用于生物技术应用的非共价型自组织水凝胶基质的制作方法
【专利说明】用于生物技术应用的非共价型自组织水凝胶基质
[0001] 本发明涉及一种用于生物技术应用的非共价型自组织水凝胶基质。另外本发明还 涉及由此水凝胶基质构成的水凝胶基质球体，以及该水凝胶基质或这些水凝胶基质球体与 嵌入其中的细胞的一种复合物。本发明的其他方面涉及一种用于针对性地释放治疗试剂的 胶囊，一种由该水凝胶基质、化学品和治疗试剂制成的组合物，以及一种由非球形的水凝胶 基质和水凝胶基质球体制成的混合系统。
[0002] 对于在"生命科学"以及其他领域中自组织大分子体系的设计和合成对化学、材料 科学和生物医药具有重大意义。不同的水凝胶已经唤起了在生物医药领域中的应用可能性 方面的巨大希望，例如像在活性物质传输和组织工程领域中。起源于活体来源的一系列的 聚合物基质，例如像基质胶和胶体-水凝胶，在其于细胞培养中的高生物相容性方面已经 显示为超过所有现存的合成的聚合物。然而，此类的来自活体来源的生物材料没有确定的 化学组成，这阻碍了其在生物医药中的广泛应用。
[0003] 另一方面，一种具有高耐用性的聚合物型基质体系可以导致各种各样的适合于不 同应用的"定制的"结构。以此方式，可以影响该体系的许多特性。在这一点上，示例性地 提及对于不同细胞类型或不同胶凝时间的培养以及在不同生病位置的植入物的降解速度 而言不同的物理和生化特性。最后，一种理想的合成的水凝胶体系应当不仅能够模拟不同 的细胞外基质（ECM)的生物功能，还应当提供控制并优化这些功能的可能性。此类可匹配 于生物医药应用的材料的设计提出了巨大的挑战。这种材料尤其适用于关于不同细胞外基 质（ECM)的组成和功能的生物实验、以重构或构造此类系统为目的的聚合物和材料科学的 实验、以及关于此过程的控制的化学实验。
[0004] 合成的聚合物，如聚乙二醇（PEG)、聚乙烯醇、聚（N-异丙级丙烯酰胺）、聚（乳 酸-共-乙醇酸）（PLGA)和这些与其他聚合物的共聚物，提供了对于在生物医药领域中的 应用而言的许多有用的系统。一方面，已经开发了这些聚合物作为与生物体系具有最小交 互作用的化学结构。例如，它们通常不被免疫系统辨认为抗原，由此避免了免疫原性的复杂 性。而且另一方面，缺少功能的这种优点也造成了这种聚合物与生命系统的重要功能缺乏 相似性，首要地是在细胞外基质（ECM)的动力学和信号传导方面。
[0005] 生物大分子和合成的聚合物的共轭提出了一条有意义的道路来设计上述的水凝 胶体系。所选择的生物大分子可以要么是合成起源的，例如像来自固相肽合成的肽和来自 固相寡聚核苷酸合成的DNA，要么是生物起源的，具有良好限定的化学组成。重要的是，这些 生物大分子不具有毒性特征并且具有较低的免疫原性。不仅可以使用共价的还可以使用非 共价的方法来进行交联，其中由于生产不同凝胶的可能性，非共价的方法是特别有研宄意 义的。此外，将允许自组织体系的非共价细胞嵌入到基质体系中，而使该基质体系不与化学 反应相关联。
[0006] 越来越多地采用多糖分子在生物混合材料中的结合来在合成或半合成的材料中 实现天然的ECM功能。在一系列的设计构思中尤其使用透明质酸和肝素，由于它们的生物 活性以及它们的生物可用性。肝素，在生物聚合物中出现的一种具有最高的阴离子电荷密 度的糖胺聚糖（GAG)，由于其对于许多重要的信号分子的亲和性而得到使用。肝素是可以从 有机来源提取并且对应的样品在质量分布、糖单体组成以及硫酸化度方面有所不同的一种 复杂的聚合物，而硫酸葡聚糖和环硫酸葡聚糖是简单的寡聚糖。此外，一些环硫酸葡聚糖化 合物可以作为纯的化学化合物来获得。
[0007] 生物相容的水凝胶的开发提出了一种有意义的研宄途径，不仅在材料科学的领 域内还在生物医药的领域内。在最近十年已经开发了许多非共价的自组织的水凝胶或 含寡聚糖的水凝胶。在 Kiicks 等人（N. Yamaguchi, B. -S. Chae, L. Zhang, K. L. Kiick, E. Μ· Furst，生物大分子（Biomacromolecules) 2005,6,1931-1940 ;Ν· Yamaguchi, Κ· L. Kiick， 生物大分子 2005,6,1921-1930 ;L. Zhang, Ε· M. Furst, K. L. Kiick，受控释放杂志（Journal of Controlled Release)2006，114，130-142 ;K.L.Kiick，软性物质（Soft Matter)2008， 4,29-37;F.J.Spinelli，K.L.Kiick，E.M. Furst，生物材料（Biomaterials) 2008, 29， 1299-1306)中描述了使用低分子的肝素-星形PEG共轭体，也就是说偶联在四臂的星形 PEG处的肝素（NMH)，以及使用肽-星形PEG共轭体，也就是说偶联在四臂的星形PEG处的肽 的天然衍生物。在将这两种化合物，即肝素-星形PEG和肽-星形PEG混合之后，形成一种非 共价的水凝胶。具有低分子量的肝素（LMWH)的键合多个对应物（Partner)的能力充分用于 安置并在该非共价安排的基质处放出生长因子或者其他所希望的肝素键合的肽或蛋白质。 于是，这种水凝胶的安排也与二聚的肝素键合的生长因子VEGF(VEGF=血管内皮生长因 子）一起使用。施加有生长因子的水凝胶网络的一个有意义的结果是对应的施加有受体的 凝胶腐蚀的能力。VEGF交联可以在VEGF受体的存在下选择性地同时进行（konkurrieren) 和解离（dissoziieren)，该VEGF受体控制血管内皮细胞的增殖和迀移。
[0008] 在开发和合成水凝胶时，使用了越来越多的对生物无影响的（bio-orthogonale) 反应和光子引发的硫醇-烯反应。所谓的点击（Klick)化学允许非常高选择性和 无影响的反应，这些反应具有高效率并且在一系列温和的条件下进行。Anseth等人 (S. B. Anderson, C. -C. Lin, D. V. Kuntzler, K. S. Anseth，生物材料 2011，32, 3564-3574)引 入了可靠地官能化的合成策略，其中借助于铜点击化学进行大分子前体的反应，这允许将 细胞直接包裹在点击-水凝胶的胶囊内。在硫醇与乙烯基砜之间温和的化学反应也在很大 程度上用于产生各种水凝胶。在早些时候，这种化学和生物化学反应的共效导致了一系列 多官能水凝胶体系的设想和合成。
[0009] 在发明人自己的工作中开发了基于共价交联的肝素和星形PEG的生物混合 型水凝胶的模块式体系（A. Zieris, S. Prokoph, P. Welzel, M. Grimmer, K. Levental, W. Panyanuwat, U. Freudenberg, C. Werner,材料科学杂志：医学材料（Journal of Materials Science!Materials in Medicine) 2010, 21, 915-923 ；A.Zieris, S. Prokoph, K. R. Levental, P. B. Welzel, M. Grimmer, U. Freudenberg, C. Werner,生物材 料 2010, 31，7985-7994 ;U. Freudenberg, J. -U. Sommer, K. R. Levental, Ρ· B. Welzel, A. Zieris, K. Chwalek, K. Schneider, S. Prokoph, M. Prewitz, R. Dockhorn, C. Werner,高级 功能材料（Advanced Functional Materials)2012,22, 1391-1398 ;U. Freudenberg, A. Hermann, P. B. Welzel, K. Stirl, S. C. Schwarz, M. Grimmer, A. Zieris, ff. Panyanuwat, S. Zscho