新規な医療用中間水含有ポリマーの精密合成技術

バイオ化学工学専攻 教授 田中 賢

山形大学YAM AGATA UNIVERSITY

山形大学大学院理工学研究科 フロンティア有機材料システム

創成フレックス大学院 講師 小林 慎吾

2015年1月22日（木）新技術説明会

Introduction

人工心肺

http://www.terumo-cvs.com

抗血栓性材料の表面 血栓性材料の表面

血球細胞の粘着、接着を抑制 血球細胞の粘着、接着、活性化 血栓形成へ

生体適合性とは…？

生体（血液）と接触する医療製品において 最も重要かつ最低限必要な性質は…

生体防御機構の活性化を回避する性能のこと e.g., 血液凝固, 補体系の活性化, 血小板粘着＆活性化, 免疫系の活性化, など

血液適合性である！

2015年1月22日（木）新技術説明会

2006年以降世界シェア１位を獲得中 非水溶性、低毒性 血漿タンパク質の吸着、変性が軽微 血小板の粘着、活性化が軽微 FDA認可済み

PMEA poly(2-methoxyethyl acrylate)

Tanaka et al., Biomaterials, 2000. Tanaka et al., JP Patent 4746987.

血液の流れ

高分子鎖

タンパク質吸着

吸着タンパク質

脱離 Blood Cell

不凍水

自由水

Polymer Matrix

不凍水

中間水

中間水

Proteins

a) 不凍水 カルボニル基と相互作用 b) 中間水 メトキシ基と相互作用 c) 自由水

a)

b) c)

バイオ界面における水の（階層）構造

不凍水

中間水

自由水

Polymer Matrix

基盤技術：PMEA ‐抗血栓性コーティング材‐

Determined by time-resolved in-situ ATR-IR S. Morita et al., Langmuir, 2007.

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PMEAが発現する「中間水」の性質 示差走査型熱量測定（DSC）による観察

不凍水 -100 Cでも凍らない水

中間水 0 C以下で凍結する水

自由水 0 Cで凍る水

Temp. [C]

PMEA

20 0 -20 -40 -60 -80 -100

Heat

Flo

w [

a. u

., exo

up]

8.9

water cont. (wt%) 生体適合性の指標

中間水の低温結晶形成

中間水の低温融解

自由水の融解 5 C/min

熱量から中間水の定量が可能

固体2H NMRによる水の分子運動性評価

Polymer matrix

血小板

血漿タンパク質 自由水

不凍水

中間水

緩和時間 τc

水‐高分子相互作用

強

中

弱 τc= 10-12-10 -11 s

τc= 10-10-10 -9 s

τc= 10-8-10 -6 s

T. Tsuruta et al., J. Biomater. Sci. Polym. Ed, 2010.

中間水は、材料表面に弱く束縛されている

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合成高分子 リン脂質（MPC）ポリマー アルコキシル基を有する（メタ）アクリレート類 ポリテトラヒドロフルフリルアクリレート（PTHFA） ポリエチレングリコール(PEG) ポリビニルピロリドン(PVP) ポリメチルビニルエーテル(PVME) ポリスルホベタイン、ポリカルボキシベタイン、など 生体高分子 アルブミン、チトクロームCなどのタンパク質 ヘパリン、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、 アルギン酸などの多糖 DNA、RNAなどの核酸、 などに共通して観測された。

中間水は抗血栓性高分子に共通して存在する

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0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 5 10 15 20 25 30 35POEG(M)A

poly[oligo(ethylene glycol) (meth) acrylate]

R1=

m= R2=

H 1 CH3

or or

CH3

3 C2H5

PMEA poly(2-methoxyethyl acrylate)

構造の変更

ならば…

PMEA類似体が発現する中間水量の増加に伴って、血小板粘着数は減少した

中間水量と血小板粘着数の関係

血小板粘着数

[vs.

PET

]

中間水量 [wt%]

中間水コンセプト

合成高分子の一次構造制御を達成し、 バイオ界面に生成する中間水を制御すれば、 発現する生体（血液）適合性を制御できる！…はず。

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1) 分子量 2) 分子量分布 3) 立体規則性 4) モノマー配列 5) 側鎖構造 6) 長鎖分岐構造 7) 鎖末端基構造 :

合成高分子の一次構造を決めるパラメーター

どうやって高分子の一次構造制御を達成するのか？

e.g., リビング重合法 Anionic Cationic Radical RAFT, ATRP, NMP,,,

一次構造の制御は

高分子物性の制御に

直結する！

合成高分子の一次構造制御

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これまでに制御が達成されているもの 1) 分子量 2) 分子量分布 3) 立体規則性 5) 側鎖構造 7) 鎖末端基構造 モノマー配列の制御は達成されていない！

PMEA poly(2-methoxyethyl acrylate)

ビニル型高分子

従来法 ビニル重合

側鎖構造の制御

側鎖間隔の制御 側鎖配列の制御

Regioselective ROMP

水素添加

7 carbons

5 carbons

4 carbons

7

5

4 側鎖官能基の

1) 構造 2) 間隔 3) 導入量 4) 配列

合成高分子の側鎖配列制御 2 carbons

R:

新規技術 Regioselective ROMP法: 側鎖の配列制御を達成することが可能

が制御可能となる

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一般的な開環メタセシス重合（ROMP）

CHCl3 rt, 20 h

G2

Head to Head, trans

Head to Tail, trans

Tail to Tail, trans

Head to Head, cis

Head to Tail, cis

Tail to Tail, cis

5RCOE

Regio不規則的な高分子が生成

非対称な構造を有する環状モノマーの一般的な開環メタセシス重合では、 頭‐尾結合の様式（Head-to-Head, Tail-to‐Tail, and Head-to-Tail） 主鎖二重結合の立体配置（cis‐ and trans‐） の制御ができず、側鎖の間隔や配列を制御することができない。

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新規技術: Regioselective ROMP法

Kobayashi et al., JACS, 2011.

Regio選択性: 93% ～ 99.9% ほぼ完全なHead-to-Tail規則性を達成 Stereo選択性: 96% ～ 99% 極めて高いtrans- 立体規則性を達成

L= 2 Cl, NHC P= Ph, polymer chain

distal E addition

metallacyclobutane dissociation

CHCl3 rt, 20 h

G2

Head-to-Tail, trans- Regio規則的な高分子が生成 3RCOE

Distal Z型、proximal E型、proximal Z型 の挿入反応は、エネルギー的に不利なため、 必ずdistal E型の挿入反応が起こる。

立体反発

8 carbons

高分子側鎖の配列制御を達成する

新規高分子合成技術を開発した。 2015年1月22日（木）新技術説明会

Monomer M/CTAa Mn x 10-3 Mw/Mnc conv.b

200

200

200

94

94

68

42

37

43

1.6

1.3

2.7

aM/G2=2500. bDetermined by 1H NMR. cDetermined by SEC with THF at 40 C using PS standards.

200 78 39 2.4

28

37

54

46

obsd.b calcd.

HT contentb

% %

93

95

98

97

M

ME

ME2

ME3

200 94

44

1.8 40 99 THFO

CHCl3 rt, 20 h

G2

3RCOE Head to Tail, trans- regioregular poly(3RCOE)

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Regioselective ROMP法による高分子合成の例

導入した置換基が嵩高いほど、規則性の高い高分子が得られた。

Ha Hb

dd dt 2 1

2 1

2 1

2 1

1H-1H COSY Spectrum 13C NMR Spectra

Jab = 15.5 Hz

trans- Head-to-Tail Regio-、stereo-規則的な高分子が得られた。

2 1

PM

PME

PME2

PME3

PMEC t-HT content = 93%

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Regioselective ROMP法で得た高分子の構造

Temp. [C]

Dry Polymers Hydrated Polymers H

eat

Flo

w [

a. u

., e

xo u

p]

Hea

t Fl

ow

[a.

u.,

exo

up

]

20 0 -20 -40 -60 -80 20 0 -20 -40 -60 -80 Temp. [C]

-56 C

-59 C

-68 C

-57 C

Cold crystallization of intermediate water!

PM

PME

PMEC

PME2

water content

3.5%

0.8%

3.6%

4.6%

中間水量の異なる高分子の合成に成功した。

-71 C

PME3

16.0%

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Regioselective ROMP法による中間水の制御

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Regioselective ROMP法を用いた高分子の一次構造制御により、 発現する中間水量が制御でき、血液適合性を制御することができた！

血小板粘着数

[vs.

PC

] O

D4

05

by

ELIS

A [

vs. P

C]

中間水量 [g/g]

PM PME t-PMM PME2 PME3 PMEA

高分子材料に0.01 g/gの 中間水を発現させれば、 血液適合性を発現させる ことが可能？

Wfb [g/g] 0.050 0.004 ≈0 0.010 0.003 0.042

PMEA PME2

PME

PM

PET

t-HPMM

PME3

PC (polycyclooctene)

MeanSD (n=3) ▲: ELISA (anti-Fng ) ●: Platelet

t-PMM

中間水量

血小板粘着数

hig

h

low

low

hig

h

smal

l

larg

e 2015年1月22日（木）新技術説明会

中間水量の制御による血液適合性制御

細胞接着部位の露出量

•生体成分（タンパク質など）の吸着、変性抑制材、防汚染性材料

•センサーチップ表面処理材料、病気の診断

•細胞の選択的接着、濃縮材料

•薬剤スクリーニング、医療デバイス、再生医療

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想定される用途

•発明の名称: 生体適合性ポリマー及びその製造 方法並びにそれを製造するための 新規化合物 •出願番号： 特願2012-256862 •出願人： 国立大学法人山形大学 •発明者： 田中賢、小林慎吾、福田考作、 戸来奎介

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本技術に関する知的財産権

バイオ化学工学専攻 田中 賢 研究室 TEL&FAX: 0238-26-3116 Email: tanaka@yz.yamagata-u.ac.jp

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