Адгезивные комплексные коацерваты и способы их получения и применения

Адгезивные комплексные коацерваты и способы их получения и применения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка претендует на приоритет предварительной патентной заявки США № 61/023173, поданной 24 января 2008 г. Тем самым данная заявка включена в настоящий документ путем ссылки в своем полном объеме в отношении всего содержания.

Уровень техники

Переломы костей вызывают серьезную озабоченность здравоохранения в современном обществе. В дополнение к перелому как таковому с переломом связан ряд дополнительных факторов риска для здоровья. Например, внутрисуставные переломы представляют собой травмы костей, которые распространяются на поверхность сочленения и разрывают хрящевую поверхность сустава на кусочки. Повреждения хрящевой поверхности часто приводят к инвалидизирующему посттравматическому артриту. Основными определяющими факторами развития посттравматического артрита считается количество энергии, сообщаемой во время травмы, генетическая предрасположенность пациента (или ее отсутствие) к посттравматическому артриту, обеспечение репозиции и тщательность ее осуществления. Из трех прогностических факторов только достижение и обеспечение репозиции является фактором, поддающимся контролю со стороны врачей-ортопедов. Особенно трудно поддерживать в репозиционном (выпрямленном) положении оскольчатые травмы суставной поверхности (хрящевой) и метафиза (части кости, непосредственно прилегающей к хрящу). Такие трудности связаны с характерными особенностями и типом кости в данной области. Они также связаны с ограничениями фиксации с помощью имплантов из титана или нержавеющей стали.

В настоящее время использование имплантов из нержавеющей стали и титана является основным способом фиксации, но их размер и необходимость просверливания костей при их установке часто препятствуют точной обработке и репозиции более мелких кусочков кости и хряща. В качестве альтернатив механической фиксации испытано множество костных адгезивов. Они делятся на четыре категории: полиметилметакрилаты (PMMA), клеи на основе фибрина, кальцийфосфатные (CP) цементы и CP-полимерные композиты. PMMA-цементы, применяемые для фиксации протезов, имеют хорошо известные недостатки; один из наиболее серьезных недостатков состоит в том, что тепло, выделяемое в результате экзотермической реакции отверждения, может разрушать примыкающую костную ткань. Также недостаточное сцепление с костью приводит к асептическому расшатыванию - главной причине поломки протеза, фиксируемого с помощью PMMA-цемента.

С 1970-х г. для фиксации костных трансплантатов и восстановления хряща испытывались фибриновые клеи, основанные на фибриногене - белке системы свертывания крови, но до сих пор они не нашли широкого применения. Один из недостатков фибриновых клеев заключается в том, что их производят из смешанной донорской крови (от нескольких доноров). По этой причине они несут с собой риск передачи инфекций, и их применение потенциально может быть ограничено поставкой.

CP-цементы представляют собой порошки, состоящие из одной или нескольких форм CP, например, тетракальцийфосфата, ангидрида дикальцийфосфата и β-трикальцийфосфата. Когда порошок смешивают с водой, он образует пасту, которая отверждается и становится твердой за счет переплетения одной или нескольких форм кристаллов CP, включая гидроксиапатит. Преимущества CP-цементов включают изотермическое отверждение, доказанную биологическую совместимость, остеокондуктивность, и они выполняют функцию резервуара ионов Ca и PO₄ для образования гидроксиапатита во время процесса срастания кости. Наиболее важные недостатки заключаются в том, что CP-цементы крошатся, обладают низкой механической прочностью и, следовательно, не являются идеальными для стабильной репозиции мелких суставных сегментов. Чаще всего CP-цементы применяются в качестве материала для заполнения пустот в кости. Недостаточные механические свойства CP-цементов привели к появлению композитных цементов на основе CP-частиц и полимеров. Путем изменения объемных долей фазы, присутствующей в виде частиц, и полимерной фазы модуль (упругости) и прочность клея можно доводить почти до модуля и прочности природной кости - путь, который также открыт для нас.

Принимая во внимание воздействие, которое переломы костей оказывают на общее самочувствие пациента, и несовершенное состояние принятых в настоящее время способов фиксации необходимы новые способы фиксации.

Сущность изобретения

В настоящей заявке описан синтез адгезивных комплексных коарцеватов. Адгезивные комплексные коарцеваты состоят из смеси одного или нескольких поликатионов, одного или нескольких полианионов и одного или нескольких многовалентных катионов. Поликатионы и полианионы при отверждении сшиваются друг с другом ковалентными связями. Адгезивные комплексные коарцеваты обладают несколькими необходимыми признаками по сравнению с традиционными адгезивами, которые эффективны в областях применения, основанными на воде. Описанные здесь адгезивные комплексные коарцеваты при нанесении на субстрат обладают низким межфазным поверхностным натяжением в воде (то есть они растекаются по поверхности раздела вместо того, чтобы собираться в капли). Кроме того, способность комплексного коарцевата к межмолекулярной кросс-сшивке повышает когезионную прочность (прочность сцепления) адгезивного комплексного коарцевата. Адгезивные комплексные коарцеваты находят применение в многочисленных биологических областях в качестве биоадгезивов и средств доставки лекарственных средств. В частности, описанные здесь адгезивные комплексные коарцеваты особенно применимы в областях, связанных с применением в подводных условиях, и в ситуациях, где присутствует вода, например, таких как физиологические условия.

Преимущества изобретения частично будут изложены в описании, которое следует ниже, и частично будут очевидны из описания или с ними можно ознакомиться на практике при осуществлении описанных ниже вариантов изобретения. Описанные ниже преимущества будут реализованы и достигнуты посредством элементов и комбинаций, в частности перечисленных в прилагаемой формуле изобретения. Следует понимать, что как вышеизложенное общее описание, так и последующее подробное описание являются только иллюстративными и поясняющими, но не ограничительными.

Краткое описание чертежей

Сопроводительные чертежи, которые включены в данное описание и составляют часть данного описания, иллюстрируют несколько описанных ниже вариантов изобретения.

На фигуре 1 показана модель pH-зависимой структуры коацервата и механизмы адгезии. (A) Полифосфат (черный) с низкой плотностью заряда, спаренный с полиамином (красный), образует комплексы размером порядка нм. Комплексы обладают суммарным положительным зарядом. (B) Вытянутые полифосфаты с высокой плотностью заряда образуют сетчатую структуру, связанную более компактными полиаминами с более низкой плотностью заряда и двухвалентными катионами (зеленые символы), в случае их присутствия. Суммарный заряд на сополимерах является отрицательным. (C) Окисление 3,4-дигидроксифенола (D) кислородом (O₂) или добавленным окислителем инициирует кросс-сшивку между хиноном (Q) и боковыми цепями из первичного амина. Коацерват может присоединяться к гидроксиапатитной поверхности (кости) посредством электростатических взаимодействий, боковых цепей 3,4-дигидроксифенола и ковалентного связывания с белками матрикса, опосредованного хиноном.

На фигурах 2-7 показано несколько белковых последовательностей, продуцируемых червями P. Californica, которые могут применяться в настоящем изобретении в качестве поликатионов и полианионов, а также синтетические поликатионы и полианионы, применимые в настоящем изобретении.

На фигуре 8 показаны различные механизмы DOPA-сшивания.

На фигуре 9 показаны системы парных шприцов, предназначенные для нанесения тонких "швов точечной сварки" из описанных здесь комплексных коарцеватов на подлежащие заживлению переломы (A), мелкие повреждения костей (B) или для сцепления трехмерных синтетических подложек-носителей с костной тканью (C).

На фигуре 10 показаны структура и характеристика миметических сополимеров в видимой и УФ-областях. (A) Pc3-аналог (1) содержал 88,4 мол.% фосфата, 9,7 мол.% допамида и 0,1 мол.% боковых цепей FITC. Pc1-аналог (2) содержал 8,1 мол.% аминсодержащих боковых цепей. В обоих случаях существует баланс акриламидных субъединиц. (B) В спектре 1 присутствовал единичный пик при 280 нм, характеристический для катехиновой формы 3,4-дигидроксифенола. После окисления под действием NaIO₄ появлялся пик при 395 нм, соответствующий хиноновой форме, подтверждая ожидаемый окислительно-восстановительный характер полимера, содержащего 3,4-дигидроксифенол.

На фигуре 11 показана pH-зависимая комплексная коацервация смешанных полиэлектролитов. (A) При низком pH смесь 1 и 2 (50 мг/мл), содержащая равные количества аминсодержащих и фосфатсодержащих боковых цепей, образует стабильный коллоидный раствор PEC. По мере повышения pH полимеры конденсировались в густую жидкую фазу, содержащую комплексный коарцеват. При pH 10 сополимеры переходили в раствор и сшивались при окислении в прозрачный гидрогель. (B) Суммарный заряд боковых цепей сополимера как функцию pH рассчитывали из плотностей боковых цепей сополимера. (C) Диаметр PEC (колец) увеличивался почти в три раза в пределах диапазона pH 2-4. При pH выше 4 комплексы коагулировали, и их размер нельзя было измерить. Дзэта-потенциал (квадраты) равнялся нулю около pH 3,6 в соответствии с рассчитанным суммарным зарядом.

На фигуре 12 показан жидкий характер адгезивного комплексного коарцевата. Раствор 1 и 2 содержал равные количества аминсодержащих и фосфатсодержащих боковых цепей при pH 7,4.

На фигуре 13 показана фазовая диаграмма полиэлектролитов и двухвалентных катионов. Отношения аминсодержащей боковой цепи к фосфатсодержащей боковой цепи и фосфатсодержащей боковой цепи к двухвалентному катиону меняли при фиксированном значении pH 8,2. Состояние растворов представлено на серой шкале. Масса (мг) фазы коацервата указана в темно-серых квадратах. Композиции, помеченные звездочкой, применяли для испытания адгезионной прочности.

На фигуре 14 показана адгезионная прочность, модуль упругости при сдвиге и стабильность размеров костей, склеенных коацерватом. (A) Адгезионная прочность в месте поломки повышалась на ~50%, и коэффициент жесткости возрастал вдвое, по мере того как отношение двухвалентного катиона к фосфатсодержащим боковым цепям менялось от 0 до 0,4. В качестве эталона применяли влажные образцы, склеенные коммерческим цианоакрилатным адгезивом (n=6 для всех условий). (B) Места соединений в образцах склеенных костей, полностью погруженных в ФСБ на четыре месяца (pH 7,2), набухали незначительно.

На фигуре 15 показаны спектры допаминовых сополимеров в диапазоне УФ - видимая область до и после окисления (pH 7,2). Пик катехина, присутствующий до окисления, подвергался превращению в пик, соответствующий хиноновой форме. Верхний чертеж, слева: p(DMA[8]-Aam[92]). Нижний чертеж, слева: p(AEMA[30]-DMA[8]). Справа: образование гидрогеля при окислительной кросс-сшивке допаминовых сополимеров. (A) p(DMA[8]-Aam[92]). (B) p(EGMP[92]-DMA[8]). (C) Смесь p(DMA[8]-Aam[92]) и p(AEMA[30]-Aam[70]). (D) Смесь p(EGMP[92]-DMA[8]) и p(AEMA[30]- Aam[70]). Числа, заключенные в скобки, указывают мол.% боковых цепей. Области спектров, указанные стрелками, меняются со временем.

На фигуре 16 показана pH-зависимость окисления допамина в поли-(EGMP[92]- DMA[8]). Области спектров, указанные стрелками, меняются со временем. Верхний чертеж: pH 5,0, на вставке - зависимость от времени. Нижний чертеж: pH 6,0.

На фигуре 17 показан прямой контакт (A) фибробластов крайней плоти человека, (B) трахеальных фибробластов человека и (C) первичных астроцитов крыс с адгезивом (автофлуоресцирующие красным фрагменты, белые звездочки). Морфология клеток, секреция фибронектина и мотильность клеток не отличаются от клеток, растущих при отсутствии клея. Зеленый = промежуточные филаментные белки. Красный = секретируемый фибронектин. Синий = окрашенные DAPI ядра.

На фигуре 18 показана многофрагментарная модель повреждения свода черепа крысы. (A) - образование повреждения. (B) - фрагментация костного утолщения. (C) - вправление фрагментов в повреждение. (D) - нанесение костного клея. (E-F) - отверждение (затемнение) клея. На E и F фрагменты прочно зафиксированы.

На фигуре 19 показано влияние pH и нормированного суммарного заряда на образование адгезивных комплексных коарцеватов.

Подробное описание

Перед тем как будут раскрыты и описаны настоящие соединения, композиции, продукты, средства и/или способы, следует понимать, что описанные ниже варианты не ограничиваются конкретными соединениями, способами синтеза или применениями, которые, конечно, могут меняться. Также следует понимать, что применяемая здесь терминология отвечает только цели описания конкретных вариантов изобретения и не подразумевается, что она подлежит ограничению.

В данном описании и в следующей за ним формуле изобретения будет сделана ссылка на ряд терминов, которые должны быть определены и иметь следующие значения.

Следует заметить, что применяемые в описании и прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа включают обозначение множества объектов, за исключением тех случаев, когда в контексте ясно предписывается иное. Таким образом, например, обозначение "фармацевтический носитель" включает смеси двух или более таких носителей и т.п.

"Необязательный" или "необязательно" означает, что описываемые далее случай или условия могут осуществляться или могут не осуществляться, и что описание включает примеры, когда случай или условия осуществляются и примеры, когда случай или условия не осуществляются. Например, фраза "необязательно замещенный низший алкил" означает, что низшая алкильная группа может быть замещенной или может быть незамещенной, и что описание включает как незамещенный низший алкил, так и низший алкил, в котором имеется замещение.

Диапазоны могут выражаться здесь как от "приблизительно" одного конкретного значения и/или до "приблизительно" другого конкретного значения. Если такой диапазон обозначен, еще один вариант изобретения включает диапазон от одного конкретного значения и/или до другого конкретного значения. Аналогично, когда значения выражены как приблизительные величины, путем применения предшествующего слова "приблизительно", будет понятно, что конкретное значение образует еще один вариант. Кроме того, следует понимать, что предельные значения каждого из диапазонов достоверны как относительно другого предельного значения, так и независимо от другого предельного значения.

В описании и итоговой формуле изобретения упоминания типа "частей по массе" для конкретного элемента или компонента композиции или продукта означают массовое соотношение между элементом или компонентом и любыми другими элементами или компонентами композиции или продукта, для которых применяется выражение "частей по массе". Таким образом, в соединении, содержащем 2 части по массе компонента X и 5 частей по массе компонента Y, X и Y присутствуют в массовом отношении 2:5, и присутствуют в таком отношении независимо от того, содержатся ли в соединении дополнительные компоненты.

Если специально не установлено иначе, массовый процент компонента рассчитывается на основе общей массы препарата или композиции, в которую включен компонент.

Такие переменные, как R¹, R², R³, R⁴, R⁵, X, m и n, применяемые на всем протяжении заявки, представляют собой те же переменные, которые определены выше, если не установлено иначе.

Применяемый здесь термин "алкильная группа" относится к насыщенной углеводородной группе с разветвленной или неразветвленной цепью, содержащей от 1 до 25 атомов углерода, такой как метил, этил, н-пропил, изопропил, н-бутил, изобутил, трет-бутил, пентил, гексил, гептил, октил, децил, тетрадецил, гексадецил, эйкозил, тетракозил и т.п. Примеры алкильных групп с более длинными цепями включают, но не ограничиваются перечисленным, олеатную группу или пальмитатную группу. "Низшая алкильная" группа представляет собой алкильную группу, содержащую от одного до шести атомов углерода.

Любые из описанных здесь соединений могут представлять собой фармацевтически приемлемую соль. При одном из вариантов изобретения фармацевтически приемлемые соли получают обработкой свободной кислоты подходящим количеством фармацевтически приемлемого основания. Типичные фармацевтически приемлемые основания представляют собой гидроксид аммония, гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид лития, гидроксид кальция, гидроксид магния, гидроксид железа(II), гидроксид цинка, гидроксид меди, гидроксид алюминия, гидроксид железа(III), изопропиламин, триметиламин, диэтиламин, триэтиламин, трипропиламин, этаноламин, 2-диметиламиноэтанол, 2-диэтиламиноэтанол, лизин, аргинин, гистидин и т.п. При одном из вариантов изобретения реакцию проводят в воде как таковой или в комбинации (смеси) воды и инертного, смешивающегося с водой органического растворителя при температуре приблизительно от 0°C до приблизительно 100°C, такой как комнатная температура. При определенных вариантах изобретения, где это уместно, молярное отношение описанных здесь соединений к применяемому основанию выбирают таким образом, чтобы обеспечить необходимое отношение для любых конкретных солей. Для получения, например, аммониевых солей из исходного материала в виде свободной кислоты исходный материал можно обрабатывать приблизительно одним эквивалентом фармацевтически приемлемого основания, получая при этом нейтральную соль.

При еще одном варианте изобретения, если соединение обладает основной группой, его можно протонировать кислотой, например, такой как HCl, HBr или H₂SO₄ с образованием катионной соли. При одном из вариантов изобретения реакцию соединения с кислотой или основанием проводят в воде как таковой или в комбинации (смеси) воды и инертного смешивающегося с водой органического растворителя при температуре приблизительно от 0°C до приблизительно 100°C, такой как комнатная температура. При определенных вариантах изобретения, где это уместно, молярное отношение описанных здесь соединений к применяемому основанию выбирают таким образом, чтобы обеспечить необходимое отношение для любых конкретных солей. Например, для получения аммониевых солей из исходного материала в форме свободной кислоты исходный материал можно обрабатывать приблизительно одним эквивалентом фармацевтически приемлемого основания, получая при этом нейтральную соль.

Здесь описаны адгезивные комплексные коарцеваты и области их применения. В общем случае комплексы представляют собой смесь катионов и анионов, взятых в сбалансированных пропорциях, для образования стабильных водных комплексов при необходимом значении pH. Адгезивный комплексный коарцеват содержит, по меньшей мере, один поликатион, по меньшей мере, один полианион и, по меньшей мере, один многовалентный катион, где, по меньшей мере, один поликатион или полианион представляет собой синтетическое соединение, и поликатион и/или полианион при отверждении комплексного коарцевата сшиваются друг с другом. Каждый из компонентов коацервата и способы его получения описаны ниже.

Адгезивный комплексный коарцеват представляет собой ассоциированную жидкость с динамической структурой, в которой отдельные полимерные компоненты диффундируют по всему объему сплошной фазы. Реологически комплексные коарцеваты ведут себя подобно вязким дисперсиям частиц, а не вязкоупругому полимерному раствору. Как описано выше, при нанесении на субстраты либо под водой, либо при увлажнении адгезивные комплексные коарцеваты обладают низким межфазным поверхностным натяжением в воде. Другими словами, комплексный коарцеват равномерно растекается по поверхности раздела вместо того, чтобы собираться в капли. Кроме того, при межмолекулярной кросс-сшивке адгезивный комплексный коарцеват образует прочный, нерастворимый, когезивный материал.

С другой стороны, полиэлектролитные комплексы (PEC), которые могут быть предшественником описанных здесь адгезивных комплексных коарцеватов, представляют собой мелкие коллоидные частицы. Например, как показано на фигуре 11A, раствор PEC при pH 3,1 и 4,2 находится в виде молочно-белого раствора коллоидных частиц с диаметром приблизительно 300 нм. При повышении pH до 7,2 и 8,1 PEC образует жидкую фазу, состоящую из концентрированных полимеров (коацерватная фаза), и разбавленную равновесную фазу. С учетом такого аспекта PEC можно превращать в описанный здесь адгезивный комплексный коарцеват.

Типичная модель отличий фазового поведения полиэлектролитного комплекса и адгезивного комплексного коарцевата представлена на фигуре 1. При низком pH противоположно заряженные полиэлектролиты с помощью электростатических сил собираются в нанокомплексы с положительным суммарным поверхностным зарядом, который стабилизирует суспензию с образованием PEC 1. При повышении pH суммарный заряд комплексов изменяется от положительного до отрицательного, но в сумме остается почти нейтральным. PEC может образовывать рыхлую, выпадающую в осадок фазу, которую можно превращать в комплексный коарцеват 2 путем дальнейшего повышения pH (фигура 1). Таким образом, при определенных вариантах изобретения превращение PEC в комплексный коарцеват можно "инициировать" путем регулирования pH и/или концентрации многовалентного катиона. Например, для превращения PEC в комплексный коарцеват PEC можно получать при pH меньше или равном 4, и pH PEC можно повышать до больше или равного 7,0, от 7,0 до 9,0 или от 8,0 до 9,0. Последующая кросс-сшивка между поликатионом и полианионами (например, окисление и ковалентная кросс-сшивка, которые показаны на фигуре 1,c) приводит к образованию описанного здесь адгезивного комплексного коарцевата.

Поликатионы и полианионы содержат группы, которые при отверждении обеспечивают кросс-сшивку между двумя полимерами с образованием новых ковалентных связей и описанного здесь адгезивного комплексного коарцевата. Механизм кросс-сшивки может меняться в зависимости от выбора кросс-сшивающих групп. При одном из вариантов изобретения кросс-сшивающие группы могут представлять собой электрофилы и нуклеофилы. Например, полианион может содержать одну или несколько электрофильных групп, а поликатионы могут содержать одну или несколько нуклеофильных групп, способных к взаимодействию с электрофильными группами с образованием новых ковалентных связей. Примеры электрофильных групп включают, но не ограничиваются перечисленным, ангидридные группы, сложные эфиры, кетоны, лактамы (например, малеимиды и сукцинимиды), лактоны, эпоксидные группы, изоцианатные группы и альдегиды. Примеры нуклеофильных групп приведены ниже.

При одном из вариантов изобретения способная к кросс-сшивке группа включает ароматическую группу, замещенную гидроксилом, способную подвергаться окислению в присутствии окислителя. При одном из вариантов изобретения ароматическая группа, замещенная гидроксилом, представляет собой дигидроксифенольную или галогенированную дигидроксифенольную группу, например такую как DOPA и катехин (3,4 дигидроксифенол). Например, в случае DOPA, она может быть окислена до допахинона. Допахинон представляет собой электрофильную группу, которая способна к взаимодействию либо с соседней DOPA-группой, либо с другой нуклеофильной группой. В присутствии окислителя, такого как кислород или другие добавки, включая, но, не ограничиваясь перечисленным, пероксиды, периодаты или окислители на основе переходных металлов (например, NaIO₄ или соединение Fe⁺³), ароматическая группа, замещенная гидроксилом, может подвергаться окислению. При еще одном варианте изобретения кросс-сшивка может происходить между поликатионом и полианионом благодаря кросс-сшивке, активированному светом, через посредство азидогрупп. Опять-таки во время кросс-сшивки такого типа образуются новые ковалентные связи.

Стабильность окисленного сшивателя может меняться. Например, описанные здесь фосфоносодержащие полианионы, которые содержат способные окисляться сшиватели, стабильны в растворе и не подвергаются кросс-сшивке сами с собой. Это позволяет нуклеофильным группам, присутствующим на поликатионе, взаимодействовать с окисленным сшивателем. Это является необходимым признаком изобретения, который обеспечивает образование межмолекулярных связей и в конечном итоге образование прочного адгезива. Примеры применимых нуклеофильных групп включают, но не ограничиваются перечисленным, гидроксильные, тиольные и азотсодержащие группы, такие как замещенные или незамещенные аминогруппы и имидазольные группы. Например, в поликатион могут быть встроены и привнесены нуклеофильные группы, остатки лизина, гистидина и/или цистеина. Такой пример показан на фигуре 8. DOPA-остаток 1 можно окислять до образования остатка допахинона 2. Допахинон представляет собой реакционно-способный промежуточный продукт и может сшиваться (то есть взаимодействовать) с DOPA-остатком на другом полимере или на том же самом полимере с образованием ди-DOPA- группы. Альтернативно остаток допахинона может взаимодействовать с нуклеофилом, например таким как амино, гидроксильные или тиольные группы, путем присоединения по типу реакции Михаэля с образованием новой ковалентной связи. Как показано на фигуре 8, лизильная группа, цистеинильная группа и гистидильная группа взаимодействуют с остатком допахинона с образованием новых ковалентных связей. Несмотря на то, что DOPA представляет собой подходящую кросс-сшивающую группу, в настоящем изобретении можно применять другие группы, например, такие как тирозин. Значение кросс-сшивки для применения описанных здесь адгезивных комплексных коарцеватов будет обсуждаться ниже.

При других вариантах изобретения сшиватели, присутствующие на поликатионе и/или полианионе, могут образовывать координационные комплексы с ионами переходных металлов. Например, ион переходного металла можно добавлять к смеси поликатиона и полианиона, где оба полимера содержат кросс-сшивки, способные к образованию координационной связи с ионом переходного металла. Скорость образования координационных связей и степень диссоциации можно регулировать путем выбора кросс-сшивки, иона переходного металла и pH. Таким образом, в добавление к описанной выше ковалентная кросс-сшивка может происходить благодаря образованию электростатических, ионных или других нековалентных связей. В настоящем изобретении можно применять ионы переходных металлов, например, таких как железо, медь, ванадий, цинк и никель.

Поликатион и полианион обычно состоят из главной полимерной цепи с множеством заряженных групп при конкретном pH. Группы могут быть боковыми по отношению к главной полимерной цепи и/или встроенными в пределах главной полимерной цепи. Поликатион представляет собой любой биологически совместимый полимер с катионными группами или группами, которые можно легко превращать в катионные группы путем регулирования pH. При одном из вариантов изобретения поликатион представляет собой полиаминовое соединение. Аминогруппа может быть разветвленной или являться частью главной полимерной цепи. Аминогруппа может представлять собой первичную, вторичную или третичную аминогруппу, которую можно протонировать с образованием катионной аммониевой группы при выбранном pH. Например, аминогруппу можно получать из остатка лизина, гистидина или имидазола, прикрепленного к поликатиону. В ассоциации с катионными полимерами можно применять любые анионные противоионы. Противоионы должны быть физически и химически совместимы с неотъемлемыми компонентами композиции и не слишком ухудшать эксплуатационные качества продукта, стабильность или эстетические свойства каким-либо образом. Неограничивающие примеры таких противоионов включают галогениды (например, хлорид, фторид, бромид, иодид), сульфат и метилсульфат.

Поликатион может представлять собой синтетический полимер или полимер, встречающийся в природе (то есть продуцируемый организмами). При одном из вариантов изобретения, когда поликатион представляет собой полимер, встречающийся в природе, поликатион представляет собой положительно заряженный белок, продуцируемый червями P. californica. На фигурах 2-6 показаны белковые последовательности нескольких "цементирующих" белков, продуцируемых червями P. californica (Zhao и др. "Cement Proteins of the tube building polychaete Phragmatopoma californica", J. Biol. Chem. (2005) 280: 42938-42944). В таблице 1 представлено содержание (мол.%) аминокислот в каждом белке. Как показано на фигурах 2-5, Pc1, Pc2 и Pc4-Pc8 представляют собой поликатионы, где полимеры являются катионными при нейтральном pH. Чтобы достичь необходимых свойств раствора, можно менять тип и число аминокислот, присутствующих в белке. Например, как показано в таблице 1, Pc1 обогащен лизином (13,5 моль %), в то время как Pc4 и Pc5 обогащены гистидином (12,6 и 11,3 мол.%, соответственно).

В том случае когда поликатион представляет собой синтетический полимер, можно применять множество разных полимеров; однако необходимо, чтобы полимер был биологически совместимым и нетоксичным в отношении клеток и тканей. При одном из вариантов изобретения поликатион включает полиакрилат, содержащий одну или несколько боковых аминогрупп. Например, остов может представлять собой гомополимер или сополимер, полученный полимеризацией акрилатных мономеров, включая, но, не ограничиваясь перечисленным, акрилаты, метакрилаты, акриламиды и т.п. При одном из вариантов изобретения остов поликатиона представляет собой полиакриламид. При других вариантах изобретения поликатион представляет собой блок-сополимер, где сегменты или части сополимера содержат катионные группы, зависящие от выбора мономеров, применяемых для образования сополимера.

При одном из вариантов изобретения поликатион представляет собой полиаминовое соединение. При еще одном варианте изобретения полиаминовое соединение содержит от 10 до 90 мол.% третичных аминогрупп. При дополнительном варианте изобретения поликатионный полимер содержит, по меньшей мере, один фрагмент формулы I

в которой R¹, R² и R³ независимо представляют собой атом водорода или алкильную группу, X представляет собой атом кислорода или NR⁵, где R⁵ представляет собой атом водорода или алкильную группу, m равно числу от 1 до 10, или его фармацевтически приемлемую соль. При еще одном варианте изобретения R¹, R² и R³ представляют собой метил и m равно 2. Как видно из формулы I, главная полимерная цепь состоит из -CH₂-C(R¹)-C(O)X-, который представляет собой остаток акрилата, метакрилата, акриламида или метакриламида. Остальная часть формулы I (CH₂)_m-NR²R³ представляет собой боковую аминогруппу. На фигуре 3 (структуры C и D) и на фигуре 6 (4 и 7) показаны примеры поликатионов, содержащих фрагмент формулы I, где главная полимерная цепь состоит из акриламидных и метакрилатных остатков. При одном из вариантов изобретения поликатион представляет собой продукт свободнорадикальной полимеризации катионного мономера с третичной аминогруппой (2-диметиламиноэтилметакрилата) и акриламида, молекулярная масса которого составляет от 10 до 20 кДа и который содержит третичный мономер в концентрациях от 15 до 30 мол.%. На фигуре 4 (структуры E и F) и на фигуре 6 (5) представлены примеры поликатионов, применимые в настоящем изобретении, где имидазольные группы напрямую прикреплены к главной полимерной цепи (структура F) или прикреплены к главной полимерной цепи опосредованно через линкер (структура E через метиленовый линкер).

Аналогично поликатиону полианион может представлять собой синтетический полимер или полимер, встречающийся в природе. При одном из вариантов изобретения, когда полианион представляет собой полимер, встречающийся в природе, полианион представляет собой отрицательно заряженный белок, продуцируемый червями P. californica. На фигурах 2 и 7 показаны последовательности двух белков (Pc3a и Pc3b), продуцируемых червями P. californica (Zhao и др. "Cement Proteins of the tube building polychaete Phragmatopoma californica", J. Biol. Chem. (2005), 280: 42938-42944). Как видно из таблицы 1, Pc3a и Pc3b в основном состоят из полифосфосерина, который является анионным при нейтральном pH.

Когда полианион представляет собой синтетический полимер, обычно им является любой биологически совместимый полимер с анионными группами или группами, которые можно легко превращать в анионные группы путем регулирования pH. Примеры групп, которые можно превращать в анионные группы, включают, но не ограничиваются перечисленным, карбоксилат, сульфонат, фосфонат, боронат, сульфат, борат или фосфат. В ассоциации с анионными полимерами можно применять любые катионные противоионы, если удовлетворяются обсуждаемые выше соображения.

При одном из вариантов изобретения полианион представляет собой полифосфат. При еще одном варианте изобретения полианион представляет собой полифосфатное соединение, содержащее от 10 до 90 мол.% фосфатных групп. При дополнительном варианте изобретения полианион включает полиакрилат, содержащий одну или несколько боковых фосфатсодержащих групп. Например, остов может представлять собой гомополимер или сополимер, полученный полимеризацией акрилатных мономеров, включая, но не ограничиваясь перечисленным, акрилаты, метакрилаты, акриламиды и т.п. При одном из вариантов изобретения остов полианиона представляет собой полиакриламид. При других вариантах изобретения полианион представляет собой блок-сополимер, где сегменты или части сополимера содержат анионные группы, зависящие от выбора мономеров, применяемых для образования сополимера. При дополнительном варианте изобретения полианион может представлять собой сульфат гепарина, гиалуроновую кислоту, хитозан и другие биологически совместимые и биоразлагаемые полимеры, обычно применяемые в данной области.

При одном из вариантов изобретения полианион представляет собой полифосфат. При еще одном варианте изобретения полианион представляет собой полимер, содержащий, по меньшей мере, один фрагмент формулы II

в которой R⁴ представляет собой атом водорода или алкильную группу, и n равно числу от 1 до 10, или его фармацевтически приемлемую соль. При еще одном варианте изобретения R⁴ представляет собой метил и n равно 2. Аналогично формуле I главная полимерная цепь формулы II состоит из остатка акрилата или метакрилата. Остальная часть формулы II представляет собой боковую фосфатную группу. На фигуре 7 (структура B) показан пример полианиона, применимого в настоящем изобретении, который содержит фрагмент формулы II, где главная полимерная цепь состоит из остатков акриламида и метакрилата. При одном из вариантов изобретения полианион представляет собой продукт полимеризации этиленгликольметакрилатфосфата и акриламида, молекулярная масса которого составляет от 10000 до 50000, предпочтительно 30000 и который содержит фосфатные группы в количестве от 45 до 90 мол.%.

Как описано выше, поликатион и полианион содержат группы, способные к кросс-сшивке. Например, полианион может включать одну или несколько групп, которые могут подвергаться окислению, а поликатион содержит один или несколько нуклеофилов, которые могут взаимодействовать с окисленным сшивателем с образованием новых ковалентных связей. Полимеры 3 и 7 на фигуре 6 представляют собой примеры DOPA-остатков, встроенных в полианион и поликатион соответственно. В каждом из указанных полимеров акрилат, содержащий DOPA-остаток в боковой цепи, подвергается полимеризации с подходящими мономерами с образованием полианиона 3 и поликатиона 7 с DOPA-остатками в боковых цепях.

Предполагается, что поликатион может представлять собой соединение, встречающееся в природе (например, белок, продуцируемый червями P. californica), а полианион представляет собой синтетическое соединение. При еще одном варианте изобретения поликатион может представлять собой синтетическое соединение, а полианион представляет собой соединение, встречающееся в приро