经由不含铜的环加成的基于peg的水凝胶的应变促进的交联的制作方法
【专利摘要】本发明涉及包含8-元环炔官能化聚亚烷基二醇和多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物的应变促进的反应产物的共价交联的水凝胶以及用于制备其的方法。因为可处理所述前体物质而不会引起交联，条件是不会达到所述应变阈值，这些水凝胶允许交联发生时(处)的机械控制并且比先前的应变-激活或温度-激活系统更易于使用。这些新型水凝胶不需要催化剂进行交联，从而避免许多催化剂常见的所述生物相容性问题。所述交联过程也不受是否存在催化剂或其它物质的影响，其已经在已知的应变诱导水凝胶中干扰交联。由于其交联反应动力学，这些新型水凝胶可包封并输送高度敏感的细胞和其它生物添加剂且不含已知的毒性副产物。
【专利说明】经由不含铜的环加成的基于PEG的水凝胶的应变促进的交 联
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年7月3日提交的标题为"Strain-PromotedCrosslinkingof PEG-basedHydrogelsviaCopper-FreeCycloaddition" 的美国临时专利申请序列号 61/677, 683的权益，并且通过引用整体并入。
[0003] 政府支持的参考
[0004] 本发明至少部分在美国国立卫生研宄院授权号MLB，P41EB0063536的支持下研 发。政府可以对本发明具有某些权利。
【技术领域】
[0005] 本发明在应变促进的、共价交联的水凝胶的领域内并且涉及包含8-元环炔官能 化聚亚烧基二醇和多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物（glycerolexytholatetriazide)的 应变促进的反应产物的共价交联的水凝胶以及用于其制备的方法。
【背景技术】
[0006] 聚合物水凝胶为本领域熟知的并且可被定义为由聚合物链的三维网络和填充大 分子之间的空间的水组成的双组分或多组分系统。水凝胶为不溶于水的聚合物链的网络， 有时以胶态凝胶被发现，其中水在分散介质中。水凝胶为具有超强吸收能力的（它们可含 有超过99%的水）天然或合成聚合物。由于其显著的水含量，水凝胶还具有与天然组织非 常相似的柔韧度。
[0007] 水凝胶通常用于软性隐形眼镜、伤口敷料、药物递送系统、超强吸收剂、许多医学 和再生医学应用。取决于使用的聚合物（多个聚合物）的性质，以及网络节点的性质和密 度，平衡中的此类结构可含有各种量的水；通常水凝胶中处于溶胀状态的水的质量分数比 聚合物的质量分数高得多。
[0008] 已经定义了两种一般类别的水凝胶。第一为物理水凝胶，其中链通过静电力、氢 键、疏水作用或链缠结（此类凝胶为非永久性的并且通常通过加热它们可被转化成聚合物 溶液）连接。可使用多种环境触发剂（PH、温度、离子强度）和多种物理化学相互作用（疏 水作用、电荷凝聚、氢键或超分子相互作用）实现聚合物链的物理交联。在物理交联的水凝 胶中可逆交联点的存在允许溶剂浇铸和/或热处理。然而，物理交联的水凝胶的主要缺点 为其在溶胀状态时的弱的机械性能以及可被触发以形成生理学相关状况的材料的范围极 其有限。
[0009] 第二类别的水凝胶为化学水凝胶，其通常具有连接链的共价键。化学方法包括 各种点击反应、硫醇烯加成、金属催化的叠氮化物-炔烃环加成、迈克尔加成（Michael addition)和狄尔斯-阿尔德反应（Diels-Alderreaction)。由于其高度有效的转化、正 交性和生物友好特性，已经将不含金属的、应变促进的叠氮化物-炔烃"点击"环加成反应 应用于细胞成像以及水凝胶系统。凝胶形成过程为原子中性的，因为不存在污染系统和能 够对相关生物系统造成毒性问题的残余物。
[0010] 在这些系统中开始凝胶形成通常依赖于起始来自单体前体的网络形成的化学或 光化学过程。生物相容性起始系统（诸如化学催化剂、热和/或紫外（UV)光）的使用和残 留金属催化剂、有机溶剂的存在以及官能团的不完全转化经常导致与这些系统的生物相容 性问题。这些凝胶化和官能化策略中的每一种的实验需求对各自水凝胶的实用性和通用性 有明显的限制并且使得直接的临床转化为困难的或不可能的。
[0011] 最近，已经发现原位形成的注射用水凝胶有另外的希望，因为相对于预成型的水 凝胶它们能适应复杂的缺陷位置。在这些系统中，注射含有水凝胶的组成单体的一种或多 种溶液或以其它方式将其递送至使用水凝胶并起始交联的位点。这些系统的常见问题为交 联聚合物网络所需的基于光化学、热、UV光和或化学催化剂的引发剂经常生物相容性不大 并且对敏感的细胞类型不起作用。而且，交联反应的所有副产物也必须为生物相容的并且 残留金属催化剂、有机溶剂以及官能团的不完全转化经常导致与这些系统的生物相容性问 题。
[0012] 也已经开发由物理应变起始的原位形成水凝胶。然而，许多这些系统在存在明胶、 胶原、脂质、碳水化合物或聚合物纳米纤维的情况下将不会交联，这显著限制其有效性。
[0013] 因此，本领域需要的是这样的水凝胶，其能够原位（和体内）形成，不含有毒的副 产物，允许交联发生时（和发生处）的机械控制，比基于热的系统更易于使用并且将在存在 明胶、胶原、脂质、碳水化合物或聚合物纳米纤维的情况下交联。
【发明内容】
[0014] 本发明涉及包含8-元环炔官能化聚亚烷基二醇和多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化 物的应变促进的反应产物的共价交联的水凝胶。本发明的共价交联的水凝胶允许交联将发 生时（处）的机械控制并且比应变-激活或温度-激活系统更易于使用。
[0015] 可处理前体物质而不引起交联，只要不会达到所述应变阈值。水凝胶不需要催化 剂交联，从而避免许多催化剂常见的生物相容性问题。所述交联过程也不受是否存在催化 剂或其它物质的影响，其可在已知的应变诱导水凝胶中干扰交联。前体物质基本上为正交 的并且将在存在明胶、胶原、脂质、碳水化合物或聚合物纳米纤维的情况下交联。由于其交 联反应动力学，本发明的水凝胶可包封并输送高度敏感的细胞和其它生物添加剂。而且，本 发明的水凝胶不含已知的毒性副产物。
[0016] 而且，共价交联的水凝胶为通用的并且为生物相容的因为它们基于不含金属的、 应变促进的叠氮化物-炔烃环加成。交联不需要光、引发剂和催化剂。不需要对敏感蛋白、 肽或细胞有害的任何物质。
[0017] 本发明还包括用于将细胞和其它敏感生物材料包封在水凝胶内的有效方法，其中 胶凝化基于应变的环辛炔单元（cyclocotyneunit)和叠氮化物封端的PEG链之间的特定 分子识别相互作用的累积效应。各自组分的分子质量的潜在变化性、分支单元的数目以及 与hMSC和细胞培养基的相容性在应用中提供通用性，其中注射器可注射的材料或水凝胶 的原位形成是必需的。
[0018] 在一些实施方案中，本发明涉及包含8-元环炔官能化聚亚烷基二醇和多臂聚氧 乙基甘油醚三叠氮化物的应变促进的反应产物的共价交联的水凝胶。在一些实施方案中， 本发明的共价交联的水凝胶可以包括上文描述的实施方案，其中8-元环炔官能化聚亚烷 基二醇为选自以下的聚合物：聚乙二醇，聚丙二醇及其组合。在一些实施方案中，本发明的 共价交联的水凝胶可以包含上文描述的任一实施方案，其中所述8-元环炔官能化聚亚烷 基二醇的分子质量为约500Da至约12000Da。
[0019] 在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以包含上文描述的任一实施方 案，其中所述8-元环炔官能化聚亚烷基二醇为二苄基环辛炔官能化聚乙二醇。
[0020] 在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以包含上文描述的任一实施方 案，其中所述8-元环炔官能化聚亚烷基二醇为包含约1 %至约40%重量百分比的二苄基环 辛炔官能化聚乙二醇的水溶液。在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以包含 上文描述的任一实施方案，其中所述8-元环炔官能化聚亚烷基二醇为包含约11重量百分 比的二苄基环辛炔官能化聚乙二醇的水溶液。
[0021] 在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以包含上文描述的任一实施方 案，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物为具有2至5个臂的聚氧乙基甘油醚三叠氮 化物。在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以包含上文描述的任一实施方案， 其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物为3-臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物。
[0022] 在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以包含上文描述的任一实施方 案，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物为包含约1%至约40%重量百分比的3-臂聚 氧乙基甘油醚三叠氮化物的水溶液。在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以 包含上文描述的任一实施方案，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物为包含约3%重 量百分比的3-臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物的水溶液。
[0023] 在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以包含上文描述的任一实施方 案，其中所述共价交联的水凝胶通过所述二苄基环辛炔官能化聚乙二醇和所述多臂聚氧乙 基甘油醚三叠氮化物的应变促进的环加成形成。在一些实施方案中，本发明的共价交联的 水凝胶可以包含上文描述的任一实施方案，其中所述共价交联的水凝胶通过所述8-元环 炔官能化聚亚烷基二醇和所述3-臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物的应变促进的环加成形 成。在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以包含上文描述的任一实施方案，其 中所述共价交联的水凝胶通过二苄基环辛炔官能化聚乙二醇和3-臂聚氧乙基甘油醚三叠 氮化物的应变促进的环加成形成。在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以包 含上文描述的任一实施方案，其中所述二苄基环辛炔官能化聚乙二醇的质量平均分子量为 约 1，000 至约 20, 000。
[0024] 在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以包括上文描述的任一实施方 案，其中共价交联的水凝胶的交联密度为约2至约300mol/m3。在一些实施方案中，本发明 的共价交联的水凝胶可以包括上文描述的任一实施方案，其中共价交联的水凝胶的交联密 度为约 8. 6mol/m3。
[0025] 在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以包括上文描述的任一实施方 案，其中共价交联的水凝胶的损耗因数（tanS)为约〇. 10至约〇. 50。在一些实施方案中， 本发明的共价交联的水凝胶可以包括上文描述的任一实施方案，其中共价交联的水凝胶的 损耗因数（tanS)为约0.25。
[0026] 在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以包括上文描述的还包含选自 细胞、胶原、脱细胞组织、明胶及其组合的添加剂的任一实施方案。在一些实施方案中，本发 明的共价交联的水凝胶可以包含上文描述的任一实施方案，其中所述添加剂用所述共价交 联的水凝胶包封。在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以包含上文描述的任 一实施方案，其中所述添加剂为人间充质干细胞。
[0027] 在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以包含上文描述的任一实施方 案，其中所述共价交联的水凝胶为约40%至约99. 9%的水。在一些实施方案中，本发明的 共价交联的水凝胶可以包含上文描述的任一实施方案，其中所述共价交联的水凝胶为约 96. 1 %的水。
[0028] 在一些实施方案中，本发明的共价交联的水凝胶可以包含上文描述的任一实施方 案，其中所述二苄基环辛炔官能化聚乙二醇具有下式：
[0029]
【权利要求】
1. 一种共价交联的水凝胶，其包含8-元环炔官能化聚亚烷基二醇和多臂聚氧乙基甘 油醚三叠氮化物的应变促进的反应产物。
2. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其中所述8-元环炔官能化聚亚烷基二醇 为选自以下的聚合物：聚乙二醇、聚丙二醇及其组合。
3. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其中所述8-元环炔官能化聚亚烷基二醇 的分子质量为约500Da至约12000Da。
4. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其中所述8-元环炔官能化聚亚烷基二醇 为二苄基环辛炔官能化聚乙二醇。
5. 根据权利要求4所述的共价交联的水凝胶，其中所述8-元环炔官能化聚亚烷基二醇 为包含约1%至约40%重量百分比的二苄基环辛炔官能化聚乙二醇的水溶液。
6. 根据权利要求3所述的共价交联的水凝胶，其中所述8-元环炔官能化聚亚烷基二醇 为包含约11重量百分比的二苄基环辛炔官能化聚乙二醇的水溶液。
7. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化 物为具有2至5个臂的聚氧乙基甘油醚三叠氮化物。
8. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化 物为3-臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物。
9. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化 物为包含约1 %至约40%重量百分比的3-臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物的水溶液。
10. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮 化物为包含约3%重量百分比的3-臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物的水溶液。
11. 根据权利要求3所述的共价交联的水凝胶，其中所述共价交联的水凝胶通过所述 二苄基环辛炔官能化聚乙二醇和所述多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物的所述应变促进的 环加成形成。
12. 根据权利要求8所述的共价交联的水凝胶，其中所述共价交联的水凝胶通过所述 8-元环炔官能化聚亚烷基二醇和所述3-臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物的所述应变促进的 环加成形成。
13. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其中所述共价交联的水凝胶通过二苄 基环辛炔官能化聚乙二醇和3-臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物的所述应变促进的环加成形 成。
14. 根据权利要求4所述的共价交联的水凝胶，其中所述二苄基环辛炔官能化聚乙二 醇的质量平均分子量为约1，〇〇〇至约20, 000。
15. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其交联密度为约2至约300mol/m3。
16. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其交联密度为约8. 6mol/m3。
17. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其损耗因数（tanS)为约〇. 10至约 0. 50〇
18. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其损耗因数（tanS)为约〇. 25。
19. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其还包含选自以下的添加剂：细胞、胶 原、脱细胞组织、明胶及其组合。
20. 根据权利要求19所述的共价交联的水凝胶，其中所述添加剂用所述共价交联的水 凝胶包封。
21. 根据权利要求19所述的共价交联的水凝胶，其中所述添加剂为人间充质干细胞。
22. 根据权利要求20所述的共价交联的水凝胶，其中所述添加剂为人间充质干细胞。
23. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其中所述共价交联的水凝胶为约40% 至约99. 9%的水。
24. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其中所述共价交联的水凝胶为约 96. 1 %的水。
25. 根据权利要求4所述的共价交联的水凝胶，其中所述二苄基环辛炔官能化聚乙二 醇具有下式：
其中n为约60至约300的整数。
26. 根据权利要求24所述的共价交联的水凝胶，其中n为6或7。
27. 根据权利要求7所述的共价交联的水凝胶，其中所述3-臂聚氧乙基甘油醚三叠氮 化物具有下式：
其中n为约8至约30的整数。
28. 根据权利要求1所述的共价交联的水凝胶，其具有下式：
其中n为约8至约30的整数。
29. -种制备共价交联的水凝胶的方法，其包括： A.制备含有8-元环炔官能化聚亚烷基二醇的水溶液； B. 制备含有多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物的水溶液；以及 C. 将步骤A的所述溶液与步骤B的所述溶液组合；以及 D. 将应变应用至步骤C的混合物直至所述8-元环炔官能化聚亚烷基二醇和所述多臂 聚氧乙基甘油醚三叠氮化物之间形成共价交联。
30. 根据权利要求29所述的方法，其中所述8-元环炔官能化聚亚烷基二醇为选自以下 的聚合物：聚乙二醇、聚丙二醇及其组合。
31. 根据权利要求29所述的方法，其中所述8-元环炔官能化聚亚烷基二醇为聚乙二
32. 根据权利要求29所述的方法，其中所述8-元环炔官能化聚亚烷基二醇为二苄基环 辛炔官能化聚乙二醇。
33. 根据权利要求29所述的方法，其中步骤A的所述水溶液含有约1 %至约40%重量 百分比的所述8-元环炔官能化聚亚烷基二醇。
34. 根据权利要求29所述的方法，其中步骤A的所述水溶液含有约11重量百分比的所 述8-元环炔官能化聚亚烷基二醇。
35. 根据权利要求29所述的方法，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物为具有2 至5个臂的聚氧乙基甘油醚三叠氮化物。
36. 根据权利要求29所述的方法，其中所述多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物为3-臂聚 氧乙基甘油醚三叠氮化物。
37. 根据权利要求29所述的方法，其中步骤B的所述水溶液含有约1 %至约40%重量 百分比的所述多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物。
38. 根据权利要求29所述的方法，其中步骤B的所述水溶液含有约3%重量百分比的 所述多臂聚氧乙基甘油醚三叠氮化物。
39. 根据权利要求32所述的方法，其中所述二苄基环辛炔官能化聚乙二醇的质量平均 分子量为约1，〇〇〇至约20, 000。
40. 根据权利要求29所述的方法，还包括在步骤D之前，将步骤C的所述混合物引入至 活有机体的所述步骤。
41. 根据权利要求40所述的方法，其中将步骤D的所述混合物通过注射引入至活有机 体。
42. 根据权利要求29所述的方法，其中步骤D在体内发生。
43. 根据权利要求40所述的方法，其中步骤D在体内发生。
44. 根据权利要求41所述的方法，其中步骤D在体内发生。
45. 根据权利要求29所述的方法，其中步骤C的所述混合物为粘性液体。
46. 根据权利要求29所述的方法，其中步骤C的所述混合物的损耗因数（tanS)大于 或等于约1. 0。
47. 根据权利要求29所述的方法，其中步骤C的所述混合物的损耗因数（tanS)为约 1. 0〇
48. 根据权利要求29所述的方法，还包括将选自以下的添加剂加入至步骤A的一个或 多个所述水溶液或步骤B的所述水溶液的所述步骤：细胞、胶原、脱细胞组织、明胶及其组 合。
49. 根据权利要求48所述的方法，其中所述添加剂用所述共价交联的水凝胶包封。
50. 根据权利要求48所述的方法，其中所述添加剂为人间充质干细胞。
51. 根据权利要求49所述的方法，其中所述添加剂为人间充质干细胞。
52. 根据权利要求29所述的方法，其中在步骤D中应用的所述应变为5%至15%的振 荡剪切应变。
【文档编号】A61K47/34GK104487093SQ201380039067
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2013年7月31日 优先权日:2012年7月31日
【发明者】R·A·外斯, M·贝克 申请人:阿克伦大学