医薬品におけるポリマー: グリーンケミストリーによる新しい架橋シクロデキストリン

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ポリマーは、治療用途において非常に重要な成分であり、最大かつ多様性のあるバイオマテリアルの一種である [1,2]。合成ポリマーは,幅広い構造と適切な物理的・化学的特性を持つように設計・合成することができ,組織工学,ドラッグデリバリー,治療法,診断法などの多様なバイオメディカル用途に使用されている。

前世紀以降,ポリマーの合成,加工,特性評価の方法は急速に発展してきており,新規のポリマー製バイオマテリアルを設計したり,生体システムとポリマー材料の間の生物学的相互作用を理解したりする上で,課題と機会の両方がもたらされている [3]。

ポリマーは、その化学的柔軟性により、多様な物理的・機械的特性を持つ材料を生み出すため、大きな可能性を秘めている。分解性ポリマーは、分解されて排泄されたり、再吸収されたりすることで、除去や外科的再手術を必要としないバイオマテリアルであるため、最も注目されている [4]。

科学者や技術者は,自然界に存在し,抽出や修飾が可能なポリマーに特に注目している。多糖類はバイオマテリアルとして使用されており,これらの材料の新しい生物学的機能が特定されるにつれて,より一般的になっている。多糖類は、単糖類がグリコシド結合で結合した天然のポリマーである。さらに、多糖類を修飾するための新しい合成ルートが開発されたことで、研究対象となる材料の種類が増えている。その生分解性,加工性,生物活性により,多糖類は非常に有望な天然バイオマテリアルとなっている [4,5]。

イギリスのクランフィールド大学では,シクロデキストリンをベースにした新しい半合成ポリマーシステムが,再生可能な資源から「グリーン・ケミストリー」プロセスによって製造されている [6-10]。グリーンケミストリーの概念は,化学製品の設計・製造から使用・最終処分に至るまでのライフサイクル全体に適用され [11],化学物質,プロセス,製品に関係している。

結晶性β-シクロデキストリンの特性は,様々な長さのポリエチレングリコールスペーサーを持つ非毒性のジエポキシドファミリーを用いて水中で架橋することで改変された。大きな流体力学的体積を持つ2つの異なるポリマーシステムが得られた。

・可溶性架橋ポリマー;
・ハイドロゲル [12,13]。


水溶性およびアルコール可溶性の生成物が得られるように反応パラメータを調整したが,これらの生成物は可鍛性で加工に適しており,さらに後続の置換反応によって容易に改質することができる。架橋製品の熱的特性および熱機械的特性は、ポリエチレンスペーサーの含有量と長さに直接依存する。ガラス転移温度(Tg)は-30℃と低く、架橋されたシクロデキストリンをソフトポリマーとして加工することができる操作範囲が広がる。ポリエチレンスペーサーが長くなった架橋体とそのニトロ化した類似体は、自己修復により完全性を回復することができる。溶液中のこのポリマーの高い流体力学的体積は,クルクミンのような小分子の可溶化と複合化を促進する [15]。さらにオーブン内で架橋反応を行うと,物理的な整合性が高く,最大200%の膨潤力を持つ不溶性のネットワーク構造が得られた。

グリーンケミストリーによって開発された新しい高分子シクロデキストリンベースのシステムは、さまざまな生物医学的応用のための有望な受動的および/または能動的成分であり、その一部を紹介する。

・ドラッグデリバリーシステム
・心臓疾患
・ワクチンのアジュバント
・毒物の吸収
・コーティング

参考文献

  1. E. Mathiowitz, Encyclopedia of Controlled Drug Delivery (2-Volume Set), E. Mathiowitz ed. 1999, ISBN: 0-471-14828-8.
  2. M.F Maitz, Biosurface and Biotribology 2015, 1, 161, https://doi.org/10.1016/j.bsbt.2015.08.002.
  3. R. Blagoeva, A. Nedev, Bioautomation 2006, 4, 80. ISSN 1312–451X.
  4. B. D. UleryL. S. Nair,C. T. LaurencinJ Polym Sci B Polym Phys2011, 49, 832. DOI: 10.1002/polb.22259.
  5. J. Kost, Encyclopedia of Controlled Drug Delivery (2-Volume Set), E. Mathiowitz ed. 1999, p. 445. ISBN: 0-471-14828-8.
  6. F. Luppi, H. Cavaye, E. Dossi, Propellants, Explosives, Pyrotechnics 2018, 43, 1023. https://doi.org/10.1002/prep.201800137.
  7. F. Luppi, G. Kister, M. Carpenter, E. Dossi, Polymer Testing 2019, 73, 338. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2018.11.034.
  8. F. Luppi, N. Mai,G. Kister, P.P. Gill,S.E. Gaulter, C. Stennett, E. Dossi, Chemistry A European Journal 2019, Early view. https://doi.org/10.1002/chem.201903945.
  9. E. Dossi, G. Kister, M.E. Bolton, Oral contribution at 6th European Conference on Cyclodextrins 2019, Santiago de Compostella, 2-4 October.
  10. E. Dossi, M.E. Bolton, G. Kister, A. Afsar, 2021, in preparation for submission in Chemistry –  A European Journal.
  11. United States Environmental Protection Agency. Basics of green chemistry 2017. Available at: https://www.epa.gov/greenchemistry/basics-green-chemistry (Accessed: 6 June 2020)
  12. A. M. Lowman, N. A. Peppas, “Encyclopedia of Controlled Drug Delivery” (2-Volume Set) E. Mathiowitz ed. 1999, p 397. ISBN: 0-471-14828-8.
  13. N. A. Peppas, J. Zach Hilt, A. Khademhosseini, Robert Langer, Adv. Mater. 2006, 18, 1345. Doi: 10.1002/adma.200501612.
  14. Á. Haimhoffer, E. Dossi, V. Fejes, J. Váradi, G. Vasvári, I. Bácskay, F. Fenyvesi, 2021, in preparation for submission in Pharmaceutics.

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