JP2021508563A - 電界紡糸法による心血管系インプラント - Google Patents

Abstract

本明細書は、患者の心血管組織を成長させるための生分解性の心血管系インプラントを提供する。上記心血管系インプラントは、ハードブロックがソフトブロックと共有結合している超分子化合物を有する電界紡糸ネットワーク構造を特徴としており、心血管系インプラントとしての効力を保持しつつ、耐久性および耐疲労性が大幅に向上している。
【選択図】図３Ｃ

Description

本発明は、電界紡糸法による心血管系インプラントに関する。

現在の心血管系代替物およびインプラントは、凝固、感染、変形のため、および成長の可能性がないため、危機に直面している。組織工学は、患者自身の細胞や生分解性ポリマーの足場（scaffold）を用いて、成長、適合、および修復可能な自己組織を作り出す、比較的新しいアプローチである。ポリマー性の足場は、生体適合性があり、かつ無毒性なポリマーから構築できる。足場の作製に使用される技術およびポリマーの選択は、足場が呈する機械的特性に影響を与える。

心臓組織工学では、最も一般的に用いられている生分解性の合成足場材料は、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリヒドロキシ酪酸（ＰＨＢ）、ε−ポリカプロラクタン（ＰＣＬ）、またはそれらのコポリマーである。ＵＳ２０１５０１７３９２１は、心血管系インプラントに用いられる生分解性の合成足場の基礎として、超分子化合物の使用法を教授している。

近年の進歩にもかかわらず、特に、心臓弁等の心血管系代替物およびインプラント、好ましくは大動脈弁または肺動脈弁のインプラントは、ＦＤＡまたはＩＳＯ ５８４０−１：２０１５、ＩＳＯ ５８４０−２：２０１５、およびＩＳＯ ５８４０−３：２０１５等の関連ガイドラインによって提供される高い基準に合格する必要があるため、未だ満たされていない医療的ニーズが存在する。この高い基準では、流体力学、耐久性、および特に、安全性と、効力と、ＦＤＡからの承認と、の合理的保証を確かなものにするための疲労試験、に特別の重点が置かれている。

本発明は、心血管系インプラントとしての効力を保持しつつ、耐久性および耐疲労性が向上した組織工学型心血管系インプラントを提供することで、上記の満たされていない医療的ニーズに対処する。

本発明は、患者の心血管組織を成長させるための生分解性の心血管系インプラントであって、ハードブロックがソフトブロックと共有結合している超分子化合物を有する（別の実施形態では、「本質的に構成される」または「構成される」と記載される）電界紡糸ネットワーク構造を含む、生分解性の心血管系インプラントを提供する。また、前記ソフトブロックは、５００〜２０００の範囲の分子量を有するポリカーボネートソフトブロックであり、前記ハードブロックは、２−アシル尿素−４［１Ｈ］−ピリミジノン（ＵＰｙ）化合物および鎖延長剤を含み、ＵＰｙ化合物に対する鎖延長剤の比率が１．５〜３の範囲である。

本発明の実施形態では、心血管系インプラントとしての効力を保持しつつ、耐久性と耐疲労性に大きな向上が見られる。

本発明の実施形態における、加速摩耗サイクル（ＩＳＯ ５８４０の大動脈条件（aortic conditions）に準拠）の数と、Ｒ比の関係を示す。１０００ｇ／ｍｏｌのポリカーボネートおよび１．５以上のＲ比を有するポリマーで、耐久性に向上が見られるのが明らかである。さらに、別のデザインの弁に使用された１．５、１．９および２のＲ比を有する同ポリマーでは、それぞれ、最大６５００万回、１億２３００万回および７８００万回のＡＷＴカウントを呈した。 本発明の実施形態における、加速摩耗サイクル（ＩＳＯ ５８４０の大動脈条件に準拠）の数と、繊維の配向度の関係を示す。配向された繊維では、ランダム配向の繊維と比較して、より高いサイクル数が得られることが示されている。 表２に関連して、本発明の実施形態における、９０／３５ｍｍＨｇ下で２０時間経過後の弁試験の結果画像を示す。ＸＰ１およびＸＰ２で亀裂が存在するのに対し、ＸＰ３では無傷のままであるのが明らかである。 表２に関連して、本発明の実施形態における、９０／３５ｍｍＨｇ下で２０時間経過後の弁試験の結果画像を示す。ＸＰ１およびＸＰ２で亀裂が存在するのに対し、ＸＰ３では無傷のままであるのが明らかである。 表２に関連して、本発明の実施形態における、９０／３５ｍｍＨｇ下で２０時間経過後の弁試験の結果画像を示す。ＸＰ１およびＸＰ２で亀裂が存在するのに対し、ＸＰ３では無傷のままであるのが明らかである。

本発明は、心血管系インプラントとしての効力を保持しつつ、耐久性および耐疲労性が向上した、組織工学型心血管系インプラントを提供する。

超分子化合物は、ソフトブロックと共有結合したハードブロック、として定義される。上記ハードブロックは、ＵＰｙ部分がベースとなっている。上記ソフトブロックは、超分子化合物のバックボーンである。ポリカーボネート（ＰＣ）は、特にポリカプロラクタンと比較して、本発明の目的および目標に驚くほどの利を示したため、採用した。

ソフトブロックとハードブロックの比率は、材料特性に影響を及ぼす。ここに、ハードブロック部の成分比が、耐久性等の特性に対して非常に強い影響力を有することを説明する。我々はここで、機械的特性（耐久性）の向上に繋がるソフトブロックの形成に使用されるポリマー長と、ハードブロック内の成分比の、特定の組み合わせを明らかにする。具体的には、例えばポリカプロラクタンと比較して、５００〜２０００の範囲の分子量を有するポリカーボネートは、耐久性の向上と疲労の低減をもたらす。本発明のハードブロックは、ＵＰｙ成分、ジイソシアネート、および鎖延長剤から構成される。本発明のハードブロック内の２−アシル尿素−４［１Ｈ］−ピリミジノン（ＵＰｙ）化合物と鎖延長剤の比率（Ｒ）は、ＵＰｙ化合物に対する鎖延長剤が１．５〜３の範囲である。

実施例１：超分子ポリマーの合成

ＰＣＬポリマー−ＸＰ１、ＸＰ２

合成したＸＰ１に、分子量８００ｇ／ｍｏｌのテレケリックヒドロキシ末端化ポリカプロラクタン（３０．０ｇ、３７．５ｍｍｏｌ、真空下乾燥）と、１，６−ヘキサンジオール（４．４ｇ、３７ｍｍｏｌ）と、ＵＰｙ−モノマー（６．３ｇ、３７ｍｍｏｌ）と、を８０℃で無水ＤＭＳＯ（１０５ｍＬ）に溶解させた。この反応混合物にヘキサメチレンジイソシアネート（１８．８ｇ、１１１．５ｍｍｏｌ）を撹拌しながら加え、次いでジオクト酸スズを１滴加えた。この反応混合物を、８０℃で一晩撹拌した。翌日、反応混合物を２５℃に冷却し、混合物を水中に沈殿させるため、さらにＤＭＳＯを加えて粘度を低下させた。白色弾性固体としてポリマーを回収し、クロロホルム／メタノール（７／３ｖ／ｖ）に再溶解させ、過剰のメタノールで再沈殿させた。これにより、５０℃で真空乾燥した後、透明な弾性固体が得られた。ＳＥＣ分析（ＴＨＦ、ＰＳ標準試料）では、Ｍｎ＝１３ｋｇ／ｍｏｌ、Ｄ＝１．６であった。ＷＯ２０１４１８５７７９Ａ１も参照のこと。ＸＰ２は、１，６−ヘキサンジオールの量を７４ｍｍｏｌに増加させる以外、同様の方法で合成する。ＸＰ１およびＸＰ２ポリマーの組成は、表１にまとめている。

ＰＣポリマー−ＸＰ３

分子量が５００〜３０００ｇ／ｍｏｌのポリカーボネートを用いて、ＸＰ１と同様の方法でポリマーを合成した。ポリカーボネートの長さと所望の成分間比率に応じて、変化を与えた。モル比は、Ａ（ポリカーボネート）は１で固定、Ｂ（鎖延長剤）は０〜３の間で変化、Ｄ（Ｕｐｙ）は０．３から２まで変化、Ｃは常にＡ＋Ｂ＋Ｄの合計モル量の０．８〜１．２倍、として与えられる。モル比Ｂ／Ｄは、Ｒと表記する。本発明の目的のために、分子量２０００ｇ／ｍｏｌのポリカーボネートを使用し、またモル比Ｒを２に選択して、ＸＰ３を合成した。ＸＰ３の組成は、表１にまとめている。

特に断りがなければ、実施例中の厚みは、あらゆるポリマーで５００μｍである。

実施例２

疲労試験−ＰＣベースおよびＰＣＬベース心臓弁の比較

実験の詳細

加速摩耗試験は、デバイスの耐久性を評価することを目的とした試験である。このデバイスは、イン・ビボの条件がシミュレートされた圧力条件下にさらされ、機能不全となるまでのサイクル数が記録される。耐久性評価の詳細については、ＩＳＯ ５８４０−３：２０１３に記載されている。

初めに、初期時リーフレットの最大／平均収縮期血圧勾配、オリフィスの有効断面積、および逆流を確認するために、３０／１０ｍｍＨｇ（２０ｍｍＨｇ）下で、２０分間ＰＶを試験する。この圧力条件は、正常血圧肺動脈条件（normotensive pulmonary condition）（ＩＳＯ ５８４０−３：２０１３）に分類されている。開始時および２０分後のデータ、ならびに早送り動画が得られた。最大収縮期血圧勾配は、２５ｍｍＨｇ未満（Drossner et al. Pediatr Cardiol. 2008 May;29(3):649-52 doi: 10.1007/s00246-007-9191-y）であり、オリフィスの有効断面積は、オリフィスの幾何学的断面積の３０％より大きいことが望ましい。

その後、非常に重度の高血圧肺動脈条件（very severe hypertensive pulmonary conditions）（ＩＳＯ ５８４０−３：２０１３）に分類される９０／３５ｍｍＨｇ下で、２０時間弁を試験する。開始時、２０分後、および２０時間経過後（または機能不全後）のデータ、ならびに早送り動画が得られた。

試験した材料を表１にまとめた。そして、試験結果を表２に示す。ＰＣベースのポリマーでは、ＰＣＬベースのポリマーと比較して、２０時間経過後で、より良い結果を示すことがわかる。ＸＰ３は、試験群の中で最良の耐疲労性を示し、亀裂が認められなかった。

リーフレット材料として、ＰＣＬポリオール（ＰＣＬ／合成と記載される）を用いて電界紡糸した肺動脈弁を、バルブテスターで試験した。肺動脈弁付きの導管を、９０／３５ｍｍＨｇ（ＩＳＯ ５８４０−３：２０１３の非常に重度の高血圧肺動脈条件）下、２０時間経過後で評価する。ＰＣＬポリオールを用いて作製したリーフレットでは、亀裂と機能不全が認められた。反対に、ＰＣポリオールを用いて作製したリーフレットでは、良好な結果（表２）が認められた。

さらに、大動脈条件（１２０／８０ｍｍＨｇ）下で、ＰＣベースポリマーの耐疲労性の向上を試験した。このポリマーを溶解させ、さらに電界紡糸し、大動脈弁を形成するためステントに組付けた。この弁を、さらに１０Ｈｚの大動脈条件で試験した。ＰＣベースのポリマーファミリーの中では、どのポリマーが最良の結果をもたらしたのか判別可能であった。図１は、Ｒ比が耐疲労性に与える影響を示している。Ｒ比は０〜３まで変化させ、ソフトブロック長は５００〜３０００ｇ／ｍｏｌまで変化させた。Ｒ比が１．５以上のポリマーで、最良の疲労挙動が得られることが分かる。さらに、ソフトブロック長が１０００ｇ／ｍｏｌの場合に、耐疲労性が予想外に最適値となった。

耐疲労性に影響を与え得る別の性質は、足場内の繊維の配向である。繊維の配向方向は、想像上の軸に対して円周方向であることが好ましく、この想像上の軸は、管状インプラントの場合は血流方向を指す。図２より、配向が耐疲労性の増加を可能にすることは明らかである。配向度は、好ましい繊維方向および好ましい繊維方向に対して垂直な方向との間の線形弾性剛性比で定義され、この配向度を、最大で８：１まで変化させた。

補完情報

範囲（耐久性に着目）

・Ｒ比は、０〜３まで変化させた。耐疲労性の向上／最高の耐疲労性は、Ｒ比が１．５以上の条件で得られた。ＰＣベースポリマーのソフトブロック長は、５００〜３０００ｇ／ｍｏｌまで変化させた。
・耐疲労性の向上／最高の耐疲労性は、ＰＣベースポリマーのソフトブロック長が１０００の条件で得られた。鎖延長剤の質量比は、０〜１５まで変化させた。耐疲労性の向上／最高の耐疲労性は、ＨＤ比が高い（９質量％以上の）条件で得られた。

足場の構造

・厚さは、数μｍ〜ｍｍの範囲で変化させることができるが、好ましくは２００〜８００μｍであり、さらに好ましくは２５０〜５５０μｍ（平均３００μｍおよび５００μｍで良い結果が得られる）である。
・繊維径は、１〜２０μｍの広い範囲で得ることができる。具体的には、３〜１５μｍの範囲が好ましく、４〜１０μｍの範囲がさらに好ましい。
・繊維の配向は、耐久性を向上させる別のパラメータであり、特に、電界紡糸がガイドされておらず、１：２（円周方向：軸方向）構成のランダム分布（軸方向の剛性率が、円周方向の２倍であることを意味する）となる場合に、耐久性を向上させることができる。繊維は、∞：１〜１：２の比率で配向させることができる。良好な耐久性向上が得られるため、２：１〜８：１の比率にすることが好ましい。
・孔径：マトリックス材料は、１〜３００μｍの範囲の直径を有する孔を含み、好ましくは５〜１００μｍの範囲である。
・孔率：マトリックス材料は、少なくとも６０％の孔率を有する繊維ネットワーク構造を含み、好ましくは孔率が７０〜８５％の間である。

Claims (1)

1. 患者の心血管組織を成長させるための生分解性の心血管系インプラントであって、
   ハードブロックがソフトブロックと共有結合している超分子化合物を有する電界紡糸ネットワーク構造を含み、
   前記ソフトブロックは、５００〜２０００の範囲の分子量を有するポリカーボネートソフトブロックであり、
   前記ハードブロックは、２−アシル尿素−４［１Ｈ］−ピリミジノン（ＵＰｙ）化合物および鎖延長剤を含み、ＵＰｙ化合物に対する鎖延長剤の比率が１．５〜３の範囲である、
   生分解性の心血管系インプラント。