JP5706691B2 - ハイドロゲルの製造方法,及びハイドロゲル - Google Patents
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Description
〈四分岐化合物の作製〉
2つの四分岐化合物TAPEG(テトラアミン−ポリエチレングリコール)とTNPEG(N−ヒドロキシ−スクシンイミジル−ポリエチレングリコール(NHS−PEG))は,末端にヒドロキシル基を有するTHPEG(テトラヒドロキシル−ポリエチレングリコール)をそれぞれアミノ化,スクシンイミジル化することによって得た。
開始剤のペンタエリスリトール(0.4572mmol,62.3mg)をDMSO/THF(v/v=3:2)50mLの混合溶媒に溶解させ,メタル化剤にカリウムナフレン(0.4157mmol,1.24mg)を用い,エチレンオキシド(200mmol,10.0mL)を加え,約2日間,Ar存在下,60℃で加熱攪拌した。反応終了後,ジエチルエーテルに再沈殿させ,濾過により沈殿物を取り出した。さらに,ジエチルエーテルで3回洗浄し,得られた白色固体を減圧乾燥することにより,20kのTHPEGを得た。
THPEG(0.1935mmol,3.87g,1.0equiv)をベンゼンに溶解させ,凍結乾燥した後,THF62mLに溶解させ,トリエチルアミン(TEA)(0.1935mmol,3.87g,1.0equiv)を加えた。別のナスフラスコにTHF31mLとメタンスルホニルクロライド(MsCl)(0.1935mmol,3.87g,1.0equiv)を加え,氷浴につけた。THPEG,TEAのTHF溶液にMsClのTHF溶液を約1分間かけて滴下し,30分間氷浴中で攪拌した後,室温で1時間半攪拌した。反応終了後,ジエチルエーテルに再沈殿させ,濾過により沈殿物を取り出した。さらに,ジエチルエーテルで3回洗浄し,得られた白色固体をナスフラスコに移し,25%アンモニア水250mLを加え,4日間攪拌した。反応終了後,エバポレーターにより溶媒を減圧留去し,水を外液に2,3回透析を行い,凍結乾燥することにより,白色固体のTAPEGを得た。作製したTAPEGの化学式は式(Ia)に示した。式(Ia)中,n11〜n14は,TAPEGの分子量が約10,000(10kDa)のとき50〜60であり,分子量が約20,000(20kDa)のとき100〜115であった。
THPEG(0.2395mmol,4.79g,1.0equiv)をTHFに溶解させ,0.7mol/lグルタル酸/THF溶液(4.790mmol,6.85mL,20equiv)を加え,Ar存在下,6時間攪拌した。反応終了後,2−プロパノールに滴下し,遠心分離機に3回かけた。得られた白色固体は300mLナスフラスコに移し,エバポレーターにより溶媒を減圧留去した。残渣をベンゼンに溶解させ,不溶物を濾過によって取り除いた。得られた濾液を凍結乾燥により溶媒を除去することで,末端がカルボキシル基で修飾された白色固体のTetra−PEG−COOHを得た。このTetra−PEG−COOH(0.2165mmol,4.33g,1.0equiv)をTHFに溶解させ,N−ハイドロスクシンイミド(2.589mmol,0.299g,12equiv),N,N’−ジイソプロピルスクシンイミド(1.732mmol,0.269mL,8.0equiv)を加え,3時間,40℃で加熱攪拌した。反応終了後,エバポレーターにより溶媒を減圧留去した。クロロホルムに溶解させ,飽和食塩水で3回抽出し,クロロホルム層を取り出した。さらに,硫酸マグネシウムで脱水,濾過を行った後,エバポレーターにより溶媒を減圧留去した。得られた残渣のベンゼン凍結乾燥を行い,白色固体のTNPEGを得た。作製したTNPEGの化学式は式(IIa)に示した。式(IIa)中,n21〜n24は,TNPEGの分子量が約10,000(10k)のとき45〜55であり,分子量が約20,000(20k)のとき90〜115であった。
〈ゲルの強度に与える溶媒種の効果〉
TAPEG(Ia)(10k),TNPEG(IIa)(10k)をそれぞれ100mg/mLの濃度で純水,リン酸緩衝液(pH7.4),リン酸緩衝生理食塩水(PBS),生理食塩水に溶解させた。調整後,得られた溶液を速やかに二液混合し,37℃でゲル化させ,ゲル化後のゲル強度を測定した。強度としては,直径15mm,高さ7.5mmの円筒状サンプルに直径2mmの進入棒を進入させ,98%まで進入させた際の圧力を用いた。
〈ゲル化強度及びゲル化時間に与える溶媒pHの効果〉
TAPEG(Ia)(10k),TNPEG(IIa)(10k)をそれぞれ100mg/mLの濃度でリン酸緩衝液(pH6.0,7.4(以上,実施例3),9.0(比較例1)),クエン酸緩衝液(pH6.0,7.4(以上,実施例3),9.0(比較例1))に溶解させた。調整後,得られた溶液を速やかに二液混合し,37℃でゲル化させ,ゲル化後のゲル強度を測定した。強度としては,直径15mm,高さ7.5mmの円筒状サンプルに直径2mmの進入棒を侵入させ,98%まで侵入させた際の圧力を用いた。
〈ゲル強度及びゲル化時間に与える緩衝液濃度の効果〉
TAPEG(10k),TNPEG(10k)をそれぞれ100mg/mLの濃度でリン酸緩衝液(pH7.4,2mM,20mM,100mM,200mM),クエン酸緩衝液(pH7.4,2mM,20mM,100mM,200mM)に溶解させた。調整後,得られた溶液を速やかに二液混合し,37℃でゲル化させ,ゲル化後のゲル強度を測定した。強度としては,15mm,高さ7.5mmの円筒状サンプルに直径2mmの侵入棒を侵入させ,98%まで侵入させた際の圧力を用いた。
〈ゲル強度及びゲル化時間に与える塩濃度の効果〉
TAPEG(Ia)(10k),TNPEG(IIa)(10k)をそれぞれ100mg/mLの濃度で塩化ナトリウム濃度,0mM,50mM,100mM,200mM溶解させた水溶液及びリン酸緩衝液(pH7.4,20mM)に溶解させた。調整後,得られた溶液を速やかに二液混合し,37℃でゲル化させ,ゲル化後のゲル強度を測定した。強度としては,直径15mm,高さ7.5mmの円筒状サンプルに直径2mmの侵入棒を侵入させ,98%まで侵入させた際の圧力を用いた。
〈ゲル作製溶媒の最適化実験〉
TAPGE(Ia)(10k),TNPEG(IIa)(10k)の両方をリン酸緩衝液(pH7.4,50mM),及びTAPEG(Ia)のみをリン酸緩衝液(pH7.4,50mM),TNPEG(IIa)のみをクエン酸・リン酸緩衝液(pH5.8,5.0mM)にそれぞれ100mg/mLの濃度で溶解させた。調整後,得られた溶液を速やかに二液混合し,37℃でゲル化した。ゲル形状は直径15mm,高さ7.5mmの円筒形に成形し,ゲルの圧縮弾性率を測定した。
〈TAPEGとPNPEGの混合比率検討〉
TAPEG(Ia)(分子量約10k)とTNPEG(IIa)(分子量約10k)(前駆物質の全量=600mg)をそれぞれpH7.2およびpH7.4の100mMリン酸緩衝液(10mL)に一定全量溶解した。TAPEG(Ia)とTNPEG(IIa)のモル比率を0.33〜3.0の範囲になるように,等液量の各化合物溶液を室温下で混合し,ゲル化は2時間,直径15mm,高さ7.5mmの円筒形上に成形した。圧縮試験は機械的試験装置(Instron Corporation製(INSTRON3365)を用いて,速度0.75mm/minで行った。結果を図4及び図5に示した。
〈圧縮破断強度の測定〉
分子量20,000のTAPEG(Ia)とTNPEG(IIa)を160mg/mLの濃度で100mMのリン酸緩衝溶液,クエン酸・リン酸緩衝溶液に溶解させ,二液を混合した結果,1分程度で無色・透明なハイドロゲルが形成された。直径7mm,高さ3.5mmの円筒状のサンプルを作製し,圧縮試験機(Instron)を用いて圧縮強度試験を行った。その結果を図6に示した。図6の縦軸は応力[MPa]をしめし,横軸はハイドロゲルの歪み[%]を示す。この結果,このハイドロゲルは,90%以上の歪みを与えても破断することなく,また,100MPaを超える応力にも耐えることができた。この値は,従来のハイドロゲルの強度はおろか,生体軟骨の破断応力である10MPaをはるかに凌駕する値であり,関節軟骨を始め,高負荷のかかる椎間板などへの応用も可能であると考えられる。
〈中性子散乱測定による網目構造の均一性解析〉
分子量10,000のTAPEG(Ia)とTNPEG(IIa)を様々な濃度で50mMのリン酸緩衝溶液(pH7.4),クエン酸・リン酸緩衝溶液(pH5.8)に溶解させ,二液を混合することでハイドロゲルを作製した。得られたハイドロゲルに対して,構造における不均一性を解析するために,中性子散乱測定を行った。その結果を図7に示した。
〈マウス背部への皮下埋植試験〉
分子量20,000のTAPEG(Ia)とTNPEG(IIa)を160mg/mLの濃度で100mMのリン酸緩衝溶液(pH7.4),クエン酸・リン酸緩衝溶液(pH5.8)に溶解させた。得られた溶液を二液混合シリンジにロードし,C57BL/6マウスの背部へ注入した。その後,マウス皮下において,ゲル化が起こったことを触診により確認した。埋食後1ヶ月でマウスを解剖し,埋植部の組織観察を行った。埋植部の写真を図8に示した。結果,一切の炎症反応や毒性反応は見られなかった。
〈イヌ膝軟骨への埋植試験〉
関節軟骨疾患への適用の試験をするために,イヌ膝軟骨に直径3mmの欠損を作製し,二液混合シリンジを用いてオンサイトでゲルを作製した。手術後2ヶ月・4ヶ月で解剖し,埋植部を観察した。その結果を図9に示した。図9A〜図9Cは,手術後2か月後の埋植部を示し,図9D〜図9Fは,手術後4か月後の埋植部を示す。結果,患部にハイドロゲルは残っており,炎症反応や毒性反応は見られなかった。
〈ブタ椎間板への埋植試験〉
椎間板用充填剤としての適用の試験をするために,ブタの椎体より髄核を抽出し,その空隙に二液混合シリンジを用いてハイドロゲルを作製した。椎体内の髄核を除いた空隙部においてハイドロゲルの作製は可能であった。その結果を図10に示した。図10Aは,埋植中の写真を示し,図10Bは,埋植後の椎間板の写真を示す。
〈ゲルの分解速度の検討〉
ゲルの分解速度を検討するために,TAPEG(Ia)(下記式(Ia)),TNPEG(IIa)(下記式(IIa)),及びTNPEG(IIb)(下記式(IIb))の3種類の四分岐化合物を用いた。
〈ハイドロゲル存在下での細胞増殖活性の検討〉
マウス繊維芽細胞株NIH3T3,マウス軟骨前駆細胞株ATDC5,マウス骨芽細胞株MC3T3−E1をそれぞれ12wellプレートに40,000個/2mL/wellで播種し,24時間培養した。なお,培養培地は,Dulbecco’s Modified Eagle Medium(DMEM)(Sigma社製)に,10%FBS(Gibco社製)および1%ペニシリン/ストレプトマイシンを含む培地を用いた。各種細胞を24時間培養後,培養培地を新鮮な培地に交換した。その後,培養液の0.25%vol/vol,0.5%vol/vol,1.0%vol/volに相当するハイドロゲルをトランスウェルを使用して培養液中に浸漬し,24時間培養した。なお,ハイドロゲルは,表6中,パターン2の組み合わせのものを用いた。各細胞に関して,Cell counting kit-8(Wako社製)を使用して,細胞増殖活性を測定した。細胞増殖活性は,各wellの吸光度(OD450nm)を測定することで調べた。その結果を図12に示した。
Claims (10)
- ハイドロゲルの製造方法であって,
第1の四分岐化合物と第1の緩衝液を含む第1の溶液と,第2の四分岐化合物と第2の緩衝液を含む第2の溶液とを混合する混合工程とを含み,
前記第1の四分岐化合物は,
下記式(I)で表わされ,
前記式(I)中,R11〜R14は,それぞれ同一又は異なり,
C1−C7アルキレン基,C2−C7アルケニレン基,−NH−R15−,−CO−R15−,−R16−O−R17−,−R16−NH−R17−,−R16−CO2−R17−,−R16−CO2−NH−R17−,−R16−CO−R17−,又は−R16−CO−NH−R17−を示し,
ここで,R15はC1−C7アルキレン基を示し,
R16はC1−C3アルキレン基を示し,
R17はC1−C5アルキレン基を示し,
前記第2の四分岐化合物は,
下記式(II)で表わされ,
前記式(II)中,R21〜R24は,それぞれ同一又は異なり,C1−C7アルキレン基,C2−C7アルケニレン基,−NH−R25−,−CO−R25−,−R26−O−R27−,−R26−NH−R27−,−R26−CO2−R27−,−R26−CO2−NH−R17−,−R26−CO−R27−,又は−R26−CO−NH−R27−を示し,
ここで,R25はC1−C7アルキレン基を示し,
R26はC1−C3アルキレン基を示し,
R27はC1−C5アルキレン基を示し,
前記第1の緩衝液は,pHが6〜8,及び濃度が20〜200mMであり,
前記第2の緩衝液は,pHが5〜7.5,及び濃度が20〜200mMである,
ハイドロゲルの製造方法。 - 前記R11〜R14は,C1−C7アルキレン基であり,
前記R21〜R24は,−CO−R25−(R25はC1−C7アルキレン基を示す)である,
請求項1に記載の製造方法。 - 前記R11〜R14は,C2−C4アルキレン基であり,
前記R21〜R24は,−CO−R25−(R25はC2−C4アルキレン基を示す)である,
請求項1に記載の製造方法。 - 前記第1の緩衝液は,
リン酸緩衝液,又はリン酸緩衝生理食塩水のいずれか1つ又は2つを含み,
前記第2の緩衝液は,
リン酸緩衝液,クエン酸・リン酸緩衝液,リン酸緩衝生理食塩水,又はクエン酸・リン酸緩衝生理食塩水のいずれか1つ又は2つ以上を含む,
請求項1に記載の製造方法。 - 前記混合工程後の混合溶液は,
塩濃度が1×10−1〜1×102mMである,
請求項1に記載の製造方法。 - 前記第1の緩衝液は,
前記pHが6〜8である20mM〜100mMのリン酸緩衝液であり,
前記第2の緩衝液は,
前記pHが5〜7.5である20mM〜100mMのリン酸緩衝液,又は前記pHが5〜7.5である20〜100mMのクエン酸・リン酸緩衝液のいずれかである,
請求項1に記載の製造方法。 - 第1の四分岐化合物と第1の緩衝液を含む第1の溶液と,第2の四分岐化合物と第2の緩衝液とを含む第2の溶液とを混合する混合工程を含み,
前記第1の四分岐化合物は,
下記式(I)で表わされ,
前記式(I)中,R11〜R14は,それぞれ同一又は異なり,
C1−C7アルキレン基,C2−C7アルケニレン基,−NH−R15−,−CO−R15−,−R16−O−R17−,−R16−NH−R17−,−R16−CO2−R17−,−R16−CO2−NH−R17−,−R16−CO−R17−,又は−R16−CO−NH−R17−を示し,
ここで,R15はC1−C7アルキレン基を示し,
R16はC1−C3アルキレン基を示し,
R17はC1−C5アルキレン基を示し,
前記第2の四分岐化合物は,
下記式(II)で表わされ,
前記式(II)中,R21〜R24は,それぞれ同一又は異なり,C1−C7アルキレン基,C2−C7アルケニレン基,−NH−R25−,−CO−R25−,−R26−O−R27−,−R26−NH−R27−,−R26−CO2−R27−,−R26−CO2−NH−R17−,−R26−CO−R27−,又は−R26−CO−NH−R27−を示し,
ここで,R25はC1−C7アルキレン基を示し,
R26はC1−C3アルキレン基を示し,
R27はC1−C5アルキレン基を示し,
前記第1の緩衝液は,
pHが6〜8,及び濃度が20〜200mMであり,
前記第2の緩衝液は,
pHが5〜7.5,及び濃度が20〜200mMである,
ハイドロゲルの製造方法により製造されたハイドロゲル。 - 第1の四分岐化合物と第2の四分岐化合物とを,モル比0.8:1〜1.2:1で含む
ハイドロゲルであって,
前記第1の四分岐構造化合物は,
下記式(I)で表わされ,
前記式(I)中,R11〜R14は,それぞれ同一又は異なり,
C1−C7アルキレン基,C2−C7アルケニレン基,−NH−R15−,−CO−R15−,
−R16−O−R17−,−R16−NH−R17−,−R16−CO2−R17−,−R16−CO2−NH−R17−,−R16−CO−R17−,又は−R16−CO−NH−R17−を示し,
ここで,R15はC1−C7アルキレン基を示し,
R16はC1−C3アルキレン基を示し,
R17はC1−C5アルキレン基を示し,
前記第2の四分岐構造化合物は,
前記式(II)で表わされ,
前記式(II)中,R21〜R24は,それぞれ同一又は異なり,C1−C7アルキレン基,C2−C7アルケニレン基,−NH−R25−,−CO−R25−,−R26−O−R27−,−R26−NH−R27−,−R26−CO2−R27−,−R26−CO2−NH−R17−,−R26−CO−R27−,又は−R26−CO−NH−R27−を示し,
ここで,R25はC1−C7アルキレン基を示し,
R26はC1−C3アルキレン基を示し,
R27はC1−C5アルキレン基を示し,
前記ハイドロゲルの中性子散乱の散乱曲線が,オルンシュタイン−ゼルニケ関数でフィッティングされる,
ハイドロゲル。 - 圧縮破断強度が10〜120MPaである,
請求項8に記載のハイドロゲル。 - 第1の四分岐化合物と第2の四分岐化合物と第3の四分岐化合物とを,モル比0.3〜0.7:0.1〜0.65:0.1〜0.65で含むハイドロゲルであって,
前記第1の四分岐化合物は,下記式(I)で表わされ,
前記第2の四分岐化合物は,下記式(II)で表わされ,
前記第3の四分岐化合物は,前記式(II)で表わされ,
式(II)中,n21〜n24は,それぞれ同一又は異なり,45〜55の整数を示すものであり,R21〜R24は,同一又は異なるC1−C7アルキレン基である,
ハイドロゲル。
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