では、酵素は、粘着剤に酵素活性と共に構造成分を付与することができる。

酵素がマクロマー全体にわたって均等に分布されることを確実にするように、酵素をマクロマーと混合する。特定の態様では、マクロマーの選択に応じて、入念且つ安定した成分の混合を確実にするために、１つ又は複数の溶媒を用いることができる。特に、接着層を生物医学用途で使用する場合、例えば、水又はアルコールなどの溶媒を用いることができる。一態様では、酵素の活性を保存するために、マクロマーと混合物とをヒドロゲルの表面上に凍結乾燥させる。この態様では、接着層の水和時に酵素を活性化する。別の態様では、酵素の活性を長く持続させるために、酵素安定剤を接着層に添加することができる。一態様では、この場合、例えば、トレハロースなどの糖安定剤を使用することができる。

接着ヒドロゲルの用途に応じて、接着層は、１つ又は複数の粘着付与剤を含んでもよく、これは、基質との接着を高めるために、接着層と組み合わせて用いることができる。用途に応じて、粘着付与剤が、接着層全体に均等に分散するように、粘着剤を粘着付与剤と入念に混合することができる。

当技術分野で公知のいくつかの粘着付与剤を使用することができる。一態様では、粘着付与剤は、ポリアクリル酸又はポリメタクリル酸などの低弾性親水性ポリマーである。粘着付与剤の他の例として、限定はしないが、アクリル樹脂、ブチルゴム、エチレン−酢酸ビニル、天然ゴム、ニトリル、シリコーンゴム、スチレンブロックコポリマー、ビニルエーテル、グリコシル化タンパク質、炭水化物、又はそれらの任意の組合せが挙げられる。接着ヒドロゲルを生物医学用途で使用する場合、感圧粘着剤コーティングは、生体適合性であるべきである。

また、接着ヒドロゲルの接着層は、１つ又は複数の生物活性剤を封入し得ることも考慮される。生物活性剤は、任意の薬剤であってよく、限定はしないが、抗生物質、鎮痛剤、免疫変調成分、成長因子、酵素阻害剤、ホルモン、媒介物質、メッセンジャー分子、細胞シグナル伝達分子、受容体アゴニスト、又は受容体アンタゴニストなどが挙げられる。

別の態様では、生物活性剤は、核酸であってよい。核酸は、オリゴヌクレオチド、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、又はペプチド核酸（ＰＮＡ）であってよい。目的の核酸は、いずれの供給源に由来する核酸であってもよく、例えば、それが天然に存在する細胞から得られる核酸、組換えにより生成された核酸、又は化学的に合成された核酸などがある。例えば、核酸は、ｃＤＮＡ若しくはゲノムＤＮＡ又は天然に存在するＤＮＡのヌクレオチド配列に対応するヌクレオチド配列を有するように合成されたＤＮＡであってよい。核酸はまた、突然変異若しくは改変形態の核酸（例えば、少なくとも１つの核酸残基の改変、欠失、置換若しくは付加により天然に存在するＤＮＡとは異なるＤＮＡ）又は天然に存在しない核酸であってもよい。

他の態様では、生物活性剤を骨治療用途で使用する。例えば、生物活性剤は、骨形成タンパク質（ＢＭＰ）又はプロスタグランジンであってよい。例えば、ビスホスホネートなどの当技術分野で公知の生物活性剤を対象に局所送達することができる。

別の態様では、本明細書に記載する接着ヒドロゲルは、接着層内に閉じ込めた及び／又は接着層の表面に付着させた銀イオンをさらに含む。例えば、塩化銀又は硝酸銀などの銀塩をマクロマー及び酵素と混合して、粘着剤全体にわたり銀塩を閉じ込めることができる。或いは、当技術分野で公知の噴霧又は他の技術により接着層の表面に銀塩を塗布することもできる。特定の理論に拘束される意図はないが、接着層中に存在する酵素は、銀イオンを基本的ナノ粒子まで縮小させることができ、このナノ粒子は抗菌活性を有する。これは、粘着剤を生物医学用途で使用する場合に重要である。

粘着剤は、噴霧又はローリングなどの当技術分野で公知の技術により、本明細書に記載のヒドロゲルの表面に適用することができる。

接着ヒドロゲルの例示的な特徴を図９に表示する。図９を参照すると、接着ヒドロゲル１０は、ヒドロゲル１１と接着層１２とから構成され、接着層は、複数のフェノール基を有するマクロマーと混合されたペルオキシダーゼ酵素を含有する。

いくつかの態様では、接着ヒドロゲルは、ヒドロゲルの第２面に補強層を含む。図９を参照すると、補強層は、ヒドロゲル１１の表面１３に適用することができる。この実施形態では、ヒドロゲルは、接着層と補強層との間に挟まれている。

補強層の材料は、接着ヒドロゲルの用途に応じて変わり得る。一態様では、補強層は非分解性材料から構成される。別の態様では、補強層は生分解性材料から構成される。他の態様では、補強層は生体適合性材料から構成される。補強層は、硬質又は剛性材料から弾力性材料、さらには粘弾性材料まで多様であってよい。一態様では、補強層は、水不溶性シート若しくはフィルム（例えば、シリコーン、ポリウレタン、ＰＴＦＥ及び発砲ＰＴＦＥなどのポリフルオロポリマー）、織物（例えば、Ｄａｃｒｏｎなどのポリエステル）、分解性フィルム（例えば、ポリカプロラクトン）、再生セルロースシート、脱細胞組織スカフォールド（例えば、ヒト羊膜、ウシ腹膜、ブタ粘膜）、金属プレート又はホイル（例えば、チタン若しくはステンレス鋼である。

いくつかの態様では、接着ヒドロゲルは、ヒドロゲルの両側に接着層を有するのが望ましい場合もある。この実施形態では、ヒドロゲルは、２層の接着コーティング間に挟まれる。他の実施形態では、接着コーティングの表面に除去可能な保護層を適用することができる。この実施形態では、当技術分野で公知の保護層を使用することができる。

本明細書に記載する接着ヒドロゲルは、表面を乾燥させる必要なしに、湿潤表面に付着させることができる。接着ヒドロゲルは、特に生物医学用途において、水性生理学的条件で有用である。目的とする基質の表面に適用する場合、接着ヒドロゲル上の接着層は、基質との共有結合を形成して、基質と接着層との結合を生成することができる。特定の理論に拘束されることは意図しないが、接着ヒドロゲルの接着層が複数のフェノール基を有する基質表面と接触しているとき、接着層中の酵素は、過酸化物供給源の存在下で接着層及び基質のフェノール基同士の架橋を触媒する。この機構を図１０に表示し、図中で、新たな共有結合（Ｙ−Ｙ）が接着層１２と基質２０との間に形成される。

一態様では、過酸化物供給源は、例えば、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）などの過酸化物化合物である。他の態様では、過酸化物供給源は、ｉｎ ｓｉｔｕで過酸化水素を生成する化合物である。一態様では、基質が、対象の組織（例えば、骨、筋肉、軟骨、靭帯、腱、軟組織、臓器、又は皮膚）である場合、創傷中に存在するスーパーオキシドディスムターゼ（ＳＯＤ）又はグルコースオキシダーゼ（すなわち、過酸化物供給源）が、過酸化水素をｉｎ ｓｉｔｕで生成することができる。従って、この態様では、接着ヒドロゲルの適用前に基質を別の過酸化物供給源と接触させる必要はない。しかし、過酸化物供給源がｉｎ ｓｉｔｕで生成されない状況では、接着ヒドロゲルの適用前に基質を過酸化物供給源と接触させることができる。例えば、スーパーオキシドディスムターゼ（ＳＯＤ）又はグルコースオキシダーゼなどの過酸化物供給源を接着ヒドロゲルの接着層に組み込むことができる。

他の態様では、接着層と基質との接着を増強するために、基質の表面を、複数のフェノール基を有する本明細書に記載の粘着剤の層でプライミングすることができる。この態様では、基質の表面に塗布される粘着剤は、接着ヒドロゲルの粘着剤と同じでもよく、又は異なっていてもよい。

一態様では、本明細書に記載する接着ヒドロゲルは、いくつかの様々な骨折及び破壊を修復するために用いることができる。こうした破壊の例として、完全骨折、不完全骨折、線状骨折、横骨折、斜骨折、圧迫骨折、らせん骨折、粉砕骨折、圧縮骨折、又は開放性骨折が挙げられる。一態様では、骨折は、関節内骨折又は頭蓋顔面骨折である。関節内骨折などの骨折は、軟骨表面に広がり、それを断片化する骨損傷である。接着ヒドロゲルは、こうした骨折の低減の維持を補助し、より低侵襲性の手術を可能にし、手術室時間を短縮し、費用を削減し、且つ外傷後関節炎のリスクを低減することによって転帰の改善をもたらし得る。他の態様では、接着ヒドロゲルを用いて、重度の粉砕骨折の小片を結合することができる。この態様では、骨折した骨の小片は、既存の骨に接着させることができる。

他の態様では、接着ヒドロゲルを、骨並びに例えば軟骨、靱帯、腱、軟組織、臓器、及びこれらの物質の合成誘導体などの他の組織に対するパッチとして使用することができる。一態様では、パッチは、創傷治癒用途で典型的に用いられる組織スカフォールド又は他の合成物質若しくは基質であってよい。接着ヒドロゲルを用いて、生物学的スカフォールドを対象に配置することができる。いくつかの態様では、スカフォールドは、骨及び組織の増殖又は修復を促進する１つ又は複数の薬剤を含有することができる。他の態様では、スカフォールドは、感染症を予防する薬剤、例えば、抗生物質を含有してよい。例えば、スカフォールドを薬剤でコーティングすることができ、又は別の態様では、時間経過と共に薬剤がスカフォールドから溶出するように、薬剤をスカフォールド中に組み込むこともできる。

他の態様では、接着ヒドロゲルは、骨に基質を接着させることができる。例えば、酸化チタン、ステンレス鋼、又は他の金属から作製されるインプラントは、骨折した骨の修復に一般に使用される。一態様では、両面の粘着剤から構成される接着ヒドロゲルを金属基質及び骨に適用することにより、基質を骨に接着させることができる。他の態様では、基質は、布（例えば、内部包帯）、移植組織片、又は創傷治癒材料であってよい。従って、骨の断片を結合する以外に、接着ヒドロゲルは、骨に対する基質の結合を促進することができ、これにより骨の修復及び回復が促進され得る。

接着ヒドロゲルは、他の様々な外科的処置に使用することができる。例えば、外科的処置によって生じる創傷に対するカバーとして接着ヒドロゲルを適用することにより、創傷治癒を促進し、感染症を予防することができる。一態様では、接着ヒドロゲルは、外傷又は外科的処置により生じた眼の創傷を治療するために使用することができる。一態様では、接着ヒドロゲルを用いて、対象の角膜又は強膜裂傷を修復することができる。他の態様では、接着ヒドロゲルを用いて、外科的処置（例えば、緑内障手術又は角膜移植）により損傷した眼組織の治癒を促進することができる。

別の態様では、接着ヒドロゲルは、対象の瘻を封止するために使用することができる。瘻は、臓器、血管、又は腸と、別の構造（例えば、皮膚など）との異常な連結である。瘻は、一般に、傷害又は手術によって生じるが、感染症又は炎症からも起こり得る。瘻は、一般に、病態であるが、治療目的のために、外科的に形成されることもある。他の態様では、接着ヒドロゲルは、対象における２つの組織同士の望ましくない接着を予防又は低減することができ、この方法は、その組織の少なくとも１つの表面を接着ヒドロゲルと接触させるステップを含む。

いくつかの態様では、接着ヒドロゲルは、複数の生物活性を有する。他の態様では、接着層は、銀ナノ粒子を含有し、これらの粒子は、抗菌剤としても作用し得る。放出の速度は、複合体の調製に使用される材料の選択並びに生物活性物質（それが塩である場合）の電荷によって制御することができる。従って、この態様では、接着ヒドロゲルは、局在化された薬剤制御放出デポー剤として機能し得る。組織及び骨を固定すると共に、生物活性剤を送達することにより、患者の快適さを提供し、骨の治癒を促進し、且つ／又は感染症を予防することが同時に可能となり得る。

前述したように、本明細書に記載するヒドロゲルは、所望の放出パターンに合わせて調整することができる生物活性剤を含み得る。一実施形態では、ヒドロゲルは、ポリカチオンとしてアミノグリコシド抗生物質を含んでよく、この場合、接着ヒドロゲルは、抗菌剤である。

生物医学用途以外にも、水を含む、又は水性環境に曝露されることになるいくつかの非医学用途に接着ヒドロゲルを使用することができる。例えば、接着ヒドロゲルは、ひび割れを封止するために、ひび割れた水中の基質に適用することができる。例えば、船体のひび割れを封止するために、適切な補強層及び粘着剤で接着ヒドロゲルを製造することができる。

ここで製造される接着ヒドロゲルは、使用のために準備されるまで貯蔵することができる。過酸化物供給源が必要な状況では、必要に応じて、接着ヒドロゲルと過酸化物供給源の容器とから構成されるキットを使用することができる。キットは、本明細書に記載のマクロマーから構成されるプライマーなどの追加成分を含むことができる。

本明細書に記載及び特許請求される化合物、組成物、及び方法がどのように作られ、評価されるかについての完全な開示及び説明を当業者に提供するために、以下の実施例を提示するが、これらは純粋に例示的であることが意図され、且つ本発明者らが本発明であるとみなす範囲を限定することは意図されない。数（例えば、量、温度など）に対する精度を保証するための努力はなされているが、ある程度の誤差及び偏差は考慮すべきである。別に指示されない限り、部は重量部であり、温度は℃又は周囲温度であり、圧力は大気圧又はその近傍である。反応条件、例えば、成分濃度、所望される溶媒、溶媒混合物、温度、圧力、並びに上記プロセスから得られる生成物の純度及び収率を最適化するのに使用可能な他の反応範囲及び条件の多数の変形形態及び組み合わせがある。こうした処理条件を最適化するには、合理的且つ常用的実験が必要となるにすぎない。

材料
オキシ塩化リン（Ｖ）、メタクリル酸２−ヒドロキシエチル、トリエチルアミン、及びメタクリル酸グリシジルは、Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ（Ｗａｒｄ Ｈｉｌｌ，ＭＡ）から購入した。４−メトキシフェノールは、東京化成工業株式会社（東京、日本国）から購入した。メタクリル酸、２，２’−アゾビス（２−メチルプロピオニトリル）、アクリルアミド、Ｎ，Ｎ０−メチレンビスアクリルアミド、及びＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミンは、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ（Ｓｔ Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ）から購入した。硫酸アンモニウムは、Ｆｉｓｃｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ（Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ）から購入した。

リン酸モノマーの合成
リン酸２−（メタクリロイルオキシ）エチル（ＭＯＥＰ）を以下のように合成した。アルゴン流の下、ドライトルエン（４８０ｍｌ）中でオキシ塩化リン（３３．９ｇ、２２０ｍｍｏｌ）をヒドロキシ−エチル−メタクリルアミド（ＨＥＭＡ）と０．７：１モル比で混合した。反応物を４℃で攪拌しながら、トリエチルアミン（ＴＥＡ）（７７ｍｌ）を１０分かけてゆっくりと添加した。ＴＥＡの添加後、反応物をアルゴンガス下、２２℃で６時間攪拌した後、濾過することにより、沈殿した塩を除去した。反応物を４℃まで冷却させた後、ＤＩ水（４８０ｍｌ）を添加し、続いて、アルゴン下、２２℃で１５時間攪拌した。反応物をジエチルエーテル（１００ｍｌ）で２回抽出した。有機層を廃棄した。テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）及びジエチルエーテル（１：２、１２×２２５ｍｌ）を用いて水層を抽出した後、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。^１Ｈ及び^３１Ｐ ＮＭＲによりモノマーを確認した。

ポリＭＯＥＰ−ＭＡの合成
メタノール（１２．５ｍｌｍｇ⁻１ ＭＯＥＰ）中のＭＯＥＰ（８５ｍｏｌ％）、及びメタクリル酸（１５ｍｏｌ％）の遊離ラジカル重合により、ポリＭＯＥＰを合成した。５５℃において、アゾ−ビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ、４．５ｍｏｌ％）で反応を開始し、１５時間にわたり進行させた。生成物をアセトンで沈殿させた後、水（１７ｇのｐＭＯＥＰにつき２００ｍｌのＨ_２Ｏ）に溶解させた。続いて、メタクリレート基（ＭＡ）を、メタクリレート側鎖に対して９倍モル過剰量のメタクリル酸グリシジルと一緒に、メタクリル酸側鎖にグラフト化した。Ｕｌｔｒａｃｅｌ １０ｋＤ膜を備えるＭｉｌｌｉｐｏｒｅ Ｐｅｌｌｉｃｏｎ ３カセットフィルタを用いたタンジェンシャルフローフィルトレーションにより、メタクリレート化ｐＭＯＥＰ（ｐＭＯＥＰ−ＭＡ）を精製した。濾過中、ポリマーを１０容量の水で洗浄した。ＮａＯＨでｐＨを７．３に調節し、生成物を凍結乾燥した後、−２０℃で保存した。得られたリン酸プレポリマーは、^１Ｈ及び^３１Ｐ ＮＭＲにより決定して、６２．６ｍｏｌ％のリン酸側鎖、１０．９ｍｏｌ％のヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）、及び２６．５ｍｏｌ％のＭＡ側鎖を含有しており、ＨＥＭＡの供給源は、共重合中のＭＯＥＰのリン酸基の部分的加水分解からのものである。ｐＭＯＥＰ−ＭＡの分子量（Ｍｍ）及び多分散指数（ＰＤＩ）は、Ｗｙａｔｔ ＭｉｎｉＤａｗｎ Ｔｒｅｏｓ（光分散）及びＷｙａｔｔ Ｏｐｔｉｌａｂ ｒＥＸ（屈折率）検出器を装備したＡｍｅｒｓｈａｍ Ｐｈａｒｍａｃｉａ ＡＫＴＡＦＰＬＣシステムを用いたサイズ排除クロマトグラフィー（ＳＥＣ）により決定した。Ｓｕｐｅｒｏｓｅ ６ ＨＲ １０／３０カラムは、３０％（ｖｏｌ／ｖｏｌ）アセトニトリルを含有する０．１Ｍ酢酸ナトリウム（ｐＨ６．５）で平衡させた。Ｗｙａｔｔ ＭｉｎｉＤａｗｎ ＡＳＴＲＡソフトウェアを用いて、平均Ｍｍ及びＰＤＩを計算すると、それぞれ８９ｋｇｍｏｌ⁻１及び２．６が得られた。

ヒドロゲル重合
ヒドロゲルは、アクリルアミド（Ａａｍ）及びＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド（ビス−Ａａｍ）と、１５０ｍＭ ＮａＣｌ及び５ｍＭトリス（ｐＨ８．０）中のｐＭＯＥＰ−ＭＡプレポリマーとの遊離ラジカル重合により形成した（図１）。プレポリマーの量は、０．５％ｗｔ／ｖｏｌ％〜７．０ｗｔ／ｖｏｌ％で変動したが、Ａａｍ、ビス−Ａａｍ及びＭＯＥＰ−ＭＡプレポリマーの合計ｗｔ％は、７．５ｗｔ／ｖｏｌ％に一定に保持された。Ａａｍとビス−Ａａｍとのモル比は６０：１であった。１０％過酸化アンモニウム（ＡＰＳ）及びテトラメチルエチレンジアミン（ＴＥＭＥＤ）をそれぞれ最終濃度７０ｍｇｍｌ⁻１及び２．４ｍｌｍｌ⁻１まで添加することにより、重合を開始した。重合をドッグボーン形状の型内で重合を２２℃において９０分間進行させた。厚さ２ｍｍのシリコーンゴムシートから型をレーザカットし、これらを２つのアクリルプレートの間に固定して、完全な成形品を形成した。鉱油層を重合反応物の上に広げることにより、酸素への曝露を制限した。１５０ｍＭ ＮａＣｌ、５ｍＭトリス（ｐＨ８）中に、溶液を繰返し交換しながら２４時間にわたり重合ゲルを浸漬して、非反応材料を除去した。

ヒドロゲル金属イオン交換
ヒドロゲルを１５０ｍＭ ＮａＣｌ、５ｍＭトリス（ｐＨ８．０）中に浸漬し、２４時間かけて金属イオン（Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋、又はＺｎ^２＋）を５ｍＭずつ増加しながら５０ｍＭまで添加した。金属イオンの段階的添加は、解膨潤したヒドロゲルの均質性を改善した。次に、５０ｍＭ金属イオン及び５ｍＭトリス（ｐＨ８．０）中に、溶液を頻繁に交換しながら、さらに２４時間ヒドロゲルを浸漬した。体積平衡中、解剖顕微鏡法を用いて、ヒドロゲルの画像を記録し、ＩｍａｇｅＪを用いてそれらの寸法を測定した。等方性収縮を仮定して体積変化を計算した。ヒドロゲルは、体積が定常状態に達したとき、完全な平衡状態であると考えられた。分析用平衡密度キット（Ｍｅｔｔｌｅｒ Ｔｏｌｅｄｏ，Ｉｎｃ．）を用いた浮力法によりヒドロゲル密度を測定し、式：

を用いて算出した。

水の密度を温度について補正した。商業的試験施設（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｌａｂｓ，Ｓａｌｔ Ｌａｋｅ Ｃｉｔｙ，ＵＴ）において、２つの独立したヒドロゲル試料のＩＣＰ−ＯＥＳにより、金属リン酸塩比を決定した。

ヒドロゲルの機械試験
Ｂｌｕｅｈｉｌｌソフトウェア（Ｉｎｓｔｒｏｎ，Ｉｎｃ．）で制御されるＩｎｓｔｒｏｎ３３４２材料試験システムで５ｍＭの試験金属イオンを含む５ｍＭトリス（ｐＨ８．０）に浸漬しながら、ヒドロゲルを引っ張った。Ｃａ^２＋平衡ヒドロゲルを０．０１〜１．０ｓ⁻１の範囲の速度で引っ張った。破壊歪及び繰返し歪試験を０．１５ｓ⁻１で実施した。

赤外分光法
ナトリウム平衡ヒドロゲルを１０ｍＭ Ｎａ＋ＥＤＴＡ中で一晩インキュベートすることにより、重合及びプロセシング中に収集された赤色の（ｒｏｕｇｅ）二価金属イオンを除去した。微量の二価金属イオンの結合を阻止するために、Ｎａ^＋ゲルを１ｍＭ ＥＤＴＡ中に保存した。前述したように、二価金属イオンヒドロゲルをそれぞれの金属イオンで平衡させた。体積平衡後、サンプルを水ですすいでから、凍結乾燥することにより水を除去し、めのう乳鉢と乳棒とを用いて粉末に粉砕した後、ダイアモンドＡＴＲクリスタルに適用した。ポリメタクリルアミド骨格中のアミド基による吸収に対応する、１６６５ｃｍ⁻１に集中する吸収バンドの強度にＩＲスペクトルを正規化した。８００〜１３００ｃｍ⁻１の強度正規化スペクトルに線形ベースライン補正を適用し、これは、いくつかのリン酸振動モードを含む。ダイアモンドＳｍａｒｔ ｉＴＲ付属装置、重水素化硫酸トリグリシン検出器、及びＫＢｒ／Ｇｅ中赤外域最適化ビームスプリッターを備えるＮｉｃｏｌｅｔ６７００分光計（Ｔｈｅｒｍｏ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，ＦＬ）を用いて、ＡＴＲ−ＦＴＩＲ吸光スペクトルを収集した。スペクトルを４ｃｍ⁻１の分解能及び５１２平均走査で記録した。

実験データの処理
データはｍａｔｌａｂ（ＭａｔｈＷｏｒｋｓ）で処理した。応力−歪曲線の初期部分に対する線形フィットを用いて、初期モジュラスを推定した。曲線の初期線形部分からの５％歪オフセットを用いて、降伏点を決定した。繰返し試験の順方向（ｆｏｒｗａｒｄ）曲線から背向（ｒｅｖｅｒｓｅ）曲線の台形積分を差し引くことにより、エネルギー散逸、すなわち歪サイクルヒステリシスを計算した。ベースラインから応力−歪曲線の初期線形部分（つま先部分は無視する）を延長することにより、残留歪を測定した。

二価金属イオン架橋ヒドロゲルの合成
リン酸エチル（ＭＯＥＰ）、エチル−ヒドロキシ（ＨＥＭＡ）側鎖、及びカルボキシレート（ＭＡＡ）側鎖（図１）のｍｏｌ％を変えながら、ポリメタクリレートランダムコポリマーを合成した。次に、架橋器としてのメタクリル酸グリシジルでＭＡＡ基をグラフト化した。ヒドロゲルを製造するために、メタクリレート化ポリリン酸（ｐＭＯＥＰ−ＭＡ）プレポリマーのナトリウム塩をアクリルアミド（ＡＡＭ）及びビスアクリルアミド（ビス−ＡＡＭ）モノマーと混合し、１５０ｍＭ ＮａＣｌ、及び５ｍＭトリス（ｐＨ８．０）中で共重合した。ヒドロゲル中のポリマーの総ｗｔ／ｖｏｌ％は、７．５ｗｔ／ｖｏｌ％に維持した。重合中、ｐＭＯＥＰ−ＭＡプレポリマーは、ＭＡ側鎖を介してｐＡＡＭ網目構造に架橋された（図１）。こうして得られたＮａ^＋対イオンを有するドッグボーン形状のヒドロゲルは、濁りがなく透明であった。

Ｎａ^＋を二価金属イオンのＭｇ^２＋、Ｃａ^２＋、及びＺｎ^２＋と交換すると、ヒドロゲルは、その初期体積の約６５％まで収率した（表１）。最終体積は、二価金属イオン種に対してほとんど依存性がなかった（図２）。しかしながら、ヒドロゲルは、Ｍｇ^２＋で最も速く収縮し、９０分で平衡したのに対し、Ｃａ^２＋及びＺｎ^２＋ではいずれも、体積平衡は約２４時間かかった。二価金属イオン交換中、最初に透明であったＮａ^＋ヒドロゲルは、やや半透明になった。得られた二価イオン平衡ＤＮヒドロゲルは、網目構造内及びそれらの間に３種類の架橋：ｐＡＡＭ鎖同士の共有結合的ビス−ＡＡＭ結合、ｐＭＯＥＰ網目構造中のｐＡＡＭとメタクリレート化側鎖との間の共有結合的ビス−ＡＡＭ結合、及びｐＭＯＥＰ網目構造内の可逆性リン酸塩／金属イオン結合を有し、これらは、恐らく分子間及び分子内架橋の混合であると考えられた（図１）。

Ｃａ^２＋イオンで平衡したヒドロゲル中のｐＡＡＭ網目構造に対するｐＭＯＥＰ−ＭＡプレポリマーの割合の変化の機械的影響を引張試験により評価した。総ポリマー／モノマー濃度を７．５ｗｔ／ｖｏｌ％で一定に維持しながら、ｐＭＯＥＰ−ＭＡプレポリマーの濃度を１．５〜７．０ｗｔ／ｖｏｌ％で変動させた（図３Ａ）。水の蒸発を防ぐと共に、ゲル内外への不均質な水分流動の影響の可能性を制限するために、完全に水浴に浸しながら、ヒドロゲルを室温（２０〜２２℃）で破壊歪試験に付した。浴溶液は、５ｍＭＣａ^２＋を含有し、リン酸側鎖のｐＫ_ａ２を超えるｐＨ８．０に緩衝した。ｐＭＯＥＰ−ＭＡとｐＡＡＭとの最も低い比である１．５：６．０ｗｔ／ｖｏｌ％で、Ｃａ^２＋平衡ヒドロゲルは、０．０２０±０．００４ＭＰａの初期モジュラスを有し、柔軟であった。０．０５４±０．００２ＭＰａ及び１５０％未満の歪で破断が起こるまで、歪と共に応力を線形に増加した（図３Ａ）。ｐＭＯＥＰ−ＭＡとｐＡＡＭとの比が５ｗｔ／ｖｏｌ％超のｐＭＯＥＰ−ＭＡまで増加すると、初期モジュラスは急激に上昇し、破断時の歪は２００％付近まで増大し、降伏様挙動（顕著な歪軟化）が２０％前後の伸びで現れた（図３Ａ）。破断に要する伸張の仕事に表されるヒドロゲルの靭性（図３Ｂ）も、主としてヒドロゲルの降伏応力の増加により、ｐＭＯＥＰ−ＭＡの増加と共に急増した。

高ｍｏｌ％のリン酸側鎖を有するプレポリマーとしてｐＭＯＥＰ−ＭＡを用いたヒドロゲル合成により、強靭化Ｃａ^２＋架橋ヒドロゲルが得られた。他のヒドロゲル合成方法では、強靭化ヒドロゲルを製造することができなかった。例えば、ｐＡＡＭを含まない７．５ｗｔ／ｖｏｌ％ｐＭＯＥＰ−ＭＡのヒドロゲルは脆く、二価金属イオンでの平衡中頻繁に破断した。わずか４０ｍｏｌ％のリン酸側鎖を有する６．５ｗｔ／ｖｏｌ％ｐＭＯＥＰ−ＭＡで調製したヒドロゲルは、Ｃａ^２＋によりかなり硬化したが、降伏様挙動は示さず、Ｃａ^２＋での平衡中にあまり収縮せず、靭性は低かった（図示せず）。従って、６．５ｗｔ／ｖｏｌ％ｐＭＯＥＰ−ＭＡと１．０ｗｔ／ｖｏｌ％ｐＡＡＭ／ビス−ＡＡＭとを用いて合成したヒドロゲルについて、さらなるヒドロゲル機械的特性決定を実施した。

繰返し荷重負荷中のＣａ^２＋架橋ヒドロゲルのヒステリシス及び自己回復動態
Ｃａ^２＋ヒドロゲルの降伏様応答は、塑性永久変性ではなかった。そうではなく、５０％まで引っ張られたヒドロゲルの初期長さ、モジュラス、及び降伏ストレスは、除荷後９０分以内にその初期値の約９０％を回復した（図５及び６）。従って、この現象を擬降伏と呼ぶ。高度ヒステリシスサイクルの順方向及び背向曲線内の面積は、散逸した歪エネルギーを表しており、これも９０分以内に初期サイクル値の約９０％まで回復した。この回復は、１回の指数関数的過程に一致しなかった。対照的に、Ｍｇ^２＋ヒドロゲルは、繰返し歪に対する線形弾性応答を有し、ほとんどヒステリシスを示さなかった（図５Ａ、緑色の曲線）。Ｚｎ^２＋で平衡したヒドロゲルは、擬降伏点を超えて、より脆性であり、５０％伸びまで確実に引っ張ることができなかった。従って、リフォールディング速度は測定しなかった。

Ｃａ２＋架橋ヒドロゲルの歪速度依存
３桁に及ぶ歪速度で１００％まで引っ張ったＣａ^２＋平衡ヒドロゲルの擬降伏応力は５倍増大した（図６Ｂ）。同様に、初期モジュラス、伸張の仕事、及び散逸エネルギーも、それぞれ６０％、２倍、及び２．３倍増大した（図示せず）。擬降伏応力は、歪速度に対して対数依存性を有した（図６Ｂ）。歪速度は、残留歪に対してほとんど影響を及ぼさず、残留歪は、歪速度の範囲にわたって５％のみ変動した。

ヒドロゲル靭性の金属イオン種依存
Ｎａ^＋対イオンを含有するヒドロゲルは、柔軟な直鎖状エラストマーであり、これは、破断するまで約２５０％伸張することができた（図４及び表１）。二価金属イオンとの交換により、擬降伏応力は次の順で増大した：Ｍｇ^２＋＜Ｃａ^２＋＜Ｚｎ^２＋。Ｍｇ^２＋と交換したヒドロゲルは、Ｎａ^＋ヒドロゲルと同様に、柔軟で、歪に対する応力の線形依存を示したのに対し、Ｃａ^２＋及びＺｎ^２＋ヒドロゲルはいずれも、２０％前後の歪で、顕著な歪軟化（降伏様）挙動を示した。Ｚｎ^２＋ヒドロゲルは、降伏点の後まもなく、Ｃａ^２＋ヒドロゲルの９０％の平均歪に対して４０％の歪で破断したが、破断に要するＣａ^２＋及びＺｎ^２＋の仕事はほぼ同じであり、それぞれ１０．４及び１０．５ＭＪｍ⁻３であり、Ｍｇ^２＋の３倍であった（表１）。

ｐＭＯＥＰプレポリマーのリン酸側鎖の閾値濃度を超えて、二価金属イオンでの一価Ｎａ^＋の交換によりヒドロゲル構造の崩壊が起こり、これは、その平衡水質量の約４０％の排除（表１）と、透明からやや半透明への外観の変化とを伴った。機械的には、ヒドロゲルは、柔軟且つ弾性から、靭性且つ粘弾性に変化し、限界応力で非永久歪軟化（降伏）を有した（図７）。

二価金属イオン架橋ヒドロゲルのＩＲ分光学
リン酸側鎖と二価金属イオンとの相互作用をＩＲ分光学により評価した（図８）。変性Ｐ−Ｏ⁻対称伸縮モードに対応するバンドが９５０〜１０５０ｃｍ⁻１に存在する。９８０ｃｍ⁻１に集中するＮａ^＋吸収バンドは、二塩基性リン酸塩の２つのＰ−Ｏ⁻結合の吸収合計に相当する。９８０ｃｍ⁻１に集中するＮａ^＋吸収バンドは、二塩基性リン酸塩の２つのＰ−Ｏ⁻結合の吸収合計に相当する。９６２ｃｍ⁻１バンドは、ｐＨ滴定に基づくリン酸塩振動によるものではない（図示せず）。９８０ｃｍ⁻１は、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋、及びＺｎ^２＋についてそれぞれ、Ｂ１１、１７及び２１ｃｍ⁻１青方偏移した。偏移したバンドの吸光度は、次の順で増大した：Ｍｇ^２＋＜Ｃａ^２＋＜Ｚｎ^２＋。

トブラマイシン添加中のヒドロゲル解膨潤
３つのヒドロゲル（６．５ｗｔ／ｖｏｌ％ｐＭＯＥＰ、１ｗｔ／ｖｏｌ％ｐＡＡｍ）を５ｍｌの５ｍＭトブラマイシン、ｐＨ１２の１５０ｍＭ ＮａＣｌに浸漬し、２時間にわたって撮影した。次に、溶液をｐＨ７．５に調節してから、ヒドロゲルを７２時間撮影した。ＩｍａｇｅＪを用いて、体積変化を画像から測定した（図１１）。ヒドロゲルは、体積が定常状態に達したとき、完全に平衡状態にあると考えられた。

ポリリン酸ヒドロゲルからのトブラマイシン放出動態
３つのヒドロゲル（６．５ｗｔ／ｖｏｌ％ｐＭＯＥＰ、１ｗｔ／ｖｏｌ％ｐＡＡｍ）をｐＨ７．５の１５０ｍＭ ＮａＣｌ中の５ｍｌの１０ｍＭトブラマイシンに２４時間インキュベートした。添加溶液は、０．６４％ＮａＣｌ、０．０７５％ＫＣｌ、０．０４８％ＣａＣｌ_２、０．０３％ＭｇＣｌ_２を含有する５ｍｌの平衡塩類溶液（ＢＳＳ）ｐＨ７．５に取り換えた。ＢＳＳ溶液は２４時間毎に取り換え、ヒドロゲルから溶液に放出されるトブラマイシンの量を、ニンヒドリンを用いて定量した。４日にわたるヒドロゲル１ｍｌ当たりの蓄積放出ｍｇを図１２に示す。

特定の理論に拘束されることは意図しないが、二価カチオンは、図１に示すように、部分的に脱水した稠密クラスターへのリン酸側鎖を介して、分子内及び分子間の両方でポリリン酸プレポリマー網目構造と架橋し、これが擬ドメインとして機能する。崩壊したリン酸プレポリマークラスターは、弾性ポリアクリルアミド網目構造を介して互いに結合される。強靭化作用（Ｎａ^＋平衡ヒドロゲルに対してＣａ^２＋平衡ヒドロゲルを破断するのに必要な余剰仕事）は、Ｃａ^２＋リン酸架橋クラスターの破断及びアンフォールディングにより吸収され、散逸されたエネルギーによるものであった。稠密クラスターは、ストレス平坦域での連続的な粘性アンフォールディング及び伸張を受ける一連の犠牲降伏ドメインとして機能した。Ｃａ^２＋リン酸架橋クラスターの破断は可逆性であり、これが除荷され、弾性ポリアクリルアミド網目構造の記憶により誘導されると、ドメイン様領域が徐々に再形成するのを可能にした。穏やかな歪速度で歪エネルギーを散逸する能力の約９０％が９０分以内に回復した。完全な回復に達してないのは、最初の歪サイクル中に永久的損傷が起こったことを示した。

特定の用途の規格を満たすようにヒドロゲルを設計する場合、ヒドロゲルの応力応答は、多価金属イオンの選択によりある程度まで調節することができる。Ｃａ２＋及びＺｎ２＋ヒドロゲルの硬質性及び強度（表１）が高いのは、水和殻が、内圏リン酸酸素結合により置換される傾向が高くなることによると考えられ、これにより、実質的により強力で耐過重性の鎖内及び鎖間架橋が生じ得る。

本明細書に記載する化合物、組成物及び方法に対する様々な修飾形態及び変形形態がなされ得る。本明細書に記載する化合物、組成物及び方法の他の態様は、本明細書に開示する化合物、組成物及び方法の明細事項及び実施の考察から明らかであろう。本明細書及び実施例は例示的とみなされることが意図される。

Claims (71)

1. （ａ）（メト）アクリルモノマーから得られたポリマーを含む第１ポリマー網目構造と、（ｂ）ポリリン酸塩を含む第２ポリマー網目構造とであって、互いに共有結合的に架橋している、第１ポリマー網目構造及び第２ポリマー網目構造と、（ｃ）前記第２ポリマー網目構造を非共有結合的に架橋する複数の多価カチオン、ポリカチオン、又はそれらの組合せとを含むヒドロゲル。
2. ａ．（１）複数のリン酸基と複数のペンダントアクリロイル基、ペンダントメタクリロイル基、又はそれらの組合せとを含むポリリン酸プレポリマーを含む第２ポリマー網目構造、及び（２）遊離ラジカル開始剤の存在下で、（メト）アクリルモノマーを重合して、第１ポリマー網目構造を生成するステップであって、前記第１ポリマー網目構造及び前記第２ポリマー網目構造が互いに共有結合的に架橋されて、第１ヒドロゲルを生成する、ステップと、
   ｂ．前記第１ヒドロゲルを多価カチオン、ポリカチオン、又はそれらの組合せと接触させて、前記第１第２ポリマー網目構造を非共有結合的に架橋するステップと
   を含む方法により製造されるヒドロゲル。
3. 前記ポリカチオンがアミノグリコシド抗生物質を含む、請求項１に記載のヒドロゲル。
4. 前記ポリカチオンがアミノグリコシド抗生物質を含む、請求項２に記載のヒドロゲル。
5. 前記アミノグリコシド抗生物質がストレプトマイシン、トブラマイシン、カナマイシン、ゲンタマイシン、ネオマイシン、アミカシン、デベカシン、シソマイシン、ネチルマイシン、ネオマイシンＢ、ネオマイシンＣ、ネオマイシンＥ、又はそれらの任意の組合せである、請求項３に記載のヒドロゲル。
6. 前記アミノグリコシド抗生物質がストレプトマイシン、トブラマイシン、カナマイシン、ゲンタマイシン、ネオマイシン、アミカシン、デベカシン、シソマイシン、ネチルマイシン、ネオマイシンＢ、ネオマイシンＣ、ネオマイシンＥ、又はそれらの任意の組合せである、請求項４に記載のヒドロゲル。
7. 前記ポリリン酸プレポリマーが１，０００Ｄａ〜２００，０００Ｄａの分子量を有する、請求項２に記載のヒドロゲル。
8. 前記ポリリン酸プレポリマーが、（１）リン酸（メト）アクリルモノマーを１つ又は複数の（メト）アクリルモノマーと重合して、第１ポリマーを生成するステップと、（２）アクリロイル基、メタクリロイル基、又はそれらの組合せを前記第１ポリマーとグラフト化するステップとにより製造される、請求項２に記載のヒドロゲル。
9. 前記リン酸（メト）アクリルモノマーが、式Ｉ
   

   

   
   （式中、Ｒ^４は、水素又はアルキル基であり、及びｎは、１〜１０である）
   を有する、請求項８に記載のヒドロゲル。
10. Ｒ^４がメチルであり、及びｎが２である、請求項９に記載のヒドロゲル。
11. 式Ｉの前記リン酸（メト）アクリルモノマーがアクリル酸、メタクリル酸、メタクリル酸ヒドロキシアルキル、アクリル酸ヒドロキシアルキル、ヒドロキシル置換（低級アルキル）アクリレート、ヒドロキシアルキルアクリルアミド、ヒドロキシアルキルメタクリルアミド、ヒドロキシル置換（低級アルキル）メタクリレートアクリルアミド、メタクリルアミド、（低級アルキル）アクリルアミド、（低級アルキル）メタクリルアミド、ヒドロキシル置換（低級アルキル）アクリルアミド、ヒドロキシル置換（低級アルキル）メタクリルアミド、又はそれらの任意の組合せと重合される、請求項９に記載のヒドロゲル。
12. 式Ｉの前記リン酸（メト）アクリルモノマーがアクリル酸又はメタクリル酸と重合される、請求項９に記載のヒドロゲル。
13. 前記ポリリン酸プレポリマーが、式ＩＩＩ
    

    

    
    （式中、ｘは、前記ポリリン酸プレポリマーの４０〜９０ｍｏｌ％であり、ｙは、前記ポリリン酸プレポリマーの１〜３０ｍｏｌ％であり、且つｚは、前記ポリリン酸プレポリマーの１〜３０ｍｏｌ％であり、及び
    各Ｒ^１は、独立して水素又はメチルである）
    の単位を含むランダムコポリマーである、請求項２に記載のヒドロゲル。
14. ｘが前記ポリリン酸プレポリマーの５０〜７０ｍｏｌ％であり、ｙが前記ポリリン酸プレポリマーの５〜２０ｍｏｌ％であり、且つｚが前記ポリリン酸プレポリマーの２０〜３０ｍｏｌ％であり、及び各Ｒ^１がメチルであり、且つ分子量が１，０００Ｄａ〜１００，０００Ｄａである、請求項１３に記載のヒドロゲル。
15. 前記（メト）アクリルモノマーがアクリル酸、メタクリル酸、メタクリル酸ヒドロキシアルキル、アクリル酸ヒドロキシアルキル、アクリルアミド、メタクリルアミド、（低級アルキル）アクリルアミド、（低級アルキル）メタクリルアミド、ヒドロキシル置換（低級アルキル）アクリルアミド、ヒドロキシル置換（低級アルキル）メタクリルアミド、又はそれらの任意の組合せである、請求項２に記載のヒドロゲル。
16. 前記（メト）アクリルモノマーがアクリルアミド又はメタクリルアミドを含む、請求項２に記載のヒドロゲル。
17. ステップ（ａ）において、２つ以上のアクリロイル基、メタクリロイル基、又はそれらの組合せを含む架橋剤をさらに含む、請求項２に記載のヒドロゲル。
18. 前記架橋剤がジアクリレート又はジメタクリレートを含む、請求項１７に記載のヒドロゲル。
19. 前記架橋剤がポリアルキレンオキシドグリコールジアクリレート又はポリアルキレンオキシドグリコールジメタクリレートを含む、請求項１７に記載のヒドロゲル。
20. 前記架橋剤がＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド又はＮ，Ｎ’−メチレンビスメタクリルアミドを含む、請求項１７に記載のヒドロゲル。
21. 前記（メト）アクリルモノマーがアクリルアミドであり、及び前記架橋剤がＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドである、請求項２に記載のヒドロゲル。
22. 前記ラジカル開始剤が有機過酸化物、アゾ化合物、又は過硫酸塩を含む、請求項２に記載のヒドロゲル。
23. 前記多価カチオンが二価カチオン又は三価カチオンである、請求項２に記載のヒドロゲル。
24. 前記多価カチオンがＣａ^＋２、Ｍｇ^＋２、Ｆｅ^＋２、Ｆｅ^＋３、Ｚｎ^＋２、Ａｌ^＋３、Ｃｕ^＋２、Ｃｕ^＋３、希土類金属、又はそれらの任意の組合せを含む、請求項２に記載のヒドロゲル。
25. 前記ヒドロゲルが多価カチオン及びアミノグリコシド抗生物質を含む、請求項２に記載のヒドロゲル。
26. 前記多価カチオンがＣｕ^＋２イオンを含む、請求項２５に記載のヒドロゲル。
27. 前記ヒドロゲルが生物活性剤をさらに含む、請求項１に記載のヒドロゲル。
28. 前記ヒドロゲルが生物活性剤をさらに含む、請求項２に記載のヒドロゲル。
29. 請求項１〜２８のいずれか一項に記載のヒドロゲルを含むミクロゲル又はナノゲル。
30. 請求項２９に記載のミクロゲル又はナノゲルと、薬学的に許容される担体とを含む医薬組成物。
31. 請求項１〜２８のいずれか一項に記載のヒドロゲルを含む成形品。
32. （１）第１面と第２面とを有する、請求項１〜２７のいずれか一項に記載のヒドロゲルを含む層と、（２）前記ヒドロゲル層の前記第１面に隣接する接着層とを含み、粘着剤が、（ａ）マクロマーであって、前記マクロマーに共有結合した複数のフェノール基を含むマクロマーと、（ｂ）前記マクロマー中の前記フェノール基と基質に存在するフェノール基との間の共有結合的架橋を触媒するための酵素とを含む、接着ヒドロゲル。
33. 前記フェノール基が１つのヒドロキシル基を有する、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
34. 前記フェノール基が２つ以上のヒドロキシル基を有する、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
35. 前記マクロマーがペプチド又はタンパク質である、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
36. 前記マクロマーが、１つ又は複数のチロシン基を含むペプチド又はタンパク質である、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
37. 前記マクロマーがフルボ酸又はフミン酸である、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
38. 前記マクロマーが合成ポリマーである、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
39. 前記合成ポリマーが、１つ又は複数のペンダントフェノール基を含むポリアクリレートを含む、請求項３８に記載の接着ヒドロゲル。
40. 前記合成ポリマーが、式Ｖ
    

    

    
    （式中、Ｒ^７は、水素又はアルキル基であり、
    ｎは、１〜１０であり、
    Ｙは、酸素、硫黄、又はＮＲ^８であり、ここで、Ｒ^８は、水素、アルキル基、又はアリール基であり、及び
    Ｚは、フェノール基又はフェノール基を含む基である）
    を有する少なくとも１つの断片を含む、請求項３８に記載の接着ヒドロゲル。
41. 前記ポリマーが、酸化を受けることができる少なくとも１つのジヒドロキシル芳香族基を含む、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
42. 前記ジヒドロキシル芳香族基がＤＯＰＡ又はカテコール部分を含む、請求項４１に記載の接着ヒドロゲル。
43. 前記酵素がペルオキシダーゼ又はカテコールオキシダーゼを含む、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
44. 前記酵素がセイヨウワサビペルオキシダーゼを含む、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
45. 前記酵素が前記マクロマー内に物理的に閉じ込められる、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
46. 前記酵素が前記マクロマーに共有結合される、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
47. 前記酵素が前記マクロマー内に物理的に閉じ込められ、且つ前記マクロマーに共有結合される、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
48. 前記酵素が前記酵素自体に共有結合的に架橋されて、自己架橋網目構造を形成する、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
49. 前記酵素が前記マクロマーへの添加前に凍結乾燥される、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
50. 前記接着層が粘着付与剤をさらに含む、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
51. 前記粘着付与剤がアクリル樹脂、ブチルゴム、エチレン−酢酸ビニル、天然ゴム、ニトリル、シリコーンゴム、スチレンブロックコポリマー、ビニルエーテル、グリコシル化タンパク質、炭水化物、又はそれらの任意の組合せを含む、請求項５０に記載の接着ヒドロゲル。
52. 前記接着層が酵素安定剤をさらに含む、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
53. 前記酵素安定剤が糖である、請求項５２に記載の接着ヒドロゲル。
54. 前記酵素安定剤がトレハロースである、請求項５２に記載の接着ヒドロゲル。
55. 前記接着層が１つ又は複数の生物活性剤をさらに含む、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
56. 前記接着層が、前記接着層内及び／又は前記接着層の表面上に閉じ込められた銀イオンをさらに含む、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
57. 前記接着層が過酸化物供給源をさらに含む、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
58. 前記過酸化物供給源がスーパーオキシドディスムターゼ（ＳＯＤ）、グルコースオキシダーゼ、又はそれらの組合せを含む、請求項５７に記載の接着ヒドロゲル。
59. 第２接着層が補強層の第２表面に接着される、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
60. 除去可能な保護層が前記接着層に隣接している、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
61. 前記ヒドロゲル層の前記第２面に補強層をさらに含む、請求項３２に記載の接着ヒドロゲル。
62. 前記補強層が水不溶性シート若しくはフィルム、織物、分解性フィルム、再生セルロースシート、脱細胞組織スカフォールド、金属プレート又はホイルを含む、請求項６１に記載の接着ヒドロゲル。
63. 請求項３２に記載の接着ヒドロゲルを、第１表面を有する基質に接着させる方法であって、前記接着ヒドロゲルを前記基質の前記第１表面に適用するステップを含み、前記接着ヒドロゲル上の前記接着層が前記基質の前記第１表面と接触しており、及び前記第１表面が水で湿潤している、方法。
64. 前記基質が骨、筋肉、軟骨、靭帯、腱、軟組織、臓器、又は皮膚である、請求項６３に記載の方法。
65. 前記基質が移植可能なデバイスである、請求項６３に記載の方法。
66. 前記基質の前記第１表面に前記接着ヒドロゲルを適用する前に、マクロマーであって、前記マクロマーに共有結合した複数のフェノール基を含むマクロマーを前記基質の前記第１表面に適用する、請求項６３に記載の方法。
67. 前記基質の前記第１表面に前記接着ヒドロゲルを適用する前に、前記基質の前記第１表面に過酸化物を適用する、請求項６３に記載の方法。
68. 前記過酸化物が過酸化水素である、請求項６７に記載の方法。
69. 前記基質の前記第１表面に前記接着ヒドロゲルを適用する前に、（１）マクロマーであって、前記マクロマーに共有結合した複数のフェノール基を含むマクロマーを前記基質の前記第１表面に適用し、続いて（２）前記基質の前記第１表面及びマクロマーに過酸化物を適用する、請求項６３に記載の方法。
70. （１）請求項３２に記載の接着ヒドロゲルと、（２）過酸化物供給源とを含むキット。
71. （ａ）マクロマーであって、前記マクロマーに共有結合した複数のフェノール基を含むマクロマーと、（ｂ）前記マクロマー中の前記フェノール基と基質に存在するフェノール基との間の共有結合的架橋を触媒する酵素とを含む粘着剤。

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