Die Erfindung bezieht sich auf ein Polymer für die Gewebezüchtung basierend auf einem bioabbaubaren Polyphosphazen mit photopolymerisierbaren Seitengruppen sowie auf ein dreidimensionales Gerüst für die Gewebezüchtung unter Einsatz dieses Polymers.

Fortschrittliche Materialien für biomedizinische Anwendungen, beispielsweise für Implantate, für Liefersysteme zur kontrollierten Freisetzung von Wirkstoffen oder für Gerüste zur Gewebezüchtung, basieren auf biologisch abbaubaren Polymeren. Für Polymere, die erfolgreich als Matrizen für die Gewebezüchtung verwendet werden können, werden bestimmte biologische und physikalische Eigenschaften, wie

Biokompatibilität, spezifische mechanische Eigenschaften, anpassbare Abbauraten und nicht toxische Abbauprodukte, sowie eine Morphologie gefordert, die das Gewebewachstum unterstützt. Für dieses Anwendungsgebiet sind Poly ( organo ) phosphazene aufgrund ihrer sehr unterschiedlichen, von den Substituenten der Seitengruppen abhängigen Eigenschaften, vor allem aber der Möglichkeit, die Abbaugeschwindigkeit des anorganischen Rückgrats zu ändern, von besonderem Interesse.

Außerdem bilden die Abbauprodukte zum Unterschied zu sauren Abbauprodukten von vielen anderen in der Biomedizin eingesetzten abbaubaren Polymeren eine nahezu neutrale, pH-gepufferte Mischung aus Phosphaten und Ammoniak, sodass unerwünschte Nebenwirkungen, wie Gewebereizungen und entzündliche oder allergische Reaktionen, weitgehend ausbleiben.

Um die Abbaurate von Polyphosphazenen einstellen zu können, ist es bekannt (US 6 077 916), einerseits hydrophobe Seitengruppen, wie p-Methylphenoxy und andere aromatische Gruppen, und anderseits hydrolytische Seitengruppen, wie

Aminosäurealkylester , vorzusehen. So wird beispielsweise die Hydrophobie eines mit Ethylglycinat substituierten Polyphosphazens durch Hinzufügen von p-Methylphenoxy als Co-

Substituent erhöht, während die Ethylglycinat-Seitengruppe die biologische Abbaumöglichkeit zu unschädlichen Abbauprodukten in einer wässrigen Umgebung sicherstellt.

Nachteilig ist allerdings, dass die für einen Einsatz auf dem Gebiet der Gewebezüchtung erforderlichen mechanischen Eigenschaften nur mit einem zusätzlichen, nicht auf der Basis eines Polyphosphazens aufgebauten Polymers erreicht werden können .

Zur Bereitstellung hochporöser, dreidimensionaler, biologisch abbaubarer Polymerstrukturen auf der Basis von Polyphosphazenen für die Züchtung von Skelettgeweben ist es außerdem bekannt (US 6 235 061), das Polyphosphazen mit hydrolytisch instabilen Seitengruppen, wie Glucosyl-, Glycinyl-, Glyceryl-, Imidazolyl- oder Ethoxy-Gruppen zu substituieren. Die hohe Porosität wird durch Salze, vorzugsweise Natriumsalze, ermöglicht, die dem in einem organischen Lösungsmittel, bevorzugt Tetrahydrofuran (THF), gelösten Polymer zugemischt werden, um nach einem Verdampfen des Lösungsmittels wieder aus dem ausgehärteten Polymer gelöst zu werden, sodass eine offenporige Polymermatrix mit gleichmäßig über das Volumen verteilten Poren erhalten wird. Nachteilig ist allerdings, dass die mechanischen Eigenschaften dieser bekannten Polymerstrukturen den höheren Anforderungen beim Einsatz als Implantat nicht genügen können.

Die WO 2008153278 AI zeigt Hydrogele auf Polyphosphazenbasis, wobei das Polyphosphazen vernetzbare Seitengruppen aufweist. Vorteilhaft ist die durch die Quervernetzung erzielbare etwas höhere mechanische Stabilität des Hydrogels. Nachteilig am beschriebenen Polymer ist, dass das Polyphosphazen mehrere unterschiedliche Seitengruppen aufweist, was ein komplexes Herstellungsverfahren erforderlich macht. Nachteilig ist zudem, dass aufgrund der unterschiedlichen Seitengruppen keine ausreichend hohe Quervernetzung erreichbar ist und aufgrund der Verwendung einer PEG-Seitengruppe ein weiches hydrophiles

Polymer also ein in Wasser quellendes Hydrogel resultiert.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Polymer für Gewebezüchtungen der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass nicht nur vorteilhafte Voraussetzungen für einen einstellbaren, biologischen Abbau geschaffen werden, sondern auch die Voraussetzungen geschaffen werden, mit Hilfe dieser Polymerstrukturen in einfacher Weise für die Gewebezüchtung gut geeignete, dreidimensionale Gerüste zu schaffen, die auch höheren mechanischen Anforderungen entsprechen können.

Zum Lösen der Aufgabe wird ein Polymer für die Gewebezüchtung aus bioabbaubaren Polyphosphazenen mit photopolymerisierbaren Seitengruppen vorgeschlagen, bei welchem die Seitengruppen der Polyphosphazene ausschließlich aus Aminosäuren und/oder Aminosäurederivaten gebildet sind, welche über die Aminogruppe der Aminosäure am Rückgrat des Polyphosphazens gebunden sind und an der Säuregruppe eine über einen Abstandhalter gebundene Vinylgruppe, also eine reaktive Kohlenstoff-Kohlenstoff- Doppelbindung, aufweisen, wobei für die Länge m der Kohlenstoffkette des Abstandhalters gilt m = 0 bis m = 10.

Besonders vorteilhaft ist, dass jede Seitengruppe am Ende eine reaktive Kohlenstoff-Doppelbindung aufweist, wodurch ein verbessert quervernet zbares Polymer resultiert. Durch die Quervernetzung lassen sich so starre formstabile Gerüste für die Gewebs Züchtung herstellen, welche eine hohe Porosität aufweisen können. Besonders vorteilhaft ist zudem, dass alle Seitengruppen über Peptidbindung der Aminogruppe der Aminosäuren bzw. der Aminosäurederivate am Polyphosphazen-rückgrat binden, wodurch aufgrund der einheitlichen Reaktivität bei Bindung der Seitengruppen der Herstellungsprozess leicht beherrschbar ist, insbesondere auch bei Verwendung unterschiedlicher Aminosäurebzw. Aminosäurederivat-Seitengruppen das Mengenverhältnis dieser . Bevorzugt weist das erfindungsgemäße quervernet zbare

Polyphosphazen eine Struktur gemäß der Strukturformel

auf, wobei Xi für NH und X ₂ für 0, S oder NH steht,

Ri die Seitenkette von Alanyl, Valinyl, Leucinyl, Isoleucinyl, Prolinyl, Phenylalaninyl , Tryptophanyl , Methioninyl, Glycinyl, Serinyl, Threoninyl, Cysteinyl, Tyrosinyl, Asparaginyl, Glutainyl, Aspartoyl, Glutaoyl, Lysinyl, Argininyl oder Histidinyl ist und wobei gilt m = 0 bis 10 und n = 3 bis 1000.

Die Seitengruppe des Polyphosphazens ist bevorzugt ein Aminosäureester, besonders bevorzugt ein Aminosäurevinylester oder ein Aminosäureallylester . Demgemäß wird die Vinylgruppe bzw. deren Abstandhalter über eine Esterbindung an der Hydroxygruppe der Aminosäure gebunden (X ₂ steht für 0) .

Bei Verwendung eines Aminosäurederivats kann anstelle der Esterbindung eine Amid- (X ₂ steht für NH) oder Thioesterbindung (X ₂ steht für S) vorliegen.

Ein erfindungsgemäßes Polyphosphazen kann Seitengruppen aus verschiedenen Aminosäureestern bzw. Aminosäurederivaten aufweisen, beispielsweise valine allylester und glycine allylester, bevorzugt weist das erfindungsgemäße Polyphosphazen einheitliche Seitengruppen auf, beispielsweise ausschließlich glycine allylester.

Es ist auch denkbar, die Amidbindung Xi durch eine Ester- oder Thioesterbindung (Xi würde für 0 oder S stehen) zu ersetzen, dies würde aber aus derzeitiger Sicht zu einem Polymer mit eher nachteiligen Eigenschaften für die bevorzugte Anwendung als Gerüst zur Gewebezüchtung führen.

Aufgrund der Seitengruppen kann das vergleichsweise kurzkettige Polyphosphazen einer Photopolymerisation mit dem Ergebnis einer ausgeprägten Quervernetzung mit kovalenten Bindungen unterworfen werden, sodass alle Voraussetzungen zum Herstellen eines dreidimensionalen, quervernetzten Polymergerüsts erfüllt sind, das die mechanischen Eigenschaften für ein als Implantat einsetzbares Gerüst zur Gewebezüchtung mit sich bringt, biokompatibel ist und biologisch abgebaut werden kann.

Der Einbau von zum Rückgrat benachbarten Aminosäure-Spacern wie vorzugsweise Glycin-Spacern bedingt insbesondere eine Beschleunigung der hydrolytischen Abbaubarkeit des

Polyphosphazenrückgrats , wobei die reaktive Kohlenstoff- Kohlenstoff-Doppelbindung der Vinylgruppe am Ende jeder Seitengruppe vorteilhafte Voraussetzungen für die anschließende photochemische Vernetzung und Funktionalisierung des Polymers bieten .

Dreidimensionale Gerüste für die Gewebezüchtung lassen sich auf der Basis von mit Aminosäurevinylestern oder

Aminosäureallylestern substituierten Polyphosphazenen besonders vorteilhaft herstellen, wenn das Polyphosphazen photopolymerisiert bzw. photovernetzt wird.

Für die Photoreaktion kann vorteilhaft eine Thiolverbindung, welche zumindest zwei Thiolgruppen aufweist, eingesetzt werden, wobei der Einsatz einer entsprechenden Auswahl an multifunktionalen Thiolen mit unterschiedlichen Abstandhaltern zwischen den zumindest zwei Thiolgruppen die Anpassung der jeweiligen Eigenschaften an die vorgegebenen Anforderungen und die Steuerung des hydrophilen und hydrophoben Verhaltens des fertigen Gerüsts erlaubt. Besonders vorteilhafte Verhältnisse konnten in diesem Zusammenhang sichergestellt werden, wenn als Thiolverbindung ein Thiol-trimethylolpropan- tris(3- mercaptopropionat ) eingesetzt wird, welche drei Thiolgruppen aufweist. Die Funktionalisierung über eine Thiol-En-Addition ermöglicht die kovalente Bindung von verschiedenen Molekülen mit einer Thiolgruppe. So kann vorzugsweise die biologische Abbaubarkeit des Polymergerüsts durch die Polymerisation des Polyphosphazens mit einer Thiolverbindung und einem Adipinsäuredivinylester aufgrund der Hydrophobie dieses Esters nachhaltig beeinflusst werden. Die Eigenschaften des dreidimensionalen, quervernetzen Gerüsts können somit einfach eingestellt werden, wobei nur die Synthese eines einzigen Poly ( organo ) phosphazens mit einheitlichen Seitengruppen erforderlich ist.

Die erforderliche Porosität des dreidimensionalen Gerüsts zur Gewebezüchtung kann auf unterschiedlichen Wegen in an sich bekannter Weise, z. B. durch Stereolithographie oder Schäumen durch ein Treibgas, erreicht werden. Besonders einfache Herstellungsbedingungen ergeben sich allerdings, wenn den Vernetzungskomponenten ein Porogen, vorzugsweise ein Salz, beigemischt wird, das nach der Polymerisierung wieder aus dem Polymerisat ausgelaugt wird und ein zusammenhängendes Porensystem zurücklässt.

Die Erfindung wird an Hand eines Herstellungsbeispiels und einer Zeichnung veranschaulicht:

Fig. 1: Zeigt das Reaktionsschema zur Herstellung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Polyphosphazens mit polymerisierbaren Seitengruppen.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Polyphosphazens wurde eine makromolekulare Substitution von Polydichlorphosphazen durchgeführt, das über eine lebende Polymerisation von

Trichlorphosphoranimin synthetisiert wurde. Im Handschuhkasten wurden 24,5 mg PC1 ₅ (0,12 mmol, 1 eq.) und 0,66 g C1 ₃ P = N-SiMe ₃ (2,94 mmol, 25 eq.) in 10 ml wasserfreiem CH ₂ CI ₂ gelöst und 16 Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Das Lösungsmittel wurde unter vermindertem Druck entfernt und das erhaltene Polydichlorphosphazen ohne weitere Reinigung verwendet.

Ausbeute quantitativ: ³¹ P-NMR (CDC13): δ = -18,16 ppm.

Die makromolekulare Substitution von Polydichlorphosphazen erfolgte gemäß dem in Fig. 1 skizzierten Verfahren, wobei das erhaltene Polymer 1 Seitengruppen von Glycin-Allylester aufwies.

Es wurde zunächst 1,52 g 2- ( Tert-butoxycarbonylamino ) -acetat (7,06 mmol, 2,4 eq.) in Trifluorethansäure ( TFA) /CH ₂ C1 ₂ (1/3) 6 Stunden lang entschützt. Die Lösungsmittel wurden sorgfältig unter Vakuum entfernt, um Allyl-2-aminoacetat zu erhalten. Allyl- 2-aminoacetat wurde in wasserfreiem THF gelöst und ein großer Überschuss an NEt3 hinzugefügt, um TFA-Reste zu neutralisieren. In wasserfreiem THF gelöstes

Polydichlorphosphazen (0,66 g, 2,94 mmol, 1 eq.) wurde dann der Lösung von Allyl- 2-aminoacetat hinzugefügt. Die Umsetzung wurde 24 Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Ausgefälltes Salz wurde durch Filtration entfernt und das Reaktionsgemisch unter Vakuum konzentriert. Das Polymer wurde durch ein Ausfällen aus THF in gekühltem Diethylether gereinigt. Das Polymer wurde dann in Ethylacetat gelöst und weiter mit H ₂ O und einer Lake gewaschen sowie über MgSÜ ₄ getrocknet. Das Lösungsmittel wurde unter Vakuum entfernt und das Produkt unter Hochvakuum weiter getrocknet, um das Polymer 1 als gelbliches hochviskoses Produkt zu erhalten.

Ausbeute; 0,66 g (80 %). ¹ H-NMR ( CDCI ₃ ) : δ = 3,75 (br , 2H) , 4,55 (br , 2H), 5,19 bis 5,31 (br, m, 2H) , 5,84 bis 5,93 (br, m, 1H) ppm. ³¹ P-NMR (CDC1 ₃ ): δ = 1,73 ppm. ¹³ C-NMR (CDC1 ₃ ): δ = 42,8 (NH- CH ₂ ), 65,5 (OCH ₂ ), 118,4 (-CH ₂ ), 132,2 (-CH-), 172,5 (C-O) ppm. FTIR (fest): v _max = 3341 (NH) , 2938 (CH), 1737 (C=0), 1650 (C=C),

1188 (P=N) cm .

Um ein poröses, dreidimensionales Gerüst auf Glycinbasis zu erhalten, wurde das Polymer 1 durch Thiol-En-Photopolymerisation vernetzt, und zwar mit Hilfe von Thiol- trimethylolpropan- tris ( 3-mercaptopropionat ) (in Folge als Trithiol bezeichnet) . Die Photopolymerisation der Allylgruppen des Polymers 1 und des Trithiols wurde bei Raumtemperatur in Gegenwart eines Porogens in CHCI ₃ mit 2 , 2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon (DMPA) als Photoinitiator in kleinen Mengen (ca. 1 Gew.%) durchgeführt. In einem Glasfläschchen wurden das Polymer 1 (90,0 mg , 0,33 mmol, 1 eq.) und 1 mg in 1 ml CHCI ₃ gelöst. Dann wurden 0,5 ml Polyethylenglycol mit einem Nennmolekulargewicht von 200 g/mol (PEG-200), Trithiol (72 μΐ, 87,6 mg, 0,22 mmol, 0,67 eq.) und NaCl als Porogen (ca. 4,2 g, 75 Gew. % der Reaktionsmischung) zugegeben, um eine homogene Mischung mit vollständig dispergierten NaCl-Partikeln zu erhalten.

Das Gemisch wurde in einem UV-Reaktor mit UV-Licht für 1,5 Stunden belichtet.

Das Material wurde aus dem Fläschchen entfernt und zum Auswaschen des Salzes und des PEG-200 wiederholt in einen Η ₂ 0- Überschuss gelegt. Die Gerüste wurden durch Soxhlet-Extraktion unter Verwendung von EtOH für 16 Stunden gereinigt und unter Vakuum getrocknet, um ein Polymer 2 als ein poröses Pellet zu erhalten. Die Verfestigung des Reaktionsgemisches zeigte eine erfolgreiche Bildung des quervernetzten Polymernetzwerks um das Porogen .

Ergebnis: ³¹ P-NMR (fest): δ = 7,7 ppm. ¹³ C-NMR (fest): δ = 7,6 (CH ₃ ), 26,8 (CH ₂ ), 43,8 (NH-CH ₂ ), 65,1 (OCH ₂ ), 172,1 (C-O) ppm. FTIR (fest): v _max = 3342 (NH) , 2926 (CH), 1729 (C=0), 1188 (P=N) crrf ¹ . Elementaranalyse: berechnet, C 44, 57 %, H 6,23%, N 7,80 %, S 11,90 %, P 5,75 %, gefunden, C 43,97 %, H 6,21%, N 7,08 %, S 11,23 % P 5,47 % . Das Polymer 1 wurde außerdem mit einem kommerziell erhältlichen

Adipinsäuredivinylester (VE) in verschiedenen Verhältnissen gemischt, um die Abbaurate der erhaltenen Gerüste zu verändern. Die Bedingungen für die Thiol-En-Vernet zungsreaktion waren bei einer Anpassung des Molverhältnisses von den Alken-Gruppen zu den Thiolgruppen (1/1) ähnlich zu den Thiol-En-

Vernet zungsreaktion des Polymers 1.

Für ein Polymer 3 wurden 27 Gew.% des Polymers 1 mit 53 Gew.% Trithiol und 20 Gew.% VE gemischt und einer Thiol-En- Vernet zungsreaktion unterworfen.

Ergebnis: FTIR (fest): v _max = 3353 (NH) , 2930 (CH), 1728 (C=0), 1184 (P=N) cm-1.

Analyse: berechnet, C 47,91 %, H 6,50 %, N 4,19 %, S 12,79 %, P 3,09 %, gefunden, C 47,50 %, H 6,54 %, N 4,17 %, S 12,36 %, P 3,25 "6.

Die Abbauuntersuchungen wurden in entionisiertem H ₂ 0 bei 37 °C über 12 Wochen durchgeführt. Proben, die 30 mg der Polymere 2 und 3 enthielten, wurden in versiegelte Fläschchen gegeben und in 2 ml H ₂ 0 inkubiert. Eine Datenanalyse wurde jeweils dreifach in entsprechenden Zeitabständen über die Untersuchungsdauer vorgenommen .

Die Proben wurden in einem Vakuumofen bei 40 °C getrocknet, bis das Gewicht konstant war. Der Massenverlust wurde gravimetrisch bestimmt, wobei der jeweils festgestellte Durchschnittswert der Massenverluste als Prozentsatz im Vergleich zum Anfangsgewicht der Abbauprobe in der nachstehenden Tabelle angegeben wird.

Die Tabelle zeigt, dass das Polymer 2, das den höchsten Anteil an Polyphosphazenen aufwies, ein ausgeprägtes Abbauprofil in einer neutralen wässrigen Lösung bei 37 °C zeigte. Als Folge des hydrolytischen Abbaus des Polyphosphazenruckgrats werden die Netzwerkbindungen der vernetzten organischen Masse getrennt, was zu einer Verbesserung der Gesamtabbaurate des Gerüsts führt. Mit der Abnahme des Polyphosphazenanteils und der Zunahme des Adipinsäuredivinylesters wird die Abbaurate erheblich verringert, was auf die gesteigerte Hydrophobizität zurückgeführt wird.

Wegen der bevorzugten Anwendung der erfindungsgemäßen dreidimensionalen Gerüste für Gewebezüchtung, wurde die Zytotoxizität dieser Gerüste in Verbindung mit primären Epithelzellen und aus Fettgeweben gewonnenen Stammzellen (ASC) untersucht, wobei keine Zytotoxizität für Zellen in einem Medium festgestellt werden konnte, das zuvor mit einem Polymer 2 aufbereitet wurde, das einen besonders hohen Anteil an Polyphosphazenen aufweist. Weiterhin zeigten Vorstudien auch keine Zytotoxizität des Polymers 2 in einem Zellkulturmedium bei 37 °C während einer Zeitspanne von 42 Tagen, in denen bereits 33 % des Polymers abgebaut wurden, was auf die Nicht-Toxizität der Abbauprodukte oder deren Zwischenprodukte schließen lässt.