JPWO2006085653A1 - 医療用ハイドロゲル - Google Patents
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Abstract
１分子あたり２０−３０個のアミノ基と，その同数以上のカルボキシル基とを分子中に有するゼラチン，または１分子あたり２−１００個のアミノ基および１分子あたり５０個以上のカルボキシル基を有するゼラチン誘導体を架橋することにより得られる，１分子あたり０．０１０個以上５０個以下の架橋点を有することを特徴とする，実質的に水を媒体とする医療用のハイドロゲル，およびその乾燥物が開示される。本発明にしたがえば，使用される用途に応じた医療用ハイドロゲルの性状を確実に得ることができ，特にハイドロゲルをドラッグデリバリーの媒体として使う場合，継続したデリバリー期間を確実に得ることができる。
Description
本発明は，体内における分解挙動を利用してドラッグデリバリー，癒着防止，創傷治癒などに好適に用いられる医療用ハイドロゲルに関する。
医療用ハイドロゲルはこれまでカルボキシメチルセルロース，アルギン酸，ペクチン，ヒアルロン酸，硫酸化デキストラン，ヒアルロン酸，コラーゲン，あるいはキトサン，ポリリジン，ポリアリルアミンなど多くのものが知られており，実際に体内に埋植されて使えるものも多い。これらは創傷被覆用材料，潤滑材，癒着防止材として提案されて使われているものも一部有るが，その機能，性状を制御することは必ずしもいずれも容易ではなく，使用目的に完全に合致したものを得ることは至って難しいことが知られている。例えば，ヒアルロン酸の分子量や架橋度を設定してその物理的性質を制御しようとしても手段が極めて限られるし，そのときの体内動態はほとんど成り行きとなる。また物理的性質を容易に制御できるハイドロゲルでは排泄性がない，分解性が乏しい，または不十分であったりして，目的に合致したハイドロゲルを得ることは技術的に容易ではない。またこれらのハイドロゲルをドラッグデリバリーの媒体として使おうとして薬剤を含浸させても，通常容易にゲルからの溶出が起こるため，デリバリーを望ましい速度で行うことが出来ないなど，基本的な問題があってその用途にはまったく使用されていない。
ドラッグデリバリーにおける従来技術では，生体吸収性の合成高分子化合物からなる中まで詰まったあるいはカプセル状の担体を用いてその中にデリバリー薬剤を入れ，その分解，吸収に応じてリリースするものがある。これは高分子主鎖の体内加水分解に依存するものであって，その高分子化合物の種類，構造によって速度が決まってしまうため，所期の期間に応じたＫｉｎｅｔｉｃｓとコントロールリリースを期待できないばかりか，担体の形状が常に固体でデリバリーサイト，方法を自由に選ぶことは困難である。さらにデリバリー出来る薬剤にも制約があった。またその他の用途ではハイドロゲルが創傷被覆用に使われているが，含水分率と物理的性質を同時に満たす技術はなく，期間に対応した形体安定化を図ることは出来ていない。またハイドロゲルで含水分率の高いものでは滅菌手段と方法に製造上からも課題が多い。
ＷＯ９４／２７６３０
本発明は以上のような事情に基いてなされたものであって，その目的は使用される用途に応じた医療用ハイドロゲルの性状，特にハイドロゲルをドラッグデリバリーの媒体として使う場合，その継続したデリバリー期間を確実に得る方法を提供することにある。
本発明は，１分子あたり２０−３０個のアミノ基と，その同数以上のカルボキシル基とを分子中に有するゼラチン，または１分子あたり２−１００個のアミノ基および１分子あたり５０個以上のカルボキシル基を有するゼラチン誘導体を架橋することにより得られる，１分子あたり０．０１０個以上５０個以下の架橋点を有することを特徴とする，実質的に水を媒体とするハイドロゲルまたはその乾燥物を提供する。
好ましくは，本発明の医療用ハイドロゲルは，ゼラチンまたはその誘導体を，化学的または物理的手法の中から選ばれた１つまたは２つ以上の手法で架橋することにより得られる。また好ましくは，本発明の医療用ハイドロゲル，およびその乾燥物は，物理的手法で，厚さ方向など表面からの距離によって異なる架橋度を有する。
好ましくは，本発明の医療用ハイドロゲルは，体内に埋植する滅菌済みドラッグデリバリー用媒体である。また好ましくは，本発明の医療用ハイドロゲルにおいては，ゼラチン，またはその誘導体は，豚，牛，または魚由来である。また好ましくは，本発明の医療用ハイドロゲルは，水以外の水溶性溶媒を一部含む。
本発明のハイドロゲルは，本質的に水和性である原料の化学的性質と高分子科学的性質を詳細に解析することにより，それを目的に応じて必要とされる条件と対応させることによって，化学的または物理的手段を選んで分子当り特定の架橋数を導入することで達成することを特徴とする。
本発明のハイドロゲルは，これまで知られていなかった高分子科学的知見をあらたに発見してその機能を調べることにより達成されたものである。これまでハイドロゲルはその吸収性，分解性，物理的性質はその由来からほとんどの性状が決められてしまうものと考えられてきた。特に天然物由来のハイドロゲルは加水分解などでその加工方法によってすべての性状が決定されてしまうことが判っている。例えばアルギン酸，ヒアルロン酸，デキストランなどでは由来と加工法で規定されてしまい，固体物性に優れたもの，適切な粘度で排泄性にも優れたものなどは達成不可能である。
そこで本発明者は，体内の埋植用に用いることが出来て，しかも物理的，化学的性質，生体吸収性，ドラッグデリバリー機能で所期の機能を達成する方法について基礎的研究を行い，それを可能にすることに成功した。これまで医療用ハイドロゲルは主として創傷被覆材として多く用いられており，Ｗｅｔ Ｈｅａｌｉｎｇの目的で湿潤条件を与えることが出来るような性状で，物理的にも一定の性質を有するように設計されている。また，一定期間は固体として手術創のサイトに留まり，被覆と組織隔離を行うための癒着防止材はその成分によって物理的性質を達成してきた。これらはすべてマテリアルが本来持つ性質をそのまま使う形で設計されていることになる。これに対して，本発明者はハイドロゲルの高分子科学的性質を詳細に解析することによりあらたに得られた知見と，体内の埋植用に用いることが出来てしかも物理的，化学的性質，生体吸収性，ドラッグデリバリーで所期の機能を達成することが出来る要件を初めて明らかにすることを合わせて，本発明に達したものである。
本発明は，ハイドロゲル原料であるゼラチン及びその誘導体を詳細に解析して高分子鎖上に存在する官能基数を明らかにしたことと，それら官能基を用いて架橋反応を起こさせるとき単純にその架橋数によって生成ゲルに特定の物理的，化学的機能を持たせられることを発見したことに基づく。医療用ゲルにはその用途，目的によっていろいろな特定の機能が必要であるが，それらはドラッグデリバリー，創傷被覆材，癒着防止材，隔離膜によってそれぞれ異なっている。例えば，癒着防止材では形体を保つ物理的隔離が４日間必要であるがその後そのサイトから速やかに消失して体内から排泄される吸収性が必要，またドラッグデリバリーでは必要とされるリリース期間と，その期間中の形体安定性が求められる。本発明者は，これら所期の機能を改めて確認することによって，その機能に合致したハイドロゲルを得るためにはどのような高分子科学的性質が必要かを明らかにしたものである。本発明は，いうまでもまく，ハイドロゲルを構成する高分子の種類，分子量に関係なく，また，架橋反応の方法にも関係なく，あらゆるハイドロゲルに対して適用できる。
本発明による医療用ハイドロゲルを用いれば，あらゆる薬物，例えば成長因子，サイトカイン，ペプチドなどこれまでコントロールリリースが困難であった高分子，中，低分子量の薬物などを必要な期間に応じて短期から長期に渡ってコントロールリリースすることが出来る他，癒着防止，創傷被覆材にも所期の形態安定性を付与でき，またそれらからのドラッグデリバリーさえも有用である。
以下，本発明のハイドロゲルについて詳細に説明する。
ゼラチンまたはその誘導体を医療用ゲルとして用いる場合，まず形体を保持することが必要な期間が用途によって異なることから，これをどのようにして達成すれば良いかについて検討を行った。たとえば，体内で手術後の癒着防止材に用いる場合には埋植後４日間はＩｎ−ｖｉｖｏで溶解，消滅することなくそのサイトに留まり形体を保持することが要件である。さらにこの期間が過ぎれば速やかに溶解して消失することが求められる。形成外科の真皮再生用の創傷被覆材では滲出液があっても水分率を保ったまま流れることなく７日以上に渡ってその形体を保持することが必要とされる。また，ドラッグデリバリー用媒体としてハイドロゲルを用いる場合はその目的用途に所期のデリバリー期間に完全に対応しての詳細な分解性の要求があり用途に応じて２日から３ヶ月程度までの要求例が存在する。
このような要件に対して本発明者はゼラチンまたはその誘導体でどのような高分子科学的特性が必要であるのかを初めて明らかにすることに成功した。それはゼラチンの化学的性質であって高分子鎖に存在する側鎖官能基の種類と数を明らかにしたことと，そこから出発して用途ごとに必要な高分子科学的性質をゼラチンまたはその誘導体ハイドロゲルに特定数の架橋反応を起こさせることで要件を達成出来ることを発見したものである。一般的にゼラチンは水中またはｉｎ−ｖｉｖｏでは容易に溶解して，その初期形体を失うため，例えばドラッグデリバリー用媒体として使う場合にも所要期間そのサイトに留まることはなく，包含した薬物も簡単に溶出してそのサイトから消失してしまう。そこで，ゼラチンのｉｎ−ｖｉｔｒｏでの溶解性，分解性はよく知られているが，発明者はゼラチンまたはその誘導体に導入した架橋によってハイドロゲルの形体を安定化させることが出来，ｉｎ−ｖｉｖｏではハイドロゲルに導入した架橋数によってゲル残存率が一義的に決まることを発見したのである。この機構によって目的，用途に必要な形体の保持と薬物の厳密なコントロールリリースが架橋数によって制御出来ることを初めて明らかにした。
本発明のように特定数，種類の側鎖を用いた架橋反応によって液体に近いハイドロゲルから粘性の有るもの，また完全な固体のハイドロゲルまで広い範囲の形状設計が可能であり，軟組織では５日から最高２８日まで，硬組織では５週から最高１２週までに対応して要求されるドラッグリリース期間に厳密に対応する架橋数が０．１０／Ｍｏｌｅｃｕｌｅから５０／Ｍｏｌｅｃｕｌｅであることを発見したことから，これまでｉｎ−ｖｉｖｏにおける機作が判っていなかったハイドロゲルの完全な品質設計を行うことが出来るようになった。このときリリース期間以外に媒体としてデリバリーするときに流動性のある液状であることも要件であるため，その場合には架橋数は０．０１０程度まで必要となる。このことは，架橋ハイドロゲルのｉｎ−ｖｉｖｏ分解挙動を発見し必要な架橋数が０．０１０／Ｍｏｌｅｃｕｌｅから５０／Ｍｏｌｅｃｕｌｅであることを明らかにしたことで自由な制御が可能となったことを意味する。ここでハイドロゲルの架橋数はレオメータなど動的粘弾性測定，引っ張り試験機の初期弾性率の数値を用いて，Ｆｌｏｒｙの式によって計算できる。
ゼラチンまたはその誘導体のハイドロゲルに特定数の架橋反応を起こさせた場合，得られた架橋ハイドロゲルがｉｎ−ｖｉｖｏでいかなる分解性を持つかを明らかにした結果を図１に示す。ここでゼラチンまたはその誘導体（ヨード同位元素ラベル）は時間とともに分解してその残存放射活性（ハイドロゲル残存重量に対応）が減少する。またこれまではハイドロゲルの分解速度は，それまで考えられていたようにゲルの由来，含水率，架橋方法とは関係なく，ｉｎ−ｖｉｖｏでは単純にゼラチンまたはゼラチン誘導体分子中での架橋数に比例することを発明者は初めて明らかにした結果を第２図に示す。すなわち特定数の架橋をハイドロゲルに導入することによってｉｎ−ｖｉｖｏでは分解速度を一義的に制御してドラッグリリースに厳密に必要な期間に対応した担体を得ることが可能になった。これを用いてドラッグリリースを行う場合は，特定数の架橋を入れたゼラチンハイドロゲルに例えば塩基性線維芽細胞成長因子（ヨード同位元素ラベル）を含浸した時の残存量とｋｉｎｅｔｉｃｓが判っているので，この必要期間に対応した架橋数のものを設計して選択すればよい。
これらのあらたに発見された知見に加えて，成長因子であるｂＦＧＦ，ＨＧＦ，ＰＤＧＦ，ＴＧＦ，ＩＧＦ，ＢＭＰ，サイトカイン，ケミカイン，モノカインなどのタンパク，ホルモン，ペプチド，核酸，多糖類，またはオリゴ糖，デコイ，ｓｉＲＮＡなどの中・低分子などのｉｎ−ｖｉｖｏデリバリーおよびコントロールリリースがどのような要件にあるのか調べた結果，成長因子や核酸などではその所要量が２００−４００μｇ／３ｍｇゼラチンときわめて微量であることの他に，体内組織によって例えば軟組織ではそれを２−４週間，硬組織では６−１２週の長期にわたって継続して投与する必要が有ることを明らかにした。つまり例えばその総量を一度に一括してその部位に投与しても何の効果もなく，ときには副作用すら与える。このことはこれら薬剤のデリバリーは量，期間，組織部位ともきわめて厳密なコントロールリリースが必要であることを明らかにした。このためこのような目的には本発明のようにハイドロゲルに特定数，すなわち０．１／Ｍｏｌｅｃｕｌｅから５０／Ｍｏｌｅｃｕｌｅの架橋を行ったものを用いることによってのみ所期のコントロールリリースが達成できることになる。さらに本発明の特定の架橋数により，薬物のコントロールリリース担体としてだけではなく，ｉｎ−ｖｉｖｏにおけるその形体保存性，安定性，機能に優れ，癒着防止材，創傷治癒材たるハイドロゲルを得ることが可能であり，これらはまたそのサイトで好ましい成長因子や核酸などのデリバリーを行うこともできる。
本明細書において明示的に引用される全ての特許および参考文献の内容は全て本明細書の一部としてここに引用する。また，本出願が有する優先権主張の基礎となる出願である日本特許出願２００５−３６３０９号明細書および図面に記載の内容は全て本明細書の一部としてここに引用する。
以下，本発明の実施例について説明するが，本発明はこれらに限定されるものではない。
成長因子を４日間にわたってドラッグリリースするために期待されるハイドロゲルの架橋数は１．０／Ｍｏｌｅｃｕｌｅであることが判ったので，これに合致する架橋ハイドロゲルを作成する。牛由来のコラーゲンをアルカリ処理して得られた分子量１０万の酸性ゼラチン（新田ゼラチン社製）を４．５０ｗｔ％の水溶液にし，２．５ｍＭのグルタルアルデヒドを加えて一昼夜冷却下に放置した。得られたハイドロゲルにグリシン水溶液を加えで室温で３時間浸せきし，蒸留水で洗浄したのち凍結乾燥を一昼夜行った。この架橋ハイドロゲルの粘弾性を測定してＦｌｏｒｙ−Ｈｕｇｇｉｎｓの式から計算した架橋数は１．１２／Ｍｏｌｅｃｕｌｅであった。
リリース性の確認のため，このハイドロゲルに，放射性ヨードラベル化した塩基性繊維芽細胞成長因子（ｂＦＧＦ）の３マイクログラムを含むリン酸緩衝生理的食塩水（ｐＨ７．４）に含浸してラットの背中に埋植してリリースを測定した。リリースは所期の期間に近い５．４日であった。
軟組織の再生に成長因子を用いるドラッグデリバリーでは２週間の継続したドラッグリリースが必要であるが，それに合致したハイドロゲルの架橋数は６．０／Ｍｏｌｅｃｕｌｅが好適であることが判った。このため，ブタ腱由来の塩基性コラーゲン（新田ゼラチン社製）を１０倍量のエチレンジアミン水溶液で処理し，希塩酸で中和して弱酸性にした。このときのアミノ基は約６５／Ｍｏｌｅｃｕｌｅ，カルボキシル基は約１２５／Ｍｏｌｅｃｕｌｅであった。このカルボキシル基に対してモル比で２．２倍の水溶性カルボジイミドを加えて室温にて一夜放置してカチオン化ゼラチンを得た。この８．８％水溶液を４−６度Ｃで一夜放置してハイドロゲルにし，アセトン−希塩酸混合液中で０．２５マイクログラム／ｍＬ濃度のグルタルアルデヒドで４−６度Ｃ，３０時間処理して架橋した。グリシン水溶液で処理後，蒸留水で洗浄し２４時間凍結乾燥した。これを１４０度Ｃ，２４時間熱処理してさらに架橋を進めた。このハイドロゲルの初期力学特性の値からＦｌｏｒｙ式で計算した架橋数は熱処理前が３．３／Ｍｏｌｅｃｕｌｅ，熱処理後で６．５／Ｍｏｌｅｃｕｌｅであった。なお，確認のため，実施例１と同様にｂＦＧＦを含浸させてリリース速度を見たところ１５．５日であった。
硬組織の再生には一般的に６−８週間がかかるとされている。成長因子のドラッグデリバリーでこの再生を行うための期間もそうであり，これをハイドロゲルを媒体として行う場合に対応する架橋数は９／Ｍｏｌｅｃｕｌｅであることが判った。このことから，実施例１において得られたハイドロゲルシートをさらに１４０度Ｃ，２４時間熱処理，さらにこれを２５ｋＧｙでガンマ繊照射２回を行って架橋ハイドロゲルシートを得た。この初期力学特性値から計算した架橋数は所期の値にほぼ等しい１０．８／Ｍｏｌｅｃｕｌｅであった。
本発明のハイドロゲルは，体内における分解挙動を利用してドラッグデリバリー，癒着防止，創傷治癒など，医療用に好適に用いられる。
Claims (6)
- １分子あたり２０−３０個のアミノ基と，その同数以上のカルボキシル基とを分子中に有するゼラチン，または１分子あたり２−１００個のアミノ基および１分子あたり５０個以上のカルボキシル基を有するゼラチン誘導体を架橋することにより得られる，１分子あたり０．０１０個以上５０個以下の架橋点を有することを特徴とする，実質的に水を媒体とするハイドロゲルまたはその乾燥物。
- ゼラチンまたはその誘導体が化学的手法および物理的手法の中から選ばれた１つまたは２つ以上の手法により架橋される，請求項１記載のハイドロゲルまたはその乾燥物。
- ゼラチンまたはその誘導体が物理的手法により架橋され，ハイドロゲルがその表面からの距離によって異なる架橋度を有する，請求項１または２に記載のハイドロゲルまたはその乾燥物。
- ハイドロゲルが体内に埋植する滅菌済みドラッグデリバリー用媒体である，請求項１，２，または３に記載のハイドロゲルまたはその乾燥物。
- ゼラチンまたはその誘導体が豚，牛，または魚由来であることを特徴とする，請求項１，２，３または４に記載のハイドロゲルまたはその乾燥物。
- ハイドロゲルが水と水以外の水溶性溶媒とを含む，請求項１，２，３，４または５に記載のハイドロゲルまたはその乾燥物。
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