JP6945088B2

JP6945088B2 - 紫外線を用いた生体適合性ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造方法

Info

Publication number: JP6945088B2
Application number: JP2020572783A
Authority: JP
Inventors: ムンヒソン; ミサンクァク; サンジュンパク
Original assignee: ククミンユニバーシティインダストリーアカデミックコーポレーションファウンデーション
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2019-05-09
Publication date: 2021-10-06
Anticipated expiration: 2039-05-09
Also published as: US20210139655A1; CN112334518A; KR102163563B1; CN112334518B; KR20200001456A; US11111340B2; JP2021522027A

Description

本発明は、紫外線を用いたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造方法及び該製造方法による生体適合性ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの用途に関する。

ハイドロゲル（ｈｙｄｒｏｇｅｌ）は、一般的に多量の水分を含有する三次元の親水性高分子網状構造を有した物質を意味するものであって、単一重合体または共重合体からなり、外力による誘導性がほとんどない構造的に安定した三次元構造を形成する。このような構造は、水素結合、共有結合、または物理的な凝集など多様な要因によって形成されることによって、ハイドロゲルは、水溶液上で膨潤された後に熱力学的に安定して存在して、液体と固体との中間形態に該当する機械的、物理化学的特性を有する。

また、ハイドロゲルの膨潤度は、高分子の化学構造及び親水性と高分子鎖間の架橋度によって調節が可能なので、構成成分と製造方法とによって多様な形態と性質とを有するハイドロゲルの製造が可能なので、今までハイドロゲルの物理化学的特性についての多様な研究が進行し、その結果、多種のハイドロゲルが開発された。

ハイドロゲルは、主に高吸水性を基盤とする衛生用品をはじめとして化粧品素材として産業に応用され、現在は多様な付加的機能の導入で薬物伝達システム、塞栓術、組織工学用支持体、化粧品充填剤など医薬的応用から産業的応用に至るまで非常に幅広い分野で有用に用いられている。

ポリ−γ−グルタミン酸（Ｐｏｌｙ−ｇａｍｍａ−ｇｌｕｔａｍｉｃａｃｉｄ）は、γ−ペプチド結合を有する物質であって、枯草菌のようなＧＲＡＳ菌（ＧｅｎｅｒａｌｌｙＲｅｃｏｇｎｉｚｅｄＡｓＳａｆｅ）から生成される天然アミノ酸高分子素材で、ガンマ線照射時に表われるポリ−γ−グルタミン酸の物性変化及び架橋結合剤によるハイドロゲルの開発とその産業化についての研究が多様に進められている。

しかし、前記ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルは、水、緩衝溶液のような溶液上で膨潤されていて溶解される現象が観測されることによって、溶液上でその形態を保持し、安定した状態で存在する生体適合性ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルについての研究及び開発が必要な実情である。

前述したように、従来のガンマ線照射で架橋結合されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルは、溶液上で膨潤されて溶解される問題点があり、化学的架橋結合方法によるハイドロゲルの毒性問題を解決するために、本発明は、紫外線照射を用いて架橋結合させたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造方法を提供することである。

本発明は、ポリ−γ−グルタミン酸を溶媒に溶解させる段階（第１段階）；前記第１段階のポリ−γ−グルタミン酸溶液にＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−３−［（２−メチルアクリロイル）アミノ］プロパン−１−アミニウムを添加して溶解させる段階（第２段階）；及び前記第２段階の溶液に紫外線を照射する段階（第３段階）；を含むポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造方法を提供する。

本発明は、前記製造方法によるポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを提供する。

本発明は、前記ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを含む組織工学的支持体を提供する。

本発明は、前記ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを含む人工臓器を提供する。

また、本発明は、前記ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを含む３Ｄプリンタ用バイオインク組成物を提供する。

本発明によれば、紫外線照射を用いたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造方法は、ポリ−γ−グルタミン酸溶液内の微生物汚染の問題を解決し、簡単な処理工程のみで高収率でポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを製造し、前記ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルで向上した溶液内の保管安定性が確認されることによって、本発明のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造方法で製造されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルは、組織工学的支持体、人工臓器及び３次元プリント用バイオインクとして提供されうる。

本発明に使用したポリ−γ−グルタミン酸のゲル浸透クロマトグラフィー（ＧｅｌＰｅｒｍｅａｔｉｏｎＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ；ＧＰＣ）分析結果のクロマトグラムを示す図面である。本発明に使用したポリ−γ−グルタミン酸のゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）分析結果の分子量分布図を示す図面である。（ａ）は、ガンマ線照射ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの粘弾性を確認した結果グラフであり、（ｂ）は、本発明によるポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの粘弾性を確認した結果グラフを示す図面である。（ａ）は、ガンマ線照射ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの溶液内での安定性の観測結果であり、（ｂ）は、本発明による紫外線照射ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの溶液内での安定性の観測結果を示すイメージである。

以下、本発明をより詳細に説明する。

本発明は、ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの溶液内の安定性を向上させるための研究を進行しているうちに、紫外線照射を用いたハイドロゲルの製造方法が回収工程などの処理工程なしに高収率でポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを製造することができ、ポリ−γ−グルタミン酸溶解液内の微生物汚染の問題を解決し、ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの溶液内の保管安定性を向上させる効果を確認することによって、本発明を完成した。

本発明は、ポリ−γ−グルタミン酸を溶媒に溶解させる段階（第１段階）；前記第１段階のポリ−γ−グルタミン酸溶液にＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−３−［（２−メチルアクリロイル）アミノ］プロパン−１−アミニウムを添加して溶解させる段階（第２段階）；及び前記第２段階の溶液に紫外線を照射する段階（第３段階）；を含むポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造方法を提供することができる。

より詳細には、前記ポリ−γ−グルタミン酸は、重量平均分子量が３０〜３０，０００ｋＤａであり、より望ましくは、３３，９６５〜２８，９３９，４１５Ｄａであるが、これに限定されるものではない。

また、前記ポリ−γ−グルタミン酸は、溶媒に１０〜３０ｗ／ｖ％に含まれ、より望ましくは、２０ｗ／ｖ％に含まれうる。

前記第１段階の溶媒は、水である。

前記第２段階のＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−３−［（２−メチルアクリロイル）アミノ］プロパン−１−アミニウムは、ポリ−γ−グルタミン酸単量体であるグルタミン酸分子数に対して、１：１分子比で添加されるものである。

より詳細には、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−３−［（２−メチルアクリロイル）アミノ］プロパン−１−アミニウムが、前記添加比率以下に添加される場合、ハイドロゲル物性が低くなって、正常なハイドロゲルが生成されない問題点が発生する恐れがある。

前記第３段階の紫外線を照射する段階は、第２段階の溶液に５０〜７０ｍＷ／ｃｍ^２エネルギー量の紫外線を照射するものである。

より詳細には、紫外線照射器から溶液までの距離は、３０ｃｍであり、３６５ｎｍの紫外線波長で２時間照射される。この際、照射されたエネルギーの量が、５０〜７０ｍＷ／ｃｍ^２である。

ポリ−γ−グルタミン酸とＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−３−［（２−メチルアクリロイル）アミノ］プロパン−１−アミニウムとが混合された溶液に紫外線を照射する場合、ポリ−γ−グルタミン酸に前記Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−３−［（２−メチルアクリロイル）アミノ］プロパン−１−アミニウムが結合して、ポリ−γ−グルタミン酸分子の間の架橋結合が進行し、その結果、ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルが生成されうる。

また、前記ハイドロゲルの製造方法は、第３段階の紫外線照射された溶液を常温で風乾させる段階をさらに含むものである。

前記ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルは、保管安定性及び粘弾性が向上した人工臓器、組織工学的支持体、または３Ｄプリンタ用バイオインク組成物に含まれるものである。

本発明は、前記ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造方法によるポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを提供することができる。

前記ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルは、保管安定性及び粘弾性が向上したものである。

本発明の実施例によれば、紫外線照射またはガンマ線照射を通じて製造されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの溶液内の安定性を確認するために、経時的なハイドロゲルの形態変化を確認した。前記方法で製造された風乾前のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲル３ｇをペトリ皿に置き、風乾して、円形のゲルを製造し、蒸留水、２０ｍＭリン酸カリウム緩衝溶液（ＫＰＢ；ｐＨ６．０）、１×ＰＢＳ、０．９％塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）溶液及び人工体液をそれぞれゲルが浸漬されるように注いだ後、湿度６０％、温度２５℃で静置し、経時的な形態変化を確認し、同じ方法でガンマ線を照射して、製造されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルをペトリ皿に置き、凍結乾燥させて破砕した後、前記多様な溶液内で経時的な形態変化を確認した。

その結果、図４のように、紫外線照射で製造されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルは、８週間形態が保持されることが確認されたが、一方、ガンマ線照射で製造されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルは、膨張して溶解されることを確認することができた。

前記結果から紫外線照射後、風乾されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルは、溶液内でも安定性が長期間保持されることが確認された。

これにより、本発明は、保管安定性が向上したポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを含む組織工学的支持体及び人工臓器を提供することができる。

前記人工臓器は、人工皮膚、人工角膜、人工血管、人工尿道管、人工小腸、人工気管支、人工肝、人工腎臓、人工骨、人工末梢及び中枢神経、人工膀胱、人工筋及び人工軟骨からなる群から選択されうるが、これらに限定されるものではない。

また、本発明は、前記ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを含む３Ｄプリンタ用バイオインク組成物を提供することができる。

以下、本発明の理解を助けるために、実施例を挙げて詳細に説明する。但し、下記の実施例は、本発明の内容を例示するものであり、本発明の範囲が、下記の実施例に限定されるものではない。本発明の実施例は、当業者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。

下記の参考例は、本発明によるそれぞれの実施例に共通して適用される参考例を提供するためのものある。

＜参考例＞実験材料

本発明に使用した分子量３，９６５〜２８，９３９，４１５Ｄａのポリ−γ−グルタミン酸（図１、図２）は、バイオリーダース（Ｂｉｏｌｅａｄｅｒｓ（大田、大韓民国））から購入し、そのＬｏｔ番号は、Ｆ１ＰＢ０３１６ＦＫである。

Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−３−［（２−メチルアクリロイル）アミノ］プロパン−１−アミニウム｛Ｎ，Ｎ，Ｎ−ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ−３−［（２−ｍｅｔｈｙｌａｃｒｙｌｏｙｌ）ａｍｉｎｏ］ｐｒｏｐａｎ−１−ａｍｉｎｉｕｍ（Ｃａｔ．Ｎｏ．３２３−２２８４２）｝は、ＷａｋｏＰｕｒｅＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ．Ｌｔｄ．（Ｊａｐａｎ）から購入し、その分子量は、２２０．７４である。

＜実施例１＞ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造

１．ポリ−γ−グルタミン酸溶液の準備

１００ｍｌサイズのスクリューバイアルに３０ｍｌ蒸留水を入れ、マグネチックバーを入れた後、微細スケールを用いてポリ−γ−グルタミン酸（分子量３，９６５Ｄａから２８，９３９，４１５Ｄａ）を正確に１０ｇ計量して、前記スクリューバイアルに入れた後、溶液の体積を５０ｍｌに合わせ、撹拌速度３００ｒｐｍで常温で２４時間撹拌して溶解した。

次いで、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−３−［（２−メチルアクリロイル）アミノ］プロパン−１−アミニウムをポリ−γ−グルタミン酸の量に存在するポリ−γ−グルタミン酸の単量体であるグルタミン酸の分子個数に合わせて、分子比を１：１で計算した量である１７．１１ｇを微細スケールで計量して添加した後、撹拌速度３００ｒｐｍで常温で２４時間撹拌しながら溶解させて、２０ｗ／ｖ％ポリ−γ−グルタミン酸溶液を製造した。

２．紫外線照射及び乾燥過程を通じたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造

実施例１から製造された２０ｗ／ｖ％ポリ−γ−グルタミン酸溶液に紫外線を照射してハイドロゲルを製造した。紫外線照射時に、ガラス板２枚とゴムとを用いて枠を組み立て、その内部に実施例１から製造された２０ｗ／ｖ％ポリ−γ−グルタミン酸溶液を注射器を用いて注入した後、紫外線を照射した。

紫外線照射器と１５ｃｍ遊隙で３６５ｎｍの波長の紫外線を２時間照射した。この際の照射されたエネルギーの量は、５０〜７０ｍＷ／ｃｍ^２であった。このように製造された高粘度の溶液をペトリ皿に移し入れて、常温で風乾して、ゲル形態のハイドロゲルを製造した。

＜比較例１＞ガンマ線照射ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造

ポリ−γ−グルタミン酸５ｗ／ｖ％溶液にＫＨ_２ＰＯ_４を０．１ｗ／ｖ％になるように添加し、２０ｋＧｙ線量のガンマ線を照射して、ガンマ線照射ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを製造した。

＜実施例２＞紫外線照射されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの粘弾性の確認

Ｒｈｅｏｍｅｔｅｒを用いて、前記実施例１、比較例１の紫外線及びガンマ線照射で製造されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの粘弾性を確認した。

風乾されたハイドロゲル１０ｍｌを０．０１Ｈｚから１００Ｈｚまで２５個の地点で間隙は、０．８ｍｍで粘弾性を測定した。

その結果、図３のように、紫外線照射されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルは、あらゆるＨｚで高い粘性と弾性とを示し、特に、０．０１Ｈｚから１０Ｈｚまでの範囲で粘性が弾性よりも高く表われたが、一方、ガンマ線照射されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルは、これに比べて粘性と弾性とが格段に落ちることを確認することによって、前記方法で製造された紫外線照射されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルは、ゲルの特性を示すことが確認された。

＜実施例３＞ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲル分子の粒径の確認

製造されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを凍結乾燥及び磨砕して作られたポリ−γ−グルタミン酸粉末を微細スケールを用いて１ｇ計量した後、蒸留水に溶かして、最終体積１０ｍｌにして、１％のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲル溶液を製造した。製造した１％のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲル溶液を処理時間１分で稼動時間１秒、休み時間２秒にして、３０％の出力で超音波破砕機を用いて超音波を処理した。製造された溶液を２ｍｌ取って、粒径測定装置を用いてポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲル分子の粒径を測定した。

その結果、ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲル分子の粒径は、１０５４．０±２４３．９ｎｍと確認された。

＜実施例４＞ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲル分子の表面電位及び遊離カルボキシル基の確認

前記実施例１、比較例１から製造されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを凍結乾燥及び磨砕して作られたポリ−γ−グルタミン酸粉末を微細スケールを用いて１ｇ計量した後、蒸留水に溶かして、最終体積１０ｍｌにして、１％のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲル溶液を製造した。製造した１％のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲル溶液を処理時間１分で稼動時間１秒、休み時間２秒にして、３０％の出力で超音波破砕機を用いて超音波を処理した。製造された溶液を２ｍｌ取って、表面電位測定装置を用いてポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲル分子の表面電位を測定した。あらゆる実験群は、ポリグルタミン酸（ＰＧＡ）のｐＫａであるｐＨ４．８に滴定されて使われた。実験には、対照群としてｐＨ４．８の１ｕｍｏｌ／ｍｌのポリ−γ−グルタミン酸溶液が使われた。

その結果、下記表１のように、紫外線照射ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲル分子の表面電位は、２９．３０±０．７７ｍＶであり、ガンマ線照射ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲル分子の表面電位は、−３５．１８±１．７２ｍＶと確認された。

測定された表面電位を用いてハイドロゲルに残っている遊離カルボキシル基の個数を計算した結果、紫外線照射ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの遊離カルボキシル基の個数は、４．５ｕｍｏｌ／ｇであり、ガンマ線照射ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの遊離カルボキシル基の個数は、１４ｕｍｏｌ／ｇであった。

結果として、紫外線照射ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルが、ガンマ線照射ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルよりもさらに架橋結合されていることが確認された。

＜実施例５＞溶液内の安定性の確認

紫外線照射を通じて製造されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの溶液内の安定性を確認するために、ガンマ線が照射されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルと共に経時的なハイドロゲルの形態変化を確認した。

紫外線照射されたポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲル３ｇをペトリ皿に置き、風乾して、円形のゲルを製造し、蒸留水、２０ｍＭリン酸カリウム緩衝溶液（ＫＰＢ；ｐＨ６．０）、１×ＰＢＳ、０．９％塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）溶液及び人工体液をそれぞれゲルが浸漬されるように注いだ後、湿度６０％、温度２５℃で静置し、形態変化を確認した。

また、ポリ−γ−グルタミン酸５ｗ／ｖ％溶液にＫＨ_２ＰＯ_４を０．１ｗ／ｖ％になるように添加し、２０ｋＧｙ線量のガンマ線を照射して、ガンマ線照射ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを製造した後、凍結乾燥して作られた粉末を１５ｗ／ｖ％になるように蒸留水に溶かして、ガンマ線照射ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを前記と同様に３ｇをペトリ皿に置き、蒸留水、２０ｍＭリン酸カリウム緩衝溶液（ＫＰＢ；ｐＨ６．０）、１×ＰＢＳ、０．９％塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）溶液及び人工体液をそれぞれゲルが浸漬されるように注いだ後、湿度６０％、温度２５℃で静置し、形態変化を確認した。

前記結果から紫外線照射によるポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルは、溶液内でも安定性が長期間保持されることが確認された。

以上、本発明の特定の部分を詳しく記述したところ、当業者において、このような具体的な記述は、単に望ましい実施形態であり、これにより、本発明の範囲が制限されるものではないという点は明白である。したがって、本発明の実質的な範囲は、下記の特許請求の範囲とそれらの等価物とによって定義される。

Claims

ポリ−γ−グルタミン酸を溶媒に溶解させる段階（第１段階）と、
前記第１段階のポリ−γ−グルタミン酸溶液にＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−３−［（２−メチルアクリロイル）アミノ］プロパン−１−アミニウムを添加して溶解させる段階（第２段階）と、
前記第２段階の溶液に紫外線を照射する段階（第３段階）と、
を含む、ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造方法。
前記ポリ−γ−グルタミン酸は、重量平均分子量が３０〜３０，０００ｋＤａであることを特徴とする請求項１に記載のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造方法。
前記第１段階の溶媒は、水であることを特徴とする請求項１に記載のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造方法。
前記第２段階のＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−３−［（２−メチルアクリロイル）アミノ］プロパン−１−アミニウムは、ポリ−γ−グルタミン酸単量体であるグルタミン酸分子数に対して、１：１分子比で添加されることを特徴とする請求項１に記載のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造方法。
前記第３段階の紫外線を照射する段階は、第２段階の溶液に５０〜７０ｍＷ／ｃｍ^２エネルギー量の紫外線を照射することを特徴とする請求項１に記載のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造方法。
前記ハイドロゲルの製造方法は、第３段階の紫外線照射された溶液を常温で風乾させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造方法。
前記ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルは、保管安定性及び粘弾性が向上した人工臓器、組織工学的支持体、化粧品素材または３Ｄプリンタ用バイオインク組成物に含まれることを特徴とする請求項１に記載のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルの製造方法。
請求項１から請求項６のうち何れか一項に記載の製造方法による、ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲル。
前記ポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルは、保管安定性及び粘弾性が向上したことを特徴とする請求項８に記載のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲル。
請求項８に記載のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを含む、組織工学的支持体。
請求項８に記載のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを含む、人工臓器。
請求項８に記載のポリ−γ−グルタミン酸ハイドロゲルを含む、３Ｄプリンタ用バイオインク組成物。