JP2022171601A - Controlling freeze-drying of hydrogel - Google Patents

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Abstract

To provide a method for controlling freeze-drying and reconstitution of a hydrogel comprising nanoscale cellulose.SOLUTION: The present disclosure relates to a method for controlling freeze-drying of a hydrogel, where the method comprises adjusting the residual water content of the freeze-dried hydrogel. The method comprises adding a biomolecule to the hydrogel before freeze-drying the hydrogel, and/or optimizing the freeze-drying cycle, e.g., by taking into account Tg' (glass transition temperature of a maximally freeze-concentrated sample) of the mixture comprising the hydrogel and the biomolecule. The present disclosure further provides the use of a freeze-dried hydrogel composition for cell culture, a cell-culturing scaffold, and a method for manufacturing a reconstituted hydrogel.SELECTED DRAWING: None

Description

開示の分野
本開示は、ナノスケールセルロースを含むヒドロゲルの凍結乾燥を制御する方法であって、当該方法が凍結乾燥ヒドロゲルの残留水分を調整することを含む方法、およびナノスケールセルロースと、オリゴ糖および二糖から選択される少なくとも1つの生体分子と、好ましい残留水分とを含む凍結乾燥ヒドロゲル組成物に関する。本開示はさらに、細胞培養のための凍結乾燥ヒドロゲル組成物の使用、細胞培養の足場(scaffold)、および再構成されたヒドロゲルを製造する方法に関する。
FIELD OF THE DISCLOSURE The present disclosure is a method of controlling lyophilization of a hydrogel comprising nanoscale cellulose, the method comprising adjusting the residual moisture content of the lyophilized hydrogel, and nanoscale cellulose, oligosaccharides and It relates to a lyophilized hydrogel composition comprising at least one biomolecule selected from disaccharides and preferably residual moisture. The present disclosure further relates to the use of lyophilized hydrogel compositions for cell culture, cell culture scaffolds, and methods of making reconstituted hydrogels.

開示の背景
近年、生分解性および生体適合性の特徴を備えたセルロース系ヒドロゲルナノ材料が、異なるバイオ医薬品用途への関心を集めている。セルロース系ヒドロゲルナノ材料は、それらの固有の特性および生理学的マトリックスとの類似性に基づいて特に興味深い。
BACKGROUND OF THE DISCLOSURE In recent years, cellulosic hydrogel nanomaterials with biodegradable and biocompatible characteristics have attracted interest for different biopharmaceutical applications. Cellulosic hydrogel nanomaterials are of particular interest based on their unique properties and similarity to physiological matrices.

材料のより適した輸送実現性を可能にし、室温での貯蔵特性を改善するために、例えば、木材系の天然ナノフィブリルセルロース(nanofibrillar cellulose)(NFC)ヒドロゲルの乾燥が研究されてきた。 Drying of, for example, wood-based natural nanofibrillar cellulose (NFC) hydrogels has been investigated to enable better transport feasibility of the material and to improve storage properties at room temperature.

熱に敏感な製品の貯蔵寿命および取り扱いを改善するために広く使用されている乾燥方法である凍結乾燥は、熱に敏感な物質を保存するための1つの方法である。しかし、ナノセルロースのフィブリルの親水性、および乾燥プロセス中に凝集するそれらの傾向は、NFCヒドロゲルの乾燥の試みに障害を生じさせる。さらに、凍結乾燥は、ときおり製品を損傷し、さらに長期貯蔵中に製品の特性が変化し得る。 Freeze-drying, a drying method widely used to improve the shelf life and handling of heat-sensitive products, is one method for preserving heat-sensitive substances. However, the hydrophilic nature of nanocellulose fibrils and their tendency to aggregate during the drying process presents obstacles to attempts to dry NFC hydrogels. In addition, freeze-drying sometimes damages the product and can change product properties during long-term storage.

セルロース系ヒドロゲルナノ材料の保存における進行中の研究および開発にもかかわらず、ナノスケールセルロースを含むヒドロゲルの保存のための改善された方法を提供する必要性がなお存在する。 Despite ongoing research and development in the preservation of cellulosic hydrogel nanomaterials, a need still exists to provide improved methods for the preservation of hydrogels containing nanoscale cellulose.

開示の簡単な説明
本開示の目的は、凍結乾燥ヒドロゲルの残留水分を調整することによって、ナノスケールセルロースを含むヒドロゲルの凍結乾燥および再構成を制御する方法を提供することである。本開示のいくつかの実施形態では、当該方法は、ヒドロゲルを凍結乾燥する前に生体分子をヒドロゲルに添加すること、および/または例えばヒドロゲルおよび生体分子を含む混合物のTg’(最大凍結濃縮サンプルのガラス転移温度)を考慮することによって凍結乾燥サイクルを最適化することを含む。典型的には、ヒドロゲルは、ナノフィブリルセルロースなどのナノスケールセルロースと、オリゴ糖または二糖から選択される少なくとも1つの生体分子とを含む。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DISCLOSURE It is an object of the present disclosure to provide a method of controlling lyophilization and reconstitution of hydrogels comprising nanoscale cellulose by adjusting the residual moisture content of the lyophilized hydrogel. In some embodiments of the present disclosure, the method includes adding biomolecules to the hydrogel prior to freeze-drying the hydrogel, and/or the Tg' of a mixture comprising, for example, the hydrogel and biomolecules (maximum freeze-concentration sample optimizing the freeze-drying cycle by considering the glass transition temperature). Typically, hydrogels comprise nanoscale cellulose, such as nanofibrillar cellulose, and at least one biomolecule selected from oligosaccharides or disaccharides.

本開示は、例えば、凍結乾燥ヒドロゲルの上首尾の再構成を確保するために、および凍結乾燥中の水との分子レベルの相互作用を理解するために、ヒドロゲルの凍結乾燥を制御および操縦する方法を特定するという願望のアイデアに基づくものである。 The present disclosure provides methods for controlling and steering hydrogel freeze-drying, for example, to ensure successful reconstitution of freeze-dried hydrogels and to understand molecular-level interactions with water during freeze-drying. It is based on the idea of a desire to identify

本開示の方法および凍結乾燥ヒドロゲル組成物の利点は、凍結乾燥ヒドロゲルを、室温(20~25℃)で1年をも超える長期間保存できること、および凍結乾燥に使用されるヒドロゲルの特性を維持しながら再構成できることである。凍結乾燥ヒドロゲルは、好ましい形状、濃度、および/またはコンシステンシーに再構成することができる。 An advantage of the methods and lyophilized hydrogel compositions of the present disclosure is that the lyophilized hydrogels can be stored at room temperature (20-25° C.) for long periods of time, even greater than a year, and retain the properties of the hydrogels used for lyophilization. It can be reconfigured while Lyophilized hydrogels can be reconstituted to a desired shape, concentration, and/or consistency.

本開示の凍結乾燥ヒドロゲル組成物のさらなる利点は、それが細胞培養のために、および細胞培養の足場を製造する方法に使用できることである。細胞培養のために最適化されたヒドロゲル濃度は、異なる細胞に対して異なるため、異なる濃度のヒドロゲルを凍結乾燥に使用し得ること、および凍結乾燥ヒドロゲルを元の濃度または異なる濃度に再構成できることは有利である。 A further advantage of the lyophilized hydrogel composition of the present disclosure is that it can be used for cell culture and in methods of manufacturing cell culture scaffolds. Since the hydrogel concentration optimized for cell culture is different for different cells, it is not clear that different concentrations of hydrogel can be used for lyophilization, and that lyophilized hydrogel can be reconstituted to its original concentration or to a different concentration. Advantageous.

さらなる利点は、本開示の方法によって、一次乾燥の温度をかなり上昇させ得ることである。凍結乾燥中にサンプルが既に1℃上昇すると、一次乾燥に必要な時間が大幅に短縮され得るため、これは、時間の消費および経済的な観点から大きな影響を及ぼす。 A further advantage is that the temperature of primary drying can be significantly increased by the method of the present disclosure. This has a significant impact from a time consumption and economic point of view, since the time required for primary drying can be significantly reduced if the sample is already warmed by 1°C during freeze-drying.

本開示の方法は、天然ナノフィブリルセルロースなどのナノスケールセルロースを含むヒドロゲルが、例えば細胞培養における使用のために凍結乾燥される場合に、特に適している。 The methods of the present disclosure are particularly suitable when hydrogels comprising nanoscale cellulose, such as native nanofibrillar cellulose, are freeze-dried, eg, for use in cell culture.

図面の簡単な説明
以下、本開示は、添付の図面を参照して、好ましい実施形態によってより詳細に説明される。
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES Hereinafter, the present disclosure will be described in more detail by way of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.

図1は、生体分子を含まない(コントロール、A)、300mMのスクロースを含む(B)、150mMのトレハロースおよび333mMのグリシンを含む(C)、並びに300mMのトレハロースを含む(D)、ナノフィブリルセルロース(NFC)ヒドロゲル組成物からの凍結乾燥ケーキの、凍結乾燥(FD)前および再構成後の、せん断速度粘度(shear rate viscosity)を示す(平均±S.D.、n=3);FIG. 1 shows nanofibrillar cellulose without biomolecule (control, A), with 300 mM sucrose (B), with 150 mM trehalose and 333 mM glycine (C), and with 300 mM trehalose (D). Figure 2 shows the shear rate viscosity of freeze-dried cakes from (NFC) hydrogel compositions before freeze-drying (FD) and after reconstitution (mean ± S.D., n=3); 図2は、生体分子を含まない(コントロール、A)、300mMのスクロースを含む(B)、および300mMのトレハロースを含む(C)、ナノフィブリルセルロース(NFC)組成物からの、凍結乾燥前および再構成後の、貯蔵弾性率(G’)および損失弾性率(G”)を示す(平均±S.D.、n=3);Figure 2 shows pre-lyophilized and reconstituted nanofibrillar cellulose (NFC) compositions without biomolecules (control, A), with 300 mM sucrose (B), and with 300 mM trehalose (C). Storage modulus (G′) and loss modulus (G″) after construction are shown (mean±SD, n=3); 図3は、再構成された凍結乾燥(FD)ヒドロゲルおよび生の(fresh)非凍結乾燥ヒドロゲル(Cntrl)中で培養されたHepG2細胞スフェロイド(A)およびPC3細胞スフェロイド(B)の3D生存率(3D viability)を示す;Figure 3 shows 3D viability of HepG2 cell spheroids (A) and PC3 cell spheroids (B) cultured in reconstituted lyophilized (FD) hydrogels and fresh non-lyophilized hydrogels (Cntrl). 3D viability); 図4は、グリシン分子有りおよびグリシン分子無しで研究された異なる単糖および二糖の結合自由エネルギーを示す;Figure 4 shows binding free energies of different monosaccharides and disaccharides studied with and without glycine molecules; 図5は、300mMのスクロースを含む、300mMのトレハロースを含む、並びに150mMのトレハロースおよび333mMのグリシンを含む、ナノフィブリルセルロースのアモルファスセルロース面の水分子の浸透を示す;並びにFIG. 5 shows the penetration of water molecules on the amorphous cellulose surface of nanofibril cellulose with 300 mM sucrose, with 300 mM trehalose, and with 150 mM trehalose and 333 mM glycine; 図6は、賦形剤を含まない(NFC)、300mMのスクロースを含む(NFC+SUC)、300mMのトレハロースを含む(NFC+TRE)、凍結乾燥ナノフィブリルセルロース(NFC)製剤のSEM画像、および同じ組成物の拡大画像を示す。FIG. 6 shows SEM images of excipient-free (NFC), 300 mM sucrose (NFC+SUC), 300 mM trehalose (NFC+TRE), lyophilized nanofibrillar cellulose (NFC) formulations, and the same compositions. Enlarged image is shown.

開示の詳細な説明
細胞培養の足場に特に適した凍結乾燥ヒドロゲルの、室温での保存および上首尾の再構成を可能にするために、ナノスケールセルロースを含むヒドロゲルの凍結乾燥を制御する方法が提供される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE DISCLOSURE Methods are provided for controlled lyophilization of hydrogels comprising nanoscale cellulose to enable room temperature storage and successful reconstitution of lyophilized hydrogels that are particularly suitable for cell culture scaffolds. be done.

驚くべきことに、凍結乾燥ヒドロゲル組成物の残留水分を調整することによって、ナノスケールセルロースを含むヒドロゲルの凍結乾燥および/または再構成を制御し得ることが見出された。例えば、ナノフィブリルセルロースなどのナノスケールセルロースを含むヒドロゲルを凍結乾燥するときに抗凍結剤または凍結乾燥保護剤(lyoprotectant)として生体分子を使用することによって、凍結乾燥ヒドロゲル組成物の残留水分を調整し、そうして凍結乾燥ヒドロゲル組成物の再構成を改善および制御し得ることが見出された。典型的には、生体分子は、三糖または二糖などのオリゴ糖の1つまたはそれ以上であり、調整は、組成物に添加される生体分子の量を最適化することによって行われる。 Surprisingly, it has been found that lyophilization and/or reconstitution of hydrogels comprising nanoscale cellulose can be controlled by adjusting the residual water content of the lyophilized hydrogel composition. For example, the use of biomolecules as cryoprotectants or lyoprotectants during lyophilization of hydrogels containing nanoscale cellulose, such as nanofibril cellulose, regulates the residual moisture content of lyophilized hydrogel compositions. , so that reconstitution of lyophilized hydrogel compositions can be improved and controlled. Typically, the biomolecule is one or more oligosaccharides, such as tri- or disaccharides, and adjustments are made by optimizing the amount of biomolecule added to the composition.

本開示のいくつかの実施形態によれば、当該方法は、ヒドロゲルを凍結乾燥する前に、ナノスケールセルロースを含むヒドロゲルに生体分子を添加することを含む。典型的には、生体分子は、オリゴ糖または二糖、好ましくは二糖またはいくつかの二糖の混合物、より好ましくは二糖、最も好ましくはラクトース(4-O-β-D-ガラクトピラノシル-D-グルコピラノース)、トレハロース(α-D-グルコピラノシル-α-D-グルコピラノシド)またはスクロース(β-D-フルクトフラノシル-α-D-グルコピラノシド)から選択される。トレハロースおよびスクロースは、典型的には両方とも、高いガラス転移温度および水素結合の能力を有する。グリシンなどのアミノ酸を、例えば、セルロースへの多糖または二糖の引力を改善するために添加することができる。典型的には、アミノ酸は;アルギニン、リシン、アスパラギン酸、若しくはグルタミン酸などの荷電アミノ酸;グルタミン、アスパラギン、セリン、トレオニン、チロシン、ヒスチジン、若しくはシステインなどの極性アミノ酸;トリプトファン、チロシン、若しくはメチオニンなどの両親媒性アミノ酸;またはグリシン、アラニン、バリン、イソロイシン、ロイシン、プロリン、フェニルアラニン、若しくはメチオニンなどの疎水性アミノ酸であり、好ましくはグリシン、トリプトファン、ロイシンおよび/またはグルタミンの1つである。 According to some embodiments of the present disclosure, the method includes adding biomolecules to the hydrogel comprising nanoscale cellulose prior to freeze-drying the hydrogel. Typically, the biomolecule is an oligosaccharide or disaccharide, preferably a disaccharide or a mixture of several disaccharides, more preferably a disaccharide, most preferably lactose (4-O-β-D-galactopyrano syl-D-glucopyranose), trehalose (α-D-glucopyranosyl-α-D-glucopyranoside) or sucrose (β-D-fructofuranosyl-α-D-glucopyranoside). Trehalose and sucrose typically both have high glass transition temperatures and hydrogen bonding capabilities. Amino acids such as glycine can be added, for example, to improve the attraction of poly- or disaccharides to cellulose. Typically, amino acids are: charged amino acids such as arginine, lysine, aspartic acid, or glutamic acid; polar amino acids, such as glutamine, asparagine, serine, threonine, tyrosine, histidine, or cysteine; parental amino acids, such as tryptophan, tyrosine, or methionine. or a hydrophobic amino acid such as glycine, alanine, valine, isoleucine, leucine, proline, phenylalanine, or methionine, preferably one of glycine, tryptophan, leucine and/or glutamine.

本開示のいくつかの実施形態によれば、本開示のヒドロゲルの凍結乾燥は、ヒドロゲルおよび生体分子を含む混合物のTg’(最大凍結濃縮サンプルのガラス転移温度)を考慮して、温度が最大凍結濃縮サンプルのガラス転移温度(Tg)を超えないように確保することによって、凍結乾燥サイクルを利用することによって制御することができる。 According to some embodiments of the present disclosure, lyophilization of the hydrogels of the present disclosure is performed at a temperature of maximum freezing, taking into account the Tg' (glass transition temperature of the maximum freeze-concentration sample) of the mixture comprising the hydrogel and biomolecules. By ensuring that the glass transition temperature (Tg) of the concentrated sample is not exceeded, it can be controlled by utilizing a lyophilization cycle.

本明細書および特許請求の範囲において、以下の用語は、以下で定義される意味を有する。 As used herein and in the claims, the following terms have the meanings defined below.

ナノスケールセルロースという用語は、ナノフィブリルセルロースおよび/またはナノ結晶を指す。本明細書で使用される場合、ナノフィブリルセルロース、ナノフィブリルまたはナノフィブリル化セルロースまたはNFCという用語は、セルロース系繊維材料またはセルロースパルプから遊離したフィブリルおよびフィブリル束を含む植物由来のナノフィブリル構造物を包含すると理解される。セルロース系繊維原料から遊離したナノフィブリル構造物は、高アスペクト比(長さ/直径)によって特徴づけられ:それらの長さは1μmを超える場合があり、一方、その直径は、典型的には200nm未満のままである。最小のナノフィブリルは、基本フィブリルのスケールであり、その直径は、典型的には2~12nmの範囲である。フィブリルの寸法とサイズ分布は、その崩壊方法および効率、並びに前処理に依存する。典型的には、NFC中のフィブリルまたはフィブリル束のメジアン長さ(median length)は、100μm以下、例えば1~50μmの範囲であり、フィブリルまたはフィブリル束の数平均直径(number average diameter)は、200nm未満、適切には2~100nmの範囲である。無傷の、フィブリル化されていないマイクロフィブリルユニットは、ナノフィブリルセルロースに存在し得るが、ささいな量でしか存在しない。ナノフィブリルセルロースに関連する命名法は均一ではなく、文献では一貫性のない用語が使用されている。例えば、次の用語がナノフィブリルセルロースの同義語として使用されている:セルロースナノファイバー、ナノフィブリルセルロース(nanofibril cellulose)(CNF)、ナノフィブリルセルロース(nanofibrillar cellulose)、ナノスケールフィブリル化セルロース、マイクロフィブリルセルロース、セルロースマイクロフィブリル、マイクロフィブリル化セルロース(MFC)、およびフィブリルセルロース。本明細書で使用される場合、ナノフィブリルセルロースは、非フィブリルの棒状セルロースナノ結晶またはウィスカーを包含することを意味するものではない。ナノ結晶は、セルロースナノ結晶(CNC)、セルロースのナノ結晶(NCC)、またはセルロースナノウィスカー(CNW)と呼ばれる高結晶性材料である。ナノ結晶は、棒状で硬く、狭いサイズ分布を有し、ナノフィブリルよりも短い。ナノ結晶はまた、より低い粘度および降伏強度を有し、ナノフィブリルセルロースと同程度には水の保持が良好ではない。 The term nanoscale cellulose refers to nanofibrillar cellulose and/or nanocrystals. As used herein, the terms nanofibrillar cellulose, nanofibrils or nanofibrillated cellulose or NFC refer to plant-derived nanofibrillar structures comprising fibrils and fibril bundles liberated from cellulosic fibrous material or cellulose pulp. understood to include. Nanofibrillar structures liberated from cellulosic fibrous raw materials are characterized by a high aspect ratio (length/diameter): their length can exceed 1 μm, while their diameter is typically 200 nm. remains less than The smallest nanofibrils are on the scale of elementary fibrils and their diameters typically range from 2 to 12 nm. The dimensions and size distribution of fibrils depend on their disintegration method and efficiency, as well as pretreatment. Typically, the median length of the fibrils or fibril bundles in NFC is 100 μm or less, such as in the range of 1-50 μm, and the number average diameter of the fibrils or fibril bundles is 200 nm. less than, suitably in the range of 2-100 nm. Intact, non-fibrillated microfibril units may be present in nanofibril cellulose, but only in insignificant amounts. The nomenclature associated with nanofibrillar cellulose is not uniform and the literature uses inconsistent terminology. For example, the following terms have been used as synonyms for nanofibril cellulose: cellulose nanofiber, nanofibril cellulose (CNF), nanofibrillar cellulose, nanoscale fibrillated cellulose, microfibril cellulose. , cellulose microfibrils, microfibrillated cellulose (MFC), and fibril cellulose. As used herein, nanofibrillar cellulose is not meant to include non-fibrillar rod-shaped cellulose nanocrystals or whiskers. Nanocrystals are highly crystalline materials called cellulose nanocrystals (CNC), cellulose nanocrystals (NCC), or cellulose nanowhiskers (CNW). Nanocrystals are rod-like, rigid, have a narrow size distribution, and are shorter than nanofibrils. Nanocrystals also have lower viscosity and yield strength and are not as good at retaining water as nanofibrillar cellulose.

生体分子(biomolecule)という用語は、生物学的分子(biological molecule)とも呼ばれ、細胞および生物によって生成される物質である。生体分子は、幅広いサイズおよび構造、並びに様々な機能を有する。生体分子の4つの主要なタイプは、炭水化物、脂質、核酸、およびタンパク質である。本明細書で使用される場合、特に関連する生体分子は、炭水化物、好ましくは三糖および二糖などのオリゴ糖である。二糖は、ラクトース、マルトースおよびセロビオースなどの還元糖、またはトレハロースおよびスクロースなどの非還元二糖であることができ、好ましくは二糖は、非還元二糖である。 The term biomolecule, also called biological molecule, is a substance produced by cells and organisms. Biomolecules have a wide range of sizes and structures and various functions. The four major types of biomolecules are carbohydrates, lipids, nucleic acids, and proteins. As used herein, biomolecules of particular interest are carbohydrates, preferably oligosaccharides such as trisaccharides and disaccharides. The disaccharide can be a reducing sugar such as lactose, maltose and cellobiose, or a non-reducing disaccharide such as trehalose and sucrose, preferably the disaccharide is a non-reducing disaccharide.

また、アミノ酸を、オリゴ糖および/または二糖と共に生体分子として使用し得る。アミノ酸は;アルギニン、リシン、アスパラギン酸、若しくはグルタミン酸などの荷電アミノ酸;グルタミン、アスパラギン、セリン、トレオニン、チロシン、ヒスチジン、若しくはシステインなどの極性アミノ酸;トリプトファン、チロシン、若しくはメチオニンなどの両親媒性アミノ酸;またはグリシン、アラニン、バリン、イソロイシン、ロイシン、プロリン、フェニルアラニン、若しくはメチオニンなどの疎水性アミノ酸であり得る。 Amino acids can also be used as biomolecules along with oligosaccharides and/or disaccharides. charged amino acids such as arginine, lysine, aspartic acid, or glutamic acid; polar amino acids, such as glutamine, asparagine, serine, threonine, tyrosine, histidine, or cysteine; amphipathic amino acids, such as tryptophan, tyrosine, or methionine; or It can be a hydrophobic amino acid such as glycine, alanine, valine, isoleucine, leucine, proline, phenylalanine, or methionine.

典型的には、凍結乾燥プロセスは、3つの主要な工程:1)凍結(サンプルの固化)、2)一次乾燥(凍結水の昇華)、および3)二次乾燥(未凍結水の除去)に分けられる。 Typically, the freeze-drying process consists of three major steps: 1) freezing (solidification of the sample), 2) primary drying (sublimation of frozen water), and 3) secondary drying (removal of unfrozen water). divided.

凍結工程という用語は、組成物の温度をその凝固点より低くしてサンプルを固化させる凍結乾燥の最初の工程を指す。水溶液の凍結または一般的な結晶化は、2つの工程:1)核形成、および2)巨視的結晶への核の成長からなる。核形成の推進力は、主に過冷却によって定められる。温度が溶液の凝固点を下回ると、氷の結晶化の核として機能する熱力学的に望ましい氷のクラスターを形成する蓋然性が増大する。 The term freezing step refers to the initial step of lyophilization in which the temperature of the composition is lowered below its freezing point to solidify the sample. Freezing or general crystallization of aqueous solutions consists of two steps: 1) nucleation and 2) growth of the nuclei into macroscopic crystals. The driving force for nucleation is primarily determined by supercooling. As the temperature drops below the freezing point of the solution, the probability of forming thermodynamically desirable ice clusters that act as nuclei for ice crystallization increases.

一次乾燥という用語は、乾燥の主要な工程を指し、通常、凍結乾燥プロセスの中で最も長い段階である。一次乾燥工程中に、凍結した固体の水(氷)を減圧下で昇華させる。昇華の推進力は、凍結した水と凝縮器表面との間の蒸気圧差(温度差)である。 The term primary drying refers to the main step of drying, which is usually the longest step in the freeze-drying process. During the primary drying step, frozen solid water (ice) is sublimed under reduced pressure. The driving force for sublimation is the vapor pressure difference (temperature difference) between the frozen water and the condenser surface.

二次乾燥という用語は、サンプルにまだ存在する、あらゆる未凍結の水が除去される、凍結乾燥の最後の部分を指す。一次乾燥中に氷が除去され、そうして溶融または崩壊のリスクが最小限に抑えられるので、二次乾燥を高温で行うことができる。特にアモルファス材料について温度上昇は、好ましくは崩壊を避けるために、遅いランプ(約1℃/min)で行われる。 The term secondary drying refers to the final part of lyophilization in which any unfrozen water still present in the sample is removed. Secondary drying can be performed at elevated temperatures because ice is removed during primary drying, thus minimizing the risk of melting or crumbling. Especially for amorphous materials the temperature rise is preferably done with a slow ramp (approximately 1° C./min) to avoid decay.

乾燥度、即ち凍結乾燥生成物の含水量(または残留含水量)は、典型的には、重量分析によって決定される。水の量は、初期重量から乾燥重量を引くことによって決定される。次に、含水量は、報告方法に応じて、乾燥重量または総重量で割った水の量として計算される。乾燥度を記載する別の方法は、乾燥物質(dry substance)の含有量(DS含有量)であり、乾物(dry matter)の含有量とも呼ばれる。DSは、物質の混合物中の固形分のパーセンテージであり、DS含有量の単位は重量%である。この割合が高いほど、混合物は乾燥している。 The dryness, ie the water content (or residual water content) of a freeze-dried product, is typically determined gravimetrically. The amount of water is determined by subtracting the dry weight from the initial weight. Moisture content is then calculated as the amount of water divided by dry weight or total weight, depending on the method of reporting. Another way of describing dryness is the dry substance content (DS content), also called dry matter content. DS is the percentage of solids in a mixture of substances and the unit of DS content is % by weight. The higher this ratio, the drier the mixture.

残留水という用語は、二次乾燥中に放出されない凍結乾燥組成物の水、即ち、ナノフィブリルセルロースなどのナノスケールセルロースを含む凍結乾燥ヒドロゲル組成物の中/上に残っている残留水を指す。ナノフィブリルセルロースなどのナノスケールセルロースを含む凍結乾燥ヒドロゲル組成物の残留水分は、カールフィッシャー滴定によって測定することができる。一次乾燥中に組成物から放出されないが、二次乾燥中に除去される水は、結合水と呼ばれる。 The term residual water refers to water of the freeze-dried composition that is not released during secondary drying, i.e. residual water remaining in/on the freeze-dried hydrogel composition comprising nanoscale cellulose, such as nanofibril cellulose. Residual water content of lyophilized hydrogel compositions comprising nanoscale cellulose, such as nanofibril cellulose, can be measured by Karl Fischer titration. Water that is not released from the composition during primary drying, but is removed during secondary drying is called bound water.

最大凍結濃縮サンプルのガラス転移温度(Tg’)という用語は、組成物がガラス転移を経た温度、即ち、溶質の凍結濃縮が、もはや固体の氷が形成できなくなるまで溶液の粘度を上昇させた温度を指す。 The term glass transition temperature (Tg') of a maximum freeze-concentration sample is the temperature at which a composition undergoes a glass transition, i.e., the temperature at which freeze-concentration of a solute has increased the viscosity of the solution until solid ice can no longer form. point to

再構成という用語は、再構成培地、例えば水および/または細胞培地をそれに加えることによって、乾燥したものを元の状態に戻すプロセスを指す。再構成は、元の状態にすることができるか、または、例えば放出された水よりも少ない再構成媒地を添加するによって、異なる濃度または剛性にすることができる。 The term reconstitution refers to the process of reconstituting a desiccant by adding a reconstitution medium, such as water and/or cell culture medium, to it. The reconstitution can be pristine or can be of different consistency or consistency, for example by adding less reconstitution medium than the released water.

本開示の実施形態によれば、ナノスケールセルロースは、ナノフィブリルセルロースおよび/またはナノ結晶から、好ましくは天然ナノフィブリルセルロースおよび/またはナノ結晶から選択され、より好ましくはナノスケールセルロースは、ナノフィブリルセルロース、最も好ましくは天然ナノフィブリルセルロースである。ナノフィブリルセルロースを含むヒドロゲルでは、総繊維含有量は、典型的には0.5%~5%、好ましくは0.7%~3%、より好ましくは0.8%~2.5%、最も好ましくは約0.8%または2%(m/v)である。 According to embodiments of the present disclosure, the nanoscale cellulose is selected from nanofibril cellulose and/or nanocrystals, preferably from natural nanofibril cellulose and/or nanocrystals, more preferably the nanoscale cellulose is nanofibril cellulose , most preferably natural nanofibrillar cellulose. In hydrogels comprising nanofibrillar cellulose, the total fiber content is typically 0.5% to 5%, preferably 0.7% to 3%, more preferably 0.8% to 2.5%, most Preferably about 0.8% or 2% (m/v).

典型的には、本開示の実施形態において、当該方法の凍結乾燥は、凍結工程、一次乾燥および二次乾燥を含む。本開示のいくつかの実施形態によれば、凍結乾燥は、
温度を0.5~2℃/min、好ましくは約1℃/minで徐々に下げた後に、好ましくは-40℃および-60℃の間の温度で、1~5時間、ATMの圧力で行われる凍結工程、
温度を0.5~2℃/min、好ましくは約1℃/minで-40℃および-50℃の間の温度に上昇させ、圧力を、30mTorrおよび100mTorrの間、好ましくは約50mTorrの圧力に低下させ、その後に該温度を2~120時間、好ましくは10~100時間、より好ましくは50~100時間維持する一次乾燥、および/または
温度を0.5~2℃/min、好ましくは約1℃/minで-40℃および-50℃の間の温度から室温(+20℃~25℃)まで徐々に上昇させ、および該温度を0.5~5時間、好ましくは1~2時間維持する二次乾燥
を含む。一次乾燥は、静電容量マノメーター(絶対圧、CM)およびピラニゴーシュ(pirani gauche)(相対減圧)を使用する比較圧力測定で決定することができる。
Typically, in embodiments of the present disclosure, the freeze-drying of the method includes a freezing step, primary drying and secondary drying. According to some embodiments of the present disclosure, lyophilization comprises:
After gradually lowering the temperature by 0.5-2° C./min, preferably about 1° C./min, the temperature is preferably between −40° C. and −60° C. for 1-5 hours at ATM pressure. freezing process,
The temperature is increased by 0.5-2° C./min, preferably about 1° C./min to a temperature between −40° C. and −50° C., and the pressure is increased to between 30 mTorr and 100 mTorr, preferably to a pressure of about 50 mTorr. primary drying, which is reduced and then maintained at said temperature for 2-120 hours, preferably 10-100 hours, more preferably 50-100 hours; C./min from a temperature between -40.degree. C. and -50.degree. C. to room temperature (+20.degree. C. to 25.degree. Includes secondary drying. Primary dryness can be determined by comparative pressure measurements using a capacitance manometer (absolute pressure, CM) and a pirani gauche (relative vacuum).

典型的には、本開示の実施形態において、ヒドロゲル組成物は、異なる濃度の生体分子を、超純水、例えばMQ水などの水と混合することによって調製され、次にこれは、望まれる総繊維含有量(m/v)まで、ナノフィブリルセルロースなどのナノスケールセルロースを含むヒドロゲルと組み合わされる。代わりに、生体分子は、凍結乾燥の前に、ナノフィブリルセルロースの製造方法の一部として添加される。好ましくは、ヒドロゲル組成物は、従来技術、例えばボルテックスを用いてそれらを混合することによって、または注射器技術を用いたより高濃度の組成物のために、均質化される。ヒドロゲル組成物中の生体分子の全濃度は、混合物の全濃度の、典型的には100mM~700mM、好ましくは150mM~500mM、より好ましくは150mM~300mMの間の量から選択され、該量は、次の100mM、125mM、150mM、175mM、200mM、225mM、250mM、275mM、300mM、325mM、350mM、375mM、400mM、425mM、450mM、475mM、500mM、550mM、600mM、650mMおよび700mMの2つの間の範囲から選択されることを含む。 Typically, in embodiments of the present disclosure, hydrogel compositions are prepared by mixing different concentrations of biomolecules with water, such as ultrapure water, e.g., MQ water, which is then added to the desired total Fiber content (m/v) is combined with a hydrogel containing nanoscale cellulose, such as nanofibrillar cellulose. Alternatively, the biomolecule is added as part of the nanofibrillar cellulose manufacturing process prior to lyophilization. Preferably, the hydrogel compositions are homogenized by mixing them using conventional techniques, such as vortexing, or for more concentrated compositions using syringe techniques. The total concentration of biomolecules in the hydrogel composition is typically selected from an amount between 100 mM and 700 mM, preferably between 150 mM and 500 mM, more preferably between 150 mM and 300 mM of the total concentration of the mixture, said amount comprising: from a range between two of the following: Including being selected.

本開示の方法は、典型的には、以下の工程
a)ナノスケールセルロースを含むヒドロゲルを提供する工程;
b)オリゴ糖、二糖、またはそれらのいずれかの組合せから選択される少なくとも1つの生体分子を提供する工程;
c)工程a)のヒドロゲルを工程b)の生体分子と混合して混合物を得る工程;および
d)工程c)の混合物を凍結乾燥して、ナノスケールセルロースを含む凍結乾燥ヒドロゲルを得る工程
を含む。
The method of the present disclosure typically comprises the steps of: a) providing a hydrogel comprising nanoscale cellulose;
b) providing at least one biomolecule selected from oligosaccharides, disaccharides, or any combination thereof;
c) mixing the hydrogel of step a) with the biomolecule of step b) to obtain a mixture; and d) lyophilizing the mixture of step c) to obtain a lyophilized hydrogel comprising nanoscale cellulose. .

本開示の方法を利用することによって、ヒドロゲルの凍結乾燥が制御される。凍結乾燥ヒドロゲル組成物は、典型的には、ナノスケールセルロースおよび生体分子を含むヒドロゲルを含む。凍結乾燥ヒドロゲルの再構成を制御するために、凍結乾燥ヒドロゲル組成物の残留水分を調整できることが示されている。あらゆる説明のモデルに拘束されることなく、予備的な観察は、生体分子は、ナノスケールセルロースに侵入し、そうして水分子がセルロース構造により容易に結合および/または浸透できる表面積を増やすことによって、ナノスケールセルロース上でより多くの空間を配置する一方で、凍結乾燥前のナノスケールセルロースへの生体分子の添加は、水をそれら自身に結合することに加えて、剥離効果をもたらすことを示唆する。生体分子のアモルファスNFCへの引力が高いほど、系内を通過する水が多くなる。 By utilizing the methods of the present disclosure, hydrogel freeze-drying is controlled. A lyophilized hydrogel composition typically comprises a hydrogel comprising nanoscale cellulose and a biomolecule. It has been shown that the residual water content of a lyophilized hydrogel composition can be adjusted to control the reconstitution of the lyophilized hydrogel. Without being bound by any model of explanation, preliminary observations suggest that biomolecules penetrate nanoscale cellulose, thus increasing the surface area over which water molecules can more readily bind and/or permeate the cellulose structure. , suggesting that the addition of biomolecules to nanoscale cellulose before freeze-drying results in an exfoliation effect in addition to binding water to themselves, while placing more space on the nanoscale cellulose. do. The higher the attraction of biomolecules to amorphous NFC, the more water will pass through the system.

凍結乾燥ヒドロゲル組成物も提供され、凍結乾燥ヒドロゲル組成物は、ナノスケールセルロースと、オリゴ糖および二糖から選択される少なくとも1つの生体分子とを含み、並びに凍結乾燥ヒドロゲル組成物の残留水分は、0.2%(w/w)~2%(w/w)未満、好ましくは0.2%~1.9%、より好ましくは0.3%~1.6%、最も好ましくは0.5%~1.3%である。典型的には、本開示の実施形態において、凍結乾燥ヒドロゲル組成物は、個々の繊維リボン(fibrous ribbon)を含む。凍結乾燥ヒドロゲル組成物は、意図する用途に応じて、典型的には支持体上で、好ましくはバッグ、ボトル、カラム、注射器またはウェルプレート中またはその上で、より好ましくはガラスバイアル、48ウェルプレート、96ウェルプレート、384ウェルプレートまたは1536ウェルプレート上で凍結乾燥される。貯蔵は、湿気のない密封パッケージ中で行われる。目的の用途に応じて、実質的に乾燥した凍結乾燥ヒドロゲル組成物の粉末、即ち本開示の方法、プロセスおよび生成物によるエアロゲルを保存または貯蔵することは、湿ったヒドロゲルの貯蔵および保存と比較して、いくつかの利点を提供する。エアロゲルは、再水和するとヒドロゲルになる。本開示の一実施形態では、ウェル中に様々な量の凍結乾燥ナノセルロースが存在する。同量の水または細胞培地を各ウェルに添加すると、異なる細胞培養濃度を有するテストパネルが提供される。 A lyophilized hydrogel composition is also provided, the lyophilized hydrogel composition comprising nanoscale cellulose and at least one biomolecule selected from oligosaccharides and disaccharides, and the residual water content of the lyophilized hydrogel composition comprising: 0.2% (w/w) to less than 2% (w/w), preferably 0.2% to 1.9%, more preferably 0.3% to 1.6%, most preferably 0.5 % to 1.3%. Typically, in embodiments of the present disclosure, the freeze-dried hydrogel composition comprises individual fibrous ribbons. The lyophilized hydrogel composition is typically placed on a support, preferably in or on a bag, bottle, column, syringe or well plate, more preferably glass vials, 48 well plates, depending on the intended use. , 96-well plates, 384-well plates or 1536-well plates. Storage is carried out in moisture-free, sealed packages. Depending on the intended use, storing or storing a substantially dry powder of a lyophilized hydrogel composition, i.e., aerogels according to the methods, processes and products of the present disclosure, can be compared to storing and storing wet hydrogels. provides several advantages. Aerogels become hydrogels upon rehydration. In one embodiment of the present disclosure, there are varying amounts of lyophilized nanocellulose in the wells. Adding the same amount of water or cell culture medium to each well provides a test panel with different cell culture concentrations.

マイクロビーズに再構成し得る凍結乾燥ヒドロゲル微粒子または凍結乾燥ヒドロゲル液滴を提供するために;例えばシートとしてまたは型内で凍結乾燥され、湿潤され得る、即ち、ヒドロゲル足場または軟質膜に再構成することができる、凍結乾燥ヒドロゲル膜、即ちエアロゲル膜を提供するために;または使用前に湿らせ、或いは濃度勾配を形成して様々な細胞培養条件を可能する、凍結乾燥ヒドロゲルを含む事前に充填されたマイクロチップを提供するために、本開示の方法および生成物を使用することもできる。本開示のヒドロゲル足場の1つのタイプは、より高い固形分、典型的には3%~5%、好ましくは3%~4%(m/v)のナノフィブリルセルロース含有量で再構成された堅い膜である。ヒドロゲル足場は、例えば、足場の間の上部に細胞を有する共培養システムを構成するために積み重ねることができる。さらに、凍結乾燥ヒドロゲルは、湿ったときにナノセルロースを分散剤として使用して、医薬品有効成分の粉末(API)と混合することができる。 To provide lyophilized hydrogel microparticles or lyophilized hydrogel droplets that can be reconstituted into microbeads; e.g., lyophilized as sheets or in molds and can be wetted, i.e., reconstituted into hydrogel scaffolds or soft membranes or to provide a lyophilized hydrogel film, i.e., an airgel film; The methods and products of the present disclosure can also be used to provide microchips. One type of hydrogel scaffold of the present disclosure is rigid reconstituted with higher solids content, typically 3%-5%, preferably 3%-4% (m/v) nanofibrillar cellulose content. membrane. Hydrogel scaffolds can be stacked, for example, to form a co-culture system with cells on top between the scaffolds. Additionally, lyophilized hydrogels can be mixed with active pharmaceutical ingredient powders (APIs) using nanocellulose as a dispersing agent when wet.

本開示の実施形態によれば、残留水のモル分率は、凍結乾燥ヒドロゲル組成物の5%~25%、好ましくは6%~20%、より好ましくは9%~15%であり;生体分子のモル分率は、凍結乾燥ヒドロゲル組成物の50%~90%、好ましくは55%~85%、より好ましくは60%~80%であり;および/またはナノスケールセルロースのモル分率は、凍結乾燥ヒドロゲル組成物の3~40%、好ましくは10%~35%、より好ましくは15%~30%であり、好ましくはナノスケールセルロースは、ナノフィブリルセルロースである。 According to embodiments of the present disclosure, the residual water mole fraction is 5% to 25%, preferably 6% to 20%, more preferably 9% to 15% of the lyophilized hydrogel composition; is 50% to 90%, preferably 55% to 85%, more preferably 60% to 80% of the freeze-dried hydrogel composition; and/or the mole fraction of nanoscale cellulose is 3-40%, preferably 10%-35%, more preferably 15%-30% of the dry hydrogel composition, preferably the nanoscale cellulose is nanofibrillar cellulose.

さらに、本開示の方法によって得ることができる凍結乾燥ヒドロゲル組成物が提供される。 Further provided is a lyophilized hydrogel composition obtainable by the method of the present disclosure.

凍結乾燥ヒドロゲル組成物の再構成は、再構成培地を凍結乾燥ヒドロゲル組成物に添加することを含む。再構成培地は、典型的には、水および/または細胞培地またはそれらの混合物である。それは、他の物質または他の要素、例えば;細胞;リン酸緩衝食塩水(PBS)などの緩衝剤;補強材;カバー材;活性剤;および/またはNaClなどの塩の添加も含み得る。再構成培地の体積は、所望のヒドロゲル濃度に依存する。典型的には、該体積は、凍結乾燥中に失われる水の体積に対応するが、例えば特定の細胞型に最適になるように調整することもできる。 Reconstitution of the lyophilized hydrogel composition includes adding a reconstitution medium to the lyophilized hydrogel composition. The reconstitution medium is typically water and/or cell culture medium or mixtures thereof. It may also include the addition of other substances or elements, for example; cells; buffers such as phosphate-buffered saline (PBS); reinforcing materials; covering materials; active agents; The volume of reconstitution medium depends on the desired hydrogel concentration. Typically, the volume corresponds to the volume of water lost during lyophilization, but can be adjusted, eg, to optimize for a particular cell type.

本開示の凍結乾燥ヒドロゲル組成物の好ましい使用は、細胞培養のためのものである。本開示の実施形態において、細胞は、典型的には、原核細胞または真核細胞、好ましくは分化または未分化の真核細胞、より好ましくは全能の、多能性の(pluripotent)、多分化能の(multipotent)、オリゴ能性の(oligopotent)、または単能性の幹細胞である。細胞は、例えば、肝細胞癌細胞株(HepG2)、前立腺癌細胞株(PC3)、またはヒト脂肪/間質細胞(hASC)であり得る。典型的には細胞は、原核細胞または真核細胞であり得る。例えば、細菌細胞または酵母細胞などの微生物細胞が含まれ得る。真核細胞は、植物細胞または動物細胞であり得る。細胞は、培養細胞であり得る。真核細胞の例には、幹細胞などの移植可能な細胞、例えば、全能の、多能性の、多分化能の、オリゴ能性の、または単能性の細胞が含まれる。ヒト胚性幹細胞の場合、細胞は、沈着した細胞株からのものであり得るか、または未受精卵、即ち「単為生殖生物」卵から、若しくは単為生殖的に活性化された卵子から作られ、そうしてヒト胚が破壊されないものであり得る。細胞を、細胞外で発生する動物またはヒト系の化学物質無しで、ヒドロゲル上またはその中で維持および増殖させ得る。細胞は、ヒドロゲル上またはその中で均一に分散し得る。従って、細胞の例には、幹細胞、未分化細胞、前駆細胞、および完全に分化した細胞、およびそれらの組合せが含まれる。いくつかの例では、細胞は、角膜実質細胞(keratocyte)、ケラチノサイト(keratinocyte)、線維芽細胞、上皮細胞、およびそれらの組合せからなる群から選択される細胞型を含む。いくつかの例では、細胞は、幹細胞、前駆細胞(progenitor cell)、前駆体細胞(precursor cell)、結合組織細胞、上皮細胞、筋細胞、神経細胞、内皮細胞、線維芽細胞、ケラチノサイト、平滑筋細胞、間質細胞、間葉細胞、免疫系細胞、造血細胞、樹状細胞、毛包細胞、血小板、赤血球、単核細胞、網膜色素細胞、肝細胞癌細胞およびそれらの組合せからなる群から選択される。 A preferred use of the lyophilized hydrogel compositions of the present disclosure is for cell culture. In embodiments of the present disclosure, the cells are typically prokaryotic or eukaryotic cells, preferably differentiated or undifferentiated eukaryotic cells, more preferably totipotent, pluripotent, pluripotent multipotent, oligopotent, or unipotent stem cells. Cells can be, for example, a hepatocellular carcinoma cell line (HepG2), a prostate cancer cell line (PC3), or human adipose/stromal cells (hASC). Typically the cells can be prokaryotic or eukaryotic. For example, microbial cells such as bacterial cells or yeast cells may be included. Eukaryotic cells can be plant or animal cells. The cells can be cultured cells. Examples of eukaryotic cells include transplantable cells such as stem cells, eg totipotent, pluripotent, multipotent, oligopotent or unipotent cells. In the case of human embryonic stem cells, the cells may be from deposited cell lines, or may be generated from unfertilized eggs, ie, "parthenogenetic" eggs, or from eggs that have been parthenogenetically activated. such that the human embryo is not destroyed. Cells can be maintained and grown on or in hydrogels without extracellularly generated animal or human based chemicals. Cells may be evenly dispersed on or in the hydrogel. Examples of cells thus include stem cells, undifferentiated cells, progenitor cells, and fully differentiated cells, and combinations thereof. In some examples, the cells comprise cell types selected from the group consisting of keratocytes, keratinocytes, fibroblasts, epithelial cells, and combinations thereof. In some examples, the cells are stem cells, progenitor cells, precursor cells, connective tissue cells, epithelial cells, muscle cells, nerve cells, endothelial cells, fibroblasts, keratinocytes, smooth muscle cells. cells, stromal cells, mesenchymal cells, immune system cells, hematopoietic cells, dendritic cells, hair follicle cells, platelets, red blood cells, mononuclear cells, retinal pigment cells, hepatocellular carcinoma cells and combinations thereof be done.

さらに、細胞培養の足場が提供され、当該細胞培養の足場は、本開示の再構成された凍結乾燥ヒドロゲル組成物を含む。典型的には、細胞培養の足場は、さらに水および/または細胞培地またはそれらの組合せを、任意に細胞と共に含む。 Additionally, a cell culture scaffold is provided, the cell culture scaffold comprising a reconstituted lyophilized hydrogel composition of the present disclosure. Typically, a cell culture scaffold further comprises water and/or cell culture medium or a combination thereof, optionally with cells.

細胞培養の足場などの再構成されたヒドロゲルを製造する方法も提供され、当該方法は以下の工程
a)本開示の凍結乾燥ヒドロゲル組成物を提供する工程;
b)水、細胞培地またはそれらの混合物を凍結乾燥ヒドロゲル組成物に添加して再構成されたヒドロゲルを得ることによって、再構成ヒドロゲルを得る工程
を含む。
Also provided is a method of manufacturing a reconstituted hydrogel, such as a cell culture scaffold, comprising the steps of: a) providing a lyophilized hydrogel composition of the present disclosure;
b) obtaining a reconstituted hydrogel by adding water, cell culture medium or a mixture thereof to the lyophilized hydrogel composition to obtain a reconstituted hydrogel.

本開示の実施形態によれば、細胞培地は細胞を含み得るか、または細胞は、細胞培養の足場中またはその上に、後で添加され得る。当該方法は、足場中またはその上部上に、他の物質または他の要素、例えばNaClなどの緩衝剤または塩を添加すること、または足場の上部上に細胞培地および/または細胞を添加することをさらに含み得る。 According to embodiments of the present disclosure, the cell culture medium may contain cells, or cells may be added later in or on the cell culture scaffold. The method includes adding other substances or other elements in or on top of the scaffold, e.g., buffers such as NaCl or salts, or adding cell culture media and/or cells on top of the scaffold. It can contain more.

実施例
実施例で使用した天然ナノフィブリル化セルロース(NFC)ヒドロゲルは、フィンランドの UPM, Kymmene により提供された。NFCの濃度は1.5%(m/v)であった(GrowDex(商標))。
EXAMPLES The natural nanofibrillated cellulose (NFC) hydrogels used in the examples were provided by UPM, Kymmene, Finland. The concentration of NFC was 1.5% (m/v) (GrowDex™).

実施例で使用した分析法
レオロジー測定
粘度、損失弾性率(G”)および貯蔵弾性率(G’)の測定は、HAAKE Viscotester iQ Rheometer(Thermo Scientific、カールスルーエ、ドイツ)を用いて、選択したNFCヒドロゲル組成物に対して3回行った。機器は温度制御用のペルチェシステムを含み、全ての測定は24℃で行った。レオロジー測定からのデータを、HAAKE RheoWin 4.0 ソフトウェア(Thermo Fischer Scientific)で分析した。再構成された凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物は、測定前に室温で静置した。
Analytical methods used in the examples
Rheology measurement
Viscosity, loss modulus (G″) and storage modulus (G′) measurements were performed in triplicate on selected NFC hydrogel compositions using a HAAKE Viscotester iQ Rheometer (Thermo Scientific, Karlsruhe, Germany). The instrument included a Peltier system for temperature control and all measurements were performed at 24° C. Data from rheological measurements were analyzed with HAAKE RheoWin 4.0 software (Thermo Fischer Scientific) on reconstituted lyophilized NFC hydrogels. Compositions were allowed to stand at room temperature prior to measurement.

せん断粘度の測定のために、全ての選択した組成物に対して、平行な直径35mmの鋼を用いたプレート-オン-プレート形状を使用した。せん断速度を0.1から1000 1/sまで上昇させ、結果を16個の時点で観察した。振動周波数掃引分析を、平行な直径25mmの鋼を用いたダブルキャップ形状で行った。測定前に一定の振幅掃引を、線形粘弾性領域を決定するために行った。1*10-4~500Paの間の振動応力での一定の角周波数ω=1Hzを使用した。線形粘弾性領域に基づいて、選択された振動応力は、全ての選択されたNFCヒドロゲル組成物に対してτ=1.5Paであり、角周波数の範囲は0.6~125.7rad s-1であった。モジュラス(moduli)からの結果は、37個の時点で観察した。 For shear viscosity measurements, a plate-on-plate geometry with parallel 35 mm diameter steel was used for all selected compositions. The shear rate was increased from 0.1 to 1000 1/s and results were observed at 16 time points. Oscillatory frequency sweep analysis was performed in a double-cap geometry with parallel 25 mm diameter steel. A constant amplitude sweep was performed prior to the measurement to determine the linear viscoelastic region. A constant angular frequency ω=1 Hz at an oscillatory stress between 1*10−4 and 500 Pa was used. Based on the linear viscoelastic regime, the selected oscillatory stress was τ=1.5 Pa for all selected NFC hydrogel compositions and the angular frequency ranged from 0.6 to 125.7 rad s−1. Met. Results from moduli were observed at 37 time points.

凍結乾燥プロトコル
凍結乾燥は、実験室スケールの凍結乾燥機 Lyostar II((SP Scientific Inc.、USA)で行った。異なるNFCヒドロゲル組成物のTg’温度に基づいて、異なる凍結乾燥サイクルを使用した。
Lyophilization protocol Lyophilization was performed in a laboratory-scale lyophilizer Lyostar II ((SP Scientific Inc., USA). Different lyophilization cycles were used based on the Tg′ temperature of different NFC hydrogel compositions.

凍結乾燥ヒドロゲルの再構成の評価
凍結乾燥後、形成されたケーキのエレガンスを評価し、凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物を、バイアルのキャップを開けた直後の開始体積まで超純水で再構成した。乾燥組成物のヒドロゲルへの再構成の速度、および組成物の均一性の維持を評価した。再構成されたヒドロゲル中に形成された気泡を、1分の遠心分離(1000rpm)で除去した。
Evaluation of reconstitution of lyophilized hydrogels After lyophilization, the elegance of the cake formed was evaluated and the lyophilized NFC hydrogel compositions were reconstituted with ultrapure water to the starting volume immediately after opening the cap of the vial. The speed of reconstitution of the dry composition into a hydrogel and the maintenance of composition homogeneity were evaluated. Air bubbles formed in the reconstituted hydrogel were removed by centrifugation (1000 rpm) for 1 minute.

残留水分
凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物の残留水分を、自動比色分析カールフィッシャー滴定装置(Metrohm、899 Coulometer、スイス)で測定した。ハイドラナール(Hydranal)(Coulomat AG、Fluca)を測定の溶媒として使用した。凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物を1mlのメタノールで希釈し、0.8mlの体積の注射器中に吸引し、これを、カールフィッシャー滴定装置のバスフラスコに注入した。結果を、マイクログラムの水で示し、メタノールの水分を、計算においてブランクとみなした。凍結乾燥組成物中の残留水分の質量パーセントおよびモル分率を手入力で計算した。全ての測定は3回行った。
Residual Moisture Residual moisture of the lyophilized NFC hydrogel compositions was measured with an automatic colorimetric Karl Fischer titrator (Metrohm, 899 Coulometer, Switzerland). Hydranal (Coulomat AG, Fluca) was used as the solvent for the measurements. The lyophilized NFC hydrogel composition was diluted with 1 ml of methanol and aspirated into a 0.8 ml volume syringe, which was injected into the bath flask of the Karl Fischer titrator. Results were expressed in micrograms of water and the water content of methanol was considered blank in the calculations. The weight percent and mole fraction of residual moisture in the lyophilized composition were calculated manually. All measurements were performed in triplicate.

走査型電子顕微鏡(SEM)
凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物の形態を、走査型電子顕微鏡 Quanta FEG250(SEM、FEI Company、USA)で研究した。サンプル調製は、サンプルの内部構造の検出および表面分析のためにピンセットでサンプルを切断することによって手動で行った。サンプルを、銀のペイントが付いた両面カーボンテープに配置した。撮像前に、サンプルを Agar のスパッタ装置(Agar Scientific Ltd.、UK)で白金で25秒間スパッタした。再構成された凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物の均一性は、光学顕微鏡(Leica microsystems、ドイツ)で評価した。
Scanning electron microscope (SEM)
The morphology of the freeze-dried NFC hydrogel composition was studied with a scanning electron microscope Quanta FEG250 (SEM, FEI Company, USA). Sample preparation was performed manually by cutting the sample with tweezers for detection of the internal structure of the sample and surface analysis. Samples were placed on double-sided carbon tape with silver paint. Prior to imaging, samples were sputtered with platinum for 25 seconds in an Agar sputter device (Agar Scientific Ltd., UK). The homogeneity of the reconstituted lyophilized NFC-hydrogel composition was evaluated by optical microscopy (Leica microsystems, Germany).

実施例1 異なるヒドロゲル組成物の評価、凍結乾燥ヒドロゲルのレオロジーおよび物理化学的特性の最適化
繊維含有量が1.5%(m/v)である天然ナノフィブリル化セルロース(NFC)ヒドロゲルは、フィンランドの UPM, Kymmene により提供された(GrowDex(商標))。この研究で使用した全ての化学物質、D-(+)-トレハロース二水和物、スクロースおよびグリシン(99%)は、USAの Sigma Aldrich から購入した。
Example 1 Evaluation of different hydrogel compositions, optimization of rheological and physicochemical properties of freeze-dried hydrogels Natural nanofibrillated cellulose (NFC) hydrogels with a fiber content of 1.5% (m/v) were grown in Finland provided by UPM, Kymmene (GrowDex™). All chemicals used in this study, D-(+)-trehalose dihydrate, sucrose and glycine (99%) were purchased from Sigma Aldrich, USA.

研究した全てのNFCヒドロゲル組成物を、異なる濃度のトレハロース、スクロース、またはこれら生体分子の組合せを、超純水(MQ水)と混合し、次に0.8%(m/v)の総繊維含有量までNFCヒドロゲルと組み合わせることによって調製した。NFCヒドロゲル組成物中の生体分子の全濃度は50mM~1000mMの間であった。次に、NFCヒドロゲル組成物をボルテックスで混合することによって均質化し、600mMよりも高い濃度の生体分子の組成物を、Paukkonen H. et al.(“Nanofibrillar cellulose hydrogels and reconstructed hydrogels as matrices for controlled drug release”, International journal of pharmaceutics 532 (2017) 269-280)からのプロトコルに基づく注射器技術で混合した。生体分子または有機溶媒を含まない、繊維含有量が0.8%(m/v)であるNFCヒドロゲルをコントロールとして使用した。 All studied NFC hydrogel compositions were mixed with different concentrations of trehalose, sucrose, or combinations of these biomolecules with ultrapure water (MQ water) and then added to 0.8% (m/v) total fiber Prepared by combining with NFC hydrogel up to content. The total concentration of biomolecules in the NFC hydrogel composition was between 50 mM and 1000 mM. The NFC hydrogel composition was then homogenized by vortex mixing, and a composition of biomolecules at a concentration greater than 600 mM was added to the composition by Paukkonen H. et al. ”, International journal of pharmaceuticals 532 (2017) 269-280). An NFC hydrogel with a fiber content of 0.8% (m/v) without biomolecules or organic solvents was used as a control.

NFCヒドロゲル組成物の物理化学的特性を、浸透圧およびpHを測定することによって評価した。再構成された凍結乾燥組成物の浸透圧を、手動の凝固点浸透圧計(Osmomat 3000、Gonotech)で測定した。浸透圧計は、超純水で0mOsmol/kgに較正し、較正標準(NaCl、Gonotech)で100~850mOsmol/kgに較正した。測定のために、サンプルをピペットで測定容器(Gonotech)に入れ、次に機器の上部プローブに配置した。全ての再構成された凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物からのpHを、pH紙(Macherey-Nagel、ドイツ)で測定した。凍結乾燥および再構成後、測定を繰り返した。 The physicochemical properties of the NFC hydrogel compositions were evaluated by measuring osmotic pressure and pH. The osmotic pressure of the reconstituted lyophilized composition was measured with a manual freezing point osmometer (Osmomat 3000, Gonotech). The osmometer was calibrated to 0 mOsmol/kg with ultrapure water and from 100-850 mOsmol/kg with calibration standards (NaCl, Gonotech). For measurement, the sample was pipetted into a measurement container (Gonotech) and then placed in the upper probe of the instrument. The pH from all reconstituted lyophilized NFC hydrogel compositions was measured with pH paper (Macherey-Nagel, Germany). Measurements were repeated after lyophilization and reconstitution.

凍結乾燥温度を最適化するために、全てのNFCヒドロゲル組成物およびコントロールのガラス転移温度(Tg’)を示差走査熱量測定(DSC)(TA instruments)で測定した。NFCヒドロゲル組成物を、密閉した T-Zero パン(40μl)にピペットで移した。まず温度を+40℃から-80℃に下げ、次に50ml/minのセルパージガスフロー(N2)と共に10℃/minで+20℃に加熱することによって、測定を行った。温度およびヒートフローを、インジウムで較正した。ガラス転移温度の測定を3回行い、結果を、TRIOS ソフトウェア(TA Instruments)で分析した。150mMのトレハロース、333mMのグリシンおよび700mMのDMSOまたはグリセロールを含み、Tg’が-50℃より低い2つのNFCヒドロゲル組成物を除外した。 To optimize the freeze-drying temperature, the glass transition temperatures (Tg') of all NFC hydrogel compositions and controls were measured by differential scanning calorimetry (DSC) (TA instruments). The NFC hydrogel composition was pipetted into a sealed T-Zero pan (40 μl). Measurements were made by first decreasing the temperature from +40° C. to −80° C. and then heating to +20° C. at 10° C./min with a Celpurge gas flow (N2) of 50 ml/min. Temperature and heat flow were calibrated with indium. Glass transition temperature measurements were performed in triplicate and the results were analyzed with TRIOS software (TA Instruments). Two NFC hydrogel compositions containing 150 mM trehalose, 333 mM glycine and 700 mM DMSO or glycerol and having a Tg' lower than -50°C were excluded.

凍結乾燥を、実験室スケールの凍結乾燥機 Lyostar II(SP Scientific Inc.、USA)で行った。異なるNFCヒドロゲル組成物のTg’温度に基づいて、2つの異なる凍結乾燥サイクルを使用した。凍結工程を、-55℃/-47℃(1℃/min)で2時間行い、その後温度を1℃/minで-50℃/-42℃まで上昇させ、圧力を100mTorr/50mTorrに低下させた。一次乾燥を、静電容量マノメーター(絶対圧、CM)およびピラニゴーシュ(相対減圧)を使用する比較圧力測定で決定した。次に凍結乾燥を二次乾燥まで続け、そこで温度を-50℃/-47℃から+20℃まで1℃/分で徐々に上昇させた。第1の凍結乾燥サイクルの全長は54時間であり、第2については143時間であった。サンプル量は、目的の実験に応じて0.2mlまたは1.75mlであった。NFCヒドロゲル組成物を、サンプルサイズに応じて、2mlまたは6mlの体積の Schott Toplyo(商標)注射バイアル(Adelphi)で凍結乾燥した。バイアルを、ゴム製の Daikyo D Sigma 凍結乾燥ストッパー(Adelphi)で閉じた。凍結乾燥後、All-Aluminium Crimp シール(West Pharmaceutical Sevices)をバイアルに配置した。 凍結乾燥サンプルを、さらなる実験の前に+4℃で貯蔵した。 Freeze-drying was performed in a laboratory-scale freeze-dryer Lyostar II (SP Scientific Inc., USA). Two different lyophilization cycles were used based on the Tg' temperatures of different NFC hydrogel compositions. The freezing step was performed at −55° C./−47° C. (1° C./min) for 2 hours, after which the temperature was increased at 1° C./min to −50° C./−42° C. and the pressure was reduced to 100 mTorr/50 mTorr. . Primary drying was determined by comparative pressure measurements using a capacitance manometer (absolute pressure, CM) and Pirani Gauche (relative vacuum). Freeze-drying was then continued until secondary drying, where the temperature was gradually increased from -50°C/-47°C to +20°C at 1°C/min. The total length of the first lyophilization cycle was 54 hours and the second was 143 hours. Sample volumes were 0.2 ml or 1.75 ml depending on the intended experiment. The NFC hydrogel compositions were lyophilized in Schott Toplyo™ injection vials (Adelphi) of 2 ml or 6 ml volume, depending on the sample size. Vials were closed with rubber Daikyo D Sigma lyophilization stoppers (Adelphi). After lyophilization, All-Aluminum Crimp seals (West Pharmaceutical Sevices) were placed in vials. Freeze-dried samples were stored at +4° C. before further experiments.

150mMのトレハロースおよび666mMのグリシンを含む凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物のケーキは崩壊し、750mM~1000mMのトレハロースを含むものは収縮を示した。形成されたケーキのわずかな亀裂が、凍結乾燥コントロールおよび50mM~250mMのスクロースまたはトレハロースを含む凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物で観察された。300mMのスクロースおよび/またはトレハロースを含む凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物、並びに150mMのトレハロースおよび333mMのグリシンを含むものを用いて、エレガントで白色の固体ケーキが得られた。 The cakes of lyophilized NFC hydrogel compositions containing 150 mM trehalose and 666 mM glycine collapsed, and those containing 750 mM-1000 mM trehalose showed shrinkage. Slight cracking of the cake formed was observed in the lyophilized control and lyophilized NFC hydrogel compositions containing 50 mM to 250 mM sucrose or trehalose. An elegant, white solid cake was obtained using lyophilized NFC hydrogel compositions containing 300 mM sucrose and/or trehalose and those containing 150 mM trehalose and 333 mM glycine.

凍結乾燥(FD)NFCヒドロゲル組成物を、バイアルのキャップを開けた直後に開始体積まで超純水(MQ水)で再構成した。乾燥組成物のヒドロゲルへの再構成の速度およびNFC組成物の均一性の維持を評価した。 Freeze-dried (FD) NFC hydrogel compositions were reconstituted with ultrapure water (MQ water) to the starting volume immediately after opening the cap of the vial. The speed of reconstitution of the dry composition into a hydrogel and the maintenance of homogeneity of the NFC composition were evaluated.

元の体積の超純水を加えたときに、崩壊および縮小したケーキの溶解に失敗したことが、それらを除外した理由である。さらに、凍結乾燥コントロールは、再構成後に凝集体を形成し、これを均質化することはできなかった。 Failure to dissolve the collapsed and shrunk cakes when the original volume of ultrapure water was added was the reason for their exclusion. Additionally, the lyophilized control formed aggregates after reconstitution which could not be homogenized.

上首尾のケーキの外観を有する凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物の再構成後、ケーキの色は直ぐに透明に変化し、2分の穏やかな手動撹拌後にヒドロゲルが形成された。再構成された凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物の内部に形成された気泡を除去するために、サンプルを、1分、遠心分離(1000rpm)し、その後、それらが、凍結乾燥前のNFCヒドロゲル組成物に対応した。 After reconstitution of a lyophilized NFC hydrogel composition with the appearance of a successful cake, the color of the cake changed to clear immediately and a hydrogel was formed after 2 minutes of gentle manual agitation. The samples were centrifuged (1000 rpm) for 1 minute to remove air bubbles formed inside the reconstituted lyophilized NFC-hydrogel composition, after which they were transferred to the pre-lyophilized NFC-hydrogel composition. corresponding to.

物理化学的特性を、異なる濃度のトレハロース、スクロース、およびグリシンを含む再構成された凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物の浸透圧およびpHを測定することによって評価した。浸透圧は、生体分子濃度の増加とともに増加し、50mM~300mMの間のトレハロースまたはスクロースの濃度を有する組成物は、50mOsmol/kg~300mOsmol/kgの間の対応する浸透圧を有していた。全てのNFCヒドロゲル組成物の凍結乾燥および再構成の後、浸透圧にわずかな低下が観察できた。 Physico-chemical properties were evaluated by measuring the osmotic pressure and pH of reconstituted lyophilized NFC hydrogel compositions containing different concentrations of trehalose, sucrose, and glycine. Osmolality increased with increasing biomolecule concentration, and compositions with concentrations of trehalose or sucrose between 50 mM and 300 mM had corresponding osmolality between 50 mOsmol/kg and 300 mOsmol/kg. A slight decrease in osmotic pressure could be observed after lyophilization and reconstitution of all NFC hydrogel compositions.

光学顕微鏡画像は、生体分子を含む再構成された凍結乾燥NFC組成物と、凍結乾燥前の生体分子を含むNFC組成物との間で同様の均質性を示した。凍結乾燥プロセス後の光学顕微鏡画像は、組織化されていない結晶化した特徴を示したため、再構成された凍結乾燥コントロールからは均質性を観察できなかった。 Optical microscope images showed similar homogeneity between the reconstituted lyophilized NFC composition containing biomolecules and the NFC composition containing biomolecules before lyophilization. Light microscope images after the freeze-drying process showed disorganized, crystallized features, so no homogeneity could be observed from the reconstituted freeze-dried controls.

300mMのトレハロースおよびスクロースの両方を含む再構成された凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物は、較正範囲0~850mOsmol/kgより高い浸透圧を有し、その後の実験から除外した。全ての組成物のpHは6~7の間であり、凍結乾燥および再構成の後も同じままであった。 Reconstituted lyophilized NFC hydrogel compositions containing both 300 mM trehalose and sucrose had osmotic pressures higher than the calibrated range 0-850 mOsmol/kg and were excluded from further experiments. The pH of all compositions was between 6-7 and remained the same after lyophilization and reconstitution.

凍結乾燥プロセスの最適化の後、凍結乾燥NFC組成物のヒドロゲルおよび再構成したものの保持された特性は、確保されなければならなかった。 After optimization of the freeze-drying process, the retained properties of the hydrogel and reconstituted of the freeze-dried NFC composition had to be ensured.

凍結乾燥後のケーキの組織化された多孔質構造に基づいて、粘度測定を、300mMのスクロースまたはトレハロースを含む3つの異なる再構成された凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物、および150mMのトレハロースおよび333mMのグリシンを含むものについて行った。振動周波数掃引分析を、粘度測定、および-40℃を超えるより適切なTg’温度に基づいて、300mMのスクロースまたはトレハロースのみを含む最後の2つの組成物に対して行った。 Based on the organized porous structure of the cake after lyophilization, viscosity measurements were performed on three different reconstituted lyophilized NFC hydrogel compositions containing 300 mM sucrose or trehalose, and 150 mM trehalose and 333 mM glycine. I went about something containing Oscillatory frequency sweep analysis was performed on the last two compositions containing only 300 mM sucrose or trehalose based on viscosity measurements and a more appropriate Tg' temperature above -40°C.

生体分子の添加は、凍結乾燥前のNFCヒドロゲル組成物の粘度特性に有意な影響を与えず、これは、せん断速度が増加すると直線的に減少した。図1Aの再構成された凍結乾燥コントロールの場合とは異なり、図1B~Dから観察されるように、再構成された凍結乾燥NFCヒドロゲル製剤中の生体分子の存在により、せん断粘度が保持された。図1A)のスクロース含む組成物、または図1Bのグリシンおよびトレハロースの組合せを含む組成物は、凍結乾燥の前後で等しい粘度特性を示した。 The addition of biomolecules did not significantly affect the viscosity properties of the pre-lyophilized NFC hydrogel compositions, which decreased linearly with increasing shear rate. Unlike the reconstituted lyophilized control of FIG. 1A, the presence of biomolecules in the reconstituted lyophilized NFC hydrogel formulations preserved shear viscosity as observed from FIGS. . Compositions containing sucrose in FIG. 1A) or compositions containing a combination of glycine and trehalose in FIG. 1B exhibited equal viscosity profiles before and after lyophilization.

300mMのスクロースまたはトレハロースを含む最後の2つの再構成された凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物の粘弾性特性、およびコントロールのものを研究した。図2A~Cに示すように、凍結乾燥前のG’は、生体分子を含むNFCヒドロゲル組成物および生体分子を含まないNFCヒドロゲル組成物の間で等しく、それらはG”を上回っていた。図2Aに示すように、凍結乾燥および再構成の後、コントロールのモジュラスは互いに交差し、凍結乾燥前のものとは有意に異なった。図2Bに示すように、300mMのスクロースを含む再構成された凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物は、凍結乾燥前のものと等しいG’モジュラスを有した。図2Cに示すように、300mMのトレハロースを含む再構成された凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物のG’は、凍結乾燥プロセス前の同じ組成物と比較して、わずかに減少した。 The viscoelastic properties of the last two reconstituted lyophilized NFC hydrogel compositions containing 300 mM sucrose or trehalose and that of the control were studied. As shown in FIGS. 2A-C, G′ before freeze-drying was equal between NFC-hydrogel compositions with and without biomolecules, which exceeded G″. After lyophilization and reconstitution, the moduli of the controls crossed each other and were significantly different from those before lyophilization, as shown in Fig. 2B. The lyophilized NFC hydrogel composition had a G' modulus equal to that before lyophilization As shown in Figure 2C, the G' of the reconstituted lyophilized NFC hydrogel composition containing 300 mM trehalose was Slightly reduced compared to the same composition before the drying process.

残りの組成物が正しく凍結乾燥されたことを確保するために、凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物中の残留水分の質量パーセントを測定した。コントロールを除いて、全ての組成物は3%(w/w)未満の残留水を含有していた。 The weight percent residual water in the lyophilized NFC hydrogel composition was measured to ensure that the rest of the composition was lyophilized correctly. Except for the control, all compositions contained less than 3% (w/w) residual water.

凍結乾燥されたものの水の割合をより詳細に説明するために、残留水分のモル分率を計算した。結果を表1に示す。NFCの分子量を、計算ではグルコースモノマーの分子量であると見なし、水のモル分率は、凍結乾燥前の全てのNFCヒドロゲル組成物において99%を超えると、理論的に計算した。凍結乾燥後、凍結乾燥コントロール中の残留水分のモル分率は約35%であると測定された。全ての凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物は、残留水分のモル分率が30%未満であることを示した。 To better describe the water percentage of the lyophilized material, the residual moisture mole fraction was calculated. Table 1 shows the results. The molecular weight of the NFC was taken to be that of the glucose monomers in the calculation, and the water mole fraction was theoretically calculated to be greater than 99% in all pre-lyophilized NFC hydrogel compositions. After lyophilization, the residual moisture mole fraction in the lyophilized control was determined to be approximately 35%. All freeze-dried NFC hydrogel compositions showed residual moisture mole fractions of less than 30%.

Figure 2022171601000001
Figure 2022171601000001

結果から分かるように、生体分子の量は、残留水分および残留水のモル分率に影響を与える。従って、再構成し得る凍結乾燥ヒドロゲルを得るために、その凍結乾燥前に、異なる生体分子および生体分子量をヒドロゲルに添加することによって、残留水分を最適化することが可能である。 As can be seen from the results, the amount of biomolecules affects the residual moisture and the molar fraction of residual water. Therefore, it is possible to optimize the residual water content by adding different biomolecules and biomolecular weights to the hydrogel prior to its freeze-drying in order to obtain a reconstitutable lyophilized hydrogel.

これらの結果に基づいて、NFCヒドロゲルを含むヒドロゲルの凍結乾燥は、生体分子として300mMのスクロースを含むNFCヒドロゲル組成物で特に上首尾であった。NFCヒドロゲルと共に、唯一の凍結保護化合物としてスクロースを有することは、他の研究された生体分子と比較して多くの利点がある。例えば、グリシンを含むNFCヒドロゲル組成物と比較して、一次乾燥温度を-50℃から-42℃に上昇させることができた。さらに、スクロースを含むNFCヒドロゲル組成物の、多孔質で組織化された形態、並びに等浸透圧溶液(iso-osmotic solution)、pH中性環境、および非毒性などの物理化学的特性は、異なる用途のために有益である。 Based on these results, lyophilization of hydrogels containing NFC hydrogels was particularly successful with NFC hydrogel compositions containing 300 mM sucrose as the biomolecule. Having sucrose as the sole cryoprotectant compound with NFC hydrogels has many advantages compared to other studied biomolecules. For example, the primary drying temperature could be increased from -50°C to -42°C compared to NFC hydrogel compositions containing glycine. Furthermore, the porous and organized morphology and the physico-chemical properties such as iso-osmotic solution, pH-neutral environment, and non-toxicity of NFC hydrogel compositions containing sucrose are useful for different applications. useful for

実施例2 細胞培養のためのNFC組成物の調製
凍結乾燥ヒドロゲルを、300mMのスクロースおよび1.5%のナノフィブリルセルロース(NFC)を使用して調製した。スクロースをNFCヒドロゲル中に混合し、サンプルを低接着性の96ウェルプレート上で凍結乾燥した(LyoStar II、SP Scientific)。
Example 2 Preparation of NFC Compositions for Cell Culture Lyophilized hydrogels were prepared using 300 mM sucrose and 1.5% nanofibril cellulose (NFC). Sucrose was mixed into NFC hydrogels and samples were lyophilized on low-adhesion 96-well plates (LyoStar II, SP Scientific).

ナノフィブリルセルロースは、フィンランドの UPM, Kymmene により提供された、繊維含有量が1.5%(m/v)である天然NFCヒドロゲルであり(GrowDex(商標))、スクロースはUSAの Sigma Aldrich から購入した。 Nanofibrillar cellulose was a natural NFC hydrogel (GrowDex™) with a fiber content of 1.5% (m/v) provided by UPM, Kymmene, Finland, and sucrose was purchased from Sigma Aldrich, USA. did.

凍結乾燥サイクルは以下の通りであった。-47℃の温度に達するまで温度を1℃/minで下げることによって、凍結を行った。凍結をATMで3時間続けた。一次乾燥は、-42℃の温度および50mTorr(6.67Pa)の圧力で94時間行った。二次乾燥中、温度を徐々に上昇させ、1℃/minで温度を-42℃から20℃に上昇させることによって行った。圧力は50mTorr(6.67Pa)であり、二次乾燥を1.5時間続けた。
凍結乾燥ヒドロゲルを、包装し、空気の湿気から密封し、室温で数ヶ月間貯蔵した。
The lyophilization cycle was as follows. Freezing was performed by decreasing the temperature at 1°C/min until a temperature of -47°C was reached. Freezing was continued in the ATM for 3 hours. Primary drying was performed at a temperature of −42° C. and a pressure of 50 mTorr (6.67 Pa) for 94 hours. During the secondary drying, the temperature was increased gradually by increasing the temperature from -42°C to 20°C at 1°C/min. The pressure was 50 mTorr (6.67 Pa) and secondary drying was continued for 1.5 hours.
The lyophilized hydrogels were packaged, sealed from atmospheric moisture and stored at room temperature for several months.

実施例3 凍結乾燥および再構成されたNFCヒドロゲル中での3D細胞スフェロイドの培養
実施例2の凍結乾燥および再構成されたNFCヒドロゲルの3D細胞培養への適性を研究した。研究した細胞は、肝細胞癌細胞株(HepG2)、前立腺癌細胞株(PC3)、およびヒト脂肪/間質細胞(hASC)であった。
Example 3 Culture of 3D Cell Spheroids in Lyophilized and Reconstituted NFC Hydrogels The suitability of the lyophilized and reconstituted NFC hydrogels of Example 2 for 3D cell culture was studied. The cells studied were a hepatocellular carcinoma cell line (HepG2), a prostate cancer cell line (PC3), and human adipose/stromal cells (hASC).

凍結乾燥した1.5%のNFCヒドロゲルサンプルを、異なるNFC濃度に直接再構成した。サンプルを、MQ水、NaCl、細胞培地および/または細胞の混合物で再構成した。Phを、生理学的範囲内であるように制御した。細胞培地は、ウシ胎児血清を含む重炭酸塩で緩衝された栄養素混合物であった。MQ水のみで再構成された、再構成凍結乾燥ヒドロゲルの場合、使用した体積は、凍結乾燥で失われた水の体積であった。MQ水および細胞培地の混合物の場合、MQ水の量は、凍結乾燥で失われた水の体積であり、細胞培地の場合、希釈に必要な量であった。 Lyophilized 1.5% NFC hydrogel samples were directly reconstituted to different NFC concentrations. Samples were reconstituted with a mixture of MQ water, NaCl, cell culture medium and/or cells. Ph was controlled to be within the physiological range. The cell culture medium was a bicarbonate buffered nutrient mixture containing fetal bovine serum. For reconstituted lyophilized hydrogels reconstituted with MQ water only, the volume used was the volume of water lost during lyophilization. For mixtures of MQ water and cell culture medium, the amount of MQ water was the volume of water lost during lyophilization, and for cell culture medium, the amount required for dilution.

MQ水、細胞培地および細胞を含む再構成されたヒドロゲルのNFCヒドロゲル濃度を、選択された細胞型に最適なヒドロゲル剛性に調整した。使用した濃度は、HepG2、PC3、およびhASC細胞に対して、それぞれ0.8%、1.0%、および0.125%であった。再構成された組成物の貯蔵弾性率(G’)および損失弾性率(G”)を、Viscotester(Thermo Scientific)で測定し、生のヒドロゲルのものと比較した。モル浸透圧濃度を、Osmomat 3000(Gonotec)で測定し、再構成培地の組成を変更することによって、細胞培養(280~320mOsmol/kg)に適したものに最適化した。再構成されたNFCヒドロゲル組成物のモル浸透圧濃度、pH、貯蔵弾性率および損失弾性率は、凍結乾燥および再構成の後も変化しないままであると結論付けられた。凍結乾燥後の異なる天然NFC濃度への天然NFCの再構成は、天然NFCの開始濃度とは無関係に可能であった。 The NFC hydrogel concentration of reconstituted hydrogels containing MQ water, cell media and cells was adjusted to the optimal hydrogel stiffness for the selected cell type. The concentrations used were 0.8%, 1.0% and 0.125% for HepG2, PC3 and hASC cells respectively. The storage modulus (G′) and loss modulus (G″) of the reconstituted compositions were measured with a Viscotester (Thermo Scientific) and compared to those of the pristine hydrogels. (Gonotec) and optimized for cell culture (280-320 mOsmol/kg) by changing the composition of the reconstitution medium.The osmolarity of the reconstituted NFC hydrogel composition, It was concluded that the pH, storage modulus and loss modulus remained unchanged after freeze-drying and reconstitution.Reconstitution of native NFC to different native NFC concentrations after freeze-drying was associated with natural NFC This was possible regardless of the starting concentration.

再構成されたNFCヒドロゲル、培地、および細胞を、ピペッティングによって混合し、ヒドロゲル-細胞-懸濁液の上部にリザーバー培地を添加した。3D細胞スフェロイドを、(Bhattacharya et al., “Nanofibrillar cellulose hydrogel promotes three-dimensional liver cell culture”, Journal of controlled release:official journal of the Controlled Release Society. 164 (2012) 291-8 に記載されているような)以前に確立されたプロトコルで、37℃でCOで培養し、同じプロトコルを、再構成されたヒドロゲル、およびコントロールとして使用した非凍結乾燥ヒドロゲルの両方に使用した。細胞スフェロイドの生存率を7日間、即ち、1、3、5、7日目に alamarBlue 細胞生存率アッセイで調べた。細胞スフェロイドのサイズを、7日間の研究期間にわたって顕微鏡で評価した。生存率テストの結果を、HepG2細胞スフェロイドについては図3Aに、PC3細胞スフェロイドについては図3Bに示す。左の列は凍結乾燥NFCの結果を示し、右の列はコントロールである。 The reconstituted NFC hydrogel, medium, and cells were mixed by pipetting and reservoir medium was added on top of the hydrogel-cell-suspension. 3D cell spheroids were prepared as described in Bhattacharya et al., “Nanofibrillar cellulose hydrogel promotes three-dimensional liver cell culture”, Journal of controlled release: official journal of the Controlled Release Society. 164 (2012) 291-8. a) Incubated at 37° C. in CO 2 with a previously established protocol, the same protocol was used for both the reconstituted hydrogels and the non-lyophilized hydrogels used as controls. Viability of cell spheroids was examined by alamarBlue cell viability assay at 7 days, ie 1, 3, 5, 7 days. Cell spheroid size was assessed microscopically over the 7-day study period. Viability test results are shown in FIG. 3A for HepG2 cell spheroids and in FIG. 3B for PC3 cell spheroids. The left column shows the lyophilized NFC results and the right column is the control.

試験は、凍結乾燥ヒドロゲルが異なる濃度で再構成できること、および再構成された凍結乾燥ヒドロゲルが、生の非凍結乾燥ヒドロゲルと同様に、細胞培養に適していることを示した。HepG2細胞およびPC3細胞の両方が、凍結乾燥および再構成された天然NFCヒドロゲルで7日間、首尾よく培養された。 Studies have shown that lyophilized hydrogels can be reconstituted at different concentrations, and that reconstituted lyophilized hydrogels, like raw, non-lyophilized hydrogels, are suitable for cell culture. Both HepG2 and PC3 cells were successfully cultured on lyophilized and reconstituted native NFC hydrogels for 7 days.

実施例4 分子動力学シミュレーション
水、賦形剤、およびNFC間の相互作用を、分子動力学(MD)シミュレーションで研究した。MDシミュレーションを、システムの動的挙動を研究し、特定メカニズムの洞察を得るために実行した。
Example 4 Molecular Dynamics Simulations Interactions between water, excipients, and NFC were studied with molecular dynamics (MD) simulations. MD simulations were performed to study the dynamic behavior of the system and gain insight into specific mechanisms.

3つの面状シミュレーションシステム(plane-like simulation system)が開発された:1つは疎水性表面を有し、および1つは親水性表面を有する、結合自由エネルギーを決定するための結晶形態のセルロース、並びに水の浸透に対する生体分子の影響を決定するためのアモルファス形態のセルロース。 Three plane-like simulation systems were developed: one with a hydrophobic surface and one with a hydrophilic surface, crystalline forms of cellulose to determine the binding free energy. , as well as amorphous forms of cellulose to determine the effect of biomolecules on water permeation.

平衡化された水のシステムに、水分子の数による濃度で水相のランダムな位置に賦形剤を添加した。そうして、次の濃度の生体分子を含む各システムから3つの新しいシステムが生成された:300mMのトレハロース、333mMのグリシンを伴う150mMのトレハロース、および300mMのショ糖。追加のシミュレーションシステムは、次の濃度の生体分子を伴う、異なる単糖および二糖に対して生成された:300mMのフルクトース、グルコース、ラクトース、スクロース(ショ糖)、トレハロースおよびキシリトール、75mMのグリシンと組み合わせた225mMの各糖類、並びに100mMのグリシンと組み合わせた200mMの各糖類。 To equilibrated water systems, excipients were added at random locations in the water phase at concentrations according to the number of water molecules. Three new systems were then generated from each system containing the following concentrations of biomolecules: 300 mM trehalose, 150 mM trehalose with 333 mM glycine, and 300 mM sucrose. Additional simulation systems were generated for different mono- and disaccharides with the following concentrations of biomolecules: 300 mM fructose, glucose, lactose, sucrose, trehalose and xylitol, 75 mM glycine and 225 mM of each saccharide combined and 200 mM of each saccharide combined with 100 mM glycine.

3つの特性が特に興味深かった:賦形剤およびセルロース層の間の自由エネルギーの差、アモルファスシステム中への水の浸透、並びに可視化中に気づいた結晶システム中での糖の鎖剥離効果。自由エネルギーの差を、賦形剤の部分密度からgmx密度を介して平均力のポテンシャルを生成することによって決定した。セルロース面のより安定な側を使用して、自由エネルギーの差を定量化した。水の浸透は、gmx選択(gmx select)を使用して、セルロースの質量の中心によって形成されるx軸およびy軸に沿った面から1nm以内の水分子の平均数で計算した。炭素分子を使用してそれを6で割ることを除いて、同じ領域内のグルコースの平均数を同じ方法で決定した。最後にgmx rmsを、両方の結晶セルロース層の上面および底面上の8つの鎖に対して使用して、それらの個々の鎖のRMSDを決定し、これは、時間の関数としての鎖の剥離に関する計量を与えた。 Three properties were of particular interest: the free energy difference between the excipient and the cellulose layer, the penetration of water into the amorphous system, and the chain-exfoliation effect of sugar in the crystalline system that was noticed during visualization. Free energy differences were determined by generating a mean force potential from the partial densities of the excipients through the gmx density. The more stable side of the cellulose plane was used to quantify the free energy difference. Water penetration was calculated using gmx select as the average number of water molecules within 1 nm of the plane along the x and y axes formed by the center of mass of the cellulose. The average number of glucose in the same region was determined in the same way, except using the carbon molecule and dividing it by 6. Finally gmx rms was used for the 8 strands on the top and bottom of both microcrystalline cellulose layers to determine the RMSD of their individual strands, which relates strand detachment as a function of time. gave the measurements.

NFC表面への賦形剤の結合の結果は、異なるセルロース面間で一貫していた。異なる単糖および二糖を用いた追加のシミュレーションの結果は、全ての糖類分子がNFC-水界面に集中することを好むことを示す。しかし、結合強度はシステム間で異なる。図4で見られるように、ショ糖およびラクトースで最も高い結合自由エネルギーが記録された。フルクトース、グルコース、およびキシリトールの場合、低い表面相互作用が見られた。全ての糖類の左の列は300mMの糖類の結果を示し、中央の列は75mMのグリシンと組み合わせた225mMの各糖類の結果を示し、右の列は100mMのグリシンと組み合わせた200mMの各糖類の結果を示す。 The binding results of excipients to NFC surfaces were consistent between different cellulose surfaces. Additional simulation results with different mono- and disaccharides show that all sugar molecules prefer to concentrate at the NFC-water interface. However, the coupling strength differs between systems. As seen in Figure 4, the highest binding free energies were recorded for sucrose and lactose. Low surface interactions were found for fructose, glucose, and xylitol. All saccharides left column shows results for 300 mM saccharide, middle column shows results for 225 mM each saccharide combined with 75 mM glycine, right column shows results for 200 mM each saccharide combined with 100 mM glycine. Show the results.

グリシンはNFC表面に対して引力を有さないことが示された。300mMの濃度システムでは、スクロースはトレハロースよりもセルロース面への高い引力を有することが証明された。疎水性セルロース面では、自由エネルギー間の差は0.54kJ/molであった。同様に、半分の濃度のトレハロースおよび333mMのグリシンを含むシステムでは、トレハロースの引力が、わずかだが有意に増加し、自由エネルギー間の差は0.56kJ/molであった。親水性面とのそれぞれの差は、0.38kJ/molおよび0.20kJ/molであった。300mMのスクロース、および100mMのグリシン、ロイシン、トリプトファンまたはグルタミンの1つと一緒の200nMのスクロースを比較する追加試験は、一般にアミノ酸が、セルロースへのスクロースの引力を改善することを示した。トリプトファンおよびグルタミンの両方がセルロース面に浸透したが、グルタミンは引力を示さなかった。トリプトファンは、ショ糖よりも有意に高い引力を示した。また、糖-セルロースの水素結合は、アミノ酸(グリシンを除く)を添加すると増加するようである。 Glycine was shown to have no attraction to the NFC surface. In the 300 mM concentration system, sucrose proved to have a higher attraction to cellulose surfaces than trehalose. For the hydrophobic cellulose surface, the difference between the free energies was 0.54 kJ/mol. Similarly, in a system containing half the concentration of trehalose and 333 mM glycine, the attractive force of trehalose increased slightly but significantly, with a difference between the free energies of 0.56 kJ/mol. The respective differences from the hydrophilic surface were 0.38 kJ/mol and 0.20 kJ/mol. Additional studies comparing 300 mM sucrose and 200 nM sucrose with 100 mM of one of glycine, leucine, tryptophan or glutamine showed that amino acids in general improved the attraction of sucrose to cellulose. Both tryptophan and glutamine penetrated the cellulose surface, but glutamine showed no attraction. Tryptophan showed a significantly higher attractive force than sucrose. Also, sugar-cellulose hydrogen bonding appears to increase with the addition of amino acids (except glycine).

生体分子は、残留水分に対して異なる効果を有した。図5に示すように、水分子は、それらの引力にもかかわらず、糖とは異なり、アモルファスセルロース面に容易に浸透した。賦形剤を含まない場合、平均263(±13SD)個の水分子がアモルファスセルロースの2nmスライス内に存在した。添加されたショ糖を含む場合、水の浸透は、274(±15SD)個に増加した。しかし、追加されたトレハロースは、効果を有さなかった(262±16SD個)。グリシンを伴う削減した量のトレハロースは、水の浸透をわずかに267(±12SD)個に上昇させた。同じ領域内のグルコース分子の平均数を決定することによって、水:グルコースの次の比率が得られた:純水で1.385、300mMのショ糖で1.424、300mMのトレハロースで1.378、および333mMのグリシンを伴う150mMのトレハロースで1.400。これは、ナノセルロースシステムに対する生体分子の異なる引力によって説明し得る;生体分子のアモルファスNFCへの引力が高いほど、システム内を通過する水が多くなった。この理由は、水分子がアモルファスNFCの内部にアクセスするためのより多くの空間を、よりきつい引力が与えることであろう。例えばトレハロースよりもスクロースを含むアモルファスNFC内により多く浸透する水の能力は、凍結乾燥NFCヒドロゲル組成物の再構成において有利であり得る。 Biomolecules had different effects on residual moisture. As shown in Figure 5, water molecules readily penetrated the amorphous cellulose surface, unlike sugar, despite their attractive force. In the absence of excipients, an average of 263 (±13 SD) water molecules were present within a 2 nm slice of amorphous cellulose. With added sucrose, water penetration increased to 274 (±15 SD). However, added trehalose had no effect (262±16 SD). A reduced amount of trehalose with glycine increased water permeation slightly to 267 (±12 SD). By determining the average number of glucose molecules in the same region, the following water:glucose ratios were obtained: 1.385 for pure water, 1.424 for 300 mM sucrose, 1.378 for 300 mM trehalose. , and 1.400 at 150 mM trehalose with 333 mM glycine. This could be explained by the different attractive forces of the biomolecules on the nanocellulose system; the higher the attractive force of the biomolecules on the amorphous NFC, the more water passed through the system. The reason for this may be that the tighter attractive force gives more space for water molecules to access the interior of the amorphous NFC. For example, the ability of water to penetrate more into amorphous NFC with sucrose than with trehalose can be advantageous in reconstituting lyophilized NFC hydrogel compositions.

可視化中に、結晶システムにおける鎖剥離効果が発見された。セルロース鎖は周期的なイメージ間でつながっていないため、接合部の鎖の端は自由に水中に移動できる。この効果は、純水システムでは有意ではなかった。しかし、添加された糖、特にトレハロースは、これらの鎖の端をさらに水相に剥離することができた。さらに、結晶構造から鎖を引き離した後、糖は、形成された裂け目に移動することができ、鎖が戻ることを防いだ。この効果を定量化するために、表面鎖の平均二乗偏差(root mean square deviation)(RMSD)を時間の関数として決定した。鎖の端が、構造化された結晶構造から無秩序な水相に引っ張られるにつれて、そのRMSDは増加する。疎水性システムでは、結晶構造から引き離される鎖のカットオフは~0.15nmであり、親水性システムでは~0.35nmであった。親水性面の表面鎖は、それらの親水性のために、より動きやすい。結果は、トレハロースおよびスクロース分子が、賦形剤を含まないシステムと比べて、NFC表面での鎖の剥離を促進できることを示す。 During visualization, a chain-peeling effect in the crystalline system was discovered. The cellulose chains are not connected between the periodic images, so the chain ends at the junction are free to move in the water. This effect was not significant in pure water systems. However, added sugars, especially trehalose, were able to exfoliate these chain ends further into the aqueous phase. Furthermore, after pulling the chain away from the crystal structure, the sugar was able to migrate into the cleft that had formed, preventing the chain from returning. To quantify this effect, the root mean square deviation (RMSD) of the surface chains was determined as a function of time. As the chain ends are pulled from the structured crystal structure into the disordered aqueous phase, their RMSD increases. For the hydrophobic system, the cutoff for strands pulling away from the crystal structure was ˜0.15 nm and for the hydrophilic system ˜0.35 nm. Surface chains on hydrophilic surfaces are more mobile due to their hydrophilicity. The results show that trehalose and sucrose molecules can promote chain detachment on the NFC surface compared to excipient-free systems.

倍率を上げると、凍結乾燥コントロールのSEM画像から約15nmの幅の繊維構造が際立っていた。個々の繊維リボンは、スクロースまたはトレハロースを含む凍結乾燥組成物からも観察できた。図6は、賦形剤を含まない、300mMのスクロースおよび300mMのトレハロースを含む、凍結乾燥NFC組成物のSEM画像、並びに同じ組成物の拡大画像を示す。矢印は、組成物で観察された個々の繊維リボンの例を示す。これは、結晶性NFCのシミュレーションで証明されているように、これらの生体分子の、鎖を剥がす能力によって引き起こされ得る。 At higher magnification, fibrous structures about 15 nm wide stood out from the SEM image of the freeze-dried control. Individual fiber ribbons were also observable from freeze-dried compositions containing sucrose or trehalose. FIG. 6 shows an SEM image of a lyophilized NFC composition containing 300 mM sucrose and 300 mM trehalose without excipients and a magnified image of the same composition. Arrows indicate examples of individual fiber ribbons observed in the composition. This can be caused by the ability of these biomolecules to unchain, as demonstrated in crystalline NFC simulations.

本シミュレーション結果に照らして、トレハロースおよびスクロース分子がNFC表面と相互作用し、表面鎖の剥離を促進することによってNFCの構造を変化させ得ることは明らかであり、これは、FD後のNFCの形態における実験的に記録された違いを部分的に説明する。グリシンはNFC表面に対する引力を有さないが、シミュレーションは、NFC表面の結合トレハロースに対するグリシンの効果を強調した。即ち、グリシンおよびトレハロースのハイブリッドシステムでは、NFC表面へのトレハロースの結合はわずかにより強く、グリシンの無いスクロースと比べたとき、同じ結合自由エネルギー値に達した。さらに、シミュレーション結果は、グリシンを含む結晶性および疎水性のNFC表面で、NFCの鎖剥離が起こらなかったことを示唆し、これは、凍結乾燥の前後の水性環境におけるNFCマトリックスの、より保持された安定性および構造をもたらし得る。 In light of the present simulation results, it is clear that trehalose and sucrose molecules can interact with the NFC surface and change the structure of NFC by promoting surface chain exfoliation, which suggests that the morphology of NFC after FD This partly explains the experimentally documented differences in . Although glycine has no attraction to the NFC surface, the simulation emphasized the effect of glycine on bound trehalose on the NFC surface. Thus, in the glycine and trehalose hybrid system, the binding of trehalose to the NFC surface was slightly stronger, reaching the same binding free energy value when compared to sucrose without glycine. Furthermore, the simulation results suggested that on crystalline and hydrophobic NFC surfaces containing glycine, no chain detachment of NFC occurred, suggesting that the NFC matrix in the aqueous environment before and after freeze-drying was more retained. can provide enhanced stability and structure.

Claims (21)

ナノスケールセルロースを含むヒドロゲルの凍結乾燥を制御する方法であって、当該方法が、凍結乾燥ヒドロゲルの残留水分を調整することを含むことを特徴とする、方法。 A method of controlling freeze-drying of a hydrogel containing nanoscale cellulose, the method comprising adjusting the residual moisture content of the freeze-dried hydrogel. 凍結乾燥が、凍結工程、一次乾燥および二次乾燥を含み、並びに残留水分が、二次乾燥中に放出されない、凍結乾燥ヒドロゲル中に残っている水であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。 Claim 1, characterized in that the freeze-drying comprises a freezing step, primary drying and secondary drying, and the residual water is water remaining in the freeze-dried hydrogel that is not released during the secondary drying. described method. ナノスケールセルロースが、ナノフィブリルセルロースおよび/またはナノ結晶から、好ましくは天然ナノフィブリルセルロースおよび/またはナノ結晶から選択され、より好ましくはナノスケールセルロースが、ナノフィブリルセルロース、最も好ましくは天然ナノフィブリルセルロースであることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。 The nanoscale cellulose is selected from nanofibril cellulose and/or nanocrystals, preferably natural nanofibril cellulose and/or nanocrystals, more preferably the nanoscale cellulose is nanofibril cellulose, most preferably natural nanofibril cellulose. 3. A method according to claim 1 or 2, characterized in that 当該方法が、以下の工程
a)ナノスケールセルロースを含むヒドロゲルを提供する工程;
b)オリゴ糖または二糖から選択される少なくとも1つの生体分子を提供する工程;
c)工程a)のヒドロゲルを工程b)の生体分子と混合して混合物を得る工程;および
d)工程c)の混合物を凍結乾燥して、ナノスケールセルロースを含む凍結乾燥ヒドロゲルを得る工程
を含むことを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
The method comprises the steps of: a) providing a hydrogel comprising nanoscale cellulose;
b) providing at least one biomolecule selected from oligosaccharides or disaccharides;
c) mixing the hydrogel of step a) with the biomolecule of step b) to obtain a mixture; and d) lyophilizing the mixture of step c) to obtain a lyophilized hydrogel comprising nanoscale cellulose. A method according to any preceding claim, characterized in that
生体分子が、二糖、より好ましくは非還元二糖またはラクトース、最も好ましくはラクトース、トレハロースまたはスクロースであることを特徴とする、請求項4に記載の方法。 5. Process according to claim 4, characterized in that the biomolecule is a disaccharide, more preferably a non-reducing disaccharide or lactose, most preferably lactose, trehalose or sucrose. 生体分子の量が、混合物の全濃度の100mM~700mM、好ましくは150mM~500mM、より好ましくは150mM~300mMであることを特徴とする、請求項4~5のいずれかに記載の方法。 Method according to any of claims 4-5, characterized in that the amount of biomolecule is between 100mM and 700mM, preferably between 150mM and 500mM, more preferably between 150mM and 300mM of the total concentration of the mixture. 凍結乾燥ヒドロゲル組成物の残留水分が、0.2%(w/w)~2%(w/w)未満、好ましくは0.2%~1.9%、より好ましくは0.3%~1.6%、最も好ましくは0.5%~1.3%であることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。 The residual water content of the lyophilized hydrogel composition is between 0.2% (w/w) and less than 2% (w/w), preferably between 0.2% and 1.9%, more preferably between 0.3% and 1 6%, most preferably between 0.5% and 1.3%. 凍結乾燥ヒドロゲル組成物であって、当該凍結乾燥ヒドロゲル組成物が、ナノスケールセルロース、並びにオリゴ糖および二糖から選択される生体分子を含み、並びに当該凍結乾燥ヒドロゲル組成物の残留水分が、0.2%(w/w)~2%(w/w)未満、好ましくは0.2%~1.9%、より好ましくは0.3%~1.6%、最も好ましくは0.5%~1.3%であることを特徴とする、凍結乾燥ヒドロゲル組成物。 A lyophilized hydrogel composition, wherein the lyophilized hydrogel composition comprises nanoscale cellulose and a biomolecule selected from oligosaccharides and disaccharides, and wherein the residual water content of the lyophilized hydrogel composition is 0.5. 2% (w/w) to less than 2% (w/w), preferably 0.2% to 1.9%, more preferably 0.3% to 1.6%, most preferably 0.5% to A lyophilized hydrogel composition, characterized in that it is 1.3%. 当該凍結乾燥ヒドロゲル組成物が、個々の繊維リボンを含むことを特徴とする、請求項8の凍結乾燥ヒドロゲル組成物。 9. The freeze-dried hydrogel composition of claim 8, wherein said freeze-dried hydrogel composition comprises individual fiber ribbons. 当該組成物が、支持体、好ましくはバッグ、ボトル、カラム、注射器またはウェルプレート上で、より好ましくはガラスバイアル、48ウェルプレート、96ウェルプレート、384ウェルプレートまたは1536ウェルプレート上で凍結乾燥されていることを特徴とする、請求項8~9のいずれかの凍結乾燥ヒドロゲル組成物。 The composition is lyophilized on a support, preferably a bag, bottle, column, syringe or well plate, more preferably on a glass vial, 48 well plate, 96 well plate, 384 well plate or 1536 well plate. Freeze-dried hydrogel composition according to any of claims 8-9, characterized in that 残留水のモル分率が、当該凍結乾燥ヒドロゲル組成物の5%~25%、好ましくは6%~20%、より好ましくは9%~15%であることを特徴とする、請求項8~10のいずれかの凍結乾燥ヒドロゲル組成物。 Claims 8-10, characterized in that the molar fraction of residual water is between 5% and 25%, preferably between 6% and 20%, more preferably between 9% and 15% of the freeze-dried hydrogel composition. The lyophilized hydrogel composition of any of 生体分子のモル分率が、当該凍結乾燥ヒドロゲル組成物の50%~90%、好ましくは55%~85%、より好ましくは60%~80%であることを特徴とする、請求項8~11のいずれか一項の凍結乾燥ヒドロゲル組成物。 Claims 8-11, characterized in that the mole fraction of biomolecules is between 50% and 90%, preferably between 55% and 85%, more preferably between 60% and 80% of the freeze-dried hydrogel composition. The lyophilized hydrogel composition of any one of Claims. ナノスケールセルロースのモル分率が、当該凍結乾燥ヒドロゲル組成物の3~40%、好ましくは10%~35%、より好ましくは15%~30%であり、好ましくはナノスケールセルロースが、ナノフィブリルセルロースであることを特徴とする、請求項8~12のいずれかの凍結乾燥ヒドロゲル組成物。 The mole fraction of nanoscale cellulose is 3-40%, preferably 10%-35%, more preferably 15%-30% of the freeze-dried hydrogel composition, preferably nanoscale cellulose is nanofibril cellulose The freeze-dried hydrogel composition according to any one of claims 8 to 12, characterized in that it is 請求項1~7のいずれかの方法によって得ることができる凍結乾燥ヒドロゲル組成物。 A freeze-dried hydrogel composition obtainable by the method of any of claims 1-7. 細胞培養のための;ヒドロゲルマイクロビーズを製造するための;水和シートまたは膜を製造するための;事前に充填されたマイクロチップを製造するための;または医薬品有効成分との混合物中の分散剤としての、請求項8~13のいずれかの凍結乾燥ヒドロゲル組成物の使用。 for cell culture; for producing hydrogel microbeads; for producing hydrated sheets or membranes; for producing prefilled microchips; or dispersing agents in mixtures with active pharmaceutical ingredients Use of the lyophilized hydrogel composition of any of claims 8-13 as a 凍結乾燥ヒドロゲルが、水;水および細胞培地;細胞培地;細胞培地および細胞;または水、細胞培地および細胞で再構成されることを特徴とする請求項15に記載の使用。 16. Use according to claim 15, characterized in that the freeze-dried hydrogel is reconstituted with water; water and cell culture medium; cell culture medium; cell culture medium and cells; or water, cell culture medium and cells. 細胞が、原核細胞または真核細胞、好ましくは分化または未分化の真核細胞、より好ましくは全能の、多能性の、多分化能の、オリゴ能性の、または単能性の幹細胞であることを特徴とする、請求項15~16のいずれかに記載の使用。 The cell is a prokaryotic or eukaryotic cell, preferably a differentiated or undifferentiated eukaryotic cell, more preferably a totipotent, pluripotent, multipotent, oligopotent or unipotent stem cell Use according to any of claims 15-16, characterized in that 請求項8~13のいずれかの再構成された凍結乾燥ヒドロゲル組成物を含むことを特徴とする、細胞培養の足場。 A scaffold for cell culture, characterized in that it comprises a reconstituted lyophilized hydrogel composition according to any of claims 8-13. 再構成されたヒドロゲルを製造する方法であって、当該方法が、以下の工程
a)請求項8~13のいずれかに記載の凍結乾燥ヒドロゲル組成物を提供する工程;
b)水、細胞培地またはそれらの混合物を含む再構成培地を凍結乾燥ヒドロゲル組成物に添加して再構成されたヒドロゲルを得ることによって、再構成されたヒドロゲルを得る工程
を含むことを特徴とする、方法。
A method of manufacturing a reconstituted hydrogel, said method comprising the steps of a) providing a lyophilized hydrogel composition according to any of claims 8-13;
b) obtaining a reconstituted hydrogel by adding a reconstitution medium comprising water, cell culture medium or a mixture thereof to the lyophilized hydrogel composition to obtain a reconstituted hydrogel. ,Method.
再構成されたヒドロゲルが、細胞培養のために使用されることを特徴とする、請求項19に記載の方法。 20. Method according to claim 19, characterized in that the reconstituted hydrogel is used for cell culture. 細胞培地が、細胞を含むことを特徴とする、請求項19または20に記載の方法。 21. A method according to claim 19 or 20, characterized in that the cell culture medium contains cells.
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