JP2021045537A - 4d−キトサンの温度感受性ゲルの調製方法 - Google Patents

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麗霞 張
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Abstract

【課題】4D−キトサン温度感受性ゲルの調製方法の提供。【解決手段】4Dバイオプリントを使用して、設定したプリントパラメーターに従ってキトサン溶液を孔径が50−100μmであるキトサン熱温度感受性ゲルにプリントし、凍結乾燥して凍結乾燥キトサンを得るステップ(1)と、超純水とβ−グリセロリン酸ナトリウムとを加えて、β−グリセロリン酸ナトリウム水溶液を得るステップ(2)と、ステップ(2)で得られたβ−グリセロリン酸水溶液をカルボキシメチルキトサン水溶液に一滴ずつ追加し、均一に混合して、混合溶液を得るステップ(3)と、ステップ(1)で得られた凍結乾燥キトサンとステップ(3)で得られた混合溶液とを1〜2分間架橋して、均一な孔径の4D−キトサン温度感受性ゲルを得るステップ4とを含むことを特徴とする4D−キトサン温度感受性ゲルの調製方法。【選択図】図1

Description

本発明は、医療材料の製造及び調製の技術分野に属し、4D−キトサンの温度感受性ゲルの調製方法に関して、具体的にアルカリ熱傷を修復するためのキトサンの温度感受性ゲルを4Dプリンティング技術に基づいて調製することに関する。
角膜の損傷には多くの種類があり、そのなかでも、化学的損傷を臨床的に治療するのはより困難である。角膜アルカリ熱傷は、角膜上皮の壊死と脱落、角膜及び結膜の融解と穿孔及びシンブルファロン(symblepharon)などを引き起こす可能性があり、同時に、多数の新しい毛細血管の生成に伴い、重症例では失明などの角膜障害の形成を引き起こす可能性がある。現在、臨床治療に主に角膜移植または羊膜移植が使用されているが、前者はドナー不足と免疫拒絶という二つの大きな問題に直面していて、後者は基底膜として働くため、アルカリ熱傷などの重度の角膜損傷後に、損傷組織に蓄積されたコラゲナーゼなので分解する傾向にあり、自己分解することとなるので、患者は、複数回の移植を受けるとしても効果は良くない。したがって、角膜上皮欠損を修復し、角膜の血管新生と瘢痕の形成を減らす方法は、緊急に解決すべき臨床問題である。
ティッシュエンジニアリング法によって調製されたバイオゲルでリンバス(limbus)幹細胞を移植することは、角膜損傷の修復に一定の効果があるが、電子顕微鏡でスキャンされたゲルは、表面が不規則なメッシュ構造を呈して、孔径がさまざまであるので、輪部幹細胞のカプセル化効率に直接影響する。例えば、特許文献1には、キトサンを量り取り、0.1mol/L塩酸に、完全に溶けるまで十分に攪拌して、濃度が10〜20mg/mLのキトサン溶液を得て、グリセロリン酸ナトリウムを脱イオン水に溶解して、濃度が0.2−1.0g/mLのグリセロリン酸ナトリウム溶液を得て、グリセロリン酸ナトリウム溶液をキトサン溶液に滴下して混合し、得られた混合溶液のpHを7.1−7.4に調整し、その後、混合液を4℃で均一に攪拌して、キトサンの温度感受性ゲルを得るステップ1と、HP−β−CDを量り取って乳鉢に入れて、水とHP−β−CDの質量比2−5:1で水に溶かし、HP−β−CDとチルミコシン2:1の比率で、チルミコシンを量り取って乳鉢に入れて、混合して20℃で30分間粉砕し、白い粉末を得て、80メッシュのふるいを通過して、チルミコシンの包接化合物を得るステップ2と、ステップ(1)で得られたキトサンの温度感受性ゲルを三角フラスコに加え、ステップ(2)で得られたチルミコシン包接化合物を量り取って三角フラスコに入れて、マグネチックスターラーで室温で均一に攪拌し、そうするとチルミコシン包接化合物の温度感受性ゲルを得るステップ(3)とを含むチルミコシン包接化合物のキトサン温度感受性ゲルの調製方法が開示され、上記チルミコシン包接化合物熱温度感受性ゲル中のチルミコシン薬の質量分率は9.9%−10%であり、チルミコシン包接化合物の温度感受性ゲルは4℃で保存される。
2013年2月25日に、米国カリフォルニア州で開催されたTED 2013カンファレンスで、マサチューセッツ工科大学のSkylar Tibbitzは、完璧な実験を通じて参加者に4Dプリント技術を見せて披露し、且つ実験でそれを詳述した。いわゆる4Dプリントは、正確に自動的に変形することができる素材であり、特定の条件(温度、湿度など)のみさえあれば、複雑な電気機械設備に全然接続することなく、製品設計に応じて対応する形状に自動的に折りたたむことができる。4Dプリントは、3Dプリンターで変形可能な素材をプリントする技術である。4Dプリント技術は既にゲル調製技術の分野に導入されていて、特許文献2には、アクリルアミドとアクリル酸の混合溶液に温度開始剤とプロモーター開始剤を加えた後、インキュベーターに入れて保温し、ポリ(アクリル酸−co−アクリルアミド)共重合体溶液を得るステップ(1)と、アクリル酸とN−イソプロピルアクリルアミドの混合溶液に温度開始剤とプロモーター開始剤を加えた後、インキュベーターに入れて保温し、ポリ(アクリル酸−co−N−イソプロピルアクリルアミド)共重合体の溶液を得るステップ(2)と、ポリ(アクリル酸−co−アクリルアミド)共重合体の溶液とポリ(アクリル酸−co−N−イソプロピルアクリルアミド)共重合体の溶液を混合して、2種類の比率のポリ(アクリル酸−co−アクリルアミド)とポリ(アクリル酸−co−N−イソプロピルアクリルアミド)の混合溶液を得て、そのうち、ポリ(アクリル酸−co−N−イソプロピルアクリルアミド)成分の含有量が高い方は、変形を促進する塩感受性材料とし、もう一つの方はポリ(アクリル酸−co−アクリルアミド)溶液と塩感受性混合溶液のバインダーとするステップ(3)と、3Dプリントプラットフォームを使用して、ポリ(アクリル酸−co−アクリルアミド)及びポリ(アクリル酸−co−アクリルアミド)とポリ(アクリル酸−co−N−イソプロピルアクリルアミド)の混合溶液を事前設定されたプリントパラメータで、ガラス基板に押し出し、特定の形状と構造を形成させるステップ(4)と、プリントして得られた形状と構造をインキュベーターの第二鉄イオン溶液に入れて、架橋させ、次に、鉄イオン溶液に浸した後のゲルを再びインキュベーターでの脱イオン水溶液に入れて、さらに架橋させて平衡化したゲル構造を得るステップ(5)と、平衡化したゲル構造を濃縮塩水に入れて変形させ、事前設計された形状構造を得るステップ(6)とを含むプログラムと変形が可能な強力なヒドロゲル4Dプリント方法が開示され、特許文献3には、
a)高密度値の4Dインテリジェント温度感受性ハイドロゲルの元の材料の構成:モノマーとしてN−イソプロピルアクリルアミド、架橋剤としてXLG合成ケイ酸リチウムマグネシウム、過硫酸カリウム、N、N、N’を開始剤とし、N’−テトラメチルエチレンジアミンを触媒とし、ナノウッドパルプセルロースを補強相とし、モノマー、開始剤、触媒のモル比は100:0.370:0.638、ナノウッドパルプセルロースの濃度は3〜5mg/mL、架橋剤の質量分率は3〜3.5wt.%であり、
b)材料を配合する:aに記載されている成分比に従って元の材料の重量を量りとって、ナノウッドパルプセルロースを氷水浴で30〜40分間攪拌してから、10〜15分間超音波処理し、次にXLGタイプの合成リチウムマグネシウムシリケートを追加して、60〜65分間攪拌し、次にN−イソプロピルアクリルアミドを加えて120〜130分間攪拌し、最後に過硫酸カリウムとN、N、N’、N’−テトラメチルエチレンジアミンを順番に加えて5〜6分間攪拌し、
c)前記bで均一に混合された材料を組み合わせた金型に注入し、平らに削って金型を密封し、25〜27℃の環境に24〜26時間静置して成形する、高密度の4Dインテリジェント温度感受性ハイドロゲル材料を調製するステップ1と、a)低密度値の4Dインテリジェント温度感受性ハイドロゲルの元の材料の構成:N−イソプロピルアクリルアミドをモノマーとして、XLG合成ケイ酸リチウムマグネシウムを架橋剤として、過硫酸カリウムを開始剤として、N、N、N’、N’−テトラメチルエチレンジアミンを触媒として、ナノウッドパルプセルロースを補強相とし、モノマー、開始剤、触媒のモル比は100:0.370:0.638、ナノウッドパルプセルロースの濃度は0〜2mg/mL、架橋剤の質量分率は3〜3.5wt.%であり、
b)成分を配合する:aに記載されている成分比に従って元の材料の重量を量り取って、ナノウッドパルプセルロースを氷水浴で30〜40分間攪拌してから、10〜15分間超音波処理し、次にXLGタイプの合成リチウムマグネシウムシリケートを追加して、60〜65分間攪拌し、次にN−イソプロピルアクリルアミドを加えて120〜130分間攪拌し、最後に過硫酸カリウムとN、N、N’、N’−テトラメチルエチレンジアミンを順番に加えて5〜6分間攪拌し、
c)前記bで均一に混合された低密度値4Dインテリジェントの温度感受性ハイドロゲル材料を組み合わせた金型に注入して、高密度値4Dインテリジェントの温度感受性ハイドロゲルの上に置き、平らに削って金型を密封し、25〜27℃の環境に24〜26時間静置して成形する、温度駆動のプログラム可能な4Dプリントのインテリジェント材料を合成するステップ2とを含む温度駆動のプログラム可能な4Dプリントのインテリジェント材料を調製する方法が開示され、
特許文献4には、アミノ基で置換されたペンダント基を持つシクロデキストリンを弱アルカリ溶液に溶解し、アルカリ性無機物で溶液のpHを8−10に調整し、次に酸無水物を加え、40〜80℃で4〜8時間攪拌し、次に、溶液中の水の90−95%を蒸発させ、次に有機溶媒Iを加えて洗浄し、遠心分離し、沈殿物を収集し、真空で乾燥してCD−アクリルアミドが得られる、CD−アクリルアミドを合成するステップ1と、上記ステップ1におけるアミノ基で置換されたペンダント基を持つシクロデキストリンは6−アミノ−a−CD、3−アミノ−a−CDまたは6−アミノ−β−CDである。アゾベンゼン系物質とアミン系物質を有機溶剤IIに溶かして、温度を20−50℃に上げ、酸無水物を追加して混合溶液を得て、次に、混合溶液を60〜65℃で3〜5時間撹拌し、濾過して沈殿物を除去し、濾液を減圧下で濃縮し、次に有機溶媒IIIで再結晶してアゾアクリルアミドを得るアゾアクリルアミドを合成するステップ2と、上記アゾベンゼン系物質はp−アミノアゾベンゼンまたはポリイミドアゾベンゼンであり、上記アミン系物質はトリヒドロキシエチルアミンまたはトリエチルアミンである。フリーラジカル重合性モノマーとステップ1で得られたCD−アクリルアミドとステップ2で得られたアゾアクリルアミドおよび鎖の剛性を高めるモノマーを有機溶媒IVへ追加し、均一に攪拌された後、60〜80°Cに加熱して開始剤を追加し、60〜80°Cで15〜20時間攪拌して反応させた後に、攪拌を停止してから、60〜65°Cの温度で1〜5時間維持して、4Dプリントの自己修復性ヒドロゲル材料が得られる、フリーラジカルが重合してゲルを合成するステップ3と、上記フリーラジカル重合性モノマーは、アクリル酸、アクリルアミド、またはアクリル酸メチルであり、鎖の剛性を高めるモノマーは、N−ビニルカルバゾールまたはスチレンであることを含む4Dプリントの自己修復性ヒドロゲル材料の調製方法が開示され、したがって、輪部幹細胞カプセル化の効率を改善すための、4D−キトサン熱温度感受性ゲル調製方法の開発には、大きな社会的意義と実用的価値がある。
中国特許公開第201610837528.3号公報 中国特許公開第201810208715.4号公報 中国特許公開第201810280579.X号公報 中国特許公開第201910141257.1号公報
本発明は、従来の技術における欠点を克服し、輪部幹細胞カプセル化の効率を効果的に改善し、アルカリ熱傷した角膜上皮の再構築を促進できる4D−キトサン温度感受性ゲルを調製するための4D−キトサン温度感受性ゲル調製法を開発及び設計することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係わる4D−キトサン温度感受性ゲルの調製方法は、室温で、キトサンを量り取って酢酸の水溶液に溶かし、キトサンが完全に溶解するまで攪拌し、キトサン溶液を得て、レーザースキャンテクノロジーにより、損傷した角膜のパーソナライズされた3Dデータを得て、コンピューター支援設計(CAD)によって時間、孔径、形状などの寸法に対する正確な制御を完成し、4Dバイオプリント技術により、設定されたプリントパラメーターに従って孔径が均一で、形状が損傷した部位とフィットする4D−キトサン(孔径が50−100μmである)を調製し、溶媒を除去した後、凍結乾燥して凍結乾燥したキトサンを得るステップ1と、
60〜70℃のサーモスタット水浴に超純水とβ−グリセロリン酸ナトリウムを加え、β−グリセロリン酸ナトリウムを溶解した後、自然に室温まで冷却し、β−グリセロリン酸ナトリウム水溶液を得るステップ2と、
カルボキシメチルキトサン水溶液を、超純水を用いて室温で調製し、ステップ(2)で得られたβ−グリセロリン酸水溶液をカルボキシメチルキトサン水溶液に一滴ずつ追加し、均一に混合して、混合溶液を得るステップ3と、
ステップ(1)で得られた凍結乾燥キトサンとステップ(3)で得られた混合溶液を1〜2分間架橋して、均一な孔径の4Dキトサン温度感受性ゲルを得るステップ4と、
を含む。
本発明のステップ(1)に係る酢酸水溶液のモル濃度は0.2モル/Lであり、キトサン溶液の質量パーセント濃度は2.2〜6.7%であり、ステップ(2)で得られたβ−グリセロリン酸水溶液の質量パーセント濃度は6〜8%であり、ステップ(3)で調製されたカルボキシメチルキトサン水溶液の質量パーセント濃度は2.2〜6.7%であり、ステップ(4)で調製された4D−キトサン温度感受性ゲル中のキトサン、カルボキシメチルキトサン及びβ−グリセロホスフェートの重量パーセントは、それぞれ10〜30%、10〜30%、及び60〜80%である。
本発明によって調製した4D−キトサン温度感受性ゲルは、4〜15℃の無菌環境で6〜12ヶ月間保存することができる。
本発明により調製された4D−キトサン温度感受性ゲルは、輪部幹細胞をカプセル化した後、アルカリ火傷の角膜表面に塗布すると、輪部幹細胞を放出して、創傷表面を修復及び治療する。
本発明は、従来技術と比較して、4Dバイオプリンティング技術を温度感受性ゲルの調製に適用して、輪部幹細胞の移植担体として調製された同じ孔径を有するキトサン温度感受性ゲルは、輪部幹細胞のカプセル化効率を効果的に改善し、アルカリ熱傷をした角膜上皮の修復を促すことができ、その原理は科学的で信頼するに値して、従来のキトサン温度感受性ゲルに存在した、孔径が不均一であるとの問題を解決して輪部幹細胞のカプセル化効率と能力を向上させて、角膜損傷修復の分野で重要な理論的意義と幅広い応用の展望を持ち、臨床医学において角膜アルカリ熱傷患者の修復を支援する。
本発明の実施例1のステップ(1)に係るキトサンの構造を示す概略図である。 本発明の実施例1のステップ(4)に係る4Dーキトサン温度感受性ゲルの構造を示す概略図である。 本発明の実施例2に係る、40倍顕微鏡下での、4D−キトサン温度感受性ゲルが輪部幹細胞をカプセル化した、状態を示す模式図である。 本発明の実施例2に係る、10倍顕微鏡下での、4D−キトサン温度感受性ゲルが輪部幹細胞をカプセル化した、状態を示す模式図である。 本発明実施例3に係る従来の温度感受性ゲルでカプセル化した輪部幹細胞と4D−キトサン温度感受性ゲルでカプセル化した輪部幹細胞との、ウサギ角膜アルカリ熱傷に対する治療の効果を示す模式図である。
以下、本発明を実施例及び図面を用いてさらに説明する。
実施例1:
本実施例に係る4Dーキトサン温度感受性ゲルの調製方法は、
室温で、キトサンを量り取って、モル濃度0.2Mol/Lの酢酸の水溶液に溶かし、キトサンが完全に溶解するまで12時間攪拌して、質量パーセント濃度が4.4%のキトサン溶液を得て、UN−4DBI−C01 4Dバイオプリンターを使用して、穴間隔は600μm、層厚は100μm、プラットフォーム温度は−25℃、プリント速度は15mm/s、ノズル径は0.3mm、吐出量は0.1g/minであるプリントパラメータに従って、キトサン溶液を孔径50−100μmの円形キトサンにプリントし、溶媒を除去した後凍結乾燥して、図1に示すように、凍結乾燥したキトサンを得るステップ1と、
65℃のサーモスタット水浴に超純水とβ−グリセロリン酸ナトリウムを加え、β−グリセロリン酸ナトリウムを溶解した後、自然に室温まで冷却して、質量パーセント濃度が7%のβ−グリセロリン酸ナトリウム水溶液を得るステップ2と、
質量パーセント濃度が4.4%のカルボキシメチルキトサン水溶液を超純水を用いて室温で調製し、ステップ(2)で得られたβ−グリセロリン酸水溶液をカルボキシメチルキトサン水溶液に一滴ずつ追加し、均一に混合して、混合溶液を得るステップ3と、
ステップ(1)で得られた凍結乾燥キトサンとステップ(3)で得られた混合溶液を1〜2分間架橋して、図2に示す均一な孔径の4Dキトサン温度感受性ゲルを得るが、4Dキトサン温度感受性ゲルにおけるキトサンとカルボキシメチルキトサンとβ−グリセロホスフェートの重量パーセントは、それぞれ18%、18%、64%であるステップ4と、
を含む。
実施例2
本実施例は、実施例1で調製された4Dーキトサン温度感受性ゲルで輪部幹細胞をカプセル化するプロセスに関し、
4Dーキトサン温度感受性ゲルを細胞培養皿に入れて、完全に浸透させ、カプセル化をしようとする4D−キトサン温度感受性ゲルを得るステップ1と、
輪部幹細胞を分離して培養して、ステップ(1)で得られたカプセル化をしようとする4D−キトサン温度感受性ゲルに追加して、培養を継続するステップ2と、
24時間培養した後、4D−キトサン温度感受性ゲルによってカプセル化された輪部幹細胞の状態を顕微鏡40倍と10倍でそれぞれ観察し、その結果は、図3と図4に示すようであるステップ3と、
を含む。
実施例3:
本実施例は、ウサギ角膜アルカリ熱傷に対して、それぞれ従来の温度感受性ゲルでカプセル化した輪部幹細胞による治療の効果と、4D−キトサン温度感受性ゲルでカプセル化した輪部幹細胞による治療の効果を比較する試験に関し、
アルカリ熱傷の動物モデルを得るために、生きているウサギの角膜をアルカリ熱傷付けるステップ1と、
ステップ(1)で取得したアルカリ熱傷動物モデルを、従来の熱温度感受性ゲルでカプセル化された輪部幹細胞を使用して治療し、従来の温度感受性ゲル治療モデルを得るステップ2と、
ステップ(1)で得られたアルカリ熱傷動物モデルを、実施例1で調製された4Dーキトサン温度感受性ゲルでカプセル化した輪部幹細胞を使用して治療し、4Dーキトサン熱温度感受性ゲル治療モデルを得るステップ3と、
28日間の治療後、両者の治療効果を観察したところ、図5に示すように、アルカリ熱傷手術後、各組の角膜損傷領域(図の白い領域)は時間とともに徐々に減少し、4Dーキトサン温度感受性ゲル治療組の修復効果は、従来の温度感受性ゲル治療組及び非修復組の修復効果よりもはるかに優れている。

Claims (7)

  1. 室温で、キトサンを量り取って酢酸の水溶液に溶かし、キトサンが完全に溶解するまで攪拌してキトサン溶液を得て、4Dバイオプリントを使用して、設定したプリントパラメーターに従ってキトサン溶液を孔径が50−100μmであるキトサン熱温度感受性ゲルにプリントし、キトサン温度感受性ゲルが設定した形状と構造を形成するようにして、溶媒を除去した後、凍結乾燥して凍結乾燥キトサンを得るステップ(1)と、
    60〜70℃のサーモスタット水浴に超純水とβ−グリセロリン酸ナトリウムとを加えて、β−グリセロリン酸ナトリウムを溶解した後、室温まで自然に冷却させ、β−グリセロリン酸ナトリウム水溶液を得るステップ(2)と
    カルボキシメチルキトサン水溶液を超純水を用いて室温で調製し、ステップ(2)で得られたβ−グリセロリン酸水溶液をカルボキシメチルキトサン水溶液に一滴ずつ追加し、均一に混合して、混合溶液を得るステップ(3)と、
    ステップ(1)で得られた凍結乾燥キトサンとステップ(3)で得られた混合溶液とを1〜2分間架橋して、均一な孔径の4Dーキトサン温度感受性ゲルを得るステップ4と
    を含むことを特徴とする4Dーキトサン温度感受性ゲルの調製方法。
  2. ステップ(1)に係る酢酸水溶液のモル濃度が0.2モル/Lであり、キトサン溶液の質量パーセント濃度が2.2〜6.7%であることを特徴とする請求項1に記載の4Dーキトサン温度感受性ゲルの調製方法。
  3. ステップ(2)で得られたβ−グリセロリン酸水溶液の質量濃度が6〜8%であることを特徴とする請求項1に記載の4Dーキトサン温度感受性ゲルの調製方法。
  4. ステップ(3)で調製されたカルボキシメチルキトサン水溶液の質量パーセント濃度が2.2〜6.7%であることを特徴とする請求項1に記載の4Dーキトサン温度感受性ゲルの調製方法。
  5. ステップ(4)で調製された4D−キトサン温度感受性ゲル中のキトサン、カルボキシメチルキトサン及びβ−グリセロホスフェートの重量パーセントが、それぞれ10〜30%、10〜30%、及び60〜80%であることを特徴とする請求項1に記載の4Dーキトサン温度感受性ゲルの調製方法。
  6. 4Dーキトサン温度感受性ゲルが4〜15℃の無菌環境で6〜12ヶ月保存できることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の4Dーキトサン温度感受性ゲルの調製方法。
  7. 4Dーキトサン温度感受性ゲルは輪部幹細胞をカプセル化した後、アルカリ熱傷した角膜の表面に塗布することで、輪部幹細胞を放出して創傷を修復及び治療できることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の4Dーキトサン温度感受性ゲルの調製方法。
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