DE60115212T2

DE60115212T2 - Biomedizinische artikel aus hydrogel

Info

Publication number: DE60115212T2
Application number: DE60115212T
Authority: DE
Inventors: W. Dennis GOUPIL; Hassan Chaouk; Toy Holland; T. Bruktawit ASFAW; D. Stephen GOODRICH; Lucas Latini
Original assignee: Biocure Inc
Current assignee: Biocompatibles UK Ltd
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2021-03-14
Also published as: JP5460939B2; CA2402774C; DE60115212D1; AU2001243603B2; AU4361601A; EP1263801B1; JP5025873B2; AU2001243616B2; ATE310752T1; AU2001243603B9; EP1263802B1; US7070809B2; EP1263801A1; AU4360301A; DE60119906D1; CA2402774A1; ATE327262T1; JP2003527173A; US20010056301A1; WO2001068722A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft biomedizinische Artikel. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung biomedizinische Hydrogelartikel, die aus vernetzbaren Makromonomeren (hierin als Makromere bezeichnet) bestehen.
Poly(vinylalkohol)-Hydrogele (PVA-Hydrogele) sind als medizinische Vorrichtungen vorgeschlagen worden, wobei viele der vorgeschlagenen Vorrichtungen entweder unter schlechter mechanischer Festigkeit oder Gewebeschäden litten, die auf die Verwendung chemischer Mittel zur Härtung derselben zurückzuführen waren. Zur Lösung dieses Problems haben Tanabe (US-Patent 4.734.097) und Ku (US-Patent 5.981.826) die Verwendung von Cryogelen vorgeschlagen. Diese Cryogele sind jedoch nicht kovalent vernetzt und eignen sich deshalb nicht für Gewebekontakt über längere Zeiträume und können nicht in vivo hergestellt werden. Bao (US-Patent 5.047.055) schlägt die Verwendung von PVA-Hydrogelen als prosthetischen Zellkern für eine Wirbelsäulenscheibe vor, dabei werden diese Hydrogele jedoch nicht mittels kovalenter Vernetzung hergestellt, sondern vielmehr durch Kristallisieren einer Lösung von PVA bei einer Temperatur von –10°C oder darunter. Nambu (US-Patent 4.808.353) stellt künstliche biologische Membranen aus PVA-Lösungen mittels eines ähnlichen Gefrierverfahrens her. Capecchi (US-Patent 5.108.428) beschreibt UV-gehärtete PVA-Hydrogel-Hornhautimplantate, diese werden jedoch zuerst bei 191°C 2 Minuten lang zu Folien gepresst und anschließend vor der Endanwendung in 10%igem methanolischem Ammoniumhydroxid solvolysiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft biomedizinischer Hydrogelartikel, die Mikrokugeln sind, welche aus Makromeren gebildet werden, die ein Polymergerüst umfassen, das Einheiten mit 1,2-Diol- und/oder 1,3-Diolstruktur umfasst. Solche Polymere umfassen Polyhydroxypolymere, wie z.B. Poly(vinylalkohol) (PVA), und hydrolysierte Copolymere von Vinylacetate, z.B. Copolymere mit einem Vinylchlorid, N-Vinylpyrrolidon, etc. Das Gerüstpolymer weist Seitenketten auf, die vernetzbare Gruppen und gegebenenfalls andere Modifikatoren tragen. Wenn sie vernetzt sind, bilden die Makro mere Hydrogele mit zahlreichen für die Verwendung als biomedizinische Artikel vorteilhaften Eigenschaften.
Verfahren zur Herstellung von biomedizinischen Hydrogelartikeln unter Verwendung der vernetzbaren Makromere werden ebenfalls bereitgestellt. Die Verfahren umfassen das Lösen der Makromere in Lösung und das Vernetzen der Makromere, um den gewünschten Artikel zu bilden. Der Artikel kann aus der Makromerlösung frei gebildet werden, auf einem Substrat ausgebildet werden. oder es kann eine Form verwendet werden. Das Vernetzen der Makromere wird im Allgemeinen durch Aussetzen der Makromere gegenüber einem Vernetzungsinitiator erzielt. Dies kann erfolgen, nachdem die Makromerlösung in die gewünschte Form gebracht wurde, oder vor dem Formen oder während des Formens.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft biomedizinische Hydrogelartikel, die Mikrokugeln sind, welche aus Makromeren gebildet werden, die ein Polymergerüst aus einem Polyhydroxypolymer sowie zumindest zwei Seitenketten, die eine vernetzbare Gruppe tragen, und gegebenenfalls andere Seitenketten umfassen, die Modifikatoren enthalten.
Die biomedizinischen Hydrogelartikel können aufgrund einer Reihe von Faktoren sehr einfach und effizient hergestellt werden. Erstens sind die Ausgangsmaterialien, wie z.B. das Polyhydroxypolymer-Gerüst, kostengünstig erhältlich oder herzustellen. Zweitens sind die Makromere stabil, so dass diese einer sehr gründlichen Reinigung unterzogen werden können. Das Vernetzen kann deshalb unter Verwendung eines Makromers erfolgen, das hochrein ist und im Wesentlichen keine nichtpolymerisierten Bestandteile aufweist. Zudem kann das Vernetzen in rein wässrigen Lösungen durchgeführt werden. Aldehyd ist nicht erforderlich.
I. Die Makromere
Das Makromergerüst
Die Makromere weisen ein Gerüst eines Polymers auf, das Einheiten mit einer 1,2-Diol- oder 1,3-Diolstruktur, wie z.B. ein Polyhydroxypolymer, umfassen. Polyvinylalkohol (PVA) oder Copolymere von Vinylalkohol enthalten beispielsweise ein 1,3-Diolgerüst. Das Gerüst kann auch Hydroxylgruppen in Form von 1,2-Glykolen, wie z.B. Copolymereinheiten von 1,2-Dihydroxyethylen, enthalten. Diese können beispielsweise mittels alkalischer Hydrolyse von Vinylacetat-Vinylencarbonat-Copolymeren erhalten werden. Andere polymere Diole, wie z.B. Saccharide, können auch verwendet werden.
Zudem können die Makromere geringe Anteile von beispielsweise bis zu 20%, vorzugsweise bis zu 5%, an Comonomereinheiten von Ethylen, Propylen, Acrylamid, Methacrylamid, Dimethacrylamid, Hydroxyethylmethacrylat, Alkylmethacrylaten oder Alkylmethacrylaten, die mit hydrophilen Gruppen, wie z.B. Hydroxyl, Carboxyl oder Aminogruppen, substituiert sind, Methylacrylaten, Ethylacrylaten, Vinylpyrrolidon, Hydroxymethylacrylat, Allylalkohol, Styrol, Polyalkylenglykolen oder ähnlichen üblicherweise verwendeten Comonomeren enthalten.
Polyvinylalkohole, die als Makromergerüst verwendet werden können, umfassen handelsüblichen PVA, wie z.B. Vinol^® 107, erhältlich von Air Products (MG 22.000 bis 31.000, zu 98–98,8% hydrolysiert), Polysciences 4397 (MG 25.000, zu 98,5 hydrolysiert), BF 14, erhältlich von Chan Chun, Elvanol^® 90–50, erhältlich von DuPont und UF-120, erhältlich von Unitika. Andere Hersteller sind z.B. Nippon Gohsei (Gohsenol^®), Monsanto (Gelvatol^®), Wacker (Polyviol^®), Kuraray, Deriki und Shin-Etsu. In einigen Fällen ist es von Vorteil, von Hoechst erhältliche Mowiol^®-Produkte zu verwenden, insbesondere jene der Typen 3-83, 4-88, 4-98, 6-88, 6-98, 8-88, 8-98, 10-98, 20-98, 26-88 und 40-88.
Es ist auch möglich, Copolymere von hydrolysiertem oder teilweise hydrolysiertem Vinylacetat, die beispielsweise als hydrolysiertes Ethylen-Vinylacetat (EVA) erhältlich sind, oder Vinylchlorid-Vinylacetat, N-Vinylpyrrolidon-Vinylacetat und Maleinsäureanhydrid-Vinylacetat zu verwenden. Wenn das Makromergerüst beispielsweise ein Copolymer aus Vinylacetat und Vinylpyrrolidon ist, ist es wiederum möglich, handelsübliche Copolymere zu verwenden, wie z.B. die unter der Bezeichnung Luviskol^® von BASF als handelsübliche Produkte erhältlich sind. Luviskol VA 37 HM, Luviskol VA 37 E und Luviskol VA 28 stellen spezielle Beispiele dar. Wenn es sich beim Makromergerüst um ein Polyvinylacetat handelt, ist Mowilith 30 von Hoechst besonders gut geeignet.
Poly(vinylalkohole), die wie hierin beschrieben derivatisiert sein können, weisen ein Molekulargewicht von vorzugsweise zumindest etwa 2.000 auf. Als Obergrenze kann PVA ein Molekulargewicht von bis zu 1.000.000 aufweisen. Vorzugsweise weist PVA ein Molekulargewicht von bis zu 300.000, noch bevorzugter von bis zu ca. 130.000, insbesondere von bis zu ca. 60.000, auf.
Der PVA weist üblicherweise eine Poly(2-hydroxy)ethylenstruktur auf. Der gemäß der Offenbarung derivatisierte PVA kann jedoch Hydroxygruppen in Form von 1,2-Glykolen umfassen.
Das PVA-System kann ein vollständig hydrolysierter PVA sein, worin alle Grundeinheitsgruppen CH₂-CH(OH) sind, oder ein teilweise hydrolysierter PVA mit variablen Anteilen (1 bis 25%) von seitenständigen Estergruppen sein. PVA mit seitenständigen Estergruppen weisen Grundeinheiten der Struktur CH₂-CH(OH) auf, worin R eine COCH₃-Gruppe oder ein längeres Alkyl ist, sofern die Wasserlöslichkeit des PVA erhalten bleibt. Die Estergruppen können auch mittels Acetaldehyd- oder Butyraldehydacetalen substituiert sein, die dem PVA einen gewissen Grad an Hydrophobie und Festigkeit verleihen. Für eine Anwendung, die einen oxidationsstabilen PVA erfordert, kann der handelsübliche PVA mittels NaIO₄-KMnO₄-Oxidation aufgespal ten werden, um einen PVA mit geringem Molekulargewischt (2.000 bis 4.000) zu ergeben.
Der PVA wird mittels teilweiser oder praktisch vollständiger Basen- oder Säuren-Hydrolyse von Polyvinylacetat hergestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der PVA weniger als 50% an Vinylacetateinheiten, insbesondere weniger als etwa 25% an Vinylacetateinheiten. Bevorzugte Mengen der restlichen Acetateinheiten im PVA liegen, bezogen auf die Summe der Vinylalkohol- und Acetateinheiten, in einem Bereich von ca. 3 bis 25%.
Vernetzbare Gruppen
Die Makromere weisen zumindest zwei Seitenketten auf, die vernetzbare Gruppen enthalten. Die Bezeichnung Gruppe umfasst einzelne polymerisierbare Gruppen, wie z.B. ein Acrylat, sowie größere vernetzbare Regionen, wie z.B. oligomere oder polymere Regionen. Die Vernetzer liegen wünschenswert in einer Menge von ca. 0,01 bis 10 Milliäquivalenten des Vernetzers pro Gramm Gerüst (mÄqu./g), noch wünschenswerter in einer Menge von etwa 0,05 bis 1,5 mÄqu./g, vor. Die Makromere können mehr als einen Typ an vernetzbaren Gruppen aufweisen.
Die Seitenketten sind mittels Hydroxylgruppen an das Gerüst gebunden. Wünschenswerterweise sind die Seitenketten mit vernetzbaren Gruppen über zyklische Acetal-Verbindungen an die 1,2-Diol- oder 1,3-Diolhydroxylgruppen gebunden.
Das Vernetzen der Makromere kann auf verschiedene Arten erfolgen, wie z.B. durch physikalische oder chemische Vernetzung. Die physikalische Vernetzung umfasst, wenn auch nicht ausschließlich, Komplexbildung, Wasserstoffbrückenbindung, Desolvatation, Van-der-Waals-Wechselwirkung und Ionenbindung. Die chemische Vernetzung kann mittels einer Reihe von Möglichkeiten erfolgen, einschließlich, wenn auch nicht ausschließlich, Kettenreaktions- (Additions-) Polymerisation, Stufenreaktions- (Kondensations-) Polymerisation und andere Verfahren zur Erhöhung des Molekulargewichts der Polymere/Oligomere auf sehr hohe Molekulargewichte. Die Ket tenreaktionspolymerisation umfasst, wenn auch nicht ausschließlich, radikalische Polymerisation (thermische, Photo-, Redox-, Atomübergangspolymerisation etc.), kationische Polymerisation (einschließlich Onium), anionische Polymerisation, bestimmte Typen von Ringöffnungs- und Metathesepolymerisationen etc. Die Stufenreaktionspolymerisationen umfassen alle Polymerisationen, die gemäß einer Stufenwachstumskinetik ablaufen, einschließlich, wenn auch nicht ausschließlich, Reaktionen von Nucleophilen mit Elektrophilen, bestimmte Typen der Koordinationspolymerisation, bestimmte Typen von Ringöffnungs- und Metathesepolymerisationen etc. Andere Verfahren zur Erhöhung des Molekulargewichts von Polymeren/Oligomeren umfassen, wenn auch nicht ausschließlich, Polyelektrolytbildung, Pfropfung, ionische Vernetzung etc.
Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung sind verschiedene vernetzbare Gruppen bekannt, die je nach gewünschtem Vernetzungstyp verwendet werden können. Beispielsweise können Hydrogele durch die ionische Wechselwirkung von zweiwertigen Metallkationen (wie z.B. Ca⁺² und Mg⁺²) mit ionischen Polysacchariden, wie z.B. Alginaten, Xanthankautschuken, Naturkautschuken, Agar, Agarose, Carrageenan, Fucoidan, Furcellaran, Laminaran, Hypnea, Eucheuma, Gummiarabicum, Ghatti-Gummi, Karayagummi, Tragantgummi, Johannesbrotgummi, Arabinogalactan, Pektin und Amylopektin, hergestellt werden.
Multifunktionelle kationische Polymere, wie z.B. Poly(L-lysin), Poly(allylamin), Poly(ethylenimin), Poly(guanidin), Poly(vinylamin), die eine Vielzahl von Aminofunktionalitäten im Gerüsts aufweisen, können zur weiteren Induktion von ionischen Vernetzungen eingesetzt werden.
Hydrophobe Wechselwirkungen können häufig eine physikalische Verhakung induzieren, insbesondere bei Polymeren, die erhöhte Viskosität, Fällung oder Gelierung von Polymerlösungen induzieren. Block- und Pfropf-Copolymere von wasserlöslichen und nichtwasserlöslichen Polymeren, wie z.B. Poly(oxyethylen)-Poly(oxypropylen)-Blockcopolymere, Copolymere von Poly(oxyethylen) mit Poly(styrol), Poly(caprolacton), Poly(butadien) etc. zeigen diese Wirkung.
Die Lösungen anderer synthetischer Polymere, wie z.B. Poly(N-alkylacrylamiden), bilden auch Hydrogele, die ein thermoreversibles Verhalten und schwache physikalische Vernetzungen beim Erwärmen zeigen. Ein wässriges Zweikomponentenlösungssystem kann so gewählt werden, dass die erste Komponente (unter anderen Komponenten) aus Poly(acrylsäure) oder Poly(methacrylsäure) mit erhöhtem pH von etwa 8–9 besteht und die andere Komponente (unter anderen Komponenten) aus einer Lösung von Poly(ethylenglykol) mit saurem pH besteht, so dass die zwei Lösungen bei Kombination in situ aufgrund physikalischer Vernetzung eine unmittelbare Erhöhung der Viskosität ergeben.
Andere Möglichkeiten zur Polymerisation der Makromere können ebenfalls vorteilhaft mit Makromeren angewandt werden, die Gruppen aufweisen, welche über Aktivität gegenüber funktionellen Gruppen, wie z.B. Aminen, Iminen, Thiolen, Carboxylen, Isocyanaten, Urethanen, Amiden, Thiocyanaten, Hydroxylen etc., verfügen, die um das Gewebe herum, darin oder darauf natürlich vorliegen können. Altnernativ dazu können solche funktionelle Gruppen gegebenenfalls in manchen der Makromeren der Zusammensetzung bereitgestellt werden. In diesem Fall werden keine externen Polymerisationsinitiatoren benötigt, und die Polymerisation verläuft spontan, wenn zwei komplementäre reaktive funktionelle Gruppen, die Gruppierungen enthalten, die an der Anwendungsstelle wechselwirken.
Wünschenswerte vernetzbare Gruppen umfassen (Meth)acrylamid, (Meth)acrylat, Styryl, Vinylester, Vinylketon, Vinylether etc. Insbesondere erwünscht sind ethylenisch ungesättigte funktionelle Gruppen.
Ethylenisch ungesättigte Gruppen können mittels radikalischer Polymerisation, einschließlich Photoinitiation, Redoxinitiation und thermischer Initiation, vernetzt werden. Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung sind diese Initiationsmöglichkeiten allgemein bekannt. In einer Ausführungsform wird ein aus zwei Teilen bestehendes Redoxsystem angewandt. Ein Teil des Systems enthält ein Reduktionsmittel, wie z.B. ein Eisen(II)-Salz. Es können verschiedene Eisen(II)-Salze, wie z.B. Eisengluconatdihydrat, Eisenlactatdihydrat oder Eisenacetat, verwendet werden. Die andere Hälfte der Lösung enthält ein Oxidationsmittel, wie z.B. Wasserstoffperoxid. Jede der oder beide Redoxlösungen können ein Makromer enthalten, oder dieses kann in einer dritten Lösung vorliegen. Die zwei Lösungen werden kombiniert, um Vernetzung zu initiieren.
Andere Reduktionsmittel können auch verwendet werden, wie z.B., wenn auch nicht ausschließlich, Kupfersalze, Cersalze, Kobaltsalze, Permanganat und Mangansalze. Ascorbat kann z.B. als Coreduktionsmittel verwendet werden, um das Reduktionsmittel zu rezyklieren und die erforderliche Menge zu verringern. Dies kann die Toxizität eines auf Eisen basierenden Systems verringern. Andere verwendbare Oxidationsmittel umfassen, wenn auch nicht ausschließlich, t-Butylhydroperoxid, t-Butylperoxid, Benzoylperoxid, Cumylperoxid, etc.
Spezifische Makromere
Spezifische Makromere, die sich zur Verwendung bei der Herstellung von biomedizinischen Hydrogelartikeln eignen, sind in den US-Patenten 5.508.317, 5.665.840, 5,807.927, 5.849.841, 5.932.764, 5.939.489 und 6.011.077 offenbart.
In einer Ausführungsform entsprechen die Einheiten mit der vernetzbaren Gruppe insbesondere der Formel I
worin R ein unverzweigtes oder verzweigtes C₁-C₈-Alkylen oder ein unverzweigtes oder verzweigtes C₁-C₁₂-Alkan ist. Geeignete Beispiele für Alkylen umfassen Ocylen, Hexylen, Pentylen, Butylen, Propylen, Ethylen, Methylen, 2-Propylen, 2-Butylen und 3-Pentylen. Vorzugsweise weist das R als Niederalkylen bis zu 6, insbesondere bis zu 4, Kohlenstoffatome auf. Die Gruppen Ethylen und Butylen werden besonders bevorzugt. Alkane umfassen insbesondere Methan, Ethan, n- oder Isopropan, n-, s- oder t-Butan, n- oder Isopentan, Hexan, Heptan oder Octan. Bevorzugte Gruppen umfassen 1 bis 4 Kohlenstoffatome, insbesondere ein Kohlenstoffatom.
R₁ ist Wasserstoff, ein C₁-C₆-Alkyl oder ein Cycloalkyl, wie z.B. Methyl, Ethyl, Propyl oder Butyl, und R₂ ist Wasserstoff oder ein C₁-C₆-Alkyl, wie z.B. Methyl, Ethyl, Propyl oder Butyl. R₁ und R₂ sind vorzugsweise jeweils Wasserstoff.
R₃ ist ein olefinisch ungesättigter, Elektronen anziehender, copolymerisierbarer Rest mit bis zu 25 Kohlenstoffatomen. In einer Ausführungsform weist R₃ eine Struktur auf, worin R₄ die Gruppe
ist, wenn n = 0 ist, oder die Brücke
ist, wenn n = 1 ist.
R₅ ist Wasserstoff oder ein C₁-C₄-Alkyl, wie z.B. n-Butyl, n- oder Isopropyl, Ethyl oder Methyl.
n = 0 oder 1, vorzugsweise 0.
R₆ und R₇ sind unabhängig voneinander Wasserstoff, ein unverzweigtes oder verzweigtes C₁-C₈-Alkyl, Aryl oder Cyclohexyl, wie z.B. eines der nachstehenden: Octyl, Hexyl, Pentyl, Butyl, Propyl, Ethyl, Methyl, 2-Propyl, 2-Butyl oder 3-Pentyl. R₆ ist vor zugsweise Wasserstoff oder eine CH₃-Gruppe, und R₇ ist vorzugsweise eine C₁-C₄-Alkylgruppe. R₆ und R₇ sind als Aryl vorzugsweise Phenyl.
In einer weiteren Ausführungsform ist R₃ eine olefinisch ungesättigte Acylgruppe der Formel R₈-CO-, worin R₈ eine olefinisch ungesättigten copolymerisierbare Gruppe mit 2 bis 24 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, insbesondere 2 bis 4 Kohlenstoffatomen, ist. Der olefinisch ungesättigte copolymerisierbare Rest R₈ mit 2 bis 24 Kohlenstoffatomen ist vorzugsweise ein Alkenyl mit 2 bis 24 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise ein Alkenyl mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, insbesondere ein Alkenyl mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen, wie z.B. Ethenyl, 2-Propenyl, 3-Propenyl, 2-Butenyl, Hexenyl, Octenyl oder Dodecenyl. Die Gruppen Ethenyl und 2-Propenyl werden bevorzugt, so dass die Gruppe -CO-R₈ der Acylrest einer Acryl- oder Methacrylsäure ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die R₃-Gruppe ein Rest der Formel -[CO-NH-(R₉-NH-CO-O)_q-R₁₀-O]_p-CO-R₈ worin p und q = 0 oder 1 sind und
R₉ und R₁₀ unabhängig voneinander Niederalkylen mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, Arylen mit 6 bis 12 Kohlenstoffatomen, eine gesättigten zweiwertige cycloaliphatische Gruppe mit 6 bis 10 Kohlenstoffatomen, Arylenalkylen oder Alkylenarylen mit 7 bis 14 Kohlenstoffatomen oder Arylenalkylenarylen mit 13 bis 16 Kohlenstoffatomen sind.
R₈ ist wie oben definiert.
R₉ oder R₁₀ als Niederalkylen weist vorzugsweise 2 bis 6 Kohlenstoffatome auf und ist insbesondere unverzweigt. Geeignete Beispiele umfassen Propylen, Butylen, Hexylen, Dimethylen und insbesondere Ethylen.
R₉ oder R₁₀ als Arylen ist vorzugsweise Phenylen, das unsubstituiert oder mit Niederalkyl oder Niederalkoxy substituiert ist, insbesondere 1,3-Phenylen oder 1,4-Phenylen oder Methyl-1,4-phenylen.
Eine gesättigte zweiwertige cycloaliphatische R₉- oder R₁₀-Gruppe ist vorzugsweise Cyclohexylen oder Cyclohexylen-Niederalkylen, wie z.B. Cyclohexylenmethylen, das mit einer oder mehreren Methylgruppen, wie z.B. Trimethylcyclohexylenmethylen, beispielsweise dem zweiwertigen Isophoronrest, substituiert oder unsubstituiert ist.
Die Aryleneinheit von R₉ oder R₁₀ als Alkylenarylen oder Arylenalkylen ist vorzugsweise Phenylen, das mit Niederalkyl oder Niederalkoxy substituiert oder unsubstituiert ist, und seine Alkyleneinheit ist vorzugsweise Niederalkylen, wie z.B. Methylen oder Ethylen, insbesondere Methylen. Solche R₉- oder R₁₀-Reste sind deshalb vorzugsweise Phenylenmethylen oder Methylenphenylen.
R₉ oder R₁₀ als Arylenalkylenarylen ist vorzugsweise ein Phenylen-Niederalkylen-Phenylen mit bis zu 4 Kohlenstoffatomen in der Alkyleneinheit, wie z.B. Phenylenethylenphenylen.
Die Reste R₉ und R₁₀ sind unabhängig voneinander vorzugsweise Niederalkylen mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, Phenylen, mit einem Niederalkyl substituiert oder unsubstituiert, Phenylen-Niederalkylen, Niederalkylen-Phenylen oder Phenylen-Niederalkylen-Phenylen.
Die Gruppe -R₉-NH-CO-O- liegt vor, wenn q = 1 ist, und fehlt, wenn q = 0 ist. Makromere, worin q = 0 ist, werden bevorzugt.
Die Gruppe -CO-NH-(R₉-NH-CO-O)_q-R₁₀-O- liegt vor, wenn p = 1 ist, und fehlt, wenn p = 0 ist. Makromere, worin p = 0 ist, werden bevorzugt.
Bei Makromeren, bei denen p = 1 ist, ist q vorzugsweise 0. Makromere, worin p = 1 ist, q vorzugsweise 0 ist und R₁₀ ein Niederalkylen ist, werden besonders bevorzugt.
Alle der obigen Gruppen können ein- oder mehrfach substituiert sein, wobei nachstehende Beispiele als geeignete Substituenten in Frage kommen: C₁-C₄-Alkyl, wie z.B. Methyl, Ethyl oder Propyl, -COOH, -OH, -SH, C₁-C₄-Alkoxy (wie z.B. Methoxy, Ethoxy, Propoxy, Butoxy oder Isobutoxy), -NO₂, -NH₂, -NH(C₁-C₄), -NH-CO-NH₂, -N(C₁-C₄-Alkyl)₂, Phenyl (unsubstituiert oder substituiert mit beispielsweise -OH oder Halogen, wie z.B. Cl, Br oder insbesondere I), -S(C₁-C₄-Alkyl), ein 5- oder 6-gliedriger heterozyklischer Ring, wie z.B. insbesondere Indol oder Imidazol, -NH-C(NH)-NH₂, Phenoxyphenyl (unsubstituiert oder substituiert mit beispielsweise -OH oder Halogen, wie z.B. Cl, Br oder insbesondere I), eine olefinische Gruppe, wie z.B. Ethylen oder Vinyl und CO-NH-C(NH)NH₂.
Bevorzugte Substituenten sind Niederalkyle, wobei sie an dieser Stelle, wie auch in der restlichen Beschreibung, vorzugsweise C₁-C₄-Alkyl, C₁-C₄-Alkoxy, COOH, SH, -NH₂, -NH(C₁-C₄-Alkyl), -N(C₁-C₄-Alkyl)₂ oder Halogen sind. Besonders bevorzugt werden C₁-C₄-Alkyl, C₁-C₄-Alkoxy, COOH und SH.
Für die Zwecke der Erfindung ist ein Cycloalkyl insbesondere Cycloalkyl und ein Aryl insbesondere Phenyl, und zwar wie oben definiert substituiert oder unsubstituiert.
Modifikatoren
Die Makromere können zudem Modifikatorgruppen und vernetzbare Gruppen umfassen. Einige solcher Gruppen werden in den US-Patenten 5.508.317, 5.665.840, 5,807.927, 5.849.841, 5.932.764, 5.939.489 und 6.011.077 beschrieben. Vernetzbare Gruppen und gegebenenfalls zusätzliche Modifikatorgruppen können auf verschiedene Arten an das Makromergerüst gebunden sein, beispielsweise durch einen bestimmten Prozentsatz an 1,3-Dioleinheiten, die modifiziert sind, um ein 1,3-Dioxan zu ergeben, das eine vernetzbare Gruppe aufweist, oder durch einen zusätzlichen Modifikator an der 2-Position. Modifikatoren, die an das Gerüst gebunden sein können, umfassen solche, die die Hydrophobie modifizieren, Wirkstoffe oder Gruppen, die eine Anbindung von Wirkstoffen ermöglichen, Photoinitiatoren, Modifikatoren, um die Haftfestigkeit zu erhöhen oder zu verringern, Modifikatoren zur Verleihung von Wärmeansprechempfindlichkeit, Modifikatoren zur Verleihung anderer Ansprechempfindlichkeiten und zusätzliche Vernetzergruppen. Diese Modifikatoren können an das Gerüst oder an andere Monomereinheiten, die im Gerüst enthalten sind, gebunden sein.
Das Binden eines Zellhaftungsförderers an die Makromere kann die Zellhaftung oder Anheftbarkeit der biomedizinischen Artikel verstärken. Diese Mittel sind Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung allgemein bekannt und umfassen Carboxymethyldextran, Proteoglykane, Kollagen, Gelatine, Glucosaminglykane, Fibronectin, Lectine, Polykationen sowie natürliche oder synthetische biologische Zellhaftmittel, wie z.B. RGD-Peptide.
Seitenständige Estergruppen, die mit Acetaldehyd- oder Butyraldehydacetale substituiert sind, können beispielsweise die Hydrophobie der Makromere und des gebildeten Hydrogels erhöhen. Die hydrophoben Gruppen können wünschenswerterweise in einer Menge von etwa 0 bis 25% vorliegen.
Es kann auch erwünscht sein, ein Molekül in das Makromer einzuführen, das die Sichtbarmachung des biomedizinischen Artikels ermöglicht. Beispiele umfassen Farbstoffe und Moleküle, die mittels Kernspinresonanzabbildung sichtbar gemacht werden können.
Abbaubare Regionen
Die Makromere können ein Hydrogel bilden, das abbaubar ist. Geeignete abbaubare Systeme sind in der US-Anmeldung mit der Seriennummer 09/714.700 mit dem Titel "Degradable Poly(Vinyl Alcohol) Hydrogels", eingereicht am 15. November 2000, beschrieben. In den in dieser Anmeldung beschriebenen abbaubaren Systemen weisen die Makromere eine abbaubare Region im Gerüst oder an einer Seitenkette auf. Die abbaubare Region ist vorzugsweise unter In-vivo-Bedingungen mittels Hydrolyse abbaubar. Die abbaubare Region kann enzymatisch abbaubar sein. Beispielsweise kann die abbaubare Region Polymere und Oligomere von Glykolid, Lactid, ε-Caprolacton, anderen Hydroxysäuren und anderen biologisch abbaubaren Polymeren umfassen, die Materialien ergeben, die nichttoxisch sind oder im Körper als normale Metabolite vorliegen. Bevorzugte Poly(α-hydroxysäuren) sind Poly(glykolsäure), Poly(DL-Milchsäure) und Poly(L-Milchsäure). Andere geeignete Materialien umfassen Poly(aminosäuren), Poly(anhydride), Poly(orthoester), Poly(phosphazine) und Poly(phosphoester). Polylactone, wie z.B. Poly(ε-caprolacton), Poly(ε-caprolacton), Poly(ε-valerolacton) und Poly(γ-butyrolacton) sind beispielsweise ebenfalls geeignet. Enzymatisch abbaubare Bindungen umfassen Poly(aminosäuren), Gelatine, Chitosan und Kohlenhydrate. Die biologisch abbaubaren Regionen können einen Polymerisationsgrad aufweisen, der in einem Bereich von 1 bis zu Werten liegt, die ein Produkt ergeben, das im Wesentlichen nicht wasserlöslich ist. Folglich können monomere, dimere, trimere, oligomere und polymere Bereiche verwendet werden. Die biologisch abbaubare Region kann beispielsweise eine einzige Methacrylatgruppe sein.
Biologisch abbaubare Regionen können aus Polymeren oder Monomeren erzeugt werden, und zwar unter Verwendung von Bindungen, die für biologische Abbauprozesse anfällig sind, wie z.B. Ester-, Acetal-, Carbonat-, Peptid-, Anydrid-, Orthoester-, Phosphazin- und Phosphoesterbindungen. Wie hierin beschrieben können die biologisch abbaubaren Regionen innerhalb des Makromers so angeordnet sein, dass das gebildete Hydrogel einen Abbaubarkeitsbereich, sowohl bezüglich des Ausmaßes des Abbaus, entweder vollständig oder partiell, als auch bezüglich der Zeit bis zum vollständigen oder partiellen Abbau, aufweisen.
Synthese der Makromere
Die Makromere können mittels allgemeiner Syntheseverfahren hergestellt werden, die Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung bekannt sind. Die spezifischen, oben beschriebenen Makromere können wie in den US-Patenten 5.508.317, 5.665.840, 5,807.927, 5.849.841, 5.932.764, 5.939.489 und 6.011.077 beschrieben, hergestellt werden.
Die oben beschriebenen spezifischen Makromere sind außergewöhnlich stabil. Üblicherweise kommt es zu keiner spontanen Vernetzung mittels Homopolymerisation. Die Makromere können zudem auf an sich bekannte Weise gereinigt werden, beispielsweise durch Ausfällung mit organischen Lösungsmitteln, wie z.B. Aceton, Extraktion in einem geeigneten Lösungsmittel, Waschen, Dialyse, Filtration oder Ultrafiltrieren. Ultrafiltration wird besonders bevorzugt. Durch das Reinigungsverfahren können die Makromere in äußerst reiner Form erhalten werden, beispielsweise in Form von konzentrierten wässrigen Lösungen, die frei oder zumindest im Wesentlichen frei von Reaktionsprodukten, wie z.B. Salzen, und Ausgangsmaterialien sind.
Das zur Reinigung der erfindungsgemäßen Makromere bevorzugte Verfahren, die Ultrafiltration, kann in an sich bekannter Weise erfolgen. Es ist möglich, dass die Ultrafiltration wiederholt durchgeführt werden kann, beispielsweise 2- bis 10-mal. Alternativ dazu kann die Ultrafiltration kontinuierlich durchgeführt werden, bis der gewählte Reinheitsgrad erreicht ist. Der gewählte Reinheitsgrad kann prinzipiell so hoch sein, wie dies gewünscht wird. Ein geeignetes Maß für den Reinheitsgrad stellt beispielsweise der Natriumchloridgehalt der Lösung dar, welcher mittels bekannter Verfahren, beispielsweise Leitfähigkeitsmessungen, einfach bestimmt werden kann.
Die Makromere sind auf äußerst effektive und kontrollierte Weise vernetzbar.
Vinyl-Comonomere
Das Verfahren zur Polymerisation der Makromere kann beispielsweise das Vernetzen eines Makromers umfassen, das Einheiten der Formel I umfasst, insbesondere in im Wesentlichen reiner Form, und zwar beispielsweise nach ein- oder mehrmaliger Ultrafiltration, vorzugsweise in Lösung, insbesondere in wässriger Lösung, in Gegenwart oder Abwesenheit eines zusätzlichen Vinyl-Comonomers.
Das Vinyl-Comonomer kann hydrophil oder hydrophob oder ein Gemisch aus einem hydrophoben und einem hydrophilen Vinylmonomer sein. Im Allgemeinen werden ca. 0,01 bis 80 Einheiten eines üblichen Vinyl-Comonomers pro Einheit der Formel I umgesetzt, vorzugsweise 1 bis 30 Einheiten pro Einheit der Formel I und insbesondere 5 bis 20 Einheiten pro Einheit der Formel I.
Wenn ein Vinyl-Comonomer verwendet wird, umfassen die vernetzten Polymere gemäß der Erfindung vorzugsweise ca. 1 bis 15%, insbesondere ca. 3 bis 8%, Einheiten der Formel I oder III, bezogen auf die Anzahl der Hydroxylgruppen des Polyvinylalkohols, die mit ca. 0,1 bis 80 Einheiten des Vinylmonomers umgesetzt werden.
Es wird auch bevorzugt, ein hydrophobes Vinyl-Comonomer oder ein Gemisch aus einem hydrophoben Vinyl-Comonomers und einem hydrophilen Vinyl-Comonomer zu verwenden, wobei das Gemisch zumindest 50 Gew.-% eines hydrophoben Vinyl-Comonomers umfasst. Auf diese Weise können die mechanischen Eigenschaften des Polymers verbessert werden, ohne dass dabei der Wassergehalt wesentlich sinkt. Prinzipiell eignen sich jedoch sowohl herkömmliche hydrophobe Vinyl-Comonomere als auch herkömmliche hydrophile Vinyl-Comonomere zur Copolymerisation mit dem Makromer.
Geeignete hydrophobe Vinyl-Comonomere umfassen, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, C₁-C₁₈-Alkylacrylate und -Methacrylate, C₃-C₁₈-Alkylacrylamide und -Methacrylamide, Acrylnitril, Methacrylnitril, Vinyl-C₁-C₁₈-Alkanoate, C₂-C₁₈-Alkenyle, C₂-C₁₈-Halogenalkenyle, Styrol, C₁-C₆-Alkylstyrol, Vinylalkylether, worin die Alkylgruppierung 1 bis 6 Kohlenstoffatome enthält, C₂-C₁₀-Perfluoralkylacrylate und -methacrylate oder entsprechende partiell fluorierte Acrylate und Methacrylate, C₃-C₁₂-Perfluoralkylethylthiocarbonylaminoethylacrylate und -methacrylate, Acryloxy- und Methacryloxyalkylsiloxane, N-Vinylcarbazol, C₃-C₁₂-Alkylester von Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure, Mesaconsäure und dergleichen. C₁-C₄-Alkylester vinylisch ungesättigter Carbonsäuren mit 3 bis 5 Kohlenstoffatomen oder Vinylester von Carbonsäuren mit bis zu 5 Kohlenstoffatomen, werden beispielsweise bevorzugt.
Beispiele für geeignete hydrophobe Vinyl-Comonomere umfassen Methylacrylat, Ethylacrylat, Propylacrylat, Isopropylacrylat, Cyclohexylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Propylmethacrylat, Vinylacetat, Vinylpropionat, Vinylvalerat, Styrol, Chlorpren, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Acrylnitril, 1-Buten, Butadien, Methacrylnitril, Vinyltoluol, Vinylethylether, Perfluorhexylethylthiocarbonylaminoethylmethacrylat, Isobornylmethacrylat, Trifluorethylmethacrylat, Hexafluorisopropylmethacrylat, Hexafluorbutylmethacrylat, Tris-trimethylsilyloxysilylpropylmethacrylat, 3-Methacryloxypropylpentamethyldisiloxan und Bis(methacryloxypropyl)tetramethyldisiloxan.
Geeignete hydrophile Vinyl-Comonomere umfassen, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, Hydroxy-substituierte Niederalkylacrylate und -methacrylate, Acrylamid, Methacrylamid, Niederalkylacrylamide und -methacrylamide, ethoxylierte Acrylate und Methacrylate, Hydroxy-substituierte Niederalkylacrylamide und -methacrylamide, Hydroxy-substituierte Niederalkylvinylether, Natriumethylensulfonat, Natriumstyrolsulfonat, 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure (AMPS^®-Monomer von der Lubrizol Corporation), N-Vinylpyrrol, N-Vinylsuccinimid, N-Vinylpyrrolidon, 2- oder 4-Vinylpyridin, Acrylsäure, Methacrylsäure, Amino-, (wobei die Bezeichnung "Amino" auch quaternäres Ammonium umfasst), Mononiederalkylamino- oder Diniederalkylaminoniederalkylacrylate und -methacrylate, Allylalkohol und dergleichen. Hydroxy-substituierte C₂-C₄-Alkyl(meth)acrylate, 5- bis 7-gliedrige N-Vinyllactame, N,N-Di-C₁-C₄-Alkyl(meth)acrylamide und vinylisch ungesättigte Carbonsäuren mit insgesamt 3 bis 5 Kohlenstoffatomen werden beispielsweise bevorzugt.
Kontrastmittel
Es kann erwünscht sein, ein Kontrastmittel in die biomedizinischen Artikel einzuführen. Ein Kontrastmittel ist ein biokompatibles (nichttoxisches) Material, das beispielsweise mittels Radiographie verfolgt werden kann. Das Kontrastmittel kann wasserlöslich oder wasserunlöslich sein. Beispiele für wasserlösliche Kontrastmittel umfassen Metrizamin, Iopamidol, Iothalamatnatrium Iodomidnatrium und Meglumin. Flüssi ge iodierte Kontrastmittel umfassen Omnipaque^®, Visipaque^® und Hypaque-76^®. Beispiele für wasserunlösliche Kontrastmittel umfassen Tantal, Tantaloxid, Bariumsulfat, Gold, Wolfram und Platin. Diese sind herkömmlich in Teilchenform mit einer Größe von vorzugsweise etwa 10 μm oder weniger verfügbar.
Ein Kontrastmittel kann einem biomedizinischen Artikel während der Herstellung zugesetzt werden, so dass das Kontrastmittel in den Artikel aufgenommen wird. Alternativ dazu kann der Artikel mit dem Kontrastmittel beschichtet werden.
Wirkstoffe
In den biomedizinischen Artikeln kann eine wirksame Menge eines oder mehrerer biologischer Wirkstoffe vorliegen. Es kann erwünscht sein, dass der Wirkstoff aus den Artikeln abgegeben wird. Biologische Wirkstoffe, deren Abgabe erwünscht sein kann, umfassen prophylaktische, therapeutische oder diagnostische Mittel (hierin kollektiv als "Wirkstoffe" oder "Arzneimittel" bezeichnet). Es kann eine breite Vielzahl von Wirkstoffen in das Hydrogel aufgenommen werden, einschließlich organischer und anorganischer Moleküle und Zellen. Die Freisetzung des aufgenommen Additivs aus dem Hydrogel wird durch Diffundieren des Wirkstoffs aus dem Hydrogel, Abbau des Hydrogels und/oder Abbau einer chemischen Bindung, die den Wirkstoff an das Polymer bindet, erzielt. In diesem Zusammenhang bezieht sich eine "wirksame Menge" auf jene Menge des Wirkstoffs, die erforderlich ist, um die gewünschte Wirkung zu erzielen.
Beispiele für Wirkstoffe, die aufgenommen werden können, umfassen, wenn auch nicht ausschließlich, anti-angiogene Mittel, Chemotherapeutika, Wachstumsfaktoren, Stickstoffoxid, Strahlungsabgabegeräte, wie z.B. radioaktive Seeds für Nahbestrahlungstherapien, und Gentherapiezusammensetzungen.
Chemotherapeutika, die aufgenommen werden können, umfassen wasserlösliche Chemotherapeutika, wie z.B. Cisplatin (Platinol), Doxorubicin (Adriamycin, Rubex) oder Mitomycin C (Mutamycin). Andere Chemotherapeutika umfassen iodierte Fettsäureethylester von Mohnsamenöl, wie z.B. Lipiodol.
Zellen können in die biomedizinischen Artikel aufgenommen werden, einschließlich Zellen zur Unterstützung des Gewebewachstums oder Zellen zur Absonderung eines gewünschten Wirkstoffs. Zellen, die aufgenommen werden können umfassen beispielsweise Fibroblasten, Endothelzellen, Muskelzellen, Stammzellen, etc. Zellen können modifiziert werden, um Wirkstoffe, wie z.B. Wachstumsfaktoren, abzusondern.
Wirkstoffe können in biomedizinische Artikel einfach durch Vermischen des Wirkstoffs mit dem Makromer vor dem Vernetzen aufgenommen werden. Der Wirkstoff ist anschließend im Hydrogel eingeschlossen. Der Wirkstoff kann in compoundierter Form oder in Form von abbaubaren oder nicht-abbaubaren Nano- oder Mikrokugeln vorliegen. In einigen Fällen ist es möglich und wünschenswert, den Wirkstoff nach der Herstellung des Artikels an den Artikel zu binden. Der Wirkstoff kann auch auf die Oberfläche des Artikels beschichtet werden. Der Wirkstoff kann aus dem Hydrogel mit der Zeit freigesetzt werden oder als Antwort auf Umgebungsbedingungen.
Andere Additive
Es kann erwünscht sein, in die biomedizinischen Artikel Füllstoffe aufzunehmen, wie z.B. Füllstoffe, die mit der Zeit aus dem Hydrogel herausgelöst werden und dazu führen, dass das Hydrogel porös wird. Solche können gewünscht werden, wenn beispielsweise der Zellwachstum gefördert werden soll. Geeignete Füllstoffe umfassen beispielsweise Calciumsalze.
Es ist gegebenenfalls auch erwünscht, andere Typen von Makromeren in die biomedizinischen Artikel aufzunehmen.
Modifizierbare Eigenschaften
Eine Reihe von Eigenschaften des Hydrogels kann leicht modifiziert werden, wodurch sich die Hydrogele für eine Reihe von Anwendungen eignen. Das Polymergerüst kann beispielsweise, wie oben besprochen, Comonomere umfassen, um gewünschte Eigenschaften zu verleihen, wie z.B. Wärmeansprechempfindlichkeit, Abbaubarkeit, Geliergeschwindigkeit und Hydrophobie. Modifikatoren können an das Polymergerüst (oder an Seitengruppen) gebunden werden, um gewünschte Eigenschaften, wie z.B. Wärmeansprechempfindlichkeit, Abbaubarkeit, Hydrophobie, Elastizität und Haftvermögen, zu verleihen. Wirkstoffe können auch unter Nutzung freier Hydroxylgruppen an das Polymergerüst oder die Seitengruppen gebunden werden.
Die Gelierzeit der Zusammensetzungen kann etwa 0,5 bis sogar 10 Minuten und, falls gewünscht, auch länger betragen. Die Gelierzeit hängt im Allgemeinen von zumindest den folgenden Variablen ab und kann durch Änderung derselben modifiziert werden: Initiatorsystem, Vernetzerdichte, Makromermolekulargewicht, Makromerkonzentration (Feststoffgehalt) und Vernetzertyp. Eine höhere Vernetzerdichte sorgt für raschere Gelierzeit; ein niederes Molekulargewicht führt zu einer langsameren Gelierzeit. Durch einen höheren Feststoffgehalt kommt es zu einer rascheren Gelierzeit. Bei Redoxsystemen kann die Gelierzeit festgelegt werden, indem die Konzentrationen der Redoxkomponenten verändert werden. Eine größere Menge an Reduktions- und Oxidationsmitteln kann zu einer schnelleren Gelierung führen, höhere Pufferkonzentrationen und ein niedrigerer pH ergeben eine raschere Gelierung.
Die Festigkeit des gebildeten Hydrogels wird teilweise durch das Hydrophil-Hydrophob-Gleichgewicht bestimmt, worin ein höheres Maß an Hydrophobie ein festeres Hydrogel ergibt. Die Festigkeit hängt auch von der Vernetzerdichte (höhere Dichte ergibt ein festeres Hydrogel), dem Makromermolekulargewicht (niedrigeres MG ergibt ein festeres Hydrogel) und der Vernetzerlänge (ein kürzerer Vernetzer ergibt ein festeres Hydrogel) ab.
Die Quellung des Hydrogels ist umgekehrt proportional zur Vernetzerdichte. Im Allgemeinen ist keine oder lediglich minimale Quellung erwünscht.
Die Elastizität des gebildeten Hydrogels kann durch Erhöhung der Länge des Gerüsts zwischen den Vernetzern und Verringerung der Vernetzerdichte erhöht werden. Unvollständige Vernetzung kann ebenfalls ein elastischeres Hydrogel ergeben. In vielen Fällen entspricht die Elastizität des Hydrogels wünschenswerterweise im Wesentlichen der Elastizität des Gewebes, an das die Zusammensetzung abgegeben oder implantiert werden soll.
II. Herstellung der biomedizinischen Hydrogelartikel
Bei Photovernetzung kann es zielführend sein, einen Photoinitiator zuzusetzen, der radikalische Vernetzung initiieren kann. Das Vernetzen kann sodann mittels aktinischer oder ionisierender Strahlung initiiert werden.
Ein ähnlich vorteilhaftes Vernetzungsverfahren stellt die Redoxinitiation dar. Bei Redox-initiierter Vernetzung kann es vorteilhaft sein, die Präpolymerlösung zu teilen. Das Oxidationsmittel des Redoxinitiationssystems wird einem Teil der Präpolymerlösung zugesetzt, und die Reduktionsmittelkomponente des Redoxinitiationssystems wird dem anderen Teil zugesetzt. Die Vernetzung kann anschließend durch Vermischen der beiden Lösungen initiiert werden.
Das Vernetzen finden in einem geeigneten Lösungsmittel statt. Solche Lösungsmittel sind prinzipiell all jene, die das Präpolymer und jedes der zusätzlich verwendeten Vinyl-Comonomere lösen, wie beispielsweise Wasser, Alkohole, z.B. niedere Alkohole wie Ethanol oder Methanol, zudem Carbonsäureamide, wie z.B. Dimethylformamid oder Dimethylsulfoxid, wie auch Gemische geeigneter Lösungsmittel, wie z.B. Gemische aus Wasser und Alkohol, z.B. ein Wasser/Ethanol- oder Wasser/Methanol-Gemisch.
Bei Photovernetzung ist es ratsam, einen Initiator zuzusetzen, der fähig ist, radikalische Vernetzung zu initiieren, und in Wasser gut löslich ist. Beispiele dafür sind Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung bekannt. Geeignete Photoinitiatoren, die spezifisch anzuführen wären, umfassen Benzoine, wie z.B. Benzoin, Benzoinether, wie z.B. Benzoinmethylether, Benzoinethylether, Benzoinisopropylether und Benzoinphenylether sowie Benozoinacetat; Acetophenone, wie z.B. Acetophenon, 2,2-Dimethoxyacetophenon und 1,1-Dichloracetophenon; Benzil, Benzilketale, wie z.B. Benzildimethylketal und Benzildiethylketal, Anthrachinone, wie z.B. 2-Methylanthrachinon, 2-Ethylanthrachinon, 2-t-Butylanthrachinon, 1-Chloranthrachinon und 2-Amylanthrachinon; zudem Triphenylphosphin, Benzoylphosphinoxide, wie z.B. 2,4,6-Trimethylbenzoyldiphenylphosphinoxid, Benzophenone, wie z.B. Benzophenon und 4,4'-Bis(N,N'-dimethylamino)benzophenon; Thioxanthone und Xanthone; Acridinderivate; Phenazinderivate; Chinoxalinderivate und 1-Phenyl-1,2-propandion-2-O-benzoyloxim; 1-Aminophenylketone und 1-Hydroxyphenylketone, wie z.B. 1-Hydroxycyclohexylphenylketon, Phenyl-1-hydroxyisopropylketon, 4-Isopropyiophenyl-1-hydroxyisopropylketon, 2-Hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy)phenyl)-2-methylpropan-1-on, 1-Phenyl-2-hydroxy-2-methylpropan-1-on und 2,2-Dimethoxy-1,2-diphenylethanon, die allesamt bekannte Verbindungen darstellen.
Besonders geeignete Photoinitiatoren, die üblicherweise in Kombination mit UV-Lampen als Lichtquelle verwendet werden, umfassen Acetophenone, wie z.B. 2,2-Dialkoxybenzophenone und Hydroxyphenylketone, wie z.B. die unter den Bezeichnungen Lucirin^®, TPO, IRGACURE^®2959 und IRGACURE^®1173 erhältlichen Initiatoren.
Für Polymerisation mit sichtbarem Licht werden ein Initiator oder Photosensitizer und ein Co-Katalysator verwendet. Beispiele für geeignete Initiatoren umfassen Ethyleosin, Eosin, Erythrosin, Riboflavin, Fluorescein, Bengalrot, Methylenblau, Thionin, 5,7-Diiod-3-butoxy-6-fluoron, 2,4,6-Trimethylbenzoyldiphenylphosphinoxid und dergleichen. Beispiele für geeignete Co-Katalysatoren umfassen Triethanolamin, Arginin, Methyldiethanolamin, Triethylamin oder ein organisches Peroxid (z.B. Benzoylperoxid) und dergleichen. Eine weitere Klasse von Photoinitiatoren, die üblicherweise in Zusammenhang mit Argonionenlasern verwendet werden, sind Benzilketale, beispielsweise Benzildimethylketal.
Die Photoinitiatoren werden in wirksamen Mengen zugesetzt, geeigneterweise in Mengen von etwa 0,1 bis etwa 2,0 Gew.-%, insbesondere von 0,3 bis 0,5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an Präpolymer.
In einem Redoxsystem, bei dem Eisenionen, Peroxid und Ascorbat eingesetzt werden, werden die gewünschten Mengen der Komponenten hinsichtlich Gelierzeit, Toxizität, Ausmaß der gewünschten Gelierung und Stabilität ermittelt. Ganz allgemein beträgt die Konzentration von Eisen etwa 20 bis 1.000 ppm; die Konzentration von Wasserstoffperoxid beträgt etwa 10 bis 1.000 ppm; der pH beträgt etwa 3 bis 7; die Pufferkonzentration beträgt etwa 10 bis 200 mM; und die Ascorbatkonzentration beträgt etwa 10 bis 40 mM.
Die biomedizinischen Artikel liegen als Mikroteilchen vor, wie z.B. zur Arzneimittelverabreichung. Die Mikroteilchen können mittels einer Reihe von Verfahren, die Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung bekannt sind, hergestellt werden, wie z.B. mittels Einzel- und Doppelemulsionen, Suspensionspolymerisation, Lösungsmittelverdampfung, Sprühtrocknung und Lösungsmittelextraktion. Verfahren zur Herstellung von Mikrokugeln werden in der Literatur beispielsweise von Mathiowitz und Langer, J. Controlled Release 5, 13–22 (1987), von Mathiowitz et al., Reactive Polymers 6, 275–283 (1987), von Mathiowitz et al., J. Appl. Polymer Sci. 35, 755–774 (1988), von Mathiowitz et al., Scanning Microscopy 4, 329–340 (1990), von Mathiowitz et al., J. Appl. Polymer Sci. 45, 125–134 (1992); und von Benita et al., J. Pharm. Sci. 73, 1721–1724 (1984), beschrieben.
Bei der Lösungsmittelverdampfung werden die Makromere, wie beispielsweise von Mathiowitz et al. (1990), von Benita et al. (1984) und im US-Patent 4.272.398 beschrieben, in einem Lösungsmittel gelöst. Auf Wunsch kann ein aufzunehmender Wirkstoff, entweder in löslicher Form oder als Feinteilchen dispergiert, zur Makromerlösung zugesetzt und das Gemisch in einer wässrigen Phase suspendiert wer den, die ein Tensid enthält. Die resultierende Emulsion wird gerührt, bis der Großteil des Lösungsmittels verdampft ist, wodurch feste Mikrokugeln zurückbleiben, die mit Wasser gewaschen und über Nacht in einem Gefriertrockner getrocknet werden können. Die Mikrokugeln werden polymerisiert, indem sie beispielsweise Licht ausgesetzt werden.
Bei der Lösungsmittelentfernung werden die Makromere in einem Lösungsmittel gelöst. Das Gemisch kann sodann in Öl, wie z.B. einem Siliciumöl, mittels Rühren suspendiert werden, um eine Emulsion zu erhalten. Bei Diffusion des Lösungsmittels in die Ölphase härten die Emulsionstropfen zu festen Polymermikrokugeln. Die Mikrokugeln können polymerisiert werden, indem sie beispielsweise Licht ausgesetzt werden.
Das Sprühtrocknen wird ausgeführt, indem die polymerisierbaren Makromere, die zur Bildung des Hydrogels verwendet werden, durch eine Düse, ein Zentrifugalscheibe oder eine ähnliche Vorrichtung geleitet werden, um das Gemisch zu feinen Tröpfchen zu zerstäuben. Die polymerisierbaren Makromere können in einer Lösung oder Suspension, wie z.B. einer wässrigen Lösung, vorliegen. Die feinen Tröpfchen werden beispielsweise Licht ausgesetzt, um die Polymerisation des Makromers und die Bildung der Hydrogelmikrokugeln zu bewirken.
In einer weiteren Ausführungsform werden Hydrogelteilchen mittels einer Wasser-in-Öl-Emulsion oder einem Suspensionsverfahren hergestellt, worin die polymerisierbaren Makromere und die aufzunehmende Substanz, falls gewünscht, in einer Wasser-in-Öl-Suspension suspendiert und Licht ausgesetzt werden, um die Makromere zu polymerisieren, damit sich Hydrogelteilchen bilden, in die die Substanz aufgenommen ist, wie z.B. ein biologischer Wirkstoff.
In einer weiteren Ausführungsform können die Mikrokugeln mittels Versprühen der Makromerlösung in Öl, gefolgt von Polymerisation gebildet werden.
Es gibt viele Variablen, die die Größe, Größenverteilung und Qualität der gebildeten Mikrokugeln beeinflussen, wie z.B. Stabilisator, Rührgeschwindigkeit oder Reaktorgeometrie. Eine wichtige Variable ist die Wahl des Stabilisators. Gute Stabilisatoren weisen einen HLB-Wert von 1 bis 4 auf und verfügen über eine gewisse Löslichkeit in der Ölphase. Manche geeignete Stabilisatoren umfassen Celluloseacetatbutyrat (mit 17% Butyrat), Sorbitanoleate und Dioctylsulfosuccinat. Die Menge und der Typ des Stabilisators bestimmen die Teilchengröße und reduzieren die Koagulation der Teilchen während des Vernetzens. Das Öl kann ein wasserunlösliches Öl, wie z.B. flüssiges Paraffin, sein, wobei herkömmlicherweise wasserunlösliche halogenierte Lösungsmittel, wie z.B. Dichlorethan, verwendet werden. Das Verhältnis zwischen Wasser und Öl ist ebenfalls wichtig und liegt wünschenswerterweise in einem Bereich von etwa 1:1 bis 1:4.
Die Mikrokugeln können in Größen hergestellt werden, die von etwa 10 μm bis 2.000 μm reichen. In den meisten Anwendungen ist es erwünscht, dass die Mikrokugeln geringe Größe aufweisen. Das zur Herstellung der Mikrokugeln angewandte Verfahren kann so gesteuert werden, dass ein bestimmter erwünschter Größenbereich von Mikrokugeln erzielt wird. Andere Verfahren, wie z.B. Sieben, können verwendet werden, um den Größenbereich der Mikrokugeln noch genauer zu steuern.
Wie oben beschrieben können Wirkstoffe in den Mikrokugeln enthalten sein. Es kann erwünscht sein, die Mikrokugeln mit Modifikatoren oder Wirkstoffen, wie z.B. Mitteln zur Verstärkung der Zellbindung, zu beschichten. Solche Beschichtungen können unter Verwendung von Verfahren erfolgen, die Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung bekannt sind.
III. Arten der Verwendung von biomedizinischen Hydrogelartikeln
Beispiele
Die nachstehenden Beispiele dienen dazu, die Erfindung detaillierter zu veranschaulichen, für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung eine vollständige Offenbarung bereitzustellen, und zur Beschreibung, wie die hierin beanspruchten Verbindungen, Zusammensetzungen, Artikel, Geräte und/oder Verfahren hergestellt und bewertet werden. In den Beispielen sind die Mengen und Prozentangaben, sofern nicht anders angegeben, gewichtsbezogen; die Temperatur wird in Grad Celsius gemessen oder ist Umgebungstemperatur, und der Druck liegt bei oder in der Nähe von Atmosphärendruck. Die Beispiele sollen den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken.
Beispiel 1: Mikrokugelzusammensetzungen
Allgemeines Verfahren zur Herstellung von Mikrokugeln:
300 ml 1,2-Dichlorethan (DCE) oder Paraffin wurde in einen ausgekerbten 500-ml-Kessel platziert und mit einem Glasrührstab gerührt. Dazu wurde unter Rühren bis zur Auflösung ein Stabilisator (entweder Celluloseacetatbutyrat (CAB) oder Dioctylsulfosuccinat (DOS) zugesetzt (die Prozentangabe basiert auf der Menge an verwendetem DOS)). Als der Stabilisator vollständig gelöst war, wurde mit dem Rühren aufgehört und 10 Minuten lang Stickstoff durch die Lösung hindurchperlen gelassen.
Die in Tabelle 1 beschriebene (Feststoffgehalt zwischen 10 bis 30%) Makromerlösung wurde in einen 100-ml-Flachbodenkolben gefüllt und gerührt. Dem Makromer wurden unter Rühren 0,5% Kaliumpersulfat (bezogen auf die Menge des verwendeten DCE oder Paraffins) zugesetzt. Nachdem das Persulfat gelöst war, wurde 5 Minuten lang Stickstoff durch die Lösung hindurchperlen gelassen.
Die Makromerlösung wurde unter Rühren mit 400 U/min zur DCE- oder Paraffinlösung zugetropft. Nachdem die gesamte Makromerlösung zugesetzt worden war, wurde mit Stickstoff ein geringer positiver Druck eingestellt. Zu dieser Lösung wurden 0,5% N,N,N,N-Tetramethylethylendiamin (bezogen auf das Gewicht des verwendeten DCE oder Paraffins) zugesetzt. Die Lösung wurde in ein Ölbad mit einer Temperatur von 55°C eingetaucht und 3 Stunden lang reagieren gelassen.
Nach 3 Stunden wurde die Heizung entfernt und weitergerührt. Nach Abkühlung wurde das DCE oder Paraffin im Vakuum abfiltriert und das Produkt mit DCE und Aceton gewaschen. Das Produkt wurde 30 Minuten lang in Aceton getaucht, das Aceton abdekantiert und das Produkt zumindest 30 Minuten lang in Wasser getaucht. Das Wasser wurde aus dem Produkt vakuumfiltriert. Die Mikrokugeln wurden 30 Minuten lang beschallt und zu den gewünschten Größen von über 850 μm, zwischen 850 und 500 μm, zwischen 500 und 250 μm und unter 250 μm gesiebt. Das in den Proben A bis G verwendete Makromer wies ein PVA-Gerüst auf (14 kDa, 12% Acetat inkorporiert), das mit 0,45 mÄqu./g seitenständigen polymerisierbaren N-Acrylamidoacetaldehyddimethylacetal-Gruppen (etwa 6,3 Vernetzungen pro Kette) modifiziert war. Das in Probe H verwendete Makromer wies ein PVA-Gerüst 8–88 auf, (67 kDa, 12% Acetat inkorporiert), das mit seitenständigen polymerisierbaren N-Acrylamidoacetaldehyddimethylacetal-Gruppen (etwa 7 Vernetzungen pro Kette) modifiziert war. Das in Probe I verwendete Makromer wies ein PVA-Gerüst 4–88 auf (31 kDa, 12 Acetat inkorporiert) das mit seitenständigen polymerisierbaren N-Acrylamidoacetaldehyddimethylacetal-Gruppen (etwa 7 Vernetzungen pro Kette) modifiziert war. Die Rührgeschwindigkeit betrug 400 U/min, mit der Ausnahme von Probe G, bei der mit 350 U/min gerührt wurde. Tabelle 1: Herstellung der Mikrokugeln

* nicht bestimmbar

Die Mikrokugelprodukte wiesen (mit der Ausnahme von Probe D) sehr wenige Aggregate auf und waren zum Großteil oder vollständig kugelförmig.

Claims

Biomedizinischer Hydrogelartikel, der durch die Vernetzung von Makromeren hergestellt wird, die ein Polymerrückgrat aufweisen, das Einheiten mit einer 1,2-Diol- oder 1,3-Diolstruktur und zumindest zwei Seitenketten, die vernetzbare Gruppen tragen, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Artikel eine Mikrokugel ist.
Biomedizinischer Hydrogelartikel nach Anspruch 1, worin das Rückgratpolymer ein Polyhydroxypolymer ist.
Biomedizinischer Hydrogelartikel nach Anspruch 1, worin die Seitenketten über die 1,2-Diol- oder 1,3-Diolgruppen an das Rückgrat gebunden sind.
Biomedizinischer Hydrogelartikel nach Anspruch 1, worin die Seitenketten, die vernetzbare Gruppen tragen, über zyklische Acetalbindungen an das Rückgrat gebunden sind.
Biomedizinischer Hydrogelartikel nach Anspruch 1, worin das Rückgratpolymer Poly(vinylalkohol) (PVA) und Copolymere davon umfasst.
Mikropartikel nach Anspruch 1, worin das Makromer die Formel
aufweist, worin R ein unverzweigtes oder verzweigtes C₁-C₈-Alkylen oder ein unverzweigtes oder verzweigtes C₁-C₁₂-Alkan ist; R₁ Wasserstoff, ein C₁-C₆-Alkyl oder ein Cycloalkyl ist; R₂ Wasserstoff oder ein C₁-C₆-Alkyl ist; und R₃ ein olefinisch ungesättigter, Elektronen anziehender, copolymerisierbarer Rest mit bis zu 25 Kohlenstoffatomen ist.
Biomedizinischer Hydrogelartikel nach Anspruch 1, außerdem ein biologisch aktives Mittel umfassend.
Biomedizinischer Hydrogelartikel nach Anspruch 1, worin das Hydrogel biologisch abbaubar ist.
Biomedizinischer Hydrogelartikel nach Anspruch 1, der außerdem ein Kontrastmittel umfasst, bei dem es sich um ein biokompatibles Material handelt, das durch Räntgenographie überwacht werden kann.
Biomedizinischer Hydrogelartikel nach Anspruch 1, worin die vernetzbaren Gruppen durch radikalische Polymerisation vernetzt sind.
Biomedizinischer Hydrogelartikel nach Anspruch 10, worin die radikalische Polymerisation redoxinitiiert ist.
Biomedizinischer Hydrogelartikel nach Anspruch 11, worin die vernetzbaren Gruppen olefinisch ungesättigte Gruppen sind.