JP6012706B2 - 生体適合性ポリカプロラクトンフマレート剤 - Google Patents
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Description
本出願は、2011年4月8日付で提出された米国仮出願第61/473,347号に基づく優先権を主張する。その米国仮出願の全体は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、国立衛生研究所によって授与されたNIH / NIAMS AR056950および(MRMC)W81XWH -08-2-0034下で政府の支援を受けてなされた。政府は本発明について一定の権利を有する。
したがって、分解中全くジエチレングリコールまたは他の望ましくない副産物を放出しない生体適合性ポリカプロラクトンフマレート製剤が必要とされている。
Cは[化4]
nは、1〜50の整数である。
Cは[化9]
nは、1〜50の整数である。
A.材料
全ての化学物質および試薬は、特に言及されない限り、利用可能な最高純度でフィッシャー(Fisher)社又はアルドリッチ(Aldrich)社から入手し、使用した。ε-カプロラクトンを100℃にて真空下で蒸留し、使用するまで窒素雰囲気下で保存した。フマリルクロライドは、使用前に蒸留した。
すず(II)エチルヘキサン酸(Tin(II)ethylhexanoate)(2.08g、0.005モル)および1、2プロパンジオール(9.8g、0.128モル)を攪拌棒でシュレンフラスコ(Schlenk flask)に加えた。フラスコをポンプダウン(pump down)し、N2で3回埋め戻し、N2下でε−カプロラクトンを加えた。反応容器を140℃の油浴に1時間放置し、次いで室温まで冷却した。冷却によって溶融したポリマーが固体化し、塩化メチレン中に溶解させて、石油エーテル中に沈殿させた。沈殿したポリマーを60℃で真空乾燥し、そのまま使用した。
炭酸カリウム(18.0g、0.13モル)を、還流冷却器(reflux condenser)を備えた三つ口フラスコに添加し、N2でパージした(purge)。ポリカプロラクトンジオール(225g、0.11モル)を600mlの塩化メチレン中に溶解し、フラスコに添加した。20mLの塩化メチレンに溶解した、新たに蒸留したフマリルクロライド(17.2g、0.11モル)を反応容器に滴下し、12時間加熱還流した。次いで、反応物をろ過して、K2CO3を除去し、石油エーテル中に沈殿させた。ポリマーを乾燥し、そのまま使用した。
以前に乾燥シュレンクフラスコに、スズ(II)エチルヘキサン酸(0.406g、0.001モル)を加え、その後1,2 -プロパンジオール(3.81g、0.05モル)を加えた。シュレンクフラスコを1 mmHgに排気し、N2で3回埋め戻した。カプロラクトン(103g、0.9モル)を容器に添加し、その容器を140℃で40分間加熱し、次いで60℃に冷却した。この時点でのGPC分析は、カプロラクトンの重合が完了したことを示す。300mLのテトラヒドロフランをシュレンクフラスコに添加し、反応をさらに23℃に冷却した。K2CO3をシュレンクフラスコに添加しに添加してから、フマリルクロライド(7.23g、0.0473モル)を滴下した。反応混合物を23℃で20時間攪拌した。溶液を400 mLのテトラヒドロフランで希釈し、溶液を静かに注いで(decant)K2CO3から分離してから、水100mLを添加した。溶液を1時間撹拌し、次いでMgSO4上で乾燥させた。MgSO4を用いてテトラヒドロフランの大部分を蒸発させ、ポリマーを塩化メチレンに溶解した。塩化メチレン層は、MgSO4を用いて乾燥し、ろ過し、その後、蒸発させた。ポリマーを石油エーテル中に沈殿させ、乾燥させ、そして、そのまま使用した。
ポリマーの分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)を用いて測定した。GPCシステムは、ウォーターズ2410屈折率検出器、515 HPLCポンプ、および717プラスオートサンプラー(Plus autosampler)と、スチラゲル(Styragel)HR4Eカラムで構成されていた。THFを溶離液(eluent)として使用した(1mL /分)。ポリスチレン標準を使用して、MnおよびPDIを決定した。1H NMRスペクトルは、CDCl3中の300MHバリアン(Varian)NMR上に記録した。
ポリカプロラクトンフマレート(PCLF)(3.0 g)を1mLの塩化メチレンに溶解した。光開始剤イルガキュア(Irgacure)819アシルホスフィンオキシド(acyl-phosphine oxide)(0.3g)を3mLの塩化メチレンに溶解させ、300μLをPCLFに添加した。混合物を穏やかに(gently)加熱し、均質な溶液を確保するためにボルテックスした。混合物は、フィルム、および、チューブ作製用のガラス型に注いだ。その金型(ガラス型)は0.5mmだけ分離された二つのガラス板で構成されていた。ポリマー混合物を含む金型をUVチャンバーに入れ、架橋を誘導するために、315〜380 nmで1時間照射した。
PCLF足場を、1MのNaOHを含有するD2Oで37℃にて分解させた。
予め形成されたフィルム又はチューブ足場を、滅菌パウチ内にパッケージし、23 psi、125℃で25分間オートクレーブした。
熱重量分析(Thermogravimetric analysis;TGA)は、TAインストルメントQ500熱分析計(thermal analyzer)上で行った。流動窒素下で、サンプルを室温から800℃まで5℃/分の速度で加熱した。動的な走査熱量測定(DSC)は、TAインストルメントQ1000示差走査熱量計上で行った。サンプル間の同じ熱履歴を確実にするために、サンプルに対して窒素雰囲気下で加熱−冷却−加熱サイクルを行った。サンプルを室温から100℃まで加熱し、その後、−80℃に冷却し、その後、5℃/分の速度で150℃まで加熱した。
機械試験(mechanical testing)は、TAインストルメントダイナミックメカニカルアナライザー2980上で行った。材料の三点曲げ特性を分析するために、円筒ジオメトリ足場をTAインストルメントDMA 2980三点曲げクランプ上に設け、そして、0.02の予圧力(preload force)を印加した。1.0 N/分のランプ力(ramping force)を、材料破壊または18 Nを達成するまで、印加した。サンプルの曲げ弾性率を、37℃での一晩の平衡化後の室温で、および、オートクレーブ後の室温で測定した。TAインストルメントの共通分析ソフトウェアを使用して、すべての材料につき5%歪みで該材料の曲げ弾性率を確認した。延伸および引張測定では、PCLFフィルムが2.1mmの直径を有する犬用の骨の形状に切断した。予め50℃に加熱した後に、サンプルの半分を室温での水浴中に放置し、サンプの半分を37℃の水浴中に放置した。各足場は、TAインストルメントのダイナミックメカニカルアナライザー(DMA)2980張力クランプ(tension clamp)上に設けた。サンプル上に加えられた力は、0.02ニュートン(N)で開始し、18.0 N又は材料の破壊点(failure point)に到達するまで1.0 N /分の速度で上げた。続いて、足場の引張係数(tensile modulus)は、ストレス/歪み曲線の線状部分の傾きを測定することによって決定した。
架橋PCLFポリマーフィルムの線形粘弾性特性は、ねじり動的機械分析装置(TAインストルメントのAR2000レオメータ)を使用して測定した。線形粘弾性領域は、1Hzの周波数で歪掃引(strain sweep)を用いて決定した。0.05%の歪みおよび振動応力10kPaは、全てのポリマーに対して該線形粘弾性領域内にあることが分かり、全てのさらにレオメトリー測定に使用された。0.1〜628.3rad/sの周波数掃引(frequency sweep)は、ストレージ(G’)と損失(G”)係数を測定するために使用された。
10%熱不活性化ウマ血清、5%加熱不活化ウシ胎児血清および0.5%ペニシリン/ストレプトマイシンを補充したDMEM培地をPC12細胞培地のために用いた。PCLF複合材料を、前述のように直径1.0cmのディスク状に作製し、70%エタノールで滅菌して、そのまま使用した。PCLF足場から滲出する(浸出する)残留出発物質の毒性は、非接触法を用いて評価した。PC12細胞を、トランスウェル(transwell)中に含有されたポリマー材料を添加する前に、24時間20,000細胞数/cm2の密度で12−ウェルプレートにシード(seed)した。PC21細胞をポリマー材料の存在下で1日培養し、その後、MTS分析で細胞数を定量し、そのトランスウェルを、細胞を含有するウェルに移してから更に3〜7日培養した。
A.ポリカプロラクトンおよびポリカプロラクトンフマレートポリマーの合成
ポリカプロラクトン前駆体ポリマーは、モノマー:開始剤の比率19:1で、1,2プロパンジオールまたはグリセロール開始剤から合成した。この比率は、エチレングリコール(DEG)から合成された市販されるポリカプロラクトンエーテルジオールに類似した分子量を有するポリカプロラクトンを合成するために、選択したものである。ポリカプロラクトン前駆体をGPCによって分析して、同様の分子量を確認した。
新たな架橋ポリカプロラクトンフマレート足場の材料特性を研究するために、0〜100重量%のPCLFGLY、および、PCLFPPDの組成物を作製した。熱、膨潤、機械的、およびレオロジー特性を評価し、以前に研究したPCLFDEGと比較した。図5は、PCLFの熱転移(thermal transition)を測定するために使用される示差走査熱量測定(DSC)からの加熱と冷却のトレース(trace)を示す。Tm、TC、Tg、△Hm、△Hc、および%結晶化度を分析した結果を表2に示す。
架橋ポリマーフィルムの膨潤比は、相対的な架橋密度の指標である。材料がより高度に架橋されればされるほど、シータ溶媒中に置かれたときに膨潤はより少なくなる。図7は、架橋ポリカプロラクトンフマレートの膨潤比におけるわずかな相違を示す。PCLFDEGは最も高い膨潤率を有しているが、それは、最も架橋密度が低いことを示す。興味深いことに、PCLFPPDおよびPCLFGLYの両方は、より高い架橋密度を示す同様の低い膨潤比を有しているが、PCLFPPD50PDLFGLY50は、(PCLFDEG)同様の膨潤比を有している。
ポリマー足場内の結晶領域の存在およびパーセントは足場機械的特性に大きく影響を与え、通常、結晶化度が増加するにつれて材料の機械的強度が増加する。PCLFGLY、PCLFPPD、および、PCLFLDEGの結晶特性の相違に基づいて、曲げ率や引張率を測定した。図8Aは、延伸モード(stretching mode)におけるPCLF材料の応力ひずみ(stress strain)プロットを示す。この応力ひずみプロットによれば、ポリマー材料は明らかに異なる性質を有している。PCLFDEG、および任意の量のPCLFPPDを含有する製剤は、20%未満の低ひずみにおいて可逆弾性特性(reversible elastic properties)を有するゴムのような性質を示す。PCLFGLY100応力ひずみ曲線は、低い応力下で高いひずみを持つエラストマー材料に似ている。5%ひずみにおける引張及び曲げ率の測定結果を図8Bに示す。PCLFDEGは それぞれ88 ± 13および67±10 MPaの引張および曲げ率(曲げ弾性率)を示す。PCLFPPDは若干減少された率、55 ± 4および47±8を示すが、PCLFGLYはそれぞれ有意に低い引張および曲げ率4 ± 1および7 ± 1 MPaを示す。PCLFGLY及びPCLFPPDブレンドの率は、PCLFPPDのパーセントが増加するにつれて増加した。
レオロジーは、異なるポリカプロラクトンフマレート材料とそのブレンドの粘弾性特性を分析するために使用された。周波数スイープ(frequency sweep)およびクリープ(creep)実験は、貯蔵および損失率(storage and loss modulus)、並びに、材料のコンプライアンスおよび回復挙動を測定するために採用した。これらのパラメータを使用して、架橋ポリカプロラクトンフマレートの粘弾性挙動に対する異なる結晶性微細構造の影響を調べるとともに、オートクレーブ滅菌後の材料の変化を評価した。PCLF材料の線形弾性領域(linear elastic region)は、1Hzの周波数において0.1〜100%ひずみのひずみスイープ(strain sweep)を実行することによって決定した。G’がひずみ(図9A)又は振動応力(図9B)から独立している線形領域は、重なる線形粘弾性領域(overlapping linear viscoelastic region)を決定するために使用された。すべての周波数掃引(frequency sweep)は0.05%ひずみにおいて行われ、保存率(storage modulus; G’)および損失率(loss modulus; G”)対周波数をすべてのPCLF組成物について図9Aおよび図9Dにて示す。G’は、生理学的に関連する37℃で測定され、すべてのPCLF材料において周波数から独立していることが示された。PCLFDEGおよびPCLFPPDはPCLF100rad/sにおいてそれぞれ最も高いG’14.7および12.4MPaを有する。G’はPCLFGLYの量が増加するにつれて減少するが、PCLFPPD25PCLFGLY75については3.7MPaまで減少し、PCLFGLY100は0.3MPaのG’を有する。その値は、他の全ての組成物よりも一桁以上低い。G”は、PCLFGLYにおいては周波数依存的な挙動を示すが、他の全てのPCLF組成物においては主に独立している。G”測定値は、G’よりも一桁分低いが、この関係を図9Eにおいてtanδとしてプロットしている。tanδは材料の弾力性(elasticity)を評価するために使用することができ、G”/G’対周波数としてプロットされる。図9Eは、すべてのPCLF材料が約0.1のtanδ値を有することを示すが、それは、G’およびG”値に差異があるにもかかわらず類似した弾性挙動を示すことを意味する。
滅菌は生体材料を臨床用製品にするのに重要である。オートクレーブ滅菌は、迅速、有効、かつ、FDAの認証を受けた滅菌法であるために、PCLFに対するオートクレーブプロセスの効果を調べた。スチーム存在下、123℃で23分という標準的なオートクレーブ手順を採用した。オートクレーブ滅菌が終わった直後にすべての材料は透明であったが、足場が冷めるにつれてゆっくりと不透明になった。3次元構造を維持し、足場には特に目立った変化はなかった。材料変化(material change)を決定するために、PCLF熱およびレオロジー特性を評価し、オートクレーブ処理前の特性と比較した。表3は、オートクレーブ後PCLF材料における熱転移の変化およびDSC結果を示す。
PCLPPDは市販のPCLDEGと類似した線形ポリマー構造(linear polymer architecture)であるが、PCLGLYは、三分岐星型ポリマー(tri-branched star polymer)である。三分岐星型ポリマーは、余分の(over)分子量が同じとなるように設計されているため、個々のPCL鎖がPCLPPD又はPCLDEGよりもPCLGLYにおいてより短い。
ポリマー材料の結晶性はその機械的特性に大きな影響を与える。PCLFは生理的な温度に非常に近いTmを有する半結晶性材料である。結晶領域は材料強度に多大な影響を与えるため、材料の熱的挙動を理解することは重要である。したがって、機械的特性は、PCLFが結晶質の状態であるか、無定形の状態であるかによって、大きく変わり得る。DSCデータによれば、線形PCLFPPDおよびPCLFDEGは予想した通り類似した熱特性および結晶特性を有するが、それは、ポリマー組成および組織(architecture)が総組成(物)の約5%の開始剤を除けば同じであるからである。PCLFGLYは、線形PCLFPPD又はPOCLFDEGに比べて、減少された%結晶化度およびTmを有する。こうした結晶化度における減少は分岐の影響である。ポリマー分岐(polymeric branching)だけではなく架橋密度の増加も、折り曲げ(folding)および最終的な結晶形成に必要な鎖運動(chain motion)を減少させることで結晶化プロセスを混乱させることができる。PCLGLYは、三分岐ポリマーであるが、生成されたPCLFGLYは理論的に主鎖に沿った複数の分岐点(branching point)を有する。これが結晶化度の減少の原因とみられる。分岐の結果として、個々のPCL鎖は、線形の対応物(同等物;counterpart)(9〜10モノマー単位)よりも短く(7モノマー単位)、これがまた結晶化度の減少の一因となる。しかし、同じ条件下で架橋された、1鎖あたり5〜6モノマー単位を有する、線形PCLFは31.6℃のTmおよび30%結晶化度を有することが記載されたWangらの文献によれば、この影響は少ない。文献[Wang, S.; Yaszemski, M. J.; Gruetzmacher, J. A.; Lu, L., "Photo-Crosslinked Poly(epsilon-caprolactone fumarate) Networks: Roles of Crystallinity and Crosslinking Density in Determining Mechanical Properties", Polymer (Guildf) 2008; 49:5692-99]参照。
PCLF組織(architecture)を変えることで、Tmを37℃以上又は以下に替えることができる。このため、材料が生理的な温度周辺で結晶状態であるか無定形状態でだるかは、材料特定において重要である。こうした熱転移(thermal transition)が起こるかいなかを決定するために、DSCを行い、その加熱および冷却トレースを図5に示した。
レオロジーを使用して、ゲル架橋ポリマーせん断強度上の微細構造の相違(差異)の影響を調べた。周波数掃引(frequency sweep)の結果、G’及びG”がわずかな周波数依存挙動を示すPCFLGLYを除いたすべての材料において周波数依存は見られなかった。これは、すべての足場がよく順序付けられた(即ち、よく整列された)三次元構造を有するということを示す。PCLF材料間に観察されたG’の相違(差異)は、結晶化データと一致し、増加する%結晶化度、TmおよびTc転移に起因している。これは、PCLFDEGこれはPCLFDEことを意味してGとPCLFppoが最高のG 'とGその'増加パーセントPCLFGLY-C.オートクレーブ滅菌と減少を示す。
臨床的に関連した滅菌プロトコールは、最初のポリマー開発の過程、インビトロ作業、および、70%アルコールを使用した簡単な滅菌で足りるインビボ研究においてもしばしば看過される、生体材料/医療機器の開発における重要なポイントである。オートクレーブは、外科機器に最も広く使われている滅菌法であるが、分解しやすい、非架橋性のポリマー材料では、オートクレーブによって、足場の幾何学的形状が破壊されるか、材料特性および最終的な装置性能が悪影響を受けることがある。PCLFが疎水性、架橋性、および、他のポリエステルよりもゆっくりと分解する(劣化する;degrading)ものであるために、PCLF特性へのオートクレーブ滅菌の効果を調べた結果、オートクレーブ滅菌に対してより回復力が強い(より柔軟である)ことが分かった。
ポリカプロラクトンフマレート材料は、以前のポリカプロラクトンフマレート組成物の望ましくないジエチレングリコール成分を除去するために、1,2プロパンジオール又はグリセロールから開始された、生体適合性ポリカプロラクトン前駆体から成功裏に合成された。線形PCLFPPDポリマー足場は、PCLFDEGと同様の特性、レオロジー特性、および、機械的特性を維持するが、分岐PCLFGLYは材料の特性を変えるために使用され得る。PCLFGLYの分岐構造(branched structure)は、結晶化を破壊(分断)して%結晶化度が減少され、Tmが生理温度以下となる。これによってPCLFGLYは無定形となり、その機械的な挙動は純粋な弾性(purely elastic)というよりもエラストマー的なものに変わる。更に、これらのポリカプロラクトンフマレート材料は、材料特性にほとんど変化をもたらすことなく、オートクレーブによって滅菌され得ることが分かった。
Claims (48)
- 前記nが、1〜20の整数である、請求項1に記載のポリマー
- 前記nが、1〜10の整数である、請求項1に記載のポリマー。
- 前記Xがメチルエチレンである、請求項1に記載のポリマー。
- 前記ポリマーが、5000〜15000g mol-1の数平均分子量を有している、請求項1に記載のポリマー。
- 前記ポリマーが、1〜6の多分散性指数を有している、請求項1に記載のポリマー。
- 請求項1に記載のポリマーと、自由ラジカル開始剤と、を含む、架橋可能な生分解性材料。
- 前記材料が、架橋剤を含まない、請求項7に記載の材料。
- 組織再生用足場であって、
請求項1に記載のポリマーを含む生分解性マトリックスを含む、足場。 - 前記足場の加水分解時にジエチレングリコールが放出されない、請求項9に記載の足場。
- 前記足場が、オートクレーブ滅菌プロセスを通じて幾何学的構造および寸法を維持する、請求項9に記載の足場。
- 前記足場が、オートクレーブ滅菌プロセスの際に、機械的特性を一桁以内に維持する、請求項9に記載の足場。
- 前記nが、1〜20の整数である、請求項13に記載のポリマー
- 前記nが、1〜10の整数である、請求項13に記載のポリマー。
- 前記Xが、プロパネトリイルである、請求項13に記載のポリマー。
- 前記ポリマーが、5000〜15000g mol-1の数平均分子量を有している、請求項13に記載のポリマー。
- 前記ポリマーが、1〜6の多分散性指数を有している、請求項13に記載のポリマー。
- 請求項13に記載のポリマーと、自由ラジカル開始剤と、を含む、架橋可能な生分解性材料。
- 前記材料が、架橋剤を含まない、請求項19に記載の材料。
- 組織再生用足場であって、
請求項13に記載のポリマーを含む生分解性マトリックスを含む、足場。 - 前記足場の加水分解時にジエチレングリコールが放出されない、請求項21に記載の足場。
- 前記足場が、オートクレーブ滅菌プロセスを通じて幾何学的構造および寸法を維持する、請求項21に記載の足場。
- 前記足場が、オートクレーブ滅菌プロセスの際に、機械的特性を一桁以内に維持する、請求項21に記載の足場。
- 請求項1に記載のポリマーと、請求項13に記載のポリマーと、を配合したものを含む、組織再生用足場。
- 請求項1に記載のポリマーが前記足場の20〜80重量%であり、請求項13に記載のポリマーが前記足場の20〜80重量%である、請求項25に記載の足場。
- 請求項1に記載のポリマーが前記足場の40〜60重量%であり、請求項13に記載のポリマーが前記足場の40〜60重量%である、請求項25に記載の足場。
- 請求項1に記載にポリマーにおけるXがメチルエチレンである、請求項25に記載の足場。
- 請求項1に記載のポリマーが5000〜15000g mol-1の数平均分子量を有している、請求項25に記載の足場。
- 請求項1に記載のポリマーが1〜6の多分散性指数を有している、請求項25に記載の足場。
- 請求項13に記載のポリマーにおけるXがプロパネトリイルである、請求項25に記載の足場。
- 請求項13に記載のポリマーが5000〜15000g mol-1の数平均分子量を有している、請求項25に記載の足場。
- 請求項13に記載のポリマーが1〜6の多分散性指数を有している、請求項25に記載の足場。
- 前記足場が、オートクレーブ滅菌プロセスを通じて幾何学的構造および寸法を維持する、請求項25に記載の足場。
- 前記足場が、オートクレーブ滅菌プロセスの際に、機械的特性を一桁以内に維持する、請求項25に記載の足場。
- (a)カプロラクトンとアルカンポリオールとを反応させてポリカプロラクトン前駆体を製造するステップと、
(b)前記ポリカプロラクトン前駆体とフマル酸またはその塩を反応させるステップと、
を含むポリマーの製造方法。 - 前記ステップ(b)が、前記ポリカプロラクトン前駆体とフマリルクロライドとを反応させることを含む、請求項36に記載のポリマーの製造方法。
- 前記アルカンポリオールが、C2-C5アルカンポリオールからなる群から選択される、請求項36に記載のポリマーの製造方法。
- 前記アルカンポリオールが、任意の生体適合性C2-C5ポリオールからなる群から選択される、請求項36に記載のポリマーの製造方法。
- 前記アルカンポリオールが、C2-C5アルカンジオールからなる群から選択される、請求項36に記載のポリマーの製造方法。
- 前記アルカンポリオールが、1,2プロパンジオールである、請求項36に記載のポリマーの製造方法。
- 前記アルカンポリオールが、C2-C5アルカントリオールからなる群から選択される、請求項36に記載のポリマーの製造方法。
- 前記アルカンポリオールが、グリセロールである、請求項36に記載のポリマーの製造方法。
- 前記ポリカプロラクトン前駆体が、1000〜5000g mol-1の数平均分子量を有している、請求項36に記載のポリマーの製造方法。
- 前記ポリカプロラクトン前駆体が、1000〜3000g mol-1の数平均分子量を有している、請求項36に記載のポリマーの製造方法。
- 前記ポリカプロラクトン前駆体が、1500〜2500g mol-1の数平均分子量を有している、請求項36に記載のポリマーの製造方法。
- 前記ポリマーが、前記ポリカプロラクトン前駆体を分離する、2つの個別の反応を含む製造方法によって製造される、請求項36に記載のポリマーの製造方法。
- 前記ポリカプロラクトン前駆体および前記ポリマーの両方が、前記ポリカプロラクトン前駆体を分離することなく、一つの反応容器において製造される、請求項36に記載のポリマーの製造方法。
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