經由不含銅的環加成的基于peg的水凝膠的應變促進的交聯的制作方法
【專利摘要】本發明涉及包含8-元環炔官能化聚亞烷基二醇和多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物的應變促進的反應產物的共價交聯的水凝膠以及用于制備其的方法。因為可處理所述前體物質而不會引起交聯，條件是不會達到所述應變閾值，這些水凝膠允許交聯發生時(處)的機械控制并且比先前的應變-激活或溫度-激活系統更易于使用。這些新型水凝膠不需要催化劑進行交聯，從而避免許多催化劑常見的所述生物相容性問題。所述交聯過程也不受是否存在催化劑或其它物質的影響，其已經在已知的應變誘導水凝膠中干擾交聯。由于其交聯反應動力學，這些新型水凝膠可包封并輸送高度敏感的細胞和其它生物添加劑且不含已知的毒性副產物。
【專利說明】經由不含銅的環加成的基于PEG的水凝膠的應變促進的交 聯
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2012年7月3日提交的標題為"Strain-PromotedCrosslinkingof PEG-basedHydrogelsviaCopper-FreeCycloaddition" 的美國臨時專利申請序列號 61/677, 683的權益，并且通過引用整體并入。
[0003] 政府支持的參考
[0004] 本發明至少部分在美國國立衛生研宄院授權號MLB，P41EB0063536的支持下研 發。政府可以對本發明具有某些權利。
【技術領域】
[0005] 本發明在應變促進的、共價交聯的水凝膠的領域內并且涉及包含8-元環炔官能 化聚亞燒基二醇和多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物（glycerolexytholatetriazide)的 應變促進的反應產物的共價交聯的水凝膠以及用于其制備的方法。
【背景技術】
[0006] 聚合物水凝膠為本領域熟知的并且可被定義為由聚合物鏈的三維網絡和填充大 分子之間的空間的水組成的雙組分或多組分系統。水凝膠為不溶于水的聚合物鏈的網絡， 有時以膠態凝膠被發現，其中水在分散介質中。水凝膠為具有超強吸收能力的（它們可含 有超過99%的水）天然或合成聚合物。由于其顯著的水含量，水凝膠還具有與天然組織非 常相似的柔韌度。
[0007] 水凝膠通常用于軟性隱形眼鏡、傷口敷料、藥物遞送系統、超強吸收劑、許多醫學 和再生醫學應用。取決于使用的聚合物（多個聚合物）的性質，以及網絡節點的性質和密 度，平衡中的此類結構可含有各種量的水；通常水凝膠中處于溶脹狀態的水的質量分數比 聚合物的質量分數高得多。
[0008] 已經定義了兩種一般類別的水凝膠。第一為物理水凝膠，其中鏈通過靜電力、氫 鍵、疏水作用或鏈纏結（此類凝膠為非永久性的并且通常通過加熱它們可被轉化成聚合物 溶液）連接。可使用多種環境觸發劑（PH、溫度、離子強度）和多種物理化學相互作用（疏 水作用、電荷凝聚、氫鍵或超分子相互作用）實現聚合物鏈的物理交聯。在物理交聯的水凝 膠中可逆交聯點的存在允許溶劑澆鑄和/或熱處理。然而，物理交聯的水凝膠的主要缺點 為其在溶脹狀態時的弱的機械性能以及可被觸發以形成生理學相關狀況的材料的范圍極 其有限。
[0009] 第二類別的水凝膠為化學水凝膠，其通常具有連接鏈的共價鍵。化學方法包括 各種點擊反應、硫醇烯加成、金屬催化的疊氮化物-炔烴環加成、邁克爾加成（Michael addition)和狄爾斯-阿爾德反應（Diels-Alderreaction)。由于其高度有效的轉化、正 交性和生物友好特性，已經將不含金屬的、應變促進的疊氮化物-炔烴"點擊"環加成反應 應用于細胞成像以及水凝膠系統。凝膠形成過程為原子中性的，因為不存在污染系統和能 夠對相關生物系統造成毒性問題的殘余物。
[0010] 在這些系統中開始凝膠形成通常依賴于起始來自單體前體的網絡形成的化學或 光化學過程。生物相容性起始系統（諸如化學催化劑、熱和/或紫外（UV)光）的使用和殘 留金屬催化劑、有機溶劑的存在以及官能團的不完全轉化經常導致與這些系統的生物相容 性問題。這些凝膠化和官能化策略中的每一種的實驗需求對各自水凝膠的實用性和通用性 有明顯的限制并且使得直接的臨床轉化為困難的或不可能的。
[0011] 最近，已經發現原位形成的注射用水凝膠有另外的希望，因為相對于預成型的水 凝膠它們能適應復雜的缺陷位置。在這些系統中，注射含有水凝膠的組成單體的一種或多 種溶液或以其它方式將其遞送至使用水凝膠并起始交聯的位點。這些系統的常見問題為交 聯聚合物網絡所需的基于光化學、熱、UV光和或化學催化劑的引發劑經常生物相容性不大 并且對敏感的細胞類型不起作用。而且，交聯反應的所有副產物也必須為生物相容的并且 殘留金屬催化劑、有機溶劑以及官能團的不完全轉化經常導致與這些系統的生物相容性問 題。
[0012] 也已經開發由物理應變起始的原位形成水凝膠。然而，許多這些系統在存在明膠、 膠原、脂質、碳水化合物或聚合物納米纖維的情況下將不會交聯，這顯著限制其有效性。
[0013] 因此，本領域需要的是這樣的水凝膠，其能夠原位（和體內）形成，不含有毒的副 產物，允許交聯發生時（和發生處）的機械控制，比基于熱的系統更易于使用并且將在存在 明膠、膠原、脂質、碳水化合物或聚合物納米纖維的情況下交聯。
【發明內容】
[0014] 本發明涉及包含8-元環炔官能化聚亞烷基二醇和多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化 物的應變促進的反應產物的共價交聯的水凝膠。本發明的共價交聯的水凝膠允許交聯將發 生時（處）的機械控制并且比應變-激活或溫度-激活系統更易于使用。
[0015] 可處理前體物質而不引起交聯，只要不會達到所述應變閾值。水凝膠不需要催化 劑交聯，從而避免許多催化劑常見的生物相容性問題。所述交聯過程也不受是否存在催化 劑或其它物質的影響，其可在已知的應變誘導水凝膠中干擾交聯。前體物質基本上為正交 的并且將在存在明膠、膠原、脂質、碳水化合物或聚合物納米纖維的情況下交聯。由于其交 聯反應動力學，本發明的水凝膠可包封并輸送高度敏感的細胞和其它生物添加劑。而且，本 發明的水凝膠不含已知的毒性副產物。
[0016] 而且，共價交聯的水凝膠為通用的并且為生物相容的因為它們基于不含金屬的、 應變促進的疊氮化物-炔烴環加成。交聯不需要光、引發劑和催化劑。不需要對敏感蛋白、 肽或細胞有害的任何物質。
[0017] 本發明還包括用于將細胞和其它敏感生物材料包封在水凝膠內的有效方法，其中 膠凝化基于應變的環辛炔單元（cyclocotyneunit)和疊氮化物封端的PEG鏈之間的特定 分子識別相互作用的累積效應。各自組分的分子質量的潛在變化性、分支單元的數目以及 與hMSC和細胞培養基的相容性在應用中提供通用性，其中注射器可注射的材料或水凝膠 的原位形成是必需的。
[0018] 在一些實施方案中，本發明涉及包含8-元環炔官能化聚亞烷基二醇和多臂聚氧 乙基甘油醚三疊氮化物的應變促進的反應產物的共價交聯的水凝膠。在一些實施方案中， 本發明的共價交聯的水凝膠可以包括上文描述的實施方案，其中8-元環炔官能化聚亞烷 基二醇為選自以下的聚合物：聚乙二醇，聚丙二醇及其組合。在一些實施方案中，本發明的 共價交聯的水凝膠可以包含上文描述的任一實施方案，其中所述8-元環炔官能化聚亞烷 基二醇的分子質量為約500Da至約12000Da。
[0019] 在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以包含上文描述的任一實施方 案，其中所述8-元環炔官能化聚亞烷基二醇為二芐基環辛炔官能化聚乙二醇。
[0020] 在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以包含上文描述的任一實施方 案，其中所述8-元環炔官能化聚亞烷基二醇為包含約1 %至約40%重量百分比的二芐基環 辛炔官能化聚乙二醇的水溶液。在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以包含 上文描述的任一實施方案，其中所述8-元環炔官能化聚亞烷基二醇為包含約11重量百分 比的二芐基環辛炔官能化聚乙二醇的水溶液。
[0021] 在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以包含上文描述的任一實施方 案，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物為具有2至5個臂的聚氧乙基甘油醚三疊氮 化物。在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以包含上文描述的任一實施方案， 其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物為3-臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物。
[0022] 在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以包含上文描述的任一實施方 案，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物為包含約1%至約40%重量百分比的3-臂聚 氧乙基甘油醚三疊氮化物的水溶液。在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以 包含上文描述的任一實施方案，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物為包含約3%重 量百分比的3-臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物的水溶液。
[0023] 在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以包含上文描述的任一實施方 案，其中所述共價交聯的水凝膠通過所述二芐基環辛炔官能化聚乙二醇和所述多臂聚氧乙 基甘油醚三疊氮化物的應變促進的環加成形成。在一些實施方案中，本發明的共價交聯的 水凝膠可以包含上文描述的任一實施方案，其中所述共價交聯的水凝膠通過所述8-元環 炔官能化聚亞烷基二醇和所述3-臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物的應變促進的環加成形 成。在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以包含上文描述的任一實施方案，其 中所述共價交聯的水凝膠通過二芐基環辛炔官能化聚乙二醇和3-臂聚氧乙基甘油醚三疊 氮化物的應變促進的環加成形成。在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以包 含上文描述的任一實施方案，其中所述二芐基環辛炔官能化聚乙二醇的質量平均分子量為 約 1，000 至約 20, 000。
[0024] 在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以包括上文描述的任一實施方 案，其中共價交聯的水凝膠的交聯密度為約2至約300mol/m3。在一些實施方案中，本發明 的共價交聯的水凝膠可以包括上文描述的任一實施方案，其中共價交聯的水凝膠的交聯密 度為約 8. 6mol/m3。
[0025] 在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以包括上文描述的任一實施方 案，其中共價交聯的水凝膠的損耗因數（tanS)為約〇. 10至約〇. 50。在一些實施方案中， 本發明的共價交聯的水凝膠可以包括上文描述的任一實施方案，其中共價交聯的水凝膠的 損耗因數（tanS)為約0.25。
[0026] 在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以包括上文描述的還包含選自 細胞、膠原、脫細胞組織、明膠及其組合的添加劑的任一實施方案。在一些實施方案中，本發 明的共價交聯的水凝膠可以包含上文描述的任一實施方案，其中所述添加劑用所述共價交 聯的水凝膠包封。在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以包含上文描述的任 一實施方案，其中所述添加劑為人間充質干細胞。
[0027] 在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以包含上文描述的任一實施方 案，其中所述共價交聯的水凝膠為約40%至約99. 9%的水。在一些實施方案中，本發明的 共價交聯的水凝膠可以包含上文描述的任一實施方案，其中所述共價交聯的水凝膠為約 96. 1 %的水。
[0028] 在一些實施方案中，本發明的共價交聯的水凝膠可以包含上文描述的任一實施方 案，其中所述二芐基環辛炔官能化聚乙二醇具有下式：
[0029]
【權利要求】
1. 一種共價交聯的水凝膠，其包含8-元環炔官能化聚亞烷基二醇和多臂聚氧乙基甘 油醚三疊氮化物的應變促進的反應產物。
2. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其中所述8-元環炔官能化聚亞烷基二醇 為選自以下的聚合物：聚乙二醇、聚丙二醇及其組合。
3. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其中所述8-元環炔官能化聚亞烷基二醇 的分子質量為約500Da至約12000Da。
4. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其中所述8-元環炔官能化聚亞烷基二醇 為二芐基環辛炔官能化聚乙二醇。
5. 根據權利要求4所述的共價交聯的水凝膠，其中所述8-元環炔官能化聚亞烷基二醇 為包含約1%至約40%重量百分比的二芐基環辛炔官能化聚乙二醇的水溶液。
6. 根據權利要求3所述的共價交聯的水凝膠，其中所述8-元環炔官能化聚亞烷基二醇 為包含約11重量百分比的二芐基環辛炔官能化聚乙二醇的水溶液。
7. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化 物為具有2至5個臂的聚氧乙基甘油醚三疊氮化物。
8. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化 物為3-臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物。
9. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化 物為包含約1 %至約40%重量百分比的3-臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物的水溶液。
10. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮 化物為包含約3%重量百分比的3-臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物的水溶液。
11. 根據權利要求3所述的共價交聯的水凝膠，其中所述共價交聯的水凝膠通過所述 二芐基環辛炔官能化聚乙二醇和所述多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物的所述應變促進的 環加成形成。
12. 根據權利要求8所述的共價交聯的水凝膠，其中所述共價交聯的水凝膠通過所述 8-元環炔官能化聚亞烷基二醇和所述3-臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物的所述應變促進的 環加成形成。
13. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其中所述共價交聯的水凝膠通過二芐 基環辛炔官能化聚乙二醇和3-臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物的所述應變促進的環加成形 成。
14. 根據權利要求4所述的共價交聯的水凝膠，其中所述二芐基環辛炔官能化聚乙二 醇的質量平均分子量為約1，〇〇〇至約20, 000。
15. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其交聯密度為約2至約300mol/m3。
16. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其交聯密度為約8. 6mol/m3。
17. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其損耗因數（tanS)為約〇. 10至約 0. 50〇
18. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其損耗因數（tanS)為約〇. 25。
19. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其還包含選自以下的添加劑：細胞、膠 原、脫細胞組織、明膠及其組合。
20. 根據權利要求19所述的共價交聯的水凝膠，其中所述添加劑用所述共價交聯的水 凝膠包封。
21. 根據權利要求19所述的共價交聯的水凝膠，其中所述添加劑為人間充質干細胞。
22. 根據權利要求20所述的共價交聯的水凝膠，其中所述添加劑為人間充質干細胞。
23. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其中所述共價交聯的水凝膠為約40% 至約99. 9%的水。
24. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其中所述共價交聯的水凝膠為約 96. 1 %的水。
25. 根據權利要求4所述的共價交聯的水凝膠，其中所述二芐基環辛炔官能化聚乙二 醇具有下式：
其中n為約60至約300的整數。
26. 根據權利要求24所述的共價交聯的水凝膠，其中n為6或7。
27. 根據權利要求7所述的共價交聯的水凝膠，其中所述3-臂聚氧乙基甘油醚三疊氮 化物具有下式：
其中n為約8至約30的整數。
28. 根據權利要求1所述的共價交聯的水凝膠，其具有下式：
其中n為約8至約30的整數。
29. -種制備共價交聯的水凝膠的方法，其包括： A.制備含有8-元環炔官能化聚亞烷基二醇的水溶液； B. 制備含有多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物的水溶液；以及 C. 將步驟A的所述溶液與步驟B的所述溶液組合；以及 D. 將應變應用至步驟C的混合物直至所述8-元環炔官能化聚亞烷基二醇和所述多臂 聚氧乙基甘油醚三疊氮化物之間形成共價交聯。
30. 根據權利要求29所述的方法，其中所述8-元環炔官能化聚亞烷基二醇為選自以下 的聚合物：聚乙二醇、聚丙二醇及其組合。
31. 根據權利要求29所述的方法，其中所述8-元環炔官能化聚亞烷基二醇為聚乙二
32. 根據權利要求29所述的方法，其中所述8-元環炔官能化聚亞烷基二醇為二芐基環 辛炔官能化聚乙二醇。
33. 根據權利要求29所述的方法，其中步驟A的所述水溶液含有約1 %至約40%重量 百分比的所述8-元環炔官能化聚亞烷基二醇。
34. 根據權利要求29所述的方法，其中步驟A的所述水溶液含有約11重量百分比的所 述8-元環炔官能化聚亞烷基二醇。
35. 根據權利要求29所述的方法，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物為具有2 至5個臂的聚氧乙基甘油醚三疊氮化物。
36. 根據權利要求29所述的方法，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物為3-臂聚 氧乙基甘油醚三疊氮化物。
37. 根據權利要求29所述的方法，其中步驟B的所述水溶液含有約1 %至約40%重量 百分比的所述多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物。
38. 根據權利要求29所述的方法，其中步驟B的所述水溶液含有約3%重量百分比的 所述多臂聚氧乙基甘油醚三疊氮化物。
39. 根據權利要求32所述的方法，其中所述二芐基環辛炔官能化聚乙二醇的質量平均 分子量為約1，〇〇〇至約20, 000。
40. 根據權利要求29所述的方法，還包括在步驟D之前，將步驟C的所述混合物引入至 活有機體的所述步驟。
41. 根據權利要求40所述的方法，其中將步驟D的所述混合物通過注射引入至活有機 體。
42. 根據權利要求29所述的方法，其中步驟D在體內發生。
43. 根據權利要求40所述的方法，其中步驟D在體內發生。
44. 根據權利要求41所述的方法，其中步驟D在體內發生。
45. 根據權利要求29所述的方法，其中步驟C的所述混合物為粘性液體。
46. 根據權利要求29所述的方法，其中步驟C的所述混合物的損耗因數（tanS)大于 或等于約1. 0。
47. 根據權利要求29所述的方法，其中步驟C的所述混合物的損耗因數（tanS)為約 1. 0〇
48. 根據權利要求29所述的方法，還包括將選自以下的添加劑加入至步驟A的一個或 多個所述水溶液或步驟B的所述水溶液的所述步驟：細胞、膠原、脫細胞組織、明膠及其組 合。
49. 根據權利要求48所述的方法，其中所述添加劑用所述共價交聯的水凝膠包封。
50. 根據權利要求48所述的方法，其中所述添加劑為人間充質干細胞。
51. 根據權利要求49所述的方法，其中所述添加劑為人間充質干細胞。
52. 根據權利要求29所述的方法，其中在步驟D中應用的所述應變為5%至15%的振 蕩剪切應變。
【文檔編號】A61K47/34GK104487093SQ201380039067
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2013年7月31日 優先權日:2012年7月31日
【發明者】R·A·外斯, M·貝克 申請人:阿克倫大學