JP3554282B2

JP3554282B2 - 医療用生分解性三元ブロック共重合体及びその製造方法

Info

Publication number: JP3554282B2
Application number: JP2001033281A
Authority: JP
Inventors: 泳夏金; 壽鉉金; 基東朴; 秀洪李
Original assignee: コリアインスティテュートオブサイエンスアンドテクノロジー
Priority date: 2000-02-14
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2021-02-09
Also published as: US6476156B1; JP2001261838A; US20020161134A1; KR20010081362A; KR100358027B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリエチレングリコール／ポリラクチド又はポリグリコリド又はポリカプロラクトン／ポリエチレングリコール三元ブロック共重合体及びその高収率製造方法に関する。更に詳しくは、本発明は両末端にヒドロキシ基を有するポリラクチド、ポリグリコリド又はポリカプロラクトンを合成した後、一方の末端に反応性が非常に大きいアシルハライド基を有するポリエチレングリコールとカップリングさせることにより得られる三元ブロック共重合体及びその製造方法に関する。
【０００２】
分解性高分子素材の応用分野中、最も活発に研究されている分野は、医学分野である。一般の医療用高分子が生体の一部を代替し、永久的に使用されているのに反し、生分解性高分子は生体の治癒に役立つ一時的な材料として使用され、その機能を果たした後、生体内で新陳代謝により消滅する。生分解性高分子のこのような特性は、怪我の治癒後、別途の除去手術を必要とせず、更に怪我が治癒するにつれて徐々に分解し、新たに生成された組織が充分な機能を有するのに役立つ。
【０００３】
生分解性高分子は生体内で適合性を有さなければならないため、ポリラクチド、ポリグリコリド、ポリカプロラクトン、ポリエチレングリコールなどの制限された素材のみが用いられている。ポリラクチドとポリエチレングリコールを用いた生分解性高分子は、主にブロック共重合体の形態で多く研究されてきた。このような高分子物質は、疎水性であるポリラクチドと、親水性であるポリエチレングリコールで構成され、溶液中でミセルの形態を有し、更に疎水性であるポリラクチドを親水化させることができるため、薬剤の除放性マトリックス及び組織工学などに使用される生体材料として広範囲に応用し得る。
【０００４】
【従来の技術】
ポリラクチドとポリエチレングリコールからなるブロック共重合体は、水中でヒドロゲルを形成し、温度とｐＨなどの変化によりゲル又はゾルの形態となり、薬剤の除放性マトリックスとして使用可能な挙動を示すことが報告されている（Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１９８，３３８５−３３９５（１９９７））。
【０００５】
しかし、このようなブロック共重合体は、概ねポリエチレングリコールによりラクチドを開環重合することにより生成される二元ブロック又は三元ブロックの形態であり、三元ブロックの場合、親水性であるポリエチレングリコールが半ばに位置し、疎水性であるポリラクチドが末端に位置したポリラクチド／ポリエチレングリコール／ポリラクチドの構造配列を有する共重合体が大部分である。このような構造配列を有するブロック共重合体に比較してみれば、ポリエチレングリコール／ポリラクチド／ポリエチレングリコールの構造配列を有する共重合体は、ヒドロゲルとして用いる場合、物理的な形態において、より堅いミセルを形成し得るというメリットがある。また、両末端に親水性であるポリエチレングリコールが存在することにより親水化効果が更に大きく、特に疎水性材料と親水性材料の相溶化及び疎水性材料の表面親水化に非常に優れた効果を奏すると予想される。
【０００６】
上記のような特長により、ポリエチレングリコール／ポリラクチド／ポリエチレングリコールの構造配列を有する三元ブロック共重合体を合成しようとする多くの努力がなされてきた。
【０００７】
このような三元ブロック共重合体を合成するため、合成された高分子の末端基をカップリングさせる方法が多く使用されており、この場合、高分子末端に位置した官能基が非常に高い反応性を有してこそカップリング反応が定量的に進行し、目的とする構造のブロック共重合体を製造することができる。
【０００８】
一般的に使用される方法は、ジエチルアゾジカルボキシレート（ＤＥＡＤ）、トリフェニルホスフィン（ＴＰＰ）、１，３−ジシクロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ）、又は４−ジメチルアミノピリジン（ＤＭＡＰ）などのカップリング剤を使用し、高分子末端に位置したヒドロキシ基とカルボキシル基を反応させることである。このような方法は、一般有機化合物のカップリングに多く用いられているが、高分子末端基のカップリング反応に用いる場合、反応性がそれほど高くないため、ブロック共重合体の収率が非常に低く、更に反応中に使用された触媒を除去することが容易でない。
【０００９】
一方、最近では反応性が非常に大きいジイソシアネート官能基を用いて高い反応率を得る方法が多く使用されている（Ｊ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．，ＰａｒｔＡ：ＰｏｌｙｍＣｈｅｍ，３７，７５１−７６０（１９９９））。しかし、このような方法で製造されたブロック共重合体には毒性が強いジイソシアネート官能基が残存する欠点がある。したがって、このようなブロック共重合体を製造する場合において、高い反応性を維持し、生成する共重合体が無毒性であるエステル構造のみに連結するように製造することが非常に重要である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、エステル構造を有する無毒性の生分解性三元ブロック共重合体、及び反応性の高い官能基を有する出発物質を使用し、上記生分解性三元ブロック共重合体を高収率で製造する方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、一方の末端に反応性が非常に大きいアシルハライド基を導入したポリエチレングリコールと、両末端にヒドロキシ基を有するポリラクチド（又はポリグリコリド又はポリカプロラクトン）をカップリングさせることにより、反応後、エステル構造を有する三元ブロック共重合体を高収率で製造できることを見出した。
【００１２】
したがって、本発明は、親水性／疎水性／親水性の構造配列を有するポリエチレングリコール／ポリラクチド（又はポリグリコリド又はポリカプロラクトン）／ポリエチレングリコール共重合体及びその製造方法に関する。
【００１３】
本発明による共重合体は、一方の末端に反応性が非常に大きいアシルハライド基を有するポリエチレングリコールと、両末端にヒドロキシ基を有するポリラクチド（又はポリグリコリド又はポリカプロラクトン）を、ピリジンの存在下でカップリングさせることにより製造することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、特に一般式（１）〜（４）：
【００１５】
ＰＥＧ−ＣＯＯ−ＰＬ−ＯＣＯ−ＰＥＧ（１）
ＰＥＧ−ＣＯＯ−ＰＧ−ＯＣＯ−ＰＥＧ（２）
ＰＥＧ−ＣＯＯ−（ＰＬ／ＰＧ）−ＯＣＯ−ＰＥＧ（３）
ＰＥＧ−ＣＯＯ−ＰＣＬ−ＯＣＯ−ＰＥＧ（４）
【００１６】
（上記式中、ＰＥＧは、ポリエチレングリコールであり、ＰＬは、ポリラクチドであり、ＰＧは、ポリグリコリドであり、そしてＰＣＬは、ポリカプロラクトンである）の共重合体からなる群から選択された生分解性三元ブロック共重合体を提供する。
【００１７】
本発明によれば、まず、両末端にヒドロキシ基を有するポリラクチドは、２価アルコールの存在下で、ラクチド単量体の開環反応により合成される。この開環重合反応は、オクタン酸スズ（ｓｔａｎｎｏｕｓｏｃｔｏａｔｅ）のような通常の触媒を使用し、加熱減圧下で行う。
【００１８】
【化１】

【００１９】
重合開始剤として、２価アルコールであるエチレングリコール、１，３−プロパンジオール、１，４−ブタンジオール、１，６−ヘキサンジオールのようなα，ω−アルキレンジオールを使用すれば、生成するポリラクチドは両末端にヒドロキシ基を有するポリラクチドを得ることができる。この際、開始剤と単量体の添加量により分子量を調節することができる。ポリグリコリドとポリカプロラクトンも同様な方法で製造することができる。
【００２０】
一方の末端がアシルハライド基であるポリエチレングリコールは、２段階反応により合成し得る。第１段階は、末端のヒドロキシ基をカルボキシル基で置換する過程であり、第２段階は、置換されたカルボキシル基をアシルハライド基で置換する過程である。
【００２１】
【化２】

【００２２】
まず、モノメトキシポリエチレングリコール（ｍ−ＰＥＧ）の一方の末端に位置したヒドロキシ基を、ＤＭＡＰ（４−ジメチルアミノピリジン）とトリエチルアミン（ＴＥＡ）の触媒下で、無水コハク酸と反応させ、末端にカルボキシル基を導入する。この際、反応に使用する溶媒がメチレンクロリドとクロロホルムである場合、反応は殆ど進行せず、１，４−ジオキサンである場合、反応は非常に容易に進行する。
【００２３】
一方の末端がカルボキシル基であるモノメトキシポリエチレングリコール（ｍ−ＰＥＧ−ＣＯＯＨ）は、チオニルクロリドと反応し、カルボキシル基を反応性の大きいアシルハライド基に転換する。この反応は、メチレンクロリド溶媒中、６０℃で３〜４時間行われる。このように合成した一方の末端がアシルハライド基であるモノメトキシポリエチレングリコール（ｍＰＥＧ−ＣＯＣｌ）は、高い反応性により非常に不安定であり、長期間保管すると、空気中の水分と反応して再びｍＰＥＧ−ＣＯＯＨに転換するため、反応後、直ちにカップリング反応に使用しなければならない。
【００２４】
一方の末端がアシルハライド基であるモノメトキシポリエチレングリコール（ｍＰＥＧ−ＣＯＣｌ）と上記で合成された両末端がヒドロキシ基であるポリラクチド（ＯＨ−ＰＬ−ＯＨ）をカップリング反応させ、ポリエチレングリコール／ポリラクチド／ポリエチレングリコール共重合体を製造する。
【００２５】
【化３】

【００２６】
反応時、溶媒でありながら触媒として機能する塩基性のピリジンを使用し、反応中に発生する塩化水素を除去し、反応を正反応側に誘導する。ピリジンを添加すると、発熱反応が起こるため、０℃でピリジンを少量づつ添加しながら反応させる。
【００２７】
このような方法で製造されたポリエチレングリコール／ポリラクチド／ポリエチレングリコール共重合体は、９０％以上の定量的な収率で得られ、ＦＴ−ＩＲ及び ^１Ｈ−ＮＭＲによりそれぞれの官能基の導入及び末端基でのカップリング反応を確認することができた。更に、^１Ｈ−ＮＭＲにより分析されたラクチドとエチレングリコール単量体の積分比により９０％以上の高い反応率を確認した。ＧＰＣ（ＧｅｌＰｅｒｍｅａｔｉｏｎＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）による分子量測定の結果から、製造された三元ブロック共重合体は、単一パターン（ｕｎｉｍｏｄａｌ）の分子量分布を表し、ポリラクチド及びポリエチレングリコールのそれぞれの分子量より大きく現れ、完全な三元ブロック共重合体構造が得られていることを確認した。
【００２８】
熱重量分析（ＴｈｅｒｍａｌＧｒａｖｉｍｅｔｒｉｃＡｎａｌｙｓｉｓ、ＴＧＡ）の結果、製造された三元ブロック共重合体は、ポリラクチドより高い熱分解温度を示した。一般的に、ポリラクチドの熱分解は、ヒドロキシ末端基による開ジッパーメカニズム（ｕｎｚｉｐｐｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ）により発生することが報告されており（Ｐｏｌｙｍｅｒ，２２２９−２２３４，２９，（１９８８））、三元ブロック共重合体は、ポリラクチド末端ヒドロキシ基がポリエチレングリコールで置換され、熱分解が抑制されたものと考えられる。示差走査熱分析（ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＳｃａｎｎｉｎｇＣａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ、ＤＳＣ）の結果、製造された三元ブロック共重合体はポリラクチドと比較し、結晶化温度と溶融温度が減少し、溶融エンタルピーの減少を示した。このような減少現象は、導入されたモノメトキシポリエチレングリコールの分子量の増加に比例して増加した。
【００２９】
親水性の程度を示す静的接触角（ｓｔａｔｉｃｃｏｎｔａｃｔａｎｇｌｅ）の測定により、ポリラクチドの導入は、親水性を急激に減少させ、ポリラクチドの分子量が大きいほど疎水性を増加させることを示した。
【００３０】
疎水性高分子として、ポリラクチドに代えて、ポリグリコリド又はポリカプロラクトンを用いた場合にも、完全な三元ブロック共重合体構造が得られ、類似の熱的特性と親水性を示した。
【００３１】
【実施例】
実施例１
乾燥した１００ｍＬガラスアンプルに、単量体であるＬ−ラクチド１７．２８０ｇ（０．１２０モル）を入れ、触媒としてオクタン酸スズ０．２６９ｇ（０．０００６６モル）と、開始剤として１，６−ヘキサンジオール０．５９８ｇ（０．００５モル）を添加した。テフロンでコーティングされたマグネチックバーをアンプルに入れ、反応物を入れたアンプルを０．０１ｍｍＨｇで２０分間真空状態を維持し、水分を除去して乾燥窒素を注入し、この過程を３回繰り返してから真空下でアンプルをトーチで加熱して封止した。封止されたアンプルを１３０℃の油浴に入れて攪拌し、５時間重合反応を行った。重合が進行することにより重合系は粘度が高まり攪拌が不可能になった。重合系は初期に透明なゲル状態であったが、反応が進行するにつれて白色の固体に変わった。反応を終えた後、アンプルを液体窒素を使用して充分冷却した後、破壊して共重合体を回収した。回収された試料をクロロホルムに溶解した後、メタノールで沈殿させ、触媒と未反応単量体及び低分子量のオリゴマーを除去した後、常温で１２時間以上真空乾燥した。得られた重合体は、白色を帯び、収率は９９％以上の定量的であった。水素（^１Ｈ）核磁気共鳴分析から開始剤によりラクチドが開環され、両末端基にヒドロキシ基が導入されていることを確認した。末端基と単量体の積分比により数平均分子量が約４７００であることを確認した。示差走査熱分析法により測定されたガラス転移温度と溶融温度は、それぞれ４９．５℃と１４７．０℃であった。
【００３２】
開始剤である１，６−ヘキサンジオールと単量体であるラクチドのモル比を調節し、数平均分子量が５００〜３０，０００であるポリラクチド（ＨＯ−ＰＬ−ＯＨ）を製造した。更に、１，６−ヘキサンジオールに代えて、１，４−ブタンジオール及び１，３−プロパンジオールを使用し、同様な方法でポリラクチド（ＨＯ−ＰＬ−ＯＨ）を製造した。
【００３３】
実施例２
２５ｍＬフラスコに１５０ｍＬの１，４−ジオキサンを入れ、一方の末端がヒドロキシ基であるモノメトキシポリエチレングリコール（ｍＰＥＧ−ＯＨ、数平均分子量７５０）１０．０７ｇ（０．０１３４モル）と、無水コハク酸２．０１６０ｇ（０．０２０１モル）をそれぞれ添加し、触媒としてＤＭＡＰ１．６４３ｇ（０．０１３４モル）とＴＥＡ１．３５６ｇ（０．０１３４モル）を添加した。常温で２４時間反応させた後、真空蒸留して溶媒を除去し、四塩化炭素を使用して生成物を溶解した後、濾過して未反応の無水コハク酸を除去した。濾過した溶液を冷エチルエーテル溶媒に導入して生成物を沈殿させた後、常温で１２時間以上真空乾燥した。反応後、水素（^１Ｈ）核磁気共鳴分析からヒドロキシ基により無水コハク酸が開環され、末端にカルボキシル基が導入されたことを確認した。数平均分子量がそれぞれ７５０〜１０，０００であるモノメトキシポリエチレングリコールを使用し、上記と同様な方法により合成して精製し、それぞれの生成物（ｍＰＥＧ−ＣＯＯＨ）を得た。
【００３４】
実施例３
５０ｍＬフラスコに実施例２で合成したｍＰＥＧ−ＣＯＯＨ２．７８５ｇ（０．００３７モル）を添加した後、５０ｍＬの精製したメチレンクロリドに完全に溶解した。チオニルクロリド０．８８ｇ（０．００７４モル）と、触媒としてのジメチルホルムアミド２滴を添加した後、６０℃で約３時間反応させた後、真空蒸留して溶媒と未反応チオニルクロリドを除去した。水素（^１Ｈ）核磁気共鳴分析により末端にアシルハライド基が導入されていることを確認し、確認した試料は即にカップリング反応に使用した。実施例２により合成した、数平均分子量がそれぞれ７５０〜１０，０００であり、末端基にカルボキシル基を導入したモノメトキシポリエチレングリコール（ｍＰＥＧ−ＣＯＯＨ）も上記と同様な方法で合成し、それぞれの生成物（ｍＰＥＧ−ＣＯＣｌ）を製造した。
【００３５】
実施例４
５０ｍＬフラスコに実施例３で合成した数平均分子量７５０のｍＰＥＧ−ＣＯＣｌ２．７０ｇ（０．００３２モル）と、実施例１で合成した数平均分子量４，７００のポリラクチド（ＨＯ−ＰＬ−ＯＨ）３．７６ｇ（約０．０００７８モル）を添加した後、完全に窒素雰囲気に置換した。０℃の氷浴を用いて反応容器の温度を充分低く維持した後、精製したピリジン２０ｍＬを少しずつ添加した後、温度を常温に維持して２４時間反応させた。反応溶液をメタノールに導入して生成物を沈殿させた後、遠心分離した。メタノールに沈殿させた後、遠心分離する過程を２〜３回繰り返して過剰量のモノメトキシポリエチレングリコールを完全に除去し、得られた試料を常温で１２時間以上真空乾燥した。反応後、水素（^１Ｈ）核磁気共鳴分析から末端のヒドロキシ基とアシルハライド基が定量的にカップリングしていることを確認した。更に、ＧＰＣ分析の結果、製造された三元ブロック共重合体の数平均分子量は、ポリラクチドとポリエチレングリコールの分子量より大きいことを示し、単一パターンの分子量分布を示した。これにより完全な三元ブロック共重合体構造の生成を確認した。更に、実施例１と実施例３で得られた物質を使用し、上記と同様な方法で合成し、精製してそれぞれの生成物を得、同様な分析を行って三元ブロックの生成を確認した。
【００３６】
実施例５
単量体としてグリコリド１３．９２０ｇ（０．１２０モル）及び開始剤として１，４−ブタンジオールを使用し、反応温度が１７０℃であること以外は、実施例１と同様な方法でポリグリコリド（ＰＧ）を製造した。開始剤である１，４−ブタンジオールと単量体であるグリコリドのモル比を調節し、数平均分子量が５００〜３０，０００であるＰＧを製造した。更に、製造した試料は、実施例４と同様な製造方法を用いて実施例３で製造したｍＰＥＧ−ＣＯＣｌとカップリング反応させ、ポリエチレングリコール／ポリグリコリド／ポリエチレングリコール三元ブロック共重合体を製造した。
【００３７】
実施例６
単量体としてラクチド１２．０９６ｇ（０．０８４モル）と、グリコリド４．１７６ｇ（０．３６０モル）を使用し、反応温度が１４０℃であること以外は、実施例１と同様な方法でポリラクチド／グリコリド（ＰＬ／ＰＧ）の共重合体を製造した。開始剤である１，３−プロパンジオールと、単量体であるラクチドとグリコリドのモル比を調節し、数平均分子量が５００〜３０，０００であるＰＬ／ＰＧの共重合体を製造した。更に、製造した試料は、実施例４と同様な製造方法を用いて実施例３で製造したｍＰＥＧ−ＣＯＣｌとカップリング反応させ、ポリエチレングリコール／ポリグリコリド−ポリラクチド／ポリエチレングリコール三元ブロック共重合体を製造した。
【００３８】
実施例７
単量体としてカプロラクトン１３．６８０ｇ（０．１２０モル）を使用し、反応温度が１４０℃であること以外は、実施例１と同様な方法でポリカプロラクトン（ＰＣＬ）を製造した。開始剤である１，６−ヘキサンジオールと、単量体であるカプロラクトンのモル比を調節し、数平均分子量が５００〜３０，０００であるＰＣＬを合成した。更に、製造された試料は、実施例４と同様な製造方法を用いて実施例３で製造したｍＰＥＧ−ＣＯＣｌとカップリング反応させ、ポリエチレングリコール／ポリカプロラクトン／ポリエチレングリコール三元ブロック共重合体を製造した。
【００３９】
【発明の効果】
本発明のポリエチレングリコール／ポリラクチド（又はポリグリコリド又はポリカプロラクトン）／ポリエチレングリコール三元ブロック共重合体の製造方法は、従来のカップリング反応に比べて非常に高い反応収率が得られ、本発明の三元ブロック共重合体は、分子鎖の形態がエステル結合で連結し、体内の代謝過程において人体に無害な形態で消滅し得る。このような共重合体は、両末端に親水基を導入することにより、生体材料をより効果的に親水化させることができる。更に、ポリラクチド（又はポリグリコリド又はポリカプロラクトン）とポリエチレングリコールの分子量調節を通じて物性及び親水性を調節することができ、生体材料として多様に利用し得る。構造的に見れば、ヒドロゲルを成す物質として、特に薬物放出材料として有用に使用し得る。更に、得られた共重合体は熱的に安定であり、材料の熱処理時に生ずる物性の低下を防止することができる。
このような材料は、生体吸収性材料、組織工学用材料、農薬又は医薬、薬剤の除放性マトリックスなどに広範囲に応用し得る。

Claims

一般式（１）〜（４）：
ＰＥＧ−ＣＯＯ−ＰＬ−ＯＣＯ−ＰＥＧ（１）
ＰＥＧ−ＣＯＯ−ＰＧ−ＯＣＯ−ＰＥＧ（２）
ＰＥＧ−ＣＯＯ−（ＰＬ／ＰＧ）−ＯＣＯ−ＰＥＧ（３）
ＰＥＧ−ＣＯＯ−ＰＣＬ−ＯＣＯ−ＰＥＧ（４）
（上記式中、
ＰＥＧは、ポリエチレングリコールであり、ＰＬは、ポリラクチドであり、ＰＧは、ポリグリコリドであり、そしてＰＣＬは、ポリカプロラクトンである）
で示される共重合体からなる群から選択される生分解性三元ブロック共重合体。
ＰＥＧの数平均分子量が、７５０〜１０，０００である、請求項１記載の生分解性三元ブロック共重合体。
ポリラクチド、ポリグリコリド、ポリラクチド／ポリグリコリド又はポリカプロラクトンの数平均分子量が、５００〜３０，０００である、請求項１記載の生分解性三元ブロック共重合体。
一方の末端にアシルハライド基を有するポリエチレングリコールを、両方の末端にヒドロキシ基を有する、ポリラクチド、ポリグリコリド、ポリラクチド／ポリグリコリド又はポリカプロラクトンと、ピリジンの存在下でカップリングさせることを含む三元ブロック共重合体の製造方法。