(57)【要約】  本発明は、シルクフィブロインの結合粒子の多孔質スキャフォールドを開示する。本発明はさらに、添加剤を用いずに、シルクフィブロイン粒子の結合を含む、シルクフィブロインの多孔質スキャフォールドを調製するための、簡便で、コスト効率に優れる方法を開示する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
場合により添加剤を充填した、０．１〜３ｍｍの粒子範囲及び１〜２０μｍの内部粒子孔径を有するマトリックス（連続相）なしで結合した多孔質シルクフィブロイン粒子を有する、再生シルクフィブロインを含む非晶質、部分結晶質、又は結晶質の微細構造を有するシルクフィブロイン３Ｄスキャフォールドであって、
乾燥状態で１〜１４．７ＭＰａ及び湿潤状態で０．１〜０．５ＭＰａまでの弾性率、相互接続による１００〜５００μｍの孔径、並びに４０〜７０％の多孔性を有することを特徴とする、シルクフィブロインスキャフォールド。
【請求項２】
薬剤、タンパク質、成長因子、又は生物医学用途のためのフィラーの組み込みに使用するための、請求項１に記載のシルクフィブロインスキャフォールド。
【請求項３】
スキャフォールドの分解が、シルクフィブロインタンパク質の立体構造を調整することにより調節される、請求項１に記載のシルクフィブロインスキャフォールド。
【請求項４】
a) 再生シルクフィブロイン（RSF）溶液を液体窒素中へ滴下して加えて、凍結、凍結乾燥、及びβシート構造を導入する溶媒の存在下での熱処理をすることにより、再生シルクフィブロイン溶液からシルクフィブロイン粒子を準備する工程、
b) 前記工程(a)の粒子を、圧縮用の型内で希釈RSF溶液を用いて結合させ、乾燥のために前記型を１〜４時間、４０〜６０℃の温度で真空オーブン内に入れて、スキャフォールドを形成する工程、
を含む、請求項１に記載のシルクフィブロインスキャフォールドの製造方法。
【請求項５】
凍結及び凍結乾燥の前の前記工程(a)の粒子が、非晶質又は半結晶質である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記工程(a)の粒子を、−２０℃〜−８０℃の温度で凍結し、−４８℃〜−５５℃の温度で凍結乾燥させる、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記工程(a)の熱処理のための溶媒が、水及びメタノールから選択される、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記工程(b)で用いられる希釈ＲＳＦ溶液の濃度が１〜５ｗｔ％である、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
粒径が０．１〜３ｍｍであり、孔径が相互接続により１００〜５００μｍである、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
前記スキャフォールドが、乾燥状態で１〜１４．７ＭＰａ及び湿潤状態で０．１〜０．５ＭＰａまでの弾性率を有する、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シルクベースの多孔質スキャフォールド及びその調製方法に関する。特に、本発明は、希釈シルクフィブロイン溶液を用いてシルクフィブロイン粒子を結合させることにより調製される多孔質スキャフォールドを提供する。本発明はさらに、非生体適合性の化学薬品を用いずに、シルクフィブロイン粒子の結合を含むシルクフィブロインの多孔質スキャフォールドの調製方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
シルクフィブロインは、その優れた生体適合性、生分解性、及び優れた熱機械的特性により、組織工学用途のための多孔質スキャフォールドの調製に広く用いられている。これらの多孔質スキャフォールドを調製するための様々な方法が報告されている。
【０００３】
しかしながら、先行技術文献で報告された多孔質スキャフォールドは、所定の制限を有する。例えば、非特許文献１には、カイコ(Bombyx mori (B. mori))の７日齢の５齢幼虫の絹糸腺からシルクフィブロイン水溶液(aqueous silk fibroin, ASF)を抽出することによる多孔質シルクスキャフォールドの調製方法が記載されている。ＡＳＦからの多孔質スキャフォールドの製作は、凍結乾燥法を用いて達成された。このスキャフォールドは、８０％を超える多孔性と、６．９ＭＰａの圧縮弾性率を有する。しかしながら、孔径、孔形、及び孔径分布を有効に制御できない。非特許文献２には、孔径が細胞の接着及び増殖に大きく影響を与えることを観測した。この方法でもまた、より低い多孔性（〜５０％）のスキャフォールドを調製することはできない。低い多孔性は、生体アプリケーションにおけるスキャフォールドの機械的完全性が特に重要な場合、例えば骨組織アプリケーションのための使用の場合、望ましい場合がある。上述した方法を用いて達成することができる最大機械特性についての制限も存在する。
【０００４】
非特許文献３には、スキャフォールドの製造方法が記載されており、ここで、この方法は、精錬した後の生糸をLiBr（臭化リチウム）水溶液中に20%までの濃度に調整することにより溶解し、次いでn-ブチルアルコールを2:1の比率で加えることを含む。この混合溶液は、低速での撹拌後に自己形成した塊に加えられ、凍結乾燥後に白色の多孔質スキャフォールドが得られた。このスキャフォールドの平均孔径は１０〜２０μｍであった。
【０００５】
特許文献１には、(a)塩水溶液中にシルクフィブロインを含むシルクフィブロイン溶液を形成する工程、(b)このフィブロイン溶液から塩と水を除去してシルクフィブロイン材料を形成する工程、(c)媒体中に約5〜35質量％のシルクフィブロイン材料を含むポリマー溶液を形成する工程、(d)このポリマー溶液を、有機溶媒に対して不溶性であり、約５０〜約１０００μｍの直径を有する水溶性非毒性粒子と接触させる工程、(e)このポリマー溶液を型の中に入れる工程、(f)ポリマーから溶媒を除去する工程、(g)前記したポリマー溶液を有効量の薬剤と接触させてβ‐シート構造及び水溶液中での不溶性を付与する工程、(h)前記した粒子は可溶性であり、ポリマーが不溶性である溶媒を用いて前記したポリマーを濾過して、前記した粒子をポリマーから除去する工程、並びに(i)このポリマーを乾燥させる工程を含む方法が記載されている。
【０００６】
上記した方法はどちらも、スキャフォールド形成工程の間に化学薬品の追加と同様の除去を必要とする。これは、スキャフォールドの製造コストを上げるだけでなく、たとえわずかな量の化学薬品が存在しているだけでも、低下した生体適合性をもたらすことになる。また、スキャフォールド中の微細構造（シルクタンパク質の立体構造）は、全体にわたって不均一である。微細構造の分布が適切な加工パラメータを用いて達成できる場合、これはスキャフォールドの分解時間を制御するためのレバーとして使用され得る。このシルクタンパク質の立体構造に対する制御は、上述した加工方法を使用すると制限される。
【０００７】
上記の例から、いくつかの異なる方法、例えばエマルション凍結乾燥、相分離等及びより多くの方法、例えばポロゲン浸出（濾過）、３Ｄプリンティングが、シルクベースのスキャフォールドを製造するのに用いられてきた（非特許文献４）。しかしながら、現在、スキャフォールド中に多機能性を付与するメカニズムは存在しない。典型的な組織工学用途において、細胞成長及び増殖以外の機能を付与する必要性が存在する。例えば、先行技術はドラッグデリバリーのプラットフォーム（構築基盤）としては使用することができず、またこれらの方法は成長因子等の他の生体分子を組み込むことの柔軟性を有さない。
【０００８】
上記したシルクフィブロイン多孔質スキャフォールドの従来技術に関連した課題は、本発明により解決される。これは、制御された孔径及び多孔性をもたらす球状シルクフィブロイン粒子を一緒に結合させる新規な方法により達成される。シリンジポンプ、これの凍結及び凍結乾燥、並びに続いてのこれらの熱処理を用いることによるシルクフィブロイン粒子の調製方法は、従来技術と同様である（非特許文献５〜７）。しかしながら、これらの粒子はドラッグデリバリー用途において、又は細胞適合性の研究のために典型的には用いられていた。本発明者らは、希釈フィブロイン溶液を用いてこれらのシルクフィブロイン粒子を結合させて３Ｄ多孔質構造を形成する方法を報告する。これは、４０〜７０％の範囲のバルク多孔性と、典型的に１００〜５００μｍの粒子間の孔径を有するスキャフォールドになる。このタイプの孔形状は、種々の移植おいて成功することが証明される(www.biopore.in)。これらのスキャフォールドは、何の補強も無しに、報告された大部分の他のシルクフィブロインスキャフォールド（〜０．１-１ＭＰａ）に対して優れた機械特性を有する（乾燥圧縮弾性率：１５-３０ＭＰａ）。これらのスキャフォールドの分解は、シルクフィブロインの微細構造を制御することにより調整することができる。すべての他の報告されたスキャフォールドが均一の微細構造を有するのに対し、本発明者は粒子の表面の結晶化度が粒子のコア（中心）と異なり、そのため微細構造をなし得る範囲が存在することを実証する。本発明の方法はまた、様々な添加剤、例えばフィラー、生体分子、例えば薬剤、成長因子、タンパク質等を組み込むのに十分に柔軟である。また、この方法は、スキャフォールドを製造する間に如何なる非生体適合材料の使用を含まない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】US 7842780
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Yang M et.al., “Preparation of Porous Scaffolds from Silk Fibroin Extracted from the Silk Gland of Bombyx mori (B. mori)” published in Int. J. Mol Sci. 2012; 13(6):7762-75, dated Jun 21, 2012
【非特許文献２】O’Brien F J, Harley BA, Yannas IV, Gibson, “The effect of pore size on cell adhesion in collagen-GAG scaffolds” published in Biomaterials 2005; 26: 433-41
【非特許文献３】Lu Yan et al., “A Preliminary In Vivo Study on the Histocompatibility of Silk Fibroin” published in Biomaterials - Physics and Chemistry
【非特許文献４】Zhang, Q. et al. “Silk Fibroin based porous materials”, Materials, 2, Pg. 2276-2295. Doi. 10.3390/ma2042276, 2009
【非特許文献５】Esther Wenk, Anne J., “Silk fibroin spheres as a platform for controlled drug delivery” in Journal of Controlled Release 132 (2008) 26-34
【非特許文献６】Jing Qu, Lu Wang1 et. al., “Preparation of Silk Fibroin Microspheres and Its Cytocompatibility” in Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology, 2013, 4, 84-90
【非特許文献７】Xiao Hu, Karen Shmelev et. al., “Regulation of Silk Material Structure by Temperature-Controlled Water Vapor Annealing” in Biomacromolecules. 2011 May 9; 12(5): 1686-1696, doi: 10.1021/bm200062a
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の主な目的は、シルクベースの多孔質スキャフォールド及びその調製方法を提供することにある。
【００１２】
本発明の別の目的は、希釈シルクフィブロイン溶液を用いて、シルクフィブロイン粒子を結合（融合）させることにより調製された多孔質スキャフォールドを提供することにある。
【００１３】
本発明の別の目的は、細胞接着及び細胞移動のための所望の（細）孔径、（細）孔径分布、及び多孔性を有するシルクフィブロインを含む多孔質スキャフォールドを提供することにある。
【００１４】
本発明のさらに別の目的は、優れた機械特性及び調節可能な分解時間を有する、スキャフォールドの作成方法を提供することにある。
【００１５】
本発明のさらに別の目的は、最終用途に応じて、異なる生体分子、例えば薬剤、成長因子等の導入のための十分に柔軟なプラットフォーム技術を提供することにある。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、シルクフィブロインを含む多孔質スキャフォールドの調製のための、簡便で、コスト効率に優れる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
したがって、本発明は、１〜２０μｍの範囲の内部粒子孔径を有する０．１〜３ｍｍの範囲のシルクフィブロイン粒子を有する、再生シルクフィブロインを含む非晶質（アモルファス）、部分結晶質、又は結晶質の微細構造を有するシルクフィブロイン３Ｄスキャフォールドであって、乾燥状態で1〜14.7MPaまで及び湿潤状態で0.1〜0.5MPaまでの弾性率、相互接続による１００〜５００μｍの範囲の孔径、並びに４０〜７０％の範囲の多孔性を有することを特徴とするスキャフォールドを提供する。
【００１８】
本発明の一実施形態において、シルクフィブロインスキャフォールドは、生物医学的応用（バイオメディカルアプリケーション）のために、薬剤、タンパク質、成長因子、又はフィラーを組み込むのに有用である。
【００１９】
本発明の一実施形態において、スキャフォールドの分解は、シルクフィブロインタンパク質の立体構造を調整することにより調節される。
【００２０】
本発明の別の実施形態は、何の添加剤も使用せずに、
a) 公知の方法により、再生シルクフィブロイン（RSF, regenerated silk fibroin）溶液を液体窒素中に滴下して凍結、凍結乾燥、及び熱処理して溶媒の存在下でβシート構造を導入することにより、ＲＳＦ溶液からシルクフィブロイン粒子を準備する工程、
b) 工程(a)の粒子を、圧縮用の型内で希釈RSF溶液を用いて結合させ、モールドを１〜４時間の間、４０〜６０℃の温度で真空オーブン内に配置して乾燥させて、スキャフォールドを形成する工程、
を含む、シルクフィブロインの結合を含むシルクフィブロインスキャフォールドの調製方法である。
【００２１】
本発明の別の実施形態において、凍結及び凍結乾燥前の工程(a)の粒子は、非結晶質又は半結晶質である。
【００２２】
本発明のさらに別の実施形態において、工程(a)の粒子は−２０℃〜−８０℃の温度で凍結され、−４８℃〜−５５℃の温度で凍結乾燥される。
【００２３】
本発明のさらに別の実施形態において、工程(a)の熱処理（アニーリング）のための溶媒は、水又はメタノールから選択される。
【００２４】
本発明のさらに別の実施形態において、工程(b)で用いられる希釈RSF溶液の濃度は、１〜５ｗｔ％の範囲である。
【００２５】
本発明のさらに別の実施形態において、粒径は０．１〜３ｍｍの範囲であり、孔径は、相互接続により１００〜５００μｍの範囲である。
【００２６】
本発明のさらに別の実施形態において、スキャフォールドは、乾燥状態で〜1−１４．７ＭＰａ及び湿潤状態で〜０．１−０．５ＭＰａの弾性率を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１（ａ）は、シルク粒子の調製のための模式図を表し、図１（ｂ）は、得られたシルク粒子を表す図である。
【図２】図２は、水熱処理工程の模式図を表す図である。
【図３】図３は、本発明の方法の工程（ａ）で形成された非晶質シルクフィブロインのＩＲグラフと、工程（ｃ）の水熱処理後のＩＲグラフを比較した図である。
【図４】図４は、形成されたスキャフォールドの１００μｍ以上の孔径を示している走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】図５は、本発明の方法の工程（ａ）に記載した粒子の画像及び工程（ｃ）のメタノール又は水を用いて熱処理した後の粒子の画像である。
【図６】図６は、実施例６において、１１ｗｔ％ＲＳＦ溶液を用いて調製したスキャフォールドの湿潤及び乾燥状態の両方における動的機械特性を表す図である。
【図７】図７は、実施例１及び９において調製した粒子に対する熱重量分析の結果を表すグラフである。
【図８】図８は、時間の関数としての、水熱処理した粒子から放出されるセファトキシン薬量を表すグラフである。
【図９】図９は、１２個のピークのＦＴＩＲスペクトルのデコンボリューションを表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明は、何の非生体適合性の化学薬品を用いずに、シルクフィブロイン粒子を一緒に結合させることによる、新規で、簡便で、コスト効率に優れるシルクフィブロインスキャフォールド（Ａ）の合成方法を提供する。この多孔質シルクフィブロインスキャフォールドは、優れた機械的弾性率及び調節可能な分解特性を有し、生物学的で影響を受けやすい薬剤／製剤を取り込むことができる。
【００２９】
合成方法は、
(a) 再生シルクフィブロイン(RSF)溶液からシルクフィブロイン粒子を得る工程、
(b) 工程(a)の粒子を凍結させ、凍結乾燥させる工程、
(c) 工程(b)の粒子を熱処理してβシート／架橋構造を導入する工程、及び、
(d) 希釈RSF溶液を用いて工程(c)の粒子を結合させて、スキャフォールドを形成する工程を含む。
【００３０】
シルクフィブロイン粒子は、再生シルクフィブロイン(RSF)溶液を液体窒素槽に滴下して、これを、凍結、したがって凍結乾燥させることにより得られた。この粒子は、非晶質又は部分的に結晶質の微細構造を有し得る。より好ましくは、ＲＳＦ溶液は、電圧システムを備えないシリンジを用いて窒素槽に滴下され、そのためこの方法をコスト効率に優れるものにする。
【００３１】
そのため、本発明の方法は、
(a) 調整された量の再生シルクフィブロイン（ＲＳＦ）溶液を、内径０．１〜０．４ｍｍのニードルを装着したシリンジを用いて１〜２５ｗ／ｗ％の範囲の濃度で液体窒素中に滴下して、粒子を得る工程、
(b) 工程(a)の粒子を凍結して凍結乾燥させる工程、
(c) 工程(b)の粒子を、極性溶媒を用いて熱処理してβシート／架橋構造を導入する工程、及び
(d) 工程(c)の粒子を３ｗｔ％の希釈ＲＳＦ溶液を用いて結合させてスキャフォールドを形成する工程を含む。
【００３２】
使用される再生シルクフィブロイン（ＲＳＦ）溶液の量は、１〜２５ｗ／ｗ％の範囲内で変化させた。再生シルクフィブロイン溶液を、流速０．１〜１ｍＬ／分で、シリンジを用いて液体窒素中に滴下した。粒子を、−２０℃〜−８０℃の範囲の温度で、１４〜１７時間で凍結し、−５０℃で７〜９時間で凍結乾燥した。本発明の方法の工程(b)で得られた粒子は、ＩＲスペクトル（図３）で観察されたとおり、非晶質のシルクフィブロイン粒子を生成した。粒径は１ｍｍ〜２．５ｍｍの間であり、非晶質の粒子は水溶性であった。
【００３３】
得られた非晶質の粒子を、下記の方法に従って水蒸気を用いることにより熱処理した。水熱処理をβシート構造を導入するために実施し、粒子をペトリ皿に広げ、図2に示す１時間の水蒸気処理に供した。一態様において、スキャフォールドの結晶化度は、熱処理の水の温度及び時間を調整することによって決定された。下方のペトリ皿中の水の温度を、80℃に維持した。熱処理した粒子の平均粒径は、0.108のＳＤ（標準偏差）で、１．１ｍｍと確認された。平均の収縮（縮小）割合は、約５２．８体積％と計算された。シルクフィブロインの熱処理した粒子は、水に不溶であった。本発明の工程(c)は、βシートの形成をもたらし、粒子の表面は以下の表２に列挙したとおり、コアに比べてより高いβシート含有量を有していた。
【００３４】
代わりに、得られた非晶質粒子を、メタノールを用いて熱処理し、ここで、粒子を室温で１時間、１００％メタノールに完全に浸漬した。熱処理は、粒子内多孔性の減少をもたらす、粒子崩壊をもたらした。粒子は楕円形であり、１．３８の平均アスペクト比を有していた。熱処理はまた、シルクフィブロインタンパク質を、大部分が非晶質のランダンムコイル構造から結晶質の逆平行βシート構造に変化させた。熱処理した粒子は、１ｍｌの水中にすぐには（容易には）崩壊（分解）しなかった。
【００３５】
水熱処理した粒子を、まずこれらを３ｗｔ％の希釈ＲＳＦ水溶液で湿潤させることにより、さらに一緒に結合した。次いで、これらの粒子を型に充填し、軽く圧縮した。次いで、この型を乾燥のために２時間、６０℃で真空オーブン内に入れた。そうして形成されたスキャフォールドを型から取り出した。この方法により形成されたスキャフォールドを図４に表す。
【００３６】
シルクフィブロインのスキャフォールドは、４０〜７０％の多孔性を有する。孔径は、１００〜５００μｍである。内部粒子孔径は、１〜２０μｍである。
【００３７】
添加剤を使用しない本発明の方法により調製された多孔質シクルフィブロインスキャフォールドは、４０〜７０％の多孔性、０．１〜３ｍｍの粒径、及び内部結合により１００〜５００μｍの孔径を有する。
【００３８】
スキャフォールドは、乾燥状態で１‐３０ＭＰａの弾性率、湿潤状態で〜０．５−２．５ＭＰａの弾性率を有し、異なる熱処理工程、すなわち、水熱処理及びメタノール熱処理で、同程度の酵素分解性を有することが確認された。
【００３９】
優れた機械弾性率を有する本発明の多孔質シルクフィブロインは、他の生物的及び影響を受けやすい薬剤／製剤を粒子内に組み入れるさらなる柔軟性を付与した。
【００４０】
本発明は、薬剤、タンパク質、フィラー等から選択される活性剤と、シルクフィブロインを含む結合した粒子の多孔質スキャフォールド（Ａ）とを含む組成物を提供する。
【００４１】
本発明の多孔質シルクフィブロインスキャフォールドは、薬剤、タンパク質デリバリー、及び様々な他の用途、例えば、組織工学におけるスキャフォールドのために使用され得る。
【００４２】
本発明の新規性は、希釈再生シルクフィブロイン溶液を用いてシルクフィブロイン微小粒子を結合することにある。これらの粒子を製造し、熱処理する方法は、公知である。しかしながら、これらの粒子は、ドラッグデリバリーの類の用途及び細胞適合性の研究のために用いられていた。これらの粒子を結合して３Ｄスキャフォールドを形成することを開示した先行技術はない。さらに、これらの粒子を結合する方法は、特徴的な孔径と、孔径分布（１００〜５００μｍ、及び１〜２０μｍの内部粒子孔径）を有するスキャフォールドをもたらす。これらのスキャフォールドのバルク多孔性はまた、先行技術に報告されたもの（典型的には、８０％を超える）と比べてより低い（４０〜７０％）。このタイプの孔構造は、インプラント（www.biopore.in)）に有益であることが証明されている。これらのスキャフォールドは、補強なしで、多くの他のシルクフィブロインスキャフォールドで報告されたもの（〜０．１−１ＭＰａ）に対して、優れた機械特性を有する（乾燥圧縮弾性率：〜１５−３０ＭＰａ）。これらのスキャフォールドの分解性は、シルクフィブロインの微細構造を調整することにより調節できる。すべての他の報告されたスキャフォールドは、均一な微細構造を有するが、本発明は粒子の表面の結晶化度が、粒子のコアとは異なることを実証し、そのため、可能な微細構造の範囲がある。この方法はまた、様々な添加剤、例えばフィラー、生体分子、例えば薬剤、成長因子、タンパク質等を組み込むのに十分に柔軟である。さらに、この方法は、スキャフォールドの製造の間、非生体適合性材料の使用をまったく含まない。
【００４３】
再生シルクフィブロインは、カイコからのシルク、クモからのシルク、遺伝子的に操作された細胞からのシルク、遺伝子組み換え植物及び動物からのシルク、培養細胞からのシルク、天然シルク、クローン化された天然シルク遺伝子の完全又は一部の配列からのシルク、並びにシルク又はシルク様配列をコードする合成遺伝子からのシルクから成る群から選択されるシルクから得られる。好ましくは、フィブロインは、当該技術分野に公知の方法により、Bombyx moriカイコから得られる。
【００４４】
本発明のシルクフィブロインは、以下の点でより望ましい：
・調整（制御）された孔径、形状、及び多孔性
・優れた機械特性
・調整（制御）された分解性
・ＲＳＦ溶液の調製を除いて非生体適合性の化学薬品を必要としない
・プロトコルが、様々な製剤（例えば、他の生体分子、フィラー等）を組み入れるのに柔軟である（適応性がある）。
【実施例】
【００４５】
以下の実施例は、説明のために示され、本発明の範囲を制限するものとしては解されない。
【００４６】
実施例１: シルクフィブロイン粒子の調製
純粋な二化性の繭を中央蚕糸研究研修所（Central Sericultural Research and Training Institute (Sriramapura, Mysore, Karnataka)）から入手した。この繭を重炭酸ナトリウム０．５％溶液で３０分間、２回煮沸し、セリシンタンパク質を除去した。５ｍｇのシルクフィブロイン（ＳＦ）タンパク質を５０ｍＬの９．３Ｍ臭化リチウム（ＬｉＢｒ）溶液で６０℃で４時間かけて溶解させた。次いで、ＳＦ−ＬｉＢｒ溶液を水に対して全体的に４８時間透析し、ＬｉＢｒ塩を完全に除去した。透析の間水を５回交換した。そうして得た水中のＳＦ溶液は、再生シルクフィブロイン（Regenerated Silk Fibroin、ＲＳＦ）溶液と呼ばれる。次いで、この溶液を２６％の２００００ｇ／ｍｏｌ ポリエチレングリコール溶液に対して透析し、１１ｗｔ％のＲＳＦ溶液を得た。６ｍＬシリンジを２６Ｇニードルに装着した。シリンジポンプの射出速度を０．１ｍＬ／分に設定した。ＲＳＦの滴下をＬＮ２（液体窒素）デュワー中に入るように行った。これらの粒子をさらに冷凍庫中で１５時間、−８０℃で凍結し、次いで−５０度で８時間凍結乾燥した。得られた粒子は非晶質であり（図３）、ImageJソフトを用いて１０５個の粒子径を解析し、平均粒子径は、標準偏差（ＳＤ）０．１８８ｍｍで２．０３ｍｍであった。最小及び最大の径は、それぞれ１．３３８ｍｍ及び２．５３０ｍｍと記録された。これらの結果を表１にまとめた。１つのビーズを１ｍＬの水中に室温で加えると透明溶液が得られたので、粒子は完全に水溶性であった。
【００４７】
これは、粒子がランダムコイル構造のシルクフィブロインタンパク質を有したことを示し、このことはＦＴＩＲ測定から計算された結晶化度指数により示唆される。
【００４８】
【表１】
2016510078.tif 000002
【００４９】
実施例２: 粒子の水熱処理プロセス
実施例１で得た粒子を次に水熱処理し、βシート構造を導入した。未処理粒子をペトリ皿中に広げ、図２に示すように、１時間の水蒸気処理に供した。ペトリ皿の下方の水の温度を８０℃に維持した。熱処理により粒子は崩壊した（つぶれた）。これはまた、シルクフィブロインタンパク質の立体構造を、主に非晶質のランダムコイルから結晶質の逆平行βシート構造に変化させた。熱処理した粒子は、１ｍＬの水中に容易に分解しなかった。
【００５０】
水熱処理粒子の粒径を、実施例１に記載した通りに測定した。平均粒子径は、０．１０８のＳＤで１．０７２ｍｍであることが確認された。収縮の割合は、約５２．８体積％であると計算された（表３を参照）。
【００５１】
これらのビーズは、水中に１時間浸漬した後でも、９０％を超える質量を維持した。これらのビーズの微細構造を減衰全反射モードでフーリエ変換赤外分光により特徴づけた。ＡＴＲデータを、ピークフィットソフト(v 4.12)を用いて解析し、粒子の表面及びバルク中の結晶化度指数を求めた。結果を表２にまとめた。
【００５２】
【表２】
2016510078.tif 000003
【００５３】
上記の結果は、水熱処理がβシート構造をもたらし、熱処理後で粒子表面がコアよりも高いβシート含有量を有していることを示している。
【００５４】
実施例３：粒子のメタノール熱処理プロセス
粒子を実施例１に記載した方法により調製した。これらの粒子を室温（２５℃）で１時間、メタノール中に完全に浸漬させた。熱処理により、粒子は崩壊し、粒子内部多孔性の減少をもたらした。粒子はまた、楕円形であり、１．３８の平均アスペクト比を有していた（詳細は表４を参照）。有効径として、表５に長径及び短径の平均値を示した。熱処理はまた、シルクフィブロインタンパク質の立体構造を主に非晶質のランダムコイル構造から結晶質の逆平行βシート構造に変化させた。熱処理された粒子は、１ｍＬの水中に容易に分解しなかった。
【００５５】
【表３】
2016510078.tif 000004
【００５６】
実施例4: スキャフォールドの調製
次いで、実施例２の水熱処理した粒子を、実施例１に記載したとおりに、最初にこれらを３ｗｔ％の希釈ＲＳＦ水溶液で湿潤させることにより、一緒に結合した。２０ｍｇのシルク粒子及び６０μＬのＲＳＦ溶液を用いた。次いで、これらの粒子を型に充填し、圧縮した。次いで、この型を乾燥のために６０℃の真空オーブンに２時間入れた。形成された典型的なスキャフォールドを図４に示す。粒子間の孔径は１００〜５００μｍの範囲であり、平均孔径は２７３μｍであることを確認した。
【００５７】
実施例５：粒径の変化
３ｗｔ％、６ｗｔ％、及び１１ｗｔ％の３つの異なる濃度のＲＳＦ溶液を用いて、実施例１に記載した方法で粒子を調製した。これらの粒子に対する画像解析を行い、粒径及び粒径分布を評価した。データを以下の表４にまとめた。この粒子を実施例２に記載した方法に従って水熱処理し、同様の画像解析結果を表４にまとめた。熱処理の前で、濃度によって粒径は有意に変化しなかったことが確認された。しかしながら、熱処理後で、粒径の変化が、単に用いられたＲＳＦ濃度の変化によりもたらされた。
【００５８】
【表４】
2016510078.tif 000005
【００５９】
実施例６：調製したスキャフォールドの機械特性
スキャフォールドの動的機械特性を、乾燥及び湿潤状態の両方で、Dynamic Mechanical AnalyzerのRSA IIIモデル（ＴＡinstruments社）の振幅スイープ装置において測定した。１１ｗｔ％のＲＳＦ溶液を用いる実施例４で調製したスキャフォールドに対して乾燥弾性率を測定した。実施例４で調製したスキャフォールドをＤＩ水中で２時間吸水させた後で湿潤弾性率を測定した。結果を図６にまとめた。スキャフォールドは乾燥状態で〜１４．７ＭＰａの貯蔵弾性率、湿潤状態で０．５１ＭＰａの貯蔵弾性率を有する（値は、0.01〜0.1％の範囲のひずみにおける弾性率を平均化して得た）。
【００６０】
実施例７：熱処理工程による分解
実施例２及び３に記載した熱処理プロトコルにより調製した粒子を用いて、実施例４に記載した方法によりスキャフォールドを調製した。これらのサンプルをプロテアーゼＸＩＶ溶液中での酵素的分解性を評価した。スキャフォールドを４時間、無菌条件で1U/mLの酵素溶液中でインキュベートし、これらの質量減量を４日間の分解の後で測定した。２０ｍｇのスキャフォールドを５ｍＬの酵素溶液中でインキュベートした。結果を表５に示す。熱処理工程が異なっていても、両者のスキャフォールドは同等の速度で分解することが分る。
【００６１】
【表５】
2016510078.tif 000006
【００６２】
実施例８：フィラーを含む粒子の調製
４．５ｍｇのナノ-ハイドロキシアパタイト（ＨＡＰ）粉末を１ｍＬの３ｗｔ％ＲＳＦ溶液と混合した。この複合溶液を用いて、実施例１に記載した方法によりシルクフィブロイン粒子を調製した。２０Ｇのニードルを用いてチョーキングを防ぎ、ＨＡＰ粉末の均一な混合を確実にするためにマグネチックニードルを用いてこの溶液を常時撹拌した。調製した粒子の特徴付けを行い、結果を図７及び表７にまとめた。熱重量分析により、約6.3%のＨＡＰがシルクフィブロイン-HAP複合粒子中に成功裏に組み込まれたことを示された。実施例１で調製した粒子は、620℃超で質量を有しない。
【００６３】
【表６】
2016510078.tif 000007
【００６４】
実施例９：薬剤の組み込み（挿入）
一般的な抗生物質であるセファレキシンをこの試験に用いた。１０ｍｇ／ｍＬのセファレキシンストック溶液を調製し、この２４０μＬを６ｍＬの３ｗｔ％ＲＳＦ溶液に加えた。このＳＦ−セファレックス溶液を用いて、実施例１に記載した方法を用いてシルクフィブロイン粒子を調製し、この粒子をその後実施例２のとおりに水熱処理した。水中、室温での粒子からの薬剤の放出を、２６２ｎｍ−１でのＵＶ分光光度計で時間の関数として吸光度を測定することにより求めた。較正曲線を用いて、図８に示すとおりに、時間に対する薬剤の放出濃度のグラフを作成した。この実施例は、検討される生体医学的用途に応じて、種々の生体分子を組み込むこの方法の柔軟性を明らかに実証している。
【００６５】
実施例１０：シルクフィブロインに対するＦＴＩＲ分析
アミドＩ領域（１５８０〜１７２０ｃｍ−１）におけるＦＴＩＲスペクトルを、Peakfit v 4.12ソフトを用いてデコンボリューション（解析）した。このスペクトルを直線２点法によりベースライン補正した。二次微分法を用いてピークを同定し、１２個のピーク(1595-1605, 1605-1615, 1616-1621, 1622-1627, 1628-1637, 1638-1646, 1647-1655, 1656-1662, 1663-1670, 1671-1685, 1686-1696, 1696-1703cm-1)に合致するまでスペクトルを平滑化（スムージング）した。これらのピーク位置はHuらにより特徴付けられている（Hu et al., 2006）。同定したピーク幅を用いるGausssianフィットを用いて自動カーブフィッティングを行い、このスペクトルを図９に示すとおりに１２個のピークにデコンボリューションした。結晶化度指数は、２つのランダムコイル及びαへリックスピーク(1638-1646、1647-1655、1656-1662 cm-1)の下方の絶対面積の合計に対する、３つのβシートピーク(1616-1621, 1622-1627, 1628-1637cm-1)の下方の絶対面積の合計の比として定義される。そのため、この実施例に示すとおり、粒子の表面は０．７４の結晶化度指数を有する。
【００６６】
【表７】
2016510078.tif 000008
【００６７】
本発明の有利な点：
・他の有機又は無機化学薬品の使用を含まない。
・（細）孔形及び（細）孔径が調整できる。
・分解性の決定的な制御が可能なスキャフォールドの開発に役立つシルクフィブロインタンパク質の微細構造（立体構造）を調節できる。
・また、この方法は他の生物学的及び影響を受けやすい薬剤／製剤を粒子中に組み入れるさらなる柔軟性を付与する。
【図４】
2016510078.tif 000009
【図５】
2016510078.tif 000010
【図９】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年4月9日(2015.4.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 再生シルクフィブロイン（RSF）溶液を液体窒素中へ滴下して加えて、凍結、凍結乾燥、及びβシート構造を導入する溶媒の存在下での熱処理をすることにより、再生シルクフィブロイン溶液からシルクフィブロイン粒子を準備する工程、
b) 前記工程(a)の粒子を、圧縮のための型内で希釈RSF溶液を用いて結合させ、乾燥のために前記型を１〜４時間の間、４０〜６０℃の温度で真空オーブン内に入れてスキャフォールドを形成する工程、
を含む、シルクフィブロイン３Ｄスキャフォールドの製造方法。
【請求項２】
凍結及び凍結乾燥の前の前記工程(a)の粒子が、非晶質又は半結晶質である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記工程(a)の粒子を、−２０℃〜−８０℃の温度で凍結し、−４８℃〜−５５℃の温度で凍結乾燥させる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記工程(a)の熱処理のための溶媒が、水及びメタノールから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記工程(b)で用いられる希釈ＲＳＦ溶液の濃度が１〜５ｗｔ％である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
粒径が０．１〜３ｍｍであり、孔径が相互接続により１００〜５００μｍである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記スキャフォールドが、乾燥状態で１〜１４．７ＭＰａ及び湿潤状態で０．１〜０．５ＭＰａまでの弾性率を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
０．１〜３ｍｍの粒子範囲及び１〜２０μｍの内部粒子孔径の多孔質シルクフィブロイン粒子を有し、場合により添加剤を充填した、再生シルクフィブロインを含む非晶質、部分結晶質、又は結晶質の微細構造を有するシルクフィブロイン３Ｄスキャフォールドであって、
乾燥状態で１〜１４．７ＭＰａ及び湿潤状態で０．１〜０．５ＭＰａまでの弾性率、相互接続による１００〜５００μｍの孔径、並びに４０〜７０％の多孔性を有する、請求項１に記載の方法により製造されるシルクフィブロインスキャフォールド。
【請求項９】
薬剤、タンパク質、成長因子、又は生物医学用途のためのフィラーの組み込みに使用するための、請求項８に記載のシルクフィブロインスキャフォールド。
【請求項１０】
前記スキャフォールドの分解が、シルクフィブロインタンパク質の立体構造を調整することにより調節される、請求項８に記載のシルクフィブロインスキャフォールド。
【国際調査報告】
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2016510078.tif 000019
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