ПОЛИМЕРНАЯ СИСТЕМА, ОБЛАДАЮЩАЯ СЕЛЕКТИВНОСТЬЮ АДСОРБЦИИ ПО РАЗМЕРАМ
POLYMER SYSTEM WITH SIZE ADSORPTION SELECTIVITY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к полимерной системе, обладающей селективностью адсорбции по размерам и, в частности, к полимерным системам, имеющим множество пор, в том числе транспортные поры, и отрицательный ионный заряд на их поверхности.
2
Пористые полимерные адсорбенты, обладающие селективностью адсорбции по размерам, согласно данному изобретению являются биосовместимыми и гемосовместимыми и предназначены для действия в непосредственном контакте с жидкими компонентами организма. Такие адсорбенты используют в сочетании с гемодиализом для экстракции и регулирования в крови уровня β-микроглобулина без существенного нарушения уровней альбумина, иммуноглобулинов, лейкоцитов, эритроцитов и тромбоцитов. Такие полимерные адсорбенты являются также очень эффективными для экстракции цитокинов, связанных с синдромом системной воспалительной реакции (SIRS), из крови и/или физиологической жидкости пациентов, страдающих от сепсиса, ожогов, травм, гриппа и так далее, сохраняя при этом физиологически необходимые компоненты крови на клинически приемлемых уровнях.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Способы экстракорпорального очищения крови являются очень важными для многих видов лечения и включают гемодиализ, гемофильтрацию, гемоперфузию, перфузию плазмы и комбинации этих способов. Гемодиализ и гемофильтрация включают в себя пропускание цельной крови через полые волокна для удаления избыточной воды и соединений с небольшими размерами молекул, однако эти способы не позволяют извлекать белковые токсины, такие как бета-2-микроглобулин (В2М) и цитокины. При гемоперфузии цельную кровь пропускают через адсорбент для удаления из нее загрязняющих веществ. Перфузия плазмы представляет собой пропускание через адсорбент плазмы крови. При гемоперфузии обработанная цельная кровь возвращается в систему кровообращения пациента.
Помимо общих требований, таких как гемосовместимость и стерильность при использовании медицинского оборудования, идеальный адсорбент для гемоперфузии и перфузии плазмы, чтобы оказывать пользу пациенту, должен обладать адсорбционной емкостью и избирательностью, достаточными для адсорбции токсинов, исключая при этом полезные компоненты.
Стандартные адсорбенты включают в себя активированный уголь, силикаты, диатомовую землю и синтетические пористые смолы. Сообщалось об использовании активированного угля в ходе экстракорпоральной адсорбции при лечении шизофрении (Kinney, US 4,300,551; 1981). Раскрыты различные синтетические полимерные адсорбенты для удаления из крови токсина-1, брадикинина и эндотоксина при синдроме токсического шока (Hirai, et al., US 6315907; 2001; 6387362; 2002, и 6132610; 2000), а также для удаления из крови животных ядов и/или лекарственных препаратов (Kunin, et al., US 3,794,584; 1974). Адсорбция указанными адсорбентами является, как правило, недостаточно селективной и потому ограничивается краткосрочным лечением.
Большинство коммерческих пористых смол синтезируют либо с помощью макропористого синтеза (Meitzner, et al., US 4,224,415; 1980), это такие смолы, как Amberlite XAD-4 и Amberlite XAD-16 компании Rohm and Haas Company, либо с помощью гиперсшивки [Davankov, et al. J. Polymer Science, Symposium No. 47, 95-101 (1974)], используемого для получения смол Hpersol-Macronet компанией Purolite Corp. Многие стандартные полимерные адсорбенты имеют очень большие поверхность пор и адсорбционную емкость, однако страдают недостаточной селективностью из-за широкого распределения по размерам пор. Другие адсорбенты получают для адсорбции небольших органических молекул, либо они не являются гемосовместимыми и, следовательно, непригодны для селективной адсорбции белков средних размеров непосредственно из жидких компонентов организма.
Для улучшения гемосовместимости многие способы включают в себя покрытие гидрофобного адсорбента гидрофильными материалами, такими как полиакриламид и поли(гидроксиэтилметакрилат) (Clark, US 4048064; 1977; Nakashima, et al., US 4171283; 1979). В патенте на имя Watanabe, et al. (US 5051185; 1991) сообщается о покрытии сополимера 2-гидроксиэтилметакрилата диэтиламиноэтилметакрилатом. В патенте на имя Davankov, et al. (US 6114466; 2000) раскрыт способ прививки к внешней поверхности пористых полимерных гранул гидрофобных мономеров, включающих 2-гидроксиэтилметакрилат, N-винилпирролидинон, N-винилкапролактам и акриламид. Недавно в патенте на имя Albright (US 6884829 В2; 2005) было раскрыто использование поверхностно-активных диспергирующих агентов [включающих поливиниловый спирт, поли(диметиламиноэтилметакрилат), поли(винилпирролидинон) и гидроксиэтилцеллюлозу] во время макропористого синтеза с получением гемосовместимой поверхности на пористых гранулах в ходе одностадийного синтеза.
3
Для избирательности адсорбции очень важна внутренняя структура пор адсорбента (распределение пор по диаметру, объем пор и поверхность пор). Картридж, содержащий плотный слой адсорбента с эффективными диаметрами пор в диапазоне от 2 до 60 А, предназначенный для использования при гемоперфузии, раскрыт в патенте на имя Clark (US 4048064; 1977). Такой диапазон размеров пор был, в первую очередь, определен для детоксикации и предотвращения адсорбции из крови антикоагулянтов, тромбоцитов и лейкоцитов, однако он не подходит для адсорбции белков средних размеров, таких как цитохром-C и бета-2-микроглобулин. Аналогичным образом, покрытие неорганических адсорбентов, таких как силикат и диатомовая земля, мембранной пленкой, имеющей размер пор больше 20 Å, было раскрыто в патенте на имя Mazid (US 5149425; 1992) для получения адсорбентов для гемоперфузии. Не так давно в патенте на имя Giebelhausen (US 551700; 2003) был раскрыт сферический адсорбент с четко выраженной микроструктурой с диаметрами пор 0-40 Å и общим объемом микропор по меньшей мере 0,6 см/г для адсорбции боевых отравляющих веществ, токсичных газов и паров, и хладагентов. Указанные выше структуры пор слишком малы для адсорбции из физиологических жидкостей белков средних размеров.
Адсорбент с широким распределением по размерам пор (диаметр 40-9000 А) раскрыт для адсорбции белков, ферментов, антигенов и антител в патенте на имя Miyake et al. (US 4246351; 1981). Благодаря своему широкому распределению по размеру пор адсорбент сорбирует из крови как токсины, так и полезные белки, такие как альбумин. Описаны иммобилизирующие антитела и lgG-связывающие белки на пористых полимерных адсорбентах для улучшения селективности адсорбентов, имеющих широкое распределение по размерам пор, для снижения уровня липопротеинов низкой плотности, для лечения атеросклероза, для адсорбирования фактора ревматоидного артрита (Strahilevitz, US 6676622; 2004) и для удаления вируса гепатита С из крови (Ogino et al. US 6,600,014; 2003). Однако антитела или белки, присоединенные к адсорбентам, могут существенно увеличить побочные эффекты для устройств гемоперфузии или перфузии плазмы и могут значительно усложнить поддержание стерильности устройств.
Извлечение бета-2-микроглобулина прямой гемоперфузией было успешно использовано для больных с почечной недостаточностью (Kazama, “Nephrol. Dial. Transplant”, 2001, 16:31-35). Адсорбент с увеличенной долей пор, имеющих диаметр в диапазоне от 10 до 100 Å, описан в патенте на имя Braverman et al. (US 5904663; 1999) для извлечения бета-2-микроглобулина из крови и в патенте на имя Davankov et al. (US 6527735; 2003) для извлечения токсинов с молекулярной массой в диапазоне 300-30000 Да из физиологической жидкости. В патенте на имя Strom, et al. (US 6,338,801; 2002) описан способ синтеза полимерных смол с размерами пор в диапазоне от 20  до 500 Å, предназначенных для адсорбции бета-2-микроглобулина. Однако in-vitro исследование, осуществленное авторами настоящего изобретения, показывает, что пористые структуры, предложенные Davankov и Strom, не подходят для селективной адсорбции белков средних размеров, таких как бета-2-микроглобулин и цитохром-C, в присутствии сывороточного альбумина.
В отличие от предшествующих раскрытий пористые полимерные адсорбенты, описанные в настоящем изобретении, демонстрируют высокую селективность адсорбции белков малых и средних размеров, исключая крупные белки с молекулярными массами более 50000 Да. В частности, настоящее изобретение раскрывает адсорбенты для гемоперфузии, подходящие для длительного клинического лечения, поскольку при этом полезные для здоровья компоненты, такие как альбумин, красные кровяные тельца (эритроциты), тромбоциты и белые кровяные тельца (лейкоциты), поддерживаются на клинически приемлемых уровнях.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному из аспектов, настоящее изобретение предлагает полимерную систему, содержащую по меньшей мере один полимер с множеством пор, при этом полимер имеет по меньшей мере одну транспортную пору с диаметром приблизительно от 250 до 2000 Å и объем транспортных пор, составляющий более приблизительно от 1,8 до 78% от емкости пор объема полимера.
Для целей настоящего изобретения термин “транспортная пора” определяют как пора, позволяющая осуществлять быстрый “транспорт” молекул к эффективным порам, а термин “объем транспортных пор” означает объем “транспортных” пор на единицу массы полимера.
Согласно другому варианту осуществления, поры имеют диаметры от более 100 до 2000 Å. Согласно еще одному варианту осуществления, полимер может сорбировать из крови белковые молекулы массой от более 20000 до менее 50000 Да и исключает сорбцию белков крови массой более 50000 Да.
3
Согласно еще одному варианту осуществления, полимер имеет объем пор приблизительно от 0,315 до 1,516 см/г. Согласно еще одному варианту осуществления, полимер имеет объем эффективных пор, составляющий более чем приблизительно от 21,97 до 98,16% емкости порового пространства. Согласно другому варианту осуществления, полимер содержит эффективные поры, при этом указанные эффективные поры имеют диаметры от более приблизительно 100 до 250 Å.
Для целей настоящего изобретения термин “общий объем пор” определяют как объем всех пор в полимере на единицу массы, а термин “объем эффективных пор” означает любую пору, осуществляющую селективную адсорбцию молекул. Термин “емкость порового пространства” определяют как объем “емкости” всех пор на единицу массы полимера, а термин “эффективные поры” означает функциональные поры, обеспечивающие адсорбцию определенных молекул. Термин “емкость пор” относится к общей сумме эффективных пор и транспортных пор.
Согласно еще одному другому варианту осуществления, полимер является биосовместимым. Согласно еще одному варианту осуществления, полимер является гемосовместимым. Согласно еще одному варианту осуществления, геометрическая форма полимера представляет собой сферическую гранулу.
2
Согласно еще одному варианту осуществления, полимер используют при непосредственном контакте с цельной кровью для сорбции молекул белка, выбранного из группы, по существу состоящей из цитокинов и β-микроглобулина, исключая сорбцию крупных белков крови, при этом крупные белки крови входят в группу, состоящую по существу из гемоглобина, альбумина, иммуноглобулинов, фибриногена, сывороточных белков и других белков крови с молекулярной массой более 50000 Да.
Согласно еще одному варианту осуществления, полимер имеет селективность внутренней поверхности для адсорбции белков массой менее 50000 Да, практически не обладая селективностью в отношении адсорбции витаминов, глюкозы, электролитов, жиров и других гидрофильных питательных веществ, имеющих маленькие молекулы, переносимых кровью.
Согласно другому варианту осуществления, полимер получают с помощью полимеризации в суспензии. Согласно еще одному варианту осуществления, полимер получают из ароматических мономеров стирола и этилвинилбензола со сшивающим агентом, выбранным из группы, состоящей по существу из дивинилбензола, тривинилциклогексана, тривинилбензола, дивинилнафталина, дивинилсульфона, триметилолпропантриакрилата, триметилолпропантриметакрилата и их смесей.
Согласно другому варианту осуществления, сшивающий агент представляет собой DVD в количестве, составляющем приблизительно от 20 до 90% от полимера.
Согласно еще одному варианту осуществления, стабилизирующий агент для капель при полимеризации в суспензии выбирают из группы, состоящей по существу из улучшающих гемосовместимость полимеров, при этом указанные полимеры представляют собой поли(N-винилпирролидинон), поли(гидроксиэтилакрилат), поли(гидроксиэтилметакрилат), гидроксиэтилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу, соли полиакриловой кислоты, соли полиметакриловой кислоты, поли(диметиламиноэтилакрилат), поли(диметиламиноэтилметакрилат), поли(диэтиламиноэтилакрилат), поли(диэтиламиноэтилметакрилат), поливиниловый спирт и их смеси.
Согласно еще одному варианту осуществления, полимер делают гемосовместимым с помощью внешнего покрытия, выбранного из группы, состоящей по существу из поли(N-винилпирролидинона), поли(гидроксиэтилакрилата), поли(гидроксиэтилметакрилата), гидроксиэтилцеллюлозы, гидроксипропилцеллюлозы, солей полиакриловой кислоты, солей полиметакриловой кислоты, поли(диметиламиноэтилметакрилата), поли(диметиламиноэтилакрилата), поли(диэтиламиноэтилакрилата), поли(диэтиламиноэтилметакрилата), поливинилового спирта и смесей этого.
Согласно другому варианту осуществления, полимер делают гемосовместимым с помощью прививки поверхности гемосовместимыми наружными покрытиями одновременно с образованием гранул пористого полимера.
Согласно еще одному другому варианту осуществления, полимер делают гемосовместимым с помощью прививки поверхности гемосовместимыми наружными покрытиями на сформированные заранее пористые полимерные гранулы.
Согласно еще одному другому варианту осуществления, полимер имеет внешнюю поверхность с отрицательным ионным зарядом, и отрицательный ионный заряд не позволяет альбумину проникать в указанные поры.
Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение относится к полимеру, обладающему селективностью по размерам, включающему по меньшей мере один полимер с множеством пор, при этом поры имеют диаметры от более чем 100 до 2000 Å, а полимер имеет объем транспортных пор, составляющий приблизительно от 1,8 до 78% от емкости пор объема полимера.
Согласно еще одному другому дополнительному варианту осуществления, настоящее изобретение обеспечивает полимер, обладающий селективностью по размерам, содержащий множество пор, при этом поры имеют диаметры от более чем 100 Å до 2000 Å, а полимер имеет по меньшей мере одну транспортную пору с диаметром приблизительно от 250 до 2000 Å, а также полимер имеет внешнюю поверхность с отрицательным ионным зарядом, и отрицательный ионный заряд не позволяет альбумину проникать в указанные поры при величине рН приблизительно от 7,2 до 7,6.
Согласно одному из вариантов осуществления, настоящее изобретение относится к пористому полимеру для сорбирования молекул белка, имеющих размеры от небольших до средних, и исключает сорбцию крупных белков крови, при этом полимер содержит множество пор. Поры сорбируют молекулы белка, имеющие размеры от маленьких до средних, с массой, равной или меньшей 50000 Да. Согласно другому варианту осуществления, полимер является биосовместимым и/или гемосовместимым.
Согласно еще одному варианту осуществления, полимер содержит множество пор с диаметрами приблизительно от 75 до 300 Å. Согласно другому варианту осуществления, полимер может иметь множество пор в пределах указанного выше диапазона. Согласно еще одному другому варианту осуществления, полимер имеет рабочие поры в пределах упомянутого выше диапазона и может также иметь нерабочие поры с диаметром менее 75 Å. Согласно другому варианту осуществления, полимер содержит не более 2,0 об.% от его общего порового пространства пор с диаметрами более 300 Å. Для целей настоящего изобретения, термин “крупные белки крови” определяют как любой белок крови, имеющий массу более 50000 Да, а термин “молекулы белков крови” относится к белкам крови от маленьких до средних размеров, имеющим массу, равную или меньшую 50000 Да.
Согласно еще одному варианту осуществления, геометрическая форма полимера представляет собой сферическую гранулу. Согласно другому варианту осуществления, полимер имеет поровое пространство, в котором более 98% приходится на поры диаметром менее 300 Å.
2
Согласно еще одному другому варианту осуществления, полимер используют при непосредственном контакте с цельной кровью для адсорбции молекул белка, такого как β-микроглобулин, исключая при этом сорбцию более крупных белков крови, при этом указанные крупные белки крови выбирают из группы, состоящей по существу из гемоглобина, альбумина, иммуноглобулинов, фибриногена, сывороточных белков массой более 50000 Да и их смесей. Согласно еще одному варианту осуществления, полимер имеет селективность внутренней поверхности для адсорбции белков массой менее 50000 Да, практически не обладая селективностью в отношении адсорбции витаминов, глюкозы, электролитов, жиров и других гидрофильных питательных веществ, имеющих маленькие молекулы, переносимых кровью.
Согласно еще одному варианту осуществления, полимер делают пористым с помощью макропористого синтеза или чистого синтеза макромолекул. Согласно еще одному варианту осуществления, полимер получают с помощью полимеризации в суспензии.
Согласно другому варианту осуществления, полимер получают из ароматических мономеров стирола и этилвинилбензола со сшиванием, обеспечиваемым дивинилбензолом, тривинилциклогексаном, тривинилбензолом, дивинилнафталином, дивинилсульфоном, тримеомтилолпропантриакрилатом, триметилолпропантриметакрилат и их смесями.
Согласно еще одному варианту осуществления, стабилизирующий агент для капель при полимеризации в суспензии выбирают из группы, состоящей по существу из улучшающих гемосовместимость полимеров, при этом указанные полимеры представляют собой поли(N-винилпирролидинон), поли(гидроксиэтилакрилат), поли(гидроксиэтилметакрилат), гидроксиэтилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу, соли полиакриловой кислоты, соли полиметакриловой кислоты, поли(диметиламиноэтилакрилат), поли(диметиламиноэтилметакрилат), поли(диэтиламиноэтилакрилат), поли(диэтиламиноэтилметакрилат), поливиниловый спирт и их смеси.
Согласно еще одному варианту осуществления, полимер делают гемосовместимым с помощью внешнего покрытия из поли(N-винилпирролидинона), поли(гидроксиэтилакрилата), поли(гидроксиэтилметакрилата), гидроксиэтилцеллюлозы, гидроксипропилцеллюлозы, солей полиакриловой кислоты, солей полиметакриловой кислоты, поли(диметиламиноэтилметакрилата), поли(диметиламиноэтилакрилата), поли(диэтиламиноэтилакрилата), поли(диэтиламиноэтилметакрилата), поливинилового спирта и их смесей.
Согласно еще одному варианту осуществления, полимер делают гемосовместимым с помощью прививки поверхности гемосовместимыми наружными покрытиями одновременно с образованием гранул пористого полимера. Согласно еще одному варианту осуществления, полимер делают гемосовместимым с помощью прививки поверхности гемосовместимыми наружными покрытиями на сформированные заранее пористые полимерные гранулы.
Согласно другому варианту осуществления, настоящее изобретение относится к полимерному адсорбенту, исключающему сорбцию альбумина. Полимер имеет поры с диаметрами приблизительно от 75 до 300 Å.
Согласно еще одному другому варианту осуществления, настоящее изобретение предлагает гемосовместимый полимер, включающий диапазон рабочих пор. Диапазон рабочих пор имеет диаметры приблизительно от 75 до 300 Å, а полимер предназначен для адсорбции молекул белков крови.
2
Согласно другому варианту осуществления, настоящее изобретение относится к полимеру, обладающему селективностью по размерам в отношении сорбции переносимых кровью белков от небольших до средних размеров и исключающему сорбцию крупных переносимых кровью белков; полимер содержит множество пор, и поры имеют диаметры приблизительно от 75 до 300 Å. Полимер используют при непосредственном контакте с цельной кровью для адсорбции цитокинов и β-микроглобулина, но он исключает адсорбцию крупных переносимых кровью белков, при этом крупные переносимые кровью белки выбирают из группы, состоящей по существу из гемоглобина, альбумина, иммуноглобулинов, фибриногена, сывороточных белков массой более 50000 Да и их смесей. Для целей настоящего изобретения термин “переносимые кровью белки” включает ферменты, гормоны и регуляторные белки, такие как цитокины и хемокины.
Настоящее изобретение раскрывает биосовместимые и гемосовместимые пористые полимерные адсорбенты, обладающие селективностью адсорбции по размерам, пористые структуры которых обеспечивают эффективное функционирование при гемоперфузии. Для эффективного функционирования при гемоперфузии адсорбенты должны сорбировать белки избирательно по отношению к другим мелким молекулярным частицам, присутствующим в крови. Сорбция белков также должна быть ограничена размерами молекул менее 50000 Да, чтобы важные белки, необходимые для здорового гомеостаза - альбумин, иммуноглобулины, фибриноген - оставались в крови во время гемоперфузии.
Пористые полимерные адсорбенты согласно данному изобретению имеют гемосовместимое покрытие внешней поверхности и внутреннюю пористую систему с ароматической поверхностью пор для селективности в отношении белков и значительное поровое пространство в диапазоне диаметров пор от 100 до 300 Å, по существу при отсутствии пор с диаметром более 300 Å. Поровое пространство пор более 300 Å составляет 2,0% или менее от общего порового пространства. Такие пористые полимерные адсорбенты не допускают проникновения в пористую систему белковых молекул массой более 50000 Да, но при этом обеспечивают хороший массоперенос в систему белковых молекул с размерами менее 35000 Да.
Пористые полимеры согласно данному изобретению состоят из ароматических мономеров стирола и этилвинилбензола со сшиванием, обеспечиваемым одним из следующих соединений или смесей следующих соединений дивинилбензола, тривинилциклогексана, триметилолпропантриакрилата и триметилолпропантриметакрилата. Другими сшивающими агентами, которые могут быть использованы для получения пористых полимерных адсорбентов согласно данному изобретению, являются дивинилнафталин, тривинилбензол и дивинилсульфон, а также их смеси.
Согласно другому варианту осуществления, полимерный адсорбент синтезируют с помощью органического раствора, в котором от 25 мол.% до 90 мол.% мономера составляют сшивающие агенты, такие как дивинилбензол и тривинилбензол, а образующийся в результате полимерный адсорбент имеет достаточную структурную прочность.
Пористые полимеры согласно данному изобретению получают полимеризацией в суспензии в водной фазе определенного состава при свободно-радикальном инициировании в присутствии диспергаторов водной фазы, которые выбирают для получения биосовместимой и гемосовместимой внешней поверхности у образующихся полимерных гранул. Гранулы делают пористыми с помощью макропористого синтеза с соответствующим образом выбранным порообразователем (осадителем) и при соответствующем профиле время-температура для полимеризации с получением надлежащей пористой структуры.
Пористые гранулы также изготавливают с небольшими размерами пор с помощью методики гиперсшивки, известной также как «макронеттинг» или синтез с образованием сети макромолекул. Согласно этой методике, гель-полимер с малой степенью сшивки - сшивка обычно менее чем на два (2) мас.% - подвергают набуханию в хорошем бифункциональном агенте для набухания полимерной матрицы. В разбухшем состоянии полимерную матрицу сшивают с помощью каталитической реакции. Каталитической реакцией обычно является реакция Фриделя-Крафтса, катализируемая кислотами Льюиса. Образующийся в результате продукт представляет собой макропористый полимер, являющийся сшитым полимером, имеющим стойкую пористую структуру в сухом, ненабухшем состоянии.
Для целей данного изобретения термин “биосовместимый” определяют как состояние совместимости с физиологическими жидкостями, не вызывающее нежелательных клинических изменений в физиологических жидкостях. Термин “гемосовместимый” определяют как состояние, при котором материал при контакте с цельной кровью или плазмой крови приводит к клинически приемлемым физиологическим изменениям.
Биосовместимые и гемосовместимые покрытия внешней поверхности на полимерных гранулах ковалентно связаны с поверхностью гранул с помощью свободнорадикальной прививки. Свободнорадикальная прививка протекает во время преобразования капель мономера в полимерные гранулы. Покрытие диспергирующего агента и стабилизатор капель мономера ковалентно связываются с поверхностью капель, по мере того как мономеры внутри капель полимеризуются и превращаются в полимер. Биосовместимые и гемосовместимые покрытия внешней поверхности могут быть ковалентно привиты на полученные заранее полимерные гранулы, если диспергирующий агент, используемый при полимеризации в суспензии, не является агентом, придающим биосовместимость или гемосовместимость. Прививку биосовместимых и гемосовместимых покрытий на заранее полученные полимерные гранулы осуществляют активацией инициаторов свободнорадикальной полимеризации в присутствии либо мономеров, либо низкомолекулярных олигомеров полимеров, которые наделяют поверхностное покрытие биосовместимостью или гемосовместимостью.
Биосовместимые и гемосовместимые покрытия на внешнюю поверхность полимерных гранул обеспечивают с помощью группы полимеров, состоящей из поли(N-винилпирролидинона), поли(гидроксиэтилметакрилата), поли(гидроксиэтилакрилата), гидроксиэтилцеллюлозы, гидроксипропилцеллюлозы, солей полиакриловой кислоты, солей полиметакриловой кислоты, поли(диметиламиноэтилметакрилата), поли(диметиламиноэтилакрилата), поли(диэтиламиноэтилакрилата), поли(диэтиламиноэтилметакрилата) и поливинилового спирта.
Согласно одному из вариантов осуществления, покрытия внешней поверхности, такие как полимеры поли(метакрилат) и полиакрилат, образуют анионы при величине pH от 7,2 до 7,6, при этом указанная внешняя поверхность отталкивает альбумин, несущий отрицательный ионный заряд при нормальной величине pH крови (7,4), и ингибирует проникновение альбумина в поры на внешней поверхности адсорбента за счет отталкивания. Согласно еще одному варианту осуществления, тонкослойную внешнюю поверхность сополимера дивинилбензола модифицируют, делая ее анионообменной, вследствие чего внешняя поверхность образует отрицательные заряды, исключающие проникновение альбумина внутрь пор адсорбента. Альбумин имеет изоэлектрическую точку при величине pH 4,6 и отрицательный заряд при нормальной величине pH крови и другой физиологической жидкости. С отрицательными зарядами на тонком слое внешней поверхности адсорбента ограничение размера пор может быть расширено до более широкого диапазона, при этом указанный полимер по-прежнему будет предпочтительно селективно адсорбировать токсин, а не альбумин.
Устройства для гемоперфузии и перфузии состоят из плотного слоя гранул из гранул пористого полимера, обладающего селективностью адсорбции по размерам, в проточном контейнере, оборудованном фиксирующими экранами со стороны входа и выхода, предназначенными для удерживания слоя гранул внутри контейнера. Операции гемоперфузии и перфузии выполняют, пропуская цельную кровь, плазму крови или физиологическую жидкость через плотный слой гранул. Во время перфузии через слой гранул путем адсорбции экстрагируют молекулы белка массой менее 35000 Да, тогда как оставшиеся жидкие компоненты проходят сквозь с по существу неизменившейся концентрацией.
Для целей данного изобретения термин “перфузия” определяют как прохождение физиологической жидкости посредством подходящего экстракорпорального контура через устройство, содержащее пористый полимерный адсорбент, для удаления из крови токсинов и белков. Термин “гемоперфузия” представляет собой частный случай перфузии, когда физиологическая жидкость является кровью. Термин “дисперсант” или “диспергирующий агент” определяют как вещество, оказывающее стабилизирующее действие на тонкоизмельченную массу капель несмешивающейся жидкости, суспендированных в псевдосжиженной среде. Термин “макропористый синтез” определяют как полимеризацию мономеров с получением полимера в присутствии инертного осадителя, заставляющего расти молекулы полимера из жидкого мономера до определенного размера молекул, определяемого фазовым равновесием, с образованием твердых наноразмерных частиц микрогеля со сферической или почти сферической симметрией, уплотненных вместе с получением гранулы с физическими порами открытопористой структуры [US 4297220, Meitzner и Oline, October 27, 1981; R.L. Albright, Reactive Polymers, 4, 155-174(1986)]. Для целей настоящего изобретения термин “сорбировать” определяют как “захватывать и связывать с помощью абсорбции или адсорбции”.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Прилагаемые графические материалы приведены для обеспечения лучшего понимания настоящего изобретения. Эти графические материалы, составляющие часть данного описания, иллюстрируют один или несколько вариантов осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием служат для пояснения принципов настоящего изобретения.
Фиг.1 представляет собой графическое представление Таблицы 2, изображающее график зависимости объема пор от диаметра (dV/dD от D) для различных адсорбентов, измеренной с помощью изотермической десорбции азота.
Наряду со всеми раскрытыми преимуществами и улучшениями иные цели и преимущества данного изобретения будут видны из следующего описания, рассматриваемого вместе с прилагаемыми графическими материалами. Графические материалы представляют собой часть описания и включают примеры вариантов осуществления настоящего изобретения, а также иллюстрируют его различные цели и признаки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как требуется, в данном разделе раскрыты подробные описания вариантов осуществления настоящего изобретения; следует понимать, что раскрытые варианты осуществления являются лишь примерами изобретения, которое может быть осуществлено в различных формах. Таким образом, конкретные структурные и функциональные подробности, раскрытые здесь, не следует интерпретировать как ограничения, а только лишь как основу для того, чтобы помочь специалистам в данной области техники использовать настоящее изобретение. Приведенные ниже конкретные примеры позволяют лучше понять изобретение. Однако они приведены исключительно для ориентира и не предназначены для ограничения.
Пять пористых полимерных адсорбентов описаны с точки зрения их пористых структур и оценены на предмет их конкурентной адсорбции цитохрома-C (масса 11685 Да) по сравнению с сывороточным альбумином (масса 66462 Да). Синтез адсорбентов описан в Примере 1; описание пористой структуры приведено в Примере 2; методика конкурентной динамической адсорбции и результаты представлены в Примере 3; а конкурентная эффективность в отношении захвата меньшего белка цитохрома-C по сравнению с большей молекулой альбумина обсуждается в Примере 4.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример 1
Синтез адсорбентов
Способ синтеза состоит из (1) приготовления водной фазы, (2) приготовления органической фазы, (3) проведения полимеризации в суспензии и (4) очистки полученного продукта - пористого полимерного адсорбента. Состав водной фазы одинаковый для всех реакций полимеризации. В Таблице 1А представлен состав водной фазы в процентах, а в Таблице 1 В приведены расходы материалов, типичные для опыта полимеризации в реакторе емкостью пять (5) литров.
Таблица 1А
Состав водной фазы
Мас.%
Особочистая вода
97,787
Диспергирующий агент: Поливиниловый спирт
0,290
Мононатрийфосфат
0,300
Динатрийфосфат
1,000
Тринатрийфосфат
0,620
Нитрит натрия
0,003
Таблица 1В
Расходы материалов для стандартного опыта полимеризации в реакторе емкостью пять (5) литров
Объем водной фазы
1750,00 мл
Плотность водной фазы
1,035 г/мл
Масса водной фазы
1811,25 г
Объемное соотношение, водная фаза/органическая фаза
1,05
Объем органической фазы
1668,0 мл
Плотность органической фазы
0,84093 г/мл
Масса органической фазы
1400,15 г
Общий реакционный объем
3415,0 мл
Общая реакционная масса
3211,40 г
Инициатор, чистая перекись бензоила (ВРО)
8,07606 г
Инициатор, 97% ВРО
8,3258 г
(Внимание: Загрузку инициатора рассчитывают только на основании количества полимеризуемых мономеров, помещенных в реактор)
Коммерческий 63% дивинилбензол (DVB) [98,65 полимеризуемые мономеры DVB и EVB (этилвинилбензола); 1,35% инертных соединений 63,17% DVB; 35,48% EVB]
794,817 г
Толуол
269,300 г
Изооктан
336,036 г
Перекись бензоила, 97%
8,3258 г
Всего, расход органической фазы
1408,4758 г
После приготовления водной и органической фаз водную фазу вливают в реактор емкостью 5 л и нагревают до температуры 65°C при перемешивании. Предварительно перемешанную органическую фазу, содержащую инициатор, выливают в реактор в водную фазу со скоростью перемешивания, установленной на частоту вращения, необходимую для образования соответствующего размера капель. Дисперсию органических капель нагревают до температуры, выбранной для полимеризации, и выдерживают при этой температуре в течение требуемого промежутка времени до завершения превращения мономеров в сшитый полимер и, таким образом, до установления заданной пористой структуры. Непрореагировавший инициатор разлагают нагреванием суспензии гранул в течение двух (2) часов при температуре, при которой период полураспада инициатора составляет час или меньше. Для инициатора - перекиси бензоила - непрореагировавший инициатор разлагают нагреванием суспензии при температуре 95°C в течение двух (2) часов.
Суспензию охлаждают, маточную жидкость через сифон откачивают от гранул, и гранулы промывают пять (5) раз особочистой водой. Гранулы освобождают от порообразователя и других органических соединений с помощью термической очистки. Такой способ позволяет получить чистый сухой пористый адсорбент в форме сферических пористых полимерных гранул.
Таблица 1С
Компоненты синтеза адсорбентов
Идентификация пористого адсорбента
Адсорбент 1, мас.%
Адсорбент 2,
Адсорбент 3, мас.%
Адсорбент 4, мас.%
Адсорбент 5, мас.%
Дивинилбензол (DVB), чистый
35,859
Адсорбент 2 является коммерческойсмолой Amberlite XAD-16, изготовленной компанией Rohm and Haas Company
26,13
22,4127
22,4127
Этилвинилбензол(ЕУВ), чистый
20,141
14,695
12,5883
12,5883
Инертные соединения
0,766
0,559
0,4790
0,4790
Толуол
19,234
27,263
64,521
54,841
Изооктан
24,00
31,319
0,00
9,680
Полимеризируемые мономеры
56,00
40,8584
35,00
35,00
Порообразователь
44,00
59,1416
65,00
65,00
Перекись бензоила (ВРО), чистая, в мас.% на основе содержания полимеризируемого мономера
1,03
0,7447
2,00
4,00
Полимеризация, °C/время, час
75°C/10 час
80°C/16 час
70°C/24 час
62°C/24 час
95°C/2 час
95°C/2 час
а) величина мас.% дана на основе общей массы органической фазы, за исключением инициатора
Пример 2
Описание пористой структуры
Пористую структуру слоя полимерных адсорбентов, описанных в Таблице 1С, анализировали с помощью прибора Micromeritics ASAP 2010. Результаты изображены в виде графика на Фиг.1, где объем пор представлен графически как функция от диаметра пор. Этот график показывает распределение объема в пределах диапазона размера пор.
Поровое пространство разделяют на категории внутри диапазонов размеров пор для каждого из пяти адсорбирующих полимеров, эти величины представлены в Таблице 2. Емкость порового пространства представляет собой такой объем пор, который доступен для сорбции белка и состоит из порового пространства пор диаметром более 100 Å. Объем эффективных пор представляет собой такой объем пор, который избирательно доступен для белков массой менее 35000 Да и состоит из диаметров пор в диапазоне от 100 до 250 Å. Объем пор увеличенных размеров представляет собой поровое пространство, доступное для белков массой более 35000 Да, и состоит из порового пространства пор диаметром более 250 Å. Объем пор уменьшенных размеров представляет собой поровое пространство пор диаметром менее 100 Å и недоступное для белков массой более приблизительно 10000 Да.
Таблица 2
Пористые структуры адсорбентов
Идентификация полимерного адсорбента
Адсорбент 1
Адсорбент 2
Адсорбент 3
Адсорбент 4
Адсорбент 5
Емкость порового пространства, см<sup>3</sup>/г; Dp, 100Å→2000Å
0,5850
1,2450
1,5156
0,3148
0,6854
Объем эффективных пор, см<sup>3</sup>/г; Dp, 100Å→250Å
0,5678
0,9860
0,3330
0,3060
0,6728
Объем транспортных пор Dp=250~2000Å, см<sup>3</sup>/г
0,0172
0,2590
1,1826
0,0088
0,0126
Объем эффективных пор (100~250Å), в % от емкости пор
97,06%
79,20%
21,97%
97,20%
98,16%
Объем транспортных пор (250~2000Å), в % от емкости пор
2,9%
20,8%
78,0%
2,8%
1,8%
Объем пор уменьшенных размеров, см<sup>3</sup>/г;
0,3941
0,5340
0,4068
0,6311
0,4716
Dp<100Å
Общее поровое пространство, см<sup>3</sup>/г; Dp, 17Å->2000Å
0,9792
1,7790
1,9225
0,9459
1,1569
Объем пор (см<sup>3</sup>/г) для Dp=500-2000Å
0,0066
0,016
0,668
0,0036
0,0053
Объем пор при 100~750Å, см<sup>3</sup>/г
0,5816
1,2357
1,4915
0,3133
0,6825
Объем пор при 100~750Å, в % от емкости пор
99,4%
99,3%
99,4%
99,5%
99,6%
Dp=диаметр пор в Å (ангстрем)
Фиг.1 представляет собой график Таблицы 2, показывающий графическую зависимость объема пор от диаметра пор (dV/dD от D) для различных адсорбентов, измеренную с помощью изотермической десорбции азота.
Пример 3
Избирательность адсорбции белков
Гранулы полимерного адсорбента, полученные в Примере 1, смачивают водным раствором 20 мас.% изопропилового спирта и тщательно промывают особочистой водой. Гранулы с диаметрами в диапазоне от 300 до 850 микрон упаковывают в устройство для гемоперфузии емкостью 200 мл, представляющее собой цилиндрический картридж с внутренним диаметром 5,4 см и длиной 8,7 см. Гранулы удерживаются внутри картриджа с помощью экранов, расположенных с каждого конца, с проходным сечением 200 микрон. На каждый конец надеты концевые крышки с центральным люэр-портом для защиты экранов и обеспечения распределения жидкости и фиксации трубки.
2
2
2
Готовят четыре литра водного 0,9% физиологического раствора, забуференного до величины pH 7,4, с 50 мг/л цитохрома-C из сердца лошади и 30 г/л сывороточного альбумина. Такие концентрации выбирают для того, чтобы имитировать клиническое лечение типичного пациента с почечной недостаточностью, где альбумин имеется в большом количестве, а β-микроглобулин присутствует в крови при значительно более низких уровнях. Цитохром-C из сердца лошади с молекулярной массой 11685 Да имеет размер молекулы, очень близкий к β-микроглобулину массой 11845 Да, и его, таким образом, выбирают в качестве заменителя β-микроглобулина. Сывороточный альбумин имеет значительно большую молекулу, чем цитохром-С, и молекулярную массу 66462 Да и, таким образом, позволяет проводить изучение соответствующей конкурирующей адсорбции, необходимое для выбора пористого полимера с оптимальной структурой пор для исключения селективности адсорбции по размерам в отношении альбумина.
Раствор белка циркулирует с помощью диализного насоса из резервуара через проточную ячейку УФ спектрофотометра, слой гранул и возвращается в резервуар. Скорость закачивания составляет 400 мл/мин при продолжительности четыре (4) часа. Концентрацию обоих белков в резервуаре периодически измеряют с помощью их адсорбции УФ на длине волны 408 нм для цитохрома-С и на 279 нм для альбумина.
Испытывали все пять адсорбентов, описанных в Таблице 1С, оценивая их конкурирующую сорбцию белков, результаты измерения представлены в Таблице 3.
Таблица 3
Эффективность селективности адсорбции по размерам пористых полимерных адсорбентов
Идентификация полимерного адсорбента
Адсорбент 1
Адсорбент 2
Адсорбент 3
Адсорбент 4
Адсорбент 5
Емкость порового пространства, см<sup>3</sup>/г; Dp, 100Å→2000Å
0,5850
1,2450
1,5156
0,3148
0,6854
Объем эффективных пор, см<sup>3</sup>/г; Dp, 100Å→250Å
0,5678
0,9860
0,3330
0,3060
0,6728
Объем транспортных пор Dp=250~2000Å, см<sup>3</sup>/г
0,0172
0,2590
1,1826
0,0088
0,0126
Объем эффективных пор (100-250Å), в %от емкости пор
97,06%
79,20%
21,97%
97,20%
98,16%
Объем транспортных пор (250~2000Å), в % от емкости пор
2,9%
20,8%
78,0%
2,8%
1,8%
Объем пор уменьшенных размеров, см3/г; Dp<100Å
0,3941
0,5340
0,4068
0,6311
0,4716
Общее поровое пространство, см<sup>3</sup>/г; Dp, 17Å→2000Å
0,9792
1,7790
1,9225
0,9459
1,1569
Объем пор (см<sup>3</sup>/г) для Dp=500Å-2000Å
0,0066
0,016
0,668
0,0036
0,0053
Объем пор при 100~750Å, см<sup>3</sup>/г
0,5816
1,2357
1,4915
0,3133
0,6825
Объем пор при 100~750Å, в % от емкости пор
99,4%
99,3%
99,4%
99,5%
99,6%
% Цитохром-С, адсорбированный
89,0%
96,7%
95,3%
57,4%
90,1%
% Альбумин, адсорбированный
3,7%
8,1%
13%
1,0%
1,8%
Селективность
24,05
11,94
7,27
57,1
50,06
Dp=диаметр пор в Å (ангстрем)
Пример 4
Объем пор и диапазон размеров пор для обеспечения приемлемых кинетических параметров и селективности адсорбции по размерам цитохрома-C относительно альбумина
Таблица 3 и Фиг.1 обобщают соответствующие данные о структуре пор и результатах перфузии белков, полученные для всех пяти (5) адсорбентов. Селективность адсорбции цитохрома-С относительно альбумина снижалась в следующем порядке: адсорбент 4 > адсорбент 5 > адсорбент 1 > адсорбент 2 > адсорбент 3.
Количество цитохрома-С, адсорбированного в течение четырех часов перфузии, снижалось в следующем порядке: адсорбент 2 > адсорбент 3 > адсорбент 5 > адсорбент 1 > адсорбент 4.
Адсорбент 4 с самой высокой селективностью, равной 57,1, имел самые низкие кинетические параметры, забирая только 57,4% доступного цитохрома-С в течение четырех часов перфузии. Такой кинетический результат проистекает из объема эффективных пор, находящегося на низшей границе диапазона размеров пор, при этом весь объем эффективных пор соответствует диапазону размеров пор от 130 до 100 Å. Это незначительное поровое пространство для пор диаметром больше 130 Å, и этот небольшой размер пор тормозит проникновение цитохрома-C.
Адсорбент 5 с его преобладающим объемом пор в диапазоне между 100 и 200 Å обладает второй наивысшей селективностью в отношении цитохрома-С относительно альбумина, равной 50,6, и он имеет хороший массоперенос в эффективный объем пор, захватывая 90,1% цитохрома-С в течение четырех часов перфузии. Этот пористый полимер имеет наилучшее соотношение свойств с очень хорошей селективностью адсорбции по размерам в отношении цитохрома-С относительно альбумина и очень хорошую емкость цитохрома-С в течение четырех часов перфузии.
Адсорбент 1 показал достаточно хорошую селективность, равную 24,05, в плане сорбирования цитохрома-С относительно альбумина. Он также проявил хорошую емкость для сорбирования цитохрома-С в течение четырех часов перфузии, захватывая 89,0% доступного количества.
3
3
Адсорбент 2 с самой высокой емкостью сорбции цитохрома-С в течение четырех часов перфузии захватывал 96,7% доступного цитохрома-С. Такая высокая емкость является результатом наличия большого порового пространства, 0,986 см/г, в пределах объема эффективных пор в диапазоне от 100 Å до 250 Å. Однако такой пористый полимер позволял адсорбировать большее количество альбумина, чем в случае адсорбентов 1, 4 и 5, поскольку он имел значительное поровое пространство, 0,250 см/г, в диапазоне размеров пор от 250 Å до 300 Å.
3
Адсорбент 3 с очень широким распределением по размеру пор (см. Фиг.1) имеет самую худшую селективность в группе, равную 7,27. Он имеет очень большое поровое пространство в диапазоне размера пор более 250 Å. Этот пористый полимер имеет поровое пространство 1,15 см/г в пределах диапазона размера пор от 250 Å до 740 Å. В отличие от остальных четырех адсорбентов этот пористый полимер не обладает селективностью адсорбции по размерам в отношении белков массой менее приблизительно 150000 Да, хотя он сорбировал 95,3% доступного цитохрома-С во время перфузии.
С учетом свойств селективности сорбции цитохрома-С относительно альбумина и емкости для захвата цитохрома-С в течение четырех часов перфузии пористый полимерный адсорбент 5 показал оптимальные характеристики. Этот пористый полимер имеет надлежащую структуру пор для того, чтобы быть эффективным при гемоперфузии во взаимодействии с гемодиализом для пациентов с терминальной стадией почечной недостаточности.
В свете изложенных выше идей возможны многочисленные модификации и изменения настоящего изобретения. При этом следует понимать, что в рамках прилагающейся формулы изобретения изобретение может быть осуществлено на практике иначе, чем конкретно раскрыто в данном контексте.