JP5241508B2 - 合成高分子表面の生体高分子によるコーティング方法 - Google Patents

Description

本発明は、合成高分子により作製した構造体を生体高分子でコーティングする方法、並びに上記方法による得られる合成高分子の表面を生体高分子でコーティングした組成物に関する。

医療用の材料として、合成高分子が広く用いられている。合成高分子が利用されている理由として、材料の強度や構造の制御、任意の成形加工の制御が容易であることが挙げられる。しかしながら、これら合成高分子は生体との親和性にかけることが多い、生体高分子に見られる固有の生理活性を持たないといった欠点がある。該合成高分子に生体との親和性を高める目的で、表面に細胞を接着させること、表面処理を行うこと、および生体高分子をコーティングまたは結合させること等が行われている（Journal of Biomaterial Science, Polymer Edition. 1993;4(3):217-34、特開昭６１−８２７６０号公報、特開平４−１５０６３号公報、特表平４−５０３３１１号公報）。

また、特表平１１−５１０３９９号公報には、血栓耐性表面を持つ生体材料およびその製造方法が記載されている。血栓耐性表面は、キトサンおよび１種以上の生物活性物質（例えば、キトサンとのポリマーブレンドを形成できるポリビニルアルコールなど）のコーティング層より構成されている。

生体内に存在する高分子である生体高分子は通常水に溶解する。したがって、通常生体高分子を合成高分子表面にコーティングする際には、生体高分子を含む水溶液を合成高分子表面にディップコーティングやスピンコーティング等の各種コーティング方法によりコーティングすることが行われている（Brash, Trans. Am. Soc. Artif. Int. Organs, p69,1974）。

水により生体高分子をコーティングした表面を生体内に埋め込んだ際、移植初期（例えば数時間程度）には生体高分子由来の性質が付与されているが、移植時間の経過にしたがって生体高分子が剥離する問題が表れる。

一方、合成高分子表面の官能基と生体高分子の官能基を例えば縮合剤を用いることで結合させる手法が検討されている。該手法では、生体高分子に化学結合を加えることにより、部分的に化学構造が変化している。従って、生体高分子の機能が低下する、または副作用が併発する可能性がある。

1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロ-2-プロパノール（HFIP）やトリフルオロエタノール（TFE）に代表される有機フッ素化合物はコラーゲンやゼラチンといったタンパク質を溶解する。特表2002-531182号公報では該タンパク質およびヒアルロン酸のアルキルエステルをHFIPに溶解し、成形することによりタンパク質による組織構築用マトリックスを作製している。また、特表２００４−５３２８０２号公報、特開２００４−３２１４８４号公報では、エレクトロスピニング法によりタンパク質の構造体を作製している。しかしながら、該手法では、単にコラーゲンやゼラチンの構造物を作製しているのみであり、材料表面の生体高分子によるコーティングには用いられていない。

Journalof Biomaterial Science, Polymer Edition. 1993;4(3):217-34 Brash,Trans. Am. Soc. Artif. Int. Organs, p69,1974 特開昭６１−８２７６０号公報 特開平４−１５０６３号公報 特表平４−５０３３１１号公報 特表平１１−５１０３９９号公報 特表２００４−５３２８０２号公報 特開２００４−３２１４８４号公報

本発明は、上記した従来技術の問題点を解消することを解決すべき課題とした。即ち、本発明は、材料表面に生体高分子を強固にコートした組成物を作製する方法、並びに該方法により製造される材料表面に生体高分子を強固にコートした組成物を提供することを解決すべき課題とした。

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、生体高分子を含む有機フッ素化合物溶液を合成高分子表面に塗布することにより、合成高分子の表面に生体高分子が部分的に浸漬し、生体高分子を強固にコーティングできることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明によれば、合成高分子の表面を、有機フッ素化合物からなる溶媒に溶解した生体高分子でコーティングすることを含む、生体高分子のコーティング方法が提供される。

好ましくは、生体高分子は、タンパク質、多糖（例えば、グリコサミノグリカン、プロテオグリカン）、又はそれらの誘導体である。
好ましくは、生体高分子は、コラーゲン、ゼラチン、アルブミン、ラミニン、カゼイン、フィブロイン、フィブリン、キチン、キトサン、フィブロネクチン、ビトロネクチン、ウロキナーゼ、トロンボモジュリン、アンチトロンビンIII、ヒアルロン酸、ヒアルロン酸エステル、ヘパリン、コンドロイチン硫酸からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む。
好ましくは、タンパク質の由来はヒト、牛、豚、魚、又は遺伝子組み換えである。

生体高分子は化学修飾されていても良い。
好ましくは、化学修飾は、生体高分子をエステル結合、アミド結合、又はエーテル結合を介して別の化合物で修飾することを含む。

好ましくは、合成高分子は、ポリオルソエステル、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、およびそれらの共重合体、ポリエチレンテレフタレート（PET）、及びポリウレタン（PU）からなる群より選ばれる少なくとも１種を含む。
好ましくは、有機フッ素化合物は、アルコール、ケトン、またはカルボン酸である。
好ましくは、有機フッ素化合物は、１，１，１−ヘキサフルオロ−２−プロパノール、トリフルオロエタノール、ヘキサフルオロアセトン、トリフルオロ酢酸、またはペンタフルオロプロピオン酸である。

本発明の別の側面によれば、合成高分子の表面を生体高分子でコーティングした組成物であって、合成高分子に対する生体高分子の割合が、該組成物の表面からの深さとともに連続的に減少している、上記組成物が提供される。
本発明の組成物は、好ましくは、上記した本発明による生体高分子のコーティング方法により製造される組成物である。

本発明によれば、合成高分子表面に生体高分子を、化学結合の導入による化学的変化させることなく、強固にコーティングすることが可能であり、従来技術でのコーティングでは困難であった合成高分子の長期間の生体適合性を達成することが可能となる。例えば、細胞非接着性のポリ乳酸表面に細胞接着性のゼラチンあるいはコラーゲンをコートすることで細胞接着性が、血液適合性のアルブミンをコートすることで血液適合性が、大幅に向上することが期待できる。また、基材表面に生体高分子が強固にコートできていることから、コーティングの剥離のない性能の長期の安定性も期待できる。
さらに、通常の生体高分子を水に接する表面にコートする際には主に架橋剤等により架橋を施している。本発明を利用することで、合成高分子表面に生体高分子を架橋することなく、練りこむことができる。従って、炎症の可能性のある架橋剤を含むことなく、合成高分子表面に強固な生体高分子表面を作製できる。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
本発明による生体高分子のコーティング方法は、合成高分子の表面を、有機フッ素化合物からなる溶媒に溶解した生体高分子でコーティングすることを特徴とする。

本発明で用いる生体高分子は、生体由来の高分子であれば特に限定されないが、好ましくはタンパク質、多糖（例えば、グリコサミノグリカン、プロテオグリカン）、およびそれらの誘導体である。生体高分子は、より好ましくはコラーゲン、ゼラチン、アルブミン、ラミニン、カゼイン、フィブロイン、フィブリン、キチン、キトサン、フィブロネクチン、ビトロネクチン、ウロキナーゼ、トロンボモジュリン、アンチトロンビンIII、ヒアルロン酸、ヒアルロン酸エステル、ヘパリン、コンドロイチン硫酸であり、さらに好ましくは、コラーゲン、ゼラチン、アルブミン、ラミニン、カゼイン、フィブロイン、フィブリン、フィブロネクチン、及びビトロネクチンであり、特に好ましくは、コラーゲン、ゼラチン、アルブミン、カゼイン、フィブロイン、キトサンであり、最も好ましくはコラーゲンまたはゼラチンである。タンパク質の由来は特に限定されず、ヒト、牛、豚、魚、又は遺伝子組み換え体のいずれを用いてもよい。例えば、遺伝子組み換え体のゼラチンとしては、ＥＵ1014176Ａ２、ＵＳ6992172に記載のものを用いることができるがこれらに限定されるものではない。また、生体高分子は部分的に加水分解されていてもよい。

該生体高分子の形態は特に規定しないが、未架橋体、物理的、化学的架橋体、化学修飾体およびそれらの混合体のいずれでも構わない。好ましくは未架橋体または化学修飾体である。最も好ましくは、未架橋体である。生体高分子が化学修飾されている場合、化学修飾の具体例としては、生体高分子と別の化合物間にエステル結合、アミド結合、エーテル結合を含むものを挙げることができる。

また、生体高分子により作製した構造物内には、生体高分子が単独で存在する必要はなく、構造物中に該生体高分子が一部含まれていればよい。

生体高分子は、有機フッ素化合物からなる溶媒に溶解したものを使用する。本発明で用いる有機フッ素化合物の種類は、上記の生体高分子、及び以下で説明する合成高分子の両方を溶解する限り、特に限定されないが、好ましくは炭素数１から８の有機フッ素化合物であり、より好ましくは炭素数１から６の有機フッ素化合物であり、さらに好ましくは炭素数１から３の有機フッ素化合物である。好ましくは、有機フッ素化合物はアルコール、ケトン、またはカルボン酸である。有機フッ素化合物の具体例としては、１，１，１−ヘキサフルオロ−２−プロパノール（以下、HFIPとも言う）、トリフルオロエタノール、ヘキサフルオロアセトン、トリフルオロ酢酸、またはペンタフルオロプロピオン酸を挙げることができ、最も好ましくはヘキサフルオロ−２−プロパノールまたはトリフルオロエタノールである。該有機フッ素化合物は単独で用いてもよいし、または該有機フッ素化合物と相溶性の溶媒と混合して用いてもよい。相溶性の溶媒として好ましくは、水である。コーティングする溶媒中の有機フッ素化合物の組成は、本発明を実施可能である限りは特に限定されないが、好ましくは、溶媒中の有機フッ素化合物の組成が0.0001％以上である。より好ましくは0.1％以上である。さらに好ましくは10％以上である。
また、生体高分子をコーティングする際の生体高分子の濃度は本発明を実施可能である限りは特に限定されないが、実質的には0.0001％以上20％以下である。より好ましくは0.01％以上2％以下である。コーティングの際の生体高分子の濃度を変化させることで、合成高分子中に含まれる生体高分子の量を制御することも可能となる。

有機フッ素化合物からなる溶媒に溶解した生体高分子を塗布し、生体高分子の表面に溶媒が長時間存在すると、合成高分子の内部にまで溶媒が浸透するため、合成高分子のバルクの性質が変化する恐れがある。従って、有機フッ素化合物は塗布後除去されることが望ましい。有機フッ素化合物として、好ましくは沸点が０℃以上１５０℃以下であり、より好ましくは１０℃以上１００℃以下であり、最も好ましくは１５℃以上８０℃以下である。

有機フッ素化合物からなる溶媒に溶解した生体高分子を塗布した後の溶媒の除去過程としては、通常は自然乾燥である。しかし、場合によっては、水洗、加熱および真空操作を加えても良い。溶媒の除去過程においては特に規定はないが、現実的には合成高分子が熱変形する温度以下である。好ましくは０℃以上１５０℃以下である。より好ましくは０℃以上１００℃以下である。より好ましくは０℃以上８０℃以下である。最も好ましくは０℃以上７０℃以下である。湿度は形状保持等に寄与する場合があるが、実施する溶媒や生体高分子および用途に応じて変える必要がある。該溶媒除去過程後の組成物中の有機フッ素化合物の含量に関しては特に規定はないが、医療用途を考えた際には少ないことが望ましい。好ましくは、組成物に対して１％以下である。より好ましくは０．１％以下である。

本発明で用いる合成高分子としては、本発明を実施可能である限り特に限定されないが、好ましくは有機フッ素化合物に溶解する高分子である。合成高分子は、より好ましくはウレタン結合、エステル結合、エーテル結合、およびカーボネート結合を有する高分子、またはビニル重合体、およびそれらの共重合体である。合成高分子は、より好ましくは、ポリオルソエステル類、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、およびそれらの共重合体、ポリ（ε−カプロラクトン）、ポリヒドロキシアルカノエート（PHA）、ポリビニルピロリドン（PVP）、ポリメチレンカーボネート（TMC）、ポリウレタン、セグメント化ポリウレタン、ポリエーテルポリウレタン、ポリエチレンテレフタレート（PET）である。合成高分子は、さらに好ましくは、ポリ（ε−カプロラクトン）、ポリウレタン、セグメント化ポリウレタン、ポリエーテルポリウレタン、PETである。合成高分子は、構造物の一成分として含まれていればよく、他の材料との混合であってもよい。合成高分子の構造物中の重量割合は、本発明を実施可能である限りは特に限定されないが、実質的には１０％以上である。好ましくは３０％以上である。より好ましくは５０％以上である。最も好ましくは８０％以上である。

合成高分子の分子量は特に限定されないが、一般的には1KDa以上10MDa以下であり、好ましくは5 KDa以上500 KDa以下であり、最も好ましくは10 KDa以上100 KDa以下である。さらに、合成高分子には、架橋および／又は化学修飾が施されていても構わない。

合成高分子の形態は、本発明を実施可能である限り特に限定されないが、例えばゲル、スポンジ、フィルム、不織布、ファイバー（チューブ）、粒子などが挙げられる。形状はいずれの形状でも適用可能であるが、例えば角錐、円錐、角柱、円柱、球、紡錘状の構造物および任意の型により作成した構造物が挙げられる。好ましくは、角柱、円柱、紡錘状の構造物および任意の型により作成した構造物である。より好ましくは、角錐、円錐、角柱、円柱である。最も好ましくは角柱、円柱である。例えば、人工血管の内腔面をアルブミンでコートする際には、チューブ状のＰＥＴ内面にアルブミンを含有するHFIP溶液を加え、チューブを回転しながらコート、乾燥することができる。

合成高分子からなる構造物の大きさは特に限定されないが、ゲル、スポンジ、不織布であれば好ましくは500 cm四方以下であり、好ましくは100 cm以下であり、特に好ましくは50 cm以下であり、最も好ましくは10 cm以下である。ファイバー（チューブ）であれば、ファイバーまたはチューブの直径（または一辺）は1 nm以上10 cm以下であり、好ましくは1 nm以上1 cm以下であり、より好ましくは1 nm以上100 μmであり、特に好ましくは1 nm以上1μm以下であり、最も好ましくは1 nm以上10 nm以下である。また、長さも特に限定されるものではないが、好ましくは10 μm以上100 m以下であり、より好ましくは100 μm以上10 m以下であり、さらに好ましくは1 mm以上1 m以下であり、最も好ましくは1 cm以上30 cm以下である。粒子であれば、好ましくは直径1 nmから1 mm、より好ましくは直径10nmから200 μm、さらに好ましくは直径50nmから100 μm、特に好ましくは直径100nmから10μmである。

合成高分子からなる構造物の厚さについては特に限定されないが、好ましくは1 nm以上であり、より好ましくは、10 nm以上であり、より好ましくは100 nm以上であり、より好ましくは1 μm以上であり、さらに好ましくは10 μm以上であり、最も好ましくは100 μm以上である。

本発明においては、合成高分子の表面を、有機フッ素化合物からなる溶媒に溶解した生体高分子でコーティングすることによって、該合成高分子の一部が有機フッ素化合物に溶解している。これにより、合成高分子の表面を生体高分子でコーティングした組成物において、合成高分子に対する生体高分子の割合が、該組成物の表面からの深さとともに連続的に減少するようになる。即ち、本発明の方法によれば、合成高分子の表面を生体高分子でコーティングした組成物であって、合成高分子に対する生体高分子の割合が、該組成物の表面からの深さとともに連続的に減少している組成物を製造することができ、このような構造を有する組成物も本発明の範囲内である。

以下の実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は実施例によって限定されるものではない。

実施例１：PETフィルムのアルブミンコーティング
0.1％アルブミンを含む水溶液（400 μL）または１，１，１−ヘキサフルオロ−2−プロパノール（HFIP）溶液（400 μL）をPETフィルム上（2 cm x 2 cm）に塗布し、1日間自然乾燥した。該フィルムを37℃の水に浸漬し、1時間振とうした。該フィルムの水の後退接触角を測定すると、水溶液の塗布により作製したフィルムは未処理のPETフィルムと同様に65 ± 5度（未処理のPETフィルム：68±4度）であった。一方、HFIP溶液の塗布により作製したフィルムの水の後退接触角は大幅に減少し、11±6度となった。塗布の溶媒をHFIPとすることで、PETフィルムに効果的にアルブミンコートができたと言える。さらに、HFIPがPET表面を部分的に溶解し、PETに対するアルブミン濃度が連続的に減少した。

実施例２：PETフィルムのゼラチンコーティング
実施例１にて行った手法にて、PETフィルムのゼラチンコートを行った。実施例１と同様に、水を塗布溶媒に用いた場合には、水での洗浄後の後退水接触角が未処理と同様であった。一方、トリフルオロエタノールを溶媒に用いた場合は、水の後退接触角が大幅に減少し、13±6度となった。塗布溶媒をTFEとすることで、PET上にゼラチンを効果的にコートできたと言える。

本発明によれば、合成高分子表面に生体高分子を、化学結合の導入による化学的変化させることなく、強固にコーティングすることが可能である。

Claims (7)

1. 合成高分子の表面を、有機フッ素化合物からなる溶媒に溶解した生体高分子でコーティングすることによって、合成高分子の表面を有機フッ素化合物によって部分的に溶解し、合成高分子に対する生体高分子の割合が該組成物の表面からの深さとともに連続的に減少している組成物を製造することを含む、生体高分子のコーティング方法において、
   生体高分子が、コラーゲン、ゼラチン、アルブミン、ラミニン、カゼイン、フィブロイン、フィブリン、キトサン、フィブロネクチン、ビトロネクチン、ウロキナーゼ、トロンボモジュリン、アンチトロンビンIII、ヒアルロン酸、およびヒアルロン酸エステルからなる群より選ばれる少なくとも一種を含み、
   合成高分子が、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリエチレンテレフタレート（PET）、及びポリウレタン（PU）からなる群より選ばれる少なくとも１種を含み、
   有機フッ素化合物が、アルコール、ケトン、またはカルボン酸である、
   上記の生体高分子のコーティング方法。
2. 生体高分子が化学修飾されている、請求項１に記載の方法。
3. 化学修飾が、生体高分子をエステル結合、アミド結合、又はエーテル結合を介して別の化合物で修飾することを含む、請求項２に記載の方法。
4. 有機フッ素化合物が、１，１，１−ヘキサフルオロ−２−プロパノール、トリフルオロエタノール、ヘキサフルオロアセトン、トリフルオロ酢酸、またはペンタフルオロプロピオン酸である、請求項１から３の何れか１項に記載の方法。
5. 生体高分子が、ゼラチン又はアルブミンであり、合成高分子が、ポリエチレンテレフタレート（PET）であり、有機フッ素化合物が、１，１，１−ヘキサフルオロ−２−プロパノール又はトリフルオロエタノールである、請求項１から４の何れか１項に記載の方法。
6. 合成高分子の表面を、有機フッ素化合物からなる溶媒に溶解した生体高分子でコーティングした組成物であって、合成高分子の表面が有機フッ素化合物によって部分的に溶解していて、合成高分子に対する生体高分子の割合が、該組成物の表面からの深さとともに連続的に減少していて、
   生体高分子が、コラーゲン、ゼラチン、アルブミン、ラミニン、カゼイン、フィブロイン、フィブリン、キトサン、フィブロネクチン、ビトロネクチン、ウロキナーゼ、トロンボモジュリン、アンチトロンビンIII、ヒアルロン酸、およびヒアルロン酸エステルからなる群より選ばれる少なくとも一種を含み、
   合成高分子が、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリエチレンテレフタレート（PET）、及びポリウレタン（PU）からなる群より選ばれる少なくとも１種を含み、
   有機フッ素化合物が、アルコール、ケトン、またはカルボン酸である、
   上記組成物。
7. 請求項１から５の何れかに記載の方法により製造される、請求項６に記載の組成物。