JP5108523B2 - 光架橋性ポリ（カプロラクトンフマレート） - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２００４年１１月１２日出願の米国特許仮出願６０／６２７，０７９号の優先権を主張するものである。

連邦政府の支援による研究に関する記載

本件は、助成金番号Ｒ０１−ＡＲ４５８７１およびＲ０１−ＥＢ０３０６０での米国国立衛生研究所による支援を受けたものである。

発明の背景

１．発明の分野
本発明は、光架橋性の生分解性ポリマー材料に関し、１つの応用例では、これを注入し、その後、その場で(in situ)硬化させて、組織および／または骨格再構成(skeletal reconstruction)用のスカフォード(scaffold)を形成することができる。

２．関連する分野の説明
骨再生に関する臨床的要求は多岐にわたっており、米国では、癒合を達成するために骨移植処置を必要とする骨格欠損を有する患者が、毎年、おおよそ１，０００，０００人いる。これらは、原発性および転移性腫瘍の切除、骨格傷害後の骨量減少、骨欠損に伴う初回および修正全関節形成術、脊髄関節固定術、ならびに骨粗しょう症性不全骨折後の骨梁の空隙から生じる申請を含む。骨移植材料の選択、作製および適用の際に行う現行の臨床上の決定は、しばしば多くの要素を含む。構造的展望から、外科的処置計画を決定する前に幾つかの決定に取り組む必要がある。

第一に、骨量減少のタイプを判定しなければならない。欠損は、小柱骨タイプ、皮質骨タイプ、または両方の構造の骨タイプの組み合わせである場合がある。第二に、包み込まれて(contained)骨もしくは軟組織の外皮を有するのか、それとも包み込まれておらずに(non-contained)骨の連続性の分節性喪失を表すのか、欠損の性質を定義しなければならない。第三に、欠損のサイズ（骨梁の空隙のサイズまたは分節性欠損の長さ）を判定しなければならない。移植片選択決定に加わる機械的問題としては、再構成すべき欠損の骨格部位およびその部位における予想負荷が挙げられる。加えて、宿主の複合羅患(co-morbidities)（例えば、糖尿病）などの生物学的問題は、全て、骨移植片組み込みプロセスに対しての影響を有する。最後に、移植材料の選択の際に一定の役割を果たす外科的問題としては、欠損のサイズに対しての外科用アクセスポータルのサイズに関する考慮が挙げられる。

骨格欠損を治療する現行の臨床上の方法は、骨の移植、または連続性を回復させるための他の材料の使用を含む。自己骨移植は、骨形成原細胞、骨誘導因子および治癒のための骨伝導マトリックスなどの必須要素をもたらすため、骨置換術のゴールドスタンダードになっている。しかし、自己移植骨の限られた供給量とドナー部位の病的状態の両方により、単独で用いることができるケースの範囲が制限される。同種移植骨は、豊富な供給量で利用できるが、自己移植骨と比較して低い移植片組み込み率、およびドナーから宿主への病原体移行の可能性を含む欠点を有する。

金属は、欠損部位での即時的な機械的支持を実現するが、宿主組織との理想的な全体にわたる一体化と言えるほどのものは示さず、金属の疲労破損前に骨が治癒しなければ疲労荷重のために結局失敗することもある。セラミック、例えば、β−リン酸三カルシウム（β−ＴＣＰ）およびハイドロキシアパタイトは、両方とも、骨伝導性であり、ならびに金属プロステーシスの表面コーティングとして骨へのそれらプロステーシスの結合を強化するために臨床使用されている。粒子形態で、それらは、主として圧縮状態のポリマー複合材料に機械強度増加をもたらすが、ねじり力および曲げ力への抵抗性の強化にはあまり有効でない。ポリ（メチルメタクリレート）骨セメントは、注入または成形することができ、時には、空洞性欠損および分節性欠損（例えば、各々、巨細胞腫瘍の掻爬に起因するもの、または脊椎の転移性疾患における椎体の切除に起因するもの）の両方を充填するために使用される。しかし、発熱性重合反応中に温度が１００℃まで上昇することがあり、放出される熱により局所組織は損傷の危険にさらされる。加えて、ポリ（メチルメタクリレート）は非生分解性であり、それ故、時間が経つにつれて疲労損傷が蓄積し、結局、機械的破損を被ることもある。

合成生分解性ポリマーは、現在利用することができない治療選択肢を与えることができる。これらの材料は、事実上無限の供給量で製造することができ、それらの設計の自由度により、様々な機械的、生物学的、分解、および流動学的特性を有する広範なポリマーを合成することができる。例えば、それらの機械的特性および分解特性は、合成中にポリマーの分子量を変えることにより操作することができ、従って、特定の用途に合うように調整することができる。骨格再生用生体材料の注入可能な性質は、限られた接近容易性または不規則な形を有する欠損を充填するために理想的であろう。例えば、現在臨床使用されている低侵襲性内視鏡法により、注入可能な形態の生体材料を後側面横突間プロセスの脊椎固定のために挿入することができる。これは、移植材料を所定の位置に置くために現在は行わなければならない広範囲の露出および筋肉剥離からの外科的外傷を減少させるであろう。注入可能な材料は、周囲の皮質骨に大きな進入路用の穴を作らずに関節周囲骨折、骨粗しょう症性脊髄骨折又は骨嚢胞からの海綿状空隙に配置することができよう。これらの臨床の状況が、骨組織工学用の注入可能な生分解性ポリマー複合材料の開発の動機付けを表している。

このように、注入し、その場で架橋させて、欠損を充填することができる生分解性スカフォードは、既存の方法（Ｙａｓｚｅｍｓｋｉら，「骨組織工学技術に対する臨床上の要求(Clinical needs for bone tissue engineering technology)」，ｉｎ Ｂｏｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊ．Ｅ．Ｄａｖｉｓ，Ｅｄ．Ｔｏｒｏｎｔｏ，Ｅｍ Ｓｑｕａｒｅｄ，２０００，ｐｐ．５４１−５４７参照）への魅力的な追加を提示する。最近開発された注入可能材料は、様々な整形外科用途の多数の設計基準を満たしている。このタイプの候補材料は、ポリ（プロピレンフマレート）（ＰＰＦ）、フマレート二重結合により変性または架橋することができる不飽和直鎖状ポリエステルである。ＰＰＦは、エステル結合の単純な加水分解により分解し、分解時間は、ポリマーの特性、例えば、分子量、架橋剤のタイプおよび架橋密度に依存する。ＰＰＦ系材料の用途を探求する多くの努力がなされてきたが、この材料には、未だ、多くの重要な制限がある。各繰り返し単位中のプロピレングリコールは、ＰＰＦポリマー鎖の剛性に寄与する自由回転炭素−炭素結合を１つしか提供しない。加えて、酸化還元開始により架橋ＰＰＦネットワークを形成するには架橋剤が必要であり、これは、未反応架橋用モノマーに付随する細胞毒性を導くことがある。

ポリ（ε−カプロラクトン）（ＰＣＬ）は、周知の生分解性ポリマーであり、吸収性縫合糸としての使用がＦＤＡにより認可されている。卓越した生体適合性および可撓性を有する。ＰＣＬは、一時的関節スペーサー（Ｅｌｆｉｃｋ，Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，２３，ｐ．４４６３−４４６７，２００２）および組織工学的皮膚（ｔｉｓｓｕｅ−ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｓｋｉｎ）（Ｎｇ，Ｔｉｓｓｕｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，７，ｐ．４４１−４５５，２００１）用の可能性ある材料として最近研究された。

ＰＣＬセグメントおよびフマレートセグメントに基づく注入可能なコポリマー、ポリ（カプロラクトンフマレート）（ＰＣＬＦ）は、ＰＣＴ国際特許出願国際公開パンプレット第２００５／００４８１１号に記載されている。ＰＣＬ単位の存在のため、ＰＣＬＦ鎖は、ＰＰＦ鎖よりずっと可撓性である。このことにより、ＰＣＬＦは、架橋剤を一切使用せずに酸化還元開始によって自己架橋することができる。

しかし、以前に開発されたＰＣＬＦは、縮合反応に用いられるプロトンスカベンジャー・トリエチルアミンのため、暗褐色を有する。この暗色のため、ＵＶ光は、ＰＣＬＦ材料を通って、光開始剤によりそれを効率的に架橋させることができない。光架橋は、２つの高分子間または１つの高分子中の２つの異なる部分間の共有結合の形成である。光架橋は、インビボでの硬化を可能にし、これは、外科医の移植可能なポリマーの配置および取り扱いに大きな融通性をもたらす。他の架橋法を超える光架橋の主な利点は、重合の空間的および時間的制御、室温での速い硬化速度、ならびに移植中の成形の容易さおよび可撓性である（Ａｎｓｅｔｈ，Ｎａｔｕｒｅ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１７，ｐ．１５６−１５９，１９９９参照）。

従って、光架橋性ポリ（カプロラクトンフマレート）が必要とされており、組織工学用途のための、生体適合性で、生体吸収性で、注入でき、その場で硬化するスカフォードとして有用である光架橋性ポリ（カプロラクトンフマレート）が特に必要とされている。

発明の要約

本発明は、酸化還元開始によっても光開始によっても自己架橋性である、無色または淡色のポリ（カプロラクトンフマレート）を提供する。これは、様々な研究および臨床用途において注入可能な材料として有用である。加えて、無色または淡色のポリ（カプロラクトンフマレート）は、様々な細胞および組織染色法の妨げにならない。従って、本発明のポリ（カプロラクトンフマレート）により、インビトロおよびインビボアッセイのために細胞および組織をずっとよく見えるようにすることができる。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の詳細な説明、図面および添付の請求の範囲の考慮により、より良好に理解されるであろう。

発明の詳細な説明

本発明は、カプロラクトン単位およびフマレート単位を含むコポリマーを提供し、該コポリマーは、無色または淡色のポリ（カプロラクトンフマレート）であるので、酸化還元の開始によっても光開始によっても自己架橋性である。好ましくは、前記コポリマーは、溶液または溶融状態にあるとき、透明である。１つの形態において、前記コポリマーは、４０００ダルトン以上の数平均分子量を有する。

本発明のコポリマーは、ポリ（カプロラクトン）ジオールとフマル酸またはその塩（好ましくは、塩化フマリル）とをアルカリ金属塩の存在下で反応させることによって調製することができる。好ましくは、アルキル金属塩はアルカリ金属炭酸塩であり、最も好ましくは、アルカリ金属塩は炭酸カリウムである。

本発明は、本発明のカプロラクトン単位およびフマレート単位を含むコポリマーと光開始剤とを含む光架橋性の生分解性材料も提供する。光開始剤の例としては、ベンゾイン及びベンゾインエーテル化合物、ベンジルケタール化合物、アセトフェノン化合物、アミノアルキルフェノン化合物、ヒドロキシアルキルフェノン化合物、アシルホスフィンオキシド類、アシルホスフィンスルフィド類、フェニルグリオキシレート化合物、ベンゾフェノン化合物、チオキサントン化合物、並びにこれらの混合物が挙げられる。一例の材料では、光開始剤は、ビスアシルホスフィンオキシドである。

本材料は、注入可能な代用骨または注入可能な骨セメントであり得る。本材料の注入可能な性質により、限られた接近容易性または不規則な形の欠損を充填することができる。例えば、現在臨床使用されている低侵襲性内視鏡法により、注入可能な形態の本材料を後側面横突間プロセスの脊椎固定のために挿入することができる。注入可能な材料は、周囲の皮質骨に大きな進入路用の穴を作ることなく関節周囲骨折、骨粗しょう症性脊髄骨折または骨嚢胞からの海綿状空隙に配置することができる。

本発明のコポリマーの注入可能な性質に関して、注入の温度範囲は広く、混合物の融点と混合物に使用される溶媒の沸点との間であり得る。通常、ポリマー混合物は、便宜上、室温で注入される。本コポリマー中の１成分であるＰＰＦについて、架橋中の最高温度は約４８℃であり、一方、現在使用されている骨セメントであるポリメチルメタクリレートは、架橋中１００℃もの高温を生じる。従って、ＰＰＦは、ポリメチルメタクリレートを越える利点を有する。本発明のコポリマー類についての温度は、コポリマー類中の唯一の架橋性セグメントであるフマレート基の含有率が１０％より低いため、４８℃より低いことさえあるだろう。

本発明に係る生分解性材料は、自己架橋性であるため、架橋剤を含む必要がない。一般に、架橋剤は、架橋中、隣接する二重結合の架橋を助長するために使用される。本発明の自己架橋性および／または光架橋性の生分解性材料は、架橋剤を一切必要としないため、生物医学的用途における毒性の懸念を最小にする。しかし、架橋剤を使用することもできる。

本発明の材料は、組織再生用のスカフォードの形成に適する。１つの形態において、本材料は、多孔性スカフォードの形成を可能にするポロゲンを含む。適するポロゲン類としては、多孔性スカフォードを形成するソルトリーチング(salt leaching)法において使用することができる塩結晶（例えば、塩化ナトリウム）が挙げられる。このタイプの粒子リーチング(particle leaching)法の例は、米国特許第６，４３６，４２６号、同第６，３７９，９６２号および同第５，５１４，３７８号において見出すことができる。ポロゲンは、ＰＣＴ国際公開パンフレット第２００５／０２０８４９号に記載されているようなヒドロゲルポロゲンであってもよい。ポロゲンの選択は、架橋プロセスにより左右されることがある。ポロゲンは、光架橋フィルムの製造に用いることができるが、それは、ポロゲンの物理的性質および色に依存する。また、一部のポロゲンは、ＵＶ光を遮断し、その結果、光架橋手順を非効率にすることがある。従って、本発明の光架橋性の生分解性材料は、所望の最終製品に依存して、ポロゲンを含むこともあり、含まないこともある。

本材料は、粒子または繊維強化材料をさらに含むことがある。ハイドロキシアパタイトが強化材料としての役割を果たすのが、特に有利である。骨無機質の組成に関する類似性、細胞機能の生理活性および促進、ならびに骨伝導性のためである。これらの強化材料は、単層カーボンナノチューブを含むこともある。

本材料は、１つ以上の生理活性剤をさらに含むことがある。本明細書において用いる場合の「生理活性剤」は、限定ではないが、体内で局所的または全身的に作用する生理または薬理学的活性物質を包含する。生理活性剤は、疾病または疾患の治療、予防、診断、治癒または緩和のために使用される物質、または身体の構造もしくは機能に影響を及ぼす物質、または所定の生理環境に置かれた後、生理活性になるか、より活性になる物質である。生理活性剤としては、限定ではないが、酵素、有機触媒、リボザイム類、有機金属化合物、タンパク質、糖タンパク類、ペプチド類、ポリアミノ酸、抗体、核酸、ステロイド性分子、抗生物質、抗菌剤、サイトカイン類、成長因子、炭水化物、疎油性物質、脂質、細胞外基質、並びに／又はその個々の成分、製剤および治療薬が挙げられる。

本自己架橋性および／または光架橋性の生分解性材料は、促進剤も含むことがある。促進剤の非限定的な例としては、トルイジン類（例えば、Ｎ，Ｎ−ジエチル−ｐ−トルイジン（「ＤＥＴ」）およびＮ，Ｎ−ジメチル−ｏ−トルイジン（「ＤＭＴ」））、アセチルフェニルヒドラジン、マレイン酸、キニン類（例えば、ナフタキノンおよびアントラキノン）、ならびにアルキルメルカプタン類が挙げられる。多くの場合、光架橋プロセスでは促進剤が必要とされない。全ての手順が相当短い（例えば、３０分未満）であるためである。

もう１つの態様において、本発明は、組織再生用の生体適合性スカフォードを提供する。スカフォードは、カプロラクトン単位およびフマレート単位を含むコポリマーを含む生分解性マトリックスを含み、この場合のコポリマーは、ポリ（カプロラクトン）ジオールとフマル酸またはその塩（好ましくは、塩化フマリル）とをアルカリ金属塩の存在下で反応させることによって調製される。コポリマーは、４０００ダルトン以上の数平均分子量を有することができる。好ましくは、コポリマーは、溶液または溶融状態で透明である。前記マトリックスは、粒子または繊維強化材料（例えばハイドロキシアパタイト）を含むことがある。前記マトリックスは、１つ以上の生理活性剤を含むことがある。前記スカフォードは、多孔性である場合がある。

本発明の実施態様の１つの例において、本発明者らは、プロトンスカベンジャーとして炭酸カリウムを使用して、無色または淡色のポリ（カプロラクトンフマレート）を製造した。さらに、本発明者らは、以前のＰＣＬＦ合成工程を、時間消費量をずっと短くし、最終製品の分子量をより高くするように改良した。新たに合成したＰＣＬＦを試験して、それが酸化還元開始によっても、光開始によっても自己架橋性であることを示した。それは、様々な研究および臨床用途において注入可能な材料として有用である可能性を秘めている。加えて、以前に開発されたＰＣＬＦにおける暗色は、様々な細胞および組織染色法の妨げになっている。新たな無色ＰＣＬＦにより、インビトロおよびインビボアッセイのために細胞および組織をずっとよく見えるようにすることができると考えられる。

様々な技法を用いて、本発明のコポリマーからスカフォードを形成することができる。例えば、本発明のポリ（プロピレンフマレート）とポリ（ε−カプロラクトン）とのブロックコポリマーをスカフォードに押出成形、射出成形または圧縮成形することができる。あるいは、固体自由造形法を用いて、本発明のコポリマーからスカフォードを形成することもできる。固体自由造形法の非限定的な例としては、ステレオリソグラフィ、選択的レーザ焼結、粒子衝突加工、熱溶解積層造形、および三次元印刷を挙げることができる。スカフォードのマクロ構造および空隙率は、印刷パラメータを制御することにより操作することができ、これらの特徴は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）を用いて、個々の患者のために設計し、作ることができる。米国特許第６，５３０，９５８号、同第５，８６９，１７０号、同第５，５１８，６８０号および同第５，４９０，９６２号は、固体自由造形法の例を提供している。Ｈｕｔｍａｃｈｅｒら，「スカフォードに基づく組織工学：コンピュータ支援設計および固体自由造形システムの原理(Scaffold-based tissue engineering：rationale for computer-aided design and solid free-form fabrication systems)」，Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｂｉｏｔｅｃｈ．２００４，２２（７）：３５４も参照のこと。これらの特許および出版物ならびに本明細書において引用する他の全ての特許および出版物は、参照により本明細書に組み込まれる。

本材料の用途は、スカフォードおよび骨セメントを越えて広がる。本発明のコポリマーを含む自己架橋性および／または光架橋性の生分解性材料は、多くの生物医学的用途において架橋性ポリマーとして適する。架橋性であるため、本材料を使用して微細パターン形成表面を作ることができる。本材料は、様々な溶媒への制御された膨潤率を有するポリマーネットワークを形成することもでき、これにより、本材料は有機溶媒の吸着剤または触媒の担体になる。

本明細書において用いる場合、「生体適合性」材料は、重度のまたは漸増的反応とは対照的に、軽度の、多くの場合一時的な、移植反応しか誘発しないものである。本明細書において用いる場合、「生分解性」材料は、正常なインビボ生理条件下で、代謝または排泄され得る成分に分解するものである。本明細書において用いる場合、「生体吸収性」材料は、身体の化学的／生物学的作用に起因して、限られた期間をかけて分解するものである。「注入可能な」とは、本コポリマーを医療用注射器により一定部位に送達することができることを意味する。「自己架橋性」とは、本発明のポリマーの官能基と本発明の同じまたは別のポリマーの官能基との間の架橋を形成する架橋剤を用いることなく、本発明のポリマーの官能基が、本発明の同ポリマーまたは別のポリマーの官能基と架橋できることを意味する。「光架橋性」とは、光開始剤の存在下、光子（例えば、ＵＶ光）の適用により、本発明のコポリマーの官能基が、本発明の同じポリマーまたは別のポリマーの官能基と架橋できることを意味する。

本明細書における用語「分子量」は、「重量平均分子量」（Ｍ_w＝Σ_iＮ_iＭ_i ²／Σ_iＮ_iＭ_i）を指す。様々な方法で重量平均分子量（Ｍ_w）を決定することができるとはいえ、利用する方法に依存して結果は多少異なり、ゲル透過クロマトグラフィーを利用するのが適便である。本明細書において用いる場合、用語「数平均分子量」（Ｍ_n）は、存在する全モル数で割った、ポリマーサンプル中の全ての分子の合計重量を指す（Ｍ_n＝Σ_iＮ_iＭ_i／Σ_iＮ_i）。様々な方法で数平均分子量を決定することができるとはいえ、利用する方法に依存して結果は多少異なり、ゲル透過クロマトグラフィーを利用するのが適便である。本明細書において用いる場合、用語「多分散性」（表１中のＤＰＩ）は、材料の「重量平均分子量」を「数平均分子量」で割った比（Ｍ_w／Ｍ_n）を指す。

以下の実施例は、本発明をさらに例証するために提示したものであり、いかなる点においても本発明を制限するためのものではない。

実施例１
ポリ（カプロラクトンフマレート）マクロマーの合成
ポリ（カプロラクトンフマレート）の一般的な合成スキームを図１に示す。５３０、１２５０および２０００ｇ・ｍｏｌ^-1の公称分子量を有するＰＣＬジオール類［α，ω−ジヒドロキシポリ（ε−カプロラクトン）］は、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｏ．（ウィスコンシン州、ミルウォーキー）から購入され、これらは、Ｈ−[Ｏ(ＣＨ₂)₅ＣＯ−]_mＯＣＨ₂ＣＨ₂−Ｏ−ＣＨ₂ＣＨ₂Ｏ[−ＯＣ(ＣＨ₂)₅Ｏ]_n−Ｈの化学構造を有した。共重合の前に、一定量のＰＣＬジオールを真空オーブンの中で一晩５０℃で乾燥させた。本発明における他の全ての試薬もＡｌｄｒｉｃｈ Ｃｏ．から購入した。塩化メチレンは、反応前に水素化カルシウムを用いて乾燥および蒸留した。塩化フマリルは、１６１℃での蒸留により精製した。炭酸カリウム粉末を１００℃で２日間乾燥させ、その後、真空条件下で冷却した。

塩化フマリル、ポリ（ε−カプロラクトン）ジオールおよび炭酸カリウムを、０．９５：１：１．２のモル比で計り出しした。ＰＣＬジオールを塩化メチレンに溶解し（体積比１：２）、１Ｌ三つ口フラスコの中に炭酸カリウム粉末とともに入れた。この混合物をオーバーヘッドメカニカルスターラーで攪拌して、スラリーを作った。塩化メチレンに溶解した塩化フマリル（１：１の体積比）をスラリーに滴加した。反応混合物を、コンデンサーを使用して還流させながら５０℃で維持した。１２時間反応させた後、混合物を冷却し、遠心管に移し、炭酸カリウムが完全に除去されるまで１５分間４０００ｒｐｍで遠沈した。その後、上清を石油エーテルに滴加して、ポリマーを溶液から出させ、沈殿物を回転蒸発させて、蝋様生成物を得た。

特性試験
ゲル透過クロマトグラフィー（ＧＰＣ）を用いて、本明細書中のポリマーの分子量および多分散性を測定した。ＧＰＣは、モデル５１５ ＨＰＬＣポンプおよびモデル２４１０屈折率検出器に連結した、Ｗａｔｅｒｓ ７１７ Ｐｌｕｓオートサンプラー ＧＰＣシステム（米国、マサチューセッツ州、ミルフォード、Ｗａｔｅｒｓ）で行った。フーリエ変換赤外分光分析（ＦＴＩＲ）スペクトルは、Ｎｉｃｏｌｅｔ ５５０スペクトロメーターを用いて得た。全てのポリマーは、セレン化亜鉛ＡＴＲ結晶を使用して分析した。機器の分解能を１０００ｃｍ^-1の波数で４ｃｍ^-1に特定した。プロトンおよびカーボン核磁気共鳴（ＮＭＲ）スペクトルは、ＴＭＳを含有するＣＤＣｌ₃溶液を使用して、Ｖａｒｉａｎ Ｍｅｒｃｕｒｙ Ｐｌｕｓ ＮＭＲスペクトロメーター（¹Ｈ＝４００．１ＭＨｚ、¹³Ｃ＝１００．６ＭＨｚ）で得た。示差走査熱量分析（ＤＳＣ）は、窒素雰囲気下、１０℃／分の加熱速度で、ＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＤＳＣ Ｑ１０００示差走査熱量計を使用して測定した。同じ熱履歴を保つために、各サンプルを室温から１００℃に予熱し、５℃／分の冷却速度で−９０℃に冷却した。その後、−９０℃から１００℃に加熱することにより、ＤＳＣスキャンを記録した。ＤＳＣの結果をサポートするために、Ｚｅｉｓｓ Ａｘｉｏｓｋｏｐ偏光光学顕微鏡（ＰＯＭ）を使用して、コポリマー類のアモルファス構造および３つのＰＣＬサンプルの結晶形態を観察した。熱重量分析（ＴＧＡ）は、ＴＡモデルＱ５００型サーマルアナリストを使用して行った。ＴＧＡデータは、窒素流中、２０℃／分の加熱速度で得た。ポリマーの固有粘度［η］は、Ｌａｕｄａ ＥＣＯ−Ｌｉｎｅ Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ（Ｂｒｉｎｋｍａｎｎ Ｃｏ．）を装備した水浴の中で較正Ｃａｎｎｏｎ Ｕｂｂｅｈｌｏｂｅ毛管粘度計（モデル０Ｃ、Ｃａｎｎｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｃｏ．）を用いて、トルエン中３０．０±０．０５℃で測定した。トルエンは、溶媒として使用する前にＣａＨ₂から蒸留した。

架橋プロセスおよびスカフォード作製
一般的な架橋図を図１に示す。

熱架橋プロセス：過酸化ベンゾイル（ＢＰＯ）およびＮ−ジメチルトルイジン（ＤＭＴ）を、各々、フリーラジカル開始剤および促進剤として使用した。スカフォードの作製についての典型的な手順は、次のとおりである。開始剤溶液１００マイクロリットル（１−ビニル−２−ピロリジノン（ＮＶＰ）２５０マイクロリットル中、ＢＰＯ ５０ｍｇ）および促進剤溶液４０マイクロリットル（塩化メチレン９８０マイクロリットル中、ＤＭＴ ２０マイクロリットル）を、塩化メチレン５００マイクロリットル中１．５ｇ ＰＣＬＦ溶液に添加し、入念に混合した。重合スカフォードを様々なテフロン金型、例えばマルチチャネルチューブモードに移入した。金型を対流式オーブンの中に一晩置いて、架橋を助長した。架橋後、シリンダーまたはチューブを金型からはずし、その後、金型を周囲温度に冷却した。

光架橋プロセス：光架橋は、光開始剤であるビスアシルホスフィンオキシド（ＢＡＰＯ、Ｃｉｂａ Ｇｅｉｇｙ）を使用して、紫外線（ＵＶ）（λ＝３８０〜３１５ｎｍ）で開始させた。ＢＡＰＯ溶液７５μＬ（塩化メチレン１５０μＬ中、ＢＡＰＯ ３０ｍｇ）を、塩化メチレン５００マイクロリットル中１．５ｇ ＰＣＬＦ溶液に添加し、入念に混合した。混合物をペトリ皿に注入し、ペトリ皿を３０分間、直接ＵＶ光の下に置いて、架橋を助長した。

スカフォード作製：同様の架橋プロセスをＰＣＬＦとポロゲン（様々なサイズ分布を有する塩）との混合物に対して行って、異なる多孔性（これは、ポロゲンの含有率により調節することができる）を有するスカフォード類を作ることができる。架橋後、それらのスカフォード類を蒸留水の中に３日間置き、この間、水を頻繁に交換することにより、塩を溶脱させた。それらのスカフォード類を真空下で少なくとも１２時間乾燥させた。

実施例において使用した材料および製造したコポリマー類の特性を図２〜９に示す。

下の表１にＰＣＬ前駆体、ＰＣＬＦマクロマー類および架橋生成物の分子特性および物理的性質を示す。

このように、本発明は、１つの応用例では、注入し、その後、その場で硬化させて、組織および／または骨格再構成用のスカフォードを形成することができる、光架橋性の生分解性のポリ（カプロラクトンフマレート）を提供する。

本発明は、組織および／または骨格再構成用のスカフォードを形成することができる、光架橋性の生分解性ポリマー材料に関する。

一定の実施態様を参照しながら相当詳細に本発明を説明したが、制限のためにではなく、例証のために提供した記載の実施態様以外によって本発明を実施することができることが、当業者には理解されるであろう。従って、添付の請求項の範囲は、本明細書に含まれている実施態様の記載に限定されるものではない。

ＰＣＬＦの合成およびＰＣＬＦの自己架橋プロセスについてのスキームを示す図である。

ＰＣＬ５３０および３つのＰＣＬＦマクロマーのＦＴＩＲスペクトルを示す図である。ＦＴＩＲは、ポリマーの化学構造を決定するために用いられる、フーリエ変換赤外分光分析を意味する。図２に印をつけたように、吸収ピークを本明細書におけるポリマーの化学構造に割り当てることができる。

ＰＣＬ５３０およびＰＣＬＦ５３０の¹Ｈ ＮＭＲ（４００．１ＭＨｚ，ＣＤＣｌ₃、リファレンス ＴＭＳ）スペクトルを示す図である（図中、Ｓ＝溶媒、およびアスタリスクは、塩化メチレンに起因するシグナルを示す）。ＮＭＲは、核磁気共鳴分光分析を意味し、これを本明細書におけるポリマーの化学構造を決定するために用いる。全ての化学シフトは、ポリマー骨格中の異なるプロトンにうまく割り当てられている。

ＰＣＬ５３０およびＰＣＬＦ５３０の¹³Ｃ ＮＭＲ（１００．６ＭＨｚ，ＣＤＣｌ₃、リファレンス ＴＭＳ）スペクトルを示す図である（図中、Ｓ＝溶媒）。

ＰＣＬＦマクロマーおよびそれらのＰＣＬ前駆体のＤＳＣ曲線を示す図である。ＤＳＣは、ポリマーの融解温度Ｔ_m、ガラス転移温度Ｔ_g、および融解熱ΔＨ_mを決定するために用いられる、示差走査熱量分析を意味する。コポリマー中のＰＣＬの結晶度χ_cは、方程式χ_c＝［ΔＨ_m／（φΔＨ_m ^c）］×１００％を用いて、コポリマーおよび完全結晶性ＰＬＣ（ΔＨ_m ^c＝１３５Ｊ／ｇ）のΔＨ_m値ならびにＰＣＬの組成φにより計算することができる。Ｂｒａｎｄｒｕｐ，Ｊ．；Ｉｍｍｅｒｇｕｔ，Ｅ．Ｈ．編．Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｈａｎｄｂｏｏｋ，第三版；Ｗｉｌｅｙ：Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９８９参照。

ＰＣＬＦマクロマー（ａ、ｂ、ｃ：ＰＬＣＦ５３０、１２５０、および２０００）および対応するＰＣＬジオール（ｄ、ｅ、ｆ：ＰＣＬ５３０、１２５０、および２０００）の偏光光学顕微鏡画像を示す図である。（倍率：２００Ｘ、（ａ）中の縮尺バー：１００μｍは、これら６つの画像全てに適用可能である）。

ＰＣＬＦマクロマー類およびそれらのＰＣＬ前駆体のＴＧＡサーモグラムを示す図である。ＴＧＡは、温度が上昇するときの重量損失および熱分解温度Ｔ_dを決定するために用いられる、熱重量分析である。図７において、ＰＣＬＦ５３０の熱安定性は、他の２つのＰＣＬＦマクロマーのものより低いことがわかり、それでもやはり、全てのＰＣＬＦマクロマーが、より大きい分子量のためにそれらのＰＣＬ前駆体より高い熱安定性を示す。

ＤＭＡ（動的粘弾性測定装置：Dynamic Mechanical Analyzer）を用いて決定した、架橋ＰＣＬＦ５３０マルチチャネルチューブおよびシリンダーの代表的な力−変形曲線を示す図である。

３Ｄ印刷法を用いて作った１つのＰＣＬＦスカフォードの多孔性構造を示す図である。

Claims (39)

1. ポリカプロラクトン単位及びフマレート単位を１：１で含む無色又は淡色の光架橋性コポリマーであって、
   アルカリ金属塩の存在下で、（ｉ）ポリ（ε−カプロラクトン）ジオールと（ｉｉ）フマル酸またはその塩とを反応させることにより調製される、コポリマー。
2. 前記コポリマーが４０００ダルトン以上の数平均分子量を有する請求項１記載のコポリマー。
3. 前記アルカリ金属塩がアルカリ金属炭酸塩である請求項１記載のコポリマー。
4. 前記アルカリ金属塩が炭酸カリウムである請求項１記載のコポリマー。
5. 前記コポリマーが溶液または溶融状態で透明である請求項１記載のコポリマー。
6. 前記コポリマーが光架橋性である請求項１記載のコポリマー。
7. 前記コポリマーが自己架橋性である請求項１記載のコポリマー。
8. ポリカプロラクトン単位及びフマレート単位を１：１で含む無色又は淡色の光架橋性コポリマーであって、
   アルカリ金属塩の存在下で、（ｉ）ポリ（ε−カプロラクトン）ジオールと（ｉｉ）ハロゲン化フマリルとを反応させることにより調製される、コポリマー。
9. ポリカプロラクトン単位及びフマレート単位を１：１で含む無色又は淡色の光架橋性コポリマーであって、
   アルカリ金属塩の存在下で、（ｉ）ポリ（ε−カプロラクトン）ジオールと（ｉｉ）塩化フマリルとを反応させることにより調製される、コポリマー。
10. ポリカプロラクトン単位及びフマレート単位を１：１で含む無色又は淡色の光架橋性コポリマー、並びに 光開始剤
    を含む、光架橋性の生分解性材料。
11. 前記材料が注入可能である請求項１０記載の材料。
12. 前記材料が代用骨である請求項１０記載の材料。
13. 前記材料が骨セメントである請求項１０記載の材料。
14. ポロゲンをさらに含む、請求項１０記載の材料。
15. 粒子または繊維強化材料
    をさらに含む、請求項１０記載の材料。
16. 前記材料が架橋剤を含まない請求項１０記載の材料。
17. 前記光開始剤が、ベンゾイン及びベンゾインエーテル化合物、ベンジルケタール化合物、アセトフェノン化合物、アミノアルキルフェノン化合物、ヒドロキシアルキルフェノン化合物、アシルホスフィンオキシド類、アシルホスフィンスルフィド類、フェニルグリオキシレート化合物、ベンゾフェノン化合物、チオキサントン化合物、並びにこれらの混合物からなる群から選択される請求項１０記載の材料。
18. 前記コポリマーが、（ｉ）ポリ（ε−カプロラクトン）ジオールと（ｉｉ）フマル酸又はその塩とを反応させることにより調製される請求項１０記載の材料。
19. 前記コポリマーが、アルカリ金属塩の存在下で、（ｉ）ポリ（ε−カプロラクトン）ジオールと（ｉｉ）フマル酸又はその塩とを反応させることにより調製される請求項１０記載の材料。
20. 前記コポリマーが、アルカリ金属炭酸塩の存在下で、（ｉ）ポリ（ε−カプロラクトン）ジオールと（ｉｉ）フマル酸又はその塩とを反応させることにより調製される請求項１０記載の材料。
21. 前記コポリマーが、炭酸カリウムの存在下で、（ｉ）ポリ（ε−カプロラクトン）ジオールと（ｉｉ）フマル酸又はその塩とを反応させることにより調製される請求項１０記載の材料。
22. 前記コポリマーが、（ｉ）ポリ（ε−カプロラクトン）ジオールと（ｉｉ）ハロゲン化フマリルとを反応させることにより調製される請求項１０記載の材料。
23. 前記コポリマーが、（ｉ）ポリ（ε−カプロラクトン）ジオールと（ｉｉ）塩化フマリルとを反応させることにより調製される請求項１０記載の材料。
24. 前記コポリマーが溶液または溶融状態で透明である請求項１０記載の材料。
25. 酵素、有機触媒、リボザイム類、有機金属化合物、タンパク質、糖タンパク類、ペプチド類、ポリアミノ酸、抗体、核酸、ステロイド性分子、抗生物質、抗菌剤、サイトカイン類、成長因子、炭水化物、疎油性物質、脂質、細胞外基質、並びに／又はその個々の成分、製剤、治療薬及びそれらの混合物から選択される生理活性剤をさらに含む、請求項１０記載の材料。
26. 組織再生用スカフォードであって、ポリカプロラクトン単位及びフマレート単位を１：１で含む無色又は淡色の光架橋性コポリマーを含む生分解性マトリックスを含み、該コポリマーが、アルカリ金属塩の存在下で、（ｉ）ポリ（ε−カプロラクトン）ジオールと（ｉｉ）フマル酸またはその塩とを反応させることにより調製されるものである、組織再生用スカフォード。
27. 前記コポリマーが４０００ダルトン以上の数平均分子量を有する請求項２６記載のスカフォード。
28. 前記アルカリ金属塩がアルカリ金属炭酸塩である請求項２６記載のスカフォード。
29. 前記アルカリ金属塩が炭酸カリウムである請求項２６記載のスカフォード。
30. 前記コポリマーが溶液または溶融状態で透明である請求項２６記載のスカフォード。
31. 前記マトリックスが粒子または繊維強化材料を含むものである請求項２６記載のスカフォード。
32. 強化材料がハイドロキシアパタイトを含むものである請求項２６記載のスカフォード。
33. 前記スカフォードが多孔性である請求項２６記載のスカフォード。
34. 前記マトリックスが、酵素、有機触媒、リボザイム類、有機金属化合物、タンパク質、糖タンパク類、ペプチド類、ポリアミノ酸、抗体、核酸、ステロイド性分子、抗生物質、抗菌剤、サイトカイン類、成長因子、炭水化物、疎油性物質、脂質、細胞外基質、並びに／又はその個々の成分、製剤、治療薬およびそれらの混合物から選択される生理活性剤を含む請求項２６記載のスカフォード。
35. 前記スカフォードが、押出成形、射出成形および圧縮成形からなる群から選択される方法を用いて成形される請求項２６記載のスカフォード。
36. 前記スカフォードが固体自由造形法を用いて成形される請求項２６記載のスカフォード。
37. 前記スカフォードが、ステレオリソグラフィ、選択的レーザ焼結、粒子衝突加工、熱溶解積層造形、および三次元印刷からなる群から選択される固体自由造形法を用いて成形される請求項２６記載のスカフォード。
38. 前記コポリマーが、（ｉ）ポリ（ε−カプロラクトン）ジオールと（ｉｉ）ハロゲン化フマリルとを反応させることにより調製される請求項２６記載のスカフォード。
39. 前記コポリマーが、（ｉ）ポリ（ε−カプロラクトン）ジオールと（ｉｉ）塩化フマリルとを反応させることにより調製される請求項２６記載のスカフォード。